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1 工业 4.0: 从数字化制造到 智能制造

2 报告提纲 一 为什么要发展智能制造? 一 为什么要发展智能制造? 二 智能制造与工业 4.0 二 工业 4.0 与智能制造 三 数字化制造及其研究进展 四 智能制造技术及应用展望 1

3 1. 中国制造 改变着整个世界 改革开放 30 多年来, 科技进步在制造领域发挥 了重要作用, 人口红利 与 政策红利 相辅相 成, 显著提高了 中国制 造 产品的市场竞争力 - 2-2

4 1. 中国制造 改变着整个世界 中国已经成为全球第二大经济体 中国极可能成为 第五个 世界制造中心 伴随世界制造业的发展, 在不同的阶段形成形成了四大世界级制造中心 中国制造 日本制造 德国制造 美国制造 英国制造

5 1. 中国制造 改变着整个世界 欧美采取贸易保护反制 自 1994 年人民币汇率改革以来, 在中国保持对美商品出口快速增长的同时, 美国对中国产品反倾销调查和反倾销最终措施数量也有了大幅地增长 4

6 2. 美国对 中国制造 的忧虑 寻求技术跨越 美国奇点大学著名教授瓦德瓦 2012 年 1 月 11 日在 华盛顿邮 报 认为 : 我们将人工智能 机器人和 数字制造相结合, 使得美国企 业家在本土建厂, 生产出各种 产品, 这是一场制造业的革命 中国还如何能与我们竞争? 很快就轮到中国担忧了

7 3. 德国制造业面临的压力 老龄化社会带来劳动力减少 资源匮乏, 能效仍需提升产业转移带来国内制造业空心化发展中国家技术实力不断增强经济全球化中, 需要对市场做出快速响应 8 需要根据消费者需求, 实现差异化 个性化的生产 保持制造业国际领先地位所需的标准化 制造业占据全国 GDP 的 25% 出口总额的 60%, 影响极大 6

8 4. 中国制造 亟待技术跨越 产品质量有待提高 在产业链的下游 : 核心技术亟待加强 与欧美产品相比 : 质量存在明显差距 - 7 -

9 4. 中国制造 亟待技术跨越 从价格优势到技术优势转变 国内 : 成本上升 ( 人力 土地 能源 ) 用工荒 ( 技术工人不足 ) 国家出口退税政策变化 国外 : 周边国家新制造工厂的兴起 越南 印度 8

10 报告提纲 一 为什么要发展智能制造? 二 工业 4.0 与智能制造 三 数字化制造及其研究进展 四 智能制造技术及应用展望 9

11 1. 工业革命发展历程 第四次工业革命智能化工厂智能装备及信息通信 第三次工业革命 高自动化柔性生产计算机信息技术驱动 第二次工业革命批量流水线生产电力驱动 第一次工业革命机械化生产 蒸汽驱动 18 世纪末 20 世纪初 70 年代初 至今 10

12 1. 工业革命发展历程 蒸汽机普通机床数控机床智能机床 加工装备 + 电动机 = 电气化 机床 + 电脑 = 按编程操作 适应能力低 数控机床 + 智能控制 = 工艺优化提升 30%-3 倍 工业 1.0: 机械化工业 2.0: 电气化工业 3.0: 数字化工业 4.0: 智能化

13 1. 工业革命发展历程 一 工业 4.0 的意义 工业 1.0

14 1. 工业革命发展历程 一 工业 4.0 的意义 工业 2.0

15 1. 工业革命发展历程 工业 3.0

16 2. 数字化制造的特征 采用数学化仿真手段, 对制造过程中制造装备 制造系统以及产品性能进行定量描述, 使工艺设计从基于经验的试凑向基于科学推理转变 铣削机床镗拉机床 生产线系统 材料毛坯 实物产品 冲压机床 焊接装备

17 2. 数字化制造的特征 数字化技术体系 : 产品表达数字化 制造装备数字化 制造工艺数字化 制造系统数字化 制造系统数字化 CAD:UG/Catia/PRO-E CAE:Nastran/Ansys 影响产品性能 产品数字化 PDM: Team-Center ERP: SAP Enovia 影响制造效率 控制 :NC,CNC,DNC 系统 :MC,FMC,FMS 影响制造效率 装备数字化 制造系统数字化 工艺数字化 涉及装备与产品的几何 力学行为的耦合! CAPP DFX? 影响制造质量 16

18 2. 数字化制造的特征

19 3. 智能化制造的特征 工艺设计智能化 知识化 传感检测信息化 实时化 装备运行境检测 制造工艺的智能设计 制造工艺的实时规划 制造质量的检测 控制执行 柔性化 自动化 装备自动控制 装备柔性操作

20 报告提纲 一 为什么要发展智能制造? 二 工业 4.0 与智能制造 三 数字化制造及其研究进展 四 智能制造技术及应用展望

21 1. 数字化手段有效地提升了产品开发质量 飞机数字化开发 (B777) 美国 B777 的应用效果 开发周期 :9 年 4.5 年 成本降低 :25% 100% 整机数字化设计 世界垄断与霸主地位 20

22 1. 数字化手段有效地提升了产品开发质量 飞机数字化开发 (B787) Production Integration Center

23 1. 数字化手段有效地提升了产品开发质量 飞机数字化开发 (B787) 视频会议 车间 车间 质量管控 生产监控 生产管控人员 人员 技术工程师 技术支持 全球物流专家 采购管理人员 供应商管理人员 环境预警 物流准备 高清视频 生产信息 物流信息等 技术支持 质量管理 物流支持 采购支持 环境信息支持 生产 装配现场 装配现场 全球供应商工厂...

24 1. 数字化手段有效地提升了产品开发质量 数控纺织机械 手动式 半自动 全数控 数控织机, 由原来 3-4 小时 / 毛衣, 变为 40 分钟 / 毛衣,1 个工人操作 5-10 台机器

25 1. 数字化手段有效地提升了产品开发质量 数控印刷机械 机械长轴传动 最高速度 :160 米 / 分 电子长轴传动 以电子虚拟轴作为主导轴, 机器各单元分散驱动 ; 传动由智能化驱动器高精度控制的电子长轴 ; 最高印刷速度 : 350 米 / 分

26 1. 数字化手段有效地提升了产品开发质量 汽车数字化开发 通用公司应用状况 开发周期 (48 月 24 月 12 月 ) 碰撞试验 (100 次 50 次 ) 个性化定单 3 小时 通过在线采购降低成本 10% 产品概念设计 产品详细设计

27 2. 产品数字化制造的技术体系 宏观制造过程 制造资源 环境的数字化 微观制造过程 经营 维修 使用数字化 管理决策过程的数字化 最终 CAD/CAE/CAM NC/CNC/FMS CAPP/VA/DFX 产 / 基于网络的制造 / 加工过程仿真品 数字化制造的支撑技术 :IGES STEP PDM MIS ERP

28 2. 汽车数字化制造的技术体系 汽车数字化开发 --FORD C3P(CAD/CAE/CAM/PDM) 结构设计 工艺设计 概念设计 虚拟测试 以虚拟样机技术支持自主车型整车开发全过程

29 2. 汽车数字化制造的技术体系 汽车数字化开发 虚拟样机 概念 CAD 结构设计 控制设计 可装配性设计可制造性分析 整车结构分析 iman PDM 验证与测试 其他性能分析 数据库 虚拟样机 整车行驶性评价 人机工程 碰撞安全分析 振 噪分析 实车制造

30 2. 汽车数字化制造的技术体系 汽车数字化开发 协同开发 集团 1 开发平台 汽车行业知识 / 数据库 集团 2 开发平台 动态联盟关系 动态联盟关系 设计中心 钢厂 研究院所 零部件企业 设备制造企业

31 3. 关键技术 -- 汽车数字化样机技术 功能 形状 匹配

32 3. 关键技术 -- 汽车数字化样机技术 数字化样机系统 底盘系统 发动机 制动系统 悬架系统 数字化样机 几何模型 功能模型 31 ( 零部件, 子系统 ) 样机模型 31

33 3. 关键技术 -- 汽车数字化样机技术 数字化样机试验 32

34 3. 关键技术 -- 汽车数字化样机技术 数字化样机评审 底盘系统 发动机 制动系统 悬架系统 System-Level Design Review 系统级设计评审与决策 33

35 3. 关键技术 -- 车身制造数字化工艺 工艺动态调试与优化 零件成形部件连接整机装配 薄板产品制造误差 仿真分析与评价 薄板成形工艺稳健设计 单工位装配偏差精确仿真 多工位偏差流系统仿真 34

36 3. 关键技术 -- 车身制造数字化工艺 1) 冲压成形工艺稳健设计 - 研究背景 材料波动摩擦波动压机波动 产品设计 成形工艺参数 布概率密 拉延筋 1 拉延筋 2 质量分度 成形模具 考察的指标 拉延筋 3 拉延筋 4 如何通过成形工艺参数设计, 降低质量波动对随机工艺参数的敏感度? 实际成形零件

37 3. 关键技术 -- 车身制造数字化工艺 1) 冲压成形工艺稳健设计 - 成形仿真 零件 成形性分析

38 3. 关键技术 -- 车身制造数字化工艺 1) 冲压成形工艺稳健设计 - 成形仿真 某车副车架液压成形过程仿真

39 3. 关键技术 -- 车身制造数字化工艺 1) 冲压成形工艺稳健设计 - 成形仿真 开口方管滚弯成形过程仿真

40 3. 关键技术 -- 车身制造数字化工艺 1) 冲压成形工艺稳健设计 - 成形仿真 宝钢集团 6 大类 46 种因素 汽车企业 参数敏材料参数波动度分屈服强度 硬化指数 厚向析双层响应面稳健优化异性 延伸率 压边力 拉伸筋 润滑 冲压方向工艺参数波动 参数敏度分析 冲压稳定性评估 工艺稳健优化设计 SM ( wrinkle wrnikle, SM 起皱和开裂等质量指标与工艺敏感参数的映射关系 质量指标均值和方差与工艺控制参数的映射关系 Min, ) SM % s.t. 质量波动 实现低成本条件下成形质量成形质量的稳定控制 SM

41 3. 关键技术 -- 车身制造数字化工艺 1) 冲压成形工艺稳健设计 - 案例 + 材料和工艺波动 s: MPa r : f : BHF: 吨 三个区域成形相互制约, 且材料与工艺参数波动, 造成开裂起皱缺陷 可控敏感参数 : 毛坯孔轮廓 40 通过毛坯轮廓等参数稳健设计, 降低三个敏感区域对四参数波动的敏感性, 使批量生产条件下侧围外板废品率控制在 0.5% 以内

42 2) 车身装配偏差分析 - 仿真模型 建立薄板多工位装配偏差流的状态空间方程, 实现给定工艺下层次化装配偏差流的定量分析 装配顺序 {k} k=1 k=2 k=3 k=n ( 2 ) 2 V A V B V w m m f 上级装配偏差 A 2 V (1) m (2) V (2) (1) m 偏差传递矩阵 A (2) v1 v 1 (2) (2) (2) 本 A 级 v 装 v 3 接头配置 + 偏差传递率 偏差控制矩阵 B (2) (2) B S f 2 夹具影响 配偏差 v2 v 3 v 8 v9 V m (1) 零件 1 零件 2 v 8 偏差传递路径与传递率 V m (2) 总成 1 v 1 v 2 v 3 v 9 v v 8 0.7

43 2) 车身装配偏差分析 - 应用案例 某车型前舱匹配面临多曲面交汇 多零件变形协调 多偏差流积聚难题, 代表整车装配水平 A 区 间隙 : ±0.5 面差 : C 间隙 : ±0.5 B 间隙 : ±0.55 区面差 : 区面差 : G 区 间隙 : ±1.0 面差 : +1.0 D 区 间隙 : ±0.5 面差 : F 区 间隙 : ±0.5 面差 : E 区 间隙 : ±1.0 面差 : 涉及 5 大总成 84 个薄板件装配, 严重影响前部密封 噪声 外观等产品性能

44 2) 车身装配偏差分析 - 应用案例 构建前脸装配偏差封样模型, 预测 7 个关键区域的装配间隙和面差, 确定偏差流传递路径, 快速诊断偏差源 输入参数 装配顺序零件公差 输出结果 A 区 ( 保险杠 ) 配合公差 定位方案 接头形式 B 区 ( 前盖 ) 配合公差 材料参数 C 区 ( 翼子板 ) 配合公差

45 3. 关键技术 制造信息集成技术 工艺过程优化 生产执行控制 涂装路由控制 PBS 路由控制 中央控制 物料精准配送 多车间生产排序 物料货架 涂胶工艺切换装置 物料匹配 缸体工装快速切换装置 数据采集识别 生产数据采集车身识别缸盖 3D 扫描 物料搬运

46 4. 当前汽车制造业的总体状态

47 报告提纲 一 为什么要发展智能制造? 二 工业 4.0 与智能制造 三 数字化制造及其研究进展 四 智能制造技术及应用展望

48 1. 智能化工厂实例

49 1. 智能化工厂实例

50 2. 信息物理系统是智能制造的本质 信息物理系统 (CPS)

51 2. 信息物理系统是智能制造的本质 信息 信息计算 CPS 系统通信 物理 物理控制

52 2. 信息物理系统是智能制造的本质 二 工业 4.0 时代的智能制造

53 2. 信息物理系统是智能制造的本质 CPS 平台

54 3. 智能制造的运作 二 工业 4.0 时代的智能制造

55 3. 智能制造的运作

56 3. 智能制造的运作

57 4. 关键支撑技术 将传感器及智能决策软件与装备集成, 实现感知 分析 推理 决策 控制功能, 使工艺能适应制造环境变化 传感检测 装备运行监控 制造质量检测 工艺设计 工艺智能创成 工艺实时规划 控制执行 装备自动控制 装备柔性操作

58 4.关键支撑技术 智能加工装备 智能机床

59 4. 关键支撑技术 智能加工装备 1) 智能机床 性能评价 闭环智能加工系统 性能数据 误差模型 误差补偿 零件 加工过程中传感器数据 加工过程间的检验数据 加工完毕后的检验数据

60 4. 关键支撑技术 智能加工装备 信息塔 (e-tower) 机床信息化, 具有语音 文本和视像等通讯功能 与生产计划调度系统联网, 实时反映机床工作状态和加工进度操作权限指纹确认 工件试切时, 可在屏幕观察加工过程 故障报警显示 在线帮助排除 数码相机 操作权限指纹确认 加工任务完成情况和机床状态可用手机查询

61 4. 关键支撑技术 智能加工装备 2) 智能机器人

62 4. 关键支撑技术 智能加工装备 3) 增材制造 (3D 打印 ) 增材制造是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术, 被誉为有望产生 新一次工业革命 的代表性技术 D 打印技术有待充分成熟, 主流市场有待进一步培育 从技术成熟到适应市场需求还将需要 5~10 年的培育期 3D 打印全球市场规模 ( 亿美元 ) 中国产 3D 打印装备仅占 3% 来源 :Wohlers Associates

63 4. 关键支撑技术 智能传感器 1) 基于智能传感的物联网络 传感器 传感器 传感器 传感器

64 4. 关键支撑技术 智能传感器 基于智能传感的物联网络

65 4. 关键支撑技术 智能制造工艺 装配顺序零件公差定位装夹连接参数 新工艺设计模型 智能车身工艺设计系统

66 4. 关键支撑技术 网络服务

67 5. 智能制造应用愿景 中德签署 中德合作行动纲领 2014 年 10 月 10 日, 中华人民共和国国务院总理李克强在访问德国期间和德国总理默克尔, 联合发表了 中德合作行动纲领, 重点突出了双方在制造业就 工业 计划的携手合作 双方将以中国担任 2015 年德国汉诺威消费电子 信息及通信博览会 (CeBIT) 合作伙伴国为契机, 推进两国在移动互联网 物联网 云计算 大数据等领域的合作 借鉴了德国的工业 4.0 计划, 我国也制定了 中国制造 2025 计划, 目前初稿已经完成, 在部分地区已经展开了试点工作, 要在 2025 年对制造业完成升级转型 随着劳动力供给的减少, 用人成本的上升, 我国的制造业亟需转型 虽然面临着众多的问题, 工业 4.0 对于中国的制造业有着举足轻重的意义, 相信就在不远的未来大家就会体验到工业 4.0 带来的便利!

68 5. 智能制造应用愿景 1) 能耗与效益大幅度提升

69 5. 智能制造应用愿景 2) 制造模式变革 1980: OEM 价值链 研发 2. 设计 3. 原型制造 4. 零部件生产 5. 系统集成 6. 销售服务 2025: 开放的价值链 商业模式开发 质量管理 项目管理 工艺过程开发 1. 研发 2. 设计 3. 原型制造 4. 零部件生 产 第二层 第三层 供应链管理 产品生命周期管理 5. 系统集成 6. 销售服务 零部件 系统 子装配体

70 5. 智能制造应用愿景 2) 中国制造技术突破 数控机床工业机器人传感器工艺软件

71 谢谢!