为什么说数字化是制造技术创新的基本手段

数字化改变了社会，改变了制造，改变了制造技术。从手工作业使用图板到计算机二维绘图和NC加工，从三维设计到数字样机，由数字化工艺过程设计到数字化制造、虚拟制造，从CAD应用到数字化企业（Digital Enterprise）的发展，使传统的制造发生了质的变革。数字化程度已经成为衡量设计制造技术水平的重要标志。实践表明，数字化技术是缩短产品研制周期、降低研制成本、提高产品质量的有效途径，是建立现代产品快速研制系统的基础。

1．CAD/CAM技术奠定了数字化设计制造的基础

产品几何、状态等的表达、传递是设计制造过程的核心。传统的以“工程图纸”为核心的设计制造技术体系构建了以模拟量传递为特征的制造模式。CAD技术的发展使得对产品及其零件的表达、传递可以采用数字化形式精确表达，从而推动了二维CAD和三维CAD的研究和应用。由此形成了以“三维几何模型”为核心的数字化设计制造技术体系，实现了以数字量传递和控制为特征的先进制造技术。目前，产品的数字化定义、数字样机、虚拟仿真等已成为产品研制的基本手段和技术选择。

CAD技术起步于20世纪50年代后期。60年代，随着计算机软硬件技术的发展，在计算机屏幕上绘图变为可能，CAD开始迅速发展。人们希望借助此项技术来摆脱烦琐、费时、精度低的传统手工绘图，即“甩图板”。此时CAD技术的出发点是用传统的三视图的方法来表达零件，以图纸为媒介进行技术交流，即二维计算机绘图技术。在CAD软件开发初期，CAD的含义仅仅是计算机辅助绘图（Computer Aided Drawing），此后逐步发展形成了计算机辅助设计（Computer Aided Design）的概念。CAD技术以二维绘图算法为主要目标的研究与应用一直持续到70年代末期。60年代初期出现了三维CAD系统，起初是极为简单的，只能表达基本几何信息线框系统，不能有效表达几何数据间的拓扑关系，缺乏形体的表面信息。

进入70年代，正值飞机和汽车工业的蓬勃发展时期，飞机及汽车制造过程中遇到大量的自由曲面问题，当时只能采用多截面视图、特征纬线的方式来近似表达所设计的自由曲面。由于三视图方法表达的不完整性，经常发生设计完成后，制作出来的样品与设计者所想象的有很大差异甚至完全不同的情况，这样大大拖延了产品研发时间。此时法国人提出了贝塞尔算法，使人们用计算机处理曲线及曲面问题变得可行，同时也使得法国达索飞机制造公司的开发者们，能在二维绘图系统CADAM的基础上，开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统CATIA。它的出现标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式解放出来，首次实现计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得CAD技术的开发有了现实的基础。曲面造型系统为人类带来了第一次CAD技术革命，改变了以往只能借助油泥模型来近似表达曲面的落后的工作方式。70年代末到80年代初，随着CAD技术的迅速发展，CAE／CAM技术也开始有了较大发展。SDRC公司在当时星球大战计划背景下，由美国宇航局支持及合作，开发出了许多专用分析模块，用以降低巨大的太空实验费用，而UG则侧重在曲面技术的基础上发展CAM技术，用以满足麦道飞机零部件的加工需求。

由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其他特征，如质量、重心、惯性矩等，从而提出了对实体造型技术的需求。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一CAD／CAE／CAM的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。可以说，实体造型技术的普及应用标志着CAD发展史上的第二次技术革命。进入80年代中期，CV公司提出了一种比无约束自由造型更新颖、更好的算法———参数化特征造型方法。它具有基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改的特征。可以认为，参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次革命。此时众多CAD／CAE／CAM软件开发公司群雄逐鹿。80年代后期到90年代，CAD向系统集成化方向发展，引起了CAD发展史上的第四次革命。特别是波音777实现了全数字样机，进一步发展了数字化设计制造技术。

2．NC技术促进数控设备的发展，实现产品制造的数字化 制造设备的数控化已成为一个大趋势。在制造技术的发展中，数控加工技术是一个重要 领域，包括数控编程技术、数控技术、智能控制技术等，数控车床、数控铣床等已成为制造的基本手段。由此，发展了柔性加工技术、数字化生产线等技术。数控化使得机床的效率、精度和产品适应性等大为提高。

技术的发展和竞争的加剧，使得人们对产品的要求越来越高，企业要制造高质量、高效率、高可靠性、低缺陷的产品，必须广泛采用先进制造工艺及现代化装备。数字化、精密化、高速化及高效化是现代工艺装备的主要发展趋势，采用先进和稳定的工艺技术，使用精密、高效的数控生产装备，对于提高产品质量、降低生产成本、缩短响应时间具有重要意义。

数控加工设备可以解决由手工作业所引起的质量不稳定问题，可以消除手工作业中工人的技术水平、经验、情绪、觉悟、品德等诸多非技术因素对质量的影响。通过进一步实现数控设备的集成控制，建立零件加工工艺方案、工艺参数设计、控制指令编辑、加工过程仿真等网络化集成应用，将设备的加工过程控制指令永远保存，任意“再现”，从而减少零件在设备上的“在线”时间，减少工人手工操作、输入所占用的机时，大大提高设备的使用效率。

3．知识库和智能化设计是传统工艺技术创新的关键

从系统的角度来认识，制造过程是一个多因素、多目标的复杂系统。由于工艺过程具有不连续性、不平衡性、动态性、多样性、模糊性等诸多的不确定，导致了加工工艺技术的“再现性”差，定性的描述较多，定量的表达较少，甚至有的零件本身几何形态的转移也要借助于刚性工具，也是模拟性的。同时，工艺过程涉及的因素多、系统多，构成工艺知识的“粒度”大小不一，很难完全用规则表达清楚。即使采用数值分析，其分析计算结果仍须要由人类专家进行评估、分析、判读。因此，以制造过程的知识融合为基础，采用智能化设计已成为解决加工工艺设计的有效方法和重要发展方向。

4．集成化促进了制造的柔性化和敏捷化，是实现快速反应制造的基础 面对变化莫测的市场，制造企业应具有快速组织生产、柔性制造和灵活应变的能力，即具备快速响应能力。快速响应制造以数字化、柔性化、敏捷化为基本特征，它要求制造企业通过企业内部网络和外部网络相结合，形成网络化的集成制造系统，对各种设计、制造和信息以及人力、物力等资源进行集成，从而快速地制造出高质量、低成本的新产品。目前，在实际的产品研制中，数字化技术的应用“点”很多，研究的触角也很广泛，但众多的研究基本上还处于“孤岛状”。单点推进多，系统化的研究应用少，总体效能不高，不能满足快速研制的需要。CAD/CAM/CAPP及计算机辅助工艺规划（Compute Aided Process Planning，capp）等技术在制造中有了多方面的应用，但对于数字化环境中零件、工艺、制造资源等之间的互动和关联的研究与应用还相差甚远，在数字空间中的运行模式尚在探索之中。建立基于信息技术的数字化定义、工艺设计、工装设计、设备数控的综合集成系统，可以减少中间传递环节，减少传递误差引起的返工，提高系统的柔性，实现快速反应。