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1、,工业4.0与智能制造荆楚理工学院机械工程学院贾伟杰,- 1 -,目录,中国制造业现状及发展规划,2,1,3,4,智能制造,制造技术的发展与地位,工业4.0,- 2 -,制造技术（Manufacturing Technology) 将原材料和其他生产要素经济合理地转化为可直接使用的具有较高附加价值的成品半成品和技术服务的技术。制造业 将制造资源（物料、能源、设备、工具、资金、信息、人力等）利用制造技术，通过制造过程，转化为供人们使用或利用的工业品或生活消费品的行业。,1、制造技术的发展与地位,1.1 概念,- 3 -,智能制造 智能制造是基于新一代信息技术，贯穿设计、生产、管理、服务等制造活动
2、各个环节，具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自执行等功能的先进制造过程、系统与模式的总称。工业4.0 以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方法。该战略旨在通过充分利用信息通讯技术和信息物理系统相结合的手段，将制造业向智能化转型。,1、制造技术的发展与地位,1.1 概念,- 4 -,5,1.2 制造业发展的历程,- 5 -,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
3、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,- 6 -,工业1.0：机械化,工业2.0：电气化,工业3.0：信息化,工业4.0：智能化,1.2 制造业发展的历程,- 7 -,8,1.3 制造业战略地位,制造是人类文明的物质支柱之一,直立和劳动创造了人类，而劳动是从制造工具开始的。 恩格斯 自然辩证法 ,人猿相揖别，只几个石头磨过，小儿时节。 毛泽东 贺新郎读史 ,人类社会发展所依赖的物质文明支柱除了材料、能源、信息外，还应包括“制造”。没有制造，就没有人类。制造是“永远不落的太阳”。,- 8 -,9,物质财富是人类社会生存和发展的基础，制造是人
4、类创造物质财富最基本、最重要的手段,直接创造国民生产总值的1/3,制造业对国民经济的贡献,占整个工业生产的4/5,为国家财政提供1/3以上的收入,对出口总额的贡献率90%,1.3 制造业战略地位,- 9 -,10,制造业是国家安全的重要保障,现代武器装备是先进制造技术的载体；尖端制造技术和装备一直是西方国家技术封锁和限制的重点;保证就业率稳定，缓解就业压力，保障社会稳定。 例：东芝事件(1982.121983.6) 考克斯报告 (90年代),1.3 制造业战略地位,- 10 -,上个世纪70年代,美国不重视制造业,把制造业称为“夕阳工业”,结果导致美国80年代的经济衰退。克林顿上台后，对制造业
5、大力支持，他把先进制造技术列为六大国防关键技术之首。结果美国在机械工业、汽车工业、航空工业及信息产业等方面取得了明显的进展。在上个世纪70-80年代，日本非常重视制造业，特别大抓了汽车制造和微电子制造，结果日本的汽车和家用电器占领了全世界的市场，特别是大举进入了美国市场。1998年爆发的东南亚经济危机，反映了一个国家发展制造业的重要。一个国家，如果把经济的基础放在股票、旅游、金融、房地产、服务业上，而无自己的制造业，这个国家的经济就容易形成泡沫经济，一有风吹草动就会产生经济危机。,1.3 制造业战略地位,- 11 -,12,- 12 -,改革开放30多年来，科技进步在制造领域发挥了重要作用，“
6、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。,2、中国制造业现状及发展规划2.1“中国制造”改变着整个世界,13,- 13 -,2.1“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,2010年中国成为世界第一制造业大国。中国极可能成为“第五个”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。,14,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。,
7、欧美采取贸易保护反制,- 14 -,2.1“中国制造”改变着整个世界,- 15 -,2.2 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,- 16 -,2.3 “中国制造”亟待技术跨越,我国制造业大而不强的主要问题：,创新能力不强，没有国际竞争力；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；资源利用效率比较低，能耗比较高，污染严重,17,- 17 -,从价格优
8、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：,2.3 “中国制造”亟待技术跨越,2.4 中国制造2025,近期印发,互联网+,智能制造已开始试点示范：2015年30个项目。,- 18 -,19,2.4 中国制造2025,5月18日，国务院发布了中国制造2025规划，这是中国版“工业4.0计划”，通过“三步走”实现制造强国的战略目标：第一步，到2025年迈入制造强国行列；第二步，到2035年我国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平；第三步，到新中国成立一百年时，综合实力进入世界制造强国前列。 6月24日“国家制造强国领导小组”成立，是“中国制
9、造2025”战略顶级领导机构，由国务院副总理马凯担任组长。 中国制造2025提出重点突破的十大领域是： 新一代信息通信技术产业、高档数控机床和机器人、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、新材料、生物医药及高性能医疗器械、农业机械装备。,- 19 -,三次工业革命产生的弊端巨大的能源以及资源消耗巨大的环境代价以及生态成本21世纪，人类面临空前的全球能源与资源危机、全球生态与环境危机、全球气候变化危机的多重挑战互联网的高度发展越来越多功能强大的、自主的微型电脑（嵌入式系统）实现了与其他微型电脑和互联网的互联物理世界和虚拟世界（网络）以信息-物理系统
10、（CPS）的形式实现了融合德国政府正面临着数十年来最严峻的经济与金融危机的挑战欧债危机工业基础雄厚德国是全球八大工业国之一，其制造业尤为发达，是德国经济复苏的重要拉动力德国机械工业高度现代化、机械化、高效化,20,3、工业4.03.1 发展背景,- 20 -,初步概念2011年德国汉诺威工业博览会上，德国相关协会提出工业4.0的概念发展完善德机械设备制造联合会等协会牵头，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，成立“工业4.0工作组”进一步加强工业4.0的研究并向德国政府进行报告国家战略发展制造业是德国政府高技术战略2020确定的十大未来项目之一，“工业4.0
11、”研究项目由德国联邦教研部与联邦经济技术部联手资助，已上升为国家战略正式提出2013年4月，德国政府于汉诺威工业博览会上正式推出“工业4.0”中德合作2014年10月，克强总理访德期间，中德签署了中德合作行动纲要：共塑创新，提出两国将开展工业生产的数字化（工业4.0）合作,3.2 发展历程,21,- 21 -,3.3 总体概念,工业4.0”概念即是以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方法。该战略旨在通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统信息物理系统（Cyber-Physical System) 相结合的手段，将制造业向智能化转型,两大主题,一是“智能工厂”，重点研究智能化生产系
12、统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现二是“智能生产”，主要涉及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,22,- 22 -,ICT是信息、通信和技术三个英文单词的词头组合(Information Communication Technology，简称ICT) 。它是信息技术与通信技术相融合而形成的一个新的概念和新的技术领域。近二三十年来，德国制造业已成功地利用信息通信技术（ICT）实现对工业生产过程的管理如今，大约90%的工业生产过程已应用ICT技术,ICT,物联网（Internet of things）是指通过各种信息传感设备，实时采集任何需要监控、连接、互动的
13、物体或过程等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。,物联网,23,信息物理系统,信息物理系统（CPS, Cyber-Physical Systems）是一个以通讯和计算为核心的集成的监控和协调行动的工程化物理系统，是计算、通讯和控制的融合，具备很高的可靠性、安全性和执行效率。,3.4 技术基础,- 23 -,3.5 驱动力消费文化的改变,大量定制化快速上市物美价廉,高换线短交期,复杂程度高,产能过剩需求减少,以消费者为中心的定制化生产,随需而至随需而制制造业服务化协同制造,消费者与工厂协同工厂与工厂协同上下游、同
14、业之间协同人与机器协同,智能手机社区电子商务消费评价,- 24 -,大规模定制化生产与大规模生产的比较,- 25 -,4、智能制造4.1 本质是基于信息物理系统实现智能工厂,智能制造以智能工厂为载体，以关键制造环节智能化为核心，以端到端数据流为基础、以网络互联为支撑等特征，可有效缩短产品研制周期、降低运营成本、提高生产效率、提升产品质量、降低资源能源消耗。,信息物理系统（CPS）,- 26 -,4.2 关键是信息技术应用工业软件决定工业4.0,计算机辅助工具，如CAD(计算机辅助设计)、CAE(计算机辅助工程)、CAPP(计算机辅助工艺设计)、CAM(计算机辅助制造)、CAT(计算机辅助测试，
15、如ICT信息测试、FCT功能测试)等； 计算机仿真工具，如物流仿真、工程物理仿真(包括结构分析、声学分析、流体分析、热力学分析、运动分析、复合材料分析等多物理场仿真)、工艺仿真等； 工厂/车间业务与生产管理系统，如ERP(企业资源计划)、MES(制造执行系统)、PLM(产品全生命周期管理)/PDM(产品数据管理)等。,- 27 -,4.3 愿景是解决能源消费等社会问题,2）工业4.0将使人的工作生涯更长，工作与生活更加平衡，高工资时产业仍有强大竞争力。,1）工业4.0将使生产的能耗与效益大幅度提升。目前，工业占我国整体能源消耗73%。,- 28 -,将传感器及智能决策软件与装备集成，实现感知、
16、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,4.4 关键支撑技术,- 29 -,- 30 -,1）智能机床,4.4 关键支撑技术,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,- 31 -,1）智能机床,4.4 关键支撑技术,32,- 32 -,2）智能机器人,4.4 关键支撑技术,- 33 -,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。,4.4 关键支撑技术,4) 智能传感器,4.4 关键支撑技术,基于无线、RFID、传感器和服务的物联网络,- 34 -,
