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1、论数字化制造的发展现状与发展趋势综述摘 要从20世纪50年代数控机床的出现、单元制造技术、集成制造技术到网络化制造技术，数字化制造技术经历了迅猛的发展。本文在大量阅读相关文献的基础上，从数字化制造技术的基本概念入手，介绍了数字化制造的关键技术和核心技术，并分析数字化制造技术的发展现状、展望其未来发展趋势，最后概括总结了数字化制造经历的深刻变化与发展。关键词：数字化制造；发展；现状；趋势1 引言当今世界已经进入了数字化时代，数字化技术在生产、生活、经济、社会、科技、文化、教育和国防等各个领域不断扩大应用并取得显著成效。数字化技术与各种专业技术相融合形成了各种数字化专业技术，如数字化制造技术、数字
2、化设计技术、数字化测量技术、数字化视听技术等。数字化制造技术是一项融合数字化技术和制造技术、以制造工程科学为理论基础的重大制造技术革新1，并在虚拟现实、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，根据用户的需求，迅速收集资源信息，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全过程。它是制造技术、计算机技术、网络技术与管理科学的交叉、融合、发展与应用的结果，也是制造企业、制造系统与生产过程、生产系统不断实现数字化的必然趋势。2 数字化制造的关键技术和核心技术在数字化制造技术的发展过程中，有着其
3、一系列的关键技术和核心技术。2.1 关键技术1）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知识，并为实验所验证。目前，仿真与建模已成为推进制造过程设计、优化和控制的有效手段。2）网络化敏捷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。网络化敏捷设计与制造重点发展领域应包括：敏捷信息基础结构，敏捷产品设计技术，敏捷工艺设计技术。基于网络的研究开发，敏捷生产技术2。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、管理的改变。2.2 核心技术1）
4、计算机辅助工业设计(CAID)。CAID(Computer Aided Industrial Design)是指以计算机技术为辅助手段进行产品的艺术化工业设计，主要是指对批量生产的工业产品的材料、外型、色彩、结构、表面加工等方面的设计工作。CAID的一般过程有市场调查、产品概念草图设计、彩色效果图设计、三维效果图设计、三维造型设计、产品零件图和技术要求说明等。所用到的主要工具包括：Alias、CorelDraw、3DMAX、ProCDRS等。2）计算机辅助设计与制造(CADCAM)。CAD(Computer Aided Design)与CAM（Computer Aided Process Pl
5、anning）已密不可分，在许多领域尤其是模具业，由于其单件或小批量加工的特点采用CADCAM技术进行生产的优势非常明显。CADCAM主要是指采用先进的计算机软硬件手段进行产品三维造型、结构设计、装配仿真、加工仿真、数控加工编程等，其中产品的三维造型是基础，从CAD三维模型到数控加工程序的生成通常不需人工干预，可由CAM软件自动产生。3）有限元分析（CAE）CAE(Computer Aided Engineering)通常指有限元分析和机构的运动学及动力学分析，用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能，以及优化结构性能等。有限元分析可完成力学分析(线性、非线性、静态、动态)；场分析(热
6、场、电场、磁场等)；频率响应和结构优化等。机构分析能完成机构内零部件的位移、速度、加速度和力的计算，机构的运动模拟及机构参数的优化。4）计算机辅助工艺规程（CAPP）CAPP（Computer Aided Process Planning）是指借助于计算机软硬件技术和支撑环境，利用计算机进行数值计算、逻辑判断和推理等的功能来制定零件机械加工工艺过程3。借助于CAPP系统，可以解决手工工艺设计效率低、一致性差、质量不稳定、不易达到优化等问题。CAPP的开发、研制是从60年代末开始的，在制造自动化领域，CAPP的发展是最迟的部分。世界上最早研究CAPP的国家是挪威，始于1969年，并于1969年正
7、式推出世界上第一个CAPP系统AUTOPROS；1973年正式推出商品化的AUTOPROS系统。5）产品数据管理（PDM）PDM（Product Data Management）是一门用来管理所有与产品相关信息(包括零件信息、配置、文档、CAD文件、结构、权限信息等)和所有与产品相关过程(包括过程定义和管理)的技术。PDM是从管理CAD/CAM系统的高度上诞生的先进的计算机管理系统软件。它管理的是产品整个生命周期内的全部数据。工程技术人员根据市场需求设计的产品图纸和编写的工艺文档仅仅是产品数据中的一部分。PDM系统除了要管理上述数据外，还要对相关的市场需求、分析、设计与制造过程中的全部更改历程
8、、用户使用说明及售后服务等数据进行统一有效的管理。6）企业资源计划系统（ERP）ERP（Product Data Management）是指建立在信息技术基础上，对企业的所有资源（物流、资金流、信息流、人力资源）进行整合集成管理，采用信息化手段实现企业供销链管理，从而达到对供应链上的每一环节实现科学管理。ERP系统集中信息技术与先进的管理思想于一身，成为现代企业的运行模式，反映时代对企业合理调配资源，最大化地创造社会财富的要求，成为企业在信息时代生存、发展的基石4。在企业中，一般的管理主要包括三方面的内容：生产控制（计划、制造）、物流管理（分销、采购、库存管理）和财务管理（会计核算、财务管理）
9、。7）逆向工程（RE）RE（Reverse Engineering）也称反求工程，是指将实物模型数据化成设计、概念模型，并在此基础上对产品进行分析、修改及优化等技术，它研究实物CAD模型的重建和最终产品的制造。RE对实物作快速测量，并反求为可被3D软件接受的数据模型，快速创建数字化模型（CAD）,进而对样品进而作修改和详细设计，达到快速开发新产品的目的，属于数字化测量领域。8）快速成型（RP）RP（Rapid Prototyping）技术是90年代发展起来的，被认为是近年来制造技术领域的一次重大突破，其对制造业的影响可与数控技术的出现相媲美。RP系统综合了机械工程、CAD、数控技术，激光技术及
10、材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想物化为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评价、修改及功能试验，有效地缩短了产品的研发周期。3 数字化制造技术的发展现状目前在工业技术先进国家，数字化制造技术已经成为提高企业和产品竞争力的重要手段5。特别是近30年来,数字化制造技术发展日益加快，在发达国家的大型企业中，已开始实现无图纸生产，全面使用CAD/CAM，实现100%数字化设计。数字化制造技术在数字化设计、数字化制造、数字化产品、信息传递与协作、数字化管理等方面都有不同程度的发展。总体来看，数字化制造技术的发展大致分为以下三个阶段。1）数字制造装备化20世纪5
11、0年代，数控机床的出现开辟了制造装备的新纪元5。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，其本质是用数字控制代替凸轮行程控制，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)。2）海量信息处理能力和加工精细化20世纪90年代，数字装备的一个重要的发展是对海量信息处理能力的提高6。在数字仿形技术的基础上，利用H794/937、EI、核磁共振等数字测量设备实现零件几何形状的数字化然后通过数据预处理、表面建模
12、、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是加工对象的尺度变化，由毫米、微米到纳米，陆续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研究已从单纯的制造过程的几何量(位移、多坐标联动位移、运动形状、微观形状等)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)以及知识、经验、信息等的数字描述。系统的形式化、数字化描述与处理成
13、为当前研究热点，包括海量信息处理，微纳识别和分辨率，物理过程仿真与分析(包括有限元方法、三角划分、复杂边界物理方程求解等)、网格计算以及物理本质的探索等。在20世纪90年代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，其应用逐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一定用武之地。在数字装备的研究方面应该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。3）虚拟制造阶段作为现代制造装备“灵魂”
14、的数控系统已由NC、CNC时代进入了PCNC和NETNC时代7。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、新方法集成于控制系统的基础平台，开发先进制造装备的支撑环境。数字化制造技术起源于美国，经过多年的发展，现已进入了基于产品数字样机的虚拟制造阶段，并形成了完备的应用体系。波音公司设计的777型大型客机是世界上首架以三维无纸化方式设计出的飞机，它的制造成功已经成为虚拟制造技术从理论研究转向实用化的一个里程碑。目前，美国、欧洲、日本等国在新产品研制中，均全面应用了以敏捷制造、精益制造和虚拟制造、复合高效加工、自适应控制为代表的先进制造技术，并大大缩短了产品
15、的制造周期。目前，虚拟制造技术已经用于产品的装配和加工过程仿真、产品维修性分析等；自适应控制技术在数控加工程序的优化已得到广泛应用。4 数字化制造技术的未来发展趋势随着计算机和网络技术的发展，使得基于多媒体计算机系统和通信网络的数字化制造技术为现代制造系统的并行作业、分布式运行、虚拟协作、远程操作与监视等提供了可能。数字化制造技术与产品的发展趋势如下：1）制造信息的数字化制造信息的数字化将实现CAD/CAPP/CAM/CAE的一体化，使产品向无图样制造方向发展，如产品CAD数据经过校核，直接传送给数控机床完成加工。2）网络化制造随着网络技术的发展，因特网为企业进行大规模定制生产中快速响应市场需
16、求和面临全球竞争提供了契机。利用因特网可以将分布在世界各地的、彼此孤立的资源有效地组织起来，信息、资金、材料、零部件、成员和工人（技术、知识能力、制造能力、投资能力等）已打破国家和地区的界限，在世界范围内实现高效的信息传递和资源共享，消除了地域对于信息传递的局限，灵捷地响应和适应客户多样化的消费需求，高质量地为全球顾客服务，获得规模经济，促进企业的发展。在大规模定制生产和经济全球化的推动下，数字化制造技术结合网络信息技术促使了网络化制造的形成和发展。网络化制造是，将网络为代表的信息技术用于产品设计、制造、管理、供销等产品全生命周期中的各个活动中，实现全生命周期中的信息、过程、业务集成与资源共享
17、，达到快速响应市场目的所涉及的一系列制造活动。将网络技术与制造技术相结合，快速形成虚拟网络企业联盟，充分利用社会资源，协作开展产品开发和设计、制造、销售、采购和管理等产品全生命周期的业务活动，以快速响应市场和用户需求，提高企业群体竞争力。3)数字化工厂随着数字化产品开发和数字化制造技术的延伸和发展，数字化工厂（Digital Factory）的概念也开始出现。数字化工厂是指通过对知识的有效管理来实现产品增值的一种生产活动8。数字化工厂的原料是有关产品及市场的信息，信息经过各种数字化处理后，转变为行动和决策的知识方案，其核心是从物质制造观转变为知识制造观。数字化工厂不是简单的虚拟产品和虚拟制造的
18、延伸，它更强调的是整个制造活动的有效控制与管理，及企业内外资源的合理应用与优化配置。从上述意义上讲，数字化工厂是数字化制造与数字化管理技术的集成，它涵盖了数字化产品建模、数字化加工、数字化装配、数字化生产准备、生产线仿真和重组以及虚拟企业等概念。从狭义讲，数字化工厂可理解为一座“虚拟工厂”9，即设计人员利用软件提供的仿真环境对产品及生产过程进行设计及优化，以加快产品从构思到投产的周期，减少失误、降低成本。从广义讲，数字化工厂是一座“网上工厂”，它打破了地域和时间限制，可实现异地协同制造，加快对市场的响应速度。但无论从狭义和广义的角度，资源的调度、仿真和重组是其具体的使能技术。5 总结20世纪中
19、叶以来，制造业在微电子、计算机、通信、网络、信息、自动化等科学技术的广泛渗透、应用和衍生的推动下发生了深刻的变化。数字技术极大地拓宽了制造活动的深度和广度，数字化制造技术也经历了从CAD/CAM等单元制造技术、集成制造技术迅猛发展到当前的网络化制造技术10。参数化、虚拟仿真、可视化、特征与实体建模等技术的广泛应用，大大增强了用于产品和过程定义的CAX系统的建模、工程分析、辅助制造、结构与运动仿真分析等功能，产品开发过程从面向单个零部件的应用发展到了整个产品乃至设计、制造、加工等全过程仿真，拟实产品开发、虚拟原型与拟实制造技术成为研究的新热点。CAD/CAM/CAPP系统的面向并行工程的集成，形
20、成了一种同时考虑产品设计目标和约束的面向制造、面向质量、面向环境等多方面而被称为DFC（Design For Manufacturing，Quality，Environment etc.）的系统性设计方法8，已超越了设计与制造系统之间简单的信息共享，使产品生命周期中的信息、业务、过程全面集成，实现产品生命周期全过程和多目标优化。面对全球化竞争，企业必须全面综合运用由网络信息、现代管理和先进制造等技术所形成的网络化制造，按照一定的协定同其他优势企业进行协作与联合，在全球范围内形成以产品为中心的“虚拟企业”，通过虚拟企业实现异地设计、异地制造以及优势资源互补与共享，以更快、更好、更省的方式响应市场
21、，从而提高联盟企业的整体竞争力。随着经济全球化和一体化的进程加速、环境问题的日益恶化、信息技术的发展及其在制造业中的广泛应用，数字化制造的内涵将不断丰富和发展，数字化制造呈现出全球化、绿色化、网络化、虚拟化和智能化的趋势。参考文献1 杨叔子，吴波.再论先进制造技术及其发展趋势J.机械工程学报，2006，42（1）:1-5.2 张曙.数字化制造机床工业的未来J.机电产品开发与创新，2005，18（3）:127-130.3 宁汝新，姚珺. 数字化技术推动制造科学的创新和变革J. 数字制造科学，2003，1（1_4）:52-60.4 李华，徐炜.数字化制造技术应用分析J.装备制造技术，2008（11
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