现代制造- 智能制造

1 主题演讲 2014年制造业数字化智能化与 中国制造2025 周济中国工程院院长 中国机械工程学会理事长 2015年中国制造2025 的主攻方向 1 2 制造业数字化 网络化 智能化与 中国制造2025 智能制造 中国制造2025 的主攻方向 提纲 一 中国制造2025 二 制造业数字化智能化是新工业革命的核心技术三 实施创新驱动发展战略 推行 智能制造工程 3 4 第一阶段为2015年到2020年 全面推广数字化网络技术的应用 部分行业和企业开展智能化技术试点和示范 如大力推进 数控一代 机械产品创新工程 第二阶段为2020到2025年 将大力推进网络化智能化技术的应用 如着力推动 智能一代 机械产品创新工程 2012年 我国制造业增加值为20792 62亿美元 在全球制造业占比约20 与美国相当 成为世界制造大国 5 2013年 发电设备产量1 2亿千瓦 约占全球总量的60 全球第一造船完工量4534万载重吨 占全球总量的41 全球第一 全年汽车产销分别为2211 68万辆和2198 41万辆 占全球25 全球第一 机床产量95 9万台 占全球比重38 中国制造的标志 6 中国制造的标志 我国工程机械产量全球第一 高速铁路里程数全球第一通信行业 软硬件互联网人数模具制造大国 注塑机制造大国煤炭 钢铁 水泥 平板玻璃 彩色电视机 家用电冰箱 洗衣机 空调 微波炉 各类纺织品以及日用轻工业品 7 载人航天与探月工程 蛟龙 载人深潜器取得重大突破大型运输机和大型客机已完成布局 研制工作取得重要进展 百万千瓦级核电机组 百万千瓦级水电机组等一大批重大技术装备研制成功 并在市场上得到应用 8 中国制造的标志 制造大国 品牌小国制造业是锻炼强国的根本 战略产业是实现大国崛起的支柱 大而不强 9 中国制造的标志 10 中国制造的标志 11 中国制造的标志 然而 我国制造业仍 大而不强 存在的主要问题是 一是自主创新能力不强 核心技术和关键元器件还有很大差距 二是产品质量问题突出 三是资源利用效率偏低 四是产业结构不合理 大多数产业尚处于价值链的中低端 12 实现由制造大国向制造强国的转变 是新时期我国经济发展面临的重大课题 为此 从2013年1月 中国机械工程院会同工业和信息化部 国家质检总局 启动并开展了 制造强国战略研究 重大咨询项目 提出了实现 中国制造2025 的建议 13 这里 制造强国 有两重含义 其一 强 是形容词 中国由制造大国成为制造强国 其二 强 是动词 制造业强则国家强 通过制造业的发展使中国更加繁荣富强 14 一 中国制造2025 一 加快建设制造强国的重要性和迫切性 二 制造强国发展趋势预测 三 实施 中国制造2025 15 制造业是实体经济主体 是国民经济的支柱 是人民幸福安康的物质基础 也是今后一段时间我国经济 创新驱动 转型升级 的主战场 以信息技术与制造技术深入融合为主要特征 以制造也数字化智能化为核心的新一轮工业革命已经到来 必须给世界范围内的制造业带来革命性的大发展 16 发达国家以数字化智能化制造技术应用为重点 力图依靠科技创新 抢占国际产业竞争制高点 谋求未来发展的主动权 美国 先进制造伙伴计划 AMP 先进制造国家战略计划等德国 工业4 0德国近期发布的 工业4 0 战略 被称为是以智能制造为主导的新的工业革命 17 当前 新工业革命是最难掌控但必须面对的不确定性因素之一 给我们带来极大的挑战和极大的机遇 一方面 新工业革命正在孕育兴起 将重塑全球经济结构和竞争格局 发达国家在科技和产业方面占有领先优势 对于新兴工业国家形成极大的挑战 18 另一方面 新工业革命与我国加快建设制造强国形成历史性交汇 这是极大的机遇 我国的现代化同西方发达国家有很大不同 西方发达国家是一个 串联式 的发展过程 工业化 城镇化 农业现代化 信息现代化顺序发展 比如德国已经完成了工业1 02 0 3 0 正在向工业4 0迈进 19 我们要后来居上 必然是一个 并行式 的发展过程 要求工业化 信息化 城镇化 农业现代化同步发展 中国工业必须同时完成2 0 3 0 4 0 紧紧抓住这一难得的机遇 充分发挥后发优势 将大大加快我国工业化和建设制造强国的进程 20 一 中国制造2025 一 加快建设制造强国的重要性和迫切性 二 制造强国发展趋势预测 三 实施 中国制造2025 21 1 制造强国的主要特征研究认为 作为制造强国 应具备四个主要特征 一是雄厚的产业规模二是优化的产业结构三是良好地质量效益四是持续的发展能力 特别是强大的自主创新能力 22 2 制造业综合指数 根据制造强国特征 我们构建了由4项一级指标 18项二级指标构成的制造业评价体系 23 以2012年美国 德国 日本 英国 法国和韩国等各项指标均值为基准 计算出表征各主要工业化国家历年来制造业综合指数 24 分析综合指数得出以下结论 1 各国制造业均经历了一个从弱到强的过程 此过程与其工业化进程相吻合 2 2012年 主要工业化国家的制造业综合指数分布中 美国遥遥领先 处于第一方阵 德国 日本处于第二方阵 中国 英国 法国 韩国处于第三方阵 制造强国 三步走 战略 25 3 我国制造业发展预测构建适合我国国情的综合指数预测模型 对未来30 40年我国制造业综合指数发展趋势进行预测 26 结果表明 我国制造业强国进程可分为三个阶段 中国制造业可进入世界第二方阵 迈入制造强国行列 中国制造业将位居第二方阵前列 成为名副其实的制造强国 中国制造业可望进入第一方阵 成为具有全球引领影响力的制造强国 第一阶段 2025年 第二阶段 2035年 第三阶段 2050年 入世界第二方阵 迈进制造强国行列 名符其实的制造强国 27 迈入世界第二方阵 迈进制造强国行列 2025年 2035年 2050年 第一阶段 第二阶段 第三阶段 中国制造业将位居第二方阵前列 成为名副其实的制造强国 中国制造业可望进入第一方阵 成为具有全球引领影响力的制造强国 中国制造业发展阶段 我国制造业强国进程可分为三个阶段 2012年 主要工业化国家的制造业综合指数分布中 美国遥遥领先 处于第一方阵 德国 日本处于第二方阵 中国 英国 法国 韩国处于第三方阵 渤乐咨询公司 德国制造 中国创造 奏响 工业4 0 的协奏曲 28 一 中国制造2025 一 加快建设制造强国的重要性和迫切性 二 制造强国发展趋势预测 三 实施 中国制造2025 29 从现在到2025年 是我国全面建成小康社会 进入制造强国行列 基本实现工业化的关键时期 为实现这一目标 要组织制定和实施 中国制造2025 中国制造2025 是动员全社会力量建设制造强国的总体战略 是充分发挥市场和政府作用 统筹利用各方优良资源 以 创新驱动 质量为先 绿色发展 结构优化 为发展方针行动计划 包括8项优先行动 30 1 创新驱动创新是制造业发展的引擎 是结构调整优化和转变经济发展方式的不竭动力 必须摆在制造业发展全局的核心位置 实施以下三项战略对策 1 推行智能制造 数字化智能化制造 2 提高创新设计能力 3 完善制造业技术创新体系 31 2 质量为先质量是制造业核心竞争力的体现 是支撑经济转型升级的基石 是国家强盛的关键内核 实施以下两项战略对策 4 强化制造基础强化 四基 基础材料 基础零部件 基础制造工艺 技术标准体系基础 5 提升产品质量 32 3 绿色发展绿色发展是实现制造业可持续发展的必由之路 要实施以下战略对策 6 推行绿色制造 33 4 结构优化质量结构优化是制造业科学发展的主题 是提升国民经济整体素质 打造中国经济升级版的主要途径 要实施以下两项战略对策 34 7 培养具有全球竞争力的优势产业和企业群体大力发展战略性新兴产业和先进制造业 加快传统产业转型升级 提高高端制造业比重 一方面 优先发展对国民经济 国防建设和人民生活休戚相关5大战略必争产业 集成电路及其专用生产装备数控机床与基础制造装备航空工程装备海洋工程装备汽车 35 另一方面 选择与国际先进水平已较为接近的8大战略必争产业 航天装备通信装备发电与输变电装备工程机械 轨道交通装备钢铁石油化工家用电器 36 8 发展现代制造服务业发展现代制造服务业 促进制造业的由大规模流水线生产方式 转向定制化的规模生产 实现产业形态从生产型制造业向全生命周期的服务型制造业的转变 37 中国制造2025 的目标 打造中国制造升级版进入制造强国行列实现工业化 38 中国制造2025 体现为四大转变和一条主线 四大转变分别对应四个指导方针 转变一 由要素驱动向创新驱动转变 创新驱动质量为先绿色发展结构优化 转变二 由低成本竞争优势向质量效益竞争优势转变 转变三 由资源消耗大 污染物排放多的粗放制造向绿色制造转变 转变四 由生产型制造向服务型制造转变 主线 以体现信息技术与制造技术深度融合的数字化智能化制造为主线 39 提纲 一 中国制造2025 二 制造业数字化智能化是新工业革命的核心技术三 实施创新驱动发展战略 推行 智能制造工程 40 二 制造业数字化智能化 是新工业革命的核心技术 制造创新的内涵包括三个层次 在这三个层次上 制造业数字化智能化都是制造业创新的重要途径 1 产品创新 产品的数字化智能化 2 制造技术创新 制造过程的数字化智能化 3 产业模式创新 基于数字化智能化的新型产业模式 41 2 1产品创新 产品的数字化智能化2 1 1数控化和智能化技术是机械产品创新的共性使能技术2 1 2 数控一代 机械产品创新工程 和 智能一代 机械产品创新工程 42 应用数控化和智能化技术进行机械产品创新其核心技术路线是 一方面 用伺服驱动系统取代传统机械中的动力装置与传动装置 另一方面 也是更为重要的 采用计算机控制系统对机械运动与工作过程进行控制 即增加一个 大脑 并在此基础上进一步应用智能化技术对产品功能与性能进行优化 使产品的智能化程度不断提高 43 一说起数控 人们就想起了数控机床 这是对的 但很不全面 一方面 数控机床是应用数控技术创新机械产品的最初的推动力和最成功的典范 44 X52K普通立式铣床 XK714数控铣床 XHK714加工中 XHK714 3五轴坐标加工中心 例1 45 为实现不同的刀具切削速度 设计了复杂的主传动和进给传动变速系统 X52K普通立式铣床 46 进给运动 主轴运动均采用交流伺服电机驱动 机械传动系统大大简化 而且可实现精确的无级变速 X52K产品升级 XK714数控铣床 47 计算机数控系统对机床运动与工作过程进行控制 可三轴联运加工复杂开关零件 加工精度高 质量稳定 生产效率与自动化程度高 柔性好 操作方便 有利于实行现代化生产管理 X52K产品升级 XK714数控铣床 48 再增加再转动坐标 五坐标联运可使刀具相对工件呈任意姿态 加工自由度显著增大 一次装夹实现装夹部分外其余表面的完全加工 五坐标联动有效避免三坐标联动时的刀具干涉 可采用最有效的刀具及其姿态进行加工 显著提高加工效率和质量 XK714产品升级 XK714 3 5坐标加工中心 49 在数控化基础上 通过进一步引入各种智能化技术 可使机床性能和智能化程度不断提高 如实现智能编程 自适应控制 机械几何误差补偿 热变形误差补偿 三维刀具补偿 运动参数动态补偿 故障监控与诊断等 50 但另一方面 数控化与智能化技术是一种共性使能技术 可应用于对各种机械产品进行创新升级 例如 电力机车 电动汽车都是典型的数控化机械产品 并已实现了一定程度的智能化 51 我国已成为世界上高速机车技术最发边的国家之一轨道交通机车历经蒸汽机车 内燃机车 电力机车到动车组的进化 目前正身智能化方向发展 例2 动力机车的数控化与智能化 52 综观机械产品创新升级的历程 蒸汽机技术这一共性使能技术所带来的动力革命曾催生出了 蒸汽一代 机械产品 电机技术这一共性使能技术所带来的另一场动力革命则曾导致了 电气一代 机械产品的产生 当今 数控化和智能化这一共性使能技术不仅使机械产品从 电气一代 跃升为 数控一代 并正在逐步向 智能一代 机械产品进化 53 2 1产品创新 产品的数字化智能化2 1 1数控化和智能化技术是机械产品创新的共性使能技术2 1 2 数控一代 机械产品创新工程 和 智能一代 机械产品创新工程 54 应用数控化和智能化技术进行机械产品创新的技术路线具体明确 适用于各行各业的机械产品的全面创新 各种金属加工设备特别是金属切削机床 各种非金属加工专用设备 如塑料加工机械 食品 饮料 农副产品 日用化工 制药等专用设备 汽车 火车 飞机 轮船等交通运输设备 火炮 雷达 坦克等武器装备 工程 农业 建筑 港口 印刷 医疗机械等 55 56 57 第一 可以广泛应用于国民经济各行业和国防军工中各种重要装备的升级换代 极大提升各种产品性能与市场竞争力 提高制造业的生产效率和质量水平 58 注塑成形是最有效的塑料成形方法 我国是全球最大的注塑机生产国 但在高端产品方面还远远落后于世界先进水平 例2 注塑机的创新升代 注塑机要完成模具开合 注射 塑化 脱模 调模 注射台移动等6个动作 分别由6个执行机构来实现 注塑机的发展历经传统液压型到伺服节能型再到全电动数控型的演变 目前正向智能数控型方向发展 59 注塑成形是最有效的塑料成形方法 我国是全球最大的注塑机生产国 但在高端产品方面还远远落后于世界先进水平 例2 注塑机的创新升代 注塑机要完成模具开合 注射 塑化 脱模 调模 注射台移动等6个动作 分别由6个执行机构来实现 注塑机的发展历经传统液压型到伺服节能型再到全电动数控型的演变 目前正向智能数控型方向发展 60 注塑成形是最有效的塑料成形方法 我国是全球最大的注塑机生产国 但在高端产品方面还远远落后于世界先进水平 例2 注塑机的创新升代 注塑机要完成模具开合 注射 塑化 脱模 调模 注射台移动等6个动作 分别由6个执行机构来实现 注塑机的发展历经传统液压型到伺服节能型再到全电动数控型的演变 目前正向智能数控型方向发展 61 注塑成形是最有效的塑料成形方法 我国是全球最大的注塑机生产国 但在高端产品方面还远远落后于世界先进水平 例2 注塑机的创新升代 注塑机要完成模具开合 注射 塑化 脱模 调模 注射台移动等6个动作 分别由6个执行机构来实现 注塑机的发展历经传统液压型到伺服节能型再到全电动数控型的演变 目前正向智能数控型方向发展 62 第一 可以广泛应用于国民经济各行业和国防军工中各种重要装备的升级换代 极大提升各种产品性能与市场竞争力 提高制造业的生产效率和质量水平 63 全面应用数字化技术 6个执行机构均采用伺服电机驱动 采用计算机数控系统进行控制 全电动数控型注塑机 1 加工精度与稳定性高 质量好 2 可实现复杂的同步重叠动作 生产效率高 3 节省能源 噪音低 无油污染 64 进一步引入智能化技术 实现工艺自动优化 参数自动补偿 产品自动分拣 过程自动监控和故障自动诊断等功能 智能型数控注塑机 65 第二 数控化智能化可以改变原有的机械驱动与控制方式 催生一系列新的高性能装备 近年来美国军方不断加强研制的 全电坦克 全电飞机 全电舰船 等先进武器 其实质就是推动 电控制的数字化智能化装备 我国的 海洋石油981 平台也是一个典型的全电海洋工程平台 66 利用柴油机集中发电 然后对整个平台进行电力驱动和数字化控制 这么一个庞然大物 在3000米深海钻井 能在大风大浪中岿然不动 靠的是平台底部的8个电推进器 在计算机系统的优化调度控制下 这8个推进器可以在各个方向上进行角度和推力调整 保证平台的稳定和顺利作业 例4 海洋石油981 平台 67 68 第三 数控化智能化使机械产品装备了 大脑 开辟了高端机械产品创新的广阔空间 光刻机精密工作台的研制即为一典型案例 69 70 71 72 光刻机是IC制造中最关键 最复杂和最昂贵的设备 精密工作台是光刻机核心关键装置 其精度要求极高 例4 光刻机精密工作台 加速度高至2g 速度1m s以上 精度为纳米级的6自由度运动 对于100nm线宽的扫描曝光 要求定位精度 10nm 硅片台和掩模台间的同步平均误差 5nm 精度几乎接近物理极限 常规机械制造工艺无法实现 73 要实现光刻机的高速 大行程 6自由度纳米级精度运动 除合理的运动结构与精密检测技术外关键在于数字化智能化控制 核心在于对引起误差的各种因素的补偿修正 补偿的内容包括 台体质量与质心位置误差 6自由度运动耦合干扰误差 粗微动耦合干扰 电机与驱动非线性误差 电路噪声与延时误差 测量干扰误差 环境与温度变化误差等 通过补偿控制 我国研制的100nm光刻机工作台实现了高速高精的技术要求 74 二 制造业数字化智能化 是新工业革命的核心技术 1 产品创新 产品的数字化智能化 2 制造技术创新 制造过程的数字化智能化 3 产业模式创新 基于数字化智能化的新型产业模式 75 采用面向产品全生命周期 具有丰富设计知识库和模拟仿真技术支持的数字化智能化设计系统 在虚拟现实 计算机网络 数据库等技术的支持下 可在虚拟的数字环境里并行地 协同地实现产品的全数字化 结构 性能 功能的模拟与仿真优化 极在提高产品的质量和一次研发成功率 76 采用面向产品全生命周期 具有丰富设计知识库和模拟仿真技术支持的数字化智能化设计系统 在虚拟现实 计算机网络 数据库等技术的支持下 可在虚拟的数字环境里并行地 协同地实现产品的全数字化 结构 性能 功能的模拟与仿真优化 极在提高产品的质量和一次研发成功率 77 采用面向产品全生命周期 具有丰富设计知识库和模拟仿真技术支持的数字化智能化设计系统 在虚拟现实 计算机网络 数据库等技术的支持下 可在虚拟的数字环境里并行地 协同地实现产品的全数字化 结构 性能 功能的模拟与仿真优化 极在提高产品的质量和一次研发成功率 78 采用面向产品全生命周期 具有丰富设计知识库和模拟仿真技术支持的数字化智能化设计系统 在虚拟现实 计算机网络 数据库等技术的支持下 可在虚拟的数字环境里并行地 协同地实现产品的全数字化 结构 性能 功能的模拟与仿真优化 极在提高产品的质量和一次研发成功率 79 80 81 82 83 84 2 2制造技术创新 制造过程的数字化智能化2 2 1设计技术创新 设计的数字化智能化2 2 2加工技术创新 加工的数字化智能化2 2 3管理技术创新 管理的数字化智能化 85 一是加工工艺创新 数字化智能化技术不仅将催生出加工原理的一些重大创新 同时加工过程的仿真优化 数字化控制 状态信息实时检测与自适应控制等数字化智能化技术的全面应用将极大提高各种制造工艺的精度和效率 大幅度提升整个制造业的工艺水平 86 二是制造装备及系统创新 制造装备的数字化智能化 如 数控机床 工业机器人 生产过程的计算机辅助规划与优化 可大幅度提升系统的功能 性能与自动化程度 使制造系统向柔性制造系统 数字化车间 数字化工厂 以至智能制造系统方向发展 生产系统的柔性自动化与智能化程度不断提高 87 2 2制造技术创新 制造过程的数字化智能化2 2 1设计技术创新 设计的数字化智能化2 2 2加工技术创新 加工的数字化智能化2 2 3管理技术创新 管理的数字化智能化 88 数字化智能化技术的应用将使制造企业管控模式发展 可实现产品全生命周期各环节各业务各要素的协同规划与决策优化管理 不仅可有效提高企业的市场反应速度 同时可大幅度提高制造效益 降低产品成本和资源消耗 有效提高企业竞争力 89 二 制造业数字化智能化 是新工业革命的核心技术 2 1产品创新 产品的数字化智能化2 2制造技术创新 制造过程的数字化智能化2 3产业模式创新 基于数字化智能化的新型产业模式 90 纵观历史 不同领域的学者们对于三次工业革命有不同角度的看法 91 这次工业革命目前表现出两个根本性的产业模式转变 一是从大规模流