机械系统设计方法及应用

第1章 绪论 1.1 机械系统设计的基本概念 1.1.1 机械与机械系统 1. 机械 自从人类学会使用工具开始，人们发明了各种各样由简单到复杂的工具帮助改善工作条件、提高工作效率和工作质量。所谓机械，就是人类在生活、工作中使用的复杂工具。总体而言，机械就是可以帮助人们把能量和力进行转换和传递的工具。从说文解字的角度来讲，几指数量，积木成机。事实上，*早的“机”都是木制的。另外，机的首义是事物发生的枢纽，*早是指弓弩上的发射机关。而械则是器物，早先多指武器。所以机械就是有机关枢纽的器物。现在，人们把机器与机构总称为机械。很显然，一个稍稍复杂点的机械，主要应该包括：结构形式、运动关系、驱动与传动这三个方面。从机械的复杂程度而言，可大致分为简单机械、复杂机械和智能机械。简单与复杂只是一个相对的概念，我们可以把一个只有零件(构件)组成的机械称为简单机械，如图1-1所示。若一个机械包含有部件(机构)或其他有独立功能的机械装置时，就可称之为复杂机械，如图1-2所示。复杂机械也可看作由多个简单机械所构成。如果一个机械不需要人工干预就能够自主获取信息，分析、识别信息，并能指示执行机构按要求动作完成相应功能，则称之为智能机械，如无人驾驶飞机、巡检机器人等，如图1-3所示。 图1-1 简单机械 (a)人力水车 (b)脚踏缝纫机 (c)卷扬机示意图 图1-2 复杂机械 (a)无人驾驶飞机 (b)巡检机器人 图1-3 智能机械 2. 系统 系统一般是指具有特定功能、相互间有关联的多个要素构成的一个结构形态。所谓要素就是指构成系统的各组成部分，既可以是子系统，也可以是不可分解的*小单元。构成系统的这些要素，其自身作用及其相互关联的方式都决定着系统所具有的特性，有什么样的要素就有什么样的系统。也就是说，系统的特性除了受各要素自身性能及其在系统中的地位和作用影响外，还取决于各要素间的结构。结构的优劣反映了相互关联的各要素间的协调性：对于性能优异的要素，如果相互间的协调性不好，形成的结构就不是*优的，其形成的系统也不会是性能*优的系统。这个概念是系统优化理论中的一个重要基本概念。 系统是普遍存在的，不管是自然形成的还是人工制作的，在现实生活中，任何系统一般都是以特定系统出现，其前都含一个表征研究对象的修饰词。如人体的消化系统、呼吸系统、免疫系统等，计算机系统、硬件系统、软件系统、操作系统等，军事上的指挥系统、防御系统、后勤保障系统等，生态系统、教育系统、金融系统等。大系统可以包含若干个子系统。 通常，把系统在特定环境中所起的作用称为系统的功能。很显然，系统与环境关系密切。系统存在于环境之中，所谓系统的环境就是系统之外的所有其他事物，是系统的外部条件。系统与环境是相互影响的。良好的环境有利于系统充分发挥其功能，而一个好的系统则一定是环境友好的。 3. 机械系统 按照前述系统的概念，机械系统就是由机械要素(包括机械零件、机械部件或机构等机械装置)组成，能完成特定功能的系统。机械系统是一个广义的概念，它可以是简单机械，也可以是复杂机械，还可以是由诸多机械设备构成的一条生产线(图1-4所示)。不失一般性，本书重点介绍、讲解的机械系统是特指包含若干子系统的一类机械系统，如图1-5所示。这些子系统按其能够完成的功能可分为以下六部分。 (1)动力系统——机械系统的动力源部分。动力系统一般包括动力机及其配套装置，主要为整个机械系统提供所需的运动和动力。一个复杂的机械系统可以有多个动力源(动力机)。按能量转换性质，动力机可分为一次动力机和二次动力机。一次动力机是把自然界的能源(称一次能源)转换为机械能的机械，如内燃机、汽轮机、燃气轮机等。汽车等移动作业的机械大多使用内燃机。二次动力机则是把二次能源(如电能、液能、气能等)转变成机械能的机械，如电动机、液压马达、气动马达等。通常情况下，动力机输出的运动形式是转动且转速较高。 图1-4 广义机械系统 图1-5 机械系统组成示例——简单提升机 (2)执行系统——机械系统完成相应功能*直接的结构部分，完成的功能就是机械系统所要实现的功能。执行系统一般由执行机构和执行构件组成，通常是利用机械能来改变作业对象的性质、状态、形状、位置等，或者是对作业对象进行检测、度量等来实现整个机械系统的功能。因此，执行系统通常是处于整个机械系统的末端，并直接与作业对象接触，它的输出就是整个机械系统的输出，其功能也是机械系统的主要功能，所以执行系统的功能及性能直接影响和决定了机械系统的整体功能和性能。绝大多数机械系统可以完成多个功能，这些功能可以由一个执行系统来实现，也可以由多个执行系统来完成。功能的多解性，就说明为实现一个机械系统的特定功能，是可以有多种执行系统方案，设计人员需要对各种方案从技术和经济层面进行深入分析、比较后择优选用。 (3)传动系统——位于动力系统和执行系统之间，功能主要是将执行系统所需要的运动和动力由动力系统传递给执行系统。也就是说，动力系统所能提供的能量是通过传动系统传递给执行系统。传动系统一般可以实现增减速、变速、传递动力、改变运动规律或形式。若动力机的工作特性完全符合执行系统的工作要求，机械系统中也可以没有传动系统，而把动力系统直接与执行系统相连接。 (4)操控系统——机械系统中能够协调动力系统、传动系统和执行系统之间运行的操纵和控制部分，主要功能是保障整个机械系统能够准确、可靠、高效地完成整体功能。操控系统中的操纵部分，通常是由人通过按钮或手柄等机构完成相应控制功能的装置；而操控系统中的控制部分则是指通过传感器获取相关信息，经由控制器使控制对象改变工作参数或运行状态而实现相应控制功能的装置。这就是通常所说的自动控制系统。自动控制系统有很多种，对于能够以一定准确度响应控制信号(或给定输入量)的自动控制系统，可称为伺服系统；若控制器是可编程的，则可按给定算法实现自动控制，这类自动控制系统一般称为可编程控制器(PLC)控制系统；如果控制系统具备自主感知获取信息、高效处理识别信息、智能判断决策并发出控制指令的功能，则可称之为智能控制系统。 (5)支撑系统——由安装和支承机械系统各组成要素的基础件(如底座、机身等)和支承件(如支架、横梁等)所组成，是机械系统中不可缺少的重要组成部分。其主要功能是保障机械系统的承载能力、各要素间的相对位置精度和运动部件的运动精度。 (6)辅助系统——其他按机械系统功能要求配备的系统，如润滑系统、冷却系统等。 前文提到的系统与环境的关系，对于一个机械系统而言，其环境就是除机械系统之外的一切事物。为讨论和研究方便，通常把机械系统本身称为内部系统，而把人和外部环境称为外部系统。这样，内部系统和外部系统就组成了一个更大的广义系统。很显然，内部系统和外部系统之间存在着相互作用、相互影响的关系。同样，由于一个机械系统可以由若干子系统组成，所以在进行机械系统设计分析时，把某个子系统看作是一个内部系统，则除该子系统外的其他机械系统部分都是外部系统的组成部分。 4. 机械系统的主要特性 1)整体性 机械系统是由若干子系统和其他机械要素组成的一个整体，在一个内部系统中不存在一个完全独立的机械要素，机械系统是不可分割的。尽管各子系统的性能完全不同，但它们在机械系统内必须服从、适应和满足机械系统的整体功能要求，整体性能的优劣是判断一个机械产品好坏的主要标准。因此，在进行机械系统设计时，不能片面追求某个子系统的完美性能，必须要从机械系统的整体角度，协调好各子系统之间的关系，使整体性能达到*优。特别需要强调的是，在对已有机械系统的某个子系统进行改造和改进时，无论是对其结构形式还是对其中的某个机械要素，都必须充分考虑对其外部系统的影响，尤其是对整体机械系统性能的影响。 2)相关性 机械系统内部各种要素之间是相互关联、相互影响的，这种相关性可以是强相关，也可以是弱相关。机械系统的性能就是由各子系统的性能通过这种相关性来实现的，所以改变机械要素间的相关性，往往会影响机械系统的整体性能。内部系统机械要素间的相关性，可以通过系统结构来表达。这就是说，系统结构决定了机械要素的相关性。 3)目的性 研发设计出一个机械产品的目的就是要求其完成所需的特定功能，这也是一个机械产品的价值体现。开发一个机械系统，目的一定要明确，包括适用领域、使用范围等，要有明确的功能指标。实际上，实现一个功能可以有多种形式，不同的机械系统可以完成同一种功能，但各自的应用场合和应用对象往往各有不同。例如汽车，其功能是运载，根据运载对象，可分为货车和客车。根据承载能力，货车按不同吨位又有重载卡车、轻型货车和小型货车之分。同样地，客车也可分为大型客车、中型客车和小型客车。当然了，一个机械系统也可以完成不同的功能，但通常有主次之分。例如车铣复合加工中心，既可对工件进行车削加工，又可进行铣削加工。 4)适应性 此处主要是指机械系统的环境适应性。任何机械系统都处于某种特定的环境之中，系统与环境都会相互作用和影响。一方面，当系统外部环境发生变化时，环境因素(包括温度、湿度、电压、振动等)会对机械系统的工作产生干扰和影响，严重时甚至会影响系统功能的正常发挥。因此，在机械系统设计时，设计者必须充分考虑系统的使用环境，确保系统具备良好的环境适应性。另一方面，也要求机械系统是环境友好的。既然系统和环境是相互影响的，所以也要求能够把系统对环境的不利影响降低到*小。例如，对机械系统产生的噪声、振动等，必要时需要采取有效措施来减少其对环境的影响。还有的机械系统，作业过程中会产生废气、废液、废渣(简称“三废”)，会给环境造成不利影响和伤害，设计者在设计时都应该给予高度重视，采取有效措施加以处理，减少“三废”的排放。 1.1.2 设计与机械系统设计 1. 设计 “设”的原意是：布置、安排、设立、设置、筹划、假使、假设等，而“计”则是：核算、主意、策略、谋划、打算等意思。所谓设计，就是为了满足某种需求而进行的一种人类特有的活动，是一种从构思到实现的创作行为。人类的进步、生活水平的提高*初是由创造性劳动加以实现的，现在已转化为通过创造性设计来推动。设计是创新的核心，通常包括以下两部分内容。 (1)理解用户的期望、要求、动机等，并充分了解相关业务、技术和行业上的需求与限制。 (2)将已知的东西转化为对一种产品形式(或产品的规划)，并使产品的形式、内容、行为变得有用、能用，且在技术和经济上可行。 2. 机械系统设计 机械系统设计就是根据机械产品的功能要求和市场需求，应用相关科学技术知识，通过设计人员创新思维和设计计算，完成制造方案的制定和工程图样的工作过程。机械产品的质量、性能和经济性都体现在设计、制造和管理等诸多环节，而机械系统设计则是机械产品质量、性能和经济性的首要环节。对于复杂的机械系统，没有高质量、高水平的设计，难以生产出高质量、高性能、低成本的机械产品。一般认为，机械产品的设计成本约占产品总成本的5%～7%，但却决定着占总成本60%～70%的制造成本。由产品质量引发的事故中，大约一半都是因为设计不当所造成的。 很显然，机械系统设计是社会所需的机械产品进入市场所必需的重要阶段。当今国际市场的竞争，很大程度上是产品的设计与制造和管理等综合水平的竞争。 就机械系统而言，设计是一种综合的过程，通常与分析的行为相对应，如图1-6所示。所以，对设计研究人员而言，不管是开展机械系统的分析研究工作，还是从事机械系统的设计工作，都需要对机械系统的设计原理和方法、机械系统的组成结构和制造过程，以及机械系统的特性等有深入的了解和全面的掌握。 图1-6 设计与分析的对应关系