造技术-数字化设计与制造综述 sQt]Y&_/@
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西南大学工程技术学院,重庆 400716 %T:~N<8)
摘要:本文从先进制造技术出发,主要阐述数字化设计与制造的内涵、特点以及实现的关键技术,最后结合例子对它的应用做一个比较浅显的综述。 x!CCSM;q
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关键词:先进制造技术;数字化设计;数字化制造;数字化设计与制造 QdaYP
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当前,先进制造技术发展非常迅速。随着全球信息网络的建立和完善,国际竞争和协作氛围的进一步形成和发展,制造企业在世界范围内和集成进一步加速,制造全球化必将是21世纪的一个重要发展趋势,这将更加促使先进制造技术得到更快的发展。如今,先进制造技术已成为各国经济发展和满足人民日益增长需要的主要技术支撑,成为加快高新技术发展和实现国防现代化的主要技术支撑,成为企业在激烈的市场竞争中能立于不败之地并求得迅速发展的关键因素。 fp^!?u
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1引言 wOH$S=Ba5,
“工业化”发展的核心是“信息化”,“信息化”的核心是“数字化”,“数字化”也是先进制造技术发展的核心。数字化设计与制造包括以设计为中心的、以控制为中心的与以管理为中心的数字设计与制造。“数字化”贯穿和渗透在制造全过程所用的方法中,并且发展得更广泛、更深刻,乃至生产方法与过程的重大变革。这就是说,“数字化”技术的发展必将导致制造技术的重大发展与变革。所以,“数”是先进制造技术发展的“核”。数字化设计与制造是当今世界制造业发展的大趋势。与传统制造技术相比,它既有继承性,又有质的区别;既有特定的含义,又是动态发展的,相对而言的。 8BnI0l=\
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2 数字化设计与制造的内涵和特点 #R&Dgt
2.1 数字化设计与制造的内涵 aa!o::;
目前对数字化设计与制造还没有一个很完整的、公认的定义。中国制造企业所用到的数字化技术涵盖了从CAD到CAE,从二维到三维,从产品建模到仿真优化,从单学科到多学科和交叉学科等多方面的内容,对数字化设计与制造主要包括用于企业的计算机辅助设计(CAD)、制造(CAM)、工艺设计(CAPP)、工程分析(CAE)、产品数据管理(PDM)等内容。 eil"1$k
从制造业的角度看,就是要实现产品设计数字化、制造数字化、管理数字化、咨询服务数字化等。数字化技术的应用导致了制造信息的表述、存储、处理、传递等方法的深刻变革,使制造业逐步从传统的生产型向知识型模式转化,数字化已逐渐成为产品生命周期中不可缺少的驱动因素,从而使数字化制造技术的发展成为必然。数字化设计、加工、分析技术以及数字化制造中的资源管理技术等构成了数字化制造的支撑技术,是实现数字化设计与制造的重要途径。 s;-(dQ{O
2.1.1 数字化设计的内涵 ~9.0:Fm<
数字化设计的内涵包括支持企业的产品开发全过程、支持企业的产品创新设计、支持产品相关数据管理、支持企业产品开发流程的控制与优化等,归纳起来就是产品建模是基础,优化设计是主体,数控技术是工具,数据管理是核心。它们之间的关系见图1 Y\!* c=@k
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图1 数字化设计的内涵 H f}->
2.1.2 数字化制造的内涵 #K1VPezN
由于通过CAM及其与CAD等集成技术与工具的研究,在产品加工方面逐渐得到解决,具体是制造状态与过程的数字化描述、非符号化制造知识的表述、制造信息的可靠获取与传递、制造信息的定量化、质量、分类与评价的确定以及生产过程的全面数字化控制等关键技术得到了解决,促使数字制造技术得以迅速发展,这些关键技术之间具体关系见图2所示。 o"F=3b~:n
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图2 数字化制造的内涵 [d="94Ab
2.2 数字化设计与制造技术的特点 #T0uPK
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数字化设计与制造技术、信息技术、管理技术、工艺技术等紧密结合;与微电子、计算机、自动化技术和传统工艺及设备相结合,形成多项制造数字化单元技术,经局部或系统集成,形成了从单元技术到复合技术,从刚性到柔性,从简单到复杂等多个档次的数字化技术系统,使传统工艺产生显著、本质的变化,极大地提高了生产效率、产品的质量和企业的竞争力。 o#V}l^uU=
2.2.1 以数字化为核心的信息技术 3D3/\E#'o
数字化设计与制造技术是以数字化为核心的信息技术,它以信息化为基础,并伴随信息技术的发展而发展。在半个多世纪中,信息技术已成为科技发展史上最辉煌、发展最迅速的技术。信息技术将给21世纪经济和社会发展带来革命性变化,成为经济社会中最重要的资源和竞争要素,可以说信息技术改变了当代制造业的面貌。信息技术在促进当代制造业发展过程中的作用是全面和深刻的,甚至可以说信息技术将造就新的制造业秩序。 ;0lHi4 c0
近年来,人们提出了一批新的制造模式(虚拟制造、敏捷制造、智能制造、可重组制造等),一方面开始探究产品设计和制造过程中的信息本质,另一方面对制造技术本身加以改造,以适应新的数字化制造的环境。随着对制造过程和制造系统认识的加深,人们正试图以全新的要领和方式对其加以描述和表达,并进一步达到实现控制和优化的目的。 d_CY=DHF%`
2.2.2 集成化 [[(29|`]
集成化是数字化设计与制造技术的一个很重要的特征,目前数字化设计与制造技术已发展成为集机械、电子、信息、材料和管理技术为一体的新型交叉学科。在企业内部,通过建立一套集成化的管理平台,来解决在产品数据管理、产品开发流程等方面存在的问题。提高企业内部员工对产品信息的共享,加强对产品更改的控制,优化企业产品开发流程,增强企业现有系统的集成,并改善运作效率。是企业能够在激烈的市场竞争中取胜的必然法则。 Bny3j~*U
2.2.3 实用性 , VT&
数字化设计与制造技术的另一个重要的特点在于,它首先是一项主要面向工业应用、具备很强实用性的新技术。从数字化设计与制造技术的发展过程,从其应用于制造全过程的范围,特别是达到的目标与效果,无不反映这是一项应用于制造业,对制造业、对国民经济的发展可以起重大作用的实用技术。 0pT?qsM2
从其历史进程来看,数字化设计与制造技术的发展往往是针对某一具体的制造业(如汽车制造、电子工业、航空等)的需求而发展起来的先进、适用的制造技术,有明确的需求导向的特征;数字化设计与制造技术不是以追求技术的高新为目的,而是注重产生最好的实践效果,以数字化为基础,以提高效益为中心,以提高企业的竞争力和促进国家经济增长和综合实力为目标。 a6AD`| U8
2.2.4 应用的广泛性 {ETuaFDM
数字化设计与制造技术相对传统制造技术在应用范围上的一个很大不同点在于,传统制造技术通常只是指将各种原材料变成成品的加工工艺,数字化设计与制造技术虽然仍大量用于加工和装配过程,但由于其组成包括了信息技术、设计技术、自动化技术、系统管理技术,因而则将其综合运用于制造的全过程。覆盖了产品设计、生产推备、加工与装配、销售使用、维修服务甚至回收再生的整个过程。 ?[#nh@mI
另外,数字化设计与制造技术还具有系统性、快速性等特点,它强调的是实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产,并以提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力为目标。 >sW9n[
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3 实现数字化设计与制造的关键技术 [R$iX
实现数字化设计与制造需要解决的问题主要有五个方面:一是产品统一数据模型表示方法;二是企业间产品的数据交换;三是数据集成;四是异构环境下应用功能的集成;五是过程集成。 =b{wzx}e
3.1 产品统一数据模型表示方法 HyKvDJ
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产品设计过程即是建立产品模型的过程,必须建立一个能够表达和处理有关产品全生命周期各个阶段所有信息的统一的产品模型。模型的表示方法采用一个统一的科学的国际标准,即STEP (Standard of Ex—change for Product data)标准。产品模型数据交换标准STEP从多种角度对产品的综合属性做出了定义。这种定义覆盖了产品的全部生命周期。STEP标准的目的是提供一种不依赖于任何平台的中性机制,能够描述产品整个生命周期中的无二义性的产品数据,从而成为产品数据在并行设计环境下共享的基础。STE P标准采用了Express语言。Express语言仅仅是一种信息描述语言.不是一种编程语言。它描述的代码不能由计算机编译.所以Ex—press语言的实现要依赖于与其它可编程语言(如C++、Java等)之间的语言联编。STEP标准有三层结构:最高层是应用层。它由IDEFO/UML生成应用活动模型AAM (Application Action Mode1)、由Ex—press—G语言生成应用参考模型ARM (Application Reference Mode1)、由Express语言生成应用懈释模型AIM (Application Interpreted Mode1);其次是逻辑层;最底层是物理层。其中包括STEP中性文件、数据库、XML文件等。STEP在CAD/CAM集成环境下的应用如图3所示。 C*A!`Q?1Y
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图3 STEP的应用 <d".v
3.2 企业间产品数据交换 v8Ga@*
企业动态联盟需要进行数据交换 因此要有电子数据交换标EDI(Electronic•Data Interchange)。EDI标准规定了文件的结构和格式 。EDI经历了以下两个阶段的演变:l986年SGML(Standard Generalization Markup Language)及标识语言HTML(Hyper TEXT Markup Language);1996年可扩展标识语言XML (Extensible Markup Language)它们三者之间的关系如图4所示。 @BbqYX
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图4 SGML XML HTML三者之间的关系 _tJp@\rOz=
当外部数据通过XML文件传人企业内部后,首先通过XML解释器对文件进行识别,然后建立数据映射,从而实现企业内外的信息交换。因此采用XML作为企业数据交换的标准是发展趋势。 *c<=IcA
3.3 数据集成 :77dl/d%
数字化设计与制造中的数据集成是对产品数据的统一管理和共享,它通过PDM (Product Data Manage—ment)来实现。对象管理组织OMG对PDM的基本功能和开放的接口作了详细的规定。 cE3g7(a
3.4 异构环境下应用功能的集成 CAX)AN
分布式计算环境中异构性(指不同的硬件、操作系统、数据库和网络协议)是十分明显的.异构性阻碍了各J直用系统间的互操作?在集成系统中,要实现信息和软件资源的共享,必须解决异构环境下各应用系统的互操作:为了解决异构性的问题,提出了中件M (Mid-(tie Q-are)的概念:中件是一个软件,它通过规定一系列的应用编程接口,转换客户端和服务器端之间的访问、通信来实现其屏蔽底层异构性的作用、其中基于分布对象技术的中件CORBA和DCOM是影响最大的,它们为解决异构性问题提供了途径。 IKT3T_\-I
3.5 过程集成 /"w%?Ea
过程集成的目的是为了过程优化。数字化设计和制造中的过程集成是通过工作流管理技术(Workflow Management Technology)实现的。工作流管理技术是实现企业业务过程建模BPM (Business Process Modeling)、业务过程仿真分析(Business Process Simulation)、业务过程优化(Business Process Optimization)、业务过程管理与集成(Business Process Management and Integration),从而实现业务过程自动化的核心技术。 qx,>j4yw
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4 数字化设计与制造应用举例 {C6,h#|pg
4.1 数字化设计 kXw&