数字化技术在现代制造业中的应用及其发展趋势

邹泽昌杨开怀陈忠士

（1.福建船政交通职业学院，福州 350007；

2.广西大学广西有色金属及特色材料加工重点实验室，南宁 530004）

数字化技术在现代制造业中的应用及其发展趋势

邹泽昌1,2杨开怀1,2陈忠士1

（1.福建船政交通职业学院，福州 350007；

2.广西大学广西有色金属及特色材料加工重点实验室，南宁 530004）

本文阐述数字化制造的基本内涵，介绍数字化技术在现代制造业中数字化设计、数字化制造、数字化仿真、数字化检测和数字化管理等方面的应用，并展望现代制造业数字化技术方面的发展趋势。

数字化技术 现代制造业 设计 虚拟装配 发展趋势

随着现代制造业产品复杂程度和技术含量的不断增加，为适应不确定的市场环境和个性化需求，制造业的竞争主要体现在产品研发效率和产品创新能力上。通过数字化制造技术，实现产品从设计、制造、仿真、检测和管理等全过程的数字化，可以极大地缩短新产品的研发和生产周期，降低生产成本。制造数字化是当今世界制造科技发展的主要发展趋势和特征。

1 数字化制造的基本内涵

数字化是信息技术将各种信息转变为数据信息或数字模型，再转变为计算机可以识别的二进制代码的过程，涉及到数字的生成、转换、传输和储存等。数字化制造是制造领域的数字化，是制造技术与信息科学、材料科学、管理科学等学科不断交叉融合的结果。数字化制造通过计算机、网络、数据库和虚拟现实等技术，收集各种资源信息，并对产品信息、制造工艺、检测装配及管理等信息进行分析、规划和重组，实现产品设计、制造、仿真、检测及管理、生产符合用户需求。在传统的机械装备中，也可嵌入集成电路、传感器和软件，实现“数据驱动”和软件控制的数字化制造装备。数字化制造和数字化装备的结合，为CIMS（计算机集成制造系统）的实现奠定了基础。制造业数字化可以带动产品设计方法和工具的创新、管理模式的创新、协作关系的刨新[1]。

2 数字化技术在现代制造业中的应用

2.1 数字化设计

数字化设计涉及到材料学、几何学、运动学等相关学科。数字化设计软件已经成为设计人员的基本工具，是实现设计与创新的技术保障。CAD（Computer Aided Design）计算机辅助设计，包括产品建模、功能设计、结构分析等。CAD不仅仅是辅助绘图，而是协助创建、修改、分析和优化的数字化设计技术。通过相关设计软件，能够在立体空间快速精确地建立三维模型，提高生产过程中描述产品的能力和效率，进而有利于后续零件加工数控代码进行生成和编辑，以及对加工过程进行动态模拟和干涉检查。采用数字化设计，能及时发现无碳小车设计中存在的问题，大大缩短设计周期，达到理想的设计要求[2]。波音777是第一台无图纸飞机上线的典范，全部用计算机进行设计。

2.2 数字化制造

数字化制造的核心是数控技术。数控机床是按照加工零件三维模型的点、线、面等数字量来控制刀具的运动。CAM（Computer Aided Manufacture）计算机辅助制造，能根据CAD模型生成、编辑和优化零件加工的数控代码，并对整个加工过程进行动态仿真。虚拟制造的提出，是通过提供虚拟产品开发环境，利用计算机技术，实现产品生命周期中的设计、制造、装配和检测等功能，达到提高生产效率和产品质量的目的。数字化制造是对产品信息、工艺信息和资源信息进行分析、规划和重组，实现对产品设计和功能的仿真以及原型制造的技术。相比传统手工制造，通过数字化制造，有效提升了目标导管的制造效率与质量，安装应力状况也大为改善[3]。当前，国内一系列较大型数字化工厂已经建成，如长春奥迪数字化汽车生产中心、成都西门子工业自动化产品生产及研发基地等。

2.3 数字化仿真

仿真是利用计算机模型通过对某一具体层次的风险估计再现生产或实际应用中发生的过程。仿真技术的应用主要指产品模型、制造系统模型和开发过程（包括设计、加工、装配、测试等）模型等三个方面的仿真。CAE（Computer Aided Engineering）计算机辅助工程，用来进行力学分析、机构分析、场分析、频率响应等仿真，进而实现结构优化和工艺优化。随着虚拟样机的开发，数字化仿真技术的应用更加广泛。航天器数字化装配技术与传统装配技术相比，可提高装配效率和装配质量[4]。美国通用电气公司采用超级计算机模拟优化航空发动机喷嘴的燃烧过程，大大降低了制造成本。空客公司采用柔性装配技术，大大提高了产品的装配质量。

2.4 数字化检测

数字化检测是最近几年才广泛应用的。CAV（Computer Aided Varification）计算机辅助检测是通过三维扫描测量进行产品的快速检测，比对检测工件3D形状扫描后所得到的精准点云数据与原始设计的CAD图档，比较真实产品与虚拟设计间的误差，找到改进设计思路或制造工艺的措施。对样件的三维测量或数字化检测就是产品逆向设计。常见的数字化检测方法包括三坐标测量、光栅扫描、三维激光扫描等多种。计算机辅助检测针对复杂曲面的非接触式三维测量技术变得越来越重要。基于数字照相测量技术，采用T-CAM与激光跟踪仪相结合，能极大地缩短飞机产品交付检测周期[5]。

2.5 数字化管理

数字化管理涉及生产制造的各过程，包括生产计划管理、工艺过程管理、制造资源管理、生产现场管理在内的生产制造过程数字化管理，在制造企业中应用相应的软件进行管理。PDM（Product Data Management）产品数据管理是用来管理所有与产品相关的信息和过程。CAPP（Computer Aided Process Planning）计算机辅助工艺规划根据产品三维模型、加工要求和加工条件，由计算机进行工艺规程卡片的优化，实现原材料、毛坯、零件、产品等各类实物及库存数据库的更新和同步。按照ERP（Enterprise Resource Planning）企业资源计划中的生产作业计划，动态调整人员和加工设备[6]，再结合PLM（Product Lifecycle Management）产品生命周期管理，实现产品全生命周期信息的创建、管理、分发和应用，能够集成与产品相关的人力资源、流程、应用系统和信息。CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM/PLM集成技术，可以提高生产效率，有利于对产品的全生命周期进行管理，使工作流程规范化，降低生产制造各过程的成本。

3 数字化制造技术的发展趋势

3.1 集成化、网络化

在数字化制造技术的应用过程中，通过CAD/CAE/CAPP/ CAM/PDM/PLM等模块的系统集成，实现并行工程的协同制造，提高产品开发效率和质量，降低生产成本。通过网络技术组建动态联盟企业，整合企业管理，实现企业与外界的信息流、物流和资金流的顺畅传递，甚至进行异地设计、异地制造，从而有效提高企业的市场反应速度和产品开发速度。通过数字化制造的集成化和网络化，构建现代制造企业信息化，实现产品无图纸设计和全数字化制造。德国的“工业4.0”、美国的“工业互联网”和我国的“互联网+”战略都体现了数字化制造的集成化、网络化特征。

3.2 柔性化、虚拟化

为应对不确定的市场环境和个性化需求造成的设备资源沉淀和成本升高，组建动态企业联盟，实现敏捷制造。现代制造企业采用集成化软件和柔性的自动化生产设备，提高生产效率，增强工业产品的市场竞争力。同时，以数字化仿真技术为支撑，形成虚拟的环境、虚拟的设计与制造过程、虚拟的产品、虚拟的企业，从而大大缩短产品开发周期，提高产品设计开发的一次成功率。

3.3 自动化、智能化

精密传感技术和互联网技术、现代通信技术等新一代智能化和信息化技术，集成并广泛应用于企业研发、生产、管理的全过程，是未来现代制造业的重要发展趋势。自动化已从一般的自动控制、自动调节、自动补偿等发展到自我学习、自组织、自维护、自修复等更高水平。物联网技术、工业机器人、大数据、云制造等技术的应用，将大大提升智能工厂的发展。智能化将使制造过程具有处理大量信息与不完整信息、错误信息的能力，具有强大的主动协调与协同能力以及非逻辑处理能力。

3.4 生态化、绿色化

“中国制造2025”明确将绿色发展作为基本方针之一，指出要加快制造业绿色改造升级，努力构建高效、清洁、低碳、循环的绿色制造体系。绿色化制造是一个综合考虑环境影响和资源效益的现代化制造模式，是人类可持续发展战略在现代制造业中的体现。在数字化设计、制造和管理时，大力推行生态设计，从方案设计时统筹考虑产品生产制造的全生命周期对资源和环境的影响，从而在原料选择、生产工艺、包装运输、回收利用、绿色消费等全生命周期各环节进行绿色化管理。

4 结语

我国是制造大国，但面临着核心和关键共性技术缺乏、创新能力薄弱和资源浪费等问题。加强研发数字化制造技术，推广和应用数字化设计、数字化制造、数字化装配、数字化仿真、数字化检测和数字化管理等CAD/CAE/CAM/ CAPP/PDM/PLM集成系统，通过数字化为核心的信息技术改造和提升传统制造业，推动制造业的转型升级，成为中国制造业应对“中国制造2025”和工业4.0变革的重要举措。

[1]吉旭斐.数字化信息系统在现代制造企业的运用[J].数字技术与应用，2014，（4）：202.

[2]袁名伟，杨慧，潘忠.无碳越障小车数字化设计与制造[J].机电工程，2015，（12）：1578-1581.

[3]舒送，范鑫，张小辉，马俊.导管数字化制造技术在传统飞机修理中的应用[J].制造技术与机床，2016，（6）：147-150.

[4]刘洋，徐寅，王津，等.航天数字化装配工艺研究[J].现代制造技术与装备，2016，（4）：63.

[5]王巍，安宏喜，赵永拓，等.基于关键特性的数字化飞机检测技术研究[J].机械设计与制造，2015，（3）：240-243.

[6]常军，郭西园，付文平，等.航天制造企业PDM与ERP系统数据接口方案分析[J].新技术新工艺，2015，（11）：90-93.

Application and Development Trend of Digital Technology in Modern Manufacturing Industry

ZOU Zechang1,2,YANG Kai-huai1,2,CHEN Zhongshi1
(1.Department of Mechanical Engineering, Fujian Chuanzheng Communications College, Fuzhou 350007;2.Ministry-province jointly-constructed cultivation base for state key laboratory of processing for non-ferrous metal and featured materials, Guangxi Zhuang Autonomous Region, Guangxi University, Nanning 530004)

This paper expounds the basic connotation of digital manufacturing, introduces the application of digital technology in the modern manufacturing industry, such as digital design, digital manufacturing, digital simulation, digital detection and digital management, and prospects the development trend of digital technology in modern manufacturing industry.

digital technology, modern manufacturing industry, design, virtual assembly, development trend

广西大学广西有色金属及特色材料加工重点实验室开放基金资助项目（GXKFJ14-02）；福建省高校杰出青年科研人才培育计划资助项目（JA14371）；福建省交通厅重点项目（201210）。