机械设计制造及其自动化发展方向的研究

机械设计制造及其自动化发展方向的研究第一章前言1.1机械自动化的产生和定义早在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发展而被广泛的应用。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控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和（或）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，因此可以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、电子控制和系统思想在产品设计和制造过程中的协同结合。因此又可以说机电一体化就是在机械设计制造及其自动化基础上的发展。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和电子技术为主体，多门技术学科相互渗透、相互结合的产物，是正在发展和逐渐完善的一门新兴的边缘学科，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”为特征的发展阶段。它的发展至今已经成为一门有着自身体系的新型学科，随着生产和科学技术的发展，还将不断被赋予新的内容。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、自动控制技术、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、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织结构目标，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，以及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，不仅是人和手与肢体的延伸，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和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，都必须具有某种主要功能，不同的产品具有不同的主要功能。概而言之，都能对输入的物质、能量和信息（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，机械自动化系统也必须具有对输入的物质、能量和信息进行某种处理，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: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和机电一体化产品两个方面的内容。作为产品，又包含着设计、制造和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系统的主功能不同，可对产品或系统进行分类。以物料搬运、加工为主。输入物质、能量和信息，经过加工处理，主要输出改变了位置和形态的物质系统（或产品）称为加工机。如各种机床、交通运输机械、食品加工机械、起重机械、纺织机械、印刷机械、轻工机械等。以能量转换为主，输入能量和信息，输出不同能量的系统（或产品）称为动力机，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，输入信息和能量。主要输出某种信息。如数据、图像、文字、声音等的产品称为信息机。如各种仪器、仪表、计算机、传真机以及各种办公机械等。机械自动化系统除了具备上述必须的主功能外，还应具体备其它内部功能、即动力功能、检测功能、控制功能、构造功能。基于上述的功能构成原理，既有利于设计或分析各种机械自动化的产品，又有利于开拓思路，便于创造发明和创新。例如，根据3种不同的主功能及其不同的输入，组合起来可形成9大类型的系统产品。如表2-1所示：表2-1不同主功能及输入的组合此外，对于不同主功能的加工机构，其运动方式不同，也构成不同用途的机械。例如，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同，便产生不同用途的机床。所以说机械自动化的发展空间非常广阔，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（或工艺变量）有着一定的控制要求。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。例如，精馏塔的塔顶或塔釜温度，一般在操作压力不变的情况下必须保持一定，才能得到合格的产品；加热炉出口温度的波动不能超过允许范围，否则将影响后一工段的效果；化学反应器的反应温度必须保持平稳，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和数量，然而保持其平稳却是使生产获得良好控制的前提。3.1锅炉汽包水位控制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控制是保证锅炉正常生产必不可少的措施，3.1.1单冲量控制系统汽包水位控制手段是控制给水，基于这一原理，可构成如图3-1所示的单冲量控制系统。图3-1汽包单冲量控制系统这里的“冲量”一词是指变量，单冲量即汽包水位。这种控制系统典行的简单控制系统。当蒸汽负荷突然大幅度增加时，由于假水位现象，控制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，而是关小控制阀的开度，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。因此对于停留时间短、负荷变动较大的情况，这样的系统不能适应，水位不能保证。然而对于小型锅炉，由于水在汽包中的停留时间较长，在蒸汽负荷变化时，假水位的现象并不显著，配上一些联锁报警装置，也可以保证安全操作，故采用这种单冲量控制系统尚能满足生产要求。3.1.2双冲量控制系统在汽包水位的控制中，最主要的扰动是蒸汽负荷的变化。如果根据蒸汽流量来进行校正，不仅可以补偿“虚假水位”所引起的误动作，而且使给水位控制阀的动作十分及时，从而减少水位波动，改善控制品质。将蒸汽流量信号引入，就购入了双冲量控制系统，如图3-2所示。从本质上看，双冲量控制系统是一个前馈（蒸汽流量）控制加单回路反馈控制的复合控制系统。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＝C1IC±C2IF±I0式中IC——液位控制器的输出；IF——蒸汽流量变送器（一般经开方器）的输出；I0——初始偏置值C1、C2——加法器系数。C1的设置一般取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I0的目的是使其在正常负荷下，控制器和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，I0和C2IF项接近而相互抵消。3.1.3三冲量控制系统双冲量控制系统还有两个弱点：控制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，对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，构成三冲量控制系统。三冲量控制系统的实施方案较多，如图3-3所示为其中的典型控制方案之一。图3-3汽包三冲量控制系统从该图可以看出，这是前馈控制与串级控制组成的复合控制系统。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和减少时，水位偏离设定值过高或过低而造成锅炉停车。如图3-4所示，为三冲量控制系统的方框图，加法器的运算关系与双冲量控制时相同，各系数设置如下：a系数C1通常可取1或稍小于1的数值；b若采用气开阀；C2取正值，C2的值可按物料平衡关系进行计算；cI0的设置和取值仍与双冲量控制系统相同。图3-4汽包三冲量系统方框图在三冲量的控制系统中，水位控制器和流量控制器的参数整定方法与一般串级控制系统相同。在有些装置中，采用了比较简单的三冲量控制系统，只用一台控制器及一台加法器，加法器可接在控制器之前，如图3-5（a）所示：也可接在控制器之后，如图3-5（a）(b)图3-5汽包三冲量控制系统的简化接法图中加法器的正负号是针对采用气关阀及正作用控制器的情况。图3-5（a）接法的优点是使用仪表最少，只要一台多通道的控制器即可实现。但如果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麻烦一些。