機(jī)械設(shè)計制造及其自動化的發(fā)展方向

摘? 要：現(xiàn)代科技不斷發(fā)展的過程中，較多高新技術(shù)也得到了了相應(yīng)發(fā)展，機(jī)械設(shè)計制造及其自動化便是精密機(jī)械工程與系統(tǒng)思想發(fā)展中的結(jié)合產(chǎn)物機(jī)械設(shè)計制造及其自動化是推動現(xiàn)代機(jī)械生產(chǎn)的主要動力，也是現(xiàn)代機(jī)械生產(chǎn)發(fā)展的領(lǐng)航者?；诖?，本文對機(jī)械設(shè)計制造及其自動化發(fā)展方向進(jìn)行闡述，以期為機(jī)械生產(chǎn)發(fā)展提供方向。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計制造;機(jī)械設(shè)計制造自動化;發(fā)展方向

中圖分類號：TH122? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1671-2064（2019）24-0000-00

機(jī)械自動化發(fā)展至今日，已經(jīng)有了較為完整的體系，隨著現(xiàn)代技術(shù)及生產(chǎn)的突破發(fā)展，機(jī)械自動化也在不斷增加新的內(nèi)涵。不過機(jī)械自動化的根本特征還是可以概括為綜合應(yīng)用機(jī)械技術(shù)、自動控制技術(shù)、信息技術(shù)、傳感檢測、軟件編程、信息變換等多類技術(shù)，以系統(tǒng)功能化目標(biāo)，在多功能、高質(zhì)量、低功耗、高可行的基礎(chǔ)上實現(xiàn)某一價值目標(biāo)，同時使得整體系統(tǒng)達(dá)成最優(yōu)化的系統(tǒng)性技術(shù)?，F(xiàn)階段而言，對于機(jī)械自動化的研究方向較多，同時對于其不同方向縱深發(fā)展的需求也較多，就目前而言主要被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。本文系統(tǒng)的對機(jī)械自動化設(shè)計原則進(jìn)行闡述，并對其在工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行分析，最后對其未來發(fā)展發(fā)現(xiàn)展開論述，以期為現(xiàn)代機(jī)械自動化發(fā)展提供借鑒。

1機(jī)械設(shè)計制造和其自動化的設(shè)計原則

1.1機(jī)械功能需求

產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)是據(jù)社會某種需求展開的，因此都需要保證某一主要功能，不同產(chǎn)品，在功能差異上相對較大。具體來說，就是針對信息、能量、物質(zhì)的輸入進(jìn)行處理，為輸出要求的信息特征、物質(zhì)特征、信息特征提供保障。這即是說，機(jī)械自動化系統(tǒng)必須要有主要功能，能夠?qū)斎胄畔⒓澳芰亢臀镔|(zhì)進(jìn)行處理，輸出的信息及能量和物質(zhì)可以具有需求特性。機(jī)械設(shè)計制造自動化系統(tǒng)。機(jī)械自動化系統(tǒng)具有產(chǎn)品和設(shè)計兩個方面的內(nèi)容，作為產(chǎn)品時其又包括了設(shè)計和制造，同時又有需求的功能。功能一般是內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定的，如圖1所示。

1.2 機(jī)械自動化創(chuàng)新能力強(qiáng)

機(jī)械自動化系統(tǒng)可以根據(jù)功能進(jìn)行系統(tǒng)或者產(chǎn)品的分類，主功能為加工及物料搬運，輸入物質(zhì)及能量和信息，再通過處理加工，形態(tài)和位置發(fā)生改變的產(chǎn)品系統(tǒng)或者物質(zhì)系統(tǒng)一般被稱為加工系統(tǒng)。比如各種輕工機(jī)械以及其中機(jī)械和印刷機(jī)械等。功能是能量轉(zhuǎn)化的機(jī)械自動化系統(tǒng)，一般被稱作為動力系統(tǒng)，對系統(tǒng)輸入信息和能量輸出特定能量，比如電動機(jī)以及內(nèi)燃機(jī)等。功能是信息處理的機(jī)械自動化系統(tǒng)，對系統(tǒng)進(jìn)行信息及能量的輸入后，輸出特定信息，比如電子儀表、電子儀器、計算機(jī)及傳真機(jī)等。自動化系統(tǒng)不僅可以包含有上述主要功能，還會有其他輔助功能，例如構(gòu)造、檢測功能、動力等功能?；诖艘陨瞎δ軜?gòu)成，機(jī)械自動化系統(tǒng)能夠利于進(jìn)行各類機(jī)械自動化產(chǎn)品的設(shè)計及分析，同時也便于思路的拓展，為創(chuàng)新及創(chuàng)造發(fā)明提供便利。比如根據(jù)3種主功能不同以及輸入的不同，可以組合成9種類型的產(chǎn)品或系統(tǒng)（如表1）。

功能存在差異的加工系統(tǒng)在運行方式及模式上也存在一定差別。例如金屬切削機(jī)床依據(jù)公建和刀具特定的相對運行從而產(chǎn)生切削作用，進(jìn)而展開工作。因此刀具及工件運行存在差異的情況下，機(jī)床的用途也會存在一定差異。這也說明機(jī)械自動化發(fā)展極為靈活，未來還有較大的發(fā)展空間。不過機(jī)械自動化產(chǎn)品在設(shè)計中，追求的是高產(chǎn)出及低耗能，現(xiàn)代應(yīng)用機(jī)械自動化產(chǎn)品多數(shù)也是在此原則下經(jīng)過無數(shù)次優(yōu)化才得到應(yīng)用。

2機(jī)械自動化于工業(yè)中的應(yīng)用

在工業(yè)生產(chǎn)中，各個工藝中的物理量以及工藝變量控制需要是一貫保有的，一些工藝變量也會在生產(chǎn)時表現(xiàn)出來，對于產(chǎn)品質(zhì)量及數(shù)量有著極為關(guān)鍵的作用。比如精餾塔塔釜溫度或塔頂溫度會要求壓力穩(wěn)定下保持不變，以此才能得到相應(yīng)質(zhì)量要求的產(chǎn)品。

2.1 鍋爐汽包水位雙沖量控制

鍋爐汽包是作為生產(chǎn)設(shè)備在工業(yè)中應(yīng)用，其生產(chǎn)主要為蒸汽，是極為重要的動力設(shè)備。鍋爐汽包中的液位要控制在標(biāo)準(zhǔn)水位，否則會導(dǎo)致鍋爐少干或者蒸汽質(zhì)量受到影響，進(jìn)一步會引發(fā)較多危險狀況，因此將鍋爐汽包液位高度控制在一定范圍是極為必要的。汽包水位控制最為關(guān)鍵的還在于減少蒸汽負(fù)荷變化，這一條件會對汽包水位產(chǎn)生直接影響。若是對蒸汽流量校正，能夠使虛假水位得到補(bǔ)償，避免其發(fā)生誤動作，水位控制閥動作也能保證迅速，以此減少水位波動，加強(qiáng)控制效果。在這一控制中，將蒸汽流量感應(yīng)引入到控制中，雙沖量系統(tǒng)便是基于這一控制方式進(jìn)行的。該系統(tǒng)是蒸汽流量控制以及單回路反饋控制兩者集合應(yīng)用的系統(tǒng)。前饋也即是蒸汽流量，是靜態(tài)的反饋，如果要進(jìn)行兩條通路存在的動態(tài)差異兼顧，就需要加入動態(tài)補(bǔ)償?shù)母拍?。加法器輸出的I是：

式中Ic是指液位控制器輸出;IF則是指蒸汽流量的變送器輸出;I0則是指初始偏置值;cI則是加法器的系數(shù)，一般取值為1;C2也是加法器系數(shù)，但是要兼顧靜態(tài)前饋補(bǔ)償，可以再現(xiàn)場進(jìn)行取值試驗，也可在理論支持下推導(dǎo)得到I0設(shè)置目的是于正常負(fù)荷之下，加法器與控制器輸出數(shù)值都能夠保證適中。最理想的狀態(tài)是于正常負(fù)荷下，I0與C2IF項相接近，能夠相互抵消?；ハ嗟窒抢硐霠顟B(tài)，現(xiàn)實中并無法實現(xiàn)，只能保證微補(bǔ)償?shù)那闆r下，能夠?qū)崿F(xiàn)互相抵消。

2.2冷卻劑控制方案

冷卻器熱載體為冷卻劑，通常冷卻劑選擇的介質(zhì)為液態(tài)氨等，運用其在冷卻器中蒸發(fā)，進(jìn)而吸收物料加工及制造中的熱量，使得物料加工及制造出口溫度得到控制，從而達(dá)成生產(chǎn)需要。在現(xiàn)階段中，工業(yè)使用的冷卻控制在方案上具有以下幾種。

2.2.1流量控制冷卻劑方案

該控制方案是將傳熱速率方程傳熱面積F進(jìn)行改變實現(xiàn)。這一方案的控制能力較為穩(wěn)定，冷卻劑量充分利用的情況下，壓縮機(jī)入口受到的壓力影響較大。不過，這一方案的控制中靈活性不足，蒸發(fā)空間難以保障，容易發(fā)生氣氨帶液的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致壓縮機(jī)損壞。對于此類狀況，可以選擇液位與物料出口溫度串級控制。使用這一方案能夠?qū)σ何簧舷捱M(jìn)行限制，從而使得蒸發(fā)空間能夠保證充分。

2.2.2氨冷卻器氣氨排量控制方案

氣氨排量控制的原理是對傳熱速率方程平均溫度進(jìn)行改變，實現(xiàn)對物料的出口溫度控制（如圖2）。

該方案的控制靈活性較強(qiáng)，不會制冷系統(tǒng)必須允許壓縮機(jī)入口壓力波動，同時在冷卻劑量的運用不夠完全。為了保障冷卻系統(tǒng)的安全要對液位控制進(jìn)行設(shè)置，避免液氨深入到氨管路，造成壓縮機(jī)損害情況出現(xiàn)。

由上述內(nèi)容可以明確，自動化工藝及設(shè)備組成了無人工直接進(jìn)行控制的自動化系統(tǒng)，只需利用監(jiān)測系統(tǒng)對其運行狀況進(jìn)行觀察即可，能夠保證生產(chǎn)中的安全性又降低了生產(chǎn)中的人力需求。隨著我國改革開放，工業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模在不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的污染問題愈加嚴(yán)重，所以在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境治理及保護(hù)也成為工業(yè)生產(chǎn)中的重要需求。綜合而言，應(yīng)用機(jī)械自動化于工業(yè)生產(chǎn)中能夠保證生產(chǎn)的安全性與穩(wěn)定型，達(dá)成預(yù)期的生產(chǎn)效，盡量使得成本的消耗減到最低，實現(xiàn)生產(chǎn)高效、生產(chǎn)安全。此外，在進(jìn)行機(jī)械自動化產(chǎn)品的應(yīng)用也能保證靈活性，只需對按照生產(chǎn)條件稍加改造就能在不同生產(chǎn)系統(tǒng)中應(yīng)用，同時能夠達(dá)成節(jié)約型社會建設(shè)的要求。

3機(jī)械設(shè)計制造及其自動化未來發(fā)展方向

我國自上世紀(jì)八十年代才展開機(jī)械設(shè)計制造及其自動化方向的應(yīng)用及研究，在應(yīng)用及研究中雖然也斬獲了一定成果，但與日本、歐美等先進(jìn)國家還具有較大的差距。未來趕超這些技術(shù)先進(jìn)的國家，還需要從以下方向展開。

3.1 機(jī)電一體化

在上文便提到，機(jī)械自動化是達(dá)成機(jī)電一體化目標(biāo)的基礎(chǔ)，從另一方面來看，達(dá)到較高程度的機(jī)械自動化水平，就要實現(xiàn)機(jī)電一體化，為機(jī)械自動化的發(fā)展提供有力臂助，促進(jìn)機(jī)械自動化系統(tǒng)的水平發(fā)展。

3.2 智能發(fā)展

本世紀(jì)機(jī)械自動化中的重要方向便是智能化發(fā)展。這里智能是針對機(jī)器行為的一種描述，基于控制理論，集合混沌動力學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)。模糊數(shù)學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、運籌學(xué)、人工智能等新的研究方法及研究理論，使機(jī)械具有模擬人類智能的能力，使機(jī)械更具有自主決策、邏輯思考、判斷推理等能力，從而達(dá)成更高的自動化控制水平。機(jī)械具有低智能水平或者部分人類智能，是完全可能且極為必要的。智能發(fā)展是現(xiàn)代電子技術(shù)的統(tǒng)一方向，機(jī)械自動化作為電子技術(shù)的一個方向，同時是工業(yè)中的重要應(yīng)用技術(shù)，未來智能化發(fā)展也是大勢所趨。

3.3 模塊發(fā)展

機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家及產(chǎn)品種類較為多樣化，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)械接口等開發(fā)及研制自動化的產(chǎn)品單元，是極為復(fù)雜，但又是工業(yè)生產(chǎn)需求的工作。比如進(jìn)行電動機(jī)與智能減速、減速以一體化動力單元研制;集測距、是被、圖像處理及視覺功能一體的控制單元;各類典型操作的機(jī)械裝置等。如果此類單元順利得到開發(fā)，能夠利用其對產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)，能夠極大提升其開發(fā)速度。新產(chǎn)品的開發(fā)速度提升，那么在生產(chǎn)規(guī)模上也能得到極大提升，進(jìn)而實現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益及社會效益。電氣自動化產(chǎn)品系列化及標(biāo)準(zhǔn)化對于行業(yè)發(fā)展有極大的裨益，模塊化會為機(jī)械自動化生產(chǎn)帶來新的發(fā)展。

4結(jié)語

機(jī)械設(shè)計制造與其自動化專業(yè)的核心是機(jī)械與電子，同時又與多門專業(yè)交互，是現(xiàn)代發(fā)展中逐步得到更新的邊緣學(xué)科，但是其發(fā)展前景目前也較為廣闊，并不局限與現(xiàn)有的水平。機(jī)械自動化是工業(yè)的產(chǎn)品、技術(shù)、生產(chǎn)、功能及構(gòu)成、管理等優(yōu)化的主要動力，工業(yè)生產(chǎn)從機(jī)械電器化的階段，進(jìn)入了機(jī)械自動化發(fā)展的新進(jìn)程。本文對機(jī)電自動化在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行分析，并對其未來發(fā)展前景進(jìn)行了闡述。

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收稿日期：2019-11-11

作者簡介：郭芳濤（1972—），男，山東青州人，本科，中級工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計及其自動化。