数字化制造技术的发展状况分析1

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。

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

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。下图1为从制造技术理解数字化制造的内涵[2]。

2数字化制造技术的意义和作用

可精确地预测和评价产品的可制造性、加工时间、制造周期、生产成本、零件的加工质量、产品质量和制造系统运行性能零件和产品的可制造性分析、生产规划与工艺规划的评价与确认、敏捷企业和分散化网络生产系统中合作伙伴的选择、生产过程和制造系统设计与优化网上制造资源的查询与优选低成本的人员培训工具。

3数字化制造过程的运作模式

“十五”期间，数控机床的性能和数量实现了井喷式的发展，基于DMU数字样机的数字化设计仿真平台建设和基于ERP的数字化管理平台建设都取得了较大的成就。数字化设计和管理平台的建设，使传统的工艺设计和生产管理越来越成为产品制造的瓶颈。另一方面，数控机床、数字化设计、数字化管理手段的成熟应用为数字化制造提供了完善的实施基础。从制造系统中存在的全局性问题着眼，只解决其中一个或几个方面的问题是不能产生太大成效的，必须建立全系统的数字化制造体系，才能从根本上建立起现代化的制造模式，使研制、生产效率得以成倍提高[3]。

制造过程分为工艺过程和生产过程两个阶段，因此数字化制造体系由相对独立又相互关联的“三维工艺系统”和“实时生产系统”两大部分组成。

3．1三维工艺系统

利用三维数字化的产品设计成果，由PDM导入EBOM和产品、零件的三维数模，按真实参数建立生产现场机床、刀具、夹具、物料等资源模型库，应用虚拟加工和虚拟装配技术，全面实现三维工艺设计。基于同一数学模型，并行工程得以实现。初步工艺方案完成后，调用数据库中的真实资源，确定工序的分散或集中，及时进行工艺优化。详细工艺设计完成后，生成基于后台数据库真实资源的工艺卡片、加工程序和准备清单。经过实际生产验证，零件或产品检验合格后，存人数据库固化，供今后生产安排直接调用[4]。

3．2基于MES的实时生产系统

3．2．1数字化生产计划管理

由PDM导入EBOM，按BOM结构建立原材料，毛坯、在制品、零件、产品、用户等各类实物及库存信息的数据库，由三维数字化工艺系统导入详细的MBOM，使生产系统管理的数据资料随时同设计、工艺的更改保持同步。按照ERP的生产作业计划，选择合适的工艺路线，参照工艺系统优化后的批量、批次派工生产，并根据生产线的运行情况动态调整加工设备和生产人员，保持生产现场均衡生产。

3．2．2数字化生产现场管理

现场设置触摸屏电脑，通过网络调阅零件、毛坯的三维数模、各种文档、仿

真加工程序，三坐标测量仿真及程序，并通过DN C系统下载至数控机床，实现数控加工的无纸化生产。操作工人按照排好的工作队列依次严格按计划领工生产，系统自动安排并记录开始、结束时间，从根本上杜绝现场随意多干或少干的现象，保证了计划的严格执行。

3．2．3数字化生产准备管理

生产管理的水平在很大程度上取决于生产准备是否充分，生产准备不仅包括实物的准备，还包括更为重要的各种技术数据，工艺参数以及方式方法的准备。生产准备做得好，不仅可以保证生产的顺利进行，更可以充分发挥机床设备的功能，消除停机等待，提高设备利用率，从而大大提高生产效率。因此，在数字化制造体系建设中，要着重加强生产准备管理系统的建设，而数字化制造的技术手段为加强一向比较薄弱的生产准备管理提供了非常便利的手段[5]。

全面跟踪管理现场刀、量、夹等器具实物，实现各类物资从购入到报废的全寿命周期管理。依据工作队列和实时工序状态，按配餐方式提前做好生产准备，消除停机等待，实现各类产品混流、混批的JIT流水线式生产作业方式。建立机床监控系统，实现现场生产及设备使用情况分析，采集实作工时，为进一步优化生产作业排程准备准确数据，同时细化管理考核。

4数字化制造技术发展历程

4．1 CAD/CAM技术发展

40年代计算机问世，直至50年代中期，计算机的使用尚不普遍，而且主要是用于科学计算。当时，尽管在计算机系统中已经开始配置了图形显示器，但由于计算机图形学的理论还没有形成，而且当时显示器的性能较差，所以，尚未具备人—机交互功能。如美国麻省理工学院的旋风号计算机就是这样的系统。但是到了50年代末期，美国麻省理工学院林肯实验室研制的空中防御系统就能将雷达的信号转换为显示器上的图形，操作者可以用光笔指向显示屏幕上的目标来拾取所需的信息，这种功能的出现预示着交互图形生成技术的诞生[6]。

1963年，美国麻省理工学院的I．E．Sutherland在他发表的博士论文中提出了SKETCHPAD系统。在该系统中用的计算机是TX2，可以用光笔在图形显示器

上实现选择、定位等交互功能。而且，计算机可根据光笔指定的点画出直线，或者当光笔指定圆心或半径后画出圆等。另外该系统对符号和图案的存储采用分层的数据结构。即一幅完整的较复杂的图形可以通过分层调用各有关子图来合成。尽管该系统还是较原始，但是这些基本理论和技术至今仍是CAD/CAM技术的基础，十分有用。所以，I．E．Sutherland的SKETCHPAD系统被公认为对交互图形生成和显示技术的发展奠定了基础。

交互图形生成技术的出现，促进了CAD/CAM技术的迅速发展。60年代中期后，美国的一些大公司都十分重视这一技术，并投入相当资金对CAD/CAM技术进行研究和开发，研制了一些CAD系统。如IBM公司的SMS、SLT/MST设计自动化系统和洛克希德公司研制的主要用于二维绘图CADAM系统。美国通用汽车公司为设计汽车车身和外形而开发的CAD—1系统，该系统是在大型计算机上运行的，成为该公司设计小轿车和卡车的比必不可少的工具。在此期间，美国的CDC公司也开发了作为商品销售的Digigraphic CAD系统。这一时期CAD/CAM系统的特点是：规模庞大，价格昂贵。所以，只有经济实力雄厚和技术力量较强的大型企业和研究单位才能研究和应用CAD/CAM技术[7]。

从60年代末期至70年代中期，CAD/CAM技术的发展较快，已有商品化的硬件和软件。由于在这一时期计算机硬件的性能价格比不断完善，主要特点是图形输入板，大容量的磁盘存储器和廉价的存储管显示器等相继出现，以及数据管理系统等软件的开发等。以小型和超级小型计算机为主主机的CAD/CAM系统进入市场并成为主流。接着出现了一批专门经营CAD/CAM系统硬件和软件的公司，如Computer Vision、Intergraph、Calma、Application等。这些CAD/CAM系统的特点是硬件和软件配套齐全，因此人们称它为“交钥匙”系统。与大型计算机CAD/CAM系统相比，其价格相对便宜，使用和维护也相对简单一些，这也是CAD/CAM技术得到进一步发展和扩大应用范围的原因。在这一时期内，CAD/CAM 系统的应用领域主要集中在航空、电子和机械工业部门，同时对三维几何造型也开始研究。

70年代末以后，32位工作站和微型计算机的出现对CAD/CAM技术的发展起了极大的推动作用。32位工作站是属单位用的计算机系统，具有较高的响应速度，它特别适用于CAD/CAM系统。而且，32位工作站之间可以联网，以达到共

享系统内的资源和发挥各台计算机的特点。因此，可以根据工作需要和经济条件以及CAD/CAM技术的发展等逐步投资，逐步发展和扩大CAD/CAM系统的功能和规模。

80年代中期后，这种以工作站为基础的CAD/CAM系统发展很快，其功能达到甚至超过小型机CAD/CAM系统。可以预见，这种系统将成为CAD/CAM系统的主流。这种系统的制造厂商只提供硬件和系统软件，而应用软件则由其它专门开发软件的公司研制和销售。近年来在我国市场上销售这类产品的公司有IBM公司、HP公司、SUN公司、DEC公司、SGI公司等，产品的种类很多，各有特点。

由于微型计算机的性能和价格比的提高，目前以PC386、486为主机的CAD/CAM系统不断增加。该系统的特点是容量小，处理速度慢，但价格十分便宜，应用软件丰富，便于学习和维护。另外还可以进入网络系统共享资源，并可以替代工作站完成一部分CAD/CAM作业，很适合中、小型企业和刚开始应用CAD/CAM 技术的单位。

我国在CAD/CAM技术方面的研究开始于70年代中期，当时主要是研究开发二维绘图软件，并利用绘图机输出二维图形。主要研究单位是高等学校。航空和造船工业是应用CAD/CAM技术较早的部门。80年代初，有些大型企业和设计院成套引进CAD/CAM系统（主要是Turnkey System）。在此基础上进行开发和应用，取得了一定的成果。随着改革开放和发展商品经济的需要，在80年代中后期，我国的CAD/CAM技术有了较大的发展，而且CAD/CAM技术的优点被越来越多的人所注意。进入90年代后，各工业部门普遍提出了开发CAD/CAM技术的计划，主要表现在以下几个方面：部分单位已较好地应用CAD/CAM技术，提高设计质量，取得了经济效益；CAD/CAM技术的理论和软件开发进行了大量的研究，并取得了成果（如清华大学、浙江大学、西北工业大学、北京航空航天大学、中科院计算所等）。进入90年代后，国家科委、各工业部门都十分重视CAD/CAM技术的发展，并有计划、有步骤地在全国各地CAD/CAM培训基地，对有关人员CAD/CAM技术方面的培训，以提高有关人员CAD/CAM素质。与此同时，有些工业部门还对所属单位提出应用CAD/CAM技术的具体要求。

4．2 数字化设计技术的发展历程

到目前为止，数字化设计技术的发展大体上可以划分为以下三个阶段：

1) CAX工具的广泛应用。自20世纪50年代开始，各种CAD/CAM工具开始出现并逐步应用到制造业中。这些工具的应用表明制造业已经开始将利用现代信息技术来改进传统的产品设计过程，标志着数字化设计的开始。

2) 并行工程思想的提出与推行。20世纪80年代后期提出的并行工程是一种新的指导产品开发的哲理，是在现代信息技术的支持下对传统的产品开发方式的一种根本性改进。PDM（产品数据管理）技术及DFX（如DFM、DFA等）技术是并行工程思想在产品设计阶段的具体体现[8]。

3) 虚拟样机技术。随着技术的不断进步，仿真在产品设计过程中的应用变得越来越广泛而深刻，由原先的局部应用（单领域、单点）逐步扩展到系统应用（多领域、全生命周期）。虚拟样机技术正是这一发展趋势的典型代表。

其中，虚拟样机技术是一种基于虚拟样机的数字化设计方法，是各领域CAX/DFX技术的发展和延伸。虚拟样机技术进一步融合先进建模/仿真技术、现代信息技术、先进设计制造技术和现代管理技术，将这些技术应用于复杂产品全生命周期、全系统，并对它们进行综合管理。与传统产品设计技术相比，虚拟样机技术强调系统的观点、涉及产品全生命周期、支持对产品的全方位测试、分析与评估、强调不同领域的虚拟化的协同设计。虚拟样机技术的实施是一个渐进的过程，其中涉及到许多相关技术，如总体技术、多领域协同建模/仿真/评估技术、数据/过程管理技术、支撑框架技术等等。下面主要提及三个关键技术。

A、虚拟样机管理技术。虚拟样机开发过程中涉及到大量的人员、工具、数据/模型、项目/流程，对这些元素进行合理的组织和管理，使其构成一个高效的系统，实现整个开发过程中的信息集成和过程集成，是优质成功的进行虚拟样机开发的必要条件。

B、协同仿真技术。协同仿真技术将面向不同学科的仿真工具结合起来构成统一的仿真系统，可以充分发挥仿真工具各自的优势，同时还可以加强不同领域开发人员之间的协调与合作。目前HLA规范已经成为协同仿真的重要国际标准。基于HLA的协同仿真技术也将会成为虚拟样机技术的研究热点之一。

C、多学科设计优化技术（MDO）。复杂产品的设计优化问题可能包括多个优化目标和分属不同学科的约束条件。现代的MDO技术为解决学科间的冲突，寻求系统的全局最优解提供了可行的技术途径。目前MDO技术在国外已经有了许多成

功的案例，并出现了相关的商用软件，典型的如Engineous公司的iSIGHT。国内关于MDO技术的研究和应用也已经展开[9]。

纵观数字化设计技术的发展历程可以看出，虽然几十年来各种技术思想层出不穷，但时空两个方向上的协同始终是发展的主流。宏观上看，数字化设计的发展历程正相当于现代信息技术在产品设计领域中的应用由点发展为线，再由线发展为面的过程。仿真的广泛应用正在成为当前数字化设计技术发展的主要趋势。随着虚拟样机概念的提出，使得仿真技术的应用更加趋于协同化和系统化。开展关于虚拟样机及其关键技术的研究，必将提高企业的自主设计开发能力，推动企业的信息化进程。

4．3 数字化设计与虚拟样机技术的发展

产品设计的数字化是企业信息化的重要内容。近年来，随着产品复杂性的不断增长，以及企业间竞争的日趋激烈，传统的产品设计方法已经很难满足企业当前生存和发展的需要。为了能在竞争中处于有利位置，实现产品设计数字化势在必行。

产品设计过程本质上是一个对信息进行采集、传递、加工处理的过程，其中包含了两种重要的活动：设计活动和仿真活动。因此产品设计也可以看作是一个设计活动和仿真活动彼此交织相互作用的过程。设计活动推动信息流程向前演进，而仿真则是验证设计结果的重要手段。随着技术的发展，仿真的重要性正在不断加强。主要有以下三个方面：

1）制造系统模型及其仿真

制造系统模型及其仿真是随着制造设备自动化的发展而发展的。比如针对数控机床的NC代码仿真、刀位轨迹仿真，针对加工中心的加工过程仿真，针对立体仓库的库存操作和控制仿真，针对机器人的仿真，等等。柔性制造系统出现后，针对柔性制造车间的设计和运行，各国的研究人员进行了大量的仿真系统开发。

2）开发过程模型及其仿真

从开发过程模型发展的角度来看，最初是对局部加工过程的研究和仿真，仿真内容包括加工对象和加工设备在加工过程中的运行和状态；然后是对整个制造系统及生产过程的建模和仿真，仿真内容包括控制策略、库存水平、负载能力等。并行工程使人们把目光从单纯的制造过程转移到设计过程，更加注重设计过程和

制造过程的一体化。设计过程的仿真和加工过程的仿真有很大的不同，设计过程的主体是设计人员，仿真的目的主要是为了缩短产品开发周期，使设计人员能更有效地协作。经营过程重组进一步把过程集成的概念扩展到整个企业，而供应链、扩展企业、虚拟企业则研究多个企业合作中的经营过程管理问题。供应链调度方面的仿真是目前研究的热点之一。

3）三类模型及其仿真的综合集成

就产品制造中所涉及的模型种类来说，大致可以分为三类，即产品模型、制造系统模型和开发过程（包括设计、加工、装配、测试等）模型。其中产品模型是所有活动的目的和中心，制造系统模型是产品开发必须要考虑的约束，开发过程模型是产品开发的使能器，也是对产品开发活动进行管理和控制的基础。这里的制造系统是一个广义的概念，包括物料供应、加工、装配和检验等所有方面。仿真技术的应用正是以这三类模型为中心展开的：

A、以产品模型为中心的仿真

包括产品的静态和动态性能分析、产品的可制造性分析、产品的可装配性分析。在进行产品开发时，要考虑的不只局限于与功能需求有关的方面，如形状、尺寸、结构及各种物理特性，还要综合考虑诸如制造、装配、维护、成本等各方面的因素。因此，产品本身的仿真，如CAE、DFA等，是仿真技术在制造业应用的基本方面。

B、以制造系统模型为中心的仿真

包括对于复杂制造装备（如加工中心、机器人等）的仿真、对于复杂制造系统（柔性制造车间的设计和运行）的仿真。仿真的目的在于，确定设备能力和运行情况，包括加工路线、资源的分配、物料的供应等。

C、以开发过程模型为中心的仿真

这类仿真，包括设计过程的仿真和制造过程的仿真。产品的开发大致包括设计和制造两个阶段。在设计阶段，产品的性能和成本就基本上确定了，而正是因为设计阶段的重要性，以及设计过程中多学科协作和反复设计、试验带来的复杂性，设计过程的建模和仿真越来越受到人们的重视。仿真的目的在于缩短周期，降低成本。制造过程是仿真应用的传统方面，制造过程的仿真必须把产品模型和制造系统模型结合起来加以考虑，但它不仅仅是两者的简单相加，还需考虑控制

策略、库存能力、负载能力等方面的问题。这三个方面的仿真是相互联系、相互影响的，有时在内容上还会有重叠。

就仿真技术在制造业中应用的发展脉络来看，总的趋势是由局部到全局，由分散到集成，并更加注重可视化技术的应用及与用户之间的交互。仿真的集成化是统一、全面地考虑产品生命周期中所有因素的需要，也是局部、单点仿真应用不断发展、综合的结果。几乎每一种制造技术的进步都带来了相应的模型和仿真应用的发展，而仿真又是以模型为基础的[9]。

4．4数字化制造技术的发展历程

从整个制造业的发展历程来看，数字化制造技术的出现、发展，有着其必然性。随着技术的发展如上所述的CAD/CAM技术的发展、数字化设计技术等的发展以及企业家追求更高的利润空间，随着社会整个生产力水平的提高，整个制造行业提出了更高的技术要求：数字化制造技术，实现生产的无人化、无纸化等生产。从大的方面看，大致可以分为以下三个阶段。

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。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[7]。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）海量信息处理能力的提高。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H794/ 937--4/、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、电镜一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[8]，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．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。

5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，有着其一系列的关键技术和核心技术。主要有如下几点[12]：

1）关键技术

A、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。

B、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[10]。

C、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）核心技术

A、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。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。

B、计算机辅助设计与制造(CAD／CAM)。

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．即由概念到图纸或数字模型的过程。逆向工程则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。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。

C、快速成型。

采用激光等技术将树酯、ABS、PC等材料按产品的三维造型(S11格式)进行快速烧结并成型。这种成型技术可以不必制造模具就做出完整的样机．不仅可大大加速了新产品的开发进度。还可节约大量成本。

D、三坐标测量及计算机辅助检测(CMM／CAI)。

产品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。三坐标测量机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[12]。主要有龙门式、立柱式、机器臂式等几种。

6数字化制造技术的未来发展展望

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[13]：

1 制造信息的数字化

制造信息的数字化将实现C A D/C A P P / C A M / C A E的一体化，使产品向无图样制造方向发展，如产品C A D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[14]

将数字化技术注入传统产品，开发新产品，无论从工业装备和人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。

参考文献

[1]张训杰，童伟国，陈林静，胡金泽．先进制造技术与数字化制造田．装备制造技术，2007.11．

[2]吕琳，胡海明.浅谈数字化制造技术[J].机电产品开发与创新，2009,

22(1):87~88．

[3]罗垂敏．数字化制造技术．电子工艺技术，2007，1．

[4]黄德中，魏宏玲．数字化技术在轮胎模具设计制造中的应用．模具技术．2002．3．

[5]周祖德，杂文勇，陈幼平．数字制造的概念与科学问题．中国机械工程．2001．1．

[6]郑力，刘大成，李志忠．数字化加工过程：概念、结构及其应用田．中国机

械工程，1999，10(9)：1060一1062．

[7]周祖德，盛步云．数字化协同与网络交互设计．北京：科学出版社，2005．

[8]郑力，刘大成，李志忠．数字化加工过程、概念、结构及其应用．中国机械

工程．1999，10．

[9]胡平．车身部件快速仿真设计与数字化模具化．锻造与冲压，2005，7．

[10]杨文通，王蕾，刘志峰．数字化网络化制造技术．北京：电子工业出版社，2004．

[11]罗垂敏.数字化制造技术[J].电子工艺技术，2007, 28(1):52~54．

[12]杨海成．数字化设计制造技术基础．西安：西北工业大学出版社．2006．

[13]吕琳.数字化制造技术国内外发展研究现状[J].机械零部件，2009, 3: 76~78

[14]杨平，廖宁波，丁建平．数字化制造概论．北京：国防工业出版社．2005．