机电一体化控制技术与系统

机电一体化控制技术与系统

第一题：分析工业2.0、工业3.0、工业4.0的主要技术特征

答：工业1.0是机械制造时代，即18世纪引入的机械设备制造时代；时间大

概是18世纪60年代至19世纪中期。通过水力和蒸汽机实现了工厂机械化。这次工业革命的结果是机械生产代替了手工劳动，经济社会从以农业、手工业为基础转型到以工业、机械制造带动经济发展的新模式。

工业2.0是电气化与自动化时代，即20世纪初的电气化与自动化时代，时间大概是19世纪后半期至20世纪初。也就是在劳动分工基础上采用电力驱动产品的大规模生产；因为有了电力，所以才进入了由 继电器、电气自动化控制 机械设备生产的年代。这次的工业革命，通过零部件生产与产品装配的成功分离，开创了产品批量生产的高效新模式。

工业3.0是电子信息化时代，即20世纪70年代开始并一直延续至现在的信息化时代。在升级工业2.0的基础上，广泛应用电子与信息技术，使制造过程自动化控制程度再进一步大幅度提高。生产效率、良品率、分工合作、机械设备寿命都得到了前所未有的提高。在此阶段，工厂大量采用由 PC、PLC/单片机等真正电子、信息技术自动化控制的机械设备进行生产。自此，机器能够逐步替代人类作业，不仅接管了相当比例的“体力劳动”，还接管了一些“脑力劳动”。

工业4.0 概念是德国政府 2013 年 《高技术战略 2020》 确定的十大未来项目之一，并已上升为国家战略，旨在支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新。\工业4.0\是实体物理世界与虚拟网络世界融合的时代。美国早在若干年前就已提出\工业4.0\的概念。未来 10 年，基于信息物理系

(Cyber-PhysicalSystem，CPS) 的智能化，将使人类步入以智能制造为主导的 \第四次工业革命\。PLM (产品全生命周期)、全制造流程数字化以及基于信息通信技术的模块集成，将形成一种高度灵活、个性化、数字化的产品与服务新生产模式。链接 \虚拟\和 \实体\两个世界，将虚拟世界里的关系透明化正是 \工业4.0\时代需要做的。未来产品 (譬如：机床、飞机、汽车等) 都应会有实与虚的价值接合。德国提出的 \工业4.0\和美国的 CPS，核心要义都是制造业

基于 \数据分析\的转型。因此，\工业4.0\也应具备灵活、高效、柔性化特点。近几年开始流行的 \云计算 大数据\及 \人工智能\ 刚好弥补了 \工业4.0\之前在技术方面缺失的环节。当然，传统制造业要想进行 \数据分析\，其 \软硬件\也要进行升级，而占工作量 80% 的 \软件\部分则必须先升级，从而再促进 \硬件\的转型升级。这里所说的泛 \软件\，并不是指某一或某些类型的 \应用\，譬如：采用 \扁平化\企业管理架构、引入 \物联网\理念，把之前的 \工具属性\应用加入一些 \自动化 (或智能)\特性，把不太灵活且成本高昂的 \或 PLM)\系统换成更灵活-智能的 \智能数字化平台\、产品 \设计-研发\环节引入 \低成本-可动画-可 VR-可 AR-可定制\的仿真数字模型、企业网络营销引入基于 \大数据 AI\的电子商务理念等。

附图1

工业4.0发展主要体现为以下几个方面。其一，全方位互联。西门子、博世与蒂森克虏伯三大企业的研究人员表示，工业4.0的核心是万物互联。无论是机器设备、生产线、产品，还是工厂、供应商、用户，都将被一个庞大的智能网络连接成一体。这个智能网络由五个部分组成：无处不在的传感器、嵌入式终端系统、智能控制系统、通信设施、CPS。在智能网络的覆盖下，不同的产品与生产设备，甚至是整个“数字世界”与“物理世界”都能互联成一体。人与机器都可以通过智能网络来保持数字信息的持续交流。

其二，全方位集成。“工业4.0”是信息化产业与工业化产业融会贯通的产物。“集成”也因此成为德国“工业4.0”战略的关键词。前述的由CPS控制的智能网络，可以实现人与人、人与机器、机器与机器、服务与服务四个层次的全方位互联。如此一来，整个工业生产就完成了纵向、横向、端对端三个层次的高度集成。纵向集成主要指企业内部物流、信息流、资金流、各个部门、各个生产环节、产品生命全周期的集成。企业内部所有因素的无缝连接，是一切智能化转型的基础。横向集成主要指不同的企业借助工业4.0这一价值链及物联网所完成的全方位资源整合。通俗地说，就是企业与其他企业能够做到全方位无缝合作。例如，实时提供各种产品与服务，联合进行研产供销，从产品研发、生产制造到经营管理，整个流程都实现综合集成。总之，各个企业在工业4.0时代需要信息共享与业务协同。从某种意义上说，“端到端的集成”是德国专家率先提出的一个新概念。但是社会各界对这个概念的理解有差异。所谓“端到端”，指的是产业链各环节价值体系的重构。“端到端的集成”是围绕产品全生命周期的价值链而展开的。通过工业4.0整合价值链上各个不同企业的资源，如创造集成供应商、制造商、分销商，并让各自的客户信息流、物流和资金流在价值链中集成为一体。

其三，精准的实时大数据分析。德国不同行业对工业4.0的理解各异。比如，有的人认为工业4.0时代的核心是数据。提出这个观点的是德国机械设备制造业协会与全球第二大云公司——德国SAP公司的专家。在SAP高级副总裁柯曼看来，企业对实时大数据的精准好比汽车的前挡风玻璃。在第四次工业革命中，呈爆炸式增长的数据对于整个工业体系的价值远远超过之前三个时代的传统工业生产体系。CPS的推广与各种智能终端、智能传感器的普及，会源源不断地产生数据。这些渗透到整个产业链与产品全生命周期的海量数据，正是第四次工业革命的基石。其四，层出不穷的创新。从本质上说，第四次工业革命的转型过程，正是制造业全面创新升级的发展过程。制造工艺、产品研发、商业模式、产业形态、组织形式等领域的创新，将会变得层出不穷。

其五，全方位、全纵深的转型。德国几个行业协会与西门子、博世、蒂森克虏伯等知名企业，在学术探讨中指出，推动制造业服务化转型是第四次工业革命的核心理念。随着工业4.0时代的到来，物联网与服务网络将全面渗透到工业体

系的各个角落，将传统的生存方式转变为具有个性化、智能化色彩的产品及服务的生产模式。传统的大规模定制将让位于多元化的个性化定制。企业此前采用的是生产型制造模式，但在工业4.0时代将逐渐转型为服务型制造模式。而依赖廉价劳动力与资金投入的传统要素驱动模式，将被创新驱动的发展模式所取代。云计算、物联网等新信息技术，为传统的制造业带来崭新的产业链协同开放创新模式，以及用户参与式创新。整个社会的创新激情，将被工业4.0彻底激活。

第二题：分析中国最先进的数控机床与国际最先进的数控机床各自的技术水平与特点 答：2.1 国内先进数控机床近几年发展

我国的数控机床无论从产品种类、技术水平、质量和产量上都取得了很大的发展，在一些关键技术方面也取得了重大突破。据统计，目前我国可供市场的数控机床有1500种，几乎覆盖了整个金属切削机床的品种类别和主要的锻压机械。这标志着国内数控机床已进入快速发展的时期。

近年来我国机床行业不断承担为国家重点工程和国防军工建设提供高水平数控设备的任务。如国产XNZD2415型数控龙门混联机床充分吸取并联机床的配置灵活与多样性和传统机床加工范围大的优点，通过两自由度平行四边形并联机构形成基础龙门，在并联平台上附加两自由度串联结构的A、C轴摆角铣头，配以工作台的纵向移动，可完成五自由度的运动。该构型为国际首创。基于RT一Linux开发的数控系统具有的实时性和可靠性，能在同一网络中与多台PLC相连接，可控制机床的五轴联动，实现人机对话。该机床的作业空间4.5mx1.6mx1.2m，A轴转角±1050,C轴连续转角0一4000，主轴转速(无级)最高10000r/min，重复定位精度±0.01mm，可实现三维立体曲面如水轮机叶片，导叶的五轴联动高速切削加工。

超精密球的加面车床为陀螺仪工提供了基础设备，这类车床也可用于透镜模具、照相机塑料镜片、条型码阅读设备、激光加工机光路系统用聚焦反射镜等产品的加工。

高速五轴龙门铣床采用铣头内油雾润滑冷却、横梁预应力反变形控制等技术。这类铣床可用于航空、航天、造船、水泵叶片、高档模具等的加工。

目前我国已经可以供应网络化、集成化、柔性化的数控机床。同时，我国也已进入世界高速数控机床和高精度精密数控机床生产国的行列。目前我国已经研制成功一批主轴转速在8000—10000r/min以上的数控机床。我国数控机床行业近年来大力推广应用CAD等技术，很多企业已开始和计划实施应用ERP、MRPII和电子商务。

据国内数控专家介绍，随着电子信息技术的发展。世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程，而我国从上个世纪80年代开始起步，仍处于发展阶段。

业内人士指出，“十五”期间，我国机床行业发展迅猛的主要原因是市场需求旺盛。固定资产投资增速快，汽车和机械制造行业发展迅猛，外商投资企业增长速度加快所致。

与机床迅猛发展的现状相比，作为机床“心脏部件”的数控系统，2005年销量虽然超过3万台，但处于低档的经济型数控系统占据较大比重。业内专家不无忧虑地表示，国产数控系统近几年虽有很大发展，但仍无法阻止进口数控系统垄断的局面。从2002年起，我国就步入世界最大的机床消国同和最大进口国，仅以2004年为例，我国机床消费量占世界机床产值的20%。2005年消费量仍在增长。在我国机床消费额中，进口机床占据了半壁江山，其中绝太多数是数控机床。

长期以来，国产数控机床始终处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。究其原因，国内本土数控机床企业大多处于“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了5-10年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了10-15年。同时我国在应用技术及技术集成方面的能力也还比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。同时，我国的数控机床产业目前还缺少完善的技术培训、服务网络等支撑体系，市场营销能力和经营管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少，制约了数控机床产业的发展。

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