本書以“工業4.0”和智能制造為背景，以數控機床為主要對象，圍繞智能制造裝備的設計、調試、運行，將“理論知識+項目實踐”有機結合，介紹了數字孿生驅動的新技術、新流程、新工藝，以“理實融合、專創融合”為主要特色，融入創新設計理念與方法、產品質量觀念、工程意識等，培養能夠勝任數字化、智能化設計與制造的創新型工程師。
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本科生的教材，也可供在研究設計單位、企業中從事制造裝備開發與應用的工程技術人員參考。
制造業是國民經濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基，傳統制造業面臨著智能化改造和數字化轉型的迫切需要。國防安全、航空航天、汽車等重點制造領域對高端制造裝備的需求不斷增加，產品、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同，研發風險大，開發周期長，生產成本高。
以高檔數控機床為代表的智能制造裝備，是復雜的機電一體化系統，必須以新的觀點來規劃和設計，才能降低研發風險和成本，在實際生產中快速形成生產力并創造價值，提高生產率和經濟效益。這就不僅要聚焦于裝備的技術性能，還要關注人、生態環境、全生命周期效益、人機協調和可持續發展等各個方面。數字孿生技術以其在高保真建模與仿真、物理與虛擬數據融合、全生命周期數據集成、網絡物理交互、數據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展方向。
本書以數控機床為主要對象，面向智能制造裝備設計面臨的挑戰，參考了大量國內外相關資料，結合編寫組多年的教學實踐經驗和教學改革成果，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，將創新思想、創新方法、創新工具與專業理論和技術應用相融合。各章首先介紹創新設計理念、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，在技術上體現先進性。
本書共分七章。第1章簡要介紹制造業的發展，闡明智能制造裝備的重要地位和面臨的挑戰，介紹在新一代信息技術應用背景下，數控機床的數字化設計、制造與管理；第2章介紹數字孿生技術及其在制造、醫療、智慧城市領域的典型應用，對工業互聯網、數據采集及應用做了概括；第3章以數控機床為例，介紹制造裝備設計的基本理論以及數字孿生驅動的創新設計，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，主運動系統和進給運動系統設計方法；第5章介紹電氣控制系統設計的相關技術標準、設計原則和設計內容，并結合實例，給出電氣控制系統圖的設計；第6章介紹數字孿生驅動的機電一體化協同設計，介紹機械創新設計的要求和建模要點，控制系統的建模方法以及機電耦合模型，給出數控機床的機電一體化設計及虛擬調試案例；第7章從使用制造裝備進行零部件生產的維度，介紹數字孿生驅動的數字化生產過程。
西門子數控（南京）有限公司高級工程師陳勇、西門子創新與發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，使本書的內容真正聯系行業技術發展和工程實踐。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
智能制造裝備創新設計前言前言
第1章緒論1
1.1數控機床及制造業的發展1
1.1.1數控機床的產生和發展1
1.1.2我國數控機床及制造業的發展5
1.1.3智能制造及其背景6
1.2數控機床設計面臨的挑戰8
1.2.1高端數控機床的關鍵技術8
1.2.2數控機床設計面臨的挑戰9
1.3數字化設計與制造10
1.3.1數字化設計技術10
1.3.2數字化制造技術11
1.3.3數字化管理技術12
本章習題12
第2章數字孿生技術13
2.1數字孿生概述13
2.1.1數字孿生及其發展13
2.1.2幾個重要的關系15
2.1.3數字孿生的應用領域17
2.1.4數字孿生帶來的變化22
2.2工業互聯網及數據采集22
2.2.1工業互聯網22
2.2.2工業互聯網在制造業的應用24
2.2.3工業互聯網為數字孿生技術
使能25
2.2.4數據采集和傳輸25
2.3數字孿生與數控機床設計27
2.3.1數控機床的數字化設計27
2.3.2數控機床的虛擬調試29
2.3.3數控機床數字孿生技術的優勢33
2.4數字孿生與數控機床應用34
2.4.1產品設計階段35
2.4.2生產規劃階段35
2.4.3生產執行階段37
2.4.4生產服務階段39
項目1初識數字孿生技術40
本章習題44
第3章數控機床設計理論與方法46
3.1數控機床設計的基本理論與方法46
3.1.1數控機床的設計要求46
3.1.2數控機床的設計方法47
3.1.3數控機床的設計思想47
3.1.4數控機床設計的新視角 48
3.1.5數控機床設計的新方法49
3.2TRIZ理論與創新方法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數字孿生驅動的創新設計57
3.3.1數字孿生與創新設計57
3.3.2數字孿生驅動的創新設計流程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理論的創新方案設計63
本章習題68
第4章數控機床結構設計69
4.1數控機床結構設計概述69
4.1.1數控機床結構概述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數控機床的基礎結構件83
4.3數控機床主運動系統機械結構88
4.3.1主運動系統概述88
4.3.2擬定驅動方案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具有數控回轉軸的主軸頭103
4.4數控機床進給運動系統機械結構104
4.4.1進給運動系統概述104
4.4.2進給運動系統的設計方案擬定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直接進給驅動系統113
4.5數控機床輔助功能系統114
4.5.1自動換刀裝置114
4.5.2液壓和氣動系統117
4.5.3排屑裝置118
項目3數控機床功能部件的設計118
本章習題120
智能制造裝備創新設計目錄第5章數控機床電氣控制系統設計122
5.1機床電氣控制系統設計概述122
5.1.1機床電氣控制技術的發展122
5.1.2數控機床電氣控制系統的組成123
5.1.3數控機床電氣控制系統設計124
5.2機床的數控裝置127
5.2.1計算機數字控制技術127
5.2.2數控裝置的組成及接口129
5.2.3數控裝置的信息流程131
5.3數控機床的伺服驅動系統133
5.3.1數控機床伺服驅動系統概述133
5.3.2數控機床的調速控制135
5.3.3數控機床的位置控制140
5.4數控機床的PLC控制146
5.4.1數控系統中的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數控機床電氣控制線路152
5.5.1電氣控制系統的組成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數控機床的電氣設計和調試160
本章習題162
第6章數字孿生驅動的機電一體化
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數字孿生與協同設計166
6.1.4多學科協同設計平臺168
6.2數字孿生驅動的機械結構設計168
6.2.1數字孿生驅動的機械結構設計的
優勢169
6.2.2數控機床機械結構創新設計的
要求169
6.2.3機械結構設計階段的虛擬模型170
6.2.4數字孿生驅動的數控機床虛擬
樣機172
6.3數字孿生驅動的控制系統設計174
6.3.1控制系統建模174
6.3.2數控機床的機電耦合模型175
6.3.3數字孿生模型的實時更新175
6.4數字孿生在各階段的應用176
6.4.1在數控機床的設計階段的應用176
6.4.2在數控機床的運行階段178
6.4.3在數控機床的維護階段178
6.5機電一體化設計與虛擬調試案例178
6.5.1機電一體化設計與調試的軟硬件
平臺179
6.5.2基于NX MCD 的機械建模 180
6.5.3數控系統參數及PLC程序
設計184
6.5.4SIMIT的配置與虛擬調試187
6.5.5數字孿生體與實體的聯調191
6.5.6基于數字孿生的協同設計的
優勢192
項目5數控機床上下料系統機電一體化
設計與虛擬調試192
本章習題196
第7章數字孿生驅動的數字化生產198
7.1生產規劃的數字化198
7.1.1機械加工工藝規劃198
7.1.2切削及測量策略的制定201
7.1.3生產資源規劃203
7.1.4質量檢測控制204
7.1.5基于數字孿生的工藝設計評估207
7.2生產工程數字化208
7.2.1生產作業指導書208
7.2.2生產過程的虛擬仿真210
7.2.
新書資訊