第三章數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)理論與方法機(jī)械工業(yè)出版社《智能制造裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)》

主要內(nèi)容23智能檢測單元數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)的基本理論與方法3

1.1數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)要求機(jī)床的設(shè)計(jì)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(jì)觀點(diǎn)中最重要的內(nèi)容，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：（1）高效率。單位時(shí)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(shí)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(shí)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(jì)的基本理論與方法4

1.2數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)方法機(jī)床設(shè)計(jì)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(gè)階段：(1)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段：上世紀(jì)40年代中期之前，機(jī)床設(shè)計(jì)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(yùn)動，以加工出一定形狀的工件。同時(shí)機(jī)床零部件還應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，不受破壞。(2)試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(jì)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(yùn)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)的應(yīng)用，使機(jī)床設(shè)計(jì)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。把實(shí)際問題簡化為模型，用計(jì)算機(jī)分析、計(jì)算并選定最佳方案。目前，機(jī)床設(shè)計(jì)主要采用數(shù)字化方法和手段，從傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)向定量設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合、從靜態(tài)設(shè)計(jì)向動態(tài)設(shè)計(jì)、從幾何實(shí)體設(shè)計(jì)和靜態(tài)分析向動態(tài)分析仿真、從可行性設(shè)計(jì)向最優(yōu)化設(shè)計(jì)方向發(fā)展。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的基本理論與方法5

1.3數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)思想現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)思想進(jìn)入了一個(gè)以試驗(yàn)研究及理論計(jì)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(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造、試驗(yàn)、檢驗(yàn)的全過程以至整個(gè)系統(tǒng)的最佳化?，F(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)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(jì)思想，其主要內(nèi)容包括：(1)設(shè)計(jì)對象系統(tǒng)化把設(shè)計(jì)對象視為一個(gè)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(jì)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(jì)對象。(2)設(shè)計(jì)內(nèi)容完善化現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)思想已超出常規(guī)的運(yùn)動設(shè)計(jì)、動力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)范疇，擴(kuò)展到概念設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)和宜人性設(shè)計(jì)等更加完善的內(nèi)容。使機(jī)床產(chǎn)品實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、美觀及舒適，具有更強(qiáng)的競爭力。(3)設(shè)計(jì)目標(biāo)最優(yōu)化現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)思想追求的是目標(biāo)最優(yōu)化，不僅是對某項(xiàng)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)的基本理論與方法6

1.3數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)思想(4)設(shè)計(jì)問題模型化模型是對設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)對設(shè)計(jì)問題進(jìn)行定量運(yùn)算和優(yōu)化處理，并可應(yīng)用動態(tài)設(shè)計(jì)和動態(tài)仿真等現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)。(5)設(shè)計(jì)過程動態(tài)化現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)思想更加注重產(chǎn)品的動態(tài)性能，在設(shè)計(jì)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(jì)首先要建立系統(tǒng)的動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，并通過驗(yàn)算或?qū)嶋H測試加以驗(yàn)證。然后用計(jì)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(jì)方案。(6)設(shè)計(jì)手段計(jì)算機(jī)化計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)已成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中必不可少的設(shè)計(jì)手段和強(qiáng)大支柱。在初步設(shè)計(jì)階段，可進(jìn)行方案的分析、選擇、評價(jià)和決策。在技術(shù)設(shè)計(jì)階段，可進(jìn)行結(jié)構(gòu)和參數(shù)確定，運(yùn)動、動力或其他特性分析，材料選擇，成本計(jì)算，參數(shù)優(yōu)化和繪圖等工作。在工作圖設(shè)計(jì)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(jì)的基本理論與方法7

1.4數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)新視角設(shè)計(jì)視角的“新”表現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)的基本理論與方法8

1.4數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)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(gè)生命周期內(nèi)應(yīng)該保證其可用性和創(chuàng)造價(jià)值的能力。在設(shè)計(jì)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(gè)生命周期排放總量的90%以上。如果采用輕量化設(shè)計(jì)方案，雖有可能會增加機(jī)床的制造成本或售價(jià)較高，但卻能明顯降低全生命周期的能耗和使用費(fèi)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(xiàng)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(jià)作為數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的新目標(biāo)，以減少在其整個(gè)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(jì)的基本理論與方法9

1.5數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的新方法（1）新流程傳統(tǒng)的機(jī)床開發(fā)過程分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是設(shè)計(jì)，第二個(gè)階段是試制。如圖3-1所示，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是借助CAD建立三維實(shí)體模型，經(jīng)過主觀評價(jià)后，加以分解，繪制零件圖。這種設(shè)計(jì)方法主要是基于以往的經(jīng)驗(yàn)，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(jì)，消除缺陷，重新制造物理樣機(jī)。通過試運(yùn)行、調(diào)整和驗(yàn)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(jì)的基本理論與方法10

1.5數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的新方法（1）新流程新設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)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(jì)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(jì)階段引入建模、仿真和虛擬機(jī)床，在計(jì)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(fèi)，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(jì)的新流程第一節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的基本理論與方法11

1.5數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的新方法（2）集成化設(shè)計(jì)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(yùn)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(jì)方法的另一特點(diǎn)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(gè)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(jì)第一節(jié)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的基本理論與方法12

1.5數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的新方法機(jī)床設(shè)計(jì)過程可以分為6個(gè)階段：實(shí)體建模和運(yùn)動分析、部件設(shè)計(jì)與計(jì)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(yàn)證。在不同的設(shè)計(jì)階段采用不同的方法、工具和軟件來優(yōu)化。整個(gè)設(shè)計(jì)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(jì)階段，可以在三維實(shí)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(yùn)動特性。檢驗(yàn)運(yùn)動拓?fù)涫欠窈侠?、幾何尺寸是否正確、部件運(yùn)動時(shí)是否干涉。借助有限元分析軟件可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)、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(shí)機(jī)床及其部件是有柔度的，在載荷作用下會變形，與實(shí)際工作狀態(tài)接近。可以預(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(jì)。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(jì)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(diǎn)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(gè)發(fā)明原理、39個(gè)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(gè)發(fā)明原理、39個(gè)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152.2TＲIZ解決問題的流程TRIZ將發(fā)明問題分為二大類：標(biāo)準(zhǔn)問題和非標(biāo)準(zhǔn)問題。TRIZ解決問題流程是首先將待解決的問題轉(zhuǎn)化為通用問題，提取實(shí)際問題中的技術(shù)矛盾或物理矛盾并轉(zhuǎn)化為TRIZ標(biāo)準(zhǔn)問題。TRIZ提出了39個(gè)通用化參數(shù)，在問題解決過程中，把實(shí)際工程設(shè)計(jì)中的沖突或矛盾轉(zhuǎn)化為TRIZ理論中的通用化參數(shù)。同時(shí)利用TRIZ理論中的矛盾沖突矩陣，得出對應(yīng)的發(fā)明解決原理，結(jié)合實(shí)際問題，選擇符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)的發(fā)明原理，得出最佳產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。其解決問題的一般流程如圖3-5所示。圖3-5TRIZ解決問題的一般流程第二節(jié)TRIZ理論與創(chuàng)新方法163問題的提出沖突的確定問題重構(gòu)與分析沖突求解24512.2TＲIZ解決問題的流程方案生成(1)問題的提出。通過問卷調(diào)查、座談會、頭腦風(fēng)暴等手段，用自然語言的方式，提出當(dāng)前待解決的問題，形成問題列表，為后續(xù)問題分析做準(zhǔn)備。(2)問題重構(gòu)與分析。將問題描述為用各類技術(shù)參數(shù)表示的形式。(3)沖突的確定。在問題分析的基礎(chǔ)上，先確定待改善的參數(shù)，再確定惡化的參數(shù)。分析參數(shù)的相關(guān)性。(4)沖突求解。于技術(shù)沖突，利用技術(shù)沖突矩陣，將改善的參數(shù)對應(yīng)到行上，惡化的參數(shù)對應(yīng)到列上，在行列的交叉處查找發(fā)明原理，可以得到推薦的若干個(gè)發(fā)明原理。(5)方案生成。按照序號查找發(fā)明原理匯總表，得到發(fā)明原理的名稱。按照發(fā)明原理的名稱，對應(yīng)查找40個(gè)發(fā)明原理的詳解。第二節(jié)TRIZ理論與創(chuàng)新方法172.3TRIZ在設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的應(yīng)用TRIZ在設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在利用TRIZ理論進(jìn)行產(chǎn)品和技術(shù)預(yù)測，通過TRIZ理論解決新產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計(jì)中的問題，如TRIZ的產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)以及TRIZ與其他方法集成的設(shè)計(jì)等，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）解決工程實(shí)際中的關(guān)鍵技術(shù)問題，特別是新產(chǎn)品開發(fā)、機(jī)械設(shè)計(jì)制造等；（2）從一般性上探索TRIZ理論在產(chǎn)品創(chuàng)新中的作用。例如，將TRIZ技術(shù)系統(tǒng)演化規(guī)律與產(chǎn)品設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序框架結(jié)合起來，并分析其在設(shè)計(jì)過程中的影響；（3）利用參數(shù)矩陣，對39個(gè)工程參數(shù)賦以一定權(quán)值構(gòu)建評價(jià)矩陣，解決協(xié)同產(chǎn)品開發(fā)過程中矛盾的消除問題；（4）基于TRIZ理論設(shè)計(jì)以消費(fèi)者需求為中心的產(chǎn)品。第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動的創(chuàng)新設(shè)計(jì)183.1數(shù)字孿生與創(chuàng)新設(shè)計(jì)數(shù)字孿生技術(shù)以其在高保真建模與仿真、物理與虛擬數(shù)據(jù)融合、產(chǎn)品生命周期數(shù)據(jù)集成、網(wǎng)絡(luò)物理交互、數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)與分析等方面的獨(dú)特能力，成為智能設(shè)計(jì)領(lǐng)域的核心技術(shù)，并具有廣泛的適用性。數(shù)字孿生技術(shù)為產(chǎn)品設(shè)計(jì)帶來了以下好處：首先，數(shù)字孿生能以逼真的三維立體感實(shí)時(shí)呈現(xiàn)產(chǎn)品的狀態(tài)，通過虛擬產(chǎn)品的仿真，使物理產(chǎn)品更加智能化，能夠?qū)崟r(shí)主動地調(diào)整其行為；其次，因?yàn)榭梢詫?shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期中的數(shù)據(jù)采集、存儲和處理，可以使虛擬產(chǎn)品更真實(shí)地反映物理產(chǎn)品的真實(shí)狀態(tài)再次，基于長期積累的大量數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生可以從中提取出有用信息，方便地預(yù)測產(chǎn)品未來的趨勢，包括產(chǎn)品使用、故障、服務(wù)等。第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動的創(chuàng)新設(shè)計(jì)193.2數(shù)字孿生驅(qū)動的創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程（1）數(shù)字孿生的五個(gè)維度產(chǎn)品數(shù)字孿生系統(tǒng)包括物理實(shí)體、虛擬體、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)、服務(wù)及相互之間的連接五個(gè)組成維度，各組成維度及相互關(guān)系如圖3-7所示。圖3-7數(shù)字孿生的5個(gè)組成維度第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動的創(chuàng)新設(shè)計(jì)203.2數(shù)字孿生驅(qū)動的創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程1）物理實(shí)體。物理實(shí)體是用戶可以使用的真實(shí)產(chǎn)品，通過傳感器和物聯(lián)網(wǎng)，收集產(chǎn)品的運(yùn)行數(shù)據(jù)、使用數(shù)據(jù)、維護(hù)維修數(shù)據(jù)等，也可以通過產(chǎn)品網(wǎng)頁收集用戶的瀏覽、下載、評價(jià)信息，上傳到云端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。2）虛擬體。數(shù)字孿生系統(tǒng)中的虛擬體是物理實(shí)體的鏡像，也稱為數(shù)字孿生體、數(shù)字鏡像、數(shù)字映射、數(shù)字雙胞胎等。3）數(shù)字孿生數(shù)據(jù)。來自物理實(shí)體和虛擬體的數(shù)據(jù)，覆蓋產(chǎn)品全生命周期及多個(gè)領(lǐng)域，這些數(shù)據(jù)集成以后，基于人工智能和大數(shù)據(jù)分析，可以得到從單一數(shù)據(jù)無法獲得的結(jié)果，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供建議。4）服務(wù)。服務(wù)包括產(chǎn)品的功能服務(wù)和商業(yè)服務(wù)。產(chǎn)品功能服務(wù)是指將各種數(shù)據(jù)、算法進(jìn)行封裝，服務(wù)于數(shù)字孿生數(shù)據(jù)的分析、集成、挖掘。商業(yè)服務(wù)包括故障預(yù)測、風(fēng)險(xiǎn)評估、能耗分析、員工培訓(xùn)、用戶體驗(yàn)等。5）相互之間的連接。通過網(wǎng)絡(luò)通信、物聯(lián)網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò)安全等實(shí)現(xiàn)以上四個(gè)部分之間的相互聯(lián)系。第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動的創(chuàng)新設(shè)計(jì)213.2數(shù)字孿生驅(qū)動的創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程（2）數(shù)字孿生驅(qū)動的創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程數(shù)字孿生驅(qū)動的創(chuàng)新設(shè)計(jì)可以劃分為明確設(shè)計(jì)任務(wù)、概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、虛擬驗(yàn)證幾個(gè)階段。1）明確設(shè)計(jì)任務(wù)首先要了解用戶的需求，并轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)條件約束下的具體設(shè)計(jì)任務(wù)，數(shù)字孿生因?yàn)榘水a(chǎn)品全生命周期內(nèi)豐富的數(shù)據(jù)，可以幫助設(shè)計(jì)人員明確設(shè)計(jì)任務(wù)。2）數(shù)字孿生驅(qū)動的設(shè)計(jì)在概念設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員需要提出設(shè)計(jì)概念，并對設(shè)計(jì)概念進(jìn)行評估和改進(jìn)。數(shù)字孿生可以給設(shè)計(jì)人員提供豐富的信息和可視化的仿真環(huán)境，使設(shè)計(jì)人員可以通過虛擬體了解產(chǎn)品的行為和性能，基于更多的信息進(jìn)行產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)和評估。3）數(shù)字孿生驅(qū)動的虛擬驗(yàn)證設(shè)計(jì)人員可以基于數(shù)字孿生創(chuàng)建逼真的仿真場景，有效地對原型進(jìn)行仿真測試，并準(zhǔn)確預(yù)測產(chǎn)品的實(shí)際性能。第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動的創(chuàng)新設(shè)計(jì)223.3主要的相關(guān)技術(shù)（1）數(shù)字孿生驅(qū)動的TRIZ如上一節(jié)所述，技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則是TRIZ的理論基礎(chǔ)，任何一種產(chǎn)品或技術(shù)系統(tǒng)的開發(fā)都受客觀規(guī)律的支配。TRIZ理論認(rèn)為產(chǎn)品創(chuàng)新的核心是解決設(shè)計(jì)中存在的沖突和矛盾，沖突和矛盾的不斷解決是推動技術(shù)進(jìn)化的動力。TRIZ解決沖突和矛盾問題是以理想解為目標(biāo)，力求得到特定技術(shù)問題的最優(yōu)解決方案。借助數(shù)字孿生可以使設(shè)計(jì)人員更好地理解和貫徹TRIZ理論的上述思想。（2）數(shù)字孿生驅(qū)動的虛擬樣機(jī)虛擬樣機(jī)可以代替真實(shí)樣機(jī)對產(chǎn)品的性能進(jìn)行仿真、測試和評價(jià)，可以大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。將數(shù)字孿生與虛擬樣機(jī)相結(jié)合，可以進(jìn)一步提高虛擬樣機(jī)的準(zhǔn)確性、交互性和智能性。數(shù)字孿生結(jié)合了傳感器的動態(tài)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)，可獲得最佳模型，使虛擬樣機(jī)更加具體和準(zhǔn)確?？梢栽诮Y(jié)構(gòu)、機(jī)械、熱力、電氣等方面，以及時(shí)間尺度、空間尺度上反映更多細(xì)節(jié)，同時(shí)考慮存在于產(chǎn)品生命周期中的更多不確定因素，如生產(chǎn)干擾、運(yùn)輸延遲以及不同的使用條件等。另一方面，來自物理世界的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以使虛擬樣機(jī)不斷得到更新，使其性能更接近真實(shí)產(chǎn)品。第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動的創(chuàng)新設(shè)計(jì)233.3主要的相關(guān)技術(shù)（3）數(shù)字孿生驅(qū)動的數(shù)字孿生驅(qū)動的產(chǎn)品設(shè)計(jì)評估對產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評估需要對產(chǎn)品的功能、外觀、精度以及成本等指標(biāo)進(jìn)行綜合評價(jià)，從多個(gè)方案中選出最合適的設(shè)計(jì)方案。由于產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段，特別是在概念設(shè)計(jì)階段，產(chǎn)品細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)尚未開始，仍有很多不確定性，很難對其進(jìn)行準(zhǔn)確評價(jià)。數(shù)字孿生可以從上一代產(chǎn)品收集數(shù)據(jù)，由于上一代產(chǎn)品往往與正在設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品具有相當(dāng)多的共同特性。這些數(shù)據(jù)可以存儲在云端并提供給設(shè)計(jì)者，通過對前代產(chǎn)品相似功能模塊的數(shù)據(jù)分析，可以推斷出新產(chǎn)品的一些性能，如能耗、運(yùn)行速度、修復(fù)率、穩(wěn)定性等，使對新產(chǎn)品的評估更具針對性。此外，由于數(shù)字孿生可以從生產(chǎn)、交付、使用和維護(hù)等多個(gè)產(chǎn)品階段收集能耗和成本等指標(biāo)，因此可以實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品全生命周期的角度進(jìn)行評價(jià)。其次，數(shù)字孿生有助于通過仿真減少評估中的不確定性。例如，產(chǎn)品的實(shí)際性能會受到許多不確定因素的影響，數(shù)字孿生可以模擬這些不確定因素，例如數(shù)溫度、濕度、使用時(shí)間、負(fù)載等，從而可以全面分析不同條件組合下的產(chǎn)品性能。第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動的創(chuàng)新設(shè)計(jì)243.3主要的相關(guān)技術(shù)（4）數(shù)字孿生驅(qū)動的虛擬調(diào)試虛擬調(diào)試可用于測試單臺設(shè)備、生產(chǎn)線甚至整個(gè)系統(tǒng)的控制邏輯。將一個(gè)真實(shí)的或仿真的控制器與虛擬模型連接，實(shí)現(xiàn)虛擬調(diào)試，可以縮短實(shí)際調(diào)試的時(shí)間。這就要求虛擬模型和真實(shí)產(chǎn)品之間有良好的一致性，以保證調(diào)試結(jié)果的可靠性?；跀?shù)字孿生技術(shù)建立的調(diào)試虛擬模型，可以包含更豐富真實(shí)的信息，如動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)特性；可以在虛擬空間和物理空間之間建立雙向連接，從物理設(shè)備收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)教摂M模型，使之更新并達(dá)到最新狀態(tài)。如果物理設(shè)備和虛擬模型仿真的性能差異較大，說明虛擬模型和物理設(shè)備不一致，這時(shí)需要反復(fù)調(diào)整模型的參數(shù)，對虛擬模型進(jìn)行檢驗(yàn)和校準(zhǔn)，使其與真實(shí)對象保持一致。第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動的創(chuàng)新設(shè)計(jì)253.3主要的相關(guān)技術(shù)（5）數(shù)字孿生驅(qū)動的綠色設(shè)計(jì)綠色設(shè)計(jì)著眼于人與自然的生態(tài)平衡關(guān)系，在設(shè)計(jì)過程中充分考慮環(huán)境效益，盡量減少對環(huán)境的破壞和影響。綠色設(shè)計(jì)體現(xiàn)了人們對現(xiàn)代技術(shù)引起的環(huán)境及生態(tài)破壞的反思，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)者的社會責(zé)任心的回歸。數(shù)字孿生基于豐富的數(shù)據(jù)支持和可靠的虛擬驗(yàn)證，幫助設(shè)計(jì)人員在材料選擇、零部件拆解、產(chǎn)品回收等方面實(shí)現(xiàn)綠色設(shè)計(jì)。產(chǎn)品零部件的拆解是在產(chǎn)品維修或產(chǎn)品報(bào)廢時(shí)移除特定零部件的過程，拆解后的部件可再利用、再循環(huán)或再制造。然而，由于許多產(chǎn)品很難拆解，盡管有些零部件仍然有用，卻不得不丟棄，造成浪費(fèi)。數(shù)字孿生可以提供一些有效的解決方案。在回收過程中，數(shù)字孿生可以通過計(jì)算氣體排放量、運(yùn)營成本、社會消耗等難以直接測量的指標(biāo)，并進(jìn)行模擬，綜合評估回收的可行性。第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動的創(chuàng)新設(shè)計(jì)263.3主要的相關(guān)技術(shù)（6）數(shù)字孿生驅(qū)動的精益設(shè)計(jì)精益設(shè)計(jì)以精益理念為指導(dǎo)，旨在簡化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，縮減工藝流程，避免因設(shè)計(jì)缺陷引發(fā)的產(chǎn)品質(zhì)量問題，提高產(chǎn)品可靠度，降低產(chǎn)品總成本，同時(shí)，提升設(shè)計(jì)效率，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。數(shù)字孿生技術(shù)所包含的產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)等環(huán)節(jié)中存在的浪費(fèi)。例如，通過分析產(chǎn)品某個(gè)功能的使用頻率、每次使用的持續(xù)時(shí)間等關(guān)鍵信息，可以識別非必要的功能；通過檢查生產(chǎn)流程相關(guān)的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)因設(shè)計(jì)而帶來的制造工藝上的浪費(fèi)；根據(jù)產(chǎn)品的維護(hù)記錄，可以發(fā)現(xiàn)由于設(shè)計(jì)或制造原因而造成的維護(hù)環(huán)節(jié)的浪費(fèi)。其次，基于產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型，可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否滿足精益要求。由于數(shù)字孿生模型和物理實(shí)體之間有豐富的數(shù)據(jù)交換，例如工作負(fù)載、外部條件等，因此可以進(jìn)行可靠的驗(yàn)證。第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動的創(chuàng)新設(shè)計(jì)273.3主要的相關(guān)技術(shù)（