數字雙胞胎——工業4.0的基礎技術（芥子說物聯 第六期）

《芥子說物聯》

主講：芥子（別名）

立子科技COO 廖磊

編者按

在物聯網行業快速發展嬗變的風口期，尤其是各種物聯觀念紛繁蕪雜，真偽難辨的情況下，作為一名有著使命感和責任感的物聯網從業人員，我推出原創欄目《芥子說物聯》，每周一篇，針對行業熱點、發展趨勢，做出分析論述，發表關於物聯網的原創觀點，希望與業內外群英交流、分享，以促進物聯網產業良性健康發展。

本期我和大家繼續探討工業4.0的話題。歡迎大家關注！

第六期：數字雙胞胎——工業4.0的基礎技術

工業4.0要求數字化模型必須先出現

本來不想寫這個內容，好像離物聯主題稍微有點跑偏。但是因為上一期最後給大家做了承諾，再加上這個話題確實非常重要，尤其是對於非離散製造業的從業人員還是比較陌生的領域，所以就沿著這個方向再往前走走。下一期咱再回到物聯主題。

無論是工業4.0還是CPS（請參見上一期對這兩個概念的解釋），都有Digital-Twins（數字雙胞胎）的說法。什麼意思呢？所謂Digital-Twins指的是產品的物理實體和它的數字化模型的鏡像關係。

雙胞胎當然也有出生的先後，那麼Digital-Twins呢？是物理實體先出現呢，還是數字化模型先出現呢？

工業4.0要求，數字化模型必須先出現。

所有的產品概念都產生於人的大腦，最早只是大腦里的一個抽象的，模糊的概念。要把這樣一個概念變成真真切切的產品，是非常困難的。

在沒有數字化模型幫助的情況下，要製造出一件產品，必然會經歷很多次迭代設計。僅僅為了驗證產品的每一個尺寸，部件之間的裝配關係，就不得不製造出很多個中間產品（被稱為打樣），從而耗費大量的時間和金錢。

採用了數字化模型的設計技術（就是常說的CAD技術，即數字化輔助設計），就可以在虛擬的三維數字空間里從無到有地創造出每一個部件乃至產品本身。在虛擬的三維空間里，可以輕鬆的修改部件和產品的每一處尺寸和裝配關係，這使得幾何結構的驗證工作和裝配可行性的驗證工作大為簡單，因此可以大幅度減少迭代過程中的物理樣機的製造次數，時間，成本。

不光是產品的機械結構可以用CAD技術設計，電路也可以用CAD技術設計。專門的電路CAD設計技術可以根據電路以及器件的原理，在三維數字空間設計出電路，並且也可以進行虛擬的驗證和迭代設計。同樣的，也可以大幅度減少製造物理樣機的代價。

這就是數字化模型一定會早於物理實體產品出現的原因。實際上，在最終的產品製造出來之前，有很多個數字化模型代表著產品迭代的各個階段。這些模型或者其中的一部分，仍然有可能被以後的型號或者產品線所採用，這也是數字化模型的一個附加好處。

從CADCAECAM到柔性製造 在數字化模型設計的過程中，還有一個重要的環節，那就是對產品的物理性能進行驗證，也就是所謂的CAE（數字化輔助模擬）。在數字化模型的基礎上，採用專門的CAE技術，可以在虛擬的三維數字空間驗證產品的結構強度，運動特性，流體和熱效應，甚至是電氣特性，包括天線的電磁特性。基於這樣的技術，還可以反向求解，在確定物理性能的前提下，反過來對產品的幾何特性，材料進行修改，來達到優化設計的目的。

在採用了CAE技術之後，理論上講，每一個物理效應的驗證都產生了一個從物理實體抽象出來的物理場模型，所以應該說我們在談論的是數字多胞胎技術。

如果不採用CAE技術，產品的性能是無法保證的。大家對山寨產品都有切身的感受，它們往往和原裝產品非常形似，卻不能做到神似，實際使用的效果，可謂天壤之別。

國內有很多山寨樂高玩具的產品，儘管顏色和形狀一模一樣，但是一旦上手，很快你就會發現模塊的結合部不是太松就是太緊，或者搭出來的建築強度不夠，這就是因為沒有採用CAE技術驗證所導致的。

另外舉個例子。很多手機在充電或通話時間稍長的時候，就會發燙到無法接受。這也是沒有進行CAE驗證的例子。好的品牌手機一定會用CAE技術來驗證設計的熱效應，修改設計以確保發熱在可以被接受的範圍內。

為了實現工業4.0，數字化模型設計還需要向製造環節延伸，這就需要一種被稱為CAM的數字輔助製造技術。

實際上，在採用CAD技術設計好產品的幾何結構之後，就可以採用CAM技術把需要生產這個產品的方法「計算」出來，沒錯，是計算出來。如果是機床加工的方式，那麼可以計算出刀具加工的路徑，甚至刀具的組合方式。如果是鑄造，可以計算出模具來。如果是裝配環節，還可以計算出工裝夾具。如果採用流水線加工，還可以計算出流水線的設計。

同樣的，在採用了CAM技術之後，每一個物理實體又會對應一個或者多個製造方法模型，所以在數字多胞胎的家庭中又增加了幾個成員。

是不是只要採用了以上的CAX技術就可以實現工業4.0了呢？很不幸，這只是基礎的基礎，離工業4.0的終極目標——柔性製造還遠得很呢！

要實現柔性製造，除了需要另外幾種重要的技術之外，還涉及到設計生產銷售的指導思想和組織方法。如果大家感興趣，我可以在以後專題論述。

好了，對工業4.0的基礎技術——數字雙胞胎的介紹就到這裡了。這些內容對於離散製造行業的從業人員來說就像每天呼吸的空氣一樣熟悉，但是對於非業內人士，可能就算是新聞了，我保證，閱讀了本文，基本可以幫助一個外行冒充業內人士和別人交流了。

好了，請繼續關注《芥子說物聯》第七期，主題待定。

聲明：此文僅代表作者個人言論，與公司無關。