机械设计制造其自动化的趋势

摘 要：本文主要对传统的机械设计制造和机械自动化相比较,提出了具有智能化的特征是现代机械和传统的机械在功能上的本质区别.根据机械自动化在各行各业的应用和发展,显现出了机械自动化产品的优点和效益.即多功能化、高效率、高可靠性、省材料、省能源,不断满足人们生活和生产多元化需求.

关 键 词：设计制造自动化产品发展

1.前言

1.1机械设计及自动化定义的产生

早在1971年日本的《机械设计》杂志副刊上刊登了机电一体化这一名词,后来随着机电一体化的发展而被广泛的应用.美国机械工程师协会于1984年为现代机械下了如下定义：“由计算机信息网络协调与控制的,用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和（或）机电部件相互联系的系统”.它与前面提及的机电一体化是一致的,因此可以说现代机械就是指机电一体化系统.20世纪90年代国际机器与机构理论联合会,给出了这样的定义,机电一体化是精密机械工程、电子控制和系统思想在产品设计和制造过程中的协同结合.因此又可以说机电一体化就是在机械设计制造及其自动化基础上的发展.

1.2机械设计制造及自动化的技术研究

机械设计制造及其自动化是机械技术和电子技术为主体,多门技术学科相互渗透、相互结合的产物,是正在发展和逐渐完善的一门新兴的边缘学科,机械自动化使机械工业的技术结构、产品结构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化,使工业生产由“机械电器化”迈入了以“机械自动化”为特征的发展阶段.

2.机械设计制造及自动化的原则

2.1产品的功能要求

任何一种产品都是为满足人们的某种需要而开发的,都必须具有某种主要功能,不同的产品具有不同的主要功能.概而言之,都能对输入的物质、能量和信息（即所谓工业三大要素）进行某种处理,输出具有所需特性的物质、能量与信息.因此,机械自动化系统也必须具有对输入的物质、能量和信息进行某种处理,从而输出具有所需特性的物质、能量与信息的主功能.如图2-1所示：

如上所述,机械自动化系统是一个综合的概念,包含了机电一体化技术和机电一体化产品两个方面的内容.作为产品,又包含着设计、制造和特定的功能以满足使用要求,而功能是由其内部有机联系的结构所决定的.

2.2产品的功能分类

根据产品或系统的主功能不同,可对产品或系统进行分类.

以物料搬运、加工为主.输入物质、能量和信息,经过加工处理,主要输出改变了位置和形态的物质系统（或产品）称为加工机.如各种机床、交通运输机械、食品加工机械、起重机械、纺织机械、印刷机械、轻工机械等.

以能量转换为主,输入能量和信息,输出不同能量的系统（或产品）称为动力机,其中输出机械能的为原动机.如电动机、水轮机、内燃机等.

以信息处理为主,输入信息和能量.主要输出某种信息.如数据、图像、文字、声音等的产品称为信息机.如各种仪器、仪表、计算机、传真机以及各种办公机械等.

机械自动化系统除了具备上述必须的主功能外,还应具体备其它内部功能、即动力功能、检测功能、控制功能、构造功能.

基于上述的功能构成原理,既有利于设计或分析各种机械自动化的产品,又有利于开拓思路,便于创造发明和创新.例如,根据3种不同的主功能及其不同的输入,组合起来可形成9大类型的系统产品.

此外,对于不同主功能的加工机构,其运动方式不同,也构成不同用途的机械..因此,工件与刀具的运动方式不同,便产生不同用途的机床.所以说机械自动化的发展空间非常广阔,具有极大的想向空间,需要我们利用先进技术符合科学原理来不断创新,设计制造出一流的自动化产品.

3.机械自动化系统在实际生产中的技术控制要求

生产过程中,对各个工艺过程的物理量（或工艺变量）有着一定的控制要求.有些工艺变量直接表现生产过程,对产品的数量与质量起着决定性的作用.例如,精馏塔的塔顶或塔釜温度,一般在操作压力不变的情况下必须保持一定,才能得到合格的产品；加热炉出口温度的波动不能超过允许范围,否则将影响后一工段的效果；化学反应器的反应温度必须保持平稳,才能使效率达到指标.有些工艺变量虽不直接地影响产品的质量和数量,然而保持其平稳却是使生产获得良好控制的前提.

3.1锅炉汽包水位的控制

锅炉汽包是生产蒸汽的设备,几乎是工业生产不可缺少的设备,保持锅炉汽包的液位高度在规定范围内是非常重要的,若水位过低,则会影响产气量,且锅炉易烧干而发生事故；若水位过高,生产蒸汽含水量高,会影响蒸汽质量.这些都是危险的,因此对汽包的液位严加控制是保证锅炉正常生产必不可少的措施,

1.双冲量控制系统.在汽包水位的控制中,最主要的扰动是蒸汽负荷的变化.如果根据蒸汽流量来进行校正,不仅可以补偿“虚检测水位”所引起的误动作,而且使给水位控制阀的动作十分及时,从而减少水位波动,改善控制品质.将蒸汽流量信号引入,就购入了双冲量控制系统.从本质上看,双冲量控制系统是一个前馈（蒸汽流量）控制加单回路反馈控制的复合控制系统.这里的前馈仅为静态前馈,若需要考虑两条通道在动态上的差异,需引入动态补偿环节.

2.三冲量控制系统.双冲量控制系统还有两个弱点：控制阀的工作特性不一定能成为线性特性,这样要做到静态补偿就比较困难；同时,对于给水系统的扰动仍不能克服.为此可再将给水流量信号引入,构成三冲量控制系统.

从这里可以看出,这是前馈控制与串级控制组成的复合控制系统.其中,汽包水位是主冲量（主变量）,蒸汽,给水流量为辅助冲量.在汽包停留时间较短、“虚检测水位”严重时,需引入蒸汽流量信号的微分作用.这种微分信号应是负微分作用,以避免由于负荷突然增加和减少时,水位偏离设定值过高或过低而造成锅炉停车.如图3-1所示,为三冲量控制系统的方框图,加法器的运算关系与双冲量控制时相同,各系数设置如下：

a系数C1通常可取1或稍小于1的数值；

b若采用气开阀；C2取正值,C2的值可按物料平衡关系进行计算；

cI0的设置和取值仍与双冲量控制系统相同.

在三冲量的控制系统中,水位控制器和流量控制器的参数整定方法与一般串级控制系统相同.在有些装置中,采用了比较简单的三冲量控制系统,只用一台控制器及一台加法器,加法器可接在控制器之前,也可接在控制器之后.加法器的正负号是针对采用气关阀及正作用控制器的情况.接法的优点是使用仪表最少,只要一台多通道的控制器即可实现.但如果系数设置不能确保物料平衡,则当负荷变化时,水位将有余差,这类接法,水位无余差,但使用仪表较前者多,在投运及系数设置等方面较前者麻烦一些.

3.2冷却器的控制方案

冷却器的热载体是冷却剂,常采用液态氨等介质作为冷却剂,利用它们在冷却器内蒸发进吸收工艺物料的大量热量,使用工艺物料的出口温度下降来达到生产工艺要求,工业用冷却器的一般控制方案有以下几种.

1.控制冷却剂的流量.

为氨冷却器控制冷却剂流量的控制方案,其机理也是通过改变传热速率方程中的传热面积F来实现的.该方案控制平稳,冷量（冷却剂量）利用充分,且对压缩机入口压力无影响.但这种方案控制不够灵活,另外蒸发空间不能得到保证,易引起气氨带液而损坏压缩机.为此,可采用物料出口温度与液位的串级控制方案,使用这种方案时,可以限制液位的上限,保证有足够的蒸发空间.也可以采用选择性控制方案.

2.控制气氨排量.氨冷却器控制气氨排量的控制方案,其机理是通过改变传热速率方程中的平均温度来控制工艺物料的出口温度的,这种方案控制灵敏迅速,但制冷系统必须许可压缩机入口压力的波动.另外,冷量的利用不充分.为确保系统的安全运行,还需要设置一个液位控制系统,防止液氨进入氨管路而导致压缩机损坏.

根据以上分析研究可知：自动控制装置和被控的工艺设备组成了一个没有人直接参与的自动化控制系统.操作工坐在操作室里,就能观察到整个装置的变化.因此,保证生产过程的安全,降低了劳动强度.

4.机械自动化系统的发展趋势

随着机械自动化技术的快速发展,机械自动化产品有逐步取代传统机电产品的趋势,与传统机电产品相比,机械自动化产品具有高的功能水平和附加值,它将给开发生产者和用户带来社会、经济效益.

由于机械自动化产品实现了工作自动化,所以生产力大大提高.例如：数控机床对工件的加工稳定性大大提高,生产效率比普通机床提高5～6倍.柔性制造系统的生产设备利用率可提高1.5～3.5倍,机床数量可减少约50%,节省操作人员约50%,缩短生产周期40%,使加工成本降低50%左右.此外,由于机械自动化工作方式具有可通过调整软件来适应需求的良好柔性,特别适合于多品种、小批量产品的生产、是缩短产品开发周期、加速更新换代的重要途径.

4.1使用安全性和可靠性提高

机械自动化产品的功能包括：监视、自动报警、自动诊断及自动启用保护装置等.这些功能在工作中避免和减少人身与设备事故,设备的安全性能有了很大提高,机械自动化产品由于采用电子元器件,减少了机械产品中的可动构件和磨损部件,从而使其具有较高的灵敏度和可靠性.故障率降低,寿命得到了延长.

4.2改善劳动条件,有利于自动化生产

机械自动化产品自动化程度高,是知识密集型和技术密集型产品,是将人们从繁重的体力劳动中解放出来的重要途径,可以加速工厂自动化、办公自动化、农业自动化、交通自动化甚至是家庭自动化,从而可促进我国四个现代化的实现.

4.3节约能源,减少耗材

节约一次和二次能源是国家的战略目标,也是用户十分关心的问题,机械自动化产品通过采用低能耗驱动机构,最佳的调节控制,以提高设备的能源利用率,可达到明显的节能效果.同时,由于多种学科的交叉融合,机械自动化系统的许多功能一方面从机械系统转移到微电子、计算机系统,另一方面从硬件系统转移到软件系统,从而使得机械自动化产品系统朝着轻小型方向发展,减少了材料消耗.

5.结论

因为现代机械自动化在设计和制造上具有多功能、高质量、高可靠性,低能耗的意义所以机械的设计、制造、都是围绕着机械自动化来进行的.

机械自动化技术所面临的共性关健技术是传感检测技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动化控制技术、接口技术、精密机械技术及系统总体技术等.所以说,机械自动化系统就是机电一体化系统.机电一体化的发展就是机械自动化的发展,所以广大设计人员应清醒的认识到机械设计制造只有向机械自动化设计制造方向发展,才是机械工业发展的唯一出路.所以设计人员不能只热衷于技术引进,不能仅仅安心于作为新技术的传播者,而应该作为新技术产业化的创造者.为机电一体化技术发展开辟广阔的天地.