智能機器控制設計指南介紹了當今機器制造商所面臨的挑戰(zhàn)，并展示了一些經(jīng)驗證的方法和解決方案來幫助創(chuàng)新的機器制造商在競爭中脫穎而出。 通過本指南，您將了解圖形化系統(tǒng)設計和可自定義的現(xiàn)成硬件對設計流程和商業(yè)成功的影響。

　　智能機器工業(yè)

　　最近智能機器的普及引發(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)行重復性任務，還需要適應不斷變化的環(huán)境，其自動化程序也是前所未有的。 與前幾代的技術一樣，智能機器將會影響我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妗?它們將改變著人們生產(chǎn)商品、醫(yī)生進行手術、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未來低技術含量工作消失的擔心涵蓋到推動制造業(yè)在高薪國家的復蘇。 雖然研究機構、經(jīng)濟學家和媒體都在辯論信息技術集成到機器中的影響，但是工程師和科學家的任務是?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)滿足人們對產(chǎn)品種類的需求以及應對消費產(chǎn)品生命周期不斷縮短的狀況。

　　智能機器的特性

　　兩大因素推動著制造設備的創(chuàng)新： 一個是生產(chǎn)產(chǎn)品的個性化和復雜化，另一個是日益增長的生產(chǎn)力和質(zhì)量需求。 機器和設備制造商已經(jīng)不再設計單一用途的機器。 他們不斷開發(fā)靈活、多用途的機器來滿足當今的各種制造需求，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設備的高度集成化產(chǎn)品趨勢。

　　由于現(xiàn)代機器可以比以往更加自主地運行，這樣就可以防止和修正由于原材料、熱工作點漂移或機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，智能機器可以獲取有關過程、機器狀態(tài)及其所處環(huán)境的信息。 這有助于增加機器的正常運行時間，并?高質(zhì)量水平。 此外，這些系統(tǒng)可以通過挖掘數(shù)據(jù)、利用仿真模型或?qū)W習針對特定應用的算法從而不斷改善它們的性能。最后，機器能夠與其他自動化系統(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)。 這實現(xiàn)了理想的智能工廠和自動化生產(chǎn)線：可適應不斷變化的條件、可平衡機器之間的工作負載以及在機器出現(xiàn)故障前通知維修人員。

　　設計方法與挑戰(zhàn)

　　現(xiàn)代機器控制系統(tǒng)通過獲取環(huán)境、進程和機器參數(shù)等相關數(shù)據(jù)和信息來適應不斷變化的條件、執(zhí)行不完全重復的任務或者?高效率和性能。 傳感器與測量技術扮演著越來越重要的角色，因為他們使得設備制造商能夠開發(fā)出可感知環(huán)境以及實時監(jiān)測執(zhí)行過程的系統(tǒng)，從而確保重要機械部件的良好狀態(tài)，并利用這些信息進行自適應控制。 這要求控制系統(tǒng)能夠集成傳感器數(shù)據(jù)、實時采集信息，并在高速運行控制循環(huán)的同時并行處理來自多個傳感器的信息。 具有工業(yè)級耐用性的高性能嵌入式系統(tǒng)通過模塊化 I/O 設備 ?供直接的傳感器連接。當今領先的設備制造商采用實時處理器和可編程硬件相結合的異構計算架構來滿足最苛刻的應用需求。

　　為了解決當今的制造需求，機器制造商必須設計高度模塊化的系統(tǒng)來滿足客戶的具體要求或者針對不同制造工藝和不同產(chǎn)品現(xiàn)場調(diào)整系統(tǒng)，而且有時甚至不需要操作員的交互。 模塊化方法不僅幫助 OEM 廠商開發(fā)出可以在多個機器上重復利用的組件，簡化了現(xiàn)成子組件的集成，而且也顯著改變了他們設計系統(tǒng)的方式。機械系統(tǒng)的模塊化特性需要反映在控制系統(tǒng)架構上。 與傳統(tǒng)單機系統(tǒng)不同的是，現(xiàn)代機器是基于一個控制系統(tǒng)網(wǎng)絡。 這需要一個無縫通信基礎設施來處理時間要求嚴格的數(shù)據(jù)、優(yōu)先級較低的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，并與監(jiān)控系統(tǒng)進行通信。 為了應對日益增加的分布式嵌入式系統(tǒng)復雜性，機器制造商可以采用以軟件為中心的系統(tǒng)設計方法。

　　過去，設計團隊是由機械、電氣和控制工程師組成，各自負責自己的設計任務。 然而，當今的現(xiàn)代化機器需要不同的設計團隊更緊密地合作。

　　面向機電一體化的設計工具可仿真整個設計過程中機械和電氣子系統(tǒng)之間的交互，從而優(yōu)化了機器開發(fā)。以前，來自各個學科領域的工程師團隊都各自獨立地工作或按順序進行開發(fā)。 設計決策都是獨立做出的，導致開發(fā)時間和成本增加。 如今，為了通過機電一體化方法來簡化開發(fā)，團隊就需要同時并行工作，在設計、原型和部署上相互合作。 機電一體化方法的一個重要方面是構建虛擬原型的能力，因為它有助工程師和科學家在機器尚未實際成型之前就可以先對機器進行研究。

　　領先的機器制造商通過功能來實現(xiàn)智能機器的差異化，這些功能需要采用一些重要技術，比如：

　　多個控制系統(tǒng)和異構計算架構的組合

　　軟硬件集成平臺，可?供

　　信號分析工具、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

　　以軟件為中心的設計方法，可以幫助應對日益增加的系統(tǒng)復雜性