你是否有過這樣的經(jīng)歷：當使用一臺機器設(shè)備時，你會抱怨工程師們在設(shè)計產(chǎn)品時沒能充分考慮用戶的感受。為了幫助工程師設(shè)計出易于使用的機器，本文從自動化、控制、儀表、傳感器、邏輯器件和通信技術(shù)等方面介紹了10個設(shè)計技巧。一旦掌握了這10個技巧，工程師們就可以在設(shè)計中節(jié)省大量的時間和精力，還能避免將來可能會出現(xiàn)的諸多麻煩。

　　1.調(diào)查、研究和量化
　　搜集信息，做出計劃，然后一絲不茍地向既定目標前進。這是機器設(shè)計流程的一個寫照。為了追求產(chǎn)品高度的靈活性和適應性，工程師們在設(shè)計產(chǎn)品時常常會耗費大量的時間和精力，不斷給產(chǎn)品添加新的功能，卻最終導致產(chǎn)品的過度復雜。
　　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)計中，一旦確定了優(yōu)先次序，那就應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)計分析是非常有用的信息。”
“模塊化的機器設(shè)計和制造方法可以一方面滿足不斷增長的客制化的設(shè)計要求，另一方面縮短機器的開發(fā)時間，同時還能降低OEM的制造成本。”Phoenix Contact公司自動化產(chǎn)品經(jīng)理Larry Komarek說。
　　Komarek還建議說：“將機器或者機器系列分解為不同的功能部件，每一功能部件都具有相應的機械、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)過預先設(shè)計、預先文檔化和預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.標準和安全
　　Gurney 和 Diehl指出，借助標準的通用接口，產(chǎn)品可以集成最佳的系統(tǒng)組件，同時還減少了專用控制系統(tǒng)的設(shè)備過時報廢等問題。
　　在設(shè)計軟件中積累的知識可以被轉(zhuǎn)化為機器代碼，從而避免了對設(shè)計參數(shù)的修改。有些設(shè)計軟件提供了面向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)交換標準（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)計分布控制時要充分利用NEC code中群組電動機安裝規(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，所有的通用機器設(shè)計都應遵守IEC 60204-1 Category 4標準。它是安全規(guī)范的最高標準，要求所有的機器設(shè)計都應考慮到安全繼電器和安全連鎖裝置。” 同時他又提到：“2002年修訂版將NFPA-79和IEC 60204-1國際標準統(tǒng)一起來。美國人的慣常做法是在基本控制電路中使用標準的繼電器，以保證所謂的‘控制可靠度’。

但對于IEC 60204-1 Category 4標準來說，這是遠遠不夠的。”

　　3.傳感器和機器視覺
“不要在設(shè)計末期才考慮到傳感器的問題。小型智能的傳感器常常會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，一個價廉物美的傳感器有時會解決大問題”, 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？是否需要有一個控制器負責檢測結(jié)果與輔助任務的協(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：“機器設(shè)計漫長征途的第一步，就是正確地選擇一個邏輯平臺。現(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、運動控制、自動檢測以及機器狀態(tài)監(jiān)控等）。
　　編程工具應該易于掌握，生成的代碼應該是模塊化、易升級和可重用的。Rockwell Automation的全球OEM技術(shù)顧問Dan Seger介紹說：“選定一個控制架構(gòu)解決方案以使設(shè)計變得簡單。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，那么就會給后期開發(fā)帶來麻煩。同樣，良好的連通性（例如將各個設(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)計中采用的是廉價的設(shè)備通信方案，那么不僅難以使用，而且會在工程起始和維護階段耗費大量的時間。”為了取得最佳的效果，他建議將控制和信息共享兩部分的編程工作分開進行。其他有價值的做法還包括：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)行機構(gòu)
　　根據(jù)應用需要，選擇合適的氣動、液壓和電氣執(zhí)行機構(gòu)。同樣，運動控制器也需要認真選擇。那么，可以采用電動機控制單元（MCU）或者數(shù)字信號處理器（DSP）進行電動機控制嗎？
　　Texas Instruments的電動機控制策略專家Kedar Godbole建議，要尋求性能創(chuàng)新和降低系統(tǒng)成本，在性能和價格間取得平衡（獲得最佳的性價比），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，以及進行高水平的模擬集成。
　 　SEW-Eurodrive公司的Jan Lindholm說：“相對于機械摩擦機構(gòu)，控制機構(gòu)往往更加適用而高效。與離合制動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，同時還能降低設(shè)備的磨損和維護的成本。” Lindholm又解釋說：“變頻驅(qū)動技術(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，可以解決很多電機驅(qū)動問題。”

　　6.顯示屏和按鈕，孰優(yōu)孰劣 ？
　　基于顯示屏的人機界面（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性強，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，如數(shù)據(jù)互聯(lián)和診斷能力。診斷能力可以帶來機器軟硬件正常運行時間上的優(yōu)勢、簡便連通能力和降低編程工作量，真是物有所值。”

　　7.網(wǎng)絡(luò)與通信
　 　采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以減輕機器內(nèi)外布線和通信譯碼的工作量。Opto 22 公司的行銷專家 David Crump介紹說：“機器對機器（M2M）通信技術(shù)增強了機器的連通性。借助于無線技術(shù)，可將機器設(shè)備與企業(yè)信息系統(tǒng)連接起來，實現(xiàn)遠程設(shè)備監(jiān)控和啟動，生產(chǎn)狀況實時報告以及其他一些操作。M2M還能幫助機器設(shè)計人員跟蹤機器的生命周期，識別故障點，改進未來的設(shè)計。同時，M2M還能為企業(yè)創(chuàng)造更多的營收機會，例如，為用戶提供超前設(shè)備維護和維修等增值服務。”
　　NI的Kulkarni說：“無線技術(shù)種類繁多。對于遠程計算機和工廠 HMI/SCADA系統(tǒng)間的M2M通信，由于傳輸距離長達數(shù)百英里，所以應該采用衛(wèi)星通信或者蜂窩電話通信方式。對于控制器/PLC和HMI/SCADA 系統(tǒng)間的通信，IEEE 802.11無線通信技術(shù)是最適用的。然而，對于控制器和傳感器間的通信，由于傳輸距離只有10~100 米，采用藍牙技術(shù)或Zigbee技術(shù)則更為有效。”
　　Rockwell Automation的Seger指出：“（在設(shè)計不同設(shè)備間的通信時）要避免采用RS-232和標準以太網(wǎng)技術(shù)，否則要耗費大量的時間編寫專用的通信驅(qū)動程序來支持數(shù)據(jù)傳輸。這是一件費時費力而又不會增值的工作。而對于機器內(nèi)部，如果I/O級采用一個安全的終端技術(shù)則可以節(jié)省裝配和檢修的時間。” Wago公司的市場經(jīng)理Dean Norton說：“Wago公司的免螺絲籠式彈簧夾持（Cage Clamp）端子具有更高的靈活性，可以縮短60%的布線時間，在有些應用場合可以免除每6至8個月對機器進行加固的需要。該接線技術(shù)可以實現(xiàn)預布線，滿足所有機器I/O的要求，并可方便在設(shè)計后期采用合適的總線協(xié)議實現(xiàn)控制器的通信。”

　　8.電源
　　直接購買電源系統(tǒng)，而不要試圖自己設(shè)計它們，這樣可以節(jié)省大量時間和精力。
　　電源、總線、管理系統(tǒng)和智能組件都能向HMI提交報告，這樣可以達到更高的系統(tǒng)集成和效率。隔離、監(jiān)測和屏蔽措施可以保證最小的傳輸線和EMF干擾。

　　9.集成
　　從整個生產(chǎn)流程的角度考慮機器設(shè)計可以極大的提高效率。FlexLink Systems AB的CEO Fredrik J歯sson說：“通常情況下，一條機器生產(chǎn)線的能力只被發(fā)揮了30%。如果能從整個生產(chǎn)流程的角度考慮機械設(shè)計的話，那么生產(chǎn)線的利用率會被大大提高。”
　　綜合來自機床的信息會產(chǎn)生比機器本身更多的效益。一些主要的工程設(shè)計和生產(chǎn)組織指出，STEP數(shù)據(jù)庫可以降低分別高達35% 和75%的生產(chǎn)計劃和制造控制成本（數(shù)據(jù)來源：Step Tools Inc）。

　　10.及時的項目總結(jié)
　　當項目接近尾聲時，不妨抽些時間對項目進行評估和總結(jié)，以方便下一輪的設(shè)計。