信息传输系统设计方案的关键点

为执行基本功能，机器要实现信息的传输，其目的是使系统工作在较为理想的工况下。也就是说，在保证机器安全可靠的工作条件下，它们不仅能获得实际的功效，而且还应有优越的技术指标。

信息的传输是通过信息流来完成的。信息流是从信息的发源地（信息源）经信息传输渠道（信道）至信息的接受地（信宿）的传输过程。信息流的主体是信息^[54，55]。

（1）信息流的结构模型图（见图7-7）在机械系统中，信息的前身是各种类型的指令和信号。指令是操作人员根据经验和机械系统的运行状况而发出的，而信号是从机械系统的各个被测对象经传感器测量获得的，但这些信号不能使用，必须进行信号的转换、处理，信号才可被传输和利用，但此时信号还仅仅是反映被测对象的符号，还停留在数据阶段，这些数据经过信号处理、数据解释后，成为可以被利用的知识。数据转换成信息后，这些信息需要在机械系统中流动以形成信息流。并且需要按照一定的编码原则对其进行编码，经过信息传输，传至信宿（信息接受地）。信息在信道中传输时，会遇到各种形式的、各种强度的信号干扰。因此，在信息的流动过程中，必须考虑信息流动过程中系统抗干扰的能力，以便保证信宿能获得正确的信息。在机械系统中，控制系统通常作为机械系统信息流的信宿，经过控制系统的控制、控制策略的选取、控制元件的设计和选择后，信息被恰当地处理，处理结果以控制策略的形式体现出来，这个信息经过反馈信道再反馈给机械系统，进而对机械系统的工况实行控制。

图7-7 信息流的结构模型

（2）信息系统要完成信息的采集、转换、传输、处理和储存

1）信息的采集。信息采集是获得信息的一种必要手段，通常采用各种形式的传感器。传感器的种类和形式很多，最常见的有接触式和非接触式传感器、位移传感器、速度和加速度传感器、力和力矩传感器、压力传感器、温度传感器、气敏感和湿敏传感器、触角传感器、图像和色彩传感器等。关于传感器的选择可参见专门书籍。

2）信息的转换。被测量的信号经过各种传感器测得以后，往往成为电压、电流、电阻、电容、电感或频率等电参量。为了最后驱动显示仪表、记录仪表、记录器、控制器或输入计算机进行数据处理等，还须经过放大、运算、分析等中间转换。转换的方式有V/I、I/V、V/F、F/V、A/D、D/A等。

3）信息的传输。信息的传输可通过导线、光纤等，特别要注意的是防止各种信号干扰。在测试系统中，往往要对导线进行屏蔽。目前很多信息可通过Internet网进行传输。

4）信息的处理。信号采集之后，一般情况下，要对信号的电压或功率进行放大，因此要使用功率放大器。对放大器的基本要求是，不得从信号源吸取能量，不得干扰信号源原来的工作状态，应当有较好的线性，放大倍数应足够大，并应与输入量无关，功率响应要快，相位移动要小，且应在给定的频率范围内，放大器的频幅特性应当是常数等。常用的信号放大器有仪表放大器、程控增益放大器、隔离放大器和电荷放大器等。还要对采集得的信号进行分析，判断其误差，以及所测结果是否正常。如果有意外情况或对所得结果有疑问，还需继续进行测试。

5）信息的储存。信息的储存利用各种计算机、光盘、移动硬盘等。

（3）系统工作状态的控制 对产品运行信息进行采集的目的是为了对系统的工作状态进行控制，以使机械系统工作在理想的工况下。下面举出几个例子。

1）数控车床上工件的加工过程及控制。对数控车床进行功能设计时，要考虑如何通过计算机进行零件加工信息的采集、存储、传输和处理，并通过信息流，发送加工指令，控制加工过程，同时还要对加工过程进行监控，通过各种传感器、信号采集系统和信号处理系统实时检测工件的加工质量，通过信息流的信息反馈通道，将加工状态传递给控制系统，控制系统据此判断加工状态，并根据判断结果作出进一步的动作，实施对车床的控制。数控车床的加工过程和控制过程如图7-8所示。(www.xing528.com)

图7-8 数控车床的加工过程和控制过程

2）柔性制造生产线中的工件加工过程及控制。图7-9是在柔性制造生产线中回转零件的加工过程及控制，该系统是由物质流、运动形式流、信息流和自动加工系统组成。加工系统是由数控加工中心、数控车削中心组成；物质流系统是由两台机器人、一个链式传输系统、毛坯存储库和成品存储库组成；信息流系统是由文件服务器、中央计算机/单元控制器、缓冲站1、缓冲站2、计算机视觉系统和可编程逻辑控制器组成，这些信息流设备由一个统一的网络系统连接在一起，构成整个信息流系统。

信息流系统是整个柔性制造系统的神经中枢，用以实现对整个机械系统的总体控制，完成对系统的监控和对生产过程、物质流系统辅助装置、加工设备的控制，以及运行状态数据存储、调用、校验和网络通信等。中央计算机和文件服务器是信息流系统的控制核心。在系统运行时，中央计算机检查传输带和托盘的状态、机床和机器人的状态以及来自计算机视觉系统的信息。

通过这些信息，中央计算机判定每个工作站的任务类型和状态，并根据生产任务和调度决策，把相应的命令发送到工作站，并通过这些计算机对各种物料运送设备、加工设备实施控制，完成所要求的各种功能。

由此可见，针对现代机械系统的设计，选择信息的形式、建立系统的信息模型和控制模型、选择信息的流通方式、确定信息的控制方式等，并在该过程中考虑传感技术、信息采集方式和信息控制相对应的控制理论与方法、信息流通所需的执行部件等都是十分重要的。

图7-9 柔性制造生产线中回转零件的加工过程及控制

图7-10 机械系统中典型的信息流

3）机械系统中典型的信息流（见图7-10）。在机械系统的设计过程中，要考虑运动形式流和能量流系统中的原动机、传动系统、执行机构、操纵系统、人机接口和控制系统等诸方面的问题，而每个方面的设计都涉及信息的采集、传输和处理，此外，在信息流的通道中，对信息流的流向施加适当的控制，选择适当的控制策略，控制信息流在机械系统中的正确选择，可以实现和大大改进机械系统的功能。图7-10较为完整地反映机械系统中的信息流及其相关的内容。