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分析:数字制造与设计创新机构在美国发展情况

2015年1月,该机构发布首批7个智能制造方面的技术开发项目,涉及先进制造企业、智能机器、先进分析以及赛博物理系统安全这4个技术领域。

2012年3月,作为“振兴制造业”战略的重要一环,美国政府宣布启动“国家制造创新网络”计划,该计划由先进制造国家项目办公室协同国防部、能源部、航空航天局、商务部以及国家科学基金等联邦政府部门共同负责实施,以公私合营的方式,建设15~45家“制造创新机构”,形成覆盖全美的制造创新网络。

2014年2月25日,第2家创新机构“数字制造与设计创新机构”(DMDII)由国防部牵头组建成立,负责管理该机构的是位于底特律的UI实验室。该机构主要研究数字化数据在产品全寿命周期中的交换以及在供应链网络间的流动,推进数字化、智能化制造。该机构目前拥有80多家成员,包括波音、洛克希德?马丁、通用电气、罗尔斯?罗伊斯、西门子、微软等企业、政府机构、院校、研究所和商业组织。


数字制造与设计创新机构中的顶级和高级工业界与学术界成员

数字设计与制造创新机构是美国国家制造创新网络的组成部分,工业界成员除了军工制造业,还包括机械制造业、流程制造业、软件业的诸多巨头与中小创新企业。在国防部航空航天项目和大型工业企业已经全面实施数字化设计与制造的情况,创新的方向必然是全寿命周期和全价值链数字化以及智能化。因此,该机构的研究方向和相关项目将是对美国国防部以及工业界智能制造发展思路的直观反映。

四大技术领域推进全数字化与智能化

2014年9月,数字设计与制造创新机构提出了该机构关注的4大技术领域:先进制造企业、智能机器、先进分析和赛博物理系统安全,并且给出了前三个领域的当前研究重点。在今后5年内,该机构将陆续获得联邦政府投入的7000万美元资金,以及各成员配比的2.5亿美元“成本公担”资金,支持这4个领域中关键技术开发与转化。迄今已发布其中3个领域的重点:

(1)先进制造企业

关注基于模型的企业(MBE)数据与基础结构。当前目标是建立基于最新的基于模型的定义(MBD)和技术数据包(TDP)标准,开发全标注的三维模型;利用诸如基于协同技术的云计算等创新的解决方案,演示并验证这些三维模型在供应商之间的可靠转换,并且将MBE要求与车间能力进行连接,演示并验证供应链的集成。

(2)智能机器

关注用于外形自适应加工的即插即用工具集。当前目标是开发“即插即用”的软硬件工具集,让新旧生产机床和机器人设备在一个外形自适应加工的模式下操作,也就是具备实时原位状态感知、自适应刀具路径修改以及加工结果虚拟测量的能力。

(3)先进分析

关注集成测量的设计与制造综合模型。研究目标是通过先进计算模型、预测和测量工具的使用,对制造工艺和零件性能进行预先评估,降低产品成本并加速推向市场。这些模型和工具将融入更大的产品全寿命周期与全价值链的“数字线”,实现更快、更精确的设计与生产决策。


全寿命周期与全价值链“数字线”

这些技术领域都是全数字化与智能制造的研究范畴,在美国通用电气(GE)公司提出的“工业互联网”中,智能机器和先进分析就是实现所谓智能制造的三个核心元素中的两个。可以想见,数字设计与制造创新机构将在基于模型的设计方法学、虚拟制造工具和传感器以及基于机器人的制造网络的开发等智能制造方面引领创新。此外,该机构还将与国防高级研究计划局(DARPA)的“自适应运载器制造”项目相结合,将智能特征明显的研究成果转化到武器装备研制生产中,大幅缩短其研制过程,系统优化其生产流程。

发布首批7个项目透露2015年发展重点

2015年1月21日,美国数字制造与设计创新机构发布了首批7个项目的招标书。2月25日-26日,该机构还将组织研讨会,详细阐述项目技术要求,并鼓励大中小企业组队竞标。

这7个项目几乎都是围绕“智能制造”展开的,该机构的技术咨询委员会认为这些研究的成果将能够迅速转化为工业应用,大幅优化生产流程和工厂运行,促使美国制造发生变革。这些项目包括:

(1)工厂赛博安全基础设施评估。开发评估制造企业赛博安全弱点的工具,为保护工厂数据提供支持。

(2)智能工厂能见度和实时优化。验证工厂运行的实时可视化技术,以及基于实时反馈的工厂控制。即打造全面数字化的智能工厂,利用数字信息优化生产和工厂运行,降低运行成本并减少能源消耗。

(3)智能机床通信标准。开发制造生产设备使用的数字语言,以及智能机床与工人之间的数据交换方式,形成一系列标准。

(4)工厂增强现实和可穿戴计算。开发制造中使用的可穿戴计算技术(例如数字眼镜)、移动计算技术和先进的数据可视化技术,让制造工人以新方式捕获数字信息,与其他人进行高效协作。

(5)使用数字线的系统设计。为产品设计人员提供全寿命周期的和全价值链的数字工具,帮助他们更快、更低成本地实现产品设计、验证和制造。

(6)面向赛博物理制造的运行系统。面向分布在不同位置的从底层硬件到企业层的制造生产设备,开发优化资源配置的运行技术。

(7)虚拟指导下的认证。开发先进技术、建模仿真和数据分析技术,预测新材料、新设计和新制造工艺的性能,减少产品和工艺创新的成本、认证周期和风险。

这些项目共将得到2500万美元的资金,其中数字制造与设计创新机构代表联邦政府出资1250万,工业界和学术界组成的胜出团队以1:1的“成本共担”比例自筹1250万。招标结果将于2015年7月-8月公布,项目预计持续12-24个月,最终目标是将技术成果迅速转化到工业界。

数字制造与设计创新机构执行主任、通用动力战术系统公司前副总裁Dean Bartles表示:“智能制造已经开始变革美国企业生产产品的方式,数字制造和设计技术是智能制造的基础和中枢。这些项目专为促进智能工厂的持续创新,以及向下一次工业革命演进而设立。机构的成员正在绘制美国智能制造的蓝图,我们邀请美国企业积极参与项目竞标。”

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2015年即将建成的协同设计与制造工作环境示意图

美国政府还于2014年12月启动了国家制造创新网络中第8个创新机构即“智能制造创新机构”的竞标,该机构将由能源部牵头组织建设。能源部给智能制造下了一个崭新的定义:智能制造是先进传感、仪器、监测、控制和过程优化的技术和实践的组合,它们将信息和通信技术与制造环境融合在一起,实现工厂和企业中能量、生产率和成本的实时管理。我认为,已经在智能美国理念下推进智能制造多年的美国智能制造领导力联盟将极有可能胜出。届时,两个机构将分别从基础和关键技术方面以及技术集成和资源平台建设方面,多方发力,有机互补,共同助力美国智能制造的发展与美国工业的变革。


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