機械系統

機械系統 圖片來自知乎

機械系統是機電一體化系統的最基本要素，主要用於執行機構、傳動機構和支承部件，以完成規定的動作，傳遞功率、運動和信息，支承連接相關部件等。機械系統通常是微型計算機控制伺服系統的有機組成部分，因此在機械系統設計時，除考慮一般機械設計要求外，還必須考慮機械結構因素與整個伺服系統的性能參數、電氣參數的匹配，以獲得良好的伺服性能。

目錄

介紹

機械系統是研究在規定完成的任務情況下，進行機械元件的最佳綜合，使系統的輸入與輸出保持某種因果關係的學科。它屬於機械設計學科的一個分支。由若干機械裝置組成的一個特定系統，稱為機械系統。機械零件和構件是組成機械系統的基本要素，它們為完成一定的功能相互聯繫並分別組成了各個子系統。如數控機床和洗衣機都是由若干裝置、部件和零件組成的兩種在功能和構造上各異的機械系統。它們都是由有確定的質量、剛度和阻尼的物體組成並能完成特定功能的系統。

機械系統主要包括驅動系統、傳動系統和執行系統三大部分，各部分在空間綜合布局時需要反覆修改、協調，即在初始布局完成後，按設計流程需進行各系統的詳細沒計，有必要時再進行布局的調整，這樣經過修改後才能完成設備的總體布局設計。

組成

隨着科技的發展，機械的內涵不斷變化。機電一體化已成為現代機械的最主要特徵，機電一體化拓展到光、機、電、聲、控制等多學科的有機融合。現代機械系統綜合運用了機械工程、控制系統、電子技術、計算機技術和電工技術等多種技術，是將計算機技術融合於機械的信息處理和控制功能中，實現機械運動、動力傳遞和變換．完成設定的機械運動功能的機械系統。就功能而言，一台現代化的機械包含四個組成部分。

動力系統

動力系統包括動力機及其配套裝置．是機械系統工作的動力源。按能量轉換性質的不同，有把自然界的能源(一次能源)轉變為機械能的機械，如內燃機、汽輪機、水輪機等動力機；有把二次能源(如電能、液能、氣能)轉變為機械能的機械。如電動機、液壓馬達、氣動馬達等動力機。動力機輸出的運動通常為轉動，而且轉速較高。選擇動力機時，應傘面考慮執行系統的運動和工作載荷、機械系統的使用環境和工況，以及工作載荷的機械特性等要求，使系統既有良好的動態性能，又有較好的經濟性。

傳動系統

傳動系統是把動力機的動力和運動傳遞給執行系統的中間裝置。傳動系統主要有以下幾項功能。

①減速或增速。把動力機的速度降低或提高，以適應執行系統工作的需要。

②變速。當用動力機進行變速不經濟、不可能或不能滿足要求時，可通過傳動系統實行變速(有級或無級)，以滿足執行系統多種速度的要求。

③改變運動規律或形式。把動力機輸出的均勻、連續、旋轉的運動轉變為按某種規律變化的旋轉或非旋轉、連續或間歇的運動，或改變運動方向，以滿足執行系統的運動要求。

④傳遞動力。把動力機輸出的動力傳遞給執行系統，供給執行系統完成預定任務所需的轉矩或力。

如果動力機的工作性能完全符合執行系統工作的要求，也可省略傳動系統，而將動力機與執行系統直接連接。

執行系統

執行系統包括機械的執行機構和執行構件，它是利用機械能來改變作業對象的性質、狀態、形狀或位置。或對作業對象進行檢測、度量等，以進行生產或達到其他預定要求的裝置。不同的功能要求，對運動和工作載荷的機械特性要求也不相同，因而各種機械系統的執行系統也不相同。執行系統通常處在機械系統的末端，直接與作業對象接觸，是機械系統的主要輸出系統。因此，執行系統工作性能的好壞，將直接影響整個系統的性能。執行系統除應滿足強度、剛度、壽命等要求外，還應滿足運動精度和動力學特性等要求。

操縱控制系統

操縱系統和控制系統都是為了使動力系統、傳動系統、執行系統彼此協調運行，並準確、可靠地完成整機功能的裝置。二者的主要區別是：操縱系統一般是指通過人工操作來實現啟動、離合、制動、變速、換向等要求的裝置；控制系統則是指通過人工操作或測量元件獲得的控制信號，經由控制器，使控制對象改變其工作參數或運行狀態而實現上述要求的裝置，如伺服機構、自動控制裝置等。良好的控制系統可以使機械處於最佳運行狀態，提高其運行穩定性和可靠性，並有較好的經濟性。

此外，根據機械系統的功能要求，還有潤滑系統、計數系統、行走系統、轉向系統等。

特性

整體性

機械系統是由若干個子系統構成的統一體，雖然各子系統具有各自不同的性能，但它們在結合時必須服從整體功能的要求，相互問必須協調和適應。一個系統整體功能的實現，並不是某個子系統單獨作用的結果；一個系統的好壞。最終體現在其整體功能上。因此，必須從全局出發。確定各子系統的性能和它們之間的聯繫。設計中並不要求所有子系統都具有完善的性能，即使某些子系統的性能並不完善。但如能與其他相關子系統在性能上總體地協調，一般也可使整個系統具有滿意的功能。

系統是不能分割的，即不能把一個系統分割成相互獨立的子系統，因為機械系統的整體性反映在子系統之間的有機聯繫上；正是這種聯繫，才使各子系統組成一個整體，若失去了這種聯繫，整個系統也就不存在了。實際系統往往是很複雜的，為了研究的方便，可以根據需要把一個系統分解成若干個子系統。分解系統與分割系統是完全不同的，因為在分解系統時始終沒有忘記它們之間的聯繫．分解後的子系統都不是獨立的，它們之間的聯繫可分別用相應子系統的輸入與輸出表示。

相關性

系統內部各子系統之間是有機聯繫的。它們之問相互作用、相互影響，形成了特定的關係，如系統的輸入與輸出之間的關係、各子系統之間的層次聯繫、各子系統的性能與系統整體特定功能之間的聯繫等。取決於各子系統在系統內部的相互作用和相互影響的有機聯繫。某一子系統性能的改變．將對整個系統的性能產生影響。

目的性

系統的價值體現在其功能上，完成特定的功能是系統存在的目的。因此，系統應實現所要求的功能。排除或減少有害的干擾。

環境適應性

任何系統都存在於一定的物質環境中。外部環境的變化。會使系統的輸入發生變化．甚至產生干擾，引起系統功能的變化。好的系統應具備較強的環境適應性。

數學模型

分析任何一種動態系統，都應首先建立它的數學模型(Mathenlatica]Model)，建立一個合理的數學模型是分析過程的關鍵。模型是為研究系統而構造的用來收集有關信息的替代物，利用這些信息預測系統的性能或運動狀態進行設計或控制。機械系統的數學模型是指對機械系統動態特性的數學描述，通常機械系統的數學模型是用微分方程來描述的。

機械系統的數學模型通常可分為離散系統和連續系統兩大類；也可以根據描述系統的微分方程是否為線性的，分為線性系統和非線性系統；有時也根據其數學模型的確定性、隨機性和模糊性進行分類。

系統集成

機械系統集成設計關鍵是做好總體布局，協調工藝藝動作，同時保證與人、環境等外部系統協調相適應，即機械系統集成設計需要考慮兩個方面內容：設備技術功能和其他延伸功能的實現。這要求設計者根據設備生產或應用時物流的走向，構思各部件特別是執行部件(或執行機構)在空間和時間上的連接和協調，同時也需要考慮控制系統布局，完成設備總體布局，以實現設備的技術功能。此外，還需同時結合人機工程設計、造型設計，使設備與人、環境等外部系統相適應和偕，提高設備的人機工效，增強設備的藝術功能，以求設計更臻完善。

機械系統總體布局主要是圍繞所設計的設備的功能進行的。為了實現設備的總功能，一般由若干分功能對應的機械部件按工藝動作要求逐一集成在一起的。閃此，系統總體布局時，除需考慮設備造型、人機關係外，關鍵是要考慮兩個「協調」：一是各機械部件在空間位置上協調，如流水線工位的位置確定、相關工藝動作的相對空間布置；二是各機械部件的運動執行構件在時間順序上協調，如若干執行件動作的先後順序設計、時間問隔設計等，這樣才能保證工藝運動協調，實現設備的總功能。

工程應用

機械系統已應用於各種現代機械，功用各異。最常見的有，冶金機械、礦山機械、工程運輸機械、金屬切削機床等。

除機械設備外，一些電氣設備及其他裝置的執行機構，也常是由機械系統組成的。機械系統的大小可因所研究的任務而有所不同：由構件經運動副連接組成的機構，如凸輪機構、曲柄連杆機構、齒輪傳動箱等；由原動機、傳動機構和執行機構組成的機器，如牛頭刨床、衝壓機等；由機械和控制元件組成的整機，如機器人、數控機床等。

在工程應用中，需要從系統的角度對機械設備進行設計與分析，例如研究齒輪傳動箱時，需要綜合考慮齒輪傳動箱內部各元件如齒輪、軸、軸承等的協調配合，不得出現卡死、干涉等現象，這樣才能保證齒輪傳動箱實現其自身功能，發揮其作用與任務。除了系統中各個元件協調工作外，系統與系統之間也必須協調工作，配合默契，並且還要考慮環境因素(系統邊界條件)