1.2 机械

1.2.1 机械的定义

机械（Machinery）是机器和机构的总称。机器是能够实现能量转换或做有用功的装置，它由机构组成；机构则是以运动副（两构件直接接触并能产生相对运动的活动连接）相连，能够实现预期机械运动的零件组合体。

机械种类繁多，包含农业机械、矿山机械、工程机械、机床、电工机械和基础机械等类型。图1-1所示为几种常见机械。

现代机械是机械与电子信息技术的有机结合，称为机电一体化设备。机电一体化设备涉及机械本体、机械传动、传感器、电动机及电动机驱动器、运动控制器、工业计算机以及人机交互软件等内容。数控机床、工业机器人和工业移动机器人等现代机械如图1-2所示。

1.2.2 机械的组成

1.机械的子系统

现代机械（机电一体化系统）一般由机械系统、电气系统、计算机与信息系统三个子系统组成，如图1-3所示。

（1）计算机与信息系统 计算机与信息系统提供机械控制、人机交互、数据分析以及仿真建模等功能，主要体现为机械系统软件和控制算法。

（2）电气系统 电气系统提供机械运动的能量，调节电网的输出能量，驱动电动机和运动关节。电气系统是连接计算机与信息系统和机械系统的桥梁。

（3）机械系统 机械系统是机械主体、机械运动的载体。机械中除电气和计算机与信息系统以外的其他部分，都归属于机械系统。

机械子系统也可以分为动力系统、传动系统、执行系统、支承和辅助系统、操作控制系统五个子系统，如图1-4所示。

（1）动力系统 动力系统是为机械提供动力、实现能量转换的动力机及其配套系统，常见的动力机有电动机、液压马达、内燃机、汽轮机等，如图1-5所示。

（2）传动系统 传动系统是将动力机动力和运动传递给执行系统的中间装置，它是连接动力系统和执行系统的桥梁，具有减速或增速、改变运动规律、传递动力等功能。图1-6所示为机械中的齿轮传动系统。

（3）执行系统 执行系统是利用机械能改变作业对象性质、状态、形状或位置的系统或装置，执行系统总是处于机械末端，直接与作业对象接触。图1-7所示为机械中的夹爪执行装置。

（4）支承和辅助系统 支承和辅助系统包括基础件（如机床床身、底座、立柱等）和支承构件（如轴、轴承、支架、箱体等），用于安装或支承动力系统、传动系统、执行系统以及操纵控制系统。图1-8所示的滑动导轨和滚动轴承可以起到支承和基准定位作用。

（5）操作控制系统 操作控制系统是协调机械动力系统、传动系统以及执行系统，接收操作信息、显示操作结果的系统。图1-9所示为操作控制台。

2.机械加工设备的三个子系统

从三要素的角度，机械加工设备由物料流系统、能量料系统和信息流系统三个子系统组成，如图1-10所示。

图1-10中，粗实线箭头方向为物料流，细实线箭头方向为能量流，虚线箭头方向为信息流。

（1）物料流系统 机械加工设备的作用是物料加工，物料流系统是机械加工设备中直接与物料接触、使物料发生形状及状态变化的部分，它由物料传送、物料定位及加工装置组成。

（2）能量流系统 机械通过能量做功使物料形状和状态发生改变，机械中的能量输入、能量转换和能量传递形成了能量流系统。

（3）信息流系统 机械系统中信息采集、传输和处理的部分构成了信息流系统。

3.机械运动控制系统

从机械运动控制角度来看，机械由运动控制系统和机械运动支承系统两大部分组成，如图1-11所示。

（1）操控装置 操控装置是接收操作信息、显示操作结果，实现人与机器交互的装置。

（2）运动控制器 运动控制器产生控制信号，控制能量转换装置（整流器、逆变器）输出能量的大小。

（3）能量转换/输出装置 能量转换/输出装置指根据运动控制信号产生所需要的机械能。能量转换装置包含多级能量转换、转变过程，如先通过电源变换器把交流电与直流电进行形式上的相互转换，再通过交流或直流电动机把电能转换为机械能。

（4）运动载体 运动载体指机械转动轴（电动机转子）、机械传动机构（齿轮、涡轮）以及运动相关的机械支承、机械紧固和润滑等辅助机构。

（5）负载 负载是零件毛坯、工件等机械加工、机械作业的对象，机械运动控制系统需要克服外部负载扰动，保持系统动态性能稳定。