【正文】 1 基于 CATIA的汽車底盤數(shù)字化制造 1 引言 改革開發(fā)以來，中國制造業(yè)經(jīng)歷了高速發(fā)展，目前正在經(jīng)歷制造大國向制造強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變。同前三十年相比。如今這一轉(zhuǎn)變的跨越難度更大，尤其是“十二五”我國制造業(yè)將面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。主要問題是競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)，表現(xiàn)為具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的和高附加值的產(chǎn)品缺少；產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性有待進(jìn)一步提高：環(huán)境和成本的問題日益突出。在這種形式下，很多企業(yè)被推到了轉(zhuǎn)型和升級(jí)關(guān)鍵時(shí)刻，為實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展和提升企業(yè)在產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈中的地位。解決制造業(yè)大而不強(qiáng)的問題。其出路之一便是加快企業(yè)信息化步伐。采用先進(jìn)制造 技術(shù)和先進(jìn)管理模式，實(shí)現(xiàn)信息化與工業(yè)化融合深度。數(shù)字化制造是制造業(yè)信息化發(fā)展的新階段，也是目前制造業(yè)的重要發(fā)展方向，如精密化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、極端化等，無一不與數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。數(shù)字化制造是先進(jìn)制造技術(shù)的核心技術(shù)。它將引發(fā)了一場(chǎng)深刻的技術(shù)革命。 開創(chuàng)一種全新的制造模式并將推動(dòng)制造技術(shù)由經(jīng)驗(yàn)制造向科學(xué)制造 【 1】 。 目前在工業(yè)技術(shù)先進(jìn)國家，數(shù)字化制造技術(shù)已經(jīng)成為提高企業(yè)和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段 [3]。特別是近 30 年來 ,數(shù)字化制造技術(shù)發(fā)展日益加快，在發(fā)達(dá)國家的大型企業(yè)中 ，已開始實(shí)現(xiàn)無圖紙生產(chǎn)，全面使用 CAD/CAM，實(shí)現(xiàn) 100%數(shù)字化設(shè)計(jì)。數(shù)字化制造技術(shù)在數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化制造、數(shù)字化產(chǎn)品、信息傳遞與協(xié)作、數(shù)字化管理等方面都有不同程度的發(fā)展。 總體來看，數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展大致分為以下三個(gè)階段。 1． 數(shù)字制造裝備化。 20 世紀(jì) 50 年代，數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)開辟了制造裝備的新紀(jì)元 [3]。隨著微型計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展，計(jì)算機(jī)數(shù)控的廣泛應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床得到廣泛應(yīng)用和提高。相繼出現(xiàn)的數(shù)控三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) (CMM)、工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床一起成為重要的數(shù)字化加工、測(cè)量和操作裝備，其本質(zhì)是用數(shù)字控制代替 凸輪行程控制，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)數(shù)字化。數(shù)控技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)是提升各種裝備性能甚至使其更新?lián)Q代，即所謂的數(shù)字制造裝備 (簡(jiǎn)稱數(shù) 2 字裝備 )。 2． 海量信息處理能力和加工精細(xì)化。 20 世紀(jì) 90 年代，數(shù)字裝備的一個(gè)重要的發(fā)展是對(duì)海量信息處理能力的提高 [4]。在數(shù)字仿形技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用 H794/93 EI、核磁共振等數(shù)字測(cè)量設(shè)備實(shí)現(xiàn)零件幾何形狀的數(shù)字化然后通過數(shù)據(jù)預(yù)處理、表面建模、實(shí)體建模、后置處理等過程生成STL 文件 (或數(shù)控代碼 )，驅(qū)動(dòng)快速成型機(jī) (或數(shù)控機(jī)床 )加工出新零件。伽馬刀、電鏡—— 視覺引導(dǎo)的機(jī)器人等數(shù)字醫(yī)療設(shè)備擴(kuò)展了基于 視覺的數(shù)字測(cè)量?jī)x器的應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)了人體內(nèi)腔器官的數(shù)字化。 數(shù)字裝備的另一個(gè)重要的發(fā)展是加工對(duì)象的尺度變化，由毫米、微米到納米，陸續(xù)出現(xiàn)了顯微數(shù)字圖像處理設(shè)備、電子制造裝備等精密數(shù)字制造裝備。在技術(shù)方面，數(shù)字裝備與數(shù)字制造的研究已從單純的制造過程的幾何量 (位移、多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)位移、運(yùn)動(dòng)形狀、微觀形狀等 )的數(shù)字描述，發(fā)展到對(duì)制造過程的物理量 (溫度、流量場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、熱變形、密度、物質(zhì)材料等 )以及知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、信息等的數(shù)字描述。系統(tǒng)的形式化、數(shù)字化描述與處理成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)，包括海量信息處理，微納識(shí)別和分辨率，物理過程 仿真與分析 (包括有限元方法、三角劃分、復(fù)雜邊界物理方程求解等 )、網(wǎng)格計(jì)算以及物理本質(zhì)的探索等。在 20 世紀(jì) 90 年代中期．通過并聯(lián)機(jī)構(gòu)與數(shù)控技術(shù)的結(jié)合，產(chǎn)生了并聯(lián)機(jī)床．又稱虛擬軸機(jī)床，其應(yīng)用逐漸擴(kuò)展到虛擬軸坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、六維力傳感器等精密測(cè)量平臺(tái)設(shè)備。但從目前的技術(shù)發(fā)展來看，并聯(lián)機(jī)床還不能成為數(shù)控機(jī)床的主流產(chǎn)品。只在輕工、食品加工以及大型天文望遠(yuǎn)鏡方面等具有一定用武之地。在數(shù)字裝備的研究方面應(yīng)該擴(kuò)大范圍．要大力發(fā)展以電子制造裝備、大型醫(yī)療裝備、精密科學(xué)儀器、精密數(shù)控裝備等數(shù)字裝備為代表的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)所需裝備。 3． 虛擬 制造階段 作為現(xiàn)代制造裝備“靈魂”的數(shù)控系統(tǒng)已由 NC、 CNC 時(shí)代進(jìn)入了 PC— NC 和NET— NC 時(shí)代 [3]。其主要目標(biāo)都是開發(fā)具有智能化和柔性化的新一代開放式數(shù)控系統(tǒng)，將各種新工藝、新技術(shù)、新方法集成于控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)，開發(fā)先進(jìn)制造裝備的支撐環(huán)境。 數(shù)字化制造技術(shù)起源于美國，經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)已進(jìn)入了基于產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)的虛擬制造階段，并形成了完備的應(yīng)用體系。波音公司設(shè)計(jì)的 777 型大型客機(jī)是世界上首架以三維無紙化方式設(shè)計(jì)出的飛機(jī)，它的制造成功已經(jīng)成為虛擬制造技術(shù)從理論研 3 究轉(zhuǎn)向?qū)嵱没囊粋€(gè)里程碑。目前，美國、歐洲 、日本等國在新產(chǎn)品研制中，均全面應(yīng)用了以敏捷制造、精益制造和虛擬制造、復(fù)合高效加工、自適應(yīng)控制為代表的先進(jìn)制造技術(shù)，并大大縮短了產(chǎn)品的制造周期。目前，虛擬制造技術(shù)已經(jīng)用于產(chǎn)品的裝配和加工過程仿真、產(chǎn)品維修性分析等；自適應(yīng)控制技術(shù)在數(shù)控加工程序的優(yōu)化已得到廣泛應(yīng)用。 目前中國己成為世界上最大的產(chǎn)品制造國，制造業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，在我國的經(jīng)濟(jì)騰飛中，制造業(yè)功不可沒。但是，世界市場(chǎng)由過去傳統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定逐步演變成動(dòng)態(tài)多變的特征，由過去的局部競(jìng)爭(zhēng)演變成全球范圍內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)；同行業(yè)之間、跨行業(yè)之間的相互滲透、相互競(jìng) 爭(zhēng)日益激。為了適應(yīng)變化迅速的市場(chǎng)需求，為了提高競(jìng)爭(zhēng)力，現(xiàn)代的制造企業(yè)必須解決 TQCS難題，即以最快的上市速度 (TTime to Market)，最好的質(zhì)量 (Q— Quality)，最低的成本 (CCost)，最優(yōu)的服務(wù) (S— Service)來滿足不同顧客的需求。與此同時(shí)，信息技術(shù)取得了迅速發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息處理技術(shù)等取得了人們意想不到進(jìn)步。二十多年來的實(shí)踐證明，將信息技術(shù)應(yīng)用于制造業(yè)，進(jìn)行傳統(tǒng)制造業(yè)的改造，是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的必由之路。進(jìn)入 21世紀(jì)，先進(jìn)制造技術(shù)進(jìn)一步向更高水平發(fā) 展，出現(xiàn)了虛擬制造 (VM， Virtual Manufacturing)、精益生產(chǎn) (LP， Lean Production)、敏捷制造 (AM， Agile Manufacturing)、虛擬企業(yè) (VE， Virtual Enterprise)等新概念。而數(shù)字化制造幾乎涵蓋了以上先進(jìn)制造技術(shù)的所有環(huán)節(jié)，引起了人們的廣泛關(guān)注，不僅在科技界，而且在企業(yè)界，成為研究的熱點(diǎn)之一。 數(shù)字化制造技術(shù)的 發(fā)展趨勢(shì) 隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使得基于多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化制造技術(shù)為現(xiàn)代制造系統(tǒng)的并行作業(yè)、分布式 運(yùn)行、虛擬協(xié)作、遠(yuǎn)程操作與監(jiān)視等提供了可能。數(shù)字化制造技術(shù)與產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)如下： 1. 制造信息的數(shù)字化 制造信息的數(shù)字化將實(shí)現(xiàn) CAD/CAPP/CAM/CAE 的一體化，使產(chǎn)品向無圖樣制造方向發(fā)展，如產(chǎn)品 CAD 數(shù)據(jù)經(jīng)過校核，直接傳送給數(shù)控機(jī)床完成加工。 2. 網(wǎng)絡(luò)化制造 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，因特網(wǎng)為企業(yè)進(jìn)行大規(guī)模定制生產(chǎn)中快速響應(yīng)市場(chǎng)需求和 4 面臨全球競(jìng)爭(zhēng)提供了契機(jī)。利用因特網(wǎng)可以將分布在世界各地的、彼此孤立的資源有效地組織起來，信息、資金、材料、零部件、成員和工人（技術(shù)、知識(shí)能力、制造能力、投資能力等）已打破國家和地區(qū)的 界限，在世界范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的信息傳遞和資源共享，消除了地域?qū)τ谛畔鬟f的局限，靈捷地響應(yīng)和適應(yīng)客戶多樣化的消費(fèi)需求，高質(zhì)量地為全球顧客服務(wù)，獲得規(guī)模經(jīng)濟(jì)，促進(jìn)企業(yè)的發(fā)展。 在大規(guī)模定制生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)全球化的推動(dòng)下，數(shù)字化制造技術(shù)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)促使了網(wǎng)絡(luò)化制造的形成和發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)化制造是，將網(wǎng)絡(luò)為代表的信息技術(shù)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、管理、供銷等產(chǎn)品全生命周期中的各個(gè)活動(dòng)中，實(shí)現(xiàn)全生命周期中的信息、過程、業(yè)務(wù)集成與資源共享，達(dá)到快速響應(yīng)市場(chǎng)目的所涉及的一系列制造活動(dòng)。 將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與制造技術(shù)相結(jié)合，快速形成虛擬網(wǎng)絡(luò)企業(yè) 聯(lián)盟，充分利用社會(huì)資源，協(xié)作開展產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計(jì)、制造、銷售、采購和管理等產(chǎn)品全生命周期的業(yè)務(wù)活動(dòng)，以快速響應(yīng)市場(chǎng)和用戶需求，提高企業(yè)群體競(jìng)爭(zhēng)力。 3. 數(shù)字化工廠 隨著數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)和數(shù)字化制造技術(shù)的延伸和發(fā)展，數(shù)字化工廠（ Digital Factory）的概念也開始出現(xiàn)。 數(shù)字化工廠是指通過對(duì)知識(shí)的有效管理來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品增值的一種生產(chǎn)活動(dòng) [4]。數(shù)字化工廠的原料是有關(guān)產(chǎn)品及市場(chǎng)的信息，信息經(jīng)過各種數(shù)字化處理后，轉(zhuǎn)變?yōu)樾袆?dòng)和決策的知識(shí)方案，其核心是從物質(zhì)制造觀轉(zhuǎn)變?yōu)橹R(shí)制造觀。數(shù)字化工廠不是簡(jiǎn)單的數(shù)字化和虛擬制造的延 伸，它更強(qiáng)調(diào)的是整個(gè)制造活動(dòng)的有效控制與管理，及企業(yè)內(nèi)外資源的合理應(yīng)用與優(yōu)化配置。 從上述意義上講，數(shù)字化工廠是數(shù)字化制造與數(shù)字化管理技術(shù)的集成，它涵蓋了數(shù)字化產(chǎn)品建模、數(shù)字化加工、數(shù)字化裝配、數(shù)字化生產(chǎn)準(zhǔn)備、生產(chǎn)線仿真和重組以及虛擬企業(yè)等概念。 從狹義講，數(shù)字化工廠可理解為一座“虛擬工廠” [5]，即設(shè)計(jì)人員利用軟件提供的仿真環(huán)境對(duì)產(chǎn)品及生產(chǎn)過程進(jìn)行設(shè)計(jì)及優(yōu)化，以加快產(chǎn)品從構(gòu)思到投產(chǎn)的周期，減少失誤、降低成本。從廣義講，數(shù)字化工廠是一座“網(wǎng)上工廠”，它打破了地域和時(shí)間限制，可實(shí)現(xiàn)異地協(xié)同制造，加快對(duì)市場(chǎng)的響 應(yīng)速度。但無論從狹義和廣義的角度，資源的調(diào)度、仿真和重組是其具體的使能技術(shù)。 數(shù)字化制造技術(shù)具有誘人的應(yīng)用前景，國外以美國為首的西方工業(yè)國家成立了 5 相應(yīng)的數(shù)字化制造研究機(jī)構(gòu)，在 1995年前已基本完成應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)的研究 建立了數(shù)字制造技術(shù)體系，正向?qū)嶋H應(yīng)用全面過渡。美國已經(jīng)從數(shù)字制造的環(huán)境和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、信息系統(tǒng)、仿真控制、虛擬企業(yè)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和開發(fā)，多數(shù)單元技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)和完善的階段。例如，美國華盛頓大學(xué)的數(shù)字化制造技術(shù)實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的用于設(shè)計(jì)和制造的虛擬環(huán)境 VEDAM、用于設(shè)計(jì)和裝配的虛擬環(huán)境等， 已經(jīng)初具規(guī)模。但虛擬制造作為一個(gè)完整的體系，尚沒有進(jìn)行全面的集成。特別應(yīng)說明的是，數(shù)字工廠的研究在美國得到政府和企業(yè)界的極大關(guān)注，研究異常活躍，成為其敏捷制造技術(shù)的主要支柱之一。 福特 (Ford)和克萊斯勒 (Chrysler)公司與 IBM合作開發(fā)的數(shù)字工廠環(huán)境用于其新型車的研制。在樣車生產(chǎn)之前，發(fā)現(xiàn)其定位系統(tǒng)的控制及其他許多設(shè)計(jì)缺陷，縮短了研制周期。由于實(shí)施了數(shù)字化開發(fā)策略， Ford和 Chrysler將他們新型汽車的開發(fā)周期由 36個(gè)月縮短至 24個(gè)月。歐洲以大學(xué)為中心也紛紛開展了虛擬制造技術(shù)研究，如數(shù)字化車間 、建模與仿真工程等的研究。日本在 60一 70年代的經(jīng)濟(jì)崛起受益于先進(jìn)制造與管理技術(shù)的采用，對(duì)數(shù)字化制造技術(shù)的研究也秉承其傳統(tǒng)的特點(diǎn)一重視應(yīng)用，主要進(jìn)行虛擬制造系統(tǒng)的建模和仿真技術(shù)以及虛擬工廠的構(gòu)造環(huán)境研究。 這幾年，我國數(shù)字化制造技術(shù)受到普遍的重視，發(fā)展很快，發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，例如：機(jī)械科學(xué)研究院與同濟(jì)大學(xué)、香港理工大學(xué)合作進(jìn)行的分散網(wǎng)絡(luò)化制造、異地設(shè)計(jì)與制造等技術(shù)的理論研究和實(shí)踐活動(dòng)已經(jīng)取得了不少進(jìn)展；清華大學(xué)進(jìn)行了虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境軟件、虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬機(jī)床、虛擬汽車訓(xùn)練系統(tǒng)等方面的研究；浙江大學(xué)進(jìn)行了分布式虛擬現(xiàn)實(shí) 技術(shù)、 VR工作臺(tái)、數(shù)字化裝配等研究；西安交大和北航進(jìn)行了遠(yuǎn)程智能協(xié)同設(shè)計(jì)研究；據(jù)不完全的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)進(jìn)行數(shù)字化制造技術(shù)研究的單位達(dá)到了 100家，已經(jīng)取得了一些可喜的進(jìn)展。我國的研究多集中于高等院校和少量的研究院所，企業(yè)和公司介入的較少 【 6】 。 數(shù)制造技術(shù)在交通類產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，節(jié)約了產(chǎn)品研發(fā)的成本，提高了產(chǎn)品研發(fā)效率，給企業(yè)帶來豐厚的經(jīng)濟(jì)利益，而經(jīng)濟(jì)利益的增加為更高層次的產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)提供了有益的物質(zhì)補(bǔ)充。 1. 制造過程的建模與仿真 制造過程的建模與仿真是在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上用解析或數(shù)值的方法表達(dá)或建模制造過程。建 模通?；谥圃旃に嚤旧淼奈锢砗突瘜W(xué)知識(shí)，并為實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。目前，仿真 6 與建模已成為推進(jìn)制造過程設(shè)計(jì)、優(yōu)化和控制的有效手段。 2. 網(wǎng)絡(luò)化敏捷設(shè)計(jì)與制造 利用快速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，改善企業(yè)對(duì)市場(chǎng)的響應(yīng)力。網(wǎng)絡(luò)化敏捷設(shè)計(jì)與制造重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域應(yīng)包括：敏捷信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，敏捷產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)，敏捷工藝設(shè)計(jì)技術(shù)。基于網(wǎng)絡(luò)的研究開發(fā)，敏捷生產(chǎn)技術(shù) [2]。 3. 數(shù)字化開發(fā) 數(shù)字化開發(fā)有四個(gè)核心要素：數(shù)字化產(chǎn)品和過程模型、產(chǎn)品信息管理、高性能計(jì)算與通訊和組織、管理的改變。 數(shù)字化制造的關(guān)鍵技術(shù) 關(guān)鍵技術(shù) 1. 制造過程的建模與仿真 制造過程的 建模與仿真是在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上用解析或數(shù)值的方法表達(dá)或建模制造過程。建模通常基于制造工藝本身的物理和化學(xué)知識(shí)，并為實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。目前，仿真與建模已成為推進(jìn)制造過程設(shè)計(jì)、優(yōu)化和控制的有效手段。 2. 網(wǎng)絡(luò)化敏捷設(shè)計(jì)與制造 利用快速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，改善企業(yè)對(duì)市場(chǎng)的響應(yīng)力。網(wǎng)絡(luò)化敏捷設(shè)計(jì)與制造重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域應(yīng)包括：敏捷信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，敏捷產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)，敏捷工藝設(shè)計(jì)技術(shù)?；诰W(wǎng)絡(luò)的研究開發(fā)，敏捷生產(chǎn)技術(shù) [7]。 3. 數(shù)字化開發(fā) 數(shù)字化開發(fā)有四個(gè)核心要素：數(shù)字化產(chǎn)品和過程模型、產(chǎn)品信息管理、高性能計(jì)算與通訊和組織、管理的改變。 1. 計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì) (CAID)。 CAID(Computer Aided Industrial Design)是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為輔助手段進(jìn)行產(chǎn)品的藝術(shù)化工業(yè)設(shè)計(jì)，主要是指對(duì)批量生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品的材料、外型、色彩、結(jié)構(gòu)、表面加工等方面的設(shè)計(jì)工作。 CAID 的一般過程有市場(chǎng)調(diào)查、產(chǎn)品概念草圖設(shè)計(jì)、彩色效果圖設(shè)計(jì)、三維效果圖設(shè)計(jì)、三維造型設(shè)計(jì)、產(chǎn)品零件圖和技術(shù)要求說明等。所用到的主要工具包括： Alias、 CorelDraw、 3DMAX、 Pro／ CDRS 等。 2. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造 (CAD／ CAM)。 CAD(Computer Aided Design)與 CAM（ Computer Aided Process Planning） 已密