数字化设计与制造技术的研究现状

数字化设计与制造技术的研究现状

摘要：数字化设计与制造在先进制造技术、医疗康复器械与生物工程等众多相关领域中占有越来越重要的地位。从20世纪50年代数控机床的出现开始，经过了单元制造技术、集成制造技术和网络化制造技术的发展过程，数字化制造技术得到了迅猛的发展。本文在大量阅读相关文献的基础上，对数字化技术进行了介绍, 综述了国内外数字化制造技术的研究现状, 论述了数字化制造技术是先进制造技术的核心, 对数字化制造技术的几个核心技术进行了较为详细的介绍, 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；国内外研究现状；制造技术；计算机辅助工业设计。

正文：1. 数字化制造技术的概念

所谓数字化制造，指的是在虚拟现实、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型制造，进而快速生产出达到用户要求性能的产品的整个制造过程。也就是说，数字制造实际上就是在对制造过程进行数字化的描述中建立数字空间，并在其中完成产品制造的过程[1]。

由于计算机的发展以及计算机图形学与机械设计技术的结合，产生了以数据库为核心，以交互图形系统为手段，以工程分析计算为主体的一体化计算机辅助设计（ C A D ） 系统。

C A D系统能够在二维与三维的空间精确地描述物体，大大地提高了生产过程中描述产品的能力和效率。正如数控技术与数控机床一样，C A D的产生和发展，为制造业产品的设计过程数字化和自动化打下了基础。将C A D的产品设计信息转换为产品的制造、工艺规则等信息，使加工机械按照预定的工序组合和排序，选择刀具、夹具、量具，确定切削用量，并计算每个工序的机动时间和辅助时间，这就是计算机辅助工艺规划（C A P P）。将包括制造、检测、装配等方面的所有规划，以及面向产品设计、制造、工艺、管理、成本核算等所有信息的数字化，转换为能被计算机所理解并被制造过程的全阶段所共享，从而形成所谓的C A D/C A M/C A P P，这就是基于产品设计的数字制造观。

从数字制造的要领出发，可以清楚地看到，数字制造是计算机数字技术、网络信息技术与制造技术不断融合、发展和应用的结果，也是制造企业、制造系统和生产系统不断实现数字化的必然。对制造设备而言，其控制参数均为数字信号。对制造企业而言，各种信息（包

括图形、数据，甚至知识和技能） 均以数字的形式通过数字网络在企业内部传递。对全球制造业而言，用户通过数字网络发布需求信息，各大中小型企业则通过数字网络，根据需求优势互补、动态组合，迅速敏捷地协同设计制造出相应的产品。在数字制造环境下，在广域内形成了一个由数字织成的网，个人、企业、车间、设备、经销商和市场成为网上的一个个结点，由产品在设计、制造、销售过程中所赋予的数字信息成为主宰制造业最活跃的驱动因素。当前，网络制造是数字制造的全球化实现，虚拟制造是数字工厂和数字产品的一种具体体现，而电子商务制造是数字制造的一种动态联盟。所以，数字化制造是在计算机和网络技术与制造技术的不断融合、发展和广泛应用的基础上诞生的，其内涵是：以C A D/C A M/C A E 为主体的技术，以M R P I、M I S、P D M为主体的制造信息支持系统和数字控制制造技术。

2. 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50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、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”的数控系统已由NC 、CNC 时代进入了PC —NC 和NET —NC 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。

3. 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）. 利用基于网络的CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM（C4P ）集成技术，实现产品全数字化设计与制造。

在CAD/CAM应用过程中，利用产品数据管理PDM 技术实现并行工程，可以极大地提高产品开发的效率和质量。企业通过PDM 可以进行产品功能配置，利用系列件、标准件、借用件、外购件以减少重复设计。在PDM 环境下进行产品设计和制造，通过CAD/CAE/CAPP/CAM等模块的集成，实现产品无图纸设计和全数字化制造。

（2）．CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM技术与企业资源计划、供应链管理、客户关系管理相结合，形成制造企业信息化的总体构架。

CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM技术主要用于实现产品的设计、工艺和制造过程及其管理的数字化；企业资源计划ERP 是以实现企业产、供、销、人、财、物的管理为目标；供应链管理SCM 用于实现企业内部与上游企业之间的物流管理；客户关系管理CRM 可以帮助企业建立、挖掘和改善与客户之间的关系。上述技术的集成，可以整合企业的管理，建立从企业的供应决策到企业内部技术、工艺、制造和管理部门，再到用户之间的信息集成，实现企业与外界的信息流、物流和资金流的顺畅传递，从而有效地提高企业的市场反应速度和产品开发速度，确保企业在竞争中取得优势。

（3）．虚拟设计、虚拟制造、虚拟企业、动态企业联盟、敏捷制造、网络制造以及制造全球化，将成为数字化设计与制造技术发展的重要方向。

虚拟设计、虚拟制造技术以计算机支持的仿真技术为前提，形成虚拟的环境、虚拟设计与制造过程、虚拟的产品、虚拟的企业，从而大大缩短产品开发周期，提高产品设计开发的一次成功率。特别是网络技术的高速发展，企业通过国际互联网、局域网和内部网，组建动态联盟企业，进行异地设计、异地制造，然后在最接近用户的生产基地制造成产品。

（4）．以提高对市场快速反应能力为目标的制造技术将得到超速发展和应用。

瞬息万变的市场促使交货期成为竞争力诸多因素中的首要因素。为此，许多与此有关的新观念、新技术在21世纪将得到迅速的发展和应用。其中有代表性的是：并行工程技术、模块化设计技术、快速原型成形技术、快速资源重组技术、大规模远程定制技术、客户化生产方式等。

（5）．是制造工艺、设备和工厂的柔性可重构性将成为企业装备的显著特点。

先进的制造工艺、智能化软件和柔性的自动化设备、柔性的发展战略构成未来企业竞争的软、硬件资源；个性化需求和不确定的市场环境，要求克服设备资源沉淀造成的成本升高风险，制造资源的柔性和可重构性将成为21世纪企业装备的显著特点。将数字化技术用于制造过程，可大大提高制造过程的柔性和加工过程的集成性，从而提高产品生产过程的质量和效率，增强工业产品的市场竞争力。

现代产品开发设计要求有效地组织多学科的产品开发队伍，充分利用各种计算机辅助技术和工具并充分考虑产品设计开发的全过程，从而缩短产品开发周期，降低成本，提高产品质量，生产出满足用户需要的产品。

结语：

0世纪中叶以来，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，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。

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