1.6 数字化设计技术发展历程

1.6.1 制造业市场竞争的发展概况

市场竞争是制造业永恒的话题。从一百多年前福特（Ford）汽车的生产线开始，为提高企业的整体效益，针对不同时期的竞争焦点，在制造业产生和应用了不同的技术和管理模式（表1.1），集成化的信息技术、自动化技术、制造技术和管理技术起着越来越主要的作用。21世纪制造业的竞争将是以知识为基础的新产品竞争。用CAD/CAM、数字化设计与制造、虚拟制造等高新技术实现制造业信息化，是提高机械制造企业创新能力和市场竞争能力的一条有效途径。

1.6.2 数字化设计与制造技术的发展历程

加工飞机复杂型面零件的社会需求使世界上第一台数控机床于1952年在美国麻省理工学院研制成功并很快投入航空工业使用。数控机床的出现使CAM先于CAD诞生，当时的CAM侧重于数控加工自动编程。随后，CAD与CAM分别按照各自的技术特征进行研究、发展和应用，其发展历程可分为以下五个阶段。

1.CAD/CAM技术诞生时期

20世纪60年代，CAD的主要技术特点是交互式二维绘图和三维线框模型，即利用解析几何的方法定义有关图素（如点、线、圆等），用来绘制或显示由直线、圆弧组成的图形。这一时期里最有代表意义的事件是1962年美国学者伊凡·苏泽兰特（Ivan Sutherland）研究出了名为Sketchpad的交互式图形系统，能在屏幕上进行图形设计与修改，由此出现了CAD这一术语。1964年，美国通用汽车公司宣布了它们的DAC-1系统；1965年，洛克希德飞机公司推出了CADAM系统，贝尔电话公司宣布了GRAPHIC-1系统；等等。初期的图形系统只能表达几何信息，不能描述形体的拓扑关系和表面信息，所以无法实现CAM、CAE。而在制造领域，1962年在机床数控技术的基础上研制成功了第一台工业机器人，实现了物料搬运的自动化；1996年出现了用大型通用计算机直接控制多台数控机床的DNC系统。

自20世纪50年代起，各CAx工具（CAD/CAE/CAM等）开始出现并逐步得到应用，标志着数字化设计的开始。

2.CAD/CAM技术理论发展与初步应用时期

20世纪70年代，CAD的主要技术特征是自由曲线曲面生成算法和表面造型理论。汽车和飞机工业的发展促进了自由曲线曲面的研究，Bezier、B样条法等成功算法被应用于CAD系统。法国达索飞机制造公司推出的三维曲面造型系统CATIA实现了曲面加工的CAD/CAM一体化。随后存储管式显示器以其低廉的价格进入市场，CAD系统的成本下降了许多，出现了将硬软件放在一起成套出售给用户的方式，即所谓的Turnkey系统（交钥匙系统），并很快形成了CAD/CAM产业。虽然表面造型技术可解决CAM表面加工的问题，但不能表达形体的质量、重心等特征，不利于实施CAE方法。20世纪60年代末期到70年代初期，莫林公司建造了一条由计算机集中控制的自动化制造系统，包括6台加工中心和1条由计算机控制的自动运输线，可进行24小时连续加工，并可用计算机编制NC程序、作业计划和统计报表。美国的辛辛那提公司研制了柔性制造系统（Flexible Manufacture System, FMS）。

3.CAD/CAM技术成熟与应用时期

20世纪80年代，CAD的主要技术特征是实体造型（Solid Modeling）理论和几何建模（Geometric Modeling）方法。设计制造对CAD/CAM提出了各种各样的要求，导致了新理论、新算法的不断涌现。实体建模的边界表示法（B.Rep）和构造实体几何数表示法（CSG）在软件开发上得到应用。SDRC公司推出的I-DEAS是基于实体造型技术的CAD/CAM软件，能进行三维造型、自由曲面设计和有限元分析等工程应用。实体造型技术能够表达零件的全部形体信息，有助于CAD、CAM、CAE的集成，被认为是新一代CAD系统在技术上的突破性进展。与此同时，计算机硬件及输出设备也有很大发展，工程工作站和微机得到广泛应用，形成了许多工程工作站和网络环境下高性能的CAD/CAM集成系统，具代表性的系统有CADDS5、UG Ⅱ、Intergraph、CATIA、EUCLID、Pro/E等，在微机上运行的CAD系统有AutoCAD、Microstation等。同时，相应的软件技术如数据库技术、有限元分析、优化设计等也迅速发展。这些商品化软件的出现促进了CAD/CAM技术的推广及应用，使其从大中型企业向小型企业发展。在此期间，还相应出现了一些与制造过程相关的计算机辅助技术，如计算机辅助工艺规程设计（CAPP）、计算机辅助工程设计（CAED）和计算机辅助质量控制（CAQ）等。然而，作为单项技术，CAD/CAM只能带来局部效益。进入20世纪80年代以后，人们在上述计算机辅助技术的基础上，又致力于计算机集成制造系统的研究。计算机集成制造系统是一种总体高效益、高柔性的智能化制造系统。

4.CAD/CAM技术集成发展与广泛应用时期

20世纪90年代以来，CAD技术基础理论主要是以PTC的Pro/E为代表的参数化造型理论和以SDRC的I-DEAS为代表的变量化造型理论，形成了基于特征的实体建模技术，为建立产品信息模型奠定了基础。SDRC公司于1993年3月正式公布了一个集成化CAD/CAE/CAM系统的最新版本Master Series，它以实体造型系统为核心，集设计、仿真、加工、测试、数据库为一体，可以实现比较完美的集成。

Pro/E系统以统一的数据库为轴线，以实体造型为核心，把从设计到生产的全过程（包括造型、装配、布线、绘图、标准件库、特征库、数控编程、有限元、电器设计、钣金设计、曲面设计、工程管理等）集成在一起。Pro/E的造型系统综合考虑了线框模型、表面模型、实体模型、参数化造型及特征造型，它的绘图模型能直接从实体模型上产生双向一致的标准工程图，并具有标注尺寸和公差等能力。

CAD/CAM技术已不再停留于过去单一模式、单一功能、单一领域的水平，而向着标准化、集成化、智能化的方向发展。为了实现系统的集成，资源共享和产品生产与组织管理的高度自动化，提高产品的竞争能力，就需在企业、集团内的CAD/CAM系统之间或各子系统之间进行统一的数据交换。为此，一些工业先进国家和国际标准化组织都在从事标准接口的开发工作。与此同时，面向对象技术、并行工程思想、分布式环境技术及人工智能技术的研究，都有利于CAD/CAM技术向高水平发展。

CAD/CAM技术发展的另一个特点是从零部件CAD建模发展到面向产品的CAD建模。产品为满足用户多样化的要求，常常需要改动其中一个或几个主要参数，也就是所谓的系列化、多样化的设计。例如，对轿车来说，车门数、轴距、车身长是全局参数，如果这些总体参数中的一个参数发生了改变，譬如对同一类型的小轿车，将每侧双门改为单门，尽管只改变了其中个别的总体参数，但无疑都会引起该产品从上向下的变动。这种更改和对新方案的评估，在采用传统的设计方案时需要消耗大量的人力、物力和时间。

为了提高企业的产品更新开发能力，缩短产品的开发周期，UGS公司在UG软件中采用了复合建模技术后，提出了针对产品级参数化设计技术WAVE（What Alternative Value Engineering）。它是参数化造型技术与系统工程的有机结合，提供了实际工程产品设计中所需要的自顶向下的全相关产品级设计环境。其方法是：①定义产品的总体参数（或称全局参数）表；②定义该产品中零件间的控制结构关系（类似于装配结构关系）; ③建立该产品零部件之间的相关性，即几何形体元素的链接性。由此可见，利用WAVE技术可将产品的总体设计和零部件的详细设计组成一个全相关的整体，当某个总体参数发生改变时，产品会按照原来设定的控制结构、几何关联性和设计准则，自动地更新相关的零部件，以适应市场快速变化的要求。

经过多年的技术发展和市场竞争，现在主流高端的CAD/CAM/CAE集成软件系统主要是PTC公司的Pro/E, UGS公司的UG, IBM/Dassault公司的CATIA。

5．制造业信息化工程技术发展时期

信息化成为企业发展不可缺少的手段。“九五”规划以来，我国制造企业加强信息资源开发利用，统一数据标准，建立企业数据中心，实现信息资源整合与应用系统集成，突出信息资源开发利用在制造工业信息化建设中的核心地位，解决设计、制造、经营各核心业务系统的整合问题，提高设计制造一体化水平，建设CAD/CAM集成平台。为此，在“九五”期间我国组织实施了CAD/CIMS应用工程，极大地促进了CAD/CAM/CAE技术在制造业中的推广应用，取得了一系列显著的成效。

制造业信息化工程是实施以信息化带动工业化的重要举措。进入21世纪，我国在“十五”期间组织实施了制造业信息化工程（Manufacturing Information Engineering）专项，将信息技术、自动化技术、现代管理技术与制造技术相结合，重点进行数字化设计、数字化生产、数字化装备和数字化管理的推广应用，带动产品设计方法和工具的创新，企业管理模式的创新，企业间协作关系的创新，实现产品设计与制造和企业管理的信息化、生产过程控制的智能化、制造装备的数字化、服务的网络化，提升我国制造业的竞争力。

“十一五”期间持续大力推进制造业信息化，以企业为主体，开展设计、制造、管理的集成应用示范，实施制造业信息化工程，提升企业集成应用水平，在数字化设计、数字化建造和数字化管理方面取得了一系列成果，数字化制造技术在我国制造企业已经获得大量应用。主要表现在三个方面：一是CAD/CAPP/CAE/CAM的推广应用，改变了传统的设计生产、制作模式，已经成为我国现代制造业发展的重要技术特征；二是ERP/PDM的推广应用；三是CIMS的推广应用。

“十二五”期间重点加强现代信息技术的综合运用，加快产业升级改造，提升装备制造的信息化综合集成能力，支持跨部门、跨地区业务协同，实现设计、制造与经营一体化、数字化和智能化管理，推进信息化与工业化深度融合。通过近年来的努力，信息技术在企业生产经营和管理的主要领域、主要环节得到充分有效应用，业务流程优化再造和产业链协同能力显著增强，重点骨干企业实现向综合集成应用的转变，研发设计创新能力、生产集约化和管理现代化水平有了很大的提升，推动设计数字化、制造装备数字化、生产过程数字化、管理数字化和企业数字化等方面的发展。

6．发展智能制造模式的新阶段

围绕推动我国工业产品从价值链低端向高端跃升，我国组织实施了“高档数控机床与基础制造装备”等科技重大专项以及智能制造装备发展专项、物联网发展专项、“数控一代”装备创新工程行动计划，引导和支持信息通信技术融入重大装备和成套装备中，推动产品结构优化升级。重大装备自主创新能力日渐增强，智能仪表、智能机器人、增材制造等新兴产业快速发展。

“中国制造2025”是国务院于2015年5月公布的强化高端制造业的国家战略规划，是把中国建设为制造强国的三个十年战略中第一个十年的行动纲领，是在新的国际国内环境下，我国立足于国际产业变革大势，做出的全面提升中国制造业发展质量和水平的重大战略部署。其根本目标在于改变中国制造业大而不强的局面，通过十年的努力，使中国迈入制造强国行列，为到2045年将中国建成具有全球引领和影响力的制造强国奠定坚实基础。

“中国制造2025”战略规划指出：加快推动新一代信息技术与制造技术融合发展，把智能制造作为“两化”深度融合的主攻方向；着力发展智能装备和智能产品，推进生产过程智能化，培育新型生产方式，提升企业研发、生产、管理和服务的智能化水平。今后一个时期的重点是推行数字化、网络化、智能化制造。高度重视发展数控系统、伺服电机、传感器、测量仪表等关键部件，以及高档数控机床、工业机器人、3D制造装备等关键装备；突破一批“数控一代”机械产品和智能制造装备；推进数字化车间、数字化工厂、数字化企业的试点和应用。

智能制造正成为新一轮产业竞争的制高点。新一代信息技术的持续演进，推动着制造业产品、装备、工艺、管理、服务的智能化，高度智能化产品的商业化步伐不断加快。跨领域、协同化、网络化的创新平台正在重组传统的制造业创新体系。智能制造将是今后一个时期制造业转型升级、提质增效的重要推动方式，是中国制造业未来的发展方向。