2023年-在工业40背景下,八大新兴技术的回顾与展望39.docx

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1、在工业4.0背景下八大新兴技术的回顾与展望2014年可以称为工业4.0元年,特别是李克强总理对德国进行访问，在最 终形成的中德合作纲要中，有四条关于中德工业4.0合作的内容。这四条内 容围绕一个主题，就是中德双方高度认可工业4.0对于制造业的推动是至关重要 的，希望通过技术交流与合作，制定统一标准，提升两国制造业的发展。可以说， 德国工业40给中国乃至世界制造业带来一种新的前景，新的空间以及新的 发展目标与展望。恰恰，它与中国的两化深度融合是一脉相承的。中国走新型工 业化道路，无论从环境到技术，信息化和工业化的深度融合是发展的基础与脉络, 也是中国应对新一轮工业革命的重要举措。序言工业4.0的

2、启示金融危机之后，德国工业4.0战略的提出，以及美国工业互联网、制造业回 归战略，让世界各国意识到发展实体经济的重要性。北京机械工业自动化研究所 软件工程中心首席专家蒋明炜指出，一个国家如果制造业空心化,这个国家是危 险的。美国的制造业回归就是很好的例子，所谓的制造业回归，最终目的是通过 先进的制造技术，夺回制造业的优势，创造智能的制造环境，通过智能制造使得 在高劳动力成本的条件下获利，为企业创造更多的价值。事实上，工业4.0仍然是描绘未来工业发展的蓝图，现实的实现还需要时间 的积累与沉淀。在中国制造业面临走向何处，朝何方向发展，达到的目标上给予 了方向性的指导。德国工业4.0两个核心主题是智

3、能工厂和智能生产，该战略旨 利用方面得到最合理化。在生产方面，该公司通过云平台的管理，成功把52条 业务流程缩至37条业务流程。之后，研发人员就把剩下的15条业务流程变成 应用，放到云平台上，供客户使用。不仅如此，该公司还能通过云平台的数据实时地了解全国各地工作人员的工 作任务与项目进程。在网络不发达的时代，如果公司上层领导想实时的了解每个 分部的营业状况及内部工作人员的工作情况，那么只能通过电话或者实地考察。 假如通过电话了解，很难让领导相信乂取如实地考察，也不一定能看到真相，而 且来回的费用也不少。如今网络发达了，还有了云平台，该公司完全可以通过它 来了解内部工作人员的最新动态，以及项目的

4、发展状况。对于销售方面，该公司则通过云平台把销售人员手中的客户数据集中在一块, 便于销售人员管理的同时该公司也不用过于依赖销售人员。相信不少人都知道， 销售行业是一个人员流动性非常强的行业，而当销售人员离职时，通常都会把客 户的数据拿走，这对企业来说损失是无法估量的。有了云平台后，即使销售人员 离职了，可客户数据依旧还在。石化企业的应用在石油化工领域，某国外石油公司直接购买了 Amazon提供的云平台，形 成自己的私有云。系统包括虚拟处理器、内存和存储空间。通过互联网，技术人 员完成SAP R3测试环境的安装并通过Amazon S3上传测试信息和测试数据， 将信息保存在EBS中，供测试程序调度

5、使用。除此之外，在云前端设置了测试 信息反馈程序，通过文本和图形化结合的方式，实时监控测试过程，既能监视测 试系统本上的运行状态，也能检测云计算环境的运行状态。通过测试环境数据采 集，为今后云的进一步应用打下基础。（来自2013年4月刊）某国内企业借助虚拟化技术在其下属6个二级单位先实施戴尔的虚拟化方 案,利用VMware虚拟软件+Equal Logic IP SAN存储阵列全面整合原有IT系 统硬件平台缩减系统规模、提升硬件设备利用效率、减少系统运行与管理成本。 项目实施后，运行成本节省70% ,IT系统总规模缩减90% ,IT维护工作量减少 50% ,主机利用率比以往有较大幅度的提升。某国

6、内大型企业集团考虑打造私有云，用以解决共享业务系统的支撑。首先 完善数据中心建设，提高标准化程度;其次逐步展开基础架构的虚拟化。虚拟化 是云计算的逻辑起点，在该阶段，将运用虚拟技术来提高服务器的利用率，精简 服务器的数量，以及提高IT基础架构的横向扩展能力。同时，可以运用虚拟技 术屏蔽复杂的底层硬件，帮助企业部署一个抽象的资源层，从而为云清除障碍。 云的选择谈到此，有些人肯定会疑问：云很不安全，尤其是公有云，面对安全这个问 题企业该如何解决?其实，这个问题一直受关注。云看似很不安全，但在这个信息时代，云的存在是有价值的。就拿手机内存 来说，当一个用户想拿着手机拍照却发现手机内存不足时，如果有手

7、机云端，那 么这位用户就不必为一张新拍出来的相片而把自己曾喜爰的相片给删除了，他只 需把之前或者全部的相片上传到云端,手机的空间就会变得很大。云的价值还体 现在协同办公、数据积累上，以上的例子就是最典型的例子。有价值的产物，注 定有生命力。对于安全问题，有些做云平台的IT企业已克服，如贸易（苏州）软件有限公司, 他们通过与政府合作，在政府的服务器与安全机构上搭建云平台，通过技术手段, 使每个公司的数据单独存放并加密，从而服务国内企业。这样一来，我国的制造 企业应用云就能够得到保障。尽管如此，云在我国还有一段很长的路要走，就如实现数字工厂一样，任重 道远。在黄晓峰看来，建设数字工厂需要制造企业做

8、好内外部工作，内部则需具 备两点，第一点是生产流程实现全自动化;第二点是利用传感器搜集数据，再通 过数据来做自动监测，然后帮助管理者做判断、决定。在外部则要求企业与企业 之间建立信息互联,通过信息互联不仅能帮助企业管理者做最好的判断,还能降 低成本。而云平台是企业实现全自动化生产的重要要素、是企业建立内外部关联 的必备要素，没有云平台，尤其是对较大型的企业而言根本无法实现协同办公、 存储、挖掘数据等事项。实现数字工厂，从点滴做好，您做好准备了吗？物联开启制造新时代两化融合的物联网意义是互联互通，工业4.0战略的物联网意义是万物融合, 从互联互通到万物融合是一个长期的过程。不过，无论是两化融合策

9、略下推进建 设的数字工厂，还是工业4,0所倡导的智能工厂，都离不开物联网技术的支撑而 独行。车联网，则是近期制造领域物联网呼声最高的案例，以下通过车联网的部 分案例或可看到物联网在数字工厂或智能工厂的缩影。工业4.0背景下的物联网工业4.0目标定位于德国制造企业，它强调的是制造企业在新时期的转型问 题。在推进工业4.0战略的同时，德国不仅重视发挥大企业的龙头作用，更高度 强调如何使中小企业能够应用工业4.0的成果来解决产、学、研、用互相结 合和促进的问题。突出例证诸如德国政府不仅要求西门子、博世、库卡等传统大 公司积极参与该计划，也特别注重吸引中小企业参与，力图使中小企业成为新一 代智能制造技

10、术的使用者和受益者，同时也成为先进制造技术的创造者和供应者。 从而实现其工业系统的整体跃迁的实现路径与配套体系建设。在工业系统整体跃迁的过程中，物联网被赋予一个更高的目标。即通过为企 业提供综合的宽带互联网基础设施，使得企业在开发和管理工业大数据、保证工 业IT系统与工业控制系统的安全、超精准加工制造模式多级反馈、及跨层协同 的扁平制造模式等方式下，进行无处不在的网络及机械设备之间的信息交换和通 信，以实现生产制造过程中的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。它是在 互联网基础上延伸和扩展的网络，是物理世界与信息世界的完整融合。物联网旨 在通过形成现实环境的完全信息化，实现网络泛在化”，并因此改

11、变制造领域 的生产方式。全国自动化学会副理事长于海滨先生指出，工业4.0的特征是泛在网络化意 义下的信息垂直整合、端到端的业务组织、跨价值链的协同制造。而这每一流程 的完善都不能脱离物联网信息技术支撑。物联网之目的在于通过设备互联与泛在 信息服务的融合，达到驱动德国制造的变革。新奥集团董事局副主席甘中学指出，德国工业4.0的核心是CPS ,而CPS 是制造领域的物联网。德国制造，在通往物联网推进工业革命的路上，利用云计 算使得通讯芯片在物理系统下嵌入机械系统，达到对机器运行的监测、控制。而 云计算、通讯则代表虚拟世界的认知，物理环境、机械设备则是物理系统。控制 器通过延伸作用在其中起到了链接虚

12、拟世界和物理世界的介质作用。其延伸点是 控制设备、人，及其他设备。这种延伸，就是CPS。CPS起到了万物融合的作用。这种融合，是工厂的信息技术基础。正是由于 通过泛在信息技术的物联互融，使得工艺设计、产品生产，以及销售服务被充分 利用起来。同时通过规模信息技术的反馈和互联网技术的泛在服务，可以从生成 的成品和产品的服务周期等各个维度完成供应商的原料供应及产品的后续多次 服务等。数字工厂的物联网应用德国工业4.0促使我国两化融合的追赶步伐加大。而随着国际大环境的影响, 物联网逐步推动两化融合走向深入。在制造领域内，物联网技术逐步加大向传统 制造行业渗透的力度。在生产过程、供应链管理等环节，物联网

13、则将成为制造企 业的标配。同时，工业云平台、工业大数据等配套服务模式将逐步完善，进一步 整合物联网服务资源，从而带动我国传统产业的全面转型升级。国内数字工厂的建设，是物联网技术渗透制造企业最显著的风向标。其应用 主要体现在制造领域的生产领域和物流领域。在制造领域的应用主要体现在制造过程及供应链各环节。随着物联网的深入 应用，企业生产可以全面提高产品性能、减低生产损耗和提升制造企业竞争力。 首先，它可以实现供应链可视化管理，其表现在机械设备自动、实时的信息传递 及货品位置快速获取。其次，在生产车间，可实现柔性生产、提升产能的目的； 同时流程可视化，可以做到精细化管理。最后，在产品生命周期监控领域

14、可实现 单品管理、全程监控。在物流方面的应用，可以从两个层面来理解，首先是从制造企业内部的角度， 实现制造企业物流信息化,将物流信息技术应用于制造业物流中，通过信息技术 与制造技术相结合,建立集成化的物流管理信息系统,利用信息系统控制制造企 业产、供、销各个环节的物流运作，解决制造企业内部的信息采集、传输、共享， 以及各个相互独立的信息系统之间互联互通的问题，实现业务流程信息化和部门 之间信息的同步沟通、共享。其次是从供应链的角度，实现制造业供应链物流信 息化，利用网络技术使得企业信息系统与其上、下游企业的信息系统对接、与外 部社会物流、政府监管部门网络连接，形成以供应链为基础的物流信息平台，

15、实 现外部的资源共享、信息共用。而物联网在诸如三一、徐工的数字工厂建设中就 这两个层面的技术应用初见成效。数字工厂、智能工厂，依然走在物联网技术支撑下的愿景里，而车联网部分 技术的突破有望让企业及其用户想到物联网世界里企业、用户、市场三位一体的 合作模式及其共赢局面。车联网：全世界呼声最高车联网，关乎客户最需要的贴心服务。其作用在于通过信息的融合，构造共 享的大数据。通过大数据的分析获得实时道路交通状况、车辆状况的正确语义。 目前，根据车联网的技术分类，可分为车内网、车际网，及车上互联网。车内网，车内网主要是总线通讯技术构造，感知范围0200米。在车内网 的建设中，传感器的作用是最大的。试举几

16、例说明问题。ADAS是车内的关键零部件，它是安装于车上各式各样的传感器，用以研究 摄像头、雷达等的性能要求。通过研究，做出性能调整及集成。如国际上对汽车 防撞雷达可归纳为长、中、短3种距离的雷达，这3种雷达主要应用于自适应 巡航系统、预碰撞安全系统，及盲区检测系统。而随着数字波速技术的发展，通 过数字波速赋形便可将3种模式的雷达集成为1种雷达，如目前多模电子扫描 雷达正成为最新的防撞雷达模式。同时，利用ADAS收集车内外的环境数据，可在第一时间对车内外的静、动态物体辨识、侦测与追踪并做技术上的处理，从而能够让驾驶者在最快的时间 察觉可能发生的危险。此外安装在车辆上的其他传感器也可获得车辆的速度

17、、加 速度、车轮转速、发动机转速、线加速度、角加速度等;同时对于温度、湿度、 照度等都有感知。汽车线控技术也是车联网着重考虑的要素。其主要是将驾驶员的操纵动作经 过传感器变成电信号，通过电缆直接传输到执行机构的一种系统。而车联网的线 控技术对于油门控制、制动控制、转向控制是侧重关注。此外，通过对汽车动力 学所涉及的诸多器件的物联网技术改进，可对驾驶指引、危险报警等进行主客观 评价。车际网，车际网主要是通过射频技术构造，感知范围300-1000米。车际网 关注的是车路协同的技术。车联网于其中的技术应用主要表现在自动引导驾驶, 改进安全性、节能驾驶等。安装在道路上的传感器也会获得诸如道路交通流量、

18、 道路交通突发事件，信号灯的位置及状态等，用以协助汽车安全行驶。车上互联网车上互联网由宽带无线通讯技术构造。车上互联网对于驾驶辅 助，诸如根据实时路况智能选择行车路线，协助预定目的地车位、饭店等，道路 交通突发事件实时播报等方面所做工作较多。同时，车上互联网也可用于分时租 赁、物流管理方面。车上互联网的热议话题是车辆控制而自动驾驶则是最大胆的想法。如2008 年，上海科委承担起无人驾驶智能电动汽车项目，2011年顺利结题。在模拟的 复杂环境中进行演示，无人工干预跑完全程。其成功之处在于通过建立无人驾驶 车研究平台，现实环境感知，全局路径规划，局部路径规划及底盘控制等功能的 集成。通过物联一感知

19、，从而使汽车具备思考一行动”的能力。无独有偶，2014年谷歌的无人车走得更远。4月27日，谷歌宣布，开始在 城市街道试验自动驾驶汽车。之前，已经在加州进行了数千英里的试验。而谷歌 的案例也说明，未来依赖雷达、视频、激光等传感器和地图信息数据库来进行无 人驾驶，将为汽车业发展翻开新的一页。当然，车联网技术的应用还有许多方面正待破题。尤其是受汽车行驶安全理 念的制约，信息的选择及定量化评估，信息的定量化评价、人机交互技术的研究、 复杂大系统的安全保障都将是是制约并深刻影响车联网发展的重要因素。好在， 在路上的汽车有着企业及其用户寄托的最美好的市场共赢前景！工业4.0与PLM工业4.0是完整的工业体

20、系，它是国家行为，也是国家体系。而工业4.0实 施的边界条件，是数字化体系，数字化体系就是基于PLM的产品设计、工艺和 制造。因此，PLM涉及方案阶段、工程研制阶段、批生产阶段、服务和销售阶 段等全生命周期过程。目前，随着中国制造企业信息化的快速发展，对于PLM 的应用也逐渐向深层次渗透。这正如金航数码科技有限公司副总经理宁振波所说, PLM在中国制造企业的使用并未随着信息技术的发展而向前后端延伸，但大多数企业仅仅做了 PDM应用在工程研制和批生产阶段应用，成熟的全面应用 PLM技术并将其前延到方案设计，向后延伸至综合保障阶段还需要很长的路要Atlo o四个阶段PLM是一个大概念，主要涉及需求

21、工程、需求设计、概念设计、方案设计、 方案冻结后的初步设计、详细设计，试制实验、产品定型后的批生产和产品销售 后的保障服务等环节。众所周知，完整的产品PLM应包含四个阶段：方案阶段、工程发展阶段、批产阶段及保障服务阶段。航空领域在PLM方面积累经验较多。经过几十年的发展，航空领域一直利用信息化技术优势专注于产品的设计研发, 但是PLM在航空领域的应用依然处在局部优化阶段。以航空领域在PLM建设的工程发展阶段为例。围绕航空产品的设计制造要 涉及设计过程中的产品数据管理、仿真数据管理、试验数据管理，以及试制过程 中对企业资源的调用以及流程等诸多方面的联动与交互。而在这期间，每一项技 术或数据方面的

22、管理，又细化成各自的管理流程，用以发挥其最大的作用。这些 联动或交互的作用，确保产品在研制过程中的质量和进度。可见，PLM局部的 优化依托的是先进技术的支撑及管理流程的顺畅。向两端延伸在工业4.0的体系架构中，需要智能设计，智能制造以及交付后的智能保障。 中国企业需要在原有设计、仿真、工艺和制造的基础上，逐步过渡到整个工程研 制过程。在这个过程中，智能制造必然要将前期的智能设计仿真落实在制造环节 上。宁振波指出，现阶段，中国制造企业PDM已大规模使用，这是良好应用 PLM的基础。大多数企业认为PDM往前延伸就是需求阶段，往后延伸就是综 合保障与服务。实际上，企业真正的延伸不是很完整，还有较大的

23、差距。企业目 前最应该好好做的就是，将PDM的工程研制阶段做精。因此，PDM两端延伸 是一个永远的课题。他表示，站在工业4.0实施的边界条件层面，制造企业做好数字化，就是把 工程研制阶段的产品的数字模型、仿真模型、工艺模型等建好。将指导制造的基 础模型建好，那么PDM的两端延伸就能实现，否则两端延伸永远是假的。问起 原因，宁振波解释到，制造产品的前沿阶段，有大量的产品设计模型的积累，才 有可能指导方案与需求概念设计，没有足够的模型支撑，PDM的前端没有完整 的模型是无法延伸的，向后延伸到服务也只能是空谈。他总结到，现阶段使用PDM的制造企业，应该扎扎实实的做好设计模型、 工艺模型、仿真模型，将

24、基础性工作做好，模型建得准确、数量多、应用越广泛, 才可能将PDM向两端延伸，才能实现PLM的应用。所以说，数字化是工业生 产的边界条件,最基础的就是CAD、CAPP和CAM ,基于三维模型走通产品研 制的设计、工艺、制造，工程研制得走通。走不通，将全是空谈。开放”是趋势现今，在工业4.0大趋势与方向下，无论是信息技术还是工业软件都在谈论 开源，这是一个敏感的词汇，对于现今的制造企业信息化，开放意味着安全、 标准等多方面的考虑与利益纠葛。同样，PLM的开放性也一直是业界关注的热 点。开放性不是PLM特有的，开放性、标准化、模块化、系列化是工业产品特 有的属性。最早,IBM提出PLM开放的概念，

25、主要是基于SOA，对企业服务总线(ESB) 方面的一个概念。它要解决的核心问题是，将应用精细化、插件化。宁振波表示， 从硬件到软件，模块化可以让工业产品有标准的接口。如PLM的开放体系架构 包括从需求概念、方案到初步设计、详细设计，试制实验，每个软件模块之间都 可变成标准接口。这就变成需求和概念之间的标准接口，将软件插入这些标准化 接口后，就形成了 PLM的开放性系统架构。但他同时指出，标准化、模块化、系列化对纯硬件产品来说是一件好事，会 给纯软件产品带来诸多问题，他解释说，越标准化、模块化、系列化，安全性问 在通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统一信息物理融合系统CPS(Cyber-P

26、hysical System)相结合的手段，将制造向智能化转型。目前，中国处于工业化的中后期，也就是说，中国在没有完成工业化过程, 便进入了信息化社会。因此，中国制造业的信息化水平跨度是从上世纪50年代 到21世纪初，各企业的发展水平相差60年。这就造成中国大量中小型企业的 设备、管理以及加工能力还处于上世纪50年代的发展水平，而大型企业的信息 化水平与国际先进水平却没有太多差距。金航数码科技有限公司副总经理宁振波 指出，中国制造企业制造水平参差不齐，绝大多数中小企业处于机械化阶段，所 以，中国制造实现智能制造必然是工业2.0是提升，工业3.0是普及，工业 4.0是示范”的发展战略。他表示，中

27、国的2025制造策略，就是四化同步，三 代工业并进。企业发展参考工业4.0描绘了工业发展未来的蓝图，真正落实到企业内部，最响亮的莫过 于所谓的数字工厂、智能工厂，让企业走向数字化，网络化和智能化。基于互 联网和物联网，把人、组织、设备连接，形成完整的供应链，在这个供应链上, 客户的任何需求，而且是个性化的需求，都可以通过一系列的数字手段来积极响 应与实现。蒋明炜指出，工业4.0是制造业发展的方向，也是现代制造企业的发展方向。 不同的企业，一定要根据自身的情况制订企业发展策略找出自身的核心竞争力， 如从现阶段的技术、资金、管理等多方面，去制定长期可持续发展的策略。如， 某企业目前的产品创新缺乏竞

28、争力，那就在关键技术的突破与创新上加大投入, 如果企业拥有过硬的产品，掌握核心技术，生产制造环节是薄弱的，那就要提高 题越难以解决，越容易受到破坏。而牵涉其中的利益纠葛也是难以解决的。以智 能手机操作系统为例智能手机以iPhone系统和安卓系统为代表。其中,iPhone 用的是由苹果公司开发的iOS操作系统，虽然使用方便，灵活，但由于其封闭 的系统，安装的软件都要从指定的官网购买并下载。而Android系统由于是开 放源代码，所以支持使用的智能手机很多，也可安装免费的软件，这就造成系统 容易被病毒侵害。工业产品的开放性是发展的必然趋势，每一件工业产品的标准化、模块化、 系列化会为大规模的工业产

29、品使用带来便捷，如用户界面的开放会让用户在统一 的界面下进行操作，便捷、高效。实际上，在PLM开放性的条件下，企业要处 理好核心工艺产品的标准化、系列化、模块化，同时要解决好安全性和可靠性问 题。但这永远是矛盾的，这也是开放性产品必然带来的一个永恒的话题。虚拟赢得市场德国为什么会提出工业4.0?答案是新技术使制造企业的生产形态发生重大 变化。变化在于：过去的工业生产过程都是线性的，而现在的新型生产呈现出复 杂的网络化特征。在全球竞争的环境下，制造企业必须要有更加灵活的制造和生产。如近期国 内提出在民航研制前，有必要听取驾驶员的意见。而在生产制造的前期，因网络 技术的突破也使得制造企业可以直接关

30、注客户需求，网络平台上客户的创意正成 为企业生产的重要组成部分。诸多因素决定，产品的生产前期就须满足客户需求, 而解决这样的问题，借助网络技术支撑的虚拟制造被推上了市场的前沿。虚拟制造满足复杂需求西门子首席技术官鲁思沃指出，今天的制造业企业只有满足客户更加复杂的需求，才能赢得市场。这样的发展趋势使得制造业面临着前所未有的快速变化。网络化的生产和数字化的制造正在成为决定成败的关键。这也意味着信息技术和 虚拟制造将越来越多地深入到制造企业当中，而且和各种各样的其他技术去实现 集成。以船舶制造为例。在船舶设计过程中，不仅要从大的方面着手关注船体的结 构强度，而且还要满足客户日益严格的振动方面所要求的

31、标准等。因为这些方面 影响着乘客的乘坐舒适度、环境噪声或者武器和雷达平台的稳定性等要求。其实，客户的更复杂需求远不止于此。对于虚拟制造环境下的船体模型画出 网格这样的技术难题，客户也需参与其中并验证其虚拟技能的高低。船体模型的 网格设计需要较高的虚拟技术。基于虚拟环境下的船体有限元建模，采用默认的 网格参数和理想化的模型是一个特别复杂的过程。而在这个过程中，还得满足客 户理解设计者的真实意图。磨合过程，可能涉及网格参数的调整和网格密度的增 加。甚或，过滤船体结构上可以忽略的小孔特征及切口特征等。虚拟制造涉及诸多层面虚拟制造，既然要满足客户复杂的需求，那么就须解决制造领域，以及领域 内诸多技术层

32、面的问题。为了便于说明问题，以企业用户关注层面较多的复合材 料为例讲述虚拟制造涉及技术层面的问题，同时有望起到触类旁通的效果。众所周知，复合材料在航空航天、汽车等领域具有巨大的市场空间。8月, 上海航天技术研究所副院长孟光指出，如果航天领域炭炭复合材料按照目前传统 材料均实现进口替代的乐观预计，航天发动机、航天器/翼/舱体等市场价值将达 到20亿元。但是复合材料在制造工艺的环节，较普通产品会产生更大的影响。 举例来说，普通钢经过镀金、焊接，对于最后产品包括屈曲、断裂等方面的性能 影响有限。而复合产品由于它本身材料的复杂性，在制造工艺的环节所带来的性 能差异就会远远大于普通钢。可见，从产品设计的

33、角度，复合材料会带来诸多问题。但是面对产品要求精 细化的市场，不仅需要可靠性的设计，更需创新性的设计，这样就对虚拟仿真提 出更多的需求和要求。只有对材料的工艺性能有更深入的了解，并通过多学科的 性能仿真，以及多领域的集成优化，方能让产品达到综合性能的提高。而在对复合材料的虚拟仿真的研究过程中，因不同领域有不同的应用层面, 涉及到的技术问题不尽相同。针对此类问题，ANSYS日本技术公司本部总经理 王晓指出，因复合材料在制造诸多领域具有优势，所以复合材料的工艺仿真平台 就备受企业及其用户推崇。复合材料工艺平台以复合材料设计和工艺流程为研究对象。在结构设计、铺 层设计、工艺仿真、工艺优化等方面对复合

34、材料工艺流程进行仿真分析。诸如其 仿真分析涉及复合材料铺层设计、压力成型仿真分析、力学性能分析、热压罐工 艺仿真等多个方面。以热压罐工艺仿真平台分析，其难点在于涉及复杂的流固耦 合环境和材料固化相变过程。基于这种情况，应推出诸如企业的热压罐仿真算法 与客户化定制的材料数据库和模型库相结合的半定制专业复合材料热压罐仿真 平台的市场运作机制。在具体的仿真分析过程中，某企业的案例是：基于流固耦合与流场、温度场 及树脂固化动力学多场耦合分析，通过笛卡尔网格实现对罐内复杂结构环境的流 固网格快速生产，用以模拟热压罐内的空气流动、罐内流固区域的温度分布及预 浸料固化历程等。并通过笛卡尔网格向结构化网格的映

35、射，可将温度场结果传递 给复合材料结构分析软件进行预浸料翘曲变形的分析。推而广之，虚拟制造是源于多向价值链的集成。它的愿景应是协同于制造企 业的所有项目包括与产品开发的整个参与者的方案。其集成的多物理场（集流动、 传热、电磁、结构、化学反应分析耦合于一身）、多向方案（碰撞安全解决方案、 振动噪声仿真方案、锁金冲压仿真方案、热处理与焊接仿真方案、流体动力学仿 真方案等）将是发展战略。而多向研究方案还将融入用户的最优方法工作流。试看今日，在虚拟制造的落地案例逐渐增多，虚拟模块集成化程度逐渐增高、 虚拟现实可视化设计制造决策平台能融用户于企业的愿景逐渐呈现之时，PLM 因虚拟制造的助力将在产品研发前

36、端发挥的作用越来越大，数字工厂的生产优化、 智能工厂的全局优化都将因此受益。反过来，受此影响虚拟制造将会赢得更强势 的市场。机器人“元年的真正意义中国制造企业使用工业机器人已经有20余年的历史了。但由于人口红利的 持续存在，它一直处于不温不火的状态。但到了 2013年，这种情况有了逆转， 机器人大规模地进入国内制造企业。2014年中国也成为机器人的全球第一大市 场。所以,2014也被称为中国工业机器人元年。元年”背后的指向，并非 单纯的是“机器换人，而意味着中国的制造业有了深刻的、不可逆转的变革。 在新一轮的工业革命来到时，在中国制造业转型升级过程中，机器人的广泛使用， 将根本性地改变世人对中

37、国制造”的刻板印象。很多人把2014年称为“中国工业机器人元年。这是很有道理的。从销售 量来看，中国是全球增长最快的机器人市场，已经超过日本，成为全球第一大机 器人市场。而且，中国在制造领域中的工业机器人的应用还有巨大的提升空间。以机器人密度而论，国际每万名工人拥有机器人台数平均为55台，韩国为347台，日本为339台，德国为251台，美国为135台(以上皆为2011年数据),2013年已增至23台。可以预见，未来几年中，工业机器人的浪潮会向中国制造业全方位袭来。有 人把这种现象归因为：一是人口红利”的消失，用工成本的上涨导致的劳动力 市场倒逼来工业机器人的快速替代;二是由于技术成熟导致的工业

38、机器人价格的 大幅下降;三是国家政策对工业机器人的大力扶持。改变制造模式以上的观点固然正确，但还未切中要害。实际上，中国机器人井喷式发展的 背后是制造模式的转变，让机器人走上中国制造业的舞台，越来越成为主角， 并最终发展为无法撼动的台柱子。用新松机器人自动化股份有限公司总裁曲 道奎的话来说，就是：工业机器人加速了中国制造模式的变革，没有机器人，未 来中国的制造模式就会缺少一个核心支撑。在2014中国数字工厂推进大会 (DFC 2014)”的演讲中,曲道奎强调指出：机器人有望成为第三次工业革命的 切入点。固然现在越来越多的年青人然不愿意选择艰苦的制造业，但另一方面，在中国制造向智能制造、数字制造

39、的升级中，越来越多超精细化的、苛刻条件下的、极度复杂的生产环节也不适宜人工完成。很多工作人完成不了，即使勉强完成, 也费时费力，所以只能由机器人来出马。今年来，中国制造的高铁很受关注。人们形象地把高铁的车头称为“子弹头， 透露出一种喜爰之情。但是要给子弹头”装上玻璃，则是一件非常令人头疼的 事情。据天津智通机器人有限公司总工程师齐玉哲在2014中国数字工厂推进 大会(DFC 2014)上介绍说，它需要一套格外复杂的自动化安装系统。其中的难点在于玻璃和窗框的匹配。给汽车装玻璃很简单，直接装上即可。但是高铁车 头由于必须要考虑到复杂的速度、强度、精度、弧度、曲率等方面影响，给它安 装玻璃是一项系统

40、工程,先要采用视觉技术进行三维测量,再建模后并进行偏差 修正，然后进行规划程序。等这几个准备步骤都完成了，实施安装步骤时，却发 现人工无法保障精度和准确性。因为对玻璃和车框的加工精度所提出的要求是非 常高，人工操作无法保证，必须借助机器人。程序把交互柔性加工系统的三维测 量数据传递给机器人，并控制机器人让它正确地抓取玻璃和精准的放至窗框上。未来的数字制造中，智能化成套装备将会大规模广泛使用，因其具备精细制 造、精细加工以及柔性生产等技术特点，人工作业在很多时候无法与之协同生产, 所以，人的工作会由机器人来接管。作业人工生产的替代者，机器人不是竞争中 的获胜者，而是继动力机械、计算机之后，出现的

41、全面延伸人的体力和智力的新 一代生产工具，是实现生产数字化、自动化、网络化以及智能化的重要手段。它 会大大改变制造模式，把人从枯燥、繁琐的劳动中解放出来，从而去做更富有意 义的事情。扩展应用领域目前，中国工业机器人的保有量占全球保有总量的1%但每年增量却很大。近两年来年增长率都在30%以上，国产品牌增长率甚至高达60%。与此同时, 工业机器人的应用已也从过去几个集中的行业向更广泛的行业扩张。汽车行业由于生产方式的特点十分吻合机器人的功能，汽车行业一直是我 国机器人应用最广泛的行业，其占比高达38% ,同时也是机器人使用密度最高 的行业。根据国际机器人联合会(IFR)估算，2012年我国汽车工业

42、每万名工人拥 有机器人台数约为213台，约为我国制造业平均水平的10倍。虽然我国汽车产业整体水平有待提升，自主品牌还有很长的一段路要走，但 是这并不能阻碍一些具有国际水平的工厂的涌现。这些工厂都有相似的特点，就 是：其生产设备机器人的品质和应用水平也都是国际领先的。汽车制造厂一般分为几大车间：冲压车间、焊装车间、动力总成车间和总装 车间。工业机器人均起了 顶梁柱”的作用。在生产环节中，一些制造业强国宁 可相信机器，也不相信人。所以，机器人作为一种高端自动化装备，在汽车制造 领域有了宽广的用武之地。而人，反倒被边缘化了，成了配角。例如宝马沈阳铁 西工厂的车身车间，是整个工厂中自动化率最高的车间，

43、高达95%,除返修工 位之外，已全部实现自动化。工人的角色除了通过工业电脑下达生产指令外，就 是做一些机器人的辅助性工作，比如，一个重达几十吨的模具的更换工作仅需要 三人完成，其中一人负责操作电子遥控杆（控制模具在空中的运行轨迹）,另外两 人负责安装吊缆和模具夹紧器。近10余年来，随着我国汽车产量的大幅提升，汽车企业应用机器人的数量 也有了几何级数的增长。2000年前后，上海大众途安的车间，90多台机器人是 一个非常大的应用。现在，一汽大众佛山工厂一个焊装车间就用了 1000余台机 器人。将来，随着自动化水平和人们对国产汽车品质需求的提高，车企机器人的 应用还会大幅攀升。家电行业我国的家电行业

44、在国际上有较强竞争力，其中机器人的功劳不小。 包括电视机、冰箱等的制造，现在几乎全机器人化。国内著名的大家电厂商为保 证质量、降低成本、保持竞争优势，在引进、购买机器人方面不惜重金。量大面广制造业据中国机械工业联合会执行副会长、中国机电一体化技术 应用协会理事长宋晓刚介绍，未来一两年间，量大面广的制造业，如冶金、建材、 轻工、纺织为实现自身产业升级，完成自动化改造，对自动化系统及机器人有着 旺盛的需求。机器人的使用，可以大幅提高这些行业的自动化生产水平。机器人 有一个人无法比拟的特点，如：它可以24小时不停工作，没有休假，不需要养 老保险。从工艺精度角度讲，机器人明显高于人工操作，而且重复性强

45、。这是上 述行业准备应用机器人的另一个重要考虑。对此，宋晓刚提醒到，机器人本身能 发挥什么作用，比如说它各种各样的动作，能否满足生产过程需求，需要集成商 解决这个问题。机器人不像一般产品，买回来就能用。而是投入使用前，要与生 产流程、生产工艺、前后端设备、过程的动作环节，要结紧密地融合在一起。才 能起到预期作用。集成应用技术尤其是对这些量大面广的制造业更为重要。物流业机器人本身具有重复性高、精度高、节拍准、工作范围较广等特点， 从这些特点来说，机器人一个比较大的发展空间的行业是物流业。举例来说，网 上购物会面临一个很大问题：物流配送。绝大多数人都希望送货上门。这背后会 有一个很大问题：分拣和配

46、送。送货还需人和车;但是机器人加上一个视觉系统 或者是特殊的传感器来进行物流的分拣。它的出错率比人工分拣低很多。在物料库里面，用机器人提货非常准确性,它可以结合整个物流的控制，比 方说所有的物料都有磁性条形码，从分拣的角度来说机器人很快。从搬运的角度 来说，都比人工效率提高许多倍。目前，工业机器人替代人工的趋势已不可逆转。汽车行业是机器人应用需求 最大的行业，电子行业则是工业机器人应用快的行业，而其他行业对工业机器人 的应用已经成熟，处于大规模应用的前夜。融入智能制造目前，工业机器人也到了一个转型升级换代的时候。过去50年的发展，工 业机器人是作为高端设备而发展起来，以后，它将朝着非生物人工智

47、能的方向发 展。这与现在方兴未艾的“智能制造、工业4.0这些制造新理念一拍即合。可 以预见，工业机器人将在未来仍然会扮演着骨干的角色。现代化的汽车生产制造不仅要满足批量化、自动化的要求，而且也要具备可 配置的、灵活的、能传递信息的、可变化的生产单元。以前一条生产线只能生产 一种车型，现在则要求一条生产线上要同时并线生产五六种甚至更多的车型。在 这个单元里，机器人也被要求可以编程，并与操控单元通讯，为适应生产要能根 据程序更换各种工具及改变生产节拍。长安福特的车身的焊装生产线上有超过500台机器人，它们分别为福克斯、 蒙迪欧、翼博等车型提供全部的高效率的焊装工作,在一条生产线可以完成六种 车型的

48、生产，它们使用的工具是根据编程要求而可以改变的。正是有这样的基础 才能够保证有工厂下一个不同车型订单，产线能够按时、按质、按量生产出来。无独有偶，在宝马铁西工厂处处可见机器人在不知疲倦的运转和工作，它们 的工作精准，高效，似乎永远也不会停下来。宝马把生产流程切分成非常细小的 片段，每个片段都遵循严格的顺序加工，片段之间用自动化传动机制联系起来。 它们还充分利用厂房空间，变传统的地面运输为空中运输，在铁西工厂的车间里, 整个运输分楼上楼下三层，将每个工位紧密衔接在一起。据工厂的工作人员介绍，整个工厂各处布满了数不清的物联网传感器，它们 在收集着各种生产数据和参数，同时，每台机器人背后都是有一套复

49、杂的生产编 程软件及设备控制的工业电脑，所有这些组成了一个看不见的高度复杂的电子网 络体系。因此，铁西工厂物流得以智能化，生产线得以高度柔性化。目前，在铁 西工厂可以生产BMWX1 , BMW3系标准轴距和长轴距,3个车型全部实现并 线生产。不仅如此，3个车型都可以接受个性化定制生产，这对生产方式及作为 其支撑的机器人提出了更高的要求。如果说第一次和第二次工业革命重点是扩大产能、提高效率、保证质量，那 么第三次工业革命更多的是智能化生产及快速的反应，这与上两次工业革命带来 的制造模式完全不一样。在第三次工业革命中，机器人将改变制造模式，它不是简单地提高质量降低 成本或者是提高效率，最本质的改变是对人工重大的替代，完成