德国工业4.0与数字化制造.docx

《智能化设计与制造技术》浅谈德国“工业4.0”与数字化制造技术班 级： ZY14076学 号： ZY1407612 姓 名： 孙 振 指导老师： 刘继红2015-1-207目 录第1章 德国“工业4.0” 11.1 国际制造业发展态势 11.2 德国“工业4.0”主要内容 11.2.1 “工业4.0”的概念直指新一轮工业革命 21.2.2 以CPS技术为基础塑造制造业核心竞争力 31.2.3 围绕CPS 技术创新和市场培育推动“工业4.0”战略 3第2章 数字化制造技术 52.1 数字化制造技术的概念 52.2 数字化制造技术的国内外探讨现状 52.3 数字化制造的关键技术 62.3.1 制造过程的建模与仿真 62.3.2 网络化灵敏设计与制造 72.3.3 虚拟产品开发 72.4 数字化制造的核心技术 72.4.1 将计算机协助工业设计（CAID） 72.4.2 计算机协助设计与制造(CAD/CAM) 72.4.3 快速成型 82.4.4 三坐标测量及计算机协助检测(CMM/CAI) 8第3章 工业4.0与数字化制造 93.1 信息技术转变制造方式 93.2 增加系统配套 9第4章 展望 11第1章 德国“工业4.0”1.1 国际制造业发展态势制造业的兴衰，印证的是大国的兴衰，没有强大的制造业，就不行能成为经济大国和强国。

金融危机爆发后，世界各国围绕制造业发展进行了新一轮的激烈竞争，在技术创新和产业升级引领下，先进制造业发展成为大国关注的焦点2010年8月，美国政府提出《制造业促进法案》，旨在复原美国制造的从前荣光，创建更多就业岗位，提振国家制造业总体竞争力2011年，又启动了《先进制造伙伴安排（AMP）》，期望通过政府、高校、企业的合作，创建有利环境，在国家平安、先进材料、工业机器人、制造工艺四大领域取得突破性进展2012年7月，提出制造业振兴的系统政策框架《总统美国制造业复兴安排》，包括三大类16项建议2009年和2010年，日本国际贸易委员会和日本通产省分别发布了《日本制造业竞争策略》和《日本制造业》专题报告，包括全面推动以制造为主的5个战略性新兴产业2011年又公布了以增加制造业国际竞争力为主要目的的《应对日元升值综合经济对策》2008年法国建立了国家主权基金——战略投资基金，旨在向制造部门融入创新资金2012年，为支持实体部门发展，法国政府宣布提高增值税，增加就业、征收金融交易税等多项措施，同时还斥资10亿欧元，特地面对实体经济绽开借贷业务作为老牌工业强国的德国当然不会坐以待毙，2013年4月德国于汉诺威国际博览会正式提出的“工业4.0”安排。

1.2 德国“工业4.0”主要内容对德国“工业4.0”的内容进行一个概括的话，可以总结为“一个愿景，双重战略，三大特征，八个优先”一个愿景”“工业4.0”对制造业的历史演进进行了总结与展望，认为目前正处于第三次工业革命向第四次工业革命过渡的时期（见图1所示）前三次革命分别起源于机械化、电力和信息技术革命，而将来则是虚拟网络—实体物理系统（Cyber Physical Systems，简称CPS）的革命因此，“工业4.0”对制造业的发展前景是“将来，企业将建立全球网络，把机器、仓储系统、生产设施融入到CPS中，使得它们之间能够相互独立地自动交换信息、触发动作、进行限制，这将从根本上改善包括制造、工程、材料运用、供应链和生命周期管理的一系列过程图1 四次工业革命 “工业4.0”的概念直指新一轮工业革命德国“工业4.0”战略，与国际金融危机之后发达国家纷纷提出的以重振制造业为核心的“再工业化”战略一脉相承再工业化并非简洁回来，而是以信息网络技术、数字化制造技术应用为重点，旨在依靠科技创新，抢占制造业新的制高点这股信息技术与制造技术深化融合的浪潮被认为是新一轮工业革命德国政府发布的《实施“工业4.0”战略建议书》坦言，已经拥有强大机械和装备制造业的德国工业，不仅面临中国等新兴国家的竞争威逼，美国等发达国家也在通过各种安排，促进先进制造业发展。

德国希望通过制定“工业4.0”战略，“确保德国制造的将来”德国认为，深度应用的信息通信技术，将推动实体物理世界和虚拟网络世界的融合，在制造领域形成资源、信息、物品和人相互关联的“信息物理融合系统（CPS）”，从总体上掌控从消费需求到生产制造的全部过程，由此实现高效生产管理这可视为继机械化、电气化和信息技术之后工业化的第四个阶段，即“工业4.0”1.2.2 以CPS技术为基础塑造制造业核心竞争力CPS 由智能机器、存储系统和生产设施三部分组成，是德国“工业4.0”的技术基础制造业通过CPS 可以整合制造和物流过程，实现数字化和基于信息技术的端对端集成，建立高度敏捷的特性化产品与服务生产模式，实现智能制造以CPS 为核心的智能制造可以从三个方面提升制造业竞争力一是能够推动实现更高的生产效率和制造敏捷性借助CPS技术和产品，生产模式从“集中型”转变为“分散智能型”，生产要素可以实时、高度敏捷配置，确保仅一次性生产且产量很低时的获利实力，确保工艺流程的敏捷性和资源利用率二是能够使客户与业务伙伴广泛参加到业务过程和价值创建过程，形成新的价值链基于CPS 的生产过程淡化了虚拟世界和物理世界的界限，使物联网与服务互联网一体化，催生新的应用和服务模式，传统的产业链分工被重组，客户和业务伙伴能够更干脆地参加到商业价值的创建过程之中，产生新的价值链模式。

三是能够实现自组织生产，促使人的角色发生转变CPS 能够独立自动交换信息、触发动作和限制，实现“产品驱动机械”的自组织生产，将人从操作性任务中解放出来，使之专注于创新设计、限制等高附加值的工作，保证德国制造业在高人力成本约束下仍旧具有强大的产业竞争力1.2.3 围绕CPS 技术创新和市场培育推动“工业4.0”战略德国“工业4.0”的发展路径特别清晰：一是主动推动CPS 技术探讨，成为CPS技术的全球领导性供应商；二是加快为CPS技术和产品培育新的市场，让CPS 成为全球先进制造业主流技术在技术探讨方面，按两大主题绽开：一是“智能工厂”，重点探讨智能化生产系统及过程限制技术，以及网络化分布式生产设施的实现二是“智能生产”模式，重点探讨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在项目实施方面，聚合官产学研，由政府出资，学术界和产业界共同推动，特殊强调中小企业既是智能化生产技术的运用者和受益者，也是先进工业生产技术的创建者和供应者为了协调创新进程，确保将来生产要素、技术和产业能够互联集成，德国电气电子和信息技术协会编纂了《“工业4.0”标准化路途图》作为规划基础在市场推广方面，德国政府重视借助西门子等超大型德国企业的技术和市场实力，在全球高调宣扬“工业4.0”理念和CPS技术，形成大企业投入资源开拓市场，带动中小企业跟进的良性循环。

图2 智能工厂的场景第2章 数字化制造技术2.1 数字化制造技术的概念所谓数字化制造，指的是在虚拟现实、计算机网络、快速原型、数据库和多媒体等支撑技术的支持下，依据用户的需求，快速收集资源信息，对产品信息、工艺信息和资源信息进行分析、规划和重组，实现对产品设计和功能的仿真以及原型制造，进而快速生产出达到用户要求性能的产品整个制造过程也就是说，数字制造事实上就是在对制造过程进行数字化的描述而建立数字空间，并在其中完成产品制造的过程从数字制造的要领动身，可以清晰地看到，数字制造是计算机数字技术、网络信息技术与制造技术不断融合、发展和应用的结果，也是制造企业、制造系统和生产系统不断实现数字化的必定对制造设备而言，其限制参数均为数字信号对制造企业而言，各种信息(包括图形、数据、甚至学问和技能)均以数字的形式通过数字网络在企业内部传递对全球制造业而言，用户通过数字网络发布需求信息，各大中小型企业则通过数字网络依据需求，优势互补，动态组合，快速灵敏地协同设计制造出相应的产品在数字制造环境下，在广域内形成了一个由数字织成的网，个人、企业、车间、设备、经销商和市场成为网上的一个个结点，由产品在设计、制造、销售过程中所给予的数字信息成为主宰制造业最活跃的驱动因素。

2.2 数字化制造技术的国内外探讨现状20世纪50年头，数控机床的出现开拓了制造装备的新纪元随着微型计算机的产生和发展，计算机数控的广泛应用，数控机床得到广泛应用和提高相继出现的数控三坐标测量机(CMM)、工业机器人和数控机床一起成为重要的数字化加工、测量和操作装备，其本质是用数字限制代替凸轮行程限制，实现运动数字化数控技术发展的趋势是提升各种装备性能甚至使其更新换代，即所谓的数字制造装备(简称数字装备)20世纪90年头，数字装备的一个重要的发展趋势是对海量信息处理实力的提高，在数字仿形技术的基础上，利用Laser scanner, CT、核磁共振等数字测量设备实现零件几何形态的数字化，然后通过数据预处理、表面建模、实体建模、后置处理等过程生成STL文件(或数控代码)，驱动快速成型机(或数控机床)加工出新零件伽马刀、电镜一视觉引导的机器人等数字医疗设备扩展了基于视觉的数字测量仪器的应用范围，实现了人体内腔器官的数字化数字装备的另一个重要的发展趋势是加工对象的尺度变更，由毫米、微米到纳米，接连出现了显微数字图像处理设备、电子制造装备等精密数字制造装备在技术方面，数字装备与数字制造的探讨已从单纯的制造过程的几何量(位移、多坐标联动位移、运动形态、微观形态等)的数字描述，发展到对制造过程的物理量(温度、流量场、应力场、热变形、密度、物质材料等)以及学问、阅历、信息等的数字描述。

另外，制造过程和制造系统的形式化、数字化描述与处理成为当前探讨热点，包括海量信息处理，微纳识别和辨别率，物理过程仿真与分析(包括有限元方法、三角划分、困难边界物理方程求解等)、网格计算以及物理本质的探究等在20世纪90年头中期，通过并联机构与数控技术的结合，产生了并联机床，又称虚拟轴机床，其应用渐渐扩展到虚拟轴坐标测量机、六维力传感器等精密测量平台设备但从目前的技术发展来看，并联机床还不能成为数控机床的主流产品，只在轻工、食品加工以及大型天文望远镜方面等具有肯定用武之地 在数字装备的探讨方面应当扩大范围，要大力发展以电子制造装备、大型医疗装备、精密科学仪器、精密数控装备等数字装备为代表的高技术产业所需装备目前，作为现代制造装备“灵魂”的数控系统已由NC,CNC时代进入了PC-NC和NET-NC时代，其主要目标都是开发具有智能化和柔性化的新一代开放式数控系统，将各种新工艺、新技术、新方法集成于限制系统的基础平台，开发先进制造装备的支撑环境2.3 数字化制造的关键技术 制造过程的建模与仿真制造过程的建模与仿真是在一台计算机上用解析或数值的方法表达或建模制造过程，建模通常基于制造工艺本身的物理和化学学问，并为试验所验证。

目前，仿真与建模已成为推动制造过程设计、优化和限制的有效手段2.3.2 网络化灵敏设计与制造利用快速发展的网络技术，改善企业对市场的响应力网络化灵敏设计与制造重点发展领域应包括:灵敏信息基础结构，灵敏产品设计技术，灵敏工艺设计技术，基于网络的探讨开发，灵敏生产技术2.3.3 虚拟产品开发虚拟产品开发有四个核心要素:数字化产品和过程模型、产品信息管理、高性能计算与通讯和组织、管理的变更2.4 数字化制造的核心技术2.4.1 将计算机协助工业设计（CAID）计算机协助工业设。