機械創(chuàng )新設計的基礎知識

機械的基礎知識
1.機械的概念
機械是機構和機器的總稱(chēng)。我們在實(shí)際工程的領(lǐng)域中，常把具體的機械叫機器或機構，把機器中的機械運動(dòng)系統叫機構。從功能變換的觀(guān)點(diǎn)看，機構與機械有很大的區別。機器指用來(lái)根據某種使用要求而設計的一種執行機械運動(dòng)的裝置，而機構都是用來(lái)傳遞與變換運動(dòng)和力的可動(dòng)裝置。
機械是用來(lái)傳遞運動(dòng)或動(dòng)力的能完成有用機械功的裝置，用來(lái)變換或傳遞能量、物料與信息。其特點(diǎn)如下：
1）機械首先必須是執行機械運動(dòng)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換。
執行機械運動(dòng)的裝置是機械的主體，該部分是創(chuàng )新設計的重點(diǎn)內容。其運動(dòng)方案部分相當于機械原理中的機構運動(dòng)系統簡(jiǎn)圖的設計。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，這是因為它們的內部結構不是執行機械運動(dòng)的裝置，也沒(méi)有克服外力作機械功。而剝線(xiàn)鉗、手搖鉆、門(mén)窗啟閉的桿件系統等裝置，因沒(méi)有能量的轉換，一般稱(chēng)之為機構，由于機構也是執行機械運動(dòng)的裝置，故納入機械的概念中。根據機械的特點(diǎn)，還可把機械分為動(dòng)力機、工作機和信息機。
動(dòng)力機：一般也叫原動(dòng)機，是一種把其它形式的能量轉化為機械能的機械。按原動(dòng)機轉換能量的方式可分為三大類(lèi)。
*類(lèi)有三相交流異步電動(dòng)機、單向交流異步電動(dòng)機、直流電動(dòng)機、步進(jìn)電動(dòng)機等，它們都是把能量轉化為機械能的機器。
第二類(lèi)有柴油機、汽油機、蒸汽機、燃汽機輪、原子能發(fā)動(dòng)機等，它們都是通過(guò)燃煤、油、鈾獲得熱能再轉化為機械的機器。
第三類(lèi)有水輪機、風(fēng)力機、潮汐發(fā)動(dòng)機、地熱發(fā)動(dòng)機、太陽(yáng)能發(fā)動(dòng)機等，它們都是把自然力轉化為機械能的機器。
根據原動(dòng)機輸出的數學(xué)性質(zhì)，還可以把原動(dòng)機劃分為線(xiàn)性原動(dòng)機和非線(xiàn)性原動(dòng)機。
當原動(dòng)機輸出的位移（或轉角）函數為時(shí)間的線(xiàn)性函數時(shí)，稱(chēng)為線(xiàn)性原動(dòng)機。如交、直流電動(dòng)機是線(xiàn)性原動(dòng)機。
當原動(dòng)機輸出的位移（或轉角）函數為時(shí)間的非線(xiàn)性函數時(shí)，稱(chēng)為非線(xiàn)性原動(dòng)機。如步進(jìn)電機、伺服電機是非線(xiàn)性原動(dòng)機。非線(xiàn)性原動(dòng)機包括控制系統，也可作為線(xiàn)性原動(dòng)機使用，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動(dòng)力，但已不屬于原動(dòng)機的范疇。
工作機：工作機是指利用原動(dòng)機提供的動(dòng)力實(shí)現物料或信息的傳遞，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(dòng)機。否則，只能稱(chēng)為機械裝置。汽車(chē)、起重運輸等機械通過(guò)搬運物料而作機械功，各類(lèi)金屬加工機床也是通過(guò)物料的傳遞或轉移而作機械功。原動(dòng)機的種類(lèi)有限，而工作機的種類(lèi)卻是多種多樣。由于工作機是完成各種復雜動(dòng)作的機械，它不僅有運動(dòng)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(guò)是通過(guò)各種復雜的信息來(lái)控制機械運動(dòng)。如打印機是通過(guò)計算機的指令來(lái)控制打印工作的，繪圖機、復印機、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(dòng)機、機械運動(dòng)系統、控制系統和輔助系統組成。機械運動(dòng)系統可以是單一的工作執行機構，也可以是由機械傳動(dòng)機構和工作執行機構的組合?？刂葡到y可以是手柄、按鈕式的簡(jiǎn)單裝置或電路，也可以是集微機、傳感器、各類(lèi)電子元件為一體的強、弱電相結合的自動(dòng)化控制系統。
控制系統可以是原動(dòng)機直接進(jìn)行控制，也可以通過(guò)控制元件對傳動(dòng)機構或工作機構進(jìn)行控制。

         a）                  b）              c）
圖 2-2  無(wú)轉動(dòng)機構的機械

圖2-3 油田抽油機機構簡(jiǎn)圖
1—電動(dòng)機 2—帶傳動(dòng) 3—減速箱4—ABCDE 為連桿機構
 
工程中，有些機械沒(méi)有傳動(dòng)機構，而是由原動(dòng)機直接驅動(dòng)執行機構。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(dòng)機驅動(dòng)的機械，都是沒(méi)有傳動(dòng)機構。隨著(zhù)電機調速技術(shù)的發(fā)展，無(wú)傳動(dòng)機構的機械有增加的趨勢。圖2-2所示為機械中沒(méi)有傳動(dòng)機構。
圖2-2a為水力發(fā)電機，圖2-2b為鼓風(fēng)機，圖2-2c為二坐標機床的工作臺。
具有傳動(dòng)機構的機械占大多數。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(dòng)與齒輪減速箱為傳動(dòng)機構，起緩沖、過(guò)載保護、減速的作用。連桿機構ABCDE為執行機構，圓弧狀驢頭通過(guò)繩索帶動(dòng)抽油桿往復運動(dòng)。
3. 機械運動(dòng)系統
機械運動(dòng)系統主要指機械中的傳動(dòng)機構和工作執行機構，從機構學(xué)的角度看問(wèn)題，二者是相同的，只不過(guò)在機械中所起的作用不同。有些機械中有時(shí)很難分清傳動(dòng)機構和執行機構，故二者統稱(chēng)為機械運動(dòng)系統。機械運動(dòng)系統可以是機構的基本型，也可以是機構的基本型的機構組合或組合機構。
1） 機構的基本型
機構的基本型是指zui基本的、zui常用的機構型式。目前，zui常見(jiàn)的機構有連桿機構(圖2-4a)、凸輪機構(圖2-4b)、齒輪機構(圖2-4c)、帶傳動(dòng)機構(圖2-4d)、蝸桿傳動(dòng)機構(圖2-4e)等，由于基本型的確定原則尚無(wú)確切說(shuō)明，這里就不再對這些常見(jiàn)機構進(jìn)行劃分了。

          a)                    b)                   c)

              d)                              e)
圖2-4 常見(jiàn)機構類(lèi)型
2） 機構的組合
形象的來(lái)說(shuō)，機構就是一部機器的骨骼圖，在實(shí)際應用中，單一的機構經(jīng)常不能滿(mǎn)足不同工作的需要。把一些基本機構通過(guò)適當的方式連接起來(lái)，從而組成一個(gè)機構系統，稱(chēng)為機構的組合。在機構的組合系統中，各基本機構都保持原來(lái)的結構和運動(dòng)特性，都有自己的獨立性。在機械運動(dòng)系統中，機構的組合系統應用很廣泛。
例如，圖2-5所示的鐵板運輸機中，定軸齒輪1把運動(dòng)傳遞給齒輪2，定軸齒輪1上的曲柄通過(guò)連桿機構ABCD把運動(dòng)傳遞給系桿H。齒輪2、3、4與系桿H構成一個(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?jiàn)，該系統中的連桿機構和差動(dòng)輪系機構都沒(méi)有因為互相連接而影響自己的機構特性。

圖2-5
我們創(chuàng )新設計機構時(shí)，要把握機構組合系統中的各機構均保持其原來(lái)的特性的原則，應該對機構組合系統中的各個(gè)機構進(jìn)行獨立的分析與設計。
3） 組合機構
在分析創(chuàng )新設計類(lèi)型時(shí)，我們知道有一種創(chuàng )新叫組合創(chuàng )新設計。組合機構就包含其中，它是機構創(chuàng )新的重要方法之一。
我們首先應該清楚，組合機構是指若干基本機構通過(guò)特殊的組合而形成的一種具有新屬性的機構，可見(jiàn)，它與與機構組合有本質(zhì)的不同。組合機構中的各基本機構已不能保持各自的獨立性，所以我們就不能用原基本機構的分析和設計方法進(jìn)行組合機構的設計。每種組合機構都有各自的分析和設計方法。
常見(jiàn)的組合機構有齒輪—連桿組合機構、齒輪—凸輪組合機構、凸輪—連桿組合機構。組合機構常用于完成復雜運動(dòng)的機械系統中。如圖2-6所示的齒輪連桿組合機構，它就是實(shí)現較復雜運動(dòng)軌跡的機械系統。其中的五桿機構ABCDE的兩個(gè)輸入運動(dòng)是通過(guò)齒輪1、2的運動(dòng)來(lái)實(shí)現的，適當的選擇機構尺寸與齒輪傳動(dòng)比，可得到預定的連桿曲線(xiàn)。

圖2-6  齒輪連桿組合機構
4. 機械的控制系統
隨著(zhù)機械行業(yè)的不斷發(fā)展控制系統在機械中的作用也越來(lái)越突出，我們在進(jìn)行機械創(chuàng )新設計時(shí)也可以將思維轉移到這一領(lǐng)域，用自動(dòng)化甚至智能化的控制系統來(lái)代替傳統的手工操作。
目前機械設備中的控制系統常見(jiàn)的有：機械控制、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用，與其它控制形式相比有很多優(yōu)點(diǎn)。
電氣控制系統的特點(diǎn)是：體積小，操作方便，無(wú)污染，安全可靠，可進(jìn)行遠距離控制。其原理和方法是：通過(guò)不同的傳感器可把位移、速度、加速度、溫度、壓力、色彩、氣味、等物理量的變化轉變?yōu)殡娏康淖兓?，然后由控制系統進(jìn)行處理。
由于計算機技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，現代機械的控制系統更加先進(jìn)、復雜，可靠性也大大增加，可對運動(dòng)時(shí)間、運動(dòng)方向與位置、速度等參數進(jìn)行準確的控制。
總之，現代的機械控制系統集計算機、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(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。在機電一體化機械中，機械的控制系統將起更加重要的作用，我們應該重視在這一領(lǐng)域的創(chuàng )新設計。
2.5.2 機械系統及其發(fā)展
1. 機械系統的基本組成形式
根據原動(dòng)機、傳動(dòng)機構、執行機構的不同組合以及機械系統運動(dòng)輸出特性
的不同，機械系統的基本組成形式見(jiàn)表2-1所示。
表2-1中的線(xiàn)性機構是指機構傳動(dòng)函數為線(xiàn)性函數的機構。如齒輪機構、螺旋傳動(dòng)機構、帶傳動(dòng)機構及鏈傳動(dòng)機構等都是線(xiàn)性機構。而機構傳動(dòng)函數為非線(xiàn)性函數的機構，則稱(chēng)為非線(xiàn)性機構。如凸輪機構、連桿機構、間歇運動(dòng)機構等則是非線(xiàn)性機構。
類(lèi)型1和2是zui基本、zui常見(jiàn)的機械系統。如電動(dòng)卷?yè)P機屬類(lèi)型1，鄂式破碎機屬類(lèi)型2。類(lèi)型5在數控機床、機器人等自動(dòng)機械中得到了廣泛的應用。其它類(lèi)型則少見(jiàn)其應用。
 
                                       表2-1 機械系統的基本組成形式