数字孪生如何在工厂车间赋予汽车制造商“超能力”｜AP汽车制造
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专家表示，融合虚拟世界和现实世界的数字孪生可以降低成本、缩短上市时间，并确保安全的工作环境。
▲宝马工厂扫描物品的展示。扫描将用于创建数字孪生。照片：Thomas Geiger
什么是数字孪生？
国际标准化组织 (ISO) 将用于工业化目的的数字孪生定义为“可观察制造元素的数字表示，该元素与其数字表示之间具有同步性”。
数字孪生可以做些什么？
在制造过程之外，数字孪生在产品开发中发挥了重要作用。
设计：外部和内部设计师从虚拟模型开始设计过程，一直到装配和饰面以及内部材料。
工程：根据设计图纸，工程师创建实体汽车的数字模型，包括所有组件、平台和车身。
验证和测试：碰撞测试、驾驶模拟和风洞测试只是数字孪生的部分用途。
售后、连接和更新：数字孪生还支持无线更新。
生产：专家表示，产品和生产方面将在不久的将来使用数字孪生协同开发。
2021年12月，一种奇怪的动物开始在奥迪工厂四处奔跑，帮助他们为未来做好准备。
Spot是由奥迪和德国初创公司NavVis开发的机器狗，它携带一个3D激光扫描仪，可以记录每个工具和每平方米的图像。这些图像将被融合以创建工厂的数字孪生体，可用于计划生产、更换工具以及实现许多其他效率提升和成本节约。
因为Spot可以在周末毫无怨言地工作，也不需要休息，所以他可以在48小时内扫描整个工厂，而这项任务需要一个团队花费三周时间。
奥迪虚拟装配规划团队负责人Andres Kohler表示：“将所有规划数据合并到我们的数字孪生模型中，使我们能够提前数年全面了解未来的生产计划。”
Spot是一个测试项目，可能比他的时代提前了几年——大多数汽车制造商都依赖其他扫描方法来实现工厂数字化——但数字孪生正在成为快速、安全和高效生产的关键，尤其是在汽车制造商竞相跟上电动化和软件定义汽车等趋势的时候。
▲由奥迪和NavVis开发的机器狗 Spot 可以在 48 小时内对整个工厂进行数字扫描。
使用孪生技术，汽车制造商可以将内燃机工厂改造成电动汽车。他们可以测试安装新的工具，培训工人使用新工艺，并即时修改这些工艺，以提高生产率甚至车辆质量。
英伟达Omniverse平台开发副总裁Richard Kerris在接受《欧洲汽车新闻》采访时表示：“当拥有数字孪生时，你就可以在虚拟世界中做事情，而不必在现实世界中付出高昂的代价。”他说，一个逼真的数字孪生体，直到生产网络的最后一个螺母、螺栓、工艺和工人，可以赋予汽车制造商“超能力”。
英伟达正在与宝马、通用汽车、梅赛德斯-奔驰和其他公司合作开发其Omniverse平台。Kerris将其描述为工业元宇宙的操作系统。他很快补充说，工业环境中的“元宇宙”并不是每个人都像化身一样四处漂浮，而是一个允许3D虚拟世界之间无缝连接的网络。
“关于数字孪生的关键是，当你成功时，它不会停止，”Kerris说。“随着时间的推移，你可以研究和学习东西——也许有办法训练机器人更有效地移动或更安全地移动设备。”
数字孪生和更广泛的工业元宇宙概念建立在所谓的工业4.0的原则之上，旨在通过数据收集（物联网）和处理来构建更好的流程。
▲西门子Process Simulate连接到英伟达Omniverse，以实现完整的设计保真度、真实感和实时数字孪生（左）。
突破孤岛
“工业4.0的第一波浪潮带来了透明度和一些预测性，但它并没有真正将现实世界的数据和模拟能力结合起来，”凯捷智能工业加速器全球负责人、副总裁Pierre Bagnon告诉《欧洲汽车新闻》。“还有很多孤岛。”
在博世工作超过15年的Bagnon说，在汽车行业，数字孪生可以打破产品开发（设计师和工程师的领域）与工艺工程（汽车从原型到生产的过程）之间的壁垒。
“我们梦想的是理想的生产友好型产品设计，”Bagnon的同事Matthias Eisenschmid说，他是凯捷发明德国公司副总裁、汽车生产和供应链管理负责人，也是梅赛德斯-奔驰公司的生产规划方面的资深人士。他说，数字孪生是这个用例的“游戏规则改变者”，允许产品和工艺以同步、并行的方式开发。
“你会得到一条从一开始就成熟的生产线，”Eisenschmid 说。“过去，你必须在实际生产中花费大量时间和金钱来提升和优化工艺。使用工业数字孪生，你可以在虚拟阶段提前识别并解决大部分问题。”
Bagnon和Eisenschmid说，数字孪生可以将上市时间缩短20%到30%，将质量提高 20%，并将资源效率提高多达40%。Bagnon说：“这就是我们的客户为证明投资的合理性而提出的雄心。”
“这是一项数百万美元的投资，但更重要的问题是如果你不这样做会发生什么？”Eisenschmid说。“有新的竞争者已经在充分利用这些新技术作为常用工具。”
雷诺集团正在创建自己的工业元宇宙，包括数字孪生，这是一个历时四步、耗时数年的过程。雷诺集团数字化转型总监Eric Marchiol告诉《欧洲汽车新闻》：“我们希望拥有一个完全可操作的世界，完全复制现实世界中正在发生的事情。”
“我们了解到，海量数据的使用是实现我们目标的‘杀手级应用’，”Marchiol说。
雷诺制定了雄心勃勃的目标：到2025年，它预计将节省3.2亿欧元的总成本，节省2.6亿欧元的库存，将车辆交付时间减少60%，并将制造过程中的二氧化碳排放量减少50%。在质量方面，它将是保修成本降低60%的主要贡献者。
Marchiol说，第一步，即数据收集和标准化，始于2016年，当时雷诺构建了自己的应用程序，以便能够在平板电脑上可视化车间的现有数据，这带来了一些“快速胜利”。然后它创建了一个内部团队来“破解内部”可编程逻辑控制器、机器人和其他设备中的“黑匣子”。
整个集团拥有来自柯马或库卡等不同供应商的10,000台机器人，以及可追溯到几十年前的机器，“我们拥有大量多样化的数据，”Marchiol说。
他说，现在，雷诺可以以标准化方式从其设备中收集数据——而且它每天接收十亿个数据集。“但如果你只从设备上收集是不够的，因为我们还有很多人工操作，”Marchiol补充道。为了捕获这些数据，雷诺建立了跟踪人类活动的数字工作站。
第二步，雷诺正在使用西门子和达索的技术创建其工厂的数字孪生来模拟新设备，并将其现有工厂扫描到最后一毫米。雷诺然后有一个化身，可用于设备设置培训或人体工程学。
接下来，雷诺正在跟踪供应商的所有出站和入站活动，“因此我们确切地知道每辆卡车的位置，”Marchiol说。这将雷诺的数据生态系统扩展到其自身的工业足迹之外。
在第四步。雷诺将通过基于云的、易于使用的分析工具，在整个集团内利用其工业元宇宙的力量。“我们正在使我们所有业务中大数据工具的使用民主化，”他说。
数字孪生和元宇宙的其他部分对于雷诺向电动汽车和动力系统的转变至关重要，这些产品将在法国北部的一组名为ElectriCity的工厂中由分拆公司Ampere生产。
“当我们为电动机或电池启动新工艺时，我们不能花6个月的时间来达到满负荷或工艺优化，”Marchiol说。
他预计雷诺将在两年内拥有一个功能齐全的元宇宙，最后一步关闭自动反馈回路，允许使用数字孪生修改机器人或压力机等设备的参数。
这样的孪生技术已经被用于为新的生产线建模，包括编程机器人和在虚拟现实中执行安全检查，”Marchiol 说。
▲雷诺在法国弗林斯的工厂创新中心，该汽车制造商正在该中心开发自己的工业元宇宙，包括广泛使用数字孪生。
意想不到的好处
雷诺发现数据收集可以带来意想不到的突破。
“我们的想法是，我们可以通过预测性维护节省大量资金，我们做到了，但这并不是最大的赚钱方式，”Marchiol说。“当你开始从你所有的设备收集数据并在这个过程中建立一致性时，你就能看到你以前看不到的房间里的大象。”
对于雷诺来说，这包括车身车间的质量问题，这些问题可以追溯到特定焊缝的水平，或者特定机器人在车辆配置上的过程延迟，可能每三个小时才下线一次。
“可用于预测性维护的相同数据可用于质量或能源使用，”Marchiol 说。“每次我们添加设备时，我们都不需要问自己，‘我们需要收集数据吗？’ 这是一项自动政策。”
Marchiol 补充说：“我们已经打开了元宇宙的盒子，但我们需要用更多的功能在任何地方实现它。”
其他汽车制造商正依靠数字孪生来提高效率、创新和节约成本。GM与 General Electr ic 合作，开发了所谓的虚拟工厂测试平台，为按订单生产的流程建模；数字双胞胎还测试了车间物理和信息系统的集成。
其他汽车制造商正依靠数字孪生来推动效率、创新和成本节约。通用汽车与通用电气合作，开发了一个虚拟工厂测试平台，为按订单生产的流程建模；数字孪生还测试了厂房现实和信息系统的集成。
被Kerris称为英伟达“灯塔”客户之一的梅赛德斯将与供应商合作，在其位于德国拉斯塔特的工厂中建立一个数字孪生工厂，从2024年开始，梅赛德斯将在即将推出的MMA平台上生产全电动“入门级豪华”汽车。通过使用数字孪生，梅赛德斯可以测试平台及其工具和工艺的实施，而不会中断现有生产。
▲宝马iX1在德国雷根斯堡生产。该工厂是宝马网络中首批完全数字映射的工厂之一，由此产生了数字孪生。
与梅赛德斯一样，宝马在准备其工厂网络以制造全电动以及软件定义的汽车时，正依靠数字孪生（并与英伟达合作）。该汽车制造商去年6月表示，其iFactory模型旨在“使所有工艺和整个生产系统的规划和模拟100%虚拟化”。
“生产规划可以在早期阶段将虚拟产品集成到虚拟工厂中，”宝马生产系统、规划工具车间、工厂建设负责人Michele Melchiorre在一份新闻稿中表示。“这减少了规划工作和资本支出，同时确保工艺在升级期间更高效、更稳定。”
宝马在雷根斯堡的工厂现已完全数字化映射，其数字孪生正用于规划未来的工厂结构和配置。其他拥有数字孪生的宝马工厂包括其位于南卡罗来纳州斯帕坦堡的美国工厂及其慕尼黑工厂。
宝马表示，它将与NavVis合作，在“2023年初”之前完成对所有工厂的数字扫描，NavVis 除了机器狗Spot之外，还专门研究移动激光扫描仪，操作员在工厂车间走动时将其绑在身上。
“我们正朝着工厂实时可视化的方向前进，”NavVis数字工厂高级解决方案经理Phillip Quadstege说。
▲运行中的NavVis可穿戴激光扫描仪。这家德国初创公司正在与许多主要汽车制造商合作，扫描并数字化他们所有
NavVis扫描仪可以准确捕捉车间设备的位置，也可以捕捉工具周围直至天花板的物理空间。这可以确定新工具还有多少空间，这对于汽车制造商想要扩大产量至关重要。
Quadstege和其他专家表示，新工具标配有自己的数字表示，但旧设备需要逐件扫描。
“这些公司拥有的大部分数据都非常过时，”他告诉《欧洲汽车新闻》。“很多公司仍然在2D领域工作。”他说，即使是新工具也需要扫描到位，因为场地规划可能与实际安装不同，从而使数字孪生模型不准确。
扫描工厂后，NavVis使用云技术创建数字孪生。
Quadstege表示，透明度——公司内任何地方的任何人都能看到可能在数千英里之外的工厂中发生的事情的能力——是数字孪生带来好处的关键推动因素。
“如果你引入透明度，就会有很大的潜力，”他说。“可以减少投资；产品质量提高；可以提高规划效率。”
他说，由于工厂在车辆分配和投资方面相互竞争，这种透明度可能被视为一种威胁。“与其他工厂相比，工厂经理担心他们的工厂，”他说。“但另一方面，你无法避免数字化。”