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数字制造科学的内涵与期望
摘要
回顾制造业活动和制造科学的发展史并总结数字制造（DM）技术在制造业中的应用现状，人类对数字制造科学（DMS）的理论支撑体系进行了深入的研究，包括计算制造科学与制造业信息化，仿生力学，制造智能科学与技术管理科学等。然后对数字制造技术的内涵进行了论述，包括产品生命周期数字化集成技术，数字制造资源集成技术，制造业信息化集成和数码产品的技术刻画。最后提出了数字制造科学（DMS）在未来的发展方向。
关键词：数字制造科学 ；理论支撑体系；技术内涵；期望
- 制造业和制造科学的发展回顾
“直立和劳动创造了人类，劳动由制造工具开始”，所以制造是人类生存和发展的基础。我们可以认为没有制造就没有人的存在，因此制造随着人类的进程而发展，制造技术随着人类社会的发展而发展。
在历史的发展中，制造从技能发展到技术，最后变成科学。[1] 在古代，制造由手工和体力劳动完成，制造技术和经验通过工人的口头指示或简单的文字标记传承下来。我国古代的制造技术创造了很多辉煌的封建王朝，并为人类文明做出了重大的贡献。制造从一种技能转变成一门科学发生在17世纪，英国工业革命发生时期。在那个时期，制造不属于一个发明蒸汽机的独特工匠也不是由他完成的，编织机和金属切削机床，这推动了社会做出一大进步：成为殖民地的一种智慧和技术。现代制造在西方萌芽，并在19世纪逐渐形成机械制造，机械化和电气化已经被广泛应用于制造。从上世纪80年代开始，很多新的制造方法、制造概念出现，这给制造业带来了巨大的发展。很多新的制造概念指导我们去分析和展望未来的制造业，而这些概念（E·G，自动制造，敏捷制造，并行工程，CIM和智能制造等），继承并相互启发。从这个时期开始，制造业不再只是一种技术、一种科技，而是一种包括工程科学和组织科学的制造科学。
随着现代科学技术的发展，特别是微电子技术，计算机技术，网络技术和信息技术的飞速发展，制造理论的外观和内涵，制造技术，制造业，制造科学已经发生了实质性和革命性的改变，这出乎人类的期望。制造科学的基本理论不再只包括力学，数学，还包括系统论，控制论，信息论，生物学，管理学等。而生产实践的基础不再局限于技术和经验，而且还包括人工智能，专家系统与其他学科的融合。总而言之，一个新概念——数字制造（DM）和数字制造科学（DMS）在各个领域得到了专家广泛的接受和采纳并且许多专家已经开展研究和应用。
数字制造（DM）首先是传统的制造技术和计算机技术，信息技术特别是网络技术的有机融合的结果。然后才是市场需求的巨大变化，全球经济竞争和新的高科技的飞速发展的必然趋势。由于制造朝向智能化，自动化，集成化，网络化和全球化的方向发展，因此，制造过程和制造信息的特征，过程和转化已经发生了很大的改变。结果是，制造的驱动力使传统能源偏向数字信息，并且数字化已经成为产品整个生命周期的核心驱动因素。与此同时，数字制造（DM）已经成为一种新的制造模式 它被提出来以适应复杂的产品结构的需求，消费者的个性化和消费者对产品的各种需求以及网络化制造。[2]
数字制造（DM）的概念首先起源于数控技术（NC或CNC）以及数控机床。而数字化设计和数字化管理随着CAD和MRP的发展而充分发展。过去的10年里，在虚拟现实，计算机网络，快速原型打印和多媒体等的支持下，模拟和原型制造的设计和产品的功能可以通过快速分析，规划和重组，协调和各种信息的共享（E·G，产品信息，处理信息，控制信息和资源信息等）来实现，以便尽可能地根据用户的需求制造产品。以上过程就是数字制造（DM）。在这个过程中，制造设备的控制参数和控制流是数字信号。各种制造企业的信号，包括设计信息，处理信息，生产信息，管理信息和制造知识和技能，以数字信号的形式在制造企业之间通过数字网络化传输。拿全球化制造讲，所有用户都通过数字网络说明他们的要求，企业可以在动态联盟的帮助下，根据他们自己的优势设计并生产相应的产品。对于产品本身，它会在物流中随着数字物流的出现成为一段数字密码或数字标记。
主要地，在数字化制造环境中，数字和信息构建的广域网，个人，企业，车间，设备，产品，分销和市场都将成为这个网的一个节点。在产品设计，制造，销售，维修过程中产生的数字制造信息与技术将成为在制造业中最活跃的驱动因素，人类通过合并数字制造理论与技术和其他科学理论形成了数字制造（DMS），并且科学技术成为21世纪制造科学的核心[3]。
- 数字制造的技术与科学内涵
通过吸收数学、生物、信息、控制、管理等领域的成果，并融合信息论，控制论，系统和生物进化论的思想，数字制造（DMS）已经形成一系列的科学理论支撑体系。说到技术方面，数字制造（DMS）包含的内容更广泛和丰富。
数字制造技术科学（DMT）主要涉及以下几个方面：各类产品全生命周期的数字技术；面向DM-环境和资源技术；制造过程和制造系统中的信息技术；以及数字产品本身的技术特征。数字制造技术科学（DMT）表示如下：
DMT = { MWT , MRT , MIT , MPT} （1）
在式（1）中，DMT表示集合数字制造科学技术，MWT表示数字化制造产品的整个生命周期的所有关键技术，MRT表示面向DM-环境和资源的技术，MIT表示在制造过程和制造系统中的信息技术， MPT表示数码产品本身的技术特征。
MWT可进行扩展，表达式如下：
MWT = { CAXT , DCT , DIS ,DLT ,DDMT} (2)
在表达式（2）中，CAXT表示面向DM-计算机辅助技术的集成技术，其中包括计算机辅助设计（CAD），计算机辅助执行系统（CAE）和数字化工程，计算机辅助工艺设计（CAPP），计算机辅助制造（CAM），以及CAD/ CAE/ CAPP/ CAM/ NET集成技术。
DCT表示在DM中的数字设备和控制技术，不仅包括数字控制系统在各类普通机床及制造系统（E.G，NC /CNC / INC）中应用的传统功能，而且还包括了网络化和智能化的功能，高精度的加工功能，效率高，可靠性高，统一的数据模型能够描述整个产品生命周期和生产工艺和产品信息的标准化。
DIS是制造过程中制造信息管理技术集成，如MRP / ERP / PDM/ MIS系统。以生产和供应链系统为基础的流程整合，以及包含产品的综合功能的综合数字化管理系统将会通过ERP和PDM系统实现。前者，ERP是企业内部的原料设备计划管理系统。而PDM是管理产品整个生命周期中产生的信息的产品数据管理系统，包括产品的市场需求，产品研发，产品设计，工程制造，产品销售，售后服务，维修等。
DLT是面向数字化制造的计算机辅助后勤支持系统。它包括数字物流技术，管理技术以及基于CAXT的综合框架技术，资源整合和共享技术等。
DDMT是面向数字化制造的诊断与维修技术集成，包括高精度，高可靠性的自动化测量仪表，数字科学仪器与自我调整，自我纠正，自我诊断功能，以及技术支持和服务开发平台的形式数字化制造装备远程操作，远程监控，远程诊断和网络环境下的远程维护。
以上五个技术小组已经涵盖数字化制造生命周期的每个阶段，并提出由于网络技术和数字化制造技术的发展，各技术小组的技术内涵将迅速改变。
在表达式（1）中，MRT表示面向DM-环境和资源的技术，并且它可以进行扩展，表达式如下：
MRT ={DRO , DRC , DRM , DRS} (3)
其中，DRO是指数字化制造资源的组织与管理技术集成，负责协调管理分布式，异构的数字化制造资源，并解决了协同资源，通过标准的开放和通用的接口和开发平台共享动态和多机构组织的问题形式。
DRC是指在数字化制造中为协同工作机制设置的相关技术。它包括在构建协同工作活动的实体离子的方法，通信语言和协议，在多平台资源“透明运作，联合与合作。
DRM是指在数字化制造中 “动态管理和任务”调度机制的技术集成，包括每个资源域的管理制度，资源查询和更新的技术和方法，资源任务动态组合调度机制的技术，以及动态分配和调度技术，在更广泛的环境中制造资源的调度技术在。
DRS是指在数字化制造中资源服务和安全的技术集成。它主要包括对资源的服务和安全进行开发，部署和调试，高速和大量的日期的传输和存储机构，制造资源的QOS机制和工具包（服务质量）和绩效评估等。
上面提到的DRO，DRC，DRM，DRS是MR T的四个关键和核心技术，并且关于MRT有多项技术有待研究。
在表达式（1）中，MIT表示在制造过程中的信息技术，它可以进行扩展，表达式如下：
MIT ={MIG , MIA , MIC , MII} (4)
数字化制造方法和系统集中了制造设备，组件，制造过程，控制和执行过程中的所有信息。在数字制造系统中还有很多的技术，以促进信息的采集，处理和融合的能力，并通过不确定的信息和复杂的制造信息推动数字信息的可用性。MIG是为信息采集，处理，表达，传输设置的技术，它们在MIG中起到了关键的作用。
MIA是为数字化制造信息的配料，测量，分析和评价设置的技术，它负责发现制造业信息化的基本性质和功能规则，从而为数字化制造的信息，尤其是对于复杂的和非常规的信息建立分析，处理和利用机制。
MIC是数字制造信息的协同与优化控制技术。它主要负责通过综合应用数字制造信息来协同和优化控制以分析为基础的综合信息，从而在数字制造执行过程中优化决策。
MII是数字制造信息整合与共享技术。它包括动态和各种描述，协作共享和集成，安全性，可靠性，现实性，非复制和不可抵赖性制造信息。MIG，MIA，MIC，MII机MIT的关键技术。
在表达式（1）中， MPT表示数字产品本身的技术表征，它可以扩展如下：
MP T ={DIT , MEI ,DET} (5)
在表达式（5）中，DIT表示在数字化制造中的产品数字识别技术。在数字化制造的过程中，每一种产品，不管是在生产制造的流水线上，还是在当前域中，都应被赋予识别的数字信息，包括射频识别（RIID）和条形码识别技术，这将为产品质量和企业管理带来一场革命。
MET是在数字化制造中的产品机电一体化技术。数字制造产品大多是机器和电子的组合，有些是机器，电子，光的组合或者是机器，电子，光，流体的组合。这些融合原理和方法的技术使数字产品的高可靠性，可用性，高精度得到可靠的保证。
DET是数字化制造产品的嵌入式网络技术。嵌入式网络技术的引用使数字化制造产品成为在互联网中的一个节点，所以对数字制造产品进行远程显示，远程控制，远程维护等可以实现。数字化制造产品包含的科学内涵会随着网络技术和智能集成技术的发展而更加丰富。
综上所述，DMS的内涵极为丰富，涉及它的学科非常广泛。因此，我们要加快研究数字化制造的核心和以不断完善的基本理论和DMS的概念系统为基础的关键技术，以此使数字制造技术日益完美完善。[9,10]
3．数字制造的期望
数字制造的介绍和研究在近五年被提出并被提上了日程。国内外研究者们越来越重视它和科学技术的发展，对相关基础理论和关于数字化制造的关键技术已经有了一些成果。有些数字制造的子系统已投入市场以接受市场的检验。作为新一代的先进制造系统的主流，数字化制造将向新的广度和深度不断发展。
高精度是数字化制造的发展方向中的一个。高精度意味着产品和加工的组件应越来越精确，以满足不同用户的需求。同时，机加工设备的精度应越来越高，包括工作精度，控制精度和检测精度。目前，超精密加工的误差可实现纳米级的精度。高精度的实现将依赖于材料技术，数字测试和控制技术，精密机械加工技术，特别是精度数字模型的建立。
仿生制造是数字化制造发展的另一个方向。仿生制造是通过模拟生物学器官的功能，如自组织，自我修复，自我增加，自我进化，以快速应对市场需求来实现的。它保护了自然环境，而且它在军工，生物医学工程，人工恢复和其他重要的应用领域得到了广泛应用。随着生命科学的突破，它将有新的发展。
极端化是数字化制造发展的第三个方向。极端化意味着数字化制造产品是在极端条件下或者极端要求下生产的。如最大，最小，特厚，极致轻薄，极纯，极光滑，极端环状等产品外形要求和极端高硬度，极高可塑性，极高磁等物理特征。它们都是高科技产品的极端，其发展完全依赖于DMS的快速发展，也依赖于微机电系统（MEMS）或微光电机械系统（MOEMS）和其他特定的系统。极端产品的发展具有深远的意义和广阔的应用前景。
人工智能是数字制造发展的第四个方向，主要包括智能制造及智能系统。智能制造的基础是智能系统，制造系统/设备/装备要具有适应不断变化的环境的能力
和自我组织，自我修复，自我再造等功能。智能系统包括人机一体化智能系统，如智能仪表，智能机床等，其发展潜力巨大。[11]
上面提到的四个方向是数字化制造的主要发展方向。在广义上，数字化制造的发展方向远远不止这些。随着市场需求的快速变化，科学技术的迅速发展，不断增强独立创新意识和全球制造业竞争的加剧，数字化制造将同时在概念和技术上被赋予新的内容。在其创新性研究过程中将会产生新的研究方向。
4.结论
数字化制造的提出，研究和发展是人类认识
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