机电一体化概论2-1机械单元.

《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics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》AnIntroductiontoMechatronics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》AnIntroductiontoMechatronics2.1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《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.1.1机械单元（Mechanicalunit）基础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线性传动元件：减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等；非线性传动元件：连杆机构、凸轮机构等；导向支承元件、旋转支承元件轴系及架体等《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.1.1机械单元（Mechanicalunit）基础基本要求：精度高，惯量小，刚度大基本组成：执行元件（Executivecomponent）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传动与导向元件（Transmissionandguidecomponents）传动带、传动链、传动齿轮、传动轴等。导轨、导向键等机座元件《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.1.2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》AnIntroductiontoMechatronics2.1.2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》AnIntroductiontoMechatronics2.1.2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》AnIntroductiontoMechatronics2.1.2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》AnIntroductiontoMechatronics2.1.2执行元件（5）磁致伸缩式微动机构《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics2.1.2执行元件2.电磁执行元件（Electromagneticactuator）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》AnIntroductiontoMechatronics2.1.2执行元件2.电磁执行元件（Electromagneticactuator）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》AnIntroductiontoMechatronics2.1.3传动与导向元件1.杆系（Bar-linkagesystem）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》AnIntroductiontoMechatronics2.1.3传动与导向元件2.轮系（1）齿轮传动（Geartransmission）（2）齿轮齿条传动（Gear-racktransmission）《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics1．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》AnIntroductiontoMechatronics1．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》AnIntroductiontoMechatronics2．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》AnIntroductiontoMechatronics(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JJ23i电动机1J4i12J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，等效到电机轴上的等效转动惯量为：2221421321iiJiJJJJme《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics齿轮传动413132dgBJJ42232dgBJ44432dgBJ因为：所以：4141212iddJJ41424344141434)/(iiiddddJJJJ即：4112iJJ4114214)/(iiJiJJ)11(41221211iiiiJJme令01iJem21412ii可得《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics(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niiii321《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics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》AnIntroductiontoMechatronics(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)/(1maxnkknki《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics3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(或偏心轴)上齿轮传动《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics(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》AnIntroductiontoMechatronics(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123412334567《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics(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》AnIntroductiontoMechatronics(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》AnIntroductiontoMechatronics(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12345678《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics4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》AnIntroductiontoMechatronics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》AnIntroductiontoMechatronics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，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》AnIntroductiontoMechatronics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》AnIntroductiontoMechatronics2谐波齿轮传动的传动比计算式中：、、分别为刚轮、柔轮和波形发生器的角速度；、分别为刚轮和柔轮的齿数。(1)当柔轮固定时，，则三、谐波齿轮传动rgHgHrHrgzzigrHgzrz0rrgHgHHrgzzi0grggrHgzzzzz1rgggHHgzzzi《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics(2)当刚轮固定时，，则设、当柔轮固定时，当柔轮固定时三、谐波齿轮传动0grgHHrHrgzzi0rgrrgHrzzzzz1grrrHHrzzzi200rz202gz101Hgi100Hri《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatronics3.谐波齿轮减速器产品及选用常见的谐波齿轮减速器标记代号如下图三、谐波齿轮传动最大回差减速比机型（指柔轮内径，单位为mm)单级、卧式安装通用谐波减器《机电一体化概论》AnIntroductiontoMechatro