数字孪生技术的非标产品演变设计研究

一般来说，企业设计流程是从产品技术协议数据入手、引出产品型号数据、找出该型号设计数据演变规则、对产品数据进行分类、落实至各设计人员，开展各零部件模型数据分析，包括尺寸查表、计算、更改三维模型、绘制二维图纸、校对、审核等，具有很强的共性。具体涵盖：

数据翻译。企业的经商活动是在订单签定下驱动与展开，订单合同中必然有型号或产品技术协议数据要求，协议数据会明确产品的特性、功能性等一些附加要求等。但产品的技术协议数据一般不能直接用于产品设计，如压力、温度、速度、电流、功率、型号、品牌等都不能直接用于设计。从图形理解设计，设计是控制形体的大小与形体的有无。压力、型号等则需要翻译成具体的模型尺寸数据才能正确用于形体设计，所以企业的第一步工作是协议数据翻译。

协议数据分析。产品技术协议数据针对于不同产品有不同的技术描述数据，非标产品与系列化产品也有规范且属于自身的技术协议数据。非标产品的技术协议在签定合同前已严格审核，确认技术协议参数的可行性、可靠性等。技术协议参数属于产品功能性、形体性、特征性、效能性等等的技术规范性描述数据，产品的技术协议数据需通过翻译、查表、计算、判断、关联、引用等。一般合同中的协议数据在50个左右(属小数据驱动的产品设计)，但能驱动上万个或更多的模型尺寸数据的调整与产品结构改变。

设计数据分配。企业依据规则会产生各种各样的总设计数据，包括引用数据、各环节细节引用总参数等。有些数据需通过计算分析才能分配落实，且将数据分配至各设计人员、各部件管控数据对象与各自所承担的演变任务等。

部件数据处理。设计人员依据分配数据与该产品设计规则，依据本次所改动内容进行数据的初步演算。分析改动内容与整体结构关系、改动形体的控制范围等。此间，需完成整理设计规则、计算公式、查表范围、控制需求与选择结构等方面落实工作。

三维模型设计调整。数据初步验证后，逐一落实每一模型的尺寸数据，对所属零件进行逐一尺寸调整。对各零件生成新部件装配体，依据产品分配数据进行总装配体形体数据验证等。

二维工程图绘制。依据各零件作用特性等，对其进行主视图选定、其它视图表达等。对各视图的尺寸精度、公差控制、形位公差与表面粗糙度等标注针对性处理，最终产生该整套产品工程图图纸。

　　三维模型直径尺寸值变大后，图纸修改调整示意图

经验与知识。在设计相同类型产品时，所引用产品知识数据与设计经验基本相同，且经验在同类产品设计中可重复性性，所以同类产品设计经验相仿、知识类同。

初步审核。设计三维模型与二维图纸提交至主任设计师进行部分数据的核实等。

各企业产品设计流程相近，分析与挖掘流程的共性具有重要意义。而设计方法的应用从宏观角度分析也基本相近与类同，都有手工参与完成设计工作，数据处于离散性与非关联性，所有引用都需要设计人员逐一计算、逐一落实等。而手工处理的正确性、可靠性、完整性等是一个不确定因素，极其影响设计质量。

企业在产品设计过程中的数据处理流程也具有共性，包括输入数据、数据翻译、查表数据、计算数据、逻辑分析数据、关联数据、相互引用数据，最终与模型尺寸相互关联数据等。

数据翻译。一般产品设计过程中有两处需要进行数据翻译，一是合同技术协议数据翻译，主要是名词代号如型号等，产品设计主要是控制形体尺寸数据值，需要进行转换处理，让型号延伸出一组数组集用于产品设计。二是在中间环节中的数值查询翻译为名词过程，主要指选用对象如轴尺寸值50mm，此时所选择的联轴器型号名词等。数据翻译存在于产品设计的各个环节中，有正向或反向的翻译操作。产品设计人员都能理解双向翻译之事，数据值与名称间的对应关系等。

查表数据。许多产品设计信息数据都需查表操作，查表是产品设计过程中最为重要的数据来源环节，设计者对国标、行标、企标等数据逐一选用落实。如选择区间范围、确认计算系数值、模型尺寸、计算校对数据等。产品设计的数据源并只有产品技术协议数据，而是各环节中都有可能扩充源数据。

计算数据。模型尺寸数据并非直接获得或单独存在，而需数据组合分析、计算分析、引用分析、数据结果等判断处理，从而控制模型尺寸演变。计算是有输入数据，计算公式等，当然也需结果数据验证与分析。

逻辑分析。在查表数据或计算数据需数据验证与判断等，如处于边缘处或超出范围之外时，需分析数据的趋向性分析或调整计算公式数值、计算公式、依据经验强制某一值等特殊处理等，总之选用一个最佳尺寸数值与对象物。

关联数据与引用数据。产品中所有模型间的尺寸数据并非各自独立，所有模型尺寸数据都具有相互间引用、相互间关联、相互间制约等。数据关联性与引用性是设计产品共用方法，而提取出协议数据来驱动整个产品设计是系统的关键。

数据方法类同。对于同类非标产品设计数据而言，所引用的计算公式基本相同或相似，则是计算值不同。数据逻辑分析相同，则是域值有所不同。同类非标产品的数学建模规则具有相同性，数据方法类同且可孪生演变。

模型尺寸数据。模型尺寸数据来源于上述各个环节中的数据值，它可在各环节中引用、也可逻辑分析获取数据，从而实现设计数据驱动性。

产品设计流程数据的数据集受之于技术协议数据的内容值，随着协议数据的确定集，在获取方法、逻辑分析、计算方法等演变的各种数据。产品模型尺寸数据须在一定范围内逐一关联、逐一绑定。同类型设计流程具有相同性,数据的变化导致非标设计的演变。

从数据角度分析产品设计会突破形体设计思考范围，并拓展非标设计应用。之前是依靠形体来理解组合设计，现在从数学角度分析数据集，其各排列组合所产生数据，可演变数据远远超过形体组合思维范畴。当然数据组合切合实际，但有些数据组合会突破常规理解，拓展设计范围（有些数据组合胜于形体思考）。所以数学建模会提升与拓展产品设计范围。

尽管具有相同的设计流程和数据处理流程，但各企业设计的产品不相同，各环节中方法对象与运作数据也不相同，计算公式不同、查表数据不同等，所以产生出各种各样的机械产品设计。不过，在各环节数据产生后，数据与三维模型间的尺寸数据关联与引用等，产生二维图纸的过程与方法等是相通与相同的。

同类产品设计具有相同数学建模方法。在同类产品设计时其数据方法确定、应用数据范围相同、产品设计过程控制也相同、产品引用数据来源也基本相同。产品形体的大小演变与形体结构改变，是产生系列化产品设计与非标产品设计具有相同的基础数据与处理方法。

设计流程的重复、数据流程的重复、方法与应用数据的重复等，带来的是经验重复、知识重复、方法与手段重复、离散数据管理的重复等，可以有效解决产品形体可变性、结构重组性，满足产品功能性需求。基于此，我们应用迁移法将重复过程数据全部引入数据库中，并让数据组合理念扩大至非标设计过程中，从而改变工程师长期来控制形体尺寸的形象设计习惯。应用数字孪生技术对产品进行物理建模、知识迁移、数据关系、小数据驱动、公式计算、工程表数据判断等方法，构建产品复杂数据神经网络驱动系统,小数据驱动所有数据全部关联至各个零部件的所有尺寸数据，替代原有非标产品重复设计工作。

我们建立一套完整规范的数据存储与数据表述法则，让各区域数据呈现出各自作用。确立各存放区域，如：协议数据、全局总参数、模型可变性、模型空间、图纸与视图、模型尺寸、属于等。所有数据存放、数据关联、数据计算等，考虑其数据的开放性与便捷性，制定了适合产品演变法则与规范描述，让设计人员能快速方便理解与掌握。

　　小数据驱动数字孪生产品演变设计数据神经网络数据图

如下,对数据存放、关联、计算、开放与便利性进行说明：

区域数据存放与描述。各企业的产品设计流程相同，各流程中所管控的数据方法类同，且都有图纸输出，所以搭建设计流程数字孪生环境与条件基本成熟，且物理虚拟模型可演变出各种产品系列或非标产品。利用关联与引用处理方式，可构建如小数据驱动下的产品设计输入数据集 合，数据翻译区域、数据表格区域、关联计算区域、模型关联与逻辑控制数据等都在规则内进行描述。数据建立在EXCEL表单之中，易学、易推广与应用，可自行拓展数据，提升设计质量与效率。

　　部分区域数据内容展示

搭建统一的数字孪生系统。通过将设计流程、设计流程数据表述等区域固定与规则统一描述，让数据与三维模型尺寸数据区域固定与规则统一描述，产生图纸表述统一描述，建立数字孪生物理虚拟模型数据系统平台，以适应各企业各产品的设计存储需求与描述需求，实现不同产品设计需求中数据表达统一描述。同时，建立一套通用且统一的数字孪生系统平台数据描述法则，让大多数产品设计都能适应该孪生平台数据描述法则。让同类产品设计的数学模型数据，统一存放于孪生平台数据，方便数据管理、数据引用与数据查询之用。

考虑系统开放性。数据处理方法、数据计算、数据关联与数据引用等方面必须开放，且能让使用者自行搭建数学模型、自行维护数据、企业设计人员理解最为透彻。提供良好开放式数据表述规则与相关使用说明，确保系统平台数据应用适应于各场合、各逻辑、各计算、各关联性等的数据可搭建，方便使用者理解与快速掌握数字孪生技术与应用法则。

考虑系统方便性。通过多方试验与验证，孪生系统平台选用最为常用的数据库平台。平台数据的搭建，企业能自行参与、自行搭建、自行维护，约10天培训，即能全面掌握与灵活应用，易学易用，有利于系统推广。系统制定了一套数字孪生表述规则与书写规则，用户通过手册与视频学习与掌握。数字孪生的数据库应用技术熟练，为后续数字化产品孪生设计、孪生数据奠定基础，为顺利开展与深化应用扫清障碍。

多年的构思、探索研究、实践推进与打造磨合，数字孪生系统的适应性、拓展性与稳定性得到充分验证。如ABB、安川首钢、帝升、大通宝富、圣达因、博远重工、华鹏、北变等在使用，解决了不同产品设计的孪生演变，让设计工程师彻底摆脱了重复产品设计问题。通过“积木化”方法，能实时自动孪生演变非标产品设计,二维工程图的规则数据表述，也可实时生成二维图纸，摆脱了长期加班与人手不足之事。工程师的解脱为企业新产品的研发奠定了人才基础，也解放企业总工程师校对审核工作。

孪生平台的应用。大大减少工程师重复设计工作，让孪生技术来替换重复。数据的自动判断、自动获取数据、自动计算数据、自动查表数据、自动与模型尺寸数据进行关联等，从而产品大小与产品组成等，全自动生成产品模型演变设计过程。

数字孪生中的数据与组织方法都可以自行搭建与自行维护。企业可随时调整产品的升级或部分功能更新，产品设计之事完全自控，无需软件开发商投入或参与。企业产品设计知识集成且全程记录存放于数字孪生系统平台中，让知识的传承与产品升级提供全面完整的设计数据集。

　　数字孪生表述规则所设计的非标产品案例图例（数字化交付）

数字孪生物理虚拟建模技术在二维图纸的应用也能实时快速组建生成各视图、各标注等，演变标注具有逻辑性与可控性，确保一种视图描述规则中可演变出所需要的表达形式与标注组合。视图与标注技术是实时生成的，依据数学模型的逻辑性而搭建。

在应用数字孪生系统平台的企业里，彻底打破企业原有设计流程与设计管理模式。

流程与速度改变。从多人并行设计转向自动孪生设计，设计质量稳定且快速，孪生技术催生出产品三维模型演变与二维工程图图纸的全自动化产生过程。

设计观念改变。从形体控制改变为数字孪生设计，用数学模型思考产品设计与演变。数字孪生系统平台建立，改变设计人员思考方式与设计过程管控，数据与孪生系统的自动协调与自动逻辑分析，让孪生技术帮助工程师们重复思考、重复过程与重复管控数据等。

知识全程记录。设计经验与知识全部集成于孪生系统数据库中，设计经验易传承与自学，只要记录一次设计经验、数据管控方式与数据关联关系。

小数据驱动产品设计。数据关联神精网络图复杂而又繁琐形式有，点对点、点对多、多对点等的网络分布图。如关联翻译、查表、计算、判断、关联、引用等，专业人员可改变产品的数据结构、数据组织、形体大小、产品功能等。小数据驱动下的神精网络，可孪生出产品非标产品。

机密不外泄。孪生系统平台的产品数学模型是企业自行搭建、自行维护、自行调整，自行更新处理等。无企业外人员参与，具有一定的保密性与可靠性。

数字孪生技术应用。为企业的产品设计变为看不见的自动化、数据流程的自动化、知识经验的自动化、数据管理的自动化，数字交付的自动化，更是打造一个“黑灯设计”方法。

国家2035年远景目标纲要中提到，“打造新型共性技术平台，解决跨行业跨领域关键共性技术问题”。

数字孪生系统平台很好地解决了不同行业、不同产品的智能化、快速化设计的孪生演变，更解决了跨行业跨领域的关键共性技术问题。充分发挥了系统平台共性的基础数据表述法则与描述规则等，在N个企业实践应用中证明系统平台具有一定的推广价值，可承担各企业重复非标产品设计工作，可部分替代设计人员，解决企业人手不足且长期加班之现状。

未来十年，注重强调新产品研发与产品的快速迭代之事，我们有助于各企业解决重复非标产品设计之难点与痛点，让企业逐步转向新产品研发，挖掘内部资源，提供可靠且有经验的内部设计研发人员。