第3章　机械创新设计的技术基础

3.1　机器的组成分析

3.1.1　机械及其分类

（1）机构、机器及机械的概念

随着科学技术的发展，机构、机器和机械的概念在发展，但它们的机械功能是不变的。目前，机器种类繁多，遍及整个制造业，例如内燃机、起重机、挖土机、加工中心、3D打印机等。随着各个行业发展的需要，各种新颖形式的机器层出不穷，但无论是现有机器还是创新机器都具有机器的共同特征。现代机器应定义为：机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料与信息。现代化机器的组成比较复杂，通常由控制系统、信息测量和处理系统、动力系统及传动和执行机构系统等组成。现代化机器中的控制和信息处理是由计算机完成的。不管现代化机器如何先进，机械装置皆用于产生确定的机械运动，并通过机械运动来完成有用的工作过程。因此，实现机械运动的传递和执行的机构系统是机器设计的核心，机器中各个机构通过有序的运动和动力传递最终实现其设计功能。

机构是执行机械运动的装置。因此，机构是把一个或几个构件的运动变换成其他构件所需的具有确定运动的构件系统。从现代机器发展趋势来看，机构中的各构件可以都是刚性构件，也可以令某些构件是柔性构件、弹性构件、液体、气体或电磁体等。现代机器的产生和发展提出了广义机构的新概念，它将各种驱动元件与构件融合在一起。

机械系统是一个广义的概念，它的内涵要按分析研究的对象加以具体化。广义的机械系统定义是：由各个机械基本要素组成的，能够完成所需的动作（或动作过程），实现机械能变化以及代替人类劳动的系统。机械系统的特点是必须完成动作传递和变化、机械能的利用，这是机械系统区别于其他系统的关键所在。机器的种类繁多，结构也愈来愈复杂，但从实现机器功能的角度来看，一般应该包括下列一些子系统：动力系统、传动-执行系统、操作系统及控制系统等。从完成机器的工作过程需要来考虑，传动-执行系统是机器功能的核心。从系统设计的角度来看，把机械系统界定为机器是比较合理的，有利于开展机器的创新设计。从机械运动学观点看，机构和机器没有差别，所以可以把二者统称为机械。在实际生产过程中，还将多种机器组合起来，共同完成比较复杂的工作过程，这种机器系统称为生产线。

（2）机器的基本特征

任何机器从总体上看是实现某种能量流、物质流和信息流传递和交换的，如图3-1所示。任何一种机器都是实现输入的能量、物料、信息和输出的能量、物料、信息的函数关系的机械装置。新机器的设计就是为了建立实现这种函数关系的机械系统。

能量流是机械系统完成特定工作过程所需的能量形态变化和实现动作过程所需的动力，没有能量流也就不存在机械系统的工作过程。能量的类型也是多种多样的，例如机械能、热能、电能、光能、化学能、太阳能、核能、生物能等。机械系统的动能和位能均属于机械能。电动机将电能变换成机械能；内燃机将燃油的化学能通过燃烧变成热能，再由热能变换成机械能；发电机将机械能变成电能；压气机将机械能变换成气体的位能等。

物质流在机械系统中存在的主要形式是物料流，它是机械系统完成特定功能过程中的工作对象和载体，没有物料流也就体现不出机械系统的工作过程和工作特点。物料流是物料的运动形式变化、物料的构型变化以及两种以上物料的包容和混合等的物料变化过程。机械系统的物料只有形态、构型、包容、混合的变化，即物料只产生物理的、机械的变化。金属切削机床是将金属毛坯通过上料、切削、下料得到所需形态的零件；织布机械是将纱线织成布匹；包装机械是将物件包入包装容器；汽车是将人或货物运送到指定场所；挖土机是将土壤挖开并运送土块。物质流细化后可以较全面地反映机械系统的工作特点和工作过程，有利于区别机械系统的工作类别。物质流的变化过程和变化规律代表了机械系统的工作机理，这是机械系统设计的重要依据。

信息流是反映信号、数据的监测、传输、变换和显示的过程。信息的种类是多种多样的，例如某些物理量信号、机械运动状态参数、图形显示、数据传输等。信息流主要反映了机械系统信号和数据的传递、工作过程的基本特点以及如何实现机械系统操作和控制等，对了解一个机械系统具有重要的意义。在工作机器中，信息流对实现机械系统的操作和控制是必不可少的，例如加工中心的工作过程是根据给定的信息和数据来控制的。在信息机器中，信息流的作用更加突出，例如照相机根据所拍摄景象的远近、外界光线的强弱确定距离、光圈大小以及曝光时间，最终通过成像原理获得清晰的景象。

由上述分析可见，任何一台机器的主要特征都是从能量流、物质流和信息流中体现出来的。动力机器的基本特征是机械能与其他形式能量的互变，工作机器的基本特征是搬移物料或改变物料构形，信息机器的主要特征是传递和变换信息。要设计一台新机器首先应剖析其能量流、物质流和信息流：即从能量流、物质流和信息流着手，构思各种供选择的能量流、物质流和信息流就可得到多种新机器方案。

（3）机械的分类

不管现代机器如何先进，机器与其他装置的主要不同点是产生确定的机械运动，完成有用的工作过程，随之也发生能量的交换。无论是动力机、工作机还是信息机，它们的工作原理虽然各不相同，但都必须产生有序的运动和动力传递，并最终实现功和能的交换，完成特有的工作过程。有序运动和动力的传递主要是依靠机器的运动系统，也就是传动-执行机构系统。因此，机械运动方案设计就成为机器设计的关键。按机器的工作类型来划分机器，可以将众多的机器分成动力机、工作机和信息机三种类型，这将有利于寻找机器设计的一般规律，根据机器的工作特点来进行机械运动系统的创新设计。

①动力机。它一般也叫原动机，是一种以能量转换为主的机械。动力机的设计要涉及其他形式能量与机械能互换的基本原理。动力机所涉及的执行机构一般并不复杂，而能量变换原理则往往成为这种机器设计的关键。

按转换能量的方式可分为四大类。第一类有三相交流异步电动机、单相交流异步电动机、直流电动机、步进电动机等，它们都是把电能转化力机械能的机器。这类动力机器的设计主要应用电磁理论和电工学。第二类有柴油机、汽油机、蒸汽机、燃气轮机、原子能发动机等，它们将燃油或煤燃烧后使其由化学能变成热能，形成高压燃气或高压蒸汽，由此产生机械能。对于这种动力机器，关键是如何有效地将化学能变成热能，而由热能转换成机械能的机械装置其结构一般不太复杂。这类动力机器的设计较多地涉及热能学科。第三类有水轮机、风力机、潮汐发动机、地热发动机、太阳能发动机等，它们都是把自然力转化为机械能的机器。第四类有压气机、水泵、发电机等，它们都是机械能变换成其他形式的能的机器。这类动力机器的设计需按相关的转换原理，涉及各种专业知识。

根据原动机输出的运动函数的数学性质，还可把原动机划分为线性原动机和非线性原动机。当原动机输出的位移（或转角）函数为时间的线性函数时，称为线性原动机。如交、直流电动机是线性原动机。当原动机输出的位移（或转角）函数为时间的非线性函数时，称为非线性原动机。如步进电动机、伺服电动机是非线性原动机。非线性原动机包括控制系统，也可作为线性原动机使用，其最大特点是具有可控性。弹簧力、重力、电磁力、记忆合金的热变形力都可以提供驱动力，但已不属于原动机的范畴。

在有电力供应的地方，优先考虑使用各类电动机。三相交流异步电动机因其体积小、力矩大，常作为工、矿、企业等单位动力设备的原动机。单相交流异步电动机因其使用方便，在电冰箱、洗衣机、空调、吸尘器等家用电器中得到广泛应用。直流电动机因其可以进行调速，易于实行自动控制，在机电一体化设备中得到广泛应用。在要求分度或步进运动的场合，可考虑使用步进电动机。在远离电源或要求大面积移动的地方，内燃机得到广泛应用。柴油机提供的功率比汽油机大，重载车辆大都使用柴油机作动力机。

动力机与环境相互作用又相互依存，随着工业建设的发展，环境污染日益严重，环境保护的呼声渐高。研制、使用无污染的动力机已是当务之急。核动力机及利用自然能源的动力机正在逐步普及；太阳能汽车已经问世；水轮机已作为水力发电设备中的原动机；汽轮机已作为火力发电设备中的原动机；风力机也已作为风力发电设备中的原动机等。这些利用自然能源的动力机为发展国民经济和净化环境起了很大作用。

②工作机。工作机是指以机械能来搬移物料或改变物料的构形为主的机械。由于工作机是完成各种复杂动作的机械，它不仅有运动精度的要求，也有强度、刚度、安全性、可靠性的要求。工作机器种类繁多，是三类机器中类别最多的一类。过去这类机器往往按行业来分，作业机械、交通运输机械、起重机械、印刷机械、纺织机械、水力机械、矿山机械、冶金机械、化工机械等；也可按轻工机械和重工机械划分。

③信息机。信息机是指以传递和变换信息为主的机器，例如，复印机、打印机、绘图机、传真机、照相机等都属于信息机。信息机由于其工作原理的不同，具体的结构形式也多种多样。信息机是精密仪器技术、传感技术、计算机控制技术、微电机技术等多种技术的融合体，是典型的机电一体化产品。例如，打印机由打印机构、字车机构、走纸机构三部分组成；静电复印机由曝光、控制、成像以及搓纸、输纸、图像转印四部分组成；绘图机通过接口接收计算机输出的信息，经过控制电路由X轴步进电动机和Y轴步进电动机发出绘图指令，由电动机驱动滑臂和笔爪滑架移动，同时逻辑电路控制绘图笔运动，在绘图纸上绘制所需图形。信息机器的设计要求对文字、图像、数据等的传递、变换、显示和记录等工作原理和实现技术要有全面的掌握。信息机器虽然种类不多，但是设计难度较大，而且这类机器更新速度较快，机电一体化水平较高。

3.1.2　机器的组成及基本形式

一般情况下，机器由原动机、传动机构、执行机构、控制系统组成，如图3-2所示。原机为系统提供能量和运动的驱动力。它接受控制系统发出的控制指令和信号，驱动传动机构和执行机构工作。传动机构的功能反映驱动与执行机构间运动和动力的传递，包括运动形式、方向、大小、性质的变化。传动机构有机械式、液气压式、电气式及它们的组合式。执行机构是指机器进行工作的机构。有些机械没有传动机构，而是由原动机直接驱动执行机构。如水力发电机组、电风扇、鼓风机等都没有传动机构。随着电机及其调速技术的发展，无传动机构的机械有增加的趋势。从机构学的角度看问题，传动机构和工作执行机构是相同的，二者又称机械运动系统。控制系统可以是手柄、按钮式的简单装置或电路，也可以是集微机、传感器、各类电子元件为一体的强、弱电相结合的自动化控制系统。控制系统可以对原动机直接进行控制，也可通过控制元件对传动机构或工作机构进行控制。

例如，电梯作为典型的机电一体化大型复杂产品，其中机械部分相当于人的躯体，电气部分相当于人的神经，两者高度合一，使其成为现代科技的综合产品。图3-3所示的电梯的机械部分由曳引系统、轿厢和门系统、平衡系统、导向系统以及机械安全保护装置等部分组成；电气控制部分由电力拖动系统、运行逻辑功能控制系统和电气安全保护等系统组成。从图3-3中可见，曳引机悬挂在曳引轮上，一端与轿厢连接，而另一端与对重连接。随着曳引机上的曳引轮的转动，靠钢丝绳与曳引轮槽之间的摩擦力，使轿厢与对重沿着各自的导轨，在井道中做一升一降的相反运动。

曳引机和驱动主机是电梯、自动扶梯、自动人行道的核心驱动部件，称为电梯的“心脏”。它一般由曳引电动机、制动器、曳引轮、盘车手轮等组成。根据电动机与曳引轮之间是否有减速箱，又可分为有齿曳引机和无齿曳引机。有齿曳引机的电动机通过减速箱驱动曳引轮，降低了电动机的输出转速，提高了输出转矩，其发展依次出现了蜗轮蜗杆减速器曳引机、斜齿轮减速器曳引机、行星齿轮减速器曳引机（包括谐波齿轮和摆线针轮）。无齿曳引机的电动机直接驱动曳引轮，没有机械减速装置，永磁同步无齿轮曳引机为第四代曳引机。皮带传动曳引机为第五代曳引机（见图3-4），目前几乎所有的指标均全面超越前面四代。

根据原动机、传动机构、执行机构的不同组合以及机械系统运动输出特性的不同，机械系统的基本组成形式如表3-1所示。表3-1中的线性机构是指机构传动函数为线性函数的机构，如齿轮机构、螺旋传动机构、带传动机构及链传动机构等。机构传动函数为非线性函数的机构，则称为非线性机构，如凸轮机构、连杆机构、间歇运动机构等。其中，类型1和2是最基本、最常见的机械系统。如电动卷扬机属类型1，颚式破碎机属类型2。类型5在数控机床、机器人等自动机械中得到了较广泛的应用。其他类型则少见其应用。

3.1.3　机械系统的发展

根据机械系统的运动是否具有可控制性，可把机械系统分为刚性机械系统和柔性机械系统。

①刚性机械系统。刚性机械系统一般泛指机械装置与电气装置独立组合的机械系统，只有简单的开、关、正反转、停止等独立的控制要求，其运动不具有可控性。许多传统的机械，如车床、铣床、刨床、钻床、起重机等都属于刚性机械系统。

②柔性机械系统。柔性机械系统可借助传感器或控制电路，通过微机按位置、位移、速度、压力、温度等参数实施智能化控制，其运动具有可控性。数控机床和机器人都属于柔性机械系统。

③机械系统的发展。传统机构学与多种学科交叉、融合，现代机电一体化技术、现代控制理论、传感器技术、人工智能技术的发展为机构学的发展提供了新的研究领域；工业机器人、医疗器械等技术的开发，对机械的功能提出了诸如对输出特性的系统化、智能化和柔性化的要求，由此促进了机械产品创新设计、微型机构、可控机构、机器人机构、仿生机械、变胞机构以及广义机构学等新分支的出现。传统的机械技术与液、气、声、光、电、磁等技术相结合，扩大了机构的概念，构件不再是传统的刚性构件，而是更广泛意义的广义机构。

由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。机电一体化的核心技术包括精密机械技术、伺服传动技术、检测传感技术、接口技术、自动控制及信息处理技术等。机电一体化以系统理念作为视角，综合运用精密机械技术、伺服传动技术、检测传感技术、接口技术、自动控制及信息处理技术等先进技术，依据系统的功能优化目标，对各个系统单元的功能进行科学、合理的分配与布局，从而使系统实现最优化的最终目标。机械系统机电一体化的出现和发展，提高了机械系统的性能，完成传统机械功能无法完成的任务。在一般情况下，机械技术只能形成产品的一个有限的纯机械的功能，但结合了信息技术、微电子技术，可以形成机电一体化产品。但不是任何机械产品都可以转化为机电一体化产品，必须做出相应的选择及其部件或更换，并结合相关技术，形成机电一体化产品。

①机械装置（结构功能）。机械装置是由机械零件组成的、能够传递运动并完成某些有效工作的装置，由输入部分、转换部分、传动部分、输出部分及安装固定部分等组成。通用的传递运动的机械零件有齿轮、齿条、链轮、涡轮、传动带、带轮、曲柄及凸轮等。两个零件互相接触并相对运动就形成了运动副。由若干运动副组成的具有确定运动的装置称为机构。就传动而言，机构就是传动链。

为了实现机电传动控制系统整体最佳的目标，从系统动力学方面来考虑，传动链越短越好。因为在传动副中存在“间隙非线性”，根据控制理论的分析，这种间隙非线性会影响系统的动态性能和稳定性。另外，传动件本身的转动惯量也会影响系统的响应速度及系统的稳定性。在数控机床中之所以存在“半闭环控制”，其原因就在于此。据此，提出了“轴对轴传动”，如电动机直接传动机床的主轴，轴就是电动机的转子，从而出现了各种电主轴。这对执行装置提出了更高的要求，如机械装置、执行装置及驱动装置之间的协调与匹配问题。必须保留一定的传动件时，应在满足强度和刚度的前提下，力求传动装置细、小、巧，这就要求采用特种材料和特种加工工艺。

②执行装置（驱动功能和能量转换功能）。执行装置包括以电、气压和液压等作为动力源的各种元器件及装置。例如，以电作为动力源的直流电动机、直流伺服电动机、三相交流异步电动机、变频三相交流电动机、三相交流永磁伺服电动机、步进电动机、比例电磁铁、电磁粉末离合器和制动器、电动调节阀及电磁泵等；以气压作为动力源的气动马达和气缸；以油压作为动力源的液压马达和液压缸等。

选择执行装置时，要考虑执行装置与机械装置之间的协调与匹配，如在需要低速、大推力或大扭矩的场合下，可考虑选用液压缸或液压马达。

为了实现机电控制系统整体最佳的目标，实现各个要素之间的最佳匹配，已经研制出将电动机与专用控制芯片、传感器或减速器等合为一体的装置，如德国西门子公司的变频器与电动机一体化的高频电机，日本东芝公司的电动机和传感器一体化的永磁电动机等。

执行机构由传动机构和执行元件组成。传动机构由蜗轮蜗杆、齿轮、链轮、带轮、凸轮、传动带等组成；执行元件分为液压式、气压式、电磁式等几种类型。

③传感器与检测装置（检测功能）。传感器是从被测对象中提取信息的器件，用于检测机电制系统工作时所要监视和控制的物理量、化学量和生物量。大多数传感器是将被测的非电量转换为电信号，用于显示和构成闭环控制系统。传感器的发展趋势是数字化、集成化和智能化。为了实现机电传动控制系统的整体优化，在选用或研制传感器时，要考虑传感器与其他要素之间的协调与匹配。例如，集传感检测、变送、信息处理及通信等功能为一体的智能化传感器，已被广泛用于现场总线控制系统中。

20世纪60年代是力平衡式传感器；70年代开始使用参量型传感器（R、C、L参量，无源）和发电型传感器（磁电式、压电式、热电式，有源），大多采用分立型；80年代开始随着半导体集成技术的发展，将敏感元件与信号处理电路集成在一起，实现了检测及信号处理一体化；90年代后，传感器向集成化，微型化、智能化方向发展；2000年后，出现了基于现场总线的网络化智能传感器。

④动力源（运转功能）。动力源或能源是指驱动电动机的电源、驱动液压系统的液压源和驱动气压系统的气压源。驱动电动机常用的电源包括直流调速器、变频器、交流伺服驱动器及步进电动机驱动器等。液压源通常称为液压站，气压源通常称为空压站。使用时应注意动力源与执行器、机械部分的匹配。

⑤信息处理与控制装置（控制功能）。机电传动控制系统的核心是信息处理与控制。机电传动控制系统的各个部分必须以控制论为指导，由控制器（继电器、可编程控制器、微处理器、单片机、计算机等）实现协调与匹配，使整体处于最优工况，实现相应的功能。在现代机电一体化产品中，机电传动系统中控制部分的成本已占总成本的50%。特别是近年来随着微电子技术、计算机技术的迅速发展，越来越多的控制器使用具有微处理器、计算机的控制系统，输入/输出及通信功能也越来越强。

传统的机械系统和机电一体化机械系统的主要功能都是完成一系列的机械运动，但由于它们的组成不同，导致它们实现运动的方式也不同。传统机械系统一般是由动力件、传动件、执行件三部分加上电器、液压和机械控制等部分组成，而机电一体化中的机械系统应该是“由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和（或）机电部件相互联系的系统”。其核心是由计算机控制的，包括机、电、液、光、磁等技术的伺服系统。由此可见，机电一体化中的机械系统，已经成为机电一体化伺服系统中的一个重要组成部分，它不再仅仅是转速和转矩的变换器，还需使驱动元件（通常为伺服电机）和负载之间的转速与转矩、机械特性、工作精度、负载能量相匹配，也就是在满足伺服系统高精度、高响应速度、良好稳定性的前提下，还应该具有较大的刚度、较高的可靠性和重量轻、体积小、寿命长等特点，整个系统向着智能化、微型化、模块化、集成化、网络化、自动化、绿色化、系统化等方向发展。

与一般的机械系统相比，机电一体化系统的机械系统具有准确度高、动态响应好、稳定性好等特点。

①准确度。机械系统的准确度将直接影响产品制造精度、电气和机械的品质，机械系统高精密集成是其最重要的技术要求。技术和功能的提高很大程度上提高了机械系统的性能，如果机械系统的精度不能满足要求，无论机电如何整合都无法完成其预定的机械操作。

②快速响应。快速响应的机电一体化系统，需要一个指令来启动机械系统执行所指定的任务，接到命令的时间间隔之间应尽量短。只有这样，控制系统才能够及时获取相关信息，按照指定的机械系统命令，然后发出相关指示进行操作机械构件，准确地完成要求的任务。

③良好的稳定性。机电一体化系统要求系统能够承受外部环境的影响，以及要求抗干扰能力强，机械装置在外界干扰的环境下依然能够进行任务，确保工作稳定。因此，在机械系统的机电系统设计中，一般来讲，应满足降低机械系统之间的误差、减少系统间的摩擦、高响应频率的要求。此外，机械系统也需要可靠性高、寿命长、体积小、重量轻等特点。

机电一体化机械设计系统与传统的机械传动设计系统相比，其结构设计部分具有相同点，但由于机电一体化有其自身的特点，决定了机械系统设计过程的特点，从驱动器和结构设计两个方面加以说明，具体如下：

①机械驱动设计的特点。机械驱动的主要任务是通过机械传动系统产生驱动力传输到达执行机构，机电一体化设计的机械传动系统主要为机电伺服系统。根据机电一体化的转速要求，控制电动机的转速，从而节省了大量的用于转速的换向齿轮、轴承和轴等部件，减少了生产环节的加工误差，提高了变速时间，由于机电一体化系统对于伺服电动机的使用，使机械传动设计大大简化，其机械传动方式也发生了从串联到串并联并行驱动模式的传统方式的变化。

②机械结构的设计特点。机电一体化机械结构仍在传统的机械技术的范围内，在满足伺服系统稳定的前提下，为达到准确、快速的要求，使得机械结构逐渐向精密化、高速化、小型化和轻量化的方向发展。因此，在结构设计上应考虑各种部件的制造、安装精度、结构刚度、稳定性和运动的综合控制灵敏度和易用性。对于所要求的更高、更严格的条件，例如特定部位的设计：采用合理的横截面形状和尺寸，使用新材料和焊接钢管结构提高了支承件的静刚度；采用高传输效率、无间隙传动部件，如轧制丝杆、齿轮对消除间隙，齿条和小齿轮、蜗轮，以增加移动定位的灵敏度和准确度；采用低摩擦系数，以改善导引运动平稳。近年来，已经有平行结构的形式，如平行机械手、并联机床，从而大大简化机械结构，提高了产品的刚度和精度。

图3-5为机械系统的演变过程框图。图3-5（a）为典型的刚性机械系统；图3-5（b）为改进的刚性机械系统，以电子控制的调速电动机取代了机械变速装置；图3-5（c）所示框图已演化为柔性机械系统；图3-5（d）所示框图为直接驱动式的柔性机械系统，由于该系统中省去了传动机构，有更高的运动精度，其应用日益广泛，如磁悬浮列车等。从机械系统的演变过程可以看出，随着机械电子学的诞生与发展，刚性机械系统正在向柔性机械系统发展，改善了机构的运动特性和动力特性，使机电一体化的机械系统发展很快。