1.3 数字化设计与制造技术概况

数字化设计与制造技术是指采用数字化方式，利用计算机软硬件及网络环境，以提高产品开发质量和效率为目标的相关设计制造方法和软件系统有机集成的产品开发技术，即在网络和计算机辅助下，通过产品数据模型，全面模拟产品的设计、分析、装配、制造等过程。数字化设计与制造技术不仅贯穿于企业生产的全过程，而且涉及企业的设备布置、物流物料、生产计划、成本分析等多个方面。与传统产品开发手段相比，它强调计算机、数字化信息、网络技术以及智能算法在产品开发中的作用。

数字化设计与制造技术的应用可以提高企业产品开发能力，缩短产品研制周期，降低开发成本，实现最佳设计目标和企业间的协作，使企业能在最短时间内组织全球范围的设计制造资源开发出新产品，提高企业的竞争能力。

1．数字化技术

随着计算机技术、信息技术和网络技术的发展，数字化思维（离散思维）方式成为当今人类分析工程问题的主要手段。

数字化是利用数字技术对传统的技术内容和体系进行改造的进程。数字化的核心是离散化，其本质是将连续的物理现象，模糊的不确定现象，设计制造过程的物理量和伴随制造过程而出现和产生的几何量，设计制造环境，个人的知识、经验和能力离散化，进而实现数字化。

数字化技术就是以计算机硬/软件、周边设备、协议和网络为基础的信息离散化表述、定量、感知、传递、存储、处理、控制、联网的集成技术。其用于制造业可包括数字化设计与制造技术和数字化产品两部分。将数字化技术用于支持产品全生命周期的制造活动和企业的全局优化运作就是数字化制造技术；将数字化技术注入工业产品就形成了数字化产品。

数字化技术的发展深刻地改变了制造业，极大地增强了人类处理和利用信息的能力，已经成为现代生产力发展的主导因素。它不但在改变着人类的经济生活，而且以其强大的渗透力进入社会生活的方方面面。可以认为，数字化技术的应用程度已经成为衡量一个国家或地区的国际竞争力、现代化程度、经济成长能力的重要标志。

2．数字化设计与制造产生的背景

在计算机技术出现之前，机械产品的设计与加工一直都采取图纸设计和手工加工的方式，这种传统的产品设计与制造方式使得产品在质量上完全依赖于产品设计人员与加工人员的专业技术水平，生产数量则完全依赖于产品加工人员的熟练程度。随着工业社会的不断发展，人们对机械产品的质量提出了更高的要求，同时数量上的需求也在不断增长。为了适应社会对机械产品在质量与数量上的需求，同时也为了能进一步降低机械产品的生产成本，人们在努力寻求一种全新的机械产品设计与加工方式。20世纪四五十年代以来计算机技术的出现及其发展，特别是计算机图形学的出现，让人们看到了变革传统机械产品设计与生产方式的曙光。于是，数字化设计与制造方式应运而生，人们逐步将机械产品的设计与加工任务交给计算机来处理，使得机械产品的设计周期缩短，产品质量与数量基本摆脱了对于设计与加工人员的依赖，并降低了产品的生产成本。

3．数字化研发

数字化研发是指在产品的设计与制造过程中充分利用数字化技术，实现数据/信息的快速流动和各个阶段的无缝连接，从根本上解决传统产品设计制造过程中不同阶段间转换时数据/信息失真的问题。传统的企业数据/信息处理方式有企业资源管理（Enterprise Resource Planning, ERP）、产品数据管理（Product Data Management, PDM）等，这些方式在一定程度上实现了对产品设计与制造数据/信息的处理，帮助企业统一了数据/信息传递的格式，提高了企业的设计制造效率。但是这些方式都存在一些不足，如数据/信息的格式不统一，不同应用场合有不同的标准；应用范围受到限制，大部分都局限于特定的企业或研究所内部使用；范围较窄，多是集中在某些特定的行业中。这些缺点决定了上述处理方式并不能满足目前对于制造业底层信息资源数字化的需求。

数字化研发设计工具和平台是数字化研发的一个重要方向，也是解决制造业信息数字化的重要手段。数字化研发设计工具平台的核心是底层的数据和信息的数字化，而这些数据和信息被不同的平台和工具分割为不同类型、不同用途的碎片，分散在各个平台和应用场景中，无法得到充分的整合和使用。数字化研发设计工具和平台以“集成设计”为核心，综合集成设计过程、工具、方法、规范、知识和数据等，提供面向设计仿真人员的综合集成的“设计仿真环境”，可以贯穿多个研发阶段、多专业部门和多学科领域的协同研发流程，控制产品研发的业务过程，传递数据。数字化研发设计工具和平台以各种专业软件工具为分析设计手段，以工程数据库为支撑，以项目、流程管理为过程控制机制，以模板为知识固化方式，进行各专业设计分析的集成和协调，从而实现数字化研发设计。

4．数字化设计与制造的特点

波音777的设计与制造是国际上公认的数字化设计与制造的典范，实现了更好、更快、更符合要求制造出创新产品，达到了缩短研发周期40%以上的目标。波音787是国际上最先进的科技产品之一，其最重要的一个特点是采用的复合材料超过了50%，并且广泛采用了数字化设计与制造技术，实现了数字化设计、数字化制造、数字化研发、数字化全生命周期，把数字化设计与制造发展到了新的高度。大量的产品研发实例表明，数字化设计与制造的主要特点有以下几个方面：

（1）减少设计过程中实物模型的制造。传统设计在产品研制中需经过反复多次的“样机生产、样机测试、修改设计”，这不仅耗费物力、财力，而且使产品研制周期延长。数字化设计则在制造物理样机之前，针对数字化模型进行仿真分析与测试，可排除某些设计的不合理性。

（2）基于虚拟样机技术的计算机仿真分析可以反复进行产品各种性能的分析测试，在真实物理系统建立之前预测其行为效果，从而可以从不同结构或不同参数的模型结果比较中选择最佳模型。对于机械产品的研制来说，计算机仿真能够提高产品质量，缩短产品开发周期，降低产品开发成本，完成复杂产品的操作和使用训练。

（3）易于实现设计的并行化和网络化。相对于传统设计过程的串行化，数字化设计可以让一项设计工作由多个设计队伍在不同的地域分头并行设计、共同装配，进行网络化协同作业，这在提高产品设计质量与速度方面具有重要的意义。

（4）数字化制造可精确地预测和评价产品的可制造性、加工时间、制造周期、生产成本、零件的加工质量、产品质量和制造系统运行性能、零件和产品的可制造性分析、生产规划与工艺规划的评价与确认、敏捷企业和分散化网络生产系统中合作伙伴的选择、生产过程和制造系统设计与优化。