智能機(jī)器控制設(shè)計(jì)指南介紹了當(dāng)今機(jī)器制造商所面臨的挑戰(zhàn)，并展示了一些經(jīng)驗(yàn)證的方法和解決方案來(lái)幫助創(chuàng)新的機(jī)器制造商在競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。 通過(guò)本指南，您將了解圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和可自定義的現(xiàn)成硬件對(duì)設(shè)計(jì)流程和商業(yè)成功的影響。

　　智能機(jī)器工業(yè)

　　最近智能機(jī)器的普及引發(fā)了很多激烈的討論。 這些系統(tǒng)不僅以不斷飆升的速度和高精度執(zhí)行重復(fù)性任務(wù)，還需要適應(yīng)不斷變化的環(huán)境，其自動(dòng)化程序也是前所未有的。 與前幾代的技術(shù)一樣，智能機(jī)器將會(huì)影響我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妗?它們將改變著人們生產(chǎn)商品、醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)、物流企業(yè)管理存貨，甚至我們教育后代的方式。

　　討論的主題范圍從對(duì)未來(lái)低技術(shù)含量工作消失的擔(dān)心涵蓋到推動(dòng)制造業(yè)在高薪國(guó)家的復(fù)蘇。 雖然研究機(jī)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)學(xué)家和媒體都在辯論信息技術(shù)集成到機(jī)器中的影響，但是工程師和科學(xué)家的任務(wù)是?供更加靈活和多功能的制造系統(tǒng)。 這些系統(tǒng)必須幫助制造業(yè)滿足人們對(duì)產(chǎn)品種類的需求以及應(yīng)對(duì)消費(fèi)產(chǎn)品生命周期不斷縮短的狀況。

　　智能機(jī)器的特性

　　兩大因素推動(dòng)著制造設(shè)備的創(chuàng)新： 一個(gè)是生產(chǎn)產(chǎn)品的個(gè)性化和復(fù)雜化，另一個(gè)是日益增長(zhǎng)的生產(chǎn)力和質(zhì)量需求。 機(jī)器和設(shè)備制造商已經(jīng)不再設(shè)計(jì)單一用途的機(jī)器。 他們不斷開(kāi)發(fā)靈活、多用途的機(jī)器來(lái)滿足當(dāng)今的各種制造需求，如小批量生產(chǎn)、根據(jù)客戶需求定制產(chǎn)品以及將多種功能集于一臺(tái)設(shè)備的高度集成化產(chǎn)品趨勢(shì)。

　　由于現(xiàn)代機(jī)器可以比以往更加自主地運(yùn)行，這樣就可以防止和修正由于原材料、熱工作點(diǎn)漂移或機(jī)械部件磨損和破裂等條件變化而引起的加工誤差。 借助廣泛的傳感器網(wǎng)絡(luò)，智能機(jī)器可以獲取有關(guān)過(guò)程、機(jī)器狀態(tài)及其所處環(huán)境的信息。 這有助于增加機(jī)器的正常運(yùn)行時(shí)間，并?高質(zhì)量水平。 此外，這些系統(tǒng)可以通過(guò)挖掘數(shù)據(jù)、利用仿真模型或?qū)W習(xí)針對(duì)特定應(yīng)用的算法從而不斷改善它們的性能。最后，機(jī)器能夠與其他自動(dòng)化系統(tǒng)交換信息，并將狀態(tài)更新發(fā)送至更高層次的控制系統(tǒng)。 這實(shí)現(xiàn)了理想的智能工廠和自動(dòng)化生產(chǎn)線：可適應(yīng)不斷變化的條件、可平衡機(jī)器之間的工作負(fù)載以及在機(jī)器出現(xiàn)故障前通知維修人員。

　　設(shè)計(jì)方法與挑戰(zhàn)

　　現(xiàn)代機(jī)器控制系統(tǒng)通過(guò)獲取環(huán)境、進(jìn)程和機(jī)器參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)和信息來(lái)適應(yīng)不斷變化的條件、執(zhí)行不完全重復(fù)的任務(wù)或者?高效率和性能。 傳感器與測(cè)量技術(shù)扮演著越來(lái)越重要的角色，因?yàn)樗麄兪沟迷O(shè)備制造商能夠開(kāi)發(fā)出可感知環(huán)境以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)執(zhí)行過(guò)程的系統(tǒng)，從而確保重要機(jī)械部件的良好狀態(tài)，并利用這些信息進(jìn)行自適應(yīng)控制。 這要求控制系統(tǒng)能夠集成傳感器數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)采集信息，并在高速運(yùn)行控制循環(huán)的同時(shí)并行處理來(lái)自多個(gè)傳感器的信息。 具有工業(yè)級(jí)耐用性的高性能嵌入式系統(tǒng)通過(guò)模塊化 I/O 設(shè)備 ?供直接的傳感器連接。當(dāng)今領(lǐng)先的設(shè)備制造商采用實(shí)時(shí)處理器和可編程硬件相結(jié)合的異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)來(lái)滿足最苛刻的應(yīng)用需求。

　　為了解決當(dāng)今的制造需求，機(jī)器制造商必須設(shè)計(jì)高度模塊化的系統(tǒng)來(lái)滿足客戶的具體要求或者針對(duì)不同制造工藝和不同產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整系統(tǒng)，而且有時(shí)甚至不需要操作員的交互。 模塊化方法不僅幫助 OEM 廠商開(kāi)發(fā)出可以在多個(gè)機(jī)器上重復(fù)利用的組件，簡(jiǎn)化了現(xiàn)成子組件的集成，而且也顯著改變了他們?cè)O(shè)計(jì)系統(tǒng)的方式。機(jī)械系統(tǒng)的模塊化特性需要反映在控制系統(tǒng)架構(gòu)上。 與傳統(tǒng)單機(jī)系統(tǒng)不同的是，現(xiàn)代機(jī)器是基于一個(gè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。 這需要一個(gè)無(wú)縫通信基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)處理時(shí)間要求嚴(yán)格的數(shù)據(jù)、優(yōu)先級(jí)較低的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，并與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信。 為了應(yīng)對(duì)日益增加的分布式嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜性，機(jī)器制造商可以采用以軟件為中心的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

　　過(guò)去，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)是由機(jī)械、電氣和控制工程師組成，各自負(fù)責(zé)自己的設(shè)計(jì)任務(wù)。 然而，當(dāng)今的現(xiàn)代化機(jī)器需要不同的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)更緊密地合作。

　　面向機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)工具可仿真整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中機(jī)械和電氣子系統(tǒng)之間的交互，從而優(yōu)化了機(jī)器開(kāi)發(fā)。以前，來(lái)自各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的工程師團(tuán)隊(duì)都各自獨(dú)立地工作或按順序進(jìn)行開(kāi)發(fā)。 設(shè)計(jì)決策都是獨(dú)立做出的，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本增加。 如今，為了通過(guò)機(jī)電一體化方法來(lái)簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)，團(tuán)隊(duì)就需要同時(shí)并行工作，在設(shè)計(jì)、原型和部署上相互合作。 機(jī)電一體化方法的一個(gè)重要方面是構(gòu)建虛擬原型的能力，因?yàn)樗兄こ處熀涂茖W(xué)家在機(jī)器尚未實(shí)際成型之前就可以先對(duì)機(jī)器進(jìn)行研究。

　　領(lǐng)先的機(jī)器制造商通過(guò)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器的差異化，這些功能需要采用一些重要技術(shù)，比如：

　　多個(gè)控制系統(tǒng)和異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)的組合

　　軟硬件集成平臺(tái)，可?供

　　信號(hào)分析工具、高速控制回路和算法

　　仿真和建模工具

　　聯(lián)網(wǎng)和通信功能

　　以軟件為中心的設(shè)計(jì)方法，可以幫助應(yīng)對(duì)日益增加的系統(tǒng)復(fù)雜性