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