机械设计制造及其自动化的发展方向

张宝坤王淑霞 王艳

(宁夏宝塔石化设计院)

机械设计制造及其自动化的发展方向

张宝坤*王淑霞 王艳

(宁夏宝塔石化设计院)

将传统的机械设计制造和机械自动化进行了比较，指出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。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。从系统的观念出发，将机械技术、微电子技术、自动化技术和过控技术综合应用于化工生产之中。着重例举了锅炉汽包水位、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。

机械设计制造自动化产品发展方向

0 前言

早在1971年日本的《机械设计》杂志副刊上就刊登了机电一体化这一名词。之后，机电一体化得到了不断发展。美国机械工程师协会于1984年为现代机械下了如下定义：现代机械是“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。

机械自动化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，它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、高可靠性和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，不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的延伸，智能化的特征是现代机械自动化和传统机械在功能上的本质区别。

1 机械设计制造及自动化的符合设计原则

1.1 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这样的主功能，即对输入的物质、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。机械自动化系统功能如图1所示。

图1 机械自动化系统功能

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。

1.2 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1所示。

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。

表1 不同主功能及输入的组合

2 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。

2.1 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。

2.1.1 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2所示的单冲量控制系统。

图2 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。这种控制系统是一种典型的简单控制系统。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，严重时汽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。

2.1.2 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，就构成了双冲量控制系统，如图3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 汽包双冲量原理及其方框图

图3所示的连接方式中，加法器的输出I是：

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——加法器系数，C1的设置一般取1；

C2——加法器系数，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。

2.1.3 三冲量控制系统

双冲量控制系统有两个弱点：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，图4所示为其中的典型控制方案之一。

图4 汽包三冲量控制系统

从图4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。

图5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。

（1）系数C1通常可取1或稍小于1的数值；

（2）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；

（3）I0的设置和取值仍与双冲量控制系统相同。

图5 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6(a)所示；也可接在控制器之后，如图6(b)所示。

图6 汽包三冲量控制系统的简化接法

图6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6（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6(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。

2.2 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而吸收工艺物料的大量热量，使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。

2.2.1 控制冷却剂的流量

图7所示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8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，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9所示的选择性控制方案。

图7 氨冷却器控制冷却剂流量的控制方案

图8 温度与液位串级控制方案

图9 温度与液位选择性控制方案

2.2.2 控制气氨排量

图10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。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10 控制气氨排量的控制方案

根据以上分析可知：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。这样，既能保证生产过程的安全，又降低了劳动强度。

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消耗；

（4）把生产对环境的危害降到最小限度。

3 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效益和经济效益。

3.1 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1.5～3.5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。

3.2 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，显著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。

3.3 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产品，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著减少，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。

3.4 具有复合功能，适用面广

机械自动化产品跳出了机电产品单技术、单功能的限制，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，能应用于不同场合和不同领域，满足用户需求，应变能力较强。

3.5 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。

3.6 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，都会带来显著的社会和经济效益。正因为如此，世界各国，首先是日本、美国和欧洲各国都在大力发展和推动机械自动化技术。

4 机械设计制造及其自动化的发展方向

我国从20世纪80年代初才开始机械设计制造及其自动化发展方向这方面的研究和应用工作，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有如下几个方面。

4.1 机电一体化

机电一体化就是机械自动化的发展和延伸，传统的机械产品只有向机电一体化方向发展，才是机械工业发展的唯一出路。

4.2 智能化

智能化是21世纪机械自动化技术发展的一个重要发展方向。这里所说的“智能化”是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混饨动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得更高的控制目标。诚然，使机械自动化产品具有低级智能或人的部分智能，则是完全可能而又必要的。

4.3 模块化

模块化是一项重要而又艰巨的工程。由于机械自动化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机械自动化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。如研制集减速、智能减速、电动机于一体的动力单元，具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的控制单元以及各种能完成典型操作的机械装置。这样，可利用标准单元迅速开发出新的产品，同时也可扩大生产规模。显然，从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机械自动化单元的企业，还是对生产机械自动化产品的企业，模块化将给机械自动化企业带来美好的前程。

4.4 网络化

20世纪90年代，计算机技术的突出成就是网络技术。网络技术的兴起和飞速发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育以及人们日常生活带来了巨大的变革。各种网络将全球经济、生产连成一体，企业间的竞争也趋于全球化。机械自动化的新产品一旦研制出来，只要其功能独到，质量可靠，很快会畅销全球。

由于网络化的普及，基于网络的各种远程控制和监测技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机械自动化产品。现场总线和局域网技术使家用电器网络化已成大势。利用家庭网络将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统，使人们在家里充分享受各种高技术带来的便利和快乐。因此，机械自动化产品无疑将朝着网络化方向发展。

4.5 微型化

微型化兴起于20世纪80年代末，指的是机械自动化向微观领域发展的趋势。国外将其称为微电子机械系统，或微机械自动化系统，泛指几何尺寸不超过1 cm3的机械自动化产品，并向微米、纳米级发展。微机械自动化产品体积小、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。微机械自动化发展的瓶颈在于微机械技术，微机械自动化产品的加工采用精细加工技术，即超精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术两类。

4.6 绿色化

工业的发达给人们生活带来了巨大的变化。一方面，物质丰富，生活舒适；另一方面，资源减少，生态环境受到严重污染。于是，人们呼吁保护环境资源，回归自然。绿色产品概念在这种呼声下应运而生，绿色化是时代的趋势。绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中，符合特定的环境保护和人类健康的要求，对生态环境无害或危害极少，资源利用率最高。设计绿色的机械自动化产品，具有远大的发展前途。机械自动化产品的绿色化主要是指使用时不污染环境，报废后能回收利用。

4.7 人格化

未来的机械自动化更加注重产品与人的关系，机械自动化的人格化有两层含义：一层是机械自动化产品的最终使用对象是人，如何赋予机械自动化的智能、情感、人性显得越来越重要，特别是对家用机器人，其高层境界就是人机一体化；另一层是模仿生物机理、研制各种机械自动化产品，实事上，许多机械自动化产品都是受动物的启发研制出来的。

5 结论

因为现代机械自动化在设计和制造上具有多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义，所以机械的设计、制造都是围绕着机械自动化来进行的。机械自动化技术所面临的共性关键技术是传感检测技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动化控制技术、接口技术、精密机械技术及系统总体技术等。所以说，机械自动化系统就是机电一体化系统。机电一体化的发展就是机械自动化的发展。广大设计人员应清醒地认识到机械设计制造只有向机械自动化设计制造方向发展，才是机械工业发展的唯一出路。设计人员不能只热衷于技术引进，不能仅仅安心于作为新技术的传播者，而应该作为新技术产业化的创造者，为机电一体化技术发展开辟广阔的天地。

[1] 刘武发，刘德平.机电一体化设计基础[M].北京：化学工业出版社，2007.

[2] 杨世明，腾献银，赵镇宏，等.机械设计[M].北京：电子工业出版社，2007.

[3] 张建民，等.机电一体化系统设计[M].北京:高等教育出版社，2001.

[4] 赵松年，张奇鹏.机电一体化机械系统设计[M].北京：机械工业出版社，1996.

[5] 齐卫红，林春丽，王永红.过程控制系统[M].北京:电子工业出版社,2007.

[6] 刘巨良.过程控制仪表[M].北京：化学工业出版社，1998.

[7] 温希东.自动控制原理及其应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004.

[8] 王树青.工业过程控制工程[M].北京：化学工业出版社，2003.

[9] 陆德民.石油化工自动化控制设计手册[M].北京：化学工业出版社，2000.

[10] 孙虎章.自动化控制原理[M].北京：中央广播电视大学出版社，1994.

[11] 蒋慰孙.过程控制工程[M].北京：化学工业出版社，1999.

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

*张宝坤，女，1959年12月生，高级工程师。银川市，750001。

2011-02-09）