天津大學(xué)：智能制造與數(shù)字孿生技術(shù)

智能制造與數(shù)字孿生技術(shù)——面向可持續(xù)制造方向發(fā)展一、新一代智能制造模式下的思考二、智能制造與數(shù)字孿生技術(shù)三、新一代智能制造高端人才培養(yǎng)2第2頁(yè)第3頁(yè)第3頁(yè)智能可重構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)天津大學(xué)一、新一代智能制造模式下的思考天津大學(xué)1.1當(dāng)代智能制造的發(fā)展階段1.1當(dāng)代智能制造的發(fā)展階段1.2智能制造時(shí)代企業(yè)如何生存和發(fā)展1.2智能制造時(shí)代企業(yè)如何生存和發(fā)展1.3未來(lái)智能制造新業(yè)態(tài)的核心技術(shù)1.3未來(lái)智能制造新業(yè)態(tài)的核心技術(shù)>智能制造定義智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式[1]。---《國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》2015復(fù)雜性工業(yè)4.0復(fù)雜性工業(yè)3.0工業(yè)2.0應(yīng)用電子信息技術(shù)進(jìn)一將人類帶入分工明確、工業(yè)3.0工業(yè)2.0應(yīng)用電子信息技術(shù)進(jìn)一將人類帶入分工明確、步提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平人機(jī)接口大腦信息物聯(lián)系統(tǒng)大腦控制器工業(yè)1.0控制器工業(yè)1.0“蒸汽時(shí)代”式和“電氣時(shí)代”自動(dòng)化、信息化電力廣泛應(yīng)用觸覺(jué)感知蒸汽機(jī)智能體能智能機(jī)器人18世紀(jì)末20世紀(jì)初1970年代初今天時(shí)間軸第6頁(yè)第6頁(yè)智能制造增強(qiáng)感知控制物聯(lián)網(wǎng)增強(qiáng)感知控制物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)制造增強(qiáng)專增強(qiáng)專家知識(shí)完備數(shù)大數(shù)據(jù)據(jù)庫(kù)數(shù)字化制造·綜合決策——實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、多源(維)重現(xiàn)，多維仿真，深度推演以至于數(shù)字孿生，多目標(biāo)優(yōu)化·超前調(diào)整——處理未來(lái)事件推演最優(yōu)決策以至于協(xié)調(diào)或干預(yù)智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式1。第7頁(yè)第7頁(yè)TianjinUniversity報(bào)廢使用與維護(hù)快速需求工程產(chǎn)品使用與維護(hù)快速需求工程產(chǎn)品規(guī)劃產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)Al技術(shù)智能制造增強(qiáng)專增強(qiáng)專家知識(shí)大數(shù)據(jù)數(shù)字化制造完備數(shù)據(jù)庫(kù)大數(shù)據(jù)數(shù)字化制造完備數(shù)據(jù)庫(kù)裝備智能化生產(chǎn)智能化制造智能化智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造第8頁(yè)第8頁(yè)天津大學(xué)天津大學(xué)網(wǎng)絡(luò)化網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字化范式演進(jìn)HCPS10數(shù)字化制造智能化數(shù)字化智能升級(jí)工業(yè)4.0開(kāi)始應(yīng)用信息物理融合信息物聯(lián)系統(tǒng)自動(dòng)化、信息化智能體能18世紀(jì)末20世紀(jì)初1970年代初今天時(shí)間軸將人類帶入分工明確、大批量生產(chǎn)的流水線模式和“電氣時(shí)代”應(yīng)用電子信息技術(shù)進(jìn)一步提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平創(chuàng)造機(jī)器工廠的“蒸汽時(shí)代”數(shù)字化數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化第9頁(yè)第9頁(yè)新一代信息技術(shù)口把握本質(zhì)積極應(yīng)對(duì)新一代信息技術(shù)口選擇核心技術(shù)高質(zhì)量落實(shí)口面向未來(lái)趨勢(shì)，把我發(fā)展方向-生產(chǎn)能源-生產(chǎn)成本-有害廢棄物一包裝制造前-運(yùn)輸-工人倫理-工作安全-勞動(dòng)力成本二手奔婪塞-人體工程學(xué)-材料獲取-面向環(huán)境的設(shè)計(jì)-材料加工-可再制造性-再設(shè)計(jì)-填埋-產(chǎn)品定價(jià)-人的安全-可升級(jí)性-投訴-原材料成本-人體工程學(xué)-排放-功能-危險(xiǎn)廢棄物-回收成本-拆卸成木-再制造成本-處置成本>什么是好的智能制造系統(tǒng)?√是滿足客戶個(gè)性定制生產(chǎn)需求的目標(biāo)下，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程諸環(huán)節(jié)進(jìn)行精準(zhǔn)顧測(cè)、規(guī)劃。并對(duì)制造過(guò)程的長(zhǎng)期健康高效運(yùn)行進(jìn)行精益控制和維護(hù)。智能制造的最終標(biāo)準(zhǔn)是“人-制造-環(huán)境”整體質(zhì)量最優(yōu)的和諧發(fā)展即可持續(xù)制造。/a/156820371658106第10頁(yè)第10頁(yè)超使口超使口生產(chǎn)智能化無(wú)線局域網(wǎng)無(wú)線局域網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)覆蓋全企業(yè)決策認(rèn)知先進(jìn)制造技術(shù)先進(jìn)制造技術(shù)口服務(wù)智能化口服務(wù)智能化制造執(zhí)行系統(tǒng)信息控制級(jí)疆控制級(jí)設(shè)備控制數(shù)據(jù)(信號(hào)數(shù)據(jù)(信號(hào))物流保養(yǎng)維修物流保養(yǎng)維修快速快速原型制造報(bào)廢與回收使用與維護(hù)需求工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)產(chǎn)品規(guī)劃生產(chǎn)外腦功能系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)——數(shù)字孿生(DigitalTwin)天津大學(xué)第12頁(yè)第12頁(yè)Al技術(shù)CNISD:之言。DigitaltwinCN_PV:connectionbe信息監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)軟件關(guān)鍵技術(shù)JCheng,HZhang,FeiTao*,etal.DT-II:DigitaltwinenhancedIndustrialInternetreferenceframeworktowardssmartmanufacturing[J].RoboticsandComputer-IntegratedManufacturing,2020,62:101881.第13頁(yè)第13頁(yè)※智能機(jī)床是對(duì)其加工制造過(guò)程能夠進(jìn)行自動(dòng)感知、智能輔助決策、智能監(jiān)測(cè)、智能調(diào)節(jié)和智能維護(hù)的機(jī)床，實(shí)現(xiàn)加工制造過(guò)程的高速、高精、高可靠性和低功耗。學(xué)習(xí)與建模模型更精確適應(yīng)性更強(qiáng)優(yōu)化與決策優(yōu)化更準(zhǔn)確決策更及時(shí)感知與連接數(shù)據(jù)更多匯聚更快算法庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)腦力替代與增強(qiáng)NC-Link數(shù)數(shù)控機(jī)床1控制與執(zhí)行控制更精執(zhí)行更快LocalNC售數(shù)數(shù)控機(jī)床。深度學(xué)習(xí)基礎(chǔ)數(shù)學(xué)庫(kù)工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人智能模塊智能模塊溫度信號(hào)振動(dòng)信號(hào)0車小v0車小v第14頁(yè)第14頁(yè)>數(shù)控機(jī)床與互聯(lián)網(wǎng)+機(jī)床信息系統(tǒng)CyberSystem信息系統(tǒng)CyberSystem物理系統(tǒng)PhysicalSystemHmaPhysicalSystemHma智能控制控制四肢，語(yǔ)言控制四肢，語(yǔ)言分析決策大腦機(jī)器人機(jī)接口機(jī)器人機(jī)接口動(dòng)力裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳感裝置決策、認(rèn)知手動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)智能分析決策手動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)智能分析決策優(yōu)化學(xué)習(xí)認(rèn)知大腦專家知識(shí)和大數(shù)據(jù)大腦大粉接大腦手柄螺每軸承手柄螺每軸承軸-承視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、軸-承視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、與處理視覺(jué)、觸覺(jué)與處理觸覺(jué)……口數(shù)控機(jī)床是“人-信息-機(jī)系統(tǒng)”(human-cyber-physicalMOMT)是機(jī)床的最初形態(tài)，它是人和機(jī)床物理系統(tǒng)的融合。操作者通過(guò)人腦的感知和決策，用雙手操控機(jī)床，完成零件加工。第15頁(yè)口隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的不斷推進(jìn)，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程服務(wù)、狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、維護(hù)管理等方面。第15頁(yè)第16頁(yè)第16頁(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)大數(shù)據(jù)平臺(tái)AI機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)強(qiáng)化學(xué)習(xí)、遷移學(xué)習(xí)其他智能機(jī)床的控制策略與知識(shí)機(jī)床全生命周期編碼器、電流、溫度傳感器決策與優(yōu)化1.質(zhì)量提升3.健康保障4.生產(chǎn)管理人感知、分析決策、認(rèn)知零件雙碼聯(lián)控CAD/CAM智能控制i代碼模型模型自主感知與連接自主學(xué)習(xí)與建模自主優(yōu)化與決策自主控制與執(zhí)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)外部傳感器數(shù)據(jù)機(jī)床空間結(jié)構(gòu)模型機(jī)床熱誤差模型模型傳感器電機(jī)伺服PID調(diào)節(jié)NC-LINK指令域插補(bǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)CNC插補(bǔ)控制內(nèi)部電控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)軸承數(shù)控機(jī)床數(shù)字孿生G代碼主軸工作臺(tái)中-Security/Firewall-LiveMonitoring-EasyforNetworkConnection(Wire&Wireless)理人員自主感知與連接、自主學(xué)習(xí)與建模、自主優(yōu)化與決策、自主控制與執(zhí)行新一代人工智能技術(shù)融入數(shù)控機(jī)床，賦予機(jī)床學(xué)習(xí)的能力，可生成并積累知識(shí)。人的知識(shí)學(xué)習(xí)型腦力勞動(dòng)交由數(shù)控系統(tǒng)完成。2.2數(shù)字孿生技術(shù)——智能生產(chǎn)規(guī)劃天津大學(xué)>數(shù)字孿生系統(tǒng)SourceDeloitteUniversiryPress.車間物理數(shù)據(jù)H|關(guān)聯(lián)共生數(shù)據(jù)多狀態(tài)感知路0轉(zhuǎn)蘭評(píng)零轉(zhuǎn)蘭評(píng)零車間李生數(shù)據(jù)車間李生數(shù)據(jù)產(chǎn)品產(chǎn)品規(guī)劃研究所制造廠服務(wù)計(jì)劃生產(chǎn)能力電子采購(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)與制造制造廠頂層規(guī)劃基于模型的工藝、檢測(cè)企業(yè)資源計(jì)劃和制造能力規(guī)劃辭局規(guī)劃設(shè)備布局基于模型的制造運(yùn)行管理報(bào)廢處置使用與維護(hù)集成測(cè)試產(chǎn)品生產(chǎn)線布供應(yīng)鏈管理重構(gòu)數(shù)字孿生是在虛擬空間中創(chuàng)建物理對(duì)象的高保真虛擬模型，以模擬其在現(xiàn)實(shí)世界中的行為并提供反饋，反映了雙向動(dòng)態(tài)映射過(guò)程?！つ軌蚋?、更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和檢測(cè)物理問(wèn)題，優(yōu)化制造流程，提高產(chǎn)品質(zhì)量第17頁(yè)2.2數(shù)字孿生技術(shù)——智能生產(chǎn)規(guī)劃天津大學(xué)PhysicalworldDigitalanocyberwori>>數(shù)字孿生核心技術(shù)模型、行為模型、算法模型時(shí)間、溫度、電信號(hào)、振動(dòng)信號(hào)等的實(shí)時(shí)交互全要素仿真物理實(shí)體在信息空間中的全要素仿真數(shù)據(jù)分析和人工智能算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的迭代優(yōu)化與實(shí)時(shí)決策給定目標(biāo)下的分析與決策法給出綜合性分析與動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)OPC-UA、TCP/IP等接口信號(hào)接口、數(shù)據(jù)接模型口、控制接口等行為響應(yīng)機(jī)制、演變規(guī)產(chǎn)品/物料設(shè)計(jì)階段模型、工藝等記錄等質(zhì)量等運(yùn)維階段實(shí)時(shí)狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)、維修診斷預(yù)測(cè)調(diào)度控制智能制造系統(tǒng)物理實(shí)體數(shù)字孿生模型實(shí)時(shí)交互與更新多源異構(gòu)信息指令、反饋天津大學(xué)2.2數(shù)字孿生技術(shù)——智能生產(chǎn)規(guī)劃天津大學(xué)>需求工程產(chǎn)品需求工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)企業(yè)聯(lián)盟層企業(yè)管企業(yè)聯(lián)盟層企業(yè)管理層生產(chǎn)管理層總體規(guī)劃產(chǎn)品和報(bào)廢報(bào)廢與回收處置使用生產(chǎn)制造廠生產(chǎn)制造廠>設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)反饋>設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)反饋研究所電子采購(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)與制造重構(gòu)重構(gòu)>生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行與管理頂層規(guī)劃基于模型的工藝、檢測(cè)企業(yè)資源>生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行與管理需求運(yùn)行維護(hù)運(yùn)行維護(hù)制造廠基于模型的制造運(yùn)行管理規(guī)劃工藝生產(chǎn)線布局規(guī)劃設(shè)備布局建造集成生產(chǎn)線布局規(guī)劃設(shè)備布局建造集成測(cè)試>設(shè)備協(xié)調(diào)維護(hù)物理實(shí)>設(shè)備協(xié)調(diào)維護(hù)第19頁(yè)第19頁(yè)智能制造系統(tǒng)數(shù)字孿生模型庫(kù)動(dòng)態(tài)更新動(dòng)態(tài)更新動(dòng)態(tài)更新動(dòng)態(tài)更新物理模型、控制模型、行為模型、算法模型智能制造裝備、倉(cāng)儲(chǔ)物流設(shè)備、產(chǎn)品/物料、人員物理模型、控制模型、行為模型、算法模型實(shí)時(shí)交互動(dòng)態(tài)檢索與調(diào)用運(yùn)維數(shù)據(jù)排加工特征約束分析排加工特征約束分析加工工序制造需求-零件族可適應(yīng)工藝規(guī)劃與產(chǎn)線布局設(shè)備選型在線監(jiān)控與智能維護(hù)幾何、物理、控制、在線監(jiān)控與智能維護(hù)幾何、物理、控制、行為、算法等數(shù)據(jù)快速可重構(gòu)快速可重構(gòu)EL□U口智能制造系統(tǒng)物理實(shí)體全要素仿真客戶交互仿真結(jié)果分析全要素仿真2.2數(shù)字孿生技術(shù)——智能生產(chǎn)規(guī)劃天津大學(xué)智能制造系統(tǒng)快速可重構(gòu)◆可適應(yīng)工藝規(guī)劃◆設(shè)備快速選型◆布局場(chǎng)景構(gòu)建·權(quán)限開(kāi)放與動(dòng)態(tài)更新·支持多種格式二維圖紙和三維模型導(dǎo)入面國(guó)面國(guó)數(shù)控機(jī)床加工仿真◆NC數(shù)據(jù)快速生成動(dòng)態(tài)加工仿真機(jī)器人示教仿真基本機(jī)器人功能機(jī)器人圓弧示教工具機(jī)器人軌跡創(chuàng)建機(jī)器人噴涂可視化智能制造系統(tǒng)可視化仿真高度逼真的渲染效果VR虛擬現(xiàn)實(shí)手機(jī)APP智能制造系統(tǒng)數(shù)字孿生仿真支持OPC-UA、TCP/IP等多種通訊協(xié)議+PLC交互(虛擬調(diào)試)◆支持虛擬調(diào)試、測(cè)試、維護(hù)項(xiàng)目交付項(xiàng)2D、3D圖生成生成標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目文件統(tǒng)計(jì)和報(bào)告·支持動(dòng)態(tài)生產(chǎn)仿真數(shù)據(jù)可視化支持導(dǎo)出PDF和XLS等格式的生產(chǎn)仿真數(shù)據(jù)支持大數(shù)據(jù)分析/ens!N/ens!NVE2=VisualEngineering×Education工藝規(guī)劃制造資源選擇工序靜態(tài)調(diào)度定義屬性、行為、編號(hào)TSIM定義屬性、行為、編號(hào)工藝規(guī)劃制造資源選擇工序靜態(tài)調(diào)度定義屬性、行為、編號(hào)TSIM定義屬性、行為、編號(hào)DM定義屬性、行為，編號(hào)數(shù)控車床可適應(yīng)工藝規(guī)劃數(shù)控機(jī)床專用機(jī)床數(shù)控鉆孔機(jī)定義屬性、行為、編號(hào)專用機(jī)床數(shù)控鉆孔機(jī)定義屬性、行為、編號(hào)工裝夾具工裝夾具新松定義屬性、行為、編號(hào)定義屬性、行為、編號(hào)定義屬性、行為，編號(hào)本地資源循助零部件本地資源循助零部件無(wú)人機(jī)二三維掃描設(shè)備資源庫(kù)二仿真與快速響應(yīng)設(shè)計(jì)，還可廣泛應(yīng)用于教學(xué)與實(shí)訓(xùn)設(shè)備資源庫(kù)二紅紅天焊接車間場(chǎng)景權(quán)限開(kāi)放與動(dòng)態(tài)更新的智能制造裝備網(wǎng)絡(luò)模型庫(kù)(本地資源本地資源實(shí)訓(xùn)中心場(chǎng)景互聯(lián)網(wǎng)資源接口定義二實(shí)訓(xùn)中心場(chǎng)景互聯(lián)網(wǎng)資源接口定義二布局優(yōu)化與重構(gòu)仿真結(jié)果分析LOGO菜單欄/工具欄二其他功能按鈕二CAD設(shè)計(jì)設(shè)備和場(chǎng)景資源庫(kù)接口智能制造系統(tǒng)可適應(yīng)規(guī)劃仿真平臺(tái)場(chǎng)景資源庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與NC數(shù)據(jù)生成平臺(tái)建模操作簡(jiǎn)單，模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與NC數(shù)據(jù)生成平臺(tái)格式導(dǎo)入系統(tǒng)可視化仿真支持OPC-UA等多種通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜智能系統(tǒng)可視化仿真系統(tǒng)界面制造系統(tǒng)數(shù)字孿生，實(shí)現(xiàn)虛擬裝調(diào)、測(cè)試與維護(hù)。VE2總體架構(gòu)仿真效果逼真，可導(dǎo)出4K高清圖像、3DVE2總體架構(gòu)第22頁(yè)天津大學(xué)VE2.3數(shù)字孿生平臺(tái)支撐技術(shù)天津大學(xué)機(jī)床庫(kù)機(jī)器人庫(kù)物流倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備庫(kù)夾具庫(kù)心自定義模型行為、連接屬性必標(biāo)準(zhǔn)CAD模型導(dǎo)入天津大學(xué)天津大學(xué)必機(jī)器人圓弧示教必機(jī)器人抓取示教必機(jī)器人焊接示教必機(jī)器人識(shí)別抓取第25頁(yè)第25頁(yè)?H0:00:00SinutureSimbbonvarisbk平×ConnectedVariablesSruchureSmation回ESeneLtadhReadyJNFeedsensorBooLNServertosimulationMainPusherControLOUTLilatchConboLOUTTunAsheContoLOUTPowerOnPoweCnvariatkadTPrepred回LatetvSenervariabieFALSEFASEFALSETRLETRLEOMinAusherfxtendedJNOLiHatchleadyJINDMinPsherfetracted,NDFeedSensorBootJNOpahenCosedOUTO.MinRusherContoLOUTOLHatchContiolOUTWDComePuheControLOUTO.PowerOnConweyorOUTOPowerOnCoeyornOUT第26頁(yè)第26頁(yè)天津大學(xué)2.3數(shù)字孿生平臺(tái)支撐技術(shù)天津大學(xué)2.3數(shù)字孿生平臺(tái)支撐技術(shù)2.3數(shù)字孿生平臺(tái)支撐技術(shù)TitleOf天津大學(xué)三.新一代智能制造高端人才培養(yǎng)第90頁(yè)第90頁(yè)必車銑雙工位環(huán)形智能制造單元(1/3)行為數(shù)據(jù)接口制造系統(tǒng)廣域資源制造系統(tǒng)廣域資源智