數(shù)字化制造與數(shù)控加工在產(chǎn)品設計教學模式中的應用分析

劉雄飛

（東北林業(yè)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(jù)重要地位，而制造加工是經(jīng)濟過程發(fā)展過程中的重要產(chǎn)業(yè)，一直屬于重中之重。在日新月異發(fā)展的今天，我國提出了“中國制造2025”的發(fā)展綱領，率先發(fā)展高端制造設備及其相關技術，力求實現(xiàn)技術主動及制造業(yè)的自主化，并且順應時代發(fā)展的潮流，實現(xiàn)傳統(tǒng)制造技術的數(shù)字化轉型，為信息社會的實現(xiàn)指明了發(fā)展的方向。

在數(shù)字化的發(fā)展歷程中，以數(shù)控機床為主的數(shù)控加工技術尤為重要，作為制造業(yè)的主要核心，數(shù)控加工技術的高低象征著國家最突出的整體經(jīng)濟水平，這一點已獲得各國的共識。和其他的經(jīng)濟強國相衡量，我們國家在數(shù)字化控制機床方面發(fā)展的程度稍微滯后一些，同時在強國環(huán)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(fā)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(chǎn)數(shù)控機床為主的數(shù)控加工技術取得了長足的發(fā)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(xiàn)了巨大的發(fā)展?jié)摿涂臻g，同時也很好地啟發(fā)了研究工作人員，將數(shù)字化制造和數(shù)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(yè)的發(fā)展進入了一個比較特殊的時期。由于數(shù)字化制造技術的應用越來越普及，發(fā)展越來越深遠，信息技術正在不同程度上影響著相關行業(yè)。與此同時，新冠肺炎疫情更是加速了數(shù)字化制造技術的發(fā)展，許多與數(shù)字化技術發(fā)展關聯(lián)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(fā)展進行調(diào)整，以適應當前的生態(tài)環(huán)境。對于制造業(yè)來說，疫情的出現(xiàn)既是挑戰(zhàn)，也是推動，充分驗證了各行各業(yè)只有具備適應生態(tài)環(huán)境才能具備繼續(xù)發(fā)展的能力，這也將成為未來世界發(fā)展的基本準則。

產(chǎn)品設計作為一個蓬勃發(fā)展的學科專業(yè)，是很多高等院校的重點專業(yè)，也是學生就業(yè)的熱門專業(yè)。從事產(chǎn)品設計行業(yè)的從業(yè)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(shù)字化制造提供所需要的資源內(nèi)容和評判根據(jù)，是其他行業(yè)進行市場競爭的最主要的領域。產(chǎn)品設計影響著數(shù)字化制造的方向和資源，制約著主要的成本，需要從業(yè)人員進行大規(guī)模的思量和大量知識架構下的極具創(chuàng)造性的發(fā)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(huán)節(jié)的過程中，需要將數(shù)字化制造和數(shù)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(yè)發(fā)展具有十分積極和重要的意義。

二、數(shù)字化制造與數(shù)控加工技術的發(fā)展與結合

數(shù)字正在改變著世界，這已成為各行各業(yè)發(fā)展的指南針，習近平總書記多次強調(diào)數(shù)字化轉型的必要性，世界的制造業(yè)也呈現(xiàn)數(shù)字化、智能化的發(fā)展趨勢。自從新冠肺炎疫情暴發(fā)以來，各個行業(yè)都受到了不同程度的沖擊，有一些企業(yè)在困境中把握機遇，進行了數(shù)字化轉型，運用人工智能、虛擬現(xiàn)實等技術彌補了外界困境帶來的缺失，有一些企業(yè)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(shù)字化技術隨著制造領域及相關技術的不斷進步，發(fā)展非常迅速，所涉及專業(yè)面廣，既涵蓋了計算機、服務器等信息系統(tǒng)，也包含了數(shù)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(shù)字化和網(wǎng)絡化技術并得以在制造業(yè)兌現(xiàn)其特點的應用，是以數(shù)控機床為代表的現(xiàn)代機械裝備與現(xiàn)代管理、工藝組織協(xié)同集合的綜合產(chǎn)能復合應用，是各種信息的數(shù)字化處理、制造中心，大面積地提升了企業(yè)的靈活生產(chǎn)和設備的利用率[1]。

數(shù)字化制造的本質(zhì)是通過數(shù)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(shù)字化制造需要最大化發(fā)展基于產(chǎn)品信息的制造流程，對實時自動采集的數(shù)據(jù)進行感知、校正、協(xié)調(diào)、決策、判斷、執(zhí)行，將工作人員所參與的理解、判斷及操作環(huán)節(jié)降到最低。

數(shù)字化制造是我國經(jīng)濟發(fā)展的必經(jīng)之路，它可以提高效率和產(chǎn)能，實現(xiàn)動態(tài)的高水平和高產(chǎn)出制造，可以幫助提升國力和經(jīng)濟發(fā)展速度，讓企業(yè)獲得更理想的市場份額。它是實現(xiàn)機床產(chǎn)品創(chuàng)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(yè)的自主建設和有效產(chǎn)出能力，并且?guī)又圃鞓I(yè)的更進一步的飛躍和完善，是未來智能化生產(chǎn)的核心力量。

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

數(shù)控機床是自動化技術發(fā)展的一部分，也是數(shù)字化生產(chǎn)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(shù)控機床中的數(shù)字化發(fā)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(shù)控機床向數(shù)字化方向發(fā)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(shù)控加工技術的發(fā)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(xiàn)在數(shù)控機床的自主研發(fā)能力存在不足，部分設備的研發(fā)存在著明顯的模仿痕跡，尤其在自主設計階段，大多數(shù)企業(yè)對于創(chuàng)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(shù)控機床則落后于發(fā)達國家。其次，數(shù)控機床的研發(fā)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(shù)控機床研發(fā)的水平不夠，盡管一直在努力，但步子邁得不夠大，沒有把數(shù)控加工同數(shù)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(shù)字化制造包括了從線上下單、修改方案到數(shù)字化生產(chǎn)、監(jiān)控、物流、售后等環(huán)節(jié)，涵蓋了全部數(shù)字化產(chǎn)品訂制的環(huán)節(jié)，是未來制造的發(fā)展模式。對于類似疫情或者其他外界因素的影響，數(shù)字化制造正走著一條清晰而明顯的道路，數(shù)控機床為了符合發(fā)展潮流，也要順應這種生產(chǎn)模式，二者的關系互相依賴，互促互進，必將成為制造業(yè)發(fā)展必不可少的重要組合。

三、產(chǎn)品設計的教學模式在數(shù)字化背景下的發(fā)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(fā)展深刻影響了各行各業(yè)，同時也促進了產(chǎn)品設計技術的發(fā)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(chǎn)技術正占據(jù)更大的舞臺，對企業(yè)來說更是不可缺少的重要輔助工具，雖然有的企業(yè)反應積極，有的遲鈍，但數(shù)字化制造的普及已成為歷史的潮流。

設計是具有創(chuàng)造性的鮮明的腦力活動，產(chǎn)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(huán)節(jié)，需要提供滿足使用者需求的產(chǎn)品方案和產(chǎn)品信息。對于復雜的數(shù)字化制造和數(shù)控加工技術，需要每個從業(yè)人員都采用最先進的方法和工具，才能完成生產(chǎn)中的不同任務[3]。

在20世紀七八十年代后，數(shù)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(fā)展，給產(chǎn)品設計帶來了更加深入和寬廣的轉變，產(chǎn)品設計方法與技術的發(fā)展也可用于數(shù)字化制造技術的推進。對于未來產(chǎn)品發(fā)展來說，需要確定未來數(shù)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(fā)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(chǎn)品設計教學環(huán)節(jié)中，同樣需要結合最新的高新技術，包括數(shù)字化制造和數(shù)控加工技術，也就是設計和制造過程的相輔相成。這些數(shù)字化的高新技術對產(chǎn)品設計具有非常重要和鮮明的意義，也體現(xiàn)了數(shù)字化時代的特征。因此，產(chǎn)品設計教學研究對數(shù)字化制造和數(shù)控加工技術寄托了極大的希望。融合了更多的數(shù)字化制造、實現(xiàn)智能化生產(chǎn)，是產(chǎn)品設計領域人員共同奮斗的目標。融合更多的數(shù)字化技術、實現(xiàn)無人的數(shù)字化生產(chǎn)，已成為數(shù)字化領域和產(chǎn)品設計領域人員共同的心愿和期望。

在產(chǎn)品設計的發(fā)展過程中，伴隨著數(shù)字化技術的不斷發(fā)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(huán)節(jié)統(tǒng)籌規(guī)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(chǎn)品設計的教學過程中，各式各樣的挑戰(zhàn)層出不窮，尤其是數(shù)字化技術的出現(xiàn)及應用。這方面的問題主要體現(xiàn)在幾個方面，首先，數(shù)字化技術正帶來設計方式的更新，為了與數(shù)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(shù)字化制造的模式，產(chǎn)品設計還有很多的研究需要進行，數(shù)字化生產(chǎn)還有很多領域需要探索，其在產(chǎn)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(shù)字化程度的提升。再次，數(shù)字化制造和數(shù)控加工技術對產(chǎn)品設計帶來了嶄新的挑戰(zhàn)，隨著數(shù)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(yè)化，某些設計人可能會產(chǎn)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(chǎn)品設計的教學模式，可以采取多種方法應對新技術的挑戰(zhàn)。第一，開發(fā)創(chuàng)新設計組件，針對不同的要求給出解決方案，解決數(shù)控機床工作過程中遇到的問題，對產(chǎn)品設計的模型不斷進行調(diào)整，并將此過程更好地展示給學生。第二，在產(chǎn)品設計中可以針對數(shù)控機床的特點縮短研發(fā)周期并進行快速設計，實現(xiàn)二維、三維相結合的設計模式。第三，在產(chǎn)品設計的教學中需要根據(jù)市場情況進行功能設計，使學生能夠設計出具有穩(wěn)定的市場需求和生產(chǎn)條件的產(chǎn)品。對于與高等院校有長期合作關系的企業(yè)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(yè)實踐的經(jīng)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(fā)現(xiàn)結構存在的問題，并經(jīng)過不同層次的設計內(nèi)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(shù)字化制造與數(shù)控加工在產(chǎn)品設計中的教學模式分析

隨著產(chǎn)品設計方法和技術的不斷豐富和發(fā)展，在教學過程中需要采用更適應發(fā)展需要的方式進行數(shù)字化制造和數(shù)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(shù)字化制造和數(shù)控加工技術的傳授，在授課過程中需要結合虛擬現(xiàn)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(xiàn)數(shù)字化制造和數(shù)控加工在產(chǎn)品設計教學中的聯(lián)動合作，需要強調(diào)制造過程信息的互聯(lián)互通，以此作為數(shù)字化生產(chǎn)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(lián)互通是制造業(yè)信息化的薄弱環(huán)節(jié)，實際加工中要調(diào)動多方面的技術部門保障生產(chǎn)過程的信息通暢，以此生產(chǎn)效率、降低成本，實現(xiàn)各種資源的最優(yōu)化配置，保障生產(chǎn)的順利進行，實現(xiàn)整體生產(chǎn)的信息化、網(wǎng)絡化、數(shù)字化，為此可以在實踐環(huán)節(jié)組織學生熟悉控制流程的信息聯(lián)通方式，并能針對不同的生產(chǎn)工藝和制造流程調(diào)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(lián)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(xiàn)低能耗、低成本、低使用率的制造水平。在這一環(huán)節(jié)的教學演示中，可通過數(shù)字化制造的流程加以說明信息和網(wǎng)絡暢通的必要性，也可以結合數(shù)控機床的基本操作闡述信息聯(lián)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(lián)互通對企業(yè)的運行和管理提出了更高要求，不但要實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的最大優(yōu)化，還要保證數(shù)字化制造的快捷性、靈活性、可視性，此外，傳統(tǒng)模式與數(shù)字化模式的關系如何協(xié)調(diào)，也是擺在企業(yè)面前的一道問題，這一點尤其要向學生說明。

第四，根據(jù)網(wǎng)絡安全要求，有必要在教學時對學生強調(diào)網(wǎng)絡平臺和跟蹤、監(jiān)督機制對信息互聯(lián)互通的影響和重要性，實際加工中要在企業(yè)內(nèi)部各部門間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和信息集成，保證生產(chǎn)的透明化、數(shù)字化和智能化，有必要構建統(tǒng)一格式的面向數(shù)字化制造的集成模式，通過該模式實現(xiàn)數(shù)字化制造的無障礙溝通和共享。

五、結語

歸根到底來說，數(shù)字化技術是為了提高機床的綜合性能，為工業(yè)生產(chǎn)帶來效益，數(shù)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(yè)產(chǎn)生巨大的推動。而在產(chǎn)品設計的教學環(huán)節(jié)中，采用多方面的技術手段實現(xiàn)數(shù)字化技術的實施，可以更好地實現(xiàn)教學效果，讓學生更了解制造業(yè)的新模型和新規(guī)則，對產(chǎn)品設計及后續(xù)制造獲得更深刻的領悟。

此外，在數(shù)字化制造和數(shù)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(chǎn)品設計的教學環(huán)節(jié)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(huán)節(jié)，這一點尤為重要，也是保障教學模式的關鍵組成部分。