机械设计制造及其自动化的发展方向的研究

机械设计制造及其自动化的开展方向的研究内容摘要随着社会的不断开展,制造技术是开展制造业的关键技术,是创造财富和为科学技术开展提供现金手段的根底。机械自动化技术的开展与广泛的应用，是机械制造业一个巨大的飞跃，也是机械制造业开展的主象实现连续自动生产的目标，进而实现生产过程和生产效率的优化流趋势。本文主要对传统的机械设计制造和机械自动化相比拟，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开展，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。文章从系统的观念出发，综合运用机械技术、微电子技术，自动化技术，及过控技术在化工生产中的应用。着重例举了锅炉汽包水位的控制和冷却剂流量和气氨排量的最正确控制方案。提出了过程自动化控制今后的主要目标，指明了机械设计制造及其自动化的开展方向。我国要搞好机械自动化,不但要起点高,瞄准世界先进水准,而且必须包括各种灵活的提本钱、见效快的技术,坚持提高与普及相结合整理的方针,同时从我国具体的根本国情出发,使我国的机械自动化技术发挥应有的才能健康地走上高速度、高质量和高效益之路。关键词：机械自动化技术现状应用与开展目录TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 II引言 1一．机械自动化的产生和定义1〔一〕结合生产实际,注重实用开展机械自动化技术1〔二〕开展投资少、见效快的低本钱自动化技术 1〔三〕结合中国国情,开展现代机械自动化技术2〔四〕抓好根底,注重配套开展机械自动化技术 2二、机械自动化的科学技术………………….3三、如何开展机械制造自动化技术…………….〔一〕结合生产实际，注重实用开展机械自动化技术…………………〔二〕开展投资少、见效快的低本钱自动化技术 13〔三〕结合中国国情，开展现代机械自动化技术 14〔四〕抓好根底，注重配套开展机械自动化技术16四．机械自动化系统在化工生产中的应用〔一〕锅炉汽包水位控制方面的研究161单冲量控制系统232双冲量控制系统243三冲量控制系统25〔二〕冷却器控制方案的研究 261控制冷却剂的流量262控制气氨排量 12结论 12参考文献 13引言机械自动化,主要指在机械制造业中应用自动化技术,实现加工对象的连续自动生产,实现优化有效的自动生产过程,加快生产投入物的加工变换和流动速度。机械自动化技术的应用与开展,是机械制造业技术改造、技术进步的主要手段和技术开展的主要方向。整理机械自动化的技术水准,不仅影响整个机械制造业的开展,而且对国民经济各部门的技术进步有很大的直接影响。如何开展我国的机械自动化技术,应实事求是,一切从我国的具体国情出发,做好各项根底工作,走中国的机械自动化技术开展之路。在二十一世纪初期的今天我们不得不回忆从建国初期到现在的六十年间机械制造业的开展创新。当初中国工业起步时靠的是苏联“老大哥”的设备。当时的设备特点是：劳动强度大，生产效率低，对抄作者的技术有很大的要求。而六十年后的今天，中国外乡的设备大批量的投产。精度高度增加。而且凭借西门子法那克芯片，中国已经可以生产大型数控加工设备。对机械加工来说手动半自动与自动就是钳工普通机床和数控机床之别，几十年前机械加工工人学习技术时一般都是进行理论实习，然后实际操作。学习困难相当大而且有着极大的实际困难。而现在的数控技术，是以理论实习为主。学者可以任意自学，而且可以说理论学习结束后可以独立进行抄作。节省了大量的学徒时间，而且加工后的零件，精度高，批量加工误差小，如果不考虑刀具磨损的情况下批量生产的误差就是零。也就是说在编程结束后加工第一个工件进行检查后在刀具磨损范围内的所有工件尺寸都是一定的，大大减少了加工者的检查工作而且数控加工的工件外表光洁度高，加工速度快。劳动强度低。加工环境优越，现在已被大多数工厂大型加工基地所认同已经成为未来机械开展的趋势。不过事情都有两面性的，并不能说自动化的设备就是好，无敌，可以把所有的普通设备，淘汰掉，如果这么说就是错误的。自动化设备也有很多缺陷。比方。投资本钱大，维修困难，而且需要专业人员维护，单间多件非大批量生产未必有普通设备方便，对零件清理打毛自动化是不可能进行的，理想的情况就是半自动与自动化互相连接，取长补短。机械自动化的产生和定义首先先介绍机械自动化技术的应用与开展是机械制造业技术改造、技术进步的主要手段和技术开展的主要方向。就如何开展机械制造自动化技术从四方面进行阐述。机械自动化,主要指在机械制造业中应用自动化技术,实现加工对象的连续自动生产,实现优化有效的自动生产过程,加快生产投入物的加工变换和流动速度。机械自动化技术的应用与开展,是机械制造业技术改造、技术进步的主要手段和技术开展的主要方向。机械自动化的技术水准,不仅影响整个机械制造业的开展,而且对国民经济各部门的技术进步有很大的直接影响。如何开展我国的机械自动化技术,应实事求是,一切从我国的具体国情出发,做好各项根底工作,走中国的机械自动化技术开展之路。〔一〕．结合生产实际,注重实用开展机械自动化技术。先进制造技术的全部真谛在于应用。开展机械自动化技术,应以企业的生产和开展的实际需要及具体条件为导向。只有对适宜的产品采用与之相适应的自动化方式进行生产,才能收到良好的技术经济效益和社会经济效益。我国开展机械自动化技术,应结合实际,注重实用,即对国民经济产生实际效益。那种盲目搞自动化、自动线的做法,全年生产任务只需1~2个月就完成的低负荷率生产也要搞的倾向应当纠正,对国民经济不产生显著促进、效率低下的要缓搞。我们要的是效益,而不单纯的是速度。〔二〕．开展投资少、见效快的低本钱自动化技术开展低本钱自动化技术,潜力大,前景广,投资省,见效快,提高自动化程度,可以收到事半功倍的经济效果,适合我国现阶段的开展需要和国情。20世纪90年代美国麻省理工学院提出的精节生产LP(LeanProduction)模式,就是以最小的投入,取得最大的产出的具体表现。借鉴国外开展机械制造业低本钱自动化技术的经验是有益的。我国机械制造业各企业有大量的通用设备,在开展现代机械自动化技术时,应以原有的设备为主,合理调整机床布局,添加少量的数控设备,引入CAD/CAM技术,充分发挥计算机自动化管理的优势和人的创造性,共同构成一个以人为中心,以信息自动化为先导、树立自主的单元化生产系统,为我国机械制造业自动化技术开展应用提供了一条投资少、见效快、效益高、符合我国国情的机械自动化技术开展应用新途径。通用机的局部自动化改装有重要意义。近期内我国对本钱低、维修方便的通用机的需要量还是不会急剧下降的,因为有广阔的乡镇企业市场,有小工厂、试验室、大型企业的工具车间等。〔三〕．结合中国国情,开展现代机械自动化技术实现机械自动化是一个由低级到高级、由简单到复杂、由不完善到完善的开展过程。当机械的操作采用自动控制器后,生产方式才从机械化逐步过渡到机械控制(传统)自动化、数字控制自动化、计算机控制自动化。只有建立了自动化工厂后,生产过程才能全盘自动化,才能使生产率全面提高,到达自动化的高级理想阶段。中国实现机械自动化技术应是一个长期的过程,不可能一蹴而就。当前,中国机械制造业同世界先进水准也存在阶段性差距。在我国这种国情下,普遍开展应用计算机集成制造系统的“全盘自动化”或“高度自动化”,并不具备必要的根底技术、经验和投资能力。因此,要不要普遍开展全盘自动化或高度自动化CIMS技术,一定要慎重行事。而且全盘自动化或高度自动化的CIMS技术也并非我国机械制造业的当务之急,只能列为机械制造自动化技术的主要开展方向。应该开展工艺成熟的大批量生产的自动化技术。我国现阶段,在产品数量较大的同类产品连续流水作业的切削加工生产中,自动化设备仍然是半自动机床、自动机床、组合机床及其组成的自动线、回转体零件加工自动线等。而在大批量的铸造、锻造、冲压、焊接、热处理和装配等生产中,采用刚性自动化(自动单机和自动线)那么是合理可行的,能取得较好的经济效益;对于品种稍多的成批生产,应采用由快速重新调整的设备组成成组工段或流水线、可更换主轴箱组合机床自动线、短自动线和复合制造单元,实现成组自动化;而单件小批量生产,应从推广成组技术入手,适当开展采用数控机应酬或加工中心,有针对性地建立一些揉性制造单元FMC(FlexibleManu-facturingCell),可取得较好的经济效果。我国作为一个开展中国家,考虑一切生产技术问题时的前提必须是适用。我国消化吸收国外柔性制造系统(Pseudo-FMS),是要确保必要的生产柔性的前提下,优化人机界面,不过分追求自动化,尽可能建立较为完善的信息系统,充分开展计算机管理的效益。系统中先进的自动化装备和普通设备并存,系统的某些环节允许人工干预。这是一个典型的结合国情、实施适用先进方针的自动化技术解决方案。我国目前在消化呼吸、融会贯穿国际上有用的自动化技术理论的根底上,要努力做到从我国机械制造业的实际情况出发,开展创新,形成有国情特征的开展自动化技术理论和学说,进行围绕计算机技术的柔性自动化技术的开发研究,以适用为前提,急需什么就解决什么,取得实践经验再推广应用。〔四〕．抓好根底,注重配套开展机械自动化技术开展应用机械自动化技术,要扎扎实实地抓好自动化技术应用工程的根底工作和从实际出发的推广应用工作,既要开展主机,也要配套开展自动化元件及控制系统。可编程控制器、微处理机、各种传感器、新型刀具、控制系统及系统软件、电子计算机等将是今后机械自动化的主要技术根底。研究生产大量性能优良、自动化水准高的机电产品是开展应用机械自动化技术的关键。自动化生产时,在系统的结构、质量(重量)、体积、刚性和耐性等方面对现代机械自动化技术有着重要的影响,机械技术应利用其它高新技术来更新,实现与适应现代机械自动化技术的开展;自动化生产时,机械制造系统的自动控制、自动检测、伺服系统的操作等都少不了要应用微电子技术和自动控制理论;自动化生产时,信息的交换与处理、存取、运算、判断和决策等都少不了要应用计算机与信息处理技术。总之,我国机械制造业开展应用自动化技术,不但要起点高,瞄准世界先进水准,而且必须包括各种灵活的低本钱、见效快的自动化技术,坚持提高与普及相结合的方针,我国的机械自动化技术发应应用才能健康地走上高速度、高质量和高效益之路二、机械自动化的科学技术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，是正在开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”为特征的开展阶段。它的开展至今已经成为一门有着自身体系的新型学科，随着生产和科学技术的开展，还将不断被赋予新的内容。但其最根本的特征可概括为：机械自动化的设计制造是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感检测技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织结构目标，在多功能、高质量、高可靠性，低能耗的意义上实现特定功能价值并使整个系统最优化的系统工程技术。需要强调的是，机械自动化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合性技术，而不是机械技术，以及其他新技术的简单组合、拼凑，这就是现代机械与机械电气化在概念上的根本区别。现代机械设计制造出的产品，不仅是人和手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的延伸，具有智能化的特征是现代机械自动化和传统的机械在功能上的本质区别。三、如何开展机械制造自动化技术机械自动化技术从上个世纪20年代首先在机械制造冷加工大批量生产过程中开始开展应用，上世纪60年代后为适应市场的需求和变化，为增强机械制造业对市场灵活快速反响的能力，开始建立可变性自动化生产系统，即围绕计算机技术的柔性自动化。它是在制造系统不变或变化较小的情况下，机器设备或生产管理过程通过自动检测、信息处理、分析判断自动地实现预期的操作或某种过程，并能够自动地从制造一种零件转换到制造另一种不同的零件。社会实践证明，这种定义下的制造系统自动化与当代大多数企业的实际不相容。目前，世界各国的机械自动化水准除少数工业兴旺国家的某些生产部门外，大多数还处于操作阶段的自动化。我国也不例外，需要循序渐进，不断努力，创造条件，向自动化的高级理想阶段迈进。机械自动化，主要指在机械制造业中应用自动化技术，实现加工对象的连续自动生产，实现优化有效的自动生产过程，加快生产投入物的加工变换和流动速度。机械自动化技术的应用与开展，是机械制造业技术改造、技术进步的主要手段和技术开展的主要方向。机械自动化的技术水准，不仅影响整个机械制造业的开展，而且对国民经济各部门的技术进步有很大的直接影响。如何开展我国的机械自动化技术，应实事求是，一切从我国的具体国情出发，做好各项根底工作，走中国的机械自动化技术开展之路。〔一〕．结合生产实际，注重实用开展机械自动化技术先进制造技术的全部真谛在于应用。开展机械自动化技术，应以企业的生产和技术开展的实际需要及具体条件为导向。只有对适宜的产品采用与之相适应的自动化方式进行生产，才能收到良好的技术经济效益和社会经济效益。我国开展机械自动化技术，应结合实际，注重实用，即对国民经济产生实际效益。80年代后期乃至“八五”方案期间，我国数控机床自动化技术开展是快速的，但却是在曲折中前进。造成这种状况的原因是多方面的，但主要是在开展策略上有失误：1、主机攻关有背当时国内的主要市场，没有适应生产需要开展数控机床自动化技术，结果是数控机床品种虽不少，而结构性能重复的较多，影响了自动化数控机床的实际应用；2、数控系统攻关进展不快，主机及配套件质量不过关，而且随着国产化率的提高，使机床的可靠性降低，质量问题层出不穷，用户反映“四面楚歌”。在已有的数控机床中，能正常使用、不能正常使用和不能使用的各占三分之一。而正常和稳定运行的数控机床的利用率也很低。上述情况，无疑影响了我国机械自动化技术的开展应用。〔二〕．开展投资少、见效快的低本钱自动化技术开展低本钱自动化技术,潜力大,前景广,投资省,见效快,提高自动化程度,可以收到事半功倍的经济效果,适合我国现阶段的而开展需要和国情。这需要我国机械自动化技术向网络化和虚拟化方向开展。网络通讯技术的迅速开展和普及,给企业的生产和经营带来了革命性的变革。产品设计、物料选择、零件制造、市场开拓与产品小勺都可以异地或跨越国界进行。此外,网络通讯技术的快速开展,加速技术信息的额交流、加强产品开发的合作何经营管理的学习,优化产品的制造工艺、保证产品质量、生产周期和最低本钱为目标,进行生产过程方案、组织管理、车间跳读、供给链及物流设计的建模和仿真,推动企业向着既竞争又合作的方向开展。〔三〕．结合中国国情，开展现代机械自动化技术实现机械自动化是一个由低级到高级、由简单到复杂、由不完善到完善的开展过程。当机械的操作采用自动控制器后，生产方式才从机械化逐步过渡到机械控制〔传统〕自动化、数字控制自动化、计算机控制自动化。只有建立了自动化工厂后，生产过程才能全盘自动化，才能使生产率全面提高，到达自动化的高级理想阶段。中国实现机械自动化技术应是一个长期的过程，不可能一蹴而就。当前，中国机械制造业同世界先进水准也存在阶段性差距。在我国这种国情下，普遍开展应用计算机集成制造系统的“全盘自动化”或“高度自动化”，并不具备必要的根底技术、经验和投资能力。因此，要不要普遍开展全盘自动化或高度自动化ＣＩＭＳ技术，一定要慎重行事。要努力做到从我国机械制造业的实际情况出发，开展创新，形成有国情特征的开展自动化技术理论和学说，进行围绕计算机技术的柔性自动化技术的开发研究，以适用为前提，急需什么就解决什么，取得实践经验再推广应用。〔四〕．抓好根底，注重配套开展机械自动化技术开展应用机械自动化技术，要扎扎实实地抓好自动化技术应用工程的根底工作和从实际出发的推广应用工作，既要开展主机，也要配套开展自动化元件及控制系统。总之，我国机械制造业开展应用自动化技术，不但要起点高，瞄准世界先进水准，而且必须包括各种灵活的低本钱、见效快的自动化技术，坚持提高与普及相结合的方针，我国的机械自动化技术发应应用才能健康地走上高速度、高质量和高效益之路。四．机械自动化系统在化工生产中的应用生产过程中，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，否那么将影响后一工段的效果；化学反响器的反响温度必须保持平稳，才能使效率到达指标。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。〔一〕锅炉汽包水位控制方面的研究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，假设水位过低，那么会影响产气量，且锅炉易烧干而发生事故；假设水位过高，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单冲量控制系统汽包水位控制手段是控制给水，基于这一原理，可构成如图〔1〕所示的单冲量控制系统。图〔1〕汽包单冲量控制系统这里的“冲量”一词是指变量，单冲量即汽包水位。这种控制系统典行的简单控制系统。当蒸汽负荷突然大幅度增加时，由于假水位现象，控制器不但不能开大给水阀来增加给水量，以维持锅炉的物料平衡，而是关小控制阀的开度，减小给水量。等到假水位消失后，由于蒸汽量增加，送水量反而减小，将使水位严重下降，波动很历害，严重时气包水位降到危险程度以至发生事故。因此对于停留时间短、负荷变动较大的情况，这样的系统不能适应，水位不能保证。然而对于小型锅炉，由于水在汽包中的停留时间较长，在蒸汽负荷变化时，假水位的现象并不显著，配上一些联锁报警装置，也可以保证平安操作，故采用这种单冲量控制系统尚能满足生产要求。2、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“虚假水位”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，如图3-2所示。从本质上看，双冲量控制系统是一个前馈〔蒸汽流量〕控制加单回路反响控制的复合控制系统。这里的前馈仅为静态前馈，假设需要考虑两条通道在动态上的差异，需引入动态补偿环节。图〔2〕汽包双冲量原理图及方框图如图〔2〕所示的连接方式中，加法器的输出I是I＝C1IC±C2IF±I0式中IC——液位控制器的输出；IF——蒸汽流量变送器〔一般经开方器〕的输出；I0——初始偏置值C1、C2——加法器系数。C1的设置一般取1，C2的值应考虑到静态前馈补偿，可现场凑试，也可经理论推导得出。设置I0的目的是使其在正常负荷下，控制器和加法器的的输出都有一个比拟适中的数值。最好在正常负荷下，I0和C2IF项接近而相互抵消。3、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拟困难；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。三冲量控制系统的实施方案较多，如图〔3〕所示为其中的典型控制方案之一。图〔3〕汽包三冲量控制系统从该图可以看出，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、“虚假水位”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，以防止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〔4〕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假设采用气开阀；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。图〔4〕汽包三冲量系统方框图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，采用了比拟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，如图〔5〕〔a〕所示：也可接在控制器之后，如图3-5(b)所示：〔a〕(b)图〔5〕汽包三冲量控制系统的简化接法图中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。图3-5〔a〕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，那么当负荷变化时，水位将有余差，图3-5(b)的接法，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。〔二〕冷却器控制方案的研究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到达生产工艺要求，工业用冷却器的一般控制方案有以下几种。1、控制冷却剂的流量如图〔6〕所示：图〔6〕氨冷却器控制冷却剂流量的控制方案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，可采用图〔7〕所示的