第1章　智能裝備系統設計基礎知識

1.1　智能裝備系統的定義、特點和發展趨勢

1.2　智能裝備系統基本構成要素

1.2.1　系統構成

在信息科學技術發展的推動下，制造業的資源配置已向信息（知識）密集型的方向發展。發展先進制造技術的目的，不僅是要高效制造出滿足用戶需求的優質產品，而且還要清潔、靈活地進行生產，以提高產品對動態多變的市場的適應能力和競爭能力。

一個較完善的智能裝備系統由機械系統（機構）、電子信息處理系統（計算機）、動力系統（動力源）、傳感檢測系統（傳感器）、執行元件系統（如電動機）五個子系統組成。通常采用擬人表達形式描述智能裝備系統，見表22-1-2。

1.2.2　技術構成

智能裝備系統包括產品和技術兩個方面。智能裝備系統產品是包含機械技術、光電子技術、計算機技術、信息技術、自動控制技術和網絡通信技術的高科技產品；而其技術是指智能化產品的技術原理及其得以實現、使用和發展的技術。智能裝備系統的技術構成見表22-1-3，應用技術領域見表22-1-4。

1.2.3　系統分類及特征

開發智能裝備系統產品有不同的層次和靈活的自由度，可根據光學元件與機械元件和電子元件的集成方式的不同，將智能裝備系統分成表22-1-5所示的三大類。

1.3　智能裝備系統產品的設計方法

智能裝備是機械技術、光電子技術和信息技術的有機結合，需考慮哪些功能由機械技術實現，哪些功能由光電子技術實現，進一步還需要考慮在光電子技術中哪些功能由硬件實現，哪些功能由軟件實現；需要考慮光機電有機結合如何實現，機、電、液傳動如何匹配，智能裝備系統如何進行整體優化等不同于傳統機電產品設計的一些特點。因此，智能裝備產品必然有一些特有的設計方法，能夠綜合運用各種相關技術的特長，使其充分發揮智能裝備的優越性。

傳統和現代設計方法是普遍適用的，在智能裝備產品設計中也有著不同程度的應用，解耦和耦合等智能裝備系統獨特的分析方法是現代設計方法的重要組成部分，它們與各種傳統和現代設計方法一起構成了智能裝備系統產品的設計方法。

1.3.1　智能裝備系統主要的分析方法

1.3.1.1　系統的解耦與耦合

智能裝備系統產品存在著多種能量轉換和多重復雜的非線性耦合。這些產品在工作過程中要求各執行機構以所需的相對運動規律協調運動。但由于系統的復雜性以及制造誤差，很難保證足夠的運動精度和穩定性。如機器人手臂顫動、數控機床達不到所需的加工精度、高速運行的汽輪機轉子由于運動規律的變化造成重大設備事故，這些現象都說明，在復雜智能裝備產品中存在著深度的光機電有機結合，而這種特性在系統設計和運行過程中還沒有被充分考慮。

（1）智能裝備系統產品是復雜系統

智能裝備系統產品與傳統機械產品和機電一體化產品都不同，是一種十分復雜的系統，其設計方法與傳統機械產品和機電一體化產品的設計方法也不完全相同。機械系統的設計方法（靜力學、運動學、動力學、機械學、摩擦學和疲勞設計、可靠性設計等）適合于純機械系統設計，主要解決機械的零件與零件、零件與部件、部件與部件等在空間（如裝配和運動關系）和時間（時序配合及主從運動關系）上的關系，以及強度、剛度、振動和壽命問題。機電一體化產品的設計方法是先考慮機械部分的設計，再考慮控制部分的要求。而智能裝備系統產品的設計方法是在系統設計的開始階段就將光電控制、控制系統、傳感器及信號處理系統的存在作為前提來考慮，進行光學技術、電子技術、計算機技術和機械技術的結合和集成。

歸納起來，智能裝備系統有以下技術特點：

一是智能裝備系統是一個高階系統，混合在一起的多維參數對應（控制）多種物理功能。

二是智能裝備系統是一個多回路的反饋系統，與執行體有關的各種信息通過各反饋回路傳輸到驅動體或控制體，完成實時信息處理和控制。

三是智能裝備系統是一個非線性系統，主要表現在光機電單元的非線性和滯后現象。許多情況下，單元的輸入與輸出并非簡單的比例關系，而是復雜的非線性關系。上述情況導致了智能裝備系統不同于一般純機械系統和機電系統動力學所研究的系統，分析和設計方法也不同于這兩種系統的分析和設計方法。解耦和耦合等就是智能裝備系統獨特的分析方法。

（2）智能裝備系統中的解耦系統與耦合系統

引起智能裝備系統復雜性的主要原因是所謂的高階性，而引起高階性的根本原因在于此種系統所具有的復雜功能。功能越復雜和相互耦合的控制參數越多，其階數則越高。其物理表現為：存在時序上和空間上的沖突，以及各功能間此消彼漲的現象，此即工程沖突。

工程沖突是蘇聯學者GrenrikhAhshuller在其創造性設計理論（俄文縮寫TRIZ）中提出的一個觀點。所謂工程沖突，是指用原來方法修改某一個系統參數將導致其他參數變化的現象。工程沖突是普遍存在的，如汽車的舒適性、安全性和經濟性就構成一種工程沖突，這種工程沖突的不斷解決就是汽車設計進步的過程。自動導引車既要跟蹤預定的軌跡，又要控制隨軌跡變化的速度，還要接受地面控制站發來的各種指令，依據這些指令做出控制上的修改。反映這些功能的參數和指令耦合應協調一致，以解決空間上和時序上的矛盾，也就是要解決工程沖突。

智能裝備系統各部分間存在“機械”上的弱聯系，而又在“光”和“電”方面存在聯系，為解決其工程沖突提供了一個主要的途徑。利用機械上弱聯系之特點，根據所設計系統之功能域、主功能和輔助功能的主線，將系統降階為多個單因素控制的、單個功能的光機電單元的組合——解耦系統。其目的在于發現工程沖突，發現冗余單元，并為耦合做好系統上的準備。解耦系統是一個虛擬的系統，它是解耦過程的結果。

耦合是解耦的逆過程。將多個光機電單元耦合成一個完整的系統，創造出單個光機電單元所不具備的功能，并解決工程沖突問題的過程稱為耦合。耦合就是在解決工程沖突的基礎上，建立各參數之間的正確耦合關系。解耦與耦合是對立的統一，是智能裝備系統發展和進化的原動力。通過解耦發現工程沖突，通過耦合解決工程沖突，都是創造性的過程，是智能裝備系統分析、研究、設計和開發的主要方法。

下面將對解耦與耦合的具體方法與過程進行詳細介紹。

1.3.1.2　系統設計公理

將公理化設計原理的信息量定義為產品系統的功能需求信息量，簡稱功能信息量，用I_R表示，并將其含義進行擴展：功能信息量不僅表示了設計對象的知識需求和制造難度，而且還表示了設計對象的功能大小。對于某一設計，當設計方案的總信息量最小時，這個最小的總信息量就度量了設計對象的功能。此時，用功能信息量I_R來定量地表示系統功能的大小。即

　　（22-1-1）

式中，表示不同設計方案。

信息量含義的擴展是合理的，因為式（22-1-1）是定義在設計對象的功能域上的，它的直接含義應該是系統所實現功能的難易程度，而且，在一般情況下，知識需求越多、制造難度越大的系統，功能越強。

用最小總信息量來度量，避免了設計過程人為的因素，盡可能客觀地對系統功能進行評價。需要說明的是，盡管引進了功能信息量I_R來度量設計對象的功能，但功能大小的比較是定義在同種功能之間，不同功能間的比較是沒有意義的。

對于一個產品系統，需要分析用戶提出的要求，準確地定義出功能需求FR；在設計公理的指導下，進行設計，得到滿足功能需求FR產品的設計參數DP。

設計參數DP的內容非常廣泛，包含多種物理描述（如形狀、位置、大小等）和物理過程（如運動、加熱、切割、輻射、發聲等），必須用某種物理變量來表示，否則無法準確實現。常用的物理變量有尺寸、距離、速度、溫度和力等。在用這些物理變量來量化設計參數時，有些設計參數可以給出確定值，有些設計參數不能給出確定值，而只能給出一個取值范圍，特別是描述物理過程的參數。

一個產品系統在實現其功能時，它的狀態必須是實時確定的，也就是說，實現功能的參數必須是確定的，那些在設計階段不確定的物理量，在系統運行時必須取某一值，否則系統將處于不確定的狀態。另一方面，產品系統的參數不可能在設計階段完全確定。因為系統的運行要適應不同的工作要求、工作環境以及工作內容。針對這一客觀現象，將設計參數分成兩類，并在設計階段對這兩類參數區別對待。在設計過程中，一些能給出確定值的設計參數，稱為結構參數（structure parameter），用SP表示；另一些不能給出確定值，而只能給出取值范圍的設計參數，稱為時域參數（time-domain parameter），用TP表示。

結構參數SP作為產品系統功能實現的基礎，在設計階段，應當是確定在產品系統的結構中，而且希望在產品制造和運行狀態下，有較好的穩定性。

有些產品的功能可以完全由結構參數確定，如刀具、模具以及大多數手工工具等。這些產品功能體現在形態（材料）結構上，其功能用它的尺寸、形態（材料）就能描述。

結構參數的實現是在產品制造和系統建立階段。同樣可以定義結構參數的信息量I_SP，設結構參數SP的值是L_SP，制造允許的精度是±e，若精度分布沿L_SP全程是均勻的，則對應的信息量是

　?。?2-1-2）

結構參數的信息量反映了系統結構實現的不確定性和制造的困難程度。信息量越大，系統建立和制造的難度就越大。

與結構參數不同，時域參數不能在設計階段確定，必須在產品系統工作運行時確定。而且在系統啟動、運行和制動時，這些時域參數的物理量都會隨時間而變化。智能裝備系統的功能特征主要由時域參數決定，其原因如下。

首先，智能裝備系統的功能特點是在系統運行時反映出來的。它與刀具、工具不同，擺放在那兒不運行是體現不出它的性能的。

其次，智能裝備系統的運行狀態是一個有組織、有次序的協調工作的狀態，是一個有序、低熵值的狀態；一旦外界停止輸入能量，系統停止運行，系統就將處于一個自然的、無序的、隨機的、高熵值的狀態；系統的運行狀態對應于一個能級較高的非平衡態，需要輸入能量和信息，以維持這個非平衡態；而系統的停機狀態，對應于一個能級較低的平衡態，沒有能量和信息的輸入和輸出；在系統的啟動和制動過程中，系統狀態將隨時間而變化。在系統的運行過程中，系統狀態也會隨時間成周期性或單調地變化。所以，系統狀態應由一些隨時間變化的參數來描述。這些時域參數決定著系統的狀態及其功能實現。

結構參數和時域參數的劃分是相對的。設計參數是結構參數還是時域參數，并不能按參數的物理種類來定，而要根據系統分析和功能需求來定。在產品設計中，不同的選擇會導致系統功能的變化。這種變化往往是技術創新的開始。

對時域參數的處理不同于對結構參數的處理。由于時域參數的實際值需要在產品運行時確定，因此，在設計階段需要確定時域參數的控制方法和“定位”手段。采用以微型處理器為核心的自動控制裝置是智能裝備系統的設計思想，由此得出智能裝備系統設計的第一條原則——時域參數控制原則，即一個智能裝備系統的設計，必須利用自動控制回路實現對時域參數的控制。時域參數控制原理要求將系統的時域參數置于系統控制器的控制之下。這是實現對系統運行狀態和功能進行控制的充要條件。

正如前文所闡述的，系統狀態由一些隨時間變化的參數決定和描述。它們與產品的系統功能可以用下面的形式表示

　?。?2-1-3）

式中，F（t）是系統的功能函數

　?。?2-1-4）

有的系統功能函數F（t）有明確的數學模型，而大多數系統沒有明顯的數學表示。由于在產品制造和系統建立時，結構參數被確定在結構中，在系統運行時始終保持不變。因此，在F（t）中，結構參數以常數的形式出現，系統功能可以認為只是時域參數的函數。

在智能裝備系統的運行過程中，各時域參數之間，以及時域參數與環境參數之間存在著相互協同、相互配合的關系。同時，外界各種因素對系統產生干擾，引起參數變化，造成系統輸出改變。這些都要求對時域參數進行實時監控。如果不對時域參數進行實時監控，系統一旦受到干擾，其輸出性能就會受到影響。

在設計智能裝備系統時，遵循時域參數控制原則，用控制器將產品的時域參數控制起來，就能夠設計出運行可靠、自動化程度高、抗干擾能力強的智能裝備系統。

時域參數有一定的變化范圍，TP∈［a，b］。在實現對時域參數控制時，不可能無限精確地確定它的值，存在一定的分辨率，設為ε?？梢远x時域參數的信息量I_TP

　?。?2-1-5）

時域參數信息量表示在ε分辨率下，在區間［a，b］上得到某一確定值的不確定性。它在一定程度上反映出時域參數的控制復雜性?？梢钥闯鰰r域參數信息量的定義與信息論中對信息量的定義是一致的?？刂品秶酱?，控制精度越高，分辨率越高，就越小，所需信息量I_TP就越多。當對數的基為2時，信息量I_TP還直接表示在ε分辨率下，在區間［a，b］上確定某一值所需二進制數據的最小長度。

例如，光學精密儀器制造系統中，時域參數TP₁表示Y軸直線運行，行程S=530mm，分辨率ε=0.01mm。該時域參數的信息量是

時域參數TP₂表示X軸直線運行，行程S=700mm，分辨率ε=0.06mm。該時域參數的信息量是

這兩個時域參數信息量表示：Y軸直線運動上某個有效的值y，需要15.69≈16位二進制數；而為了表示X軸直線運動上某個有效的值x，需要13.51≈14位二進制數；由于I_x<I_y，表明X軸控制的復雜性小于Y軸控制的復雜性。

一個智能裝備系統，每個時域參數TP_i，都有一個信息量則設計的總時域參數信息量M為

　?。?2-1-6）

M稱為控制信息需求量，它表明產品在運行時的、系統總的不確定性和需要的最小信息總量。

當設計違反獨立性設計公理時，時域參數之間存在耦合情況，系統需要的信息總量將大于M。一個具體的系統，其所有時域參數不一定都被控制器控制。將被控制器控制的時域參數的信息量相加，稱為控制信息處理量P，表示系統運動時，控制系統提供的實際信息總量及其消除的系統不確定性

　　（22-1-7）

功能信息量I_R是定義在設計的功能需求域上的，而時域參數的信息量I_TP是定義在設計的物理域上的，兩者含義有所不同，分別表示設計中的需求和實現兩個方面。

由于每個時域參數TP都對應著一個功能需求FR，時域參數的變化區間［a，b］應包含功能需求的范圍L，而時域參數的分辨率ε應小于功能需求的精度。因為和2ΔL≥ε，則有

　?。?2-1-8）

由此得出智能裝備系統設計時時域參數設計的約束條件：時域參數的信息量I_TP必須不小于對應的功能需求的功能信息量I_R，這是時域參數滿足功能需求的必要條件。

時域參數設計的約束條件給出了時域參數信息量的下限，而時域參數信息量的上限一方面受到控制條件、控制器選擇和價格成本的限制，另一方面還受到下面將介紹的控制效率的約束。

設產品功能需求FR的總信息量對于智能裝備系統的某一設計方案，其功能需求FR的總信息量I_R與時域參數的總信息量M的比值記為η

　?。?2-1-9）

式中，η稱為該方案的時域參數控制效率，表示一定時域參數所控制的產品系統功能。

當系統的功能需求不變，即I_R一定時，減少時域參數的數量或時域參數的信息量，η值就增大，表明所選擇的時域參數的控制效率高；而時域參數的設計不變，即M一定時，通過功能重新組合、集成，挖掘產品潛力，使功能增強，I_R值增大，η值增加，表明設計的控制效率增大。降低控制信息量需求意味著系統在運動時，控制器的負擔減輕；而提高功能信息量意味著系統的功能增加。

對于一個智能裝備系統，η值的大小是衡量其設計好壞的一個重要標準。這樣得出智能裝備系統設計的第二條原則——最大控制效率原則：一個好的智能裝備系統設計應滿足獨立性和最小信息量原則，并在滿足時域參數信息量的約束條件下，追求時域參數的控制效率最大。

由于功能信息量I_R的比較限定在同種功能之間，所以時域參數控制效率的比較也限定在同種功能的系統，特別是同一系統的不同設計方案之間。這一限定并不妨礙最大控制效率原則的應用。因為系統設計需要在多個方案之間選擇；而某個設計方案的優劣，只有在與其他方案和其他同類系統的比較中才能發現，沒有一個絕對的標準能涵蓋所有系統的功能。

在智能裝備系統的設計中，一方面要增加控制手段，提高系統的光機電化率，提高可控性和自動化水平，增加時域參數的控制信息量；另一方面又要在滿足約束條件和保證系統功能需求不變的情況下，減少時域參數的控制信息量，提高控制效率，降低控制器負擔，降低產品的造價。上述兩方面的要求是一個問題的兩個方面，一個好的設計就是在二者之間尋找到最優解。

1.3.1.3　單元化設計原理

時域參數是智能裝備系統重要的設計參數，它決定了系統的運行特性和性能指標。在實現對時域參數的控制時，光機電單元是一種有效的手段。

在系統設計階段，可靠性是需要充分考慮的因素。時域參數的性質決定了其可靠性直接影響著系統的可靠性。在設計階段，要保證對時域參數控制的安全可靠，將控制功能分散是提高系統可靠性的重要辦法。在早期的系統設計中，由于處理器的成本較高，多采用集中控制，即將系統中的所有運算、控制功能置于一臺主控計算機里，控制回路中的其他元件，如驅動器、執行機械、信號采集及反饋元件，與主控計算機成星狀連接，系統的可靠性幾乎全部由主控計算機的可靠性來決定，因此集中控制系統的可靠性較低。

隨著計算機成本的降低和通信成本的提高，將控制功能分散到下層控制器的分散化系統結構逐漸采用。由于控制功能分布在多個控制器中，主控計算機的負荷降低了。每個控制單元具有較獨立的自主性，互相間影響較少，降低了各部分間的耦合。如果某個控制單元出現故障，不會影響到系統的其他部分。即使主控計算機出現故障，也不會造成過大的損失。因此系統的可靠性大大地提高了。

在系統設計階段，得到時域參數后，按照時域參數控制原則要對時域參數進行控制，對每個時域參數構造一個控制回路。由于時域參數之間是非耦合或解耦的，各控制回路在邏輯上可以認為是一個相互獨立的，包含控制器、驅動器、傳動執行機構和反饋元件的光機電單元。對于有些不能用一個控制回路控制的時域參數，還需要進行更深一層的從功能需求到設計參數的設計過程，將功能進一步分解，直至得到參數單一的時域參數并對其進行控制。

光機電單元是隨著微處理器、光電子、精密加工等現代制造和加工工藝的發展而產生的。它反映了這樣一種發展趨勢，即機械、電子與光學的結合，從系統和子系統的結合（如CNC機床、CIMS等）向更加基礎的元素——部件的結合發展。這種趨勢繼續發展就意味著將來可能出現類似于細胞大小的、具有自主性的微型機構。

光機電單元不僅是一種產品部件，更重要的還是一種設計思想和產品開發的方向。在現階段，真正能實現集控制器、驅動器、傳動及執行器為一體的單元并不多，往往是以相對獨立的形式存在，如大部分直線運動單元沒有成為一體，導軌、絲杠、驅動器和電動機是分立的，還需要將它們裝配、連接起來。目前有大量的技術成熟、系列化的商品部件供應市場，在市場上選購合適部件，將它們裝配成一個光機電單元是比較容易的。

用光機電單元的思想，即控制功能分散和控制回路獨立，進行系統設計，選用適當的配套元件加以實現，是快速、可靠地開發智能裝備系統的有效途徑。

1.3.1.4　智能裝備系統的結構層次

智能裝備系統設計的過程就是其解耦與耦合的過程。為此，應該把一個復雜的智能裝備系統看作多個在結構上、功能上相對獨立的光機電單元的耦合，而每一個光機電單元都包含機械本體、執行、傳感、信息處理和功率驅動五個部分。通過對系統進行需求分析并逐級分解、細化，可以將系統的需求描述得更為完整，而且這種描述可以與設計中的單元緊緊地聯系起來。通過將智能裝備系統解耦，或稱為功能結構分解，可以將一個復雜的、規律不明顯的智能裝備系統的設計轉化為多個較簡單的、規律較明顯的光機電單元的設計，可以大大簡化系統的設計，加快開發速度，提高開發質量。

智能裝備是一種光機電系統（optical mechanical electronics system，OMES），是由“光機電組元”（optical mechanical electronics component，OMEC）通過電子計算機軟件集成而得到的，而OMEC又是由“光機電單元”（optical mechanical electronics element，OMEE）耦合而成的，對于較簡單的OMES，也可以由OMEE直接耦合得到，但通常認為光機電系統具有OMEE、OMEC和OMES三級結構，如圖22-1-1所示。OMEE的結構和特點見表22-1-6。

1.3.1.5　智能裝備系統的基本分析

1.3.2　模塊化設計方法

智能裝備系統產品或設備可設計成由相應于五大要素的功能部件或若干功能子系統組成，而每個功能部件或功能子系統又包含若干組成要素。這些功能部件或功能子系統就是具有三級結構特性的光機電系統OMES、光機電組元OMEC和光機電單元OMEE，將其標準化、通用化和系列化，就成為功能模塊。每一個功能模塊可視為一個獨立體，在設計時只需了解其性能規格，按其功能來選用，而無需了解其結構細節。

在新產品設計時，可以把各種功能模塊組合起來，形成我們所需的產品。采用這種方法可以縮短設計與研制周期，節約工裝設備費用，從而降低生產成本，也便于生產管理、使用和維護。例如：將工業機器人各關節的驅動器、檢測傳感元件、執行元件和控制器做成智能的驅動功能模塊，可用來驅動不同的關節。還可以研制機器人的機身回轉、肩部關節、臂部伸縮、肘部彎曲、腕部旋轉、手部俯仰等各種功能模塊，并進一步標準化、系列化，就可以用來組成結構和用途不同的各種工業機器人。

1.3.3　柔性化設計方法

將智能裝備產品或系統中完成某一功能的檢測傳感元件、執行元件和控制器做成智能功能模塊，因控制器具有可編程的特點，則該模塊就成為柔性模塊。例如：采用凸輪機構可以實現位置控制，但這種控制是剛性的，一旦運動改變時，則必須改變凸輪外廓的幾何形狀，若采用伺服電機驅動，則可以使機械裝置簡化，且利用電子控制裝置可以進行復雜的運動控制以滿足不同的運動和定位要求。

1.3.4　取代設計方法

取代設計方法又稱為互補設計方法。該方法的主要特點是利用通用或專用智能器件取代傳統機械產品中的復雜機械部件，以便簡化結構，獲得更好的功能和特性。

智能傳感器是把敏感元件、信號處理電路與微處理器集成在一起的傳感器。用這種智能傳感器取代傳統的傳感器，以提高檢測精度和可靠性。

取代設計方法既適合于舊產品的改造，也適合于新產品的開發。例如：可用單片機應用系統（微控制器）、可編程控制器（PLC）和驅動器取代機械式變速（減速）機構、凸輪機構、離合器，代替插銷板、撥碼盤、步進開關、時間繼電器等，以彌補機械技術的不足，從而大大地減小控制模塊的重量和體積，且使其柔性化?？删幊绦蚩刂破鬟€可以嵌入機械結構內部。又如采用多機驅動的傳動機構代替單純的機械傳動機構，可省去許多機械傳動件，如齒輪、帶輪、軸等。其優點是可以在較遠的距離實現動力傳動，大幅度提高設計自由度，增加柔性，有利于提高傳動精度和性能。因此，需要開發相應的同步控制、定速比控制、定函數關系控制及其他協調控制軟件。

1.3.5　融合設計方法

融合設計方法是把智能裝備產品的某些功能部件或子系統設計成該產品所專用的。用這種方法可以使該產品各要素和參數之間的匹配問題考慮得更充分、更合理、更經濟、更能體現智能裝備的優越性。融合法還可以簡化接口，使彼此融為一體。例如：在激光打印機中就把激光掃描鏡的轉軸與電機軸制作成一體，使結構更加簡單、緊湊。在金屬切削機床中，把電機軸與主軸部件做成一體，是驅動器與執行機構相結合的又一實例。

融合法主要用于智能裝備新產品的設計與開發。

1.3.6　優化設計方法

對于智能裝備或系統，同樣的功能有時既可以通過機械技術來實現，也可以通過光電子技術或軟件技術來實現，這就要求設計者予以通盤考慮，對智能裝備系統的各類參數（機、電、光、液）加以優化，使系統或產品工作在最優狀態，即體積最小、重量最輕、功能最強、成本最低、功耗最省。常用的優化方法有數學規劃法、最優控制理論和方法、遺傳算法、神經網絡等。

（1）硬件和軟件的交叉與優化

計算機控制在現代工業中已獲得非常廣泛的應用。計算機軟件在控制精度以及性能價格比等方面都比模擬控制器有著明顯的優越性，可以很方便地改變控制規律，尤其當采用計算機控制多個生產過程時，上述優點就顯得更加突出。在智能裝備系統中，有些功能既可以通過硬件來實現，也可以通過軟件來實現。究竟應該采用那一種方法來實現，這也是對智能裝備或系統進行整體優化的重要問題之一。這里所說的硬件包括電子電路和機械結構兩個方面。

對于機械結構，也有很多功能可以通過軟件來實現。首先，在利用通用或專用電子部件取代傳統機械產品或系統中的復雜機械部件時，一般都需要配合相應的計算機軟件。另外，由于微機受字長與速度的限制，采用軟件的速度往往沒有采用硬件的速度快。隨著信息技術的發展，計算機速度也在成倍增長。例如：實現數控機床的輪廓軌跡控制所需的插補功能，可以有專用的硬件插補、軟件插補和軟硬件結合插補等多種方案。

對于由電子電路組成的硬件所能實現的功能，如果能用通用的大規模集成電路芯片和超大規模集成電路芯片組成所需的電路，則最好采用硬件。因為用這樣芯片組成的電路，不僅價廉，而且可靠性高，處理速度快，控制模式也可控可調。

（2）智能裝備產品的整體優化

以計算機為工具，以非線性數學規劃為方法的優化設計是普遍適用的，即首先建立智能裝備系統的數學模型，確定變量，擬定目標函數，列出約束條件，然后選擇合適的計算方法，如搜索法、復合型法、可行方向法、懲罰函數法、坐標輪換法、共軛梯度法等，然后編制程序，用計算機求出最優解。但由于智能裝備系統的復雜性，目前還無法找到一個通用的數學模型對智能裝備產品進行整體優化，而只能針對具體產品、具體問題進行優化求解。

1.3.7　人-機-環境系統設計方法

人-機-環境系統設計是智能裝備系統總體設計的重要部分之一，它是把人與環境看成系統中的組成因素，設計以人為主體，詳細分析人與環境和系統的相互關系，其中主要是外形美觀設計、最佳操作界面設計、安全可靠性設計、人與環境的界面設計。目的是提高智能裝備系統的整體效能，使人能夠舒適、安全、可靠及高效地使用。人-機-環境系統設計方法見表22-1-8。

1.3.8　可靠性設計方法

在設計一個新的智能裝備產品時，要對各種設計方案進行分析比較，要想得到一個最佳方案，首先應使它可靠地工作。因此，可靠性設計是智能裝備系統設計的一個重要組成部分。智能裝備系統（或產品）是由多個單元子系統的組合體，每個單元子系統的可靠性如何直接影響到系統總體性能的可靠性?？煽啃栽O計方法見表22-1-9。

1.3.9　系統安全性設計方法

隨著智能裝備系統設計水平的提高，其安全性設計越來越重要，要根據所設計的系統的特點和應用場合，增加安全性設計措施，提高產品安全性能。對于設計者，尤其是家用電器產品、自動化程度較高的產品、軍工新型產品等的設計者，必須考慮并堅持安全性設計是第一位的問題。

下面以工業機器人的安全措施設計為例說明智能裝備系統安全性設計的基本方法。故障自動保護法是工業機器人重要的安全措施之一，其具體的安全措施設計大致有以下幾種。

①設置安全開關。具備連接功能，即拔出門上的安全插銷時，機器人就自動停止。

②安裝警示燈。在自動運轉中開啟指示燈，提醒操作人員不要進入因等待條件而停止的機器人的工作區。

③安裝監視器。采用光電式、靜電電容式傳感器或安全網等，設置監視人的不安全動作的系統。

④安裝防越程裝置。即使機器人可以回轉270°，一般也應限制其使用范圍，必須安裝限位開關和機械式止動器。

⑤安裝緊急停止裝置。工業機器人一般采用軟件方式進行減速、停止定位，但從控制裝置容易發生故障的現狀來看，緊急停止功能是很重要的。通常對緊急停止裝置的要求是：能緊急停止；電路是獨立的，以確保高可靠性；除控制臺以外，在作業位置上也要安裝緊急停止按鈕；緊急停止后不能自動恢復工作。

⑥低速示教。為了確保安全，應設置較低的示教速度，即示教中產生誤動作，也不致造成重大事故。隨著機器人的構造與功能的進步，機器人的自由度增加了、運動范圍擴大了，其應用范圍也在不斷擴大，人機的安全問題就更加突出。

除了以上智能裝備產品本身設計所需要的現場安全防護，與智能裝備產品相連接的工業互聯網安全性也是相當重要的組成部分。由于工業互聯網打開了與信息世界連接的通道，所以工業互聯網使得閉環公司在產生新的鏈接模式和商業模式的同時，也面臨著信息世界的諸如病毒、黑客等安全威脅。建立工業控制系統的安全保障基本策略要求是通信可控、區域隔離、報警追蹤，實現多道防線的防護。實施的安全防護措施是去中心化、智能下移、異構冗余、分布協同和蜜罐技術。

1.4　智能裝備系統總體設計

在智能裝備系統中，機械和光電器件的性能是規律截然不同的物理模型，因而存在匹配上的困難，會遇到許多問題。例如：相互干擾與耦合的問題、系統的復雜性帶來的可靠性問題、產品的小型化及智能化增加的狀態監測與維修問題，等等。因此，在設計中就要考慮系統整個使用壽命周期的總體技術。

智能裝備系統設計的第一個環節是總體設計，就是在具體設計之前，對所要設計的智能裝備系統的各方面，根據簡單、實用、經濟、安全、美觀等基本原則，從整體目標出發，用系統的觀點和方法，把機械與光電器件的功能用先進制造技術結合起來，其主要設計內容有：主要技術參數及技術指標的制定，智能裝備系統原理方案設計，結構方案設計，總體布局與環境設計，總體方案的評價與決策，可靠性設計，安全性設計等。

在總體設計過程中，應完成以下技術文件與圖紙設計資料：智能裝備系統組成的結構方塊圖及工作原理流程圖；智能裝備系統組成單元工作原理圖；智能裝備系統單元裝配圖，電路單元布線圖；智能裝備系統總裝配圖；總體設計技術報告；總體設計方案論證報告；總體設計資料匯編；總體設計評審報告。

總體設計是智能裝備系統設計的最重要環節，其優劣直接影響到系統的總體性能及使用。在總體設計中，要充分應用現代化設計方法中提供的各種先進的設計原理、設計方法、科學試驗方法，使總體設計實現原理新穎、技術先進、經濟性好、應用性好、可實現性好等目標。

1.4.1　智能裝備產品的需求分析

智能裝備產品設計的需求分析應包括智能裝備系統的用途、水平、主功能，以及影響總體結構的主要參數，見表22-1-10。

1.4.2　智能裝備系統設計技術參數與技術指標制定方法

智能裝備系統的主要技術參數是能夠基本表征該系統的概貌與特征的。智能裝備系統的技術指標主要是指其精度、功能等。因此，技術指標既是系統性能的基本依據，又是檢驗系統質量的依據。根據所設計的系統，確定合適的技術指標，將是所設計的設備或產品能否質優價廉的依據。確定智能裝備系統的技術參數和技術指標，必須是根據系統的用途、功能和使用要求，結合當前技術水平，系統的技術可實現性、可靠性、先進性、可使用性的要求來確定。如果設計的技術參數和技術指標提得過高，當前的技術水平實現不了，也不能達到設計要求。如果設計參數和指標提得過低，應具有的先進性、可靠性、可使用性就體現不出來，就會導致產品的市場競爭力差。智能裝備技術指標的確定依據見表22-1-11。

1.4.3　智能裝備系統原理方案設計

在智能裝備系統總體設計中，所要設計的系統技術性能和功能不同、使用要求不同，則可以選擇不同的原理方案。即原理方案設計沒有固定的格式可采用，只有必須遵循的總體設計的基本原則。首先根據設計系統功能要求進行分析，從原理上分析可能實現的設計方案有幾種，每個設計方案的組成原理及所采用的單元部件有哪些，然后進行分析對比，根據經濟性、可靠性、先進性，技術和條件的可實現性、可使用性，確定最佳設計原理方案。

1.4.3.1　系統的原理方案分析

總體設計的創新性主要體現在系統原理方案的選擇階段，要大膽選取新的技術物理效應原理。為了提高機械電子產品的創新性，不能過早地將精力集中在工藝層次的創新上，在總體設計階段就要充分地進行原理方案的分析和選擇。智能裝備產品是復雜的產品系統，其創造性是無窮無盡的。在原理方案分析階段，應根據系統設計的目標，例如用途、功能、水平、精度和頻次，首先在“大領域”搜索可能采用的原理方案。然后，根據“大領域”選擇的原理方案，在這一領域中進行下一層次的搜索，即過渡到小領域的搜索。

輔助功能的實現也同樣存在原理方案分析的問題。原理方案分析無論對主功能或輔助功能都是極為重要的一步，是對總體設計具有全局性影響的步驟。從根本上講，原理方案分析主要靠設計者的工程經驗、知識面，尤其是現代科學知識的廣博性以及設計者的靈感。

1.4.3.2　基本功能單元的原理方案分析

智能裝備系統是由多個功能單元組成的，系統與單元的功能就是指輸入量與輸出量之間的關系，可以利用功能簡圖方式表示信號的傳輸過程。圖22-1-2表示由檢測傳感器、放大器、控制器組成的定位檢測控制系統。

智能裝備系統設計中常用的基本功能單元可分為：物理功能單元、邏輯功能單元、數學功能單元、機械結構功能單元、操作使用單元等。

①物理信號檢測單元是實現不同形式能量之間變換的單元，例如：把物理信號利用不同的傳感器轉換為電信號，再把電能轉換為機械能等。在設計中根據具體要求，確定物理功能單元。

②控制功能單元是根據系統的工作狀態和工作方法，按照事先設計的邏輯關系，由控制器、邏輯控制器經編制程序達到功能要求的控制系統。邏輯關系與操作方式、順序、安全性、可靠性、抗干擾性有關。

③計算功能單元具有由程序實現計算微分、積分、濾波、信號分析、信號處理、通信等功能。可根據設計系統要求選用以上計算功能單元。

④機械結構功能單元可以根據智能裝備系統的功能需求設計，分為組合結構、整體結構、立式結構、框架結構和裝置主體等功能單元。

⑤操作使用單元是根據產品特點、使用要求、外形美觀而設計的，在設計任何類型的智能裝備系統中都是十分重要的。例如：飛機駕駛儀操作單元、電廠發電系統操作平臺和數字式加工設備的操作界面等。

在設計智能裝備系統中，功能單元原理方案設計所需要考慮的主要問題，一是在滿足設計要求的條件下，要考慮附加要求，例如：當要求采用機械實現傳動時，就要考慮安裝的問題，特別是在高精度條件下，設計高精度控制裝置可以采用另加穩定盤來解決抖動問題；二是在選擇功能單元時，應從全局考慮，參考有關資料、專利或新產品，互相補充，綜合設計，采用配套性方法，使原理方案簡化；三是對于體現產品特色的、關鍵性功能單元，應多采用創造性思維方法，開拓思路，探討新穎性設計；四是根據設計要求，詳細分析，借助于其他產品設計功能單元原理方案，提出多種實現功能單元的可能原理方案，以便總體設計評價，擇優采用，例如：位置檢測系統有多種方法實現，傳感器可選用電阻式、光電式、電感式等。通過分析對比傳感器的性能、可靠性、價格等，確定最佳功能單元設計方案。

1.4.3.3　系統的功能結構圖設計方法

在設計智能裝備系統中，對于所設計的系統，按照功能分解為機械單元、檢測單元、控制單元、信息處理單元和執行單元等，最后組合起來，以滿足總功能的要求。

（1）基本功能結構類型

以功能單元為基礎，組合成功能結構的方式有三種基本類型，如圖22-1-3所示，分別為串聯結構、并聯結構和回路結構。

（2）功能原理結構圖的設計

在設計智能裝備系統功能結構圖時，首先把所設計的系統按系統功能分解，分析單元之間的功能關系，再設計功能結構圖。以壓力傳感器動態校準系統為例，說明功能結構圖的設計方法。

壓力傳感器動態校準系統是一個高精度壓力傳感器動態標定系統，它由發生器主機、壓力源調節系統、標定頻率控制系統、標定信號測試系統組成。下面介紹功能結構圖的設計。

正弦壓力發生器主機系統由控制盤、功能盤和壓力室組成，如圖22-1-4所示。

標定頻率控制系統由計算機、控制板、接口電路、電機驅動器和步進電動機組成，如圖22-1-5所示。

壓力源調節系統由高壓氣瓶、過濾器、減壓閥和高壓電磁閥組成，如圖22-1-6所示。

標定信號測試系統由參考傳感器、被標傳感器、動態電阻應變儀和動態測試分析儀組成，如圖22-1-7所示。

如圖22-1-8所示為正弦壓力標定系統功能結構圖，按照這種方式來建立系統功能結構圖，無論系統多么復雜，功能結構的設計工作都可以有計劃、有步驟、有條不紊地進行。系統規模再大、再復雜的系統，均可以按功能單元分解，設計出單元的功能結構圖，為系統總體設計提供詳細的功能圖。

（3）原理方案的選擇原則

在智能裝備系統設計中，根據設計要求對系統及其功能單元的原理方案進行設計，可實現的原理方案是多解的，每種原理方案不同，技術上實現不同，投入的研制費用不同，性能和功能也不同，必須進行詳細的分析對比，選擇最佳方案。其選擇的原則包括：新穎性、先進性、使用性；技術可實現性；經濟性、可靠性；結構合理、外觀造型好；操作簡單、使用方便。

1.4.4　智能裝備系統結構方案設計

智能裝備系統原理方案確定之后，對于系統所確定的各種功能單元，可分成兩大類：一類是機械類功能單元，例如：機械傳動系統、導向系統、主軸組件、機械本體等；另一類是光電系統功能單元，例如：光電檢測傳感器、電壓放大器、控制電路、控制電機、計算機硬件系統等。

對于機械類功能單元，在市場上已有標準化的、通用的部件，設計人員根據設計要求進行選擇；智能裝備系統具有不同的工作性能和功能，因此，其機械結構方案和總體結構方案也千變萬化。所以，機械結構設計仍是智能裝備系統總體結構方案設計的重要內容。機械結構設計工作包括兩個方面，即總體結構設計和單元部件結構設計。

對于光電系統功能單元，若市場已有現成的產品，設計人員可以根據設計要求選擇；若是市場上沒有的產品，設計人員根據設計要求進行設計、調試、完善，以便滿足設計使用要求。

1.4.4.1　系統結構方案設計的程序

結構設計階段的工作特點與原理方案構思有很大的不同。原理方案構思主要靠創造性思維和系統化方法，而結構設計的復雜性和具體性則要求除了創新思維之外，更多地是進行緊密聯系實際的綜合分析和設計工作。其主要特點是：工藝及經濟觀念占主導地位，結構方案可行性的審核貫徹始終，要不斷地進行功能、制造、裝配可能性、使用性能、制造成本等方面的審核，因此并沒有固定的設計程序。這個過程一般可以粗略地分為：初步設計、詳細設計、完善與審核，見表22-1-12。

1.4.4.2　系統結構方案設計的基本原則

1.4.5　智能裝備系統總體布局設計

智能裝備系統總體布局設計是總體設計的重要環節，是一個帶有全局性的問題，對產品的制造和使用都有很大影響，特別是對維修、抗干擾、小型化等。布局設計的任務是確定系統各主要部件之間相對應的位置關系，以及它們之間所需要的相對運動關系。

1.4.6　總體準確度分析與設計

總體準確度是衡量智能裝備系統性能和質量的一個主要的技術指標。由于現代智能裝備設備和產品的自動化程度愈來愈高，功能也更先進，因此機、電、光、磁等多學科相互滲透的程度更強，智能裝備系統總的準確度指標是由各功能組元和功能單元共同作用的結果。在準確度要求較高的系統設計時，其準確度分析與計算是一項十分重要的工作，往往要通過理論分析計算與試驗統計分析相結合的方法，完成系統準確度的設計，以滿足總體準確度的要求。

在總體設計階段，系統準確度分析與計算的核心任務是誤差分配和誤差綜合。

誤差分配是指根據智能裝備系統總準確度指標，在準確度分析的基礎上，考慮各功能組元和功能單元的工作原理、材料及工藝水平、元器件的技術水平、實現高準確度的難易程度等因素，合理地確定各功能組元、功能單元及器件的準確度。

誤差綜合是指在設計完成后，按照已確定的各子系統，根據各功能組元、功能單元及器件的誤差、公差等技術條件，分析各種誤差因素對總準確度的影響，并求出智能裝備系統的總精度。

不同的總體方案確定了不同的機、電、光各功能組元和功能單元，誤差分配的對象也就不相同。通過誤差分配，應使誤差組成部分的準確度在技術上能實現，又不至于產生結構復雜、工藝性差、成本高等不利因素。各功能組元和功能單元的功能及其之間的相互作用又決定了系統的性能指標，所以誤差的合理分配與優良的總體方案設計之間是相輔相成的關系。

在總體設計階段，要進行誤差計算，把各功能組元和功能單元的誤差按系統誤差、隨機誤差、加工允許誤差分別計算，與分配的準確度進行比較，反復修改，使其準確度盡可能合理。選擇的功能組元和功能單元的準確度必須小于總體設計分配的準確度或要求應達到的準確度。確?？傮w設計準確度要求及使用要求。

1.5　智能裝備系統設計流程

智能裝備產品的設計過程中，一定要堅持貫徹智能與先進制造技術的系統思維方法，要從系統整體的角度出發，分析研究各個組成要素間的有機聯系，從而確定系統各功能組元和功能單元的設計方法。

智能裝備系統設計的過程是“目標—設計—效果”的多次分析與綜合的過程。綜合可以理解為各種解決問題要素的拼合過程，這是一種高度的創造行為。分析是綜合的反行為，是提高綜合水平的必要手段，通過分解與剖析，對綜合后的解決方案提出質疑、論證和改進，排除不合適的方案或方案中不合適的部分，為改善、提高和評價決策做準備。

智能裝備系統的設計流程如圖22-1-9所示。智能裝備系統或產品的設計，可以參考該工程路線與設計流程，而其中許多過程常常需要多次反復，具體說明見表22-1-14。