数字化设计与制造的现状和关键技术

数字化设计与制造的现状和关键技术

一、数字化设计与制造的发展现状

数字化设计与制造主要包括用于企业的计算机辅助设计（CAD）、制造（CAM）、工艺设计（CAPP）、工程分析（CAE）、产品数据管理（PDM）等内容。其数字化设计的内涵是支持企业的产品开发全过程、支持企业的产品创新设计、支持产品相关数据管理、支持企业产品开发流程的控制与优化等，归纳起来就是产品建模是基础，优化设计是主体，数控技术是工具，数据管理是核心。

由于通过CAM及其与CAD等集成技术与工具的研究，在产品加工方面逐渐得到解决，具体是制造状态与过程的数字化描述、非符号化制造知识的表述、制造信息的可靠获取与传递、制造信息的定量化、质量、分类与评价的确定以及生产过程的全面数字化控制等关键技术得到了解决，促使数字制造技术得以迅速发展。

作为制造业的一个分支，船舶行业要实现跨越式发展，必须以信息技术为基础。世界造船强国从CAX开始，逐步由实施CIMS、应用敏捷制造技术向组建“虚拟企业”方向发展，形成船舶产品开发、设计、建造、验收、使用、维护于一体的船舶产品全生命周期的数字化支持系统，实现船舶设计全数字化、船舶制造精益化和敏捷化、船舶管理精细化、船舶制造装备自动化和智能化、船舶制造企业虚拟化、从而大幅度提高生产效率和降低成本。所谓数字化设计就是运用虚拟现实、可视化仿真等技术，在计算机里先设计一条“完整的数字的船”。不仅可以点击鼠标进入船体内部参观一番，还可以在虚拟的大海中看它的速度、强度、抗风浪能力。这样一来船舶设计的各个阶段和船、机、舾、涂等多个专业模块在同一数据库中进行设计。

船舶是巨大而复杂的系统，由数以万计的零部件和数以千计的配套设备构成，包括数十个功能各异的子系统，通过船体平台组合成一个有机的整体。造船周期一般在10个月以上，既要加工制造大量的零部件，又要进行繁杂的逐级装配，涉及物资、经营、设计、计划、成本、制造、质量、安全等各个方面。这样的一个复杂的系统需要非常强大的信息处理能力。我国船舶行业今年来虽有很大的发展，但与国际造船强国相比，无论在产量，还是在造船技术上差距甚大，信息化水平落后是直接原因。其中，集成化设计系统与生产进程联系不紧密、船舶零部

件标准化程度低、信息采集手段落后、物资/物流管理系统信息部同步、生产日程计划安排手段落后、成本管理工作缺乏系统性、数字化应用未有效的促进体制和管理创新等问题的存在，导致了我国船舶行业参与国际竞争的综合能力不高。

先进制造技术发展的总趋势可归纳为：精密化、柔性化、虚拟化、网络化、智能化、敏捷化、清洁化、集成化及管理的创新。而数字化设计与制造技术是先进制造技术的的基础。随着计算机技术的不断提高，Internet网络技术的普及应用，以及用户的需求，CAD/CAM、CAE、PDM等技术本身也在发展，集成技术也在向前推进，其发展趋势主要有：

(1)单项技术向完善化发展。

(2)PDM与CAD/CAPP/CAE/CAM、MRPⅡ/ERP、OA的集成技术。

(3)产品协同商务CPC将迅速崛起。

(4)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、虚拟的制

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，提高一次成功率。

(5)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，从而提高工业生产过程的质量和效率，增强工业产品的市场竞争力；将数字化技术“融入”工业产品，可提高其性能，使之升级，以满足国民经济和人民生活日益增长的要求。

二、数字化设计与制造的关键技术

数字化设计技术利用数字化的产品建模、仿真、多学科综合优化、虚拟样机以及信息集成与过程集成等技术和方法，完成产品的概念设计、工程与结构分析、结构性能优化、工艺设计与数控编程。数字化设计可以实现机械装备的优化设计、提高开发决策能力、加速产品开发过程、缩短研制周期、降低研制成本。

数字化设计的关键技术包括全寿命周期数字化建模、基于知识的创新设计、多学科综合优化、并行工程、虚拟样机、异地协同设计等。

数字化制造技术是一种快速工装准备、工艺过程集成和优化制造技术，它利用数控机床、加工中心、测量设备、运输小车、立体仓库、多级分布式控制计算机等数字化装备，根据产品的工程技术信息、车间层加工指令，通过计算机调度与控制，完成零件加工、装配、物料存储与输送、自动检测与监控等制造活动。

数字化制造可以实现多品种、中小批量产品的柔性自动化制造，提高生产效率和产品质量、缩短生产周期、降低成本，以满足市场的快速响应需求。

数字化制造的关键技术包括快速工艺准备、复杂结构件高速切削加工、快速成形、柔性和可重构生产线以及制造执行系统等。