数字化制造技术的发展状况分析

1数字化制造技术的发展历程分析摘要：从阐述数字化技术概念出发，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技术，并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，最后对数字化制造技术进行了展望并结合我国实际情况对我国如何发展数字化制造技术提出了几点建议。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（CAD）系统。CAD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，CAD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CAD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（CAPP）。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CAD/CAM/CAPP，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2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CAD/CAM/CAE为主体的技术，以MRPI、MIS、PDM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]。图1从制造技术理解数字化制造的内涵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。3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]。图2工序状态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4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DNC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]。图3机床加工实时系统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4．1CAD/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5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DigigraphicCAD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ComputerVision、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6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TurnkeySystem）。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，