1.2 機械

1.2.1 機械的定義

機械（Machinery）是機器和機構的總稱。機器是能夠實現能量轉換或做有用功的裝置，它由機構組成；機構則是以運動副（兩構件直接接觸并能產生相對運動的活動連接）相連，能夠實現預期機械運動的零件組合體。

機械種類繁多，包含農業(yè)機械、礦山機械、工程機械、機床、電工機械和基礎機械等類型。圖1-1所示為幾種常見機械。

現代機械是機械與電子信息技術的有機結合，稱為機電一體化設備。機電一體化設備涉及機械本體、機械傳動、傳感器、電動機及電動機驅動器、運動控制器、工業(yè)計算機以及人機交互軟件等內容。數控機床、工業(yè)機器人和工業(yè)移動機器人等現代機械如圖1-2所示。

1.2.2 機械的組成

1.機械的子系統

現代機械（機電一體化系統）一般由機械系統、電氣系統、計算機與信息系統三個子系統組成，如圖1-3所示。

（1）計算機與信息系統 計算機與信息系統提供機械控制、人機交互、數據分析以及仿真建模等功能，主要體現為機械系統軟件和控制算法。

（2）電氣系統 電氣系統提供機械運動的能量，調節(jié)電網的輸出能量，驅動電動機和運動關節(jié)。電氣系統是連接計算機與信息系統和機械系統的橋梁。

（3）機械系統 機械系統是機械主體、機械運動的載體。機械中除電氣和計算機與信息系統以外的其他部分，都歸屬于機械系統。

機械子系統也可以分為動力系統、傳動系統、執(zhí)行系統、支承和輔助系統、操作控制系統五個子系統，如圖1-4所示。

（1）動力系統 動力系統是為機械提供動力、實現能量轉換的動力機及其配套系統，常見的動力機有電動機、液壓馬達、內燃機、汽輪機等，如圖1-5所示。

（2）傳動系統 傳動系統是將動力機動力和運動傳遞給執(zhí)行系統的中間裝置，它是連接動力系統和執(zhí)行系統的橋梁，具有減速或增速、改變運動規(guī)律、傳遞動力等功能。圖1-6所示為機械中的齒輪傳動系統。

（3）執(zhí)行系統 執(zhí)行系統是利用機械能改變作業(yè)對象性質、狀態(tài)、形狀或位置的系統或裝置，執(zhí)行系統總是處于機械末端，直接與作業(yè)對象接觸。圖1-7所示為機械中的夾爪執(zhí)行裝置。

（4）支承和輔助系統 支承和輔助系統包括基礎件（如機床床身、底座、立柱等）和支承構件（如軸、軸承、支架、箱體等），用于安裝或支承動力系統、傳動系統、執(zhí)行系統以及操縱控制系統。圖1-8所示的滑動導軌和滾動軸承可以起到支承和基準定位作用。

（5）操作控制系統 操作控制系統是協調機械動力系統、傳動系統以及執(zhí)行系統，接收操作信息、顯示操作結果的系統。圖1-9所示為操作控制臺。

2.機械加工設備的三個子系統

從三要素的角度，機械加工設備由物料流系統、能量料系統和信息流系統三個子系統組成，如圖1-10所示。

圖1-10中，粗實線箭頭方向為物料流，細實線箭頭方向為能量流，虛線箭頭方向為信息流。

（1）物料流系統 機械加工設備的作用是物料加工，物料流系統是機械加工設備中直接與物料接觸、使物料發(fā)生形狀及狀態(tài)變化的部分，它由物料傳送、物料定位及加工裝置組成。

（2）能量流系統 機械通過能量做功使物料形狀和狀態(tài)發(fā)生改變，機械中的能量輸入、能量轉換和能量傳遞形成了能量流系統。

（3）信息流系統 機械系統中信息采集、傳輸和處理的部分構成了信息流系統。

3.機械運動控制系統

從機械運動控制角度來看，機械由運動控制系統和機械運動支承系統兩大部分組成，如圖1-11所示。

（1）操控裝置 操控裝置是接收操作信息、顯示操作結果，實現人與機器交互的裝置。

（2）運動控制器 運動控制器產生控制信號，控制能量轉換裝置（整流器、逆變器）輸出能量的大小。

（3）能量轉換/輸出裝置 能量轉換/輸出裝置指根據運動控制信號產生所需要的機械能。能量轉換裝置包含多級能量轉換、轉變過程，如先通過電源變換器把交流電與直流電進行形式上的相互轉換，再通過交流或直流電動機把電能轉換為機械能。

（4）運動載體 運動載體指機械轉動軸（電動機轉子）、機械傳動機構（齒輪、渦輪）以及運動相關的機械支承、機械緊固和潤滑等輔助機構。

（5）負載 負載是零件毛坯、工件等機械加工、機械作業(yè)的對象，機械運動控制系統需要克服外部負載擾動，保持系統動態(tài)性能穩(wěn)定。