百年清华

柳百成院士:数字化设计与制造是智能制造关键

2016-09-26 | 来源 新浪财经2016年9月24日 |

中国工程院院士,清华大学材料学院、机械工程学院教授柳百成中国工程院院士,清华大学材料学院、机械工程学院教授柳百成

由工业和信息化部、新华通讯社指导,新华社《财经国家周刊》、工信部国际技术合作中心、华制智能主办,中国企业改革与发展研究会联合主办的2016第二届“中国制造2025与工业4.0全球年会”在北京国家会议中心隆重召开。本次年会以“智能制造体系构建和实施路径”为主题。中国工程院院士,清华大学材料学院、机械工程学院教授柳百成表示,中国制造2025,是建设我们国家制造强国的纲领性文件。数字化设计与制造是智能制造的关键技术。

以下是实录:

柳百成:女士们、先生们,我今天比较聚焦一下,对智能制造总结一个基础环节。我的发言将围绕基于网络的数字化设计与制造展开。首先简单介绍一下智能制造的工程背景。第二,数字化设计与制造是智能制造关键技术。第三,介绍国外发展的情况。第四,讲一下我们国家在设计与制造研究进展。

大家知道早在2004年,我们国家在制定国家中长期规划的时候,我们工程院主持的战略研究,已经提出将数字化设计和智能化设计制造列入了国家的中长期规划。到2007年中国工程院启动了装备制造业自主创新战略研究、关键共性技术。到2013年中国工程院正式启动制造强国战略研究,提出数字化、网络化、智能化设计与制造。在这个基础上,2015年中国工程院开展了网络化设计制造、服务一体化战略研究。2015年国务院颁布了《中国制造2025》,提出智能制造为主攻方向。

下面我简单看一下,中国制造2025,是建设我们国家制造强国的纲领性文件。他吸取了美国德国的所长,又结合了中国的特点,聚焦在五大工程,创新体系工程、智能制造工程、绿色制造工程、工业强基工程、高端装备工程。其中把中国制造工程作为重要工程。在这个基础上我们得到由大变强,今天我们聚焦在智能制造工程。

第二,数字化设计与制造是智能制造的关键技术。智能制造是先进制造技术发展趋势,《中国制造2025》将以智能制造为突破口。智能制造过程是智能制造的重要组成。把它分成四维,大家可以看到,智能生产过程智能制造过程,是智能制造的重要组成部分。这里面把智能制造过程作为重要的部分。在这个基础上我做了简单的理解。智能产品、智能装备,大家谈到比较多的智能模式。我今天着重讲一下,智能制造的过程。而智能制造过程里面,数字化设计知道是基础,智能制造也是智能制造的关键技术基础。

这是美国公布的提出了五个关键。其中包括标准、安全。下面我举一些例子。波音777大家一直公认是数字化的典范,他缩短了研发的40%,更好更快地,更符合要求制造出创新的产品。那么从777发展到787,这里面有一个表达,他是这样讲,波音787是国际上最先进的科技。大家都知道,波音787其中一个主要的特点,复合材料用超热50%,但是这个图告诉我们,波音787还有第二个特点,就是大量广泛采用了数字化设计与制造。比波音777又进了一步,这里面提出来的,我跟大家举了个例子叫四个D。波音787的研发把数字化的设计制造走到了最高点。

下面我就讲一下国外发展的情况。在座来了很多德国的专家,德国的情况我不敢班门弄斧。去年我去美国考察,一直跟踪美国的智能制造。我下面着重讲一下美国的情况。美国很早就提出来把产品设计一体化,他提出一个口号叫一次产品开发成功。大家知道过去我们有个叫606,做了606次的实验做成。现在提出来了,有了信息化,有了数字化一次研发成功。他一次研发成功的观点在产品设计的时候,考虑到产品的制造。在产品的制造的同时,同时就是并行的。

下面我举几个例子。美国在2006年美国先进计划研究所简称叫DARPA,提出加快材料的研发周期。一般的一个材料研发成功到应用,比如航空飞机的起落架需要12年的时候。因此现在提出要加快,他提出个口号,在这个地方。就是用信息化技术、塑造技术把研发的技术缩短一半,研发成本缩短一半。这个地方很清楚,这是原来的研发12年,通过了加快了就改成了6年。下面我举一些例子。比如这是一个航空发动机的涡轮盘,涡轮盘它可以做到工艺的模型,组织的模型,最后到新的模型。下面我举个例子。我们国家刚刚成立了航空发动机公司,新华社专门做了报道,要提出一个新的航空发电机要几十年的时间,如何加快?用到数字化、网络化,最后到智能化。譬如航空发动机里面有两个关键零部件,按照原来的副部长讲的,叫一盘一片,一个是航空发动机的高温叶片,用了工艺模拟、到性能的预测,它的缩短周期。第二个离子就是它的涡轮盘,航空发动机的涡轮盘,它也工艺模拟、组织模拟、到性能模拟。

不仅是美国,那么英国罗—罗公司是欧洲的研究航空发动机的主要的公司。他早就提出来了,叫全流程建模与仿真技术,请大家注意,罗—罗公司和剑桥整个的联合,前期的工作由研究院进行。通过全流程的模拟产学研相结合,大大缩短了研发的周期。

下面我再简单介绍一下美国最近的进展,2011年6月,美国宣布起动先进制造伙伴关系计划。到了2013年,它启动了一个叫国家制造创新网络。NNMI,我刚看到材料,以为就是搞一个网络,实际上不是,它是由一批制造创新研究院组成,计划建15个,总的计划建45个。上个礼拜,美国政府又把国家制造创新网络用了一个更为鲜明,更简介让大家易懂名字。叫Manufactvring USA。制造业—美国。

下面请大家注意,美国2016年已经成功建了9所制造创新研究院,其中3所与智能制造有关。美国在发展先进制造,特别重视智能制造,智能制造不是唯一重视的。他已经建了三个。另外他刚刚宣布今年9月份,正在建立第10个工业机器人。他重点放在制造的工业的机器人上面。那么这上面请大家注意,美国制造创新研究院具有四大特点。第一就是非盈利机构,为大众小企业服务。第二,从事成果可以共享,而且组成了产学研的联盟。

我以今年6月份在洛杉矶刚刚建立的第9个创新研究院为例。它是由200多个企业、大学、研究院所组成创新联盟。而且它总部在洛杉矶,成立了4个分中心,遍布美国全国30几个州。它是一个国家层面的,为大众小企业服务,遍布全国45个分中心。这个创新研究院的重点聚焦先进的传感器。数字化的控制,包括航空,最后还包括一个平台。他的目的就是要从根本上降低研发成本,来提高美国先进制造业的效率。

我再举这个例子,美国成立的第三个研究所,它叫做数字化设计与制造研究所,这个研究所它的解读,它的研究任务就是要从设计与生产过程、测试过程一直到销售,整个的要把它连起来,全部的数据连学,这里面他讲了,就是它是叫数据要非常流畅的在每个阶段能够运行。它能够做到产品在最好的时间,最好的地方能够做得更好,做得更快,而且又非常的便宜。而且最后的口号就是更为有竞争性。那么这个研究所它的取名叫数字化设计与创新研究院,它有个宣传材料,这个宣传材料最后真正实施了整个的流程,全面的数字化和交换,也就是一般人把它可以叫做智能制造。

那么下面我再举几个例子,在创新研究中间,美国2005年研究波音767,一个风动实验做了100多次。现在研究787只要11次实验。下面第二个例子,美国通用电气,做航空发电机的,它用10000个处理器组成的高性能计算机,我们国家有很大的优势。他在商业上的运行,模拟和优化了发动机的喷嘴设计,大大提高发动机的效率,降低了成本。这个喷嘴的研发,它用大规模的模拟仿真,大大降低成本,减少了污染,降低了油耗等等。这是美国在设计制造研究方面取得的最新的进展。那么下面我还可以补充一下,每个通用电气公司在用数字化设计基础上面,马上连了生产制造,做高温的喷嘴,它用方法直接金属激光的方法DMLM方法。寿命提高了5倍。我下面的例子,这是它的喷嘴。下面这个图就是在做喷嘴的生产制造。那么这个因为它的批量并不是很大。因此这个产品每个通用电气公司把它作为一个生产,而不是一个原形开发,它已经成立了县,每年几千个喷嘴全部他来供应。

因为时间关系,简单我讲一下,我们国家在数字化设计与制造方面也有一定的基础。第一,我们国家包括工信部多次强调,工业化跟信息化深度融合,来促进推动制造业的发展。那么我举几个例子。第一个离子早在2000年,这是长江三峡的叶片,原来完全依靠进口。中国二重采用了国家自己研发的软件,这个叶片一次试制成功。新华社专门做了报告,打破了这个叶片垄断的技术。第二个技术,鞍山钢铁公司引进了美国的设备,由于经费有限,他的设备自己做。因此联合国内清华,我们一次试制成功,这是218吨的试钢件一次研发成功。同时在11个月内做了基架,为这个企业节省了1个亿。

大家知道航空发动机的关键零部件,我们正在和北京航空材料研究院,我们和黎明航空发动机集团,针对航空发动机叶片进行模拟仿真,原来的工艺,采用了新的工艺以后,就大大地提高了质量。两个颜色表示缺陷,我们做了新的工艺以后,提高了质量。这是航空发动机涡轮盘,也是航空发动机研究院清华联合做,为我们国家大飞机发动机的制式。

另外大家知道,我们国家大力发展清洁核电,核电一个关键是地下转制,它需要的钢钢锭大约500吨,这样的工艺必须一次成功。所以采用了模拟仿真技术。我们采用了模拟仿真技术,可以把缺陷消灭在虚拟的限制里面。最后提出优化工艺方案。

大家都讲到了数控机床,实际上数控机床以外,我们还可以做模拟仿真。它能够做到预测加工的尺寸精度。特别是它要预测加工以后,这个零件表面的残余,这个残余决定材料最后的寿命。所以现在要通过设计制造,不仅把零件做出来,而且要做到零件的尺寸进度以至于寿命。

另外可以告诉大家,2013年,为了迎接智能制造,工程院启动了网络化数字化设计—制造—服务一体化项目。在这个方面,他们做了初步了的成见。比如说航空工业,飞机从设计到首飞比传统周期缩短了一半。另外汽车工业信息的网络化数字化平台研发也取得了进展。下面有几个例子。第一数字化发动机,请大家注意,第一,数字化记忆。第二,它本身到数字化加工和生产,他提出数字化发动机的口号。这是东风汽车厂,他也是提出了商用车的平台,这个平台从商品规划、设计、实验到整个全流程的建模与仿真。

最后我讲个结束语。实施《中国制造2025》,智能制造是主攻方向。我还提醒一下,我们是五大工程,我们还要补短版,工信部也正在专门研究如何补短板。第二数字化设计与制造是智能制造过程关键共性技术。第三,基于科学或知识的建模与仿真是数字化设计与制造的基础。

美国的工业发达国家十分重视发展智能制造。我刚才讲了,他建10个研究院其中有4恩个就是智能制造。那么他的重点就是要建一个智能制造国家创新中心,为大中小企业提供共性技术服务和平台。我国在基于网络化的数字设计制造领域已经具有较好的技术基础。我们要充分认识到全面实施智能制造,仍然是任重而道远。去年我曾经听过西门子总裁做过的报告,他用了一句话,我们走在智能制造的道路上。谢谢大家!


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