本書以“工業(yè)4.0”和智能制造為背景，以數(shù)控機床為主要對象，圍繞智能制造裝備的設計、調(diào)試、運行，將“理論知識+項目實踐”有機結合，介紹了數(shù)字孿生驅(qū)動的新技術、新流程、新工藝，以“理實融合、專創(chuàng)融合”為主要特色，融入創(chuàng)新設計理念與方法、產(chǎn)品質(zhì)量觀念、工程意識等，培養(yǎng)能夠勝任數(shù)字化、智能化設計與制造的創(chuàng)新型工程師。
本書得到西門子公司資深技術人員和教育專家的支持，可以作為高等學校機械類及自動化類相關專業(yè)本科生的教材，也可供在研究設計單位、企業(yè)中從事制造裝備開發(fā)與應用的工程技術人員參考。
制造業(yè)是國民經(jīng)濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基，傳統(tǒng)制造業(yè)面臨著智能化改造和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的迫切需要。國防安全、航空航天、汽車等重點制造領域?qū)Ω叨酥圃煅b備的需求不斷增加，產(chǎn)品、裝備和過程是智能制造落地實施的三個支點，其中裝備是難點。因為裝備設計與制造需要機械、電氣、自動控制等多領域協(xié)同，研發(fā)風險大，開發(fā)周期長，生產(chǎn)成本高。
以高檔數(shù)控機床為代表的智能制造裝備，是復雜的機電一體化系統(tǒng)，必須以新的觀點來規(guī)劃和設計，才能降低研發(fā)風險和成本，在實際生產(chǎn)中快速形成生產(chǎn)力并創(chuàng)造價值，提高生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益。這就不僅要聚焦于裝備的技術性能，還要關注人、生態(tài)環(huán)境、全生命周期效益、人機協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展等各個方面。數(shù)字孿生技術以其在高保真建模與仿真、物理與虛擬數(shù)據(jù)融合、全生命周期數(shù)據(jù)集成、網(wǎng)絡物理交互、數(shù)據(jù)學習與分析等方面的獨特能力，成為智能制造裝備設計領域的核心技術和發(fā)展方向。
本書以數(shù)控機床為主要對象，面向智能制造裝備設計面臨的挑戰(zhàn)，參考了大量國內(nèi)外相關資料，結合編寫組多年的教學實踐經(jīng)驗和教學改革成果，采用“理論知識+項目實踐”的編寫方式，既介紹先進的設計理念和知識，又著重于實踐應用，將創(chuàng)新思想、創(chuàng)新方法、創(chuàng)新工具與專業(yè)理論和技術應用相融合。各章首先介紹創(chuàng)新設計理念、方法、平臺工具，然后均精選對應的“項目任務”，所選案例在選題上具有開放性，在應用上具有典型性，在技術上體現(xiàn)先進性。
本書共分七章。第1章簡要介紹制造業(yè)的發(fā)展，闡明智能制造裝備的重要地位和面臨的挑戰(zhàn)，介紹在新一代信息技術應用背景下，數(shù)控機床的數(shù)字化設計、制造與管理；第2章介紹數(shù)字孿生技術及其在制造、醫(yī)療、智慧城市領域的典型應用，對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集及應用做了概括；第3章以數(shù)控機床為例，介紹制造裝備設計的基本理論以及數(shù)字孿生驅(qū)動的創(chuàng)新設計，介紹TＲIZ理論及其在設計制造領域的應用；第4章介紹數(shù)控機床主要的設計要求和總體結構設計的原則和方法，介紹機床的總體結構和運動配置設計，主運動系統(tǒng)和進給運動系統(tǒng)設計方法；第5章介紹電氣控制系統(tǒng)設計的相關技術標準、設計原則和設計內(nèi)容，并結合實例，給出電氣控制系統(tǒng)圖的設計；第6章介紹數(shù)字孿生驅(qū)動的機電一體化協(xié)同設計，介紹機械創(chuàng)新設計的要求和建模要點，控制系統(tǒng)的建模方法以及機電耦合模型，給出數(shù)控機床的機電一體化設計及虛擬調(diào)試案例；第7章從使用制造裝備進行零部件生產(chǎn)的維度，介紹數(shù)字孿生驅(qū)動的數(shù)字化生產(chǎn)過程。
西門子數(shù)控（南京）有限公司高級工程師陳勇、西門子創(chuàng)新與發(fā)展部專家楊軼峰為本書的編寫提供了切實的建議和最新的技術資料，使本書的內(nèi)容真正聯(lián)系行業(yè)技術發(fā)展和工程實踐。本書由汪木蘭教授主審，并提出了許多寶貴的修改意見和建議，在此表示衷心的感謝。本書的編寫工作得到了南京工程學院領導、老師的關心和支持，李耀老師為本書的編寫提供了有價值的參考資料。編寫過程中參閱了國內(nèi)外相關教材和其他資料，在此對相關作者謹致謝意。
由于編者的學識水平和實踐經(jīng)驗有限，書中難免存在不妥之處，懇請讀者不吝指正。
編者
智能制造裝備創(chuàng)新設計前言前言
第1章緒論1
1.1數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展1
1.1.1數(shù)控機床的產(chǎn)生和發(fā)展1
1.1.2我國數(shù)控機床及制造業(yè)的發(fā)展5
1.1.3智能制造及其背景6
1.2數(shù)控機床設計面臨的挑戰(zhàn)8
1.2.1高端數(shù)控機床的關鍵技術8
1.2.2數(shù)控機床設計面臨的挑戰(zhàn)9
1.3數(shù)字化設計與制造10
1.3.1數(shù)字化設計技術10
1.3.2數(shù)字化制造技術11
1.3.3數(shù)字化管理技術12
本章習題12
第2章數(shù)字孿生技術13
2.1數(shù)字孿生概述13
2.1.1數(shù)字孿生及其發(fā)展13
2.1.2幾個重要的關系15
2.1.3數(shù)字孿生的應用領域17
2.1.4數(shù)字孿生帶來的變化22
2.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)采集22
2.2.1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)22
2.2.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在制造業(yè)的應用24
2.2.3工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為數(shù)字孿生技術
使能25
2.2.4數(shù)據(jù)采集和傳輸25
2.3數(shù)字孿生與數(shù)控機床設計27
2.3.1數(shù)控機床的數(shù)字化設計27
2.3.2數(shù)控機床的虛擬調(diào)試29
2.3.3數(shù)控機床數(shù)字孿生技術的優(yōu)勢33
2.4數(shù)字孿生與數(shù)控機床應用34
2.4.1產(chǎn)品設計階段35
2.4.2生產(chǎn)規(guī)劃階段35
2.4.3生產(chǎn)執(zhí)行階段37
2.4.4生產(chǎn)服務階段39
項目1初識數(shù)字孿生技術40
本章習題44
第3章數(shù)控機床設計理論與方法46
3.1數(shù)控機床設計的基本理論與方法46
3.1.1數(shù)控機床的設計要求46
3.1.2數(shù)控機床的設計方法47
3.1.3數(shù)控機床的設計思想47
3.1.4數(shù)控機床設計的新視角 48
3.1.5數(shù)控機床設計的新方法49
3.2TRIZ理論與創(chuàng)新方法51
3.2.1TＲIZ理論的組成51
3.2.2TＲIZ解決問題的流程54
3.2.3TRIZ在設計制造領域的應用55
3.3數(shù)字孿生驅(qū)動的創(chuàng)新設計57
3.3.1數(shù)字孿生與創(chuàng)新設計57
3.3.2數(shù)字孿生驅(qū)動的創(chuàng)新設計流程57
3.3.3主要的相關技術59
3.3.4應用案例62
項目2基于TRIZ理論的創(chuàng)新方案設計63
本章習題68
第4章數(shù)控機床結構設計69
4.1數(shù)控機床結構設計概述69
4.1.1數(shù)控機床結構概述69
4.1.2機床設計的基本概念71
4.1.3結構設計的原則73
4.1.4結構設計的方法74
4.2數(shù)控機床結構的總體設計78
4.2.1總體結構方案設計78
4.2.2結構件的材料81
4.2.3數(shù)控機床的基礎結構件83
4.3數(shù)控機床主運動系統(tǒng)機械結構88
4.3.1主運動系統(tǒng)概述88
4.3.2擬定驅(qū)動方案90
4.3.3主傳動方式92
4.3.4主軸部件93
4.3.5主軸電動機100
4.3.6具有數(shù)控回轉(zhuǎn)軸的主軸頭103
4.4數(shù)控機床進給運動系統(tǒng)機械結構104
4.4.1進給運動系統(tǒng)概述104
4.4.2進給運動系統(tǒng)的設計方案擬定107
4.4.3滾珠絲杠螺母副107
4.4.4交流永磁同步伺服電動機110
4.4.5直接進給驅(qū)動系統(tǒng)113
4.5數(shù)控機床輔助功能系統(tǒng)114
4.5.1自動換刀裝置114
4.5.2液壓和氣動系統(tǒng)117
4.5.3排屑裝置118
項目3數(shù)控機床功能部件的設計118
本章習題120
智能制造裝備創(chuàng)新設計目錄第5章數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)設計122
5.1機床電氣控制系統(tǒng)設計概述122
5.1.1機床電氣控制技術的發(fā)展122
5.1.2數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)的組成123
5.1.3數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)設計124
5.2機床的數(shù)控裝置127
5.2.1計算機數(shù)字控制技術127
5.2.2數(shù)控裝置的組成及接口129
5.2.3數(shù)控裝置的信息流程131
5.3數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)133
5.3.1數(shù)控機床伺服驅(qū)動系統(tǒng)概述133
5.3.2數(shù)控機床的調(diào)速控制135
5.3.3數(shù)控機床的位置控制140
5.4數(shù)控機床的PLC控制146
5.4.1數(shù)控系統(tǒng)中的PLC146
5.4.2PLC 的輸入輸出信號147
5.4.3PLC典型控制功能設計147
5.5數(shù)控機床電氣控制線路152
5.5.1電氣控制系統(tǒng)的組成152
5.5.2主電路及電源電路153
5.5.3控制電路156
5.5.4數(shù)控裝置和伺服裝置的連接157
5.5.5PLC輸入輸出電路158
項目4數(shù)控機床的電氣設計和調(diào)試160
本章習題162
第6章數(shù)字孿生驅(qū)動的機電一體化
設計163
6.1機電一體化概念設計163
6.1.1機電一體化概念設計的定義164
6.1.2基于模型的機電一體化設計165
6.1.3數(shù)字孿生與協(xié)同設計166
6.1.4多學科協(xié)同設計平臺168
6.2數(shù)字孿生驅(qū)動的機械結構設計168
6.2.1數(shù)字孿生驅(qū)動的機械結構設計的
優(yōu)勢169
6.2.2數(shù)控機床機械結構創(chuàng)新設計的
要求169
6.2.3機械結構設計階段的虛擬模型170
6.2.4數(shù)字孿生驅(qū)動的數(shù)控機床虛擬
樣機172
6.3數(shù)字孿生驅(qū)動的控制系統(tǒng)設計174
6.3.1控制系統(tǒng)建模174
6.3.2數(shù)控機床的機電耦合模型175
6.3.3數(shù)字孿生模型的實時更新175
6.4數(shù)字孿生在各階段的應用176
6.4.1在數(shù)控機床的設計階段的應用176
6.4.2在數(shù)控機床的運行階段178
6.4.3在數(shù)控機床的維護階段178
6.5機電一體化設計與虛擬調(diào)試案例178
6.5.1機電一體化設計與調(diào)試的軟硬件
平臺179
6.5.2基于NX MCD 的機械建模 180
6.5.3數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)及PLC程序
設計184
6.5.4SIMIT的配置與虛擬調(diào)試187
6.5.5數(shù)字孿生體與實體的聯(lián)調(diào)191
6.5.6基于數(shù)字孿生的協(xié)同設計的
優(yōu)勢192
項目5數(shù)控機床上下料系統(tǒng)機電一體化
設計與虛擬調(diào)試192
本章習題196
第7章數(shù)字孿生驅(qū)動的數(shù)字化生產(chǎn)198
7.1生產(chǎn)規(guī)劃的數(shù)字化198
7.1.1機械加工工藝規(guī)劃198
7.1.2切削及測量策略的制定201
7.1.3生產(chǎn)資源規(guī)劃203
7.1.4質(zhì)量檢測控制204
7.1.5基于數(shù)字孿生的工藝設計評估207
7.2生產(chǎn)工程數(shù)字化208
7.2.1生產(chǎn)作業(yè)指導書208
7.2.2生產(chǎn)過程的虛擬仿真210
7.2.
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