数字化制造技术提升产品设计水平 - 文章

数字化制造技术提升产品设计水平

作者：宁波德立科技有限公司 Sam C. Tu

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十年前，人们还在讨论计算机集成制造系统(CIMS)的可行性，如今实用计算机集成制造技术(也称数字化制造技术)已被越来越多的企业所接受并应用到生产实践中。从产品的外观，结构及功能设计，到计算机辅助设计和制造(CAD/CAM)、快速成型和计算机辅助检测，数字化制造技术正向人们展示着它无穷的魅力。

一般来讲，数字化制造技术主要包括产品的计算机辅助工业设计(Computer Aided Industrial Design，或CAID)、计算机辅助设计和制造(Computer Aided Design and Computer Aided Manufacturing，或CAD/ CAM)、快速成型(Rapid Prototyping，或RP)、三坐标测量和计算机辅助检测、数控加工等几大核心。本文从实际应用出发，简要介绍各主要核心技术的基本概念、常用方法和工具。

数字化制造流程

计算机辅助工业设计(CAID)

计算机辅助工业设计(CAID)在最近几年蓬勃发展，尤其是我国沿海发达地区的小家电、电动工具等行业增长十分迅速，这主要是由于日益激烈的竞争环境迫使企业走出单纯模仿的传统的产品开发路子，使企业认识到，要在市场中占有一席之地，产品必须拥有自己的特色，通过先进的设计来赢得客户，不再一味地进行价格战。而中国加入WTO加速了这一进程。

工业设计的范畴广泛。广义讲，包括工业产品设计、环境设计及视觉传达设计；狭义讲，指所有由机械化批量生产的工业产品的设计。它不仅包括对工业产品的功能、结构、材料、工艺以及形态、色彩、表面处理、装饰等方面的设计，同时还要从社会的、经济的、技术的、艺术的及人的各方面因素进行综合处理，从而使现代工业产品既符合社会不断发展的物质需求，同时还满足人们的精神需求。因此工业设计是人类科学技术、社会经济、美学艺术综合且有机统一的创造性活动，是现代科学技术与人类文化艺术发展的产物，也是工业时代的一门新兴科学。而计算机辅助工业设计是指以计算机技术为辅助手段进行产品的艺术化工业设计，主要是指对批量生产的工业产品的材料、外型、色彩、结构、表面加工等方面的设计工作。工业设计的魅力所在就是创新、创新、再创新。只有不断的创新设计才会有不断的市场和不断的高额利润；这些年来中国家电行业之所以发展到了世界各地，无不得益于工业设计的作用。

CAID的一般过程有市场调查、产品概念草图设计、彩色效果图设计、三维效果图设计、三维造型设计、产品零件图和技术要求说明等。所用到的主要工具包括：Alias、CorelDraw、3DMAX、Pro/CDRS等。

计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)

计算机辅助设计(CAD)在我国应用较早，早期主要是采用计算机绘图技术来替代原来的手工制图，至20世纪80～90年代二维设计逐渐被三维设计代替。计算机辅助制造(CAM)则发展较迟，这与数字化加工技术的发展密切相关。近年来，在我国，尤其是在江浙、华南等地区，在当地政府的支持下，数控加工能力在过去几年中成倍增长。以数控加工中心及相关软件为核心的计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)在我国得到较快的发展，大大地促进了当地生产力的提高。今天，计算机辅助设计与计算机辅助制造已密不可分，在许多领域尤其是模具业，由于其单件或小批量加工的特点，采用CAD/CAM技术进行生产的优势非常明显。

CAD/CAM主要是指采用先进的计算机软硬件手段进行产品三维造型、结构设计、装配仿真、加工仿真、数控加工编程等，其中产品的三维造型是基础，从 CAD三维模型到数控加工程序的生成通常不需人工干预，可由CAM软件自动产生。产品的三维造型设计通常有正向设计和逆向设计两种(图1)。正向设计是指通过工程师对待开发产品概念的理解来进行产品的设计，即由概念到图纸或数字模型的过程。与产品的正向设计不同，逆向工程是从已有产品或实物模型出发，反求产品原始设计参数，并在此基础上进行产品的设计开发(图2)。逆向工程不仅可大大缩短产品的开发周期，降低产品开发成本，还可实现许多正向设计所无法解决的问题，如某些产品的外形非常特别，其数学模型非常难以界定，用逆向方法则可迎刃而解。正向设计讲究的是创意，通常开发周期较长；逆向设计则较快，可实现一般正向设计无法实现的产品设计，有时只是对成功产品的复制，开发成本一般较低。

图1 逆向与正向设计

图2 逆向工程一般流程

目前最常用的CAD/CAM设计工具有：UG、Pro/E、CATIA、Power-SHAPE/ PowerMILL等。其中UG、Pro/E应用较普遍，而CATIA在航空、汽车工业领域的应用近年来呈上升趋势。对逆向设计而言，如果测量手段为简单的手工测量或通用三坐标测量机(CMM)，所得数据较少(一般少于一万点)，可使用UG、Pro/E或CATIA进行处理并生成最终三线数模；如果采用的测量工具为激光扫描，因数据量非常大(一般有100万点以上)，需要大数据(点云)处理软件如CopyCAD、Geomagic、Surfacer等，来对数据进行处理，其输出为可被通用CAD/CAM软件所接受的STL、IGES、DXF等。

快速成型(RP)

快速成型(Rapid Prototyping)采用激光等技术将树酯、ABS、PC等材料按产品的三维造型(STL格式)进行快速烧结并成型。这种成型技术可以不必制造模具就做出完整的样机，不仅可大大加速了新产品的开发进度，还可节约大量成本。

目前在我国已有一些厂家可提供快速成型系统或服务，如西安交通大学、清华大学等，但目前国产快速成型系统从整体上还比较落后，所用材料通常是树脂或纸材。树脂通常不能用在办公室(含有毒气体)，做出的模型比较脆，一不能作复杂装配验证，在环境变化时很容易产生变形。国外厂家主要有美国3DSystem、美国 Stratasys等。其中Stratasys FDM系统采用ABS或PC材料，不仅强度大(可作装配)，还可耐高温，且可放在一股办公室中(无毒)。

三坐标测量及计算机辅助检测(CMM/CAI)

前面我们提到过产品设计可分正向设计和逆向设计，其中逆向设计最根本的就是对样件的三维测量或三维数字化。三坐标测量通常与检测是相伴而生的，测量的目的不外乎是求得某几何参数或比较测得值与理论值的差别。计算机辅助检测(CAI或CAV)是最近几年才广泛应用的，尤其是在欧美发达国家，三维扫描测量的一半以上的应用为产品的快速检测，即比较产品与设计间的误差，从而找到改进产品制造工艺或设计方案的方法。除了传统的手工测量外，常见的数字化方法包括三坐标测量机测量、光栅扫描、以及最新的三维激光扫描等多种。

三坐标测量机测量的主要工具是三坐标测量机(Coordinate Measurement Machine，简称CMM)，是目前使用最广泛的高精度测量手段，主要有龙门式、立柱式、机器臂式等几种。龙门式三坐标测量机也称桥式测量机，外观似桥而得名。此类测量机技术成熟、精度高，目前大多数高精度测量均采用该类形式。但这类测量机的不足是：机身重(大理石台面)、体积大、不易移动、对系统水平度和环境要求严格、系统操作相对复杂，通常必须在恒温室由专人操作，主要用于重量轻、体积小、质地硬的物体的精密测量。主要供应商有青岛前哨、LK等。立柱式测量机通常由立柱、横梁、测头、控制系统等构成。机座多为铸铁，体积庞大、不易移动。特点是价格低、精度低，主要用干硬质大物体的一般测量。主要供应商有北京立科、成都中测等。机器臂式也称关节臂式测量机(常称为 Portable Coordinate Measurement Machine，或PCMM)，具有柔性住、移动方便、对环境要求低(可用于车间或一般设计室)等特点，是现场测量的最佳选择。该类测量机几年前精度仅有0.50mm左右，应用不多。但近几年来，美国CIMCORE公司出品的机器臂式测量机的精度可达0.01mm，已可满足大多数工业应用的要求，是目前发展最快的三坐标测量手段之一。主要供应商有美国CIMCORE、美国FARO、意大利Coord 3等。

图3 柔性投光扫描系统FlerME

由于传统的接触测量对测头半径补偿的要求，以及对柔软、易碎、易变形的物体的测量的局限性，一些厂家将光学测头(点、线光源)加装到一般CMM或PCMM上，以实现对产品的非接触测量。该类测量机大多在CMM基础上发展而来，但市场上也有专用的三坐标光学测量机，如早期美国Optical Gauging System系统等。基于传统CMM的非接触式测量系统除了在非接触测量上是个改进外，其他特点基本与传统CMM一样，如对被测物体重量及大小的限制等。而基于PCMM的激光扫描系统通常具备很大的柔性，故称柔性三坐标扫描测量系统。其主要代表有中美合资宁波德立科技有限公司、美国CIMCORE和美国Perceptron联合推出的基于目前市场上最优秀的三坐标测量关节臂和成熟激光扫描技术的柔性三坐标测量及激光扫描检测系统FlexME(图3)。FlexME系统的出现代表着新一代逆向工程(Reverse Engineering或RE)和计算机辅助检测(Computer Aided Inspection 或CAI)系统已经进入中国市场。这类系统通常在成熟产品的基础上或利用现有CMM加装激光测头，一机多用，具备可升级性，而且升级成本较低。

另一类扫描方法是光栅扫描测量法即照相法，采用普通白光光栅投影到被测物体上再做照相、数据处理等来得到物体表面的三维信息。因采用照相再拼合的测量方式，国内也有人把该方法称为“面扫描”。光栅投影照相法系统于20世纪如年代末开始在我国引进，典型系统有德国GOM的ATOS、德国Steinbichler公司的COMET等，是国内较早引进的逆向工程测量方法。由于照相机与被测物体的距离在800mm左右，通常死角较多，而且多次测量所得值是通过拼合得到的，测量时需在被测物体表面做许多特殊辅助标记(对被测物体有一定的破坏性)，对复杂面的测量需多次重新设置系统，操作复杂，测量费时。同时，测量光源为普通白光，受环境光影响较大，需对被测物体进行表面预处理才能进行测量。与一般CMM测量相比，对某些不太复杂的曲面的扫描测量，照相法仍不失是可用的扫描方法。

数字化制造的出现大大缩短了产品的设计周期。作为逆向工程中的最基本组成部分，三维数字化手段层出不穷。在五年前，采用三坐标测量机(CMM)进行产品三维数字化对一般企业来讲还是那么遥不可及，如今不仅是一般CMM，一般企业拥有三维激光扫描系统也成为可能。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/25/2004)


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