机械系统

机械系统 图片来自知乎

机械系统是机电一体化系统的最基本要素，主要用于执行机构、传动机构和支承部件，以完成规定的动作，传递功率、运动和信息，支承连接相关部件等。机械系统通常是微型计算机控制伺服系统的有机组成部分，因此在机械系统设计时，除考虑一般机械设计要求外，还必须考虑机械结构因素与整个伺服系统的性能参数、电气参数的匹配，以获得良好的伺服性能。

目录

介绍

机械系统是研究在规定完成的任务情况下，进行机械元件的最佳综合，使系统的输入与输出保持某种因果关系的学科。它属于机械设计学科的一个分支。由若干机械装置组成的一个特定系统，称为机械系统。机械零件和构件是组成机械系统的基本要素，它们为完成一定的功能相互联系并分别组成了各个子系统。如数控机床和洗衣机都是由若干装置、部件和零件组成的两种在功能和构造上各异的机械系统。它们都是由有确定的质量、刚度和阻尼的物体组成并能完成特定功能的系统。

机械系统主要包括驱动系统、传动系统和执行系统三大部分，各部分在空间综合布局时需要反复修改、协调，即在初始布局完成后，按设计流程需进行各系统的详细没计，有必要时再进行布局的调整，这样经过修改后才能完成设备的总体布局设计。

组成

随着科技的发展，机械的内涵不断变化。机电一体化已成为现代机械的最主要特征，机电一体化拓展到光、机、电、声、控制等多学科的有机融合。现代机械系统综合运用了机械工程、控制系统、电子技术、计算机技术和电工技术等多种技术，是将计算机技术融合于机械的信息处理和控制功能中，实现机械运动、动力传递和变换．完成设定的机械运动功能的机械系统。就功能而言，一台现代化的机械包含四个组成部分。

动力系统

动力系统包括动力机及其配套装置．是机械系统工作的动力源。按能量转换性质的不同，有把自然界的能源(一次能源)转变为机械能的机械，如内燃机、汽轮机、水轮机等动力机；有把二次能源(如电能、液能、气能)转变为机械能的机械。如电动机、液压马达、气动马达等动力机。动力机输出的运动通常为转动，而且转速较高。选择动力机时，应伞面考虑执行系统的运动和工作载荷、机械系统的使用环境和工况，以及工作载荷的机械特性等要求，使系统既有良好的动态性能，又有较好的经济性。

传动系统

传动系统是把动力机的动力和运动传递给执行系统的中间装置。传动系统主要有以下几项功能。

①减速或增速。把动力机的速度降低或提高，以适应执行系统工作的需要。

②变速。当用动力机进行变速不经济、不可能或不能满足要求时，可通过传动系统实行变速(有级或无级)，以满足执行系统多种速度的要求。

③改变运动规律或形式。把动力机输出的均匀、连续、旋转的运动转变为按某种规律变化的旋转或非旋转、连续或间歇的运动，或改变运动方向，以满足执行系统的运动要求。

④传递动力。把动力机输出的动力传递给执行系统，供给执行系统完成预定任务所需的转矩或力。

如果动力机的工作性能完全符合执行系统工作的要求，也可省略传动系统，而将动力机与执行系统直接连接。

执行系统

执行系统包括机械的执行机构和执行构件，它是利用机械能来改变作业对象的性质、状态、形状或位置。或对作业对象进行检测、度量等，以进行生产或达到其他预定要求的装置。不同的功能要求，对运动和工作载荷的机械特性要求也不相同，因而各种机械系统的执行系统也不相同。执行系统通常处在机械系统的末端，直接与作业对象接触，是机械系统的主要输出系统。因此，执行系统工作性能的好坏，将直接影响整个系统的性能。执行系统除应满足强度、刚度、寿命等要求外，还应满足运动精度和动力学特性等要求。

操纵控制系统

操纵系统和控制系统都是为了使动力系统、传动系统、执行系统彼此协调运行，并准确、可靠地完成整机功能的装置。二者的主要区别是：操纵系统一般是指通过人工操作来实现启动、离合、制动、变速、换向等要求的装置；控制系统则是指通过人工操作或测量元件获得的控制信号，经由控制器，使控制对象改变其工作参数或运行状态而实现上述要求的装置，如伺服机构、自动控制装置等。良好的控制系统可以使机械处于最佳运行状态，提高其运行稳定性和可靠性，并有较好的经济性。

此外，根据机械系统的功能要求，还有润滑系统、计数系统、行走系统、转向系统等。

特性

整体性

机械系统是由若干个子系统构成的统一体，虽然各子系统具有各自不同的性能，但它们在结合时必须服从整体功能的要求，相互问必须协调和适应。一个系统整体功能的实现，并不是某个子系统单独作用的结果；一个系统的好坏。最终体现在其整体功能上。因此，必须从全局出发。确定各子系统的性能和它们之间的联系。设计中并不要求所有子系统都具有完善的性能，即使某些子系统的性能并不完善。但如能与其他相关子系统在性能上总体地协调，一般也可使整个系统具有满意的功能。

系统是不能分割的，即不能把一个系统分割成相互独立的子系统，因为机械系统的整体性反映在子系统之间的有机联系上；正是这种联系，才使各子系统组成一个整体，若失去了这种联系，整个系统也就不存在了。实际系统往往是很复杂的，为了研究的方便，可以根据需要把一个系统分解成若干个子系统。分解系统与分割系统是完全不同的，因为在分解系统时始终没有忘记它们之间的联系．分解后的子系统都不是独立的，它们之间的联系可分别用相应子系统的输入与输出表示。

相关性

系统内部各子系统之间是有机联系的。它们之问相互作用、相互影响，形成了特定的关系，如系统的输入与输出之间的关系、各子系统之间的层次联系、各子系统的性能与系统整体特定功能之间的联系等。取决于各子系统在系统内部的相互作用和相互影响的有机联系。某一子系统性能的改变．将对整个系统的性能产生影响。

目的性

系统的价值体现在其功能上，完成特定的功能是系统存在的目的。因此，系统应实现所要求的功能。排除或减少有害的干扰。

环境适应性

任何系统都存在于一定的物质环境中。外部环境的变化。会使系统的输入发生变化．甚至产生干扰，引起系统功能的变化。好的系统应具备较强的环境适应性。

数学模型

分析任何一种动态系统，都应首先建立它的数学模型(Mathenlatica]Model)，建立一个合理的数学模型是分析过程的关键。模型是为研究系统而构造的用来收集有关信息的替代物，利用这些信息预测系统的性能或运动状态进行设计或控制。机械系统的数学模型是指对机械系统动态特性的数学描述，通常机械系统的数学模型是用微分方程来描述的。

机械系统的数学模型通常可分为离散系统和连续系统两大类；也可以根据描述系统的微分方程是否为线性的，分为线性系统和非线性系统；有时也根据其数学模型的确定性、随机性和模糊性进行分类。

系统集成

机械系统集成设计关键是做好总体布局，协调工艺艺动作，同时保证与人、环境等外部系统协调相适应，即机械系统集成设计需要考虑两个方面内容：设备技术功能和其他延伸功能的实现。这要求设计者根据设备生产或应用时物流的走向，构思各部件特别是执行部件(或执行机构)在空间和时间上的连接和协调，同时也需要考虑控制系统布局，完成设备总体布局，以实现设备的技术功能。此外，还需同时结合人机工程设计、造型设计，使设备与人、环境等外部系统相适应和偕，提高设备的人机工效，增强设备的艺术功能，以求设计更臻完善。

机械系统总体布局主要是围绕所设计的设备的功能进行的。为了实现设备的总功能，一般由若干分功能对应的机械部件按工艺动作要求逐一集成在一起的。闪此，系统总体布局时，除需考虑设备造型、人机关系外，关键是要考虑两个“协调”：一是各机械部件在空间位置上协调，如流水线工位的位置确定、相关工艺动作的相对空间布置；二是各机械部件的运动执行构件在时间顺序上协调，如若干执行件动作的先后顺序设计、时间问隔设计等，这样才能保证工艺运动协调，实现设备的总功能。

工程应用

机械系统已应用于各种现代机械，功用各异。最常见的有，冶金机械、矿山机械、工程运输机械、金属切削机床等。

除机械设备外，一些电气设备及其他装置的执行机构，也常是由机械系统组成的。机械系统的大小可因所研究的任务而有所不同：由构件经运动副连接组成的机构，如凸轮机构、曲柄连杆机构、齿轮传动箱等；由原动机、传动机构和执行机构组成的机器，如牛头刨床、冲压机等；由机械和控制元件组成的整机，如机器人、数控机床等。

在工程应用中，需要从系统的角度对机械设备进行设计与分析，例如研究齿轮传动箱时，需要综合考虑齿轮传动箱内部各元件如齿轮、轴、轴承等的协调配合，不得出现卡死、干涉等现象，这样才能保证齿轮传动箱实现其自身功能，发挥其作用与任务。除了系统中各个元件协调工作外，系统与系统之间也必须协调工作，配合默契，并且还要考虑环境因素(系统边界条件)