什么是数字化技术

一 什么是数字化技术 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 是计算机技术 多媒体技术以及互联网技术的基础 是实现信息数字化的 技术手段 它将客观世界中的事物转换成计算机唯一能识 别机器语言 即二进制 0 和 1 从而实现后续一系列的加工 处理等操作 二 数字化技术发展历程 电子技术的发展历程是以电子器件的发展为基础的 20 世纪初直至中叶 主要使用的电子器件是真空管 也 称电子管 随着固体微电子学的进步 第一支晶体三极 管于 1947 年问世 开创了电子技术的新领域 随后 60 年代初 模拟和数字集成电路相继问世 到 70 年代末微 处理器的问世 电子器件及应用出现了崭新的局面 1988 年 集成工艺可在一平方厘米的硅片上集成 3500 万个元件 说明集成电路进入甚大规模阶段 当前的制 造技术已经使得集成电路芯片内部的布线细微到亚微米 和深亚微米 0 13 0 09m 量级 随着芯片上元件和布 线的缩小 芯片的功耗降低而速度大为提高 数字技术的发展历程与模拟电路一样 经历了由电 子管 半导体分立器件到集成电路的过程 由于集成电 路的发展非常迅速 很快占有主导地位 因此 数字电 路的主流形式是数字集成电路 从 20 世纪 60 年代开始 数字集成器件以双极型工艺制成了小规模逻辑器件 随 后发展到中规模 70 年代末 微处理器的出现 使数字 集成电路的性能发生了质的飞跃 从 80 年代中期开始 专用集成电路 ASIC 制作技术已趋向成熟 标志着数 字集成电路发展到了新的阶段 数字技术应用的典型代表是电子计算机 它是伴随 着电子技术的发展而发展的 现代计算机起源自英国数 学教授 Charles Babbage 他发现通常的计算设备中有许 多错误 在剑桥学习时 他认为可以利用蒸汽机进行运 算 起先他设计差分机用于计算导航表 后来 他发现 差分机只是专门用途的机器 于是放弃了原来的研究 开始设计包含现代计算机基本组成部分的分析机 Analytical Engine Babbage 的蒸汽动力计算机虽然最 终没有完成 以今天的标准看也是非常原始的 然而 它勾画出现代通用计算机的基本功能部分 在概念上是 一个突破 在这之前的计算机 都是基于机械运行方式 尽管 有个别产品开始引入一些电学内容 却都是从属与机械 的 还没有进入计算机的灵活 逻辑运算领域 而在这 之后 随着电子技术的飞速发展 计算机就开始了由机 械向电子时代的过渡 电子越来越成为计算机的主体 机械越来越成为从属 二者的地位发生了变化 计算机 也开始了质的转变 1906 年美国的 Lee De Forest 发明了电子管 在这之 前造出数字电子计算机是不可能的 这为电子计算机的 发展奠定了基础 1935 年 IBM 推出 IBM 601 机 这是一 台能在一秒钟算出乘法的穿孔卡片计算机 这台机器无 论在自然科学还是在商业意义上都具有重要的地位 大 约造了 1500 台 1938 年 Claude E Shannon 发表了用继电器进行逻辑表示的论文 1938 年柏林的 Konrad Zuse 和他的助手们完成了一个机 械可编程二进制形式的计算机 其理论基础是 Boolean 代数 后来命名为 Z1 它的功能比较强大 用类似电影 胶片的东西作为存储介质 可以运算七位指数和 16 位小 数 可以用一个键盘输入数字 用灯泡显示结果 1939 年加利福尼亚的 David Hewlet 和 William Packard 在他们 的车库里造出了 Hewlett Packard 计算机 名字是两人用 投硬币的方式决定的 包括两人名字的一部分 1939 年 11 月美国 John V Atanasoff 和他的学生 Clifford Berry 完 成了一台 16 位的加法器 这是第一台真空管计算机 1939 年 Zuse 和 Schreyer 开始在他们的 Z1 计算机的基础 上发展 Z2 计算机 并用继电器改进它的存储和计算单元 1940 年 Schreyer 利用真空管完成了一个 10 位的加法器 并使用了氖灯做存储装置 1943 年到 1959 年时期的计算机通常被称作第一代 计算机 使用真空管 所有的程序都是用机器码编写 使用穿孔卡片 典型的机器就是 UNIVAC 1943 年 1 月 Mark I 自动顺序控制计算机在美国研制成功 整个机器 有 51 英尺长 重 5 吨 75 万个零部件 使用了 3304 个 继电器 60 个开关作为机械只读存储器 程序存储在纸 带上 数据可以来自纸带或卡片阅读器 被用来为美国 海军计算弹道火力表 1943 年 4 月 Max Newman Wynn Williams 和他们的研究小组研制成功 Heath Robinson 这是一台密码破译机 严格说的话不 是一台计算机 但是其使用了一些逻辑部件和真空管 其光学装置每秒钟能读入 2000 个字符 同样具有划时代 的意义 1943 年 9 月 Williams 和 Stibitz 完成了 Relay Interpolator 后来命名为 Model II Relay Calculator 这是一台可编程计算机 同样使用纸带输入程序和数据 其运行更可靠 每个数用 7 个继电器表示 可进行浮点 运算 1943 年 12 月 最早的可编程计算机在英国推出 包括 2400 个真空管 目的是为了破译德国的密码 每秒 能翻译大约 5000 个字符 但使用完后不久就遭到了毁坏 据说是因为在翻译俄语的时候出现了错误 真空管时代的计算机尽管已经步入了现代计算机的 范畴 但其体积之大 能耗之高 故障之多 价格之贵 大大制约了它的普及应用 直到晶体管被发明出来 电 子计算机才找到了腾飞的起点 1947 年 Bell 实验室的 William B Shockley John Bardeen 和 Walter H Brattain 发明了晶体管 开辟了电子时代新纪元 1949 年剑桥大 学的 Wilkes 和他的小组建成了一台存储程序的计算机 EDSAC 这是一个突破 可以多次在其上存储程序 这 台机器是 John von Neumann 提议建造的 1950 年软磁盘由东京帝国大学的 Yoshiro Nakamats 发明 其销售权由 IBM 公司获得 开创存储时代新纪元 1950 年英国数学家和计算机先驱 Alan Turing 说 计算机将会 具有人的智慧 如果一个人和一台机器对话 对于提出 和回答的问题 这个人不能区别到底对话的是机器还是 人 那么这台机器就具有了人的智能 1951 年 Grace Murray Hopper 完成了高级语言编译器 1954 年 IBM 的 John Backus 和他的研究小组开始开发 FORTRAN FORmula TRANslation 1957 年完成 这是一种适合科 学研究使用的计算机高级语言 1956 年第一次有关人工 智能的会议在 Dartmouth 学院召开 1957 年 IBM 开发成 功第一台点阵打印机 1957 年 FORTRAN 高级语言开发 成功 三 数字化技术在当前工程领域应用 以在冲压模型中应用为例 随着数字化技术的快速发展和 普及 数字化已经应用到了模具制造的全过程 由图 1 分 析得知 模具数字化技术是制约冲压模具开发的一个重要 因素 模具的数字化技术 就是计算机技术或计算机辅助 技术在模具设计制造过程中的应用 总结国内外冲压模具 企业应用计算机辅助技术的成功经验 根据冲压模具制造 流程 数字化冲压模具技术主要体现在 4 个方面 1 冲压成形 CAE 技术在产品设计同步工程的应用 同步开发中冲压工艺贯穿于新产品的全过程 从了解产 品的工艺 到产品的冲压工艺性分析 再到模具的开发 都需要冲压工艺人员的全程参与 冲压 CAE 技术是从冲 压成形过程的实际物理规律出发 借助计算机真实地反 映模具与板料的相互作用关系及板料实际变形的全过程 随着非线性理论 有限元方法和计算机硬件的迅速发展 板料冲压成形过程的 CAE 分析技术经过长期的发展已经 进入工业使用阶段 并形成了一些通用或专用的软件 如 AutoForm PAM STAMP 等 这些软件提供以下分析和模 拟结果 材料的流动 厚度的变化 破坏 起皱 回弹 以及残余应力和应变 利用 CAE 技术在产品概念设计阶 段就可使模具企业对产品每一个零件的成形性 工艺性 提出迅速 准确的预见 在极短的时间内对零件的外形 提出评估意见 给出准确翔实的分析报告 包括数模修 改依据 修改方法以及对后续工序的影响 作为结构设 计部门对产品进行改进或方案确定的依据 1 2 基于模块化的快速设计系统 对于冲压模具来说 结构设计往往占了设计工作量的很 大一部分 随着计算机技术的快速发展 CAD CAE CAM 一体化技术得到了广泛应用 而冲压模 具 CAD 技术在国内的应用 仍然停留在依靠模具设计人 员的经验 在通用 CAD 软件系统上进行交互绘图和造型 的层次上 从而不能及时发现设计过程中的缺陷 延长 了模具的设计周期 在某种程度上也影响了设计质量 基于 UG PROE 等一系列计算机数字化造型软件使模具的 参数化模块设计让 模具快速设计 成为可能 要进行 模具的参数化模块设计 标准件库和模板是基础 通过 软件 将导柱 导板 冲头等一系列的标准件统计入库 以便设计时调用 同时 根据不同的零件把其相应的模 具结构参数化制作成模板 同样入结构库 在拿到模具 设计任务后 预先消化任务要求 生产厂家要求 冲压 要求 其次结合现场实际生产经验 调用模具结构库 进行初设计 再次进行模面设计 再进行调用标准件库 组装标准件 最后合装成一套完整模具 2 通过参数化 模块设计实现典型结构模板化和重复工作智能化 1 典型结构模板化 基于模板化的思想 将冲压模具各 种典型的结构进行分类总结 提取其中可实现参数化控制 之处 生成智能化模板在整个设计的建模过程中予以应用 2 重复工作智能化 将设计过程中的重复工作 通过载 入智能化模板和二次开发工具来达到缩短设计周期的目的 3 参数化程编实现模具的高速加工 随着模具制造节奏的加快 数控加工已由单纯的型面加工 发展到型面和结构面的全面加工 由中低速加工发展到高 速加工 高速加工技术应用于模具制造业中主要有如下优 点 1 小切深 高进给 2 改善工件加工表面质量 减少打磨 3 精度提高 减少试模工作量 4 使用 小刀具加工模具细节 减少刀具规格 降低使用费用 5 以高精度 大进给的方式完成淬火钢的精加工 且达 到很高的模具表面质量 可以减少传统加工因精加工后再 淬火引起模具变形 从而替代某些工艺 高速加工技术应用模具制造主要涉及机床 刀具和数控编 程 3 个方面 具体工作流程如图 2 所示 要实现模具安全 高效的加工 更安全的走刀轨迹和合理的加工策略就显得 尤为重要 将使用的刀具和机床设备按实物尺寸做成刀具 库和机床库 再将不同零件的技术要求罗列成库 零件库 3 个库的数字参数值整理整合到程编软件中做成 CAM 加工 模板 数控程编就会更安全 快速 4 数字化装配技术在模具调试中的应用 模具的装配方法一般分为 4 种 互换装配法 分组装配法 修配装配法和调整装配法 最早 模具在加工中心加工完 后 现场的装配多采用分组装配法 工人直接参考 2D 零件 装配图精导柱导板零件进行分类 然后按先装导板后装导 柱的先后顺序来进行模座其他零件的装配 装配好后直接 进行精加工 精加工后也没有对单件状态的导柱精度 导滑 面位置度没有进行有效对比和检查 这样 在单件精加工 完后 上下模座合模 发现上下模座导向偏差很大 导致 导柱导板拉伤 标准件损坏 现在 将模具单件进行精加工后在线测量 OMV 的测量结 果 比如上模座的导柱导向数据和下模座的导柱导向数据 在软件里面进行记录和统计 进行对比 发现超差马上进 行更改 图 3 为某项目发动机引擎盖内板拉延模上下模座 在加工完后的测量误差分布图 根据这样的测量结果就可 以对上下模座合模之前误差较大区域进行整改 保证导向 间隙 并保证模具合模质量 目前 一些欧美国家的模具制造可以直接采用修配装配法 在装配时修去指定零件上的预留修配量以达到装配精度 的方法 称为修配法 进行模具的装配 他们通过测量数 据 直接配磨导板或其他零件保证导向间隙或装配质量的 方式进行合模装配 这种方法提高了模具的合模进度 为 后续模具的调试赢得了周期 以测量数据为依据 应用软 件进行分析处理 这种修配装配法的方式应该会成为以后 模具发展的趋势 四 数字化技术发展趋势 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 1 数字化制造技术在国内外的研究现状 四 个人对数字化技术的认识及应该学习哪些内容 数字化是数字计算机的基础 若没有数字化技术 就没有 当今的计算