主頁 > 新聞動態 > 機械係統的組成結構工作（zuò）原理及機械傳動技術 2021-12-20

機械係統的組成結構工作原理及機械傳（chuán）動技術

機械係統是機電一體化係統的最基（jī）本要素，主要用於執行機構、傳動機構和支承部件，以（yǐ）完成規定的動作，傳（chuán）遞功率、運動和信息，支承連接相關部件等。機械係統（tǒng）通常是微型計算機控製伺服（fú）係（xì）統的有機組成部分，因此在機械係（xì）統設計時，除考慮一般機械設計要求外（wài），還必須考慮機械結構因素與整個伺服係統的性能參（cān）數（shù）、電氣參（cān）數的匹配，以獲得良好的伺（sì）服性能。
一、機械係統的（de）組成（chéng）

機（jī）械係統是研究在（zài）規定完成（chéng）的任務情況下，進行機械元（yuán）件（jiàn）的最佳綜（zōng）合，使係統的輸入與（yǔ）輸出保持某種因果關係的學科。它屬於機械設計學科的（de）一個分（fèn）支。同（tóng）時，若幹機械裝置組成的一個特定係統，機械零件和構件是組成（chéng）機械係統的基（jī）本（běn）要素，它們為完成一定的功能相互聯係（xì）並分別組成了各個子係統。如數控機床和洗（xǐ）衣機都是由若幹裝置、部件和零件組成的兩種在功能和構造上各異的機械係統。它（tā）們都（dōu）是由有確定的（de）質（zhì）量、剛度和（hé）阻（zǔ）尼的物體（tǐ）組成並能（néng）完成特定功（gōng）能的係統。
機械係（xì）統主要包括驅動係統、傳動係統和執行係統三大部分，各部分在空間綜合布局時需要反（fǎn）複修改、協調，即在初始布局完成後，按設計流程需進行各係統的（de）詳細沒計（jì），有（yǒu）必要時再進行（háng）布局的調整，這樣經（jīng）過修改後才能完成設備的總體布局設計。
二、機械係（xì）統結構及工（gōng）作（zuò）原理

現代機械係統綜合運用了機（jī）械（xiè）工程、控製係統、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（xiè）的信息處理和控製功能中，實現機械（xiè）運（yùn）動、動力傳（chuán）遞和變換．完成設定的（de）機械運動功能的機械係統（tǒng）。就功能而言，一台現代化的機械包含四個組成部分：動力係統、傳動係（xì）統、執行係統、操縱控製係統。
1.動力係統
動（dòng）力係統包括（kuò）動力機及其配套裝置．是機械（xiè）係統工作的動力源。按能量轉換性質的不同，有把（bǎ）自然界的能源(一（yī）次（cì）能源)轉變為機械能的機械，如內燃機、汽輪機、水輪機等（děng）動力機；有把（bǎ）二次能源（yuán）(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（dòng）力（lì）機。動力機輸出（chū）的（de）運動通常為轉動，而且轉速較高。選擇動力機（jī）時，應傘麵考慮執行係統的運動和工作載荷、機械係統的（de）使用環境和工況，以及工作載荷的機械特性等要求，使係統既（jì）有良好的動態性能，又有較好的（de）經濟性。
2.傳動係統
傳（chuán）動係統是把動力機（jī）的動力和運動傳遞給執行係統的中間裝置（zhì）。傳動係統主要有以（yǐ）下幾（jǐ）項功能（néng）。
①減速或增速。把動力機的速度降低或提（tí）高（gāo），以適應執行係統工（gōng）作的需要。
②變速。當用動力機進行變速不經濟、不（bú）可能（néng）或不能滿（mǎn）足要求時，可（kě）通過傳動係統實行變速(有級或無級)，以滿足（zú）執行係（xì）統多種速（sù）度的要求。
③改變運（yùn）動（dòng）規律或形式。把動力機輸出的均勻（yún）、連續、旋轉的運動轉（zhuǎn）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（huò）改變運動方向，以滿（mǎn）足執行係統的運動要求。
④傳遞動力。把動力機輸出的動力傳遞給執行（háng）係統，供給執行係統（tǒng）完成預定任（rèn）務所需的轉矩或力。
如果動力機的工作性能完全符合執行係統工（gōng）作的要求，也可省略傳動係統，而將（jiāng）動力機與執行係統直接（jiē）連接。
3.執行係（xì）統
執行係統包括機械的（de）執行機構和執行構件，它是利用機械能（néng）來（lái）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（liàng）等，以進行生產（chǎn）或達到（dào）其他預定（dìng）要求的裝置。不同的功能要求（qiú），對運動（dòng）和工作載荷的機械特性要（yào）求（qiú）也不相同，因而各種機械係統的執行係統也不相同。執行（háng）係統通常處在機械係統的末端，直接與作業對象接觸，是機械係統的主要輸出係統。因此，執行係統（tǒng）工作性能的好壞，將直（zhí）接影響整個係統的性能。執行係統除應滿足強度、剛度、壽命等要求外，還應滿足運動精度和動（dòng）力學特性等要求。
4.操縱控製係統
操縱係統和控製係統（tǒng）都是為了使動力係（xì）統、傳動係統、執行係統（tǒng）彼此協調運行，並（bìng）準確、可靠（kào）地完成整機功能的裝置。二者的主要區別是（shì）：操縱（zòng）係（xì）統一般是指通過人（rén）工操作（zuò）來實現啟動、離合、製動、變速、換向等要（yào）求的裝置（zhì）；控製係統則是指通過人工操作或測量元件獲得的控製信號，經由控製器，使控製對象改變其工作參數或（huò）運行狀（zhuàng）態而實現上述要求的裝（zhuāng）置，如伺服機構（gòu）、自動控製裝置等。良好的控製係統可以使機械處於最佳運行狀態，提高其運行穩（wěn）定性和可靠性（xìng），並有較好的經濟性。
此外，根據機械係統的功能要求，還有潤滑係統、計數係統、行走係統、轉向係統等。
三、機械傳動技術的（de）蝸輪蝸杆傳動
蝸輪蝸（wō）杆傳動是一種傳統的傳動方式，它的優點在於可以實現很大的傳動比，而且（qiě）機構非常緊湊，傳動（dòng）平穩，噪（zào）音小。但是，它也存在著致命（mìng）的缺（quē）點（diǎn），如：傳動效率低，壽命不（bú）長，成本較高等。近年來，渦輪傳動的研究主（zhǔ）要著眼於渦輪材料以及渦輪蝸杆（gǎn）的加工工藝。
1.探索更好的蝸輪材（cái）料
關於蝸輪材料，國內外做過很多研究工作。通過改善蝸輪的材料，可以減小蝸輪蝸杆接（jiē）觸麵間的摩擦力，降低齒麵工作溫度，使齒麵不容易膠合，從而提高（gāo）承載能力和（hé）效率。例如國外有研究表明，使（shǐ）用卡普隆（一（yī）種具有高耐磨性的材料）製作的普通圓柱蝸輪，與ZQ419-4 材料製作的普通（tōng）圓柱蝸輪（lún）相比，額定扭矩可提高（gāo）1～2倍，傳動效率可提高5%～20%。再如（rú）在碎石送（sòng）料機（jī）中使用卡普隆蝸輪，可以提（tí）高壽（shòu）命（mìng）2 倍（bèi）之多。使用石墨、石英砂填充MC 尼龍材料製作蝸輪，具有良（liáng）好的自潤滑特性，可（kě）以提高蝸輪的使用壽命，降低成本。
國內也有很多關於蝸輪材料的研究，如河南周口石軸瓦廠研製的（de）高耐（nài）磨（mó）鋅基合金ZnAlCuMn，性能（néng）優於錫青（qīng）銅，成本也比錫青銅低（dī）很多。
采用高性能的工（gōng）程塑料製（zhì）造（zào）蝸輪是現在的研（yán）究方向之一，一（yī）些常用的高性能工程（chéng）塑料，如聚酰亞胺等，具有良好的機械性能和耐磨性（xìng）能。但是它們的合成成本高，成形困難，因此使用範圍很受（shòu）限製。為了獲得高性能的工程塑料，可以采用（yòng）對現有產品進行填充改性（xìng）的方法，把各不相同的材料進行混合，構成複合材料，而合成的目（mù）標就是使其具有更高（gāo）的機械性能和耐摩擦及（jí）耐高溫性（xìng）能（néng）。
2.蝸輪（lún）蝸杆加工工藝的改進
蝸輪蝸杆在傳動過程中容易磨損（sǔn），要經（jīng）常更換（huàn），又因為（wéi）蝸輪（lún）蝸杆（gǎn）有漸開線、阿基米德螺旋線等多種齒麵齒形，加工方法都不相同。所以研究蝸輪蝸杆的加工，尤（yóu）其是蝸（wō）杆的加工便成為了很重要的問題。近年來關於蝸輪蝸杆加工工藝的（de）研究，集中於如何提（tí）高加工效率和加工精（jīng）度（dù）這2 個方麵。傳（chuán）統的加工方法受蝸杆齒形、蝸杆中心距（jù）等因素的限製（zhì），一種機床往往隻能加工（gōng）有限的蝸杆種類，效率不高。西華大學數控研究所（suǒ）研究的（de）一種四軸聯動（dòng）的數控機床，對平麵二次包絡蝸杆加工有較強的（de）適應性，不受蝸杆（gǎn）中心距的限製，可加工中心距80～500 mm、蝸（wō）杆頭數1～8 頭（tóu）的相應模數蝸杆，這為蝸杆加工工藝的（de）研究（jiū）開辟（pì）了一（yī）條新的道路。
四、機械傳（chuán）動技術的非接觸傳動
非接觸傳動是通（tōng）過（guò）電磁感應原理來傳遞動（dòng）力的。與傳統傳動方式相比，非接觸傳動不需表麵接觸，無磨損，壽命長。
1.磁力（lì）傳動的曆史及現狀
磁力（lì）傳動技術早在20 世紀30 年代（dài）就已經被人們所提出，但是因為受到永磁材料發展的製約，一（yī）直沒能取得較大的進展。近年來，隨著稀土永磁材料的發展和應用，磁（cí）力傳動技術有了很大的發展，如采用（yòng）釤鈷永磁體材料製成的磁力（lì）驅動器，在傳遞相同轉矩時，與采用鐵氧體永磁材料製成的磁力驅動器相比，質量差距很大。釹鐵硼永磁體的磁能積已達到以上，從而可使磁力驅動器傳遞扭矩的能力提高3～4 倍，傳遞的最大功率已達到400 kW。到目（mù）前為止，磁力傳動設備已經廣（guǎng）泛應（yīng）用於石（shí）油、化工（gōng）、製藥等（děng）許多領域中。
磁力傳動（dòng）技術在泵工業上的應用最為典型。目前英國的HMD無密（mì）封泵公司，Seal Loss 無密封泵（bèng）公司，德國的Dicker 泵公司及Klaus、Kcacs 泵（bèng）公司，美國的Dresser 泵公司都在從事磁力驅動泵的研製。這些公司生（shēng）產的磁力驅（qū）動泵機構相近，功率大（dà）多在2.2～7.5 kW。目前（qián），國際上功率最（zuì）大（dà）的磁力驅動泵可以做到300 kW 以上，英國的HMD 公司今（jīn）年研製的兩級磁力驅（qū）動泵，其功率可（kě）達350 kW。我國甘肅省科學院磁性器（qì）件研（yán）究院較早開展了磁力驅動泵的研製，試製（zhì）了稀（xī）土鈷磁（cí）力驅動器（qì）和磁力（lì）驅動泵的係列產品，其磁（cí）力驅動泵（bèng）功率（lǜ）可達185 kW。
2.磁力傳動的技術特點
1)無摩擦，無需（xū）潤滑
由於感應傳動器件在傳遞動力的過程中無接觸，無摩擦，這就（jiù）從根（gēn）本上消除了摩擦（cā）磨損（sǔn）現象。沒有摩擦磨（mó）損，也就不需要接觸麵的潤滑（huá），所以磁力傳動不（bú）需要定期更換潤滑劑，減少了維護費用。
2)無振動
傳統的傳（chuán）動形（xíng）式如齒（chǐ）輪傳動、蝸輪蝸杆傳動都要求有（yǒu）較高的製造精度、安裝精度、接觸表麵粗糙度，否則（zé）會引起強烈的振動和噪聲。而非接觸式（shì）傳動因為不存在接觸表麵，因（yīn）此對器件表麵粗糙度、製（zhì）造安裝精度等要求較低，也不會引起振動。
3)傳動效率（lǜ）高
磁力（lì）傳（chuán）動的另一個特點在於傳動效率高。傳統的傳動形式，需要消耗很大的功率來克服（fú）接觸麵間的摩擦阻（zǔ）力。而磁（cí）力傳動的主要功（gōng）率損失在於導體對磁場的感應，這可（kě）以通過選用絕緣（yuán）材料製作機體來消除。但是在實際生產過程中，因為考慮到機體的磁屏蔽作用，我們不可能全部使用絕緣（yuán）材料。因此，合理選用機體材料，科（kē）學設計結構，以便把感應損耗降到最低，這樣才能達到更高的傳動效率。
4)使用壽命長
傳統（tǒng）的機械傳動壽命（mìng）主要（yào）表現在疲勞壽命和磨損（sǔn）壽命，而感應傳動無接觸，無磨損，因此使用壽命長。但是磁力傳動機械的使用（yòng）壽命受永磁體（tǐ）磁性材（cái）料壽命的影響，永磁體在溫度過高時會發生退磁現象（xiàng），影響壽命。目（mù）前磁性材料耐溫可達150 ℃，一般的傳動過程不需要這麽高的溫度。
5)高速性能好
傳統機械傳動時，會因（yīn）為摩擦、振動而導致係統發熱，產（chǎn）生噪聲，這嚴重製約著傳動機構的運轉速度。而非接觸傳動不存在這些問題，唯一的製約因素就在於軸承。隨著磁懸浮軸承等技術的采（cǎi）用，非接觸傳（chuán）動的傳動速度將可達傳統傳動（dòng）速度的幾十（shí）倍甚（shèn）至上百倍。
3.磁力傳動（dòng）存在（zài）的問題
縱然磁力傳動的好處（chù）很多，但其同樣（yàng）存（cún）在著（zhe）很多問題製約著（zhe）它的發展。首先，磁場（chǎng）的存在（zài）會幹擾周圍的環（huán）境，有可能使周圍環境中存在的儀器和設備工作不正常。其次，在啟動過程中，主動磁轉子的磁轉角與從動磁（cí）轉子的磁（cí）轉角存在（zài）著轉角差並隨時間變化而變化；在正常運轉中，負載轉矩變（biàn）化時磁場力矩也同樣發生變化。這就（jiù）會導致磁力傳動（dòng）設備在啟動過程中容易產生滯後。對於要（yào）求精確傳動的設備不易使（shǐ）用磁力傳動（dòng）。
五、結語
對於其（qí）他的（de）機械傳動元件，如聯軸（zhóu）器（qì）、離合（hé）器、滾珠絲杠等，都（dōu）可以從（cóng）元件的材料、加工工藝等方麵（miàn）嚐試（shì）加以（yǐ）改進。而材料科學的發展，陶瓷材料、高分子聚合物、納米材料、智能材料等，因為其獨（dú）特的機械特性和摩擦特性，也（yě）必將對機械傳動元件的改進與發展起到巨大的推動作用。同時，隨著太空、深（shēn）海等（děng）技術的發展，應用於極端特殊條件下，如超高溫、超低（dī）溫、真空、強腐（fǔ）蝕等條件下的機械傳動元件的開發也（yě）為我們提出了新的課題與挑戰。

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