第1章 绪论

1.1 现代机械的概念与组成

1.1.1 现代机械的概念

1．机械的含义

机械是机器和机构的总称。而机构是具有确定运动的实物组合体，是机器的组成部分。

机器的种类繁多，根据机器的组成、功用和运动特点，可将机器的定义如下：机器是根据某种使用要求而设计的具有确定机械运动的装置，它用来完成一定的工作过程，以代替人类的劳动。根据工作类型的不同，机械一般可分为动力机械、工作机械和信息机械三类。

动力机械的功用是将任何一种能量变换成机械能，或将机械能变换成其他形式的能量，如内燃机、压气机、涡轮机、电动机、发电机等。

工作机械的功用是完成有用的机械功或搬运物品，如金属切削机床、织布机、印刷机、包装机、缝纫设备、汽车、飞机、起重机、输送机等。

信息机械的功用是完成信息的传递和变换，如复印机、打印机、绘图机、传真机、照相机等。

2．现代机械的内涵

随着科技的发展，机械的内涵在不断变化。现代科技在机械中的应用，使得传统机械成为现代机械具有信息化、智能化和柔性化。机电一体化已成为现代机械的最主要特征。目前机电一体化已经不仅仅局限于机和电的结合，而是拓展为光、机、电、声、控制等多学科的有机融合。机器的每一个组成部分都渗透了多学科的融合成果。

现代机械种类繁多，数不胜数。从20世纪50年代末出现的数控机床、遥操作机械手，到不断涌现的数码照相机、智能洗衣机、可个性化量体裁衣的现代缝制设备、虚拟轴机床、火星探测机器人、机器蛇、机器鱼、机器狗、太空机械臂……诸如此类，都是现代机械的具体体现。

这些产品的结构形式各异，功能品种繁多，令人目不暇接。

1.1.2 现代机械的功能结构分析

从现代机械系统的角度出发，针对实现工作机功能的机械系统，如各种自动化印刷机械、自动装配机器人、电脑型多功能缝纫机等，可认为机器系统设计的最终目的是实现要求的可控运动行为。因此，机器系统的最本质的特征是一个机械系统，但又不同于一般的机械，它是在机构的主功能、动力功能、信息与控制功能上引进了电子技术，并与软件结合而成的一种特殊的机械系统。从功能上讲，是用于完成包括机械力、运动和能量流等多动力学任务的机械或机电部件相互联系的系统。机器系统是一个集成的系统，强调各种技术的协调和集成，各部分之间是有机结合而不是简单拼凑和堆积。机器系统综合运用了机械工程、控制系统、电子技术、计算机技术和电工技术等多种技术。机器系统的执行机构扩展成了广义执行机构，即包括可控驱动元件和执行机构的集成体。可将机器定义为：“机器是将计算机技术融合于机械的信息处理和控制功能，实现机械运动、动力传递和变换。完成设定的机械运动功能的现代机械系统”。

现代机械系统的发展，使人们对机械工业有了新的认识，认为机器有明显特征：采用信息处理和控制的计算机，机电集成和融合成为现代机器的重要标志；更具有系统性、柔性、智能性。现代机械系统主要包括广义执行机构子系统、传感检测子系统和信息处理与控制子系统三个子系统，其基本特性分别叙述如下：

1．广义执行机构子系统的基本特性

广义执行机构是驱动元件与执行机构的集成体。它是实现可控运动或不可控运动的驱动元件和由刚性、非刚性等执行构件组成的运动链两者的集成系统。在机器系统中表现为由若干执行单元组成的广义执行机构子系统，它是完成运动及动力传递和转换的独立功能部分，是机器系统的主体。

广义执行机构中，驱动元件的种类十分广泛，有感应电动机、步进电机、伺服电机、液压动作缸、气动缸、弹簧、重锤、形状记忆合金、光电马达……执行构件指广义构件，除了传统的刚性构件外，还包括柔性构件、弹性构件、韧性构件等非刚性构件。

在广义执行机构中由于驱动元件与执行元件系统融为一体，使输出运动可以复杂多变，使广义执行机构具有可控性。即使机构各构件仍为刚性，其输出运动复杂多变的特性仍然具备，适应了机器系统设计的需要。

广义执行机构概念的形成，是与现代机械系统划分成机械运动主功能、检测功能、信息处理与控制功能密切相关的。广义执行机构概念的提出有利于从执行运动功能的角度，进行机械系统方案的构思和设计。

2．传感检测子系统的基本特性

机器系统中用于检测机械参数和工作过程有关的参数的传感器、运算放大电路等传感检测子系统的作用是采集控制广义执行机构所必需的参数信息，供信息处理与控制子系统进行处理并发出相关信息。

传感检测子系统主要包括传感器和微机接口两部分。

传感检测子系统在机器系统中起着十分重要的作用，它将机器系统自身的、作业对象的以及作业环境的工作状态参数进行检测，并将检测到的状态参数信息提供给信息处理及控制系统进行信息处理并发出控制信号以控制广义执行机构。

3．信息处理与控制子系统的基本特性

信息处理与控制子系统是由检测传感器提供信息，根据工艺动作过程实现其控制策略而实施对广义执行机构的控制。控制的实现应按广义执行机构的运动学模型、动力学模型来进行。它是由电子计算机和软件具体实施的。信息处理与控制子系统是实现机器系统智能化、自动化的关键。驱动元件与执行机构系统模型建立的好坏直接影响到信息处理与控制子系统的构思和设计。

1.1.3 现代机械的系统组成

根据系统论的观点，将一个系统划分为互相联系的子系统的原则有两个：一是应突出系统的主功能；二是应按功能分解原理将总功能分解为各相对独立的子功能以确定子系统。

现代机械系统的主功能应是实现运动和动力的传递和转换，能量的传递和转换应服从运动和动力的传递和转换。机器系统的执行机构系统就是为了实现机械的主功能，是机器系统的主体部分。

现代机械系统包含单元级与系统级两个层次。单元层次的机械系统只有一个执行单元，其运动载体是单个的广义执行机构，是对传统机械系统的发展；系统层次的现代机械系统具有多个执行单元，这些执行单元的协调作用共同完成更为复杂的执行运动功能，是对传统机械系统的超越。

1．单元级的现代机械系统的结构组成

从完成工艺动作过程这一总功能要求出发，单元层次的现代机械系统可划分为广义执行机构子系统、传感检测子系统、信息处理及控制子系统三个子系统，称为“三子系统论”。图1-1表示单元级的机械系统的闭环控制逻辑结构。

广义执行机构作为运动载体，使机器系统具有足够的运动柔性和实时可调性；信息处理与控制子系统控制广义执行机构子系统对外界信息的交互、信息处理、指令发布等工作；传感检测子系统从设计过程来说附属于信息处理及控制子系统，是了解广义执行机构子系统运动状态的探测器。如果删除了传感检测子系统，则成为开环控制的单元级机器系统。

2．系统级的现代机械系统的结构组成

在传统机械系统中，运动载体是其中的机构系统。机构间的协调与控制往往由机械分配轴，通过复杂的中间机构来实现。这样的机械系统很难进行动态调节，所具有的机械柔性也是很有限的。与传统机械系统不同，系统层次的现代机械系统采用非机械手段来实现协调与控制功能，带来了极大的工作柔性，也大大简化了运动机构自身。图1-2表示系统层次的现代机械系统的结构组成。系统层次的现代机械系统包括主控和执行两大功能模块。主控模块包括信息处理及控制、传感检测两个子系统，执行模块由多个执行单元组成，每个执行单元又包括广义执行机构子系统、信息处理及控制子系统和传感检测子系统三个子系统。实际上，每个执行单元就等同于一个单元级的机器系统。主控模块中的传感检测子系统从设计过程来说依然附属于信息处理及控制子系统，主控模块中的信息处理及控制子系统协调控制各执行单元的信息交互、信息处理及指令发布等工作。

两个层次的机械系统的应用范围不同。当产品的运动功能很简单时，往往只需要单个的广义执行机构就能实现，可采用单元级的机器系统的结构形式，设计方法需采用在确定广义执行机构形式后，其结构参数及控制策略的设计在广义执行机构运动学建模和动力学建模基础上同时进行，机电设计是完全耦合的。当产品的运动功能较为复杂时，映射的结果可能需要多个广义执行机构，这时需采用系统层次的机器系统的结构组成，系统层次的现代机械系统更强调各执行单元间的集成、协调与控制。

3．现代机械系统的含义

现代机械系统，其内涵是一个动态的概念，随着机电及相关学科的发展而发展。而且随着新技术的出现和应用，其内涵还会不断被赋予新的内容。因此，在新的科技发展水平下，研究机电一体化系统的新内涵、特征、结构组成对现代机械系统的设计理论，尤其是概念设计理论与方法的研究有重要意义。

现代机械系统的最本质的特征是一个机械系统，但又不同于一般的机械，它是在机构的主功能、动力功能、信息与控制功能上引进了电子技术，并与软件结合而成的一种特殊的机械系统。从功能上讲，是用于完成包括机械力、运动和能量流等多动力学任务的机械和（或）机电部件相互联系的系统。

现代机械系统是一个集成的系统，强调各种技术的协调和集成，各部分之间是有机结合而不是简单拼凑和堆积。现代机械系统综合运用了机械工程、控制系统、电子技术、计算机技术和电工技术等多种技术。现代机械系统的执行机构扩展成了广义执行机构，即包括可控驱动元件和执行机构的集成体。

可将现代机械系统定义为：“现代机械系统是将计算机技术融合于机械的信息处理和控制功能，实现机械运动、动力传递和变换。完成设定的机械运动功能的机械系统”。