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1、机电一体化概论 An Introduction to Mechatronics 第2章 机电一体化的系统组成 2.1 机械单元 2.2 伺服与驱动单元 2.3 检测单元 2.4 控制单元 2.5 接口技术 机电一体化概论 An Introduction to Mechatronics 第2章 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、控制单元、伺服与驱动单元等组 成。 机电一体化概论 An Introduction to Mechatronics 2.1 机械单元 2.1.1 机械单元基础 2.1.2 执行元件 2.1.3 传动与导向元件 手表的精确定时是靠机械传动实现的
2、 机电一体化概论 An Introduction to Mechatronics 2.1.1 机械单元（Mechanical unit）基础 l 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，同时还具有传递动力和运动的作用 l 线性传动元件：减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等； l 非线性传动元件：连杆机构、凸轮机构等； l 导向支承元件、旋转支承元件 l 轴系及架体等 机电一体化概论 An Introduction to Mechatronics 2.1.1 机械单元（Mechanical unit）基础 基本要求：精度高，惯量小，刚度大 基本组成： l 执行元
3、件（Executive component） l 机械执行元件，液压缸、气缸等； l 电气执行元件，如电动机、电磁阀、电磁开关、电磁离合 器等 l 传动与导向元件（Transmission and guide components） l 传动带、传动链、传动齿轮、传动轴等。 l 导轨、导向键等 l 机座元件 机电一体化概论 An Introduction to Mechatronics 2.1.2 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。 机电一体化系统中，执行元件主要包括：机械执
4、行 元件、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 1. 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 机械式：精密丝杠、精密杠杆、齿轮机构、凸轮机构以及 弹性机构等。 机电式：电热式、电磁式、压电式、电致伸缩式、磁致伸 缩式等。 （1）螺旋微动机构 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 （2）蜗轮-凸轮微动机构 （3）齿轮-杠杆微动机构 扇形齿轮 （杠杆） 机电一体化概论 An Int
5、roduction to Mechatronics 2.1.2 执行元件 （4）热变形式微动机构 机构原理示意图 热变形微动机构 机电一体化概论 An Introduction to Mechatronics 2.1.2 执行元件 （5）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 2. 电磁执行元件（Electromagnetic actuator） 利用电磁感应现象驱动被控对象。 电磁阀 电磁马达 电磁离合器 机电一体化概论 An Introduction to Mechatronics 2.1.2 执行元件 2.
6、 电磁执行元件（Electromagnetic actuator） 左端电线圈通电 右端电线圈通电 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 1. 杆系（Bar-linkage system） 示意图 缝纫机下针机构 平面杆系 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， 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 2. 轮系 （1）齿轮传动（Gear transmiss
7、ion） （2）齿轮齿条传动（Gear-rack transmission） 机电一体化概论 An Introduction to Mechatronics 1最佳总传动比 首先把传动系统中的工作负载、惯性负载和摩擦负载，综 合为系统的总负载，方法有： (a) 峰值综合：若各种负载为非随机性负载，将各负载的 峰值取代数和。 (b) 均方根综合：若各种负载为随机性负载，取各负载的 均方根。 齿轮传动 机电一体化概论 An Introduction to Mechatronics 1最佳总传动比 负载综合时，要转化到电机轴上，成为等效峰值综合负载转 矩或等效均方根综合负载转矩。使等效负载转矩最小或
8、负载 加速度最大的总传动比，即为最佳总传动比。 齿轮传动 机电一体化概论 An Introduction to Mechatronics 2总传动比分配 齿轮系统的总传动比确定后，根据对传动链 的技术要求，选择传动方案，使驱动部件和负载 之间的转矩、转速达到合理匹配。可按下述三种 原则适当分级，并在各级之间分配传动比。 齿轮传动 机电一体化概论 An Introduction to Mechatronics (1) 最小等效转动惯量原则 利用该原则所设计的齿轮传动系统，换算到电机 轴上的等效转动惯量为最小。 齿轮传动 如右图，若不计轴和轴承的转 动惯量，则根据系统动能不变的 原则，等效到电机轴
9、上的等效转 动惯量为： 机电一体化概论 An Introduction to Mechatronics 齿轮传动 因为：因为： 所以：所以： 即：即： 令令 可得可得 机电一体化概论 An Introduction to Mechatronics (2) 重量最轻原则 对于小功率传动系统，使各级传动比满足， 即可使传动装置的重量最轻。 齿轮传动 机电一体化概论 An Introduction to Mechatronics 上述结论对于大功率传动系统是不适用的， 此时应根据经验、类比方法以及结构紧凑之要求 进行综合考虑。各级传动比一般应以“先大后小” 原则处理。 齿轮传动 机电一体化概论 An
10、 Introduction to Mechatronics (3) 输出轴转角误差最小原则 为了提高机电一体化系统中齿轮传动系统传递运动的 精度，各级传动比应按“先小后大”原则分配，以便降低齿 轮的加工误差、安装误差以及回转误差对输出转角精度的 影响。设齿轮传动系统中各级齿轮的转角误差换算到末级 输出轴上的总转角误差为 齿轮传动齿轮传动 机电一体化概论 An Introduction to Mechatronics 3 齿轮传动间隙的调整方法 (1) 圆柱齿轮传动 (a) 偏心套(轴)调整法 如右图所示，将相互啮合 的一对齿轮中的一个齿轮4 装在电机输出轴上，并将电 机2安装在偏心套1(或偏心
11、 轴)上 齿轮传动 机电一体化概论 An Introduction to Mechatronics (b) 轴向垫片调整法 如右图所示，齿轮1和2相啮合，其分 度圆弧齿厚沿轴线方向略有锥度，这样 就可以用轴向垫片3使齿轮2沿轴向移动 ，从而消除两齿轮的齿侧间隙。 齿轮传动 机电一体化概论 An Introduction to Mechatronics (c) 双片薄齿轮错齿调整法 这种消除齿侧间隙的方法是将其中一个做成宽齿轮，另 一个用两片薄齿轮组成。采取措施使一个薄齿轮的左齿侧和 另一个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左、右两侧 ，以消除齿侧间隙，反向时不会出现死区。 齿轮传动 机电一体
12、化概论 An Introduction to Mechatronics (2) 斜齿轮传动 消除斜齿轮传动齿轮侧隙的方法与上述错齿调整法基 本相同，也是用两个薄片齿轮与一个宽齿轮啮合，只是在两 个薄片斜齿轮的中间隔开了一小段距离，这样它的螺旋线便 错开了。 齿轮传动 机电一体化概论 An Introduction to Mechatronics (3) 锥齿轮传动 (a)轴向压簧调整法 轴向压簧调整法原理如图6- 15，在锥齿轮4的传动轴7上装有压 簧5，其轴向力大小由螺母6调节。 锥齿轮4在压簧5的作用下可轴向移 动，从而消除了其与啮合的锥齿轮l 之间的齿侧间隙。 齿轮传动 机电一体化概论
13、An Introduction to Mechatronics (b) 周向弹簧调整法 将与锥齿轮3啮合的齿轮做 成大小两片(1、2)，在大片锥齿 轮1上制有三个周向圆弧槽8，小 片锥齿轮2的端面制有三个可伸入 槽8的凸爪7。弹簧5装在槽8中， 一端顶在凸爪7上，另一端顶在镶 在槽8中的镶块4上。止动螺钉6 装配时用，安装完毕将其卸下， 则大小片锥齿轮1、2在弹簧力作 用下错齿，从而达到消除间隙的 目的。 齿轮传动 机电一体化概论 An Introduction to Mechatronics 4 齿轮齿条传动机构 当传动负载大时，可采用双齿轮调整法。通过预载装置 4向齿轮3上预加负载，使大齿
14、轮2、5同时向两个相反方何转 动，从而带动小齿轮1、6转动，其齿面便分别紧贴在齿条7 上齿槽的左、右侧，消除了齿侧间隙。 齿轮传动 机电一体化概论 An Introduction to Mechatronics 谐波齿轮传动具有结构简单、传动比大(几十几 百)、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平 稳、承载能力强、效率高等优点，故在工业机器 人、航空、火箭等机电一体化系统中日益得到广 泛的应用。 谐波齿轮传动 机电一体化概论 An Introduction to Mechatronics 谐波传动由三个主要构件所组成，即具有内齿的刚轮l、具有外 齿的柔轮2和波发生器3。通常波发生器为主动件，
15、而刚轮和柔轮之一为 从动件，另一个为固定件。当波发生器装入柔轮内孔时，由于前者的总 长度略大于后者的内孔直径，故柔轮变为椭圆形，于是在椭圆的长轴两 端产生了柔轮与刚轮轮齿的两个局部啮合区；同时在椭圆短轴两端，两 轮轮齿则完全脱开。至于其余各处，则视柔轮回转方向的不同，或处于 啮合状态，或处于非啮合状态。当波发生器连续转动时，柔轮长短轴的 位置不断交化，从而使轮齿的啮合处和脱开处也随之不断变化，于是在 柔轮与刚轮之间就产生了相对位移，从而传递运动。 谐波齿轮传动 机电一体化概论 An Introduction to Mechatronics 在波发生器转动一周期间，柔轮上一点变形的循环次数 与波发生器上的凸起部位数是一致的，称为波数。常用的有 两波和三波两种。为了有利于柔轮的力平衡和防止轮齿干涉 ，刚轮和柔轮的齿数差应等于波发生器波数(即波发生器上的 滚轮数)的整倍数，通常取为等于波数。 谐波齿轮传动 机电一体化概论 An Introduction to Mechatronics 2 谐波齿轮传动的传动比计算 式中：
