技術(shù)

   
    十年前，人們還在討論計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的可行性，如今實(shí)用計(jì)算機(jī)集成制造技術(shù)(也稱數(shù)字化制造技術(shù))已被越來越多的企業(yè)所接受并應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中。
    從產(chǎn)品的外觀，結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計(jì)，到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造(CAD/CAM)、快速成型和計(jì)算機(jī)輔助檢測，數(shù)字化制造技術(shù)正向人們展示著它無窮的睦力。 
    一般來講，數(shù)字化制造技術(shù)主要包括產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)(Computer Aided Industrial Design，或CAID)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造(Computer Aided Design and Computer Aided Manufacturing，或CAD/ CAM)、快速成型(Rapid Prototyping，或RP)、三坐標(biāo)測量和計(jì)算機(jī)輔助檢測、數(shù)控加工等幾大核心。本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，簡要介紹各主要核心技術(shù)的基本概念、常用方法和工具。 計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)(CAID)
    計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)(CAID)在最近幾年蓬勃發(fā)展，尤其是我國沿海發(fā)達(dá)地區(qū)的小家電、電動(dòng)工具等行業(yè)增長十分迅速，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，使企業(yè)認(rèn)識到，要在市場中占有一席之地，產(chǎn)品必須擁有自己的特色，通過先進(jìn)的設(shè)計(jì)來贏得客戶，不再一味地進(jìn)行價(jià)格戰(zhàn)。而中國加入WTO加速了這一進(jìn)程。 
    工業(yè)設(shè)計(jì)的范疇廣泛。廣義講，包括工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、環(huán)境設(shè)計(jì)及視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)；狹義講，指所有由機(jī)械化批量生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。它不僅包括對工業(yè)產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)、材料、工藝以及形態(tài)、色彩、表面處理、裝飾等方面的設(shè)計(jì)，同時(shí)還要從社會(huì)的、經(jīng)濟(jì)的、技術(shù)的、藝術(shù)的及人的各方面因素進(jìn)行綜合處理，從而使現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品既符合社會(huì)不斷發(fā)展的物質(zhì)需求，同時(shí)還滿足人們的精神需求。因此工業(yè)設(shè)計(jì)是人類科學(xué)技術(shù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、美學(xué)藝術(shù)綜合且有機(jī)統(tǒng)一的創(chuàng)造性活動(dòng)，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與人類文化藝術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，也是工業(yè)時(shí)代的一門新興科學(xué)。而計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為輔助手段進(jìn)行產(chǎn)品的藝術(shù)化工業(yè)設(shè)計(jì)，主要是指對批量生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品的材料、外型、色彩、結(jié)構(gòu)、表面加工等方面的設(shè)計(jì)工作。工業(yè)設(shè)計(jì)的魅力所在就是創(chuàng)新、創(chuàng)新、再創(chuàng)新。只有不斷的創(chuàng)新設(shè)計(jì)才會(huì)有不斷的市場和不斷的高額利潤；這些年來中國家電行業(yè)之所以發(fā)展到了世界各地，無不得益于工業(yè)設(shè)計(jì)的作用。CAID的一般過程有市場調(diào)查、產(chǎn)品概念草圖設(shè)計(jì)、彩色效果圖設(shè)計(jì)、三維效果圖設(shè)計(jì)、三維造型設(shè)計(jì)、產(chǎn)品零件圖和技術(shù)要求說明等。所用到的主要工具包括：Alias、CorelDraw、3DMAX、Pro/CDRS等。
        
                       圖1 逆向與正向設(shè)計(jì)
       
                 圖2 逆向工程一般流程
計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD/CAM)
    計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)在我國應(yīng)用較早，早期主要是采用計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)來替代原來的手工制圖，至20世紀(jì)80～90年代二維設(shè)計(jì)逐漸被三維設(shè)計(jì)代替。 
    計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)則發(fā)展較遲，這與數(shù)字化加工技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。近年來，在我國，尤其是在江浙、華南等地區(qū)，在當(dāng)?shù)卣闹С窒拢瑪?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(guān)軟件為核心的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD/CAM)在我國得到較快的發(fā)展，大大地促進(jìn)了當(dāng)?shù)厣a(chǎn)力的提高。今天，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助制造已密不可分，在許多領(lǐng)域尤其是模具業(yè)，由于其單件或小批量加工的特點(diǎn)，采用CAD/CAM技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)的優(yōu)勢非常明顯。 
    CAD/CAM主要是指采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟硬件手段進(jìn)行產(chǎn)品三維造型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配仿真、加工仿真、數(shù)控加工編程等，其中產(chǎn)品的三維造型是基礎(chǔ)，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(yù)，可由CAM軟件自動(dòng)產(chǎn)生。產(chǎn)品的三維造型設(shè)計(jì)通常有正向設(shè)計(jì)和逆向設(shè)計(jì)兩種(圖1)。正向設(shè)計(jì)是指通過工程師對待開發(fā)產(chǎn)品概念的理解來進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，即由概念到圖紙或數(shù)字模型的過程。與產(chǎn)品的正向設(shè)計(jì)不同，逆向工程是從已有產(chǎn)品或?qū)嵨锬Ｐ统霭l(fā)，反求產(chǎn)品原始設(shè)計(jì)參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，還可實(shí)現(xiàn)許多正向設(shè)計(jì)所無法解決的問題，如某些產(chǎn)品的外形非常特別，其數(shù)學(xué)模型非常難以界定，用逆向方法則可迎刃而解。正向設(shè)計(jì)講究的是創(chuàng)意，通常開發(fā)周期較長；逆向設(shè)計(jì)則較快，可實(shí)現(xiàn)一般正向設(shè)計(jì)無法實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，有時(shí)只是對成功產(chǎn)品的復(fù)制，開發(fā)成本一般較低。 
    目前最常用的CAD/CAM設(shè)計(jì)工具有： UG、Pro/E、CATIA、Power-SHAPE/ PowerMILL等。其中UG、Pro/E應(yīng)用較普遍，而CATIA在航空、汽車工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用近年來呈上升趨勢。對逆向設(shè)計(jì)而言，如果測量手段為簡單的手工測量或通用三坐標(biāo)測量機(jī)(CMM)，所得數(shù)據(jù)較少(一般少于一萬點(diǎn))，可使用UG、Pro/E或CATIA進(jìn)行處理并生成最終三線數(shù)模；如果采用的測量工具為激光掃描，因數(shù)據(jù)量非常大(一般有100萬點(diǎn)以上)，需要大數(shù)據(jù)(點(diǎn)云)處理軟件如CopyCAD、Geomagic、Surfacer等，來對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其輸出為可被通用CAD/CAM軟件所接受的STL、IGES、DXF等。
快速成型(RP) 
    快速成型(Rapid Prototyping)采用激光等技術(shù)將樹酯、ABS、PC等材料按產(chǎn)品的三維造型(STL格式)進(jìn)行快速燒結(jié)并成型。這種成型技術(shù)可以不必制造模具就做出完整的樣機(jī)，不僅可大大加速了新產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)度，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(wù)，如西安交通大學(xué)、清華大學(xué)等，但目前國產(chǎn)快速成型系統(tǒng)從整體上還比較落后，所用材料通常是樹脂或紙材。樹脂通常不能用在辦公室(含有毒氣體)，做出的模型比較脆，一不能作復(fù)雜裝配驗(yàn)證，在環(huán)境變化時(shí)很容易產(chǎn)生變形。國外廠家主要有美國3DSystem、美國 Stratasys等。其中Stratasys FDM系統(tǒng)采用ABS或PC材料，不僅強(qiáng)度大(可作裝配)，還可耐高溫，且可放在一股辦公室中(無毒)。
三坐標(biāo)測量及計(jì)算機(jī)輔助檢測(CMM/CAI) 
    前面我們提到過產(chǎn)品設(shè)計(jì)可分正向設(shè)計(jì)和逆向設(shè)計(jì)，其中逆向設(shè)計(jì)最根本的就是對樣件的三維測量或三維數(shù)字化。三坐標(biāo)測量通常與檢測是相伴而生的，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。計(jì)算機(jī)輔助檢測(CAI或CAV)是最近幾年才廣泛應(yīng)用的，尤其是在歐美發(fā)達(dá)國家，三維掃描測量的一半以上的應(yīng)用為產(chǎn)品的快速檢測，即比較產(chǎn)品與設(shè)計(jì)間的誤差，從而找到改進(jìn)產(chǎn)品制造工藝或設(shè)計(jì)方案的方法。除了傳統(tǒng)的手工測量外，常見的數(shù)字化方法包括三坐標(biāo)測量機(jī)測量、光柵掃描、以及最新的三維激光掃描等多種。 
    三坐標(biāo)測量機(jī)測量的主要工具是三坐標(biāo)測量機(jī) (Coordinate Measurement Machine，簡稱CMM)，是目前使用最廣泛的高精度測量手段，主要有龍門式、立柱式、機(jī)器臂式等幾種。龍門式三坐標(biāo)測量機(jī)也稱橋式測量機(jī)，外觀似橋而得名。此類測量機(jī)技術(shù)成熟、精度高，目前大多數(shù)高精度測量均采用該類形式。但這類測量機(jī)的不足是：機(jī)身重(大理石臺(tái)面)、體積大、不易移動(dòng)、對系統(tǒng)水平度和環(huán)境要求嚴(yán)格、系統(tǒng)操作相對復(fù)雜，通常必須在恒溫室由專人操作，主要用于重量輕、體積小、質(zhì)地硬的物體的精密測量。主要供應(yīng)商有青島前哨、LK等。立柱式測量機(jī)通常由立柱、橫梁、測頭、控制系統(tǒng)等構(gòu)成。機(jī)座多為鑄鐵，體積龐大、不易移動(dòng)。特點(diǎn)是價(jià)格低、精度低，主要用干硬質(zhì)大物體的一般測量。主要供應(yīng)商有北京立科、成都中測等。機(jī)器臂式也稱關(guān)節(jié)臂式測量機(jī)(常稱為 Portable Coordinate Measurement Machine，或PCMM)，具有柔性住、移動(dòng)方便、對環(huán)境要求低(可用于車間或一般設(shè)計(jì)室)等特點(diǎn)，是現(xiàn)場測量的最佳選擇。該類測量機(jī)幾年前精度僅有 0.50mm左右，應(yīng)用不多。但近幾年來，美國CIMCORE公司出品的機(jī)器臂式測量機(jī)的精度可達(dá)0.01mm，已可滿足大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用的要求，是目前發(fā)展最快的三坐標(biāo)測量手段之一。主要供應(yīng)商有美國CIMCORE、美國FARO、意大利Coord 3等。 
    由于傳統(tǒng)的接觸測量對測頭半徑補(bǔ)償?shù)囊螅约皩θ彳?、易碎、易變形的物體的測量的局限性，一些廠家將光學(xué)測頭(點(diǎn)、線光源)加裝到一般CMM或PCMM 上，以實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品的非接觸測量。 
    該類測量機(jī)大多在CMM基礎(chǔ)上發(fā)展而來，但市場上也有專用的三坐標(biāo)光學(xué)測量機(jī)，如早期美國Optical Gauging System系統(tǒng)等。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(gè)改進(jìn)外，其他特點(diǎn)基本與傳統(tǒng)CMM一樣，如對被測物體重量及大小的限制等。而基于PCMM的激光掃描系統(tǒng)通常具備很大的柔性，故稱柔性三坐標(biāo)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、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(biāo)測量關(guān)節(jié)臂和成熟激光掃描技術(shù)的柔性三坐標(biāo)測量及激光掃描檢測系統(tǒng)FlexME(圖3)。FlexME系統(tǒng)的出現(xiàn)代表著新一代逆向工程(Reverse Engineering或RE)和計(jì)算機(jī)輔助檢測(Computer Aided Inspection 或CAI)系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入中國市場。這類系統(tǒng)通常在成熟產(chǎn)品的基礎(chǔ)上或利用現(xiàn)有CMM加裝激光測頭，一機(jī)多用，具備可升級性，而且升級成本較低。 
    另一類掃描方法是光柵掃描測量法即照相法，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。因采用照相再拼合的測量方式，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(jì)如年代末開始在我國引進(jìn)，典型系統(tǒng)有德國GOM的ATOS、德國 Steinbichler公司的COMET等，是國內(nèi)較早引進(jìn)的逆向工程測量方法。由于照相機(jī)與被測物體的距離在800mm左右，通常死角較多，而且多次測量所得值是通過拼合得到的，測量時(shí)需在被測物體表面做許多特殊輔助標(biāo)記(對被測物體有一定的破壞性)，對復(fù)雜面的測量需多次重新設(shè)置系統(tǒng)，操作復(fù)雜，測量費(fèi)時(shí)。同時(shí)，測量光源為普通白光，受環(huán)境光影響較大，需對被測物體進(jìn)行表面預(yù)處理才能進(jìn)行測量。與一般CMM測量相比，對某些不太復(fù)雜的曲面的掃描測量，照相法仍不失是可用的掃描方法。 
    數(shù)字化制造的出現(xiàn)大大縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。作為逆向工程中的最基本組成部分，三維數(shù)字化手段層出不窮。在五年前，采用三坐標(biāo)測量機(jī)(CMM)進(jìn)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，如今不僅是一般CMM，一般企業(yè)擁有三維激光掃描系統(tǒng)也成為可能。