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
一、新一代智能制造模式下的思考
1.1 当代智能制造的发展阶段
- 智能制造定义：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。
- 发展阶段：
- 工业1.0：蒸汽时代，电力广泛应用，创造机器工厂的“蒸汽时代”。
- 工业2.0：应用电子信息技术，提高生产自动化水平。
- 工业3.0：应用信息物理融合系统（CPS），将人类带入分工明确、信息物联系统升新一代工业。
- 工业4.0：开始应用信息物理融合，智能制造是科技发展的必然阶段。
- 使能技术：AI技术、物联网、大数据等是驱动智能制造的关键技术。
- 赋能技术：产品需求、产品快速使用、报废生产规划、工程设计、原型制造与维护、与回收等环节的AI技术赋能是关键。
1.2 智能制造时代企业如何生存和发展
- 可持续性是方向：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”。
1.3 未来智能制造新业态的核心技术
- 核心技术：装备智能化、生产智能化、服务智能化，其中数字孪生（Digital Twin）是外脑功能系统复现的关键技术。
二、智能制造与数字孪生技术
2.1 数字孪生的概念
- 定义：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。
- 核心技术：包括结构模型、物理模型、控制模型、数据接口模型、行为模型、算法模型等。
- 智能机床：对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。
2.2 数字孪生技术智能生产规划
- 数字孪生系统：物理世界与信息世界的关联共生，包括产品设计、生产、维护等全生命周期。
- 核心技术：数据、模型、算法等，实现多源异构信息实时交互、全要素仿真、全生命周期忠实映射与迭代优化。
- 快速可适应规划技术：实例展示智能制造系统快速可重构设计，包括产品需求、生产过程实时反馈、企业资源计划等。
2.3 数字孪生平台支撑技术
- 模型库：权限开放与动态更新的智能制造模型库（2400+），支持自定义模型行为、连接属性、标准CAD模型导入。
- 虚拟教控系统：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。
- 机器人示教：机器人圆弧示教、抓取示教、焊接示教等。
- 多种形式交互：CAD工程图、3DPDF文件、4K高清动画视频、VR等。
- 可视化仿真：汽车装配、机械手自动上下料、智能物流等。
三、新一代智能制造高端人才培养
3.1 实际工程案例
- 某工厂自动化孵化车间改造：TSNC-MTD系列车削智能上下料系统。
3.2 教学案例设计
- 车铣双工位环形智能制造单元：智能制造系统快速定制规划流程，包括制造需求、可适应工艺规划、生产调度、场景资源等。
3.3 多模块融合学习
- 柔性智能制造与装配单元：天大精益数字孪生模块化智能制造系统，包括梅花联轴器柔性智能制造系统实物、智能制造信息管理与执行系统等。
