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

張寶坤王淑霞 王艷

(寧夏寶塔石化設(shè)計(jì)院)

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

張寶坤*王淑霞 王艷

(寧夏寶塔石化設(shè)計(jì)院)

將傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)制造和機(jī)械自動(dòng)化進(jìn)行了比較，指出具有智能化的特征是現(xiàn)代機(jī)械和傳統(tǒng)的機(jī)械在功能上的本質(zhì)區(qū)別。機(jī)械自動(dòng)化在各行各業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展，顯現(xiàn)出了機(jī)械自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)和效益。即多功能化、高效率、高可靠性、省材料、省能源，不斷滿足人們生活和生產(chǎn)多元化需求。從系統(tǒng)的觀念出發(fā)，將機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和過控技術(shù)綜合應(yīng)用于化工生產(chǎn)之中。著重例舉了鍋爐汽包水位、冷卻劑流量和氣氨排量的最佳控制方案。提出了過程自動(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。

機(jī)械設(shè)計(jì)制造自動(dòng)化產(chǎn)品發(fā)展方向

0 前言

早在1971年日本的《機(jī)械設(shè)計(jì)》雜志副刊上就刊登了機(jī)電一體化這一名詞。之后，機(jī)電一體化得到了不斷發(fā)展。美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)于1984年為現(xiàn)代機(jī)械下了如下定義：現(xiàn)代機(jī)械是“由計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)與控制的，用于完成包括機(jī)械力、運(yùn)動(dòng)和能量流等動(dòng)力學(xué)任務(wù)的機(jī)械和（或）機(jī)電部件相互聯(lián)系的系統(tǒng)”。它與前面提及的機(jī)電一體化是一致的，因此可以說現(xiàn)代機(jī)械就是指機(jī)電一體化系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代國際機(jī)器與機(jī)構(gòu)理論聯(lián)合會(huì)給出了這樣的定義，機(jī)電一體化是精密機(jī)械工程、電子控制和系統(tǒng)思想在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程中的協(xié)同結(jié)合。因此又可以說機(jī)電一體化就是在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化基礎(chǔ)上的發(fā)展。

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。

機(jī)械自動(dòng)化的發(fā)展至今已經(jīng)成為一門有著自身體系的新型學(xué)科，隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它還將不斷被賦予新的內(nèi)容。但其最基本的特征可概括為：機(jī)械自動(dòng)化的設(shè)計(jì)制造是從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，綜合運(yùn)用機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)、信息變換技術(shù)以及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)目標(biāo)，在多功能、高質(zhì)量、高可靠性和低能耗的意義上實(shí)現(xiàn)特定功能價(jià)值并使整個(gè)系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術(shù)。

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。現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)制造出的產(chǎn)品，不僅是人的手與肢體的延伸，還是人的感官與頭腦的延伸，智能化的特征是現(xiàn)代機(jī)械自動(dòng)化和傳統(tǒng)機(jī)械在功能上的本質(zhì)區(qū)別。

1 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化的符合設(shè)計(jì)原則

1.1 滿足對機(jī)器的功能要求

任何一種產(chǎn)品都是為滿足人們的某種需要而開發(fā)的，都必須具有某種主要功能，不同的產(chǎn)品具有不同的主要功能。概而言之，都能對輸入的物質(zhì)、能量和信息（即所謂工業(yè)三大要素）進(jìn)行某種處理，輸出具有所需特性的物質(zhì)、能量與信息。因此，機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)也必須具有這樣的主功能，即對輸入的物質(zhì)、能量和信息進(jìn)行某種處理，從而輸出具有所需特性的物質(zhì)、能量與信息。機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)功能如圖1所示。

圖1 機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)功能

機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)是一個(gè)綜合的概念，包含了機(jī)電一體化技術(shù)和機(jī)電一體化產(chǎn)品兩個(gè)方面的內(nèi)容。作為產(chǎn)品，又包含著設(shè)計(jì)、制造和特定的功能以滿足使用要求，而功能是由其內(nèi)部有機(jī)聯(lián)系的結(jié)構(gòu)所決定的。

1.2 利用先進(jìn)技術(shù)不斷創(chuàng)新

根據(jù)產(chǎn)品或系統(tǒng)的主功能不同，可對產(chǎn)品或系統(tǒng)進(jìn)行分類。

以物料搬運(yùn)、加工為主，輸入物質(zhì)、能量和信息，經(jīng)過加工處理，主要輸出改變了位置和形態(tài)的物質(zhì)系統(tǒng)（或產(chǎn)品）稱為加工機(jī)。如各種機(jī)床、交通運(yùn)輸機(jī)械、食品加工機(jī)械、起重機(jī)械、紡織機(jī)械、印刷機(jī)械、輕工機(jī)械等。

以能量轉(zhuǎn)換為主，輸入能量和信息，輸出不同能量的系統(tǒng)（或產(chǎn)品）稱為動(dòng)力機(jī)，其中輸出機(jī)械能的為原動(dòng)機(jī)。如電動(dòng)機(jī)、水輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等。

以信息處理為主，輸入信息和能量，主要輸出某種信息。如數(shù)據(jù)、圖像、文字、聲音等的產(chǎn)品稱為信息機(jī)。如各種儀器、儀表、計(jì)算機(jī)、傳真機(jī)以及各種辦公機(jī)械等。

機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)除了具備上述必須的主功能外，還應(yīng)具備其它內(nèi)部功能，即動(dòng)力功能、檢測功能、控制功能、構(gòu)造功能。

基于上述的功能構(gòu)成原理，既有利于設(shè)計(jì)或分析各種機(jī)械自動(dòng)化的產(chǎn)品，又有利于開拓思路，便于創(chuàng)造發(fā)明和創(chuàng)新。例如，根據(jù)3種不同的主功能及其不同的輸入，組合起來可形成9大類型的系統(tǒng)產(chǎn)品，如表1所示。

此外，對于不同主功能的加工機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)方式不同，也構(gòu)成不同用途的機(jī)械。例如，金屬切削機(jī)床是根據(jù)工件與刀具相對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生切削作用的原理進(jìn)行工作的。因此，工件與刀具的運(yùn)動(dòng)方式不同，便產(chǎn)生不同用途的機(jī)床。所以說機(jī)械自動(dòng)化的發(fā)展空間非常廣闊，具有極大的想向空間，需要我們利用先進(jìn)技術(shù)符合科學(xué)原理來不斷創(chuàng)新，設(shè)計(jì)制造出一流的自動(dòng)化產(chǎn)品。

表1 不同主功能及輸入的組合

2 機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用

生產(chǎn)過程中，對各個(gè)工藝過程的物理量（或工藝變量）有著一定的控制要求。有些工藝變量直接表現(xiàn)生產(chǎn)過程，對產(chǎn)品的數(shù)量與質(zhì)量起著決定性的作用。例如，精餾塔的塔頂或塔釜溫度，一般在操作壓力不變的情況下必須保持一定，才能得到合格的產(chǎn)品；加熱爐出口溫度的波動(dòng)不能超過允許范圍，否則將影響后一工段的效果；化學(xué)反應(yīng)器的反應(yīng)溫度必須保持平穩(wěn)，才能使效率達(dá)到指標(biāo)。有些工藝變量雖不直接地影響產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，然而保持其平穩(wěn)卻是使生產(chǎn)獲得良好控制的前提。

2.1 鍋爐汽包水位控制方面的研究

鍋爐汽包是生產(chǎn)蒸汽的設(shè)備，幾乎是工業(yè)生產(chǎn)不可缺少的設(shè)備。保持鍋爐汽包的液位高度在規(guī)定范圍內(nèi)是非常重要的，若水位過低，則會(huì)影響產(chǎn)氣量，且鍋爐易燒干而發(fā)生事故；若水位過高，生產(chǎn)蒸汽含水量高，會(huì)影響蒸汽質(zhì)量。這些都是危險(xiǎn)的，因此對汽包的液位嚴(yán)加控制是保證鍋爐正常生產(chǎn)必不可少的措施。

2.1.1 單沖量控制系統(tǒng)

汽包水位控制手段是控制給水，基于這一原理，可構(gòu)成如圖2所示的單沖量控制系統(tǒng)。

圖2 汽包單沖量控制系統(tǒng)

這里的“沖量”一詞是指變量，單沖量即汽包水位。這種控制系統(tǒng)是一種典型的簡單控制系統(tǒng)。當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然大幅度增加時(shí)，由于假水位現(xiàn)象，控制器不但不能開大給水閥來增加給水量，以維持鍋爐的物料平衡，而是關(guān)小控制閥的開度，減小給水量。等到假水位消失后，由于蒸汽量增加，送水量反而減小，將使水位嚴(yán)重下降，波動(dòng)很歷害，嚴(yán)重時(shí)汽包水位降到危險(xiǎn)程度以至發(fā)生事故。因此對于停留時(shí)間短、負(fù)荷變動(dòng)較大的情況，這樣的系統(tǒng)不能適應(yīng)，水位不能保證。然而對于小型鍋爐，由于水在汽包中的停留時(shí)間較長，在蒸汽負(fù)荷變化時(shí)，假水位的現(xiàn)象并不顯著，配上一些聯(lián)鎖報(bào)警裝置，也可以保證安全操作，故采用這種單沖量控制系統(tǒng)尚能滿足生產(chǎn)要求。

2.1.2 雙沖量控制系統(tǒng)

在汽包水位的控制中，最主要的擾動(dòng)是蒸汽負(fù)荷的變化。如果根據(jù)蒸汽流量來進(jìn)行校正，不僅可以補(bǔ)償“虛假水位”所引起的誤動(dòng)作，而且使給水位控制閥的動(dòng)作十分及時(shí)，從而減少水位波動(dòng)，改善控制品質(zhì)。將蒸汽流量信號引入，就構(gòu)成了雙沖量控制系統(tǒng)，如圖3所示。從本質(zhì)上看，雙沖量控制系統(tǒng)是一個(gè)前饋（蒸汽流量）控制加單回路反饋控制的復(fù)合控制系統(tǒng)。這里的前饋僅為靜態(tài)前饋，若需要考慮兩條通道在動(dòng)態(tài)上的差異，需引入動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)。

圖3 汽包雙沖量原理及其方框圖

圖3所示的連接方式中，加法器的輸出I是：

式中IC——液位控制器的輸出；

IF——蒸汽流量變送器（一般經(jīng)開方器）的輸出；

I0——初始偏置值；

C1——加法器系數(shù)，C1的設(shè)置一般取1；

C2——加法器系數(shù)，C2的值應(yīng)考慮到靜態(tài)前饋補(bǔ)償，可現(xiàn)場湊試，也可經(jīng)理論推導(dǎo)得出。

設(shè)置I0的目的是使其在正常負(fù)荷下，控制器和加法器的輸出都有一個(gè)比較適中的數(shù)值。最好在正常負(fù)荷下，I0和C2IF項(xiàng)接近而相互抵消。

2.1.3 三沖量控制系統(tǒng)

雙沖量控制系統(tǒng)有兩個(gè)弱點(diǎn)：控制閥的工作特性不一定能成為線性特性，這樣要做到靜態(tài)補(bǔ)償就比較困難；同時(shí)，對于給水系統(tǒng)的擾動(dòng)仍不能克服。為此可再將給水流量信號引入，構(gòu)成三沖量控制系統(tǒng)。

三沖量控制系統(tǒng)的實(shí)施方案較多，圖4所示為其中的典型控制方案之一。

圖4 汽包三沖量控制系統(tǒng)

從圖4可以看出，這是前饋控制與串級控制組成的復(fù)合控制系統(tǒng)。其中，汽包水位是主沖量（主變量），蒸汽、給水流量為輔助沖量。在汽包停留時(shí)間較短、“虛假水位”嚴(yán)重時(shí)，需引入蒸汽流量信號的微分作用。這種微分信號應(yīng)是負(fù)微分作用，以避免由于負(fù)荷突然增加和減少時(shí)，水位偏離設(shè)定值過高或過低而造成鍋爐停車。

圖5所示為三沖量控制系統(tǒng)的方框圖，加法器的運(yùn)算關(guān)系與雙沖量控制時(shí)相同，各系數(shù)設(shè)置如下。

（1）系數(shù)C1通常可取1或稍小于1的數(shù)值；

（2）若采用氣開閥，C2取正值，C2的值可按物料平衡關(guān)系進(jìn)行計(jì)算；

（3）I0的設(shè)置和取值仍與雙沖量控制系統(tǒng)相同。

圖5 汽包三沖量系統(tǒng)方框圖

在三沖量的控制系統(tǒng)中，水位控制器和流量控制器的參數(shù)整定方法與一般串級控制系統(tǒng)相同。在有些裝置中，采用了比較簡單的三沖量控制系統(tǒng)，只用一臺控制器及一臺加法器。加法器可接在控制器之前，如圖6(a)所示；也可接在控制器之后，如圖6(b)所示。

圖6 汽包三沖量控制系統(tǒng)的簡化接法

圖6中加法器的正負(fù)號是針對采用氣關(guān)閥及正作用控制器的情況。圖6（a）接法的優(yōu)點(diǎn)是使用儀表最少，只要一臺多通道的控制器即可實(shí)現(xiàn)。但如果系數(shù)設(shè)置不能確保物料平衡，則當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，水位將有余差。圖6(b)的接法，水位無余差，但使用儀表較前者多，在投運(yùn)及系數(shù)設(shè)置等方面較前者麻煩一些。

2.2 冷卻器控制方案的研究

冷卻器的熱載體是冷卻劑，常采用液態(tài)氨等介質(zhì)作為冷卻劑，利用它們在冷卻器內(nèi)蒸發(fā)進(jìn)而吸收工藝物料的大量熱量，使工藝物料的出口溫度下降來達(dá)到生產(chǎn)工藝要求。工業(yè)用冷卻器的一般控制方案有以下幾種。

2.2.1 控制冷卻劑的流量

圖7所示為氨冷卻器控制冷卻劑流量的控制方案，其機(jī)理也是通過改變傳熱速率方程中的傳熱面積F來實(shí)現(xiàn)的。該方案控制平穩(wěn)，冷量（冷卻劑量）利用充分，且對壓縮機(jī)入口壓力無影響。但這種方案控制不夠靈活，另外蒸發(fā)空間不能得到保證，易引起氣氨帶液而損壞壓縮機(jī)。為此，可采用圖8所示的物料出口溫度與液位的串級控制方案。使用這種方案，可以限制液位的上限，保證有足夠的蒸發(fā)空間。也可以采用圖9所示的選擇性控制方案。

圖7 氨冷卻器控制冷卻劑流量的控制方案

圖8 溫度與液位串級控制方案

圖9 溫度與液位選擇性控制方案

2.2.2 控制氣氨排量

圖10所示為氨冷卻器控制氣氨排量的控制方案，其機(jī)理是通過改變傳熱速率方程中的平均溫度來控制工藝物料的出口溫度。這種方案控制靈敏迅速，但制冷系統(tǒng)必須許可壓縮機(jī)入口壓力的波動(dòng)。另外，冷量的利用不充分。為確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行，還需要設(shè)置一個(gè)液位控制系統(tǒng)，防止液氨進(jìn)入氨管路而導(dǎo)致壓縮機(jī)損壞。

圖10 控制氣氨排量的控制方案

根據(jù)以上分析可知：自動(dòng)控制裝置和被控的工藝設(shè)備組成了一個(gè)沒有人直接參與的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，操作工坐在操作室里就能觀察到整個(gè)裝置的變化。這樣，既能保證生產(chǎn)過程的安全，又降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

近二十年來，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的迅速發(fā)展，加劇了對人類生存環(huán)境的污染，因此減小工業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的污染也納入了過程控制的目標(biāo)范圍。

綜上所述，過程自動(dòng)化控制的主要目標(biāo)包括以下幾個(gè)方面：

（1）保證生產(chǎn)過程的安全和平穩(wěn)；

（2）達(dá)到預(yù)期的產(chǎn)量和質(zhì)量；

（3）盡可能地減少原材料和能源消耗；

（4）把生產(chǎn)對環(huán)境的危害降到最小限度。

3 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。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，它將給開發(fā)生產(chǎn)者和用戶帶來社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 生產(chǎn)能力和工作質(zhì)量提高

機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品大都具有信息自動(dòng)處理和自動(dòng)控制功能，其控制和檢測的靈敏度、精度以及范圍都有很大程度的提高，通過自動(dòng)化控制系統(tǒng)可精確地保證機(jī)械的執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照設(shè)計(jì)的要求完成預(yù)定的動(dòng)作，使之不受機(jī)械操作者主觀因素的影響，從而實(shí)現(xiàn)最佳操作，保證最佳的工作質(zhì)量和較高的產(chǎn)品合格率。同時(shí)，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調(diào)整軟件來適應(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)品開發(fā)周期、加速更新?lián)Q代的重要途徑。

3.2 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。在工作過程中，遇到過載、過壓、過流、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。

3.3 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)，可通過改變控制程序來實(shí)現(xiàn)工作方式的改變，以適應(yīng)不同用戶對象的需要以及現(xiàn)場參數(shù)變化的需要。這些控制程序可通過多種手段輸入到機(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。對于具有存儲功能的機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品，可以事先存入若干套不同的執(zhí)行程序，然后根據(jù)不同的工作對象，給定一個(gè)代碼信號輸入，即可按指定的預(yù)定程序進(jìn)行自動(dòng)工作。

機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品的自動(dòng)化檢驗(yàn)和自動(dòng)監(jiān)視功能可對工作過程中出現(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，使得操作大大簡化，并且方便、簡單。機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品的工作過程根據(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。高級的機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品可通過被控對象的數(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。

3.4 具有復(fù)合功能，適用面廣

機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品跳出了機(jī)電產(chǎn)品單技術(shù)、單功能的限制，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)用于不同場合和不同領(lǐng)域，滿足用戶需求，應(yīng)變能力較強(qiáng)。

3.5 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)我國四個(gè)現(xiàn)代化的實(shí)現(xiàn)。

3.6 節(jié)約能源，減少耗材

節(jié)約一次和二次能源是國家的戰(zhàn)略目標(biāo)，也是用戶十分關(guān)心的問題。機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品通過采用低能耗驅(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)帶來顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。正因?yàn)槿绱耍澜绺鲊紫仁侨毡尽⒚绹蜌W洲各國都在大力發(fā)展和推動(dòng)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)。

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

我國從20世紀(jì)80年代初才開始機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化發(fā)展方向這方面的研究和應(yīng)用工作，研究機(jī)構(gòu)及一些大中型企業(yè)對這一技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用做了大量的工作，并取得了一定的成果。但與日本等先進(jìn)國家相比，仍有相當(dāng)差距。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)展方向有如下幾個(gè)方面。

4.1 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。

4.2 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。這里所說的“智能化”是對機(jī)器行為的描述，是在控制理論的基礎(chǔ)上，吸收人工智能、運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混飩動(dòng)力學(xué)等新思想、新方法，模擬人類智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得更高的控制目標(biāo)。誠然，使機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品具有低級智能或人的部分智能，則是完全可能而又必要的。

4.3 模塊化

模塊化是一項(xiàng)重要而又艱巨的工程。由于機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口、電氣接口、動(dòng)力接口、環(huán)境接口的機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品單元是一項(xiàng)十分復(fù)雜但又是非常重要的事。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、圖像處理、識別和測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、系列化帶來的好處可以肯定，無論是對生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械自動(dòng)化單元的企業(yè)，還是對生產(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)帶來美好的前程。

4.4 網(wǎng)絡(luò)化

20世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)的突出成就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興起和飛速發(fā)展給科學(xué)技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)、政治、軍事、教育以及人們?nèi)粘Ｉ顜砹司薮蟮淖兏铩８鞣N網(wǎng)絡(luò)將全球經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)連成一體，企業(yè)間的競爭也趨于全球化。機(jī)械自動(dòng)化的新產(chǎn)品一旦研制出來，只要其功能獨(dú)到，質(zhì)量可靠，很快會(huì)暢銷全球。

由于網(wǎng)絡(luò)化的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測技術(shù)方興未艾，而遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備本身就是機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品。現(xiàn)場總線和局域網(wǎng)技術(shù)使家用電器網(wǎng)絡(luò)化已成大勢。利用家庭網(wǎng)絡(luò)將各種家用電器連接成以計(jì)算機(jī)為中心的計(jì)算機(jī)集成家電系統(tǒng)，使人們在家里充分享受各種高技術(shù)帶來的便利和快樂。因此，機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品無疑將朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

4.5 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。國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1 cm3的機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品，并向微米、納米級發(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。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。

4.6 綠色化

工業(yè)的發(fā)達(dá)給人們生活帶來了巨大的變化。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。綠色產(chǎn)品在其設(shè)計(jì)、制造、使用和銷毀的生命過程中，符合特定的環(huán)境保護(hù)和人類健康的要求，對生態(tài)環(huán)境無害或危害極少，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。

4.7 人格化

未來的機(jī)械自動(dòng)化更加注重產(chǎn)品與人的關(guān)系，機(jī)械自動(dòng)化的人格化有兩層含義：一層是機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品的最終使用對象是人，如何賦予機(jī)械自動(dòng)化的智能、情感、人性顯得越來越重要，特別是對家用機(jī)器人，其高層境界就是人機(jī)一體化；另一層是模仿生物機(jī)理、研制各種機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品，實(shí)事上，許多機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品都是受動(dòng)物的啟發(fā)研制出來的。

5 結(jié)論

因?yàn)楝F(xiàn)代機(jī)械自動(dòng)化在設(shè)計(jì)和制造上具有多功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義，所以機(jī)械的設(shè)計(jì)、制造都是圍繞著機(jī)械自動(dòng)化來進(jìn)行的。機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)所面臨的共性關(guān)鍵技術(shù)是傳感檢測技術(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，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。廣大設(shè)計(jì)人員應(yīng)清醒地認(rèn)識到機(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。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)展開辟廣闊的天地。

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The Development Direction of Mechanical Design&Manufacturing and Automation

Zhang Baokun Wang Shuxia Wang Yan

In this paper,the traditional mechanical design&manufacturing are compared with me chanical automation.The paper points out intelligent features are the essential difference in function between modern machinery and traditional machinery.Mechanical automation shows its advantages and benefits in application and development in all walks of life,such as multifunction,high efficiency,high reliability,material saving,energy saving,and it constantly meets the diverse needs of people living and production.This paper integrates mechanical technology,microelectronics,automation technology and process control technology and apply to the chemical production from the concept of system.It focuses on the optimal control scheme of boil drum water level,coolant flow and ammonia emissions,puts forward the main objective of the process automation control in the future,and points out the development direction of mechanical design&manufacturing and automation.

Mechanical design;Manufacture;Automation;Product;Development direction

TH 12

*張寶坤，女，1959年12月生，高級工程師。銀川市，750001。

2011-02-09）