数字化制造技术国内外发展研究现状
文 | 吕琳
配图 | 来源互联网
1前言
伴随着信息时代的来临，全球进入了数字化时代。数字化时代是数字化技术在生产、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日益显著的效益时代。一系列数字概念如数字图书馆、数码城等与日俱增，同时促使制造业发生革命性的变革。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、数字化设计技术、数字化视听技术。其中数字化制造技术是一项融合数字化技术和制造技术，且以制造工程科学为理论基础的重大制造技术革新， 具有广阔的应用前景。
2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原型制造，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。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。
3数字化制造技术的国内外研究现状
纵观国内外先进制造技术的现状和发展，可以看出数字化制造实为先进制造技术的核心技术，是实施其他先进制造技术的平台。数字制造以其响应快、质量高、成本低和柔性好等特点，正成为推动21世纪制造业向前发展的主流。装备的数字化代表装备制造的发展方向， 它不仅增强了装备的功能和系统集成能力，而且显著地提高了系统的可操作性、可维护性，降低了装备运行和维护成本。随着数字技术的进步，制造系统、过程和产品的数字描述理论、方法及数字装备的发展，数字制造技术将逐渐成熟，其内涵还将不断地丰富和发展。
20世纪50年代，数控机床的出现开辟了制造装备的新纪元。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（C M M）、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。从机械结构和控制方式来看，数控机床、坐标测量机和工业机器人有其共同的特点：都可以看作是数控多坐标装备，运动副都是移动副和转动副，运动链以串联开环为主。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）”，如电子制造装备、科学仪器、生物医疗装备以及印刷、纺织等轻工机械。
20世纪90年代，数字装备的一个重要的发展趋势是对海量信息处理能力的提高，在数字仿形技术的基础上，利用Laser scanner、CT、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S T L文件（或数控代码），驱动快速成形机（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趋势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（包括光刻机、键合机、粘接机等）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。另外，制造过程和制造系统的形式化、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。自其1994年在美国芝加哥机床展上首次面世即被誉为是“21世纪的机床”，成为机床家族中最有生命力的新成员。其中清华大学是国内最早开始进行虚拟轴机床研究的单位之一，对虚拟轴机床以及多个相关领域进行了深入研究，并于1997年与天津大学合作，共同开发出我国第一台大型镗铣类虚拟轴机床原型样机—— VAM T 1 Y。在虚拟轴机床设计理论与样机制造等关键技术方面达到了国际先进水平， 其中部分理论成果属国际首创。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，不应局限于某一类装备的研究，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。目前， 作为现代制造装备“灵魂”的数控系统已由N C、C N C时代进入了P C－N C和N E T－N C 时代，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。数字制造是先进制造技术的核心，代表智能制造、网络制造、虚拟制造等先进制造技术的主流发展方向。
4数字化制造技术包括以下几个关键技术
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。仿真和建模最重要的工作是优化工艺参数，以此确保用最高的性价比来制造符合设计要求的零部件。
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。在这项技术上美国企业已经开始应用并取得了明显的效益。我国企业向国际接轨就必须在此领域开展研究，尽快掌握并赶上国外先进水平。
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和 敏捷生产技术。
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。
5数字化制造技术的核心技术
一般来讲，数字化制造技术主要包括产品的计算机辅助工业设计（CAID） 、计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）、快速成形（RP）、三坐标测量和计算机辅助检测、数控加工等几大核心。
1.计算机辅助工业设计（CAID）
计算机辅助工业设计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。工业设计的魅力所在就是创新、创新、再创新。只有不断地创新设计才会赢得广阔的市场和持续的高额利润。这些年来中国家电行业之所以发展到了世界各地，充分得益于工业设计的作用。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、Pro /CDRS等。
2.计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）
计算机辅助设计（CAD）在我国应用较早，早期主要是采用计算机绘图技术来替代原来的手工制图，至20世纪90年代二维设计逐渐被三维设计代替。计算机辅助制造（CAM）则发展较迟，这与数字化加工技术的发展密切相关。以数控加工中心及相关软件为核心的计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）在我国得到较快的发展。今天，计算机辅助设计与计算机辅助制造已密不可分，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CAD/CAM技术进行生产的优势非常明显。
CAD/CAM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。产品的三维造型设计通常有正向设计和逆向设计两种。正向设计是指通过工程师对待开发产品概念的理解来进行产品的设计，即由概念到图样或数字模型的过程。与产品的正向设计不同，逆向工程是从已有产品或实物模型出发，反求产品原始设计参数，并在此基础上进行产品的设计开发。逆向工程不仅可大大缩短产品的开发周期，降低产品开发成本，还可实现许多正向设计所无法解决的问题，如某些产品的外形非常特别，其数学模型非常难以界定，用逆向方法则可迎刃而解。正向设计讲究的是创意，通常开发周期较长；逆向设计则较快，可实现一般正向设计无法实现的产品设计，有时只是对成功产品的复 制， 开发成本一般较低。目前最常用的CAD/CAM设计工具有：UG、Pro/E、CATIA、Power－Shape/PowerMill 等。其中UG、Pro/E应用较普遍，而CATIA在航空、汽车工业领域的应用近年来呈上升趋势。对逆向设计而言，如果测量手段为简单的手工测量或通用三坐标测量机（CMM），所得数据较少（一般少于一万点） ， 可使用UG、Pro /E或CATIA进行处理并生成最终三线数模；如果采用的测量工具为激光扫描，因数据量非常大（一般有100万点以上） ， 需要大数据（点云）处理软件如CopyCAD、Geomagic、Surfacer等来对数据进行处理，其输出为可被通用CAD/CAM软件所接受的STL、IGES、DXF等。
3.快速成形
采用激光等技术将树酯、ABS、PC等材料按产品的三维造型（STL格式）进行快速烧结并成形。这种成形技术可以不必制造模具就做出完整的样机，不仅可大大加速新产品的开发进度，还可节约大量成本。
4.三坐标测量及计算机辅助检测（CMM/CAI）
产品设计可分正向设计和逆向设计，其中逆向设计最根本的就是对样件的三维测量或三维数字化。计算机辅助检测（CAI或CAV）是最近几年才广泛应用的，尤其是在欧美发达国家，三维扫描测量的一半以上的应用为产品的快速检测， 即比较产品与设计间的误差，从而找到改进产品制造工艺或设计方案的方法。除了传统的手工测量外， 常见的数字化方法包括三坐标测量机测量、光栅扫描以及最新的三维激光扫描等多种。三坐标测量的主要工具是三坐标测量机（CMM）， 是目前使用最广泛的高精度测量手段，主要有龙门式、立柱式、机器臂式等几种。
6未来发展展望
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就是一例。
2. 制造业向互联网辅助制造方向发展
通过局域网实现企业内部并行工程，通过因特网建立跨地区的虚拟企业，实现资源共享优化配置，使制造业向互联网辅助制造方向发展。
现在不少企业已在数字化网络电子商务方面迈出了可喜的四大步：
（1）转变（Transform） 企业核心的流程转变，以适应数字化企业和电子商务的要求。
（2）建立（Building） 在企业现有的数据及应用的基础上建立强大、易用和高度集中的电子商务应用。
（3）运用（Run） 创造一种具有可扩展性、可用性和安全性的数字化经营环境。
（4）利用（Leverage） 对已取得的数据进行深度分折，并转化为自身进一步持续发展的优势。可以预料，数字制造的各个子系统将会不断完善并进入实用阶段。
3. 将数字化技术注入传统产品，开发新产品
民生活需求都是社会发展的趋势。在我国利用适用先进制造技术改造传统制造业，重点应是扩大利用数字化制造技术改造传统制造业，继续大力开展数字化制造技术的研究开发。国家应在数字装备和数字制造的基础研究方面加大资助力度， 制定并实施“振兴装备制造业专项计划”，建立国家级的研究中心和工程中心；与数字地球、数字流域、数字城市等数字技术相适应， 大力发展和应用适合我国国情和国防建设的数字制造技术和精密、重大数字装备；特别重视人才队伍建设，大力培养一批具有创新意识、思维活跃、立足国内的从事数字制造基础研究的高科技人才；积极开展数字制造的国际交流和合作，尽快提高我国数字制造的研究水平， 实现我国制造业的跨跃式发展。伴随着网络化、信息化的飞速发展， 必将推动数字制造技术的快速发展和广泛应用，数字制造技术将日趋完善，数字制造系统将成为新一代制造系统的主流。
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