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

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

         a）                  b）              c）
圖 2-2  無轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械

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

          a)                    b)                   c)

              d)                              e)
圖2-4 常見機(jī)構(gòu)類型
2） 機(jī)構(gòu)的組合
形象的來說，機(jī)構(gòu)就是一部機(jī)器的骨骼圖，在實(shí)際應(yīng)用中，單一的機(jī)構(gòu)經(jīng)常不能滿足不同工作的需要。把一些基本機(jī)構(gòu)通過適當(dāng)?shù)姆绞竭B接起來，從而組成一個(gè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，稱為機(jī)構(gòu)的組合。在機(jī)構(gòu)的組合系統(tǒng)中，各基本機(jī)構(gòu)都保持原來的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性，都有自己的獨(dú)立性。在機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，機(jī)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(yùn)輸機(jī)中，定軸齒輪1把運(yùn)動(dòng)傳遞給齒輪2，定軸齒輪1上的曲柄通過連桿機(jī)構(gòu)ABCD把運(yùn)動(dòng)傳遞給系桿H。齒輪2、3、4與系桿H構(gòu)成一個(gè)差動(dòng)輪系，該輪系的兩個(gè)輸入均為主動(dòng)輪1提供，zui后由齒輪3輸出?？梢?，該系統(tǒng)中的連桿機(jī)構(gòu)和差動(dòng)輪系機(jī)構(gòu)都沒有因?yàn)榛ハ噙B接而影響自己的機(jī)構(gòu)特性。

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

圖2-6  齒輪連桿組合機(jī)構(gòu)
4. 機(jī)械的控制系統(tǒng)
隨著機(jī)械行業(yè)的不斷發(fā)展控制系統(tǒng)在機(jī)械中的作用也越來越突出，我們在進(jìn)行機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)也可以將思維轉(zhuǎn)移到這一領(lǐng)域，用自動(dòng)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(jī)械設(shè)備中的控制系統(tǒng)常見的有：機(jī)械控制、電氣控制、液壓控制、氣動(dòng)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(diǎn)。
電氣控制系統(tǒng)的特點(diǎn)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缓笥煽刂葡到y(tǒng)進(jìn)行處理。
由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)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(yùn)動(dòng)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)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(jī)械控制系統(tǒng)集計(jì)算機(jī)、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(dòng)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(jī)電一體化機(jī)械中，機(jī)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(jì)。
2.5.2 機(jī)械系統(tǒng)及其發(fā)展
1. 機(jī)械系統(tǒng)的基本組成形式
根據(jù)原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不同組合以及機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)輸出特性
的不同，機(jī)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(jī)構(gòu)是指機(jī)構(gòu)傳動(dòng)函數(shù)為線性函數(shù)的機(jī)構(gòu)。如齒輪機(jī)構(gòu)、螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等都是線性機(jī)構(gòu)。而機(jī)構(gòu)傳動(dòng)函數(shù)為非線性函數(shù)的機(jī)構(gòu)，則稱為非線性機(jī)構(gòu)。如凸輪機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等則是非線性機(jī)構(gòu)。
類型1和2是zui基本、zui常見的機(jī)械系統(tǒng)。如電動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)屬類型1，鄂式破碎機(jī)屬類型2。類型5在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等自動(dòng)機(jī)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(jī)械系統(tǒng)的基本組成形式