智能制造装备创新设计

本书以“工业4.0”和智能制造为背景，以数控机床为主要对象，围绕智能制造装备的设计、调试、运行，将“理论知识+项目实践”有机结合，介绍了数字孪生驱动的新技术、新流程、新工艺，以“理实融合、专创融合”为主要特色，融入创新设计理念与方法、产品质量观念、工程意识等，培养能够胜任数字化、智能化设计与制造的创新型工程师。本书得到西门子公司资深技术人员和教育专家的支持，可以作为高等学校机械类及自动化类相关专业本科生的教材，也可供在研究设计单位、企业中从事制造装备开发与应用的工程技术人员参考。

前言
第1章绪论1
1.1数控机床及制造业的发展1
1.1.1数控机床的产生和发展1
1.1.2我国数控机床及制造业的发展5
1.1.3智能制造及其背景6
1.2数控机床设计面临的挑战8
1.2.1高端数控机床的关键技术8
1.2.2数控机床设计面临的挑战9
1.3数字化设计与制造10
1.3.1数字化设计技术10
1.3.2数字化制造技术11
1.3.3数字化管理技术12
本章习题12
第2章数字孪生技术13
2.1数字孪生概述13
2.1.1数字孪生及其发展13
2.1.2几个重要的关系15
2.1.3数字孪生的应用领域17
2.1.4数字孪生带来的变化22
2.2工业互联网及数据采集22
2.2.1工业互联网22
2.2.2工业互联网在制造业的应用24
2.2.3工业互联网为数字孪生技术使能25
2.2.4数据采集和传输25
2.3数字孪生与数控机床设计27
2.3.1数控机床的数字化设计27
2.3.2数控机床的虚拟调试29
2.3.3数控机床数字孪生技术的优势33
2.4数字孪生与数控机床应用34
2.4.1产品设计阶段35
2.4.2生产规划阶段35
2.4.3生产执行阶段37
2.4.4生产服务阶段39
项目1初识数字孪生技术40
本章习题44
第3章数控机床设计理论与方法46
3.1数控机床设计的基本理论与方法46
3.1.1数控机床的设计要求46
3.1.2数控机床的设计方法47
3.1.3数控机床的设计思想47
3.1.4数控机床设计的新视角48
3.1.5数控机床设计的新方法49
3.2TRIZ理论与创新方法51
3.2.1TＲIZ理论的组成51
3.2.2TＲIZ解决问题的流程54
3.2.3TRIZ在设计制造领域的应用55
3.3数字孪生驱动的创新设计57
3.3.1数字孪生与创新设计57
3.3.2数字孪生驱动的创新设计流程57
3.3.3主要的相关技术59
3.3.4应用案例62
项目2基于TRIZ理论的创新方案设计63
本章习题68
第4章数控机床结构设计69
4.1数控机床结构设计概述69
4.1.1数控机床结构概述69
4.1.2机床设计的基本概念71
4.1.3结构设计的原则73
4.1.4结构设计的方法74
4.2数控机床结构的总体设计78
4.2.1总体结构方案设计78
4.2.2结构件的材料81
4.2.3数控机床的基础结构件83
4.3数控机床主运动系统机械结构88
4.3.1主运动系统概述88
4.3.2拟定驱动方案90
4.3.3主传动方式92
4.3.4主轴部件93
4.3.5主轴电动机100
4.3.6具有数控回转轴的主轴头103
4.4数控机床进给运动系统机械结构104
4.4.1进给运动系统概述104
4.4.2进给运动系统的设计方案拟定107
4.4.3滚珠丝杠螺母副107
4.4.4交流永磁同步伺服电动机110
4.4.5直接进给驱动系统113
4.5数控机床辅助功能系统114
4.5.1自动换刀装置114
4.5.2液压和气动系统117
4.5.3排屑装置118
项目3数控机床功能部件的设计118
本章习题120
第5章数控机床电气控制系统设计122
5.1机床电气控制系统设计概述122
5.1.1机床电气控制技术的发展122
5.1.2数控机床电气控制系统的组成123
5.1.3数控机床电气控制系统设计124
5.2机床的数控装置127
5.2.1计算机数字控制技术127
5.2.2数控装置的组成及接口129
5.2.3数控装置的信息流程131
5.3数控机床的伺服驱动系统133
5.3.1数控机床伺服驱动系统概述133
5.3.2数控机床的调速控制135
5.3.3数控机床的位置控制140
5.4数控机床的PLC控制146
5.4.1数控系统中的PLC146
5.4.2PLC的输入输出信号147
5.4.3PLC典型控制功能设计147
5.5数控机床电气控制线路152
5.5.1电气控制系统的组成152
5.5.2主电路及电源电路153
5.5.3控制电路156
5.5.4数控装置和伺服装置的连接157
5.5.5PLC输入输出电路158
项目4数控机床的电气设计和调试160
本章习题162
第6章数字孪生驱动的机电一体化设计163
6.1机电一体化概念设计163
6.1.1机电一体化概念设计的定义164
6.1.2基于模型的机电一体化设计165
6.1.3数字孪生与协同设计166
6.1.4多学科协同设计平台168
6.2数字孪生驱动的机械结构设计168
6.2.1数字孪生驱动的机械结构设计的优势169
6.2.2数控机床机械结构创新设计的要求169
6.2.3机械结构设计阶段的虚拟模型170
6.2.4数字孪生驱动的数控机床虚拟样机172
6.3数字孪生驱动的控制系统设计174
6.3.1控制系统建模174
6.3.2数控机床的机电耦合模型175
6.3.3数字孪生模型的实时更新175
6.4数字孪生在各阶段的应用176
6.4.1在数控机床的设计阶段的应用176
6.4.2在数控机床的运行阶段178
6.4.3在数控机床的维护阶段178
6.5机电一体化设计与虚拟调试案例178
6.5.1机电一体化设计与调试的软硬件平台179
6.5.2基于NXMCD的机械建模180
6.5.3数控系统参数及PLC程序设计184
6.5.4SIMIT的配置与虚拟调试187
6.5.5数字孪生体与实体的联调191
6.5.6基于数字孪生的协同设计的优势192
项目5数控机床上下料系统机电一体化设计与虚拟调试192
本章习题196
第7章数字孪生驱动的数字化生产198
7.1生产规划的数字化198
7.1.1机械加工工艺规划198
7.1.2切削及测量策略的制定201
7.1.3生产资源规划203
7.1.4质量检测控制204
7.1.5基于数字孪生的工艺设计评估207
7.2生产工程数字化208
7.2.1生产作业指导书208
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