數(shù)字化制造技術的發(fā)展狀況分析

1、 可修改 歡送下載 精品 Word 可修改 歡送下載 精品 Word 可修改 歡送下載 精品 Word數(shù)字化制造(zhzo)技術的開展(kizhn)歷程(lchng)分析(fnx)摘 要：從闡述數(shù)字化技術概念出發(fā)，綜述了國內(nèi)外數(shù)字化制造技術的研究現(xiàn)狀，論述了數(shù)字化制造技術是先進制造技術的核心技術，并對數(shù)字化制造技術的幾個核心技術進行(jnxng)了較為詳細的介紹，最后對數(shù)字化制造技術進行了展望并結合我國實際情況對我國如何開展數(shù)字化制造技術提出了幾點建議。關鍵詞：數(shù)字化；國內(nèi)外研究現(xiàn)狀；制造技術；計算機輔助工業(yè)設計1數(shù)字化制造技術的概念所謂數(shù)字化制造，指的是在虛擬現(xiàn)實、計算機網(wǎng)絡、快速原型、數(shù)據(jù)

2、庫和多媒體等支撐技術的支持下，根據(jù)用戶的需求，迅速收集資源信息，對產(chǎn)品信息、工藝信息和資源信息進行分析、規(guī)劃和重組，實現(xiàn)對產(chǎn)品設計和功能的仿真以及型制造，進而快速生產(chǎn)出到達用戶要求性能的產(chǎn)品的整個制造過程。也就是說，數(shù)字制造實際上就是在對制造過程進行數(shù)字化的描述中建立數(shù)字空間，并在其中完成產(chǎn)品制造的過程1。由于計算機的開展以及計算機圖形學與機械設計技術的結合，產(chǎn)生了以數(shù)據(jù)庫為核心，以交互圖形系統(tǒng)為手段，以工程分析計算為主體的一體化計算機輔助設計 C A D 系統(tǒng)。C A D系統(tǒng)能夠在二維與三維的空間精確地描述物體，大大地提高了生產(chǎn)過程中描述產(chǎn)品的能力和效率。正如數(shù)控技術與數(shù)控機床一樣，C A

3、D的產(chǎn)生和開展，為制造業(yè)產(chǎn)品的設計過程數(shù)字化和自動化打下了根底。將C A D的產(chǎn)品設計信息轉換為產(chǎn)品的制造、工藝規(guī)那么等信息，使加工機械按照預定的工序組合和排序，選擇刀具、夾具、量具，確定切削用量，并計算每個工序的機動時間和輔助時間，這就是計算機輔助工藝規(guī)劃C A P P。將包括制造、檢測、裝配等方面的所有規(guī)劃，以及面向產(chǎn)品設計、制造、工藝、管理、本錢核算等所有信息的數(shù)字化，轉換為能被計算機所理解并被制造過程的全階段所共享，從而形成所謂的C A D/C A M/C A P P，這就是基于產(chǎn)品設計的數(shù)字制造觀。從數(shù)字制造的要領出發(fā)，可以(ky)清楚地看到，數(shù)字制造是計算機數(shù)字技術、網(wǎng)絡信息技術與

4、制造技術不斷融合、開展(kizhn)和應用的結果，也是制造企業(yè)、制造系統(tǒng)和生產(chǎn)系統(tǒng)不斷實現(xiàn)數(shù)字化的必然。對制造設備(shbi)而言，其控制參數(shù)均為數(shù)字信號。對制造企業(yè)而言，各種信息包括圖形、數(shù)據(jù)(shj)，甚至知識和技能 均以數(shù)字的形式通過數(shù)字網(wǎng)絡(wnglu)在企業(yè)內(nèi)部傳遞。對全球制造業(yè)而言，用戶通過數(shù)字網(wǎng)絡發(fā)布需求信息，各大中小型企業(yè)那么通過數(shù)字網(wǎng)絡，根據(jù)需求優(yōu)勢互補、動態(tài)組合，迅速敏捷地協(xié)同設計制造出相應的產(chǎn)品。在數(shù)字制造環(huán)境下，在廣域內(nèi)形成了一個由數(shù)字織成的網(wǎng)，個人、企業(yè)、車間、設備、經(jīng)銷商和市場成為網(wǎng)上的一個個結點，由產(chǎn)品在設計、制造、銷售過程中所賦予的數(shù)字信息成為主宰制造業(yè)最活潑的

5、驅動因素。當前，網(wǎng)絡制造是數(shù)字制造的全球化實現(xiàn)，虛擬制造是數(shù)字工廠和數(shù)字產(chǎn)品的一種具體表達，而電子商務制造是數(shù)字制造的一種動態(tài)聯(lián)盟。所以，數(shù)字化制造是在計算機和網(wǎng)絡技術與制造技術的不斷融合、開展和廣泛應用的根底上誕生的，其內(nèi)涵是：以C A D/C A M/C A E為主體的技術，以M R P I、M I S、P D M為主體的制造信息支持系統(tǒng)和數(shù)字控制制造技術。下列圖1為從制造技術理解數(shù)字化制造的內(nèi)涵2。 圖1 從制造技術理解數(shù)字化制造的內(nèi)涵2數(shù)字化制造技術的意義(yy)和作用可精確地預測和評價(pngji)產(chǎn)品的可制造性、加工時間、制造周期、生產(chǎn)本錢(bn qin)、零件的加工質量、產(chǎn)品質量

6、和制造系統(tǒng)運行性能(xngnng)零件和產(chǎn)品的可制造性分析、生產(chǎn)規(guī)劃與工藝規(guī)劃的評價與確認、敏捷企業(yè)和分散化網(wǎng)絡生產(chǎn)系統(tǒng)(xtng)中合作伙伴的選擇、生產(chǎn)過程和制造系統(tǒng)設計與優(yōu)化網(wǎng)上制造資源的查詢與優(yōu)選低本錢的人員培訓工具。3數(shù)字化制造過程的運作模式“十五期間，數(shù)控機床的性能和數(shù)量實現(xiàn)了井噴式的開展，基于DMU數(shù)字樣機的數(shù)字化設計仿真平臺建設和基于ERP的數(shù)字化管理平臺建設都取得了較大的成就。數(shù)字化設計和管理平臺的建設，使傳統(tǒng)的工藝設計和生產(chǎn)管理越來越成為產(chǎn)品制造的瓶頸。另一方面，數(shù)控機床、數(shù)字化設計、數(shù)字化管理手段的成熟應用為數(shù)字化制造提供了完善的實施根底。從制造系統(tǒng)中存在的全局性問題著眼，

7、只解決其中一個或幾個方面的問題是不能產(chǎn)生太大成效的，必須建立全系統(tǒng)的數(shù)字化制造體系，才能從根本上建立起現(xiàn)代化的制造模式，使研制、生產(chǎn)效率得以成倍提高3。制造過程分為工藝過程和生產(chǎn)過程兩個階段，因此數(shù)字化制造體系由相對獨立又相互關聯(lián)的“三維工藝系統(tǒng)和“實時生產(chǎn)系統(tǒng)兩大局部組成。31三維工藝系統(tǒng)利用三維數(shù)字化的產(chǎn)品設計成果，由PDM導入EBOM和產(chǎn)品、零件的三維數(shù)模，按真實參數(shù)建立生產(chǎn)現(xiàn)場機床、刀具、夾具、物料等資源模型庫，應用虛擬加工和虛擬裝配技術，全面實現(xiàn)三維工藝設計?；谕粩?shù)學模型，并行工程得以實現(xiàn)。初步工藝方案完成后，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的真實資源，確定工序的分散或集中，及時進行工藝優(yōu)化。詳細工

8、藝設計完成后，生成基于后臺數(shù)據(jù)庫真實資源的工藝卡片、加工程序和準備清單。經(jīng)過實際生產(chǎn)驗證，零件或產(chǎn)品檢驗合格后，存人數(shù)據(jù)庫固化，供今后生產(chǎn)安排直接調(diào)用4。圖2 工序(gngx)狀態(tài)32基于(jy)MES的實時(sh sh)生產(chǎn)系統(tǒng)(xtng)321數(shù)字化生產(chǎn)(shngchn)方案管理由PDM導入EBOM，按BOM結構建立原材料，毛坯、在制品、零件、產(chǎn)品、用戶等各類實物及庫存信息的數(shù)據(jù)庫，由三維數(shù)字化工藝系統(tǒng)導入詳細的MBOM，使生產(chǎn)系統(tǒng)管理的數(shù)據(jù)資料隨時同設計、工藝的更改保持同步。按照ERP的生產(chǎn)作業(yè)方案，選擇適宜的工藝路線，參照工藝系統(tǒng)優(yōu)化后的批量、批次派工生產(chǎn)，并根據(jù)生產(chǎn)線的運行情況動態(tài)調(diào)

9、整加工設備和生產(chǎn)人員，保持生產(chǎn)現(xiàn)場均衡生產(chǎn)。 322數(shù)字化生產(chǎn)現(xiàn)場管理現(xiàn)場設置觸摸屏電腦，通過網(wǎng)絡調(diào)閱零件、毛坯的三維數(shù)模、各種文檔、仿真加工程序，三坐標測量仿真及程序，并通過DN C系統(tǒng)下載至數(shù)控機床，實現(xiàn)數(shù)控加工的無紙化生產(chǎn)。操作工人按照排好的工作隊列依次嚴格按方案領工生產(chǎn)，系統(tǒng)自動安排并記錄開始、結束時間，從根本上杜絕現(xiàn)場隨意多干或少干的現(xiàn)象，保證了方案的嚴格執(zhí)行。323數(shù)字化生產(chǎn)準備管理生產(chǎn)管理的水平在很大程度上取決于生產(chǎn)準備是否充分，生產(chǎn)準備不僅包括實物的準備，還包括更為重要的各種技術數(shù)據(jù)，工藝參數(shù)以及方式方法的準備。生產(chǎn)準備做得好，不僅可以保證生產(chǎn)的順利進行，更可以充分發(fā)揮機床設備

10、的功能，消除停機等待，提高設備利用率，從而大大提高生產(chǎn)效率。因此，在數(shù)字化制造體系建設中，要著重加強生產(chǎn)準備管理系統(tǒng)的建設，而數(shù)字化制造的技術手段為加強一向比擬薄弱的生產(chǎn)準備管理提供了非常便利的手段5。圖3機床加工實時(sh sh)系統(tǒng)全面跟蹤(gnzng)管理現(xiàn)場刀、量、夾等器具實物，實現(xiàn)各類物資從購入到報廢的全壽命周期管理。依據(jù)工作隊列和實時工序狀態(tài)，按配餐方式提前做好生產(chǎn)準備，消除停機等待，實現(xiàn)各類產(chǎn)品混流、混批的JIT流水線式生產(chǎn)(shngchn)作業(yè)方式。建立機床監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)現(xiàn)場生產(chǎn)及設備使用情況分析，采集實作工時，為進一步優(yōu)化生產(chǎn)作業(yè)排程準備準確數(shù)據(jù)，同時細化管理考核。4數(shù)字化制

11、造(zhzo)技術開展(kizhn)歷程41 CAD/CAM技術開展40年代計算機問世，直至50年代中期，計算機的使用尚不普遍，而且主要是用于科學計算。當時，盡管在計算機系統(tǒng)中已經(jīng)開始配置了圖形顯示器，但由于計算機圖形學的理論還沒有形成，而且當時顯示器的性能較差，所以，尚未具備人機交互功能。如美國麻省理工學院的旋風號計算機就是這樣的系統(tǒng)。但是到了50年代末期，美國麻省理工學院林肯實驗室研制的空中防御系統(tǒng)就能將雷達的信號轉換為顯示器上的圖形，操作者可以用光筆指向顯示屏幕上的目標來拾取所需的信息，這種功能的出現(xiàn)預示著交互圖形生成技術的誕生6。1963年，美國麻省理工學院的IESutherland在

12、他發(fā)表的博士論文中提出了SKETCHPAD系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中用的計算機是TX2，可以用光筆在圖形顯示器上實現(xiàn)選擇、定位等交互功能。而且，計算機可根據(jù)光筆指定的點畫出直線，或者當光筆指定圓心或半徑后畫出圓等。另外該系統(tǒng)對符號和圖案的存儲采用分層的數(shù)據(jù)結構。即一幅完整的較復雜的圖形可以通過分層調(diào)用各有關子圖來合成。盡管該系統(tǒng)還是較原始，但是這些根本理論和技術至今仍是CAD/CAM技術的根底，十分有用。所以，IESutherland的SKETCHPAD系統(tǒng)被公認為對交互圖形生成和顯示技術的開展奠定了根底。交互圖形(txng)生成技術的出現(xiàn)，促進了CAD/CAM技術(jsh)的迅速開展(kizhn)。6

13、0年代中期后，美國(mi u)的一些大公司都十分重視這一技術，并投入(tur)相當資金對CAD/CAM技術進行研究和開發(fā)，研制了一些CAD系統(tǒng)。如IBM公司的SMS、SLT/MST設計自動化系統(tǒng)和洛克希德公司研制的主要用于二維繪圖CADAM系統(tǒng)。美國通用汽車公司為設計汽車車身和外形而開發(fā)的CAD1系統(tǒng)，該系統(tǒng)是在大型計算機上運行的，成為該公司設計小轎車和卡車的比必不可少的工具。在此期間，美國的CDC公司也開發(fā)了作為商品銷售的Digigraphic CAD系統(tǒng)。這一時期CAD/CAM系統(tǒng)的特點是：規(guī)模龐大，價格昂貴。所以，只有經(jīng)濟實力雄厚和技術力量較強的大型企業(yè)和研究單位才能研究和應用CAD/C

14、AM技術7。從60年代末期至70年代中期，CAD/CAM技術的開展較快，已有商品化的硬件和軟件。由于在這一時期計算機硬件的性能價格比不斷完善，主要特點是圖形輸入板，大容量的磁盤存儲器和廉價的存儲管顯示器等相繼出現(xiàn)，以及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等軟件的開發(fā)等。以小型和超級小型計算機為主主機的CAD/CAM系統(tǒng)進入市場并成為主流。接著出現(xiàn)了一批專門經(jīng)營CAD/CAM系統(tǒng)硬件和軟件的公司，如Computer Vision、Intergraph、Calma、Application等。這些CAD/CAM系統(tǒng)的特點是硬件和軟件配套齊全，因此人們稱它為“交鑰匙系統(tǒng)。與大型計算機CAD/CAM系統(tǒng)相比，其價格相對廉價，使

15、用和維護也相對簡單一些，這也是CAD/CAM技術得到進一步開展和擴大應用范圍的原因。在這一時期內(nèi)，CAD/CAM系統(tǒng)的應用領域主要集中在航空、電子和機械工業(yè)部門，同時對三維幾何造型也開始研究。70年代(nindi)末以后，32位工作站和微型(wixng)計算機的出現(xiàn)對CAD/CAM技術(jsh)的開展(kizhn)起了極大(j d)的推動作用。32位工作站是屬單位用的計算機系統(tǒng)，具有較高的響應速度，它特別適用于CAD/CAM系統(tǒng)。而且，32位工作站之間可以聯(lián)網(wǎng)，以到達共享系統(tǒng)內(nèi)的資源和發(fā)揮各臺計算機的特點。因此，可以根據(jù)工作需要和經(jīng)濟條件以及CAD/CAM技術的開展等逐步投資，逐步開展和擴大C

16、AD/CAM系統(tǒng)的功能和規(guī)模。80年代中期后，這種以工作站為根底的CAD/CAM系統(tǒng)開展很快，其功能到達甚至超過小型機CAD/CAM系統(tǒng)?？梢灶A見，這種系統(tǒng)將成為CAD/CAM系統(tǒng)的主流。這種系統(tǒng)的制造廠商只提供硬件和系統(tǒng)軟件，而應用軟件那么由其它專門開發(fā)軟件的公司研制和銷售。近年來在我國市場上銷售這類產(chǎn)品的公司有IBM公司、HP公司、SUN公司、DEC公司、SGI公司等，產(chǎn)品的種類很多，各有特點。由于微型計算機的性能和價格比的提高，目前以PC386、486為主機的CAD/CAM系統(tǒng)不斷增加。該系統(tǒng)的特點是容量小，處理速度慢，但價格十分廉價，應用軟件豐富，便于學習和維護。另外還可以進入網(wǎng)絡系統(tǒng)

17、共享資源，并可以替代工作站完成一局部CAD/CAM作業(yè)，很適合中、小型企業(yè)和剛開始應用CAD/CAM技術的單位。我國在CAD/CAM技術方面的研究開始于70年代中期，當時主要是研究開發(fā)二維繪圖軟件，并利用繪圖機輸出二維圖形。主要研究單位是高等學校。航空和造船工業(yè)是應用CAD/CAM技術較早的部門。80年代初，有些大型企業(yè)和設計院成套引進CAD/CAM系統(tǒng)主要是Turnkey System。在此根底上進行開發(fā)和應用，取得了一定的成果。隨著改革開放和開展商品經(jīng)濟的需要，在80年代中后期，我國的CAD/CAM技術有了較大的開展，而且CAD/CAM技術的優(yōu)點被越來越多的人所注意。進入90年代后，各工業(yè)

18、部門普遍提出了開發(fā)CAD/CAM技術的方案，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：局部單位已較好地應用CAD/CAM技術，提高設計質量，取得了經(jīng)濟效益；CAD/CAM技術的理論和軟件開發(fā)進行了大量的研究，并取得了成果如清華大學、浙江大學、西北工業(yè)大學、北京航空航天大學、中科院計算所等。進入90年代后，國家科委、各工業(yè)部門都十分重視CAD/CAM技術的開展，并有方案、有步驟地在全國各地CAD/CAM培訓基地，對有關人員CAD/CAM技術方面的培訓，以提高有關人員CAD/CAM素質。與此同時，有些工業(yè)部門還對所屬單位提出應用CAD/CAM技術的具體要求。42 數(shù)字化設計(shj)技術的開展(kizhn)歷程(l

19、chng)到目前為止，數(shù)字化設計(shj)技術的開展(kizhn)大體上可以劃分為以下三個階段：1)CAX工具的廣泛應用。自20世紀50年代開始，各種CAD/CAM工具開始出現(xiàn)并逐步應用到制造業(yè)中。這些工具的應用說明制造業(yè)已經(jīng)開始將利用現(xiàn)代信息技術來改良傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計過程，標志著數(shù)字化設計的開始。2)并行工程思想的提出與推行。20世紀80年代后期提出的并行工程是一種新的指導產(chǎn)品開發(fā)的哲理，是在現(xiàn)代信息技術的支持下對傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)方式的一種根本性改良。PDM產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術及DFX如DFM、DFA等技術是并行工程思想在產(chǎn)品設計階段的具體表達8。3) 虛擬樣機技術。隨著技術的不斷進步，仿真在產(chǎn)品設

20、計過程中的應用變得越來越廣泛而深刻，由原先的局部應用單領域、單點逐步擴展到系統(tǒng)應用多領域、全生命周期。虛擬樣機技術正是這一開展趨勢的典型代表。其中，虛擬樣機技術是一種基于虛擬樣機的數(shù)字化設計方法，是各領域CAX/DFX技術的開展和延伸。虛擬樣機技術進一步融合先進建模/仿真技術、現(xiàn)代信息技術、先進設計制造技術和現(xiàn)代管理技術，將這些技術應用于復雜產(chǎn)品全生命周期、全系統(tǒng)，并對它們進行綜合管理。與傳統(tǒng)產(chǎn)品設計技術相比，虛擬樣機技術強調(diào)系統(tǒng)的觀點、涉及產(chǎn)品全生命周期、支持對產(chǎn)品的全方位測試、分析與評估、強調(diào)不同領域的虛擬化的協(xié)同設計。虛擬樣機技術的實施是一個漸進的過程，其中涉及到許多相關技術，如總體技術

21、、多領域協(xié)同建模/仿真/評估技術、數(shù)據(jù)/過程管理技術、支撐框架技術等等。下面主要提及三個關鍵技術。A、虛擬樣機管理技術。虛擬樣機開發(fā)過程中涉及到大量的人員、工具、數(shù)據(jù)/模型、工程/流程，對這些元素進行合理的組織和管理，使其構成一個高效的系統(tǒng)，實現(xiàn)整個開發(fā)過程中的信息集成和過程集成，是優(yōu)質成功的進行虛擬樣機開發(fā)的必要條件。B、協(xié)同仿真技術。協(xié)同仿真技術將面向不同學科的仿真工具結合起來(q li)構成統(tǒng)一的仿真系統(tǒng)，可以充分發(fā)揮仿真工具各自的優(yōu)勢，同時還可以加強不同領域開發(fā)人員之間的協(xié)調(diào)與合作。目前HLA標準(biozhn)已經(jīng)(y jing)成為協(xié)同仿真的重要國際標準。基于HLA的協(xié)同仿真技術也

22、將會成為虛擬(xn)樣機技術的研究熱點之一。C、多學科設計(shj)優(yōu)化技術MDO。復雜產(chǎn)品的設計優(yōu)化問題可能包括多個優(yōu)化目標和分屬不同學科的約束條件。現(xiàn)代的MDO技術為解決學科間的沖突，尋求系統(tǒng)的全局最優(yōu)解提供了可行的技術途徑。目前MDO技術在國外已經(jīng)有了許多成功的案例，并出現(xiàn)了相關的商用軟件，典型的如Engineous公司的iSIGHT。國內(nèi)關于MDO技術的研究和應用也已經(jīng)展開9?？v觀數(shù)字化設計技術的開展歷程可以看出，雖然幾十年來各種技術思想層出不窮，但時空兩個方向上的協(xié)同始終是開展的主流。宏觀上看，數(shù)字化設計的開展歷程正相當于現(xiàn)代信息技術在產(chǎn)品設計領域中的應用由點開展為線，再由線開展為面

23、的過程。仿真的廣泛應用正在成為當前數(shù)字化設計技術開展的主要趨勢。隨著虛擬樣機概念的提出，使得仿真技術的應用更加趨于協(xié)同化和系統(tǒng)化。開展關于虛擬樣機及其關鍵技術的研究，必將提高企業(yè)的自主設計開發(fā)能力，推動企業(yè)的信息化進程。43 數(shù)字化設計與虛擬樣機技術的開展產(chǎn)品設計的數(shù)字化是企業(yè)信息化的重要內(nèi)容。近年來，隨著產(chǎn)品復雜性的不斷增長，以及企業(yè)間競爭的日趨劇烈，傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計方法已經(jīng)很難滿足企業(yè)當前生存和開展的需要。為了能在競爭中處于有利位置，實現(xiàn)產(chǎn)品設計數(shù)字化勢在必行。產(chǎn)品設計過程本質上是一個對信息進行采集、傳遞、加工處理的過程，其中包含了兩種重要的活動：設計活動和仿真活動。因此產(chǎn)品設計也可以看作是

24、一個設計活動和仿真活動彼此交織相互作用的過程。設計活動推動信息流程向前演進，而仿真那么是驗證設計結果的重要手段。隨著技術的開展，仿真的重要性正在不斷加強。主要有以下三個方面：1制造系統(tǒng)模型及其仿真制造系統(tǒng)模型及其仿真(fn zhn)是隨著制造設備自動化的開展(kizhn)而開展(kizhn)的。比方(b fng)針對(zhndu)數(shù)控機床的NC代碼仿真、刀位軌跡仿真，針對加工中心的加工過程仿真，針對立體倉庫的庫存操作和控制仿真，針對機器人的仿真，等等。柔性制造系統(tǒng)出現(xiàn)后，針對柔性制造車間的設計和運行，各國的研究人員進行了大量的仿真系統(tǒng)開發(fā)。2開發(fā)過程模型及其仿真從開發(fā)過程模型開展的角度來看，最

25、初是對局部加工過程的研究和仿真，仿真內(nèi)容包括加工對象和加工設備在加工過程中的運行和狀態(tài)；然后是對整個制造系統(tǒng)及生產(chǎn)過程的建模和仿真，仿真內(nèi)容包括控制策略、庫存水平、負載能力等。并行工程使人們把目光從單純的制造過程轉移到設計過程，更加注重設計過程和制造過程的一體化。設計過程的仿真和加工過程的仿真有很大的不同，設計過程的主體是設計人員，仿真的目的主要是為了縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，使設計人員能更有效地協(xié)作。經(jīng)營過程重組進一步把過程集成的概念擴展到整個企業(yè)，而供給鏈、擴展企業(yè)、虛擬企業(yè)那么研究多個企業(yè)合作中的經(jīng)營過程管理問題。供給鏈調(diào)度方面的仿真是目前研究的熱點之一。 3三類模型及其仿真的綜合集成就產(chǎn)品制造

26、中所涉及的模型種類來說，大致可以分為三類，即產(chǎn)品模型、制造系統(tǒng)模型和開發(fā)過程包括設計、加工、裝配、測試等模型。其中產(chǎn)品模型是所有活動的目的和中心，制造系統(tǒng)模型是產(chǎn)品開發(fā)必須要考慮的約束，開發(fā)過程模型是產(chǎn)品開發(fā)的使能器，也是對產(chǎn)品開發(fā)活動進行管理和控制的根底。這里的制造系統(tǒng)是一個廣義的概念，包括物料供給、加工、裝配和檢驗等所有方面。仿真技術的應用正是以這三類模型為中心展開的： A、 以產(chǎn)品模型為中心的仿真 包括產(chǎn)品的靜態(tài)和動態(tài)性能分析、產(chǎn)品的可制造性分析、產(chǎn)品的可裝配性分析。在進行產(chǎn)品開發(fā)時，要考慮的不只局限于與功能需求有關的方面，如形狀、尺寸、結構及各種物理特性，還要綜合考慮諸如制造、裝配、維

27、護、本錢等各方面的因素。因此，產(chǎn)品本身的仿真，如CAE、DFA等，是仿真技術在制造業(yè)應用的根本方面。 B、 以制造系統(tǒng)模型為中心的仿真 包括(boku)對于復雜制造裝備如加工(ji gng)中心、機器人等的仿 真、對于復雜(fz)制造系統(tǒng)柔性制造車間(chjin)的設計和運行的仿真。仿真的目的在于，確定設備(shbi)能力和運行情況，包括加工路線、資源的分配、物料的供給等。 C、以開發(fā)過程模型為中心的仿真 這類仿真，包括設計過程的仿真和制造過程的仿真。產(chǎn)品的開發(fā)大致包括設計和制造兩個階段。在設計階段，產(chǎn)品的性能和本錢就根本上確定了，而正是因為設計階段的重要性，以及設計過程中多學科協(xié)作和反復設計

28、、試驗帶來的復雜性，設計過程的建模和仿真越來越受到人們的重視。仿真的目的在于縮短周期，降低本錢。制造過程是仿真應用的傳統(tǒng)方面，制造過程的仿真必須把產(chǎn)品模型和制造系統(tǒng)模型結合起來加以考慮，但它不僅僅是兩者的簡單相加，還需考慮控制策略、庫存能力、負載能力等方面的問題。這三個方面的仿真是相互聯(lián)系、相互影響的，有時在內(nèi)容上還會有重疊。就仿真技術在制造業(yè)中應用的開展脈絡來看，總的趨勢是由局部到全局，由分散到集成，并更加注重可視化技術的應用及與用戶之間的交互。仿真的集成化是統(tǒng)一、全面地考慮產(chǎn)品生命周期中所有因素的需要，也是局部、單點仿真應用不斷開展、綜合的結果。幾乎每一種制造技術的進步都帶來了相應的模型和

29、仿真應用的開展，而仿真又是以模型為根底的9。44數(shù)字化制造技術的開展歷程從整個制造業(yè)的開展歷程來看，數(shù)字化制造技術的出現(xiàn)、開展，有著其必然性。隨著技術的開展如上所述的CAD/CAM技術的開展、數(shù)字化設計技術等的開展以及企業(yè)家追求更高的利潤空間，隨著社會整個生產(chǎn)力水平的提高，整個制造行業(yè)提出了更高的技術要求：數(shù)字化制造技術，實現(xiàn)生產(chǎn)的無人化、無紙化等生產(chǎn)。從大的方面看，大致可以分為以下三個階段。1數(shù)字制造裝備化。20世紀50年代數(shù)控機床的出現(xiàn)開辟了制造裝備的新紀元。隨著微型計算機的產(chǎn)生和開展。計算機數(shù)控的廣泛應用數(shù)控機床得到廣泛應用和提高。相繼出現(xiàn)的數(shù)控三坐標測量機(CMM)、工業(yè)機器人和數(shù)控機

30、床一起成為重要的數(shù)字化加工、測量和操作裝備7。其本質是用數(shù)字控制代替凸輪行程控制。實現(xiàn)運動數(shù)字化。數(shù)控技術開展的趨勢是提升各種裝備性能甚至使其更新?lián)Q代，即所謂的數(shù)字制造裝備(簡稱數(shù)字裝備)。2海量信息處理能力(nngl)的提高。20世紀(shj)90年代(nindi)，數(shù)字裝備的一個(y )重要的開展(kizhn)趨勢是對海量信息處理能力的提高在數(shù)字仿形技術的根底上，利用H794/ 937-4/、EI、核磁共振等數(shù)字測量設備實現(xiàn)零件幾何形狀的數(shù)字化然后通過數(shù)據(jù)預處理、外表建模、實體建模、后置處理等過程生成STL文件(或數(shù)控代碼)，驅動快速成型機(或數(shù)控機床)加工出新零件。伽馬刀、電鏡一視覺引導

31、的機器人等數(shù)字醫(yī)療設備擴展了基于視覺的數(shù)字測量儀器的應用范圍。實現(xiàn)了人體內(nèi)腔器官的數(shù)字化。數(shù)字裝備的另一個重要的開展趨勢是加工對象的尺度變化由毫米、微米到納米，陸續(xù)出現(xiàn)了顯微數(shù)字圖像處理設備、電子制造裝備等精密數(shù)字制造裝備。在技術方面，數(shù)字裝備與數(shù)字制造的研究已從單純的制造過程的幾何量(位移、多坐標聯(lián)動位移、運動形狀、微觀形狀等)的數(shù)字描述8，開展到對制造過程的物理量(溫度、流量場、應力場、熱變形、密度、物質材料等)以及知識、經(jīng)驗、信息等的數(shù)字描述。系統(tǒng)的形式化、數(shù)字化描述與處理成為當前研究熱點，包括海量信息處理微納識別和分辨率，物理過程仿真與分析(包括有限元方法、三角劃分、復雜邊界物理方程求

32、解等)、網(wǎng)格計算以及物理本質的探索等。在20世紀90年代中期通過并聯(lián)機構與數(shù)控技術的結合，產(chǎn)生了并聯(lián)機床又稱虛擬軸機床，其應用逐漸擴展到虛擬軸坐標測量機、六維力傳感器等精密測量平臺設備。但從目前的技術開展來看，并聯(lián)機床還不能成為數(shù)控機床的主流產(chǎn)品。只在輕工、食品加工以及大型天文望遠鏡方面等具有一定用武之地。在數(shù)字裝備的研究方面應該擴大范圍要大力開展以電子制造裝備、大型醫(yī)療裝備、精密科學儀器、精密數(shù)控裝備等數(shù)字裝備為代表的高技術產(chǎn)業(yè)所需裝備。3虛擬制造階段。作為現(xiàn)代制造裝備“靈魂的數(shù)控系統(tǒng)已由NC、CNC時代進入了PCNC和NETNC時代其主要目標都是開發(fā)具有智能化和柔性化的新一代開放式數(shù)控系統(tǒng)

33、，將各種新工藝、新技術、新方法集成于控制系統(tǒng)的根底平臺開發(fā)先進制造裝備的支撐環(huán)境。數(shù)字化制造技術起源于美國，經(jīng)過多年的開展，現(xiàn)已進入了基于產(chǎn)品數(shù)字樣機的虛擬制造階段，并形成了完備的應用體系。波音公司設計的777型大型客機是世界上首架以三維無紙化方式設計出的飛機，它的制造成功已經(jīng)成為虛擬制造技術從理論研究轉向實用化的一個里程碑。目前，美國、歐洲、日本等國在新產(chǎn)品研制中，均全面應用了以敏捷制造、精益制造和虛擬制造、復合高效加工、自適應控制為代表的先進制造技術，并大大縮短了產(chǎn)品的制造周期。目前，虛擬制造技術已經(jīng)用于產(chǎn)品的裝配和加工過程仿真、產(chǎn)品維修性分析等；自適應控制技術在數(shù)控加工程序的優(yōu)化已得到廣

34、泛應用。5數(shù)字化制造(zhzo)的關鍵技術和核心技術在數(shù)字化制造(zhzo)技術的開展(kizhn)過程(guchng)中，有著其一系列的關鍵技術和核心技術。主要(zhyo)有如下幾點12：1關鍵技術A、制造過程的建模與仿真制造過程的建模與仿真是在一臺計算機上用解析或數(shù)值的方法表達或建模制造過程。建模通常基于制造工藝本身的物理和化學知識，并為實驗所驗證。目前，仿真與建模已成為推進制造過程設計、優(yōu)化和控制的有效手段。B、網(wǎng)絡化敏捷設計與制造利用快速開展的網(wǎng)絡技術改善企業(yè)對市場的響應力。網(wǎng)絡化敏捷設計與制造重點開展領域應包括：敏捷信息根底結構。敏捷產(chǎn)品設計技術，敏捷工藝設計技術?；诰W(wǎng)絡的研究開發(fā)

35、，敏捷生產(chǎn)技術10。C、虛擬產(chǎn)品開發(fā)虛擬產(chǎn)品開發(fā)有四個核心要素：數(shù)字化產(chǎn)品和過程模型、產(chǎn)品信息管理、高性能計算與通訊和組織、管理的改變。2核心技術A、計算機輔助工業(yè)設計(CAID)。計算機輔助工業(yè)設計是指以計算機技術為輔助手段進行產(chǎn)品的藝術化工業(yè)設計，主要是指對批量生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品的材料、外型、色彩、結構、外表加工等方面的設計工作。CAID的一般過程有市場調(diào)查、產(chǎn)品概念草圖設計、彩色效果圖設計、三維效果圖設計、三維造型設計、產(chǎn)品零件圖和技術要求說明等。所用到的主要工具包括：Alias、CorelDraw、3DMAX、ProCDRS等。B、計算機輔助設計與制造(CADCAM)。計算機輔助設計(sh

36、j)與計算機輔助制造已密不可分，在許多領域尤其是模具業(yè)，由于其單件或小批量加工的特點采用CADCAM技術進行生產(chǎn)(shngchn)的優(yōu)勢非常明顯。CADCAM主要是指采用先進的計算機軟硬件手段進行產(chǎn)品三維造型、結構設計、裝配(zhungpi)仿真、加工仿真、數(shù)控加工編程等，其中產(chǎn)品的三維造型是根底(gnd)，從CAD三維模型(mxng)到數(shù)控加工程序的生成通常不需人工干預，可由CAM軟件自動產(chǎn)生。產(chǎn)品的三維造型設計通常有正向設計和逆向設計兩種。正向設計是指通過工程師對待開發(fā)產(chǎn)品概念的理解來進行產(chǎn)品的設計即由概念到圖紙或數(shù)字模型的過程。逆向工程那么是從已有產(chǎn)品或實物模型出發(fā)。反求產(chǎn)品原始設計參數(shù)

37、并在此根底上進行產(chǎn)品的設計開發(fā)。正向設計講究的是創(chuàng)意。通常開發(fā)周期較長；逆向設計那么較快，可實現(xiàn)一般正向設計無法實現(xiàn)的產(chǎn)品設計，有時只是對成功產(chǎn)品的復制。開發(fā)本錢一般較低。目前最常用的CAD，CAM設計工具有：UG、ProE、CATIA、Power-ShapePowerMill等。其中UG、Pro /E應用較普遍,而CATIA在航空、汽車工業(yè)領域的應用近年來呈上升趨勢。對逆向設計而言,如果測量手段為簡單的手工測量或通用三坐標測量機(CMM) ,所得數(shù)據(jù)較少(一般少于一萬點) ,可使用UG、Pro /E或CATIA進行處理并生成最終三線數(shù)模;如果采用的測量工具為激光掃描,因數(shù)據(jù)量非常大(一般有1

38、00萬點以上) ,需要大數(shù)據(jù)(點云)處理軟件如CopyCAD、Geomagic、Surfacer等,來對數(shù)據(jù)進行處理,其輸出為可被通用CAD /CAM軟件所接受的STL、IGES、DXF等。C、快速成型。采用激光等技術將樹酯、ABS、PC等材料按產(chǎn)品的三維造型(S11格式)進行快速燒結并成型。這種成型技術可以不必制造模具就做出完整的樣機不僅可大大加速了新產(chǎn)品的開發(fā)進度。還可節(jié)約大量本錢。D、三坐標測量及計算機輔助檢測(CMMCAI)。產(chǎn)品逆向設計最根本的就是對樣件的三維測量或三維數(shù)字化。計算機輔助檢測(CAI或CAV)是最近幾年才廣泛應用的，尤其是在歐美興旺國家三維掃描測量的一半以上的應用為產(chǎn)

39、品的快速檢測。即比擬產(chǎn)品與設計間的誤差，從而找到改良產(chǎn)品制造工藝或設計方案的方法。除了傳統(tǒng)的手工測量外，常見的數(shù)字化方法包括三坐標測量機測量、光柵掃描、以及的三維激光掃描等多種。三坐標測量機測量的主要工具是三坐標測量機(CMM)，是目前使用最廣泛的高精度測量手段12。主要有龍門式、立柱式、機器臂式等幾種。6數(shù)字化制造(zhzo)技術的未來(wili)開展(kizhn)展望(zhnwng)隨著計算機和網(wǎng)絡(wnglu)技術的開展，使得基于多媒體計算機系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡的數(shù)字化制造技術為現(xiàn)代制造系統(tǒng)的并行作業(yè)、分布式運行、虛擬協(xié)作、遠程操作與監(jiān)視等提供了可能。數(shù)字化制造技術與產(chǎn)品的開展趨勢如下13：1 制造信息的數(shù)字化制造信息的數(shù)字化將實現(xiàn)C A D/C A P P / C A M / C A E的一體化，使產(chǎn)品向無圖樣制造方向開展，如產(chǎn)品C A D數(shù)據(jù)經(jīng)過校核，直接傳送給數(shù)控機床完成加工就是一例。2制造業(yè)向互聯(lián)網(wǎng)輔助制造方向開展通過局域網(wǎng)實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部并行工程，通過因特網(wǎng)建立跨地區(qū)的虛擬企業(yè)，實現(xiàn)資源共享優(yōu)化配置，使制造業(yè)向互聯(lián)網(wǎng)輔助制造方向開展?，F(xiàn)在不少企業(yè)已在數(shù)字化網(wǎng)絡電子商務方面邁出了可喜的四大步：1轉變Transform。企業(yè)核心的流程轉變，以