智能制造概论.pptx

教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材李培根 高亮 编著智能制造概论INTRODUCTION TO INTELLIGENT MANUFACTURING教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材第1篇 智能制造基础第2篇 智能制造核心技术第3篇 从企业进化维度看智能制造第4篇 智能制造精要及前沿趋势教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材第1章 智能制造发展历程简介第2章 智能制造的基本概念和架构第3章 现代制造的基本理念第1篇 智能制造基础教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材1.1 从自动化到智能化 1.2 学术概念的提出 1.3 智能制造的国际合作计划 1.4 世界主要国家的智能制造发展战略与实践 第第1 1章章 智能制造发展历程简介智能制造发展历程简介教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材1.1 1.1 从自动化到智能化从自动化到智能化人和动物在制作工具方面的最根本区别：动物没有对“超自然存在”“超世界存在”工具的欲求，而人对其的欲求和创造力则是无止境的。自动化的发展势必指向:不仅减轻和替代人的体力，还要减轻人的脑力活动乃至扩展人的智能；不仅要有形的机器或装置，还需要某种无形的东西。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材未来，智能化工厂将不只是人们的欲求和梦想！至于未来的“超自然存在”工具将以怎样的新形式存在?人和工具的关系如何?谁是制造的主体?甚至人何以存在?我们今天还难以想象!网络宛如企业的数字神经系统。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材1.2 1.2 学术概念的提出学术概念的提出一般认为，最早提出智能制造概念的当属美国纽约大学的怀特教授(P.K.Wright)和卡内基梅隆大学的布恩教授(D.A.Bourne)，他们在 1988 年出版了制造智能(Manufacturing Intelligence)一 书。近些年，Smart Manufacturing（SM）受到关注。美国成立了一个“智能制造领导力联盟”(SMLC)，定义SM为：“通过高级智能系统的深度应用，从而实现新产品快速制造，产品需求的动态响应，生产和供应链网络的实时优化。”一些学者认为SM是较智能制造（IM）更高级的发展阶段。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材1.3 1.3 智能制造的国际合作计划智能制造的国际合作计划日本于1989年正式提出“智能制造系统”国际合作计划（以下简称IMS计划），是当时全球制造领域内规模最大的一项国际合作研究计划。由时任东京大学工程系主任吉川裕行（Iiroyuki Yoshikawa）提出，获得日本通产省的支持。中国科协智能制造学会联合体（由中国机械工程学会、中国仪器仪表学会、中国自动化学会、中国人工智能学会等13家成员学会组成，以下简称“联合体”）于2017年12月发起筹备国际智能制造联盟，中国机械工程学会荣誉理事长周济院士任主席。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材1.4 1.4 世界主要国家的智能制造发展战略与实践世界主要国家的智能制造发展战略与实践 2012年，美国提出“先进制造业国家战略计划”，提出中小企业、劳动力、伙伴关系、联邦投资以及研发投资等五大发展目标和具体实施建议。2013年4月，德国政府宣布启动“工业4.0（Industry 4.0）”国家级战略规划，意图在新一轮工业革命中抢占先机，奠定德国工业在国际上的领先地位。（见图1，图2）2014年，日本发布制造业白皮书，提出重点发展机器人、下一代清洁能源汽车、再生医疗以及3D打印技术。我国为实现制造强国的战略目标，在2015年由国务院发布了中国制造2025战略规划，智能制造成为其主攻方向。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材图图1-1 工业工业4.0概念图概念图 图1-2 工业4.0所需要的主要前沿技术 教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材2.1 定义 2.2 内涵 2.3 支撑系统 2.4 功能系统第第2 2章章 智能制造的基本概念和架构智能制造的基本概念和架构教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材2.12.1 定义定义关于智能制造的定义有很多。本书给出智能制造及系统的极简定义。【定义】智能制造：把机器智能融合于制造的各种活动中，以满足企业相应的目标。【关键词】：机器智能、融合、制造活动、目标。机器智能是人类智慧的凝结、延伸和扩展，总体上并未超越人类的智慧，但某些单元智能强度远超人的能力。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材【定义】智能制造系统：把机器智能融入到包括人和资源形成的系统中，使制造活动能动态地适应需求和制造环境的变化，从而满足系统的优化目标。图图2-1 智能制造系统的层次智能制造系统的层次上述定义隐含：智能制造系统并非要求机器智能完全取代人，即使未来高度智能化的制造系统也需要人机共生。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材节点点及关及关联制造活制造活动：设计，工艺，加工，设备运维、购销、财务机器智能：机器智能：物联网，智能传感，大数据，人工智能智能制造特征智能制造特征：融合，动态适应,需求，环境，优化融合融合：人，制造活动，机器智能，社会，可持续发展教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材2.2 2.2 内涵内涵适合于自动化技术所能解决的问题基本上都是确定性的。经典的自动化技术面对的基本都是结构化的问题。传统自动化技术处理的问题均有其固定的模式。传统自动化技术针对的问题相对而言是局部的，很少有企业系统层面的问题。注意：显性的和隐性的不确定性因素！注意：显性的和隐性的不确定性因素！教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材企业里存在大量的不确定性问题。企业中有大量的问题是非结构化的。企业中的很多问题是非固定模式的。如何利用非结构化的数据从而做出正确的判断和决策？如何利用非结构化的数据从而做出正确的判断和决策？更清晰地认识整体联系有助于进一步提升企业的整体效能。更清晰地认识整体联系有助于进一步提升企业的整体效能。企业是一个大系统，其中有很多分系统、子系统，有各种各样的活动（设计、加工、装配）,各种各样的资源（原材料、工具、零部件、设备、人力）,供应商，客户教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材智能制造的本质和真谛：利用物联网、大数据、人工智能等先进技术认识制造系统的整体联系并控制和驾驭系统中的不确定性、非结构化和非固定模式问题以达到更高的目标。节点点及关及关联自自动化技化技术：确定性，结构化，固定模式，局部机器智能机器智能：整体联系，不确定性，非结构化，非固定模式，系统优化 教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材问题：制造活动与机器智能有何关联？机器智能的特点与优势是什么？智能制造的本质内涵是什么？智能制造的目标是什么？智能制造与传统自动化制造的区别是什么？教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材2.32.3 支撑系统支撑系统2.3.1 工业互联网最早由通用电气于2012年提出，随后美国5家行业龙头企业（AT&T、思科、通用电气、IBM和英特尔）联手组建了工业互联网联盟（Industrial Internet Alliance,IIC），对其进行推广和应用。工业互联网的核心是通过工业互联网平台把原料、设备、生产线、工厂、工程师、供应商、产品和客户等工业全要素紧密地连接和融合起来，形成跨设备、跨系统、跨企业、跨区域、跨行业的互联互通，从而提高整体效率。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材工业互联网的本质是使得工业能形成基于全面互联的数据驱动智能，在这个过程中，工业互联网能构建出面向工业智能化发展的三大优化闭环：（1）面向机器设备/产线运行优化的闭环；（2）面向生产运营优化的闭环；（3）面向企业协同、用户交互与产品服务优化的闭环。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材2.3.2 5G技术图图2-2 5G+智能制造的总体架构智能制造的总体架构 5G技术使得无线技术应用于现场设备实时控制、远程维护及操控、工业高清图像处理等工业应用新领域成为可能，同时也为未来柔性产线、柔性车间奠定了基础。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材2.3.3 数据库数据库是“按照数据结构来组织、存储和管理数据的仓库”，是一个长期存储在计算机内、有组织、可共享、统一管理大量数据的集合。数据库将数据以一定方式储存在一起，用户可以通过接口对数据库中的数据进行新增、查询、更新、删除、共享等操作。在智能制造中，数据库技术是数据分析、处理的重要保障，也是智能制造的重要支撑系统之一。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材2.3.4 信息安全信息安全是跨多领域与学科的综合性问题，需要结合法律法规、行业特点、工业技术等多维度进行研究。目前常用的信息安全技术体系可以分为3个层次：信息接入安全信息平台安全信息应用安全其中，信息接入安全为工业现场数据的采集、传输、转换流程提供安全保障机制；信息平台安全为工业数据存储、计算提供安全保障基础；信息应用安全为上层应用的接入、数据访问等提供强力的安全管控。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材2.42.4 功能系统功能系统图2-3 智能制造功能示意图教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材2.4.1 智能设计智能设计是指将智能优化方法应用到产品设计中，利用计算机模拟人的思维活动进行辅助决策，以建立支持产品设计的智能设计系统，从而使计算机能够更多、更好地承担设计过程中各种复杂任务，成为设计人员的重要辅助工具。制造领域常见的智能设计包括以下几种：1.衍生式设计指建立在数字化制造条件下的、基于协议与规则的、用户深度参与产品生成过程的设计方法。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材2.拓扑优化设计以设计域内的孔洞有无、数量和位置等拓扑信息为研究对象，其基本思想是利用有限元技术、数值计算和优化算法，在给定的设计空间内，寻求满足各种约束条件，使目标函数达到最优的孔洞连通形式或材料布局，即最优结构拓扑。3.仿真设计通过使用计算机仿真软件辅助设计的方法。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材4.可靠性优化设计在保证产品安全性能的前提下，借助优化技术实现结构造价或产品某些性能如刚度、强度等的最优设计。5.多学科优化设计在解决大规模复杂工程系统设计过程中多个学科耦合和权衡问题的一种新的设计方法。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材2.4.2 制造过程控制优化1.加工过程控制优化图图2-4 加工过程控制优化加工过程控制优化教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材2.装配过程控制优化装配过程控制优化是指通过大数据、人工智能等方法，结合智能机器人、人机协同等新兴技术，实现装配过程的自动化与智能化，从而提升装配系统运作效率，为企业创造新的价值。装配过程控制优化的主要核心技术包括：智能装配规划系统、装配机器人、人机协同技术等。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材3.工厂运行控制优化工厂运行控制优化是指利用智能传感、大数据、人工智能等技术，实现工厂运行过程的自动化和智能化，其建设的基本目标是实现生产资源的最优配置、生产任务的实时调度、生产过程的精细管理等。图图2-5 工厂运行控制优化工厂运行控制优化教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材2.4.3 智能供应链系统与传统的供应链不同，数字化制造背景下的智能供应链更加强调信息的感知、交互与反馈，从而实现资源的最优配比。智能供应链：通过泛在感知、系统集成、互联互通、信息融合等信息技术手段，将工业大数据分析和人工智能技术应用于产品的供销环节，实现科学的决策，提升的运作效率，并为企业创造新价值。图图2-6 智能供应链系统功能智能供应链系统功能教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材2.4.4 智能服务智能服务包括以用户为中心的产品全生命周期的各种服务，服务智能化将大大促进个性化定制等生产方式的发展，延伸发展服务型制造业和生产型服务业，促进生产模式和产业形态的深度变革。通过持续改进，建立高效、安全的智能服务系统，实现服务和产品的实时、有效、智能化互动，为企业创造新价值。包括：云服务平台技术预测性维护技术个性化生产技术增值服务技术教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材3.1 可持续发展 3.2 以客户为中心 3.3 精益生产 第第3 3章章 现代制造的基本理念现代制造的基本理念 教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材3.1 3.1 可持续发展可持续发展可持续发展的理念之要在于：环境保护；人的生存；发展。3.1.1 绿色制造J.G.Spath认为：“可持续发展就是转向更清洁、更有效的技术尽可能接近零排放或密封式,工艺方法尽可能减少能源和其他自然资源的消耗。”这就是人们常说的“绿色制造”，也称为环境意识制造、面向环境的制造等。它要求在产品的制造、使用到报废整个过程中不产生环境污染或环境污染最小化，符合环境保护要求。对于一个制造企业而言，要做到这一点，需要从产品的全生命周期去考虑。其源头当然是设计。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材图图3-1卫星推进舱主承力结构的拓扑优化设计卫星推进舱主承力结构的拓扑优化设计(a)某卫星结构；(b)设计空间；(c)最优拓扑；(d)应变云图；(e)应力云图；(f)3D打印缩比件 教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材图图3-2 实时收集管理生产设备运转状况、能耗实时收集管理生产设备运转状况、能耗数据数据教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材节点点及关及关联绿色色设计&制造：制造：减少排放、污染，减少材料消耗，节能数字技数字技术：CAD，CAE，拓扑优化，传感检测，数据溯源，大数据分析 教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材3.1.2 面向人和社会智能制造（SM）应该是基于面向人和社会“可持续发展”哲学的、能够导致持续增长的制造发动机。图图3-3 谷歌防抖勺谷歌防抖勺 图图3-4 以员工名字命名现场改善项目以员工名字命名现场改善项目教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材3.2 3.2 以客户为中心以客户为中心3.2.1 顾客主义和商业长期主义无论是顾客主义还是商业长期主义，数字化、网络化、智能化技术是奉行其理念的最好手段。商业长期主义表现在产品上，无论是产品内在功能还是形式，数字化、智能化等前沿技术的应用不可或缺。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材3.2.2 以客户为中心的产品开发设计-制造-使用一体化考虑需要：物联网，大数据，智能分析，VR，AR 图图3-5 设计制造使用一体化考虑设计制造使用一体化考虑（引自：Detlev Reicheneder，AutoDesk）图图3-6 智能产品开发与传统产品开发智能产品开发与传统产品开发（引自：Detlev Reicheneder，AutoDesk）教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材3.2.3 大规模个性化定制图图3-7 大规模生产与个性化定制对比大规模生产与个性化定制对比 教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材图图3-8 红领西服定制红领西服定制流程流程教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材3.2.4 预测性维护与服务制造图图3-9 GE 的飞机发动机的飞机发动机业务业务教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材节点点及关及关联服务制造及其预测性维护支撑技支撑技术：传感网、物联网、互联网、大数据、AI方法：方法：神经网络、数据挖掘、故障树、马尔可夫模型 教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材3.3 3.3 精益生产精益生产精益生产的终极目标为“零浪费”，具体表现在PICQMDS 7个方面：（1）“零”转产工时浪费（Products，多品种混流生产）；（2）“零”库存（Inventory，消减库存）；（3）“零”浪费（Cost，全面成本控制）；（4）“零”不良（Quality，高品质）；（5）“零”故障（Maintenance，提高运转率）；（6）“零”停滞（Delivery，快速反应、短交期）；（7）“零”灾害（Safety，安全第一）。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材精益目标的实现需要：自动化、柔性化、智能机器人、数字化、网络化等技术。精益生产的精髓：持续改善，全员参与。图图3-10 1%的效率提升在任何行业都威力的效率提升在任何行业都威力巨大巨大教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材节点点及关及关联可持可持续发展展：环境，绿色，人，社会，节能客客户为中心中心：顾客主义，商业长期主义，大规模定制，服务制造精益制造精益制造：终极目标，持续改善，JIT，拉式生产技技术支撑：支撑：物联网，工业互联网，大数据，AI，智能控制，智能感知，AR，机器人，柔性自动化教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材问题：主要理念：可持续发展、客户为中心、精益制造包含哪些主要内容？主要理念之间的相互联系是什么？主要理念与机器智能的联系是什么？反映在产品上的商业长期主义有何表现？“改善一点点”的意义是什么？教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材第4章 数据获取与处理第5章 数字孪生第6章 建模与仿真技术第7章 工业机器人第2篇 智能制造核心技术第8章 智能控制第9章 智能调度第10章 工业互联网平台教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材4.1 数据的来源、特点与类型 4.2 数据获取技术 4.3 数据处理技术 4.4 数据获取与处理在智能制造中的应用 4.5 数据获取与处理的发展趋势 第第4 4章章 数据获取与处理数据获取与处理 教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材4.14.1 数据获取与处理数据获取与处理1.数据的来源传统的分析和优化过程基于模型，而数据分析可以弥补模型精度不足。制造业数据的来源主要包括三方面：企业内部信息系统物联网信息企业外部信息 教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材大数据的“4V”特征：规模性（Volume）多样性（Variety）高速性（Velocity）价值密度低（Value）。制造业数据的“3M”特性：多来源（Multi-source）多维度（Multi-dimension）多噪声（Much Noise）2.数据的特点 图图4-1 制造业数据特性制造业数据特性教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材从数据来源看，制造业数据可以分为研发数据域（研发设计数据、开发测试数据等）、生产数据域（控制信息、工况状态、工艺参数、系统日志等）、运维数据域（物流数据、产品运行状态数据、产品售后服务数据等）、管理数据域（系统设备资产信息、客户与产品信息、产品供应链数据、业务统计数据等）、外部数据域（与其他主体共享的数据等）。从数据形式看，制造业数据可以分为结构化数据、半结构化数据和非结构化数据。从数据处理的角度看，制造业数据可以分为原始数据与衍生数据。3.数据的类型 教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材延伸阅读：李杰.工业大数据:工业 4.0 时代的工业转型与价值创造M.机械工业出版社,2015.节点点及关及关联数据来源：数据来源：内部信息，物联网信息、外部信息数据特点：数据特点：“4V+3M”特征4V：规模性、多样性、高速性、价值密度低3M：多来源、多维度、多噪声 教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材4.24.2 数据获取技术数据获取技术 常用的数据获取技术以传感器为主，结合RFID、条码扫描器、生产和监测设备、PDA、人机交互、智能终端等手段实现生产过程中的信息获取，并通过互联网或现场总线等技术实现原始数据的实时准确传输。节点点及关及关联数据数据获取技取技术：传感器、射频识别、条形码扫描、生产和监测设备教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材4.3 4.3 数据处理技术数据处理技术数据处理是智能制造的关键技术之一，其目的是从大量的、杂乱无章、难以理解的数据中抽取并推导出对于某些特定的人们来说是有价值、有意义的数据。常见的数据处理流程主要包括：数据清洗、数据融合、数据分析以及数据存储。图图4-2 数据处理数据处理流程流程数据处理是为了更好地利用数据。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材1.数据清洗数据清洗也称为数据预处理，是指对所收集数据进行分析前所做的审核、筛选等必要的处理，并对存在问题的数据进行处理，从而将原始的低质量数据转化为方便分析的高质量数据，确保数据的完整性、一致性、唯一性和合理性。数据清洗主要包含三部分内容：数据清理数据变换数据归约教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材2.数据融合将各种传感器在空间和时间上的互补与冗余信息依据某种优化准则或算法组合来，产生对观测对象的一致性解释和描述。3.数据分析用适当的统计分析方法对收集来的大量数据进行分析，将它们加以汇总和理解并消化，以求最大化地开发数据的功能，发挥数据的作用。常见的数据分析方法包括列表法、作图法、时间序列分析、聚类分析、回归分析等。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材4.数据存储 将数据以某种格式记录在计算机内部或外部存储介质上进行保存。在制造业中，数据处理通常基于常用的数据分析和机器学习技术。工业大数据平台延伸阅读：GE Predix平台：https:/ Watson平台：https:/ Haykin.神经网络与机器学习M.机械工业出版社,2011.PANG-NING TAN.数据挖掘导论:完整版M.人民邮电出版社,2011.教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材节点点及关及关联数据清洗：数据清洗：数据清理、数据变换以及数据归约数据融合：数据融合：数据层融合、特征层融合、决策层融合数据分析：数据分析：提取有用信息，对数据概括总结的过程数据分析技数据分析技术：列表法、作图法、时间序列分析、聚类分析、回归分析、深度学习、支持向量机教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材4.44.4 数据获取与处理在智能制造中的应用数据获取与处理在智能制造中的应用1.数据引领酷特集团收获高端定制红利图图4-3 酷特酷特C2M模式模式 教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材2.海尔空调噪声大数据智能分析海尔通过整合平台上的软件及硬件资源，与美林数据共同开发了空调噪声智能检测系统，有效地解决了无法准确、可靠识别异音的痛点。3.Hirotec利用数据预防意外停机Hirotec在其工厂车间使用了基于物联网和云的技术通过传感器的部署与数据的采集，实现了设备运行状态的实时监控。并利用机器学习方法帮助预测和预防系统故障。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材4.54.5 数据获取与处理未来发展趋势数据获取与处理未来发展趋势1.数据来自数字孪生虚拟数据可以为数据的分析与利用提供更加广阔的思路和途径，有效地提高数据的覆盖程度，并对数据的分析结果进行有效验证，从而更好地反馈实际生产。2.5G技术加速实时通信5G可以构建真的万物互联。3.数据安全愈发重要数据中的敏感信息和关键参数如果遭到泄露，会直接对企业造成巨大的损失。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材节点点及关及关联未来未来发展展趋势：更广的采集范围，更快的通信保障，更加安全的分析环境问题：数据在制造系统中是如何流通的？数据对于制造业的核心价值是什么？有了数据是不是意味着有了全部信息？如果不够，还需要补充什么？教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材5.1 数字孪生的概念与发展 5.2 数字孪生的模型 5.3 数字孪生的关键技术 5.4 数字孪生在智能制造中的应用 5.5 数字孪生的发展趋势 第第5 5章章 数字孪生数字孪生 教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材5.15.1 数字孪生的概念与发展数字孪生的概念与发展数字孪生(又称为数字双胞胎、数字化双胞胎等)：以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，为物理实体增加或扩展新的能力。图图5-1 数字孪生最初概念模型及其术语名词的前身数字孪生最初概念模型及其术语名词的前身PLM的概念化的概念化理想理想教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材问题：数字孪生在智能制造中有何意义？数字孪生如何连接物理世界和数字世界？节点点及关及关联数字数字孪生的概念：生的概念：基于物理实体的系统描述,实现对跨越整 个系统生命周期可信来源的数据、模型和信息进行创建、管理和应用。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材5.25.2 数字孪生的模型数字孪生的模型图图5-2 概念模型、参考架构、应用框架、成熟度模型之间的关系概念模型、参考架构、应用框架、成熟度模型之间的关系教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材1.数字孪生的概念模型图图5-3 数字孪生五维概念数字孪生五维概念模型模型教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材2.数字孪生的系统架构图5-4 数字孪生系统的通用参考架构教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材3.数字孪生的成熟度模型图图5-5 数字孪生成熟度数字孪生成熟度模型模型教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材问题：数字孪生五维结构如何与物联网、大数据、人工智能等新信息技术集成与融合？数字孪生不同生长发育阶段的特点是什么？节点点及关及关联数字数字孪生五生五维模型：模型：物理实体、虚拟实体、服务、孪生数据、各组成部分间的连接。数字数字孪生生生生长发育：育：数化、互动、先知、先觉、共智。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材5.3 5.3 数字孪生的关键技术数字孪生的关键技术 1.建模图图5-6 数字孪生模型建立的数字孪生模型建立的4个个阶段阶段教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材2.仿真仿真是将包含了确定性规律和完整机理的模型转化成软件的方式来模拟物理世界的一种技术。只要模型正确，并拥有了完整的输入信息和环境数据，就可以基本正确地反映物理世界的特性和参数。图图5-7 制造场景下的仿真制造场景下的仿真示例示例教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材3.数字线程数字线程通过强大的端到端的互联系统模型和基于模型的系统工程流程来支撑和支持。图图5-8 数字线程的示意数字线程的示意图图教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材图图5-9 数字孪生体与数字线程的数字孪生体与数字线程的关系关系 教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材问题：数字孪生模型发展4个阶段的关联是什么？建模与仿真有何相互联系？数字线程如何在数字孪生体之间实现信息流动？节点点及关及关联数字数字孪生关生关键技技术：建模、仿真、数字线程教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材5.45.4 数字孪生在智能制造中的应用数字孪生在智能制造中的应用 1.数字孪生设计物料堆放场在电厂、钢铁厂、矿场都有物料堆放场。传统上，设计这些堆放场时，设计需求是人为规划的。堆放场建设运行后，却常常发现当时的设计无法满足现场需求。这种差距有时会非常大，造成巨大浪费。为了应对这一挑战，在设计新的物料堆放场时，ABB公司使用了数字孪生技术。图图5-10 ABB利用数字孪生设计物料堆放利用数字孪生设计物料堆放场场教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材2.数字孪生机床在欧盟领导的欧洲研究和创新计划项目中，研究人员开发了机床的数字孪生体，以优化和控制机床的加工过程。图图5-11 数字孪生机床数字孪生机床图图5-12 数字孪生机床的液压控制数字孪生机床的液压控制系统系统教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材3.数字孪生在水泵运行中的应用由于运行中来流条件的改变，水泵有可能发生气蚀现象，气蚀会导致水泵叶片损坏，从而过早报废。为应对这一挑战，PTC公司和ANSYS公司建立了水泵的数字孪生。图图5-13 基于数字孪生的服务基于数字孪生的服务模式模式教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材节点点及关及关联数字数字孪生的生的应用：用：数字孪生设计物料堆放场、数字孪生机床、数字孪生在水泵运行中的应用数字数字孪生技生技术优势：提高产品性能，缩短研发周期，为企业带来丰厚的回报。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材5.5 5.5 数字孪生数字孪生的的发展趋势发展趋势 1.拟实化多物理建模数字孪生是物理实体在虚拟空间的真实反映，数字孪生在工业领域应用的成功程度取决于数字孪生的逼真程度，即拟实化程度。多物理建模将是提高数字孪生拟实化程度、充分发挥数字孪生作用的重要技术手段。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材2.全生命周期化从产品设计和服务阶段向产品制造阶段延伸基于物联网、工业互联网、移动互联等新一代信息与通信技术，实时采集和处理生产现场产生的过程数据，并将这些过程数据与生产线数字孪生进行关联映射和匹配，能够在线实现对产品制造过程的精细化管控；同时结合智能云平台以及动态贝叶斯、神经网络等数据挖掘和机器学习算法，实现对生产线、制造单元、生产进度、物流、质量的实时动态优化与调整。3.集成化与其他技术融合数字线程技术作为数字孪生的使能技术，用于实现数字孪生全生命周期各阶段模型和关键数据的双向交互，是实现单一产品数据源和产品全生命周期各阶段高效协同的基础。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材6.1 建模与仿真技术的定义 6.2 建模与仿真技术的特点 6.3 建模与仿真技术的技术体系/关键技术 6.4 建模与仿真技术在智能制造中的典型应用案例 6.5 建模与仿真技术的发展趋势 第第6 6章章 建模与仿真技术建模与仿真技术 教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材6.16.1 建模与仿真技术的定义建模与仿真技术的定义建模技术：针对制造中的载体、制造过程和被加工对象，甚至是智能车间、智能调度过程中一切需要研究的对象，应用机械、物理、力学、计算机和数学等学科知识，对研究对象的一种近似表达。仿真技术：在建模完成后，结合计算机图形学等计算机科学手段，对模型进行图像化、数值化、程序化等的表达。仿真技术还让模型的分析过程变得可量化和可控化，即依托建模与仿真技术，可以得到可视化与可量化的模型，利用量化的模型数据，进行分析，进行虚拟加载和虚拟模型调控，对认识和改造智能制造中的研究对象，是一种极为有效的科学手段。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材6.26.2 建模与仿真技术的特点建模与仿真技术的特点产生建模与仿真技术这一需求的原因可分为两类，即根本性原因和非根本性原因。根本性原因：（1）针对实际被研究对象、被研究的过程进行实物研究，成本较高。（2）实际被研究对象、被研究过程往往极其复杂，表现出非线性、强耦合性和不确定性等特点。非根本性原因：建模与仿真技术的可视化、可量化、可对照、可控性等特点，都极有利于科学研究的发展。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材从需求本身出发，建模与仿真技术表现出以下特点：（1）虚拟化；（2）数值化；（3）可视化；（4）可控话。随着制造业的转型升级，从传统制造到数字制造，从数字制造到数字化网络化制造，再到数字化网络化智能化制造，建模与仿真技术又表现出一些新的特点：（1）集成化；（2）模块化；（3）层次化；（4）网络化；（5）跨学科化；（6）虚实结合化；（7）计算高速化；（8）人工智能化；（9）数据驱动化。建模与仿真技术必要性：根本性原因：实物研究，成本较高；研究对象、研究过程高复杂性。非根本性原因：可视化、可量化、可对照、可控性的需求。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材6.36.3 建模与仿真技术的技术体系建模与仿真技术的技术体系/关键技术关键技术1.建模/仿真支撑环境以锻造操作机设计与仿真支撑平台为例。锻造操作机设计与仿真平台的4层体系结构将数据、服务与应用分离开来，便于各种应用软件包括商用建模、仿真软件的集成，保证了整个系统的灵活性和开放性。（1）系统支撑层（2）服务层（3）系统应用层（4）界面层教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材2.先进分布仿真基于仿真采办的两大关键是：（1）协同环境：是由互操作的工具和数据库、权威的信息资源，以及产品/过程模型支持的各领域专家可协同工作的环境；（2）分布产品描述：是数字化产品信息的分布集合，通过 Web 技术互联，对用户呈现单一的逻辑上统一的产品描述，包括产品数据、产品模型、过程模型等。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材3.仿真资源库仿真资源库是仿真技术的依赖性技术，包括数据库、模型库、工具软件库等。4.图形图像综合显示技术智能制造对建模与仿真的图形图像综合显示技术提出了更多新的要求，即不但能在单机上进行二维和三维图形显示，更需要满足嵌入式系统仿真过程中的快速在线实时三维显示。这种综合显示技术不再是单一加工对象或加工主体的图形图像化显示，更提出了新的要求，即融合人和加工环境等的仿真显示技术。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材图图6-1 模拟数控加工全模拟数控加工全过程过程教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材6 6.4.4 建模与仿真技术在智能制造中的典型应用案例建模与仿真技术在智能制造中的典型应用案例 1.建模与仿真技术在工业机器人中的应用图图6-2 MATLAB机器人运动机器人运动仿真仿真图图6-3 ROS系统下的机械臂系统下的机械臂运动规划运动规划教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材图图6-4 V-REP机器人运动机器人运动仿真仿真图图6-5 InteRobot仿真软件进行机器人打磨过程离线仿真软件进行机器人打磨过程离线编程编程图图6-6 InteRobot仿真软件的仿真软件的产线布局与产线布局与规划规划教育部高等学校机械类专业教学指导委员会推荐教材 智能制造系列教材2.建模与仿真技术在汽车设计中的应用在现代汽车设计过程中，汽车性能的设计优化主要是利用建模与仿真技术对汽车性能进行预测评估后，根据仿真结果对整车设计参数进行优化。仿真技术使所设计的车型能在不制造出样车、不进行实车试验的情况下，完成对新车型性能的预测和整车设计参数的优化。教育部高等学校机械类专业教学指导