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第一節(jié) 機(jī)器的組成

    一、按功能分析機(jī)器的組成

       各種機(jī)器的構(gòu)造不同,工作對(duì)象也不同。

    11所示為一臺(tái)礦石球磨機(jī)的外形圖。電動(dòng)機(jī)通過一級(jí)圓柱齒輪減速器和一對(duì)開式齒輪傳動(dòng),驅(qū)動(dòng)由一對(duì)滑動(dòng)軸承支撐的球膳機(jī)滾筒旋轉(zhuǎn),礦石逐漸被滾筒內(nèi)的鋼球所粉碎。

12所示為一臺(tái)牛頭刨床。電動(dòng)機(jī)通過帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)和擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),使滑枕和刨刀做往復(fù)直線移動(dòng),從而產(chǎn)生刨刀的切l運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí),通過曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、棘輪機(jī)構(gòu)和螺旋機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)必要的橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng),從而使刨刀將工件加工成為所需要的平面。通過上述的各個(gè)部分,最終將電動(dòng)機(jī)的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榕俚逗凸ぷ髋_(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能。

機(jī)器的用途不同,因而組成也各不相同。

從功能角度分析,大部分機(jī)器都包含有外界輸入能量的動(dòng)力部分、履行機(jī)器功能的執(zhí)行部分(即工作部分)、介于動(dòng)力部分和工作部分之間的傳動(dòng)部分及控制部分,如圖l -3所示。

(一)動(dòng)力部分

動(dòng)力部分是指原動(dòng)機(jī)及其相應(yīng)的配套裝置。它的作用是將非機(jī)械能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并給機(jī)器提供動(dòng)力。

其中,一次動(dòng)力機(jī)是將自然界的一次能源直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,例如水輪機(jī)和內(nèi)燃機(jī)等;而二次動(dòng)力機(jī)則是將二次能源,例如電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,如電動(dòng)機(jī)等。

用的動(dòng)力機(jī)有電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)。

電動(dòng)機(jī)根據(jù)使用電源的不同,分為交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)。

交流電動(dòng)機(jī)又分為三相交流異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)。

內(nèi)燃機(jī)是指燃料在氣缸內(nèi)部燃燒,直接將工質(zhì)所含的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置。

內(nèi)燃機(jī)的特點(diǎn)是功率范圍寬,操作簡(jiǎn)便,啟動(dòng)迅速并且便于移動(dòng),大多用于車輛、船舶以及野外作業(yè)的工程機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械等。

(二)傳動(dòng)部分

傳動(dòng)部分是在動(dòng)力部分和執(zhí)行部分之間的中間裝置。

它的任務(wù)就是將原動(dòng)機(jī)提供的機(jī)械能以動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的形式傳遞給工作部分。

現(xiàn)代機(jī)器的傳動(dòng)裝置可以按照以下方法分類:

 1按照傳動(dòng)的工作原理分類,如圖1-4所示;

2按照傳動(dòng)比變化的情況分類,如表1-1所示。

(三)工作部分(執(zhí)行部分)

工作部分是直接完成機(jī)器預(yù)定功能的部分,如車床的刀架;車輛的車廂;飛機(jī)的客艙、貨艙等。

工作部分是機(jī)器直接進(jìn)行生產(chǎn)的部分,是機(jī)器用途、性能綜合體現(xiàn)的部分,是機(jī)器設(shè)備區(qū)分和分類的依據(jù)。

動(dòng)力部分、傳動(dòng)部分以及控制部分都應(yīng)該根據(jù)工作部分的功能要求、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)的合理范圍進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇。

它們是為實(shí)現(xiàn)工作部分的技術(shù)能力而服務(wù)的。

有不少機(jī)器其原動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)部分大致相同,但由于其工作部分不同,而構(gòu)成了用途、性能不同的機(jī)器。如汽車、拖拉機(jī)、推土機(jī)等,其原動(dòng)機(jī)均為內(nèi)燃機(jī),其傳動(dòng)部分也大同小異,但由于其工作部分不同就形成了不同類的機(jī)器。

(四)控制部分

控制部分是指為了提高產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量,減輕人們的勞動(dòng)強(qiáng)度,節(jié)省人力、物力等而設(shè)置的那些控制器。

控制系統(tǒng)是由控制器和被控對(duì)象組成的。

——由手動(dòng)—如操縱代替控制器的手動(dòng)控制系統(tǒng);

由機(jī)械裝置作為控制器組成的機(jī)械控制系統(tǒng);

由氣壓、液壓裝置作為控制器的氣動(dòng)、液壓控制系統(tǒng);

由電氣裝置或計(jì)算機(jī)作為控制器的電氣或計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。

以圖1-6所示的工業(yè)加熱爐為例,電動(dòng)機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)加熱爐中的鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng),從而使鏈條上的工件向前移動(dòng);加熱爐中有煤氣通過噴嘴噴出并燃燒,加熱工件。

控制的任務(wù)是保持爐溫穩(wěn)定或者按照一定的規(guī)律變化。爐溫的高低受到煤氣成分和壓力、加工件數(shù)量以及環(huán)境溫度等因素的影響。調(diào)整煤氣閥門的開度,可以控制爐溫的高低。

綜上所述,可以看出,控制器要完成被控參數(shù)的調(diào)節(jié),應(yīng)有四個(gè)基本部分:

    (1)給定值發(fā)生器。它輸出與被控量目標(biāo)值相對(duì)應(yīng)的信號(hào)。

    (2)比較器。把被控參數(shù)的實(shí)際值與給定值比較,產(chǎn)生誤差信號(hào)送給驅(qū)動(dòng)器。

    (3)驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它把誤差信號(hào)放大,變成能驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的物理量,參與被控量的調(diào)節(jié)。

    (4)檢測(cè)變換元件。對(duì)被控參數(shù)的實(shí)際值進(jìn)行測(cè)量,并把測(cè)得的物理量轉(zhuǎn)換成電量。

1模擬控制與數(shù)字控制

控制系統(tǒng)中,連接各環(huán)節(jié)間的信號(hào)分為兩種。

—— 一種是模擬量,即時(shí)間上和數(shù)值上都連續(xù)變化的物理量,例如溫度、壓力、流量、電壓、電流等;

——另一種是數(shù)字量,即在時(shí)間上和數(shù)值上不連續(xù)變化的物理量,例如數(shù)字邏輯電路中的開關(guān)信號(hào)和計(jì)算機(jī)中的數(shù)。

在一個(gè)系統(tǒng)中,如果各環(huán)節(jié)間所有的信號(hào)都是模擬量這個(gè)系統(tǒng)就稱為模擬控制系統(tǒng)或模擬控制器;

如果各環(huán)節(jié)間有一個(gè)或多個(gè)信號(hào)為數(shù)字信號(hào),則該系統(tǒng)稱為數(shù)字控制系統(tǒng)或數(shù)字控制器。數(shù)字控制系統(tǒng)代表了當(dāng)前自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展方向。

2閉環(huán)控制系統(tǒng)和開環(huán)控制系統(tǒng)

    (1)閉環(huán)控制系統(tǒng)。

    反饋就是將輸出量返回饋送,并與輸入量進(jìn)行比較的過程,比較的結(jié)果稱為偏差。自動(dòng)控制過程就是測(cè)偏和糾偏的過程。這一原理稱為反饋控制原理。

在閉環(huán)控制系統(tǒng)中,操縱變量作用于被控對(duì)象的被控變量,而被控變量的變化又通過自動(dòng)控制去影響操縱變量。

(2)開環(huán)控制系統(tǒng)。在開環(huán)控制系統(tǒng)中,輸出量不影響系統(tǒng)的控制作用,即系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間沒有反饋通道。與閉環(huán)控制系統(tǒng)不同,它不需要被控對(duì)象的反饋信號(hào),控制器直接根據(jù)給定值控制被控對(duì)象工作。這種控制系統(tǒng)不能自動(dòng)消除被控參數(shù)與給定值之間的誤差。

3計(jì)算機(jī)控制

自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本功能是進(jìn)行信號(hào)的傳遞、加工和比較。

——這些功能是由檢測(cè)變換裝置、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成的

其中,控制器是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,它決定了控制系統(tǒng)的控制性能和應(yīng)用范圍。

若將自動(dòng)控制系統(tǒng)中控制器的功能用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn),就構(gòu)成了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

如果計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī),就稱之為微機(jī)控制系統(tǒng)。

簡(jiǎn)單來說,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是由各種各樣的計(jì)算機(jī)參與控制的一類系統(tǒng),它將計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合,其特點(diǎn)是:

在一般的模擬控制系統(tǒng)中,控制規(guī)律是由硬件產(chǎn)生的,要改變控制規(guī)律就要更改硬件電路。而在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中,控制規(guī)律是用軟件實(shí)現(xiàn)的,計(jì)算機(jī)執(zhí)行預(yù)定的控制程序,就能實(shí)現(xiàn)對(duì)被控參數(shù)的控制。

因此,要改變控制規(guī)律,只要改變控制程序就可以了,這就使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和修改更加靈活方便。

二、按結(jié)構(gòu)分析機(jī)器的組成 

 機(jī)器是由許多零件、構(gòu)件和機(jī)構(gòu)組成,如圖1-8所示。

——零件是機(jī)器的制造單元。

機(jī)器零件根據(jù)使用的范圍又分為通用零件和專用零件兩類。

通用零件是指各種機(jī)器中常用的零件,如螺栓、螺母、齒輪等。

專用零件是指某種機(jī)器中特有的零件,如內(nèi)燃機(jī)的凸輪軸等。

——構(gòu)件是機(jī)器的運(yùn)動(dòng)單元,或運(yùn)動(dòng)整體。

構(gòu)件可以是一個(gè)零件,也可以是幾個(gè)零件的剛性組合。

例如,內(nèi)燃機(jī)的曲軸就是由一個(gè)零件組成的構(gòu)件,而連桿是由連桿體、連桿蓋、蓮桿軸瓦、螺栓和螺母等若干零件組合起來的構(gòu)件,如圖l -9所示。

 

——機(jī)構(gòu)是由許多構(gòu)件組合而成的,各構(gòu)件之間具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng),它在機(jī)器中起傳傳遞運(yùn)動(dòng)或變換運(yùn)動(dòng)方式的作用,如齒輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等。

最簡(jiǎn)單的機(jī)器中包含一個(gè)機(jī)構(gòu),如螺旋千斤頂就是由一個(gè)螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的。大多數(shù)機(jī)器都包含若干個(gè)機(jī)構(gòu)。

——機(jī)器與機(jī)構(gòu)的區(qū)別在于:機(jī)器能實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換(如內(nèi)燃機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī))或代替人的勞動(dòng)去做有用的機(jī)械功(如起重機(jī)、機(jī)床),而機(jī)構(gòu)則沒有這種功能。僅從結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)看,機(jī)器與機(jī)構(gòu)并無區(qū)別。

——“機(jī)械”為機(jī)器與機(jī)構(gòu)的統(tǒng)稱。