利用數(shù)字孿生和創(chuàng)成設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)單色器狹縫組件的正向設(shè)計(jì)

來源：安世亞太

從仿制到創(chuàng)新，除系統(tǒng)工程和TRIZ，還需先進(jìn)信息和設(shè)計(jì)技術(shù)助力研發(fā)范式變革。

問題的提出：光柵單色器的狹縫組件
光譜儀器中，為了分析和檢測物質(zhì)，需要將不同波長的光譜通過光柵在空間展開形成光譜帶，再通過狹縫截取出一定波長范圍的單色光，這就是單色器（圖1）。單色器的狹縫是一個關(guān)鍵組件，狹縫的開口平行性、對稱性以及開閉的均勻性、狹縫寬度和分辨率等指標(biāo)的精度直接影響單色器的光譜分辨率和/或空間分辨能力。

特別是最窄的狹縫是決定單色器分辨率的關(guān)鍵因素。為了適應(yīng)不同的光譜帶寬要求，狹縫的寬度需要在一定范圍內(nèi)可調(diào)；高端單色器的狹縫最小寬度通常小于0.02±0.002mm；狹縫開口的平行度、直線度也有很高要求；同時希望控制成本。

圖1 光柵單色器原理圖（圖片來源：廈門大學(xué)林竹光）

目前單色器普遍使用的狹縫組件有以下幾種：一種是固定寬度狹縫，此類狹縫的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但不能滿足寬度可調(diào)節(jié)的要求；另一種是釆用多個固定寬度的狹縫，在使用過程中根據(jù)需要相互切換，其缺點(diǎn)可變檔位少，當(dāng)狹縫寬度小于0.1mm時，狹縫組件的加工或拼裝質(zhì)量難以保證。

技術(shù)難點(diǎn)主要在于保證最小狹縫的尺寸和形狀精度。這個精度要求很難通過加工或拼裝來達(dá)到，需要通過機(jī)電結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)。通常的做法是通過高精度機(jī)構(gòu)加上閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)狹縫寬度的連續(xù)可變，可以滿足技術(shù)指標(biāo)的要求，但是成本很高。如何以低成本實(shí)現(xiàn)高精度要求，是本文面臨的課題。從國外的一款高端產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)的可借鑒的機(jī)構(gòu)，但只能看到機(jī)構(gòu)，而隱藏在后面的控制系統(tǒng)是無法知曉的。

圖2 國外單色器的狹縫組件

從拆解測繪到正向設(shè)計(jì)
即使是逆向仿制，水平也有高下之分。對原準(zhǔn)產(chǎn)品的拆解測繪仿制是典型的低水平逆向設(shè)計(jì)活動（如圖3紅色箭頭所示），僅由實(shí)物反推到圖紙、反推到設(shè)計(jì)，而無需反求到原始需求。先不談知識產(chǎn)權(quán)問題，單純從技術(shù)上來看，對于純機(jī)械裝置，這種方法是可行的。

測繪僅能測得零件的實(shí)際尺寸，我們經(jīng)�？吹揭赃@種方法繪制的模型圖紙的尺寸是小數(shù)點(diǎn)后三位數(shù)的數(shù)值，測繪高手會圓整一下尺寸，并給出合理的公差。但公差如何給，絕對是個技術(shù)活（公差配合的精度很大程度上決定了零件的可靠性和使用壽命），這一步的逆向，正所謂知其然知其所以然。

圖3 逆向設(shè)計(jì)在系統(tǒng)工程實(shí)體V模型中的體現(xiàn)

對于單色器的狹縫組件，測繪可以建出與原準(zhǔn)機(jī)構(gòu)相同設(shè)計(jì)尺寸的模型，可以知道機(jī)構(gòu)由什么組成，如何運(yùn)動。僅此而已。至于具體通過什么方法得到儀器要求的精度是無法知道的。因此，第一級的逆向設(shè)計(jì)，測繪仿制，對單色器的狹縫組件來說不可行。

既然囫圇吞棗的抄不可行，不得不轉(zhuǎn)向消化吸收的正向設(shè)計(jì)之路。由于和逃避技術(shù)風(fēng)險的“原準(zhǔn)法”目的不同，這里一定包含了反推到功能原理甚至原始需求的高水平逆向設(shè)計(jì)活動（如圖3綠色箭頭所示）；如果還有消化吸收基礎(chǔ)上的再創(chuàng)新，則是完整的正向設(shè)計(jì)子過程。

對單色器的狹縫組件，嘗試?yán)斫馄涔δ茉�理，走消化吸收再�?chuàng)新之路。

(1) 首先繪制出機(jī)構(gòu)的原理圖。

圖4 單色器狹縫組件的機(jī)構(gòu)原理圖

(2) 分析機(jī)構(gòu)，找出機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)關(guān)系，列出機(jī)構(gòu)方程：

(3) 分析機(jī)構(gòu)的分辨率，即步進(jìn)電機(jī)每走一步平移桿的移動距離，看是否滿足獲得高精度的基本條件，是則可繼續(xù)。

(4) 研究機(jī)構(gòu)精度。受傳統(tǒng)CAD軟件的限制，這步分析使用excel表進(jìn)行，通過設(shè)定一些公差范圍內(nèi)的假設(shè)誤差值，來計(jì)算機(jī)構(gòu)的誤差。因?yàn)橐�找出誤差范圍，需要假設(shè)很多組尺寸組合，這項(xiàng)工作很耗時。研究發(fā)現(xiàn)，普通加工精度的機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的誤差會比設(shè)計(jì)要求高出兩個數(shù)量級。

(5) 機(jī)構(gòu)校正概念開發(fā)（正向設(shè)計(jì)）。這一步要研究有沒有一種矯正方法能夠使普通加工精度的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高精度。在頭腦中構(gòu)思過程：當(dāng)前系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因是加工和裝配誤差；如果能夠知道機(jī)構(gòu)的實(shí)際尺寸，那么控制程序就可以按照實(shí)際機(jī)構(gòu)的尺寸計(jì)算，就會消除系統(tǒng)誤差；但是實(shí)際機(jī)構(gòu)加工和裝配誤差不可能逐臺測量；能否通過一組數(shù)來等效實(shí)際機(jī)構(gòu)呢？

為了找到這個問題的答案，需要計(jì)算嘗試。同樣受限于CAD軟件，沒辦法在CAD軟件中直接研究，還是借助于excel表格。這一步的工作量更大，花費(fèi)兩個月時間，計(jì)算了很多表格（圖5），終于找到了計(jì)算等效值的公式。

圖5 用excel表格計(jì)算狹縫組件等效機(jī)構(gòu)

(6) 實(shí)際機(jī)構(gòu)校正方法設(shè)計(jì)。這部分工作無法在傳統(tǒng)CAD軟件中直接完成。所以，筆者做了一套硬件校正系統(tǒng)（圖6）：把校正方法過程和公式編程寫入芯片，通過讀取執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的測量值，并由PCB板執(zhí)行程序，計(jì)算校正值。這個過程中，需要機(jī)械設(shè)計(jì)人員與自動控制工程師反復(fù)交流，讓他們理解這種校正方法。

圖6 正向設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的狹縫機(jī)構(gòu)硬件校正系統(tǒng)

反思項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程：

用傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)方法，機(jī)械工程師用CAD手工建模，所謂參數(shù)化設(shè)計(jì)的功能實(shí)現(xiàn)其實(shí)很有限。對于機(jī)電一體化的復(fù)雜系統(tǒng)，雖然工程師可能有整體的設(shè)計(jì)概念和控制邏輯，但由于極少有工程師能夠自己寫代碼，所以很難獨(dú)立實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)構(gòu)想。

而且，機(jī)械工程師與控制工程師的交流有時很困難，導(dǎo)致項(xiàng)目進(jìn)程很慢，有時甚至無法實(shí)施。如果有一種設(shè)計(jì)方法，能夠讓有想法的工程師方便地實(shí)現(xiàn)所有想法，將有助于提升研發(fā)效率。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法把校正方法過程和公式編程寫入芯片，利用硬件進(jìn)行校正，實(shí)時性、靈活性和通用性較差。要是能用軟件算法進(jìn)行實(shí)時校正，將大大提升研發(fā)效率。

用創(chuàng)成設(shè)計(jì)和數(shù)字孿生重構(gòu)正向設(shè)計(jì)過程

數(shù)字化轉(zhuǎn)型浪潮下的各種范式轉(zhuǎn)移，例如復(fù)雜產(chǎn)品和系統(tǒng)研發(fā)范式從傳統(tǒng)系統(tǒng)工程向MBSE的轉(zhuǎn)移，以及作為第四次工業(yè)革命通用目的技術(shù)——數(shù)字孿生體的興起，這些范式轉(zhuǎn)移的共同特點(diǎn)是，是通過數(shù)字化和模型化，以更少的能量，以信息換能量或信息換物質(zhì)的方式來減少和消除不確定性，進(jìn)而提高效率。

基于傳統(tǒng)系統(tǒng)工程過程的正向設(shè)計(jì)和正向研制的轉(zhuǎn)型升級也是如此，需要用先進(jìn)的數(shù)字化和模型化的信息技術(shù)和設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行重構(gòu)。創(chuàng)成式設(shè)計(jì)和數(shù)字孿生體技術(shù)正是這樣的使能技術(shù)。

創(chuàng)成設(shè)計(jì)是一種通過設(shè)計(jì)算法生成結(jié)構(gòu)或幾何模型的設(shè)計(jì)方法。它利用基于模型描述的系統(tǒng)屬性（如功能、性能、幾何和空間關(guān)系、可調(diào)參數(shù)等）建立計(jì)算機(jī)可自動執(zhí)行的設(shè)計(jì)邏輯或規(guī)則，以自動推理并映射生成為系統(tǒng)顯性的結(jié)構(gòu)或幾何模型。

創(chuàng)成設(shè)計(jì)模型的選擇方法：通過指定設(shè)計(jì)目標(biāo)并利用仿真及優(yōu)化算法進(jìn)行自動迭代來尋找到最優(yōu)模型，或者通過設(shè)計(jì)師與計(jì)算機(jī)的交互在可變范圍內(nèi)調(diào)整參數(shù)或關(guān)系，從而探索更多的設(shè)計(jì)可能性（設(shè)計(jì)空間）并主觀選擇。

數(shù)字孿生體是現(xiàn)有或?qū)⒂械奈锢韺?shí)體對象的數(shù)字模型，通過實(shí)測、仿真和數(shù)據(jù)分析來實(shí)時感知、診斷、預(yù)測物理實(shí)體對象的狀態(tài)，通過優(yōu)化和指令來調(diào)控物理實(shí)體對象的行為，通過相關(guān)數(shù)字模型間的相互學(xué)習(xí)來進(jìn)化自身，同時改進(jìn)利益相關(guān)方在物理實(shí)體對象生命周期內(nèi)的決策。

參考GB/T 33474-2016和ISO/IEC 30141:2018兩個物聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)以及ISO 23247（面向制造的數(shù)字孿生系統(tǒng)框架）標(biāo)準(zhǔn)草案，安世亞太在《數(shù)字孿生體技術(shù)白皮書（2019）》中給出了數(shù)字孿生系統(tǒng)的通用參考架構(gòu)（圖7）。參考這個通用架構(gòu)，圖8給出了單色器狹縫組件的數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)。

      圖7 數(shù)字孿生系統(tǒng)的通用參考架構(gòu)

圖8 單色器狹縫組件的數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)

基于這一新架構(gòu)，本文重構(gòu)單色器狹縫組件的正向設(shè)計(jì)過程如下：

(1)    建立機(jī)構(gòu)原理動態(tài)模型

圖9 狹縫機(jī)構(gòu)原理數(shù)字孿生體動態(tài)模型

(2)    研究真實(shí)機(jī)構(gòu)精度。真實(shí)機(jī)構(gòu)誤差來源于加工誤差和裝配誤差，低成本加工可實(shí)現(xiàn)的普通加工精度±0.1mm。創(chuàng)成式設(shè)計(jì)工具中，可以通過公差范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)模擬加工和裝配誤差，建立真實(shí)機(jī)構(gòu)的抽象模型，從而分析系統(tǒng)誤差范圍。

圖10 真實(shí)機(jī)構(gòu)的數(shù)字孿生體抽象模型

圖11 真實(shí)機(jī)構(gòu)的數(shù)字孿生體誤差模型

(3)     校正方法的概念驗(yàn)證。思考過程同傳統(tǒng)正向設(shè)計(jì)方法，現(xiàn)在用創(chuàng)成設(shè)計(jì)和數(shù)字孿生體來找到最優(yōu)的實(shí)際機(jī)構(gòu)尺寸等效值：

a.      找到最優(yōu)的校正值。借助智能搜索最優(yōu)解的Galapagos算法自動查找最優(yōu)校正值，對于每一個尺寸組合，搜索最優(yōu)值的時間不到1分鐘。

圖12 自動查找最優(yōu)校正值

b.      驗(yàn)證校正后的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)誤差是否滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求�？梢灾庇^地看到，經(jīng)校正的系統(tǒng)滿足目標(biāo)精度要求，說明概念方法是正確的。

圖13 驗(yàn)證校正后的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)誤差

(4)     概念方案設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)目標(biāo)是自動地對每一臺實(shí)際機(jī)構(gòu)進(jìn)行校正，使其達(dá)到系統(tǒng)精度要求。下面要把實(shí)際機(jī)構(gòu)的工作過程過程和參數(shù)關(guān)系模型化。

a.      明確總體過程即目標(biāo)：實(shí)際機(jī)構(gòu)是根據(jù)目標(biāo)狹縫寬度Tg來確定電機(jī)軸的轉(zhuǎn)角ϕ，控制電機(jī)電機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動，使狹縫寬度達(dá)到目標(biāo)值，誤差不超過±0.002mm。

圖14 單色器狹縫組件的機(jī)構(gòu)原理圖

b.     分析參數(shù)的可獲得性：幾何參數(shù)C、e、D1、D2未知，且難以測量；但固定狹縫片的平移桿的移動可測量。

c.      建立參數(shù)關(guān)系模型，實(shí)際機(jī)構(gòu)的amax1、amax2是直接讀取數(shù)字化儀表的測量值得到的：

圖15 計(jì)算對應(yīng)目標(biāo)狹縫值

d.      建立矯正值計(jì)算的測量模型，其中的a1、a2通過高精度數(shù)字化儀表測量得到，這些測量值被實(shí)時地傳輸給創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法創(chuàng)建的數(shù)字孿生體。

圖16 建立矯正值計(jì)算的測量模型

e.      驗(yàn)證經(jīng)校正的數(shù)字孿生體模型精度。

圖17 驗(yàn)證經(jīng)校正的數(shù)字孿生體模型精度

(5)    將數(shù)字孿生體的校正參數(shù)寫入物理實(shí)體模型，從而實(shí)現(xiàn)真實(shí)機(jī)構(gòu)的精度校正。


結(jié)論
本案例給出了經(jīng)創(chuàng)成設(shè)計(jì)和數(shù)字孿生重構(gòu)的正向設(shè)計(jì)過程，驗(yàn)證了數(shù)字孿生系統(tǒng)通用參考架構(gòu)中數(shù)字孿生體、測量與控制實(shí)體、現(xiàn)實(shí)物理域以及用戶域之間的信息傳遞和互動機(jī)制，展示了數(shù)字孿生技術(shù)和創(chuàng)成設(shè)計(jì)方法的潛力。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)通過編程進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以方便地調(diào)用各種智能算法（如機(jī)器學(xué)習(xí)、AI、仿生、進(jìn)化、力學(xué)解算器等）幫助設(shè)計(jì)、塑形、優(yōu)化和創(chuàng)新；程序模塊的輸入輸出都是數(shù)據(jù)，易與硬件、軟件、互聯(lián)網(wǎng)交互，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化產(chǎn)品，數(shù)字孿生系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)；還可以結(jié)合VR/AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)輔助設(shè)計(jì)和輔助商務(wù)。本案例驗(yàn)證的方法和流程具有廣闊的應(yīng)用前景。