论数字化制造

论数字化制造华中理工大学周济一、序言作为国民经济支柱的我国制造业企业普遍Ｉ　　　　ＷＴＸ需解决诸如质量不稳定、产品水平低；生产集中度低、分散重复严重；科技基础薄弱，自主开发能力差：企业装备陈旧，生产工艺落后；基础管理薄弱等问题。这些问题的解决在很大程度上将是缩小我国制造业总体技术水平与工业发达国家制造业技术水平之间差距的关键。２０世纪末期，全球制造业企业环境发生了若干显著变化，主要表现在：　　　　产品生命周期缩短，交货期成为主要竞争因素；大市场和大竞争：用户需求个性化，多品种小批量生产比例增大。环境的变化促使制造业企业的经营观念和对制造系统的要求发生了深刻的改变。人们从不同角度提出了各种制造新模式和新哲理，如计算机集成制造、精益生产、并行工程、敏捷制造、业务过程重组、计算机集成产品工程、协同控制和智能制造、“数码工厂”或“数字化服务”等。这些新模式和新哲理的共同的核心是，在制造业企业中全面推行数字化制造，通过在产品全生命周期中的各个环节普及与深化计算机技术的应用，促进传统产业全方位的技术更新，使企业在持续动态多变、不可预测的全球性市场竞争环境中生存发展并不断地扩大其竞争优势。２１世纪是数字化和信息化的时代，为了保证我国国民经济的持续发　　　　展，缩小甚至消除与工业发达国家的差距，必须走跨越式发展道路，大力发展作为制造业主体技术的数字化制造技术。二、数字化制造的内涵数字化制造主要涉及数字化设计、数字化加工和数字化管理，下面从　　　　这三个方面来阐述“数字化制造”的内涵。１．设计　　　　　　　　数字化制造围绕“以产品建模为基础，以优化设计为主体”的主题，追求产品设计智能化与优化。通过给设计人员提供有效的工具与技术，提高企业创新能力；通过完善各种基于产品模型的分析与优化技术，提高产品质量。２．加工　　　　　　　　数字化制造围绕“以数控技术为工具”的主题，追求合理程度的加工自动化。通过ＣＡＭ及其与ＣＡＤ等的集成技术与工具的应用，在产品加工方面解决如下问题：加工状态与过程的数字化表述、非符号化加工知识的表述、加工信息的可靠获取与传递、加工信息的定量化／分类／评价，以及生产过程的全面数字化控制等。３．管理　　　　　　　　数字化制造围绕“以数据管理为核心”的主题，追求产品开发的集成化、产品全生命周期的优化以及企业的全局优化与最佳模式运作。通过建立数字化产品模型，对产品全生命周期中所有相关方面（如产品数据、企业资源数据等）进行数字化定量、表述、存储、处理和控制等。三、ＣＡＤ是数字化制造的重要手段ＣＡＤ的发展经历Ｔ计算机辅助绘图ＣＡ　　　　Ｄ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｉｄｅｄ　Ｄｒａｗｉｎｇ），计算机辅助设计ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｉｄｅｄ　Ｄｅｓｉｇｎ）等阶段。而当前的ＣＡＤ技术涵盖范围广泛，几乎涉及产品的整个生命周期的方方面面。因此，可以认为当前的ＣＡＤ技术已经逐步进入计算机辅助产品开发ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ＡｉｄｅｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ）阶段。正是因为ＣＡＤ技术的内涵与外延在不断地深化和拓展，使得ＣＡＤ技术成为了数字化制造的重要手段。当前，在ＣＡＤ领域的新技术主要有曲面与实体集成核心技术、大型组　　　　件设计技术、模型资料的交换技术，以及ＣＡＤ设计方法技术一二维／三维ＣＡＤ的集成与应用等。　　　　目前，国内如下单位在ＣＡＤ技术研究及其产业化方面较有影响：华中理工大学、清华大学、浙江大学、北京航空航天大学，以及一些以高等院校为技术支撑的科研院所。华中理工大学多年来一直非常重视跟踪国内外最新进展并持续投入大　　　　量人力、物力与财力进行相关的研究与产业化工作，取得了一系列成果。如在“七五”期间与其它院校联合完成了国家科技攻关项目“优化设计及计算系统”，于１９９０年通过了专家鉴定。该系统为在我国推广应用优化技术提供了重要的工具，可以广泛应用于机械、电子、建筑、化工等工程设计领域，并己经应用于生产实际，解决了许多工程优化设计问题。而以华中理工大学国家ＣＡＤ支撑软件工程技术研究中心（武汉）为依托发展起来的武汉天喻信息产业有限责任公司，是我国ＣＡＤ，　ＣＩＭＳ信息化高新技术产业公司之一。该公司成立以来，以市场为导向，将科研成果迅速产品化，先后推出了三大类多个品种的Ｉｎｔｅ系列ＣＡＤ，　ＣＩＭＳ产品，并在许多企业中推广应用。目前，公司已成为国内最大的自主版权ＣＡＤ软件企业之一。经过国家“七五”、“八五”与“九五”攻关的长期努力，目前国内二　　　　维ＣＡＤ技术已经相当成熟，而且在某些方面甚至超出了国外同类产品的水平，并在国内企业得到了可喜的普及，取得了很好的经济效益和社会效益。相对而言，国内三维ＣＡＤ软件在市场占有率方面与国外同类产品还有一定差距，但在某些技术方面己经具备了与国外同类产品抗衡的实力，在系统功能上也颇有一些自己的独到之处。总之，从长远来看，国内自主版权的ＣＡＤ系统具有强大的生命力：一是国内企业的设计人员无论是在界面还是在操作方式和习惯上，依然倾向于国内的ＣＡＤ系统：二是在价格上，国内ＣＡＤ系统具有很大的优势；三是在技术支持、售后服务和二次开发方面，国内ＣＡＤ系统也具有非常明显的优势。总之，我们应当抓住机遇，走“用创新求发展、靠应用创效益”的跨越式发展之路，如在设计软件中体现机电一体化思想等，在瞄准国内市场的同时，着眼国外市场的开拓，有理由相信国内的二维ＣＡＤ与三维ＣＡＤ将有着巨大的生存空间。特别是，力争在今后５年内，在前阶段“甩图板”工程取得显著成效的基础上，完善并大力推广应用适合微机的产品三维设计系统，使我国制造业企业设计水平总体上再上一个新台阶。四、数控技术是数字化制造的重要工具２０世纪５０年代创新出数控技术，将传统的由工人、机械模板、行程开　　　　关产生的加工信息数字化，开创了现代制造技术的新局面。随着信息化与数字化时代的到来，数控技术作为制造自动化的基础，成为实现数字化制造的重要工具。数控技术直接体现着一个国家工业现代化的水平，影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。为此，世界上各工业发达国家均采取措施来发展自己的数控技术及其产业。数控技术主要包括两个方面：数控设备和数控系统，两者在一定程度　　　　上相辅相成。如果让制造业企业每隔一年或几个月就对数控设备进行一次全面的加工误差检测，并通过数控系统进行软件补偿，完全能够大大地提高加工质量，这是我们自主产业的巨大优势所在。例如，被列入“考克斯”报告的美国二手数控加工中心在改造前，机械精度严重损坏，控制系统己老化而无法正常工作。然而，就是在既无图纸又无备件的状况下，经装备华中Ｉ型实施改造后，该加工中心己经达到九十年代技术水平。限于硬件基础薄弱，我国数控系统长期以来处于落后水平，中高档数　　　　控系统依赖国外并受到严格的技术封锁。近年来，我国在数控产业方面取得了相当大的进步。特别是在通用微机数控领域，以ＰＣ平台为基础的国产数控系统，已经走在了世界前列。例如，华中理工大学在１９９３年承担了国家“八五”重点科技攻关专题“高性能数控系统的研究与开发”，成功研制了“华中Ｉ型数控系统”。华中Ｉ型是我国具有自主版权的高性能数控系统，它以通用工业微机为平台，软件技术创新突破，具有高性能、低成本、可靠性好的特点，易于产业化。在技术鉴定中，华中Ｉ型被认为“有多项创新”、系统达到“国际先进”水平，其中直接插补ＳＤＩ五轴控制技术为“国际首创”。在１９９５年北京机床博览会上，配国产系统展出的１１台机床中，有７台配用华中Ｉ型。华中Ｉ型在１９９７年获国家教委科技进步一等奖，同年列入“国家级重点新产品”和“九五国家科技成果重点推广”计划，并被３个国家“九五”数控示范工程选用。目前，华中Ｉ型已具有一定的产业规模，拥有车、铣、锻、磨、齿轮、激光等十多个系列品种，特别是在一些重大关键设备中得到了应用，产生了巨大的社会效益和经济效益，对发展我国数控产业起到了重要作用。但是，目前我国在数控技术研究和产业发展方面还存在不少问题，特　　　　别是在技术创新能力、商品化进程、市场占有率等方面尤为突出。如何解决这些问题，使我国数控领域沿着可持续发展的道路，从整体上全面迈入世界先进行列，使我们在国际竞争中有举足轻重的地位，将是数控研究开发部门和生产厂家所面临的重要任务。五、信息集成技术是当前企业和数字化制造之间的桥梁ＣＡＤ，　　　　　ＣＡＭ，　ＣＡＰＰ，　ＰＤＭ等技术作为制造业企业保持竞争力的有力Ｌ具，在缩短产品上市时间、提高产品质量、降低成本等方面具有重要的作用，也是当前企业和数字化制造之间的桥梁。例如，当前在ＰＣ级ＣＡＤ软件的发展过程中，最值得注意的就是所有的ＰＣ级ＣＡＤ软件不约而同地同时提出了ＣＡＤ，　ＣＡＭ，　ＣＡＰＰ，　ＰＤＭ等软件集成的解决方案：可以说，ＣＡＤ，　ＣＡＭ，ＣＡＰＰ，　ＰＤＭ等的无缝集成技术已经势在必行。目前，ＣＡＤ，　　　　　ＣＡＭ，　ＣＡＰＰ，　ＰＤＭ等系统的集成方式归纳起来主要有两种途径：一是通过数据交换，如开发专用接口软件或采用数据交换标准（如工ＧＥＳ，　ＳＴＥＰ等）来实现己有不同系统之间的集成；二是开发集成的ＣＡＤ，ＣＡＰＰ，　ＣＡＭ，　ＰＤＭ等系统，通过统一的产品信息模型和数据库管理系统，实现不同应用间的无缝连接。相对而言，ＣＡＭ软件较其它软件的开发速度慢许多，却也不约而同地持续朝向集成的方向发展。如华中理工大学１１前已先后推出了ＩｎｔｅＣＡＤ，　ＩｎｔｅＣＡＭ，　ＩｎｔｅＰＤＭ，　ＩｎｔｅＡＭＳ等Ｉｎｔｅ系列商品化软件以及开目ＣＡＤ、开目ＣＡＭ、开目ＰＤＭ、开目Ｍ工Ｓ、开目ＰＤＭ等开目系列商品化软件。六、我国企业实施数字化制造还有很长的路要走根据前面对“数字化制造”的内涵的论述，放眼当前国内外技术前沿，　　　　分析国内外制造业现状，我国企业实施数字化制造还有许多问题有待解决，在此略举一二。１．数字化设计平台技术　　　　数字化设计平台是产品数字化设计的基础口将面向对象技术和特征造　　　　型技术结合起来，着重研究产品几何信息的生成和利用，以完成全参数化的特征造型、智能化的装配以及全关联的工程图的自动生成等。这里，包括几何引擎技术、面向逆向工程的混合造型技术等。　　　　２．虚拟仿真平台技术和基于物理的数字化仿真技术这里，主要包括：虚拟产品分析技术、基于物理的虚拟产品及产品实　　　　现过程仿真技术以及虚拟产品开发平台的建造等口　　　　３．基于ＰＤＭ的并行协同管理技术异地协同设计与加工技术是实现敏捷制造的重要方法和手段，它的目　　　　标是使产品设计与加工可以并行、及时地通过计算机网络进行。例如，协同工作技术、工作流管理技术等。七、结束语半个世纪以来，计算机和通讯技术的发展极大地拓展了制造业的广度　　　　和深度，产生了一批新的制造哲理和制造技术，使制造业己经并将继续发生一系列重大的变化。　　　　２１世纪，人类将进入知识经济时代。知识经济是以不断创新的知识以及对这种知识的创新性应用为主要基础发展起来的经济，这是一种知识密集型经济。制造业作为社会财富主要创造者，将再次成为２１世纪战略产业。同时，信息革命将进一步加速和深化市场全球化，大大促进现代企业呈现集团化、多元化和动态联盟的发展趋势。　　　　在这样一个大环境下，数字化制造成为制造业企业顺应时代发展而必须掌握的技术。我国必须把握住战略时机，走“用创新求发展、靠应用创效益”的跨越式发展之路。