数字化制造与数控加工在产品设计教学模式中的应用分析

刘雄飞

（东北林业大学,黑龙江哈尔滨 150040）

一、引言

中国作为制造大国，一直在世界上占据重要地位，而制造加工是经济过程发展过程中的重要产业，一直属于重中之重。在日新月异发展的今天，我国提出了“中国制造2025”的发展纲领，率先发展高端制造设备及其相关技术，力求实现技术主动及制造业的自主化，并且顺应时代发展的潮流，实现传统制造技术的数字化转型，为信息社会的实现指明了发展的方向。

在数字化的发展历程中，以数控机床为主的数控加工技术尤为重要，作为制造业的主要核心，数控加工技术的高低象征着国家最突出的整体经济水平，这一点已获得各国的共识。和其他的经济强国相衡量，我们国家在数字化控制机床方面发展的程度稍微滞后一些，同时在强国环伺的今天，某些国家对我们进行了严密的技术封锁，导致我们的自主发展之路荆棘密布。随着对制造加工的要求越来越高，在我国科研工作者的不懈努力下，国产数控机床为主的数控加工技术取得了长足的发展和进步，在精度、速度、复合加工等方面取得了明显的进展，各项研究均体现了巨大的发展潜力和空间，同时也很好地启发了研究工作人员，将数字化制造和数控加工技术结合起来具有十分积极的意义和深远的影响。

近年来，世界制造业的发展进入了一个比较特殊的时期。由于数字化制造技术的应用越来越普及，发展越来越深远，信息技术正在不同程度上影响着相关行业。与此同时，新冠肺炎疫情更是加速了数字化制造技术的发展，许多与数字化技术发展关联较小或不大的学术领域也不得进行尝试和改变，对自身的发展进行调整，以适应当前的生态环境。对于制造业来说，疫情的出现既是挑战，也是推动，充分验证了各行各业只有具备适应生态环境才能具备继续发展的能力，这也将成为未来世界发展的基本准则。

产品设计作为一个蓬勃发展的学科专业，是很多高等院校的重点专业，也是学生就业的热门专业。从事产品设计行业的从业人员，可将市场和用户的需求转换为可描述的明确定义，为数字化制造提供所需要的资源内容和评判根据，是其他行业进行市场竞争的最主要的领域。产品设计影响着数字化制造的方向和资源，制约着主要的成本，需要从业人员进行大规模的思量和大量知识架构下的极具创造性的发挥，从而完成大量的探索、准备、草图、反馈、归纳等流程。对于高等院校来说，在进行教学环节的过程中，需要将数字化制造和数控加工技术结合起来并应用到理论与教学实践中，这对于指导学生实际操作和就业发展具有十分积极和重要的意义。

二、数字化制造与数控加工技术的发展与结合

数字正在改变着世界，这已成为各行各业发展的指南针，习近平总书记多次强调数字化转型的必要性，世界的制造业也呈现数字化、智能化的发展趋势。自从新冠肺炎疫情暴发以来，各个行业都受到了不同程度的冲击，有一些企业在困境中把握机遇，进行了数字化转型，运用人工智能、虚拟现实等技术弥补了外界困境带来的缺失，有一些企业则反应较慢，缺乏应对困境的能力和勇气，在市场竞争的大潮中愈落愈后。

数字化技术随着制造领域及相关技术的不断进步，发展非常迅速，所涉及专业面广，既涵盖了计算机、服务器等信息系统，也包含了数控机床、触觉传感、物流传输、在线检测等多个领域，是结合了数字化和网络化技术并得以在制造业兑现其特点的应用，是以数控机床为代表的现代机械装备与现代管理、工艺组织协同集合的综合产能复合应用，是各种信息的数字化处理、制造中心，大面积地提升了企业的灵活生产和设备的利用率[1]。

数字化制造的本质是通过数字化技术采集、整理、分析的自动化工作，但需要设计人员预先设置好流程才能顺利完成，高级的数字化制造需要最大化发展基于产品信息的制造流程，对实时自动采集的数据进行感知、校正、协调、决策、判断、执行，将工作人员所参与的理解、判断及操作环节降到最低。

数字化制造是我国经济发展的必经之路，它可以提高效率和产能，实现动态的高水平和高产出制造，可以帮助提升国力和经济发展速度，让企业获得更理想的市场份额。它是实现机床产品创新的新时代技术，促进了从自动化向智能化的转变，可以大幅度地提高企业的自主建设和有效产出能力，并且带动制造业的更进一步的飞跃和完善，是未来智能化生产的核心力量。

作为数字化制造核心的加工设备，数控机床也向着数字化、无人化的方式转型，从数字化设计到数字化制造，数字化技术给世界很多行业都带来了天翻地覆的变化。从企业的角度来说，以数字化技术为主流的公司多数已成为该领域的龙头企业。数字化技术不但影响着世界，更是给产品设计专业带来了巨大的发展潜力，这对数控机床的发展也是一个重要的推动。

数控机床是自动化技术发展的一部分，也是数字化生产的有力推动器。近些年来，随着信息化社会的不断推进，与之相关技术的革新愈来愈受到关注。当前的数控机床中的数字化发展还存在一些问题，比如，某些自动化技术的操作过于烦冗且复杂，此外，数控机床向数字化方向发展的过程中仍然存在需要改进之处。最需要改进的方面就是，数控加工技术的发展相对缓慢，对世界格局的影响力较小。这方面的差距一直都存在，首先，体现在数控机床的自主研发能力存在不足，部分设备的研发存在着明显的模仿痕迹，尤其在自主设计阶段，大多数企业对于创新不以为然，或者认为是在浪费时间，所以存在短视的行为，一切以短期盈利和眼前的利益为主，而对于大型高精密的数控机床则落后于发达国家。其次，数控机床的研发只能满足用户的部分需求，纵深研究不到位，对于用户的各种需求反应淡漠，或者认为无足轻重，缺乏科研上的远见。再次，数控机床研发的水平不够，尽管一直在努力，但步子迈得不够大，没有把数控加工同数字化制造有效地结合起来，还存在一定的提升空间[2]。

在后疫情时代的影响下，数字化制造包括了从线上下单、修改方案到数字化生产、监控、物流、售后等环节，涵盖了全部数字化产品订制的环节，是未来制造的发展模式。对于类似疫情或者其他外界因素的影响，数字化制造正走着一条清晰而明显的道路，数控机床为了符合发展潮流，也要顺应这种生产模式，二者的关系互相依赖，互促互进，必将成为制造业发展必不可少的重要组合。

三、产品设计的教学模式在数字化背景下的发展

自从信息技术诞生以来，计算机技术以及人工智能技术的发展深刻影响了各行各业，同时也促进了产品设计技术的发展。设计人员的设计方法不断改进，一直处于进步之中。从20世纪开始，计算机替代制图人完成繁重的绘图任务和复杂计算，以计算机辅助设计和制造为助力的生产技术正占据更大的舞台，对企业来说更是不可缺少的重要辅助工具，虽然有的企业反应积极，有的迟钝，但数字化制造的普及已成为历史的潮流。

设计是具有创造性的鲜明的脑力活动，产品设计也是多学科、多领域的综合性活动，需要考虑制造过程中的关键环节，需要提供满足使用者需求的产品方案和产品信息。对于复杂的数字化制造和数控加工技术，需要每个从业人员都采用最先进的方法和工具，才能完成生产中的不同任务[3]。

在20世纪七八十年代后，数字化技术的诞生给设计带来了巨大的转变，随着计算机辅助设计和计算机辅助制造的发展，给产品设计带来了更加深入和宽广的转变，产品设计方法与技术的发展也可用于数字化制造技术的推进。对于未来产品发展来说，需要确定未来数字化设计技术的特征和范围，最可能变化的设计要素是设计阶段和设计手段。而设计手段随着科技的发展日新月异，一日千里，甚至包含一定的不确定性。

在高等院校的产品设计教学环节中，同样需要结合最新的高新技术，包括数字化制造和数控加工技术，也就是设计和制造过程的相辅相成。这些数字化的高新技术对产品设计具有非常重要和鲜明的意义，也体现了数字化时代的特征。因此，产品设计教学研究对数字化制造和数控加工技术寄托了极大的希望。融合了更多的数字化制造、实现智能化生产，是产品设计领域人员共同奋斗的目标。融合更多的数字化技术、实现无人的数字化生产，已成为数字化领域和产品设计领域人员共同的心愿和期望。

在产品设计的发展过程中，伴随着数字化技术的不断发展，会有更多的技术融入设计方法和技术中，在设计和制造两个环节统筹规划已成为每个设计人员需要遵循的法则之一，每个人都需要解决更复杂类型的设计问题。

在产品设计的教学过程中，各式各样的挑战层出不穷，尤其是数字化技术的出现及应用。这方面的问题主要体现在几个方面，首先，数字化技术正带来设计方式的更新，为了与数字化制造技术顺利衔接，需要从设计阶段就进行完备的技术设置。其次，对于智能数字化制造的模式，产品设计还有很多的研究需要进行，数字化生产还有很多领域需要探索，其在产品设计上的实施还需要不断的研究和摸索，有些方面的实践还存在一定的不确定性，这也会影响设计技术数字化程度的提升。再次，数字化制造和数控加工技术对产品设计带来了崭新的挑战，随着数字化设计技术的功能愈来愈强大，研究方向的深入化和精细化、专业化，某些设计人可能会产生不安的情绪，觉得自己的技术有可能落伍了或退化了[4]。

对于产品设计的教学模式，可以采取多种方法应对新技术的挑战。第一，开发创新设计组件，针对不同的要求给出解决方案，解决数控机床工作过程中遇到的问题，对产品设计的模型不断进行调整，并将此过程更好地展示给学生。第二，在产品设计中可以针对数控机床的特点缩短研发周期并进行快速设计，实现二维、三维相结合的设计模式。第三，在产品设计的教学中需要根据市场情况进行功能设计，使学生能够设计出具有稳定的市场需求和生产条件的产品。对于与高等院校有长期合作关系的企业来说，可以在校企合作的平台上不断改进和维护教学模式，使学生教学相长，能通过在企业实践的经历来指导教学实践，更好地领会课堂所学。第四，在教学过程中，可以通过计算机仿真分析的方法展示机床结构，发现结构存在的问题，并经过不同层次的设计内容，不断修正设计作品，辅助学生获得更好的设计成绩[5]。

四、数字化制造与数控加工在产品设计中的教学模式分析

随着产品设计方法和技术的不断丰富和发展，在教学过程中需要采用更适应发展需要的方式进行数字化制造和数控加工的教学，这样才能满足学生不断提升的知识需求。

对于数字化制造和数控加工技术的传授，在授课过程中需要结合虚拟现实与仿真软件进行教学，通过演示和实践的模式让学生获得更多的体验，有助于知识体系的贯彻和实施。

为了更好地实现数字化制造和数控加工在产品设计教学中的联动合作，需要强调制造过程信息的互联互通，以此作为数字化生产过程中顺畅沟通的关键技术，可以从以下几个方面在教学模式中加以贯彻实施：

第一，需要向学生指出，互联互通是制造业信息化的薄弱环节，实际加工中要调动多方面的技术部门保障生产过程的信息通畅，以此生产效率、降低成本，实现各种资源的最优化配置，保障生产的顺利进行，实现整体生产的信息化、网络化、数字化，为此可以在实践环节组织学生熟悉控制流程的信息联通方式，并能针对不同的生产工艺和制造流程调整模式，保证制造过程信息的有效传递。

第二，演示过程中向学生展示，信息的互联互通将提高资源的应用范围，扩大应用程度，消除孤立的信息，不断提升信息的整合与集成水平，实现低能耗、低成本、低使用率的制造水平。在这一环节的教学演示中，可通过数字化制造的流程加以说明信息和网络畅通的必要性，也可以结合数控机床的基本操作阐述信息联通对机械操作的重要作用。

第三，教学时结合仿真软件向学生说明，制造过程信息的互联互通对企业的运行和管理提出了更高要求，不但要实现产品质量的最大优化，还要保证数字化制造的快捷性、灵活性、可视性，此外，传统模式与数字化模式的关系如何协调，也是摆在企业面前的一道问题，这一点尤其要向学生说明。

第四，根据网络安全要求，有必要在教学时对学生强调网络平台和跟踪、监督机制对信息互联互通的影响和重要性，实际加工中要在企业内部各部门间实现数据传输和信息集成，保证生产的透明化、数字化和智能化，有必要构建统一格式的面向数字化制造的集成模式，通过该模式实现数字化制造的无障碍沟通和共享。

五、结语

归根到底来说，数字化技术是为了提高机床的综合性能，为工业生产带来效益，数字化制造也是以信息技术为基础的新型制造模式，二者的结合必将对制造业产生巨大的推动。而在产品设计的教学环节中，采用多方面的技术手段实现数字化技术的实施，可以更好地实现教学效果，让学生更了解制造业的新模型和新规则，对产品设计及后续制造获得更深刻的领悟。

此外，在数字化制造和数控加工相结合的过程中，需要进行信息的交流和共享，这些可以在产品设计的教学环节加以说明，对于高等院校的学生，特别是在后疫情时代的实践环节，这一点尤为重要，也是保障教学模式的关键组成部分。