01
智能製造工程
大家知道早在2004年，我們國家在制定國家中長期科技發展規劃的時候，中國工程院主持的戰略研究，已經提出將數字化設計和智能化設計製造列入了國家的科技發展中長期規劃。2007年，中國工程院啟動了裝備製造業自主創新戰略研究，也將它列為關鍵共性技術。2013年，中國工程院正式啟動製造強國戰略研究，提出數字化、網絡化、智能化設計與製造。
在此基礎上，2015年中國工程院又開展了網絡化設計製造、服務一體化戰略研究。2015年，國務院正式頒佈了《中國製造2025》，並提出智能製造為主攻方向。
《中國製造2025》，是建設我們國家制造強國的綱領性文件。文件吸取了美國、德國的所長，又結合了中國的特點，聚焦在五大工程，創新體系工程、智能製造工程、綠色製造工程、工業強基工程、高端裝備工程。其中把智能製造工程作為主攻方向。在這個基礎上我們製造業將由大變強。今天我們聚焦在智能製造工程。
02
數字化設計與製造
是智能製造的關鍵技術
智能製造是先進製造技術發展趨勢，《中國製造2025》將以智能製造為突破口。大家可以從圖中看到，智能製造過程智能製造的重要組成部分。我個人的理解是包涵智能產品、智能裝備，智能製造及智能生產模式四個方面。我今天著重講一下智能製造過程，而數字化設計與製造則是基礎，也是智能製造的關鍵技術基礎。
下面我舉一些例子。波音777大家一直公認是數字化設計的典範，他縮短了研發週期的40%，更好、更快地，更符合要求製造出創新的產品。那麼從777又發展到787，波音787是國際上最先進的科技產品。大家都知道，波音787的一個主要特點，採用複合材料超過50%，但是，波音787還有第二個特點，就是大量廣泛採用了數字化設計與製造，比波音777又進了一步。
可以稱之為四個D，即數字化設計、數字化製造、數字化研發、數字化全生命週期，波音787的研發把數字化的設計與製造發展到了新的高度。
03
國外發展情況
在座來了很多德國的專家，德國的情況我不敢班門弄斧。去年我去美國考察，一直跟蹤美國的智能製造。因此，著重講一下美國的情況。
美國很早就提出產品設計與製造一體化，他們提出一個口號叫：“一次產品開發成功“。過去我們有個叫606的藥，做了606次實驗才做成功。現在有了信息化，有了數字化就有可能一次研發成功。一次研發成功的關鍵，是在產品設計的時候，考慮到產品製造，同時並行進行建模與仿真。
早在2006年，美國國防先進計劃研究署（簡稱DARPA），提出加快材料研發計劃。一個材料研發成功到應用，如航空飛機的起落架需要12年時間。因此，提出要加快研發，就是用信息化技術，把研發的週期縮短一半，研發成本縮短一半。原來的研發要12年，通過執行加快研發計劃就縮短為6年。比如，這是一個航空發動機的渦輪盤，可以做到工藝模型，組織模型，最後到性能模型。
我們國家剛剛成立了航空發動機集團公司，新華社專門做了報道，提出一個新的航空發動機研發要幾十年的時間。如何能夠加快？可以用數字化、網絡化，最後到智能化技術。航空發動機裡面有兩個關鍵零部件，一個是航空發動機的高溫合金工作葉片，採用工藝模擬、到組織和性能預測，大大縮短研發週期。第二個航空發動機的高溫合金渦輪盤，也從工藝模擬、組織模擬、到性能模擬進行全過程建模與仿真。
不僅是美國，英國羅—羅公司是歐洲的航空發動機公司。他們早就提出：全流程建模與仿真技術。羅—羅公司和帝國理工、劍橋大學整個的聯合，前期的工作主要由院校進行。通過全流程的模擬和產學研協同合作，大大縮短了渦輪盤等關鍵零部件研發的週期。
下面再簡單介紹一下美國最新進展，2011年6月，美國宣佈啟動先進製造夥伴計劃。2013年，又啟動了國家制造創新網絡（NNMI）。它是由一批製造創新研究院組成，第一批計劃建15所，總的計劃要建45所。9月12日，美國政府又把國家制造創新網絡用了一個更為鮮明、更為明確，讓大家易懂名字，稱為“Manufacturing USA”（製造業 - 美國）。
美國到2016年已經成功建了9所製造創新研究院。美國特別重視智能製造，其中3所與智能製造直接有關。今年9月，美國剛剛宣佈正在建立第10個“工業機器人”創新研究院。美國製造創新研究院具有四大特點，一是非盈利，為大中小企業服務，二是從事競爭前共性技術研發，三是成果可以共享，四是組成了產學研的協同創新聯盟。
以今年6月份在洛杉磯剛剛建立的第9所創新研究院為例。它是由200多個企業、大學、研究院所組成創新聯盟，總部在洛杉磯，成立了5個分中心，遍佈美國全國30幾個州。這個創新研究院的重點聚焦先進傳感器、數字化控制、數據處理、及共性技術平臺。目的就是要從根本上降低研發成本，來提高美國先進製造業的效率。
我再舉個例子，美國成立的第三所“數字化製造與設計”創新研究院。這個研究院的研究任務就是要從設計-研製原型-生產過程-測試過程一直到銷售，全流程聯繫起來，全部數據非常流暢的在每個階段能夠運行。它做到產品在最好的時間，最好的地方，做得更好，更快，而且又非常便宜和更具有競爭性。這個研究院雖然稱為數字化製造與設計創新研究院，但它有個宣傳材料。這個宣傳材料宣稱：如果真正實施了整個流程、全面的數字化數據交換和處理，也就是人們把它稱之為智能製造。
下面再舉幾個應用實例。美國2005年研究波音767，風動實驗做了77次多次。現在研究787只要11次實驗。第二個實例，美國通用電氣公司用10000個處理器組成的高性能計算機（HPC），模擬和優化了發動機的噴嘴設計，大大提高發動機的效率，降低了成本，降低了油耗等等。這是美國在數字化設計與製造研究方面取得的最新進展。下面還可以補充一點，通用電氣公司在數字化設計與製造基礎上，直接採用增材製造，生產高溫合金噴嘴。它採用“直接金屬激光熔化”技術，壽命提高了5倍。因為它的批量並不是很大，通用電氣公司已經把它直接用做生產，而不僅僅是原型研發。
04
我國在數字化設計與製造
研究進展
我國政府及工信部一再強調，工業化要和信息化深度融合，來促進推動製造業的發展。我國也已有進展，具有較好基礎。
早在2000年，長江三峽水輪機葉片，原來完全依靠進口。中國二重集團採用了國家自主研發的軟件，葉片一次試製成功。新華社專門做了報導，認為打破了這個葉片被國外壟斷的製造技術。2002年，馬鞍山鋼鐵公司引進了德國的全套連軋設備，由於經費有限，部分設備要由國內自己製造。他們聯合清華，對218噸的軋鋼機機架鑄鋼件工藝，採用數字化模擬和優化技術，一次研發成功。同時，在10個月內成功生產了18件機架鑄鋼件，為企業節省經費超過1億元。
大家知道航空發動機的關鍵零部件製造是關鍵核心技術，我們和北京航空材料研究院和黎明航空發動機集團，針對航空發動機單晶葉片進行模擬仿真研究，採用新的工藝以後，就可以提高質量。我們對航空發動機高溫合金渦輪盤也在合作進行建模與仿真研究。
我們國家要大力發展清潔核電，核電站需要的一個關鍵件-發電機組低壓轉子鍛件，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製成功。我們採用模擬仿真技術，可以把鋼錠偏析等缺陷消滅在虛擬現實（VR）的計算機屏幕上。上海交通大學則對超大型鍛件及熱處理工藝進行模擬仿真。這些研究對企業改善和提高鋼錠和鍛件質量提供了重要技術支撐。
數控機床是重要基礎裝備，我們可以對加工過程進行模擬仿真，能夠做到預測加工的尺寸精度，特別是加工後的表面殘餘應力。這個殘餘應力，決定零件的最後性能和使用壽命。所以，現在的設計與製造，不僅要把零件做出來，而且要做到預測零件的組織、性能與壽命。
2013年，為了迎接智能製造，中國工程院啟動了網絡化數字化設計—製造—服務一體化戰略諮詢項目。我國在航空及汽車領域，已取得初步成效。航空工業研製飛機，從設計到首飛比傳統週期縮短了一半。汽車工業網絡化、數字化平臺研發也取得了進展。中國一汽集團的“數字化發動機”研究與開發，從數字化設計、數字化加工和生產、數字化檢測、到銷售，實現了全過程數字化。東風汽車集團也提出了商用車全過程數字化研發平臺，從商品規劃、設計、實驗、生產到整個流程進行的建模與仿真。
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