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第1章 机电一体化系统设计基础1

1.1 机电一体化系统的基本概念1

1.2 机电一体化系统的构成3

1.2.1 机电一体化系统的功能组成3

1.2.2 机电一体化系统的构成要素5

1.3 机电一体化系统的分类和发展7

1.3.1 机电一体化系统的分类7

1.3.2 机电一体化系统的发展8

1.4 机电一体化系统设计的理论基础与关键技术10

1.4.1 机电一体化系统的理论基础10

1.4.2 机电一体化系统的关键技术11

1.5 机电一体化系统设计的设计思想及类型14

1.5.1 机电一体化系统的设计思想14

1.5.2 机电一体化系统的设计类型15

1.6 机电一体化系统设计的设计准则和规律15

1.6.1 机电一体化系统的设计准则15

1.6.2 机电一体化系统的设计规律15

1.7 机电一体化系统设计的流程与工程路线16

1.7.1 机电一体化系统设计流程16

1.7.2 机电一体化工程路线20

第2章 机械系统部件21

2.1 机械系统部件分类21

2.1.1 机械系统定义21

2.1.2 机电一体化对机械系统的要求21

2.1.3 机械系统部件分类22

2.2 传动机构22

2.2.1 齿轮传动机构23

2.2.2 滚珠丝杠传动机构29

2.2.3 挠性传动机构35

2.2.4 间歇传动机构36

2.3 支承导向机构38

2.3.1 导轨副的组成、种类及其应满足的要求38

2.3.2 滑动导轨40

2.3.3 滚动导轨43

2.3.4 静压导轨45

2.4 执行机构47

2.4.1 微动机构47

2.4.2 定位机构49

2.4.3 数控机床自动回转刀架50

2.4.4 工业机器人末端执行器51

2.5 轴系部件53

2.5.1 轴54

2.5.2 轴承57

第3章 执行部件及其驱动62

3.1 直流电动机及其驱动62

3.1.1 直流伺服电动机的基本结构与工作原理62

3.1.2 直流伺服电动机的主要技术参数63

3.1.3 直流伺服电动机的分类63

3.1.4 直流伺服电动机的特点64

3.1.5 直流伺服电动机的特性64

3.1.6 直流伺服电动机驱动方式65

3.2 交流电动机及其驱动68

3.2.1 交流电动机的基本结构与工作原理68

3.2.2 交流电动机的分类69

3.2.3 交流伺服电动机的特点及应用70

3.2.4 交流伺服电动机的运行特性71

3.2.5 交流伺服电动机的控制方法71

3.3 步进电动机及其驱动74

3.3.1 步进电动机的分类和结构74

3.3.2 步进电动机的工作原理75

3.3.3 步进电动机的特点76

3.3.4 步进电动机的主要机械特性77

3.3.5 步进电动机的驱动与控制78

3.4 其他常用电动机85

3.4.1 直线电动机85

3.4.2 超声波电动机88

3.5 执行机构的选择91

第4章 传感器及其检测系统95

4.1 传感器及其分类95

4.1.1 传感器及其组成95

4.1.2 传感器的分类96

4.1.3 传感器性能与选用原则98

4.2 位移传感器100

4.2.1 电感式传感器100

4.2.2 电容式传感器103

4.2.3 感应同步器105

4.2.4 光栅位移传感器106

4.2.5 旋转变压器107

4.2.6 光电编码器108

4.3 速度、加速度传感器109

4.3.1 测速发电机109

4.3.2 磁电式转速计110

4.3.3 光电式转速传感器110

4.3.4 加速度传感器110

4.4 位置传感器111

4.4.1 接触式位置传感器111

4.4.2 接近式位置传感器112

4.5 力、扭矩和压力传感器113

4.5.1 测力传感器113

4.5.2 扭矩传感器115

4.5.3 压力传感器116

4.6 温度传感器117

4.6.1 热电偶传感器118

4.6.2 热电阻传感器121

4.7 传感器前期信号处理122

4.7.1 测量放大器122

4.7.2 程控增益放大器123

4.7.3 隔离放大器125

4.8 传感器的补偿126

4.8.1 传感器非线性补偿126

4.8.2 传感器的温度补偿129

4.9 数字滤波131

第5章 微机控制系统134

5.1 微机控制系统及分类134

5.1.1 微机控制系统的组成及特点134

5.1.2 Z变换135

5.1.3 微机控制系统的分类138

5.2 单片机系统139

5.2.1 单片机结构特点140

5.2.2 AT89S51/P87LPC76x单片机的最小应用系统141

5.2.3 单片机的系统扩展141

5.2.4 单片机选型145

5.2.5 单片机的应用146

5.3 可编程控制器（PLC）146

5.3.1 可编程控制器的定义和特点146

5.3.2 可编程控制器的结构及各部分的作用147

5.3.3 可编程控制器的工作方式149

5.3.4 PLC的选用150

5.3.5 PLC控制系统的设计方法和步骤151

5.3.6 PLC应用系统设计实例152

5.4 数字PID控制器155

5.4.1 PID控制的基本原理155

5.4.2 比例、积分和微分控制作用对过程控制品质的影响156

5.4.3 数字PID控制算法157

5.4.4 数字PID控制器的基本结构159

5.4.5 数字PID控制算法的改进160

5.4.6 数字PID控制器的参数整定162

第6章 接口技术166

6.1 概述166

6.1.1 接口的重要性166

6.1.2 接口的功能和主要类型166

6.2 人机接口169

6.2.1 输入接口169

6.2.2 输出接口173

6.3 机电接口177

6.3.1 信息采集接口178

6.3.2 控制输出接口182

6.4 模拟量输入／输出185

6.4.1 模拟量输入185

6.4.2 模拟量输出189

6.5 数字量输入／输出189

6.5.1 数字量输入190

6.5.2 数字量输出191

第7章 伺服系统193

7.1 系统方案193

7.1.1 伺服系统的结构组成及分类193

7.1.2 伺服系统的基本要求193

7.1.3 伺服系统设计的内容和步骤195

7.2 数学模型196

7.2.1 系统的常见数学模型表示方法196

7.2.2 一般伺服系统数学模型197

7.2.3 简单机电一体化系统模型200

7.3 开环控制的伺服系统204

7.3.1 开环伺服系统204

7.3.2 开环伺服系统方案设计205

7.3.3 驱动元件206

7.3.4 系统误差分析209

7.3.5 控制系统设计210

7.4 闭环控制的伺服系统210

7.4.1 闭环控制系统210

7.4.2 闭环伺服系统方案设计211

7.4.3 伺服电动机212

7.4.4 检测反馈元件216

7.4.5 系统参数设计218

7.4.6 校正环节220

第8章 机电一体化总体设计224

8.1 性能指标分析224

8.1.1 性能指标对设计方法的影响224

8.1.2 机电一体化优化设计的条件和方法225

8.2 功能及性能指标的分配230

8.2.1 功能分配230

8.2.2 性能指标的分配233

8.3 稳态设计235

8.3.1 稳态设计和动态设计235

8.3.2 典型负载分析237

8.3.3 执行元件的匹配选择239

8.3.4 减速比的匹配选择与各级减速比的分配241

8.3.5 检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路及电源等的匹配241

8.4 动态设计243

8.4.1 机电伺服系统的动态设计243

8.4.2 闭环机电伺服系统调节器设计243

8.4.3 进给传动系统弹性变形对系统特性的影响247

8.4.4 进给传动系统的运动误差分析254

8.5 可靠性、安全性设计257

8.5.1 系统可靠性257

8.5.2 安全性设计262

第9章 机电一体化系统应用265

9.1 机械设备的机电一体化改造265

9.1.1 数控车床的改造方案组成框图265

9.1.2 机械结构改造设计方案265

9.1.3 数控车床计算机控制系统改造硬件设计267

9.1.4 数控车床计算机控制系统改造软件设计272

9.2 数控机床273

9.2.1 数控机床的产生与特点273

9.2.2 数控机床的组成与分类275

9.2.3 CNC机械加工中心（MC）278

9.3 机器人282

9.3.1 机器人概况282

9.3.2 机器人的结构和分类283

9.3.3 SCARA型机器人的系统设计288

9.4 办公及家电自动化291

9.4.1 办公设备291

9.4.2 家用电器299

参考文献309