主頁 > 新聞動態(tài) > 機械系統(tǒng)的組成結構工作原理及機械傳動技術 2021-12-20

機械系統(tǒng)的組成結構工作原理及機械傳動技術

機械系統(tǒng)是機電一體化系統(tǒng)的最基本要素，主要用于執(zhí)行機構、傳動機構和支承部件，以完成規(guī)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(tǒng)通常是微型計算機控制伺服系統(tǒng)的有機組成部分，因此在機械系統(tǒng)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(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、機械系統(tǒng)的組成

機械系統(tǒng)是研究在規(guī)定完成的任務情況下，進行機械元件的最佳綜合，使系統(tǒng)的輸入與輸出保持某種因果關系的學科。它屬于機械設計學科的一個分支。同時，若干機械裝置組成的一個特定系統(tǒng)，機械零件和構件是組成機械系統(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子系統(tǒng)。如數(shù)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(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)。
機械系統(tǒng)主要包括驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)三大部分，各部分在空間綜合布局時需要反復修改、協(xié)調(diào)，即在初始布局完成后，按設計流程需進行各系統(tǒng)的詳細沒計，有必要時再進行布局的調(diào)整，這樣經(jīng)過修改后才能完成設備的總體布局設計。
二、機械系統(tǒng)結構及工作原理

現(xiàn)代機械系統(tǒng)綜合運用了機械工程、控制系統(tǒng)、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于機械的信息處理和控制功能中，實現(xiàn)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(tǒng)。就功能而言，一臺現(xiàn)代化的機械包含四個組成部分：動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、操縱控制系統(tǒng)。
1.動力系統(tǒng)
動力系統(tǒng)包括動力機及其配套裝置．是機械系統(tǒng)工作的動力源。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械能的機械，如內(nèi)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(zhuǎn)變?yōu)闄C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(zhuǎn)動，而且轉(zhuǎn)速較高。選擇動力機時，應傘面考慮執(zhí)行系統(tǒng)的運動和工作載荷、機械系統(tǒng)的使用環(huán)境和工況，以及工作載荷的機械特性等要求，使系統(tǒng)既有良好的動態(tài)性能，又有較好的經(jīng)濟性。
2.傳動系統(tǒng)
傳動系統(tǒng)是把動力機的動力和運動傳遞給執(zhí)行系統(tǒng)的中間裝置。傳動系統(tǒng)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(zhí)行系統(tǒng)工作的需要。
②變速。當用動力機進行變速不經(jīng)濟、不可能或不能滿足要求時，可通過傳動系統(tǒng)實行變速(有級或無級)，以滿足執(zhí)行系統(tǒng)多種速度的要求。
③改變運動規(guī)律或形式。把動力機輸出的均勻、連續(xù)、旋轉(zhuǎn)的運動轉(zhuǎn)變?yōu)榘茨撤N規(guī)律變化的旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)、連續(xù)或間歇的運動，或改變運動方向，以滿足執(zhí)行系統(tǒng)的運動要求。
④傳遞動力。把動力機輸出的動力傳遞給執(zhí)行系統(tǒng)，供給執(zhí)行系統(tǒng)完成預定任務所需的轉(zhuǎn)矩或力。
如果動力機的工作性能完全符合執(zhí)行系統(tǒng)工作的要求，也可省略傳動系統(tǒng)，而將動力機與執(zhí)行系統(tǒng)直接連接。
3.執(zhí)行系統(tǒng)
執(zhí)行系統(tǒng)包括機械的執(zhí)行機構和執(zhí)行構件，它是利用機械能來改變作業(yè)對象的性質(zhì)、狀態(tài)、形狀或位置�；�?qū)ψ鳂I(yè)對象進行檢測、度量等，以進行生產(chǎn)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(tǒng)的執(zhí)行系統(tǒng)也不相同。執(zhí)行系統(tǒng)通常處在機械系統(tǒng)的末端，直接與作業(yè)對象接觸，是機械系統(tǒng)的主要輸出系統(tǒng)。因此，執(zhí)行系統(tǒng)工作性能的好壞，將直接影響整個系統(tǒng)的性能。執(zhí)行系統(tǒng)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。
4.操縱控制系統(tǒng)
操縱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)都是為了使動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)彼此協(xié)調(diào)運行，并準確、可靠地完成整機功能的裝置。二者的主要區(qū)別是：操縱系統(tǒng)一般是指通過人工操作來實現(xiàn)啟動、離合、制動、變速、換向等要求的裝置；控制系統(tǒng)則是指通過人工操作或測量元件獲得的控制信號，經(jīng)由控制器，使控制對象改變其工作參數(shù)或運行狀態(tài)而實現(xiàn)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(tǒng)可以使機械處于最佳運行狀態(tài)，提高其運行穩(wěn)定性和可靠性，并有較好的經(jīng)濟性。
此外，根據(jù)機械系統(tǒng)的功能要求，還有潤滑系統(tǒng)、計數(shù)系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。
三、機械傳動技術的蝸輪蝸桿傳動
蝸輪蝸桿傳動是一種傳統(tǒng)的傳動方式，它的優(yōu)點在于可以實現(xiàn)很大的傳動比，而且機構非常緊湊，傳動平穩(wěn)，噪音小。但是，它也存在著致命的缺點，如：傳動效率低，壽命不長，成本較高等。近年來，渦輪傳動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
關于蝸輪材料，國內(nèi)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，傳動效率可提高5%～20%。再如在碎石送料機中使用卡普隆蝸輪，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，具有良好的自潤滑特性，可以提高蝸輪的使用壽命，降低成本。
國內(nèi)也有很多關于蝸輪材料的研究，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，可以采用對現(xiàn)有產(chǎn)品進行填充改性的方法，把各不相同的材料進行混合，構成復合材料，而合成的目標就是使其具有更高的機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
蝸輪蝸桿在傳動過程中容易磨損，要經(jīng)常更換，又因為蝸輪蝸桿有漸開線、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題。近年來關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，一種機床往往只能加工有限的蝸桿種類，效率不高。西華大學數(shù)控研究所研究的一種四軸聯(lián)動的數(shù)控機床，對平面二次包絡蝸桿加工有較強的適應性，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、機械傳動技術的非接觸傳動
非接觸傳動是通過電磁感應原理來傳遞動力的。與傳統(tǒng)傳動方式相比，非接觸傳動不需表面接觸，無磨損，壽命長。
1.磁力傳動的歷史及現(xiàn)狀
磁力傳動技術早在20 世紀30 年代就已經(jīng)被人們所提出，但是因為受到永磁材料發(fā)展的制約，一直沒能取得較大的進展。近年來，隨著稀土永磁材料的發(fā)展和應用，磁力傳動技術有了很大的發(fā)展，如采用釤鈷永磁體材料制成的磁力驅(qū)動器，在傳遞相同轉(zhuǎn)矩時，與采用鐵氧體永磁材料制成的磁力驅(qū)動器相比，質(zhì)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(qū)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。到目前為止，磁力傳動設備已經(jīng)廣泛應用于石油、化工、制藥等許多領域中。
磁力傳動技術在泵工業(yè)上的應用最為典型。目前英國的HMD無密封泵公司，Seal Loss 無密封泵公司，德國的Dicker 泵公司及Klaus、Kcacs 泵公司，美國的Dresser 泵公司都在從事磁力驅(qū)動泵的研制。這些公司生產(chǎn)的磁力驅(qū)動泵機構相近，功率大多在2.2～7.5 kW。目前，國際上功率最大的磁力驅(qū)動泵可以做到300 kW 以上，英國的HMD 公司今年研制的兩級磁力驅(qū)動泵，其功率可達350 kW。我國甘肅省科學院磁性器件研究院較早開展了磁力驅(qū)動泵的研制，試制了稀土鈷磁力驅(qū)動器和磁力驅(qū)動泵的系列產(chǎn)品，其磁力驅(qū)動泵功率可達185 kW。
2.磁力傳動的技術特點
1)無摩擦，無需潤滑
由于感應傳動器件在傳遞動力的過程中無接觸，無摩擦，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滑，所以磁力傳動不需要定期更換潤滑劑，減少了維護費用。
2)無振動
傳統(tǒng)的傳動形式如齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動都要求有較高的制造精度、安裝精度、接觸表面粗糙度，否則會引起強烈的振動和噪聲。而非接觸式傳動因為不存在接觸表面，因此對器件表面粗糙度、制造安裝精度等要求較低，也不會引起振動。
3)傳動效率高
磁力傳動的另一個特點在于傳動效率高。傳統(tǒng)的傳動形式，需要消耗很大的功率來克服接觸面間的摩擦阻力。而磁力傳動的主要功率損失在于導體對磁場的感應，這可以通過選用絕緣材料制作機體來消除。但是在實際生產(chǎn)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材料。因此，合理選用機體材料，科學設計結構，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)的機械傳動壽命主要表現(xiàn)在疲勞壽命和磨損壽命，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壽命受永磁體磁性材料壽命的影響，永磁體在溫度過高時會發(fā)生退磁現(xiàn)象，影響壽命。目前磁性材料耐溫可達150 ℃，一般的傳動過程不需要這么高的溫度。
5)高速性能好
傳統(tǒng)機械傳動時，會因為摩擦、振動而導致系統(tǒng)發(fā)熱，產(chǎn)生噪聲，這嚴重制約著傳動機構的運轉(zhuǎn)速度。而非接觸傳動不存在這些問題，唯一的制約因素就在于軸承。隨著磁懸浮軸承等技術的采用，非接觸傳動的傳動速度將可達傳統(tǒng)傳動速度的幾十倍甚至上百倍。
3.磁力傳動存在的問題
縱然磁力傳動的好處很多，但其同樣存在著很多問題制約著它的發(fā)展。首先，磁場的存在會干擾周圍的環(huán)境，有可能使周圍環(huán)境中存在的儀器和設備工作不正常。其次，在啟動過程中，主動磁轉(zhuǎn)子的磁轉(zhuǎn)角與從動磁轉(zhuǎn)子的磁轉(zhuǎn)角存在著轉(zhuǎn)角差并隨時間變化而變化；在正常運轉(zhuǎn)中，負載轉(zhuǎn)矩變化時磁場力矩也同樣發(fā)生變化。這就會導致磁力傳動設備在啟動過程中容易產(chǎn)生滯后。對于要求精確傳動的設備不易使用磁力傳動。
五、結語
對于其他的機械傳動元件，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。而材料科學的發(fā)展，陶瓷材料、高分子聚合物、納米材料、智能材料等，因為其獨特的機械特性和摩擦特性，也必將對機械傳動元件的改進與發(fā)展起到巨大的推動作用。同時，隨著太空、深海等技術的發(fā)展，應用于極端特殊條件下，如超高溫、超低溫、真空、強腐蝕等條件下的機械傳動元件的開發(fā)也為我們提出了新的課題與挑戰(zhàn)。

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