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第1章 概述1

1-1 对机电一体化涵义的理解与机电一体化技术革命1

一、机电一体化涵义与机电一体化时代特征1

二、机电一体化技术革命2

1-2 机电一体化系统构成要素、功能构成及其价值评价3

1-3 机电一体化系统构成要素之间的相互连接8

1-4 机电一体化系统设计的考虑方法、设计类型及设计流程9

一、机电一体化系统设计的考虑方法9

二、机电一体化系统的设计类型10

三、机电一体化系统的设计流程11

1-5 机电一体化系统的设计程序、准则与规律12

1-6 机电一体化工程与系统工程14

1-7 机电一体化系统的开发工程与现代设计方法15

一、机电一体化系统的开发工程15

二、机电一体化系统设计与现代设计方法15

1-8 机电一体化系统的共性关键技术与优先发展领域19

一、机电一体化系统的共性关键技术19

二、机电一体化的优先发展领域21

习题与思考题23

第2章 机电一体化系统机械系统部件的选择与设计24

2-1 机械系统部件的设计要求24

2-2 机械系统传动部件的选择与设计25

一、机械传动部件及其功能要求25

二、丝杠螺母机构的基本传动形式26

三、滚珠丝杠副传动部件27

四、齿轮传动部件39

五、挠性传动部件46

六、间歇传动机构48

2-3 机械系统导向支承部件的选择与设计50

一、导轨副的组成、种类及其应满足的要求50

二、滑动导轨副的结构及选择55

三、滚动导轨副的类型与选择61

四、静压导轨副工作原理66

2-4 机械系统旋转支承部件的类型与选择68

一、旋转支承部件的种类及基本要求68

二、圆柱支承69

三、圆锥支承71

四、填入式滚动支承72

五、其他形式支承73

2-5 机械系统轴系部件的选择与设计76

一、轴系设计的基本要求76

二、轴系（主轴）用轴承的类型与选择77

三、提高轴系部件性能的措施84

2-6 机电一体化系统的机座或机架设计84

一、机座或机架的作用及基本要求84

二、机座或机架的结构设计要点86

习题与思考题90

第3章 机电一体化系统执行元件的选择与设计91

3-1 执行元件的种类、特点及基本要求91

一、执行元件的种类及特点91

二、对执行元件的基本要求93

3-2 常用的控制用电动机94

一、对控制用电动机的基本要求94

二、控制用电动机的种类、特点及选用95

3-3 直流（DC）与交流（AC）伺服电机及驱动97

一、直流（DC）伺服电机及驱动97

二、交流（AC）伺服电机及驱动101

3-4 步进电机及驱动105

一、步进电机的特点与种类105

二、步进电机的工作原理106

三、步进电机的运行特性及性能指标109

四、步进电机的驱动与控制115

习题与思考题125

第4章 机电一体化系统微机控制系统的选择及接口设计127

4-1 专用与通用的抉择、硬件与软件的权衡127

4-2 微机控制系统的设计思路128

一、微机控制系统整体方案的确定与微机选择128

二、微机控制系统的总体设计与系统软件的确定130

三、微机控制系统控制算法的确定132

4-3 微机控制系统的构成与种类133

一、微型计算机的系统构成133

二、微型计算机的分类方法134

4-4 微机控制系统的软件与程序设计语言136

4-5 微机应用领域及其选用要点137

4-6 8086/8088CPU的硬件结构特点139

一、8086/8088CPU的主要结构特点139

二、8086/8088CPU的最大与最小工作模式139

三、8086/8088CPU引脚的功能定义140

四、8086CPU最小、最大工作模式系统的典型配置143

4-7 单板机（Z80CPU）的硬件结构特点、存储器及输入／输出扩展接口146

一、Z80CPU的硬件结构特点146

二、Z80CPU用总线驱动器147

三、Z80CPU用存储器148

四、Z80CPU用输入／输出接口152

五、Z80CPU用存储器及I/O口扩展158

4-8 单片机的硬件结构特点及其最小应用系统159

一、MCS-51系列单片机的结构特点159

二、MCS-51系列单片机的最小应用系统及其扩展162

4-9 数字显示器及键盘的接口电路165

一、数字显示器的结构及其工作原理165

二、键盘、显示器的接口电路168

4-10 微机应用系统的输入／输出控制的可靠性设计171

一、光电隔离电路设计171

二、信息转换电路设计175

4-11 可编程逻辑控制器（PLC）的构成及应用举例176

一、PLC的构成及其工作原理176

二、PLC的应用举例179

4-12 常用检测传感器的性能特点、选用及其微机接口182

一、检测传感器的分类与基本要求182

二、各类传感器的主要性能及优缺点185

三、传感器的选用原则及注意事项194

四、检测传感器的测量电路及微机接口195

习题与思考题199

第5章 机电一体化系统元、部件的特性分析201

5-1 机电一体化系统与自动控制理论201

一、拉普拉斯变换与传递函数201

二、控制系统的过渡过程特性203

三、伺服系统及其动态特性204

四、采样控制简介206

5-2 机电一体化系统元、部件的力学特性211

一、机械系统特性及变换机构211

二、机械系统的机构静力学特性214

三、机械系统的机构动力学特性216

四、两自由度机器人运动轨迹创成所需转矩221

5-3 机电一体化系统传感器的动态特性222

一、动电式变换器的动态特性223

二、压电式变换器的动态特性224

三、传感检测系统的动态特性225

5-4 机电一体化系统执行元件的动态特性228

一、电磁变换执行元件的动态特性229

二、具有反馈环节的驱动电路电磁变换执行元件的动态特性230

三、压电式执行元件及其动态特性230

四、执行元件与机械惯性阻转矩的匹配方法232

五、凸轮曲线理论234

习题与思考题235

第6章 机电一体化系统机电有机结合的分析与设计236

6-1 机电一体化系统的稳态与动态设计236

6-2 机电有机结合之一：机电一体化系统稳态设计的考虑方法237

一、被控对象分析237

二、执行元件的匹配选择239

三、减速比的匹配选择与各级减速比的分配240

四、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

五、系统数学模型的建立及主谐振频率的计算242

6-3 机电有机结合之二：机电一体化系统动态设计的考虑方法250

一、机电伺服系统的动态设计250

二、系统的调节方法250

三、机械结构弹性变形对系统特性的影响257

四、传动间隙对系统特性的影响263

五、机械系统实验振动模态参数识别264

6-4 机电一体化系统的可靠性、安全性设计265

一、可靠性设计265

二、安全性设计272

习题与思考题273

第7章 计算机数字控制程序编制基础简介275

7-1 数控机床类型及其控制方式275

7-2 数控系统组成及数控程序编制基础278

一、数控系统组成及其工作过程278

二、数控程序编制基础279

习题与思考题291

第8章 传统机械加工设备的机电一体化改造分析与设计292

8-1 传统机械加工机床的机电一体化改造设计方案分析292

一、机床的机械传动系统改造设计方案分析293

二、机床的机械传动系统简化297

三、机床机电一体化改造的性能及精度选择299

四、机床进给系统的机电有机结合匹配选择计算300

8-2 微机控制系统的设计303

一、机床开环控制系统具有的功能及特点303

二、单板机（Z80CPU）控制系统设计（以车床为例）303

三、单片机（8031）控制系统设计（以XY工作台为例）314

四、多CPU直流伺服系统设计简介（以XA6132型铣床为例）316

习题与思考题319

第9章 典型机电一体化系统简介320

9-1 城市轨道交通自动售检票系统与自动售票机320

一、城市轨道交通自动售检票系统的组成320

二、城市轨道交通自动售票机323

9-2 邮局邮件自动处理系统328

一、邮局邮件处理作业流程及邮件自动处理系统328

二、邮件自动处理系统中的新机器、新机构330

9-3 快速成形技术与3D打印机333

一、快速成形的基本概念与技术分类333

二、3D打印机335

9-4 工业机器人338

一、工业机器人的组成、分类及技术参数338

二、电动喷砂机器人（多关节型）340

三、装配机器人（SCARA型）345

9-5 计算机数控机床349

一、机械加工中心（MC）349

二、BKX-I型数控机床354

三、PRS-XY型混联数控机床362

9-6 汽车的机电一体化简述371

一、传感器在汽车发动机等中的应用371

二、微机控制的数字化电子点火系统375

三、汽车自动空调系统378

四、电子控制的自动变速器379

9-7 工业电子秤种类及其构成原理381

9-8 自动售货机385

习题与思考题387

附录 常用基本逻辑符号的中、外及新、旧标准对照表388

参考文献390