机电一体化概论
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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
2.1.1 机械单元（Mechanical unit）基础
2. 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
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。
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、伺服与驱动单元组成。
这些单元具有怎样的结构和工作原理? 单元能够完成哪些功能? 单元之间是如何连接的? 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 出呢？
－－参考教材：第2章
扇形齿轮 （杠杆）
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
2.1.2 执行元件
（5）磁致伸缩式微动机构
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
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
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
发动机配气机构的凸轮传动结构
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。
2.1.3 传动与导向元件
凸轮微动机构应用
单侧外固定架
1—电机 2—长轴 3—支座 4—弹簧 5—可调节套筒 6—壳体 7—凸轮 8—固定销 9—连接杆 10—固定夹 11—钢针
电机1带动长轴2转动，长轴2末端与端面凸轮7相连并随之转动，使壳体6和 套筒5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 体内的弹簧4推动套筒5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8，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 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 生微动，以此来提高患者在术后的治疗效果。
6. 气浮导轨
气浮导轨在分步重复照 相机精密X，Y工作台 上的应用，它以静摩擦 力驱动机构代替进给丝 杠，从而消除了间隙。 为了减小作用于马达的 静摩擦力矩，驱动杆和 工作台都采用了空气轴 承导向。
空气轴承导向微动台
3. 螺旋传动（Helix transmission）
螺纹传动
结构原理图 滚珠丝杠传动
实物
2.1.3 传动与导向元件
滚珠丝杠传动特点
① 摩擦损失小，传动效率高达0.92~0.96，而普通滑动丝 杠的传动效率为0.20~0.40。
② 丝杠螺母之间预紧后，可以完全消除间隙，传动精度高 ，刚度好。
③ 摩擦阻力小，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。
2. 轮系
2.1.3 传动与导向元件
（1）齿轮传动（Gear transmission） （2）齿轮齿条传动（Gear-rack transmission）
2. 轮系
2.1.3 传动与导向元件
（3）同步带传动（Timing-belt transmission）
同步带实物
打印机上的字车结构
ห้องสมุดไป่ตู้
2.1.3 传动与导向元件
2.1.3 传动与导向元件
5. 滚动导轨（Rolling guide）
直线滚动导轨（Linear rolling guide）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 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μm级。
实物
内部结构
2.1.3 传动与导向元件
基本要求：精度高，惯量小，刚度大
基本组成： 执行元件（Executive component） 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（Transmission and guide components） 传动带、传动链、传动齿轮、传动轴等。
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
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
2.1.1 机械单元（Mechanical unit）基础
导轨、导向键等
机座元件
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行元件、 电磁执行元件、机械手末端执行器等。
2.1.2 执行元件
④ 磨损小，寿命长，精度保持性好。 ⑤ 不能自锁，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。 ⑥ 制造工艺复杂，成本高。
2.1.3 传动与导向元件
4. 凸轮传动（Cam transmission）
由凸轮、从动件、机架这三个基本构件组成
原理图
结构示意图
特点： 结构简单、紧凑；
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
2.1.1 机械单元（Mechanical unit）基础
2. 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
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。
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、伺服与驱动单元组成。
这些单元具有怎样的结构和工作原理? 单元能够完成哪些功能? 单元之间是如何连接的? 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 出呢？
－－参考教材：第2章
扇形齿轮 （杠杆）
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
2.1.2 执行元件
（5）磁致伸缩式微动机构
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
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
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
发动机配气机构的凸轮传动结构
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。
2.1.3 传动与导向元件
凸轮微动机构应用
单侧外固定架
1—电机 2—长轴 3—支座 4—弹簧 5—可调节套筒 6—壳体 7—凸轮 8—固定销 9—连接杆 10—固定夹 11—钢针
电机1带动长轴2转动，长轴2末端与端面凸轮7相连并随之转动，使壳体6和 套筒5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 体内的弹簧4推动套筒5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8，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 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 生微动，以此来提高患者在术后的治疗效果。
6. 气浮导轨
气浮导轨在分步重复照 相机精密X，Y工作台 上的应用，它以静摩擦 力驱动机构代替进给丝 杠，从而消除了间隙。 为了减小作用于马达的 静摩擦力矩，驱动杆和 工作台都采用了空气轴 承导向。
空气轴承导向微动台
3. 螺旋传动（Helix transmission）
螺纹传动
结构原理图 滚珠丝杠传动
实物
2.1.3 传动与导向元件
滚珠丝杠传动特点
① 摩擦损失小，传动效率高达0.92~0.96，而普通滑动丝 杠的传动效率为0.20~0.40。
② 丝杠螺母之间预紧后，可以完全消除间隙，传动精度高 ，刚度好。
③ 摩擦阻力小，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。
2. 轮系
2.1.3 传动与导向元件
（1）齿轮传动（Gear transmission） （2）齿轮齿条传动（Gear-rack transmission）
2. 轮系
2.1.3 传动与导向元件
（3）同步带传动（Timing-belt transmission）
同步带实物
打印机上的字车结构
ห้องสมุดไป่ตู้
2.1.3 传动与导向元件
2.1.3 传动与导向元件
5. 滚动导轨（Rolling guide）
直线滚动导轨（Linear rolling guide）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 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μm级。
实物
内部结构
2.1.3 传动与导向元件
基本要求：精度高，惯量小，刚度大
基本组成： 执行元件（Executive component） 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（Transmission and guide components） 传动带、传动链、传动齿轮、传动轴等。
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
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
2.1.1 机械单元（Mechanical unit）基础
导轨、导向键等
机座元件
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行元件、 电磁执行元件、机械手末端执行器等。
2.1.2 执行元件
④ 磨损小，寿命长，精度保持性好。 ⑤ 不能自锁，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。 ⑥ 制造工艺复杂，成本高。
2.1.3 传动与导向元件
4. 凸轮传动（Cam transmission）
由凸轮、从动件、机架这三个基本构件组成
原理图
结构示意图
特点： 结构简单、紧凑；