工业4.0--从数字化制造到智能制造

数字化技术体系：产品表达数字化、制造装备数字化、 制造工艺数字化、制造系统数字化。
CAD:UG/Catia/PRO-E CAE:Nastran/Ansys PDM: Team-Center ERP: SAP、Enovia
影响产品性能
产品 数字化
影响制造效率
涉及装备与产品 的几何、力学行 为的耦合！ CAPP、DFX？
制动系统
悬架系统
数字化样机

几何模型 功能模型 (零部件, 子系统） 31 样机模型
3.关键技术--汽车数字化样机技术
数字化样机试验
3.关键技术--汽车数字化样机技术
数字化样机评审
底盘系统 发动机
制动系统
悬架系统
System-Level Design Review
系统级设计评审与决策
振—噪分析
实车制造
2.汽车数字化制造的技术体系
汽车数字化开发– 协同开发
集团1开发平台 汽车行业知识/数据库
集团2开发平台
动态联盟关系 动态联盟关系
设计中心
钢厂
研究院所
零部件企业
设备制造企业
3.关键技术--汽车数字化样机技术
功能
形状
匹配
3.关键技术--汽车数字化样机技术
数字化样机系统
底盘系统 发动机
制造资源、环境的数字化 经营、维修、使用数字化 管理决策过程的数字化
CAD/CAE/CAM CAPP/VA/DFX /加工过程仿真
NC/CNC/FMS /基于网络的制造
最 终 产 品
数字化制造的支撑技术：IGES STEP PDM MIS ERP
2.汽车数字化制造的技术体系
汽车数字化开发--FORD C3P（CAD/CAE/CAM/PDM）

最高印刷速度： 350米/分
1.数字化手段有效地提升了产品开发质量
汽车数字化开发
通用公司应用状况
开发周期（48月→24月→12月） 碰撞试验（100次→50次） 个性化定单→3小时 通过在线采购降低成本10％
产品概念设计
产品详细设计
2.产品数字化制造的技术体系
宏观制造过程 微观制造过程
-4-
欧美采取贸易保护反制
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。
2.美国对“中国制造”的忧虑
-5-
寻求技术跨越
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
v1 v2 v3
零件2
0.3
0.7
v1 v2 v3
0.6
0.9
v8
v9
0.6
0.7
v8
v9
偏差传递路径与传递率
2）车身装配偏差分析-应用案例
- 42 -
某车型前舱匹配面临多曲面交汇、多零件变形协调、 多偏差流积聚难题，代表整车装配水平。
A 间隙: ±0.5 区 面差: + 1.0 B 间隙: ±0.5 区 面差: + 0.5 C 间隙: ±0.5 区 面差: + 0.5
工业4.0：从数字化制造到 智能制造
上海交通大学
来新民教授
2015年6月3日
报告提纲
-1-
一、为什么要发展智能制造？
二、智能制造与工业 4.0 二、工业4.0与智能制造 三、数字化制造及其研究进展
四、智能制造技术及应用展望
1.“中国制造”改变着整个世界
-2-
改革开放30多年来， 科技进步在制造领域发挥 了重要作用，“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。
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。
3.德国制造业面临的压力
-6-
1
2
3
4
老龄化社会带来劳动力减少 资源匮乏，能效仍需提升
5
6
产业转移带来国内制造业空心化 发展中国家技术实力不断增强
经济全球化中，需要对市场做出快速响应 需要根据消费者需求，实现差异化、个性化的生产 保持制造业国际领先地位所需的标准化 制造业占据全国GDP的25%、出口总额的60%，影响极大
双 层 响 应 面 稳 健 优 化
1#
拉
0.2 0.25 深 筋 0.3 阻 力 0.35 系 0.65 数
0.7
压 压边
0.8 0.75 pa) P(M 强BH
0.8 压 边 0.75 压 强 BH P
(M
0.7
pa)
0.2
0.35 0.3 系数 0.25 阻力 深筋 1#拉
Min(wrinkle , wrnikle ) s.t. SM 3.72 SM 8%
控制执行 柔性化、自动化
装备自动控制 装备柔性操作
报告提纲
- 19 -
一、为什么要发展智能制造？
二、工业4.0与智能制造
三、数字化制造及其研究进展 四、智能制造技术及应用展望
1.数字化手段有效地提升了产品开发质量
飞机数字化开发（：9年→4.5年 成本降低：25％
压边力、拉伸 筋、润滑、冲 压方向 工艺参数波动
SM
安全裕度均值 μ SM (%)
SM
起皱和开裂等 质量指标与工 艺敏感参数的 映射关系 质量指标均值 和方差与工艺 控制参数的映 射关系
废品率（%）
屈服强度、硬 化指数、厚向 异性、延伸率
质量波动
3 2 1 0 2 3 4 5 6 7 8 9 （2000年）
一、工业4.0的意义
工业 2.0
1.工业革命发展历程
工业 3.0
2.数字化制造的特征
采用数学化仿真手段，对制造过程中制造装备、制 造系统以及产品性能进行定量描述，使工艺设计从基于 经验的试凑向基于科学推理转变。
铣削机床 镗拉机床
系生 统产 线 材料毛坯 实物产品
冲压机床
焊接装备
2.数字化制造的特征
全数控
数控织机，由原来3-4小时/毛衣，变为40分钟/毛衣，1个工人操作5-10台机器
1.数字化手段有效地提升了产品开发质量
数控印刷机械
机 械 长 轴 传 动
最高速度： 160米/分
电 子 长 轴 传 动

以电子虚拟轴作
为主导轴，机器 各单元分散驱动；

传动由智能化驱 动器高精度控制
的电子长轴；
三个区域成形相互制约，且材料与工艺参数波动，造成开裂起皱缺陷。
通过毛坯轮廓等参数稳健设计，降低三个敏感区域对四参数波动的敏感性，使批量 生产条件下侧围外板废品率控制在0.5%以内。
2）车身装配偏差分析-仿真模型
- 41 -
建立薄板多工位装配偏差流的状态空间方程，实现给 定工艺下层次化装配偏差流的定量分析
1.“中国制造”改变着整个世界
-3-
中国已经成为全球第二大经济体。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。
中国制造
日本制造 美国制造 德国制造
英国制造
1750 1800 1850 1900
1950
2000
2050
1.“中国制造”改变着整个世界
3.关键技术--车身制造数字化工艺
工艺动态调试与优化
零件成形
部件连接
整机装配
仿 真 分 析 与 评 价
薄 板 产 品 制 造 误 差
薄板成形工艺稳健 设计
单工位装配偏差精确 仿真
多工位偏差流系统 仿真
3.关键技术--车身制造数字化工艺
1）冲压成形工艺稳健设计-研究背景
材料波动 摩擦波动 压机波动
技术 工程师
技术支持
全球物流 专家 供应商 管理人员
采购管理 人员
环境预警
物流准备
高清视频、生 产信息、物流 信息等
装配现场 技术 支持 质量 管理 物流 支持 全球供应商工厂 ...... 采购 支持 环境信息 支持
生产、装配现场
1.数字化手段有效地提升了产品开发质量
数控纺织机械
手动式
半自动
1.工业革命发展历程
- 11 -
蒸汽机
普通机床
数控机床
智能机床
加工装备
机床
数控机床
+
电动机
+
电脑
+
智能控制
=
电气化
工业1.0：机械化 工业2.0：电气化
=
按编程操作 适应能力低
工业3.0：数字化
=
工艺优化 提升30%-3倍
工业4.0：智能化
1.工业革命发展历程
一、工业4.0的意义
工业 1.0
1.工业革命发展历程
1）冲压成形工艺稳健设计-成形仿真
某车副车架液压成形过程仿真
3.关键技术--车身制造数字化工艺
1）冲压成形工艺稳健设计-成形仿真
开口方管滚弯成形过程仿真
3.关键技术--车身制造数字化工艺
1）冲压成形工艺稳健设计-成形仿真
参 数 敏 度 分 析
4
材料参数波动
宝钢集团
6大类 46种因素
汽车企业
安全裕度标准差σ SM (%)
装配顺序{k}
„„
k=1
k=2
k=3
k=N
Vm 2 A 2Vm1 B 2V f ( 2 ) w 2
偏差传递矩阵A(2) 上 级 装 配 偏 差
A2 Vm(1) ( 2) ( 2)Vm(1)