1、机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 第第2章章 机电一体化的系统组成机电一体化的系统组成机电一体化系统主要由机械单元、检测单元、机电一体化系统主要由机械单元、检测单元、控制单元、伺服与驱动单元组成。控制单元、伺服与驱动单元组成。u 这些单元具有怎样的结构和工作原理这些单元具有怎样的结构和工作原理?u 单元能够完成哪些功能单元能够完成哪些功能?u 单元之间是如何连接的单元之间是如何连接的?u 单元之间如何接受前一级元件的信号，将做单元之间如何接受前一级元件的信号，将做出怎样的处理，又如何向下一级元件传递输出怎样的处理，又如何向下一级元件传递输出呢？出呢？
2、参考教材：第参考教材：第2 2章章机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 第第2章章 机电一体化的系统组成机电一体化的系统组成 2.1 机械单元机械单元2.2 伺服与驱动单元伺服与驱动单元2.3 检测单元检测单元2.4 控制单元控制单元2.5 接口技术接口技术机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1 机械单元机械单元2.1.1 机械单元基础机械单元基础2.1.2 执行元件执行元件2.1.3 传动与导向元件传动与导向元件手表的精确定时是靠机械传动实现的手表的精确定时是靠机械传动实现的机电一体化概论An Introd
3、uction to Mechatronics 2.1.1 机械单元（机械单元（Mechanical unit）基础）基础p 机械单元是机电一体化系统的基础，是系机械单元是机电一体化系统的基础，是系统中所有功能单元的安装骨架和支撑结构，同统中所有功能单元的安装骨架和支撑结构，同时还具有传递动力和运动的作用。时还具有传递动力和运动的作用。p线性传动元件：减速装置、丝杠螺母副、蜗线性传动元件：减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等；轮蜗杆副等；p非线性传动元件：连杆机构、凸轮机构等；非线性传动元件：连杆机构、凸轮机构等；p导向支承元件、旋转支承元件导向支承元件、旋转支承元件p轴系及架体等轴系及架体等机电
4、一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1.1 机械单元（机械单元（Mechanical unit）基础）基础基本要求：精度高，惯量小，刚度大基本要求：精度高，惯量小，刚度大基本组成：基本组成：p 执行元件（执行元件（Executive componentExecutive component）机械执行元件，液压缸、气缸等；机械执行元件，液压缸、气缸等；电气执行元件，如电动机、电磁阀、电磁开关、电磁离合器等电气执行元件，如电动机、电磁阀、电磁开关、电磁离合器等p 传动与导向元件（传动与导向元件（Transmission and guide Transmis
5、sion and guide componentscomponents）传动带、传动链、传动齿轮、传动轴等。传动带、传动链、传动齿轮、传动轴等。导轨、导向键等导轨、导向键等p 机座元件机座元件机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1.2 执行元件执行元件机械执行元件是机器的直接工作部分，它是将动力和运动转机械执行元件是机器的直接工作部分，它是将动力和运动转化为克服有效外载、对外做功、完成人们设计任务的元件。化为克服有效外载、对外做功、完成人们设计任务的元件。如，汽车驱动轮、夹持机器人手指等。如，汽车驱动轮、夹持机器人手指等。机电一体化系统中，执行元件
6、主要包括机械执行元件、机电一体化系统中，执行元件主要包括机械执行元件、电磁执行元件、机械手末端执行器等。电磁执行元件、机械手末端执行器等。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1.2 执行元件执行元件1.1.机械执行元件机械执行元件 微动机构是机电一体化系统中广泛应用的执行元件微动机构是机电一体化系统中广泛应用的执行元件 机械式：机械式：精密丝杠、精密杠杆、齿轮机构、凸轮机构以及精密丝杠、精密杠杆、齿轮机构、凸轮机构以及弹性机构等。弹性机构等。机电式：机电式：电热式、电磁式、压电式、电致伸缩式、磁致伸电热式、电磁式、压电式、电致伸缩式、磁致伸缩式等。
7、缩式等。（1 1）螺旋微动机构）螺旋微动机构 万能工具显微镜工作台的螺旋微动装置万能工具显微镜工作台的螺旋微动装置机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1.2 执行元件执行元件（2 2）蜗轮）蜗轮-凸轮微动机构凸轮微动机构 （3 3）齿轮）齿轮-杠杆微动机构杠杆微动机构扇形齿轮扇形齿轮（杠杆）（杠杆）机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1.2 执行元件执行元件（4 4）热变形式微动机构）热变形式微动机构机构原理示意图机构原理示意图 热变形微动机构热变形微动机构机电一体化概论An Introduction
8、to Mechatronics 2.1.2 执行元件执行元件（5 5）磁致伸缩式微动机构）磁致伸缩式微动机构机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1.2 执行元件执行元件2.2.电磁执行元件（电磁执行元件（Electromagnetic actuatorElectromagnetic actuator）利用电磁感应现象驱动被控对象。利用电磁感应现象驱动被控对象。电磁阀电磁阀 电磁马达电磁马达 电磁离合器电磁离合器机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1.2 执行元件执行元件2.2.电磁执行元件（电磁执行元件
9、（Electromagnetic actuatorElectromagnetic actuator）左端电线圈通电左端电线圈通电 右端电线圈通电右端电线圈通电二位五通电磁阀工作原理二位五通电磁阀工作原理机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1.3 传动与导向元件传动与导向元件1.1.杆系（杆系（Bar-linkage systemBar-linkage system）示意图示意图 缝纫机下针机构缝纫机下针机构 平面杆系平面杆系 空间杆系空间杆系 空间杆系，若干个连杆机构按照一定的方式组合在一起，空间杆系，若干个连杆机构按照一定的方式组合在一起，可以实
10、现更为复杂的平面平移、角度倾斜、回转等复合运动。可以实现更为复杂的平面平移、角度倾斜、回转等复合运动。机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1.3 传动与导向元件传动与导向元件2.2.轮系轮系（1）齿轮传动（）齿轮传动（Gear transmission）（2）齿轮齿条传动（）齿轮齿条传动（Gear-rack transmission）机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1.3 传动与导向元件传动与导向元件2.2.轮系轮系同步带实物同步带实物 打印机上的字车结构打印机上的字车结构 （3）同步带传动（）同步
11、带传动（Timing-belt transmission）机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1.3 传动与导向元件传动与导向元件3.螺旋传动（螺旋传动（Helix transmission）结构原理图结构原理图 实物实物滚珠丝杠传动滚珠丝杠传动螺纹传动螺纹传动机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1.3 传动与导向元件传动与导向元件滚珠丝杠传动滚珠丝杠传动特点特点 摩擦损失摩擦损失小，传动效率高达小，传动效率高达0.920.96，而普通滑动，而普通滑动丝丝 杠杠的传动效率为的传动效率为0.200.40。
12、丝杠丝杠螺母之间预紧后，可以完全消除间隙，传动精度高螺母之间预紧后，可以完全消除间隙，传动精度高，刚度好。，刚度好。摩擦阻力摩擦阻力小，且几乎与运动速度无关，动静摩擦力之差小，且几乎与运动速度无关，动静摩擦力之差极小，不易产生低速爬行现象。保证了运动的平稳性。极小，不易产生低速爬行现象。保证了运动的平稳性。磨损磨损小，寿命长，精度保持性好。小，寿命长，精度保持性好。不能不能自锁，能实现旋转运动与直线运动的可逆转换，但自锁，能实现旋转运动与直线运动的可逆转换，但在立式使用时应增加制动装置。在立式使用时应增加制动装置。制造制造工艺复杂，成本高。工艺复杂，成本高。机电一体化概论An Introduc
13、tion to Mechatronics 2.1.3 传动与导向元件传动与导向元件4.凸轮传动（凸轮传动（Cam transmission）特点：特点：结构简单、紧凑；结构简单、紧凑；高副接触，易磨损，传力不大；高副接触，易磨损，传力不大；可实现任意要求的从动件运动规律。可实现任意要求的从动件运动规律。原理图原理图 结构示意图结构示意图由凸轮、从动件、机架这三个基本构件组成由凸轮、从动件、机架这三个基本构件组成发动机配气机构的凸轮传动结构发动机配气机构的凸轮传动结构机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1.3 传动与导向元件传动与导向元件凸轮微动机构
14、应用凸轮微动机构应用电机电机1带动长轴带动长轴2转动，长轴转动，长轴2末端与端面凸轮末端与端面凸轮7相连并随之转动，使壳体相连并随之转动，使壳体6和和套筒套筒5沿轴向运动。当凸轮转动到回程时，凸轮推动壳体沿轴向运动。当凸轮转动到回程时，凸轮推动壳体6向右侧运动，壳向右侧运动，壳体内的弹簧体内的弹簧4推动套筒推动套筒5向右运动。反之，当凸轮转动到推程时，套筒右侧向右运动。反之，当凸轮转动到推程时，套筒右侧的弹簧推动套筒向左运动。套筒和支座上分别焊接了固定销的弹簧推动套筒向左运动。套筒和支座上分别焊接了固定销8，微动装置就，微动装置就是通过两固定销驱动外固定架的两段沿轴向往复运动，外固定架再通过钢
15、是通过两固定销驱动外固定架的两段沿轴向往复运动，外固定架再通过钢钉驱动骨折段微动。钉驱动骨折段微动。通过调整微动频率、微动幅度、微动力，对骨折段施加载荷，使骨折段产通过调整微动频率、微动幅度、微动力，对骨折段施加载荷，使骨折段产生微动，以此来提高患者在术后的治疗效果。生微动，以此来提高患者在术后的治疗效果。单侧外固定架单侧外固定架1 1电机电机 2 2长轴长轴3 3支座支座 4 4弹簧弹簧5 5可调节套筒可调节套筒6 6壳体壳体 7 7凸轮凸轮8 8固定销固定销 9 9连接杆连接杆1010固定夹固定夹 11 11钢针钢针机电一体化概论An Introduction to Mechatronic
16、s 2.1.3 传动与导向元件传动与导向元件5.滚动导轨（滚动导轨（Rolling guide）直线滚动导轨（直线滚动导轨（Linear rolling guide）由钢球在滑块与滑）由钢球在滑块与滑轨之间作无限滚动循环，使得负载平台能沿着滑轨轻易的轨之间作无限滚动循环，使得负载平台能沿着滑轨轻易的以高精度作直线运动，其摩擦系数仅为传统滑动导轨的以高精度作直线运动，其摩擦系数仅为传统滑动导轨的1/50，定位精度可达到，定位精度可达到m级。级。实物实物 内部结构内部结构机电一体化概论An Introduction to Mechatronics 2.1.3 传动与导向元件传动与导向元件6.气浮导轨气浮导轨气浮导轨在分步重复照气浮导轨在分步重复照相机精密相机精密X，Y工作台工作台上的应用，它以静摩擦上的应用，它以静摩擦力驱动机构代替进给丝力驱动机构代替进给丝杠，从而消除了间隙。杠，从而消除了间隙。为了减小作用于马达的为了减小作用于马达的静摩擦力矩，驱动杆和静摩擦力矩，驱动杆和工作台都采用了空气轴工作台都采用了空气轴承导向。承导向。空气轴承导向微动台空气轴承导向微动台
