智能制造裝備創(chuàng)新設(shè)計 課件全套 第1-7章 緒論、數(shù)字孿生技術(shù)-數(shù)字孿生驅(qū)動的數(shù)字化生產(chǎn)

武漢華工智云科技有限公司《智能制造裝備創(chuàng)新設(shè)計》《智能制造裝備創(chuàng)新設(shè)計》第一章緒論武漢華工智云科技有限公司

主要內(nèi)容33智能檢測單元數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展12數(shù)控機(jī)床設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)數(shù)字化設(shè)計與制造3第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展41.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展機(jī)床是將零件毛坯加工成零件的機(jī)器，是制造機(jī)器的機(jī)器。中國明朝出版的《天工開物》中載有磨床的結(jié)構(gòu)。(a)《天工開物》中的硺玉磨床(b)《天工開物》中的“扎砣圖”第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展51.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展●1797年，英國工程師亨利·莫茲利（HenryMaudslay）以蒸汽機(jī)為動力，通過絲桿和導(dǎo)軌帶動刀架移動，實現(xiàn)了機(jī)床結(jié)構(gòu)的重大變革，被稱為“機(jī)床之父”。●1818年，美國人伊萊·惠特尼（EliWhitney）與約瑟夫·W·羅伊（JosephW.Roe）等人共同研制成功第一臺臥式銑床?！?9世紀(jì)40年代，車床、鉆床、銑床等相繼出現(xiàn)并不斷得到改進(jìn)，促進(jìn)了近代制造業(yè)體系的初步形成。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展61.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展圖1-2莫茲利1797年研制的車床

圖1-3惠特尼1818年共同研制的臥式銑床第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展71.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展●二戰(zhàn)后，國防軍工、航空航天等所需求的機(jī)械產(chǎn)品日益復(fù)雜精密，傳統(tǒng)的普通機(jī)床無法滿足生產(chǎn)要求，隨著計算機(jī)技術(shù)的興起和發(fā)展，人們開始探索新的機(jī)床控制方法。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展81.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展●1949年，帕森斯（JohnParsons）和麻省理工學(xué)院受美國空軍委托開發(fā)一套用于機(jī)床的控制系統(tǒng)。1952年，第一臺帶有立式主軸的數(shù)控機(jī)床誕生，其控制部分由電子管實現(xiàn)。●1960年，采用了晶體管技術(shù)的數(shù)控系統(tǒng)●1968年，集成電路(IC)技術(shù)使得控制器更小更可靠。這三代數(shù)控系統(tǒng)的電子功能單元由電子管、晶體管和小規(guī)模集成電路硬接線搭建起來，稱為NC(NumericalControl)數(shù)控。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展91.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展●1972年，出現(xiàn)了內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)小型計算機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)，開啟了計算機(jī)數(shù)字控制(ComputerNumerial

Control,CNC)新時代?！?976年，微處理器的發(fā)展對數(shù)控技術(shù)產(chǎn)生了革命性的影響。

至此，高性價比、高可靠性和高加工效率的CNC數(shù)控系統(tǒng)才真正得以實現(xiàn)，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，打開了現(xiàn)代制造業(yè)的大門。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展10現(xiàn)代機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展●20世紀(jì)70年代中后期，日本大力發(fā)展根據(jù)當(dāng)時最新理念和最新數(shù)控技術(shù)設(shè)計的通用型數(shù)控機(jī)床，率先實現(xiàn)了通用數(shù)控機(jī)床的批量化生產(chǎn)，迅速占領(lǐng)了全球通用數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床的市場份額。日本發(fā)那科（FANUC）、三菱（MITSUBISHI）等數(shù)控系統(tǒng)得到了全球市場的極大認(rèn)可?！裢瑫r期，美國的大型制造公司開始設(shè)計和安裝柔性制造系統(tǒng)（FMS）?！?978年，日本成功完成第一臺柔性制造系統(tǒng)的安裝。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展11現(xiàn)代機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展●80年代，航空航天和汽車工業(yè)推動了德國機(jī)床工業(yè)的發(fā)展，走高精尖路線的德國機(jī)床成為這一時期最大的機(jī)床?！?0年代，隨著加工產(chǎn)品越來越復(fù)雜，可交互式圖形編程技術(shù)得到發(fā)展和應(yīng)用，高動態(tài)性能驅(qū)動技術(shù)提高了機(jī)床的速度和精度，新工藝機(jī)床得到了發(fā)展?！駨?0世紀(jì)末開始，高速、高精、多軸聯(lián)動和復(fù)合加工成為數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展12現(xiàn)代機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展●近年來，大型、復(fù)合、柔性、多軸、重載、高速高精、智能控制已成為高檔數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢。圖1-5多主軸、多刀塔刀架結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)床圖1-6奧地利林茨的WFL車銑復(fù)合加工機(jī)床第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展13現(xiàn)代機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展●柔性加工還體現(xiàn)在智能機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的融合上,工業(yè)機(jī)器人自動上下料、換刀、測量、裝配及拋光等領(lǐng)域，減輕了工人的勞動強(qiáng)度?！癞?dāng)前，面對工業(yè)4.0以及全球能源和環(huán)境危機(jī)的挑戰(zhàn)，數(shù)控機(jī)床的智能化、綠色化越來越受到重視。智能數(shù)控機(jī)床可實現(xiàn)感知、互聯(lián)、學(xué)習(xí)、決策和自適應(yīng)。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展141.2我國數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展●1958年，北京第一機(jī)床廠與清華大學(xué)合作，研制出中國第一臺數(shù)控銑床?！?0年代初期，通過引進(jìn)、聯(lián)合設(shè)計等方式，我國開始研制和生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床，例如，青海第一機(jī)床廠與日本FANUC合作，研制成功國內(nèi)第１臺臥式數(shù)控加工中心?！耠S著2002年中國正式加入WTO，我國數(shù)控機(jī)床進(jìn)入高速發(fā)展時期。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展151.2我國數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展●“十五”期間（2001～2005），國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量增幅超過30％，國產(chǎn)５軸聯(lián)動加工中心和５面體龍門式加工中心?！瘛笆晃濉逼陂g（2006～2010），數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量比“十五”期間增長了281%。2009年開始，中國在金屬加工機(jī)床的生產(chǎn)、消費和進(jìn)口三個方面均列世界第一，并保持到2018年。●“十二五”以來，國內(nèi)中低端數(shù)控機(jī)床市場已占有明顯優(yōu)勢。根據(jù)《賽迪顧問｜2019年數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)》：日本數(shù)控機(jī)床占全球比重約為32.1%，中國約為31.5%、德國約為17.2%。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展161.2我國數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展●但是，與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比,我國的制造技術(shù)仍有較大差距,主要表現(xiàn)在高端裝備制造技術(shù)落后,市場占有率低（依賴進(jìn)口），全球高端數(shù)控機(jī)床的龍頭企業(yè)主要集中在日本、德國和美國。●高端裝備制造業(yè)關(guān)乎國家安全和國計民生，代表著國家的綜合國力,決定著在國際綜合競爭中的地位。因此，2009年，工業(yè)和信息化部牽頭組織實施“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項。●2010年9月，國務(wù)院將高端裝備制造業(yè)確定為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展171.2我國數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展●“燈塔工廠”被視為第四次工業(yè)革命的領(lǐng)導(dǎo)者和示范者，截至2020年12月，全球“燈塔工廠”54家，其中中國16家，是擁有“燈塔工廠”最多的國家。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展181.3智能制造及其背景●新世紀(jì)以來，新一代信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能技術(shù)在制造業(yè)中廣泛應(yīng)用，制造系統(tǒng)集成式創(chuàng)新不斷發(fā)展，形成了新一輪工業(yè)革命的主要驅(qū)動力。●美國提出“先進(jìn)制造業(yè)伙伴計劃”，重塑工業(yè)競爭力，其智能制造現(xiàn)階段重點研究領(lǐng)域及內(nèi)容包括：智能機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析、信息物理系統(tǒng)和系統(tǒng)集成、可持續(xù)制造、增材制造等。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展191.3智能制造及其背景●歐盟提出“數(shù)字化歐洲工業(yè)計劃”，主要通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能三大技術(shù)來增強(qiáng)歐洲工業(yè)的智能化程度；●德國提出“工業(yè)4.0戰(zhàn)略”，構(gòu)建全新的智能生產(chǎn)系統(tǒng)?！袢毡咎岢觥皠?chuàng)新工業(yè)計劃”，鞏固自動化生產(chǎn)強(qiáng)國位置?！裰袊岢觥爸圃鞆?qiáng)國”戰(zhàn)略，以新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線，以推進(jìn)智能制造為主攻方向。2017年10月，習(xí)近平總書記在黨的十九大報告明確提出“加快建設(shè)制造強(qiáng)國，加快發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)，推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟(jì)深度融合”。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床及制造業(yè)的發(fā)展201.3智能制造及其背景●新一代人工智能技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的深度融合，貫穿于產(chǎn)品設(shè)計、制造、服務(wù)全生命周期的各個環(huán)節(jié)及相應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)化集成，不斷提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、效益、服務(wù)水平，減少資源能耗，推動制造業(yè)創(chuàng)新、綠色、協(xié)調(diào)、開放、共享發(fā)展，是新一輪工業(yè)革命的核心驅(qū)動力，是今后數(shù)十年制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的主要路徑。第二節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)21●進(jìn)入21世紀(jì)后，我國數(shù)控機(jī)床行業(yè)進(jìn)入了快速普及、產(chǎn)量迅猛增長的飛速發(fā)展時期，特別是近十年來，其整體水平和市場競爭能力明顯提高?！窠陙?，我國制造業(yè)對低精度、工藝簡單的數(shù)控機(jī)床需求量下滑，而中高端機(jī)床的需求量不斷增長。高端數(shù)控機(jī)床是支撐航空航天、船舶、汽車、發(fā)電設(shè)備等制造領(lǐng)域發(fā)展的核心裝備，已被列入國家重大科技專項,體現(xiàn)了其在國家需求、國家發(fā)展戰(zhàn)略中的重要位置?！裣鄬τ谄胀〝?shù)控機(jī)床，高端數(shù)控機(jī)床生命周期長，設(shè)計、制造更加復(fù)雜，運行和維護(hù)更加困難。第二節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)22●航空航天、船舶、交通、發(fā)電設(shè)備等重點制造領(lǐng)域的需求是高端數(shù)控機(jī)床發(fā)展的主要推動力?！襁@些領(lǐng)域的加工工況漸趨于超高溫、超高壓、超高速等極端條件,所用零件的材料向超高強(qiáng)度、耐高溫和超低溫、抗腐蝕、輕量化方向發(fā)展,幾何形狀越來越復(fù)雜,生產(chǎn)中要求自動化程度高、多種工藝復(fù)合,對數(shù)控機(jī)床提出了極大的挑戰(zhàn)。2.1高端數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)第二節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)231、高剛性、高精密的主機(jī)●提出了重心驅(qū)動設(shè)計、箱中箱、直接驅(qū)動、熱平衡設(shè)計與補(bǔ)償、全對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計等設(shè)計原則和技術(shù)；●在機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化中應(yīng)用了零部件整體結(jié)構(gòu)有限元分析優(yōu)化、輕量化設(shè)計、結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化、仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方法；2.1高端數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)第二節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)241、高剛性、高精密的主機(jī)●數(shù)控機(jī)床床身結(jié)構(gòu)材料從以鑄鐵、鑄鋼為主，發(fā)展到越來越多地采用樹脂混凝土、人造花崗巖等材料。此外，鋼纖維混凝土、碳纖維復(fù)合材料、泡沫金屬等新型結(jié)構(gòu)材料也已有應(yīng)用。未來，新型材料、新型優(yōu)化結(jié)構(gòu)和新型制造工藝方法將使數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)更加輕量化，并具有更好的靜動態(tài)剛度和穩(wěn)定性。2.1高端數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)第二節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)252、高檔數(shù)控裝置●主要包括三個方面:多軸精細(xì)數(shù)控插補(bǔ)、柔性復(fù)合加工技術(shù)、加工過程閉環(huán)控制等智能控制技術(shù)。

●微小細(xì)分線段的高速高精度加工、五軸刀心點高速平滑插補(bǔ)、精細(xì)樣條插補(bǔ)功能是高檔數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的重要指標(biāo)。

●數(shù)控裝置多主軸、多刀架功能可一次裝夾完成復(fù)雜零件加工，以及具有與機(jī)器人、視覺技術(shù)等協(xié)同的柔性復(fù)合加工技術(shù)。2.1高端數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)第二節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)262、高檔數(shù)控裝置●智能化防干涉、振動防止與控制、主軸監(jiān)控、車削工作臺平衡失調(diào)檢測等功能,將加工狀態(tài)控制引入數(shù)控系統(tǒng),通過加工過程閉環(huán)控制提高了復(fù)雜工況的適應(yīng)性。●隨著工業(yè)4.0的發(fā)展，融合智能傳感、物聯(lián)網(wǎng)／工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、數(shù)字孿生和賽博物理系統(tǒng)的智能數(shù)控裝置及智能機(jī)床正在向我們走來。2.1高端數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)第二節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)273、機(jī)床動態(tài)特性

●主要包含三個方面:數(shù)控裝備狀態(tài)辨識與動態(tài)行為仿真、數(shù)控裝備與加工工藝的交互作用,以及基于動態(tài)特性的裝備可靠性評估。4、高速高精驅(qū)動系統(tǒng)●直接驅(qū)動就是將直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電動機(jī)(DDR)或直接驅(qū)動直線電動機(jī)(DDL)直接耦合或連接到從動負(fù)載上,從而實現(xiàn)了與負(fù)載的直接耦合。2.1高端數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)第二節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)281、增強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新能力2、縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本3、減少維護(hù)服務(wù)成本2.2數(shù)控機(jī)床設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)第三節(jié)數(shù)字化設(shè)計與制造293.1數(shù)字化設(shè)計技術(shù)第三節(jié)數(shù)字化設(shè)計與制造303.1數(shù)字化設(shè)計技術(shù)●數(shù)字化設(shè)計過程包括分析和綜合兩個階段。分析階段的主要任務(wù)是確定產(chǎn)品的工作原理，結(jié)構(gòu)組成和基本配置，包括調(diào)研市場需求、收集產(chǎn)品的設(shè)計信息、完成產(chǎn)品的概念化設(shè)計等。●概念化設(shè)計是設(shè)計人員對產(chǎn)品各種方案進(jìn)行評估、分析、對比和綜合評價的結(jié)果，據(jù)此勾勒出產(chǎn)品的初步布局和結(jié)構(gòu)草圖，定義各功能部件之間內(nèi)在的聯(lián)系和約束關(guān)系。當(dāng)設(shè)計者完成產(chǎn)品構(gòu)思后，就可以利用概念化設(shè)計軟件和相關(guān)建模工具將設(shè)計思想表達(dá)出來。第三節(jié)數(shù)字化設(shè)計與制造313.1數(shù)字化設(shè)計技術(shù)●綜合建立在分析的基礎(chǔ)上，它完成產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計、性能評價和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，并形成完整的設(shè)計文檔?！駭?shù)字化建模是產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計的基本和核心內(nèi)容，數(shù)字化模型是產(chǎn)品性能分析、評價和優(yōu)化的基礎(chǔ)，可以采用優(yōu)化算法，有限元方法和其他分析工具,完成產(chǎn)品形狀、結(jié)構(gòu)和性能的分析、預(yù)測、評價和優(yōu)化，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)一步修改和優(yōu)化產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計模型。第三節(jié)數(shù)字化設(shè)計與制造323.2數(shù)字化制造技術(shù)●數(shù)字化制造技術(shù)以產(chǎn)品制造中的工藝規(guī)劃、過程控制為核心，以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，制定工藝規(guī)劃和作業(yè)計劃，采購原材料、準(zhǔn)備工裝夾具，編制數(shù)控加工程序，完成零部件的數(shù)字化加工，在經(jīng)過質(zhì)量檢測、裝配和包裝等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)產(chǎn)品的數(shù)字化制造。第三節(jié)數(shù)字化設(shè)計與制造333.2數(shù)字化制造技術(shù)●產(chǎn)品設(shè)計過程與制造過程之間存在密切的雙向聯(lián)系，設(shè)計產(chǎn)品時需要考慮產(chǎn)品的制造問題，如零部件的制造工藝、加工的可行性與難易程度、生產(chǎn)成本等。同樣的，在產(chǎn)品制造過程中，能發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題和不合理之處，需要返回給設(shè)計人員以便改進(jìn)、優(yōu)化設(shè)計方案。●數(shù)字化技術(shù)將設(shè)計與制造的結(jié)合提供了良好條件，只有數(shù)字化設(shè)計模型的信息被充分利用，才能充分體現(xiàn)數(shù)控加工和數(shù)字化制造的高效特征。第三節(jié)數(shù)字化設(shè)計與制造343.3數(shù)字化管理技術(shù)除設(shè)計和制造外，產(chǎn)品開發(fā)過程中還涉及訂單管理、供應(yīng)鏈管理、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、庫存管理、人力資源管理、財務(wù)管理、成本管理、設(shè)備管理、客戶關(guān)系管理等眾多管理環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)與產(chǎn)品開發(fā)密切關(guān)聯(lián)，并直接影響產(chǎn)品開發(fā)的效率和質(zhì)量，在計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，可以實現(xiàn)上述管理信息和管理方式的數(shù)字化，這就是數(shù)字化管理技術(shù)數(shù)字化。數(shù)字化管理不僅有利于提高制造業(yè)企業(yè)的管理效率和質(zhì)量，也有利于降低管理成本和生產(chǎn)成本。第二章數(shù)字孿生技術(shù)《智能制造裝備創(chuàng)新設(shè)計》

主要內(nèi)容363智能檢測單元數(shù)字孿生概述工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)采集3智能檢測單元數(shù)字孿生與數(shù)控機(jī)床設(shè)計第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機(jī)床應(yīng)用第一節(jié)數(shù)字孿生概述371.1數(shù)字孿生及其發(fā)展2002年MichaelGrieves在密歇根大學(xué)的演講中首次提出了PLM（ProductLifecycleManagement產(chǎn)品生命周期管理）概念模型，模型中出現(xiàn)了現(xiàn)實空間、虛擬（賽博Cyber）空間、兩者之間的數(shù)據(jù)和信息流動、以及虛擬子空間的表述，該模型已經(jīng)具備數(shù)字孿生的所有要素。2010年，NASA在其太空技術(shù)路線圖中，首次引入了數(shù)字孿生的概念，闡述了航天器數(shù)字孿生技術(shù)的定義和功能：數(shù)字孿生是一種面向飛行器或系統(tǒng)的高度集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真模型，能夠充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，在虛擬空間中完成映射，從而反映實體裝備全生命周期過程。2014年，數(shù)字孿生白皮書發(fā)表，隨后被引入到汽車、醫(yī)療設(shè)備、石油天然氣等領(lǐng)域。2017年和2018年，全球最具權(quán)威的IT研究與顧問咨詢公司Gartner將數(shù)字孿生列為未來十年最具前景的十大技術(shù)趨勢之一。第一節(jié)數(shù)字孿生概述381.1數(shù)字孿生及其發(fā)展在我國制造業(yè)領(lǐng)域，數(shù)字孿生也引起了廣泛的關(guān)注。國內(nèi)一些學(xué)者對數(shù)字孿生進(jìn)行了深入研究，北京航空航天大學(xué)陶飛教授團(tuán)隊較早開展了數(shù)字孿生研究，在國際上首次提出了“數(shù)字孿生車間”概念，并在《Nature》雜志在線發(fā)表了題為《MakeMoreDigitalTwins》的評述文章。數(shù)字孿生是一種經(jīng)過長期發(fā)展形成的數(shù)字化通用技術(shù)，其概念尚在不斷發(fā)展與演變，目前業(yè)界較流行的定義是：數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，建立現(xiàn)實世界中物理實體的虛擬體，并能夠反映相應(yīng)實體的全生命周期過程。第一節(jié)數(shù)字孿生概述391.1數(shù)字孿生及其發(fā)展通常所說的“數(shù)字孿生”有兩層意思：一是指物理實體與其數(shù)字虛體之間的精確映射的孿生關(guān)系；二是將具有孿生關(guān)系的物理實體、數(shù)字虛體分別稱作物理孿生體、數(shù)字孿生體，數(shù)字孿生亦指數(shù)字孿生體。圖2-1制造過程的數(shù)字孿生概念模型圖2-1所示，制造過程的數(shù)字孿生模型包含三個組成部分：物理空間中的物理實體、虛擬空間中的虛擬體、連接物理實體和虛擬體的數(shù)據(jù)及信息。物理實體，如飛機(jī)、汽車、數(shù)控機(jī)床等，具有真實的功能和用途，可以在物理空間完成特定的任務(wù)，產(chǎn)生實際輸出。虛擬體包含一系列模型，從不同的角度對物理實體進(jìn)行描述，是能夠反映物理實體在全生命周期中性能的數(shù)字鏡像。兩者之間的連接是雙向的。第一節(jié)數(shù)字孿生概述401.2幾個重要的關(guān)系（1）數(shù)字孿生和云端實現(xiàn)智能制造離不開無縫集成的信息系統(tǒng)，以保障指令和數(shù)據(jù)的自由流通。大量的供應(yīng)鏈信息、生產(chǎn)信息、設(shè)備信息、質(zhì)量信息、物流信息、用戶信息等存儲在云端，形成企業(yè)數(shù)據(jù)云和工業(yè)大數(shù)據(jù)云。通過云計算功能，實現(xiàn)智能設(shè)計、智能采購、智能生產(chǎn)、智能質(zhì)檢、智能倉儲、智能銷售、智能服務(wù)、智能設(shè)備維護(hù)等功能。數(shù)字孿生是在上述大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上運行的，且數(shù)字孿生系統(tǒng)的運行需要大規(guī)模的計算，因此，數(shù)字孿生離不開云端。也有的公司如GE、Ansys認(rèn)為數(shù)字孿生是一個云計算和邊緣計算共存的混合模型，例如孿生系統(tǒng)是根據(jù)實時接收的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過機(jī)器學(xué)習(xí)逐漸建立運行規(guī)律，整個分析在邊緣端完成，不需要上傳到網(wǎng)絡(luò)端。對于數(shù)字孿生而言，無論是云端，還是線下部署，都同等重要。第一節(jié)數(shù)字孿生概述411.2幾個重要的關(guān)系（2）數(shù)字孿生和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生受益于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT，IndustrialInternetofThings）和工業(yè)4.0的出現(xiàn)。設(shè)備及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)接入到數(shù)字孿生系統(tǒng)，并將物理實體的數(shù)據(jù)傳遞、存儲到邊緣或者云端，物理實體的各種數(shù)據(jù)收集、交換，都要離不開工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)?？梢哉f，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)激活了數(shù)字孿生的生命，使得數(shù)字孿生真正成為一個有生命力的模型。數(shù)字孿生還受益于制造業(yè)其他相關(guān)技術(shù)的成熟，主要包括：智能自動化、產(chǎn)品全生命周期管理（PLM）、三維計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）、數(shù)字仿真、制造過程管理（MPM）、制造運營管理（MOM）、虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實（VR/AR）。第一節(jié)數(shù)字孿生概述421.2幾個重要的關(guān)系（3）數(shù)字孿生和CAD模型數(shù)字孿生要創(chuàng)建高度保真的“虛擬體”，首先是構(gòu)建出物理實體的三維CAD模型，并賦予它材料、裝配關(guān)系、運動屬性和功能定義。數(shù)字孿生體是物理實體的一個“數(shù)字替身”，它不僅是三維的CAD模型，而是一個動態(tài)、有生命周期的“活”的孿生體。（4）數(shù)字孿生和PLMPLM是在約束條件之下，更加有效地管理產(chǎn)品從最初構(gòu)想到最終消亡的全過程。在此過程中，利用生命周期的概念劃分管理流程與生產(chǎn)活動，更好地管理產(chǎn)品，降低成本，實現(xiàn)利潤最大化。從技術(shù)角度，PLM是一種對所有與產(chǎn)品相關(guān)的數(shù)據(jù)、在其整個生命周期內(nèi)進(jìn)行管理的技術(shù)。第一節(jié)數(shù)字孿生概述431.2幾個重要的關(guān)系（5）數(shù)字孿生和智能制造數(shù)字孿生是智能服務(wù)的重要載體。這里包含三類數(shù)字孿生：一類是功能型數(shù)字孿生：指示一個物體的基本狀態(tài)。一類是靜態(tài)數(shù)字孿生，用來收集原始數(shù)據(jù)，以便用來做后續(xù)分析。最重要的一類是第三種，就是高保真數(shù)字孿生。它可以對一個實體做深入的分析，檢查關(guān)鍵因素，包括環(huán)境。用于預(yù)測和指示如何操作。智能生產(chǎn)、智能產(chǎn)品和智能服務(wù)，涉及智能的地方，都會用到數(shù)字孿生。數(shù)字孿生技術(shù)充分利用模型、數(shù)據(jù)、智能，并集成多學(xué)科技術(shù)，面向產(chǎn)品全生命周期，發(fā)揮連接物理世界和信息世界的橋梁和紐帶，提供更加實時、高效、智能的服務(wù)。隨著智能制造的推進(jìn)，數(shù)字孿生已成為智能制造的核心和通用技術(shù)，智能制造包含的設(shè)計、制造和最終的產(chǎn)品服務(wù)，都離不開數(shù)字孿生。第一節(jié)數(shù)字孿生概述441.3數(shù)字孿生的應(yīng)用領(lǐng)域近年來，數(shù)字孿生已得到了越來越多行業(yè)的關(guān)注和應(yīng)用，如圖2-3所示，除制造領(lǐng)域外，數(shù)字孿生還被應(yīng)用于電力、醫(yī)療健康、城市管理、鐵路運輸、環(huán)境保護(hù)、汽車、船舶、建筑等領(lǐng)域，并展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。圖2-3數(shù)字孿生的應(yīng)用第一節(jié)數(shù)字孿生概述451.3數(shù)字孿生的應(yīng)用領(lǐng)域（1）數(shù)字化設(shè)計與制造數(shù)字孿生貫穿于一個產(chǎn)品的全生命周期，然而，產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、產(chǎn)品制造是產(chǎn)品生命周期中三個最重要的階段，數(shù)字化設(shè)計與制造是數(shù)字孿生技術(shù)得以推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)，同時，數(shù)字孿生技術(shù)又促進(jìn)了數(shù)字化設(shè)計與制造的應(yīng)用。數(shù)字孿生并不是全新技術(shù)，而是建模仿真技術(shù)在制造領(lǐng)域的新發(fā)展之一。數(shù)字孿生技術(shù)打造產(chǎn)品設(shè)計的數(shù)字孿生體，在虛擬空間進(jìn)行體系化仿真，實現(xiàn)反饋式設(shè)計、迭代式創(chuàng)新和持續(xù)性優(yōu)化。第一節(jié)數(shù)字孿生概述1.3數(shù)字孿生的應(yīng)用領(lǐng)域數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)可以幫助企業(yè)用結(jié)構(gòu)化的方式，使設(shè)計人員和工藝人員在一個統(tǒng)一的虛擬平臺上，對產(chǎn)品及工藝進(jìn)行設(shè)計和驗證。設(shè)計人員在虛擬的環(huán)境中構(gòu)建一個三維可視化的產(chǎn)品和制造工廠,將產(chǎn)品的公差、加工過程、裝配過程用可視化的方式展現(xiàn)在設(shè)計人員面前,如圖2-4所示，讓設(shè)計人員在產(chǎn)品正式生產(chǎn)之前，就可以對產(chǎn)品的制造性進(jìn)行調(diào)整,模擬岀產(chǎn)品的運行狀態(tài)，以及不同產(chǎn)品、不同參數(shù)、不同外部條件下的生產(chǎn)過程，實現(xiàn)對產(chǎn)能、效率以及可能出現(xiàn)的生產(chǎn)瓶頸等問題的提前預(yù)判，有助于優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計、工廠布局和工藝路線，提高設(shè)計制造的質(zhì)量、水平和效率。圖2-4虛擬加工場景第一節(jié)數(shù)字孿生概述471.3數(shù)字孿生的應(yīng)用領(lǐng)域讓設(shè)備在未安裝之前及時發(fā)現(xiàn)并消除設(shè)計缺陷，實現(xiàn)高效快速調(diào)試，降低新產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高競爭力。如圖2-5所示，由于先進(jìn)的制造裝備、生產(chǎn)線乃至數(shù)字化工廠都是集機(jī)械、電氣、計算機(jī)等多個子系統(tǒng)于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，要實現(xiàn)整個系統(tǒng)的聯(lián)合虛擬調(diào)試，在執(zhí)行階段的關(guān)鍵要求是實現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的通信，例如數(shù)控機(jī)床的機(jī)械模型、PLC控制邏輯、數(shù)控系統(tǒng)之間的通信。圖2-5機(jī)械模型和PLC控制模塊聯(lián)合實現(xiàn)虛擬調(diào)試（2）虛擬調(diào)試虛擬調(diào)試是指通過產(chǎn)品或系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型，對設(shè)計的合理性、有效性進(jìn)行測試和驗證。例如，在現(xiàn)場調(diào)試之前，可以直接在虛擬環(huán)境下，對生產(chǎn)線的數(shù)字孿生模型進(jìn)行機(jī)械運動、工藝仿真和電氣調(diào)試，第一節(jié)數(shù)字孿生概述481.3數(shù)字孿生的應(yīng)用領(lǐng)域預(yù)測性維護(hù)是指基于數(shù)理統(tǒng)計模型，根據(jù)設(shè)備的歷史故障數(shù)據(jù)、運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等，從統(tǒng)計學(xué)角度展現(xiàn)故障與某些狀態(tài)信息的關(guān)聯(lián)關(guān)系，對設(shè)備故障進(jìn)行預(yù)測，用于指導(dǎo)設(shè)備維護(hù)工作，降低運維成本。建立準(zhǔn)確可靠的數(shù)理統(tǒng)計模型并對故障做出預(yù)測，需要大量來自工業(yè)現(xiàn)場的歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)，如設(shè)備的計劃外停機(jī)數(shù)據(jù)、運行時的電壓和電流數(shù)據(jù)等。設(shè)備故障數(shù)據(jù)需要在長期運行過程中逐步積累，收集數(shù)據(jù)需要很長時間，此外工業(yè)現(xiàn)場如果沒有完善的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，也很難獲得設(shè)備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，因此，實施預(yù)測性維護(hù)最大的困難是數(shù)據(jù)的缺乏。隨著數(shù)字孿生技術(shù)的推廣，設(shè)備的數(shù)字孿生體與物理實體同步交付使用，可以實現(xiàn)設(shè)備全生命周期的數(shù)字化管理，同時依托數(shù)字孿生完備的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與高度保真的虛擬模型，可以方便地實現(xiàn)健康管理、預(yù)測性維護(hù)、故障預(yù)測，避免非計劃性停機(jī)，實現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)和運行控制與優(yōu)化，從而降低運維成本，并反饋運行信息用于優(yōu)化設(shè)計，改善產(chǎn)品性能。（3）設(shè)備的預(yù)測性維護(hù)第一節(jié)數(shù)字孿生概述491.3數(shù)字孿生的應(yīng)用領(lǐng)域1）工廠的設(shè)計和建造。數(shù)字孿生在工廠的布局、建造和運行管理上可以發(fā)揮巨大作用。通過建筑信息模型和仿真手段，工廠的水、電、氣、網(wǎng)以及各種設(shè)施，也都可以建立數(shù)字孿生體，實現(xiàn)虛擬工廠的建造。2）工廠運行狀態(tài)的實時模擬和遠(yuǎn)程監(jiān)控。在真實工廠建造完成并投入使用后，工廠運行過程中的數(shù)據(jù)將實時傳遞給孿生模型，實現(xiàn)設(shè)備及資產(chǎn)的可視化，包括生產(chǎn)設(shè)備目前的狀態(tài)，在加工什么訂單，設(shè)備和產(chǎn)線的OEE、產(chǎn)量、質(zhì)量與能耗等。并根據(jù)虛擬空間的變化及時調(diào)整生產(chǎn)工藝、優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)，提高生產(chǎn)效率，降低工廠運行成本。數(shù)字孿生工廠有助于拉近與客戶的距離，通過全方位展示工廠生產(chǎn)過程信息，實現(xiàn)透明化生產(chǎn)、提升客戶體驗度和企業(yè)形象。（4）數(shù)字孿生工廠第一節(jié)數(shù)字孿生概述501.3數(shù)字孿生的應(yīng)用領(lǐng)域數(shù)字孿生為智慧醫(yī)療提供了新的視角和手段，通過對身體器官、血液循環(huán)、神經(jīng)系統(tǒng)、肌體骨骼、心率脈搏等進(jìn)行“鏡象映射”，建立人體的數(shù)字孿生體，進(jìn)而通過人體標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，記錄人體每個細(xì)節(jié)特征，進(jìn)行人體健康的實時動態(tài)管理。通過引進(jìn)小型化的穿戴式設(shè)備，實時對人體進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。孿生數(shù)據(jù)還可來源于CT、核磁、心電圖、彩超等醫(yī)療檢測和掃描儀器檢測的數(shù)據(jù)，血常規(guī)、尿檢、生物酶等生化數(shù)據(jù)，醫(yī)療機(jī)構(gòu)基于人體數(shù)字孿生綜合數(shù)據(jù)，可對患者提供健康狀況預(yù)測和及時干預(yù)，同時人體的數(shù)字孿生還將大大提高診斷的準(zhǔn)確性和手術(shù)的成功率。（5）智慧醫(yī)療圖2-6基于數(shù)字孿生的遠(yuǎn)程手術(shù)第一節(jié)數(shù)字孿生概述511.3數(shù)字孿生的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?shù)字孿生用于城市的運行管理，以物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、云計算基礎(chǔ)設(shè)施、地理空間基礎(chǔ)設(shè)施等為基礎(chǔ)，融合新一代信息技術(shù)以及通信終端等工具和方法，可以在數(shù)字世界推演天氣環(huán)境、基礎(chǔ)設(shè)施、人口土地、產(chǎn)業(yè)交通等要素的交互運行，更好地解決城市能耗、交通等問題，提升城市資源運用的效率，實現(xiàn)精細(xì)化和動態(tài)管理，為在物理世界實現(xiàn)城市規(guī)劃的綜合效益最優(yōu)化布局提供支撐。（6）數(shù)字孿生城市圖2-7數(shù)字孿生城市近年來，數(shù)字孿生城市已成為新型智慧城市建設(shè)的熱點，受到各地政府和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注和重視。數(shù)字孿生城市具有全局視野、精準(zhǔn)映射、模擬仿真、虛實交互、智能干預(yù)等典型特性，將會加速推動城市治理，如城市規(guī)劃的空間分析和效果仿真，城市建設(shè)項目的交互設(shè)計與模擬施工，城市常態(tài)運行監(jiān)測下的城市特征呈現(xiàn)，依托城市發(fā)展時空軌跡推演未來的演進(jìn)趨勢，洞察城市發(fā)展規(guī)律，支撐政府精準(zhǔn)施策，城市交通流量和信號仿真使道路通行能力最大化，城市應(yīng)急方案的仿真演練使應(yīng)急預(yù)案更貼近實戰(zhàn)等。第一節(jié)數(shù)字孿生概述521.4數(shù)字孿生帶來的變化數(shù)字孿生徹底改變了工程師設(shè)計和制造產(chǎn)品的方式，也影響著各行各業(yè)的管理和服務(wù)理念及運行方式。眾多案例表明數(shù)字孿生技術(shù)能夠幫助企業(yè)測試新設(shè)計、增強(qiáng)產(chǎn)品功能、提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低制造成本、提高產(chǎn)量、減少計劃外停機(jī)時間、保證生產(chǎn)安全、促進(jìn)企業(yè)數(shù)據(jù)共享。數(shù)字孿生讓人們在工作方式上有更多的選擇，例如不需要屏幕，就可以使用虛擬現(xiàn)實頭戴設(shè)備，瀏覽數(shù)據(jù)共享和協(xié)作平臺提供的實時互動信息，利用現(xiàn)實和虛擬世界的指令共同指導(dǎo)操作人員，員工們圍繞數(shù)據(jù)和虛擬世界展開協(xié)作解決問題，這是一種和傳統(tǒng)完全不同的思維方式。目前，我國制造業(yè)的數(shù)字化程度仍然較為薄弱，數(shù)字孿生正處于成長期，缺乏必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。數(shù)字孿生技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用，大部分集中在故障預(yù)測和健康管理方面，少部分集中在與制造車間相關(guān)的虛擬調(diào)試、生產(chǎn)調(diào)度、能耗管理等方面，且與真實物理對象仍存在一定的差距。同時，缺少有效評價數(shù)字孿生模型的工具。隨著5G技術(shù)、工業(yè)大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的不斷融合和快速發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)將飛速發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造領(lǐng)域的發(fā)展前景必然更加廣闊。第二節(jié)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)采集532.1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的概念最早由通用電氣于2012年提出，隨后美國五家行業(yè)龍頭企業(yè)聯(lián)手組建了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(IIC)，將這一概念大力推廣開來。除了通用電氣，加入該聯(lián)盟的還有IBM、思科、英特爾和AT&T等IT企業(yè)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟致力于發(fā)展一個“通用藍(lán)圖”，使不同廠商的設(shè)備之間可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，其目的在于通過制定通用標(biāo)準(zhǔn)，打破技術(shù)壁壘，利用互聯(lián)網(wǎng)激活傳統(tǒng)工業(yè)過程，更好地促進(jìn)物理世界和數(shù)字世界的融合。1.工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)工業(yè)環(huán)境下“人、機(jī)、物”的全面互聯(lián)，其中“物”的連接離不開工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（簡稱IIoT，IndustrialInternetofThings）。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將具有感知、監(jiān)控能力的各類采集、控制傳感器或控制器，以及移動通信、智能分析等技術(shù)不斷融入到工業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，將數(shù)以億計的工業(yè)設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)，全方位采集底層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與挖掘，實現(xiàn)決策優(yōu)化，從而大幅提高制造效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本和資源消耗，將傳統(tǒng)工業(yè)提升到智能化的新階段。第二節(jié)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)采集542.1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)1.工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)我國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展與全球基本同步，1999年我國啟動物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)—傳感網(wǎng)技術(shù)的研究，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了發(fā)展壯大期。2009年提出“感知中國”戰(zhàn)略，推動物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入高速發(fā)展快車道。目前，我國物聯(lián)網(wǎng)已形成包括芯片和元器件、設(shè)備、軟件、系統(tǒng)集成、電信運營、物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)在內(nèi)的較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈，2022年我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模接近3萬億元，但在融合應(yīng)用、數(shù)據(jù)保護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)等方面仍面臨瓶頸與挑戰(zhàn)。“全面感知”是物聯(lián)網(wǎng)區(qū)別其他信息系統(tǒng)的特征之一，先進(jìn)的感知技術(shù)是實現(xiàn)“全面感知”的關(guān)鍵。物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)可分為二維碼技術(shù)、RFID技術(shù)、傳感器技術(shù)、多媒體采集技術(shù)、地理位置感知技術(shù)五大類。目前，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展所需的高靈敏度、智能化、小型化的傳感器仍有許多難以克服的技術(shù)難題，成為制約我國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和全面普及的瓶頸。第二節(jié)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)采集552.1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)2.工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心體系網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)平臺、安全組成了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心功能體系，其中網(wǎng)絡(luò)是基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)平臺是核心，安全是保障。工業(yè)企業(yè)要進(jìn)行智能化升級改造，首先要做到網(wǎng)絡(luò)層的互聯(lián)互通，實現(xiàn)各個設(shè)備的數(shù)據(jù)互聯(lián)，消除信息孤島。其次，利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的多種服務(wù)能力，配置工業(yè)資源。最后，從設(shè)備安全、網(wǎng)絡(luò)安全、平臺和數(shù)據(jù)安全等對系統(tǒng)進(jìn)行安全配置。如圖2-8所示，網(wǎng)絡(luò)層主要圍繞設(shè)備互聯(lián)互通，實現(xiàn)現(xiàn)場單元層、車間層、工廠層之間的橫向互聯(lián)和縱向互通，實現(xiàn)設(shè)備的集成和接入。工業(yè)數(shù)據(jù)平臺向下連接設(shè)備層，向上支撐工業(yè)優(yōu)化應(yīng)用，融合了工業(yè)經(jīng)驗與知識模型，是實現(xiàn)工業(yè)全要素連接的樞紐。由于工業(yè)企業(yè)及行業(yè)的復(fù)雜特性，建設(shè)工廠外的跨行業(yè)平臺具有較大難度，因此可以引入云平臺和大數(shù)據(jù)存儲及分析技術(shù)，促進(jìn)企業(yè)中各類生產(chǎn)設(shè)備、產(chǎn)品等的信息向云平臺遷移，通過云平臺實現(xiàn)企業(yè)和用戶之間的信息交互，以及跨企業(yè)、跨領(lǐng)域和跨產(chǎn)業(yè)各類主體之間的互聯(lián)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全保障在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中具有非常重要的作用。圖2-8工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心體系第二節(jié)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)采集562.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在制造業(yè)的應(yīng)用通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，把設(shè)備、工廠、產(chǎn)品、供應(yīng)商、客戶等緊密地連接起來，幫助制造業(yè)拉長產(chǎn)業(yè)鏈，形成跨設(shè)備、跨系統(tǒng)、跨廠區(qū)、跨地區(qū)的互聯(lián)互通，使工業(yè)經(jīng)濟(jì)各種要素資源能夠高效共享，為制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型提供基礎(chǔ)保障。我國把發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的一個重要抓手。2017年中國工程院提出了中國模式的智能制造“三范式”：數(shù)字化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造。（1）數(shù)字化制造（DigitalManufacturing），是智能制造第一種基本范式，也稱作第一代智能制造，是智能制造的基礎(chǔ)。在數(shù)字化制造階段，通過工廠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，利用這些數(shù)據(jù)實現(xiàn)制造過程各環(huán)節(jié)的協(xié)同。（2）數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造（SmartManufacturing），是智能制造第二種基本范式，或稱作“互聯(lián)網(wǎng)+制造”或第二代智能制造。數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造要解決的問題是把企業(yè)看作是整個產(chǎn)業(yè)鏈的一環(huán)，追求產(chǎn)業(yè)鏈整體的優(yōu)化。（3）數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造（IntelligentManufacturing），也叫新一代智能制造。數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造使制造業(yè)具有了“學(xué)習(xí)”的能力，極大地釋放人類智慧的潛能，顯著提高創(chuàng)新和服務(wù)能力。第二節(jié)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)采集572.3工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為數(shù)字孿生技術(shù)使能數(shù)字孿生的核心是模型和數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集、虛擬模型創(chuàng)建、數(shù)據(jù)分析離不開廣泛連接的網(wǎng)絡(luò)平臺和專業(yè)的理論知識。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)之前，數(shù)字孿生還只是停留在軟件環(huán)境中，比如用于幾何建模的CAD系統(tǒng)，軟件環(huán)境中的虛擬模型是孤立的，無法在全生命周期中實現(xiàn)與物理模型的共生共長。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)恰恰可以解決上述問題，通過網(wǎng)絡(luò)平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析外包、模型共享等工作。具體來說，物理實體的各種數(shù)據(jù)收集、交換，都要借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)，利用平臺具有的資源聚合、動態(tài)配置、供需對接等優(yōu)勢，整合并利用各類資源，賦能數(shù)字孿生。例如，利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺向下將邊緣側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施同數(shù)字孿生體關(guān)聯(lián)，向上將數(shù)據(jù)傳遞、存儲在云端，其他用戶也可以根據(jù)自身需要通過平臺的服務(wù)來建立數(shù)字孿生體，因此，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺激活了數(shù)字孿生的生命。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用推進(jìn)，數(shù)字孿生被賦予了新的生命力，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)延伸了數(shù)字孿生的價值鏈條和生命周期，數(shù)字孿生在產(chǎn)品制造流程、運行維護(hù)等全生命周期管理中的作用得以發(fā)揮，突顯出數(shù)字孿生基于模型、數(shù)據(jù)、服務(wù)方面的優(yōu)勢和能力，打通了數(shù)字孿生應(yīng)用和迭代優(yōu)化的現(xiàn)實路徑，正成為數(shù)字孿生的孵化床。第二節(jié)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)采集582.4數(shù)據(jù)采集和傳輸工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過廣泛地聯(lián)接各種機(jī)器設(shè)備和工業(yè)系統(tǒng)，由聯(lián)接而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，由數(shù)據(jù)采集而實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸、設(shè)備實時監(jiān)測和設(shè)備行為的實時洞察，由此而有憑有據(jù)、精細(xì)化地進(jìn)行制造資源的優(yōu)化配置。因此，數(shù)據(jù)是整個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的根本驅(qū)動力，也是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)。在數(shù)控機(jī)床設(shè)計與制造領(lǐng)域，機(jī)床廠家為了完善售后服務(wù)，安裝機(jī)床聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，就是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一個典型例子，通過網(wǎng)絡(luò)將各機(jī)床的運行數(shù)據(jù)傳遞到服務(wù)器或云平臺，機(jī)床廠的工程師在辦公室中就能了解分布在不同客戶處的機(jī)床設(shè)備的運行情況。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)采集主要是將工業(yè)設(shè)備傳感器上采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)皆破脚_，如圖2-9所示。大部分工業(yè)設(shè)備，例如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、工業(yè)車輛等，集成了眾多傳感器，并提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口，為了經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確地采集更多的數(shù)據(jù)，對傳感器技術(shù)提出了新的要求，而越來越多傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)備開始向智能設(shè)備升級，自身集成了數(shù)據(jù)采集及傳輸模塊，支持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集和傳輸。這些終端設(shè)備的數(shù)據(jù)通過車間內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)連接到集中的數(shù)據(jù)處理裝置上，再傳送到云平臺。第二節(jié)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)采集592.4數(shù)據(jù)采集和傳輸（3）服務(wù)端服務(wù)端主要包括數(shù)據(jù)層和服務(wù)層，這兩個層次一開始并沒有明顯區(qū)分，但是隨著人們漸漸發(fā)現(xiàn)不斷變化的業(yè)務(wù)邏輯和相對穩(wěn)定的數(shù)據(jù)之間的差異后，越來越多的平臺將二者明顯區(qū)分開來。（4）客戶端也就是物聯(lián)網(wǎng)的用戶用來獲取物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供的服務(wù)的設(shè)備或應(yīng)用?？蛻舳耸俏锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)用戶和系統(tǒng)交互的場所。PC端和手機(jī)端的各種APP是較常見的形式。（1）設(shè)備端產(chǎn)生數(shù)據(jù)的設(shè)備可以簡要分為：普通設(shè)備、傳感器和執(zhí)行器，以及智能設(shè)備和傳統(tǒng)的過程控制系統(tǒng)。（2）網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層是各類聯(lián)網(wǎng)信號和協(xié)議，包括有線和無線局域網(wǎng)，3G/4G/5G等移動通信網(wǎng)，以及NB-IOT（NarrowBandInternetofThings,窄帶物聯(lián)網(wǎng)）等專門為物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的技術(shù)。第三節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機(jī)床設(shè)計60數(shù)字孿生技術(shù)在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域的應(yīng)用，覆蓋數(shù)控機(jī)床從產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)實施以、產(chǎn)品服務(wù)、維護(hù)維修的全價值鏈，典型應(yīng)用場景如圖2-10所示。本節(jié)主要介紹數(shù)字孿生技術(shù)在數(shù)控機(jī)床設(shè)計階段的應(yīng)用。（a）數(shù)控機(jī)床設(shè)計

（b）數(shù)控機(jī)床調(diào)試

（c）數(shù)控機(jī)床應(yīng)用圖2-10數(shù)字孿生技術(shù)在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域的應(yīng)用第三節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機(jī)床設(shè)計613.1數(shù)控機(jī)床的數(shù)字化設(shè)計數(shù)控機(jī)床設(shè)計過程可以分為產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、施工設(shè)計，設(shè)計內(nèi)容包括機(jī)械設(shè)計、電氣設(shè)計、控制程序設(shè)計等，數(shù)控機(jī)床的設(shè)計需要滿足功能、精度、剛度、抗振性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性要求。由于數(shù)控機(jī)床設(shè)計的內(nèi)容復(fù)雜、性能要求高，需要不同的團(tuán)隊分工合作，采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法，設(shè)計數(shù)據(jù)和信息難以共享，設(shè)計結(jié)果難以預(yù)測，新產(chǎn)品開發(fā)過程往往需要經(jīng)過多輪測試和返工，導(dǎo)致開發(fā)周期長、風(fēng)險大、成本高。在數(shù)控機(jī)床設(shè)計研發(fā)環(huán)節(jié)引入數(shù)字孿生技術(shù)，給數(shù)控機(jī)床新產(chǎn)品開發(fā)帶來了革命性的變革。第三節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機(jī)床設(shè)計623.1數(shù)控機(jī)床的數(shù)字化設(shè)計（1）數(shù)字孿生驅(qū)動的數(shù)字化設(shè)計從串行設(shè)計到并行設(shè)計，縮短開發(fā)周期從物理測試到虛擬測試，降低開發(fā)風(fēng)險和成本從幾何模型到行為模型，提高預(yù)測的可靠性數(shù)控機(jī)床的數(shù)字化建模，可以分為幾何建模、物理建模、行為建模。傳統(tǒng)意義上的數(shù)字建?；旧隙际腔趲缀蔚?，定義數(shù)控機(jī)床各零部件的幾何輪廓，如位置、尺寸、形狀等，并表示數(shù)控機(jī)床各零部件之間的裝配關(guān)系。數(shù)字孿生驅(qū)動的數(shù)控機(jī)床數(shù)字化設(shè)計所建立的機(jī)床模型，不僅建立幾何模型，還集成了機(jī)床的物理性能參數(shù)，如軸承的溫度、各部件承受的力和扭矩、機(jī)床振動等，以精確描述數(shù)控機(jī)床的物理性能。行為建模主要研究的是物體運動屬性的處理和對其行為的描述，例如數(shù)控機(jī)床的加工性能、失效行為、協(xié)作行為等，同時考慮機(jī)床運行期間的驅(qū)動和干擾因素，建立機(jī)床的行為模型。幾何模型

物理模型

行為模型圖2-11數(shù)控機(jī)床的數(shù)字化模型第三節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機(jī)床設(shè)計633.1數(shù)控機(jī)床的數(shù)字化設(shè)計（2）數(shù)控機(jī)床數(shù)字化設(shè)計軟件在數(shù)字化設(shè)計軟件平臺上，可以為子裝配體和組件建立關(guān)聯(lián)環(huán)境，及時進(jìn)行交互式的驗證，比如間隙和干涉檢查、配合是否存在問題，優(yōu)化產(chǎn)品裝配、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的分解、維護(hù)和服務(wù)等。數(shù)控機(jī)床設(shè)計過程中需要將多個機(jī)械、電氣、電子和控制系統(tǒng)組件集成到一起。借助于機(jī)電一體化概念設(shè)計（MCD）平臺，使機(jī)械計算機(jī)輔助設(shè)計（MCAD）和電氣計算機(jī)輔助設(shè)計（ECAD）領(lǐng)域的雙向數(shù)據(jù)交換變得更加方便，并協(xié)調(diào)和加快多部門的機(jī)電設(shè)計，包括鈑金設(shè)計、工業(yè)設(shè)計、印刷電路板設(shè)計等。通過數(shù)字化軟件平臺，將性能仿真集成到設(shè)計開發(fā)流程中，例如基于CAD的有限元仿真，強(qiáng)度、振動、熱力學(xué)分析，及時發(fā)現(xiàn)問題，評估備選方案，實現(xiàn)性能、質(zhì)量目標(biāo)。數(shù)字化軟件平臺還具有設(shè)計流程的管理功能，便于加強(qiáng)各部門之間的協(xié)作和模型、數(shù)據(jù)共享。最大限度提高設(shè)計的質(zhì)量、效率和及時性。在產(chǎn)品聯(lián)合仿真階段，工程師能夠訪問產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程中的最新數(shù)據(jù)，如果需要調(diào)整修改，相關(guān)部門和工程師就會收到相應(yīng)的變更通知，使整個開發(fā)團(tuán)隊協(xié)調(diào)高效的工作。目前常用的數(shù)控機(jī)床數(shù)字化設(shè)計軟件，如西門子的NXPLM軟件，集成了CAD、CAM、CAE、PDM應(yīng)用程序，可以為機(jī)床產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計開發(fā)與管理提供更具創(chuàng)新性的開發(fā)環(huán)境，節(jié)約開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，使數(shù)控機(jī)床的數(shù)字化設(shè)計與開發(fā)流程發(fā)生了質(zhì)的變革。第三節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機(jī)床設(shè)計643.2數(shù)控機(jī)床的虛擬調(diào)試傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床調(diào)試是在機(jī)床設(shè)計完成后，制造出樣機(jī)，在現(xiàn)場對機(jī)床進(jìn)行機(jī)電聯(lián)調(diào)，驗證機(jī)床功能和性能，工程技術(shù)人員去現(xiàn)場調(diào)試時間長，需要工藝、機(jī)械、電氣等部門協(xié)調(diào)工作，效率低，工程成本增加，調(diào)試進(jìn)度不能嚴(yán)格控制。設(shè)計過程由于脫離了現(xiàn)場運行環(huán)境，機(jī)械、電氣、自動化軟件得不到充分的調(diào)試，設(shè)計的正確性和有效性等得不到有效保障，如果設(shè)計過程的任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)了沒有被發(fā)現(xiàn)的錯誤，就可能會在調(diào)試期間造成設(shè)備重大的損壞，調(diào)試階段更改設(shè)計錯誤的成本往往很高，甚至無法更改。圖2-12傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床開發(fā)流程現(xiàn)場調(diào)試零件制造床身鑄造3D建模裝配工藝驗證現(xiàn)場調(diào)試線下服務(wù)第三節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機(jī)床設(shè)計653.2數(shù)控機(jī)床的虛擬調(diào)試（1）虛擬調(diào)試改變產(chǎn)品開發(fā)過程虛擬調(diào)試(VirtualCommission)需要構(gòu)建設(shè)備的數(shù)字孿生模型，基于數(shù)字孿生模型，機(jī)械設(shè)計、電氣設(shè)計和自動化工程可以并行進(jìn)行。設(shè)計完成后，從數(shù)控系統(tǒng)端出發(fā)，在不需要物理樣機(jī)的前提下，進(jìn)行仿真、測試和優(yōu)化，包括前期的方案驗證、節(jié)拍驗證、可達(dá)性、工藝過程等，便于在早期階段發(fā)現(xiàn)問題，及時改進(jìn)，確保設(shè)計的正確性和可行性。在虛擬調(diào)試時，如果發(fā)現(xiàn)問題，可在計算機(jī)上對數(shù)字模型進(jìn)行更改，虛擬調(diào)試允許重新改變機(jī)械和電氣設(shè)計，如重新編寫機(jī)床的控制程序，或更改變頻器、伺服驅(qū)動器、PLC的設(shè)定等。等虛擬調(diào)試驗證通過后，只需要將驗證過的程序?qū)懭氲浆F(xiàn)場設(shè)備，使現(xiàn)場的調(diào)試速度更快，風(fēng)險更低，縮短從設(shè)計到物理實現(xiàn)的時間。圖2-13虛擬調(diào)試改變產(chǎn)品開發(fā)流程第三節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機(jī)床設(shè)計663.2數(shù)控機(jī)床的虛擬調(diào)試（2）虛擬調(diào)試的兩種形式虛擬調(diào)試有兩種形式，一種是使用真實的控制器對虛擬產(chǎn)品模型進(jìn)行驗證，即硬件在環(huán)（HiL：HardwareinLoop）虛擬調(diào)試；另一種是使用虛擬控制器控制產(chǎn)品模型進(jìn)行驗證，即軟件在環(huán)（SiL：SoftwareinLoop）虛擬調(diào)試。如圖2-14所示。圖2-14數(shù)控機(jī)床的調(diào)試方式第三節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機(jī)床設(shè)計673.2數(shù)控機(jī)床的虛擬調(diào)試（2）虛擬調(diào)試的兩種形式1）硬件在環(huán)硬件在環(huán)技術(shù)將設(shè)備主要的硬件，如真實的數(shù)控系統(tǒng)、人機(jī)界面（HumanMachineInterface）、現(xiàn)場I/O設(shè)備等直接放入仿真環(huán)境中，基本消除由控制器產(chǎn)生的誤差。通過共享內(nèi)存或采用標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議OPCUA，使3D機(jī)床模型與NC、PLC、HMI和現(xiàn)場信號設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)虛擬調(diào)試。2）軟件在環(huán)軟件在環(huán)是把整體設(shè)備完全虛擬化，即由虛擬控制器、虛擬HMI、虛擬信號及模型算法、虛擬機(jī)械模型組成。在軟件在環(huán)的仿真環(huán)境下，將三維CAD軟件、數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)核、PLC仿真軟件、HMI仿真器等軟件集成到虛擬調(diào)試平臺，對包含多物理場的機(jī)械系統(tǒng)以及機(jī)電一體化產(chǎn)品中的自動化相關(guān)行為進(jìn)行3D建模和仿真，使機(jī)械、電氣和自動化設(shè)計能夠同時工作，并行協(xié)同設(shè)計一個項目。圖2-15數(shù)控機(jī)床的軟件在環(huán)虛擬調(diào)試第三節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機(jī)床設(shè)計683.2數(shù)控機(jī)床的虛擬調(diào)試（3）虛擬調(diào)試平臺圖2-16所示是西門子公司的數(shù)控機(jī)床虛擬調(diào)試平臺的組成。在NXMCD軟件環(huán)境下建立機(jī)床的數(shù)字模型，將實際機(jī)床轉(zhuǎn)化為虛擬機(jī)床模型?；赑LC仿真軟件或SIMIT軟硬件平臺建立數(shù)控機(jī)床的PLC邏輯控制虛擬模型。SINUMERIKONE數(shù)控系統(tǒng)便于實現(xiàn)真實數(shù)控系統(tǒng)的虛擬孿生模型。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)物理系統(tǒng)硬件配置的不同，可以實現(xiàn)硬件在環(huán)虛擬調(diào)試或軟件在環(huán)虛擬調(diào)試。圖2-16數(shù)控機(jī)床虛擬調(diào)試平臺第三節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機(jī)床設(shè)計693.2數(shù)控機(jī)床的虛擬調(diào)試（3）虛擬調(diào)試平臺1）NXMCD是西門子提供的機(jī)電一體化概念設(shè)計解決方案，在NX軟件環(huán)境下完成數(shù)控機(jī)床機(jī)械部分的幾何建模，對CAD模型進(jìn)行物理屬性賦值，如剛體、運動副、摩擦力等物理屬性的設(shè)置，以實現(xiàn)對機(jī)電一體化的虛擬映射。這種方法首先驗證數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)，然后再進(jìn)行控制系統(tǒng)的接口和信號配置，在機(jī)械部分生產(chǎn)前期或生產(chǎn)時，即可并行完成機(jī)床控制程序的調(diào)試和優(yōu)化。2）PLCSIMAdvanced是基于西門子TIAPortal平臺的邏輯仿真器，可以模擬和驗證PLC代碼，仿真包括通信、功能塊、安全性和web服務(wù)器。等機(jī)床制造出來，即可直接將控制程序?qū)懭?，完成設(shè)備的真實調(diào)試。SIMIT是西門子工業(yè)自動化仿真軟件，可以代替現(xiàn)場I/O設(shè)備，仿真電氣部件的行為模型和算法。3）SINUMERIKOne工業(yè)級數(shù)字孿生數(shù)控系統(tǒng)，將硬件控制技術(shù)與軟件仿真技術(shù)集成，自帶數(shù)字孿生系統(tǒng)軟件。它改變了傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)調(diào)試必須在硬件系統(tǒng)和PLC上完成的歷史，所有的NC系統(tǒng)和PLC調(diào)試、制造程序仿真，可以在不需要硬件的純軟件環(huán)境下實現(xiàn)。第三節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機(jī)床設(shè)計703.2數(shù)控機(jī)床的虛擬調(diào)試（4）虛擬調(diào)試的層級在數(shù)字化工廠中，數(shù)控機(jī)床的虛擬調(diào)試屬于設(shè)備級的虛擬調(diào)試，除此之外，還可以實現(xiàn)單元級、產(chǎn)線級、工廠級的虛擬調(diào)試。以西門子的虛擬調(diào)試環(huán)境為例，數(shù)控機(jī)床等設(shè)備級的虛擬調(diào)試可以基于NX的MCD平臺完成；生產(chǎn)單元的虛擬調(diào)試可以基于ProcessSimulate軟件完成；產(chǎn)線和工廠級的虛擬調(diào)試則可以基于PlantSimulation軟件實現(xiàn)。如圖2-17所示。(a)設(shè)備的虛擬調(diào)試

(b)生產(chǎn)單元的虛擬調(diào)試

(c)產(chǎn)線和工廠級虛擬調(diào)試圖2-17虛擬調(diào)試的不同層級第三節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機(jī)床設(shè)計713.3數(shù)控機(jī)床數(shù)字孿生技術(shù)的優(yōu)勢數(shù)控機(jī)床數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，通過建立高保真的三維模型，并且和真實機(jī)床實時保持?jǐn)?shù)據(jù)聯(lián)通，使機(jī)床的運行狀況和性能直觀地呈現(xiàn)在設(shè)計和操作人員面前，使得機(jī)床的可視化程度增加。數(shù)控機(jī)床數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，易于實現(xiàn)機(jī)床功能的驗證。機(jī)床的進(jìn)給軸控制功能、主軸功能、刀具管理功能、各種輔助功能，均可以借助虛擬NC內(nèi)核，進(jìn)行評估，提高實體機(jī)床的精度和可靠性。數(shù)控機(jī)床數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，便于機(jī)床性能優(yōu)化。使用數(shù)字化雙胞胎技術(shù)，提高試制成功率，而不會造成硬件資源的浪費，降低開發(fā)和調(diào)試成本，以最可靠的方案進(jìn)行生產(chǎn)，并能緩解傳統(tǒng)制造停機(jī)或生產(chǎn)損失的風(fēng)險，避免硬件資源的浪費，并且可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程調(diào)試及維護(hù)。全過程數(shù)字化集成，使智能的、自優(yōu)化的調(diào)試和生產(chǎn)流程成為可能，從而提高生產(chǎn)力、可用性和過程可靠性，優(yōu)化加工精度、設(shè)計、加工過程乃至維護(hù)和服務(wù)。圖2-18五軸加工機(jī)床和它的數(shù)字孿生模型第四節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機(jī)床應(yīng)用72將數(shù)字孿生技術(shù)和數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用相結(jié)合，實現(xiàn)零部件制造過程的數(shù)字孿生，是實現(xiàn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的有效方式，也是數(shù)字孿生技術(shù)成功應(yīng)用的典型領(lǐng)域?；跀?shù)字孿生的虛擬制造具有以下特征：（1）模型的可修改性。設(shè)計人員可以實時在虛擬制造環(huán)境中檢驗并改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計、加工、裝配和操作過程。根據(jù)用戶需求或市場變化快速改變設(shè)計、工藝和生產(chǎn)過程。（2）制造過程的分布式。虛擬制造過程中的人和設(shè)備、人和人之可以分布在不同地點，通過網(wǎng)絡(luò)在同一個產(chǎn)品模型上同時工作，信息共享。（3）生產(chǎn)過程的并行性?？梢酝瑫r進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計、制造、裝配過程的仿真，縮短新產(chǎn)品試制時間。圖2-19多軸數(shù)控機(jī)床加工螺旋槳葉片第四節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機(jī)床應(yīng)用734.1產(chǎn)品設(shè)計階段零件的數(shù)字化設(shè)計是虛擬機(jī)床技術(shù)應(yīng)用的重要基礎(chǔ)，也是在數(shù)控機(jī)床應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)數(shù)字孿生的重要環(huán)節(jié)。零件的數(shù)字化設(shè)計主要包括計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）、仿真及相應(yīng)文檔的建立。數(shù)字化設(shè)計對產(chǎn)品開發(fā)全過程、產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計、產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)管理、產(chǎn)品開發(fā)流程優(yōu)化等提供支持。數(shù)字化設(shè)計從二維CAD、三維CAD、性能分析，實現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計的智能化和虛擬化，大大減少了設(shè)計中的試錯成本，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，讓數(shù)字化技術(shù)和機(jī)械產(chǎn)品的實際生產(chǎn)聯(lián)系得更加緊密，更能夠直接有效地創(chuàng)新和指導(dǎo)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計工作。圖2-21葉輪的數(shù)字化設(shè)計第四節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機(jī)床應(yīng)用744.2生產(chǎn)規(guī)劃階段當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計完成之后，需要對后續(xù)的生產(chǎn)流程進(jìn)行規(guī)劃以確保產(chǎn)品質(zhì)量，包括虛擬環(huán)境下的工藝規(guī)劃、切削策略、測量策略，以及機(jī)床設(shè)備、工裝夾具、切削刀具等生產(chǎn)資源的規(guī)劃，物理世界的生產(chǎn)資源的準(zhǔn)備，工件在機(jī)床設(shè)備的實際切削和成品的質(zhì)量檢測和質(zhì)量控制，以及全過程的數(shù)據(jù)管理，保證數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)的一致性。在這個階段可以通過軟件的幫助，在進(jìn)行實際產(chǎn)品生產(chǎn)之前，在軟件虛擬世界進(jìn)行產(chǎn)品仿真驗證，以支持保障后續(xù)實際生產(chǎn)。圖2-22基于軟件平臺的葉輪生產(chǎn)規(guī)劃及仿真第四節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機(jī)床應(yīng)用754.3生產(chǎn)執(zhí)行階段在生產(chǎn)執(zhí)行階段，工件從軟件世界進(jìn)入現(xiàn)實物理世界的生產(chǎn)車間，生產(chǎn)管理非常復(fù)雜，涉及資源管理、生產(chǎn)安排等。（1）機(jī)床管理生產(chǎn)安排需要機(jī)床設(shè)備的實時狀態(tài)和設(shè)備效率，如圖2-23所示，通過機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控及績效分析軟件，如西門子的AMP（AnalyzeMyPerformance），實時采集機(jī)床狀態(tài)，分析機(jī)床的設(shè)備綜合效率OEE(OverallEquipmentEffectiveness)、可用性、生產(chǎn)力等，并且可以將這些數(shù)據(jù)上傳到制造執(zhí)行系統(tǒng)MES用于生產(chǎn)安排。圖2-23生產(chǎn)過程中的機(jī)床設(shè)備管理第四節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機(jī)床應(yīng)用764.3生產(chǎn)執(zhí)行階段圖2-24是通過AMP軟件采集到的車間制造裝備的運行狀態(tài)監(jiān)控畫面，可以對不同設(shè)備的工作狀態(tài)、故障狀態(tài)、停機(jī)狀態(tài)等，以甘特圖的形式進(jìn)行實時顯示?？梢宰詣臃治霾@示設(shè)備綜合效率OEE性能指標(biāo)，如圖2-25所示，不同顏色柱狀區(qū)域，代表設(shè)備不同狀態(tài)的持續(xù)時間和占比，為車間設(shè)備的優(yōu)化管理提供依據(jù)。圖2-24數(shù)控機(jī)床的運行狀態(tài)監(jiān)控圖2-25生產(chǎn)過程中設(shè)備的利用率統(tǒng)計第四節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機(jī)床應(yīng)用774.3生產(chǎn)執(zhí)行階段（2）NC程序管理在生產(chǎn)工程階段經(jīng)過虛擬機(jī)床仿真驗證的NC程序由CAM軟件上傳至數(shù)據(jù)共享及管理平臺，然后根據(jù)生產(chǎn)安排把NC程序通過程序管理軟件，如西門子的MMP（ManageMyPrograms）釋放到目標(biāo)機(jī)床，如圖2-26所示，便于在不同類型的NC控制器之間實行NC程序的集中管理，易于接入PLM系統(tǒng)。NC程序管理軟件還可以標(biāo)注程序版本和屬性，集中、有效、透明地管理NC程序，實現(xiàn)無紙化制造信息管理，同時還可以提高分布式制造過程中加工工藝的可靠性。圖2-26加工程序的管理第四節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機(jī)床應(yīng)用784.3生產(chǎn)執(zhí)行階段（3）切削刀具管理切削刀具的管理是一項重要但復(fù)雜的工作，刀具工程師需要清楚每臺機(jī)床上刀具的品類、數(shù)量和壽命等，需要清楚刀具庫房的刀具部件和成品刀具，需要清楚對刀站的刀具數(shù)據(jù)，需要清楚所需采購刀具的技術(shù)數(shù)據(jù)，所有這些需求都需要一個高效、透明的數(shù)字化管理平臺。圖2-27刀具的管理第四節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機(jī)床應(yīng)用794.3生產(chǎn)執(zhí)行階段（4）工件生產(chǎn)和產(chǎn)品檢驗生產(chǎn)資源就緒后，操作人員按照來自于生產(chǎn)工程階段的作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行工件準(zhǔn)備、試切，之后進(jìn)入質(zhì)量檢測，質(zhì)量檢測的數(shù)據(jù)可用于產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)規(guī)劃和生產(chǎn)工程階段必要的改進(jìn)，所有這些工作都通過數(shù)據(jù)共享及管理平臺Teamcenter統(tǒng)一管理，確保數(shù)據(jù)的一致性。4.4生產(chǎn)服務(wù)階段如何減少機(jī)床停機(jī)時間，提高設(shè)備使用效率，設(shè)備的維護(hù)是重要的服務(wù)內(nèi)容之一。如圖2-28所示，基于開放物聯(lián)網(wǎng)IoT操作系統(tǒng)的工業(yè)云MindSphere的機(jī)床管理軟件MMM（ManageMyMachines），可以實時采集設(shè)備狀態(tài)和用戶定制的設(shè)備數(shù)據(jù)，生成設(shè)備看板和設(shè)備狀態(tài)透明度，協(xié)助用戶科學(xué)地規(guī)劃設(shè)備使用和維護(hù)。圖2-28基于物聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)服務(wù)第四節(jié)數(shù)字孿生與數(shù)控機(jī)床應(yīng)用80數(shù)字孿生在數(shù)控機(jī)床應(yīng)用環(huán)節(jié)的落地，可以實現(xiàn)透明、科學(xué)的產(chǎn)品全生命周期管理，從工件需求構(gòu)思開始，到產(chǎn)品設(shè)計、規(guī)劃、仿真、生產(chǎn)、成品，再到后續(xù)的產(chǎn)品改進(jìn)和服務(wù)，數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)揮了重要作用。軟件虛擬世界的3D設(shè)計工件，和物理現(xiàn)實世界的實際工件，是一對數(shù)字化雙胞胎；與此類同，軟件虛擬世界的虛擬機(jī)床，和物理現(xiàn)實世界的實際機(jī)床，是一對設(shè)備數(shù)字化雙胞胎。全程數(shù)據(jù)基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)共享及管理平臺進(jìn)行管理，確保數(shù)據(jù)統(tǒng)一并一致。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，可以為用戶靈活地定制產(chǎn)品提供支撐，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，縮短產(chǎn)品上市時間。第三章數(shù)控機(jī)床設(shè)計理論與方法《智能制造裝備創(chuàng)新設(shè)計》

主要內(nèi)容823智能檢測單元數(shù)控機(jī)床設(shè)計的基本理論與方法TRIZ理論與創(chuàng)新方法數(shù)字孿生驅(qū)動的創(chuàng)新設(shè)計第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第一節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計的基本理論與方法83

1.1數(shù)控機(jī)床的設(shè)計要求機(jī)床的設(shè)計首先要滿足所要求的加工功能，即機(jī)床的工藝范圍，包括機(jī)床能完成的加工方法、適應(yīng)的工件類型、可加工表面形狀、尺寸范圍、材料及毛坯種類等。其次要考慮機(jī)床的主要使用性能，高性能是傳統(tǒng)設(shè)計觀點中最重要的內(nèi)容，主要表現(xiàn)在以下3個方面：（1）高效率。單位時間的產(chǎn)出能力，即加工效率。對金屬切削加工機(jī)床而言，就是材料切除率或加工特定零件的循環(huán)時間。它在很大程度上取決于機(jī)床的動靜態(tài)性能，特別是其結(jié)構(gòu)件尺寸和形狀所決定的靜態(tài)剛度。（2）高精度。機(jī)床的精度可以定義為刀具在加工零件表面時所到達(dá)的位置與程序設(shè)定值的偏離度。精度最終表現(xiàn)為工件的尺寸精度、工件形狀要素間的相互位置精度和微觀的表面粗糙度。（3）智能化。數(shù)控機(jī)床不僅延伸了人的體力和腦力，還將能夠進(jìn)一步采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)、處理信息，具有自行做出判斷和采取行動的能力。除了上述使用性能外，還要求機(jī)床具有宜人性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、維修性以及良好的技術(shù)服務(wù)。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計的基本理論與方法84

1.2數(shù)控機(jī)床的設(shè)計方法機(jī)床設(shè)計方法隨著社會生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，主要經(jīng)歷了這樣幾個階段：(1)經(jīng)驗設(shè)計階段：上世紀(jì)40年代中期之前，機(jī)床設(shè)計的主要任務(wù)是解決加工與強(qiáng)度問題，即刀具與工件之間需要某種相對運動，以加工出一定形狀的工件。同時機(jī)床零部件還應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，不受破壞。(2)試驗設(shè)計階段：上世紀(jì)40年代中期到60代初期，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及工藝水平的提高，機(jī)床設(shè)計不僅要解決加工與強(qiáng)度的問題，還要解決機(jī)床的精度及性能問題。如運動精度、剛度、抗振性、低速平穩(wěn)性、熱變形、噪聲和磨損等(3)計算機(jī)輔助設(shè)計階段：上世紀(jì)60年代中期以來，科學(xué)技術(shù)的新成就、理論研究的進(jìn)展，特別是電子計算機(jī)的應(yīng)用，使機(jī)床設(shè)計進(jìn)入了一個嶄新的階段。把實際問題簡化為模型，用計算機(jī)分析、計算并選定最佳方案。目前，機(jī)床設(shè)計主要采用數(shù)字化方法和手段，從傳統(tǒng)經(jīng)驗設(shè)計向定量設(shè)計與實驗研究相結(jié)合、從靜態(tài)設(shè)計向動態(tài)設(shè)計、從幾何實體設(shè)計和靜態(tài)分析向動態(tài)分析仿真、從可行性設(shè)計向最優(yōu)化設(shè)計方向發(fā)展。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計的基本理論與方法85

1.3數(shù)控機(jī)床的設(shè)計思想現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計思想進(jìn)入了一個以試驗研究及理論計算為基礎(chǔ)的較高級階段。不僅尋求產(chǎn)品本身的最佳化，還要實現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計到制造、試驗、檢驗的全過程以至整個系統(tǒng)的最佳化?，F(xiàn)代機(jī)床設(shè)計思想是與現(xiàn)代科技發(fā)展相適應(yīng)的一種先進(jìn)的設(shè)計思想，其主要內(nèi)容包括：(1)設(shè)計對象系統(tǒng)化把設(shè)計對象視為一個系統(tǒng)，不僅關(guān)注其組成單元要素，還要考慮邊界、環(huán)境和輸人輸出等特征，避免傳統(tǒng)設(shè)計的那種局部、孤立地處理問題，而是整體、系統(tǒng)地對待設(shè)計對象。(2)設(shè)計內(nèi)容完善化現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計思想已超出常規(guī)的運動設(shè)計、動力設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計范疇，擴(kuò)展到概念設(shè)計、可靠性設(shè)計和宜人性設(shè)計等更加完善的內(nèi)容。使機(jī)床產(chǎn)品實用、經(jīng)濟(jì)、美觀及舒適，具有更強(qiáng)的競爭力。(3)設(shè)計目標(biāo)最優(yōu)化現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計思想追求的是目標(biāo)最優(yōu)化，不僅是對某項設(shè)計參數(shù)的單一目標(biāo)優(yōu)化，而且要對系統(tǒng)的諸多參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)的整體優(yōu)化，利用計算機(jī)求得理論上的精確解即最佳方案。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計的基本理論與方法86

1.3數(shù)控機(jī)床的設(shè)計思想(4)設(shè)計問題模型化模型是對設(shè)計問題的高度概括和抽象，數(shù)學(xué)模型是最適于分析和研究的一種形式。通過數(shù)學(xué)模型把工程問題與數(shù)學(xué)理論緊密結(jié)合起來，借助計算機(jī)對設(shè)計問題進(jìn)行定量運算和優(yōu)化處理，并可應(yīng)用動態(tài)設(shè)計和動態(tài)仿真等現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)。(5)設(shè)計過程動態(tài)化現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計思想更加注重產(chǎn)品的動態(tài)性能，在設(shè)計階段對產(chǎn)品動態(tài)性能進(jìn)行預(yù)測和優(yōu)化。動態(tài)設(shè)計首先要建立系統(tǒng)的動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，并通過驗算或?qū)嶋H測試加以驗證。然后用計算機(jī)對模型進(jìn)行動態(tài)分析，獲得最優(yōu)動態(tài)設(shè)計方案。(6)設(shè)計手段計算機(jī)化計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)已成為現(xiàn)代設(shè)計方法中必不可少的設(shè)計手段和強(qiáng)大支柱。在初步設(shè)計階段，可進(jìn)行方案的分析、選擇、評價和決策。在技術(shù)設(shè)計階段，可進(jìn)行結(jié)構(gòu)和參數(shù)確定，運動、動力或其他特性分析，材料選擇，成本計算，參數(shù)優(yōu)化和繪圖等工作。在工作圖設(shè)計階段，可繪制零件圖、標(biāo)注尺寸及公差配合，編制、存貯和管理各種技術(shù)文件。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計的基本理論與方法87

1.4數(shù)控機(jī)床的設(shè)計新視角設(shè)計視角的“新”表現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計中，不僅聚焦于機(jī)床的技術(shù)性能、效率和可靠性，而且還關(guān)注人、生態(tài)環(huán)境、全生命周期效益、人機(jī)協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展。（1）重視生態(tài)和環(huán)境機(jī)床是消耗能量的產(chǎn)品。機(jī)床不僅要具有高的加工效率，還應(yīng)該具有高的生態(tài)效益。生態(tài)效益也稱為資源效益，是指機(jī)床在加工過程中有效使用能源和物料的能力。它體現(xiàn)節(jié)能減排的水平和綠色化的程度，是新一代機(jī)床的重要標(biāo)志。機(jī)床存在于車間環(huán)境中，離不開周圍的機(jī)群和人群。機(jī)床既要保證操作者的安全又不造成車間環(huán)境的污染或影響其他設(shè)備的正常工作，還要構(gòu)建一個和諧、協(xié)調(diào)和愉快的工作環(huán)境。因此，基于宜人學(xué)和藝術(shù)造型的結(jié)合，賞心悅目的外觀和操作的方便性將構(gòu)成機(jī)床產(chǎn)品競爭力的新要素。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計的基本理論與方法88

1.4數(shù)控機(jī)床的設(shè)計新視角（2）關(guān)注全生命周期機(jī)床產(chǎn)品的生命周期長，機(jī)床的使用年限一般為10年，甚至更長一些。機(jī)床在整個生命周期內(nèi)應(yīng)該保證其可用性和創(chuàng)造價值的能力。在設(shè)計階段不僅應(yīng)該考慮機(jī)床的維修周期、便捷性和成本，還要關(guān)注能源和其他材料的消耗。典型案例分析表明，機(jī)床使用期間的碳排放量占整個生命周期排放總量的90%以上。如果采用輕量化設(shè)計方案，雖有可能會增加機(jī)床的制造成本或售價較高，但卻能明顯降低全生命周期的能耗和使用費用，無論是對機(jī)床制造商還是最終用戶，如何取舍，大有講究。我們應(yīng)該認(rèn)識到，發(fā)展節(jié)能產(chǎn)品的大趨勢不可阻擋。歐盟有關(guān)機(jī)床的能效標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)陸續(xù)出臺，能耗必將成為進(jìn)入國際市場的一項重要參考指標(biāo)。為了制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)該將生態(tài)效益和全生命周期評價作為數(shù)控機(jī)床設(shè)計的新目標(biāo)，以減少在其整個生命周期內(nèi)對環(huán)境的負(fù)面影響。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計的基本理論與方法89

1.5數(shù)控機(jī)床設(shè)計的新方法（1）新流程傳統(tǒng)的機(jī)床開發(fā)過程分為兩個階段，第一個階段是設(shè)計，第二個階段是試制。如圖3-1所示，傳統(tǒng)的設(shè)計主要是借助CAD建立三維實體模型，經(jīng)過主觀評價后，加以分解，繪制零件圖。這種設(shè)計方法主要是基于以往的經(jīng)驗，即使采用有限元分析，也大多局限于結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力和變形分析，既沒有對機(jī)床整機(jī)的靜態(tài)和動態(tài)性能進(jìn)行仔細(xì)深入的分析，更沒有考慮加工過程和控制回路對機(jī)床結(jié)構(gòu)的影響。樣機(jī)制造出來以后，經(jīng)過調(diào)試和試切，必然出現(xiàn)各種問題。于是再想辦法修改設(shè)計，消除缺陷，重新制造物理樣機(jī)。通過試運行、調(diào)整和驗收，才能投入批量生產(chǎn)。圖3-1傳統(tǒng)的機(jī)床開發(fā)過程第一節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計的基本理論與方法90

1.5數(shù)控機(jī)床設(shè)計的新方法（1）新流程新設(shè)計方法的目標(biāo)是物理樣機(jī)試制一次成功，縮短開發(fā)周期。這就要在CAD實體模型的基礎(chǔ)上，建立機(jī)床和加工過程相互作用的模型，借助有關(guān)分析軟件求解機(jī)床整機(jī)在靜態(tài)、動態(tài)和熱載荷下的響應(yīng)。設(shè)計階段的輸出不僅是圖樣，而且是對機(jī)床性能反復(fù)優(yōu)化的結(jié)果。新的機(jī)床設(shè)計流程與傳統(tǒng)的機(jī)床開發(fā)流程的區(qū)別主要是，在設(shè)計階段引入建模、仿真和虛擬機(jī)床，在計算機(jī)上反復(fù)優(yōu)化，從而減少機(jī)床試制階段的人力物力的浪費，縮短新機(jī)床的開發(fā)周期，加快推出新產(chǎn)品，如圖3-2所示。圖3-2機(jī)床設(shè)計的新流程第一節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計的基本理論與方法91

1.5數(shù)控機(jī)床設(shè)計的新方法（2）集成化設(shè)計數(shù)控機(jī)床是復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)。機(jī)床的性能和效率主要取決于其運動組合、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、控制系統(tǒng)和加工過程的相互作用，并非僅僅是機(jī)床結(jié)構(gòu)本身。此外，作用在機(jī)床上的載荷，無論是切削力、慣性力和熱量都是動態(tài)的，僅僅考慮靜態(tài)的應(yīng)力和變形是不夠的。因此，新設(shè)計方法的另一特點是將機(jī)床動力學(xué)、切削動力學(xué)和控制回路響應(yīng)作為一個動態(tài)大系統(tǒng)來考量，將零件加工的要求作為系統(tǒng)的輸入，謀求在上述子系統(tǒng)的相互作用下獲得最佳綜合性能?？刂葡到y(tǒng)機(jī)床動力學(xué)切削動力學(xué)零件加工要求圖3-3數(shù)控機(jī)床的集成化設(shè)計第一節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計的基本理論與方法92

1.5數(shù)控機(jī)床設(shè)計的新方法機(jī)床設(shè)計過程可以分為6個階段：實體建模和運動分析、部件設(shè)計與計算、有限元分析和優(yōu)化、機(jī)電耦合柔性多體系統(tǒng)、物理樣機(jī)試制、仿真結(jié)果驗證。在不同的設(shè)計階段采用不同的方法、工具和軟件來優(yōu)化。整個設(shè)計過程是集成化的、反復(fù)擬合的、從簡單到復(fù)雜的仿真優(yōu)化過程。在概念設(shè)計階段，可以在三維實體模型基礎(chǔ)上借助簡單的剛性多體仿真模型來確定機(jī)床的配置和運動特性。檢驗運動拓?fù)涫欠窈侠?、幾何尺寸是否正確、部件運動時是否干涉。借助有限元分析軟件可以進(jìn)一步設(shè)計、優(yōu)化機(jī)床的主要部件和整機(jī)在各種載荷下表現(xiàn)的性能，此時機(jī)床及其部件是有柔度的，在載荷作用下會變形，與實際工作狀態(tài)接近?？梢灶A(yù)測機(jī)床的靜態(tài)和動態(tài)性能，用于改進(jìn)機(jī)床的設(shè)計。例如，在保證機(jī)床結(jié)構(gòu)剛度前提下的移動部件質(zhì)量輕量化。高端數(shù)控機(jī)床的特征是高速、高精度和多軸控制，因此，在設(shè)計階段就必須借助機(jī)電耦合和柔性多體動力學(xué)仿真來分析機(jī)床結(jié)構(gòu)動力學(xué)和控制回路的相互作用，以高剛度、輕量化的機(jī)床結(jié)構(gòu)配合高動態(tài)性能的驅(qū)動裝置來保證復(fù)雜零件的加工精度。新方法的難點在于輸入?yún)?shù)的正確性和邊界條件的合理性。第二節(jié)TRIZ理論與創(chuàng)新方法2.1TＲIZ理論的組成TＲIZ是一種建立在技術(shù)系統(tǒng)演變規(guī)律基礎(chǔ)上的問題解決系統(tǒng)，經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展，已經(jīng)形成一套成熟的理論體系，主要包括：TRIZ技術(shù)系統(tǒng)8大進(jìn)化法則、最終理想解IFR、40個發(fā)明原理、39個工程參數(shù)和矛盾矩陣、物理矛盾和4大分離原理、物-場模型分析、發(fā)明問題標(biāo)準(zhǔn)解法、發(fā)明問題解決算法ARIZ、科學(xué)效應(yīng)和現(xiàn)象知識庫。TRIZ的內(nèi)容按照作用可以分成基本原理、問題分析體系、問題求解體系如圖3-4。圖3-4TRIZ主要內(nèi)容和理論框架第二節(jié)TRIZ理論與創(chuàng)新方法2.1TＲIZ理論的組成TＲIZ是一種建立在技術(shù)系統(tǒng)演變規(guī)律基礎(chǔ)上的問題解決系統(tǒng)，經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展，已經(jīng)形成一套成熟的理論體系，主要包括：TRIZ技術(shù)系統(tǒng)8大進(jìn)化法則、最終理想解IFR、40個發(fā)明原理、39個工程參數(shù)和矛盾矩陣、物理矛盾和4大分