智能制造装备创新设计 课件 第三章 数控机床设计理论与方法 -智能制造装备创新设计

第三章数控机床设计理论与方法机械工业出版社《智能制造装备创新设计》

主要内容23智能检测单元数控机床设计的基本理论与方法TRIZ理论与创新方法数字孪生驱动的创新设计第一节第二节第三节第一节数控机床设计的基本理论与方法3

1.1数控机床的设计要求机床的设计首先要满足所要求的加工功能，即机床的工艺范围，包括机床能完成的加工方法、适应的工件类型、可加工表面形状、尺寸范围、材料及毛坯种类等。其次要考虑机床的主要使用性能，高性能是传统设计观点中最重要的内容，主要表现在以下3个方面：（1）高效率。单位时间的产出能力，即加工效率。对金属切削加工机床而言，就是材料切除率或加工特定零件的循环时间。它在很大程度上取决于机床的动静态性能，特别是其结构件尺寸和形状所决定的静态刚度。（2）高精度。机床的精度可以定义为刀具在加工零件表面时所到达的位置与程序设定值的偏离度。精度最终表现为工件的尺寸精度、工件形状要素间的相互位置精度和微观的表面粗糙度。（3）智能化。数控机床不仅延伸了人的体力和脑力，还将能够进一步采集生产数据、处理信息，具有自行做出判断和采取行动的能力。除了上述使用性能外，还要求机床具有宜人性、可靠性、经济性、维修性以及良好的技术服务。第一节数控机床设计的基本理论与方法4

1.2数控机床的设计方法机床设计方法随着社会生产的发展和科学技术的进步，主要经历了这样几个阶段：(1)经验设计阶段：上世纪40年代中期之前，机床设计的主要任务是解决加工与强度问题，即刀具与工件之间需要某种相对运动，以加工出一定形状的工件。同时机床零部件还应具有足够的强度，不受破坏。(2)试验设计阶段：上世纪40年代中期到60代初期，随着科学技术的发展及工艺水平的提高，机床设计不仅要解决加工与强度的问题，还要解决机床的精度及性能问题。如运动精度、刚度、抗振性、低速平稳性、热变形、噪声和磨损等(3)计算机辅助设计阶段：上世纪60年代中期以来，科学技术的新成就、理论研究的进展，特别是电子计算机的应用，使机床设计进入了一个崭新的阶段。把实际问题简化为模型，用计算机分析、计算并选定最佳方案。目前，机床设计主要采用数字化方法和手段，从传统经验设计向定量设计与实验研究相结合、从静态设计向动态设计、从几何实体设计和静态分析向动态分析仿真、从可行性设计向最优化设计方向发展。第一节数控机床设计的基本理论与方法5

1.3数控机床的设计思想现代机床设计思想进入了一个以试验研究及理论计算为基础的较高级阶段。不仅寻求产品本身的最佳化，还要实现从产品设计到制造、试验、检验的全过程以至整个系统的最佳化。现代机床设计思想是与现代科技发展相适应的一种先进的设计思想，其主要内容包括：(1)设计对象系统化把设计对象视为一个系统，不仅关注其组成单元要素，还要考虑边界、环境和输人输出等特征，避免传统设计的那种局部、孤立地处理问题，而是整体、系统地对待设计对象。(2)设计内容完善化现代机床设计思想已超出常规的运动设计、动力设计和结构设计范畴，扩展到概念设计、可靠性设计和宜人性设计等更加完善的内容。使机床产品实用、经济、美观及舒适，具有更强的竞争力。(3)设计目标最优化现代机床设计思想追求的是目标最优化，不仅是对某项设计参数的单一目标优化，而且要对系统的诸多参数进行多目标的整体优化，利用计算机求得理论上的精确解即最佳方案。第一节数控机床设计的基本理论与方法6

1.3数控机床的设计思想(4)设计问题模型化模型是对设计问题的高度概括和抽象，数学模型是最适于分析和研究的一种形式。通过数学模型把工程问题与数学理论紧密结合起来，借助计算机对设计问题进行定量运算和优化处理，并可应用动态设计和动态仿真等现代设计技术。(5)设计过程动态化现代机床设计思想更加注重产品的动态性能，在设计阶段对产品动态性能进行预测和优化。动态设计首先要建立系统的动力学数学模型，并通过验算或实际测试加以验证。然后用计算机对模型进行动态分析，获得最优动态设计方案。(6)设计手段计算机化计算机辅助设计(CAD)已成为现代设计方法中必不可少的设计手段和强大支柱。在初步设计阶段，可进行方案的分析、选择、评价和决策。在技术设计阶段，可进行结构和参数确定，运动、动力或其他特性分析，材料选择，成本计算，参数优化和绘图等工作。在工作图设计阶段，可绘制零件图、标注尺寸及公差配合，编制、存贮和管理各种技术文件。第一节数控机床设计的基本理论与方法7

1.4数控机床的设计新视角设计视角的“新”表现在产品设计中，不仅聚焦于机床的技术性能、效率和可靠性，而且还关注人、生态环境、全生命周期效益、人机协调和可持续发展。（1）重视生态和环境机床是消耗能量的产品。机床不仅要具有高的加工效率，还应该具有高的生态效益。生态效益也称为资源效益，是指机床在加工过程中有效使用能源和物料的能力。它体现节能减排的水平和绿色化的程度，是新一代机床的重要标志。机床存在于车间环境中，离不开周围的机群和人群。机床既要保证操作者的安全又不造成车间环境的污染或影响其他设备的正常工作，还要构建一个和谐、协调和愉快的工作环境。因此，基于宜人学和艺术造型的结合，赏心悦目的外观和操作的方便性将构成机床产品竞争力的新要素。第一节数控机床设计的基本理论与方法8

1.4数控机床的设计新视角（2）关注全生命周期机床产品的生命周期长，机床的使用年限一般为10年，甚至更长一些。机床在整个生命周期内应该保证其可用性和创造价值的能力。在设计阶段不仅应该考虑机床的维修周期、便捷性和成本，还要关注能源和其他材料的消耗。典型案例分析表明，机床使用期间的碳排放量占整个生命周期排放总量的90%以上。如果采用轻量化设计方案，虽有可能会增加机床的制造成本或售价较高，但却能明显降低全生命周期的能耗和使用费用，无论是对机床制造商还是最终用户，如何取舍，大有讲究。我们应该认识到，发展节能产品的大趋势不可阻挡。欧盟有关机床的能效标准已经陆续出台，能耗必将成为进入国际市场的一项重要参考指标。为了制造业的可持续发展，应该将生态效益和全生命周期评价作为数控机床设计的新目标，以减少在其整个生命周期内对环境的负面影响。第一节数控机床设计的基本理论与方法9

1.5数控机床设计的新方法（1）新流程传统的机床开发过程分为两个阶段，第一个阶段是设计，第二个阶段是试制。如图3-1所示，传统的设计主要是借助CAD建立三维实体模型，经过主观评价后，加以分解，绘制零件图。这种设计方法主要是基于以往的经验，即使采用有限元分析，也大多局限于结构件的应力和变形分析，既没有对机床整机的静态和动态性能进行仔细深入的分析，更没有考虑加工过程和控制回路对机床结构的影响。样机制造出来以后，经过调试和试切，必然出现各种问题。于是再想办法修改设计，消除缺陷，重新制造物理样机。通过试运行、调整和验收，才能投入批量生产。图3-1传统的机床开发过程第一节数控机床设计的基本理论与方法10

1.5数控机床设计的新方法（1）新流程新设计方法的目标是物理样机试制一次成功，缩短开发周期。这就要在CAD实体模型的基础上，建立机床和加工过程相互作用的模型，借助有关分析软件求解机床整机在静态、动态和热载荷下的响应。设计阶段的输出不仅是图样，而且是对机床性能反复优化的结果。新的机床设计流程与传统的机床开发流程的区别主要是，在设计阶段引入建模、仿真和虚拟机床，在计算机上反复优化，从而减少机床试制阶段的人力物力的浪费，缩短新机床的开发周期，加快推出新产品，如图3-2所示。图3-2机床设计的新流程第一节数控机床设计的基本理论与方法11

1.5数控机床设计的新方法（2）集成化设计数控机床是复杂的机电一体化系统。机床的性能和效率主要取决于其运动组合、结构动力学、控制系统和加工过程的相互作用，并非仅仅是机床结构本身。此外，作用在机床上的载荷，无论是切削力、惯性力和热量都是动态的，仅仅考虑静态的应力和变形是不够的。因此，新设计方法的另一特点是将机床动力学、切削动力学和控制回路响应作为一个动态大系统来考量，将零件加工的要求作为系统的输入，谋求在上述子系统的相互作用下获得最佳综合性能。控制系统机床动力学切削动力学零件加工要求图3-3数控机床的集成化设计第一节数控机床设计的基本理论与方法12

1.5数控机床设计的新方法机床设计过程可以分为6个阶段：实体建模和运动分析、部件设计与计算、有限元分析和优化、机电耦合柔性多体系统、物理样机试制、仿真结果验证。在不同的设计阶段采用不同的方法、工具和软件来优化。整个设计过程是集成化的、反复拟合的、从简单到复杂的仿真优化过程。在概念设计阶段，可以在三维实体模型基础上借助简单的刚性多体仿真模型来确定机床的配置和运动特性。检验运动拓扑是否合理、几何尺寸是否正确、部件运动时是否干涉。借助有限元分析软件可以进一步设计、优化机床的主要部件和整机在各种载荷下表现的性能，此时机床及其部件是有柔度的，在载荷作用下会变形，与实际工作状态接近。可以预测机床的静态和动态性能，用于改进机床的设计。例如，在保证机床结构刚度前提下的移动部件质量轻量化。高端数控机床的特征是高速、高精度和多轴控制，因此，在设计阶段就必须借助机电耦合和柔性多体动力学仿真来分析机床结构动力学和控制回路的相互作用，以高刚度、轻量化的机床结构配合高动态性能的驱动装置来保证复杂零件的加工精度。新方法的难点在于输入参数的正确性和边界条件的合理性。第二节TRIZ理论与创新方法2.1TＲIZ理论的组成TＲIZ是一种建立在技术系统演变规律基础上的问题解决系统，经过几十年的不断发展，已经形成一套成熟的理论体系，主要包括：TRIZ技术系统8大进化法则、最终理想解IFR、40个发明原理、39个工程参数和矛盾矩阵、物理矛盾和4大分离原理、物-场模型分析、发明问题标准解法、发明问题解决算法ARIZ、科学效应和现象知识库。TRIZ的内容按照作用可以分成基本原理、问题分析体系、问题求解体系如图3-4。图3-4TRIZ主要内容和理论框架第二节TRIZ理论与创新方法2.1TＲIZ理论的组成TＲIZ是一种建立在技术系统演变规律基础上的问题解决系统，经过几十年的不断发展，已经形成一套成熟的理论体系，主要包括：TRIZ技术系统8大进化法则、最终理想解IFR、40个发明原理、39个工程参数和矛盾矩阵、物理矛盾和4大分离原理、物-场模型分析、发明问题标准解法、发明问题解决算法ARIZ、科学效应和现象知识库。TRIZ的内容按照作用可以分成基本原理、问题分析体系、问题求解体系如图3-4。图3-4TRIZ主要内容和理论框架第二节TRIZ理论与创新方法152.2TＲIZ解决问题的流程TRIZ将发明问题分为二大类：标准问题和非标准问题。TRIZ解决问题流程是首先将待解决的问题转化为通用问题，提取实际问题中的技术矛盾或物理矛盾并转化为TRIZ标准问题。TRIZ提出了39个通用化参数，在问题解决过程中，把实际工程设计中的冲突或矛盾转化为TRIZ理论中的通用化参数。同时利用TRIZ理论中的矛盾冲突矩阵，得出对应的发明解决原理，结合实际问题，选择符合产品设计的发明原理，得出最佳产品设计方案。其解决问题的一般流程如图3-5所示。图3-5TRIZ解决问题的一般流程第二节TRIZ理论与创新方法163问题的提出冲突的确定问题重构与分析冲突求解24512.2TＲIZ解决问题的流程方案生成(1)问题的提出。通过问卷调查、座谈会、头脑风暴等手段，用自然语言的方式，提出当前待解决的问题，形成问题列表，为后续问题分析做准备。(2)问题重构与分析。将问题描述为用各类技术参数表示的形式。(3)冲突的确定。在问题分析的基础上，先确定待改善的参数，再确定恶化的参数。分析参数的相关性。(4)冲突求解。于技术冲突，利用技术冲突矩阵，将改善的参数对应到行上，恶化的参数对应到列上，在行列的交叉处查找发明原理，可以得到推荐的若干个发明原理。(5)方案生成。按照序号查找发明原理汇总表，得到发明原理的名称。按照发明原理的名称，对应查找40个发明原理的详解。第二节TRIZ理论与创新方法172.3TRIZ在设计制造领域的应用TRIZ在设计制造领域的应用主要体现在利用TRIZ理论进行产品和技术预测，通过TRIZ理论解决新产品开发和设计中的问题，如TRIZ的产品绿色创新设计、协同设计以及TRIZ与其他方法集成的设计等，具体表现在以下几个方面：（1）解决工程实际中的关键技术问题，特别是新产品开发、机械设计制造等；（2）从一般性上探索TRIZ理论在产品创新中的作用。例如，将TRIZ技术系统演化规律与产品设计的应用程序框架结合起来，并分析其在设计过程中的影响；（3）利用参数矩阵，对39个工程参数赋以一定权值构建评价矩阵，解决协同产品开发过程中矛盾的消除问题；（4）基于TRIZ理论设计以消费者需求为中心的产品。第三节数字孪生驱动的创新设计183.1数字孪生与创新设计数字孪生技术以其在高保真建模与仿真、物理与虚拟数据融合、产品生命周期数据集成、网络物理交互、数据学习与分析等方面的独特能力，成为智能设计领域的核心技术，并具有广泛的适用性。数字孪生技术为产品设计带来了以下好处：首先，数字孪生能以逼真的三维立体感实时呈现产品的状态，通过虚拟产品的仿真，使物理产品更加智能化，能够实时主动地调整其行为；其次，因为可以实现产品全生命周期中的数据采集、存储和处理，可以使虚拟产品更真实地反映物理产品的真实状态再次，基于长期积累的大量数据，数字孪生可以从中提取出有用信息，方便地预测产品未来的趋势，包括产品使用、故障、服务等。第三节数字孪生驱动的创新设计193.2数字孪生驱动的创新设计流程（1）数字孪生的五个维度产品数字孪生系统包括物理实体、虚拟体、数字孪生数据、服务及相互之间的连接五个组成维度，各组成维度及相互关系如图3-7所示。图3-7数字孪生的5个组成维度第三节数字孪生驱动的创新设计203.2数字孪生驱动的创新设计流程1）物理实体。物理实体是用户可以使用的真实产品，通过传感器和物联网，收集产品的运行数据、使用数据、维护维修数据等，也可以通过产品网页收集用户的浏览、下载、评价信息，上传到云端，实现数据共享。2）虚拟体。数字孪生系统中的虚拟体是物理实体的镜像，也称为数字孪生体、数字镜像、数字映射、数字双胞胎等。3）数字孪生数据。来自物理实体和虚拟体的数据，覆盖产品全生命周期及多个领域，这些数据集成以后，基于人工智能和大数据分析，可以得到从单一数据无法获得的结果，为产品的设计和优化提供建议。4）服务。服务包括产品的功能服务和商业服务。产品功能服务是指将各种数据、算法进行封装，服务于数字孪生数据的分析、集成、挖掘。商业服务包括故障预测、风险评估、能耗分析、员工培训、用户体验等。5）相互之间的连接。通过网络通信、物联网以及网络安全等实现以上四个部分之间的相互联系。第三节数字孪生驱动的创新设计213.2数字孪生驱动的创新设计流程（2）数字孪生驱动的创新设计流程数字孪生驱动的创新设计可以划分为明确设计任务、概念设计、详细设计、虚拟验证几个阶段。1）明确设计任务首先要了解用户的需求，并转化为设计条件约束下的具体设计任务，数字孪生因为包含了产品全生命周期内丰富的数据，可以帮助设计人员明确设计任务。2）数字孪生驱动的设计在概念设计阶段，设计人员需要提出设计概念，并对设计概念进行评估和改进。数字孪生可以给设计人员提供丰富的信息和可视化的仿真环境，使设计人员可以通过虚拟体了解产品的行为和性能，基于更多的信息进行产品的概念设计和评估。3）数字孪生驱动的虚拟验证设计人员可以基于数字孪生创建逼真的仿真场景，有效地对原型进行仿真测试，并准确预测产品的实际性能。第三节数字孪生驱动的创新设计223.3主要的相关技术（1）数字孪生驱动的TRIZ如上一节所述，技术系统进化法则是TRIZ的理论基础，任何一种产品或技术系统的开发都受客观规律的支配。TRIZ理论认为产品创新的核心是解决设计中存在的冲突和矛盾，冲突和矛盾的不断解决是推动技术进化的动力。TRIZ解决冲突和矛盾问题是以理想解为目标，力求得到特定技术问题的最优解决方案。借助数字孪生可以使设计人员更好地理解和贯彻TRIZ理论的上述思想。（2）数字孪生驱动的虚拟样机虚拟样机可以代替真实样机对产品的性能进行仿真、测试和评价，可以大大缩短产品的开发周期。将数字孪生与虚拟样机相结合，可以进一步提高虚拟样机的准确性、交互性和智能性。数字孪生结合了传感器的动态数据、历史数据，可获得最佳模型，使虚拟样机更加具体和准确。可以在结构、机械、热力、电气等方面，以及时间尺度、空间尺度上反映更多细节，同时考虑存在于产品生命周期中的更多不确定因素，如生产干扰、运输延迟以及不同的使用条件等。另一方面，来自物理世界的实时数据可以使虚拟样机不断得到更新，使其性能更接近真实产品。第三节数字孪生驱动的创新设计233.3主要的相关技术（3）数字孪生驱动的数字孪生驱动的产品设计评估对产品设计方案进行评估需要对产品的功能、外观、精度以及成本等指标进行综合评价，从多个方案中选出最合适的设计方案。由于产品在设计阶段，特别是在概念设计阶段，产品细节设计尚未开始，仍有很多不确定性，很难对其进行准确评价。数字孪生可以从上一代产品收集数据，由于上一代产品往往与正在设计的新产品具有相当多的共同特性。这些数据可以存储在云端并提供给设计者，通过对前代产品相似功能模块的数据分析，可以推断出新产品的一些性能，如能耗、运行速度、修复率、稳定性等，使对新产品的评估更具针对性。此外，由于数字孪生可以从生产、交付、使用和维护等多个产品阶段收集能耗和成本等指标，因此可以实现从产品全生命周期的角度进行评价。其次，数字孪生有助于通过仿真减少评估中的不确定性。例如，产品的实际性能会受到许多不确定因素的影响，数字孪生可以模拟这些不确定因素，例如数温度、湿度、使用时间、负载等，从而可以全面分析不同条件组合下的产品性能。第三节数字孪生驱动的创新设计243.3主要的相关技术（4）数字孪生驱动的虚拟调试虚拟调试可用于测试单台设备、生产线甚至整个系统的控制逻辑。将一个真实的或仿真的控制器与虚拟模型连接，实现虚拟调试，可以缩短实际调试的时间。这就要求虚拟模型和真实产品之间有良好的一致性，以保证调试结果的可靠性。基于数字孪生技术建立的调试虚拟模型，可以包含更丰富真实的信息，如动力学和运动学特性；可以在虚拟空间和物理空间之间建立双向连接，从物理设备收集实时数据传输到虚拟模型，使之更新并达到最新状态。如果物理设备和虚拟模型仿真的性能差异较大，说明虚拟模型和物理设备不一致，这时需要反复调整模型的参数，对虚拟模型进行检验和校准，使其与真实对象保持一致。第三节数字孪生驱动的创新设计253.3主要的相关技术（5）数字孪生驱动的绿色设计绿色设计着眼于人与自然的生态平衡关系，在设计过程中充分考虑环境效益，尽量减少对环境的破坏和影响。绿色设计体现了人们对现代技术引起的环境及生态破坏的反思，体现了设计者的社会责任心的回归。数字孪生基于丰富的数据支持和可靠的虚拟验证，帮助设计人员在材料选择、零部件拆解、产品回收等方面实现绿色设计。产品零部件的拆解是在产品维修或产品报废时移除特定零部件的过程，拆解后的部件可再利用、再循环或再制造。然而，由于许多产品很难拆解，尽管有些零部件仍然有用，却不得不丢弃，造成浪费。数字孪生可以提供一些有效的解决方案。在回收过程中，数字孪生可以通过计算气体排放量、运营成本、社会消耗等难以直接测量的指标，并进行模拟，综合评估回收的可行性。第三节数字孪生驱动的创新设计263.3主要的相关技术（6）数字孪生驱动的精益设计精益设计以精益理念为指导，旨在简化产品设计，缩减工艺流程，避免因设计缺陷引发的产品质量问题，提高产品可靠度，降低产品总成本，同时，提升设计效率，缩短产品开发周期。数字孪生技术所包含的产品全生命周期数据，可以发现产品设计、制造、维护等环节中存在的浪费。例如，通过分析产品某个功能的使用频率、每次使用的持续时间等关键信息，可以识别非必要的功能；通过检查生产流程相关的数据，可以发现因设计而带来的制造工艺上的浪费；根据产品的维护记录，可以发现由于设计或制造原因而造成的维护环节的浪费。其次，基于产品的数字孪生模型，可以验证设计是否满足精益要求。由于数字孪生模型和物理实体之间有丰富的数据交换，例如工作负载、外部条件等，因此可以进行可靠的验证。第三节数字孪生驱动的创新设计273.3主要的相关技术（