第1章　智能装备系统设计基础知识

1.1　智能装备系统的定义、特点和发展趋势

1.2　智能装备系统基本构成要素

1.2.1　系统构成

在信息科学技术发展的推动下，制造业的资源配置已向信息（知识）密集型的方向发展。发展先进制造技术的目的，不仅是要高效制造出满足用户需求的优质产品，而且还要清洁、灵活地进行生产，以提高产品对动态多变的市场的适应能力和竞争能力。

一个较完善的智能装备系统由机械系统（机构）、电子信息处理系统（计算机）、动力系统（动力源）、传感检测系统（传感器）、执行元件系统（如电动机）五个子系统组成。通常采用拟人表达形式描述智能装备系统，见表22-1-2。

1.2.2　技术构成

智能装备系统包括产品和技术两个方面。智能装备系统产品是包含机械技术、光电子技术、计算机技术、信息技术、自动控制技术和网络通信技术的高科技产品；而其技术是指智能化产品的技术原理及其得以实现、使用和发展的技术。智能装备系统的技术构成见表22-1-3，应用技术领域见表22-1-4。

1.2.3　系统分类及特征

开发智能装备系统产品有不同的层次和灵活的自由度，可根据光学元件与机械元件和电子元件的集成方式的不同，将智能装备系统分成表22-1-5所示的三大类。

1.3　智能装备系统产品的设计方法

智能装备是机械技术、光电子技术和信息技术的有机结合，需考虑哪些功能由机械技术实现，哪些功能由光电子技术实现，进一步还需要考虑在光电子技术中哪些功能由硬件实现，哪些功能由软件实现；需要考虑光机电有机结合如何实现，机、电、液传动如何匹配，智能装备系统如何进行整体优化等不同于传统机电产品设计的一些特点。因此，智能装备产品必然有一些特有的设计方法，能够综合运用各种相关技术的特长，使其充分发挥智能装备的优越性。

传统和现代设计方法是普遍适用的，在智能装备产品设计中也有着不同程度的应用，解耦和耦合等智能装备系统独特的分析方法是现代设计方法的重要组成部分，它们与各种传统和现代设计方法一起构成了智能装备系统产品的设计方法。

1.3.1　智能装备系统主要的分析方法

1.3.1.1　系统的解耦与耦合

智能装备系统产品存在着多种能量转换和多重复杂的非线性耦合。这些产品在工作过程中要求各执行机构以所需的相对运动规律协调运动。但由于系统的复杂性以及制造误差，很难保证足够的运动精度和稳定性。如机器人手臂颤动、数控机床达不到所需的加工精度、高速运行的汽轮机转子由于运动规律的变化造成重大设备事故，这些现象都说明，在复杂智能装备产品中存在着深度的光机电有机结合，而这种特性在系统设计和运行过程中还没有被充分考虑。

（1）智能装备系统产品是复杂系统

智能装备系统产品与传统机械产品和机电一体化产品都不同，是一种十分复杂的系统，其设计方法与传统机械产品和机电一体化产品的设计方法也不完全相同。机械系统的设计方法（静力学、运动学、动力学、机械学、摩擦学和疲劳设计、可靠性设计等）适合于纯机械系统设计，主要解决机械的零件与零件、零件与部件、部件与部件等在空间（如装配和运动关系）和时间（时序配合及主从运动关系）上的关系，以及强度、刚度、振动和寿命问题。机电一体化产品的设计方法是先考虑机械部分的设计，再考虑控制部分的要求。而智能装备系统产品的设计方法是在系统设计的开始阶段就将光电控制、控制系统、传感器及信号处理系统的存在作为前提来考虑，进行光学技术、电子技术、计算机技术和机械技术的结合和集成。

归纳起来，智能装备系统有以下技术特点：

一是智能装备系统是一个高阶系统，混合在一起的多维参数对应（控制）多种物理功能。

二是智能装备系统是一个多回路的反馈系统，与执行体有关的各种信息通过各反馈回路传输到驱动体或控制体，完成实时信息处理和控制。

三是智能装备系统是一个非线性系统，主要表现在光机电单元的非线性和滞后现象。许多情况下，单元的输入与输出并非简单的比例关系，而是复杂的非线性关系。上述情况导致了智能装备系统不同于一般纯机械系统和机电系统动力学所研究的系统，分析和设计方法也不同于这两种系统的分析和设计方法。解耦和耦合等就是智能装备系统独特的分析方法。

（2）智能装备系统中的解耦系统与耦合系统

引起智能装备系统复杂性的主要原因是所谓的高阶性，而引起高阶性的根本原因在于此种系统所具有的复杂功能。功能越复杂和相互耦合的控制参数越多，其阶数则越高。其物理表现为：存在时序上和空间上的冲突，以及各功能间此消彼涨的现象，此即工程冲突。

工程冲突是苏联学者GrenrikhAhshuller在其创造性设计理论（俄文缩写TRIZ）中提出的一个观点。所谓工程冲突，是指用原来方法修改某一个系统参数将导致其他参数变化的现象。工程冲突是普遍存在的，如汽车的舒适性、安全性和经济性就构成一种工程冲突，这种工程冲突的不断解决就是汽车设计进步的过程。自动导引车既要跟踪预定的轨迹，又要控制随轨迹变化的速度，还要接受地面控制站发来的各种指令，依据这些指令做出控制上的修改。反映这些功能的参数和指令耦合应协调一致，以解决空间上和时序上的矛盾，也就是要解决工程冲突。

智能装备系统各部分间存在“机械”上的弱联系，而又在“光”和“电”方面存在联系，为解决其工程冲突提供了一个主要的途径。利用机械上弱联系之特点，根据所设计系统之功能域、主功能和辅助功能的主线，将系统降阶为多个单因素控制的、单个功能的光机电单元的组合——解耦系统。其目的在于发现工程冲突，发现冗余单元，并为耦合做好系统上的准备。解耦系统是一个虚拟的系统，它是解耦过程的结果。

耦合是解耦的逆过程。将多个光机电单元耦合成一个完整的系统，创造出单个光机电单元所不具备的功能，并解决工程冲突问题的过程称为耦合。耦合就是在解决工程冲突的基础上，建立各参数之间的正确耦合关系。解耦与耦合是对立的统一，是智能装备系统发展和进化的原动力。通过解耦发现工程冲突，通过耦合解决工程冲突，都是创造性的过程，是智能装备系统分析、研究、设计和开发的主要方法。

下面将对解耦与耦合的具体方法与过程进行详细介绍。

1.3.1.2　系统设计公理

将公理化设计原理的信息量定义为产品系统的功能需求信息量，简称功能信息量，用I_R表示，并将其含义进行扩展：功能信息量不仅表示了设计对象的知识需求和制造难度，而且还表示了设计对象的功能大小。对于某一设计，当设计方案的总信息量最小时，这个最小的总信息量就度量了设计对象的功能。此时，用功能信息量I_R来定量地表示系统功能的大小。即

　　（22-1-1）

式中，表示不同设计方案。

信息量含义的扩展是合理的，因为式（22-1-1）是定义在设计对象的功能域上的，它的直接含义应该是系统所实现功能的难易程度，而且，在一般情况下，知识需求越多、制造难度越大的系统，功能越强。

用最小总信息量来度量，避免了设计过程人为的因素，尽可能客观地对系统功能进行评价。需要说明的是，尽管引进了功能信息量I_R来度量设计对象的功能，但功能大小的比较是定义在同种功能之间，不同功能间的比较是没有意义的。

对于一个产品系统，需要分析用户提出的要求，准确地定义出功能需求FR；在设计公理的指导下，进行设计，得到满足功能需求FR产品的设计参数DP。

设计参数DP的内容非常广泛，包含多种物理描述（如形状、位置、大小等）和物理过程（如运动、加热、切割、辐射、发声等），必须用某种物理变量来表示，否则无法准确实现。常用的物理变量有尺寸、距离、速度、温度和力等。在用这些物理变量来量化设计参数时，有些设计参数可以给出确定值，有些设计参数不能给出确定值，而只能给出一个取值范围，特别是描述物理过程的参数。

一个产品系统在实现其功能时，它的状态必须是实时确定的，也就是说，实现功能的参数必须是确定的，那些在设计阶段不确定的物理量，在系统运行时必须取某一值，否则系统将处于不确定的状态。另一方面，产品系统的参数不可能在设计阶段完全确定。因为系统的运行要适应不同的工作要求、工作环境以及工作内容。针对这一客观现象，将设计参数分成两类，并在设计阶段对这两类参数区别对待。在设计过程中，一些能给出确定值的设计参数，称为结构参数（structure parameter），用SP表示；另一些不能给出确定值，而只能给出取值范围的设计参数，称为时域参数（time-domain parameter），用TP表示。

结构参数SP作为产品系统功能实现的基础，在设计阶段，应当是确定在产品系统的结构中，而且希望在产品制造和运行状态下，有较好的稳定性。

有些产品的功能可以完全由结构参数确定，如刀具、模具以及大多数手工工具等。这些产品功能体现在形态（材料）结构上，其功能用它的尺寸、形态（材料）就能描述。

结构参数的实现是在产品制造和系统建立阶段。同样可以定义结构参数的信息量I_SP，设结构参数SP的值是L_SP，制造允许的精度是±e，若精度分布沿L_SP全程是均匀的，则对应的信息量是

　　（22-1-2）

结构参数的信息量反映了系统结构实现的不确定性和制造的困难程度。信息量越大，系统建立和制造的难度就越大。

与结构参数不同，时域参数不能在设计阶段确定，必须在产品系统工作运行时确定。而且在系统启动、运行和制动时，这些时域参数的物理量都会随时间而变化。智能装备系统的功能特征主要由时域参数决定，其原因如下。

首先，智能装备系统的功能特点是在系统运行时反映出来的。它与刀具、工具不同，摆放在那儿不运行是体现不出它的性能的。

其次，智能装备系统的运行状态是一个有组织、有次序的协调工作的状态，是一个有序、低熵值的状态；一旦外界停止输入能量，系统停止运行，系统就将处于一个自然的、无序的、随机的、高熵值的状态；系统的运行状态对应于一个能级较高的非平衡态，需要输入能量和信息，以维持这个非平衡态；而系统的停机状态，对应于一个能级较低的平衡态，没有能量和信息的输入和输出；在系统的启动和制动过程中，系统状态将随时间而变化。在系统的运行过程中，系统状态也会随时间成周期性或单调地变化。所以，系统状态应由一些随时间变化的参数来描述。这些时域参数决定着系统的状态及其功能实现。

结构参数和时域参数的划分是相对的。设计参数是结构参数还是时域参数，并不能按参数的物理种类来定，而要根据系统分析和功能需求来定。在产品设计中，不同的选择会导致系统功能的变化。这种变化往往是技术创新的开始。

对时域参数的处理不同于对结构参数的处理。由于时域参数的实际值需要在产品运行时确定，因此，在设计阶段需要确定时域参数的控制方法和“定位”手段。采用以微型处理器为核心的自动控制装置是智能装备系统的设计思想，由此得出智能装备系统设计的第一条原则——时域参数控制原则，即一个智能装备系统的设计，必须利用自动控制回路实现对时域参数的控制。时域参数控制原理要求将系统的时域参数置于系统控制器的控制之下。这是实现对系统运行状态和功能进行控制的充要条件。

正如前文所阐述的，系统状态由一些随时间变化的参数决定和描述。它们与产品的系统功能可以用下面的形式表示

　　（22-1-3）

式中，F（t）是系统的功能函数

　　（22-1-4）

有的系统功能函数F（t）有明确的数学模型，而大多数系统没有明显的数学表示。由于在产品制造和系统建立时，结构参数被确定在结构中，在系统运行时始终保持不变。因此，在F（t）中，结构参数以常数的形式出现，系统功能可以认为只是时域参数的函数。

在智能装备系统的运行过程中，各时域参数之间，以及时域参数与环境参数之间存在着相互协同、相互配合的关系。同时，外界各种因素对系统产生干扰，引起参数变化，造成系统输出改变。这些都要求对时域参数进行实时监控。如果不对时域参数进行实时监控，系统一旦受到干扰，其输出性能就会受到影响。

在设计智能装备系统时，遵循时域参数控制原则，用控制器将产品的时域参数控制起来，就能够设计出运行可靠、自动化程度高、抗干扰能力强的智能装备系统。

时域参数有一定的变化范围，TP∈［a，b］。在实现对时域参数控制时，不可能无限精确地确定它的值，存在一定的分辨率，设为ε。可以定义时域参数的信息量I_TP

　　（22-1-5）

时域参数信息量表示在ε分辨率下，在区间［a，b］上得到某一确定值的不确定性。它在一定程度上反映出时域参数的控制复杂性。可以看出时域参数信息量的定义与信息论中对信息量的定义是一致的。控制范围越大，控制精度越高，分辨率越高，就越小，所需信息量I_TP就越多。当对数的基为2时，信息量I_TP还直接表示在ε分辨率下，在区间［a，b］上确定某一值所需二进制数据的最小长度。

例如，光学精密仪器制造系统中，时域参数TP₁表示Y轴直线运行，行程S=530mm，分辨率ε=0.01mm。该时域参数的信息量是

时域参数TP₂表示X轴直线运行，行程S=700mm，分辨率ε=0.06mm。该时域参数的信息量是

这两个时域参数信息量表示：Y轴直线运动上某个有效的值y，需要15.69≈16位二进制数；而为了表示X轴直线运动上某个有效的值x，需要13.51≈14位二进制数；由于I_x<I_y，表明X轴控制的复杂性小于Y轴控制的复杂性。

一个智能装备系统，每个时域参数TP_i，都有一个信息量则设计的总时域参数信息量M为

　　（22-1-6）

M称为控制信息需求量，它表明产品在运行时的、系统总的不确定性和需要的最小信息总量。

当设计违反独立性设计公理时，时域参数之间存在耦合情况，系统需要的信息总量将大于M。一个具体的系统，其所有时域参数不一定都被控制器控制。将被控制器控制的时域参数的信息量相加，称为控制信息处理量P，表示系统运动时，控制系统提供的实际信息总量及其消除的系统不确定性

　　（22-1-7）

功能信息量I_R是定义在设计的功能需求域上的，而时域参数的信息量I_TP是定义在设计的物理域上的，两者含义有所不同，分别表示设计中的需求和实现两个方面。

由于每个时域参数TP都对应着一个功能需求FR，时域参数的变化区间［a，b］应包含功能需求的范围L，而时域参数的分辨率ε应小于功能需求的精度。因为和2ΔL≥ε，则有

　　（22-1-8）

由此得出智能装备系统设计时时域参数设计的约束条件：时域参数的信息量I_TP必须不小于对应的功能需求的功能信息量I_R，这是时域参数满足功能需求的必要条件。

时域参数设计的约束条件给出了时域参数信息量的下限，而时域参数信息量的上限一方面受到控制条件、控制器选择和价格成本的限制，另一方面还受到下面将介绍的控制效率的约束。

设产品功能需求FR的总信息量对于智能装备系统的某一设计方案，其功能需求FR的总信息量I_R与时域参数的总信息量M的比值记为η

　　（22-1-9）

式中，η称为该方案的时域参数控制效率，表示一定时域参数所控制的产品系统功能。

当系统的功能需求不变，即I_R一定时，减少时域参数的数量或时域参数的信息量，η值就增大，表明所选择的时域参数的控制效率高；而时域参数的设计不变，即M一定时，通过功能重新组合、集成，挖掘产品潜力，使功能增强，I_R值增大，η值增加，表明设计的控制效率增大。降低控制信息量需求意味着系统在运动时，控制器的负担减轻；而提高功能信息量意味着系统的功能增加。

对于一个智能装备系统，η值的大小是衡量其设计好坏的一个重要标准。这样得出智能装备系统设计的第二条原则——最大控制效率原则：一个好的智能装备系统设计应满足独立性和最小信息量原则，并在满足时域参数信息量的约束条件下，追求时域参数的控制效率最大。

由于功能信息量I_R的比较限定在同种功能之间，所以时域参数控制效率的比较也限定在同种功能的系统，特别是同一系统的不同设计方案之间。这一限定并不妨碍最大控制效率原则的应用。因为系统设计需要在多个方案之间选择；而某个设计方案的优劣，只有在与其他方案和其他同类系统的比较中才能发现，没有一个绝对的标准能涵盖所有系统的功能。

在智能装备系统的设计中，一方面要增加控制手段，提高系统的光机电化率，提高可控性和自动化水平，增加时域参数的控制信息量；另一方面又要在满足约束条件和保证系统功能需求不变的情况下，减少时域参数的控制信息量，提高控制效率，降低控制器负担，降低产品的造价。上述两方面的要求是一个问题的两个方面，一个好的设计就是在二者之间寻找到最优解。

1.3.1.3　单元化设计原理

时域参数是智能装备系统重要的设计参数，它决定了系统的运行特性和性能指标。在实现对时域参数的控制时，光机电单元是一种有效的手段。

在系统设计阶段，可靠性是需要充分考虑的因素。时域参数的性质决定了其可靠性直接影响着系统的可靠性。在设计阶段，要保证对时域参数控制的安全可靠，将控制功能分散是提高系统可靠性的重要办法。在早期的系统设计中，由于处理器的成本较高，多采用集中控制，即将系统中的所有运算、控制功能置于一台主控计算机里，控制回路中的其他元件，如驱动器、执行机械、信号采集及反馈元件，与主控计算机成星状连接，系统的可靠性几乎全部由主控计算机的可靠性来决定，因此集中控制系统的可靠性较低。

随着计算机成本的降低和通信成本的提高，将控制功能分散到下层控制器的分散化系统结构逐渐采用。由于控制功能分布在多个控制器中，主控计算机的负荷降低了。每个控制单元具有较独立的自主性，互相间影响较少，降低了各部分间的耦合。如果某个控制单元出现故障，不会影响到系统的其他部分。即使主控计算机出现故障，也不会造成过大的损失。因此系统的可靠性大大地提高了。

在系统设计阶段，得到时域参数后，按照时域参数控制原则要对时域参数进行控制，对每个时域参数构造一个控制回路。由于时域参数之间是非耦合或解耦的，各控制回路在逻辑上可以认为是一个相互独立的，包含控制器、驱动器、传动执行机构和反馈元件的光机电单元。对于有些不能用一个控制回路控制的时域参数，还需要进行更深一层的从功能需求到设计参数的设计过程，将功能进一步分解，直至得到参数单一的时域参数并对其进行控制。

光机电单元是随着微处理器、光电子、精密加工等现代制造和加工工艺的发展而产生的。它反映了这样一种发展趋势，即机械、电子与光学的结合，从系统和子系统的结合（如CNC机床、CIMS等）向更加基础的元素——部件的结合发展。这种趋势继续发展就意味着将来可能出现类似于细胞大小的、具有自主性的微型机构。

光机电单元不仅是一种产品部件，更重要的还是一种设计思想和产品开发的方向。在现阶段，真正能实现集控制器、驱动器、传动及执行器为一体的单元并不多，往往是以相对独立的形式存在，如大部分直线运动单元没有成为一体，导轨、丝杠、驱动器和电动机是分立的，还需要将它们装配、连接起来。目前有大量的技术成熟、系列化的商品部件供应市场，在市场上选购合适部件，将它们装配成一个光机电单元是比较容易的。

用光机电单元的思想，即控制功能分散和控制回路独立，进行系统设计，选用适当的配套元件加以实现，是快速、可靠地开发智能装备系统的有效途径。

1.3.1.4　智能装备系统的结构层次

智能装备系统设计的过程就是其解耦与耦合的过程。为此，应该把一个复杂的智能装备系统看作多个在结构上、功能上相对独立的光机电单元的耦合，而每一个光机电单元都包含机械本体、执行、传感、信息处理和功率驱动五个部分。通过对系统进行需求分析并逐级分解、细化，可以将系统的需求描述得更为完整，而且这种描述可以与设计中的单元紧紧地联系起来。通过将智能装备系统解耦，或称为功能结构分解，可以将一个复杂的、规律不明显的智能装备系统的设计转化为多个较简单的、规律较明显的光机电单元的设计，可以大大简化系统的设计，加快开发速度，提高开发质量。

智能装备是一种光机电系统（optical mechanical electronics system，OMES），是由“光机电组元”（optical mechanical electronics component，OMEC）通过电子计算机软件集成而得到的，而OMEC又是由“光机电单元”（optical mechanical electronics element，OMEE）耦合而成的，对于较简单的OMES，也可以由OMEE直接耦合得到，但通常认为光机电系统具有OMEE、OMEC和OMES三级结构，如图22-1-1所示。OMEE的结构和特点见表22-1-6。

1.3.1.5　智能装备系统的基本分析

1.3.2　模块化设计方法

智能装备系统产品或设备可设计成由相应于五大要素的功能部件或若干功能子系统组成，而每个功能部件或功能子系统又包含若干组成要素。这些功能部件或功能子系统就是具有三级结构特性的光机电系统OMES、光机电组元OMEC和光机电单元OMEE，将其标准化、通用化和系列化，就成为功能模块。每一个功能模块可视为一个独立体，在设计时只需了解其性能规格，按其功能来选用，而无需了解其结构细节。

在新产品设计时，可以把各种功能模块组合起来，形成我们所需的产品。采用这种方法可以缩短设计与研制周期，节约工装设备费用，从而降低生产成本，也便于生产管理、使用和维护。例如：将工业机器人各关节的驱动器、检测传感元件、执行元件和控制器做成智能的驱动功能模块，可用来驱动不同的关节。还可以研制机器人的机身回转、肩部关节、臂部伸缩、肘部弯曲、腕部旋转、手部俯仰等各种功能模块，并进一步标准化、系列化，就可以用来组成结构和用途不同的各种工业机器人。

1.3.3　柔性化设计方法

将智能装备产品或系统中完成某一功能的检测传感元件、执行元件和控制器做成智能功能模块，因控制器具有可编程的特点，则该模块就成为柔性模块。例如：采用凸轮机构可以实现位置控制，但这种控制是刚性的，一旦运动改变时，则必须改变凸轮外廓的几何形状，若采用伺服电机驱动，则可以使机械装置简化，且利用电子控制装置可以进行复杂的运动控制以满足不同的运动和定位要求。

1.3.4　取代设计方法

取代设计方法又称为互补设计方法。该方法的主要特点是利用通用或专用智能器件取代传统机械产品中的复杂机械部件，以便简化结构，获得更好的功能和特性。

智能传感器是把敏感元件、信号处理电路与微处理器集成在一起的传感器。用这种智能传感器取代传统的传感器，以提高检测精度和可靠性。

取代设计方法既适合于旧产品的改造，也适合于新产品的开发。例如：可用单片机应用系统（微控制器）、可编程控制器（PLC）和驱动器取代机械式变速（减速）机构、凸轮机构、离合器，代替插销板、拨码盘、步进开关、时间继电器等，以弥补机械技术的不足，从而大大地减小控制模块的重量和体积，且使其柔性化。可编程序控制器还可以嵌入机械结构内部。又如采用多机驱动的传动机构代替单纯的机械传动机构，可省去许多机械传动件，如齿轮、带轮、轴等。其优点是可以在较远的距离实现动力传动，大幅度提高设计自由度，增加柔性，有利于提高传动精度和性能。因此，需要开发相应的同步控制、定速比控制、定函数关系控制及其他协调控制软件。

1.3.5　融合设计方法

融合设计方法是把智能装备产品的某些功能部件或子系统设计成该产品所专用的。用这种方法可以使该产品各要素和参数之间的匹配问题考虑得更充分、更合理、更经济、更能体现智能装备的优越性。融合法还可以简化接口，使彼此融为一体。例如：在激光打印机中就把激光扫描镜的转轴与电机轴制作成一体，使结构更加简单、紧凑。在金属切削机床中，把电机轴与主轴部件做成一体，是驱动器与执行机构相结合的又一实例。

融合法主要用于智能装备新产品的设计与开发。

1.3.6　优化设计方法

对于智能装备或系统，同样的功能有时既可以通过机械技术来实现，也可以通过光电子技术或软件技术来实现，这就要求设计者予以通盘考虑，对智能装备系统的各类参数（机、电、光、液）加以优化，使系统或产品工作在最优状态，即体积最小、重量最轻、功能最强、成本最低、功耗最省。常用的优化方法有数学规划法、最优控制理论和方法、遗传算法、神经网络等。

（1）硬件和软件的交叉与优化

计算机控制在现代工业中已获得非常广泛的应用。计算机软件在控制精度以及性能价格比等方面都比模拟控制器有着明显的优越性，可以很方便地改变控制规律，尤其当采用计算机控制多个生产过程时，上述优点就显得更加突出。在智能装备系统中，有些功能既可以通过硬件来实现，也可以通过软件来实现。究竟应该采用那一种方法来实现，这也是对智能装备或系统进行整体优化的重要问题之一。这里所说的硬件包括电子电路和机械结构两个方面。

对于机械结构，也有很多功能可以通过软件来实现。首先，在利用通用或专用电子部件取代传统机械产品或系统中的复杂机械部件时，一般都需要配合相应的计算机软件。另外，由于微机受字长与速度的限制，采用软件的速度往往没有采用硬件的速度快。随着信息技术的发展，计算机速度也在成倍增长。例如：实现数控机床的轮廓轨迹控制所需的插补功能，可以有专用的硬件插补、软件插补和软硬件结合插补等多种方案。

对于由电子电路组成的硬件所能实现的功能，如果能用通用的大规模集成电路芯片和超大规模集成电路芯片组成所需的电路，则最好采用硬件。因为用这样芯片组成的电路，不仅价廉，而且可靠性高，处理速度快，控制模式也可控可调。

（2）智能装备产品的整体优化

以计算机为工具，以非线性数学规划为方法的优化设计是普遍适用的，即首先建立智能装备系统的数学模型，确定变量，拟定目标函数，列出约束条件，然后选择合适的计算方法，如搜索法、复合型法、可行方向法、惩罚函数法、坐标轮换法、共轭梯度法等，然后编制程序，用计算机求出最优解。但由于智能装备系统的复杂性，目前还无法找到一个通用的数学模型对智能装备产品进行整体优化，而只能针对具体产品、具体问题进行优化求解。

1.3.7　人-机-环境系统设计方法

人-机-环境系统设计是智能装备系统总体设计的重要部分之一，它是把人与环境看成系统中的组成因素，设计以人为主体，详细分析人与环境和系统的相互关系，其中主要是外形美观设计、最佳操作界面设计、安全可靠性设计、人与环境的界面设计。目的是提高智能装备系统的整体效能，使人能够舒适、安全、可靠及高效地使用。人-机-环境系统设计方法见表22-1-8。

1.3.8　可靠性设计方法

在设计一个新的智能装备产品时，要对各种设计方案进行分析比较，要想得到一个最佳方案，首先应使它可靠地工作。因此，可靠性设计是智能装备系统设计的一个重要组成部分。智能装备系统（或产品）是由多个单元子系统的组合体，每个单元子系统的可靠性如何直接影响到系统总体性能的可靠性。可靠性设计方法见表22-1-9。

1.3.9　系统安全性设计方法

随着智能装备系统设计水平的提高，其安全性设计越来越重要，要根据所设计的系统的特点和应用场合，增加安全性设计措施，提高产品安全性能。对于设计者，尤其是家用电器产品、自动化程度较高的产品、军工新型产品等的设计者，必须考虑并坚持安全性设计是第一位的问题。

下面以工业机器人的安全措施设计为例说明智能装备系统安全性设计的基本方法。故障自动保护法是工业机器人重要的安全措施之一，其具体的安全措施设计大致有以下几种。

①设置安全开关。具备连接功能，即拔出门上的安全插销时，机器人就自动停止。

②安装警示灯。在自动运转中开启指示灯，提醒操作人员不要进入因等待条件而停止的机器人的工作区。

③安装监视器。采用光电式、静电电容式传感器或安全网等，设置监视人的不安全动作的系统。

④安装防越程装置。即使机器人可以回转270°，一般也应限制其使用范围，必须安装限位开关和机械式止动器。

⑤安装紧急停止装置。工业机器人一般采用软件方式进行减速、停止定位，但从控制装置容易发生故障的现状来看，紧急停止功能是很重要的。通常对紧急停止装置的要求是：能紧急停止；电路是独立的，以确保高可靠性；除控制台以外，在作业位置上也要安装紧急停止按钮；紧急停止后不能自动恢复工作。

⑥低速示教。为了确保安全，应设置较低的示教速度，即示教中产生误动作，也不致造成重大事故。随着机器人的构造与功能的进步，机器人的自由度增加了、运动范围扩大了，其应用范围也在不断扩大，人机的安全问题就更加突出。

除了以上智能装备产品本身设计所需要的现场安全防护，与智能装备产品相连接的工业互联网安全性也是相当重要的组成部分。由于工业互联网打开了与信息世界连接的通道，所以工业互联网使得闭环公司在产生新的链接模式和商业模式的同时，也面临着信息世界的诸如病毒、黑客等安全威胁。建立工业控制系统的安全保障基本策略要求是通信可控、区域隔离、报警追踪，实现多道防线的防护。实施的安全防护措施是去中心化、智能下移、异构冗余、分布协同和蜜罐技术。

1.4　智能装备系统总体设计

在智能装备系统中，机械和光电器件的性能是规律截然不同的物理模型，因而存在匹配上的困难，会遇到许多问题。例如：相互干扰与耦合的问题、系统的复杂性带来的可靠性问题、产品的小型化及智能化增加的状态监测与维修问题，等等。因此，在设计中就要考虑系统整个使用寿命周期的总体技术。

智能装备系统设计的第一个环节是总体设计，就是在具体设计之前，对所要设计的智能装备系统的各方面，根据简单、实用、经济、安全、美观等基本原则，从整体目标出发，用系统的观点和方法，把机械与光电器件的功能用先进制造技术结合起来，其主要设计内容有：主要技术参数及技术指标的制定，智能装备系统原理方案设计，结构方案设计，总体布局与环境设计，总体方案的评价与决策，可靠性设计，安全性设计等。

在总体设计过程中，应完成以下技术文件与图纸设计资料：智能装备系统组成的结构方块图及工作原理流程图；智能装备系统组成单元工作原理图；智能装备系统单元装配图，电路单元布线图；智能装备系统总装配图；总体设计技术报告；总体设计方案论证报告；总体设计资料汇编；总体设计评审报告。

总体设计是智能装备系统设计的最重要环节，其优劣直接影响到系统的总体性能及使用。在总体设计中，要充分应用现代化设计方法中提供的各种先进的设计原理、设计方法、科学试验方法，使总体设计实现原理新颖、技术先进、经济性好、应用性好、可实现性好等目标。

1.4.1　智能装备产品的需求分析

智能装备产品设计的需求分析应包括智能装备系统的用途、水平、主功能，以及影响总体结构的主要参数，见表22-1-10。

1.4.2　智能装备系统设计技术参数与技术指标制定方法

智能装备系统的主要技术参数是能够基本表征该系统的概貌与特征的。智能装备系统的技术指标主要是指其精度、功能等。因此，技术指标既是系统性能的基本依据，又是检验系统质量的依据。根据所设计的系统，确定合适的技术指标，将是所设计的设备或产品能否质优价廉的依据。确定智能装备系统的技术参数和技术指标，必须是根据系统的用途、功能和使用要求，结合当前技术水平，系统的技术可实现性、可靠性、先进性、可使用性的要求来确定。如果设计的技术参数和技术指标提得过高，当前的技术水平实现不了，也不能达到设计要求。如果设计参数和指标提得过低，应具有的先进性、可靠性、可使用性就体现不出来，就会导致产品的市场竞争力差。智能装备技术指标的确定依据见表22-1-11。

1.4.3　智能装备系统原理方案设计

在智能装备系统总体设计中，所要设计的系统技术性能和功能不同、使用要求不同，则可以选择不同的原理方案。即原理方案设计没有固定的格式可采用，只有必须遵循的总体设计的基本原则。首先根据设计系统功能要求进行分析，从原理上分析可能实现的设计方案有几种，每个设计方案的组成原理及所采用的单元部件有哪些，然后进行分析对比，根据经济性、可靠性、先进性，技术和条件的可实现性、可使用性，确定最佳设计原理方案。

1.4.3.1　系统的原理方案分析

总体设计的创新性主要体现在系统原理方案的选择阶段，要大胆选取新的技术物理效应原理。为了提高机械电子产品的创新性，不能过早地将精力集中在工艺层次的创新上，在总体设计阶段就要充分地进行原理方案的分析和选择。智能装备产品是复杂的产品系统，其创造性是无穷无尽的。在原理方案分析阶段，应根据系统设计的目标，例如用途、功能、水平、精度和频次，首先在“大领域”搜索可能采用的原理方案。然后，根据“大领域”选择的原理方案，在这一领域中进行下一层次的搜索，即过渡到小领域的搜索。

辅助功能的实现也同样存在原理方案分析的问题。原理方案分析无论对主功能或辅助功能都是极为重要的一步，是对总体设计具有全局性影响的步骤。从根本上讲，原理方案分析主要靠设计者的工程经验、知识面，尤其是现代科学知识的广博性以及设计者的灵感。

1.4.3.2　基本功能单元的原理方案分析

智能装备系统是由多个功能单元组成的，系统与单元的功能就是指输入量与输出量之间的关系，可以利用功能简图方式表示信号的传输过程。图22-1-2表示由检测传感器、放大器、控制器组成的定位检测控制系统。

智能装备系统设计中常用的基本功能单元可分为：物理功能单元、逻辑功能单元、数学功能单元、机械结构功能单元、操作使用单元等。

①物理信号检测单元是实现不同形式能量之间变换的单元，例如：把物理信号利用不同的传感器转换为电信号，再把电能转换为机械能等。在设计中根据具体要求，确定物理功能单元。

②控制功能单元是根据系统的工作状态和工作方法，按照事先设计的逻辑关系，由控制器、逻辑控制器经编制程序达到功能要求的控制系统。逻辑关系与操作方式、顺序、安全性、可靠性、抗干扰性有关。

③计算功能单元具有由程序实现计算微分、积分、滤波、信号分析、信号处理、通信等功能。可根据设计系统要求选用以上计算功能单元。

④机械结构功能单元可以根据智能装备系统的功能需求设计，分为组合结构、整体结构、立式结构、框架结构和装置主体等功能单元。

⑤操作使用单元是根据产品特点、使用要求、外形美观而设计的，在设计任何类型的智能装备系统中都是十分重要的。例如：飞机驾驶仪操作单元、电厂发电系统操作平台和数字式加工设备的操作界面等。

在设计智能装备系统中，功能单元原理方案设计所需要考虑的主要问题，一是在满足设计要求的条件下，要考虑附加要求，例如：当要求采用机械实现传动时，就要考虑安装的问题，特别是在高精度条件下，设计高精度控制装置可以采用另加稳定盘来解决抖动问题；二是在选择功能单元时，应从全局考虑，参考有关资料、专利或新产品，互相补充，综合设计，采用配套性方法，使原理方案简化；三是对于体现产品特色的、关键性功能单元，应多采用创造性思维方法，开拓思路，探讨新颖性设计；四是根据设计要求，详细分析，借助于其他产品设计功能单元原理方案，提出多种实现功能单元的可能原理方案，以便总体设计评价，择优采用，例如：位置检测系统有多种方法实现，传感器可选用电阻式、光电式、电感式等。通过分析对比传感器的性能、可靠性、价格等，确定最佳功能单元设计方案。

1.4.3.3　系统的功能结构图设计方法

在设计智能装备系统中，对于所设计的系统，按照功能分解为机械单元、检测单元、控制单元、信息处理单元和执行单元等，最后组合起来，以满足总功能的要求。

（1）基本功能结构类型

以功能单元为基础，组合成功能结构的方式有三种基本类型，如图22-1-3所示，分别为串联结构、并联结构和回路结构。

（2）功能原理结构图的设计

在设计智能装备系统功能结构图时，首先把所设计的系统按系统功能分解，分析单元之间的功能关系，再设计功能结构图。以压力传感器动态校准系统为例，说明功能结构图的设计方法。

压力传感器动态校准系统是一个高精度压力传感器动态标定系统，它由发生器主机、压力源调节系统、标定频率控制系统、标定信号测试系统组成。下面介绍功能结构图的设计。

正弦压力发生器主机系统由控制盘、功能盘和压力室组成，如图22-1-4所示。

标定频率控制系统由计算机、控制板、接口电路、电机驱动器和步进电动机组成，如图22-1-5所示。

压力源调节系统由高压气瓶、过滤器、减压阀和高压电磁阀组成，如图22-1-6所示。

标定信号测试系统由参考传感器、被标传感器、动态电阻应变仪和动态测试分析仪组成，如图22-1-7所示。

如图22-1-8所示为正弦压力标定系统功能结构图，按照这种方式来建立系统功能结构图，无论系统多么复杂，功能结构的设计工作都可以有计划、有步骤、有条不紊地进行。系统规模再大、再复杂的系统，均可以按功能单元分解，设计出单元的功能结构图，为系统总体设计提供详细的功能图。

（3）原理方案的选择原则

在智能装备系统设计中，根据设计要求对系统及其功能单元的原理方案进行设计，可实现的原理方案是多解的，每种原理方案不同，技术上实现不同，投入的研制费用不同，性能和功能也不同，必须进行详细的分析对比，选择最佳方案。其选择的原则包括：新颖性、先进性、使用性；技术可实现性；经济性、可靠性；结构合理、外观造型好；操作简单、使用方便。

1.4.4　智能装备系统结构方案设计

智能装备系统原理方案确定之后，对于系统所确定的各种功能单元，可分成两大类：一类是机械类功能单元，例如：机械传动系统、导向系统、主轴组件、机械本体等；另一类是光电系统功能单元，例如：光电检测传感器、电压放大器、控制电路、控制电机、计算机硬件系统等。

对于机械类功能单元，在市场上已有标准化的、通用的部件，设计人员根据设计要求进行选择；智能装备系统具有不同的工作性能和功能，因此，其机械结构方案和总体结构方案也千变万化。所以，机械结构设计仍是智能装备系统总体结构方案设计的重要内容。机械结构设计工作包括两个方面，即总体结构设计和单元部件结构设计。

对于光电系统功能单元，若市场已有现成的产品，设计人员可以根据设计要求选择；若是市场上没有的产品，设计人员根据设计要求进行设计、调试、完善，以便满足设计使用要求。

1.4.4.1　系统结构方案设计的程序

结构设计阶段的工作特点与原理方案构思有很大的不同。原理方案构思主要靠创造性思维和系统化方法，而结构设计的复杂性和具体性则要求除了创新思维之外，更多地是进行紧密联系实际的综合分析和设计工作。其主要特点是：工艺及经济观念占主导地位，结构方案可行性的审核贯彻始终，要不断地进行功能、制造、装配可能性、使用性能、制造成本等方面的审核，因此并没有固定的设计程序。这个过程一般可以粗略地分为：初步设计、详细设计、完善与审核，见表22-1-12。

1.4.4.2　系统结构方案设计的基本原则

1.4.5　智能装备系统总体布局设计

智能装备系统总体布局设计是总体设计的重要环节，是一个带有全局性的问题，对产品的制造和使用都有很大影响，特别是对维修、抗干扰、小型化等。布局设计的任务是确定系统各主要部件之间相对应的位置关系，以及它们之间所需要的相对运动关系。

1.4.6　总体准确度分析与设计

总体准确度是衡量智能装备系统性能和质量的一个主要的技术指标。由于现代智能装备设备和产品的自动化程度愈来愈高，功能也更先进，因此机、电、光、磁等多学科相互渗透的程度更强，智能装备系统总的准确度指标是由各功能组元和功能单元共同作用的结果。在准确度要求较高的系统设计时，其准确度分析与计算是一项十分重要的工作，往往要通过理论分析计算与试验统计分析相结合的方法，完成系统准确度的设计，以满足总体准确度的要求。

在总体设计阶段，系统准确度分析与计算的核心任务是误差分配和误差综合。

误差分配是指根据智能装备系统总准确度指标，在准确度分析的基础上，考虑各功能组元和功能单元的工作原理、材料及工艺水平、元器件的技术水平、实现高准确度的难易程度等因素，合理地确定各功能组元、功能单元及器件的准确度。

误差综合是指在设计完成后，按照已确定的各子系统，根据各功能组元、功能单元及器件的误差、公差等技术条件，分析各种误差因素对总准确度的影响，并求出智能装备系统的总精度。

不同的总体方案确定了不同的机、电、光各功能组元和功能单元，误差分配的对象也就不相同。通过误差分配，应使误差组成部分的准确度在技术上能实现，又不至于产生结构复杂、工艺性差、成本高等不利因素。各功能组元和功能单元的功能及其之间的相互作用又决定了系统的性能指标，所以误差的合理分配与优良的总体方案设计之间是相辅相成的关系。

在总体设计阶段，要进行误差计算，把各功能组元和功能单元的误差按系统误差、随机误差、加工允许误差分别计算，与分配的准确度进行比较，反复修改，使其准确度尽可能合理。选择的功能组元和功能单元的准确度必须小于总体设计分配的准确度或要求应达到的准确度。确保总体设计准确度要求及使用要求。

1.5　智能装备系统设计流程

智能装备产品的设计过程中，一定要坚持贯彻智能与先进制造技术的系统思维方法，要从系统整体的角度出发，分析研究各个组成要素间的有机联系，从而确定系统各功能组元和功能单元的设计方法。

智能装备系统设计的过程是“目标—设计—效果”的多次分析与综合的过程。综合可以理解为各种解决问题要素的拼合过程，这是一种高度的创造行为。分析是综合的反行为，是提高综合水平的必要手段，通过分解与剖析，对综合后的解决方案提出质疑、论证和改进，排除不合适的方案或方案中不合适的部分，为改善、提高和评价决策做准备。

智能装备系统的设计流程如图22-1-9所示。智能装备系统或产品的设计，可以参考该工程路线与设计流程，而其中许多过程常常需要多次反复，具体说明见表22-1-14。