數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造是智能制造的關(guān)鍵技術(shù)

本文和大家分享中國(guó)工程院院士，清華大學(xué)材料學(xué)院、機(jī)械工程學(xué)院教授柳百成的一次會(huì)議演講內(nèi)容，他指出：中國(guó)制造2025，是建設(shè)我們國(guó)家制造強(qiáng)國(guó)的綱領(lǐng)性文件。

以下為演講內(nèi)容：

女士們、先生們，我今天比較聚焦一下智能制造基礎(chǔ)環(huán)節(jié)-智能制造過(guò)程。將圍繞基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造展開(kāi)。

首先簡(jiǎn)單介紹一下智能制造工程背景。

第二，數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造是智能制造關(guān)鍵技術(shù)。

第三，介紹國(guó)外發(fā)展的情況。

第四，講一下我國(guó)在數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造研究進(jìn)展。

智能制造工程

大家知道早在2004年，我們國(guó)家在制定國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃的時(shí)候，中國(guó)工程院主持的戰(zhàn)略研究，已經(jīng)提出將數(shù)字化設(shè)計(jì)和智能化設(shè)計(jì)制造列入了國(guó)家的科技發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃。2007年，中國(guó)工程院?jiǎn)?dòng)了裝備制造業(yè)自主創(chuàng)新戰(zhàn)略研究，也將它列為關(guān)鍵共性技術(shù)。2013年，中國(guó)工程院正式啟動(dòng)制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略研究，提出數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化設(shè)計(jì)與制造。

在此基礎(chǔ)上，2015年中國(guó)工程院又開(kāi)展了網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)制造、服務(wù)一體化戰(zhàn)略研究。2015年，國(guó)務(wù)院正式頒布了《中國(guó)制造2025》，并提出智能制造為主攻方向。

《中國(guó)制造2025》，是建設(shè)我們國(guó)家制造強(qiáng)國(guó)的綱領(lǐng)性文件。文件吸取了美國(guó)、德國(guó)的所長(zhǎng)，又結(jié)合了中國(guó)的特點(diǎn)，聚焦在五大工程，創(chuàng)新體系工程、智能制造工程、綠色制造工程、工業(yè)強(qiáng)基工程、高端裝備工程。其中把智能制造工程作為主攻方向。在這個(gè)基礎(chǔ)上我們制造業(yè)將由大變強(qiáng)。今天我們聚焦在智能制造工程。

數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造是智能制造的關(guān)鍵技術(shù)

智能制造是先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，《中國(guó)制造2025》將以智能制造為突破口。大家可以從圖中看到，智能制造過(guò)程智能制造的重要組成部分。我個(gè)人的理解是包涵智能產(chǎn)品、智能裝備，智能制造及智能生產(chǎn)模式四個(gè)方面。我今天著重講一下智能制造過(guò)程，而數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造則是基礎(chǔ)，也是智能制造的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。

下面我舉一些例子。波音777大家一直公認(rèn)是數(shù)字化設(shè)計(jì)的典范，他縮短了研發(fā)周期的40%，更好、更快地，更符合要求制造出創(chuàng)新的產(chǎn)品。那么從777又發(fā)展到787，波音787是國(guó)際上最先進(jìn)的科技產(chǎn)品。大家都知道，波音787的一個(gè)主要特點(diǎn)，采用復(fù)合材料超過(guò)50%，但是，波音787還有第二個(gè)特點(diǎn)，就是大量廣泛采用了數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造，比波音777又進(jìn)了一步。

可以稱之為四個(gè)D，即數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化制造、數(shù)字化研發(fā)、數(shù)字化全生命周期，波音787的研發(fā)把數(shù)字化的設(shè)計(jì)與制造發(fā)展到了新的高度。

國(guó)外發(fā)展情況

在座來(lái)了很多德國(guó)的專家，德國(guó)的情況我不敢班門(mén)弄斧。去年我去美國(guó)考察，一直跟蹤美國(guó)的智能制造。因此，著重講一下美國(guó)的情況。

美國(guó)很早就提出產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造一體化，他們提出一個(gè)口號(hào)叫：“一次產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成功“。過(guò)去我們有個(gè)叫606的藥，做了606次實(shí)驗(yàn)才做成功?，F(xiàn)在有了信息化，有了數(shù)字化就有可能一次研發(fā)成功。一次研發(fā)成功的關(guān)鍵，是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時(shí)候，考慮到產(chǎn)品制造，同時(shí)并行進(jìn)行建模與仿真。

早在2006年，美國(guó)國(guó)防先進(jìn)計(jì)劃研究署（簡(jiǎn)稱DARPA），提出加快材料研發(fā)計(jì)劃。一個(gè)材料研發(fā)成功到應(yīng)用，如航空飛機(jī)的起落架需要12年時(shí)間。因此，提出要加快研發(fā)，就是用信息化技術(shù)，把研發(fā)的周期縮短一半，研發(fā)成本縮短一半。原來(lái)的研發(fā)要12年，通過(guò)執(zhí)行加快研發(fā)計(jì)劃就縮短為6年。比如，這是一個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤(pán)，可以做到工藝模型，組織模型，最后到性能模型。

我們國(guó)家剛剛成立了航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)公司，新華社專門(mén)做了報(bào)道，提出一個(gè)新的航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)要幾十年的時(shí)間。如何能夠加快？可以用數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，最后到智能化技術(shù)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)里面有兩個(gè)關(guān)鍵零部件，一個(gè)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫合金工作葉片，采用工藝模擬、到組織和性能預(yù)測(cè)，大大縮短研發(fā)周期。第二個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫合金渦輪盤(pán)，也從工藝模擬、組織模擬、到性能模擬進(jìn)行全過(guò)程建模與仿真。

不僅是美國(guó)，英國(guó)羅—羅公司是歐洲的航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司。他們?cè)缇吞岢觯喝鞒探Ｅc仿真技術(shù)。羅—羅公司和帝國(guó)理工、劍橋大學(xué)整個(gè)的聯(lián)合，前期的工作主要由院校進(jìn)行。通過(guò)全流程的模擬和產(chǎn)學(xué)研協(xié)同合作，大大縮短了渦輪盤(pán)等關(guān)鍵零部件研發(fā)的周期。

下面再簡(jiǎn)單介紹一下美國(guó)最新進(jìn)展，2011年6月，美國(guó)宣布啟動(dòng)先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃。2013年，又啟動(dòng)了國(guó)家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)（NNMI）。它是由一批制造創(chuàng)新研究院組成，第一批計(jì)劃建15所，總的計(jì)劃要建45所。9月12日，美國(guó)政府又把國(guó)家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)用了一個(gè)更為鮮明、更為明確，讓大家易懂名字，稱為“Manufacturing USA”（制造業(yè) - 美國(guó)）。

美國(guó)到2016年已經(jīng)成功建了9所制造創(chuàng)新研究院。美國(guó)特別重視智能制造，其中3所與智能制造直接有關(guān)。今年9月，美國(guó)剛剛宣布正在建立第10個(gè)“工業(yè)機(jī)器人”創(chuàng)新研究院。美國(guó)制造創(chuàng)新研究院具有四大特點(diǎn)，一是非盈利，為大中小企業(yè)服務(wù)，二是從事競(jìng)爭(zhēng)前共性技術(shù)研發(fā)，三是成果可以共享，四是組成了產(chǎn)學(xué)研的協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)盟。

以今年6月份在洛杉磯剛剛建立的第9所創(chuàng)新研究院為例。它是由200多個(gè)企業(yè)、大學(xué)、研究院所組成創(chuàng)新聯(lián)盟，總部在洛杉磯，成立了5個(gè)分中心，遍布美國(guó)全國(guó)30幾個(gè)州。這個(gè)創(chuàng)新研究院的重點(diǎn)聚焦先進(jìn)傳感器、數(shù)字化控制、數(shù)據(jù)處理、及共性技術(shù)平臺(tái)。目的就是要從根本上降低研發(fā)成本，來(lái)提高美國(guó)先進(jìn)制造業(yè)的效率。

我再舉個(gè)例子，美國(guó)成立的第三所“數(shù)字化制造與設(shè)計(jì)”創(chuàng)新研究院。這個(gè)研究院的研究任務(wù)就是要從設(shè)計(jì)-研制原型-生產(chǎn)過(guò)程-測(cè)試過(guò)程一直到銷售，全流程聯(lián)系起來(lái)，全部數(shù)據(jù)非常流暢的在每個(gè)階段能夠運(yùn)行。它做到產(chǎn)品在最好的時(shí)間，最好的地方，做得更好，更快，而且又非常便宜和更具有競(jìng)爭(zhēng)性。這個(gè)研究院雖然稱為數(shù)字化制造與設(shè)計(jì)創(chuàng)新研究院，但它有個(gè)宣傳材料。這個(gè)宣傳材料宣稱：如果真正實(shí)施了整個(gè)流程、全面的數(shù)字化數(shù)據(jù)交換和處理，也就是人們把它稱之為智能制造。

下面再舉幾個(gè)應(yīng)用實(shí)例。美國(guó)2005年研究波音767，風(fēng)動(dòng)實(shí)驗(yàn)做了77次多次?，F(xiàn)在研究787只要11次實(shí)驗(yàn)。第二個(gè)實(shí)例，美國(guó)通用電氣公司用10000個(gè)處理器組成的高性能計(jì)算機(jī)（HPC），模擬和優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴設(shè)計(jì)，大大提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，降低了成本，降低了油耗等等。這是美國(guó)在數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造研究方面取得的最新進(jìn)展。下面還可以補(bǔ)充一點(diǎn)，通用電氣公司在數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造基礎(chǔ)上，直接采用增材制造，生產(chǎn)高溫合金噴嘴。它采用“直接金屬激光熔化”技術(shù)，壽命提高了5倍。因?yàn)樗呐坎⒉皇呛艽?，通用電氣公司已?jīng)把它直接用做生產(chǎn)，而不僅僅是原型研發(fā)。

我國(guó)在數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造研究進(jìn)展

我國(guó)政府及工信部一再?gòu)?qiáng)調(diào)，工業(yè)化要和信息化深度融合，來(lái)促進(jìn)推動(dòng)制造業(yè)的發(fā)展。我國(guó)也已有進(jìn)展，具有較好基礎(chǔ)。

早在2000年，長(zhǎng)江三峽水輪機(jī)葉片，原來(lái)完全依靠進(jìn)口。中國(guó)二重集團(tuán)采用了國(guó)家自主研發(fā)的軟件，葉片一次試制成功。新華社專門(mén)做了報(bào)導(dǎo)，認(rèn)為打破了這個(gè)葉片被國(guó)外壟斷的制造技術(shù)。2002年，馬鞍山鋼鐵公司引進(jìn)了德國(guó)的全套連軋?jiān)O(shè)備，由于經(jīng)費(fèi)有限，部分設(shè)備要由國(guó)內(nèi)自己制造。他們聯(lián)合清華，對(duì)218噸的軋鋼機(jī)機(jī)架鑄鋼件工藝，采用數(shù)字化模擬和優(yōu)化技術(shù)，一次研發(fā)成功。同時(shí)，在10個(gè)月內(nèi)成功生產(chǎn)了18件機(jī)架鑄鋼件，為企業(yè)節(jié)省經(jīng)費(fèi)超過(guò)1億元。

大家知道航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件制造是關(guān)鍵核心技術(shù)，我們和北京航空材料研究院和黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)，針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)單晶葉片進(jìn)行模擬仿真研究，采用新的工藝以后，就可以提高質(zhì)量。我們對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金渦輪盤(pán)也在合作進(jìn)行建模與仿真研究。

我們國(guó)家要大力發(fā)展清潔核電，核電站需要的一個(gè)關(guān)鍵件-發(fā)電機(jī)組低壓轉(zhuǎn)子鍛件，重200多噸，它需要鋼錠約500-600噸。這樣的超大型鍛件和鋼錠必須一次試制成功。我們采用模擬仿真技術(shù)，可以把鋼錠偏析等缺陷消滅在虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）的計(jì)算機(jī)屏幕上。上海交通大學(xué)則對(duì)超大型鍛件及熱處理工藝進(jìn)行模擬仿真。這些研究對(duì)企業(yè)改善和提高鋼錠和鍛件質(zhì)量提供了重要技術(shù)支撐。

數(shù)控機(jī)床是重要基礎(chǔ)裝備，我們可以對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，能夠做到預(yù)測(cè)加工的尺寸精度，特別是加工后的表面殘余應(yīng)力。這個(gè)殘余應(yīng)力，決定零件的最后性能和使用壽命。所以，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)與制造，不僅要把零件做出來(lái)，而且要做到預(yù)測(cè)零件的組織、性能與壽命。

2013年，為了迎接智能制造，中國(guó)工程院?jiǎn)?dòng)了網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字化設(shè)計(jì)—制造—服務(wù)一體化戰(zhàn)略咨詢項(xiàng)目。我國(guó)在航空及汽車領(lǐng)域，已取得初步成效。航空工業(yè)研制飛機(jī)，從設(shè)計(jì)到首飛比傳統(tǒng)周期縮短了一半。汽車工業(yè)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化平臺(tái)研發(fā)也取得了進(jìn)展。中國(guó)一汽集團(tuán)的“數(shù)字化發(fā)動(dòng)機(jī)”研究與開(kāi)發(fā)，從數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化加工和生產(chǎn)、數(shù)字化檢測(cè)、到銷售，實(shí)現(xiàn)了全過(guò)程數(shù)字化。東風(fēng)汽車集團(tuán)也提出了商用車全過(guò)程數(shù)字化研發(fā)平臺(tái)，從商品規(guī)劃、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)到整個(gè)流程進(jìn)行的建模與仿真。

最后，我講結(jié)束語(yǔ)：

一是實(shí)施《中國(guó)制造2025》，智能制造是主攻方向。

二是數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造是智能制造過(guò)程關(guān)鍵共性技術(shù)。

三是基于科學(xué)或知識(shí)的建模與仿真是數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的基礎(chǔ)。

四是美國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家十分重視發(fā)展智能制造。美國(guó)建立的智能制造國(guó)家創(chuàng)新研究院，要為大中小企業(yè)提供共性技術(shù)服務(wù)和平臺(tái)。

五是我國(guó)在基于網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)字設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域已經(jīng)具有較好的技術(shù)基礎(chǔ)。

六是要充分認(rèn)識(shí)到全面實(shí)施智能制造，仍然是任重而道遠(yuǎn)。

去年我曾經(jīng)聽(tīng)過(guò)德國(guó)西門(mén)子公司總裁做的報(bào)告，他用了一句話，“我們走在工業(yè)4.0的路上”。謝謝大家！