数字化设计与制造

数字化设计制造 与振兴装备制造业 数字化设计制造数字化设计制造 与振兴装备制造业与振兴装备制造业 中国工程院院士、清华大学教授 柳百成 liubc@tsinghua.edu.cnliubc@tsinghua.edu.cn 提 纲提提 纲纲 前前 言言 一、装备制造业面临的挑战一、装备制造业面临的挑战 二、信息化是提升装备制造业的重二、信息化是提升装备制造业的重 要途径要途径 三、数字化设计三、数字化设计 四、数字化制造四、数字化制造 五、结束语五、结束语 前 言 装备制造业的作用与地位 前前 言言 装备制造业的作用与地位装备制造业的作用与地位 装备制造业是国民经济的物质基础、国家安装备制造业是国民经济的物质基础、国家安 全的主要保障、国家竞争力的重要体现。全的主要保障、国家竞争力的重要体现。 前 言 中长期科学和技术 发展规划 小学教师专业发展规划教师个人发展规划三年劳动实践场所建设地理教师发展规划教师三年成长专业规划 前前 言言 中长期科学和技术发展规划中长期科学和技术发展规划 国家中长期科学和技术发展规划纲要国家中长期科学和技术发展规划纲要 （（20062006━━20202020年）明确提出：年）明确提出： )) ““从现在起到从现在起到20202020年，我国科学和技术发年，我国科学和技术发 展要以提升国家竞争力为核心，实现八项展要以提升国家竞争力为核心，实现八项 重要目标重要目标””。。 )) 第一项是：第一项是：““掌握一批事关国家竞争力的装掌握一批事关国家竞争力的装 备制造业和信息产业核心技术，使制造业备制造业和信息产业核心技术，使制造业 和信息产业技术水平进入世界先进行列和信息产业技术水平进入世界先进行列””。。 最近国务院又发布了最近国务院又发布了““关于振兴装备制造关于振兴装备制造 业的若干意见业的若干意见””，提出十六项重要工程，提出十六项重要工程。。 提 纲提提 纲纲 前前 言言 一、装备制造业面临的挑战一、装备制造业面临的挑战 二、信息化是提升装备制造业的重二、信息化是提升装备制造业的重 要途径要途径 三、数字化设计三、数字化设计 四、数字化制造四、数字化制造 五、结束语五、结束语 一、装备制造业面临 经济全球化挑战 一、装备制造业一、装备制造业面临面临 经济全球化挑战经济全球化挑战 引自Global Manufacturing & UTC 核心及 关键技术 核心及核心及 关键技术关键技术 一、装备制造业的主要问题一、装备制造业的主要问题一、装备制造业的主要问题 装备制造业装备制造业与工业发达国家与工业发达国家 仍存在阶段性差距仍存在阶段性差距 一是自主技术创新能力不一是自主技术创新能力不 强；强； 二是核心制造技术基础薄二是核心制造技术基础薄 弱。弱。 差距之一：自主技术创新能力不强差距之一：自主技术创新能力不强差距之一：自主技术创新能力不强 )) 中 国 是 世 界 贸 易 第 三 大中 国 是 世 界 贸 易 第 三 大 国，但出口产品拥有自主品国，但出口产品拥有自主品 牌或知识产权的只占牌或知识产权的只占1010％％;; )) 中国是制造大国，但重要中国是制造大国，但重要 的技术装备和关键零部件主的技术装备和关键零部件主 要依赖进口；重要装备及高要依赖进口；重要装备及高 技术装备尚未掌握系统设计技术装备尚未掌握系统设计 与核心制造技术与核心制造技术;; )) 中国高技术产品出口不断中国高技术产品出口不断 增加，但不仅关键零部件依增加，但不仅关键零部件依 赖进口，而且为软件、技术赖进口，而且为软件、技术 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 要向外企支付高额费标准要向外企支付高额费 用。用。 差距之二：核心制造技术基础薄弱-1差距之二：核心制造技术基础薄弱差距之二：核心制造技术基础薄弱--11 )) 设计技术、可靠性技术设计技术、可靠性技术 、制造技术、基础材料、制造技术、基础材料 、基础零部件和电子元、基础零部件和电子元 器件、仪器仪 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 及标准器件、仪器仪表及标准 体系等发展滞后，制约体系等发展滞后，制约 了制造业的发展了制造业的发展。。 )) ““装备国产化项目中，装备国产化项目中， 大型关键铸锻件，依靠大型关键铸锻件，依靠 进口供货，国产件能力进口供货，国产件能力 、质量难以满足要求，、质量难以满足要求， 已成为重大装备制造业已成为重大装备制造业 发展的瓶颈，受制于人发展的瓶颈，受制于人 。。””——曾培炎副总理批曾培炎副总理批 示示 长江三峡水轮机制造技术 水轮机叶轮 （叶片及下环） 长江三峡水轮机制造技术长江三峡水轮机制造技术 水轮机叶轮水轮机叶轮 （叶片及下环）（叶片及下环） 差距之二：核心制造技术基础薄弱-2差距之二：核心制造技术基础薄弱差距之二：核心制造技术基础薄弱--22 航空发动机第三代 单晶叶片制造技术 航空发动机第三代航空发动机第三代 单晶叶片制造技术单晶叶片制造技术 民用燃汽轮机定向凝固叶片民用燃汽轮机定向凝固叶片民用燃汽轮机定向凝固叶片 差距之二：核心制造技术基础薄弱-3差距之二：核心制造技术基础薄弱差距之二：核心制造技术基础薄弱--33 大马力低速柴油机制造技术 大马力曲轴制造技术 大马力低速柴油机制造技术大马力低速柴油机制造技术 大马力大马力曲轴制造技术曲轴制造技术 掌握核心技术、提高竞争能力掌握核心技术、提高竞争能力掌握核心技术、提高竞争能力 提高竞争能力提高竞争能力 迎接经济全球化迎接经济全球化 挑战的关键是：挑战的关键是： 以自主创新为以自主创新为 动力、发展高技动力、发展高技 术含量的装备制术含量的装备制 造业。造业。 Low techLow tech Mfg.Mfg. High techHigh tech Mfg.Mfg. In no va tio n In no va tio n--d riv en dri ve n CopyingCopying manufacturingmanufacturing InnovationInnovation manufacturingmanufacturing 提 纲提提 纲纲 前前 言言 一、装备制造业面临的挑战一、装备制造业面临的挑战 二、信息化是提升装备制造业的重二、信息化是提升装备制造业的重 要途径要途径 三、数字化设计三、数字化设计 四、数字化制造四、数字化制造 五、结束语五、结束语 二、信息化是振兴及提升 装备制造业的重要途径 二、信息化是振兴及提升二、信息化是振兴及提升 装备制造业的重要途径装备制造业的重要途径 １、高新技术与先１、高新技术与先 进制造技术相互进制造技术相互 融合（发展高技融合（发展高技 术含量装备制造术含量装备制造 业）；业）； ２、广泛采用信息２、广泛采用信息 化技术。化技术。 振兴及提升装备制造业的主要途径：振兴及提升装备制造业的主要途径： 波音777是采用数字化设计 与制造的典范: 缩短研发 周期40%;减少返工量50% 波音波音777777是采用数字化设计是采用数字化设计 与制造的典范与制造的典范: : 缩短研发缩短研发 周期周期40%;40%;减少返工量减少返工量50%50% 超超临界 燃汽轮机 超超临界超超临界 燃汽轮机燃汽轮机 1-高新技术与先进制造技术相互融合11--高新技术与先进制造技术相互融合高新技术与先进制造技术相互融合 激光直接成形技术激光直接成形技术 燃汽轮机叶片升级换代燃汽轮机叶片升级换代 ((高温合金单晶体叶片高温合金单晶体叶片)) 2-用信息新技术提升装备制造业22--用信息新技术提升装备制造业用信息新技术提升装备制造业 Boeing 777 and Ford Boeing 777 and Ford ViporVipor both made extensive use of modeling both made extensive use of modeling and simulation technology to create state of the art products and simulation technology to create state of the art products faster, better and more affordablefaster, better and more affordable 广泛采用模拟仿真技术，更好、更快、更可靠地制造出创新产品广泛采用模拟仿真技术，更好、更快、更可靠地制造出创新产品 数字化设计与制造 是装备制造业信息化的重点 数字化设计与制造数字化设计与制造 是装备制造业信息化的重点是装备制造业信息化的重点 ))第第(27)(27)优先主题：优先主题： 数字化和智能化设计制造重点研究数数字化和智能化设计制造重点研究数 字化设计制造集成技术，建立若干行业的字化设计制造集成技术，建立若干行业的 产品数字化和智能化设计制造平台。开发产品数字化和智能化设计制造平台。开发 面向产品全生命周期的、网络环境下的数面向产品全生命周期的、网络环境下的数 字化、智能化创新设计方法及技术，计算字化、智能化创新设计方法及技术，计算 机辅助工程分析与工艺设计技术，设计、机辅助工程分析与工艺设计技术，设计、 制造和管理的集成技术。制造和管理的集成技术。 国家中长期科技发展规划纲要国家中长期科技发展规划纲要(2006(2006--2020)2020) 数字化、智能化设计制造数字化、智能化设计制造数字化、智能化设计制造 )) 数字化、智能化设计制数字化、智能化设计制 造是将信息技术、智能造是将信息技术、智能 化技术、自动化技术与化技术、自动化技术与 先进制造技术相结合，先进制造技术相结合， 形成的系统集成技术与形成的系统集成技术与 装备。装备。 )) 解决制造业企业技术开解决制造业企业技术开 发和技术创新能力薄弱发和技术创新能力薄弱 等问题，从而实现产品等问题，从而实现产品 设计、生产、试验、管设计、生产、试验、管 理和维护过程的数字化理和维护过程的数字化 和智能化。和智能化。 《《国家中长期科技发展规划国家中长期科技发展规划》》战略研究战略研究 提 纲提提 纲纲 前前 言言 一、装备制造业面临的挑战一、装备制造业面临的挑战 二、信息化是提升装备制造业的重二、信息化是提升装备制造业的重 要途径要途径 三、数字化设计三、数字化设计 四、数字化制造四、数字化制造 五、结束语五、结束语 三、数字化设计三、数字化设计三、数字化设计 )) 有丰富的知识库有丰富的知识库(KBE)(KBE)支支 持的智能化设计持的智能化设计//工艺制工艺制 造开发系统。造开发系统。 )) 在功能、质量、可靠性在功能、质量、可靠性 与成本方面能提供最优与成本方面能提供最优 产品。产品。 )) 广泛采用模拟仿真技术广泛采用模拟仿真技术 ，产品及零部件做到一，产品及零部件做到一 次研发成功。次研发成功。 完全集成与优化的 数字化设计/工艺系统 完全集成与优化的完全集成与优化的 数字化设计数字化设计//工艺系统工艺系统 美国汽车工业希望汽车的研发周期缩短为15-25个 月，而九十年代汽车的研发周期为5年。 美国汽车工业希望汽车的研发周期缩短为美国汽车工业希望汽车的研发周期缩短为1515--2525个个 月，而九十年代汽车的研发周期为月，而九十年代汽车的研发周期为55年。年。 网络化、协同化、开放式产品创新设计平台网络化、协同化、开放式产品创新设计平台 网络化、协同化、开放式 产品创新设计技术与平台 网络化、协同化、开放式网络化、协同化、开放式 产品创新设计技术与平台产品创新设计技术与平台 完全集成与优化的设计 与工艺研究开发系统 广泛采用模拟仿真技术 ，产品及零部件做到 一次研发成功 完全集成与优化的设计完全集成与优化的设计 与工艺研究开发系统与工艺研究开发系统 广泛采用模拟仿真技术广泛采用模拟仿真技术 ，产品及零部件做到，产品及零部件做到 一次研发成功一次研发成功 产品/零件一次成功产品产品//零件一次成功零件一次成功 三、数字化设计三、数字化设计三、数字化设计 Aero and auto industries in CHINA also made use of modeling and Aero and auto industries in CHINA also made use of modeling and simulation technology to create state of the art airplane or simulation technology to create state of the art airplane or automobile faster, better and more affordable.automobile faster, better and more affordable. From: Hunan UniversityFrom: Hunan University 网络化、数字化全生命周期设计 （life cycle design） 网络化、数字化全生命周期设计网络化、数字化全生命周期设计 （（life cycle designlife cycle design）） 主要功能主要功能：： )) 3P3P分析分析 –– Productivity Productivity 生产率分析生产率分析 –– ProducibilityProducibility 可制造性可制造性 –– Predictability Predictability 可预测性可预测性 ((组织、性能与寿命组织、性能与寿命)) )) 3E3E分析分析 –– Energy Energy 能源分析能源分析 –– Environment Environment 环境分析环境分析 –– Economy Economy 经济分析经济分析 提 纲提提 纲纲 前前 言言 一、装备制造业面临的挑战一、装备制造业面临的挑战 二、信息化是提升装备制造业的重二、信息化是提升装备制造业的重 要途径要途径 三、数字化设计三、数字化设计 四、数字化制造四、数字化制造 五、结束语五、结束语 四、数字化制造四、数字化制造四、数字化制造 ))基于知识的数字基于知识的数字 化化加工制造加工制造技术技术 ))基于模拟仿真的基于模拟仿真的 数字化数字化成形制造成形制造 技术技术 ))智能化控制智能化控制技术技术 1-基于知识的数字化加工制造技术11--基于知识的数字化加工制造技术基于知识的数字化加工制造技术 通畅实时的 生产数据 通畅实时的 生产数据 经营决策准确化经营决策准确化 企业结构扁平化企业结构扁平化 制造周期短缩化制造周期短缩化 高度共享的 运营信息 高度共享的 运营信息 运营系统柔性 的大幅度提高 企业运行效率 的大幅度提高 运营系统柔性运营系统柔性 的大幅度提高的大幅度提高 企业运行效率企业运行效率 的大幅度提高的大幅度提高 数字化制造数字化制造数字化制造 TimeTime（交货期），（交货期），QualityQuality（质量）（质量） CostCost（成本），（成本），ServiceService（服务）（服务） 提高企业核心竞争力提高企业核心竞争力 数字化制造给企业带来的效益数字化制造给企业带来的效益数字化制造给企业带来的效益 数字化加工制造数字化加工制造数字化加工制造 11、数字化加工设备（机械、数字化加工设备（机械 加工工厂）加工工厂） 22、数字化生产管理、数字化生产管理 （（Cyber Production Cyber Production CenterCenter）） 33、数字化测量（装配工、数字化测量（装配工 厂）厂） 44、数字化物流管理系统、数字化物流管理系统 （（MRPMRP、自动仓储系统）、自动仓储系统） 55、数字化钣金加工、数字化钣金加工 66、数字化设计（、数字化设计（CADCAD，， CAMCAM）） 77、数字化产品数据管理、数字化产品数据管理 （PDM ） 2-基于模拟仿真的数字化成形制造技术22--基于模拟仿真的数字化成形制造技术基于模拟仿真的数字化成形制造技术 阀体铸件充型凝固模拟及缺陷预测阀体铸件充型凝固模拟及缺陷预测阀体铸件充型凝固模拟及缺陷预测 基于模拟仿真的数字化成形制造技术基于模拟仿真的数字化成形制造技术基于模拟仿真的数字化成形制造技术 三峡叶片及马钢连轧机机架铸钢件三峡叶片及马钢连轧机机架铸钢件三峡叶片及马钢连轧机机架铸钢件 数字化设计与制造集成数字化设计与制造集成数字化设计与制造集成 MultiMulti--scale modeling and simulation (property & microstructure scale modeling and simulation (property & microstructure prediction) will be the core technology of Digital Manufacturingprediction) will be the core technology of Digital Manufacturing From: Imperial College of EngineeringFrom: Imperial College of Engineering 数字化成形制造技术发展趋势数字化成形制造技术发展趋势数字化成形制造技术发展趋势 多尺度、多学科、高精度、高效率建模与仿真多尺度、多学科、高精度、高效率建模与仿真 从原子到发动机从原子到发动机 单晶体燃气轮机叶片定向凝固 数字化铸造 单晶体燃气轮机叶片定向凝固单晶体燃气轮机叶片定向凝固 数字化铸造数字化铸造 v=7.0mm/minvv=7.0mm/min=7.0mm/minv=4.5mm/minvv=4.5mm/min=4.5mm/min 3-数字化制造与控制33--数字化制造与控制数字化制造与控制 ))基于智能化控制的基于智能化控制的 生产过程将有效并生产过程将有效并 合理的利用先进工合理的利用先进工 艺 及 资 源 ， 因 而艺 及 资 源 ， 因 而 100%100%的确保产品质的确保产品质 量及性能。量及性能。 ))整个生产过程实施整个生产过程实施 测量及在线自动控测量及在线自动控 制，制，100%100%保证质量保证质量 及产品可靠性。及产品可靠性。 制造单元(传感器及执行元件制造单元制造单元((传感器及执行元件传感器及执行元件 数字化制造与智能化控制数字化制造与智能化控制数字化制造与智能化控制 半固态成形制造单元半固态成形制造单元半固态成形制造单元 制造厂生产线制造厂生产线制造厂生产线 整个生产过程实施测量及在线自动控制， 100%保证质量及产品可靠性。 整个生产过程实施测量及在线自动控制，整个生产过程实施测量及在线自动控制， 100%100%保证质量及产品可靠性。保证质量及产品可靠性。 四、结束语四、结束语四、结束语 ))我国装备制造业的突出矛盾是自主创新能我国装备制造业的突出矛盾是自主创新能 力不强，核心制造技术薄弱。力不强，核心制造技术薄弱。 ))要以重大工程为依托，掌握核心制造技术要以重大工程为依托，掌握核心制造技术 ，增强自主创新能力，提高装备制造业核，增强自主创新能力，提高装备制造业核 心竞争能力。心竞争能力。 ))振兴及提升装备制造业的主要途径：一是振兴及提升装备制造业的主要途径：一是 用高新技术与先进制造技术相互融合，发用高新技术与先进制造技术相互融合，发 展高技术含量装备制造业；二是广泛采用展高技术含量装备制造业；二是广泛采用 信息化技术。信息化技术。 ))数字化设计与制造是装备制造业信息化的数字化设计与制造是装备制造业信息化的 重点。重点。 谢谢!谢谢谢谢!! 数字化设计制造 与振兴装备制造业 数字化设计制造数字化设计制造 与振兴装备制造业与振兴装备制造业 柳百成柳百成: : liubc@tsinghua.edu.cnliubc@tsinghua.edu.cn 数字化设计制造与振兴装备制造业 提 纲 前 言装备制造业的作用与地位 前 言中长期科学和技术发展规划 提 纲 一、装备制造业面临经济全球化挑战 一、装备制造业的主要问题 差距之一：自主技术创新能力不强 差距之二：核心制造技术基础薄弱-1 差距之二：核心制造技术基础薄弱-2 差距之二：核心制造技术基础薄弱-3 掌握核心技术、提高竞争能力 提 纲 二、信息化是振兴及提升装备制造业的重要途径 1-高新技术与先进制造技术相互融合 2-用信息新技术提升装备制造业 数字化设计与制造是装备制造业信息化的重点 数字化、智能化设计制造 提 纲 三、数字化设计 网络化、协同化、开放式产品创新设计技术与平台 三、数字化设计 网络化、数字化全生命周期设计（life cycle design） 提 纲 四、数字化制造 1-基于知识的数字化加工制造技术 数字化加工制造 基于模拟仿真的数字化成形制造技术 数字化设计与制造集成 数字化成形制造技术发展趋势 单晶体燃气轮机叶片定向凝固数字化铸造 3-数字化制造与控制 数字化制造与智能化控制 四、结束语