随着客户对个性化产品功能需求的不断增加,产品结构变得越来越复杂。全自动裁断机作为一种复杂机械产品,其设计涉及机械、电气、自动化等相关领域,需要更紧密的多学科协同设计与集成。然而,传统的设计方法缺乏多学科的协调,导致设计阶段之间存在交互障碍,产品设计信息与原型制造之间存在脱节。不仅如此,复杂机械产品的研发需要通过样机制造进行现场验证,然而在物理原型测试调试乃至实际生产运行过程中,会出现连续返工和修改的过程,且未被发现的设计错误可能对设备造成重大损害,从而延长研发周期,提高成本。为了弥补这一差距,提出了一种数字孪生驱动的协同设计方法,并以全自动裁断机的研发为案例,本论文的主要研究内容如下:首先,针对传统设计模式存在的缺陷进行了分析,重点从学科专业协同和设计试验协同两个角度来优化协同设计流程。运用本体理论,分析模型概念与关系,构建多学科协同建模与仿真方案,以此提高多学科模型之间互操作性。在此基础上提出了基于数字孪生的协同设计方法框架,通过不同的研发阶段、不同的学科角度来构建多学科高保真模型,运用数字孪生虚拟调试技术,在虚拟环境下进行模型的调试验证,以此获得虚拟环境下最优数字孪生模型。其次,对全自动裁断机的工作原理和需求进行分析,根据物理空间整合的数据以及客户需求将设备划分为自动送料机构、冲压机构、自动抽拉板机构、刀库换刀机构和铣削机构五个部分,分别对各个机构进行了结构分析以及动力装置计算。接着构建在机械、电气和自动化环境下的完整数字孪生模型,从而为虚拟调试方案的实施提供模型与参数指标。再者,实现全自动裁断机的虚拟调试。按照虚拟验证方案,完成虚拟仿真器配置和信号映射操作,并将构建的数字孪生模型和运动参数指标导入,从而实施软件在环虚拟调试。针对调试出现的问题进行一一分析,给出优化方案,并将优化前后进行对比,实现了对产品虚拟体的虚拟环境验证。最后,实现全自动裁断机现场调试测试与验证。搭建现场调试场景,将构建的虚拟验证的信号、程序和控制一同下载到硬件设备中,通过系统功能测试检测结果是否同预期结果一致,并选取皮革材料和软布料以及不同刀模板进行冲裁试验,对数字孪生模型进行了验证与分析。试验结果有效验证了虚拟调试的正确性,其大大缩短了调试时间和成本,提前解决实际调试过程中可能出现的问题和异常,具有较强的实际应用价值。