数字化设计与制造是智能制造关键!

2018/12/21 11:47

文章来自中国工程院院士,清华大学材料学院、机械工程学院教授柳百成的一次会议演讲内容,他指出:中国制造2025,是建设我们国家制造强国的纲领性文件。数字化设计与制造是智能制造的关键技术。


知识图谱,数字化设计与制造是智能制造关键!

清华大学教授 柳百成


以下为演讲内容


女士们、先生们,我今天比较聚焦一下智能制造基础环节-智能制造过程。将围绕基于网络的数字化设计与制造展开。


  • 首先简单介绍一下智能制造工程背景。

  • 第二,数字化设计与制造是智能制造关键技术。

  • 第三,介绍国外发展的情况。

  • 第四,讲一下我国在数字化设计与制造研究进展。


01

智能制造工程


大家知道早在2004年,我们国家在制定国家中长期科技发展规划的时候,中国工程院主持的战略研究,已经提出将数字化设计和智能化设计制造列入了国家的科技发展中长期规划。2007年,中国工程院启动了装备制造业自主创新战略研究,也将它列为关键共性技术。2013年,中国工程院正式启动制造强国战略研究,提出数字化、网络化、智能化设计与制造。


在此基础上,2015年中国工程院又开展了网络化设计制造、服务一体化战略研究。2015年,国务院正式颁布了《中国制造2025》,并提出智能制造为主攻方向。


《中国制造2025》,是建设我们国家制造强国的纲领性文件。文件吸取了美国、德国的所长,又结合了中国的特点,聚焦在五大工程,创新体系工程、智能制造工程、绿色制造工程、工业强基工程、高端装备工程。其中把智能制造工程作为主攻方向。在这个基础上我们制造业将由大变强。今天我们聚焦在智能制造工程。


02

数字化设计与制造

是智能制造的关键技术


智能制造是先进制造技术发展趋势,《中国制造2025》将以智能制造为突破口。大家可以从图中看到,智能制造过程智能制造的重要组成部分。我个人的理解是包涵智能产品、智能装备,智能制造及智能生产模式四个方面。我今天着重讲一下智能制造过程,而数字化设计与制造则是基础,也是智能制造的关键技术基础。


下面我举一些例子。波音777大家一直公认是数字化设计的典范,他缩短了研发周期的40%,更好、更快地,更符合要求制造出创新的产品。那么从777又发展到787,波音787是国际上最先进的科技产品。大家都知道,波音787的一个主要特点,采用复合材料超过50%,但是,波音787还有第二个特点,就是大量广泛采用了数字化设计与制造,比波音777又进了一步。


可以称之为四个D,即数字化设计、数字化制造、数字化研发、数字化全生命周期,波音787的研发把数字化的设计与制造发展到了新的高度。


03

国外发展情况


在座来了很多德国的专家,德国的情况我不敢班门弄斧。去年我去美国考察,一直跟踪美国的智能制造。因此,着重讲一下美国的情况。


美国很早就提出产品设计与制造一体化,他们提出一个口号叫:“一次产品开发成功“。过去我们有个叫606的药,做了606次实验才做成功。现在有了信息化,有了数字化就有可能一次研发成功。一次研发成功的关键,是在产品设计的时候,考虑到产品制造,同时并行进行建模与仿真。


早在2006年,美国国防先进计划研究署(简称DARPA),提出加快材料研发计划。一个材料研发成功到应用,如航空飞机的起落架需要12年时间。因此,提出要加快研发,就是用信息化技术,把研发的周期缩短一半,研发成本缩短一半。原来的研发要12年,通过执行加快研发计划就缩短为6年。比如,这是一个航空发动机的涡轮盘,可以做到工艺模型,组织模型,最后到性能模型。


我们国家刚刚成立了航空发动机集团公司,新华社专门做了报道,提出一个新的航空发动机研发要几十年的时间。如何能够加快?可以用数字化、网络化,最后到智能化技术。航空发动机里面有两个关键零部件,一个是航空发动机的高温合金工作叶片,采用工艺模拟、到组织和性能预测,大大缩短研发周期。第二个航空发动机的高温合金涡轮盘,也从工艺模拟、组织模拟、到性能模拟进行全过程建模与仿真。


不仅是美国,英国罗—罗公司是欧洲的航空发动机公司。他们早就提出:全流程建模与仿真技术。罗—罗公司和帝国理工、剑桥大学整个的联合,前期的工作主要由院校进行。通过全流程的模拟和产学研协同合作,大大缩短了涡轮盘等关键零部件研发的周期。


下面再简单介绍一下美国最新进展,2011年6月,美国宣布启动先进制造伙伴计划。2013年,又启动了国家制造创新网络(NNMI)。它是由一批制造创新研究院组成,第一批计划建15所,总的计划要建45所。9月12日,美国政府又把国家制造创新网络用了一个更为鲜明、更为明确,让大家易懂名字,称为“Manufacturing USA”(制造业 - 美国)。


美国到2016年已经成功建了9所制造创新研究院。美国特别重视智能制造,其中3所与智能制造直接有关。今年9月,美国刚刚宣布正在建立第10个“工业机器人”创新研究院。美国制造创新研究院具有四大特点,一是非盈利,为大中小企业服务,二是从事竞争前共性技术研发,三是成果可以共享,四是组成了产学研的协同创新联盟。


以今年6月份在洛杉矶刚刚建立的第9所创新研究院为例。它是由200多个企业、大学、研究院所组成创新联盟,总部在洛杉矶,成立了5个分中心,遍布美国全国30几个州。这个创新研究院的重点聚焦先进传感器、数字化控制、数据处理、及共性技术平台。目的就是要从根本上降低研发成本,来提高美国先进制造业的效率。


我再举个例子,美国成立的第三所“数字化制造与设计”创新研究院。这个研究院的研究任务就是要从设计-研制原型-生产过程-测试过程一直到销售,全流程联系起来,全部数据非常流畅的在每个阶段能够运行。它做到产品在最好的时间,最好的地方,做得更好,更快,而且又非常便宜和更具有竞争性。这个研究院虽然称为数字化制造与设计创新研究院,但它有个宣传材料。这个宣传材料宣称:如果真正实施了整个流程、全面的数字化数据交换和处理,也就是人们把它称之为智能制造。


下面再举几个应用实例。美国2005年研究波音767,风动实验做了77次多次。现在研究787只要11次实验。第二个实例,美国通用电气公司用10000个处理器组成的高性能计算机(HPC),模拟和优化了发动机的喷嘴设计,大大提高发动机的效率,降低了成本,降低了油耗等等。这是美国在数字化设计与制造研究方面取得的最新进展。下面还可以补充一点,通用电气公司在数字化设计与制造基础上,直接采用增材制造,生产高温合金喷嘴。它采用“直接金属激光熔化”技术,寿命提高了5倍。因为它的批量并不是很大,通用电气公司已经把它直接用做生产,而不仅仅是原型研发。


04

我国在数字化设计与制造

研究进展


我国政府及工信部一再强调,工业化要和信息化深度融合,来促进推动制造业的发展。我国也已有进展,具有较好基础。


早在2000年,长江三峡水轮机叶片,原来完全依靠进口。中国二重集团采用了国家自主研发的软件,叶片一次试制成功。新华社专门做了报导,认为打破了这个叶片被国外垄断的制造技术。2002年,马鞍山钢铁公司引进了德国的全套连轧设备,由于经费有限,部分设备要由国内自己制造。他们联合清华,对218吨的轧钢机机架铸钢件工艺,采用数字化模拟和优化技术,一次研发成功。同时,在10个月内成功生产了18件机架铸钢件,为企业节省经费超过1亿元。


大家知道航空发动机的关键零部件制造是关键核心技术,我们和北京航空材料研究院和黎明航空发动机集团,针对航空发动机单晶叶片进行模拟仿真研究,采用新的工艺以后,就可以提高质量。我们对航空发动机高温合金涡轮盘也在合作进行建模与仿真研究。


我们国家要大力发展清洁核电,核电站需要的一个关键件-发电机组低压转子锻件,重200多吨,它需要钢锭约500-600吨。这样的超大型锻件和钢锭必须一次试制成功。我们采用模拟仿真技术,可以把钢锭偏析等缺陷消灭在虚拟现实(VR)的计算机屏幕上。上海交通大学则对超大型锻件及热处理工艺进行模拟仿真。这些研究对企业改善和提高钢锭和锻件质量提供了重要技术支撑。


数控机床是重要基础装备,我们可以对加工过程进行模拟仿真,能够做到预测加工的尺寸精度,特别是加工后的表面残余应力。这个残余应力,决定零件的最后性能和使用寿命。所以,现在的设计与制造,不仅要把零件做出来,而且要做到预测零件的组织、性能与寿命。


2013年,为了迎接智能制造,中国工程院启动了网络化数字化设计—制造—服务一体化战略咨询项目。我国在航空及汽车领域,已取得初步成效。航空工业研制飞机,从设计到首飞比传统周期缩短了一半。汽车工业网络化、数字化平台研发也取得了进展。中国一汽集团的“数字化发动机”研究与开发,从数字化设计、数字化加工和生产、数字化检测、到销售,实现了全过程数字化。东风汽车集团也提出了商用车全过程数字化研发平台,从商品规划、设计、实验、生产到整个流程进行的建模与仿真。


最后,我讲结束语:


  • 一是实施《中国制造2025》,智能制造是主攻方向。

  • 二是数字化设计与制造是智能制造过程关键共性技术。

  • 三是基于科学或知识的建模与仿真是数字化设计与制造的基础。

  • 四是美国等工业发达国家十分重视发展智能制造。美国建立的智能制造国家创新研究院,要为大中小企业提供共性技术服务和平台。

  • 五是我国在基于网络化的数字设计制造领域已经具有较好的技术基础。

  • 六是要充分认识到全面实施智能制造,仍然是任重而道远。


去年我曾经听过德国西门子公司总裁做的报告,他用了一句话,“我们走在工业4.0的路上”。谢谢大家!


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