機械的基礎(chǔ)知識
1.機械的概念
機械是機構(gòu)和機器的總稱。我們在實際工程的領(lǐng)域中，常把具體的機械叫機器或機構(gòu)，把機器中的機械運動系統(tǒng)叫機構(gòu)。從功能變換的觀點看，機構(gòu)與機械有很大的區(qū)別。機器指用來根據(jù)某種使用要求而設(shè)計的一種執(zhí)行機械運動的裝置，而機構(gòu)都是用來傳遞與變換運動和力的可動裝置。
機械是用來傳遞運動或動力的能完成有用機械功的裝置，用來變換或傳遞能量、物料與信息。其特點如下：
1）機械首先必須是執(zhí)行機械運動的裝置。
2）機械必須進(jìn)行物料或信息的變換與傳遞，并完成有用的機械功。
3）機械中必須要完成能量的轉(zhuǎn)換。
執(zhí)行機械運動的裝置是機械的主體，該部分是創(chuàng)新設(shè)計的重點內(nèi)容。其運動方案部分相當(dāng)于機械原理中的機構(gòu)運動系統(tǒng)簡圖的設(shè)計。是否完成有用的機械功是辨別能否成為機械的關(guān)鍵條件。從機械學(xué)的角度看，電視機、計算機不是機械，這是因為它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不是執(zhí)行機械運動的裝置，也沒有克服外力作機械功。而剝線鉗、手搖鉆、門窗啟閉的桿件系統(tǒng)等裝置，因沒有能量的轉(zhuǎn)換，一般稱之為機構(gòu)，由于機構(gòu)也是執(zhí)行機械運動的裝置，故納入機械的概念中。根據(jù)機械的特點，還可把機械分為動力機、工作機和信息機。
動力機：一般也叫原動機，是一種把其它形式的能量轉(zhuǎn)化為機械能的機械。按原動機轉(zhuǎn)換能量的方式可分為三大類。
*類有三相交流異步電動機、單向交流異步電動機、直流電動機、步進(jìn)電動機等，它們都是把能量轉(zhuǎn)化為機械能的機器。
第二類有柴油機、汽油機、蒸汽機、燃汽機輪、原子能發(fā)動機等，它們都是通過燃煤、油、鈾獲得熱能再轉(zhuǎn)化為機械的機器。
第三類有水輪機、風(fēng)力機、潮汐發(fā)動機、地?zé)岚l(fā)動機、太陽能發(fā)動機等，它們都是把自然力轉(zhuǎn)化為機械能的機器。
根據(jù)原動機輸出的數(shù)學(xué)性質(zhì)，還可以把原動機劃分為線性原動機和非線性原動機。
當(dāng)原動機輸出的位移（或轉(zhuǎn)角）函數(shù)為時間的線性函數(shù)時，稱為線性原動機。如交、直流電動機是線性原動機。
當(dāng)原動機輸出的位移（或轉(zhuǎn)角）函數(shù)為時間的非線性函數(shù)時，稱為非線性原動機。如步進(jìn)電機、伺服電機是非線性原動機。非線性原動機包括控制系統(tǒng)，也可作為線性原動機使用，其zui大特點可具有可控性。
彈簧力、重力、電磁力、記憶合金的熱變形力都可以提供驅(qū)動力，但已不屬于原動機的范疇。
工作機：工作機是指利用原動機提供的動力實現(xiàn)物料或信息的傳遞，克服外載荷而作有用機械功的機械。大部分機械都是工作機，工作機中必須包含原動機。否則，只能稱為機械裝置。汽車、起重運輸?shù)葯C械通過搬運物料而作機械功，各類金屬加工機床也是通過物料的傳遞或轉(zhuǎn)移而作機械功。原動機的種類有限，而工作機的種類卻是多種多樣。由于工作機是完成各種復(fù)雜動作的機械，它不僅有運動精度的要求，也有強度、剛度、安全性、可靠性的要求。
信息機：信息機也是一種工作機，只不過是通過各種復(fù)雜的信息來控制機械運動。如打印機是通過計算機的指令來控制打印工作的，繪圖機、復(fù)印機、傳真機、收音機都是信息機。
2. 機械的組成
掌握機械的組成我們可以參照圖2-1所示的機械組成的示意圖。

圖2-1 機械組成的示意圖
如上圖所示，機械一般由原動機、機械運動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成。機械運動系統(tǒng)可以是單一的工作執(zhí)行機構(gòu)，也可以是由機械傳動機構(gòu)和工作執(zhí)行機構(gòu)的組合。控制系統(tǒng)可以是手柄、按鈕式的簡單裝置或電路，也可以是集微機、傳感器、各類電子元件為一體的強、弱電相結(jié)合的自動化控制系統(tǒng)。
控制系統(tǒng)可以是原動機直接進(jìn)行控制，也可以通過控制元件對傳動機構(gòu)或工作機構(gòu)進(jìn)行控制。

         a）                  b）              c）
圖 2-2  無轉(zhuǎn)動機構(gòu)的機械

圖2-3 油田抽油機機構(gòu)簡圖
1—電動機 2—帶傳動 3—減速箱4—ABCDE 為連桿機構(gòu)
 
工程中，有些機械沒有傳動機構(gòu)，而是由原動機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。如水利發(fā)電機組、電風(fēng)扇、鼓風(fēng)機以及一些用直流電動機驅(qū)動的機械，都是沒有傳動機構(gòu)。隨著電機調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，無傳動機構(gòu)的機械有增加的趨勢。圖2-2所示為機械中沒有傳動機構(gòu)。
圖2-2a為水力發(fā)電機，圖2-2b為鼓風(fēng)機，圖2-2c為二坐標(biāo)機床的工作臺。
具有傳動機構(gòu)的機械占大多數(shù)。圖2-3所示的油田抽油機就是具有代表性的機械。
圖2-3中，帶傳動與齒輪減速箱為傳動機構(gòu)，起緩沖、過載保護(hù)、減速的作用。連桿機構(gòu)ABCDE為執(zhí)行機構(gòu)，圓弧狀驢頭通過繩索帶動抽油桿往復(fù)運動。
3. 機械運動系統(tǒng)
機械運動系統(tǒng)主要指機械中的傳動機構(gòu)和工作執(zhí)行機構(gòu)，從機構(gòu)學(xué)的角度看問題，二者是相同的，只不過在機械中所起的作用不同。有些機械中有時很難分清傳動機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)，故二者統(tǒng)稱為機械運動系統(tǒng)。機械運動系統(tǒng)可以是機構(gòu)的基本型，也可以是機構(gòu)的基本型的機構(gòu)組合或組合機構(gòu)。
1） 機構(gòu)的基本型
機構(gòu)的基本型是指zui基本的、zui常用的機構(gòu)型式。目前，zui常見的機構(gòu)有連桿機構(gòu)(圖2-4a)、凸輪機構(gòu)(圖2-4b)、齒輪機構(gòu)(圖2-4c)、帶傳動機構(gòu)(圖2-4d)、蝸桿傳動機構(gòu)(圖2-4e)等，由于基本型的確定原則尚無確切說明，這里就不再對這些常見機構(gòu)進(jìn)行劃分了。

          a)                    b)                   c)

              d)                              e)
圖2-4 常見機構(gòu)類型
2） 機構(gòu)的組合
形象的來說，機構(gòu)就是一部機器的骨骼圖，在實際應(yīng)用中，單一的機構(gòu)經(jīng)常不能滿足不同工作的需要。把一些基本機構(gòu)通過適當(dāng)?shù)姆绞竭B接起來，從而組成一個機構(gòu)系統(tǒng)，稱為機構(gòu)的組合。在機構(gòu)的組合系統(tǒng)中，各基本機構(gòu)都保持原來的結(jié)構(gòu)和運動特性，都有自己的獨立性。在機械運動系統(tǒng)中，機構(gòu)的組合系統(tǒng)應(yīng)用很廣泛。
例如，圖2-5所示的鐵板運輸機中，定軸齒輪1把運動傳遞給齒輪2，定軸齒輪1上的曲柄通過連桿機構(gòu)ABCD把運動傳遞給系桿H。齒輪2、3、4與系桿H構(gòu)成一個差動輪系，該輪系的兩個輸入均為主動輪1提供，zui后由齒輪3輸出?？梢?，該系統(tǒng)中的連桿機構(gòu)和差動輪系機構(gòu)都沒有因為互相連接而影響自己的機構(gòu)特性。

圖2-5
我們創(chuàng)新設(shè)計機構(gòu)時，要把握機構(gòu)組合系統(tǒng)中的各機構(gòu)均保持其原來的特性的原則，應(yīng)該對機構(gòu)組合系統(tǒng)中的各個機構(gòu)進(jìn)行獨立的分析與設(shè)計。
3） 組合機構(gòu)
在分析創(chuàng)新設(shè)計類型時，我們知道有一種創(chuàng)新叫組合創(chuàng)新設(shè)計。組合機構(gòu)就包含其中，它是機構(gòu)創(chuàng)新的重要方法之一。
我們首先應(yīng)該清楚，組合機構(gòu)是指若干基本機構(gòu)通過特殊的組合而形成的一種具有新屬性的機構(gòu)，可見，它與與機構(gòu)組合有本質(zhì)的不同。組合機構(gòu)中的各基本機構(gòu)已不能保持各自的獨立性，所以我們就不能用原基本機構(gòu)的分析和設(shè)計方法進(jìn)行組合機構(gòu)的設(shè)計。每種組合機構(gòu)都有各自的分析和設(shè)計方法。
常見的組合機構(gòu)有齒輪—連桿組合機構(gòu)、齒輪—凸輪組合機構(gòu)、凸輪—連桿組合機構(gòu)。組合機構(gòu)常用于完成復(fù)雜運動的機械系統(tǒng)中。如圖2-6所示的齒輪連桿組合機構(gòu)，它就是實現(xiàn)較復(fù)雜運動軌跡的機械系統(tǒng)。其中的五桿機構(gòu)ABCDE的兩個輸入運動是通過齒輪1、2的運動來實現(xiàn)的，適當(dāng)?shù)倪x擇機構(gòu)尺寸與齒輪傳動比，可得到預(yù)定的連桿曲線。

圖2-6  齒輪連桿組合機構(gòu)
4. 機械的控制系統(tǒng)
隨著機械行業(yè)的不斷發(fā)展控制系統(tǒng)在機械中的作用也越來越突出，我們在進(jìn)行機械創(chuàng)新設(shè)計時也可以將思維轉(zhuǎn)移到這一領(lǐng)域，用自動化甚至智能化的控制系統(tǒng)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工操作。
目前機械設(shè)備中的控制系統(tǒng)常見的有：機械控制、電氣控制、液壓控制、氣動控制及綜合控制。其中以電氣控制的應(yīng)用，與其它控制形式相比有很多優(yōu)點。
電氣控制系統(tǒng)的特點是：體積小，操作方便，無污染，安全可靠，可進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制。其原理和方法是：通過不同的傳感器可把位移、速度、加速度、溫度、壓力、色彩、氣味、等物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏康淖兓?，然后由控制系統(tǒng)進(jìn)行處理。
由于計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代機械的控制系統(tǒng)更加先進(jìn)、復(fù)雜，可靠性也大大增加，可對運動時間、運動方向與位置、速度等參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的控制。
總之，現(xiàn)代的機械控制系統(tǒng)集計算機、傳感器、接口電路、電器元件、光電元件、電磁元件等硬件環(huán)境及軟件環(huán)境為一體，而且正向自動化、精密化、智能化、高速化的方向發(fā)展，其安全性、可靠性的程度不斷提高。在機電一體化機械中，機械的控制系統(tǒng)將起更加重要的作用，我們應(yīng)該重視在這一領(lǐng)域的創(chuàng)新設(shè)計。
2.5.2 機械系統(tǒng)及其發(fā)展
1. 機械系統(tǒng)的基本組成形式
根據(jù)原動機、傳動機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)的不同組合以及機械系統(tǒng)運動輸出特性
的不同，機械系統(tǒng)的基本組成形式見表2-1所示。
表2-1中的線性機構(gòu)是指機構(gòu)傳動函數(shù)為線性函數(shù)的機構(gòu)。如齒輪機構(gòu)、螺旋傳動機構(gòu)、帶傳動機構(gòu)及鏈傳動機構(gòu)等都是線性機構(gòu)。而機構(gòu)傳動函數(shù)為非線性函數(shù)的機構(gòu)，則稱為非線性機構(gòu)。如凸輪機構(gòu)、連桿機構(gòu)、間歇運動機構(gòu)等則是非線性機構(gòu)。
類型1和2是zui基本、zui常見的機械系統(tǒng)。如電動卷揚機屬類型1，鄂式破碎機屬類型2。類型5在數(shù)控機床、機器人等自動機械中得到了廣泛的應(yīng)用。其它類型則少見其應(yīng)用。
 
                                       表2-1 機械系統(tǒng)的基本組成形式