天津大学：智能制造与数字孪生技术

智能制造与数字孪生技术——面向可持续制造方向发展一、新一代智能制造模式下的思考二、智能制造与数字孪生技术三、新一代智能制造高端人才培养2第2页第3页第3页智能可重构数控系统天津大学一、新一代智能制造模式下的思考天津大学1.1当代智能制造的发展阶段1.1当代智能制造的发展阶段1.2智能制造时代企业如何生存和发展1.2智能制造时代企业如何生存和发展1.3未来智能制造新业态的核心技术1.3未来智能制造新业态的核心技术>智能制造定义智能制造是基于新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合，贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节，具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能的新型生产方式[1]。---《国家智能制造标准体系建设指南》2015复杂性工业4.0复杂性工业3.0工业2.0应用电子信息技术进一将人类带入分工明确、工业3.0工业2.0应用电子信息技术进一将人类带入分工明确、步提高生产自动化水平人机接口大脑信息物联系统大脑控制器工业1.0控制器工业1.0“蒸汽时代”式和“电气时代”自动化、信息化电力广泛应用触觉感知蒸汽机智能体能智能机器人18世纪末20世纪初1970年代初今天时间轴第6页第6页智能制造增强感知控制物联网增强感知控制物联网网络制造增强专增强专家知识完备数大数据据库数字化制造·综合决策——实时性、准确性、多源(维)重现，多维仿真，深度推演以至于数字孪生，多目标优化·超前调整——处理未来事件推演最优决策以至于协调或干预智能制造是基于新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合，贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节，具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能的新型生产方式1。第7页第7页TianjinUniversity报废使用与维护快速需求工程产品使用与维护快速需求工程产品规划产品设计生产Al技术智能制造增强专增强专家知识大数据数字化制造完备数据库大数据数字化制造完备数据库装备智能化生产智能化制造智能化智能制造是基于新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合，贯穿于设计、生产、管理、服务等制造第8页第8页天津大学天津大学网络化网络化数字化范式演进HCPS10数字化制造智能化数字化智能升级工业4.0开始应用信息物理融合信息物联系统自动化、信息化智能体能18世纪末20世纪初1970年代初今天时间轴将人类带入分工明确、大批量生产的流水线模式和“电气时代”应用电子信息技术进一步提高生产自动化水平创造机器工厂的“蒸汽时代”数字化数字化网络化智能化第9页第9页新一代信息技术口把握本质积极应对新一代信息技术口选择核心技术高质量落实口面向未来趋势，把我发展方向-生产能源-生产成本-有害废弃物一包装制造前-运输-工人伦理-工作安全-劳动力成本二手奔婪塞-人体工程学-材料获取-面向环境的设计-材料加工-可再制造性-再设计-填埋-产品定价-人的安全-可升级性-投诉-原材料成本-人体工程学-排放-功能-危险废弃物-回收成本-拆卸成木-再制造成本-处置成本>什么是好的智能制造系统?√是满足客户个性定制生产需求的目标下，对生产过程诸环节进行精准顾测、规划。并对制造过程的长期健康高效运行进行精益控制和维护。智能制造的最终标准是“人-制造-环境”整体质量最优的和谐发展即可持续制造。/a/156820371658106第10页第10页超使口超使口生产智能化无线局域网无线局域网和物联网覆盖全企业决策认知先进制造技术先进制造技术口服务智能化口服务智能化制造执行系统信息控制级疆控制级设备控制数据(信号数据(信号)物流保养维修物流保养维修快速快速原型制造报废与回收使用与维护需求工程产品设计产品规划生产外脑功能系统复现的关键技术——数字孪生(DigitalTwin)天津大学第12页第12页Al技术CNISD:之言。DigitaltwinCN_PV:connectionbe信息监测预测软件关键技术JCheng,HZhang,FeiTao*,etal.DT-II:DigitaltwinenhancedIndustrialInternetreferenceframeworktowardssmartmanufacturing[J].RoboticsandComputer-IntegratedManufacturing,2020,62:101881.第13页第13页※智能机床是对其加工制造过程能够进行自动感知、智能辅助决策、智能监测、智能调节和智能维护的机床，实现加工制造过程的高速、高精、高可靠性和低功耗。学习与建模模型更精确适应性更强优化与决策优化更准确决策更及时感知与连接数据更多汇聚更快算法库数据库脑力替代与增强NC-Link数数控机床1控制与执行控制更精执行更快LocalNC售数数控机床。深度学习基础数学库工业机器人工业机器人智能模块智能模块温度信号振动信号0车小v0车小v第14页第14页>数控机床与互联网+机床信息系统CyberSystem信息系统CyberSystem物理系统PhysicalSystemHmaPhysicalSystemHma智能控制控制四肢，语言控制四肢，语言分析决策大脑机器人机接口机器人机接口动力装置执行机构传感装置决策、认知手动机床工作台智能分析决策手动机床工作台智能分析决策优化学习认知大脑专家知识和大数据大脑大粉接大脑手柄螺每轴承手柄螺每轴承轴-承视觉、听觉、轴-承视觉、听觉、与处理视觉、触觉与处理触觉……口数控机床是“人-信息-机系统”(human-cyber-physicalMOMT)是机床的最初形态，它是人和机床物理系统的融合。操作者通过人脑的感知和决策，用双手操控机床，完成零件加工。第15页口随着“互联网+”技术的不断推进，互联网、物联网、智能传感技术开始应用到数控机床的远程服务、状态监控、故障诊断、维护管理等方面。第15页第16页第16页大数据平台大数据平台AI机器学习、深度学习强化学习、迁移学习其他智能机床的控制策略与知识机床全生命周期编码器、电流、温度传感器决策与优化1.质量提升3.健康保障4.生产管理人感知、分析决策、认知零件双码联控CAD/CAM智能控制i代码模型模型自主感知与连接自主学习与建模自主优化与决策自主控制与执行实时调节外部传感器数据机床空间结构模型机床热误差模型模型传感器电机伺服PID调节NC-LINK指令域插补实时数据CNC插补控制内部电控实时数据轴承数控机床数字孪生G代码主轴工作台中-Security/Firewall-LiveMonitoring-EasyforNetworkConnection(Wire&Wireless)理人员自主感知与连接、自主学习与建模、自主优化与决策、自主控制与执行新一代人工智能技术融入数控机床，赋予机床学习的能力，可生成并积累知识。人的知识学习型脑力劳动交由数控系统完成。2.2数字孪生技术——智能生产规划天津大学>数字孪生系统SourceDeloitteUniversiryPress.车间物理数据H|关联共生数据多状态感知路0转兰评零转兰评零车间李生数据车间李生数据产品产品规划研究所制造厂服务计划生产能力电子采购协同设计与制造制造厂顶层规划基于模型的工艺、检测企业资源计划和制造能力规划辞局规划设备布局基于模型的制造运行管理报废处置使用与维护集成测试产品生产线布供应链管理重构数字孪生是在虚拟空间中创建物理对象的高保真虚拟模型，以模拟其在现实世界中的行为并提供反馈，反映了双向动态映射过程。·能够更快、更准确地预测和检测物理问题，优化制造流程，提高产品质量第17页2.2数字孪生技术——智能生产规划天津大学PhysicalworldDigitalanocyberwori>>数字孪生核心技术模型、行为模型、算法模型时间、温度、电信号、振动信号等的实时交互全要素仿真物理实体在信息空间中的全要素仿真数据分析和人工智能算法，实现对物理实体的迭代优化与实时决策给定目标下的分析与决策法给出综合性分析与动态评价监测监测OPC-UA、TCP/IP等接口信号接口、数据接模型口、控制接口等行为响应机制、演变规产品/物料设计阶段模型、工艺等记录等质量等运维阶段实时状态、历史数据、维修诊断预测调度控制智能制造系统物理实体数字孪生模型实时交互与更新多源异构信息指令、反馈天津大学2.2数字孪生技术——智能生产规划天津大学>需求工程产品需求工程产品设计企业联盟层企业管企业联盟层企业管理层生产管理层总体规划产品和报废报废与回收处置使用生产制造厂生产制造厂>设备生产过程实时反馈>设备生产过程实时反馈研究所电子采购协同设计与制造重构重构>生产过程执行与管理顶层规划基于模型的工艺、检测企业资源>生产过程执行与管理需求运行维护运行维护制造厂基于模型的制造运行管理规划工艺生产线布局规划设备布局建造集成生产线布局规划设备布局建造集成测试>设备协调维护物理实>设备协调维护第19页第19页智能制造系统数字孪生模型库动态更新动态更新动态更新动态更新物理模型、控制模型、行为模型、算法模型智能制造装备、仓储物流设备、产品/物料、人员物理模型、控制模型、行为模型、算法模型实时交互动态检索与调用运维数据排加工特征约束分析排加工特征约束分析加工工序制造需求-零件族可适应工艺规划与产线布局设备选型在线监控与智能维护几何、物理、控制、在线监控与智能维护几何、物理、控制、行为、算法等数据快速可重构快速可重构EL□U口智能制造系统物理实体全要素仿真客户交互仿真结果分析全要素仿真2.2数字孪生技术——智能生产规划天津大学智能制造系统快速可重构◆可适应工艺规划◆设备快速选型◆布局场景构建·权限开放与动态更新·支持多种格式二维图纸和三维模型导入面国面国数控机床加工仿真◆NC数据快速生成动态加工仿真机器人示教仿真基本机器人功能机器人圆弧示教工具机器人轨迹创建机器人喷涂可视化智能制造系统可视化仿真高度逼真的渲染效果VR虚拟现实手机APP智能制造系统数字孪生仿真支持OPC-UA、TCP/IP等多种通讯协议+PLC交互(虚拟调试)◆支持虚拟调试、测试、维护项目交付项2D、3D图生成生成标准化项目文件统计和报告·支持动态生产仿真数据可视化支持导出PDF和XLS等格式的生产仿真数据支持大数据分析/ens!N/ens!NVE²=VisualEngineering×Education工艺规划制造资源选择工序静态调度定义属性、行为、编号TSIM定义属性、行为、编号工艺规划制造资源选择工序静态调度定义属性、行为、编号TSIM定义属性、行为、编号DM定义属性、行为，编号数控车床可适应工艺规划数控机床专用机床数控钻孔机定义属性、行为、编号专用机床数控钻孔机定义属性、行为、编号工装夹具工装夹具新松定义属性、行为、编号定义属性、行为、编号定义属性、行为，编号本地资源循助零部件本地资源循助零部件无人机二三维扫描设备资源库二仿真与快速响应设计，还可广泛应用于教学与实训设备资源库二红红天焊接车间场景权限开放与动态更新的智能制造装备网络模型库(本地资源本地资源实训中心场景互联网资源接口定义二实训中心场景互联网资源接口定义二布局优化与重构仿真结果分析LOGO菜单栏/工具栏二其他功能按钮二CAD设计设备和场景资源库接口智能制造系统可适应规划仿真平台场景资源库结构设计与NC数据生成平台建模操作简单，模型结构设计与NC数据生成平台格式导入系统可视化仿真支持OPC-UA等多种通讯协议，实现复杂智能系统可视化仿真系统界面制造系统数字孪生，实现虚拟装调、测试与维护。VE²总体架构仿真效果逼真，可导出4K高清图像、3DVE²总体架构第22页天津大学VE2.3数字孪生平台支撑技术天津大学机床库机器人库物流仓储设备库夹具库心自定义模型行为、连接属性必标准CAD模型导入天津大学天津大学必机器人圆弧示教必机器人抓取示教必机器人焊接示教必机器人识别抓取第25页第25页?H0:00:00SinutureSimbbonvarisbk平×ConnectedVariablesSruchureSmation回ESeneLtadhReadyJNFeedsensorBooLNServertosimulationMainPusherControLOUTLilatchConboLOUTTunAsheContoLOUTPowerOnPoweCnvariatkadTPrepred回LatetvSenervariabieFALSEFASEFALSETRLETRLEOMinAusherfxtendedJNOLiHatchleadyJINDMinPsherfetracted,NDFeedSensorBootJNOpahenCosedOUTO.MinRusherContoLOUTOLHatchContiolOUTWDComePuheControLOUTO.PowerOnConweyorOUTOPowerOnCoeyornOUT第26页第26页天津大学2.3数字孪生平台支撑技术天津大学2.3数字孪生平台支撑技术2.3数字孪生平台支撑技术TitleOf天津大学三.新一代智能制造高端人才培养第90页第90页必车铣双工位环形智能制造单元(1/3)行为数据接口制造系统广域资源制造系统广域资源智