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| 內容簡介： |
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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。
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智能制造装备创新设计前言前言第1章绪论11.1数控机床及制造业的发展11.1.1数控机床的产生和发展11.1.2我国数控机床及制造业的发展51.1.3智能制造及其背景61.2数控机床设计面临的挑战81.2.1高端数控机床的关键技术81.2.2数控机床设计面临的挑战91.3数字化设计与制造101.3.1数字化设计技术101.3.2数字化制造技术111.3.3数字化管理技术12本章习题12第2章数字孪生技术132.1数字孪生概述132.1.1数字孪生及其发展132.1.2几个重要的关系152.1.3数字孪生的应用领域172.1.4数字孪生带来的变化222.2工业互联网及数据采集222.2.1工业互联网222.2.2工业互联网在制造业的应用242.2.3工业互联网为数字孪生技术使能252.2.4数据采集和传输252.3数字孪生与数控机床设计272.3.1数控机床的数字化设计272.3.2数控机床的虚拟调试292.3.3数控机床数字孪生技术的优势332.4数字孪生与数控机床应用342.4.1产品设计阶段352.4.2生产规划阶段352.4.3生产执行阶段372.4.4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463.1数控机床设计的基本理论与方法463.1.1数控机床的设计要求463.1.2数控机床的设计方法473.1.3数控机床的设计思想473.1.4数控机床设计的新视角 483.1.5数控机床设计的新方法493.2TRIZ理论与创新方法513.2.1TＲIZ理论的组成513.2.2TＲIZ解决问题的流程543.2.3TRIZ在设计制造领域的应用553.3数字孪生驱动的创新设计573.3.1数字孪生与创新设计573.3.2数字孪生驱动的创新设计流程573.3.3主要的相关技术593.3.4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694.1数控机床结构设计概述694.1.1数控机床结构概述694.1.2机床设计的基本概念714.1.3结构设计的原则734.1.4结构设计的方法744.2数控机床结构的总体设计784.2.1总体结构方案设计784.2.2结构件的材料814.2.3数控机床的基础结构件834.3数控机床主运动系统机械结构884.3.1主运动系统概述884.3.2拟定驱动方案904.3.3主传动方式924.3.4主轴部件934.3.5主轴电动机1004.3.6具有数控回转轴的主轴头1034.4数控机床进给运动系统机械结构1044.4.1进给运动系统概述1044.4.2进给运动系统的设计方案拟定1074.4.3滚珠丝杠螺母副1074.4.4交流永磁同步伺服电动机1104.4.5直接进给驱动系统1134.5数控机床辅助功能系统1144.5.1自动换刀装置1144.5.2液压和气动系统1174.5.3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智能制造装备创新设计目录第5章数控机床电气控制系统设计1225.1机床电气控制系统设计概述1225.1.1机床电气控制技术的发展1225.1.2数控机床电气控制系统的组成1235.1.3数控机床电气控制系统设计1245.2机床的数控装置1275.2.1计算机数字控制技术1275.2.2数控装置的组成及接口1295.2.3数控装置的信息流程1315.3数控机床的伺服驱动系统1335.3.1数控机床伺服驱动系统概述1335.3.2数控机床的调速控制1355.3.3数控机床的位置控制1405.4数控机床的PLC控制1465.4.1数控系统中的PLC1465.4.2PLC 的输入输出信号1475.4.3PLC典型控制功能设计1475.5数控机床电气控制线路1525.5.1电气控制系统的组成1525.5.2主电路及电源电路1535.5.3控制电路1565.5.4数控装置和伺服装置的连接1575.5.5PLC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1636.1机电一体化概念设计1636.1.1机电一体化概念设计的定义1646.1.2基于模型的机电一体化设计1656.1.3数字孪生与协同设计1666.1.4多学科协同设计平台1686.2数字孪生驱动的机械结构设计1686.2.1数字孪生驱动的机械结构设计的优势1696.2.2数控机床机械结构创新设计的要求1696.2.3机械结构设计阶段的虚拟模型1706.2.4数字孪生驱动的数控机床虚拟样机1726.3数字孪生驱动的控制系统设计1746.3.1控制系统建模1746.3.2数控机床的机电耦合模型1756.3.3数字孪生模型的实时更新1756.4数字孪生在各阶段的应用1766.4.1在数控机床的设计阶段的应用1766.4.2在数控机床的运行阶段1786.4.3在数控机床的维护阶段1786.5机电一体化设计与虚拟调试案例1786.5.1机电一体化设计与调试的软硬件平台1796.5.2基于NX MCD 的机械建模 1806.5.3数控系统参数及PLC程序设计1846.5.4SIMIT的配置与虚拟调试1876.5.5数字孪生体与实体的联调1916.5.6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1987.1生产规划的数字化1987.1.1机械加工工艺规划1987.1.2切削及测量策略的制定2017.1.3生产资源规划2037.1.4质量检测控制2047.1.5基于数字孪生的工艺设计评估2077.2生产工程数字化2087.2.1生产作业指导书2087.2.2生产过程的虚拟仿真2107.2.
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制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基，传统制造业面临着智能化改造和数字化转型的迫切需要。国防安全、航空航天、汽车等重点制造领域对高端制造装备的需求不断增加，产品、装备和过程是智能制造落地实施的三个支点，其中装备是难点。因为装备设计与制造需要机械、电气、自动控制等多领域协同，研发风险大，开发周期长，生产成本高。 以高档数控机床为代表的智能制造装备，是复杂的机电一体化系统，必须以新的观点来规划和设计，才能降低研发风险和成本，在实际生产中快速形成生产力并创造价值，提高生产率和经济效益。这就不仅要聚焦于装备的技术性能，还要关注人、生态环境、全生命周期效益、人机协调和可持续发展等各个方面。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、全生命周期数据集成、网络物理交互、数据学习与分析等方面的独特能力，成为智能制造装备设计领域的核心技术和发展方向。 本书以数控机床为主要对象，面向智能制造装备设计面临的挑战，参考了大量国内外相关资料，结合编写组多年的教学实践经验和教学改革成果，采用“理论知识+项目实践”的编写方式，既介绍先进的设计理念和知识，又着重于实践应用，将创新思想、创新方法、创新工具与专业理论和技术应用相融合。各章首先介绍创新设计理念、方法、平台工具，然后均精选对应的“项目任务”，所选案例在选题上具有开放性，在应用上具有典型性，在技术上体现先进性。 本书共分七章。第1章简要介绍制造业的发展，阐明智能制造装备的重要地位和面临的挑战，介绍在新一代信息技术应用背景下，数控机床的数字化设计、制造与管理；第2章介绍数字孪生技术及其在制造、医疗、智慧城市领域的典型应用，对工业互联网、数据采集及应用做了概括；第3章以数控机床为例，介绍制造装备设计的基本理论以及数字孪生驱动的创新设计，介绍TＲIZ理论及其在设计制造领域的应用；第4章介绍数控机床主要的设计要求和总体结构设计的原则和方法，介绍机床的总体结构和运动配置设计，主运动系统和进给运动系统设计方法；第5章介绍电气控制系统设计的相关技术标准、设计原则和设计内容，并结合实例，给出电气控制系统图的设计；第6章介绍数字孪生驱动的机电一体化协同设计，介绍机械创新设计的要求和建模要点，控制系统的建模方法以及机电耦合模型，给出数控机床的机电一体化设计及虚拟调试案例；第7章从使用制造装备进行零部件生产的维度，介绍数字孪生驱动的数字化生产过程。 西门子数控（南京）有限公司高级工程师陈勇、西门子创新与发展部专家杨轶峰为本书的编写提供了切实的建议和最新的技术资料，使本书的内容真正联系行业技术发展和工程实践。本书由汪木兰教授主审，并提出了许多宝贵的修改意见和建议，在此表示衷心的感谢。本书的编写工作得到了南京工程学院领导、老师的关心和支持，李耀老师为本书的编写提供了有价值的参考资料。编写过程中参阅了国内外相关教材和其他资料，在此对相关作者谨致谢意。 由于编者的学识水平和实践经验有限，书中难免存在不妥之处，恳请读者不吝指正。编者
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