數(shù)字化是制造技術(shù)創(chuàng)新的基本手段

1、數(shù)字化是制造技術(shù)創(chuàng)新的基本手段數(shù)字化改變了社會, 改變了制造, 改變了制造技術(shù)。 從手工作業(yè)使用圖板到 計算機二維繪圖和NC加工, 從三維設(shè)計到數(shù)字樣機, 由數(shù)字化工藝過程設(shè)計到 數(shù)字化制造、虛擬制造,從 CAD 應(yīng)用到數(shù)字化企業(yè)(Digital Enterprise 的發(fā) 展, 使傳統(tǒng)的制造發(fā)生了質(zhì)的變革。 數(shù)字化程度已經(jīng)成為衡量設(shè)計制造技術(shù)水平 的重要標志。實踐表明,數(shù)字化技術(shù)是縮短產(chǎn)品研制周期、降低研制成本、提高 產(chǎn)品質(zhì)量的有效途徑,是建立現(xiàn)代產(chǎn)品快速研制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。人類在20世紀取得了令人矚目的制造技術(shù)成果, 其中 CAD/CAM技術(shù)是突破 性創(chuàng)新成果, 并由此孕育了先進制造技術(shù)。 在

2、先進制造技術(shù)的發(fā)展過程中, 有四 項技術(shù)具有里程碑的性質(zhì), 分別是CAD技術(shù)、 NC技術(shù)、 智能技術(shù)和集成技術(shù)。1. CAD/CAM技術(shù)奠定了數(shù)字化設(shè)計制造的基礎(chǔ)產(chǎn)品幾何、狀態(tài)等的表達、傳遞是設(shè)計制造過程的核心。傳統(tǒng)的以“工程圖 紙” 為核心的設(shè)計制造技術(shù)體系構(gòu)建了以模擬量傳遞為特征的制造模式。 CAD 技術(shù)的發(fā)展使得對產(chǎn)品及其零件的表達、 傳遞可以采用數(shù)字化形式精確表達, 從 而推動了二維CAD和三維CAD的研究和應(yīng)用。 由此形成了以 “三維幾何模型” 為核心的數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)體系, 實現(xiàn)了以數(shù)字量傳遞和控制為特征的先進制 造技術(shù)。目前,產(chǎn)品的數(shù)字化定義、數(shù)字樣機、虛擬仿真等已成為產(chǎn)品研制

3、的基 本手段和技術(shù)選擇。CAD 技術(shù)起步于20世紀50年代后期。60年代,隨著計算機軟硬件技術(shù) 的發(fā)展,在計算機屏幕上繪圖變?yōu)榭赡? CAD 開始迅速發(fā)展。人們希望借助此項 技術(shù)來擺脫煩瑣、費時、精度低的傳統(tǒng)手工繪圖,即“甩圖板” 。此時CAD技 術(shù)的出發(fā)點是用傳統(tǒng)的三視圖的方法來表達零件,以圖紙為媒介進行技術(shù)交流, 即二維計算機繪圖技術(shù)。在CAD軟件開發(fā)初期, CAD 的含義僅僅是計算機輔助 繪圖 (Computer Aided Drawing , 此后逐步發(fā)展形成了計算機輔助設(shè)計 (Computer Aided Design 的概念。 CAD 技術(shù)以二維繪圖算法為主要目標的研究與應(yīng)用一直

4、持續(xù)到 70年代末期。 60年代初期出現(xiàn)了三維 CAD 系統(tǒng),起初是極為簡單的,只 能表達基本幾何信息線框系統(tǒng), 不能有效表達幾何數(shù)據(jù)間的拓撲關(guān)系, 缺乏形體 的表面信息。進入 70年代,正值飛機和汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展時期,飛機及汽車制造過程 中遇到大量的自由曲面問題, 當時只能采用多截面視圖、 特征緯線的方式來近似 表達所設(shè)計的自由曲面。 由于三視圖方法表達的不完整性, 經(jīng)常發(fā)生設(shè)計完成后, 制作出來的樣品與設(shè)計者所想象的有很大差異甚至完全不同的情況, 這樣大大拖 延了產(chǎn)品研發(fā)時間。 此時法國人提出了貝塞爾算法, 使人們用計算機處理曲線及 曲面問題變得可行, 同時也使得法國達索飛機制造公司的開

5、發(fā)者們, 能在二維繪 圖系統(tǒng) CADAM 的基礎(chǔ)上, 開發(fā)出以表面模型為特點的自由曲面建模方法, 推出了 三維曲面造型系統(tǒng) CATIA 。 它的出現(xiàn)標志著計算機輔助設(shè)計技術(shù)從單純模仿工程 圖紙的三視圖模式解放出來, 首次實現(xiàn)計算機完整描述產(chǎn)品零件的主要信息, 同 時也使得 CAD 技術(shù)的開發(fā)有了現(xiàn)實的基礎(chǔ)。 曲面造型系統(tǒng)為人類帶來了第一次C AD技術(shù)革命,改變了以往只能借助油泥模型來近似表達曲面的落后的工作方 式。70年代末到80年代初,隨著 CAD 技術(shù)的迅速發(fā)展, CAE /CAM 技術(shù)也開始有了較大發(fā)展。 SDRC 公司在當時星球大戰(zhàn)計劃背景下,由美國宇航局支持及 合作,開發(fā)出了許多專用

6、分析模塊,用以降低巨大的太空實驗費用,而 UG 則側(cè) 重在曲面技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展 CAM 技術(shù),用以滿足麥道飛機零部件的加工需求。 由于表面模型技術(shù)只能表達形體的表面信息,難以準確表達零件的其他特 征,如質(zhì)量、重心、慣性矩等,從而提出了對實體造型技術(shù)的需求。由于實體造 型技術(shù)能夠精確表達零件的全部屬性, 在理論上有助于統(tǒng)一 CAD /CAE /CAM 的模 型表達, 給設(shè)計帶來了驚人的方便性。 可以說, 實體造型技術(shù)的普及應(yīng)用標志著 CAD 發(fā)展史上的第二次技術(shù)革命。 進入80年代中期, CV 公司提出了一種比無約 束自由造型更新穎、更好的算法參數(shù)化特征造型方法。它具有基于特征、 全尺寸約束、全

7、數(shù)據(jù)相關(guān)、尺寸驅(qū)動設(shè)計修改的特征?？梢哉J為,參數(shù)化技術(shù)的 應(yīng)用主導(dǎo)了CAD發(fā)展史上的第三次革命。 此時眾多 CAD /CAE /CAM 軟件開發(fā)公 司群雄逐鹿。 80年代后期到90年代, CAD向系統(tǒng)集成化方向發(fā)展, 引起了 CAD發(fā)展史上的第四次革命。 特別是波音777實現(xiàn)了全數(shù)字樣機, 進一步發(fā) 展了數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)。2. NC 技術(shù)促進數(shù)控設(shè)備的發(fā)展,實現(xiàn)產(chǎn)品制造的數(shù)字化制造設(shè)備的數(shù)控化已成為一個大趨勢。 在制造技術(shù)的發(fā)展中, 數(shù)控加工技術(shù)是一 個重要領(lǐng)域,包括數(shù)控編程技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、智能控制技術(shù)等,數(shù)控車床、數(shù)控銑床等 已成為制造的基本手段。由此,發(fā)展了柔性加工技術(shù)、數(shù)字化生產(chǎn)線等技

8、術(shù)。數(shù) 控化使得機床的效率、精度和產(chǎn)品適應(yīng)性等大為提高。技術(shù)的發(fā)展和競爭的加劇, 使得人們對產(chǎn)品的要求越來越高, 企業(yè)要制造高 質(zhì)量、高效率、高可靠性、低缺陷的產(chǎn)品,必須廣泛采用先進制造工藝及現(xiàn)代化 裝備。數(shù)字化、精密化、高速化及高效化是現(xiàn)代工藝裝備的主要發(fā)展趨勢,采用 先進和穩(wěn)定的工藝技術(shù),使用精密、高效的數(shù)控生產(chǎn)裝備,對于提高產(chǎn)品質(zhì)量、 降低生產(chǎn)成本、縮短響應(yīng)時間具有重要意義。數(shù)控加工設(shè)備可以解決由手工作業(yè)所引起的質(zhì)量不穩(wěn)定問題, 可以消除手工 作業(yè)中工人的技術(shù)水平、經(jīng)驗、情緒、覺悟、品德等諸多非技術(shù)因素對質(zhì)量的影響。通過進 一步實現(xiàn)數(shù)控設(shè)備的集成控制, 建立零件加工工藝方案、 工藝參數(shù)設(shè)

9、計、 控制指 令編輯、 加工過程仿真等網(wǎng)絡(luò)化集成應(yīng)用, 將設(shè)備的加工過程控制指令永遠保存, 任意“再現(xiàn)” ,從而減少零件在設(shè)備上的“在線”時間,減少工人手工操作、輸 入所占用的機時,大大提高設(shè)備的使用效率。3.知識庫和智能化設(shè)計是傳統(tǒng)工藝技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵從系統(tǒng)的角度來認識, 制造過程是一個多因素、 多目標的復(fù)雜系統(tǒng)。 由于工藝過 程具有不連續(xù)性、不平衡性、動態(tài)性、多樣性、模糊性等諸多的不確定,導(dǎo)致了加工工藝 技術(shù)的“再現(xiàn)性”差,定性的描述較多,定量的表達較少,甚至有的零件本身幾 何形態(tài)的轉(zhuǎn)移也要借助于剛性工具, 也是模擬性的。 同時, 工藝過程涉及的因素 多、系統(tǒng)多,構(gòu)成工藝知識的“粒度”大小不

10、一,很難完全用規(guī)則表達清楚。即 使采用數(shù)值分析,其分析計算結(jié)果仍須要由人類專家進行評估、分析、判讀。因 此, 以制造過程的知識融合為基礎(chǔ), 采用智能化設(shè)計已成為解決加工工藝設(shè)計的 有效方法和重要發(fā)展方向。4.集成化促進了制造的柔性化和敏捷化,是實現(xiàn)快速反應(yīng)制造的基礎(chǔ)面對變化莫測的市場, 制造企業(yè)應(yīng)具有快速組織生產(chǎn)、 柔性制造和靈活應(yīng)變的能 力, 即具備快速響應(yīng)能力。 快速響應(yīng)制造以數(shù)字化、 柔性化、 敏捷化為基本特征, 它要求制造企業(yè)通過企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合, 形成網(wǎng)絡(luò)化的集成制造系 統(tǒng),對各種設(shè)計、制造和信息以及人力、物力等資源進行集成,從而快速地制造 出高質(zhì)量、 低成本的新產(chǎn)品。 目前, 在實際的產(chǎn)品研制中, 數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用 “點” 很多,研究的觸角也很廣泛,但眾多的研究基本上還處于“孤島狀” 。單點推進 多,系統(tǒng)化的研究應(yīng)用少,總體效能不高,不能滿足快速研制的需要。CAD/CAM/CAPP及計算機輔助工藝規(guī)劃 (Compute Aided Process Planning ,