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免费下载 | 2025天津大学：智能制造与数字孪生技术：面向可持续制造方向发展

news 来源：原创 2025/9/12 6:14:13

一、新一代智能制造模式下的思考

  • 当代智能制造的发展阶段

    • 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。

    • 工业发展历程：

      • 工业1.0：大批量生产的流水线模式和“电气时代”，以蒸汽机为代表。

      • 工业2.0：应用电子信息技术进一步提高生产自动化水平。

      • 工业3.0：开始应用信息物理融合系统（CPS）。

      • 工业4.0：以HCPS2.0为代表，进入新一代智能制造阶段，强调数字化、网络化、智能化。

    • 使能技术：智能制造的驱动力，包括AI技术、物联网、大数据、完备数据库、网络制造、数字化制造等，用于趋势预测、自学习、自推理、寿命预测、故障溯源、多维仿真、深度推演、超前调整、最优决策等。

    • 赋能技术：智能制造的关键，将使能技术应用于生产各环节，实现装备智能化、生产智能化、制造智能化。

    • 数字化、网络化、智能化的关系：数字化是基础，网络化是关键，智能化是趋势。

  • 智能制造时代企业如何生存和发展

    • 把握本质积极应对：选择核心技术高质量落实，面向未来趋势，把握发展方向。

    • 好的智能制造系统标准：在满足客户个性定制生产需求的目标下，对生产过程或环节进行精准测量、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，实现环境、社会、经济的可持续发展。

    • 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。

  • 未来智能制造新业态的核心技术

    • 装备智能化：通过AI技术实现装备的智能化。

    • 生产智能化：利用无线局域网等新一代信息技术实现生产过程的智能化。

    • 服务智能化：通过控制技术实现服务的智能化。

    • 数字孪生（Digital Twin）：作为外脑功能系统复现的关键技术，是未来智能制造新业态的核心技术之一。

二、智能制造与数字孪生技术

  • 数字孪生的概念

    • 数字孪生通过AI技术、大数据技术、信息管理执行等关键技术，实现物理实体与虚拟模型之间的连接，包括信息监测预测、数据硬件关键技术、软件关键技术等。

  • 数字孪生技术在智能机床中的应用

    • 智能机床特点：能够自动感知、智能辅助决策、智能监测、智能调节和智能维护，实现加工制造过程的高速、高精、高可靠性和低功耗。

    • 技术实现：通过学习与建模、感知与连接、算法库、深度学习、数据库、知识、优化与决策、控制与执行等环节，实现脑力替代与增强，优化更准确、决策更及时。

    • 数控机床的发展：

      • 从手动机床（HCPS）到数控机床（HCPS），增加了信息系统。

      • 随着“互联网+”技术推进，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。

    • 数字孪生在智能机床中的具体应用：

      • 机床空间结构模型、机床运动学模型、机床几何误差模型、机床热误差模型等构成数字孪生模型。

      • 利用机器学习、深度学习、强化学习、迁移学习等AI技术，实现自主学习与建模、自主优化与决策。

      • 通过数控加工控制、机床工艺系统、自主控制与执行等环节，实现质量提升、工艺优化、健康保障、生产管理等功能。

  • 数字孪生技术在智能生产规划中的应用

    • 数字孪生系统架构：物理世界与信息世界相互映射，包括物理车间、虚拟数字车间、产品全生命周期的各个环节（需求、规划、工程、设计、原型制造、使用、报废、维护、回收等）。

    • 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、行为模型、算法模型等。

      • 通过OPC-UA、TCP/IP、HTTP等协议实现多源异构信息实时交互。

      • 利用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。

    • 快速可适应规划技术：

      • 实现智能制造系统快速可重构设计，包括设备生产过程实时反馈、企业联盟层、供应链管理、协同设计与制造、生产过程执行与管理等环节。

      • 智能制造系统数字孪生模型库动态更新，支持多种格式二维图纸和三维模型导入，实现快速可重构。

    • 智能制造系统可视化仿真：

      • 包括智能制造装备网络模型库、设备快速选型、布局场景构建、生产调度与优化、数控机床加工仿真、机器人示教仿真、CAM仿真、基本机器人功能、NC数据快速生成、机器人圆弧示教工具、机器人轨迹创建、机器人喷涂可视化等功能。

      • 支持OPC-UA、TCP/IP等多种通讯协议，实现虚实同步仿真，支持虚拟调试、测试、维护。

      • 项目交付项包括统计和报告、2D、3D图生成、导出4K高清图像、3DPDF文件、支持大数据分析等。

  • 数字孪生平台支撑技术

    • VE（Visual Engineering × Education）平台：

      • 自定义个性化模型库，权限开放与动态更新，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。

      • 支持虚拟数控系统控制虚拟机床、读取CAM刀位文件实现加工过程仿真、实际数控系统控制虚拟机床等功能。

      • 支持机器人圆弧示教、机器人抓取示教、机器人焊接示教、机器人识别抓取等功能。

      • 支持智能制造系统搭建可视化仿真、汽车装配可视化仿真、机械手自动上下料可视化仿真、智能物流可视化仿真等功能。

      • 支持多种形式交互，包括CAD工程图、3DPDF文件、4K高清动画视频、VR等。

三、新一代智能制造高端人才培养

  • 实际工程案例

    • 某工厂自动化孵化车间改造。

  • 教学案例设计

    • 车铣双工位环形智能制造单元：包括智能制造系统快速定制规划流程、可适应工艺规划、生产调度、场景资源重用、制造资源三维模型检索、数控设备资源、夹具设计与CAE、CAM仿真资源、加工仿真优化、可视化仿真、互联网更新、选配、客户交互、智能信息管理系统、设备选型（互联网、云平台）、虚拟调试等环节。

    • 多模块融合学习柔性智能制造与装配单元：包括数字孪生模块化智能制造系统、智能制造信息管理与执行系统、生产信息统计与管理、仓储设备状态监测、机器人状态监测、机床状态监测等功能。

    • 梅花联轴器柔性智能制造系统实物：展示了数字孪生技术在实际智能制造系统中的应用。

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