德国工业4.0与数字化制造(共14页).docx
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1、精选优质文档-倾情为你奉上 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: ZY 姓 名: 孙 振 指导老师: 刘继红2015-1-20专心-专注-专业目 录第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
2、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
3、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.
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1.2.1 “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
5、.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,
6、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
7、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4.0”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
8、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,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
9、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
10、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
11、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
12、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
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