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你是否有過這樣的經(jīng)歷：當(dāng)使用一臺機(jī)器設(shè)備時(shí)，你會(huì)抱怨工程師們在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)沒能充分考慮用戶的感受。為了幫助工程師設(shè)計(jì)出易于使用的機(jī)器，本文從自動(dòng) 化、控制、儀表、傳感器、邏輯器件和通信技術(shù)等方面介紹了10個(gè)設(shè)計(jì)技巧。一旦掌握了這10個(gè)技巧，工程師們就可以在設(shè)計(jì)中節(jié)省大量的時(shí)間和精力，還能避 免將來可能會(huì)出現(xiàn)的諸多麻煩。
1.調(diào)查、研究和量化
搜集信息，做出計(jì)劃，然后一絲不茍地向既定目標(biāo)前進(jìn)。這是機(jī)器設(shè)計(jì)流程的一個(gè)寫照。為了追求產(chǎn)品高度的靈活性和適應(yīng)性，工程師們在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)常常會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，不斷給產(chǎn)品添加新的功能，卻最終導(dǎo)致產(chǎn)品的過度復(fù)雜。
工業(yè)系統(tǒng)集成商Concept Systems公司的創(chuàng)始人Michael Gurney 和 Ed Diehl介紹說：“在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，一旦確定了優(yōu)先次序，那就應(yīng)該立刻從最劃算的地方著手。關(guān)于過程控制和質(zhì)量控制的統(tǒng)計(jì)分析是非常有用的信息�！�
“模塊化的機(jī)器設(shè)計(jì)和制造方法可以一方面滿足不斷增長的客制化的設(shè)計(jì)要求，另一方面縮短機(jī)器的開發(fā)時(shí)間，同時(shí)還能降低OEM的制造成本�！盤hoenix Contact公司自動(dòng)化產(chǎn)品經(jīng)理Larry Komarek說。
Komarek還建議說：“將機(jī)器或者機(jī)器系列分解為不同的功能部件，每一功能部件都具有相應(yīng)的機(jī)械、自控元件和軟件程序。將這些功能部件搭配組合就可 以創(chuàng)建出用戶客制化的配置或者‘小型/中型/大型’的產(chǎn)品系列。經(jīng)過預(yù)先設(shè)計(jì)、預(yù)先文檔化和預(yù)先測試的功能部件可以被快速生產(chǎn)出來，而且還降低了生產(chǎn)成 本�！�
2.標(biāo)準(zhǔn)和安全
Gurney 和 Diehl指出，借助標(biāo)準(zhǔn)的通用接口，產(chǎn)品可以集成最佳的系統(tǒng)組件，同時(shí)還減少了專用控制系統(tǒng)的設(shè)備過時(shí)報(bào)廢等問題。
在設(shè)計(jì)軟件中積累的知識可以被轉(zhuǎn)化為機(jī)器代碼，從而避免了對設(shè)計(jì)參數(shù)的修改。有些設(shè)計(jì)軟件提供了面向STEP和IGES文件格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。STEP，即產(chǎn)品型號數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)（ISO 10303），定義了如何描述和交換數(shù)字化的產(chǎn)品信息。
“在 設(shè)計(jì)分布控制時(shí)要充分利用NEC code中群組電動(dòng)機(jī)安裝規(guī)定（group motor installation provisions）的第430.53 (c)條。這樣做的好處是，可以減少分支電路的數(shù)量，降低成本，消除EMC噪聲，無需重新布線和調(diào)試就可以更換各功能模塊，增強(qiáng)了產(chǎn)品的靈活性。” SEW-Eurodrive公司的電子產(chǎn)品經(jīng)理Rich Mintz介紹說。
Schneider Electric公司的機(jī)器安全產(chǎn)品經(jīng)理Larry Sunday說：“在安全方面，自從NFPA-79 2002年修訂版發(fā)布以來，所有的通用機(jī)器設(shè)計(jì)都應(yīng)遵守IEC 60204-1 Category 4標(biāo)準(zhǔn)。它是安全規(guī)范的最高標(biāo)準(zhǔn)，要求所有的機(jī)器設(shè)計(jì)都應(yīng)考慮到安全繼電器和安全連鎖裝置�！� 同時(shí)他又提到：“2002年修訂版將NFPA-79和IEC 60204-1國際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一起來。美國人的慣常做法是在基本控制電路中使用標(biāo)準(zhǔn)的繼電器，以保證所謂的‘控制可靠度’。但對于IEC 60204-1 Category 4標(biāo)準(zhǔn)來說，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的�！�
3.傳感器和機(jī)器視覺
“不要在設(shè)計(jì)末期才考慮到傳感器的問題。小型智能的傳感器常常會(huì)帶來意想不到的好處。在元件底板空間已經(jīng)確定的情況下，一個(gè)價(jià)廉物美的傳感器有時(shí)會(huì)解決大問題”, Banner Engineering公司的技術(shù)市場經(jīng)理Joseph Dolinsky說。
Cognex公司的In-Sight 視覺傳感器產(chǎn)品市場經(jīng)理Mark Sippel指出，采用何種方式處理檢測和過程反饋取決于很多的因素。
這些因素包括：反饋信息是否需要在多路離散檢測、抑制或其他系統(tǒng)間共享？是否需要有一個(gè)控制器負(fù)責(zé)檢測結(jié)果與輔助任務(wù)的協(xié)調(diào)？如何交流和使用檢測結(jié)果？ 如果I/O設(shè)備用于通信的話，那么其他的控制端口的類型是什么？位置在哪兒？燈光、電源和數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫蛩匾残枰豢紤]到。
4.軟硬件的邏輯平臺
National Instruments工業(yè)數(shù)據(jù)采集和控制部門的產(chǎn)品經(jīng)理Rahul Kulkarni說：“機(jī)器設(shè)計(jì)漫長征途的第一步，就是正確地選擇一個(gè)邏輯平臺�，F(xiàn)在普遍采用的控制器有：PLC，PC-104，PCI，PXI或者是常 規(guī)的電路板。在決定采用哪一個(gè)控制器平臺前，一定要充分考慮該控制器所要執(zhí)行的全部功能（例如邏輯控制、過程控制、運(yùn)動(dòng)控制、自動(dòng)檢測以及機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控 等）。
編程工具應(yīng)該易于掌握，生成的代碼應(yīng)該是模塊化、易升級和可重用的。Rockwell Automation的全球OEM技術(shù)顧問Dan Seger介紹說：“選定一個(gè)控制架構(gòu)解決方案以使設(shè)計(jì)變得簡單。從控制器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，到外圍設(shè)備和操作員界面，對于這些組件的選擇如果只從采購成本最低 的角度考慮，那么就會(huì)給后期開發(fā)帶來麻煩。同樣，良好的連通性（例如將各個(gè)設(shè)備組件緊湊裝配，緊密通信）可以提高效率和降低成本。相反地，如果在設(shè)計(jì)中采 用的是廉價(jià)的設(shè)備通信方案，那么不僅難以使用，而且會(huì)在工程起始和維護(hù)階段耗費(fèi)大量的時(shí)間�！睘榱巳〉米罴训男Ч�，他建議將控制和信息共享兩部分的編程工 作分開進(jìn)行。其他有價(jià)值的做法還包括：結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)形式，下拉式菜單以及根據(jù)功能分類的基于代碼的對象庫等。
5.執(zhí)行機(jī)構(gòu)
根據(jù)應(yīng)用需要，選擇合適的氣動(dòng)、液壓和電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)。同樣，運(yùn)動(dòng)控制器也需要認(rèn)真選擇。那么，可以采用電動(dòng)機(jī)控制單元（MCU）或者數(shù)字信號處理器（DSP）進(jìn)行電動(dòng)機(jī)控制嗎？
Texas Instruments的電動(dòng)機(jī)控制策略專家Kedar Godbole建議，要尋求性能創(chuàng)新和降低系統(tǒng)成本，在性能和價(jià)格間取得平衡（獲得最佳的性價(jià)比），在快速軟件開發(fā)中采用高效的C/C++內(nèi)核，使用靈活易用的工具，以及進(jìn)行高水平的模擬集成。
SEW-Eurodrive公司的Jan Lindholm說：“相對于機(jī)械摩擦機(jī)構(gòu)，控制機(jī)構(gòu)往往更加適用而高效。與離合制動(dòng)器等類似的解決方案相比，變頻器（特別是閉環(huán)的）能夠?qū)⒅芷谘娱L至2 到3倍，同時(shí)還能降低設(shè)備的磨損和維護(hù)的成本�！� Lindholm又解釋說：“變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)與無傳感器矢量控制、磁通矢量控制和交流無刷伺服系統(tǒng)相結(jié)合，可以解決很多電機(jī)驅(qū)動(dòng)問題�！�
6.顯示屏和按鈕，孰優(yōu)孰劣 ？
基于顯示屏的人機(jī)界面（HMI）和按鈕，孰優(yōu)孰劣？答案是：用觸摸屏代替按鈕是有益的。HMI工具包自帶的模板適應(yīng)性強(qiáng)，而且可以重用。
Omron Electronics的軟件產(chǎn)品市場經(jīng)理Joe Rubino介紹說：“HMI還有其他一些優(yōu)點(diǎn)，如數(shù)據(jù)互聯(lián)和診斷能力。診斷能力可以帶來機(jī)器軟硬件正常運(yùn)行時(shí)間上的優(yōu)勢、簡便連通能力和降低編程工作量，真是物有所值。”<
1.調(diào)查、研究和量化
搜集信息，做出計(jì)劃，然后一絲不茍地向既定目標(biāo)前進(jìn)。這是機(jī)器設(shè)計(jì)流程的一個(gè)寫照。為了追求產(chǎn)品高度的靈活性和適應(yīng)性，工程師們在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)常常會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，不斷給產(chǎn)品添加新的功能，卻最終導(dǎo)致產(chǎn)品的過度復(fù)雜。
工業(yè)系統(tǒng)集成商Concept Systems公司的創(chuàng)始人Michael Gurney 和 Ed Diehl介紹說：“在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，一旦確定了優(yōu)先次序，那就應(yīng)該立刻從最劃算的地方著手。關(guān)于過程控制和質(zhì)量控制的統(tǒng)計(jì)分析是非常有用的信息�！�
“模塊化的機(jī)器設(shè)計(jì)和制造方法可以一方面滿足不斷增長的客制化的設(shè)計(jì)要求，另一方面縮短機(jī)器的開發(fā)時(shí)間，同時(shí)還能降低OEM的制造成本�！盤hoenix Contact公司自動(dòng)化產(chǎn)品經(jīng)理Larry Komarek說。
Komarek還建議說：“將機(jī)器或者機(jī)器系列分解為不同的功能部件，每一功能部件都具有相應(yīng)的機(jī)械、自控元件和軟件程序。將這些功能部件搭配組合就可 以創(chuàng)建出用戶客制化的配置或者‘小型/中型/大型’的產(chǎn)品系列。經(jīng)過預(yù)先設(shè)計(jì)、預(yù)先文檔化和預(yù)先測試的功能部件可以被快速生產(chǎn)出來，而且還降低了生產(chǎn)成 本�！�
2.標(biāo)準(zhǔn)和安全
Gurney 和 Diehl指出，借助標(biāo)準(zhǔn)的通用接口，產(chǎn)品可以集成最佳的系統(tǒng)組件，同時(shí)還減少了專用控制系統(tǒng)的設(shè)備過時(shí)報(bào)廢等問題。
在設(shè)計(jì)軟件中積累的知識可以被轉(zhuǎn)化為機(jī)器代碼，從而避免了對設(shè)計(jì)參數(shù)的修改。有些設(shè)計(jì)軟件提供了面向STEP和IGES文件格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。STEP，即產(chǎn)品型號數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)（ISO 10303），定義了如何描述和交換數(shù)字化的產(chǎn)品信息。
“在 設(shè)計(jì)分布控制時(shí)要充分利用NEC code中群組電動(dòng)機(jī)安裝規(guī)定（group motor installation provisions）的第430.53 (c)條。這樣做的好處是，可以減少分支電路的數(shù)量，降低成本，消除EMC噪聲，無需重新布線和調(diào)試就可以更換各功能模塊，增強(qiáng)了產(chǎn)品的靈活性。” SEW-Eurodrive公司的電子產(chǎn)品經(jīng)理Rich Mintz介紹說。
Schneider Electric公司的機(jī)器安全產(chǎn)品經(jīng)理Larry Sunday說：“在安全方面，自從NFPA-79 2002年修訂版發(fā)布以來，所有的通用機(jī)器設(shè)計(jì)都應(yīng)遵守IEC 60204-1 Category 4標(biāo)準(zhǔn)。它是安全規(guī)范的最高標(biāo)準(zhǔn)，要求所有的機(jī)器設(shè)計(jì)都應(yīng)考慮到安全繼電器和安全連鎖裝置�！� 同時(shí)他又提到：“2002年修訂版將NFPA-79和IEC 60204-1國際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一起來。美國人的慣常做法是在基本控制電路中使用標(biāo)準(zhǔn)的繼電器，以保證所謂的‘控制可靠度’。但對于IEC 60204-1 Category 4標(biāo)準(zhǔn)來說，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的�！�
3.傳感器和機(jī)器視覺
“不要在設(shè)計(jì)末期才考慮到傳感器的問題。小型智能的傳感器常常會(huì)帶來意想不到的好處。在元件底板空間已經(jīng)確定的情況下，一個(gè)價(jià)廉物美的傳感器有時(shí)會(huì)解決大問題”, Banner Engineering公司的技術(shù)市場經(jīng)理Joseph Dolinsky說。
Cognex公司的In-Sight 視覺傳感器產(chǎn)品市場經(jīng)理Mark Sippel指出，采用何種方式處理檢測和過程反饋取決于很多的因素。
這些因素包括：反饋信息是否需要在多路離散檢測、抑制或其他系統(tǒng)間共享？是否需要有一個(gè)控制器負(fù)責(zé)檢測結(jié)果與輔助任務(wù)的協(xié)調(diào)？如何交流和使用檢測結(jié)果？ 如果I/O設(shè)備用于通信的話，那么其他的控制端口的類型是什么？位置在哪兒？燈光、電源和數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫蛩匾残枰豢紤]到。
4.軟硬件的邏輯平臺
National Instruments工業(yè)數(shù)據(jù)采集和控制部門的產(chǎn)品經(jīng)理Rahul Kulkarni說：“機(jī)器設(shè)計(jì)漫長征途的第一步，就是正確地選擇一個(gè)邏輯平臺�，F(xiàn)在普遍采用的控制器有：PLC，PC-104，PCI，PXI或者是常 規(guī)的電路板。在決定采用哪一個(gè)控制器平臺前，一定要充分考慮該控制器所要執(zhí)行的全部功能（例如邏輯控制、過程控制、運(yùn)動(dòng)控制、自動(dòng)檢測以及機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控 等）。
編程工具應(yīng)該易于掌握，生成的代碼應(yīng)該是模塊化、易升級和可重用的。Rockwell Automation的全球OEM技術(shù)顧問Dan Seger介紹說：“選定一個(gè)控制架構(gòu)解決方案以使設(shè)計(jì)變得簡單。從控制器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，到外圍設(shè)備和操作員界面，對于這些組件的選擇如果只從采購成本最低 的角度考慮，那么就會(huì)給后期開發(fā)帶來麻煩。同樣，良好的連通性（例如將各個(gè)設(shè)備組件緊湊裝配，緊密通信）可以提高效率和降低成本。相反地，如果在設(shè)計(jì)中采 用的是廉價(jià)的設(shè)備通信方案，那么不僅難以使用，而且會(huì)在工程起始和維護(hù)階段耗費(fèi)大量的時(shí)間�！睘榱巳〉米罴训男Ч�，他建議將控制和信息共享兩部分的編程工 作分開進(jìn)行。其他有價(jià)值的做法還包括：結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)形式，下拉式菜單以及根據(jù)功能分類的基于代碼的對象庫等。
5.執(zhí)行機(jī)構(gòu)
根據(jù)應(yīng)用需要，選擇合適的氣動(dòng)、液壓和電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)。同樣，運(yùn)動(dòng)控制器也需要認(rèn)真選擇。那么，可以采用電動(dòng)機(jī)控制單元（MCU）或者數(shù)字信號處理器（DSP）進(jìn)行電動(dòng)機(jī)控制嗎？
Texas Instruments的電動(dòng)機(jī)控制策略專家Kedar Godbole建議，要尋求性能創(chuàng)新和降低系統(tǒng)成本，在性能和價(jià)格間取得平衡（獲得最佳的性價(jià)比），在快速軟件開發(fā)中采用高效的C/C++內(nèi)核，使用靈活易用的工具，以及進(jìn)行高水平的模擬集成。
SEW-Eurodrive公司的Jan Lindholm說：“相對于機(jī)械摩擦機(jī)構(gòu)，控制機(jī)構(gòu)往往更加適用而高效。與離合制動(dòng)器等類似的解決方案相比，變頻器（特別是閉環(huán)的）能夠?qū)⒅芷谘娱L至2 到3倍，同時(shí)還能降低設(shè)備的磨損和維護(hù)的成本�！� Lindholm又解釋說：“變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)與無傳感器矢量控制、磁通矢量控制和交流無刷伺服系統(tǒng)相結(jié)合，可以解決很多電機(jī)驅(qū)動(dòng)問題�！�
6.顯示屏和按鈕，孰優(yōu)孰劣 ？
基于顯示屏的人機(jī)界面（HMI）和按鈕，孰優(yōu)孰劣？答案是：用觸摸屏代替按鈕是有益的。HMI工具包自帶的模板適應(yīng)性強(qiáng)，而且可以重用。
Omron Electronics的軟件產(chǎn)品市場經(jīng)理Joe Rubino介紹說：“HMI還有其他一些優(yōu)點(diǎn)，如數(shù)據(jù)互聯(lián)和診斷能力。診斷能力可以帶來機(jī)器軟硬件正常運(yùn)行時(shí)間上的優(yōu)勢、簡便連通能力和降低編程工作量，真是物有所值。”<
