機械設(shè)計制造及自動化的設(shè)計原則與發(fā)展方向

摘 要：將傳統(tǒng)的機械設(shè)計制造和機械自動化進(jìn)行了比較， 指出具有智能化的特征是現(xiàn)代機械和傳統(tǒng)的機械在功能上的本質(zhì)區(qū)別。機械自動化在各行各業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展， 顯現(xiàn)出了機械自動化的優(yōu)點和效益。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)， 將機械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動化技術(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。提出了過程自動化控制今后的主要目標(biāo)， 指明了機械設(shè)計制造及其自動化的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：機械設(shè)計；制造自動化產(chǎn)品；發(fā)展方向

早在1971 年日本的《機械設(shè)計》雜志副刊上就刊登了機電一體化這一名詞。之后， 機電一體化得到了不斷發(fā)展。美國機械工程師協(xié)會于1984 年為現(xiàn)代機械下了如下定義： 現(xiàn)代機械是“由計算機信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)與控制的， 用于完成包括機械力、運動和能量流等動力學(xué)任務(wù)的機械和（或） 機電部件相互聯(lián)系的系統(tǒng)”。它與前面提及的機電一體化是一致的， 因此可以說現(xiàn)代機械就是指機電一體化系統(tǒng)。

一、機械設(shè)計制造及自動化的符合設(shè)計原則

1.滿足對機器的功能要求

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。

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、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。如各種機床、交通運輸機械、食品加工機械、起重機械、紡織機械、印刷機械、輕工機械等。

二、機械自動化系統(tǒng)的優(yōu)點與效益

隨著機械自動化技術(shù)的快速發(fā)展， 機械自動化產(chǎn)品有逐步取代傳統(tǒng)機電產(chǎn)品的趨勢。與傳統(tǒng)機電產(chǎn)品相比， 機械自動化產(chǎn)品具有高的功能水平和附加值， 它將給開發(fā)生產(chǎn)者和用戶帶來社會效益和經(jīng)濟效益。

1. 生產(chǎn)能力和工作質(zhì)量提高

機械自動化產(chǎn)品大都具有信息自動處理和自動控制功能， 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， 通過自動化控制系統(tǒng)可精確地保證機械的執(zhí)行機構(gòu)按照設(shè)計的要求完成預(yù)定的動作， 使之不受機械操作者主觀因素的影響， 從而實現(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， 由于機械自動化產(chǎn)品實現(xiàn)了工作自動化， 所以生產(chǎn)力大大提高。例如：數(shù)控機床對工件的加工穩(wěn)定性大大提高，生產(chǎn)效率比普通機床提高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。

2. 使用安全性和可靠性提高

機械自動化產(chǎn)品一般都具有自動監(jiān)視、報警、自動診斷、自動保護(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， 能自動采取保護(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。機械自動化產(chǎn)品由于采用電子元器件， 減少了機械產(chǎn)品中的可動構(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.調(diào)整和維修方便， 使用性能改善

機械自動化產(chǎn)品在安裝調(diào)試時， 可通過改變控制程序來實現(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械自動化產(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械自動化產(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，給定一個代碼信號輸入， 即可按指定的預(yù)定程序進(jìn)行自動工作。機械自動化產(chǎn)品的自動化檢驗和自動監(jiān)視功能可對工作過程中出現(xiàn)的故障自動采取措施， 使工作恢復(fù)正常。由于機械自動化產(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。機械自動化產(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)實現(xiàn)全部動作。高級的機械自動化產(chǎn)品可通過被控對象的數(shù)學(xué)模型以及外界參數(shù)的變化隨機自尋最佳工作程序， 實現(xiàn)自動化最優(yōu)化操作。

三、機械設(shè)計制造及其自動化的發(fā)展方向

我國從20 世紀(jì)80 年代初才開始機械設(shè)計制造及其自動化發(fā)展方向這方面的研究和應(yīng)用工作， 研究機構(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。機械自動化在技術(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)展方向有如下幾個方面。

1. 智能化

智能化是21 世紀(jì)機械自動化技術(shù)發(fā)展的一個重要發(fā)展方向。這里所說的“智能化” 是對機器行為的描述， 是在控制理論的基礎(chǔ)上， 吸收人工智能、運籌學(xué)、計算機科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混飩動力學(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， 使機械自動化產(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。

2. 模塊化

模塊化是一項重要而又艱巨的工程。由于機械自動化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多， 研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機械接口、電氣接口、動力接口、環(huán)境接口的機械自動化產(chǎn)品單元是一項十分復(fù)雜但又是非常重要的事。如研制集減速、智能減速、電動機于一體的動力單元， 具有視覺、 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械裝置。

四、結(jié)論

因為現(xiàn)代機械自動化在設(shè)計和制造上具有多功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義， 所以機械的設(shè)計、制造都是圍繞著機械自動化來進(jìn)行的。機械自動化技術(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)動技術(shù)、自動化控制技術(shù)、接口技術(shù)、精密機械技術(shù)及系統(tǒng)總體技術(shù)等。所以說， 機械自動化系統(tǒng)就是機電一體化系統(tǒng)。機電一體化的發(fā)展就是機械自動化的發(fā)展。廣大設(shè)計人員應(yīng)清醒地認(rèn)識到機械設(shè)計制造只有向機械自動化設(shè)計制造方向發(fā)展， 才是機械工業(yè)發(fā)展的唯一出路。