1.4 机械自动化方案的工程化设计要点

机械自动化方案的工程化设计涉及的面很宽，要考虑的因素也很多。本书以提高工业自动化工程师工程化设计的能力为目标，针对现代机械制造业的实际需求，以机电软一体化为核心，阐述机械自动化方案设计的方法与步骤。对于如何创建高效而且富有竞争力的机械自动化设计方案，将结合工程实践案例，着重介绍四个方面的内容。

1.基于精准测算的自动化硬件配置方案

机械自动化方案指由控制系统、人机界面以及运动系统所构成的方案。由于机电一体化硬件配置最核心的问题是运动系统与机械本体的融合与协调度，所以本书重点介绍伺服驱动控制、减速器以及电动机的硬件配置方法。

运动系统参数如何选定一直是困扰自动化工程师的问题。在实践中，人们往往类比同样或类似型号的机器上已经使用的运动系统，根据其额定数据进行模仿设定，却不知其所以然。这其实是很致命的设计习惯，是“差不多”文化的折射。如果运动系统选得过小，轻则机械装备达不到设定的性能指标，重则须更换系统，造成浪费；如果运动系统选得过大，也就是设计裕量过大，会导致机械造价过高，能耗过大。即使运动系统的大小合适，其中也有一个驱动控制、减速器以及电动机的相互配合问题。如果它们配合不当，就会影响机械的精度或动态性能指标。

在满足机械设备动态和静态性能指标的前提下，尽量压缩设计裕量，降低材料用量和成本，同时在精准计算仿真手段的支持下，使运动系统最佳地适配机械本体，从而获得一个优化的配置方案。

2.方案模块化与标准化的规范

以典型的PID（比例、积分、微分）调节器设计为例，如果PID调节器的算法在每一次应用中都要重新由项目工程师编写源代码，将造成工时的浪费和工作效率低下。如果将PID调节器的各种应用状态考虑周全，使其无论是对快速和大滞后的被控对象，还是对机械控制和过程自动化的回路调节都能适用，然后将各种算法及参数作为一个可以重复使用的模块进行封装，这样就可以显著地提高工程效率，避免无谓的人力资源的浪费。

现实情况常常是一个团队中有众多优秀的自动化工程师，他们有各自的风格和优势，但他们所创造的软件方案各有千秋，虽然在应用中没有问题，但不能相互兼容和借鉴。更有甚之，如果一个工程师离开公司，那么没有人能读得懂他的软件，这样，前期的投入将变得一文不值。

针对团队和个人，设计并执行自动化方案的标准化规范是非常重要的。从软件的架构，到模块的接口定义，甚至到变量名称的定义都应该有一套详细的执行标准，使得一个团队的优秀工程师们都遵循这些规范进行工作，那么，这个团队所产出的自动化方案将不仅具有长久的生命力，而且团队的工程效率将给企业带来强大的竞争力。

3.基于数字化模型仿真的工程化设计手段

汽车制造业之所以能够不断地提高汽车的性能价格比，其主要原因之一在于设计手段的改革。如果对设计每做一项改动或实验都要新制作一个样车，不仅会造成研发成本的高企，而且研发周期也将成为不可承受之重。HiL可以完美解决这个瓶颈。机械自动化方案的工程化设计也是如此。将机电系统的部分作为数字化模型直接与自动化系统连接，可以直接测试和优化控制算法、验证设计改动是否合理，并无须为此生产样机，这种设计方法使得最终的样机一次性完成，并能够达到满意的设计效果。这种设计手段的采用就是工程化设计的一次革命。

作为自动化工程师，应该学会充分利用成熟的资源和先进的技术手段，以最短的时间、最低的成本设计出性能价格比最佳的产品，这不仅是企业的需求，也是时代的要求。基于数字化模型的仿真手段，就是这样的一个设计捷径。

4.工程化项目管理

工程化项目管理的目的就是使得一个项目能够利用有限的人力资源，在最短的时间内，高质量地得以完成，并使其具有传承性和借鉴性，同时最大限度地规避未来可能的风险，使企业获得最大的收益。

项目管理对一个项目来说，要解决“做什么，谁来做，怎样做，什么时间完成，完成标准，完成后的文档总结”等问题。项目管理的步骤是：①需求分析；②项目规划；③项目团队的组建；④角色分配以及沟通；⑤监控机制的制定；⑥项目的验收标准与验收；⑦项目的文档总结。

工程化项目管理的核心是解决如何提高工程化效率，如何培养自动化工程师的行为规范与素质。