數字化製造技術

通俗地說：數字化就是將許多複雜多變的信息轉變為可以度量的數字、數據，再以這些數字、數據建立起適當的數字化模型，把它們轉變為一系列二進位代碼，引入計算機內部，進行統一處理，這就是數字化的基本過程。計算機技術的發展，使人類第一次可以利用極為簡潔的“0”和“1”編碼技術，來實現對一切聲音、文字、圖像和數據的編碼、解碼。各類信息的採集、處理、貯存和傳輸實現了標準化和高速處理。數字化製造就是指製造領域的數字化，它是製造技術、計算機技術、網路技術與管理科學的交叉、融和、發展與應用的結果，也是製造企業、製造系統與生產過程、生產系統不斷實現數字化的必然趨勢，其內涵包括三個層面：以設計為中心的數字化製造技術、以控制為中心的數字化製造技術、以管理為中心的數字化製造技術。

1. NC機床（數控機床）的出現

1952年，美國麻省理工學院首先實現了三坐標銑床的數控化，數控裝置採用真空管電路。1955年，第一次進行了數控機床的批量製造。當時主要是針對直升飛機的旋翼等自由曲面的加工。

2. CAM處理系統APT（自動編程工具）出現

1955年美國麻省理工學院(MIT)伺服機構實驗室公布了APT(Automatically Programmed Tools)系統。其中的數控編程主要是發展自動編程技術。這種編程技術是由編程人員將加工部位和加工參數以一種限定格式的語言(自動編程語言)寫成所謂源程序，然後由專門的軟體轉換成數控程序。

3. 加工中心的出現

1958年美國K&T公司研製出帶ATC(自動刀具交換裝置)的加工中心。同年，美國UT公司首次把銑鑽等多種工序集中於一台數控銑床中，通過自動換刀方式實現連續加工，成為世界上第一台加工中心。

4. CAD（計算機輔助設計）軟體的出現

1963年於美國出現了cad 的商品化的計算機繪圖設備，進行二維繪圖。70年代，發展出現了三維的 cad表現造型系統，中期出現了實體造型。

5. FMS（柔性製造系統）系統的出現

1967年，美國實現了多台數控機床連接而成的可調加工系統，最初的FMS（Flexible manufacturing system）

6. CAD/CAM（計算機輔助設計/計算機輔助製造）的融合

進入70年代，CAD、CAM開始走向共同發展的道路。由於CAD與CAM所採用的數據結構不同，在CAD/CAM技術發展初期，主要工作是開發數據介面，溝通CAD和CAM之間的信息流。不同的CAD、CAM系統都有自己的數據格式規定，都要開發相應的介面，不利於CAD/CAM系統的發展。在這種背景下，美國波音公司和GE公司於1980年制定了數據交換規範IGES(Initia Graphics Exchange Specifications)，從而實現CAD/CAM的融合。

7. CIMS（計算機集成製造系統）的出現和應用

80年代中期，出現CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）計算機集成製造系統，波音公司成功應用於飛機設計，製造，管理，將原需八年的定型生產縮短至三年。

8. CAD/CAM軟體的空前繁榮

80年代末期至今，CAD/CAM一體化三維軟體大量出現，如：CADAM，CATIA，UG，I-DEAS，Pro/E，ACIS，MASTERCAM等，並應用到機械、航空航天、汽車、造船等領域。

1. CAD---計算機輔助設計

CAD在早期是英文Computer Aided Drawing (計算機輔助繪圖)的縮寫，隨著計算機軟、硬體技術的發展，人們逐步的認識到單純使用計算機繪圖還不能稱之為計算機輔助設計。真正的設計是整個產品的設計，它包括產品的構思、功能設計、結構分析、加工製造等，二維工程圖設計只是產品設計中的一小部分。於是CAD的縮寫由Computer Aided Drawing改為 Computer Aided Design，CAD也不再僅僅是輔助繪圖，而是協助創建、修改、分析和優化的設計技術。

2. CAE---計算機輔助工程分析

CAE (Computer Aided Engineering)通常指有限元分析和機構的運動學及動力學分析。有限元分析可完成力學分析(線性。非線性。靜態。動態)；場分析(熱場、電場、磁場等)；頻率響應和結構優化等。機構分析能完成機構內零部件的位移、速度、加速度和力的計算，機構的運動模擬及機構參數的優化。

3. CAM---計算機輔助製造

CAM（Computer Aided Manufacture）是計算機輔助製造的縮寫，能根據CAD模型自動生成零件加工的數控代碼，對加工過程進行動態模擬、同時完成在實現加工時的干涉和碰撞檢查。CAM系統和數字化裝備結合可以實現無紙化生產，為CIMS（計算機集成製造系統）的實現奠定基礎。CAM中最核心的技術是數控技術。通常零件結構採用空間直角坐標系中的點、線、面的數字量表示，CAM就是用數控機床按數字量控制刀具運動，完成零件加工。

4. CAPP---計算機輔助工藝規劃

世界上最早研究CAPP的國家是挪威，始於1966年，並於1969年正式推出世界上第一個CAPP系統AutoPros，並於1973年正式推出商品化AutoPros系統。美國是60年代末開始研究CAPP的，並於1976年由CAM-I公司推出頗具影響力的CAP-I's Automated Process Planning系統。

5. PDM---產品資料庫管理

隨著CAD技術的推廣，原有技術管理系統難以滿足要求。在採用計算機輔助設計以前，產品的設計、工藝和經營管理過程中涉及到的各類圖紙、技術文檔、工藝卡片、生產單、更改單、採購單、成本核算單和材料清單等均由人工編寫、審批、歸類、分發和存檔，所有的資料均通過技術資料室進行統一管理。自從採用計算機技術之後，上述與產品有關的信息都變成了電子信息。簡單地採用計算機技術模擬原來人工管理資料的方法往往不能從根本上解決先進的設計製造手段與落後的資料管理之間的矛盾。要解決這個矛盾，必須採用PDM技術。

PDM（產品數據管理）是從管理CAD/CAM系統的高度上誕生的先進的計算機管理系統軟體。它管理的是產品整個生命周期內的全部數據。工程技術人員根據市場需求設計的產品圖紙和編寫的工藝文檔僅僅是產品數據中的一部分。PDM系統除了要管理上述數據外，還要對相關的市場需求、分析、設計與製造過程中的全部更改歷程、用戶使用說明及售後服務等數據進行統一有效的管理。

PDM關注的是研發設計環節。

6. ERP---企業資源計劃

企業資源計劃系統，是指建立在信息技術基礎上，對企業的所有資源（物流、資金流、信息流、人力資源）進行整合集成管理，採用信息化手段實現企業供銷鏈管理，從而達到對供應鏈上的每一環節實現科學管理。

ERP系統集中信息技術與先進的管理思想於一身，成為現代企業的運行模式，反映時代對企業合理調配資源，最大化地創造社會財富的要求，成為企業在信息時代生存、發展的基石。在企業中，一般的管理主要包括三方面的內容：生產控制（計劃、製造）、物流管理（分銷、採購、庫存管理）和財務管理（會計核算、財務管理）。

7. RE---逆向工程技術

對實物作快速測量，並反求為可被3D軟體接受的數據模型，快速創建數字化模型（CAD）。進而對樣品進而作修改和詳細設計，達到快速開發新產品的目的。屬於數字化測量領域。

8. RP---快速成型

快速成型（Rapid Prototyping）技術是90年代發展起來的，被認為是近年來製造技術領域的一次重大突破，其對製造業的影響可與數控技術的出現相媲美。RP系統綜合了機械工程、CAD、數控技術，激光技術及材料科學技術，可以自動、直接、快速、精確地將設計思想物化為具有一定功能的原型或直接製造零件，從而可以對產品設計進行快速評價、修改及功能試驗，有效地縮短了產品的研發周期。

1. 利用基於網路的CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM集成技術，實現產品全數字化設計與製造

在CAD/CAM應用過程中，利用產品數據管理PDM技術實現并行工程，可以極大地提高產品開發的效率和質量，企業通過PDM可以進行產品功能配置，利用系列件、標準件、借用件、外購件以減少重複設計，在PDM環境下進行產品設計和製造，通過CAD/CAE/CAPP/CAM等模塊的集成，實現產品無圖紙設計和全數字化製造；

2. CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM技術與企業資源計劃、供應鏈管理、客戶關係管理相結合，形成製造企業信息化的總體構架

CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM技術主要用於實現產品的設計、工藝和製造過程及其管理的數字化；企業資源計劃ERP是以實現企業產、供、銷、人、財、物的管理為目標；供應鏈管理SCM用於實現企業內部與上游企業之間的物流管理；客戶關係管理CRM可以幫助企業建立、挖掘和改善與客戶之間的關係。上述技術的集成，可以整合企業的管理，建立從企業的供應決策到企業內部技術、工藝、製造和管理部門，再到用戶之間的信息集成，實現企業與外界的信息流、物流和資金流的順暢傳遞，從而有效地提高企業的市場反應速度和產品開發速度，確保企業在競爭中取得優勢；

3. 虛擬設計、虛擬製造、虛擬企業、動態企業聯盟、敏捷製造、網路製造以及製造全球化，將成為數字化設計與製造技術發展的重要方向

虛擬設計、虛擬製造技術以計算機支持的模擬技術為前提，形成虛擬的環境、虛擬設計與製造過程、虛擬的產品、虛擬的企業，從而大大縮短產品開發周期，提高產品設計開發的一次成功率。特別是網路技術的高速發展，企業通過國際網際網路、區域網和內部網，組建動態聯盟企業，進行異地設計、異地製造，然後在最接近用戶的生產基地製造成產品；

4. 以提高對市場快速反應能力為目標的製造技術將得到超速發展和應用

瞬息萬變的市場促使交貨期成為競爭力諸多因素中的首要因素。為此，許多與此有關的新觀念、新技術在21世紀將得到迅速的發展和應用。其中有代表性的是：并行工程技術、模塊化設計技術、快速原型成形技術、快速資源重組技術、大規模遠程定製技術、客戶化生產方式等；

5.製造工藝、設備和工廠的柔性、可重構性將成為企業裝備的顯著特點

先進的製造工藝、智能化軟體和柔性的自動化設備、柔性的發展戰略構成未來企業競爭的軟、硬體資源；個性化需求和不確定的市場環境，要求克服設備資源沉澱造成的成本升高風險，製造資源的柔性和可重構性將成為21世紀企業裝備的顯著特點。將數字化技術用於製造過程，可大大提高製造過程的柔性和加工過程的集成性，從而提高產品生產過程的質量和效率，增強工業產品的市場競爭力。