基于数字孪生技术的柔性制造系统

    随着新一代信息通信技术的不断发展，柔性制造逐渐趋于智能化，如何充分利用物联网、人工智能和大数据等先进技术为柔性制造提供智能化的调度支持，实现及时交货、提高客户满意度，成为提升企业竞争力的关键问题。柔性制造系统是一个技术复杂、高度自动化的系统，它将微电子、计算机和系统工程等技术有机地结合起来，圆满地解决了机械制造高自动化与高柔性化之间的矛盾。数字孪生正在与人工智能技术深度结合，促进信息空间与物理空间的实时交互与融合，以在信息化平台内进行更加真实的数字化模拟。将数字孪生系统与机器学习框架相结合，数字孪生系统可以根据多重的反馈源数据进行自我学习，从而几乎实时地在数字世界里呈现物理实体的真实状况，并能够对即将发生的事件进行推测和预演，实现制造的物理空间和信息空间的互联互通。智能化操作是实现智能制造的关键，也是智能化调度的关键，是提高调度自主性、智能性和预测性的有效途径。为此，本书结合当前柔性制造系统和数字孪生技术的研发和应用情况，用简易、直观的方式将柔性制造介绍给大家，目的是为了给学习者提供直观的、一般性的感性知识，并了解一些背景材料，为今后进一步研究及应用打下基础。
    （1） 提出了数字孪生驱动的柔性制造新模式。针对现有的柔性制造缺乏物理信息空间融合的问题，结合数字孪生，提出了一种基于知识的数字孪生驱动的柔性制造新模式，构建了柔性制造新模式的总体框架，并设计了该框架下的数据智能化实时采集、大数据融合与管理等相关内容。
    （2） 建立了数字孪生驱动的柔性制造的相关数据采集与融合模型。针对柔性制造问题，结合大数据技术设计了实时数据采集，使实体与虚体双向传输信号，为柔性制造系统智能化打下基础。
    本书既有较为深入的理论阐述，又有实用性较强的应用技术，旨在为从事该专业的读者提供一本介绍基于数字孪生技术的柔性制造系统的著作。希望本书的出版能够对我国柔性制造行业先进理念的更新及大面积推广起到积极的推动作用。
    本书由李杨、王洪荣、邹军制定编写大纲并组建编写组以收集近年来国内外发展成果和工程实践案例，由王伟、江河、翟鑫梦、黄佳、石明明、施成章、郭磊、张明鹏、苏晓锋、陈建国、杨建华、李抒智、孙莉等专家分工研写，后由李杨、石明明审定成稿。
    本书编写过程中得到了上海贽匠智能科技有限公司、烟台华创智能装备有限公司、湖北晶日光能科技股份有限公司、湖北追日电气设备有限公司、上海光学精密机械研究所、上海应用技术大学、襄阳汽车职业技术学院等单位的大力支持，以上单位的大量研究成果为本书编写提供了丰富的相关数据，在此表示衷心的感谢。
    本书共有7章组成： 第1章介绍数字孪生技术与柔性制造之间的联系，主要由石明明、李杨、王洪荣、江河负责编写；第2章对数字孪生技术进行详细的说明，主要由施成章、王洪荣、邹军、郭磊、江河负责编写；第3章介绍了柔性制造系统的核心技术，主要由张明鹏、李杨、邹军、苏晓锋、翟鑫梦、孙莉负责编写；第4章介绍了柔性制造系统的构成，主要由李杨、邹军、陈建国、杨建华、王伟负责编写；第5章介绍了柔性制造系统的模块，主要由王洪荣、施成章、王伟、李抒智、孙莉、邹军负责编写；第6章介绍了柔性制造系统的控制技术，主要由李杨、邹军、王洪荣、施成章、孙莉、黄佳负责编写；第7章介绍了工业机器人在柔性制造系统中的应用，主要由孙莉、李抒智、江河、李杨编写。
    由于编写工作时间紧迫，加之编者水平有限，书中内容难免有不妥之处，恳请专家、读者批评指正。
    编  者
2020年8月

本书以串联、并联数字孪生技术及柔性制造系统两部分内容为基础，从基础理论、实践案例着手，深入浅出地展开讨论，着重介绍了数字孪生技术和柔性制造系统的基本原理及在工程实际中的应用。其中数字孪生技术主要介绍了数字孪生的仿真基础$柔性制造系统主要介绍了柔性制造系统的核心技术、模块、系统及自动化控制技术，并详细地阐述了数字孪生技术在柔性制造系统的应用等。本书可作为工科院校制造专业高年级学生必修课或选修课用教材，也可作为相关专业工程技术人员参考材料。

李杨：博士，上海应用技术大学工程师。荣获2017年上海市技术发明奖二等奖，2017年嘉兴市科技进步二等奖；发表论文20余篇，申请专利30余项。

王洪荣：长期从事于数字孪生技术研发和应用、机器人和人工智能的设计与开发，并有15年的线上、线下智能制造培训经验。上海人工智能技术协会发起人、上海市智能制造创新产业联盟副理事长、上海康复辅具与老年福祉产业技术创新战略联盟副理事长、企业硕士生导师、中国机器人行业协会会员。获*科技进步技术发明二等奖（服务机器人关键技术及应用）；授权专利30余项，其中发明专利3项。

邹军：博士。上海应用技术大学教授，博士生导师，国家“万人计划”领军人才。已主持完成国家自然科学基金1项，国家创新基金3项，上海市科委等省部级课题12项，省级新产品13项。获2016年浙江省技术发明一等奖，2017年上海市技术发明二等奖，2020年上海市技术发明二等奖。近五年发表SCI论文60多篇，产权分析等专著3部；授权专利100多项，其中国际专利8项，专利成果转让6项。

第1章  绪论

    1.1  柔性制造系统概述
1.1.1  发展历程
1.1.2  系统特征
1.1.3  系统构成单元
1.1.4  系统的分类
1.1.5  系统的组成及发展趋势
    1.2  数字孪生技术概述
1.2.1  产生和演化
1.2.2  定义及内涵
1.2.3  技术现状
1.2.4  标准体系
1.2.5  发展前景
    1.3  数字孪生技术与柔性制造之间的联系
1.3.1  柔性制造系统仿真的目的和意义
1.3.2  数字孪生与柔性制造系统的连接——数字纽带
    第2章  数字孪生技术应用及仿真

    2.1  数字孪生技术的应用
    2.2  数字孪生技术在柔性制造系统中的应用
    2.3  柔性制造系统仿真基础知识
    2.4  Demo 3D仿真软件简介和使用说明
2.4.1  Demo 3D软件基本概念
2.4.2  Demo 3D软件使用步骤
    第3章  柔性制造系统核心技术

    3.1  控制技术
3.1.1  机器人控制器
3.1.2  可编程逻辑控制器
3.1.3  故障监控
    3.2  传感技术
3.2.1  视觉传感器
3.2.2  光电传感器
3.2.3  位移传感器
3.2.4  接近传感器
3.2.5  压力传感器
    3.3  柔性制造系统实验——在机器人平台上实现码垛流程
3.3.1  实验目的
3.3.2  实验仪器
3.3.3  实验内容
    第4章  柔性制造系统的构成

    4.1  加工系统
4.1.1  加工设备的要求及其配置
4.1.2  自动化加工设备
4.1.3  自动化加工设备在FMS中的集成与控制
    4.2  物流系统
4.2.1  物流系统的功能与组成
4.2.2  工件流支持系统
4.2.3  刀具流支持系统
    4.3  信息流系统
4.3.1  FMS的信息流模型及特征
4.3.2  FMS的信息流网络通信
4.3.3  FMS实时调度与控制决策
4.3.4  FMS的计算机仿真
    第5章  柔性制造系统的模块

    5.1  机械传动模块
5.1.1  带传动结构
5.1.2  滚珠丝杠机构
5.1.3  直线导轨机构
5.1.4  间歇传动机构
5.1.5  齿轮传动机构
    5.2  气动控制模块
5.2.1  气动控制系统认知
5.2.2  气动执行元件
5.2.3  气动控制元件
    5.3  传感器检测模块
5.3.1  开关量传感器
5.3.2  数字量传感器
5.3.3  模拟量传感器
    5.4  电机驱动模块
5.4.1  步进电动机
5.4.2  反应式步进电动机的工作原理
5.4.3  步进电机的静态指标术语
    5.5  工业通信网络模块
5.5.1  工业通信网络
5.5.2  PPI通信
5.5.3  MPI通信
5.5.4  Profibus现场总线
    第6章  柔性制造自动化的控制技术

    6.1  面向柔性制造系统的PLC技术
6.1.1  PLC技术的功能扩展
6.1.2  PLC编程语言
6.1.3  PLC的模块化
    6.2  面向柔性制造自动化的数控系统
6.2.1  面向FMS的数控系统特点
6.2.2  数控系统的功能扩展
    6.3  DNC系统
6.3.1  DNC软件
6.3.2  DNC物理结构
6.3.3  DNC的地位
6.3.4  应用实例
    6.4  多级分布式控制系统
6.4.1  多级分布式控制系统的物理结构
6.4.2  单元控制器
6.4.3  多级分布式控制系统的计算机网络
6.4.4  实例
    第7章  工业机器人在柔性制造系统中的应用

    7.1  工业机器人应用及性能简介
    7.2  工业机器人控制技术
7.2.1  运动控制技术
7.2.2  运动规划技术
7.2.3  视觉分析技术
7.2.4  机器人与PLC连接
    7.3  基于视觉检测手眼装配技术的应用

本书以串联、并联数字孪生技术及柔性制造系统两部分内容为基础，从基础理论、实践案例着手，深入浅出地展开讨论，着重介绍了数字孪生技术和柔性制造系统的基本原理及在工程实际中的应用。其中数字孪生技术主要介绍了数字孪生的仿真基础$柔性制造系统主要介绍了柔性制造系统的核心技术、模块、系统及自动化控制技术，并详细地阐述了数字孪生技术在柔性制造系统的应用等。本书可作为工科院校制造专业高年级学生必修课或选修课用教材，也可作为相关专业工程技术人员参考材料。

李杨：博士，上海应用技术大学工程师。荣获2017年上海市技术发明奖二等奖，2017年嘉兴市科技进步二等奖；发表论文20余篇，申请专利30余项。

王洪荣：长期从事于数字孪生技术研发和应用、机器人和人工智能的设计与开发，并有15年的线上、线下智能制造培训经验。上海人工智能技术协会发起人、上海市智能制造创新产业联盟副理事长、上海康复辅具与老年福祉产业技术创新战略联盟副理事长、企业硕士生导师、中国机器人行业协会会员。获*科技进步技术发明二等奖（服务机器人关键技术及应用）；授权专利30余项，其中发明专利3项。

邹军：博士。上海应用技术大学教授，博士生导师，国家“万人计划”领军人才。已主持完成国家自然科学基金1项，国家创新基金3项，上海市科委等省部级课题12项，省级新产品13项。获2016年浙江省技术发明一等奖，2017年上海市技术发明二等奖，2020年上海市技术发明二等奖。近五年发表SCI论文60多篇，产权分析等专著3部；授权专利100多项，其中国际专利8项，专利成果转让6项。