1、机设计制造及其自动化发展方向的研究【摘要】机电一体化这一词语的出现已经有 30 多年的历史了。最早出现是在 1971 年一本名为机械设计的日本杂志副刊上。在此之后，机电一体化行业就开始了蓬勃的发展。美国一家机械工程师协会在“机械一体化”这一名词出现之后的三十五年后，又对这一行业所用到的机械系统进行了新的定义。 【关键词】机械设计 机械制造 机械自动化 发展方向 一、机械设计制造及自动化的起源和内涵 现代机械的含义是指：在计算机信息系统的协调和控制之下，运用机械设施或者是机电部件去完成机械运动、机械能量流等各种动力学任务的整个运作系统。其实“机械一体化”与“现代机械”两者的含义是相互统一的，所以
2、可以说 1984 年所出现的“现代机械”就是我们经常提到的机电一体化的系统。在上个世纪的九十年代，国际机械学与国际机构理论学会相互联合给出了“机械一体化”的准确定义。其认为机电一体化是精密机械建造工程、对电子控制的信息体统与系统观、整体观思想相互结合的产物。其通过相互协同、相互配合为实现工作的统一目标而共同努力。因此，可以发现“机电一体化”是一种由机械设计制造、机械自动化、系统思想为基础发展而来的。 机械设计制造及其自动化技术的发展为我国社会主义现代化实现提供了坚实的基础。其以机械技术以及电子技术作为发展的核心内容，通过融合、渗透、交融多门学科技术产生的一项划时代产物，其也是一门与时代同步发展
3、，并逐渐趋于完善的创新学科。依据其基本特征能够将这一技术概括为以整体系统观出发，坚持系统的功能及其优化的组织结构目标，通过综合运用多种机械信息技术（例如：机械制造、设计技术;微电子的技术;自动控制的技术;计算机信息的技术等等群体技术） ，从而让整个机械工作分散过程成为一个兼具多功能性、高质量性、高可靠性以及低消耗性的一种系统的工程技术。 二、机械设计制造及自动化的符合设计原则 （一）满足对机器的功能要求 所有产品的开发都是为了更好满足人们各种需要的，因此其都将具有独特的功能。不同产品之间的功能都有相互区别之处，都有属于自身的主要功能。换句话来说，这些产品都能够将不同信号、能量、物质进行特定的处
4、理，从而输出具有不同特性的信号、能量、物质。而机械自动化产品正是具有如此功能的产品，其能够科学化、自动化的自主处理来自外部输入的信号、能量、物质，依据自身特性对这些内容进行加工，输出符合用户需求的信息、动力、产成品。机械自动化系统不仅拥有机电一体化这项技术所具有的功能，而且能够利用这项技术开发适配的机电一体化产品。而这种机电一体化产品可以通过其设计不同、制造工艺不同打造不同功能，从而满足用户多样化的需求。 （二）利用先进技术不断创新 机械自动化系统可以根据其拥有的主功能，对这类产品或系统进行分类。 （1）加工机。这是一种主要以物料的搬运和加工为主的自动化机械，其通过将输入的信息、能量及其物质通
5、过加工处理步骤，输出改变原有物质形态、位置的一种机械，例如在生活当中经常看到的机床、交通运输的机械、食品加工的机械、用于纺织和印刷的机械等等;（2）动力机。这是一种主要以能量输出的机械，其在获取输入信息之后，在自主判断能量来源、成本的基础上输出不同能量的一种系统，例如：运输工具的电动机、内燃机、发动机等等。 （3）信息机。其是以信息处理为主要功能的自动化机械系统，其对输入的信息或指示进行处理，为用户输出需求的信息，例如运输工具或加工机械上的仪表、生活中经常用到的计算机和打印机以及其他各种信息终端等等。 另外，机械自动化系统还具有其它的功能，例如：检测的功能、控制的功能、构造的功能。这些功能都是
6、机械自动化系统的辅助功能，其在以上的功能系统运作原理基础上，为用户开发出的更有利于模型设计或者是数据分析的各种自动化机械的产品。这些产品的设计和开发非常有利于开拓人类的思维，延伸用户的思路，让创造发明更加容易被实现。例如，金属切削机床就是受到了工件和刀具之间会产生相对运动启发而设计的，其利用这种切削作用的基本原理设计出了更方便工作的机械设备。而科学家们又根据工件和刀具之间运动方式的差别，设计出了具有不同功能的机床。可以发现，机械自动化这一领域的发展空间是非常广阔的，其拥有开拓的想象空间，而我们需要做的就是将机械设计的原理融入到我们的生活中不断的创新，不断的设计出方便人类生活、工作的自动化产品。
7、 三、机械自动化系统在化工生产中的应用 在每个产品的生产过程中，都对每个生产工艺过程的工艺变量（或叫做物力量）进行一定的控制。这些被控制的工艺变量将直接影响整个生产过程，并在产品的数量和质量当中表现出来。例如，如果要控制精馏塔的塔顶或者是塔釜的温度，就一定要保证其内部操作压力时刻不变，只有才能才能够得到一批合格的产品。假如在加热过程中加热炉的出口温度所产生的波动超出了允许范围，就会导致下一工序出产半成品的质量和数量。另外，在加热过程中还要时刻控制化学反应器内的反应温度，只有保持温度平稳波动，才能让整个过程的生产效率达到要求。另外，虽然有些工艺变量不会直接的影响到产品的数量极其质量，但是保持其平
8、稳波动却是确保整个加工生产过程得到控制的重要保证。 （一）锅炉汽包水位控制方面的研究 锅炉汽包是一种用于生产蒸汽的重要设备，其在工业生产当中发挥着不可缺少的作用。在生产蒸汽过程中，如何保持锅炉汽包内液位的高度维持在规定的范围内对整个生产过程都是至关重要的。如果水位低于标准水平，将会直接影响到气体产生的数量，而且会导致锅炉内水分被烧干的事故出现。相反，如果内部水位高于标准区间，就会导致所生产蒸汽的含水量过大，从而降低蒸汽的质量。可以发现，汽包液位的准确、动态控制在锅炉生产过程中扮演着重要的角色。为了更好的保证液位适当，可以为其设计以下机械自动化系统。 1.单冲量控制系统 这一系统当中“冲量”一词
9、的实际意思是指变量，而“单冲量”一词就是指汽包的动态水位。单冲量控制系统是一种非常典型和常见的简单控制系统。其运作原理如下：在蒸汽所产生的负荷突然产生大幅度的增加时，会产生假水位的现象，控制器会开始工作，从而调整控制阀的实际开度，大大减小供水量以保证锅炉内所有物料之间的平衡。接着，在假水位现象消失之后，由于炉内的蒸汽量开始增加，控制器就会增大送水量，从而减少反而炉内水位快速下降所带来的气泡波动。控制器在这一系统中发挥着关键的作用，通过单冲量控制系统可以大大降低蒸汽生产过程中发生事故的风险几率。但是，这一体统也有自身的弱点。对于大型锅炉来说，当炉内产生时间短以及负荷波动非常大的情况时，该系统无法
10、进行快速反应，从而不能让炉内的水位得到保证。相反，当该系统被加载于小型锅炉时，由于炉内的水汽包中会在一个时间段长久停留，从而让蒸汽负荷产生变化时其所产生假水位现象并不是很明显， 需要在此系统上安装连锁的报警装置来保证单冲量控制系统满足蒸汽生产的实际需求。 2.双冲量控制系统 双冲量能够有效避免单冲量系统的弱点，其能够在汽包水位的控制过程中，通过主要的扰动来控制蒸汽负荷的动态变化。主动扰动系统让双冲量系统能够根据蒸汽的流量对水汽泡的高度进行动态的校正，从而不仅能够减少“虚假水位” 所导致的失误操作，并且能够使供水控制阀更加灵敏，不断根据水位的减少或者增加，根据既定标准对水位进行调整，大大提高了科
11、技含量，并提高了产品的品质和加工效率。从另一方面来看，其实双冲量这一控制系统是一种充分结合前馈控制和单回路反馈两种控制原理的复合控制的系统。但是，这种融合却也导致双冲量控制操作性和设计性难度的提高，为了更好的保证整个系统的有序运作，就需要在这两个系统之间找到平衡点并加以控制。 （二）冷却器控制方案的研究 冷却器在机械自动化控制当中也扮演着重要的地位。冷却剂是冷却器的热载体，在当前化工生产中通常会采用液态氨等化学介质。通过利用冷却器内化学介质的蒸发来吸收整个工艺物料生产过程中所产生大量的热量，从而使这些工艺物料能够达到其规定的出口温度。作者对当前用到的集中工业用冷却器的控制方案进行如下归类。 1
12、.控制冷却剂的流量 图 1 氨冷却器控制冷却剂流量的控制方案 如上图 1 所示，其是控制主要是通过改变传热面积 F 的传热速度来运作的。此方案在控制过程中比较平稳，能够保证冷却剂得到充分的利用，并且并不会对压缩机的入口产生过大压力。但是，这种方案控制也存在不够灵活，不能保证蒸发的空间从而导致气氨带液对压缩机造成伤害的弱点。 2.控制气氨排量 图 2 氨冷却器控制气氨排量的控制方案 如图 2，该机械的运作原理是通过机械内部的平均温度来实现对工艺物料输出温度的控制的。此种方案的控制具有很高的灵敏度，但是必须保证该冷却机内的制冷系统能够适应压缩机入口的动态压力波动，从而保证冷却剂得到充分利用。另外，
13、为了更好的确保整个系统的顺利运行，还要在此系统上加载另一个液位的控制系统，从而防止液氨泄露导致压缩机内部的损坏。 四、机械自动化系统对生产和生活的影响 （一）生产能力和工作质量提高 机械自动化自产生到如今已经经历了五十个年头，伴随这一技术的发展，为人类社会带来了更加便利的交通设施，更加容易的沟通渠道，更加高效的生产模式。机械自动化促进了人类整个社会的发展，带来了生产能力和工作质量的提高。现有的机械自动化设备（机械）已经开始朝着更加高科技方向发展，其控制灵敏度、可用度、适应性都较其出现之初得到了长足的发展，并且这些设备能够对参数、温度、湿度等主观环境得到有效的控制，从而让产品的生产大大的克服了地
14、域、时间、空间的限制。 （二）使用安全性和可靠性提高 机械自动化的产品能够根据动态环境来配置资源、能量、信息的输入和输出，让产品的生产、信息的传递更加具有安全性。自动化操作系统也减少了繁琐的信息交互，让信息的传递跨越人为主观意识的阻碍。通过结合信息管理系统与机械一体自动化系统，为企业战略的制定和实施更加容易，让对整个产品生产线的操控更加简单和准确，从而大大提高了当代企业运作的可靠性。生产厂区人工数量的减少，对危险操作流程采用机械自动化系统避免了有害工种对员工产生的健康威胁，通过远程操作、前馈程序编制的方式，大大提高了工作过程当中的安全性。 （三）节约能源，减少耗材 机械自动化大大的节约了能源，
15、其通过对动态环境做出不同反应，减少了人工生产过程当中的失误，大大避免了人工工作过程中产生的风险，从而让产品的生产效率更高、产品次品率更低、产品质量更高。通过大规模机械之间的相互组合，新型机械自动化生产线极大的减少了人工成本，缩短了整个产品出产的时间，从而减少了生产过程当中失误几率、信息传递误差的产生，带来了企业生产成本、耗材数量的降低。 参考文献： 1刘武发，刘德平. 机电一体化设计基础M.北京：化学工业出版社，2007. 2杨世明，腾献银，赵镇宏. 机械设计M. 北京：电子工业出版社，2007. 3张建民. 机电一体化系统设计M. 北京：高等教育出版社，2001. 4赵松年，张奇鹏. 机电一体化机械系统设计M. 北京：机械工业出版社，1996. 5齐卫红，林春丽，王永红. 过程控制系统M.北京： 电子工业出版社， 2007.
