數字化制造與數控加工在產品設計教學模式中的應用分析

劉雄飛

（東北林業大學,黑龍江哈爾濱 150040）

一、引言

中國作為制造大國，一直在世界上占據重要地位，而制造加工是經濟過程發展過程中的重要產業，一直屬于重中之重。在日新月異發展的今天，我國提出了“中國制造2025”的發展綱領，率先發展高端制造設備及其相關技術，力求實現技術主動及制造業的自主化，并且順應時代發展的潮流，實現傳統制造技術的數字化轉型，為信息社會的實現指明了發展的方向。

在數字化的發展歷程中，以數控機床為主的數控加工技術尤為重要，作為制造業的主要核心，數控加工技術的高低象征著國家最突出的整體經濟水平，這一點已獲得各國的共識。和其他的經濟強國相衡量，我們國家在數字化控制機床方面發展的程度稍微滯后一些，同時在強國環伺的今天，某些國家對我們進行了嚴密的技術封鎖，導致我們的自主發展之路荊棘密布。隨著對制造加工的要求越來越高，在我國科研工作者的不懈努力下，國產數控機床為主的數控加工技術取得了長足的發展和進步，在精度、速度、復合加工等方面取得了明顯的進展，各項研究均體現了巨大的發展潛力和空間，同時也很好地啟發了研究工作人員，將數字化制造和數控加工技術結合起來具有十分積極的意義和深遠的影響。

近年來，世界制造業的發展進入了一個比較特殊的時期。由于數字化制造技術的應用越來越普及，發展越來越深遠，信息技術正在不同程度上影響著相關行業。與此同時，新冠肺炎疫情更是加速了數字化制造技術的發展，許多與數字化技術發展關聯較小或不大的學術領域也不得進行嘗試和改變，對自身的發展進行調整，以適應當前的生態環境。對于制造業來說，疫情的出現既是挑戰，也是推動，充分驗證了各行各業只有具備適應生態環境才能具備繼續發展的能力，這也將成為未來世界發展的基本準則。

產品設計作為一個蓬勃發展的學科專業，是很多高等院校的重點專業，也是學生就業的熱門專業。從事產品設計行業的從業人員，可將市場和用戶的需求轉換為可描述的明確定義，為數字化制造提供所需要的資源內容和評判根據，是其他行業進行市場競爭的最主要的領域。產品設計影響著數字化制造的方向和資源，制約著主要的成本，需要從業人員進行大規模的思量和大量知識架構下的極具創造性的發揮，從而完成大量的探索、準備、草圖、反饋、歸納等流程。對于高等院校來說，在進行教學環節的過程中，需要將數字化制造和數控加工技術結合起來并應用到理論與教學實踐中，這對于指導學生實際操作和就業發展具有十分積極和重要的意義。

二、數字化制造與數控加工技術的發展與結合

數字正在改變著世界，這已成為各行各業發展的指南針，習近平總書記多次強調數字化轉型的必要性，世界的制造業也呈現數字化、智能化的發展趨勢。自從新冠肺炎疫情暴發以來，各個行業都受到了不同程度的沖擊，有一些企業在困境中把握機遇，進行了數字化轉型，運用人工智能、虛擬現實等技術彌補了外界困境帶來的缺失，有一些企業則反應較慢，缺乏應對困境的能力和勇氣，在市場競爭的大潮中愈落愈后。

數字化技術隨著制造領域及相關技術的不斷進步，發展非常迅速，所涉及專業面廣，既涵蓋了計算機、服務器等信息系統，也包含了數控機床、觸覺傳感、物流傳輸、在線檢測等多個領域，是結合了數字化和網絡化技術并得以在制造業兌現其特點的應用，是以數控機床為代表的現代機械裝備與現代管理、工藝組織協同集合的綜合產能復合應用，是各種信息的數字化處理、制造中心，大面積地提升了企業的靈活生產和設備的利用率[1]。

數字化制造的本質是通過數字化技術采集、整理、分析的自動化工作，但需要設計人員預先設置好流程才能順利完成，高級的數字化制造需要最大化發展基于產品信息的制造流程，對實時自動采集的數據進行感知、校正、協調、決策、判斷、執行，將工作人員所參與的理解、判斷及操作環節降到最低。

數字化制造是我國經濟發展的必經之路，它可以提高效率和產能，實現動態的高水平和高產出制造，可以幫助提升國力和經濟發展速度，讓企業獲得更理想的市場份額。它是實現機床產品創新的新時代技術，促進了從自動化向智能化的轉變，可以大幅度地提高企業的自主建設和有效產出能力，并且帶動制造業的更進一步的飛躍和完善，是未來智能化生產的核心力量。

作為數字化制造核心的加工設備，數控機床也向著數字化、無人化的方式轉型，從數字化設計到數字化制造，數字化技術給世界很多行業都帶來了天翻地覆的變化。從企業的角度來說，以數字化技術為主流的公司多數已成為該領域的龍頭企業。數字化技術不但影響著世界，更是給產品設計專業帶來了巨大的發展潛力，這對數控機床的發展也是一個重要的推動。

數控機床是自動化技術發展的一部分，也是數字化生產的有力推動器。近些年來，隨著信息化社會的不斷推進，與之相關技術的革新愈來愈受到關注。當前的數控機床中的數字化發展還存在一些問題，比如，某些自動化技術的操作過于煩冗且復雜，此外，數控機床向數字化方向發展的過程中仍然存在需要改進之處。最需要改進的方面就是，數控加工技術的發展相對緩慢，對世界格局的影響力較小。這方面的差距一直都存在，首先，體現在數控機床的自主研發能力存在不足，部分設備的研發存在著明顯的模仿痕跡，尤其在自主設計階段，大多數企業對于創新不以為然，或者認為是在浪費時間，所以存在短視的行為，一切以短期盈利和眼前的利益為主，而對于大型高精密的數控機床則落后于發達國家。其次，數控機床的研發只能滿足用戶的部分需求，縱深研究不到位，對于用戶的各種需求反應淡漠，或者認為無足輕重，缺乏科研上的遠見。再次，數控機床研發的水平不夠，盡管一直在努力，但步子邁得不夠大，沒有把數控加工同數字化制造有效地結合起來，還存在一定的提升空間[2]。

在后疫情時代的影響下，數字化制造包括了從線上下單、修改方案到數字化生產、監控、物流、售后等環節，涵蓋了全部數字化產品訂制的環節，是未來制造的發展模式。對于類似疫情或者其他外界因素的影響，數字化制造正走著一條清晰而明顯的道路，數控機床為了符合發展潮流，也要順應這種生產模式，二者的關系互相依賴，互促互進，必將成為制造業發展必不可少的重要組合。

三、產品設計的教學模式在數字化背景下的發展

自從信息技術誕生以來，計算機技術以及人工智能技術的發展深刻影響了各行各業，同時也促進了產品設計技術的發展。設計人員的設計方法不斷改進，一直處于進步之中。從20世紀開始，計算機替代制圖人完成繁重的繪圖任務和復雜計算，以計算機輔助設計和制造為助力的生產技術正占據更大的舞臺，對企業來說更是不可缺少的重要輔助工具，雖然有的企業反應積極，有的遲鈍，但數字化制造的普及已成為歷史的潮流。

設計是具有創造性的鮮明的腦力活動，產品設計也是多學科、多領域的綜合性活動，需要考慮制造過程中的關鍵環節，需要提供滿足使用者需求的產品方案和產品信息。對于復雜的數字化制造和數控加工技術，需要每個從業人員都采用最先進的方法和工具，才能完成生產中的不同任務[3]。

在20世紀七八十年代后，數字化技術的誕生給設計帶來了巨大的轉變，隨著計算機輔助設計和計算機輔助制造的發展，給產品設計帶來了更加深入和寬廣的轉變，產品設計方法與技術的發展也可用于數字化制造技術的推進。對于未來產品發展來說，需要確定未來數字化設計技術的特征和范圍，最可能變化的設計要素是設計階段和設計手段。而設計手段隨著科技的發展日新月異，一日千里，甚至包含一定的不確定性。

在高等院校的產品設計教學環節中，同樣需要結合最新的高新技術，包括數字化制造和數控加工技術，也就是設計和制造過程的相輔相成。這些數字化的高新技術對產品設計具有非常重要和鮮明的意義，也體現了數字化時代的特征。因此，產品設計教學研究對數字化制造和數控加工技術寄托了極大的希望。融合了更多的數字化制造、實現智能化生產，是產品設計領域人員共同奮斗的目標。融合更多的數字化技術、實現無人的數字化生產，已成為數字化領域和產品設計領域人員共同的心愿和期望。

在產品設計的發展過程中，伴隨著數字化技術的不斷發展，會有更多的技術融入設計方法和技術中，在設計和制造兩個環節統籌規劃已成為每個設計人員需要遵循的法則之一，每個人都需要解決更復雜類型的設計問題。

在產品設計的教學過程中，各式各樣的挑戰層出不窮，尤其是數字化技術的出現及應用。這方面的問題主要體現在幾個方面，首先，數字化技術正帶來設計方式的更新，為了與數字化制造技術順利銜接，需要從設計階段就進行完備的技術設置。其次，對于智能數字化制造的模式，產品設計還有很多的研究需要進行，數字化生產還有很多領域需要探索，其在產品設計上的實施還需要不斷的研究和摸索，有些方面的實踐還存在一定的不確定性，這也會影響設計技術數字化程度的提升。再次，數字化制造和數控加工技術對產品設計帶來了嶄新的挑戰，隨著數字化設計技術的功能愈來愈強大，研究方向的深入化和精細化、專業化，某些設計人可能會產生不安的情緒，覺得自己的技術有可能落伍了或退化了[4]。

對于產品設計的教學模式，可以采取多種方法應對新技術的挑戰。第一，開發創新設計組件，針對不同的要求給出解決方案，解決數控機床工作過程中遇到的問題，對產品設計的模型不斷進行調整，并將此過程更好地展示給學生。第二，在產品設計中可以針對數控機床的特點縮短研發周期并進行快速設計，實現二維、三維相結合的設計模式。第三，在產品設計的教學中需要根據市場情況進行功能設計，使學生能夠設計出具有穩定的市場需求和生產條件的產品。對于與高等院校有長期合作關系的企業來說，可以在校企合作的平臺上不斷改進和維護教學模式，使學生教學相長，能通過在企業實踐的經歷來指導教學實踐，更好地領會課堂所學。第四，在教學過程中，可以通過計算機仿真分析的方法展示機床結構，發現結構存在的問題，并經過不同層次的設計內容，不斷修正設計作品，輔助學生獲得更好的設計成績[5]。

四、數字化制造與數控加工在產品設計中的教學模式分析

隨著產品設計方法和技術的不斷豐富和發展，在教學過程中需要采用更適應發展需要的方式進行數字化制造和數控加工的教學，這樣才能滿足學生不斷提升的知識需求。

對于數字化制造和數控加工技術的傳授，在授課過程中需要結合虛擬現實與仿真軟件進行教學，通過演示和實踐的模式讓學生獲得更多的體驗，有助于知識體系的貫徹和實施。

為了更好地實現數字化制造和數控加工在產品設計教學中的聯動合作，需要強調制造過程信息的互聯互通，以此作為數字化生產過程中順暢溝通的關鍵技術，可以從以下幾個方面在教學模式中加以貫徹實施：

第一，需要向學生指出，互聯互通是制造業信息化的薄弱環節，實際加工中要調動多方面的技術部門保障生產過程的信息通暢，以此生產效率、降低成本，實現各種資源的最優化配置，保障生產的順利進行，實現整體生產的信息化、網絡化、數字化，為此可以在實踐環節組織學生熟悉控制流程的信息聯通方式，并能針對不同的生產工藝和制造流程調整模式，保證制造過程信息的有效傳遞。

第二，演示過程中向學生展示，信息的互聯互通將提高資源的應用范圍，擴大應用程度，消除孤立的信息，不斷提升信息的整合與集成水平，實現低能耗、低成本、低使用率的制造水平。在這一環節的教學演示中，可通過數字化制造的流程加以說明信息和網絡暢通的必要性，也可以結合數控機床的基本操作闡述信息聯通對機械操作的重要作用。

第三，教學時結合仿真軟件向學生說明，制造過程信息的互聯互通對企業的運行和管理提出了更高要求，不但要實現產品質量的最大優化，還要保證數字化制造的快捷性、靈活性、可視性，此外，傳統模式與數字化模式的關系如何協調，也是擺在企業面前的一道問題，這一點尤其要向學生說明。

第四，根據網絡安全要求，有必要在教學時對學生強調網絡平臺和跟蹤、監督機制對信息互聯互通的影響和重要性，實際加工中要在企業內部各部門間實現數據傳輸和信息集成，保證生產的透明化、數字化和智能化，有必要構建統一格式的面向數字化制造的集成模式，通過該模式實現數字化制造的無障礙溝通和共享。

五、結語

歸根到底來說，數字化技術是為了提高機床的綜合性能，為工業生產帶來效益，數字化制造也是以信息技術為基礎的新型制造模式，二者的結合必將對制造業產生巨大的推動。而在產品設計的教學環節中，采用多方面的技術手段實現數字化技術的實施，可以更好地實現教學效果，讓學生更了解制造業的新模型和新規則，對產品設計及后續制造獲得更深刻的領悟。

此外，在數字化制造和數控加工相結合的過程中，需要進行信息的交流和共享，這些可以在產品設計的教學環節加以說明，對于高等院校的學生，特別是在后疫情時代的實踐環節，這一點尤為重要，也是保障教學模式的關鍵組成部分。