数字装备与数字制造
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熊有伦院士论文《数字装备与数字制造》
2003年09月22日14:56 第四届中国国际机电产品博览会组委会
一、研究意义
一个国家制造业水平的高低，很大程度上取决于其基础制造装备水平的高低。
上世纪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。
目前，作为现代制造装备“灵魂”的数控系统已由NC、CNC时代进入了PC-NC和NET-NC时代，其主要目标都是开发具有智能化和柔性化的开放式新一代数控系统，将各种新工艺、新技术、新方法集成于控制系统的基础平台，开发先进制造装备的支撑环境。
数控技术发展的另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(简称数字装备)”，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。
同时，研制面向国家安全和国家重大工程的数字装备，打破西方先进工业国家在同类产品方面对我国新的封锁、限制和垄断，对于国防安全和经济安全具有重要意义。
数字制造是先进制造技术的核心，代表智能制造、网络制造、虚拟制造等先进制造技术的主流发展方向。
随着党的“十六大”确定以信息化带动工业化，走新型工业化的道路，数字装备和数字制造的研究对于提高我国制造业的技术创新能力和国际竞争力，促进制造业产业结构的优化和升级，以及实现我国制造业的跨跃式发展等均具有积极的推动作用。
二、国内外现状
上世纪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。
数字装备的另一个重要的发展趋势是加工对象的尺度变化，由毫米(mm)、微米(um)到纳米(nm)，陆续出现了显微数字图像处理设备、电子制造装备(包括光刻机、键合机、粘接机等)等精密数字制造装备。
在技术方面，数字装备与数字制造的研究已从单纯的制造过程的几何量(位移、多坐标联动位移、运动形状、微观形状等)数字描述，发展到对制造过程的物理量(温度、流量场、应力场、热变形、密度、物质材料等)以及知识、经验、信息等数字描述。
另外，制造过程和制造系统的形式化、数字化描述与处理成为当前研究热点，包括海量信息处理，微、纳识别和分辨率，物理过程仿真与分析(包括有限元方法、三角划分、复杂边界物理方程求解等)、网格计算以及物理本质的探索等。
目前，我国的基础制造装备与国际先进水平相比还存在着阶段性差距。
我国只是一个制造大国，还远远不是一个制造强国，突出表现在：产品创新能力较差，开发周期较长；制造工艺装备落后，成套能力不强。
据统计，100%的光纤制造装备、85%的集成电路(IC)制造装备、90%以上高档数控机床和大型医疗装备都依赖进口。
我国制造业对数字装备的需求正在迅速增长，在“十五”期间，加入WTO和产业结构调整，将使得各个产业部门对高水平、高质量的数字装备将产生巨大的需求，如飞机、汽车、发电、冶金、矿山、叶片、发动机、车身、机翼的重要零部件都需要精密数控机床或其它数字制造装备进行测量、建模和加工。
精密数控机床等数字装备是典型的知识密集型产品，事关一个国家的经济利益和国防利益，一直是西方国家对华禁运的重点，这类装备是我们花钱都买不来的，著名的“东芝事件”和1999年的“考克斯报告”就充分说明了这一点。
在上世纪90年代中期，通过并联机构与数控技术的结合，产生了并联机床(Parallel Machine Tool)，又称虚(拟)轴机床(Virtual Axis Machine Tool)，其应用逐渐扩展到虚拟轴坐标测量机、六维力传感器等精密测量平台设备。
目前，我国在并联机床的研究方面取得了较大进展，在国际上占有了一席之地。
但从目前的技术发展来看，并联机床还不能成为数控机床的主流产品，然而在轻工、食品加工以及大型天文望远镜方面等具有一定用武之地。
在数字装备的研究方面我们应该放开眼界，不要一哄而上，局限于某一类装备的研究，要大力发展以电子制造装备、大型医疗装备、精密科学仪器、精密数控装备等数字装备为代表的高技术产业所需装备。
三、战略目标
以数字技术为出发点，提高我国在大型装备、大型工程机械和国防武器装备的设计、开发和制造能力；以国防装备、重大工程装备、大型医疗装备、精密数控装备等数字装备为突破口，带动制造业特别是装备制造升级换代，实现超越式发展；建立我国数字装备和数字制造的研发中心，扶持、培育一批重点企业，塑造具有中国特色的知名装备品牌，提升民族工业和中国产品的竞争力。
四、展望与建议
数字制造以其响应快、质量高、成本低和柔性好等特点，正成为推动21世纪制造业向前发展的主流。
装备的数字化代表装备制造的发展方向，它不仅增强了装备的功能和系统集成能力，而且显著地提高了系统的可操作性、可维护性，降低了装备的运行和维护成本。
随着数字技术的进步，制造系统、过程和产品的数字描述理论、方法及数字装备的发展，数字制造技术将逐渐成熟，其内涵还将不断地丰富和发展。
近年来，国家自然科学基金在虚拟制造、智能制造、网络制造以及数字制造的
某些单元技术等方面资助了一系列重点或面上项目的研究；国家863计划的CIMS 主题和机器人技术主题分别开展了“数字化设计与制造”和“数控技术、系统及关键装备”方面的专题研究；国家973技术开始资助先进制造基础研究；以及各地方省市纷纷开展数字设计与制造的攻关研究，这些计划的实施为数字制造的研究积累了较好的基础。
但是，目前在数字装备和数字制造的基础科学技术问题方面缺乏系统深入的多学科交叉研究，建议：
(1)、国家在数字装备和数字制造的基础研究方面加大资助力度，制定并实施“振兴装备制造业专项计划”，建立国家级的研究中心和工程中心；
(2)、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；
(3)、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。
