从数字制造到智能制造发展

-1从数字制造到智能制造发展的技术途径研究报告项目责任单位：浙江大学西安交通大学项目负责人：谭建荣-22014年12月30日-3第一章从数字制造到智能制造发展的必要性制造是一切重要工程、重要产品的最重要的环节之一，是国民经济和国防建设的重要基础。数字制造和智能制造是制造技术创新的共性使能技术，也是第三次工业革命的关键与核心。数字制造采用数字化的手段对制造过程、制造系统与制造装备中复杂的物理现象和信息演变过程进行定量描述、精确计算、可视模拟与精确控制，实现对产品设计和功能的仿真以及原型制造,进而快速生产出符合用户需求的产品。数字制造给产品的设计制造方式以及核心技术创新带来了一系列的变革，是提升制造企业技术含量，促进企业转型升级的有效手段。智能制造借助计算机收集、存储、模拟人类专家的制造智能，进行制造各环节的分析、判断、推理、构思和决策，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动，实现制造过程、制造系统与制造装备的智能感知、智能学习、智能决策、智能控制与智能执行。智能制造将制造数字化、自动化扩展到制造柔性化、智能化和高度集成化，是世界各国抢占新一轮科技发展制高点、重振制造业的重要途径。数字制造是实现智能制造的基础与手段，而智能制造是先进制造、数字化技术与智能方法的有机集成与深度融合，是数字化制造发展的必然。-4因此，从数字制造到智能制造势在必行。然而，缺乏从数字制造向智能制造发展的技术途径研究，将导致数字制造与智能制造的技术发展与应用推广缺乏针对性与系统性，存在大量重复性的工作。因此，迫切需要在研究数字制造与智能制造科学内涵与关键技术的基础上，获取从数字制造发展到智能制造的技术途径，构建从数字制造向智能制造发展的技术路线图，通过从制造信息处理到制造知识处理、从虚拟设计到数字样机、从快速原型到三维打印、从在线测量到工况感知、从数字控制到智能控制、从数字装备到智能装备的技术提升，带动数控机床、大型空气分离装备、工业汽轮机等典型行业智能制造水平的提升，实现数字化、智能化与制造技术的深度集成与有机融合。这对引领机械制造业学术前沿的发展、推动我国从制造大国走向制造强国、提升我国相关产业的产品竞争力，具有十分重要的意义。1.1国外数字制造与智能制造的发展现状在工业技术先进国家，数字制造技术已成为提高企业和产品竞争力的重要手段。随着计算机和网络技术的发展，使得基于多媒体计算机系统和通信网络的数字制造技术为现代制造系统的并行作业、分布式运行、虚拟协作、远程操作与监视等提供了可能。与此同时，数字制造的一些子系统-5不断完善，并随着网络技术和电子商务的发展进入实用阶段，数字制造系统呈现出柔性化、敏捷化、客户化、网络化与全球化等基本特征。在数字制造技术发展与应用研究方面，美国处于国际研究的前沿，许多大学和科研机构都在从事虚拟制造的研究工作。美国华盛顿州立大学在国家标准和技术研究所的资助下，对虚拟装配环境、装配规划、装配分析与评估等方面进行了研究。斯坦福大学研究了复杂装配的分析、评估技术，开发了装配分析工具系统。卡内基·梅隆大学探索了虚拟装配模型、虚拟装配环境、虚拟装配设计、装配评估等，提出了面向网络设计制造的虚拟工具集系统。国家标准及技术局制造工程实验室系统集成部研究了开放式虚拟现实测试机床和国家先进制造测试机床等。在数字化制造产业，美国波音公司在波音777/787飞机的研制中，通过采用“虚拟设计制造”、“全生命周期设计制造PLM”、“并行工程CE”、数字化预装配系统等全数字化设计制造的研制策略（图1.1），使飞机的整机设计、部件测试、整机装配均在高性能工作站上的虚拟环境中通过数字样机完成，在设计阶段就解决了零件间的装配干涉和零件的最终装配确定等制造中的关键问题，并在全球协同化制造环境（图1.2）下展开研制，开发周期从过去的8～9年缩短到四年半，缩短了40％以上，成本降低了25％，出错返工率降低了75％，用户满意度也大幅度提高。-6美国通用汽车公司利用“数字化设计制造”、“虚拟样机”等技术，将轿车的开发周期由原来的48个月缩短到了现在的24个月，碰撞试验的次数由原来的100多次降到50次，另外“全球采购和分销”、“大规模定制”等新的生产模式也帮助它减少了10%的销售成本。图1.1波音787飞机的研制策略图1.2波音787飞机的全球协同环境金融危机以来，在寻求危机解决方案的过程中，美国、德国、日本、加拿大等发达国家和地区纷纷提出通过发展智能制造来重振制造业，高度重视智能制造技术的研究与推广，并将智能制造列为支撑未来可持续发展的重要智能技术。2011年6月，美国正式启动包括工业机器人在内的“先进制造伙伴计划”，2012年2月又出台“先进制造业国家战略计划”，提出通过加强研究和试验(R&E)税收减免、扩大和优化政府投资、建设“智能”制造技术平-7台以加快智能制造的技术创新，2012年设立美国制造业创新网络，并先后设立增材制造创新研究院和数字化制造与设计创新研究院。2012年8月，美国总统奥巴马拨款3000万美元，在俄亥俄州建立了国家级3D打印工业研究中心，投入大量经费用于3D打印技术的研发。目前，3D打印已初步形成了成功的商用模式，例如，纽约一家创意消费品公司Quirky通过在线征集用户的设计方案，以3D打印技术制成实物产品并通过电子市场销售，每年能够推出60种创新产品，年收入达到100万美元。美国斯坦福大学和麻省理工学院合作开展“基于Internet的下一代远程诊断示范系统”的研究，美国NSF成立了智能设备维护技术中心,其成员包括Intel，FordMotor，AppliedMaterials，Xerox，UnitedTechnologies等著名大公司，中心研究宗旨是开发基于Web的智能设备诊断、维护技术。随着现代通信技术和IT业的发展,许多企业都相继推出了具有网络集成能力和一定智能化水平的制造设备和控制系统，通过网络可以实现对设备的远程技术服务。作为制造业强国的德国，继实施智能工厂之后，又启动了一个投入达2亿欧元的工业4.0项目。德国政府2010年制定的《高技术战略2020》计划行动中，意图以工业4.0项目奠定德国在关键工业技术上的国际领先地位，并在2013年4月举行的汉诺威工业博览会上正式将此计划推出。工业4.0-8概念最初是在德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等德国学术界和产业界的建议和推动下形成，目前已上升为国家级战略。德国西门子安贝格电子制造厂被认为是“工业4.0”的样板工厂，这座位于德国安贝格市的工厂，是德国的政府、企业、高校和研究机构共同打造全自动化联网“智能”工厂的协力合作的初期案例。安贝格拥有欧洲最先进的数字化生产平台。西门子的安贝格工厂体现了现阶段的智能运营工厂的潜能。目前，它的自动化运作程度已经达到75%左右，其1150名员工主要是从事计算机运行和生产流程监控工作。日本于1990年提出为期10年的智能制造系统（IMS）的国际合作计划，并与美国、加拿大、澳大利亚、瑞士和欧洲自由贸易协定国在1991年开展了联合研究，其目的是克服柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）的局限性，把日本工厂和车间的专业技术与欧盟的精密工程技术、美国的系统技术充分地结合起来，开发出能使人和智能设备都不受生产操作和国界限制、且能彼此合作的高技术生产系统。日本政府大力推动智能制造以应对用工短缺，全自动生产线和机器人在日本企业得到广泛使用。由日本本田技术研究公司研发的新一代智能机器人“阿斯莫”，在工厂已经服役了12年。日本最大的玩具生产商万代玩具公司，实行智能制造，产品由机器手从机器内取出，搬运由无人自动搬-9运机完成，其静冈分公司拥有17台4色全自动注塑机，每班仅需7人完成进料、出料、维修等辅助工作。日本著名机床厂商山崎马扎克公司2002年开发的“无人机械加工系统”，与上世纪90年代开发的无人加工系统相比，加工成本降低了43%。这套系统的使用，与传统机械加工相比，完成同样的产量，需要13台机床外加36名操作员，即使外国的人工费只有日本的1/20，机器人的作业成本依然比人工费用要低。加拿大制定的1994~1998年发展战略计划，认为未来知识密集型产业是驱动全球经济和加拿大经济发展的基础，认为发展和应用智能系统至关重要，并将具体研究项目选择为智能计算机、人机界面、机械传感器、机器人控制、新装置、动态环境下系统集成。欧盟各国高度重视云计算技术与制造业的结合，利用云制造这一服务化、网络化、智能化的制造模式，实现基于网络的共享与协同分散制造资源，提高制造资源和能力利用率，降低资源消耗，实现绿色制造和服务型制造。欧盟第7框架于2010年8月启动了制造云项目，总投资500万欧元，目的是为用户提供可配置的基于软件的制造能力服务，并能通过网络实现面向用户的产品个性化定制。-101.2我国数字制造与智能制造的发展现状在制造业信息化工程专项的推动下，我国近年来在制造业信息化数字化方面取得了显著进步。我国制造业数字化方面的投入不断加大，主要行业大中型企业数字化设计工具普及率超过六成，近5年年均增长4个百分点。在规模以上的工业企业中，生产线上的数控装备比重已经达到30%，近5年也是年均增长4个百分点。根据《2011中国工业软件产业发展年度报告》，2011年中国工业软件市场规模已达到616.34亿元，到2014年市场规模将达到1037.46亿元。CAD、CAE、PDM、ERP、SCM等信息技术在产品研发部门和生产制造部门得到了有效应用，装备技术水平也在大大的提高。这些数字化设计制造软件的推广应用，改变了传统的设计生产、制作模式，已经成为我国现代制造业发展的重要技术特征。我国许多著名企业、高校与研究机构在相关项目的支持下，进行了有关产品数字化设计及预装配系统的开发和应用，取得了一些成果。神龙汽车制造有限公司对轿车装配生产线进行了轿车预装配数字化系统的开发，基本实现了总装柔性生产。中国一航商用飞机有限公司在ARJ21飞机研制中应用产品数字化定义技术、产品数据管理技术、数字样机技术、数字化-11工艺与虚拟装配技术等数字化设计制造技术和并行工程方法，实现了大部段对接一次成功，飞机上天一次成功，取得了显著的经济效益。我国云制造相关技术及系统的研究已取得显著的成果，构建了面向航天复杂产品的集团企业云制造服务平台、航天科技集团云制造服务平台、面向制造及管理的集团企业云制造服务平台、BISWIT-“成长型企业管理信息化”云应用、面向模具与柔性材料行业的云制造服务平台、汽车零部件新产品研发云制造服务平台、钢铁产业链协同云制造服务平台、面向宁波模具行业云制造服务平台等云制造服务平台，并针对不同类型企业的需求和特点分别开展应用示范工作。北车集团418km/h动车组广泛应用传感网技术和RFID技术，实现制造过程智能化和列车运营的控制、监测与诊断。我国数字化智能化制造产业快速发展。仪器仪表产业近年来增长迅速，2012年仪器仪表行业总产值7112亿元，同比增长20.16%。数控机床制造业迅速发展，进口依存度下降至45%。机器人研发投入持续加大，工业机器人大量应用。2012年，在中国销售的工业机器人达26902台，同比增长19.2%，我国工业机器人年安装量排名世界第三，累计安装量超过6万台。“机器换人”已经成为企业提高生产效率、降低人力成本的重要手段。富士康宣布将在三年内购置百万台机器人，预计到2016年将在山西晋城建成“世界最大智能化机器人生产基地”。海尔首席执行官张瑞敏2014年宣布-12已经裁员1.6万人，仍将继续裁员1万人。京东方的北京8.5代线面板工厂也已经大量启用机器人操作。我国3D打印等新兴产业发展迅速。在3D打印制造基础技术方面，华中科技大学、北京航空航天大学、西北工业大学和北京航空625所相继开展了熔融沉积制造、电子束融合技术、选择性激光烧结等研究。这些研究成果在航空发动机叶片制造、飞机承力件制造、汽车车型开发、傅化骨科植入、颌骨重建和义齿加工等方面得到了应用。在3D打印制造装备研制方面，我国已成功研制了一批先进光固化、激光选区烧结、激光选区溶化、激光近成形、熔融沉积、电