机械自动化技术发展趋势的分析毕业论文.doc
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1、毕业设计(论文)任务书 1设计(论文)题目: 机械自动化技术发展趋势的分析 2学生完成设计(论文)期限: 2012 年 3月 30日 3设计(论文)课题要求: (1) 查阅机械自动化相关专业书籍,理解机械设计在实际生产中的应 用,以及如何利用相关知识与实践结合。 (2) 完成毕业设计文档的书写工作,要求格式规范,内容完整、结果正 确,语言流畅。 4实验(上机、调研)部分要求内容: 上机完成文献查阅、文档书写等任务。 5文献查阅要求: 查阅机械自动化相关专业书籍,理解机械设计在实际生产中的应用,以及如何利用相关知识与实践结合。 6发出日期: 2011 年 9 月 10 日 7学员完成日期: 20
2、11 年 12 月 15 日指导教师签名: 学 生 签 名: 注:1、任务书应附于完成的设计(论文)中,并与设计(论文)一并提交答辩委员会;2、除任务书外,学生应从指导教师处领取整个设计(论文)期间的工作进度日程安排表(包括各阶段的工作量及完成日期);3、 任务书须由指导教师填写。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
3、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:机械自动化;发展趋势;技术目 录第1章 前 言11.1 机械自动化的产生和定义11.2 机械自动化的科学技术11.3 机械设计制造及自动化的设计原则21.3.1 满足对机器的功能要求21.3.2 利用先进技术不断创新2第2章 机械自动化系统在化工生产中的应用42.1 锅炉汽包水位控制方面的研究42.1.1 单冲量控制系统42.1.2 双冲量控制系统52.1.3 三冲量控制系统52.2 冷却器控制方案的
4、研究72.2.1 控制冷却剂的流量72.2.2 控制气氨排量8第3章 机械自动化系统的优点103.1 生产能力和工作质量提高103.2 使用安全性和可靠性提高103.3 调整和维修方便,使用性能改善103.4 具有复合功能,适用面广113.5 改善劳动条件,有利于自动化生产113.6 节约能源,减少耗材11第4章 机械自动化的发展趋势124.1 机电一体化124.2 智能化124.3 模块化124.4 网络化124.5 微型化134.6 绿色化134.7 人格化13第5章 结论14参考文献15致 谢16第1章 前 言1.1 机械自动化的产生和定义机械自动化,主要是指在机械制造业中应用自动化技术
5、,实现对加工对象的连续自动生产。实现优化有效的自动化生产过程,从而加快生产投入原料的加工变换和流动速度。机械自动化技术的应用与发展,是机械制造业升级和进步的主要手段,是未来机械制造业技术发展的主要方向。制造自动化技术是先进制造技术中的重要组成部分,也是当今制造业中涉及面广,研究十分活跃的技术,它代替人的体力劳动,辅助人的脑力劳动,协调、管理、控制和优化制造系统中人及整个系统,它的功能是多方面的,已形成了一个有机体系,它不仅涉及到具体的生产制造过程,而且涉及到产品的所有过程。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
6、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
7、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
8、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。1.3 机械设计制造及自动化的设计原则1.3.1 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
9、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1-1所示: 物 质 能 量 信 息 系统主要功能(变换、传递、存储) 物 质 能 量 信 息 工业三大 要素具有所需特性 控制( 人 )图1-1 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。1.3.2 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:1、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
10、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。2、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。3、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
11、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1-1所示:表1-1 不同主功能及输入的组合 类型 主要功能输入输出组合实例 1变换物质材料加工或处理机 2传递物质交通运输机 3储存物质自动化仓库、包装机 4变换能量动力机械 5传递能量机械或流体传动 6储存能量机械或流体储能器 7变换信息电子计算机、仪表 8传递信息通信系统、传真机 9储存信息储存器、录像机此外,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
12、床。所以说机械自动化的发展空间非常广阔,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2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。2.1 锅炉汽包水
13、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2-1所示的单冲量控制系统。图2-1 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。这种控制系统是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
14、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,波动很厉害,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
15、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2-2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2-2 汽包双冲量原理图及方框图图2-2所示的连接方式中,加法器的输出I是IC1ICC2IFI0 (2-1)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,控制器和加法器的输出
16、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2-3所示为其中的典型控制方案之一。 图2-3 汽包三冲量控制系统从图2-3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
17、,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2-4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; c I0的设置和取值仍与双冲量控制系统相同。 图2-4 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2-5(a)所示,也可接在控制器之后,如图2-5(b)所示。 (
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