从数字制造到智能制造发展.doc

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 2014年12月30日 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。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。 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(RE)税收减免、扩大和优化政府投资、建