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1、机械制造及其自动化毕业设计论文机械设计制造及其自动化进展方向的研究姓名：学号：性另Ij:专业：机械设计制造及其自动化批次：层次：电子邮箱：联系方式：学习中心：指导教师：2011年11月19日机械设计制造及其自动化进展方向的研究摘要本文要紧对传统的机械设计制造与机械自动化相比较，提出了具有智能化的特征是现代机械与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与进展，显现出了机械自动化产品的优点与效益。即多功能化、高效率、高可靠性、省材料、省能源，不断满足人们生活与生产多元化需求。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
2、锅炉汽包水位的操纵与冷却剂流量与气氨排量的最佳操纵方案。提出了过程自动化操纵今后的要紧目标，指明了机械设计制造及其自动化的进展方向。关键词：设计制造；自动化；产品；进展；方向目录第一章前言51.1 机械自动化的产生与定义51.2 机械自动化的科学技术5第二章机械设计制造及其自动化符合设计原则62.1 满足对机器的功能要求62.2 利用先进技术不断创新6第三章机械自动化技术在化工生产中的应用83.1 锅炉汽包水位操纵方面的研究83.1.1 单冲量操纵系统83.1.2 双冲量操纵系统93.1.3 三冲量操纵系统103.2 冷却器操纵方案的研究123.2.1 操纵冷却剂的流量123.2.2 操纵气氨
3、的排量13第四章机械自动化系统的优点与效益144.1 生产能力与工作质量的提高144.2 使用安全性与可靠性提高144.3 调整与维修方便，使用性能改善144.4 具有复合功能，适用面广154.5 改善劳动条件，有利于自动化生产154.6 节约能源，减少耗材15第五章机械设计制造及其自动化的进展方向165.1 机电一体化165.2 智能化165.3 模块化165.4 网络化165.5 微型化175.6 绿色化175.7 人格化17第六章结论18参考文献19第一章前言1.1 机械自动化的产生与定义早在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进展而被广泛的应
4、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操纵的，用于完成包含机械力、运动与能量流等动力学任务的机械与（或者）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，因此能够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、电子操纵与系统思想在产品设计与制造过程中的协同结合。因此又能够说机电一体化就是在机械设计制造及其自动化基础上的进展。1.2 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与电子技术为主体，多门技术学科相互渗透、相互结合的产物，是正在进展与逐步完善的一门新兴的边
5、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”为特征的进展阶段。它的进展至今已经成为一门有着自身体系的新型学科，随着生产与科学技术的进展，还将不断被给予新的内容。但其最基本的特征可概括为：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、自动操纵技术、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、信息变换技术与软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标与优化组织结构目标，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
6、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，与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，不仅是人与手与肢体的延伸，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与传统的机械在功能上的本质区别。第二章机械设计制造及自动化的符合设计原则2.1 满足对机器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，都务必具有某种要紧功能，不一致的产品具有不一致的要紧功能。概而言之，都能对输入的物质、能量与信息（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
7、系统也务必具有对输入的物质、能量与信息进行某种处理，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：质旦里息 物能信质旦里息 物能信图2-1机械自动化系统功能示意图如上所述，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与机电一体化产品两个方面的内容。作为产品，又包含着设计、制造与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 利用先进技术不断创新根据产品或者系统的主功能不一致，可对产品或者系统进行分类。以物料搬运、加工为主。输入物质、能量与信息，通过加工处理，要紧输出改变了位置与形态的物质系统（或者产品）称之加工机。如各类机床、交通运输机械、食
8、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，输入能量与信息，输出不一致能量的系统（或者产品）称之动力机，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，输入信息与能量。要紧输出某种信息。如数据、图像、文字、声音等的产品称之信息机。如各类仪器、仪表、计算机、传真机与各类办公机械等。机械自动化系统除了具备上述务必的主功能外，还应具体备其它内部功能、即动力功能、检测功能、操纵功能、构造功能。基于上述的功能构成原理，既有利于设计或者分析各类机械自动化的产品，又有利于开拓思路，便于制造发明与创新。比如，根据3种不一致的主功能及其不一致的输入，组合起来可形成
9、9大类型的系统产品。如表2-1所示：表2不一致主功能及输入的组合此外，关于不一致主功能的加工机构，其运动方式不一致，也构成不一致用途的机械。比如，金属切削机床是根据工件与刀具相对运动产生切削作用的原理进行工作的。因此，工件与刀具的运动方式不一致，便产生不一致用途的机床。因此说机械自动化的进展空间非常广阔，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。第三章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（或者工艺变量）有着一定的操纵要求。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。比如，精微塔的塔顶或者塔釜温
10、度，通常在操作压力不变的情况下务必保持一定，才能得到合格的产品；加热炉出口温度的波动不能超过同意范围，否则将影响后一工段的效果；化学反应器的反应温度务必保持平稳，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与数量，然而保持其平稳却是使生产获得良好操纵的前提。3.1 锅炉汽包水位操纵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，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操纵是保证锅炉正常生产必不可少的措施，3.1.1 单冲量操
11、纵系统汽包水位操纵手段是操纵给水，基于这一原理，可构成如图3-1所示的单冲量操纵系统。图3汽包单冲量操纵系统这里的“冲量”一词是指变量，单冲量即汽包水位。这种操纵系统典行的简单操纵系统。当蒸汽负荷突然大幅度增加时.，由于假水位现象,操纵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，而是关小操纵阀的开度，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。因此关于停留时间短、负荷变动较大的情况，这样的系统不能习惯，水位不能保证。然而关于小型锅炉，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
12、不显著，配上一些联锁报警装置，也能够保证安全操作，故使用这种单冲量操纵系统尚能满足生产要求。3.1.2 双冲量操纵系统在汽包水位的操纵中，最要紧的扰动是蒸汽负荷的变化。假如根据蒸汽流量来进行校正，不仅能够补偿“虚假水位”所引起的误动作，而且使给水位操纵阀的动作十分及时，从而减少水位波动，改善操纵品质。将蒸汽流量信号引入，就购入了双冲量操纵系统，如图3-2所示。从本质上看，双冲量操纵系统是一个前馈（蒸汽流量）操纵加单回路反馈操纵的复合操纵系统。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。图3-2汽包双冲量原理图及方框图图3-2所示的连接方式中，加法器的输出I是I
13、=C1IcC2IfI0式中Ic液位操纵器的输出；If一蒸汽流量变送器（通常经开方器）的输出；Io初始偏置值CrC2加法器系数。C1的设置通常取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Io的目的是使其在正常负荷下，操纵器与加法器的的输出都有一个比较适中的数值。最好在正常负荷下，I。与CzIf项接近而相互抵消。3.1.3 三冲量操纵系统双冲量操纵系统还有两个弱点：操纵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，关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，构成三冲量操纵系统。三冲量操纵系统的实施方案较多，如图3-3所示为其中的典型
14、操纵方案之一。图3-3汽包三冲量操纵系统从该图能够看出，这是前馈操纵与串级操纵构成的复合操纵系统。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，以避免由于负荷突然增加与减少时，水位偏离设定值过高或者过低而造成锅炉停车。如图3-4所示，为三冲量操纵系统的方框图，加法器的运算关系与双冲量操纵时相同，各系数设置如下：a系数C1通常可取1或者稍小于1的数值；b若使用气开阀；C2取正值，C2的值可按物料平衡关系进行计算；CIo的设置与取值仍与双冲量操纵系统相同。D图34汽包三冲量系统方框图在三
15、冲量的操纵系统中，水位操纵器与流量操纵器的参数整定方法与通常串级操纵系统相同。在有些装置中，使用了比较简单的三冲量操纵系统，只用一台操纵器及一台加法器，加法器可接在操纵器之前，如图35(a)所示：也可接在操纵器之后，如图3-5(b)所示：水位 蒸汽 给水(Tt) ) (ft) -J1rC3+ 乙Q)正作用喜气关阀(a)水位 蒸汽 给水森气关斶(b)图3-5汽包三冲量操纵系统的简化接法图中加法器的正负号是针对使用气关阀及正作用操纵器的情况。图3-5(a)接法的优点是使用仪表最少，只要一台多通道的操纵器即可实现。但假如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，图3-5(b)的接法，水
16、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烦恼一些。3.2冷却器操纵方案的研究冷却器的热载体是冷却剂，常使用液态氨等介质作为冷却剂，利用它们在冷却器内蒸发进汲取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，工业用冷却器的通常操纵方案有下列几种。3.2.1 操纵冷却剂的流量如图3-6所示：图3-6氨冷却器操纵冷却剂流量的操纵方案为氨冷却器操纵冷却剂流量的操纵方案，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。该方案操纵平稳，冷量（冷却剂量）利用充分，且对压缩机入口压力无影响。但这种方案操纵不够灵活，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。
17、为此，可使用图3-7所示的物料出口温度与液位的串级操纵方案，使用这种方案时，能够限制液位的上限，保证有足够的蒸发空间。也能够使用图3-8所示的选择性操纵方案。图3-7温度与液位串级操纵方案图3-8温度与液位选择性操纵方案3.2.2 操纵气氨排量如图3-9所示，为氨冷却器操纵气氨排量的操纵方案，其机理是通过改变传热速率方程中的平均温度来操纵工艺物料的出口温度的，这种方案操纵灵敏迅速，但制冷系统务必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操纵系统，防止液氨进入氨管路而导致压缩机损坏。气氨物料液氨图3-9操纵气氨排量的操纵方案根据以上分析研究可知：自
18、动操纵装置与被控的工艺设备构成了一个没有人直接参与的自动化操纵系统。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。近二十年来，工业生产规模的迅速进展，加剧了对人类生存环境的污染，因此减小工业生产对环境的污染的影响也纳入了过程操纵的目标范围。综上所述，过程自动化操纵的要紧目标包含下列几个方面：1、保证生产过程的安全与平稳；2、达到预期的产量与质量；3、尽可能地减少原材料与能源损耗；4、把生产对环境的危害降到最小限度。第四章机械自动化系统的优点与效益随着机械自动化技术的快速进展，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
19、具有高的功能水平与附加值，它将给开发生产者与用户带来社会、经济效益。4.1 生产能力与工作质量提高机械自动化产品大都具有信息自动处理与自动操纵功能，其操纵与检测的灵敏度、精度与范围都有很大程度的提高，通过自动化操纵系统可精确地保证机械的执行机构按照设计的要求完成预定的动作，使之不受机械操作者主观因素的影响，从而实现最佳操作，保证最佳的工作质量与较高的产品合格率。同时，由于机械自动化产品实现了工作自动化，因此生产力大大提高。比如:数控机床对工件的加工稳固性大大提高,生产效率比普通机床提高56倍。柔性制造系统的生产设备利用率可提高1.53.5倍，机床数量可减少约50%,节约操作人员约50%,缩短生
20、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习惯需求的良好柔性，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。4.2 使用安全性与可靠性提高机械自动化产品通常都具有自动监视、报警、自动诊断、自动保护等功能。在工作过程中，遇到过载、过压、过流、短路等电力故障时，能自动采取保护措施，避免与减少人身与设备事故，显著提高设备的使用安全性，机械自动化产品由于使用电子元器件，减少了机械产品中的可动构件与磨损部件，从而使其具有较高的灵敏度与可靠性。故障率降低，寿命得到了延长。4.3 调整与维修方便，使用性能改善机械自动化产品在安装
21、调试时，可通过改变操纵程序来实现工作方式的改变，以习惯不一致用户对象的需要与现场参数变化的需要。这些操纵程序可通过多种手段输入到机械自动化产品的操纵系统中，而不需要改变产品中的任何部件与零件。关于具有存储功能的机械自动化主品，能够事先存入若干套不一致的执行程序，然后根据不一致的工作对象，给定一个代码信号输入即可按指定的预定程序进行自动工作O机械自动化产品的自动化检验与自动监视功能可对工作过程中出现的故障自动采取措施，使工作恢复正常。由于机械自动化产品普遍使用程序操纵与数字显示，操作按钮与手柄数量显著减少，使得操作大大简化，同时方便、简单。机械自动化产品的工作过程根据预设的程序逐步由电子操纵系统
22、指挥，系统可重复实现全部动作。高级的机械自动化产品可通过被控对象的数学模型与外界参数的变化随机自寻最佳工作程序，实现自动化最优化操作。4.4 具有复合功能，适用面广机械自动化产品跳出机电产品单技术、单功能限制，具有复合技术与复合功能，使产品的功能水平与自动化程度大大提高。机械自动化产品通常具有自动化操纵、自动补偿、自动校验、自动调节、自动保护与智能化等多种功能，能应用于不一致的场合与不一致领域，满足用户需求，应变能力较强。4.5 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，是知识密集型与技术密集型产品，是将人们从繁重的体力劳动中解放出来的重要途径，能够加速工厂自动化、办公自动化、
23、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。4.6 节约能源，减少耗材节约一次与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使用低能耗驱动机构，最佳的调节操纵，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进展，减少了材料消耗。因此，不管是生产部门还是使用单位，机械自动化技术与产品的应用，都会带来显著的社会与经济效益。正由于如此，世界各国，首先是日本、美国、欧洲各国都在大力进
24、展与推动机械自动化技术。第五章机械设计制造及其自动化的进展方向我国从20世纪80年代初才开始这方面的工作研究与应用，研究机构及一些大中型企业对这一技术的进展及应用做了大量的工作，并取得了一定的成果。但与日本等先进国家相比，仍有相当差距。任何一门科学都是由基础理论、技术与工程系统构成的完善体系。机械自动化在技术与工程系统方面已有很大的进展，但基础理论方面尚在进展中，还很不完备，因此今后的进展方向是：5.1 机电一体化机电一体化就是机械自动化的进展与延伸，传统的机械产品只有向机电一体化方向进展，才是机械工业进展的唯一出路。5.2 智能化智能化是21世纪机械自动化技术进展的一个重要进展方向。这里所说
25、的“智能化”是对机器行为的描述，是在操纵理论的基础上，汲取人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心里学、生理学与混饨动力学等新思想、新方法、模拟人类智能，使它具有推断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得更高的操纵目标。诚然，使机械自动化产品具有低级智能或者人的部分智能，则是完全可能而又必要的。5.3 模块化模块化是一项重要而又艰巨的工程。由于机械自动化产品种类与生产厂家繁多。研制与开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机械自动化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。如研制集减速、智能减速、电动机于一体的动力单元，具有视觉、图像处理、识别与测距等功能的操纵单元与各类能完成典
26、型操作的机械装置。这样，可利用标准单元迅速开发出新的产品，同时也可扩大生产规模。显然，从电气产品的标准化、系例化带来的好处能够确信，不管是对生产标准机械自动化单元的企业还是对生产机械自动化产品的企业，模块化将给机械自动化企业带美好的前程。5.4网络化20世纪90年代，计算机技术的突出成就是网络技术。网络技术的兴起与飞速进展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育与人们日常生活带来了巨大的变革。各类网络将全球经济、生产连成一体，企业间的竞争也趋于全球化。机械自动化的新产品一旦研制出来，只要其功能独道，质量可靠，很快会畅销全球。由于网络化的普及，基于网络的各类远程操纵与监测技术方兴未艾、而远程操纵的
27、终端设备本身就是机械自动化产品。现场总线与局域网技术使家用电器网络化已成大势。利用家庭网络将各类家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统，使人们在家里充分享受各类高技术带来的便利与快乐。因此，机械自动化产品无疑朝着网络化方向进展。5.5 微型化微型化兴起于20世纪80年代末，指的是机械自动化向微观领域进展的趋势。国外将其称之微电子机械系统，或者微机械自动化系统，泛指几何尺寸不超过ICm3的机械自动化产品，并向微米、纳米级进展。微机械自动化产品体积小、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息、等方面具有不可比拟的优势。微机械自动化进展的瓶颈在于微机械技术，微机械自动化产品的加工使用精细加
28、工技术，即超精密技术，它包含光刻技术与蚀刻技术两类。5.6绿色化工业的发达给人们生活带来了巨大的变化。一方面，物质丰富，生活舒适：另一方面，资源减少，生态环境受到严重污染，因此，人们呼吁保护环境资源，回归自然。绿色产品概念在这种呼声下应运而生，绿色化是时代的趋势，绿色产品在其设计、制造、使用与销毁的生命过程中，符合特定的环境保护与人类健康的要求，对生态环境无害或者危害及少，资源利用率最高。设计绿色的机械自动化产品，具有远大的进展前途。机械自动化产品的绿色化要紧是指使用时不污染环境，报废后能回收利用。5.7 人格化未来的机械自动化更加注重产品与人的关系，机械自动化的人格化有两层含义一层是机械自动
29、化产品的最终使用对象是人，如何给予机械自动化的智能、情感、人性显得越来越重要，特别是对家用机器人，其高层境地就是人机一体化，另一层是模仿生物机理、研制各类机械自动化产品，实事上,许多机械自动化产品都是受动物的启发研制出来的。第六章结论由于现代机械自动化在设计与制造上具有多功能、高质量、高可靠性，低能耗的意义因此机械的设计、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、自动化操纵技术、接口技术、精密机械技术及系统总体技术等。因此说，机械自动化系统就是机电一体化系统。机电一体化的进展就是机械自动化的进展，因此广大设计人员应清醒的认
30、识到机械设计制造只有向机械自动化设计制造方向进展，才是机械工业进展的唯一出路。因此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制造者。为机电一体化技术进展开发广阔的天地。参考文献1刘武发，刘德平.机电一体化设计基础.北京化学工业出版社.2007.52杨世明腾献银赵镇宏段巍机械设计电子工业出版社出版2007.33张建民等.机电一体化系统设计。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,北京：机械工业出版社,1996.5齐卫红林春丽王永红过程操纵系统北京电子工业出版社出版2007.56刘巨良.过程操纵仪表.北京：化学工业出版社，1998.7温希东.自动操纵原理及其应用.西安：西安电子科技大学出版社,2004.8王树青.工业过程操纵工程，北京：化学工业出版社，2003.9陆德民.石油化工自动化操纵设计手册.北京：化学工业出版社，2000.10孙虎章.自动化操纵原理.北京：中央广播电视大学出版社，1994.11J蒋慰孙.过程操纵工程.北京：化学工业出版社.1999.
