先进设计制造一体化技术，是在传统设计制造技术基础上，不断吸收计算机技术、信息技术和其他现代科学技术的成果而发展起来的新兴综合技术。它超越了传统的设计与制造观念，其内容涵盖了市场需求、创新设计、工艺技术、生产过程、质量监控、产品销售、市场反馈等在内的产品生命周期的全过程。 70年代中期正是冷战激烈时期，有关国家对先进武器装备的需求十分旺盛，国防市场竞争由此不断加剧，促使国防工业企业纷纷采用各种先进技术，特别是计算机技术，从而逐步实现了生产自动化和柔性化，达到了提高质量、降低成本、缩短周期的目的，适应了当时市场竞争的需求。但是上述措施基本上属于生产层面的技术措施，提高的幅度有限。实践证明，如果能在产品设计层面上或管理层面上采取有效措施，则可整体地大幅度提高国防工业企业的经济效益和市场竞争力。先进设计制造一体化技术正是为适应这种需求而被国防工业企业所采用。
一、国防工业企业需要先进设计制造一体化技术
众所周知，传统的产品设计通常采用顺序的工程方法，产品设计人员不能方便地和工艺设计人员协同工作。因而在设计阶段不能及早地考虑制造工艺方面的问题，造成设计与制造的脱节，结果设计出来的产品不能满足性能要求，只好重新返回再设计。于是，一个产品的开发过程就变成了设计─加工─试验─再设计的循环过程，有的产品甚至多次重复这个过程，从而延长周期，增加成本。武器产品的开发研制，同样是一个复杂的过程，需要多种学科的协同合作。 从传统上说， 武器产品开发的各个活动过程都是相对独立的，它们之间缺乏良好的信息反馈和共享，整个研制过程功能集成性差，因而开发周期长，成本高。
统计资料表明：产品设计的早中期阶段将占产品生命周期费用的75%左右，而该阶段所需的设计费用只占生命周期费用的8%，如图1所示。因此，在该阶段进行修改的风险最小，这就要求在设计阶段尽早考虑产品生命周期内所有的影响因素，建立完整统一的产品信息模型，将工艺、制造、材料、质量、维修等后续的要求体现在早期设计中。通过设计中的紧密合作，避免在制造甚至使用中发现问题而引起大返工。这样可以在较短的时间内，以较少的投资获得高质量的产品。
80年代起，国外先进工业国家就开始在这方面进行投资。尤其是在与国防工业有关的领域，在政府的倡导下，许多大公司与高校和研究机构相结合，一方面进行一体化产品设计(IPD)和并行工程(CE)的技术研究和开发，另一方面在企业中开展IPD和CE的示范工作，两者都获得了良好的效果。例如，美国GE公司在为美海军研制F414发动机时，就采用了集成的设计制造一体化技术;在研制全新的单晶低压涡轮叶片时，使原来的研制周期从44周缩短到22周。普·惠公司(P&W)在研制美国先进战斗机(ATF)用的推重比为10的F119─PW─100新一代发动机时，采用了一体化产品研制技术，使性能、可靠性、维修性、可制造性及成本等多项指标都达到了最佳的效果。并通过了美空军的试飞评比，已正式转入全尺寸发展阶段。美国DICE计划的示范项目也以空心风扇叶片为例进行设计制造一体化技术研究。图2、图3就是传统方法与一体化方法两种研制方法的比较。
图2是采用传统的设计制造方法，设计过程是：(1)由气动专家进行气动设计，给出叶片型面参数，形成叶片外部模型;(2)根据叶片型面参数设计叶片内部结构并进行详细的有限元分析，确定满足气动、强度、振动要求的完整叶片模型;(3)根据零件图进行工艺建模，确定符合加工要求的工艺模型;(4)根据工艺模型设计工夹、模具，编制工艺流程，进行加工;(5)安装、试验，形成成品件。在以上传统方法流程中，设计、分析、工艺、制造等各过程都是相对独立并采用不同的模型，其数据不能共享。加工、材料、检验等方法的意见也不能及时提出并参与决策。如果设计出的产品不能加工或选材不成熟，就会造成全面返工。 图3是采用设计制造一体化方法，设计过程是：采用统一的产品集成模型数据标准(如ISO 10303 STEP)及公共的信息模型，并通过公共模型实现各功能小组在计算机网络环境下的协同工作;共享数据信息，讨论、交换设计意见等。比如，结构、强度分析与工艺、模具设计同时进行，通过计算机网络交换信息，即可以大大提高效率，节省时间，减少不必要的开支。GE公司的研究表明，发动机的叶片研制采用传统的顺序方法需要18个月，而采用设计制造一体化的方 法只需7.5个月就可完成。nextpage
由此可见，在传统的设计制造流程中，需求、设计、制造和产品服务通常是相对独立的，尤其是设计与制造环节的脱离，已不能适应现代武器产品研制的要求。因此迫切需要在武器产品的研制中采用先进设计制造一体化技术，以提高产品性能及质量，缩短研制周期，降低成本。
二、国防工业先进设计制造一体化框架模型
为了满足和适应对先进设计制造一体化技术的要求，我们以CJ2000航空发动机带叶盘转子的设计制造为例，建立起国防工业企业先进设计制造一体化系统的总体框架模型，如图4所示。
(一)功能模块
先进设计制造一体化系统包括集成框架、集成平台和工程应用三部分，图4所示的是具体设计的先进设计制造一体化系统，我们称为设计制造群集成支持系统DMGISS(Design Manufacturing Group Integration Support System)系统。 DMGISS系统可划分为群设计制造工程GDME、控制管理与优化IGC3、数据管理BEE_DME三大功能子系统。
1.群设计制造工程GDME子系统：该系统的目的是在满足产品规范要求下，完成产品的功能性设计(GDE)和制造(GME)，以及对集成产品模型数据的建立与管理IPMD_AIC_Confg_Mgnt。在群集成的指挥、控制、通信子系统IGC3的控制之下，设计制造模块之间的信息传递是双向的，由网络和数据库提供有力的支持。通过DFx工具的应用，可在产品设计的早期阶段就考虑后续结构分析和工艺设计及制造的需求。各模块采用标准的及统一的数据库，所建立的产品数据对任何 子系统都是完全一致的。以金银花系统LONICERA_MDA_CADE为工具，本系统主要完成CJ2000整体叶盘设计制造一体化。
2.控制管理与优化IGC3子系统：该系统是设计制造一体化总框架的核心，也是系统管理者实施项目控制管理的载体。该系统主要包括群工作网络通信NCIWG、工作过程管理控制WPM等一些基本功能模块。它可以使企业实现全局最优，降低单点集成复杂程度并且在分布操作系统及硬件支持下通过集成接口快速封装引入新的应用工具，降低工具的维护及支持费用，使企业的设计制造一体化集成顺 利进行。由于地理上分布的不同，协同者需要交流大量的文本、图形甚至声音、图像等信息，因此为了保证协同工作的顺利实施，需要提供强有力的群工作通信环境。NCIWG模块则从网络配置、网络管理、同步/异步通信工具及意见交流的相关协议等方面为应用提供了保证。为了有效地组织管理合作者的活动，需要采用合适的工具、方法，寻求最佳过程方案，以增大合作者间的协同度，加强活动间的并行度，达到缩短产品开发时间的目的。WPM模块的功能包括：过 程建模、仿真优化、过程监控、资源管理以及消息发送管理等。
3.数据管理BEE_DME子系统：BEE_DAI，BEE_214ref, BEE_EDB&M, BEE_PDM以及BEE_DEToolkit构成了框架的资源系统。BEE_DAI数据存取接口按照STEP标准的EXPRESS数据模式，使各应用小组间具有统一的数据存取界面;BEE_214ref是系统模型集成管理工具，实现基于STEP/AP214的CAD/CAM系统的集成;BEE_PDM是对产品结构数据的配置管理，PDM数据模型将根据STEP标准和工程背景CJ2000叶盘转子和机械产品一般需求确定，利用STEP工具进行开发;BEE_EDB&M管理产品定义信息以外的设计理论、开发工具、封装程序、制造一体化工程数据;BEE_EDToolkit用于实现产品工程数据集成的管理。
(二)实现模型
在对DMGISS的组成及总体结构进行设计的基础上，图5给出了DMGISS的实现模型，它是CJ2000航空发动机转子设计制造一体化实验验证原型系统。基于网络通信及软硬件环境，DMGISS的实现模型由应用集成接口(用户图形界面)、设计制造过程管理、工具管理、版本控制、配置管理、产品及工程数据管理与数据库等构成。
三、结论
先进设计制造一体化技术的产生为武器装备的发展奠定了基础，而国防工业企业的进步又促使先进设计制造一体化技术迈向更高的台阶。本文提出的具有群设计制造工程、控制管理与优化、数据管理等功能的先进设计制造一体化框架模型已在CJ2000航空发动机带叶盘转子的设计制造一体化应用系统开发中得到应用，取得了很好的效果。
