机械（Mechanism）

从物理学角度，机械是指利用力学原理组成的各种装置。它可以将一种形式的能量转化为另一种形式的能量，或者改变力的大小、方向和作用点等。例如杠杆。从工程学角度，机械是各种机器和机构的总称。它由多个零件按照一定的规律组合而成，这些零件之间有确定的相对运动。例如汽车。从制造业角度，机械是指用于生产制造过程中的各类设备和工具。这些设备和工具能够对原材料进行加工、装配、检测等操作。例如车床。

机械的组成要素

机械由机构零件和构件组成。

机构

是由构件和运动副组成的，具有确定相对运动的组合体。由多个构件通过运动副连接而成，能够实现预定的相对运动。常见的机构有连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等。例如，内燃机中的曲柄滑块机构，通过曲柄、连杆和滑块之间的相对运动，将曲柄的旋转运动转换为滑块的往复直线运动，进而推动活塞上下移动。

零件

是制造单元。是机械结构的最小单元，具有特定的形状、尺寸和精度要求。例如，螺栓、螺母、齿轮、轴等。零件的材料、加工工艺等直接影响其性能和质量。

构件

是运动单元。由一个或多个零件刚性连接而成，在运动过程中可视为一个整体。如曲柄连杆机构中的曲柄和连杆，它们通过销钉等连接方式组合在一起，在发动机工作过程中作为一个整体运动。

机械的分类

工作机械在现代工业和生活中扮演着重要角色，涵盖了力传递机械、传动机械、液压机械、气动机械和机器人等多种类型。

动力机械

动力机械在现代工业和生活中扮演着重要角色，内燃机和电动机是其中的两大主要类型。内燃机通过燃烧燃料产生机械能，广泛应用于交通运输和发电等领域；电动机则通过电磁感应将电能转化为机械能，广泛应用于各种电气设备和自动化控制系统中。

内燃机

类型

汽油发动机：通常用于轿车，具有轻便、低温起动性能好、运转平稳等优点。
柴油发动机：广泛应用于卡车、船舶和部分发电设备，具有热效率高、燃油经济性好、运行可靠等优点。
转子发动机：通过三角转子在椭圆形腔体内的旋转运动来实现做功，体积小、结构简单，但使用寿命和燃油经济性较低，主要应用于一些特定的车辆如马自达RX系列。
二冲程发动机：每一个工作循环只需两个活塞行程，结构简单、功率密度高，适用于摩托车、割草机和小型船外机，但油耗高、排放不达标，应用受限。
四冲程发动机：每一个工作循环需四个活塞行程，包括进气、压缩、做功及排气，效率较高，广泛应用于几乎所有的汽车和摩托车。
涡轮增压发动机：通过废气驱动涡轮增加进气量，提高燃烧效率和输出功率，广泛应用于高性能汽车、赛车及重型卡车。
超级增压发动机：由发动机机械驱动，增大进气量，提高功率输出，常应用于高性能跑车和一些飞机引擎。
混合动力发动机：结合了内燃机和电动机的优点，能根据工况互相切换，优势在于提高燃油效益和减少排放，主要应用于现代的节能环保车型。

工作原理: 内燃机的工作原理基于热力学循环，包括四个主要阶段：吸气、压缩、燃烧和排气。

吸气阶段：活塞从上止点移动到下止点，进气门打开，外界空气或混合气被吸入气缸。
压缩阶段：活塞由下止点向上止点移动，进气门和排气门均关闭，气缸内的空气或混合气被压缩，压力和温度升高。
燃烧阶段：在活塞达到下止点时，点火装置产生火花点燃气缸内的混合气体，可燃气体燃烧释放出大量热能，使气缸内的气体压力迅速上升，推动活塞向下运动，将内能转化为机械能。
排气阶段：活塞再次从下止点向上止点移动，排气门打开，燃烧后的废气被排出气缸。

应用

汽车：传统的汽车发动机通常采用内燃机作为动力源，通过燃烧汽车燃料（如汽油或柴油）产生爆炸，从而驱动汽车运动。
飞机：内燃机在航空领域中也得到了广泛应用，特别是涡轮喷气发动机和涡轮螺旋桨发动机。这些发动机通过喷射燃料和氧气的混合物，并利用燃烧产生的高温高压气体来产生推力，从而驱动飞机飞行。
船舶：内燃机在船舶领域中也被广泛使用，特别是柴油机。柴油机通过压缩空气混合物使其自燃，从而产生高温高压气体，利用这些气体推动活塞，驱动船舶前进。
发电机：内燃机还广泛应用于发电行业。柴油发电机和燃气发电机是常见的内燃机发电设备，通过燃烧燃料产生能量，从而驱动发电机转子产生电能。

电动机

类型

直流电动机：由电磁铁和转子组成，当电流通过电磁铁产生磁场，与转子上的永磁体相互作用使转子旋转，改变电流方向可改变旋转方向。
交流异步电动机：定子通入交流电产生旋转磁场，转子导体因相对运动切割磁感线产生感应电流，感应电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力，推动转子旋转，其转速略低于旋转磁场速度。
交流同步电动机：定子通入交流电产生旋转磁场，转子上的导体产生的磁场与定子磁场同步，从而使转子旋转，其旋转速度与电源频率成正比。
步进电机：能够控制位置，常用于精密机械和自动化设备。

工作原理: 电动机基于电磁感应定律，通过磁场与电流的相互作用将电能转化为机械能。

磁场的产生：定子通常包含绕组，当电流通过定子绕组时，会产生磁场，这个磁场可以是恒定磁场，也可以是旋转磁场。
转子受力转动：转子是电动机的旋转部分，一般由导线或绕组构成。当定子产生的磁场与转子相互作用时，通电的转子导线在磁场中会受到安培力，其方向依据左手定则来判定，力的大小则与电流强度、导线长度、磁场强度以及电流与磁场方向间的夹角有关。在安培力的作用下，转子便会绕轴旋转起来，从而实现电能向机械能的转化。

应用

电气伺服传动领域：在要求速度控制和位置控制（伺服）的场合，特种电机的应用越来越广泛。如交流伺服电机驱动系统应用在凹版印刷机中，以其高控制精度实现了极高的同步协调性，使这种印刷设备具有自动化程度高、套准精度高、承印范围大、生产成本低、节约能源、维修方便等优势。在工业缝纫机中，随着永磁交流伺服电动机控制系统、无刷直流电动机控制系统、混合式步进电动机控制系统的大量使用，使工业缝纫机向自动化、智能化、复合化、集成化、高效化、无油化、高速化、直接驱动化方向快速发展。
信息处理领域：在计算机、通信、自动化控制等设备中，电动机用于驱动各种机械部件，如硬盘驱动器的主轴电机、打印机的步进电机等，实现精确的位置控制和高速运动。
家用电器：如电风扇、洗衣机、空调等，电动机用于驱动风扇、电机等部件，实现空气流动、衣物洗涤和空气调节等功能。
工业生产：在各种工业设备中，电动机用于驱动泵、风机、传送带等，实现物料的输送、液体的循环和机械的运转。

工作机械

工作机械在现代工业和生活中扮演着重要角色，涵盖了力传递机械、传动机械、液压机械、气动机械和机器人等多种类型。

力传递机械

力传递机械主要用于对物体施加压力、拉伸和扭曲等力，广泛应用于建筑、制造、挖掘和运输等领域。

压力机

原理：通过液压或机械传动系统，将力传递到模具上，对工件进行冲压、成型、切割等操作。
应用：广泛用于汽车制造中的机油滤芯、空气滤清器和悬架弹簧的生产。

磨床

原理：利用磨具（如砂轮）对工件表面进行磨削加工，通过高速旋转的磨具与工件之间的摩擦，去除材料，达到所需的形状和尺寸精度。
应用：用于制造汽车零件、可重复使用的瓶子和其他金属或非金属物件。

锻压机

原理：通过巨大的压力使金属坯料发生塑性变形，形成所需的形状和尺寸。锻压机可以是锤式、压力机式或螺旋式。
应用：用于制造高强度的机械零件，如汽车的曲轴、连杆等。

传动机械

传动机械主要用于改变或传递运动、力量和能量，常见的传动机械包括齿轮传动、皮带传动、链条传动等。

齿轮传动

原理：通过齿轮的互相啮合来传递运动和力量。齿轮传动可以实现不同的传动比，改变速度和扭矩。
应用：广泛应用于各种机械设备中，如汽车变速器、工业机床等。

皮带传动

原理：利用柔性带状物（如V带、平带）将运动从一个轮子传递到另一个轮子。皮带传动通过摩擦力传递动力，可以实现远距离传动。
应用：常见于汽车发动机、机械设备中，用于驱动风扇、水泵等。

链条传动

原理：通过链条和链轮的啮合传递动力。链条传动可以传递较大的扭矩，适用于重载和高速传动。
应用：广泛用于摩托车、自行车、输送机等设备中。

液压机械

液压机械通过液体在封闭的管路中传递压力来实现力的传递和转换，具有起动力大、调速范围广和传动效率高等优点。

液压泵

原理：将机械能转化为液压能，通过泵的往复运动或旋转运动，使液压油产生压力。
应用：用于液压系统中，为液压缸、液压马达等提供动力。

液压缸

原理：将液压能转化为机械能，通过液压油的压力推动活塞运动，实现直线或往复运动。
应用：广泛用于工程机械、工业自动化设备中，如挖掘机的臂杆伸缩、压机的上下运动等。

液压马达

原理：将液压能转化为机械能，通过液压油的压力驱动马达旋转。
应用：用于驱动各种旋转设备，如船舶的舵机、工程机械的回转机构等。

气动机械

气动机械通过压缩空气实现动力和运动，具有动作迅速、控制方便、维护简单等优点。

气缸

原理：将压缩空气的压力能转化为机械能，通过气缸内的活塞运动实现直线或往复运动。
应用：广泛用于自动化生产线、机器人、包装机械等，如气动抓手、气动夹具等。

气动马达

原理：将压缩空气的压力能转化为机械能，通过气动马达的旋转运动驱动设备。
应用：用于驱动各种旋转设备，如工具的驱动、小型发电机等。

气动阀

原理：控制压缩空气的流向和流量，实现气动系统的控制。
应用：用于气动系统的控制，如气动抓手的开合控制、气缸的伸缩控制等。

机器人

机器人是一种高度自动化的机械装置，能够执行复杂的任务，广泛应用于工业、医疗、服务等领域。

工业机器人

原理：通过机械臂和控制系统，实现精确的运动和操作。工业机器人可以是关节型、直角坐标型、多关节型等。
应用：广泛用于汽车制造、电子设备制造、焊接、喷涂、搬运等。

服务机器人

原理：通过传感器和控制系统，实现自主导航、避障、任务执行等功能。
应用：用于家庭服务、医疗护理、物流配送等。

信息机械

信息机械是指将机械技术与信息技术相结合，通过传感器、控制器、执行器等部件实现信息的采集、处理和控制，从而实现自动化和智能化操作的机械系统。信息机械广泛应用于工业自动化、智能交通、医疗设备、机器人等领域。

信息机械的类型

机器视觉系统

原理：机器视觉系统通过CCD或CMOS摄像头捕捉图像，将图像信号传输到图像处理系统。图像处理系统对图像进行分析，提取目标的特征（如面积、数量、位置、长度等），并根据预设的条件输出结果，实现自动识别和检测功能。机器视觉系统在工业检测中的应用非常广泛，主要体现在以下几个方面：

质量控制

机器视觉系统可以自动检测产品是否存在缺陷，从而大幅提升检测速度和准确率。传统的质量检查往往依赖人工，这不仅效率低下，成本高昂，而且受人为因素影响较大。通过应用图像识别技术，机器视觉系统可以自动检测产品是否存在缺陷，如裂纹、划痕、颜色不均等问题。示例：在生产车间中，一个基于计算机视觉的质量检测系统能够对每个经过流水线的产品进行实时图像采集，并通过深度学习模型（如卷积神经网络）对图像进行分析，快速识别出任何异常情况。通过这种方式，系统可以实现高效、精准的质量控制，减少废品率。

物体检测与分拣

物体检测是图像识别在工业中的另一大重要应用。工业生产线通常会处理大量不同类型的物体，而这些物体可能根据大小、形状或颜色进行分类。图像识别技术能够实现这些物体的自动识别和分类，极大提高了分拣的效率。示例：在食品包装流水线上，摄像头可以捕获经过的包装盒图像，图像识别系统可以检测出其内容是否正确，是否有产品损坏等。在这个场景中，使用YOLO（You Only Look Once）等实时物体检测模型，能够以极高的速度完成图像中的物体识别和分类任务，从而满足流水线分拣的实时需求。

机器人视觉导航

随着工业自动化的深入，越来越多的机器人被应用到工厂中执行复杂的任务。在这些应用中，机器人需要依靠视觉系统进行导航。通过图像识别，机器人能够实时感知周围的环境，识别出障碍物、路径标志或其他物体，进而自主规划路径或执行特定任务。示例：在大型仓库中，机器人可以通过视觉系统识别货架的位置和通道中的障碍物，从而规划最优路径搬运货物。机器人视觉导航系统的实时性和准确性要求很高，因此通常使用轻量化的深度学习模型，如MobileNet，与摄像头硬件结合，实现高效的路径识别和动态避障。

工业检测中的安全监控

工业车间的环境往往较为复杂，存在很多安全隐患。通过图像识别技术，可以实时监控工人的行为，确保其遵循安全规范。例如，系统可以检测工人是否佩戴安全帽，是否进入了危险区域等。一旦发现违规操作，系统可以立即发出警告，防止潜在事故的发生。例如： - 仪表板总成智能集成测试系统：用于检测汽车仪表板总成的质量，包括速度表等五个仪表指针的指示误差和24个信号报警灯及若干照明灯是否损坏或漏装。该系统实现了智能化、全自动、高精度、快速质量检测，克服了人工检测的误差，提高了检测效率。

金属板表面自动控伤系统：用于检测金属表面缺陷，如大型电力变压器线圈扁平线、收音机朦胧皮等。该系统利用线阵CCD的自扫描特性与被检查钢板X方向的移动相结合，取得金属板表面的三维图像信息，避免了接触式测量可能带来的新划伤。
汽车车身检测系统：用于检测汽车车身轮廓尺寸精度。英国ROVER汽车公司800系列汽车车身轮廓尺寸精度的100%在线检测系统由62个测量单元组成，每个测量单元包括一台激光器和一个CCD摄像机，检测精度为±0.1mm。
纸币印刷质量检测系统：用于检测纸币生产流水线上的纸币质量，通过对纸币20多项特征（号码、盲文、颜色、图案等）进行比较分析，替代传统的人眼辨别的方法。

信息机械的应用领域

信息机械通过将机械技术与信息技术相结合，实现了自动化和智能化操作，广泛应用于工业自动化、智能交通、医疗设备、消费电子等领域。了解信息机械的类型、原理和应用，有助于更好地选择和使用适合的信息机械方案，提高生产效率和生活质量。

工业自动化

数字化设计：通过三维造型软件、数值计算软件和仿真分析软件，实现产品结构、性能、参数的计算和模拟，提高设计效率和质量。
数控加工：通过计算机程序控制机床完成零件加工，提高加工精度和效率。
智能生产：全面提升生产操作与生产管理的智能化水平，包括生产工艺优化、生产管理和运营管理。

智能交通

交通管理：通过摄像头和传感器采集交通数据，实现交通流量监测、违章检测和智能信号控制。
自动驾驶：利用机器视觉、雷达和传感器等技术，实现车辆的自动驾驶和辅助驾驶功能。

医疗设备

医疗图像分析：用于血液细胞分类、染色体分析、癌症细胞识别等，提高诊断的准确性和效率。
智能医疗器械：如智能手术机器人、可穿戴医疗设备等，实现医疗操作的自动化和智能化。

消费电子

传感器应用：如加速度计、陀螺仪等用于智能手机、平板电脑等设备的运动检测和姿态控制。
智能穿戴设备：如智能手表、健康手环等，实现健康监测和运动跟踪功能。

机械的功能

机械的功能是多方面的，涵盖了生产、生活、科研等诸多领域。

生产领域

加工制造功能

切削加工：各类机床通过刀具对工件进行切削，改变工件的形状、尺寸和表面质量。

例如，车床可以加工回转体零件，如轴类、盘类零件。通过车刀的旋转和进给运动，将毛坯材料加工成所需的外圆、内孔、螺纹等形状；铣床则用于加工平面、沟槽、成形面等，通过铣刀的旋转和工件的移动，实现复杂的平面和曲面加工。

铸造加工：将金属液浇入铸型中，待其冷却凝固后获得具有一定形状和性能的铸件。

例如，在生产大型铸铁件如机床床身、发动机缸体等时，先根据零件形状制作木模，然后用砂子等材料制作铸型，将熔化的铁水浇入铸型型腔，冷却后取出铸件，再进行后续的清理和加工。铸造加工能够生产形状复杂、尺寸较大的零件，且生产成本相对较低。

锻造加工：利用锻压设备对金属坯料施加压力，使其发生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和力学性能的锻件。

例如，汽车的曲轴、连杆等重要零件通常采用锻造加工。锻造可以改善金属的内部组织，提高零件的强度和韧性，使零件能够承受较大的载荷和冲击。

物料搬运功能

起重机械：如起重机、行车等，用于垂直起吊和水平搬运重物。

例如，在建筑工地，塔式起重机可以将建筑材料如钢筋、混凝土预制构件等从地面吊运到高空作业面；在仓库和物流中心，桥式起重机可以方便地在仓库内搬运货物，实现货物的堆垛和装卸。

输送机械：包括皮带输送机、链式输送机、螺旋输送机等，用于连续输送物料。

例如，在煤炭、矿石等散料的运输中，皮带输送机可以将物料从开采地点或存储场所连续不断地输送到加工车间或运输车辆；在食品加工企业，链式输送机可以将包装好的食品从生产线输送到仓库或装车区。

装配功能

自动化装配线：在汽车制造、电子设备生产等行业广泛应用。

例如，汽车装配，各个零部件如发动机、底盘、车身等在装配线上按照一定的顺序和工艺要求进行组装。自动化装配线通过机器人、传送带、定位装置等设备，实现零部件的精确装配，提高装配效率和质量，保证汽车的性能和一致性。

手工装配工位：在一些精度要求高、批量较小或需要特殊装配工艺的场合，仍需手工装配。

例如，精密仪器的装配，装配人员需要借助放大镜、精密工具等，将微小的零部件如齿轮、轴承等精确地安装到仪器内部，保证仪器的精度和可靠性。

生活领域

交通运输功能

汽车：是现代社会最主要的陆地交通工具之一。

它通过内燃机（汽油机或柴油机）或电动机驱动车轮旋转，实现人员和货物的快速移动。汽车具有灵活机动、舒适便捷的特点，能够适应各种路况和运输需求，极大地提高了人们的出行效率和生活质量。

火车：主要用于长距离、大批量的人员和货物运输。

高速列车如动车组、高铁，通过电力驱动，能够在铁路上以较高的速度运行，缩短了城市之间的时空距离；货运列车则可以运输大量的煤炭、矿石、粮食等物资，是国家经济建设的重要运输力量。

船舶：在水上运输中发挥着重要作用。

客船用于人员的水上运输，如游轮可以搭载大量游客进行海上旅游，提供住宿、餐饮、娱乐等服务；
货船则用于运输各种货物，包括集装箱、散货、油品等，是国际贸易和国内物资调配的重要运输方式。

飞机：是最快的交通运输工具。

客机能够快速地将人员从一个城市运输到另一个城市，特别是对于长途旅行和紧急出行具有无可比拟的优势；
货机则用于运输高价值、时效性强的货物，如电子产品、鲜花、生鲜食品等，保证货物能够及时、安全地到达目的地。

家用电器功能

制冷功能：如冰箱、空调等。

冰箱通过制冷系统的工作，将箱内的热量吸收并散发到外部环境，使箱内保持低温，用于储存食物、药品等易腐物品，延长其保鲜期；
空调则可以调节室内温度和湿度，通过制冷或制热模式，使室内环境达到舒适的温度范围，提高人们的生活舒适度。

清洁功能：如洗衣机、吸尘器等。

洗衣机利用机械搅拌、水流冲击等方式，配合洗涤剂，将衣物上的污渍清洗干净，大大减轻了人们的洗衣负担；
吸尘器通过产生负压，将地面、家具表面的灰尘、垃圾等吸入集尘袋或集尘桶内，保持室内环境的清洁卫生。

烹饪功能：如电饭煲、微波炉、烤箱等。

电饭煲能够自动控制加热过程，将米煮成饭，还可以用于炖汤、蒸菜等；
微波炉通过微波加热食物，加热速度快，且能够较好地保持食物的营养成分；
烤箱则可以用于烘烤面包、蛋糕、肉类等食物，使食物表面形成美味的焦脆层，增加食物的口感和风味。

科研领域

实验测量功能

精密仪器：如电子天平、光谱仪、示波器等。

电子天平可以精确地测量物体的质量，其精度可达毫克甚至微克级别，广泛应用于化学分析、材料研究等领域；
光谱仪能够分析物质的光谱特性，通过测量物质对不同波长光的吸收、发射或散射情况，确定物质的成分、结构等信息，在物理、化学、生物等学科的科研中发挥着重要作用；
示波器用于观察和测量电信号的波形、频率、幅度等参数，在电子技术、通信技术等领域的实验研究和故障诊断中不可或缺。

实验装置：如风洞、水洞等。

风洞是用于模拟空气流动环境的实验装置，通过在风洞中放置模型，如飞机模型、汽车模型等，可以测量模型在不同风速、风向条件下的气动力、气动稳定性等参数，为航空航天、汽车等领域的设计和研究提供数据支持；
水洞则是模拟水流环境的装置，用于研究船舶、潜艇等水下物体的水动力性能、流体噪声等特性，对船舶设计、海洋工程等科研工作具有重要意义。

模拟仿真功能

机械模拟装置：如机械振动台、地震模拟台等。

机械振动台可以模拟各种振动环境，将被测物体或试验件安装在振动台上，通过控制振动的频率、振幅、波形等参数，研究物体在振动条件下的动态响应、疲劳寿命等性能。
在航空航天领域，通过振动台试验可以检验飞机发动机、卫星等设备在飞行过程中承受振动的能力；
地震模拟台则用于模拟地震时地面的运动情况，对建筑物、桥梁等结构进行抗震性能试验，为结构的抗震设计提供依据。

虚拟样机：利用计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）等技术，建立机械产品的虚拟模型，并在虚拟环境中进行各种性能分析和仿真。

在汽车设计中，通过建立汽车整车的虚拟样机，可以在计算机上进行碰撞仿真，分析汽车在碰撞过程中的车身变形、乘员安全等情况，优化汽车的结构设计；
还可以进行动力学仿真，模拟汽车的行驶性能，如加速性能、制动性能、操控稳定性等，提前发现和解决设计中存在的问题，缩短产品研发周期，降低研发成本。

视频讲解

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