工业4.0从数字化制造到智能制造ppt课件.pptx

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1、上海交通大学 来新民教授2015年6月3日,工业4.0：从数字化制造到智能制造,报告提纲,- 1 -,一、为什么要发展智能制造？,二、智能制造与工业4.0,三、数字化制造及其研究进展,四、智能制造技术及应用展望,- 2 -,改革开放30多年来，科技进步在制造领域发挥了重要作用，“人口红利”与“政策红利”相辅相成，显著提高了“中国制造”产品的市场竞争力。,1.“中国制造”改变着整个世界,- 3 -,1.“中国制造”改变着整个世界,中国制造,日本制造,1750,1800,1900,2000,1850,1950,2050,德国制造,英国制造,美国制造,中国已经成为全球第二大经济体。中国极可能成为“第

2、五个”世界制造中心,伴随世界制造业的发展，在不同的阶段形成形成了四大世界级制造中心。,自1994 年人民币汇率改革以来, 在中国保持对美商品出口快速增长的同时, 美国对中国产品反倾销调查和反倾销最终措施数量也有了大幅地增长。,欧美采取贸易保护反制,- 4 -,1.“中国制造”改变着整个世界,- 5 -,2.美国对“中国制造”的忧虑,美国奇点大学著名教授瓦德瓦2012年1月11日在华盛顿邮报认为： 我们将人工智能、机器人和数字制造相结合，使得美国企业家在本土建厂，生产出各种产品， 这是一场制造业的革命。中国还如何能与我们竞争？很快就轮到中国担忧了。,寻求技术跨越,- 6 -,3.德国制造业面临的

3、压力,老龄化社会带来劳动力减少,资源匮乏，能效仍需提升,产业转移带来国内制造业空心化,发展中国家技术实力不断增强,经济全球化中，需要对市场做出快速响应,保持制造业国际领先地位所需的标准化,需要根据消费者需求，实现差异化、个性化的生产,制造业占据全国GDP的25%、出口总额的60%，影响极大,1,2,3,5,6,7,8,4,- 7 -,4.“中国制造”亟待技术跨越,产品质量有待提高,在产业链的下游：核心技术亟待加强与欧美产品相比：质量存在明显差距,- 8 -,从价格优势到技术优势转变,成本上升（人力、土地、能源）用工荒（技术工人不足）国家出口退税政策变化,国内：,4.“中国制造”亟待技术跨越,报

4、告提纲,- 9 -,1.工业革命发展历程,- 10 -,18世纪末,20世纪初,70年代初,至今,第一次工业革命机械化生产蒸汽驱动,第二次工业革命批量流水线生产电力驱动,第三次工业革命高自动化柔性生产计算机信息技术驱动,第四次工业革命智能化工厂智能装备及信息通信,蒸汽机,普通机床,数控机床,智能机床,加工装备+电动机=电气化,机床+电脑=按编程操作适应能力低,数控机床+智能控制=工艺优化提升30%-3倍,- 11 -,1.工业革命发展历程,工业1.0：机械化,工业2.0：电气化,工业3.0：数字化,工业4.0：智能化,工业 1.0,一、工业4.0的意义,1.工业革命发展历程,一、工业4.0的意

5、义,1.工业革命发展历程,工业 2.0,1.工业革命发展历程,工业 3.0,- 15 -,2.数字化制造的特征,镗拉机床,铣削机床,采用数学化仿真手段，对制造过程中制造装备、制造系统以及产品性能进行定量描述，使工艺设计从基于经验的试凑向基于科学推理转变。,生产线系统,材料毛坯,实物产品,冲压机床,焊接装备,- 16 -,数字化技术体系：产品表达数字化、制造装备数字化、制造工艺数字化、制造系统数字化。,制造系统数字化,产品数字化,工艺数字化,CAD:UG/Catia/PRO-ECAE:Nastran/Ansys,PDM: Team-CenterERP: SAP、Enovia,装备数字化,控制：N

6、C,CNC,DNC系统：MC,FMC,FMS,涉及装备与产品的几何、力学行为的耦合！CAPP、DFX？,影响产品性能,影响制造效率,影响制造效率,影响制造质量,2.数字化制造的特征,- 17 -,2.数字化制造的特征,传感检测信息化、实时化装备运行境检测制造质量的检测,工艺设计智能化、知识化制造工艺的智能设计制造工艺的实时规划,控制执行柔性化、自动化装备自动控制装备柔性操作,- 18 -,3.智能化制造的特征,报告提纲,- 19 -,1.数字化手段有效地提升了产品开发质量,飞机数字化开发（B777),Production Integration Center,1.数字化手段有效地提升了产品开发

7、质量,飞机数字化开发（B787),采购管理人员,质量管控人员,全球物流专家,供应商管理人员,技术工程师,物流准备,环境预警,装配现场,生产、装配现场,高清视频、生产信息、物流信息等,生产管控人员,1.数字化手段有效地提升了产品开发质量,飞机数字化开发（B787),数控织机，由原来3-4小时/毛衣，变为40分钟/毛衣，1个工人操作5-10台机器,手动式,半自动,全数控,1.数字化手段有效地提升了产品开发质量,数控纺织机械,电子长轴传动,以电子虚拟轴作为主导轴，机器各单元分散驱动；传动由智能化驱动器高精度控制的电子长轴；最高印刷速度：350米/分,1.数字化手段有效地提升了产品开发质量,数控印刷机

8、械,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10,1.数字化手段有效地提升了产品开发质量,汽车数字化开发,宏观制造过程,微观制造过程,制造资源、环境的数字化经营、维修、使用数字化管理决策过程的数字化,CAD/CAE/CAMCAPP/VA/DFX/加工过程仿真,NC/CNC/FMS/基于网络的制造,最终产品,数字化制造的支撑技术：IGES STEP PDM MIS ERP,2.产品数字化制造的技术体系,汽车数字化开发-FORD C3P（CAD/CAE/CAM/PDM）,2.汽车数字化制造的技术体系,汽车数字化开发 虚拟样

9、机,2.汽车数字化制造的技术体系,汽车行业知识/数据库,设备制造企业,设计中心,动态联盟关系,动态联盟关系,动态联盟关系,集团1开发平台,动态联盟关系,研究院所,钢厂,集团2开发平台,动态联盟关系,汽车数字化开发 协同开发,2.汽车数字化制造的技术体系,形状,匹配,功能,3.关键技术-汽车数字化样机技术,31,几何模型功能模型 (零部件, 子系统）样机模型,数字化样机,数字化样机系统,3.关键技术-汽车数字化样机技术,数字化样机试验,3.关键技术-汽车数字化样机技术,系统级设计评审与决策,数字化样机评审,3.关键技术-汽车数字化样机技术,工艺动态调试与优化,3.关键技术-车身制造数字化工艺,1

10、）冲压成形工艺稳健设计-研究背景,产品设计,实际成形零件,成形模具,3.关键技术-车身制造数字化工艺,1）冲压成形工艺稳健设计-成形仿真,3.关键技术-车身制造数字化工艺,某车副车架液压成形过程仿真,3.关键技术-车身制造数字化工艺,1）冲压成形工艺稳健设计-成形仿真,开口方管滚弯成形过程仿真,3.关键技术-车身制造数字化工艺,1）冲压成形工艺稳健设计-成形仿真,3.关键技术-车身制造数字化工艺,材料参数波动,工艺参数波动,参数敏度分析冲压稳定性评估工艺稳健优化设计,实现低成本条件下成形质量的稳定控制,参数敏度分析,双层响应面稳健优化,起皱和开裂等质量指标与工艺敏感参数的映射关系,质量指标均值

11、和方差与工艺控制参数的映射关系,s.t.,质量波动,1）冲压成形工艺稳健设计-成形仿真,材料和工艺波动s：16020MPar ：2.3 0.5f ：0.10 0.05BHF:3.5 0.5吨,三个区域成形相互制约，且材料与工艺参数波动，造成开裂起皱缺陷。,+,3.关键技术-车身制造数字化工艺,1）冲压成形工艺稳健设计-案例,上级装配偏差,本级装配偏差,建立薄板多工位装配偏差流的状态空间方程，实现给定工艺下层次化装配偏差流的定量分析,+,- 41 -,2）车身装配偏差分析-仿真模型,某车型前舱匹配面临多曲面交汇、多零件变形协调、多偏差流积聚难题，代表整车装配水平。,涉及5大总成84个薄板件装配，

12、严重影响前部密封、噪声、外观等产品性能,- 42 -,2）车身装配偏差分析-应用案例,材料参数,构建前脸装配偏差封样模型，预测7个关键区域的装配间隙和面差，确定偏差流传递路径，快速诊断偏差源。,- 43 -,2）车身装配偏差分析-应用案例,3.关键技术制造信息集成技术,4.当前汽车制造业的总体状态,报告提纲,- 46 -,- 47 -,1.智能化工厂实例,- 48 -,1.智能化工厂实例,2.信息物理系统是智能制造的本质,信息物理系统（CPS）,2.信息物理系统是智能制造的本质,二、工业4.0时代的智能制造,2.信息物理系统是智能制造的本质,CPS平台,2.信息物理系统是智能制造的本质,二、工

13、业4.0时代的智能制造,3.智能制造的运作,3.智能制造的运作,3.智能制造的运作,- 56 -,将传感器及智能决策软件与装备集成，实现感知、分析、推理、决策、控制功能，使工艺能适应制造环境变化,传感检测装备运行监控制造质量检测,控制执行装备自动控制装备柔性操作,工艺设计工艺智能创成工艺实时规划,4.关键支撑技术,- 57 -,4.关键支撑技术智能加工装备,1）智能机床,闭环智能加工系统,性能评价,性能数据,误差模型,零件,误差补偿,加工过程中传感器数据,加工过程间的检验数据,加工完毕后的检验数据,- 58 -,4.关键支撑技术智能加工装备,1）智能机床,信息塔(e-Tower) 机床信息化，

14、具有语音、文本和视像等通讯功能。与生产计划调度系统联网，实时反映机床工作状态和加工进度 操作权限指纹确认。工件试切时，可在屏幕观察加工过程。故障报警显示、在线帮助排除,操作权限指纹确认,加工任务完成情况和机床状态可用手机查询,数码相机,- 59 -,4.关键支撑技术智能加工装备,- 60 -,4.关键支撑技术智能加工装备,2）智能机器人,- 61 -,4.关键支撑技术智能加工装备,3）增材制造（3D打印）,增材制造是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术, 被誉为有望产生“新一次工业革命”的代表性技术。,来源：Wohlers Associates,3D打印全球市场规模（亿美元）,中国产3D打

15、印装备仅占3%,3D打印技术有待充分成熟，主流市场有待进一步培育。从技术成熟到适应市场需求还将需要510年的培育期。,传感器,传感器,传感器,传感器,4.关键支撑技术智能传感器,1)基于智能传感的物联网络,- 63 -,4.关键支撑技术智能传感器,基于智能传感的物联网络,智能车身工艺设计系统,制造工艺方案,零件公差,装配顺序,定位装夹,连接参数,产品设计,新工艺设计模型,- 64 -,4.关键支撑技术智能制造工艺,- 65 -,4.关键支撑技术网络服务,- 66 -,5.智能制造应用愿景,中德签署中德合作行动纲领2014年10月10日，中华人民共和国国务院总理李克强在访问德国期间和德国总理默克

16、尔，联合发表了中德合作行动纲领，重点突出了双方在制造业就“工业4.0”计划的携手合作。双方将以中国担任2015年德国汉诺威消费电子、信息及通信博览会(CeBIT)合作伙伴国为契机，推进两国在移动互联网、物联网、云计算、大数据等领域的合作。,借鉴了德国的工业4.0计划，我国也制定了中国制造2025计划，目前初稿已经完成，在部分地区已经展开了试点工作，要在2025年对制造业完成升级转型。随着劳动力供给的减少，用人成本的上升，我国的制造业亟需转型。 虽然面临着众多的问题，工业4.0对于中国的制造业有着举足轻重的意义，相信就在不远的未来大家就会体验到工业4.0带来的便利!,- 67 -,5.智能制造应用愿景,1）能耗与效益大幅度提升,- 68 -,5.智能制造应用愿景,2）制造模式变革,3.原型制造,4.零部件生产,5. 系统集成,6. 销售服务,2. 设计,1980: OEM价值链,1. 研发,子装配体,零部件,系统,第二层,第三层,工艺过程开发,项目管理,质量管理,商业模式开发,产品生命周期管理,供应链管理,2025: 开放的价值链,1. 研发,3.原型制造,4.零部件生产,5. 系统集成,6. 销售服务,2. 设计,- 69 -,5.智能制造应用愿景,2）中国制造技术突破,数控机床,工业机器人,传感器,工艺软件,谢 谢！,