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2015/12/11
智能制造:摆脱装备“形似神不似”

  近年来美国、德国、英国、日本等世界发达国家纷纷实施了重振制造业为核心的“再工业化”战略,颁布了一系列以“智能制造”为主题的国家计划。为应对目前的国际制造业格局,我国于今年5月也颁布了“中国制造2025”制造强国战略,实施推行数字化、网络化、智能化制造等八大战略对策,推动中国制造业到2025年迈入制造强国行列。各国之所以如此重视智能制造,本质原因是智能制造是制造业发展的重要方向,它将给制造业带来颠覆性的变革。在“十三五”期间,智能制造行业要着重研制满足国家重大战略需要、智能化需求的制造装备,加大研究成果普及推广,支持制造装备行业的结构调整与技术升级。

我国基础制造装备智能化基本上未开展

  智能制造是制造技术与数字技术、智能技术及新一代信息技术的融合,基于新一代信息技术,贯穿设计、生产、管理、服务等制造活动各个环节,具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自执行等功能的先进制造过程、系统与模式。其特征主要表现为:对装备运行状态和环境的实时感知、处理和分析能力;根据装备运行状态变化的自主实时规划、控制和决策能力;对故障的自诊断自修复能力;对自身性能劣化的主动分析和维护能力;参与网络集成和网络协同的能力。


  从国内来看,数控装备制造企业刚开始重视智能机床的研发。我国基础制造装备生产规模居世界第一,但智能化基本上未开展。


  目前,我国初步掌握了工业机器人控制、设计技术,开始了初步应用,机器人的产业化还缺乏核心关键器件的支撑,如关节减速器、力矩电机及伺服系统、控制软件等。利用进口关键器件的组装产品价格高于进口产品,形成我国机器人产业发展的瓶颈。与国外机器人企业相比,我国工业机器人生产企业规模非常小,属于起步阶段,但随着劳动力成本的上涨和工人对操作环境改善的需求等市场利好的驱动下,巨大的市场潜力吸引世界著名机器人生产厂家在国内投资设厂,这对我国初生的机器人企业将是很大的压力。


  在3D打印装备及服务产业化方面,国内的高校和企业通过科研开发和设备产业化改变了该类设备早期依赖进口的局面,通过二十多年的应用技术研发与推广,在全国建立了50多个服务中心,设备用户遍布医疗、航空航天、汽车、军工、模具、电子电器、造船等行业。西安交通大学成立了国家快速制造工程研究中心,主要开展增材制造技术的技术转化,围绕光固化快速成形、激光选区烧结成形、陶瓷光固化成形、激光熔覆成形等工艺研究与装备开发,并围绕着产品快速开发、生物医疗、功能零件直接成形等几个方面开展应用转化。1994年在美国留学的宗贵升博士将美国的SLS技术引入中国,成立了北京隆源自动成形系统有限公司,专门生产基于SLS装备。目前,最大成形空间达0.7米×0.7米,整体性能与国外先进水平相当。北京航空航天大学和西北工业大学铂力特公司在激光近成形技术制造大型结构件方面进行了应用研究。例如,C919大型客机机头工程样机钛合金主风挡整体窗框的研制,并向中国商飞公司大飞机研制提供了大尺寸结构件。


  纵观智能制造的发展趋势,主要是由工业机器人的应用需求凸显、制造企业筹划“互联网+”运行模式和增材制造技术的作用与应用日益增强。

“十二五”期间国内装备企业缺乏“软”环节研发

  “高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项行动实施7年来,在航空航天、汽车、船舶、发电设备等领域取得了阶段性成果,相关重大战略装备和重点产品在实际应用中初见成效,部分技术指标达到国际先进水平,填补国内空白。如世界最大、龙门宽度10M的数控桥式龙门五轴联动车铣复合加工机床,世界上最大的回转直径Φ5M且承重500吨的超重型卧式镗车床,世界最大的8万吨模锻压力机等。此外,在总线、高速高精运动控制和插补、多轴联动等关键技术的研发中取得突破,并在行业内13家重点企业的高档数控机床上进行配套应用。一部分企业已投入精力到“数控”向“智能”过渡的研发阶段,沈阳机床集团在2011中国自主创新年会上被评为“中国智造”样板企业。秦川机床公司和西安交通大学合作采用了世界首创的“数字铲形轮展成加工理论”共同研发的大型数控圆锥齿轮磨齿机,达国际领先水平。济南二机床研发的压力机已在汽车覆盖件冲压方面成套组线,与福特汽车公司签订了6条用于美国本土新建工厂和2条用于福特在中国工厂的全自动快速冲压生产线订货合同。


  2010年国家颁布了《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》,智能制造装备是其中的5个发展专项之一,着重提高以传感器、智能仪器仪表、自动控制系统、工业机器人、精密传动装置、伺服控制机构为代表的体现感知、决策(控制)、执行三大功能的基础零部件自主创新能力和产业化能力,促进重大智能制造成套装备与关键智能测控部件的协同发展。该专项实施几年来,已陆续安排100多项课题,合同总金额达200亿元,中央预算资金补助达40亿元,涵盖智能成套装备、自动化生产线、数字化车间、智能装备的示范应用等内容。

  在工业机器人领域,哈工大研制完成国内首台165kg级点焊机器人,并成功应用于奇瑞汽车焊接车间。沈阳新松公司自行开发研制RD120-A型点焊机器人及II型电阻焊控制器,实现小红旗、世纪星2种轿车车身组焊线中车身前、后风窗和左、右车门点焊焊装工作交钥匙工程。哈尔滨博实自动化设备有限公司已经开发出负载100kg的搬运机器人。海尔机器人公司在直角坐标取料机械手产品开发方面已经进行了批量化生产。天津大学先后开Diamond、Delta-S和Cross-IV等具有自主知识产权且性能达到国际先进水平的2-4自由度高速搬运机器人3个系列新产品,在锂电池分选、医药软袋、果奶和塑性炸药10余条包装和搬运自动化生产线上得到成功应用。沈阳新松公司设计、制造的自动导引车、LGV产品达到国际一流水平。

  近年来我国在智能制造领域虽然取得了一定的成绩,但与欧美发达国家相比还存在很大的差距,主要表现在以下几个方面。

  第一,创新能力不足。行业整体技术水平与世界先进水平有较大的差距。创新投入不足,机床内使用的仪器仪表行业R&D投入占销售收入的比重仅为2.5%;国内仪器仪表行业创新人才队伍占从业人员的比重仅有5%,与工业发达国家的20%相比有较大差距。重大装备核心技术不掌握,自主品牌缺乏。

  第二,对外依存度高,产业基础薄弱,产业链不完善。高端的传感器、高端的精密仪表、机器人关节减速器、伺服电机、3D打印装备所需的激光器、扫描振镜等核心部件基本上都依赖于国外进口。此外一些工艺原材料性能差且品种有限,影响了装备的性能。

  第三,制造过程的工艺研究远远不够。与国外同类产品相比,国内的各类装备总有“形似神不似”的特点。即使是引进国外先进装备及生产线,由于工艺过程的认识程度不够,导致先进装备的使用效率远远不及国外。

  第四,缺乏自主开发的智能控制模块与软件。智能技术的核心总是体现在“软”环节中,由于国内的装备企业缺乏攻关“软”环节的研发队伍,因此难以提升制造过程的智能化程度。

目标形成需关键技术支撑

  “十三五”期间,智能制造行业要着重研制满足国家重大战略需要、智能化需求的制造装备,支持制造装备行业的结构调整与技术升级。积极形成具有自主知识产权的机器人产品,提升关键部件的生产能力,研发工业机器人自动化生产线、流程工业的核心工艺和成套装备,推动重点行业内的机器人应用示范。建立3D打印科研和产业化基地,研究3D打印的原创性、共性技术与标准,在飞机机身整体制造、航空发动机设计制造、个性化组织器官替代物制造、汽车快速研制4个具体应用领域实现突破。

  以上智能制造发展目标的实现需要一些关键技术的支撑:装备运行状态和环境的传感与识别技术、智能编程技术与智能工艺规划、智能数控系统与智能伺服驱动技术、性能预测和智能维护技术、网络环境下的智能生产线等核心技术。进一步提升智能装备实时感知、处理、分析运行状态和环境,自主规划、控制和决策的能力,完善装备的“智能化”、“知识化”功能,实现制造工艺的智能设计和实时规划,以及装备故障的自诊断、自修复,同时通过对物流、环境和能量流的信息、互联网和企业信息系统中的相关信息的智能感知,保证智能装备参与网络集成和网络协同的能力。

“十三五”需建立以用户需求为导向的科技资源与生产应用体系

  我国智能制造发展的“十三五”建议如下。

  首先,合理规划技术研究体系。在国家各类科技计划中,明确分工、相互支撑、系统安排。在各计划中成立相应咨询委员会,协商制定相应的技术路线图,分别围绕智能制造的关键共性技术、核心功能部件、控制模块及软件、整机及系统进行合理布局研究。

  其次,加快实行产学研协同的创新机制。集中国内在智能制造方面具有优势的高校及其国家重点实验室、国家工程研究中心和行业技术平台,依据研究特色与专长,形成各领域的智能制造研究技术平台。以国家骨干制造装备企业为主体形成产业发展体系,以若干应用企业为主体形成智能制造用户企业,建立以用户需求为导向的科研、制造和应用相结合的科技资源与生产应用体系,形成协同创新中心。

  第三,注重培养各类人才。优秀人才是智能制造业发展所面临的最大挑战,也是中国从制造业大国向强国发展艰难的症结所在。加强大学与骨干企业合作,基于智能制造发展要求,培养具有扎实基础理论、广泛国际视野和务实工程能力的高端人才。结合教育部卓越工程师培养计划、工程硕士与工程博士培养计划,实现产学研的深度合作,培养智能制造业的领军人才。

  第四,营造良好的产业发展环境。需建立并完善依托工程发展智能制造产业的机制,优先鼓励由用户企业和制造企业组成的产业联盟,从早期开始商业模式策划,共同开发重大智能装备。鼓励金融机构开展多种形式支持智能装备的技术研发、科技型企业的创办和发展、重点企业和名牌产品的形成。开展种子基金、天使基金、风险投资及企业培育等活动。积极落实首台(套)政策,为智能制造装备产业的应用推广提供有利条件。

(作者系中国工程院院士、西安交通大学教授)

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