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數字化設計與制造是智能制造關鍵

發表日期:2018/12/27 13:36:45 來源:制造業信息化咨詢 評論 總點擊量: 次

本文和大家分享中國工程院院士,清華大學材料學院、機械工程學院教授柳百成的一次會議演講内容,他指出:中國制造2025,是建設我們國家制造強國的綱領性文件。數字化設計與制造是智能制造的關鍵技術。


以下為演講内容:

女士們、先生們,我今天比較聚焦一下智能制造基礎環節-智能制造過程。将圍繞基于網絡的數字化設計與制造展開。

首先簡單介紹一下智能制造工程背景。

第二,數字化設計與制造是智能制造關鍵技術。

第三,介紹國外發展的情況。

第四,講一下我國在數字化設計與制造研究進展。

智能制造工程

大家知道早在2004年,我們國家在制定國家中長期科技發展規劃的時候,中國工程院主持的戰略研究,已經提出将數字化設計和智能化設計制造列入了國家的科技發展中長期規劃。2007年,中國工程院啟動了裝備制造業自主創新戰略研究,也将它列為關鍵共性技術。2013年,中國工程院正式啟動制造強國戰略研究,提出數字化、網絡化、智能化設計與制造。

在此基礎上,2015年中國工程院又開展了網絡化設計制造、服務一體化戰略研究。2015年,國務院正式頒布了《中國制造2025》,并提出智能制造為主攻方向。

《中國制造2025》,是建設我們國家制造強國的綱領性文件。文件吸取了美國、德國的所長,又結合了中國的特點,聚焦在五大工程,創新體系工程、智能制造工程、綠色制造工程、工業強基工程、高端裝備工程。其中把智能制造工程作為主攻方向。在這個基礎上我們制造業将由大變強。今天我們聚焦在智能制造工程。

數字化設計與制造是智能制造的關鍵技術

智能制造是先進制造技術發展趨勢,《中國制造2025》将以智能制造為突破口。大家可以從圖中看到,智能制造過程智能制造的重要組成部分。我個人的理解是包涵智能産品、智能裝備,智能制造及智能生産模式四個方面。我今天着重講一下智能制造過程,而數字化設計與制造則是基礎,也是智能制造的關鍵技術基礎。

下面我舉一些例子。波音777大家一直公認是數字化設計的典範,他縮短了研發周期的40%,更好、更快地,更符合要求制造出創新的産品。那麼從777又發展到787,波音787是國際上最先進的科技産品。大家都知道,波音787的一個主要特點,采用複合材料超過50%,但是,波音787還有第二個特點,就是大量廣泛采用了數字化設計與制造,比波音777又進了一步。

可以稱之為四個D,即數字化設計、數字化制造、數字化研發、數字化全生命周期,波音787的研發把數字化的設計與制造發展到了新的高度。

國外發展情況

在座來了很多德國的專家,德國的情況我不敢班門弄斧。去年我去美國考察,一直跟蹤美國的智能制造。因此,着重講一下美國的情況。

美國很早就提出産品設計與制造一體化,他們提出一個口号叫:“一次産品開發成功“。過去我們有個叫606的藥,做了606次實驗才做成功。現在有了信息化,有了數字化就有可能一次研發成功。一次研發成功的關鍵,是在産品設計的時候,考慮到産品制造,同時并行進行建模與仿真。

早在2006年,美國國防先進計劃研究署(簡稱DARPA),提出加快材料研發計劃。一個材料研發成功到應用,如航空飛機的起落架需要12年時間。因此,提出要加快研發,就是用信息化技術,把研發的周期縮短一半,研發成本縮短一半。原來的研發要12年,通過執行加快研發計劃就縮短為6年。比如,這是一個航空發動機的渦輪盤,可以做到工藝模型,組織模型,最後到性能模型。

我們國家剛剛成立了航空發動機集團公司,新華社專門做了報道,提出一個新的航空發動機研發要幾十年的時間。如何能夠加快?可以用數字化、網絡化,最後到智能化技術。航空發動機裡面有兩個關鍵零部件,一個是航空發動機的高溫合金工作葉片,采用工藝模拟、到組織和性能預測,大大縮短研發周期。第二個航空發動機的高溫合金渦輪盤,也從工藝模拟、組織模拟、到性能模拟進行全過程建模與仿真。

不僅是美國,英國羅—羅公司是歐洲的航空發動機公司。他們早就提出:全流程建模與仿真技術。羅—羅公司和帝國理工、劍橋大學整個的聯合,前期的工作主要由院校進行。通過全流程的模拟和産學研協同合作,大大縮短了渦輪盤等關鍵零部件研發的周期。

下面再簡單介紹一下美國最新進展,2011年6月,美國宣布啟動先進制造夥伴計劃。2013年,又啟動了國家制造創新網絡(NNMI)。它是由一批制造創新研究院組成,第一批計劃建15所,總的計劃要建45所。9月12日,美國政府又把國家制造創新網絡用了一個更為鮮明、更為明确,讓大家易懂名字,稱為“Manufacturing USA”(制造業 - 美國)。

美國到2016年已經成功建了9所制造創新研究院。美國特别重視智能制造,其中3所與智能制造直接有關。今年9月,美國剛剛宣布正在建立第10個“工業機器人”創新研究院。美國制造創新研究院具有四大特點,一是非盈利,為大中小企業服務,二是從事競争前共性技術研發,三是成果可以共享,四是組成了産學研的協同創新聯盟。

以今年6月份在洛杉矶剛剛建立的第9所創新研究院為例。它是由200多個企業、大學、研究院所組成創新聯盟,總部在洛杉矶,成立了5個分中心,遍布美國全國30幾個州。這個創新研究院的重點聚焦先進傳感器、數字化控制、數據處理、及共性技術平台。目的就是要從根本上降低研發成本,來提高美國先進制造業的效率。

我再舉個例子,美國成立的第三所“數字化制造與設計”創新研究院。這個研究院的研究任務就是要從設計-研制原型-生産過程-測試過程一直到銷售,全流程聯系起來,全部數據非常流暢的在每個階段能夠運行。它做到産品在最好的時間,最好的地方,做得更好,更快,而且又非常便宜和更具有競争性。這個研究院雖然稱為數字化制造與設計創新研究院,但它有個宣傳材料。這個宣傳材料宣稱:如果真正實施了整個流程、全面的數字化數據交換和處理,也就是人們把它稱之為智能制造。

下面再舉幾個應用實例。美國2005年研究波音767,風動實驗做了77次多次。現在研究787隻要11次實驗。第二個實例,美國通用電氣公司用10000個處理器組成的高性能計算機(HPC),模拟和優化了發動機的噴嘴設計,大大提高發動機的效率,降低了成本,降低了油耗等等。這是美國在數字化設計與制造研究方面取得的最新進展。下面還可以補充一點,通用電氣公司在數字化設計與制造基礎上,直接采用增材制造,生産高溫合金噴嘴。它采用“直接金屬激光熔化”技術,壽命提高了5倍。因為它的批量并不是很大,通用電氣公司已經把它直接用做生産,而不僅僅是原型研發。

我國在數字化設計與制造研究進展

我國政府及工信部一再強調,工業化要和信息化深度融合,來促進推動制造業的發展。我國也已有進展,具有較好基礎。

早在2000年,長江三峽水輪機葉片,原來完全依靠進口。中國二重集團采用了國家自主研發的軟件,葉片一次試制成功。新華社專門做了報導,認為打破了這個葉片被國外壟斷的制造技術。2002年,馬鞍山鋼鐵公司引進了德國的全套連軋設備,由于經費有限,部分設備要由國内自己制造。他們聯合清華,對218噸的軋鋼機機架鑄鋼件工藝,采用數字化模拟和優化技術,一次研發成功。同時,在10個月内成功生産了18件機架鑄鋼件,為企業節省經費超過1億元。

大家知道航空發動機的關鍵零部件制造是關鍵核心技術,我們和北京航空材料研究院和黎明航空發動機集團,針對航空發動機單晶葉片進行模拟仿真研究,采用新的工藝以後,就可以提高質量。我們對航空發動機高溫合金渦輪盤也在合作進行建模與仿真研究。

我們國家要大力發展清潔核電,核電站需要的一個關鍵件-發電機組低壓轉子鍛件,重200多噸,它需要鋼錠約500-600噸。這樣的超大型鍛件和鋼錠必須一次試制成功。我們采用模拟仿真技術,可以把鋼錠偏析等缺陷消滅在虛拟現實(VR)的計算機屏幕上。上海交通大學則對超大型鍛件及熱處理工藝進行模拟仿真。這些研究對企業改善和提高鋼錠和鍛件質量提供了重要技術支撐。

數控機床是重要基礎裝備,我們可以對加工過程進行模拟仿真,能夠做到預測加工的尺寸精度,特别是加工後的表面殘餘應力。這個殘餘應力,決定零件的最後性能和使用壽命。所以,現在的設計與制造,不僅要把零件做出來,而且要做到預測零件的組織、性能與壽命。

2013年,為了迎接智能制造,中國工程院啟動了網絡化數字化設計—制造—服務一體化戰略咨詢項目。我國在航空及汽車領域,已取得初步成效。航空工業研制飛機,從設計到首飛比傳統周期縮短了一半。汽車工業網絡化、數字化平台研發也取得了進展。中國一汽集團的“數字化發動機”研究與開發,從數字化設計、數字化加工和生産、數字化檢測、到銷售,實現了全過程數字化。東風汽車集團也提出了商用車全過程數字化研發平台,從商品規劃、設計、實驗、生産到整個流程進行的建模與仿真。

最後,我講結束語:

一是實施《中國制造2025》,智能制造是主攻方向。

二是數字化設計與制造是智能制造過程關鍵共性技術。

三是基于科學或知識的建模與仿真是數字化設計與制造的基礎。

四是美國等工業發達國家十分重視發展智能制造。美國建立的智能制造國家創新研究院,要為大中小企業提供共性技術服務和平台。

五是我國在基于網絡化的數字設計制造領域已經具有較好的技術基礎。

六是要充分認識到全面實施智能制造,仍然是任重而道遠。

去年我曾經聽過德國西門子公司總裁做的報告,他用了一句話,“我們走在工業4.0的路上”。謝謝大家!

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