制造业信息化与创新设计

制造业信息化与创新设计西北工业大学国家制造业信息化工程重大项目专家组国家863计划现代集成制造系统技术主题专家组杨海成第八届全国工程设计年会与第十一届全国疲劳与断裂学术会议主要内容对策与举措1324我国制造业存在的主要问题制造业信息化工程简介创新设计的关键技术主要内容（1）对策与举措1324我国制造业存在的主要问题制造业信息化工程简介创新设计的关键技术我国制造业面临的挑战制造业是我国为数不多的有比较优势的产业之一。当前我国制造业和装备制造业地工业增加值已经居世界第四位（前三位为美国、日本和德国）我国目前尚处在工业化进程之中，大力发展并提升制造业是加快中国工业化的进程的需要。中国逐渐成为世界制造中心但中国目前还只是中低档商品的世界制造工厂。发达国家把生产过程转移到中国，但仍强有力地控制着产品地研发、设计、工艺和市场。2000年我国制造业工业增加值仅为98年美国的26％，日本的42％；技术方面与发达国家的差距产品创新能力较差、开发周期较长制造工艺装备落后，成套能力不强生产自动化和优化水平不高，资源综合利用率低企业管理粗放、协作能力较差、国际市场开拓能力弱战略必争装备和竞争前核心技术的开发相对薄弱产品创新能力差

典型产品中技术源于本国98.4%43%制造业新产品贡献率52%5.9%产品开发周期3-6个月12-24个月主导产品平均生命周期3年10.5年美国等发达国家中国产品创新设计的迫切需求工业发达国家加工业务产品创新开发中国市场委托紧抓高附加值产品冲击产品创新设计的迫切需求产品46%沿袭已有的设计50%大多数企业50%以上产品改型设计自主设计

WTO的加入，我国企业创新设计能力急迫提高！产品上市时间对企业利润的重要性（以上计算假设该产品寿命为5年，市场增长率为每年20%，同时价格每年降低2%。）利润减少4%22%33%原因开发成本增加50%

制造成本增加10%产品上市延迟6个月制造工艺装备落后优质高效低耗工艺的普及率不足10%，数控机床、精密设备不足5%，90%以上高档数控机床、100%的光纤制造装备、85%的集成电路（IC）制造装备、80%的石化装备、70%的轿车工业装备依赖进口。一些企业的装备已经成为‘万国博览会’。生产自动化和优化水平不高

石化、冶金和电力等流程工业，普遍存在能耗高、成本高、劳动生产率低、资源利用率低等问题。例如，流程工业企业的总体劳动生产率只及国外先进水平的20～30％；能源综合利用率仅为32%左右，比国外的先进水平低10多个百分点；每万元国民生产总值的能耗比发达国家高4倍多，主要产品单位能耗比发达国家高30%～90%；工业排放的污染物超过发达国家10倍以上；美国60％的石化企业已经应用了先进控制技术而我国不到20％，在线优化的过程生产增加收益为装置产值的3～5％，而我国不到1％。管理粗放应变能力差库存、在制品储备高；流动资金占用大市场周期长，交货期不准设备利用率和工时利用率不高缺乏多品种小批量的生产组织能力企业应变能力差生产运营成本高经营利润低技术集成和集成创新不够 我国部分制造业企业近年来不同程度地采用了单项的信息化和自动化技术，但还存在数据不统一、信息不能共享等诸多不足，形成了企业内部的“信息化孤岛”和“自动化孤岛”，整体集成和优化难以推进。同一个行业不同层次的企业链，区域性的制造企业群，乃至全国性、全球性的企业联盟，目前尚难以实现有效的信息交流和资源共享。如何有效提高制造业竞争力加快用高新技术改造和提升传统制造业；

由于传统制造业量大面广，用高新技术改造和提升传统制造业应当是我们工作的重点，当务之急是用信息技术改造和提升传统制造业。信息技术的发展，不仅打造了新兴的电子信息装备制造业，而且通过对传统制造业的渗透和辐射，使机械、冶金、化工、纺织等传统制造业正在发生深刻的变化，制造业信息化因此也成为当今世界制造业发展的一个大趋势。积极发展新兴制造业，特别是高技术制造业；推进制造业的体制创新，大力发展民营制造业。主要内容（2）对策与举措1324我国制造业存在的主要问题制造业信息化工程简介创新设计的关键技术制造业信息化制造业信息化将信息技术、自动化技术、现代管理技术与制造技术相结合，带动产品设计方法和工具的创新，企业管理模式的创新，企业间协作关系的创新，实现产品设计制造和企业管理的信息化、生产过程控制的智能化、制造装备的数字化、咨询服务的网络化，全面提升我国制造业的竞争力。制造业信息化技术的5个主要特征管理数字化设计数字化生产过程数字化制造装备数字化企业数字化科技部组织实施制造业信息化工程

科技部在“九五”CAD/CIMS应用工程取得成效和经验的基础上，以推广应用制造业信息化关键技术为突破口，将863计划和攻关计划的资源进行整合和集成，投入8亿元资金，组织实施制造业信息化工程，以进一步提升我国制造业竞争力。这是科技部落实中央以信息化带动工业化战略的重要举措。“十五”制造业信息化工程战略目标突破一批重大关键技术，形成一批具有自主知识产权和市场竞争力的制造业信息化关键技术产品；实施一批制造业信息化应用的示范企业、示范行业、示范区域和示范省市，并通过辐射和扩散效应，提升我国制造业的核心竞争力；培育制造业信息化软硬件产业、中介及咨询服务业，形成一批制造业信息化专业化、网络化的服务公司；培养一批人才，形成一支推进制造业信息化的专业队伍。制造业信息化工程任务体系结构制造业信息化工程技术创新体系关键技术产品研发及应用推广应用体系营造制造业信息化工程的社会氛围技术服务支撑企业应用示范应用技术攻关※※省（市）制造业信息化工程建设制造业信息化工程试点示范24个制造业信息化工程试点省50个制造业信息化工程试点城市在2000家试点企业的基础上筛选100家左右的国家级示范企业设计数字化管理数字化生产过程数字化制造装备数字化企业数字化

基础技术

单元技术

集成技术

三维CAD产品研发及应用网络制造系统研发及应用数控装备研发及应用数据库管理系统研发及应用企业集成系统研发及应用ERP产品研发及应用MES系统研发及应用关键技术产品研发及应用攻关三项重点分别为产品创新设计、制造资源管理和数控装备。主要内容（3）对策与举措1324我国制造业存在的主要问题制造业信息化工程简介创新设计的关键技术 运用信息技术、网络技术、计算机技术等进行产品创新设计是制造业信息化的源头和核心，是制造业提高产品开发能力和市场竞争力的关键。飞机开发过程数字BOEING技术趋势虚拟设计制造全生命周期设计制造PLM并行工程CE全球化的协作平台EXSTAR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数字化飞机强化了在民用飞机行业的霸主地位汽车开发过程技术趋势数字化设计制造虚拟样机全球采购和分销大规模定制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数字化轿车美国为夺回在汽车领域的竞争优势，在技术、经济、外交、军事等方面可谓不择手段，！CAD技术创新设计的关键技术（1）当前企业的产品开发已经全面采用CAD技术。其中二维CAD技术经过“八五”“九五”期间的开发和推广，国产软件已经基本成熟，占领国内市场的绝大部分份额。但从支持创新设计的角度讲，三维CAD技术便于直观表达设计意图。特别是在概念设计、工业设计方面，三维CAD系统采用的三维持征和参数化功能可以更加准确表达设计意图，实现“自顶向底”和“自底向顶”的设计，完成装配等复杂设计过程，使设计过程更加符合设计者的设计习惯和思维方式，进行创新设计。同时，三维CAD系统所产设的设计数据是产品设计、制造、销售、服务等的数据源。目前三维CAD技术已经比较成熟，UG、CATIA、Pro/E、Solidworks等国际上流行的软件产品已经为大家所熟知，在我国的企业得到广泛的应用。国产自主知识产权的三维CAD系统近几年来得到很大的发展，但尚不能同国外的产品相抗衡。知识管理与知识工程创新设计的关键技术（2）

集成、管理各类知识，使设计人员对知识的存取更简单、方便。研究知识和经验的创造、传播、共享和重用的循环机理，强调相互之间的协作和知识在组织过程中的增值和创新。 最大程度的利用已有知识和经验为创新设计提供支持。数据库设计者（1）设计者（2）设计者（3）基于网络的异地协同设计创新设计的关键技术（3） 由一些具有不同专长的人员在有限的时间内，为了完成某共同的产品设计任务，通过网络组成一个虚拟的工作小组，在协同设计系统的支持下共同工作；小组成员之间共享技术、知识、经验、信息和资源，位于不同地域的设计人员，不但可以相互提交工作成果与设计思想，而且在必要的时候可以在线地进行交流与讨论，以便更短时间、更高质量、更低成本地完成产品的设计。协同设计方式打破了时间、空间及组织边界的限制；有利于集思广益，利于社会资源的优化配置，尤其对创新性概念与创新性产品的产生、设计过程的并行化等有重要的作用。协同产品商务(CPC，CollaborativeProductCommerce)近年来为PTC等CAD领导厂商所大力宣传。 虚拟样机技术是指在虚拟环境中建立能够替代物理样机的产品数字化模型（即虚拟样机），并基于虚拟样机对产品进行功能测试、性能评价、人员训练等系列活动的一种崭新的产品开发技术。虚拟样机技术通过将虚拟现实与CAx/DFx相结合，使设计人员能够以直观、自然、习惯的方式构造虚拟样机，使其具有与实际产品相同或相近的物理属性、功能属性、行为属性、行为响应；并使工程人员能够基于视觉、声觉和触觉以直观自然的方式操作、测试、维护产品的虚拟样机，真实感知其存在；从而可以在新产品开发过程中以虚拟样机部分甚至完全替代物理样机对产品进行功能测试、性能分析、人员培训等活动。虚拟样机技术创新设计的关键技术（4）虚拟设计与制造技术*虚拟环境下进行方案设计*产品虚拟造型*虚拟环境下产品结构性能分析*产品虚拟加工*产品虚拟装配*虚拟环境下的车间规划*虚拟样机*产品性能评价产品虚拟设计与制造平台虚拟样机（1）虚拟样机（2）主要内容（4）对策与举措1324我国制造业存在的主要问题制造业信息化工程简介创新设计的关键技术现代集成制造系统构成现代集成制造系统设计制造子平台数字化设计与制造系统管理与电子商务子平台企业管理与电子商务系统过程自动化子平台过程自动化系统现代集成制造系统平台重点行业现代集成制造系统典型区域网络化制造系统软构件子系统软构件软构件子系统软构件软构件子系统软构件软构件子系统软构件软构件子系统软构件软构件子系统软构件三维数字化设计系统（3维CAD）面向产品全生命周期的产品数据和过程管理(PLM)数字化设计软构件CAxDFx产品过程管理产品建模数字化制造软构件工艺规划资源过程建模生产调度制造准备数字化设计与制造系统重大产品虚拟样机应用系统数字化设计与制造行业集成应用系统数字化设计与制造制造业信息化应用系统数字化设计与制造系统数字化设计制造系统包括以产品3D数字化模型为主要特征的产品结构分析、工艺设计、数控编程（CAx）、产品数据和过程管理管理（PDM）、面向过程的优化设计软件工具（DFx）等软件包。重大典型应用系统主要面向重大产品虚拟样机、网络化制造和制造业信息化中的共性关键技术，包括基于KBE的系统功能仿真、产品虚拟实验的虚拟样机技术、制造过程仿真与优化的虚拟制造技术、网络环境下产品协同设计与制造准备等共性关键技术和高级应用软件系统。三维CAD系统的开发将是现代集成制造系统技术主题重中之重的任务： “九五”期间，在863计划和科技攻关计划中对三维CAD系统的开发曾经给予了支持。北航海尔、北航金银花、清华英泰、华中天喻、南航杰必克等产品在市场上得到初步认可。 “十五”863计划现代集成制造系统技术主题将三维CAD系统的研究开发作为核心目标之一，组织、整合国内优势力量，并积极拓展国际合作，研究开发工作同制造业信息化推广应用紧密结合，目标是自主知识产权三维CAD系统要“做的出、用的