機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化未來(lái)發(fā)展方向

尤連昌

摘 要：文章從系統(tǒng)的觀念出發(fā)，綜合運(yùn)用機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)，自動(dòng)化技術(shù)，及過(guò)控技術(shù)在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用。著重例舉了鍋爐汽包水位的控制和冷卻劑流量和氣氨排量的最佳控制方案。提出了過(guò)程自動(dòng)化控制今后的主要目標(biāo)，指明了機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)制造； 自動(dòng)化； 產(chǎn)品； 發(fā)展； 方向

一、機(jī)械自動(dòng)化的科學(xué)技術(shù)

機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化是機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)為主體，多門技術(shù)學(xué)科相互滲透、相互結(jié)合的產(chǎn)物，是正在發(fā)展和逐漸完善的一門新興的邊緣學(xué)科，機(jī)械自動(dòng)化使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機(jī)械電器化”邁入了以“機(jī)械自動(dòng)化”為特征的發(fā)展階段。

需要強(qiáng)調(diào)的是，機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)是基于上述群體技術(shù)有機(jī)融合的一種綜合性技術(shù)，而不是機(jī)械技術(shù)，以及其他新技術(shù)的簡(jiǎn)單組合、拼湊，這就是現(xiàn)代機(jī)械與機(jī)械電氣化在概念上的根本區(qū)別?，F(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)制造出的產(chǎn)品，不僅是人和手與肢體的延伸，還是人的感官與頭腦的延伸，具有智能化的特征是現(xiàn)代機(jī)械自動(dòng)化和傳統(tǒng)的機(jī)械在功能上的本質(zhì)區(qū)別。

二、機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)與效益

隨著機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品有逐步取代傳統(tǒng)機(jī)電產(chǎn)品的趨勢(shì)，與傳統(tǒng)機(jī)電產(chǎn)品相比，機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品具有高的功能水平和附加值，它將給開(kāi)發(fā)生產(chǎn)者和用戶帶來(lái)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

2.1生產(chǎn)能力和工作質(zhì)量提高

由于機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了工作自動(dòng)化，所以生產(chǎn)力大大提高。例如：數(shù)控機(jī)床對(duì)工件的加工穩(wěn)定性大大提高，生產(chǎn)效率比普通機(jī)床提高5～6倍。柔性制造系統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備利用率可提高1.5～3.5倍，機(jī)床數(shù)量可減少約50%，節(jié)省操作人員約50%，縮短生產(chǎn)周期40%，使加工成本降低50%左右。此外，由于機(jī)械自動(dòng)化工作方式具有可通過(guò)調(diào)整軟件來(lái)適應(yīng)需求的良好柔性，特別適合于多品種、小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)、是縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、加速更新?lián)Q代的重要途徑。

2.2使用安全性和可靠性提高

機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品一般都具有自動(dòng)監(jiān)視、報(bào)警、自動(dòng)診斷、自動(dòng)保護(hù)等功能。在工作過(guò)程中，遇到過(guò)載、過(guò)壓、過(guò)流、短路等電力故障時(shí)，能自動(dòng)采取保護(hù)措施，避免和減少人身與設(shè)備事故，顯著提高設(shè)備的使用安全性，機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品由于采用電子元器件，減少了機(jī)械產(chǎn)品中的可動(dòng)構(gòu)件和磨損部件，從而使其具有較高的靈敏度和可靠性。故障率降低，壽命得到了延長(zhǎng)。

2.3調(diào)整和維修方便，使用性能改善

機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品在安裝調(diào)試時(shí)，可通過(guò)改變控制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)工作方式的改變，以適應(yīng)不同用戶對(duì)象的需要以及現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)變化的需要。這些控制程序可通過(guò)多種手段輸入到機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品的控制系統(tǒng)中，而不需要改變產(chǎn)品中的任何部件和零件。機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品的自動(dòng)化檢驗(yàn)和自動(dòng)監(jiān)視功能可對(duì)工作過(guò)程中出現(xiàn)的故障自動(dòng)采取措施，使工作恢復(fù)正常。由于機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品普遍采用程序控制和數(shù)字顯示，操作按鈕和手柄數(shù)量顯著減少，使得操作大大簡(jiǎn)化，并且方便、簡(jiǎn)單。機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品的工作過(guò)程根據(jù)預(yù)設(shè)的程序逐步由電子控制系統(tǒng)指揮，系統(tǒng)可重復(fù)實(shí)現(xiàn)全部動(dòng)作。高級(jí)的機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品可通過(guò)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型以及外界參數(shù)的變化隨機(jī)自尋最佳工作程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化最優(yōu)化操作。

2.4具有復(fù)合功能，適用面廣

機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品跳出機(jī)電產(chǎn)品單技術(shù)、單功能限制，具有復(fù)合技術(shù)和復(fù)合功能，使產(chǎn)品的功能水平和自動(dòng)化程度大大提高。機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品一般具有自動(dòng)化控制、自動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)校驗(yàn)、自動(dòng)調(diào)節(jié)、自動(dòng)保護(hù)和智能化等多種功能，能應(yīng)用于不同的場(chǎng)合和不同領(lǐng)域，滿足用戶需求，應(yīng)變能力較強(qiáng)。

2.5改善勞動(dòng)條件，有利于自動(dòng)化生產(chǎn)

機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品自動(dòng)化程度高，是知識(shí)密集型和技術(shù)密集型產(chǎn)品，是將人們從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來(lái)的重要途徑，可以加速工廠自動(dòng)化、辦公自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、交通自動(dòng)化甚至是家庭自動(dòng)化，從而可促進(jìn)我國(guó)四個(gè)現(xiàn)代化的實(shí)現(xiàn)。

2.6節(jié)約能源，減少耗材

機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品通過(guò)采用低能耗驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，最佳的調(diào)節(jié)控制，以提高設(shè)備的能源利用率，可達(dá)到明顯的節(jié)能效果。同時(shí)，由于多種學(xué)科的交叉融合，機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)的許多功能一方面從機(jī)械系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到微電子、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，另一方面從硬件系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到軟件系統(tǒng)，從而使得機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品系統(tǒng)朝著輕小型方向發(fā)展，減少了材料消耗。所以，無(wú)論是生產(chǎn)部門還是使用單位，機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)和產(chǎn)品的應(yīng)用，都會(huì)帶來(lái)顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

三、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化的發(fā)展方向

任何一門科學(xué)都是由基礎(chǔ)理論、技術(shù)和工程系統(tǒng)組成的完善體系。機(jī)械自動(dòng)化在技術(shù)和工程系統(tǒng)方面已有很大的發(fā)展，但基礎(chǔ)理論方面尚在發(fā)展中，還很不完備，所以今后的發(fā)展方向是：

3.1機(jī)電一體化

機(jī)電一體化就是機(jī)械自動(dòng)化的發(fā)展和延伸，傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品只有向機(jī)電一體化方向發(fā)展，才是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的唯一出路。

3.2智能化

智能化是21世紀(jì)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要發(fā)展方向，使機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品具有低級(jí)智能或人的部分智能，則是完全可能而又必要的。

3.3模塊化

模塊化是一項(xiàng)重要而又艱巨的工程。如研制集減速、智能減速、電動(dòng)機(jī)于一體的動(dòng)力單元，具有視覺(jué)、圖像處理、識(shí)別和測(cè)距等功能的控制單元以及各種能完成典型操作的機(jī)械裝置。這樣，可利用標(biāo)準(zhǔn)單元迅速開(kāi)發(fā)出新的產(chǎn)品，同時(shí)也可擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。顯然，從電氣產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系例化帶來(lái)的好處可以肯定，無(wú)論是對(duì)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械自動(dòng)化單元的企業(yè)還是對(duì)生產(chǎn)機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品的企業(yè)，模塊化將給機(jī)械自動(dòng)化企業(yè)帶美好的前程。

3.4微型化

微型化興起于20世紀(jì)80年代末，指的是機(jī)械自動(dòng)化向微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢(shì)。國(guó)外將其稱為微電子機(jī)械系統(tǒng)，或微機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)，泛指幾何尺寸不超過(guò)1cm3的機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品，并向微米、納米級(jí)發(fā)展。微機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品體積小、耗能少、運(yùn)動(dòng)靈活，在生物醫(yī)療、軍事、信息、等方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。微機(jī)械自動(dòng)化發(fā)展的瓶頸在于微機(jī)械技術(shù)，微機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品的加工采用精細(xì)加工技術(shù)，即超精密技術(shù)，它包括光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)兩類。

3.5綠色化

工業(yè)的發(fā)達(dá)給人們生活帶來(lái)了巨大的變化。一方面，物質(zhì)豐富，生活舒適：另一方面，資源減少，生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重污染，于是，人們呼吁保護(hù)環(huán)境資源，回歸自然。綠色產(chǎn)品概念在這種呼聲下應(yīng)運(yùn)而生，綠色化是時(shí)代的趨勢(shì)，綠色產(chǎn)品在其設(shè)計(jì)、制造、使用和銷毀的生命過(guò)程中，符合特定的環(huán)境保護(hù)和人類健康的要求，對(duì)生態(tài)環(huán)境無(wú)害或危害及少，資源利用率最高。設(shè)計(jì)綠色的機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品，具有遠(yuǎn)大的發(fā)展前途。機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品的綠色化主要是指使用時(shí)不污染環(huán)境，報(bào)廢后能回收利用。

六、結(jié)論

機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)所面臨的共性關(guān)健技術(shù)是傳感檢測(cè)技術(shù)、信息處理技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、接口技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)及系統(tǒng)總體技術(shù)等。所以說(shuō)，機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)就是機(jī)電一體化系統(tǒng)。機(jī)電一體化的發(fā)展就是機(jī)械自動(dòng)化的發(fā)展，所以廣大設(shè)計(jì)人員應(yīng)清醒的認(rèn)識(shí)到機(jī)械設(shè)計(jì)制造只有向機(jī)械自動(dòng)化設(shè)計(jì)制造方向發(fā)展，才是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的唯一出路。所以設(shè)計(jì)人員不能只熱衷于技術(shù)引進(jìn)，不能僅僅安心于作為新技術(shù)的傳播者，而應(yīng)該作為新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的創(chuàng)造者。為機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展開(kāi)辟?gòu)V闊的天地。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉武發(fā)，劉德平.《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》.北京化學(xué)工業(yè)出版社. 2007.5

[2] 楊世明 騰獻(xiàn)銀 趙鎮(zhèn)宏 段巍《機(jī)械設(shè)計(jì)》 電子工業(yè)出版社出版2007.3

[3] 張建民等. 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。北京：高等教育出版社，2001.

[4] 趙松年，張奇鵬. 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.