OEM机器制造成败的关键：更高效的机电一体化设计
本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2017年5月刊，原标题为：卓越功能设计，实现机电一体化更高效率
机电一体化设计着眼于多学科技术的复杂性，需要考虑多方面的因素，如团队合作、高效的设计和功能等。
从功能而不是硬件性能的角度来思考机器设计，有一个特别的好处：获得更好的机器效率。效率来自与子系统功能的融合，以及对系统选型/构件选型的综合考虑。系统选型有一个优势：根据协同工作理念设计的部件，当系统按照预定参数运行时，具有最大的效率。不会有更多部件具有过高的“安全边际”，不必设置更多只能部分利用的组件。预制子系统已经获得简化，根据特定的应用输入，就可以获得最优的设计输出。
子系统的设计受益于共享的协同效应，并尽可能获得最高的销量。通过简化结构设计，消除冗余和效率低下的组件，从而可以制造出更高效的机器。其结果就是能耗降低，因此机器的运行成本也就降低了。由于设计时间缩短，功能控制简单，也会进一步降低机器成本。总体而言，总效率增加了。
预设计的执行器，包括所有的机械和电气部件，都作为功能子系统。制造商的选型软件，为机电一体化团队提供了一个重要的生产工具。图片来源：Festo
团队协作带来更高效率
机电一体化设计，着眼于多学科技术的复杂性，其中最主要的部分，包括电气、机械、计算机、气动和热力工程学性等。其设计过程也有别于传统的设计，因为它考虑并行的技术逻辑功能，而不是连续的硬件设计阶段。
在典型的机械设计流程中，机械工程师进行概念布置的设计，并传递给电气工程师进行电气设计，然后传递给控制工程师将所有元素连接到控制系统中。然而，因为在融合机电一体化概念时缺乏协同作用，造成这种设计方式效率低下。其结果是，功能丧失， 而机器则毫无必要的变得太复杂了。这就造成了零散的技术无机的集成到设备中，对设备的成本、性能和效率会造成一定的影响。
在机电一体化设计中，电气、机械和控制工程师组成的项目团队，由项目经理领导。他们基于产品管理或客户要求开发设计概念。多组设计会议通过主动识别跨功能问题，避免了设计冲突。设计概念被开发成功能子系统与最佳交叉技术的融合，包括从最初开始的电气、机械和控制等方面的内容。
预设计子系统，被用作功能部件，具有与机器过程而不是单个硬件特性相关的输入/输出（I/O）数据。项目经理在组织团队沟通、减轻跨功能团队的冲突、以及管理设计进度方面具有非常重要的作用。产品管理总是涉及到确保成本、性能和技术规格的最佳平衡。对功能进行审查，确保最佳的电气和机械解决方案，其中最有效的机器设计集成具有较高的优先级。
简化机器，可以提供诸如体积小、重量轻、机械磨损少等优势。现在，对机器设计的影响，可以从更小的封装体积、更低的成本、更少的维护、更多的功能（凸轮廓线，可以做适当的调整，从而可以实现不同的机器输出）、更高的机器转速、和更高的平均故障间隔时间（MTBF）等方面来度量。
所有这些优势，使设备在市场上更具竞争力，从而可以决定原始设备制造商（OEM）的成败。机电一体化设计团队，让电气、机械和控制工程来同时参与、共同设计设备。项目团队可以依据功能而不是部件性能，将设备分解成不同的子装置。多功能整合到集成模块化控制，消除了对功能有限的物理设备的需求。
另一个例子是：配置工业计算机（IPC）的人机界面（HMI），被内置为可编程自动化控制器（PAC），可以进行运动控制和逻辑控制，并运行综合软件。这种设计选择，不再需要单独的计数器、可编程逻辑控制器（PLC）和运动控制器。减少了硬件布线。物理映射被软件映射所替代。逻辑控制和运动控制可以在一个控制软件内实现，而无需等待I/O扫描和逻辑来启动运动，从而实现更快的机器响应和更好的性能。对系统来讲，更少的组件，意味着相同甚至更好的系统平均无故障时间。
预制功能组件，开销更少
有效的机电一体化团队，将基于组件功能的硬件设计视为预制组件，比如集成了伺服电机和齿轮箱的完整执行器。伺服执行器作为机电一体化元件，包括选型适当的执行器与耦合器、变速箱、伺服电机、伺服执行器、用于运动控制的总线通信。可以从厂商提供的云数据库下载数据，为组件控制设置参数。
有哪些好处？设计团队只关注子系统的功能，不需要关注为每个组件选型。大多时候，子系统选型由其制造商提供的软件完成，只考虑子系统的I/O数据，这样就简化了设计，提高了设计效率，从而可以加快上市时间。不同的组件功能，可以根据机械、电气、气动和控制功能进行比较，从安全、生产速度和为预算成本而进行的功能优化等角度进行分析。
使用预先设计的子系统，提高设计效率，避免硬件/软件冲突。许多制造商提供软件选型工具，完成典型的系统配置，比如多轴龙门系统，允许输入数据有较大的变化，从而实现最佳性能。
控制软件设计和功能块
控制软件设计，还检查了基于功能的整个机器，将复杂的结构集成到可复用的功能块中。大多数最新的PAC软件，允许逻辑和运动集成到软件包中。这其中一部分，实际上将功能扩展到气动逻辑控制。
在软件中使用功能块的优点是：功能块是预定义和标准化的。利用功能块，缩短了设计时间，提高了设计效率。功能块的可移植性增加了设计的灵活性，并允许根据客户应用程序进行设计更改。可以从预定义的功能块库调用功能块，简化了设计过程。原始设备制造商为其主力设备自定义功能块比较常见；这使它们能够在新设备结构中复用块（只有很少的差异）的结构，提高设计效率。
图中所示的是在龙门选型软件中定义有效载荷特征值。
以龙门选择软件为例，其选项包括单轴系统、2-D线性龙门、2-D龙门和3-D 龙门。
目前所有工业自动化产品的主要供应商，都在其产品中提供功能块，推动行业走向标准化。机器的连接性能允许远程访问，为满足客户要求的业务变化和故障排除带来一定的灵活性。
现在，先进的PAC控制软件，内置了“物联网”和“工业4.0”功能，从而解决了连通性和数字化信息需求。基于以太网的协议，允许通过将多种通讯协议集成到一个数据输出（被称之为OPC 统一架构）的网络，快速传输数据，并将 IT与工业自动化集成。这样，未来的系统集成到数据管理，提供获得底层控制数据支持的报告，确保大数据和云应用所需的运营能力。
基于机电一体化的设计原则，供应商将优势建立在功能组件上，并进一步将智能化驱动深入到部件层面，为OEM及其客户创造巨大的竞争机会。对控制和设计工程师来讲，这是一个令人兴奋的时刻。