十年前，人們還在討論計算機集成製造系統(CIMS)的可行性，如今實用計算機集成製造技術(也稱數字化製造技術)已被越來越多的企業所接受並應用到生產實踐中。
從產品的外觀，結構及功能設計，到計算機輔助設計和製造(CAD/CAM)、快速成型和計算機輔助檢測，數字化製造技術正向人們展示著它無窮的睦力。
一般來講，數字化製造技術主要包括產品的計算機輔助工業設計(Computer Aided Industrial
Design，或CAID)、計算機輔助設計和製造(Computer Aided Design and Computer Aided
Manufacturing，或CAD/ CAM)、快速成型(Rapid
Prototyping，或RP)、三坐標測量和計算機輔助檢測、數控加工等幾大核心。本文從實際應用出發，簡要介紹各主要核心技術的基本概念、常用方法和工具。
計算機輔助工業設計(CAID)
計算機輔助工業設計(CAID)在最近幾年蓬勃發展，尤其是我國沿海發達地區的小家電、電動工具等行業增長十分迅速，這主要是由於日益激烈的競爭環境迫使企業走出單純模仿的傳統的產品開發路子，使企業認識到，要在市場中佔有一席之地，產品必須擁有自己的特色，通過先進的設計來贏得客戶，不再一味地進行價格戰。而中國加入WTO加速了這一進程。
工業設計的範疇廣泛。廣義講，包括工業產品設計、環境設計及視覺傳達設計；狹義講，指所有由機械化批量生產的工業產品的設計。它不僅包括對工業產品的功能、結構、材料、工藝以及形態、色彩、表面處理、裝飾等方面的設計，同時還要從社會的、經濟的、技術的、藝術的及人的各方面因素進行綜合處理，從而使現代工業產品既符合社會不斷發展的物質需求，同時還滿足人們的精神需求。因此工業設計是人類科學技術、社會經濟、美學藝術綜合且有機統一的創造性活動，是現代科學技術與人類文化藝術發展的產物，也是工業時代的一門新興科學。而計算機輔助工業設計是指以計算機技術為輔助手段進行產品的藝術化工業設計，主要是指對批量生產的工業產品的材料、外型、色彩、結構、表面加工等方面的設計工作。工業設計的魅力所在就是創新、創新、再創新。只有不斷的創新設計才會有不斷的市場和不斷的高額利潤；這些年來中國家電行業之所以發展到了世界各地，無不得益於工業設計的作用。CAID的一般過程有市場調查、產品概念草圖設計、彩色效果圖設計、三維效果圖設計、三維造型設計、產品零件圖和技術要求說明等。所用到的主要工具包括：Alias、CorelDraw、3DMAX、Pro/CDRS等。
圖1 逆向與正向設計
圖2 逆向工程一般流程
計算機輔助設計與製造(CAD/CAM)
計算機輔助設計(CAD)在我國應用較早，早期主要是採用計算機繪圖技術來替代原來的手工製圖，至20世紀80～90年代二維設計逐漸被三維設計代替。
計算機輔助製造(CAM)則發展較遲，這與數字化加工技術的發展密切相關。近年來，在我國，尤其是在江浙、華南等地區，在當地政府的支持下，數控加工能力在過去幾年中成倍增長。以數控加工中心及相關軟體為核心的計算機輔助設計與製造(CAD/CAM)在我國得到較快的發展，大大地促進了當地生產力的提高。今天，計算機輔助設計與計算機輔助製造已密不可分，在許多領域尤其是模具業，由於其單件或小批量加工的特點，採用CAD/CAM技術進行生產的優勢非常明顯。
CAD/CAM主要是指採用先進的計算機軟硬體手段進行產品三維造型、結構設計、裝配模擬、加工模擬、數控加工編程等，其中產品的三維造型是基礎，從
CAD三維模型到數控加工程序的生成通常不需人工干預，可由CAM軟體自動產生。產品的三維造型設計通常有正向設計和逆向設計兩種(圖1)。正向設計是指通過工程師對待開發產品概念的理解來進行產品的設計，即由概念到圖紙或數字模型的過程。與產品的正向設計不同，逆向工程是從已有產品或實物模型出發，反求產品原始設計參數，並在此基礎上進行產品的設計開發(圖2)。逆向工程不僅可大大縮短產品的開發周期，降低產品開發成本，還可實現許多正向設計所無法解決的問題，如某些產品的外形非常特別，其數學模型非常難以界定，用逆向方法則可迎刃而解。正向設計講究的是創意，通常開發周期較長；逆向設計則較快，可實現一般正向設計無法實現的產品設計，有時只是對成功產品的複製，開發成本一般較低。
目前最常用的CAD/CAM設計工具有： UG、Pro/E、CATIA、Power-SHAPE/
PowerMILL等。其中UG、Pro/E應用較普遍，而CATIA在航空、汽車工業領域的應用近年來呈上升趨勢。對逆向設計而言，如果測量手段為簡單的手工測量或通用三坐標測量機(CMM)，所得數據較少(一般少於一萬點)，可使用UG、Pro/E或CATIA進行處理並生成最終三線數模；如果採用的測量工具為激光掃描，因數據量非常大(一般有100萬點以上)，需要大數據(點雲)處理軟體如CopyCAD、Geomagic、Surfacer等，來對數據進行處理，其輸出為可被通用CAD/CAM軟體所接受的STL、IGES、DXF等。
快速成型(RP)
快速成型(Rapid Prototyping)採用激光等技術將樹酯、ABS、PC等材料按產品的三維造型(STL格式)進行快速燒結並成型。這種成型技術可以不必製造模具就做出完整的樣機，不僅可大大加速了新產品的開發進度，還可節約大量成本。
目前在我國已有一些廠家可提供快速成型系統或服務，如西安交通大學、清華大學等，但目前國產快速成型系統從整體上還比較落後，所用材料通常是樹脂或紙材。樹脂通常不能用在辦公室(含有毒氣體)，做出的模型比較脆，一不能作複雜裝配驗證，在環境變化時很容易產生變形。國外廠家主要有美國3DSystem、美國
Stratasys等。其中Stratasys
FDM系統採用ABS或PC材料，不僅強度大(可作裝配)，還可耐高溫，且可放在一股辦公室中(無毒)。
三坐標測量及計算機輔助檢測(CMM/CAI)
前面我們提到過產品設計可分正向設計和逆向設計，其中逆向設計最根本的就是對樣件的三維測量或三維數字化。三坐標測量通常與檢測是相伴而生的，測量的目的不外乎是求得某幾何參數或比較測得值與理論值的差別。計算機輔助檢測(CAI或CAV)是最近幾年才廣泛應用的，尤其是在歐美髮達國家，三維掃描測量的一半以上的應用為產品的快速檢測，即比較產品與設計間的誤差，從而找到改進產品製造工藝或設計方案的方法。除了傳統的手工測量外，常見的數字化方法包括三坐標測量機測量、光柵掃描、以及最新的三維激光掃描等多種。
三坐標測量機測量的主要工具是三坐標測量機 (Coordinate Measurement
Machine，簡稱CMM)，是目前使用最廣泛的高精度測量手段，主要有龍門式、立柱式、機器臂式等幾種。龍門式三坐標測量機也稱橋式測量機，外觀似橋而得名。此類測量機技術成熟、精度高，目前大多數高精度測量均採用該類形式。但這類測量機的不足是：機身重(大理石檯面)、體積大、不易移動、對系統水平度和環境要求嚴格、系統操作相對複雜，通常必須在恆溫室由專人操作，主要用於重量輕、體積小、質地硬的物體的精密測量。主要供應商有青島前哨、LK等。立柱式測量機通常由立柱、橫樑、測頭、控制系統等構成。機座多為鑄鐵，體積龐大、不易移動。特點是價格低、精度低，主要用干硬質大物體的一般測量。主要供應商有北京立科、成都中測等。機器臂式也稱關節臂式測量機(常稱為
Portable Coordinate Measurement
Machine，或PCMM)，具有柔性住、移動方便、對環境要求低(可用於車間或一般設計室)等特點，是現場測量的最佳選擇。該類測量機幾年前精度僅有
0.50mm左右，應用不多。但近幾年來，美國CIMCORE公司出品的機器臂式測量機的精度可達0.01mm，已可滿足大多數工業應用的要求，是目前發展最快的三坐標測量手段之一。主要供應商有美國CIMCORE、美國FARO、義大利Coord
3等。
由於傳統的接觸測量對測頭半徑補償的要求，以及對柔軟、易碎、易變形的物體的測量的局限性，一些廠家將光學測頭(點、線光源)加裝到一般CMM或PCMM 上，以實現對產品的非接觸測量。
該類測量機大多在CMM基礎上發展而來，但市場上也有專用的三坐標光學測量機，如早期美國Optical Gauging
System系統等。基於傳統CMM的非接觸式測量系統除了在非接觸測量上是個改進外，其他特點基本與傳統CMM一樣，如對被測物體重量及大小的限制等。而基於PCMM的激光掃描系統通常具備很大的柔性，故稱柔性三坐標掃描測量系統。其主要代表有中美合資寧波德立科技有限公司、美國CIMCORE和美國Perceptron聯合推出的基於目前市場上最優秀的三坐標測量關節臂和成熟激光掃描技術的柔性三坐標測量及激光掃描檢測系統FlexME(圖3)。FlexME系統的出現代表著新一代逆向工程(Reverse
Engineering或RE)和計算機輔助檢測(Computer Aided Inspection
或CAI)系統已經進入中國市場。這類系統通常在成熟產品的基礎上或利用現有CMM加裝激光測頭，一機多用，具備可升級性，而且升級成本較低。
另一類掃描方法是光柵掃描測量法即照相法，採用普通白光光柵投影到被測物體上再做照相、數據處理等來得到物體表面的三維信息。因採用照相再拼合的測量方式，國內也有人把該方法稱為“面掃描”。光柵投影照相法系統於20世紀如年代末開始在我國引進，典型系統有德國GOM的ATOS、德國
Steinbichler公司的COMET等，是國內較早引進的逆向工程測量方法。由於照相機與被測物體的距離在800mm左右，通常死角較多，而且多次測量所得值是通過拼合得到的，測量時需在被測物體表面做許多特殊輔助標記(對被測物體有一定的破壞性)，對複雜面的測量需多次重新設置系統，操作複雜，測量費時。同時，測量光源為普通白光，受環境光影響較大，需對被測物體進行表面預處理才能進行測量。與一般CMM測量相比，對某些不太複雜的曲面的掃描測量，照相法仍不失是可用的掃描方法。
數字化製造的出現大大縮短了產品的設計周期。作為逆向工程中的最基本組成部分，三維數字化手段層出不窮。在五年前，採用三坐標測量機(CMM)進行產品三維數字化對一般企業來講還是那麼遙不可及，如今不僅是一般CMM，一般企業擁有三維激光掃描系統也成為可能。
