智能制造基础与应用（第2版）教案 第二章 智能制造数字化基础 1.智能制造数字化基础

教案(首页)山东劳动职业技术学院授课日期班次课时课题第二章智能制造数字化基础1.1概述教学时数2【教学目标】1、了解国外数字制造与智能制造的发展现状；2、了解我国数字制造与智能制造的发展现状；3.了解中国制造2025整体战略目标和任务。【重点难点】数字制造的科学定义与内涵。【教具、参考书】《智能制造基础与应用》机械工业出版社王芳、赵中宁主编【教学过程】教案纸山东劳动职业技术学院第3页第一节概述提出问题：智能制造与数字制造的区别和联系？回答问题：数字制造和智能制造是制造技术创新的共性使能技术，也是工业革命的关键与核心。数字制造采用数字化的手段对制造过程、制造系统与制造装备中复杂的物理现象和信息演变过程进行定量描述、精确计算、可视模拟与精确控制，实现对产品设计和功能的仿真以及原型制造,进而快速生产出符合用户需求的产品。数字制造给产品的设计制造方式以及核心技术创新带来了一系列的变革，是提升制造企业技术含量，促进企业转型升级的有效手段。智能制造借助计算机收集、存储、模拟人类专家的制造智能，进行制造各环节的分析、判断、推理、构思和决策，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动，实现制造过程、制造系统与制造装备的智能感知、智能学习、智能决策、智能控制与智能执行。智能制造将制造数字化、自动化扩展到制造柔性化、智能化和高度集成化，是世界各国抢占新一轮科技发展制高点、重振制造业的重要途径。数字制造是实现智能制造的基础与手段，而智能制造是先进制造、数字化技术与智能方法的有机集成与深度融合，是数字化制造发展的必然。因此，从数字制造到智能制造是工业发展的必然趋势。一、国外数字制造与智能制造的发展现状基于多媒体计算机系统和通信网络的数字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。数字制造的一些子系统不断完善，并随着网络技术和电子商务的发展进入实用阶段，数字制造系统呈现出柔性化、敏捷化、客户化、网络化与全球化等基本特征。美国：在数字制造技术发展与应用研究方面，美国处于国际研究的前沿，许多大学和科研机构都在从事虚拟制造的研究工作。美国华盛顿州立大学在国家标准和技术研究所的资助下，对虚拟装配环境、装配规划、装配分析与评估等方面进行了研究。斯坦福大学研究了复杂装配的分析、评估技术，开发了装配分析工具系统。卡内基•梅隆大学探索了虚拟装配模型、虚拟装配环境、虚拟装配设计、装配评估等，提出了面向网络设计制造的虚拟工具集系统。国家标准及技术局制造工程实验室系统集成部研究了开放式虚拟现实测试机床和国家先进制造测试机床等。波音公司案例：在数字化制造产业，美国波音公司在波音777/787飞机的研制中，通过采用“虚拟设计制造”、“全生命周期设计制造PLM”、“并行工程CE”、数字化预装配系统等全数字化设计制造的研制策略，使飞机的整机设计、部件测试、整机装配均在高性能工作站上的虚拟环境中通过数字样机完成，在设计阶段就解决了零件间的装配干涉和零件的最终装配确定等制造中的关键问题，并在全球协同化制造环境下展开研制，如图2-5所示飞机开发示意图。开发周期从过去的8～9年缩短到四年半，缩短了40％以上，成本降低了25％，出错返工率降低了75％，用户满意度也大幅度提高。通用公司案例：美国通用汽车公司利用“数字化设计制造”、“虚拟样机”等技术，将轿车的开发周期由原来的48个月缩短到了现在的24个月，碰撞试验的次数由原来的100多次降到50次，另外“全球采购和分销”、“大规模定制”等新的生产模式也帮助它减少了10%的销售成本。美国下一步发展方向：美国斯坦福大学和麻省理工学院合作开展“基于Internet的下一代远程诊断示范系统”的研究，美国NSF成立了智能设备维护技术中心,其成员包括Intel，FordMotor，AppliedMaterials，Xerox，UnitedTechnologies等著名大公司，中心研究宗旨是开发基于Web的智能设备诊断、维护技术。随着现代通信技术和IT业的发展,许多企业都相继推出了具有网络集成能力和一定智能化水平的制造设备和控制系统，通过网络可以实现对设备的远程技术服务。德国：作为制造业强国的德国，继实施智能工厂之后，又启动了一个投入达2亿欧元的工业4.0项目。德国政府2010年制定的《高技术战略2020》计划行动中，意图以工业4.0项目奠定德国在关键工业技术上的国际领先地位，并在2013年4月举行的汉诺威工业博览会上正式将此计划推出。工业4.0概念最初是在德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等德国学术界和产业界的建议和推动下形成，目前已上升为国家级战略。西门子案例：德国西门子安贝格电子制造厂被认为是“工业4.0”的样板工厂，这座位于德国安贝格市的工厂，是德国的政府、企业、高校和研究机构共同打造全自动化联网“智能”工厂的协力合作的初期案例。安贝格拥有欧洲最先进的数字化生产平台。西门子的安贝格工厂体现了现阶段的智能运营工厂的潜能。目前，它的自动化运作程度已经达到75%左右，其1150名员工主要是从事计算机运行和生产流程监控工作。图2-7德国西门子安贝格电子制造厂日本：日本于1990年提出为期10年的智能制造系统（IMS）的国际合作计划，并与美国、加拿大、澳大利亚、瑞士和欧洲自由贸易协定国在1991年开展了联合研究，其目的是克服柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）的局限性，把日本工厂和车间的专业技术与欧盟的精密工程技术、美国的系统技术充分地结合起来，开发出能使人和智能设备都不受生产操作和国界限制、且能彼此合作的高技术生产系统。日本政府大力推动智能制造以应对用工短缺，全自动生产线和机器人在日本企业得到广泛使用。由日本本田技术研究公司研发的新一代智能机器人“阿斯莫”，在工厂已经服役了12年。日本最大的玩具生产商万代玩具公司，实行智能制造，产品由机器手从机器内取出，搬运由无人自动搬运机完成，其静冈分公司拥有17台4色全自动注塑机，每班仅需7人完成进料、出料、维修等辅助工作。日本著名机床厂商山崎马扎克公司2002年开发的“无人机械加工系统”，与上世纪90年代开发的无人加工系统相比，加工成本降低了43%。这套系统的使用，与传统机械加工相比，完成同样的产量，需要13台机床外加36名操作员，即使外国的人工费只有日本的1/20，机器人的作业成本依然比人工费用要低。加拿大：加拿大制定的1994~1998年发展战略计划，认为未来知识密集型产业是驱动全球经济和加拿大经济发展的基础，认为发展和应用智能系统至关重要，并将具体研究项目选择为智能计算机、人机界面、机械传感器、机器人控制、新装置、动态环境下系统集成。欧洲：欧盟各国高度重视云计算技术与制造业的结合，利用云制造这一服务化、网络化、智能化的制造模式，实现基于网络的共享与协同分散制造资源，提高制造资源和能力利用率，降低资源消耗，实现绿色制造和服务型制造。欧盟第7框架于2010年8月启动了制造云项目，总投资500万欧元，目的是为用户提供可配置的基于软件的制造能力服务，并能通过网络实现面向用户的产品个性化定制。二、我国数字制造与智能制造的发展现状1、国内数字制造业智能制造发展现状分析在制造业信息化工程专项的推动下，我国近年来在制造业信息化数字化方面取得了显著进步。我国制造业数字化方面的投入不断加大，主要行业大中型企业数字化设计工具普及率超过六成，近5年年均增长4个百分点。在规模以上的工业企业中，生产线上的数控装备比重已经达到30%，近5年也是年均增长4个百分点。根据《2011中国工业软件产业发展年度报告》，2011年中国工业软件市场规模已达到616.34亿元，到2014年市场规模将达到1037.46亿元。CAD、CAE、PDM、ERP、SCM等信息技术在产品研发部门和生产制造部门得到了有效应用，装备技术水平也在大大的提高。这些数字化设计制造软件的推广应用，改变了传统的设计生产、制作模式，已经成为我国现代制造业发展的重要技术特征。中航案例：中航商用飞机有限公司在ARJ21飞机研制中应用产品数字化定义技术、产品数据管理技术、数字样机技术、数字化工艺与虚拟装配技术等数字化设计制造技术和并行工程方法，实现了大部段对接一次成功，飞机上天一次成功，取得了显著的经济效益。我国云制造相关技术及系统的研究已取得显著的成果，构建了面向航天复杂产品的集团企业云制造服务平台、航天科技集团云制造服务平台、面向制造及管理的集团企业云制造服务平台、面向模具与柔性材料行业的云制造服务平台、汽车零部件新产品研发云制造服务平台、钢铁产业链协同云制造服务平台等，并针对不同类型企业的需求和特点分别开展应用示范工作。北车集团418km/h动车组广泛应用传感网技术和RFID技术，实现制造过程智能化和列车运营的控制、监测与诊断。相关数据：我国数字化智能化制造产业快速发展。仪器仪表产业近年来增长迅速，2012年仪器仪表行业总产值7112亿元，同比增长20.16%。数控机床制造业迅速发展，进口依存度下降至45%。机器人研发投入持续加大，工业机器人大量应用。2012年，在中国销售的工业机器人达26902台，同比增长19.2%，我国工业机器人年安装量排名世界第三，累计安装量超过6万台。“机器换人”已经成为企业提高生产效率、降低人力成本的重要手段。富士康宣布在三年内购置百万台机器人2016年将山西晋城建成了“世界最大智能化机器人生产基地”。海尔首席执行官张瑞敏2014年宣布已经裁员1.6万人，仍将继续裁员1万人。京东方的北京8.5代线面板工厂也已经大量启用机器人操作。2.我国智能制造与国外先进水平的差距（6点差距）（1）我国制造业仍主要集中在中低端环节，产业附加值低，中低端制造装备面临来自发达国家加速重振制造业与发展中国家以更低生产成本承接国际产业转移的“双向挤压”，高端智能制造装备及核心零部件仍然严重依赖进口。从智能制造的经济效益来看，52%的企业其智能制造收入贡献率低于10%，60%的企业其智能制造利润贡献低于10%。另外，较为低廉的人力成本形成成本洼地，企业使用智能化设备替代人工动力不足，严重阻碍了对智能装备应用需求的释放。（2）制造业智能化的核心技术掌握及应用方面存在很大差距。我国对“大数据”驱动的知识挖掘及知识库构建相关研究起步较发达国家晚，还未形成整体力量，企业应用数据挖掘技术尚不普遍。目前，国内相关技术主要集中于数据挖掘相关算法、实际应用及有关理论方面的研究，涉及行业比较广泛，包括金融业、电信业、网络相关行业、零售业、制造业、医疗保健、制药业及科学领域，单位集中在部分高等院校、研究所和IT等新兴领域的公司，如华为、阿里巴巴、百度等，但我国制造企业几乎没有应用数据挖掘技术，也未构建产品设计制造相关的知识库。（3）我国许多制造企业在复杂装备研发过程中，利用有限元分析软件进行产品性能仿真分析时，较少考虑机、电、液、控等多个学科耦合作用，而仅进行其中某单一学科的性能仿真分析，其分析结果对于产品性能优化设计的指导作用有限。（4）我国制造业与物流业信息资源融合度较低。（5）我国在云制造技术方面的研究及应用还处于初级阶段，远远不能实现云环境下的信息快速共享和重用需求。基于云制造的多学科虚拟样机协同设计仿真原型平台、面向微小型企业的B2C模式云制造平台架构等应用需要不断的深入和完善，还需要大量技术、资金及政策的支持。（6）而我国机器人产业总体上还处于起步阶段，机器人企业多以仿制和集成模式为主，即采购国外核心零部件组装机器人，再根据国内市场需求进行设计和集成，缺乏关键核心技术，高性能交流伺服电动机、精密减速器及控制器等关键核心部件长期依赖进口。欧洲和日本仍是工业机器人的主要供应商，其中ABB,KUKA,FANUC,YASKAWA四家占据着工业机器人60-80%市场份额。（6）我国在3D打印制造技术研发和产业发展中仍面临巨大挑战。1）在材料成形机理、关键技术、装备开发、工业标准等方面，还面临大量基础理论和关键技术尚未突破，未能形成原创技术源泉。2）我国尚未形成3D打印制造公共技术平台，创新资源集中度低。当前，科研机构各自为战，合作研究的动力不足，缺乏对技术兼容性研究和相关标淮的制定，开放式的集成创新体系尚未形成。3）我国3D打印制造产业化尚处于萌芽阶段，金融资本参与度不高，产业缺乏资金支持。4）我国3D打印工程化应用技术研究不够，尚未形成具有广泛工程意义的完备技术体系。3.数控机床行业典型制造企业数字制造与智能制造的技术现状从产品层次构成上看，我国数控机床行业“低端混战，高端失守”的状况仍未得到根本扭转，高端产品层面与国外先进企业之间还存在相当大的差距。在数控机床领域，我国制造企业（如昆明机床股份有限公司等）的产品与国外先进机床产品之间“形似而神不似”的问题十分突出。产品的外观可以模仿、结构型式与尺寸也可以模仿，但是产品的性能需要靠优秀的设计方案和制造技术来保证。（1）典型数控企业及其机床的基本情况。以昆明机床厂、大连机床集团有限责任公司为例说明：昆明机床厂：昆明机床股份有限公司是开发、设计、制造和销售精密数控卧式坐标镗床、卧式加工中心等精密设备的骨干企业，其主要产品均处于国内领先水平，创造了中国140个第一：第一台大型卧式镗床、第一台高精度坐标镗床、第一台电动立体仿型铣床、第一台精密卧式加工中心等。公司机床产品主要分为卧式加工中心、龙门镗铣床、卧式镗铣床、落地铣镗床等4类，共16个系列。卧式加工中心类产品是专为航空航天、汽车、模具、精密液压阀体等加工领域打造的高速、高精、高效的产业化核心产品。其中，KHC-AUTO系列产品实现五轴联动加工，还可组成FMS柔性制造系统，实现产品的批量化高效柔性生产需求。KHC-BLOCK系列是大规格的精密卧加工产品，主机和模块化功能部件配置灵活。TH65系列卧式加工中心产品总体布局为刨台卧放，前、后床身分离呈T字型结构，移动立柱，正挂主轴箱。机床整体结构紧凑、热变形小、刚性高、精度高。龙门镗床类产品适用于航空、重机、模具等行业半精加工和精加工，也可以用于粗加工。其中，21系列采用动梁龙门式框架，刚性好，精度保持性好。机床配置多种附件，铣头实现对工件的五面综合加工。机床的X、Y、W向均采用静压导轨，使整个机床具有抗偏载能力强、运动刚性度高、动态响应性能好、定位精度高等特点。24系列定梁工作台移动工，立柱固定在床身侧面，横梁固定在两个立柱上，整机刚性高，稳定性好。X、Y轴采用进口重载滚柱直线导轨。主轴采用恒温冷却油润滑方式，减少轴承、齿轮温升。27系列为工作台固定、龙门框架移动的定梁动柱镗铣床。机床的X、Y向均采用多头泵结构的恒流式闭式静压导轨结构，具有抗偏载能力、运动刚度高、动态响应性能好、定位精度高等特点。卧式铣镗床可对工件进行钻孔、镗孔、扩孔、铰孔、锪平面、铣平面、切槽、车螺纹等切削加工，是加工箱体类零件的关键设备。其中，TK61系列数控卧式镗铣床主轴轴系采用三层结构，即平旋盘主轴、空心主轴和镗轴，镗轴采用优质氮化钢，轴系结构刚性好、精度高。KIMI系列实现了全面数控化，主电机采用交流调速电机，主轴高低档无级调速，主轴准停功能，且机床主要大件均参考高端数控机床结构设计，具备向上扩展潜力。落地铣镗床一次装夹可完成钻、镗、铣、扩孔、铰、切沟槽及平面加工等，广泛用于工程机械、机车车辆、矿山设置、大型电机、水轮机、船舶、钢铁、军工、环保设备等行业的加工设备。其中62系列可加工坐标精度较高的孔系及大直径孔系。69系列落地铣镗床、与数控回转工作台及AC摆头等选配附件配合使用，能实现对零件的五轴联动加工。62、69系列双面镗呈“川”字型布局，实现两主机对头镗孔的加工要求，相对于单台机床，镗孔同轴度高，加工效率大大提升。大连机床厂：大连机床集团有限责任公司始建于1948年，是全国大型组合机床、柔性制造系统及自动化成套技术与装备的研发制造基地。公司主要产品有组合机床及自动线、柔性制造系统、立卧及龙门式加工中心、数控车床和车铣中心、高速精密车床等。50多年来，集团公司为航空航天、船舶、汽车、发电设备制造、军工、采矿冶金等行业提供了各类机床几十万台。其中，组合机床及自动线、柔性制造系统产品，产销量全国第一，国内市场占有率达30％以上。如图2-14所示。大连机床集团有限责任公司的机床产品包含加工中心、数控镗铣床、数控铣床、数控车床4类。其中，加工中心类产品是最能代表其先进设计、生产水平的产品。数控加工中心产品包含龙门式加工中心、立式加工中心、卧式加工中心3类。DGMA系列龙门式加工中心，采用SIEMENS数控系统控制，具有自动换刀功能，可进行直线和圆弧插补切削，完成铣、镗、钻、扩、铰、攻丝等工序加工，适用于汽车、航空航天、冶金矿山、机床制造等行业的箱体类零件及杂形零件的加工。立式加工中心包括VDK、MDV、INGERSOLL、VDL、VDF等9个系列，能够对箱体零件、课题零件、盘类零件、异性零件进行加工，可以通过一次装夹自动完成四个面的铣、镗、钻、扩、绞、攻丝等多工序加工。立式加工中心产品底座、立柱、主轴箱体、十字滑台、工作台等基础件全部采用高强度铸铁，组织稳定；采用高速精密主轴，降低传动噪声及热量，配合主轴头冷却系统，有效控制主轴温升，利用IRD动态平衡校正，确保加工精度；采用高精度滚珠丝杠副增加了传动刚度并消除了快速运动时产生的热变形影响，确保机床定位精度和重复定位精度。卧式加工中心包括FMC、MDH、HDM等8个系列，具有高精度、高速度、高刚性、多工位四大特点。（2）典型数控企业数字化设计制造的现状分析。在三维造型方面：我国数控机床制造企业能够使用PRO/E、UG、CATIA、Solidworks等各类三维造型软件进行机床部件的造型设计，实现数控机床关键部件设计过程的在机床关键部件设计的无纸化，并为数据控机床设计的模块化和关键部件数据重用奠定了信息分析在数控机床关键部件设计参数及方法重用的数据基础。数控机床关键部件分析方面：综合使用Adams、Ansys、Anstran等分析软件，依托各规格的激振器、高灵敏度传感器、激光测振仪、三坐标测量仪等设备形成的数控机床关键部件信息采集系统，对数控机床关键部件进行动、静、热等多角度分析，确保数控机床关键部件的结构和材料特性符合其工况需求。除此之外，机床企业还自行开发了进行机床产品需求转换的数字化设计工具，能够采集客户对新产品的需求并以此为基础在机床案例库中进行类比，对新产品功能进行初步设计。数字化设计制造存在的问题：1）在大数据时代，机床产品设计制造活动已经从过去的以经验为主过渡到以知识为主。2）用户在追求高质量机床产品的同时，也会更多地追求低价格和短交货期，但机床企业一直沿用的“设计-研制-试验-修改”开发模式会增长数控机床的开发周期，降低开发效率。3）数控机床加工的对象越来越复杂，需要长时间连续运行，完成对复杂零件的精密加工，要求数控机床的传感与检测系统具有全天候的监控能力。4）需要将同一加工过程中的机床以物联网的形式进行连接，以确保多台数控机床加工的紧密衔接，构建由数控机床组成的智能制造执行系统，实现数控机床对工件加工的精密化，智能化。但当前数控机床设计中数据接口并未格式统一，导致由数控机床构成的加工系统设备间存在信息交互壁垒，阻碍数控加工系统智能化的实现。三、数字制造的科学定义与内涵概念：所谓数字制造，是指在虚拟现实、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，进而快速生产出符合用户期望性能的产品的整个制造过程。1.以控制为中心的数字制造数字制造的概念，首先来源于数字控制技术（CNC）与数控机床。数控技术就是用数字量及字符发出指令并实现控制的技术，它不仅控制位置、角度、速度与机械量，也可控制温度、压力、流量等物理量，这些量的大小不仅可用数字表示，而且是可测、可控的。如果一台设备实现其自动工作过程的命令是以数字形式来描述的，则称其为数控设备。显而易见，这远不是数字制造，却是数字制造的一个十分重要的基础。随着数控技术的发展，出现了对多台机床用一台或几台计算机数控装置进行集中控制的方式，即所谓直接数字控制（DNC）。为适应多品种、小批量生产的自动化，发展了若干台计算机数控机床和一台工业机器人协同工作，以便加工一组或几组结构形状和工艺特征相似的零件，从而构成所谓柔性制造单元（FMC）。借助一个物流自动化系统，将若干柔性制造单元或工作站连接起来实现更大规模的加工自动化就构成了柔性制造系统。以数字量实现加工过程的物料流、加工流和控制流的表征、存储与控制，就形成了以控制为中心的数字制造。2.以设计为中心的数字制造计算机的发展以及计算机图形学与机械设计技术的结合，产生了以数据库为核心、以交互式图形系统为手段、以工程分析计算为主体的一体化的计算机辅助设计（CAD）系统。CAD系统能够在二维与三维空间精确地描述物体，大大提高了生产过程中描述产品的能力和生产率。CAD的产生和发展，为制造业产品设计的过程数字化、自动化打下了基础。将CAD的产品设计信息转换为产品制造、工艺规则等信息，使加工机械按照预定的工序和工步的组合排序，选择刀具、夹具、量具，确定切削用量，并计算每个工序的机动时间和辅助时间，这就是计算机辅助工艺规划（CAPP）。将制造、检测、装配等方面的所有规划以及产品设计、制造、工艺、管理、成本核算等所有信息数字化，并被制造过程的全阶段所共享，就形成了基于CAD/CAM/CAPP的以产品设计为中心的数字制造。3.以管理为中心的数字制造通过建立企业内部物料需求计划（MRP），根据不断变化的市场信息、用户定货和预测，从全局和长远利益出发，通过决策模型评价企业的生产经营状况，预测企业的未来和运行状况，决定投资策略和生产任务