数字化技术的现状与发展趋势
一、引言
数字化技术指的是运用0和1两位数字编码，通过电子计算机、光缆、通信卫星等设备，来表达、传输和处理所有信息的技术。数字化技术一般包括数字编码、数字压缩、数字传输、数字调制与解调等技术。
数字化技术是信息技术的核心，信息的媒体有多种，如字符、声音、语言和图像等。这些信息媒体存在着共同的问题，一是信息量太小，二是难以交换、交流。如一本厚厚的辞海虽然有1300万汉字，但与大型数据库相比，包含的信息量仍太少，辞海只能查找字词的基本涵义，若想查去年世界各国的国防开支是多少则无可奉告。一本书，要从一个城市寄到另一个城市少则数天多则数周。这种信息，交换起来很不方便。又如，当今世界大约有3500种语言，使用不同语言的人，信息交流就非常困难。
数字化技术的实现，这些问题便迎刃而解。无论是字符、声音、语言和图像；也无论是中文还是外文，都使用世界上共同的两个数字0和1编码来表达、传输和处理，到了终端，即用户手上，又原原本本地还它本来面目。这无异于消除了世界各个国家，各个民族之间的语言隔阂。一般说来8个0和1，就是一个最基本的信息单位，称之为1个比特，简写为1b。每秒钟传输的信息量称之为信息的传递速率（b/s，即每秒传送多少个比特）。每秒传送1千比特为1kb/s，每秒传送1兆比特表示为1Mb/s,再大就是每秒1千兆，表示为1Gb/s,等等。
用简单的两位数0和1表达、传输和处理一切信息，把信息数字化、一体化，这是信息史上的又一次重要革命。但从技术上讲，却又相当复杂，相当困难。世界上如此庞杂的事物、浩如烟海的信息，都要用简单的0和1 来表达，这是非常复杂的技术。信息以0 还表达后，会出现庞大的数交流，这对数据的快速传递提出了很高的要求。
总之，信息数字化技术涉及到数字的转换（表达）、存取、处理、传输、控制等一系列高技术。例如，提高信息存取能力的微电子技术；提高信息传输能力的光纤技术，提高信息变换能力的光电技术；提高信息转换和控制能力的计算机及其软件技术等等。所以说，信息数字化技术实际上是由一群高技术综合发展而实现的。
二、数字化制造技术在国内外的研究现状
20世纪50年代,数控机床的出现开辟了制造装备的新纪元。随着微型计算机的产生和发展,计算机数控的广泛应用,数控机床得到广泛应用和提高。相继出现的数控三坐标测量机(CMM)和工业机器人与数控机床一起成为重要的数字化加工、测量和操作的装备,其本质是用数字控制代替凸轮行程控制,实现运动数字化。从机械结构和控制方式来看：数控机床、坐标测量机和工业机器人有其共同特点:都可看作数控多坐标装备,运动副都是移动副和转动副,运动链以串联开环为主。数控技术发展的一趋势是提升各种装备性能甚至使其更新换代,即所谓的“数字制造装备”,如电子制造装备、科学仪器、生物医疗装备以及印刷、纺织等轻工机械。20世纪90年代,数字装备的一个重要的发展趋势是对海量信息处理能力的提高,在数字仿形技术的基础上,利用Laser scanner、CT、核磁共振等
数字测量设备实现零件形状特征等几何量的数字化,然后通过数据预处理、表面建模、实体建模、后置处理等过程生成STL 文件(或数控代码)驱动快速成型机(或数控机床)加工出新零件。伽马刀、电镜- 视觉引导的机器人等数字医疗设备扩展了基于视觉的数字测量仪器的应用范围,实现了人体内腔器官的数字化。
三、数字化技术在制造业领域的应用：数字化制造技术
数字化制造技术术语性定义：在数字化技术和制造技术融合的背景下，并在虚拟现实、计算机网络、快速原型、数据库和多媒体等支撑技术的支持下，根据用户的需求，迅速收集资源信息，对产品信息、工艺信息和资源信息进行分析、规划和重组，实现对产品设计和功能的仿真以及原型制造，进而快速生产出达到用户要求性能的产品整个制造全过程。
通俗地说：数字化制造就是指制造领域的数字化，它是制造技术、计算机技术、网络技术与管理科学的交叉、融和、发展与应用的结果，也是制造企业、制造系统与生产过程、生产系统不断实现数字化的必然趋势，其内涵包括三个层面：以设计为中心的数字化制造技术、以控制为中心的数字化制造技术、以管理为中心的数字化制造技术。
数字化制造技术的内容如下：
1、CAD---计算机辅助设计
CAD在早期是英文Computer Aided Drawing (计算机辅助绘图)的缩写，随着计算机软、硬件技术的发展，人们逐步的认识到单纯使用计算机绘图还不能
称之为计算机辅助设计。真正的设计是整个产品的设计，它包括产品的构思、功能设计、结构分析、加工制造等，二维工程图设计只是产品设计中的一小部分。于是CAD的缩写由Computer Aided Drawing改为Computer Aided Design，CAD也不再仅仅是辅助绘图，而是协助创建、修改、分析和优化的设计技术。
2、CAE---计算机辅助工程分析
CAE (Computer Aided Engineering)通常指有限元分析和机构的运动学及动力学分析。有限元分析可完成力学分析(线性.非线性.静态.动态)；场分析(热场、电场、磁场等)；频率响应和结构优化等。机构分析能完成机构内零部件的位移、速度、加速度和力的计算，机构的运动模拟及机构参数的优化。
3、CAM---计算机辅助制造
CAM（Computer Aided Manufacture）是计算机辅助制造的缩写，能根据CAD模型自动生成零件加工的数控代码，对加工过程进行动态模拟、同时完成在实现加工时的干涉和碰撞检查。CAM系统和数字化装备结合可以实现无纸化生产，为CIMS（计算机集成制造系统）的实现奠定基础。CAM中最核心的技术是数控技术。通常零件结构采用空间直角坐标系中的点、线、面的数字量表示，CAM就是用数控机床按数字量控制刀具运动，完成零件加工。
4、CAPP---计算机辅助工艺规划
世界上最早研究CAPP的国家是挪威，始于1966年，并于1969年正式推
出世界上第一个CAPP系统AutoPros，并于1973年正式推出商品化AutoPros 系统。美国是60年代末开始研究CAPP的，并于1976年由CAM-I公司推出颇具影响力的CAP-I's Automated Process Planning系统。
5、PDM---产品数据库管理
随着CAD技术的推广，原有技术管理系统难以满足要求。在采用计算机辅助设计以前，产品的设计、工艺和经营管理过程中涉及到的各类图纸、技术文档、工艺卡片、生产单、更改单、采购单、成本核算单和材料清单等均由人工编写、审批、归类、分发和存档，所有的资料均通过技术资料室进行统一管理。自从采用计算机技术之后，上述与产品有关的信息都变成了电子信息。简单地采用计算机技术模拟原来人工管理资料的方法往往不能从根本上解决先进的设计制造手段与落后的资料管理之间的矛盾。要解决这个矛盾，必须采用PDM技术。
PDM（产品数据管理）是从管理CAD/CAM系统的高度上诞生的先进的计算机管理系统软件。它管理的是产品整个生命周期内的全部数据。工程技术人员根据市场需求设计的产品图纸和编写的工艺文档仅仅是产品数据中的一部分。PDM系统除了要管理上述数据外，还要对相关的市场需求、分析、设计与制造过程中的全部更改历程、用户使用说明及售后服务等数据进行统一有效的管理。
PDM关注的是研发设计环节。
6、ERP---企业资源计划
企业资源计划系统，是指建立在信息技术基础上，对企业的所有资源（物流、
资金流、信息流、人力资源）进行整合集成管理，采用信息化手段实现企业供销链管理，从而达到对供应链上的每一环节实现科学管理。
ERP系统集中信息技术与先进的管理思想于一身，成为现代企业的运行模式，反映时代对企业合理调配资源，最大化地创造社会财富的要求，成为企业在信息时代生存、发展的基石。在企业中，一般的管理主要包括三方面的内容：生产控制（计划、制造）、物流管理（分销、采购、库存管理）和财务管理（会计核算、财务管理）。
7、RE---逆向工程技术
对实物作快速测量，并反求为可被3D软件接受的数据模型，快速创建数字化模型（CAD）。进而对样品进而作修改和详细设计，达到快速开发新产品的目的。属于数字化测量领域。
8、RP---快速成型
快速成型（Rapid Prototyping）技术是90年代发展起来的，被认为是近年来制造技术领域的一次重大突破，其对制造业的影响可与数控技术的出现相媲美。RP系统综合了机械工程、CAD、数控技术，激光技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想物化为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评价、修改及功能试验，有效地缩短了产品的研发周期。
四、数字化技术的未来发展趋势
随着计算机和网络技术的发展,使得基于多媒体计算机系统和通信网络的数字化制造技术为现代制造系统的并行作业、分布式运行、虚拟协作、远程操作与监视等提供了可能。数字化制造技术与产品的发展趋势如下:
(1)制造信息的数字化,将实现CAD /CAPP /CAM /CAE的一体化,使产品向无图纸制造方向发展,如产品CAD数据经过校核,直接传送给数控机床完成加工就是一例;
(2)通过局域网实现企业内部并行工程,通过Internet建立跨地区的虚拟企业,实现资源共享,优化配置,使制造业向互联网辅助制造方向发展;
(3)将数字化技术注入传统产品,开发新产品,无论从工业装备和人民生活需求都是社会发展的趋势。
特别是在我国,国家在数字装备和数字制造的基础研究方面应加大资助力度,建立国家级的研究中心和工程中心;与数字地球、数字流域、数字城市等数字技术相适应,大力发展和应用适合我国国情和国防建设的数字制造技术和精密、重大数字装备;特别重视人才队伍建设,大力培养一批具有创新意识、思维活跃、立足国内的从事数字制造基础研究的高科技人才;积极开展数字制造的国际交流和合作,尽快提高我国数字制造的研究水平。实现我国制造业的跨跃式发展。
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