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為什麼工廠或自動化公司的高階主管,更需要數位元分身(Digital twins)?

 

從規劃設計到實體(規劃產線)的整個生命週期過程都是複雜且昂貴的階段,尤其是實際上線運作後才發現問題所在,而這些改善過程的時間、人事、設備…等各種成本,高達數百萬或甚至千萬不等的費用,且一邊是產線接單的交期壓力,而另一邊則是驗收未達條件的違約罰款,對雙方都是得不償失。

 

數位分身(Digital twins)是實體自動化產線的照妖鏡,當事情尚未在實體層面發生的時候,透過3D模擬分析整個運作過程,真實且精確地呈現現實情況的問題點,並立即找處解決方案與改善,大量節省30%以上的各種成本,提升營運效能以及市場競爭力。


應用

 

n  工業4.0數位分身

n  新建和現有工廠和工作站佈局規劃

n  機器連結關係

n  週期時間規劃和優化

n  自動計算工件表面和沿輪廓的處理軌跡及可選手動後處理

n  以製造商的語言對機器人進行離線編程

n  機器人和其他運動學的可達性和碰撞分析

n  驗證PLC控制器程式

n  使用真實PLC和實際總線進行虛擬調試

n  即時互動式虛擬實境工廠

n  建立展示和訓練用影片


您不得不使用智慧機械虛擬調試(commissioning)系統的龐大效益

 

n  解決30%以上溝通問題,設備商與工廠端的自動化專案規劃以3D動態模擬方式呈現

n  縮短75%規劃機械手臂(Robot)加工路徑時程,整合CNC與周邊設備並分析碰撞風險

n  縮短80% 的機器週期時間(MCT)規劃,從數小時的重新規劃變為10分鐘即調整完成

n  提升OEE數值,分析多餘的動作、過長的等待…等,精準算出Cycle time並優化改善

n  節省數百萬的事後改善費用,使用3D模擬自動化產線運作過程預先規劃正確的方案

n  減少高額的人事與交通費用支出,整合線上會議並以3D動態模擬畫面進行專案討論

n  解決不同部門的合作開發問題,機械人員與電控人員,透過模擬平台進行即時溝通

n  精確決策設備投資效益,使用模擬驗證CNC、自動化設備、RobotAGV的整合方案

n  無風險且靈活的換線規劃,建立自動化產線數位分身並快速驗證各種方案的可行性

n  一條龍式的整體效益,從接案、概念評估、設計驗證、模擬運行、訓練與VR展示等


註:點圖可看詳細大圖


主程式模組

 

主程式可對幾何,機械和電氣進行建模和模擬。

 

 

幾何模型功能

 

n  模型元素的幾何多面體之()(頂點)關係由層次結構的樹狀圖所組成。

n  直角坐標系統描述所有元素的位置和方向

n  簡單的CAD功能,讓客戶輕鬆將物體進行平移與旋轉

n  支援可切換的幾何細節級別,增加模擬運行效能。

n  渲染(Render clones)功能可呈現物體精緻材質。

n  視覺化的標註Layout尺寸,組件和間隙


機械模型功能

 

n  沒幾何外觀也可以進行運動學建模

n  複雜運動學可建模為平移和旋轉軸的組合方式

n  支援使用者自定義的運動學與Denavit-Hartenberg參數

n  支援工件和物件之間的夾持程式

n  透過電氣輸入(Electrical Inputs)控制使用者自定義的控制器程式,進行控制機械組鍵和運動鏈的運動模式


力學模擬

 

n  功能齊全的運動,即使沒有幾何也能設計

n  複雜運動學可建模為平移和旋轉軸的序列

n  用戶定義的運動學與Denavit-Hartenberg參數

n  抓取程式的工件和部件的運動

n  透過電氣輸入,教學位置或用戶定義的控制器程式控制機械組件和運動鏈


電動模型

 

n  數位與類比的I/Os用於真實的電氣建模相容用於管理電氣連接和電路圖規劃的I / O面板

n  工廠部件I/Os的分層顯示

n  清晰排列圖表可以自由選擇顯示的I / O

n  I / O的圖形連接可視化,顯示連結的對應I / O

n  I / O的訊號值的顯示和可進行手動設定

n  分配和資源標籤和項目名稱的管理


基本建模功能

 

n  Robot移動和動畫的運動路徑(Linear, PTP, Circular, Spline)和包含運動節點用於模擬期間計算的嵌套對象函數:算術(arithmetic),三角函數(trigonometry),布爾代數(Boolean algebra),高級語言控制結構(high-level language control structures),可分析模型的靜態和動態屬性(幾何,力學和電氣I/O),隨機數(random numbers)等。

n  支援建模和模擬過程內,自動幾何捕捉(顯示運動位置),以及I/O和夾持動作的觸發功能(觸發器啟動後觸發夾持)

n  使用者自定義的模型庫模型,可以進行等比例縮放,也適用於其他的機械功能元件

n  模型庫包含:幾何圖元(圓柱體、方形、圓錐、平面),紋理和材質,I / O控制器,交互元素


模擬功能
 

n  可以再3D的模擬過程中進行即時自動控制

n  時間離散模擬:用戶定義的模擬週期最低可以到1 ms

n  模擬速度可以進行快速模擬或慢速模擬

n  模擬運行的確定性再現

n  在模擬期間可以創建和刪除物件的生成源(source)和收納(sink)

n  用於物體變換過程的模擬應用,例如沖床工件改變。

n  控制器可以同時模擬無上線的設備,例如RobotI/O控制器、PLC,完全取決於電腦的性能。

n  模擬過程中可以進行追蹤程式的運行位置,立即判斷程式邏輯可行性。

n  繪製和導出特徵曲線,例如: 位置,速度,加速度,I / O值和多個性能數據


視覺化功能

n  視覺化的高性能渲染器,讓模型更接近真實

n  陰影和SSAO(螢幕空間環境遮擋)

n  可以同時進行任意數量的獨立查看窗口

n  用戶定義的剖視圖

n  與大多數3D電視和3D投影機相容

n  可匯入雷射掃描的點雲圖檔

n  多個光源參數:環境光、定向燈、點燈、頭燈

n  具有光學和其他物理性質的材料,例如: 透明玻璃、石板、木材、金屬…等。

n  可以自行匯入材料紋理的圖檔進行材質貼圖。

 

 


多媒體與互動功能

 

 

n  模擬過程中可以隨時進行互動操控。例如: 啟動或關閉開關、搬運東西、觸發Sensor感應等等

n  可點擊模型中的3D元素(例如工廠內的開關)

n  可點擊查看視窗中的2D元素(例如,一個可觸發動作的圖塊)

n  3D滑鼠和遊戲手把進行導航和互動

n  3D視頻和網路攝影機在模型中播放視頻,例如模擬場經中可以撥放自己公司的形象影片,或設備介紹影片。

n  展示控制:透過電氣(I/O)輸入在預定義視圖之間切換

n  用於互動和媒體內容的操作對象,例如 聲音,網站和消息

 


操作功能

 

n  Model Explorer用於對所有模型元素進行分層結構化存取

n  管理所有模型元素的所有屬性

n  提供的和用戶定義的模型庫的管理

n  對所有應用程式選項和模型選項的結構化存取

n  版本管理用於備份中間版本

n  用於直觀在3D視圖中進行幾何建模的圖形編輯模式

n  3D marker:多對齊操作的額外坐標系

n  模型分析揭示可能的建模誤差

n  一般查找和替換功能

n  控制器項目,程式和職位元清單的結構化管理

n  對象標註和3D視圖中的選擇

n  圖元精確的大螢幕截圖,目前視圖的高解析度,也為高質量列印

n  F1引用上下文的在線幫助系統,進行介紹例子

n  Windows已知的許多操作選項:可配置的工具欄

n  上下文菜單,鍵盤快捷鍵,停靠視窗,撤銷功能,複製和黏貼,拖放等。

n  高解析度的用戶介面,使用100%,125%,150%或200%的縮放級別


模型基本匯入模組

 

n   支援匯入 : STEPAP 203AP 214),IGESVRMLSTL3ds MaxAutoCAD DXFAutodesk FBXBlenderColladaWavefront對象格式導入3D CAD數據

n   支援匯出: Autodesk InventorAutodesk 3ds Max的外掛程式

n   針對模擬崩潰的解決問題的專業工具

 

模型專用格式匯入模組

對於以下列製造商格式導入3D CAD數據,可以使用獨立的軟體包:JTNXCATIAV4V5V6),CreoInventorSolidWorksSolid EdgeParasolidACIS。根據要求格式化DWG2D)。

 

模型匯出模組

STEPIGESVRMLSTLDXFAutoCAD R12)以及POV-Ray光線追蹤器格式導出3D幾何數據。

 


 

機構模組

使用機構模組,可以為模型添加運動並模擬機械,感測器和傳輸。

 

擴充機構功能

n  平移(推力軸)和旋轉(轉動軸)自由度,例如用於氣缸和運動鏈

n  可配置驅動器,還具有用戶定義的運動配置

n  夾爪機構

n  齒輪(gears)和齒輪組(gear wheels)

n  具有現成機構的模型庫


感測器模擬

 

n  真實感測器表示在工廠模型中

n  許多感測器類型:感應和電容接近開關、光學距離感測器、光柵、超聲波感測器、安全雷射光掃描儀、用於位置和方位檢測的相機

n  條形碼讀取器和收發器、應答器系統(RFID系統)

n  測量範圍和檢測元素的3D可視化,進行驗證實際可達範圍

n  測量範圍,頂角(錐頂角度),輸入和輸出以及其他特性等參數

n  多種常見的感測器的模型庫,可更換為自家感測器幾何外觀,無須任何程式編程即可完成。


運輸模擬

 

 

n   離散軌道傳輸系統的建模和模擬,例如:工件載體傳輸系統、自動引導傳輸系統或零件庫

n   適用於簡單組件或完整的物流系統

n   基於基礎建模,用於創建功能詳細的組件,也適用於模型庫

n   使用3D模型庫中的模型組件進行快速建模,建構複雜的工廠產線

n   基於幾何外殼的實際接觸行為

n   滑動摩擦和重力的物理模擬

n   物件CAD隱形功能,用於提升模擬效能

n   運輸系統型號庫Bosch TS2plusASYS TECTON

 


機器人控制器模組

機器人控制器模組是機器人建模和模擬的基礎。

 

模組功能特點

 

n  虛擬Robot控制器(手動教導盤)

n  不同廠牌與數量的Robot可以在同一個模型內運行模擬

n  模擬場景內可以執行Robot的移動位置與姿態教學

n  RobotTCP管理(工具中心點 - tool center points

n  視覺化的Robot工作範圍空間(3D立體),另外也可以將自製夾治具的TCP中心納入計算範圍。

n  實際由Robot製造商提供的運動學數據進行可達性分析。

n  模型庫 : 用於測試目的的Robot標準運動學,可以套入自家6軸機械手臂CAD進行整合性測試。

n  線性和旋轉附加軸的建模應用

n  整合程式編程環境

u  顯示目前正在執行的程式碼(亮黃色標註)

u  支援進行程式碼錯誤檢查

u  可以直接跳到錯誤程式碼位置處


協調轉換功能

 

n  可以呈現Robot的姿勢,在關節(joint)坐標和直角坐標中的運動

n  許多運動學類型的解析反向運動學:4軸,5軸和6軸運動學,帶旋轉軸或線性軸的三角運動學

n  可進行參數化的通用坐標轉換,用於進一步的運動學,例如: KUKA LBR iiwa

 

位置轉換功能

 

n  位置以姿勢(xyz,滾動(roll),俯仰(pitch)和偏航(yaw))進行配置和轉彎以及儲存。

n  可以在3D視圖和位置列表之間直接傳輸位置

n  空間座標位置教學的操作方式

u  在任意坐標系中使用Teach-In功能進行位置教學

u  通過滑鼠左鍵單擊3D視圖空間內的位置

u  通過單擊儲存位置或路徑節點

u  相對於現有元素的面或頂點進行單擊點選

u  直接輸入坐標位置

n  如果重複接近路徑節點定義的位置,則將按順序在所有可能的機器人配置中接近位置


 

 

 

程式設計功能

n  Robot編程語言IRL根據DIN 66312

n  IRL是一個簡單的高級編程語言,可用於控制各種製造商的Robot動作。

n  支援Robot語言自動生成功能,減少程式撰寫錯誤率。

 


碰撞檢測功能

n  對於模型的任意物件,特別是對於Robot,夾治具和夾緊細節部件,也適用於工件載體托架在上下料的碰撞分析。(註解: 任何物件都可以進行碰撞分析。)

n  對碰撞事件訊息提醒

u  對於碰撞物件進行顏色顯示,與訊息標註等。

u  使用時間戳記錄碰撞物件發生時間

u  發生碰撞時,即時停止運行模擬,查看碰撞發生處

n  通過顯式配置關鍵組件進行性能提升測試

n  考慮Robot安全距離,通過自動擠出零件邊界範圍,進行包含Robot安全距離的模擬。


塗層工藝流程模擬

 

n  具有參數的過程工具

n  工件的幾何形狀自動進行三角測量

n  透過真實顏色或偽顏色可視化塗層強度


ABB Robot模組

模型庫 : ABB Robot,支援各種型號可進行Robot編程語言RAPIDABB

3D視圖和RAPID程式之間直接交換機器人位置(robtarget),工件坐標系(wobjdata)和工具(tooldata

 

KUKA Robot模組

模型庫 : KUKA Robot,支援各種型號

可進行Robot編程語言KRLKUKA

 

Mitsubishi  Robot模組

模型庫 : Mitsubishi Robot,支援各種型號

可進行Robot編程語言 : MELFA-BASIC III, IV, and V (Mitsubishi): 支援約95%的程式語言指令

 

Mitsubishi  連線功能模組

通過乙太網,RS232USB連接到真正的三菱控制器(取決於控制器是否支援以上功能。)

上傳和下載程式和機器數據、除了以上功能外,三菱連線功能還可作為CIROS Programming提供。

 

Adept Robot模組

模型庫 : Adept Robot,支援各種型號

機器人編程語言V +AdeptVersion 12

 

Stäubli Robot模組

模型庫 : Stäubli Robot,支援各種型號

可以整合Stäubli CS8 EmulatorVAL3的關節值(joint values)

 

FANUC Robot模組

模型庫 : FANUC Robot,支援各種型號

 

Robot多家廠牌模組

模型庫 : Comau, Denso, Epson, Kawasaki, Yaskawa Motoman, Nachi, Reis, Universal Robots, HIWIN各家廠牌的Robot

 

連線控制模組

虛擬調試 – Hardware in the Loop (HIL) 模擬:針對虛擬工廠在真實控制器硬體上運行的控制器軟體的開發和測試

(註解:  上面第一句做以上修改,以下的翻譯內照舊不用改)

 

影片製作模組

n  使用者可以自訂拍攝場景和舞臺方向,編輯要講解的故事劇本。

n  多種場景轉換方法的使用

n  對選擇的模型元素進行追蹤拍攝,例如:平移、軌道運動、工件被Robot夾取的追蹤移動等等

n  進行畫面的截面和縮放

n  沿用戶定義的路徑跟蹤鏡頭,可選擇沿著另一條路徑查看方向

n  控制結構:跳轉和使用者設定觸發條件並跳到任意場景

n  通過等待和設置I / O來與模擬過程同步

n  H.264 / MPEG-4WMV9格式錄製視頻 - 幾乎沒有延遲

 

虛擬人模組

n  具有30個自由度的虛擬人(虛擬工作者)模型

n  使用機構模組內的Tech-In功能教授身體姿勢

n  位置列表存儲身體執行動作的各種姿勢

n  模擬在兩個身體姿勢之間進行插值,例如: 從拿東西的起點到放東西的終點位置,兩點位置之間進行移動過程的插值補償運算。

n  請注意: “虛擬人模組需先購買機構模組

 

模型動畫設計模組

模型動畫設計模組,透過規劃的路徑資料點,或者自行由外部匯入的路徑資料點,進行物件的動態動作模擬,節省使用複雜的功能進行建模,才能達到模擬整個過程。

 

動畫設計功能

n  簡單的對象動畫

n  用於定義3D空間中運動軌跡的運動路徑

n  在時間尺度上的運動路徑的安排

n  與模擬機構和運動學結合使用

n  物理效應功能

n  物理效果基於NVIDIA PhysX進行顯示

n  考慮重力,摩擦力和衝擊力

n  靜摩擦,滑動摩擦,恢復係數和密度與重量的參數

n  輸送帶,由電氣Input控制:速度,加速度,運行方向

n  與模擬機構和運動學結合使用

 

塗層工藝過程的模擬

參數式噴塗工具,粒子、錐角度、噴塗高度、噴圖速率 透過漸層色彩可以分析塗層強度評比

 

模型程式語言模組

n  支援編程Python語言,用於建模和模擬控制

n  支援Python 3.6Python 3.7版本


機器週期時間(MCT)規劃模組(外掛程式模組)

機器週期時間(MCT)規劃用於分析工廠生命週期(Cycletime)中的循環時間。

週期時間規劃/機械設計功能

n  比傳統的手動紙本規劃,或Excel規劃更方便,無須因為部分變更就要整體重新規劃,比傳統花費數小時的時間,縮短為10分鐘即規劃完成。

n  甘特圖用於描述所有動作的順序,並進行關聯性建立

n  輕鬆建模持續時間和動作依賴性

n  同步並行子流程的規劃功能

n  不同類型的依賴項:SimpleANDOR

n  即時自動計算關鍵路徑和總循環時間

n  構建大型且複雜流程的子流程圖

n  可以將動作標記為依賴於3D工廠模型的感測器或啟動器


順序流程圖功能

n  順序功能圖(SFC)符合IEC 61131-3

n  包含步驟(steps),轉換(transitions),操作(actions),條件(conditions)和跳轉(jumps)的序列

n  從週期時間規劃圖中自動轉成SFC程式碼,並使用與感測器相關的觸發操作

n  根據IEC 61131-3SFC輸出到真正的PLC


模型控制功能

 

根據週期時間規劃圖或根據SFC的動作控制3D工廠模型的動作、實施工廠模型整個過程的視覺化


電路圖規劃/電氣設計功能

 

n  管理I / O模塊和數值狀態

n  執行器和感測器的圖形分配

n  導出EPLAN電路圖發生器, 沙爾特計劃發電(Schaltplangenerator


週期時間分析功能

 

記錄運行模擬的週期時間規劃圖、週期時間規劃圖的比較

(註解: 此外掛程式模組也可以獨立軟體使用。)


VR展示功能模組

支援多螢幕投影,在多個螢幕上展示,也是立體的。

支援VR眼鏡Oculus RiftHTC Vive的結合使用。

 

網頁展示3D動態模型模組

將模型導出為HTML 5文件,以便在瀏覽器中進行查看

這些功能可以像3D PDF一樣用於傳達模型運行過程。

您可以在下載部分下載示例HTML檔。

https://www.verosim-solutions.com/wp-content/uploads/CIROS/downloads/CIROS_Studio_Demo_Rim_Factory.html

 

主程式播放機模組

用於播放主程式模型的獨立軟體。