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

來源：安世亞太

從仿制到創(chuàng)新,，除系統(tǒng)工程和TRIZ,，還需先進信息和設(shè)計技術(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,，其缺點可變檔位少，當狹縫寬度小于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到,，需要通過機電結(jié)合的方法來實現(xiàn),。通常的做法是通過高精度機構(gòu)加上閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)實現(xiàn)狹縫寬度的連續(xù)可變,，可以滿足技術(shù)指標的要求,，但是成本很高。如何以低成本實現(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)的可借鑒的機構(gòu)，但只能看到機構(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
即使是逆向仿制，水平也有高下之分,。對原準產(chǎn)品的拆解測繪仿制是典型的低水平逆向設(shè)計活動（如圖3紅色箭頭所示）,，僅由實物反推到圖紙、反推到設(shè)計,，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，對于純機械裝置,，這種方法是可行的,。

測繪僅能測得零件的實際尺寸，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)計在系統(tǒng)工程實體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機構(gòu)相同設(shè)計尺寸的模型,，可以知道機構(gòu)由什么組成,，如何運動。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,，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)計之路,。由于和逃避技術(shù)風(fēng)險的“原準法”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)計子過程。

對單色器的狹縫組件,，嘗試理解其功能原理,，走消化吸收再創(chuàng)新之路。

(1) 首先繪制出機構(gòu)的原理圖,。

圖4 單色器狹縫組件的機構(gòu)原理圖

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

(3) 分析機構(gòu)的分辨率,，即步進電機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) 研究機構(gòu)精度,。受傳統(tǒng)CAD軟件的限制,，這步分析使用excel表進行，通過設(shè)定一些公差范圍內(nèi)的假設(shè)誤差值,，來計算機構(gòu)的誤差,。因為要找出誤差范圍，需要假設(shè)很多組尺寸組合,，這項工作很耗時,。研究發(fā)現(xiàn)，普通加工精度的機構(gòu)產(chǎn)生的誤差會比設(shè)計要求高出兩個數(shù)量級,。

(5) 機構(gòu)校正概念開發(fā)（正向設(shè)計）,。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構(gòu)實現(xiàn)系統(tǒng)的高精度。在頭腦中構(gòu)思過程：當前系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因是加工和裝配誤差,；如果能夠知道機構(gòu)的實際尺寸,，那么控制程序就可以按照實際機構(gòu)的尺寸計算，就會消除系統(tǒng)誤差,；但是實際機構(gòu)加工和裝配誤差不可能逐臺測量,；能否通過一組數(shù)來等效實際機構(gòu)呢？

為了找到這個問題的答案,，需要計算嘗試,。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，花費兩個月時間,，計算了很多表格（圖5）,，終于找到了計算等效值的公式。

圖5 用excel表格計算狹縫組件等效機構(gòu)

(6) 實際機構(gòu)校正方法設(shè)計,。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)行機構(gòu)運動的測量值,，并由PCB板執(zhí)行程序，計算校正值,。這個過程中，需要機械設(shè)計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)計實現(xiàn)的狹縫機構(gòu)硬件校正系統(tǒng)

反思項目設(shè)計過程：

用傳統(tǒng)的正向設(shè)計方法，機械工程師用CAD手工建模,，所謂參數(shù)化設(shè)計的功能實現(xiàn)其實很有限,。對于機電一體化的復(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,，所以很難獨立實現(xiàn)設(shè)計構(gòu)想,。

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

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

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

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,，進而提高效率,。

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

創(chuàng)成設(shè)計是一種通過設(shè)計算法生成結(jié)構(gòu)或幾何模型的設(shè)計方法。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）建立計算機可自動執(zhí)行的設(shè)計邏輯或規(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)計模型的選擇方法：通過指定設(shè)計目標并利用仿真及優(yōu)化算法進行自動迭代來尋找到最優(yōu)模型，或者通過設(shè)計師與計算機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)計可能性（設(shè)計空間）并主觀選擇,。

數(shù)字孿生體是現(xiàn)有或?qū)⒂械奈锢韺嶓w對象的數(shù)字模型，通過實測,、仿真和數(shù)據(jù)分析來實時感知,、診斷,、預(yù)測物理實體對象的狀態(tài)，通過優(yōu)化和指令來調(diào)控物理實體對象的行為,，通過相關(guān)數(shù)字模型間的相互學(xué)習(xí)來進化自身,，同時改進利益相關(guān)方在物理實體對象生命周期內(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)標準以及ISO 23247（面向制造的數(shù)字孿生系統(tǒng)框架）標準草案,，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)計過程如下：

(1)    建立機構(gòu)原理動態(tài)模型

圖9 狹縫機構(gòu)原理數(shù)字孿生體動態(tài)模型

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

圖10 真實機構(gòu)的數(shù)字孿生體抽象模型

圖11 真實機構(gòu)的數(shù)字孿生體誤差模型

(3)     校正方法的概念驗證,。思考過程同傳統(tǒng)正向設(shè)計方法,，現(xiàn)在用創(chuàng)成設(shè)計和數(shù)字孿生體來找到最優(yōu)的實際機構(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.      驗證校正后的機構(gòu)系統(tǒng)誤差是否滿足設(shè)計目標要求,�,？梢灾庇^地看到，經(jīng)校正的系統(tǒng)滿足目標精度要求,，說明概念方法是正確的,。

圖13 驗證校正后的機構(gòu)系統(tǒng)誤差

(4)     概念方案設(shè)計
設(shè)計目標是自動地對每一臺實際機構(gòu)進行校正，使其達到系統(tǒng)精度要求,。下面要把實際機構(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：實際機構(gòu)是根據(jù)目標狹縫寬度Tg來確定電機軸的轉(zhuǎn)角ϕ，控制電機電機驅(qū)動機構(gòu)運動,，使狹縫寬度達到目標值,，誤差不超過±0.002mm。

圖14 單色器狹縫組件的機構(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,，實際機構(gòu)的amax1,、amax2是直接讀取數(shù)字化儀表的測量值得到的：

圖15 計算對應(yīng)目標狹縫值

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

圖16 建立矯正值計算的測量模型

e.      驗證經(jīng)校正的數(shù)字孿生體模型精度,。

圖17 驗證經(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)寫入物理實體模型,，從而實現(xiàn)真實機構(gòu)的精度校正。


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

創(chuàng)成式設(shè)計通過編程進行設(shè)計，可以方便地調(diào)用各種智能算法（如機器學(xué)習(xí),、AI,、仿生、進化,、力學(xué)解算器等）幫助設(shè)計,、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,，實現(xiàn)機電一體化產(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,；還可以結(jié)合VR/AR技術(shù)實現(xiàn)輔助設(shè)計和輔助商務(wù)。本案例驗證的方法和流程具有廣闊的應(yīng)用前景,。