智能制造与数字孪生技术：面向可持续制造方向发展

智能制造与数字孪生技术—

—

面向可持续制造方向发展天

津

大

学TianjinUniversity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天

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学TianjinUniversity提

纲2第2页一、新一代智能制造模式下的思考天

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学TianjinUniversity第3页天大精益智能可重构数控系统第4页1.2智能制造时代企业如何生存和发展1.1当代智能制造的发展阶段1.3未来智能制造新业态的核心技术一、新一代智能制造模式下的思考天津大学TianjinUniversity第5页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体能智能机器人18世纪末20世纪初1970年代初今天时间轴智能视觉感知视觉传感器工业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大批量生产的流水线模式和“电气时代”

自动化、信息化电力广泛应用人机接口大脑触觉感知1.1当代智能制造的发展阶段工业4.0开始应用信息物理融合

系统(CPS)信息物联系统工业1.0创造机器工厂的

“蒸汽时代”蒸汽机天

津

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学TianjinUniversity>

智能制造定义第6页复杂性力

传

感控制器·趋势预测——深层迭代，自学习、

自推理以至于寿命预测、故障溯源·

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。>智能制造使能技术Al技

术智能制造增强感知控制物联网网络制造完备数

大数据据库数字化制造1.1当代智能制造的发展阶段使能技术是驱动力IMS:

主要性能特征天

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学TianjinUniversity增强专家知识第7页1MS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]。智能制造将使能技术在生产诸环节上赋能是关键Al

Al

Al1.1当代智能制造的发展阶段

赋能技术是关键>

当前智能制造关键是赋能Al技术天

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学Tianjin

University报废与回收增强感

知控制物联网网络制造快速原型制造大数据数字化制造使用与维护产品规划需求工程第8页产品设计生产智能制造完备数

据库增强专

家知识MS工业4.0工业3.0工业2.0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”电力广泛应用蒸汽机智能体能18世纪末

20世纪初

1970年代初

今天

时间轴HCPS20新一代智能制造智能化智能化网络化网络化数字化范式演进数字化

网络化

智能化√

智能制造是科技发展的必然阶段√

智能制造时代已来，势不可挡!>数字化是基础、网络化是关键、

智能化是趋势1.1当代智能制造的发展阶段HCPS10数字化制造智能化网

络

化数字化天津大学TianjinUniversity应用电子信息技术进一

步提高生产自动化水平自动化、信息化开始应用信息物理融合

系

统(CPS)信息物联系统数字化

网络化制造工业1.0创造机器工厂的

“蒸汽时代”第9页智能升级数字化HCPS1.5C>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。制

造

使

用-生产能源

-生产成本-有害废弃物一包装一可再生能源

-能源成本制造前

-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-材料加工环

境

社会

经济可

持

续

的

生

态

环

境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。https://www.s/a/156820371658106口把握本质积极应对口选择核心技术高质量落实口面向未来趋势，把我发展方向新一代信息技术先进制造技术1.2智能制造时代企业如何生存和发展

可持续性是方向天

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学TianjinUniversity二

使用后-

可回收性-可再制造性-再设计-填埋第10页-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-再制造成本一维护成本-处置成本外脑功能系统复现的关键技术——数字孪生(Digital

Twin)/a/156820371658106天

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学

TianjinUniversityAI快速原型制造1.3未来智能制造新业态的核心技术各级之间ERP

级

信

MES级

新一代信息技术制造执行系统企业资源规划明化时通透实生产保持无线局域网和物联网覆盖全企业

决策认知信

息疆口

服务智能化口

生产智能化口

装备智能化先进制造技术学习与院极超使C化

aX化更第11页控制级设备控制设备级传感器-执

行器-设备报废与回收使用与维护探

备我行镇需求工程产品设计产品规划生产数据(信号)物流

保养维修口二

.智能制造与数字孪生技术天津大学TianjinUniversity第12页2.1数字孪生的概念

天

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学TianjinUniversityAl技术信息管理执行硬件关键技术AI信息监测预测软件关键技术JCheng,HZhang,

FeiTao*,etal.DT-II:DigitaltwinenhancedIndustrialInternetreferenceframeworktowards

smartmanufacturing[J].RoboticsandComputer-Integrated

Manufacturing,2020,62:101881.CN_PV:connectionbetweenphysical

entities

and

virtual

modelsPhysical

entiesServicesCNISD:connectionbetween

services

and

aata大数据技术…)

9Digital

twindata第13页Virtualmodels之言。治用

o。2※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。2.1数字孪生技术——智能机床脑力替代与增强控制与执行控制更精

执行更快学习与建模模型更精确

适应性更强知

识优化与决策优化更准确

决策更及时算法库数据库NC-LinkNcUC20总线天

津

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学TianjinUniversityLocalNC售Cyber

MT深度学习基础数学库第14页温度信号视频信号振动信号感知与连接数据更多

汇聚更快智能模块工业机器人数

控

机

床

。数

控

机

床

1CyberNC车小v0口数控机床是“人-信息-机系统”(human-cyber-physicalsystems,HCPS),即在“人”(human)

和“机”(physical)

之间增加了一个信息系统

(cyber

system)。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。手动机床(manually

operated

machinetool,MOMT)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。2.1数字孪生技术——智能机床>数控机床与互联网+机床物理系统Physical

System机器大粉接执行机构工作装置天

津

大

学TianjinUniversityHma四股分析决策大脑视觉、触觉智能控制策略自调整智能分析决策决策自规划、优化信息交互与处理控制四肢，语言分析决策大脑视觉、听觉、触觉

…

…电

机鑫手动机床零件工作台第15页机器人机接口

动力装置

执行机构

工作装置

传感装置感知、分析决策、认知物理系统Physical

System信息系统Cyber

System专家知识和大数据机床远程管理运维平台学习认知大脑轴-承H人螺

每手柄轴承大数据平台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大数据编码器、

电流、温

度传感器决策与优化1.质量提升2.工艺优化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2.1数字孪生技术——智能机床

天

津

大

学TianjinUniversity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。加工零件产生数据Secure

NetworkMEomotInternet中-Security

/Firewall-Live

Monitoring-Easy

for

Network

Connection

(Wire

&Wireless)理人员操

作

员WebCameraRobotSensors机床运动学模型数控加工控制模型(VNC)机床动力学模型自主感知与连接自主学习与建模

自主优化与决策

自主控制与执行伺服PID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机床几何误差模型机床工艺系统

模型第16页编

码

器

、进给传感器电机伺服

PID

实时

调节NC-LINK

大数据指令域插补实时数据CNC

插补

控制

机轴电主内部电控实时数据轴承数控机床数字孪生生产人员G代码主轴工作台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。·

开辟了物理活动与虚拟世界同步的新途径·

打破了产品生命周期的隔离，提供了完整的产品数字足迹·

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

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学TianjinUniversity物理世界物理车间车间物理数据信息世界虚拟数字车间田肉监产过服疗料料保电袭HerD|关联共生PLC数据采集装备运行多状态感知实时交互l路工业同络能里有

效

执行方案实时交互风00转兰评零数据I

动关系型数据库

HBaetfIDPS产品规划快速原型制造研究所生产制造厂企业

供应商总体规划产品和服务计划生产能力电子采购

协同设计与制造制造厂企业联盟层企业管理层生产管理层控制执行层物理实现层生产线布局规划

设备布局建造顶层规划

基于模型的工艺、检测

企业资源计划和制造能力使用

与维护重构>

数字孪生系统PHYSICAL

DIGITAL制造厂基于模型的制造运行管理生产线规划辞报废

与回收处置车间能耗管理

服务平台,翻车间李生数据SourceDeloitte

Universiry

Press.集成测试产品设计INTEGRATION供应链管理监测维

、动

关数控机床物

理

静力学、动力学、模

型

热力学等控

制PID、滑膜控制、模

型

鲁棒控制等OPC-UA、TCP/IP等接

口

信号接口、数据接

模

型口、控制接口等智能制造系统物理实体产品/物料算法

机器学习、智能调模

型

度等人工智能算法设计阶段需求、图纸、模型、工艺等记录等全要素仿真与全生命周期忠实映射系配关装运构模型结构三>数字孪生核心技术数字孪生模型·

包括结构模型、物理模型、控制模型、数据接口模型、行为模型、算法模型多源异构信息实时交互·

通过OPC-UA、TCP/IP、HTTP等协议实现空间、时间、温度、电信号、振动信号等的实时交互全要素仿真·

将数字孪生模型与多源异构信息深度融合，实现物理实体在信息空间中的全要素仿真全生命周期的忠实映射·

基于对物理实体全生命周期的实时映射，利用大

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·

面向不同需求，选择不同分析工具，结合智能算

法给出综合性分析与动态评价2.2数字孪生技术——智能生产规划

天津大学TianjinUniversityDataMaterial

modelDataanalysisApsandsevcesRule

modelPhysical

entity

Geometry

modelDecision-makingFeedbackPhysical

world

Digital

ano

cyberworid

talTwin工业机器人物流设备仓储设备质检设备生产阶段设备、物料、产品、人员、

质量等行为

响应机制、演变规

模

型

律、更新模式等运维阶段实时状态、历史数据、维修诊断

预测

调度控制全生命周期迭代与优化数字孪生模型实时交互与更新第18页多源异构信息指令、反馈2.2数字孪生技术——智能生产规划>

实例1—智能制造系统快速可重构设计顶层规划

基于模型的工艺、检测

企业资源计划

工

艺

和制造能力需求企业联

盟层企业管

理层生产管

理层控制执

行层物理实

现层电子采购协同设计与制造制造厂使用与维护重构总体规划产品和服务计划生产能力天津大学TianjinUniversity●

快速可适应规划技术>设备生产过程实时反馈>

生产过程执行与管理制造厂基于模型的制造运行管理快速原型制造研究所生产线规划

工艺设计设备布局建造>

设备协调维护报废

与回收处置企业

供应商生产制造厂生产线布局规划第19页产品

规划产品

设计运行

维护需求

工程集成

测试供应链管理EL□U

口客户交互

仿真结果分析全生命周期忠实映射与迭代优化智能制造装备、仓储物流设备、产品/物料、人员运维数据2.2数字孪生技术——智能生产规划物理模型、控制模型、行为模型、算法模型实时交互

动态检索与调用制造需求-零件族

可适应工艺规划与产线布局

设备选型天

津

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学TianjinUniversity智能制造系统数字孪生模型库几何、物理、控制、

行为、算法等数据智能制造系统物理实体在线监控与智能维护工艺流程加工工序加工特征约束分析全要素仿真快速可重构多源异构何信息动态更新动态更新排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·

生产调度与优化智能制造装备网络模型库+

丰

富

的

模

型

种

类

与

数

量

(2400+)·

权限开放与动态更新·

支持多种格式二维图纸和三

维模型导入面国数控机床加工仿真·

CAM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·

摄像头仿真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)·

虚实同步仿真◆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·导出4K高清图像、3DPDF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2.2数字孪生技术——智能生产规划

天

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大

学TianjinUniversity该平台为立足国际先进可视化仿真软件内核，自

主

二次开发的智能制造系统高级仿真软件该平台不仅适用于智能制造装备等工程过程的规划仿真与快速响应设计，还可广泛应用于教学与实训权限开放与动态更新的智能制造装备网络模型库(已有2400+各种机床、机器人、仓储物流组件模型)建模操作简单，模型功能属性完善，支持所有CAD格式导入支

持O

PC-UA

等多种通讯协议，实现复杂智能制造系统数字孪生，实现虚拟装调、测试与维护。仿真效果逼真，可导出4K高清图像、3D

PDF文件。智能制造系统可适应规划仿真平台

VE²=Visual

Engineering×Education可适应工艺规划设备资源库二场景资源库结构设计与NC数据生成平台系统可视化仿真系统界面工装夹具资源库CAD设计设备和场景资源库接口夹具仿真资源库CAE仿真夹

具CAE仿真数据接口□CAM仿真资源库

CAM

仿

真CAM仿真数据接口加工仿真资源库NC

仿

真加工仿真效据接口□接口定义二布局优化与重构仿真结果分析单元内部定义单元间物理接口单元间数字接口

单元间控制接口LOGO菜单栏/工具栏二其他功能按钮二单元规划产线规划数

控

机

床仓储物流设备工业机器人循助零部件

PLCAGV无人机二

VR/AR三维扫描工程场景工艺规划

制造资源选择

工序静态调度工序动态调度本地资源互联网资源天

津

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学TianjinUniversity定义属性、行为、编号定义属性、行为、编号定义属性、行为、编号定义属性、行为，编号定义属性、行为、编号

H定义属性、行为、编号VE²总体架构定义属性、行为、编号TSIM

定义属性、行为、编号沈阳机床

定义属性、行为、编号DM

定义属性、行为，编号智能制造系统可适

应规划仿真平台专用机床数控钻孔机定义属性、行为、编号

T

型螺杆效控机床

定义属性、行为、编号□HTC红

天机加工车间场景焊接车间场景TS1W工装夹具

变位机构新松嘉腾红天数控车床

三轴加工中心

五轴加工中心数控齿轮机床…VE实验室场景实训中心场景咳涂车间场景装配车间场景通用机床第22页/ens!N互联网资源本地资源机床库

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

模型导入心自定义个性化模型库

权限开放与动态更新的智能制造模型库(2400+)心

建模操作简单，模型功能属性完善VE

2.3数字孪生平台支撑技术天津大学TianjinUniversity2.3数字孪生平台支撑技术

天

津

大

学TianjinUniversity必读取CAM

刀位文件实现加工过程仿真心虚拟数控系统控制虚拟机床心实际数控系统控制虚拟机床2.3数字孪生平台支撑技术必机器人圆弧示教

必机器人抓取示教天津大学TianjinUniversity必机器人焊接示教必机器人识别抓取第25页

VE

2.3数字孪生平台支撑技术

天

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大

学TianjinUniversitysneWithoutPLCconnection

WithPLCconnection?H0:00:00ConnectedVariablesSruchure

Smation回ESene三Smbtionto

senverMainPusherfntendedJNLtadhReadyJNMainRusherRetractedINPusherSensorBootJNFeedsensor

BooLNServer

to

simulationnClosed

OUTFeedllockerControLOUTMainPusherControLOUTLilatchConboLOUTTunAsheContoLOUTPowerOnPoweCnFALSEFASEFALSETRLETRLETRLEOMinAusherfxtendedJN

OLiHatchleadyJINDMinPsherfetracted,N

IO.ManPsherSensorBooLIN

DFeedSensorBootJNOpahenCosed

OUTO.BlockerContoLOUTO.MinRusherContoL

OUT

OLHatchContiolOUTWDComePuheControLOUTO.PowerOnConweyor

OUTOPowerOnCoeyorn

OUTConnectedVariablesSinuture

SimbbonvarisbkLatet

v

Sener

variabie国

·

T画

国第26页variatkadTPrepred

回平×2.3数字孪生平台支撑技术心智能制造系统搭建可视化仿真心机械手自动上下料可视化仿真天津大学TianjinUniversity心汽车装配可视化仿真心智能物流可视化仿真第27页2.3数字孪生平台支撑技术

>多种形式交互

天

津

大

学

TianjinUniversityTitle

Of※4K

高清动画视频※3D

PDF文件※CAD

工程图※VR网

上三

.

新一代智能制造高端人才培养天津大学TianjinUniversity3.1

实际工程案例

天

津

大

学TianjinUniversity心某工厂自动化孵化车间改造第90页

3.1

实际工程案例

天

津

大

学

TianjinUniversity※TSNC-MTD

系列车削智能上下料系统7sn3.2教学案例设计必车铣双工位环形智能制造单元(1/3)制造系统广域资源智能制造系统快速定制规划流程智能信息管理系统智能制造系统布局优化

NC数

据接口可视化仿真重用夹具设计与CAE检索重用加工仿真优化

检