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毕业设计论文
机械设计制造及其自动化方向
——机械设计制造及其自动化发展方向的研究
姓名:张宝坤
学号:002912
性别:女
专业:机械设计制造及其自动化
批次:0703
层次:专升本
学****中心:宁夏奥鹏
指导教师:崔厚玺
2009年4月6日
机械设计制造及其自动化发展方向的研究
摘要
本文主要对传统的机械设计制造和机械自动化相比较,提出了具有智能化的特征是现代机械和传统的机械在功能上的本质区别;根据机械自动化在各行各业的应用和发展,显现出了机械自动化产品的优点和效益;即多功能化、高效率、高可靠性、省材料、省能源,不断满足人们生活和生产多元化需求;
文章从系统的观念出发,综合运用机械技术、微电子技术,自动化技术,及过控技术在化工生产中的应用;着重例举了锅炉汽包水位的控制和冷却剂流量和气氨排量的最佳控制方案;提出了过程自动化控制今后的主要目标,指明了机械设计制造及其自动化的发展方向;
关键词:设计制造;自动化;产品;发展;方向
目录
第一章前言5
机械自动化的产生和定义5
机械自动化的科学技术5
第二章机械设计制造及其自动化符合设计原则6
满足对机器的功能要求6
利用先进技术不断创新 6
第三章机械自动化技术在化工生产中的应用8
锅炉汽包水位控制方面的研究8
单冲量控制系统8
双冲量控制系统9
三冲量控制系统10
冷却器控制方案的研究12
12
控制气氨的排量13
第四章机械自动化系统的优点与效益14
生产能力和工作质量的提高14
使用安全性和可靠性提高14
调整和维修方便,使用性能改善14
具有复合功能,适用面广15
改善劳动条件,有利于自动化生产15
节约能源,减少耗材15
第五章机械设计制造及其自动化的发展方向16
机电一体化16
智能化16
模块化16
网络化16
微型化17
绿色化17
人格化17
第六章结论18
参考文献19
第一章前言
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;
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***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
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;
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***相对运动产生切削作用的原理进行工作的;因此,工件与***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;
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,
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着,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;
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;
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3-5a所示:也可接在控制器之后,如图3-5b所示:
ab
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3-5a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3-5b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;
冷却器控制方案的研究
冷却器的热载体是冷却剂,常采用液态氨等介质作为冷却剂,利用它们在冷却器内蒸发进吸收工艺物料的大量热量,使用工艺物料的出口温度下降来达到生产工艺要求,工业用冷却器的一般控制方案有以下几种;
控制冷却剂的流量
如图3-6所示:
图3-6氨冷却器控制冷却剂流量的控制方案
为氨冷却器控制冷却剂流量的控制方案,其机理也是通过改变传热速率方程中的传热面积F来实现的;该方案控制平稳,冷量冷却剂量利用充分,且对压缩机入口压力无影响;但这种方案控制不够灵活,另外蒸发空间不能得到保证,易引起气氨带液而损坏压缩机;为此,可采用图3-7所示的物料出口温度与液位的串级控制方案,使用这种方案时,可以限制液位的上限,保证有足够的蒸发空间;也可以采用图3-8所示的选择性控制方案;
图3-7温度与液位串级控制方案图3-8温度与液位选择性控制方案
控制气氨排量
如图3-9所示,为氨冷却器控制气氨排量的控制方案,其机理是通过改变传热速率方程中的平均温度来控制工艺物料的出口温度的,这种方案控制灵敏迅速,但制冷系统必须许可压缩机入口压力的波动;另外,冷量的利用不充分;为确保系统的安全运行,还需要设置一个液位控制系统,防止液氨进入氨管路而导致压缩机损坏;
图3-9控制气氨排量的控制方案
根据以上分析研究可知:自动控制装置和被控的工艺设备组成了一个没有人直接参与的自动化控制系统;操作工坐在操作室里,就能观察到整个装置的变化;因此,保证生产过程的安全,降低了劳动强度;
近二十年来,工业生产规模的迅速发展,加剧了对人类生存环境的污染,因此减小工业生产对环境的污染的影响也纳入了过程控制的目标范围;
综上所述,过程自动化控制的主要目标包括以下几个方面:
1、保证生产过程的安全和平稳;
2、达到预期的产量和质量;
3、尽可能地减少原材料和能源损耗;
4、把生产对环境的危害降到最小限度;
第四章机械自动化系统的优点与效益
随着机械自动化技术的快速发展,机械自动化产品有逐步取代传统机电产品的趋势,与传统机电产品相比,机械自动化产品具有高的功能水平和附加值,它将给开发生产者和用户带来社会、经济效益;
生产能力和工作质量提高
机械自动化产品大都具有信息自动处理和自动控制功能,其控制和检测的灵敏度、精度以及范围都有很大程度的提高,通过自动化控制系统可精确地保证机械的执行机构按照设计的要求完成预定的动作,使之不受机械操作者主观因素的影响,从而实现最佳操作,保证最佳的工作质量和较高的产品合格率;同时,由于机械自动化产品实现了工作自动化,所以生产力大大提高;例如:数控机床对工件的加工稳定性大大提高,生产效率比普通机床提高5~6倍;柔性制造系统的生产设备利用率可提高~倍,机床数量可减少约50%,节省操作人员约50%,缩短生产周期40%,使加工成本降低50%左右;此外,由于机械自动化工作方式具有可通过调整软件来适应需求的良好柔性,特别适合于多品种、小批量产品的生产、是缩短产品开发周期、加速更新换代的重要途径;
使用安全性和可靠性提高
机械自动化产品一般都具有自动监视、报警、自动诊断、自动保护等功能;在工作过程中,遇到过载、过压、过流、短路等电力故障时,能自动采取保护措施,避免和减少人身与设备事故,显着提高设备的使用安全性,机械自动化产品由于采用电子元器件,减少了机械产品中的可动构件和磨损部件,从而使其具有较高的灵敏度和可靠性;故障率降低,寿命得到了延长;
调整和维修方便,使用性能改善
机械自动化产品在安装调试时,可通过改变控制程序来实现工作方式的改变,以适应不同用户对象的需要以及现场参数变化的需要;这些控制程序可通过多种手段输入到机械自动化产品的控制系统中,而不需要改变产品中的任何部件和零件;对于具有存储功能的机械自动化主品,可以事先存入若干套不同的执行程序,然后根据不同的工作对象,给定一个代码信号输入
即可按指定的预定程序进行自动工作;机械自动化产品的自动化检验和自动
监视功能可对工作过程中出现的故障自动采取措施,使工作恢复正常;由于机械自动化产品普遍采用程序控制和数字显示,操作按钮和手柄数量显着减少,使得操作大大简化,并且方便、简单;机械自动化产品的工作过程根据预设的程序逐步由电子控制系统指挥,系统可重复实现全部动作;高级的机械自动化产品可通过被控对象的数学模型以及外界参数的变化随机自寻最佳工作程序,实现自动化最优化操作;
具有复合功能,适用面广
机械自动化产品跳出机电产品单技术、单功能限制,具有复合技术和复合功能,使产品的功能水平和自动化程度大大提高;机械自动化产品一般具有自动化控制、自动补偿、自动校验、自动调节、自动保护和智能化等多种功能,能应用于不同的场合和不同领域,满足用户需求,应变能力较强;
改善劳动条件,有利于自动化生产
机械自动化产品自动化程度高,是知识密集型和技术密集型产品,是将人们从繁重的体力劳动中解放出来的重要途径,可以加速工厂自动化、办公自动化、农业自动化、交通自动化甚至是家庭自动化,从而可促进我国四个现代化的实现;
节约能源,减少耗材
节约一次和二次能源是国家的战略目标,也是用户十分关心的问题,机械自动化产品通过采用低能耗驱动机构,最佳的调节控制,以提高设备的能源利用率,可达到明显的节能效果;同时,由于多种学科的交叉融合,机械自动化系统的许多功能一方面从机械系统转移到微电子、计算机系统,另一方面从硬件系统转移到软件系统,从而使得机械自动化产品系统朝着轻小型方向发展,减少了材料消耗;
所以,无论是生产部门还是使用单位,机械自动化技术和产品的应用,都会带来显着的社会和经济效益;正因为如此,世界各国,首先是日本、美国、欧洲各国都在大力发展和推动机械自动化技术;
第五章机械设计制造及其自动化的发展方向
我国从20世纪80年代初才开始这方面的工作研究和应用,研究机构及一些大中型企业对这一技术的发展及应用做了大量的工作,并取得了一定的成果;但与日本等先进国家相比,仍有相当差距;任何一门科学都是由基础理论、技术和工程系统组成的完善体系;机械自动化在技术和工程系统方面已有很大的发展,但基础理论方面尚在发展中,还很不完备,所以今后的发展方向是: