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機(jī)械系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)工作原理及機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)

機(jī)械系統(tǒng)是機(jī)電一體化系統(tǒng)的最基本要素，主要用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和支承部件，以完成規(guī)定的動(dòng)作，傳遞功率、運(yùn)動(dòng)和信息，支承連接相關(guān)部件等。機(jī)械系統(tǒng)通常是微型計(jì)算機(jī)控制伺服系統(tǒng)的有機(jī)組成部分，因此在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除考慮一般機(jī)械設(shè)計(jì)要求外，還必須考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)因素與整個(gè)伺服系統(tǒng)的性能參數(shù)、電氣參數(shù)的匹配，以獲得良好的伺服性能。
一、機(jī)械系統(tǒng)的組成

機(jī)械系統(tǒng)是研究在規(guī)定完成的任務(wù)情況下，進(jìn)行機(jī)械元件的最佳綜合，使系統(tǒng)的輸入與輸出保持某種因果關(guān)系的學(xué)科。它屬于機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)科的一個(gè)分支。同時(shí)，若干機(jī)械裝置組成的一個(gè)特定系統(tǒng)，機(jī)械零件和構(gòu)件是組成機(jī)械系統(tǒng)的基本要素，它們?yōu)橥瓿梢欢ǖ墓δ芟嗷ヂ?lián)系并分別組成了各個(gè)子系統(tǒng)。如數(shù)控機(jī)床和洗衣機(jī)都是由若干裝置、部件和零件組成的兩種在功能和構(gòu)造上各異的機(jī)械系統(tǒng)。它們都是由有確定的質(zhì)量、剛度和阻尼的物體組成并能完成特定功能的系統(tǒng)。
機(jī)械系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)三大部分，各部分在空間綜合布局時(shí)需要反復(fù)修改、協(xié)調(diào)，即在初始布局完成后，按設(shè)計(jì)流程需進(jìn)行各系統(tǒng)的詳細(xì)沒計(jì)，有必要時(shí)再進(jìn)行布局的調(diào)整，這樣經(jīng)過(guò)修改后才能完成設(shè)備的總體布局設(shè)計(jì)。
二、機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)綜合運(yùn)用了機(jī)械工程、控制系統(tǒng)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和電工技術(shù)等多種技術(shù)，是將計(jì)算機(jī)技術(shù)融合于機(jī)械的信息處理和控制功能中，實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力傳遞和變換．完成設(shè)定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)功能的機(jī)械系統(tǒng)。就功能而言，一臺(tái)現(xiàn)代化的機(jī)械包含四個(gè)組成部分：動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、操縱控制系統(tǒng)。
1.動(dòng)力系統(tǒng)
動(dòng)力系統(tǒng)包括動(dòng)力機(jī)及其配套裝置．是機(jī)械系統(tǒng)工作的動(dòng)力源。按能量轉(zhuǎn)換性質(zhì)的不同，有把自然界的能源(一次能源)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的機(jī)械，如內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)、水輪機(jī)等動(dòng)力機(jī)；有把二次能源(如電能、液能、氣能)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的機(jī)械。如電動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)、氣動(dòng)馬達(dá)等動(dòng)力機(jī)。動(dòng)力機(jī)輸出的運(yùn)動(dòng)通常為轉(zhuǎn)動(dòng)，而且轉(zhuǎn)速較高。選擇動(dòng)力機(jī)時(shí)，應(yīng)傘面考慮執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和工作載荷、機(jī)械系統(tǒng)的使用環(huán)境和工況，以及工作載荷的機(jī)械特性等要求，使系統(tǒng)既有良好的動(dòng)態(tài)性能，又有較好的經(jīng)濟(jì)性。
2.傳動(dòng)系統(tǒng)
傳動(dòng)系統(tǒng)是把動(dòng)力機(jī)的動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞給執(zhí)行系統(tǒng)的中間裝置。傳動(dòng)系統(tǒng)主要有以下幾項(xiàng)功能。
①減速或增速。把動(dòng)力機(jī)的速度降低或提高，以適應(yīng)執(zhí)行系統(tǒng)工作的需要。
②變速。當(dāng)用動(dòng)力機(jī)進(jìn)行變速不經(jīng)濟(jì)、不可能或不能滿足要求時(shí)，可通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)行變速(有級(jí)或無(wú)級(jí))，以滿足執(zhí)行系統(tǒng)多種速度的要求。
③改變運(yùn)動(dòng)規(guī)律或形式。把動(dòng)力機(jī)輸出的均勻、連續(xù)、旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榘茨撤N規(guī)律變化的旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)、連續(xù)或間歇的運(yùn)動(dòng)，或改變運(yùn)動(dòng)方向，以滿足執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)要求。
④傳遞動(dòng)力。把動(dòng)力機(jī)輸出的動(dòng)力傳遞給執(zhí)行系統(tǒng)，供給執(zhí)行系統(tǒng)完成預(yù)定任務(wù)所需的轉(zhuǎn)矩或力。
如果動(dòng)力機(jī)的工作性能完全符合執(zhí)行系統(tǒng)工作的要求，也可省略傳動(dòng)系統(tǒng)，而將動(dòng)力機(jī)與執(zhí)行系統(tǒng)直接連接。
3.執(zhí)行系統(tǒng)
執(zhí)行系統(tǒng)包括機(jī)械的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和執(zhí)行構(gòu)件，它是利用機(jī)械能來(lái)改變作業(yè)對(duì)象的性質(zhì)、狀態(tài)、形狀或位置�；�?qū)ψ鳂I(yè)對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)、度量等，以進(jìn)行生產(chǎn)或達(dá)到其他預(yù)定要求的裝置。不同的功能要求，對(duì)運(yùn)動(dòng)和工作載荷的機(jī)械特性要求也不相同，因而各種機(jī)械系統(tǒng)的執(zhí)行系統(tǒng)也不相同。執(zhí)行系統(tǒng)通常處在機(jī)械系統(tǒng)的末端，直接與作業(yè)對(duì)象接觸，是機(jī)械系統(tǒng)的主要輸出系統(tǒng)。因此，執(zhí)行系統(tǒng)工作性能的好壞，將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。執(zhí)行系統(tǒng)除應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度、壽命等要求外，還應(yīng)滿足運(yùn)動(dòng)精度和動(dòng)力學(xué)特性等要求。
4.操縱控制系統(tǒng)
操縱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)都是為了使動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)彼此協(xié)調(diào)運(yùn)行，并準(zhǔn)確、可靠地完成整機(jī)功能的裝置。二者的主要區(qū)別是：操縱系統(tǒng)一般是指通過(guò)人工操作來(lái)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、離合、制動(dòng)、變速、換向等要求的裝置；控制系統(tǒng)則是指通過(guò)人工操作或測(cè)量元件獲得的控制信號(hào)，經(jīng)由控制器，使控制對(duì)象改變其工作參數(shù)或運(yùn)行狀態(tài)而實(shí)現(xiàn)上述要求的裝置，如伺服機(jī)構(gòu)、自動(dòng)控制裝置等。良好的控制系統(tǒng)可以使機(jī)械處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，提高其運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性，并有較好的經(jīng)濟(jì)性。
此外，根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的功能要求，還有潤(rùn)滑系統(tǒng)、計(jì)數(shù)系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。
三、機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)的蝸輪蝸桿傳動(dòng)
蝸輪蝸桿傳動(dòng)是一種傳統(tǒng)的傳動(dòng)方式，它的優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)很大的傳動(dòng)比，而且機(jī)構(gòu)非常緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪音小。但是，它也存在著致命的缺點(diǎn)，如：傳動(dòng)效率低，壽命不長(zhǎng)，成本較高等。近年來(lái)，渦輪傳動(dòng)的研究主要著眼于渦輪材料以及渦輪蝸桿的加工工藝。
1.探索更好的蝸輪材料
關(guān)于蝸輪材料，國(guó)內(nèi)外做過(guò)很多研究工作。通過(guò)改善蝸輪的材料，可以減小蝸輪蝸桿接觸面間的摩擦力，降低齒面工作溫度，使齒面不容易膠合，從而提高承載能力和效率。例如國(guó)外有研究表明，使用卡普�。ㄒ环N具有高耐磨性的材料）制作的普通圓柱蝸輪，與ZQ419-4 材料制作的普通圓柱蝸輪相比，額定扭矩可提高1～2倍，傳動(dòng)效率可提高5%～20%。再如在碎石送料機(jī)中使用卡普隆蝸輪，可以提高壽命2 倍之多。使用石墨、石英砂填充MC 尼龍材料制作蝸輪，具有良好的自潤(rùn)滑特性，可以提高蝸輪的使用壽命，降低成本。
國(guó)內(nèi)也有很多關(guān)于蝸輪材料的研究，如河南周口石軸瓦廠研制的高耐磨鋅基合金ZnAlCuMn，性能優(yōu)于錫青銅，成本也比錫青銅低很多。
采用高性能的工程塑料制造蝸輪是現(xiàn)在的研究方向之一，一些常用的高性能工程塑料，如聚酰亞胺等，具有良好的機(jī)械性能和耐磨性能。但是它們的合成成本高，成形困難，因此使用范圍很受限制。為了獲得高性能的工程塑料，可以采用對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行填充改性的方法，把各不相同的材料進(jìn)行混合，構(gòu)成復(fù)合材料，而合成的目標(biāo)就是使其具有更高的機(jī)械性能和耐摩擦及耐高溫性能。
2.蝸輪蝸桿加工工藝的改進(jìn)
蝸輪蝸桿在傳動(dòng)過(guò)程中容易磨損，要經(jīng)常更換，又因?yàn)槲佪單仐U有漸開線、阿基米德螺旋線等多種齒面齒形，加工方法都不相同。所以研究蝸輪蝸桿的加工，尤其是蝸桿的加工便成為了很重要的問(wèn)題。近年來(lái)關(guān)于蝸輪蝸桿加工工藝的研究，集中于如何提高加工效率和加工精度這2 個(gè)方面。傳統(tǒng)的加工方法受蝸桿齒形、蝸桿中心距等因素的限制，一種機(jī)床往往只能加工有限的蝸桿種類，效率不高。西華大學(xué)數(shù)控研究所研究的一種四軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床，對(duì)平面二次包絡(luò)蝸桿加工有較強(qiáng)的適應(yīng)性，不受蝸桿中心距的限制，可加工中心距80～500 mm、蝸桿頭數(shù)1～8 頭的相應(yīng)模數(shù)蝸桿，這為蝸桿加工工藝的研究開辟了一條新的道路。
四、機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)的非接觸傳動(dòng)
非接觸傳動(dòng)是通過(guò)電磁感應(yīng)原理來(lái)傳遞動(dòng)力的。與傳統(tǒng)傳動(dòng)方式相比，非接觸傳動(dòng)不需表面接觸，無(wú)磨損，壽命長(zhǎng)。
1.磁力傳動(dòng)的歷史及現(xiàn)狀
磁力傳動(dòng)技術(shù)早在20 世紀(jì)30 年代就已經(jīng)被人們所提出，但是因?yàn)槭艿接来挪牧习l(fā)展的制約，一直沒能取得較大的進(jìn)展。近年來(lái)，隨著稀土永磁材料的發(fā)展和應(yīng)用，磁力傳動(dòng)技術(shù)有了很大的發(fā)展，如采用釤鈷永磁體材料制成的磁力驅(qū)動(dòng)器，在傳遞相同轉(zhuǎn)矩時(shí)，與采用鐵氧體永磁材料制成的磁力驅(qū)動(dòng)器相比，質(zhì)量差距很大。釹鐵硼永磁體的磁能積已達(dá)到以上，從而可使磁力驅(qū)動(dòng)器傳遞扭矩的能力提高3～4 倍，傳遞的最大功率已達(dá)到400 kW。到目前為止，磁力傳動(dòng)設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油、化工、制藥等許多領(lǐng)域中。
磁力傳動(dòng)技術(shù)在泵工業(yè)上的應(yīng)用最為典型。目前英國(guó)的HMD無(wú)密封泵公司，Seal Loss 無(wú)密封泵公司，德國(guó)的Dicker 泵公司及Klaus、Kcacs 泵公司，美國(guó)的Dresser 泵公司都在從事磁力驅(qū)動(dòng)泵的研制。這些公司生產(chǎn)的磁力驅(qū)動(dòng)泵機(jī)構(gòu)相近，功率大多在2.2～7.5 kW。目前，國(guó)際上功率最大的磁力驅(qū)動(dòng)泵可以做到300 kW 以上，英國(guó)的HMD 公司今年研制的兩級(jí)磁力驅(qū)動(dòng)泵，其功率可達(dá)350 kW。我國(guó)甘肅省科學(xué)院磁性器件研究院較早開展了磁力驅(qū)動(dòng)泵的研制，試制了稀土鈷磁力驅(qū)動(dòng)器和磁力驅(qū)動(dòng)泵的系列產(chǎn)品，其磁力驅(qū)動(dòng)泵功率可達(dá)185 kW。
2.磁力傳動(dòng)的技術(shù)特點(diǎn)
1)無(wú)摩擦，無(wú)需潤(rùn)滑
由于感應(yīng)傳動(dòng)器件在傳遞動(dòng)力的過(guò)程中無(wú)接觸，無(wú)摩擦，這就從根本上消除了摩擦磨損現(xiàn)象。沒有摩擦磨損，也就不需要接觸面的潤(rùn)滑，所以磁力傳動(dòng)不需要定期更換潤(rùn)滑劑，減少了維護(hù)費(fèi)用。
2)無(wú)振動(dòng)
傳統(tǒng)的傳動(dòng)形式如齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)都要求有較高的制造精度、安裝精度、接觸表面粗糙度，否則會(huì)引起強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲。而非接觸式傳動(dòng)因?yàn)椴淮嬖诮佑|表面，因此對(duì)器件表面粗糙度、制造安裝精度等要求較低，也不會(huì)引起振動(dòng)。
3)傳動(dòng)效率高
磁力傳動(dòng)的另一個(gè)特點(diǎn)在于傳動(dòng)效率高。傳統(tǒng)的傳動(dòng)形式，需要消耗很大的功率來(lái)克服接觸面間的摩擦阻力。而磁力傳動(dòng)的主要功率損失在于導(dǎo)體對(duì)磁場(chǎng)的感應(yīng)，這可以通過(guò)選用絕緣材料制作機(jī)體來(lái)消除。但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，因?yàn)榭紤]到機(jī)體的磁屏蔽作用，我們不可能全部使用絕緣材料。因此，合理選用機(jī)體材料，科學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，以便把感應(yīng)損耗降到最低，這樣才能達(dá)到更高的傳動(dòng)效率。
4)使用壽命長(zhǎng)
傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)壽命主要表現(xiàn)在疲勞壽命和磨損壽命，而感應(yīng)傳動(dòng)無(wú)接觸，無(wú)磨損，因此使用壽命長(zhǎng)。但是磁力傳動(dòng)機(jī)械的使用壽命受永磁體磁性材料壽命的影響，永磁體在溫度過(guò)高時(shí)會(huì)發(fā)生退磁現(xiàn)象，影響壽命。目前磁性材料耐溫可達(dá)150 ℃，一般的傳動(dòng)過(guò)程不需要這么高的溫度。
5)高速性能好
傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)時(shí)，會(huì)因?yàn)槟Σ�、振�?dòng)而導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱，產(chǎn)生噪聲，這嚴(yán)重制約著傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。而非接觸傳動(dòng)不存在這些問(wèn)題，唯一的制約因素就在于軸承。隨著磁懸浮軸承等技術(shù)的采用，非接觸傳動(dòng)的傳動(dòng)速度將可達(dá)傳統(tǒng)傳動(dòng)速度的幾十倍甚至上百倍。
3.磁力傳動(dòng)存在的問(wèn)題
縱然磁力傳動(dòng)的好處很多，但其同樣存在著很多問(wèn)題制約著它的發(fā)展。首先，磁場(chǎng)的存在會(huì)干擾周圍的環(huán)境，有可能使周圍環(huán)境中存在的儀器和設(shè)備工作不正常。其次，在啟動(dòng)過(guò)程中，主動(dòng)磁轉(zhuǎn)子的磁轉(zhuǎn)角與從動(dòng)磁轉(zhuǎn)子的磁轉(zhuǎn)角存在著轉(zhuǎn)角差并隨時(shí)間變化而變化；在正常運(yùn)轉(zhuǎn)中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)磁場(chǎng)力矩也同樣發(fā)生變化。這就會(huì)導(dǎo)致磁力傳動(dòng)設(shè)備在啟動(dòng)過(guò)程中容易產(chǎn)生滯后。對(duì)于要求精確傳動(dòng)的設(shè)備不易使用磁力傳動(dòng)。
五、結(jié)語(yǔ)
對(duì)于其他的機(jī)械傳動(dòng)元件，如聯(lián)軸器、離合器、滾珠絲杠等，都可以從元件的材料、加工工藝等方面嘗試加以改進(jìn)。而材料科學(xué)的發(fā)展，陶瓷材料、高分子聚合物、納米材料、智能材料等，因?yàn)槠洫?dú)特的機(jī)械特性和摩擦特性，也必將對(duì)機(jī)械傳動(dòng)元件的改進(jìn)與發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用。同時(shí)，隨著太空、深海等技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用于極端特殊條件下，如超高溫、超低溫、真空、強(qiáng)腐蝕等條件下的機(jī)械傳動(dòng)元件的開發(fā)也為我們提出了新的課題與挑戰(zhàn)。

機(jī)械系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)工作原理及機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)

我們的優(yōu)勢(shì)：