1.7 数字化设计与制造技术的发展趋势

人类已进入信息知识经济时代，现代制造系统和技术为知识产业提供了先进的生产模式、管理体系、技术和装备，它是知识产业的基础。数字化设计与制造技术在现代制造系统中起着举足轻重的作用，伴随着制造业信息化的进程，将获得更大的发展和更广泛的应用。今后一个时期，我们认为数字化设计与制造技术的发展趋势如下。

1．新一代信息技术加速推动制造业生产方式的持续变革

新一代信息技术与制造业融合发展，是新一轮科技革命和产业变革的主线，是德国工业4.0、美国工业互联网的核心。

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。

互联网日益融入媒体、教育、医疗、物流、金融等领域各环节，推动形成新的消费理念、商业模式和产业形态。工业互联网快速发展，新的生产方式、产业形态和商业模式不断涌现。信息经济新形态、新模式竞相浮现。互联网日益成为创新驱动发展的先导力量。创新主体互动、创新资源组织和创新成果转化更加网络化、全球化和快捷化，开启了以融合创新、系统创新、迭代创新、大众创新、微创新为突出特征的创新时代。

2．基于知识的协同创新设计技术和产品开发平台

具有丰富的知识库支持的智能化设计、工艺制造开发系统，可以在功能、质量、可靠性与成本方面提供最优产品。而完全集成与优化的设计与工艺研究开发系统，能够广泛采用模拟仿真技术，使得产品及零部件做到一次研发成功。产品创新设计平台以支持虚拟设计和性能评价，构建融合产品零件、部件和总装三维建模、参数优化设计、有限元分析、优化设计、试验检测产品和图文管理为一体的创新设计的集成应用系统。

进一步发展协同创新技术，基于数字化、智能化原理的创新设计技术，以智能、协同为特征的先进设计系统平台的研究和应用，需要加强设计领域共性关键技术研发，攻克数字化设计、过程集成设计、复杂过程和系统设计等共性技术研究，建设、完善创新设计生态系统和有世界影响力的创新设计集群。新一代信息技术与制造业加速融合和跨界融合，以无线、宽带、移动、泛在为特征的网络建设和应用，推动着群体性技术突破，新一代感知、传输、存储、计算技术加速融合创新，物联网、模式识别、语义分析、深度学习、虚拟现实共同驱使人类智能迈向更高境界。

3．基于虚拟现实的数字样机技术

基于虚拟现实的虚拟设计制造CAD/CAM系统是一种在计算机网络环境下实现异地、异构系统的集成技术，虚拟设计、虚拟制造、虚拟企业在这一集成环境层次上有广泛的应用前景，是满足敏捷制造企业、动态联盟企业建模需要的CAD/CAM技术。

数字化设计与制造系统平台将成为面向企业、面向产品全过程的CAD/CAM/CAE/PDM体系，要建立企业级的协同工作的虚拟产品开发环境（Virtual Product Development, VPD）。这种企业级的协同工作环境需要将工业工程原理、产品建模与分析技术、PDM技术以及PLM技术和可视化能力集成在一起，形成一体化的数字样机产品开发环境。

4．多学科协同设计与仿真技术及其集成平台

复杂产品开发是机械、电子、控制等多学科交叉和协作的系统工程，实现多学科设计综合和优化、建立多学科协同设计与仿真平台是CAD/CAM技术发展的重要方向。机电产品的开发设计不仅用到机械科学的理论与知识（力学、材料、工艺等），而且用到电磁学、光学、控制理论等；不仅要考虑技术因素，而且要考虑经济、心理、环境、卫生及社会等方面的因素。多学科、多功能综合产品开发技术，强调多学科协作，通过集成相关领域的多种设计与仿真工具，进行多目标、全性能的优化设计，以追求机电产品动静态热特性、效率、精度、使用寿命、可靠性、制造成本与制造周期的最佳组合，实现产品开发的多目标、全性能优化设计。

5．面向产品全生命周期的数字化技术

为了最大限度地发挥信息化系统的整体优势和综合效益，制造业数字化的最终目标应是面向产品全生命周期的数字化，满足从市场分析、设计、制造、销售、服务到回收整个生命周期内各个环节的功能需求。面向全生命周期的数字化是单元技术、集成技术应用的更高形式，它需要新一代信息技术、网络协同技术、人工智能技术、增强现实技术等现代技术的支撑，同时体现网络化制造、并行工程、数字制造等现代制造哲理。

总之，随着网络协同技术和增强现实技术的发展，数字化设计与制造系统将更加广泛地采用越来越开放的体系结构，以及基于大数据的信息管理和智能化设计与制造等技术，最终发展成为集设计绘图、分析计算、智能决策、产品可视化、数据交换、远程异地协同作业为一体的综合型系统。对CAD/CAM系统的应用将从单纯的设计制造领域演化为对产品全生命周期的设计与管理，这一技术也必将走向更广大工程技术人员的桌面。

6．智能制造技术创新及应用贯穿制造业全过程

数字化设计与制造技术的加速融合使得制造业的设计、生产、管理、服务各个环节日趋智能化，智能制造正引领新一轮的制造业革命。这主要体现在以下四个方面：一是建模与仿真使产品设计日趋智能化；二是以工业机器人为代表的智能制造装备在生产过程中的应用日趋广泛；三是全球供应链管理创新加速；四是智能服务业模式加速形成。

发展数字化制造与控制集成的智能工厂是制造业发展的重要趋势。智能工厂是在数字化工厂的基础上，利用物联网技术和设备监控技术加强信息管理和服务。未来将通过大数据与分析平台，将云计算中由大型工业机器产生的数据转化为实时信息（云端智能工厂），并加上绿色智能的手段和智能系统等新兴技术，构建一个高效节能、绿色环保、环境舒适的人性化工厂。

智能工厂的核心是工业化和信息化的高度融合，其基本特征主要有制造过程管控可视化、系统监管全方位及制造绿色化三个层面。

（1）制造过程管控可视化。由于智能工厂高度的整合性，在产品制造过程中，包括原料管控及流程，均可直接实时展示于控制者眼前，相关数据均可保留在数据库中，让管理者得以有完整信息进行后续规划，可根据信息的整合建立产品制造的智能组合。

（2）系统监管全方位。通过物联网概念，以传感器作链接使制造设备具有感知能力，系统可进行识别、分析、推理、决策以及控制。

（3）制造绿色化。除了在制造上利用环保材料、留意污染等问题，并与上下游厂商间，从资源、材料、设计、制造、废弃物回收到再利用处理，以形成绿色产品生命周期管理的循环外，还将制造绿色化延伸至绿色供应链的协同管理、绿色制程管理与智慧环境监控等，协助上下游厂商与客户之间共同创造符合环保的绿色产品。

习题

1．分析论述为什么发布“中国制造2025”战略规划，“中国制造2025”的总体思路是什么。

2．如何理解智能制造的定义？分析论述《智能制造发展规划（2016—2020年）》提出的智能制造发展指导思想，概述智能制造包括的主要内容。

3．为什么说数字化设计与制造是智能制造的关键技术？比较传统设计制造与数字化设计制造的异同。

4.CAD与CAD/CAM的定义是什么？CAD/CAM系统应具备哪些功能？

5．结合你所了解的制造企业应用数字化设计软件系统的实例，具体分析该软件系统的工作流程。

6.CAD/CAM支撑软件应包含哪些功能模块？请结合了解市场上商品化的CAD/CAM软件系统（如Pro/E、UG等），分析讨论某一软件的具体功能模块，写出相应的分析评述报告。

7．收集整理数字化设计与制造技术的最新文献资料，总结数字化设计与制造技术的最新进展。

8．通过市场调查，设计适用于中小型制造企业的数字化设计与制造软件系统的实施方案。