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卓越功能设计实现机电一体化更高效率

发布时间:2017-05-27     来源:控制工程网

摘要: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控制工程网版权所有,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www.cechina.cn,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控制工程网版权所有,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www.cechina.cn,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CONTROL ENGINEERING China版权所有,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。(作者:Paul Plavicheanu)


标签:安全边际,机电一体化,人机界面,执行器,

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