德国工业40与数字化制造

1、 智能化设计与制造技术浅谈德国“工业4.0”与数字化制造技术班 级： ZY14076学 号： ZY1407612 姓 名： 孙 振 指导老师： 刘继红2015-1-20目 录第1章 德国“工业4.0”11.1 国际制造业发展态势11.2 德国“工业4.0”主要内容11.2.1 “工业4.0”的概念直指新一轮工业革命21.2.2 以CPS技术为基础塑造制造业核心竞争力31.2.3 围绕CPS 技术创新和市场培育推进“工业4.0”战略3第2章 数字化制造技术52.1 数字化制造技术的概念52.2 数字化制造技术的国内外研究现状52.3 数字化制造的关键技术62.3.1 制造过程的建模与仿真62.3

2、.2 网络化敏捷设计与制造72.3.3 虚拟产品开发72.4 数字化制造的核心技术72.4.1 将计算机辅助工业设计（CAID）72.4.2 计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)72.4.3 快速成型82.4.4 三坐标测量及计算机辅助检测(CMM/CAI)8第3章 工业4.0与数字化制造93.1 信息技术转变制造方式93.2 增强系统配套9第4章 展望11第1章 德国“工业4.0”1.1 国际制造业发展态势制造业的兴衰，印证的是大国的兴衰，没有强大的制造业，就不可能成为经济大国和强国。金融危机爆发后，世界各国围绕制造业发展进行了新一轮的激烈竞争，在技术创新和产业升级引领下，先进制造业发展成

3、为大国关注的焦点。2010年8月，美国政府提出制造业促进法案，旨在恢复美国制造的昔日荣光，创造更多就业岗位，提振国家制造业总体竞争力。2011年，又启动了先进制造伙伴计划（AMP），期望通过政府、高校、企业的合作，创造有利环境，在国家安全、先进材料、工业机器人、制造工艺四大领域取得突破性进展。2012年7月，提出制造业振兴的系统政策框架总统美国制造业复兴计划，包括三大类16项建议。2009年和2010年，日本国际贸易委员会和日本通产省分别发布了日本制造业竞争策略和日本制造业专题报告，包括全面推动以制造为主的5个战略性新兴产业。2011年又公布了以增强制造业国际竞争力为主要目的的应对日元升值综合

4、经济对策。2008年法国建立了国家主权基金战略投资基金，旨在向制造部门融入创新资金。2012年，为支持实体部门发展，法国政府宣布提高增值税，增加就业、征收金融交易税等多项措施，同时还斥资10亿欧元，专门面向实体经济展开借贷业务。作为老牌工业强国的德国当然不会坐以待毙，2013年4月德国于汉诺威国际博览会正式提出的“工业4.0”计划。1.2 德国“工业4.0”主要内容对德国“工业4.0”的内容进行一个概括的话，可以总结为“一个愿景，双重战略，三大特征，八个优先”。“一个愿景”“工业4.0”对制造业的历史演进进行了总结与展望，认为目前正处于第三次工业革命向第四次工业革命过渡的时期（见图1所示）。前

5、三次革命分别起源于机械化、电力和信息技术革命，而未来则是虚拟网络实体物理系统（Cyber Physical Systems，简称CPS）的革命。因此，“工业4.0”对制造业的发展前景是“未来，企业将建立全球网络，把机器、仓储系统、生产设施融入到CPS中，使得它们之间能够相互独立地自动交换信息、触发动作、进行控制，这将从根本上改善包括制造、工程、材料使用、供应链和生命周期管理的一系列过程。”图1 四次工业革命 “工业4.0”的概念直指新一轮工业革命德国“工业4.0”战略，与国际金融危机之后发达国家纷纷提出的以重振制造业为核心的“再工业化”战略一脉相承。再工业化并非简单回归，而是以信息网络技术、数

6、字化制造技术应用为重点，旨在依靠科技创新，抢占制造业新的制高点。这股信息技术与制造技术深入融合的浪潮被认为是新一轮工业革命。德国政府发布的实施“工业4.0”战略建议书坦言，已经拥有强大机械和装备制造业的德国工业，不仅面临中国等新兴国家的竞争威胁，美国等发达国家也在通过各种计划，促进先进制造业发展。德国希望通过制定“工业4.0”战略，“确保德国制造的未来”。德国认为，深度应用的信息通信技术，将推动实体物理世界和虚拟网络世界的融合，在制造领域形成资源、信息、物品和人相互关联的“信息物理融合系统（CPS）”，从总体上掌控从消费需求到生产制造的所有过程，由此实现高效生产管理。这可视为继机械化、电气化和

7、信息技术之后工业化的第四个阶段，即“工业4.0”。1.2.2 以CPS技术为基础塑造制造业核心竞争力CPS 由智能机器、存储系统和生产设施三部分组成，是德国“工业4.0”的技术基础。制造业通过CPS 可以整合制造和物流过程，实现数字化和基于信息技术的端对端集成，建立高度灵活的个性化产品与服务生产模式，实现智能制造。以CPS 为核心的智能制造可以从三个方面提升制造业竞争力。一是能够推动实现更高的生产效率和制造灵活性。借助CPS技术和产品，生产模式从“集中型”转变为“分散智能型”，生产要素可以实时、高度灵活配置，确保仅一次性生产且产量很低时的获利能力，确保工艺流程的灵活性和资源利用率。二是能够使客

8、户与业务伙伴广泛参与到业务过程和价值创造过程，形成新的价值链。基于CPS 的生产过程淡化了虚拟世界和物理世界的界限，使物联网与服务互联网一体化，催生新的应用和服务模式，传统的产业链分工被重组，客户和业务伙伴能够更直接地参与到商业价值的创造过程之中，产生新的价值链模式。三是能够实现自组织生产，促使人的角色发生转变。CPS 能够独立自动交换信息、触发动作和控制，实现“产品驱动机械”的自组织生产，将人从操作性任务中解放出来，使之专注于创新设计、控制等高附加值的工作，保证德国制造业在高人力成本约束下仍然具有强大的产业竞争力。1.2.3 围绕CPS 技术创新和市场培育推进“工业4.0”战略德国“工业4.

9、0”的发展路径十分清晰：一是积极推进CPS 技术研究，成为CPS技术的全球领导性供应商；二是加快为CPS技术和产品培育新的市场，让CPS 成为全球先进制造业主流技术。在技术研究方面，按两大主题展开：一是“智能工厂”，重点研究智能化生产系统及过程控制技术，以及网络化分布式生产设施的实现。二是“智能生产”模式，重点研究整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D 技术在工业生产过程中的应用。在项目实施方面，聚合官产学研，由政府出资，学术界和产业界共同推动，特别强调中小企业既是智能化生产技术的使用者和受益者，也是先进工业生产技术的创造者和供应者。为了协调创新进程，确保未来生产要素、技术和产业能够互联集成

10、，德国电气电子和信息技术协会编纂了“工业4.0”标准化路线图作为规划基础。在市场推广方面，德国政府重视借助西门子等超大型德国企业的技术和市场实力，在全球高调宣传“工业4.0”理念和CPS技术，形成大企业投入资源开拓市场，带动中小企业跟进的良性循环。图2 智能工厂的场景第2章 数字化制造技术2.1 数字化制造技术的概念所谓数字化制造，指的是在虚拟现实、计算机网络、快速原型、数据库和多媒体等支撑技术的支持下，根据用户的需求，迅速收集资源信息，对产品信息、工艺信息和资源信息进行分析、规划和重组，实现对产品设计和功能的仿真以及原型制造，进而快速生产出达到用户要求性能的产品整个制造过程。也就是说，数字制

11、造实际上就是在对制造过程进行数字化的描述而建立数字空间，并在其中完成产品制造的过程。从数字制造的要领出发，可以清楚地看到，数字制造是计算机数字技术、网络信息技术与制造技术不断融合、发展和应用的结果，也是制造企业、制造系统和生产系统不断实现数字化的必然。对制造设备而言，其控制参数均为数字信号。对制造企业而言，各种信息(包括图形、数据、甚至知识和技能)均以数字的形式通过数字网络在企业内部传递。对全球制造业而言，用户通过数字网络发布需求信息，各大中小型企业则通过数字网络根据需求，优势互补，动态组合，迅速敏捷地协同设计制造出相应的产品。在数字制造环境下，在广域内形成了一个由数字织成的网，个人、企业、车

12、间、设备、经销商和市场成为网上的一个个结点，由产品在设计、制造、销售过程中所赋予的数字信息成为主宰制造业最活跃的驱动因素。2.2 数字化制造技术的国内外研究现状20世纪50年代，数控机床的出现开辟了制造装备的新纪元。随着微型计算机的产生和发展，计算机数控的广泛应用，数控机床得到广泛应用和提高。相继出现的数控三坐标测量机(CMM)、工业机器人和数控机床一起成为重要的数字化加工、测量和操作装备，其本质是用数字控制代替凸轮行程控制，实现运动数字化。数控技术发展的趋势是提升各种装备性能甚至使其更新换代，即所谓的数字制造装备(简称数字装备)。20世纪90年代，数字装备的一个重要的发展趋势是对海量信息处理

13、能力的提高，在数字仿形技术的基础上，利用Laser scanner, CT、核磁共振等数字测量设备实现零件几何形状的数字化，然后通过数据预处理、表面建模、实体建模、后置处理等过程生成STL文件(或数控代码)，驱动快速成型机(或数控机床)加工出新零件。伽马刀、电镜一视觉引导的机器人等数字医疗设备扩展了基于视觉的数字测量仪器的应用范围，实现了人体内腔器官的数字化。数字装备的另一个重要的发展趋势是加工对象的尺度变化，由毫米、微米到纳米，陆续出现了显微数字图像处理设备、电子制造装备等精密数字制造装备。在技术方面，数字装备与数字制造的研究已从单纯的制造过程的几何量(位移、多坐标联动位移、运动形状、微观形

14、状等)的数字描述，发展到对制造过程的物理量(温度、流量场、应力场、热变形、密度、物质材料等)以及知识、经验、信息等的数字描述。另外，制造过程和制造系统的形式化、数字化描述与处理成为当前研究热点，包括海量信息处理，微纳识别和分辨率，物理过程仿真与分析(包括有限元方法、三角划分、复杂边界物理方程求解等)、网格计算以及物理本质的探索等。在20世纪90年代中期，通过并联机构与数控技术的结合，产生了并联机床，又称虚拟轴机床，其应用逐渐扩展到虚拟轴坐标测量机、六维力传感器等精密测量平台设备。但从目前的技术发展来看，并联机床还不能成为数控机床的主流产品，只在轻工、食品加工以及大型天文望远镜方面等具有一定用武

15、之地。 在数字装备的研究方面应该扩大范围，要大力发展以电子制造装备、大型医疗装备、精密科学仪器、精密数控装备等数字装备为代表的高技术产业所需装备。目前，作为现代制造装备“灵魂”的数控系统已由NC,CNC时代进入了PC-NC和NET-NC时代，其主要目标都是开发具有智能化和柔性化的新一代开放式数控系统，将各种新工艺、新技术、新方法集成于控制系统的基础平台，开发先进制造装备的支撑环境。2.3 数字化制造的关键技术 制造过程的建模与仿真制造过程的建模与仿真是在一台计算机上用解析或数值的方法表达或建模制造过程，建模通常基于制造工艺本身的物理和化学知识，并为实验所验证。目前，仿真与建模已成为推进制造过程

16、设计、优化和控制的有效手段。2.3.2 网络化敏捷设计与制造利用快速发展的网络技术，改善企业对市场的响应力。网络化敏捷设计与制造重点发展领域应包括:敏捷信息基础结构，敏捷产品设计技术，敏捷工艺设计技术，基于网络的研究开发，敏捷生产技术。2.3.3 虚拟产品开发虚拟产品开发有四个核心要素:数字化产品和过程模型、产品信息管理、高性能计算与通讯和组织、管理的改变。2.4 数字化制造的核心技术2.4.1 将计算机辅助工业设计（CAID）计算机辅助工业设计是指以计算机技术为辅助手段进行产品的艺术化工业设计，主要是指对批量生产的工业产品的材料、外型、色彩、结构、表面加工等方面的设计工作。LAID的一般过程

17、有市场调查、产品概念草图设计、彩色效果图设计、三维效果图设计、三维造型设计、产品零件图和技术要求说明等。所用到的主要工具包括:Alias、CorelDraw、3DMAX、Pro/CDRS等。2.4.2 计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)计算机辅助设计与计算机辅助制造已密不可分，在许多领域尤其是模具业，由于其单件或小批量加工的特点，采用CAD/CAM技术进行生产的优势非常明显。CAD/CAM主要是指采用先进的计算机软硬件手段进行产品三维造型、结构设计、装配仿真、加工仿真、数控加工编程等，其中产品的三维造型是基础，从CAD三维模型到数控加工程序的生成通常不需人工干预，可由CAM软件自动产生。产

18、品的三维造型设计通常有正向设计和逆向设计两种。正向设计是指通过工程师对待开发产品概念的理解来进行产品的设计，即由概念到图纸或数字模型的过程。逆向工程则是从已有产品或实物模型出发，反求产品原始设计参数，并在此基础上进行产品的设计开发。正向设计讲究的是创意，通常开发周期较长;逆向设计则较快，可实现一般正向设计无法实现的产品设计，有时只是对成功产品的复制，开发成本一般较低()目前最常用的CAD/CAM设计工具有:UG、Pro/E、CATIA、Power-Shape/PowerMill等。2.4.3 快速成型采用激光等技术将树酷、ABS, PC等材料按产品的三维造型(STL格式)进行快速烧结并成型。这

19、种成型技术可以不必制造模具就做出完整的样机，不仅可大大加速了新产品的开发进度，还可节约大量成本。2.4.4 三坐标测量及计算机辅助检测(CMM/CAI)产品逆向设计最根本的就是对样件的三维测量或三维数字化。计算机辅助检测(CAI或CAV)是最近几年才广泛应用的，尤其是在欧美发达国家，三维扫描测量的一半以上的应用为产品的快速检测，即比较产品与设计间的误差，从而找到改进产品制造工艺或设计方案的方法。除了传统的手工测量外，常见的数字化方法包括三坐标测量机测量、光栅扫描、以及最新的三维激光扫描等多种。三坐标测量机测量的主要工具是三坐标测量机(CMM)，是目前使用最广泛的高精度测量手段，主要有龙门式、立

20、柱式、机器臂式等几种。第3章 工业4.0与数字化制造3.1 信息技术转变制造方式“工业4.0”强调利用信息技术和制造技术的融合，来改变当前的工业生产与服务模式，既能使生产和交付更加灵活，同时又致力于解决能源利用效率、人才结构等挑战。一是智能工厂使客户的个性化定制需求得以满足，同时发掘出创造价值的新方法和商业模型，给初创公司和小型企业带来发展机会，下游服务也能从中受益。二是CPS使从原材料变为产品的过程更加多产和高效，企业能源利用效率得到极大改善。三是智能制造更注重工人的设计管理能力和数字化专业技能，灵活的生产组织方式可延长工人的职业生涯并使其工作和生活更加平衡。“工业4.0”从产业结构、能源利

21、用、人才结构三方面同步优化，为我国工业化和城镇化发展提供了新思路。美国奇点大学教授瓦德瓦教授提出:“将人工智能、机器人和数字制造技术相结合，将会引发一场制造业的革命。”通过深度融合，人、物、信息等各种制造资源可以在全球范围内进行更大跨度，更大弹性的组合，远程定制、异地设计、协同生产将成为现实。如果不能在这轮发展中占有一席之地，中国制造业的成本优势、规模经济优势和范围经济优势将逐渐消失目前，我国大多数制造企业的信息化水平并不高，更勿论智能化水平了因此当德国提出从“工业3.0”向“工业4.0"全面迈进的时刻，我们还必须大量补课，努力使制造业整体上达到目前德国“工业3.0”的水平这中间是否

22、存在技术窗口机会，是否能实现跨越发展，还需要我们好好论证如何发展适合中国实际的智能制造，可以说我们还没有一个清晰的总体战略框架。这一点必须向德国、美国等国家学习，抓紧时间制定对策3.2 增强系统配套“工业4.0”与其他国家的制造业战略相比一个很大的不同是，它对整个制造业体系的发展进行了总体思考，强调系统、强调集成、强调社会资源的再配置，而不仅仅把它作为一个技术开发的问题。在战略选择上，更是强调了主导市场的培育，商业模式的再造，强调如何让中小企业能够运用“工业4.0”的成果，从而解决产、学、研、用互相结合，互相促进的问题。反观我国的许多科技政策，往往强调技术的开发，而忽视了应用从技术指标上看都是

23、国际先进，国内领先，但国内外有没有用户，能不能适应现有市场的使用条件却很少考虑，开发、应用两张皮在优先行动领域中，“工业4.0"超过一半的篇幅详细阐述了全社会的过渡方案，包括工作组织设计、员工培训等等这样，从技术发展到社会融合，“工业4.0”完成了一个工业系统的跃迁，这一点非常值得我们在制定规划时借鉴。表1 “工业4.0”行动计划表第4章 展望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化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。数字化制造技术的发展趋势如下:(1)制造信息的数字化，将实现CAD/LAPP/CAM/CAE的一体化，使产品向无图纸制造方向发展。(2)通过局域网实现企业内部并行工程，通过因特网建立跨地区的虚拟企业，实现资源共享优化配置，使制造业向互联网辅助制造方向发展