数字制造的概念与关键技术数字制造的概念与关键技术 摘要:阐述数字制造的基本概念与内涵，全面介绍数字制造的关键技术和应用，并提出数字制造的发展趋势。 关键词:数字制造概念与内涵关键技术发展趋势 1 数字制造的概念和内涵 数字制造的概念，首先源于数控技术(NC或CNC)与数控机床。随着数控技术的发展，出现了对多台机床用一台(或几台)计算机数控装置进行集中控制的方式，即所谓直接数字控制(DNC)。IM电竞 电子竞技平台之后，为适应多品种、小批量生产的自动化，发展了若干台计算机数控机床和一台工业机器人协同工作，以便加工一组或几组结构形状和工艺特征相似的零件，从...
数字制造的概念与关键技术 摘要:阐述数字制造的基本概念与内涵，全面介绍数字制造的关键技术和应用，并提出数字制造的发展趋势。 关键词:数字制造概念与内涵关键技术发展趋势 1 数字制造的概念和内涵 数字制造的概念，首先源于数控技术(NC或CNC)与数控机床。随着数控技术的发展，出现了对多台机床用一台(或几台)计算机数控装置进行集中控制的方式，即所谓直接数字控制(DNC)。之后，为适应多品种、小批量生产的自动化，发展了若干台计算机数控机床和一台工业机器人协同工作，以便加工一组或几组结构形状和工艺特征相似的零件，从而构成所谓柔性制造单元(FMC)。由于计算机图形学与机械
技术的结合日趋紧密，产生了以数据库为核心，以交互式图形系统为手段，以工程分析计算为主体的计算机辅助设计(CAD)系统。将包括制造、检测、装配等方面的所有规划，以及面向产品设计、制造、工艺、管理、成本核算等所有信息数字化，转换为计算机能够理解的，并被制造过程全阶段共享的CAD,CAPP,CAM系统。这就是基于产品设计的数字制造观。通过企业内部物料需求计划(MRP)的建立与实现，根据不断变化的市场信息、用户定货和预测，从全局和长远的利益出发，通过决策模型，评价企业的生产和经营状况，预测企业的未来和运行状况，决定策略和生产任务安排，这就形成了制造业生产系统的最高层次管理信息系统(MIS)。为了支持制造企业经营生产过程的随市场需求快速重构和集成，出现了能覆盖整个企业从产品的市场需求、研究开发、产品设计等生命周期中信息的产品数据管理系统(PDM)，从而实现以“产品”和“供需链”为核心的过程集成。这就是以MRP,MIS,PDM为核心的基于管理的数字制造观。 从基于产品设计和基于管理的数字制造观出发，可以清楚地看到，数字制造是在虚拟现实、计算机网络、数据库、快速原型制造和多媒体等关键技术的支持下，根据用户的需求，迅速收集资源信息，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，进而快速生产出满足用户要求产品的整个制造过程。也就是说，数字制造实际上就是在对制造过程进行数字化的描述而建立起的数字空间中完成产品的制造过程。 2 数字制造的关键技术 2(1 虚拟现实 虚拟现实技术(Virtual Reality)利用计算机 生成一种模拟环境，通过多种传感器使用户“投 入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行 自然交互的技术。虚拟现实技术具有多感知性 (Multi—sensory)、存在感(Immersion)、交互性 (Interaction)、自主性(Autonomy)等重要特征。 虚拟现实系统可用如图1所示的模型
示。用 户通过传感装置直接对虚拟环境进行操作，并得到实时的三维显示和其他反馈信 第1页 息(如触觉和力觉反馈等)。当系统与外部世界通过传感装置构成反馈闭环时，在用户的控制下，用户与虚拟环境间的交互可以对外部世界产生作用。利用虚拟现实技术提供的语音识别和手势等输入设备，以及立体视觉、声音和触觉等反馈系统，可以实现设计者和设计对象的多感知交互，极大地节省了用于形状描述和尺寸精确定义的时间，为数字制造的大规模数据可视化提供了新的描述方法，从而缩短了产品开发时间，降低了开发费用，有利于实现数字制造的快速设计与开发。 2(2 计算机网络 计算机网络是将有通迅能力的计算机通过一定的传输媒质联结起来，实现各计算机之间的数据传输。计算机网络技术的发展令数字制造在三维环境下实现异地协同设计和仿真成为现实，诸如VRML和JAVA等高级网络编程语言提供了对三维世界及其内部基本对象的描述，并把它们与二维页面链接起来，加入行为功能如动作、动画模拟、声音和多用户环境，使网上的三维制造系统更加生动。 2(3 数据库 数据库作为制造过程的信息交换基地是数字制造的数据集散中心，是产品生产过程各阶段之间平滑过渡的桥梁。产品设计部门开发产品的图样信息是制造部门确定工艺
和制造设备的数据源，制造部门确定的工艺文件信息又直接影响产品控制部门的作业计划制定，所以，服务于数字制造的数据库是具有CAD,CAM集成特点的数据库。它一般由若干子数据库组成:零件库、物料库、工艺信息库和NC程序库等组成。制造过程需要处理的基本数据可分为两类，一类是相对稳定的数据信息，只有改变产品加工任务或生产设备时，这类信息才有可能发生变化。例如，材料清单的产品结构信息、工艺规划文件、制造操作信息以及生产设备信息;另一类是用于处理订货单随时间和任务的变化而改变的信息，例如，订货单规划和处理、机床选择和工艺安排、车间和材料调度以及工资单等。这些数据以文件形式和一定的模式关系存储在数据库中，形成数字制造数据库，以便在生产准备或制造过程中随时由计算机调用。 2(4 快速原型制造 直接由三维计算机模型逐层制造复杂的三维零件，而无需工装、模具的工艺过程，称为快速原型制造(Rapid Prototyping，RP)。从概念上讲，快速原型制造可分为自由成型和材料沉积成型两类:前者的制件范围为600mm ×600mm ×600mm，激光扫描速度可达10m,s;后者的制造范围为700mm×380mm×380mm，激光扫描速度可达2(5m,s。快速原型制造的实现方法很多。如图2所示，它们依次为分层实体制造法(Laminated Object Manufacturing，LOM)、熔融沉积成型法(Fused Deposition Modeling，FDM)、选择性激光烧结法(Selective Laser Sintering，SLS)、光敏液相固化成型法(Stereo—Lithography Apparatus，SLA)和三维印刷法(Three Dimensional Printing，3DP)等。LOM技术目前以Helisys公司开发的LOM装置应用最广。该装置采用专用滚筒纸，由加热辊筒使纸张加热联接，然后用激光将纸切断，待加热辊筒自动离开后，再由激光将纸张裁切成层面要求形状。 LOM技术可制作一些采用光造型法难以制作的大型零件和厚壁样件，具有制作成本低(约为光造型法的1,2)和加工速度高(约为木模制作时间的1,5以下)等优点。FDM技术目前以美国Stratasys公司开发的产品应用最广泛。工作时， 第2页 直接由计算机控制喷头挤出热塑料，并按照层面几何信息逐层由下而上制作出实体模型。FDM技术的最大特点是速度快(一般模型仅需几小时即可成型)和无污染，因此，在原型开发和精铸蜡模等方面得到广泛应用。SLS技术目前以美国DTM公司开发的SLS应用较多。该技术采用CO 激光熔融烧结树脂粉末的方式制作样件。工作时，由CO 激光器发出的光束在计算机控制下，根据几何形体各层横截面的几何信息对材料粉末进行扫描，激光扫描处粉末熔化并凝固在一起，然后铺上一层新粉末，再用激光扫描烧结，如此反复，直至制成所需样品。SLS技术具有造型速度快(一般制品仅需1,2天即可完成)、造型精度高(每层粉末最小厚度约0.07mm，激光动态精度可达?0(09ram，并具有自动激光补偿功能)、原型强度高(聚碳酸脂的弯曲强度可达34.5MPa，尼龙可达55MPa)等优点。因此，该技术主要用于进行功能试验和装配模拟，以获取最佳曲面和观察配合状况。三维印刷技术采用了打印技术中的喷墨方法，喷头在不直接接触粉末表面的情况下，有选择地将粘结剂喷到需要的位置上，将零件的片层逐层粘起来。SLA技术一直以美国3DSystems公司的产品独占鳖头，并形成垄断市场。工作时，由激光器发出的紫外光，经光学系统汇集成一支细光束，该光束在计算机控制下，有选择地扫描液体光敏树脂表面，利用光敏树脂遇紫外光凝固的机理，一层一层地固化光敏树脂，每固化一层后，工作台下降一段距离，并按新一层表面几何信息使激光扫描器对液面进行扫描，使新一层树脂固化并粘在前一层已固化的树脂上，如此反复，直至制作生成该零件实体模型。SLA的制造精度目前可达?0.1mm，主要用于为产品提供样品和实验模型。 第3页 2(5 多媒体 多媒体技术通过计算机将文字、图像、声音和影视集成为一个人机交互功能和可编程环境的技术。多媒体技术作为信息和知识交换的载体，利用Internet将分散的资源快速联结起来，使各制造企业可以不计地域和时差的限制，共享各种资源、知识、信息、技术和设备，并通过网上电子交流论坛实现异地的人与人之间的交流。因此，多媒体技术使制造者方便地获取数据、文档和软件等信息，从而促进数字制造向敏捷化、网络化和全球化发展。 3 数字制造的应用 数字制造的典型应用包括:以IGES、STEP、CAD、CAPP、CAM、CAE、RP和数字样机等为代表的面向产品开发和仿真为主的数字制造技术群，以MRPH、ERP、MIS、PDM等为代表的面向制造管理为主的数字制造技术群，以NC、CNC、DNC、MC、FMC、IM电竞 电子竞技平台FMS等为代表的面向加工控制和物流控制为主的数字制造技术群，以网络制造、客户关系管理和供应链管理为代表的面向企业间协作和联盟为主的数字制造技术群。 第4页 4 数字制造的发展趋势 数字化是数字制造发展的核心。对数字化制造企业而言，各种信息(如图形、数据、知识、技能等)均以数字形式通过网络在企业内传递，在多种数字化技术的支持下，企业对产品信息、工艺信息与资源信息进行分析、规划与重组，实现对产品设计和功能的仿真，对加工过程与生产组织过程的仿真或完成原型制造。从而实现生产过程的快速重组和对市场的快速反应。对全球制造业而言，在数字制造环境下，用户借助网络发布信息，各类企业通过网络应用电子商务，实现优势互补，形成动态联盟，迅速协同设计并制造出相应的产品。 1)高精度是数字制造发展的关键 在数字制造中，对精度要求极高，如人造卫星的仪表轴承，其圆度、圆柱度、表面粗糙度等均要达到纳米级;基因操作机械其移动距离为纳米级，移动精度为0.1nm。对于微电子芯片的制造，有所谓的“三超”要求:(1)超净。加工车间尘埃颗粒直径小于1m，颗粒数少于每立方英尺0.1个;(2)超纯。芯片材料有害杂质，其含量要小于十亿分之一;(3)超精。加工精度达纳米级。因此，如何达到较高的制造精度对数字制造而言是非常重要的。 2)特需产品的极端要求是数字制造发展的焦点例如，能在高温、高压、高湿、强冲击、强磁场、强腐蚀等条件下工作，或有高硬度、大弹性等特点，或极大、极小、极厚、极薄、奇形怪状的产品等。这些特需产品在信息领域(如分子存储器、原子存储器、芯片加工设备)、生命领域(如克隆技术、基因操作系统、蛋白质追踪系统、小生理器官处理技术和分子组件装配技术等)和航空航天领域(如微型飞机、微型卫星和“纳米”卫星)具有十分广泛的应用。 3)智能化是数字制造发展的前景在数字制造的诸环节中，以一种高度柔性与集成的方式，借助计算机模拟的人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动，同时收集、存储、处理、完善、共享、继承和发展人类专家的制造智能。尽管数字制造智能化的道路还很漫长，但是它潜力极大，前景广阔。 4)绿色制造是数字制造发展的必然 人类必须从各方面促使自身的发展与自然界和谐一致，数字制造也不例外，其产品从构思开始，到设计、制造、销售、使用与维修，直到回收、再制造等各阶段，都必须充分顾及环境保护与改善。不仅要保护与改善自然环境，还要保护和改善社会环境、生产环境以及生产者的身心健康。 参考文献 1 周祖德，余文勇，陈幼平(数字制造的概念与科学问题(中国机械工程，2001，12(1) 2 Wright，P(K(21“Century Manufacturing(Prentice Hall，Upper Saddle River，N(J2001 3 陈子辰，唐任仲(微制造与数字制造——_21世纪制造技术的重要发展方向(机电工程，2001，18(5) 第5页
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