十年前着逐，人們還在討論計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)的可行性，如今實用計算機集成制造技術(也稱數(shù)字化制造技術)已被越來越多的企業(yè)所接受并應用到生產(chǎn)實踐中滨嘱。從產(chǎn)品的外觀浸间，結構及功能設計太雨，到計算機輔助設計和制造(CAD/CAM)魁蒜、快速成型和計算機輔助檢測囊扳，數(shù)字化制造技術正向人們展示著它無窮的睦力兜看。

　　一般來講锥咸，數(shù)字化制造技術主要包括產(chǎn)品的計算機輔助工業(yè)設計(Computer Aided Industrial Design细移，或CAID)、計算機輔助設計和制造(Computer Aided Design and Computer Aided Manufacturing弧轧，或CAD/ CAM)隧渠、快速成型(Rapid Prototyping跃览，或RP)元八、三坐標測量和計算機輔助檢測昧挚、數(shù)控加工等幾大核心。本文從實際應用出發(fā)肢糜，簡要介紹各主要核心技術的基本概念、常用方法和工具秃停。

　　計算機輔助工業(yè)設計(CAID)

　　計算機輔助工業(yè)設計(CAID)在最近幾年蓬勃發(fā)展，尤其是我國沿海發(fā)達地區(qū)的小家電蔑枣、電動工具等行業(yè)增長十分迅速锄镜，這主要是由于日益激烈的競爭環(huán)境迫使企業(yè)走出單純模仿的傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)路子仿吞，使企業(yè)認識到捡偏，要在市場中占有一席之地，產(chǎn)品必須擁有自己的特色银伟，通過先進的設計來贏得客戶，不再一味地進行價格戰(zhàn)绘搞。而中國加入WTO加速了這一進程。

　　工業(yè)設計的范疇廣泛夯辖。廣義講，包括工業(yè)產(chǎn)品設計蒿褂、環(huán)境設計及視覺傳達設計圆米；狹義講，指所有由機械化批量生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品的設計啄栓。它不僅包括對工業(yè)產(chǎn)品的功能娄帖、結構、材料卜判、工藝以及形態(tài)仔省、色彩、表面處理众攻、裝飾等方面的設計红集，同時還要從社會的、經(jīng)濟的痒仆、技術的揣蒿、藝術的及人的各方面因素進行綜合處理，從而使現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品既符合社會不斷發(fā)展的物質需求豪服，同時還滿足人們的精神需求刨德。因此工業(yè)設計是人類科學技術、社會經(jīng)濟吁巫、美學藝術綜合且有機統(tǒng)一的創(chuàng)造性活動汰日，是現(xiàn)代科學技術與人類文化藝術發(fā)展的產(chǎn)物，也是工業(yè)時代的一門新興科學龟夜。而計算機輔助工業(yè)設計是指以計算機技術為輔助手段進行產(chǎn)品的藝術化工業(yè)設計挂捅，主要是指對批量生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品的材料、外型堂湖、色彩闲先、結構无蜂、表面加工等方面的設計工作蒙谓。工業(yè)設計的魅力所在就是創(chuàng)新、創(chuàng)新训桶、再創(chuàng)新。只有不斷的創(chuàng)新設計才會有不斷的市場和不斷的高額利潤谤专；這些年來中國家電行業(yè)之所以發(fā)展到了世界各地午绳，無不得益于工業(yè)設計的作用置侍。

　　CAID的一般過程有市場調(diào)查、產(chǎn)品概念草圖設計箱叁、彩色效果圖設計凳渗、三維效果圖設計秽擦、三維造型設計、產(chǎn)品零件圖和技術要求說明等帐捺。所用到的主要工具包括：Alias、CorelDraw呼雨、3DMAX、Pro/CDRS等飘拂。

　　計算機輔助設計與制造(CAD/CAM)

　　計算機輔助設計(CAD)在我國應用較早，早期主要是采用計算機繪圖技術來替代原來的手工制圖情召，至20世紀80～90年代二維設計逐漸被三維設計代替撼予。計算機輔助制造(CAM)則發(fā)展較遲，這與數(shù)字化加工技術的發(fā)展密切相關坝辫。近年來，在我國竭业，尤其是在江浙及舍、華南等地區(qū)做鹰，在當?shù)卣闹С窒露悖瑪?shù)控加工能力在過去幾年中成倍增長。以數(shù)控加工中心及相關軟件為核心的計算機輔助設計與制造(CAD/CAM)在我國得到較快的發(fā)展炕桨，大大地促進了當?shù)厣a(chǎn)力的提高。今天献宫，計算機輔助設計與計算機輔助制造已密不可分，在許多領域尤其是模具業(yè)幢堕，由于其單件或小批量加工的特點，采用CAD/CAM技術進行生產(chǎn)的優(yōu)勢非常明顯山乐。

　　CAD/CAM主要是指采用先進的計算機軟硬件手段進行產(chǎn)品三維造型、結構設計插凳、裝配仿真境薪、加工仿真、數(shù)控加工編程等好啸，其中產(chǎn)品的三維造型是基礎，從CAD三維模型到數(shù)控加工程序的生成通常不需人工干預渊季，可由CAM軟件自動產(chǎn)生。產(chǎn)品的三維造型設計通常有正向設計和逆向設計兩種(圖1)斑举。正向設計是指通過工程師對待開發(fā)產(chǎn)品概念的理解來進行產(chǎn)品的設計，即由概念到圖紙或數(shù)字模型的過程富玷。與產(chǎn)品的正向設計不同既穆，逆向工程是從已有產(chǎn)品或實物模型出發(fā)赎懦，反求產(chǎn)品原始設計參數(shù)励两，并在此基礎上進行產(chǎn)品的設計開發(fā)(圖2)。逆向工程不僅可大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期当悔，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，還可實現(xiàn)許多正向設計所無法解決的問題迟摹，如某些產(chǎn)品的外形非常特別宝辛，其數(shù)學模型非常難以界定，用逆向方法則可迎刃而解往姆。正向設計講究的是創(chuàng)意掰站，通常開發(fā)周期較長宏湾；逆向設計則較快笛驴，可實現(xiàn)一般正向設計無法實現(xiàn)的產(chǎn)品設計芽接，有時只是對成功產(chǎn)品的復制彪标，開發(fā)成本一般較低掷豺。

　　目前最常用的CAD/CAM設計工具有：UG捞烟、Pro/E题画、CATIA苍息、Power-SHAPE/ PowerMILL等壹置。其中UG钞护、Pro/E應用較普遍，而CATIA在航空鬼痹、汽車工業(yè)領域的應用近年來呈上升趨勢。對逆向設計而言把丹，如果測量手段為簡單的手工測量或通用三坐標測量機(CMM)躯法，所得數(shù)據(jù)較少(一般少于一萬點)，可使用UG读黑、Pro/E或CATIA進行處理并生成最終三線數(shù)模丛晦；如果采用的測量工具為激光掃描烫沙，因數(shù)據(jù)量非常大(一般有100萬點以上)锌蓄，需要大數(shù)據(jù)(點云)處理軟件如CopyCAD瘸爽、Geomagic剪决、Surfacer等昼捍，來對數(shù)據(jù)進行處理，其輸出為可被通用CAD/CAM軟件所接受的STL、IGES叙冕、DXF等鹉某。

　　快速成型(RP)

　　快速成型(Rapid Prototyping)采用激光等技術將樹酯、ABS虎炸、PC等材料按產(chǎn)品的三維造型(STL格式)進行快速燒結并成型身堡。這種成型技術可以不必制造模具就做出完整的樣機贴谎，不僅可大大加速了新產(chǎn)品的開發(fā)進度擅这，還可節(jié)約大量成本。

　　目前在我國已有一些廠家可提供快速成型系統(tǒng)或服務，如西安交通大學票渠、清華大學等裙闪，但目前國產(chǎn)快速成型系統(tǒng)從整體上還比較落后俯够，所用材料通常是樹脂或紙材峰适。樹脂通常不能用在辦公室(含有毒氣體)褒述，做出的模型比較脆，一不能作復雜裝配驗證止骨，在環(huán)境變化時很容易產(chǎn)生變形。國外廠家主要有美國3DSystem沐兵、美國Stratasys等别垮。其中Stratasys FDM系統(tǒng)采用ABS或PC材料扎谎，不僅強度大(可作裝配)碳想，還可耐高溫，且可放在一股辦公室中(無毒)毁靶。

　　三坐標測量及計算機輔助檢測(CMM/CAI)

　　前面我們提到過產(chǎn)品設計可分正向設計和逆向設計胧奔，其中逆向設計最根本的就是對樣件的三維測量或三維數(shù)字化。三坐標測量通常與檢測是相伴而生的预吆，測量的目的不外乎是求得某幾何參數(shù)或比較測得值與理論值的差別龙填。計算機輔助檢測(CAI或CAV)是最近幾年才廣泛應用的，尤其是在歐美發(fā)達國家拐叉，三維掃描測量的一半以上的應用為產(chǎn)品的快速檢測岩遗，即比較產(chǎn)品與設計間的誤差，從而找到改進產(chǎn)品制造工藝或設計方案的方法厨棒。除了傳統(tǒng)的手工測量外棠吨，常見的數(shù)字化方法包括三坐標測量機測量、光柵掃描盟拨、以及最新的三維激光掃描等多種逻盅。

　　三坐標測量機測量的主要工具是三坐標測量機(Coordinate Measurement Machine，簡稱CMM)琢账，是目前使用最廣泛的高精度測量手段阻羞，主要有龍門式凰染、立柱式、機器臂式等幾種忘拧。龍門式三坐標測量機也稱橋式測量機捏诫，外觀似橋而得名。此類測量機技術成熟湿儡、精度高触茎，目前大多數(shù)高精度測量均采用該類形式。但這類測量機的不足是：機身重(大理石臺面)处榔、體積大希俩、不易移動、對系統(tǒng)水平度和環(huán)境要求嚴格纲辽、系統(tǒng)操作相對復雜颜武，通常必須在恒溫室由專人操作，主要用于重量輕拖吼、體積小鳞上、質地硬的物體的精密測量。主要供應商有青島前哨吊档、LK等篙议。立柱式測量機通常由立柱、橫梁怠硼、測頭鬼贱、控制系統(tǒng)等構成。機座多為鑄鐵香璃，體積龐大这难、不易移動。特點是價格低葡秒、精度低躲窜，主要用干硬質大物體的一般測量。主要供應商有北京立科捺膳、成都中測等咧笔。機器臂式也稱關節(jié)臂式測量機(常稱為Portable Coordinate Measurement Machine，或PCMM)诵两，具有柔性住裹五、移動方便、對環(huán)境要求低(可用于車間或一般設計室)等特點睛宝，是現(xiàn)場測量的最佳選擇。該類測量機幾年前精度僅有0.50mm左右摊壳，應用不多酬楚。但近幾年來，美國CIMCORE公司出品的機器臂式測量機的精度可達0.01mm，已可滿足大多數(shù)工業(yè)應用的要求谜珠，是目前發(fā)展最快的三坐標測量手段之一状寨。主要供應商有美國CIMCORE、美國FARO士修、意大利Coord 3等枷遂。

　　由于傳統(tǒng)的接觸測量對測頭半徑補償?shù)囊螅约皩θ彳浧宄啊⒁姿榫瓢Α⒁鬃冃蔚奈矬w的測量的局限性，一些廠家將光學測頭(點沸移、線光源)加裝到一般CMM或PCMM上痪伦，以實現(xiàn)對產(chǎn)品的非接觸測量。該類測量機大多在CMM基礎上發(fā)展而來雹锣，但市場上也有專用的三坐標光學測量機网沾，如早期美國Optical Gauging System系統(tǒng)等∪锞簦基于傳統(tǒng)CMM的非接觸式測量系統(tǒng)除了在非接觸測量上是個改進外辉哥，其他特點基本與傳統(tǒng)CMM一樣，如對被測物體重量及大小的限制等攒射。而基于PCMM的激光掃描系統(tǒng)通
常具備很大的柔性醋旦，故稱柔性三坐標掃描測量系統(tǒng)。其主要代表有中美合資寧波德立科技有限公司匆篓、美國CIMCORE和美國Perceptron聯(lián)合推出的基于目前市場上最優(yōu)秀的三坐標測量關節(jié)臂和成熟激光掃描技術的柔性三坐標測量及激光掃描檢測系統(tǒng)FlexME(圖3)猬肖。FlexME系統(tǒng)的出現(xiàn)代表著新一代逆向工程(Reverse Engineering或RE)和計算機輔助檢測(Computer Aided Inspection或CAI)系統(tǒng)已經(jīng)進入中國市場。這類系統(tǒng)通常在成熟產(chǎn)品的基礎上或利用現(xiàn)有CMM加裝激光測頭猾妖，一機多用函以，具備可升級性，而且升級成本較低啼脑。

　　另一類掃描方法是光柵掃描測量法即照相法轨畏，采用普通白光光柵投影到被測物體上再做照相、數(shù)據(jù)處理等來得到物體表面的三維信息令袒。因采用照相再拼合的測量方式瞄隶，國內(nèi)也有人把該方法稱為“面掃描”。光柵投影照相法系統(tǒng)于20世紀如年代末開始在我國引進程蠕，典型系統(tǒng)有德國GOM的ATOS第讯、德國Steinbichler公司的COMET等，是國內(nèi)較早引進的逆向工程測量方法辣铡。由于照相機與被測物體的距離在800mm左右褒碌，通常死角較多别肄，而且多次測量所得值是通過拼合得到的，測量時需在被測物體表面做許多特殊輔助標記(對被測物體有一定的破壞性)交惯，對復雜面的測量需多次重新設置系統(tǒng)次泽，操作復雜，測量費時席爽。同時意荤，測量光源為普通白光，受環(huán)境光影響較大只锻，需對被測物體進行表面預處理才能進行測量玖像。與一般CMM測量相比，對某些不太復雜的曲面的掃描測量炬藤，照相法仍不失是可用的掃描方法御铃。

　　數(shù)字化制造的出現(xiàn)大大縮短了產(chǎn)品的設計周期。作為逆向工程中的最基本組成部分沈矿，三維數(shù)字化手段層出不窮上真。在五年前，采用三坐標測量機(CMM)進行產(chǎn)品三維數(shù)字化對一般企業(yè)來講還是那么遙不可及羹膳，如今不僅是一般CMM睡互，一般企業(yè)擁有三維激光掃描系統(tǒng)也成為可能。

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