機(jī)電一體化技術(shù)

前言

　　在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)學(xué)科正在脫胎換骨，新學(xué)科不斷問世。在機(jī)械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)的飛速發(fā)展及其向機(jī)械工業(yè)的滲透所形成的機(jī)電一體化技術(shù)，使得機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能、生產(chǎn)方式及管理體系均發(fā)生了巨大變化，工業(yè)生產(chǎn)由“機(jī)械電氣化”階段邁入了“機(jī)電一體化”階段。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)本身也發(fā)生了根本變革，以微型計算機(jī)為代表的微電子技術(shù)逐步向機(jī)械領(lǐng)域滲透，并與機(jī)械技術(shù)有機(jī)地結(jié)合，為機(jī)械增添了“大腦”，增加了新的功能和性能，從而進(jìn)入以機(jī)電有機(jī)結(jié)合為特征的“機(jī)電一體化時代”。　　機(jī)電一體化技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，隨著我國國際制造業(yè)基地地位的逐步確立，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)品調(diào)整的速度加快，機(jī)電一體化技術(shù)在企業(yè)生產(chǎn)一線得到了廣泛的應(yīng)用，可謂目新月異。而機(jī)電一體化技術(shù)是機(jī)械技術(shù)與微電子技術(shù)、信息技術(shù)互相滲透的產(chǎn)物，是機(jī)電工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，加強(qiáng)機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用的教育是發(fā)展我國制造業(yè)的必然趨勢?！　∧壳?，機(jī)電一體化技術(shù)思想已被普遍接受和采用，機(jī)電一體化技術(shù)體系正在不斷地發(fā)展和完善。國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展迫切需要大量掌握機(jī)電一體化技術(shù)的人才來改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，研究和開發(fā)新一代機(jī)電一體化產(chǎn)品，以改善出口產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)中國產(chǎn)品在國際市場上的競爭力?！　〈罅﹂_發(fā)和推進(jìn)機(jī)械制造過程機(jī)電一體化技術(shù)，用新的技術(shù)和新的工藝對傳統(tǒng)工業(yè)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，是我國振興機(jī)械制造業(yè)，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略之一。多層次復(fù)合型機(jī)械制造過程機(jī)電一體化技術(shù)開發(fā)應(yīng)用人才的需求迫在眉睫。廣大工程技術(shù)人員迫切地需要系統(tǒng)、全面地掌握和了解機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計原理和方法，為了滿足現(xiàn)實(shí)需要，如今在很多高校和應(yīng)用行業(yè)廣泛地開展了機(jī)電一體化技術(shù)的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)。由于中國在機(jī)電一體化技術(shù)等方面發(fā)展時間較短，因此還缺少既突出機(jī)電一體化技術(shù)，又貼近廣大讀者的基礎(chǔ)教程?！稒C(jī)電一體化技術(shù)》一書就是在此形勢和需要情況下編寫而成的，以滿足機(jī)電一體化技術(shù)飛速發(fā)展和讀者全面、深入地了解機(jī)電一體化系統(tǒng)和技術(shù)的需要。　　本書抓住“以機(jī)為主、以電為用、機(jī)電結(jié)合”的編寫方向，力求為廣大讀者提供一本內(nèi)容完整、文字精練、通俗易懂的機(jī)電一體化系統(tǒng)原理和設(shè)計參考圖書。對于初學(xué)者來說，本書突出重點(diǎn)，注重實(shí)際應(yīng)用，通過典型實(shí)例的講述，使學(xué)生具有合理選用電子元件和實(shí)際動手的能力，并能系統(tǒng)地對機(jī)電一體化產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計和改進(jìn)；對于廣大的工程技術(shù)人員來說，書中有關(guān)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計原則的一些觀點(diǎn)具有很高的參考價值?！　∪珪卜?章，涵蓋機(jī)械設(shè)計技術(shù)、計算機(jī)與信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感與檢測技術(shù)、執(zhí)行與驅(qū)動技術(shù)、機(jī)電一體化總體設(shè)計技術(shù)。

內(nèi)容概要

　　《機(jī)電一體化技術(shù)（第2版）》抓住“以機(jī)為主、以電為用、機(jī)電結(jié)合”的編寫方向，系統(tǒng)地介紹了機(jī)電一體化技術(shù)的基本組成、原理、設(shè)計方法，詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)組成的各個技術(shù)模塊的性能特點(diǎn)和優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，系統(tǒng)地介紹了整體系統(tǒng)的設(shè)計原則和技術(shù)方法。最后，通過大量的機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計實(shí)例，使讀者能快速掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計思路與設(shè)計方法?！　∽x者通過學(xué)習(xí)《機(jī)電一體化技術(shù)（第2版）》，可以快速、全面地掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)的原理、應(yīng)用原則和設(shè)汁方法：通過對《機(jī)電一體化技術(shù)（第2版）》眾多應(yīng)用實(shí)例的學(xué)習(xí)，可以達(dá)到熟練地實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用的目的。　　《機(jī)電一體化技術(shù)（第2版）》內(nèi)容完整、結(jié)構(gòu)新穎、重點(diǎn)突出、文字精練、通俗易懂，非常適合作為機(jī)電一體化、機(jī)械電子工程、電氣自動化、機(jī)械設(shè)計制造及其自動化、自動控制、工程管理等專業(yè)師生的教學(xué)用書，同時對于廣大的工程技術(shù)人員來說，書中有關(guān)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計原則的一些觀點(diǎn)和設(shè)計實(shí)例具有比較高的參考價值，使《機(jī)電一體化技術(shù)（第2版）》成為一本非常實(shí)用的圖書。

書籍目錄

第1章 概論 （1）本章導(dǎo)讀 （1）1.1 機(jī)電一體化的基本概念 （1）1.1.1 機(jī)電一體化系統(tǒng)的功能構(gòu)成及定義 （1）1.1.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要素 （3）1.1.3 機(jī)電一體化產(chǎn)品的分類 （7）1.2 機(jī)電一體化關(guān)鍵技術(shù) （8）1.2.1 機(jī)械設(shè)計技術(shù) （8）1.2.2 計算機(jī)與信息處理技術(shù) （8）1.2.3 自動控制技術(shù) （9）1.2.4 傳感與檢測技術(shù) （9）1.2.5 執(zhí)行與驅(qū)動技術(shù) （9）1.2.6 機(jī)電一體化總體設(shè)計技術(shù) （10）1.3 機(jī)電一體化的發(fā)展概況 （10）1.3.1 機(jī)械技術(shù)發(fā)展的總趨勢 （11）1.3.2 國內(nèi)外機(jī)電一體化發(fā)展?fàn)顩r （11）1.3.3 機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢 （12）本章小結(jié) （13）思考練習(xí) （14）第2章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計技術(shù) （15）本章導(dǎo)讀 （15）2.1 機(jī)械設(shè)計概述 （15）2.1.1 機(jī)電一體化對機(jī)械系統(tǒng)的要求 （16）2.1.2 機(jī)械系統(tǒng)的組成 （16）2.1.3 機(jī)械參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響 （17）2.2 傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計 （18）2.2.1 機(jī)械傳動裝置 （19）2.2.2 傳動方式的選擇 （27）2.3 支撐導(dǎo)向部件的設(shè)計 （29）2.3.1 導(dǎo)向支撐部件 （29）2.3.2 軸系支撐部件 （34）2.3.3 旋轉(zhuǎn)支撐部件 （43）2.3.4 機(jī)架與機(jī)座 （46）2.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計 （48）2.4.1 微動機(jī)構(gòu) （48）2.4.2 定位機(jī)構(gòu) （50）2.5 部件應(yīng)用實(shí)例 （51）2.5.1 齒輪變速機(jī)構(gòu)電動機(jī)的選擇 （51）2.5.2 數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)刀架 （52）2.5.3 工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器 （54）本章小結(jié) （57）思考練習(xí) （57）第3章 機(jī)電一體化檢測與傳感技術(shù) （58）本章導(dǎo)讀 （58）3.1 概述 （58）3.1.1 檢測系統(tǒng)的組成 （58）3.1.2 信號的傳輸與處理 （59）3.2 傳感器的組成和分類 （59）3.2.1 傳感器的組成 （59）3.2.2 傳感器的分類 （60）3.2.3 傳感器的性能指標(biāo)及選用原則 （62）3.3 常見傳感器及其工作原理 （64）3.3.1 光電編碼器 （64）3.3.2 光柵尺 （68）3.3.3 電阻應(yīng)變計 （70）3.3.4 溫度傳感器 （73）3.3.5 霍爾效應(yīng)線位移傳感器 （77）3.3.6 超聲波傳感器 （78）3.3.7 智能傳感器 （78）3.4 檢測信號的采集與處理 （80）3.4.1 傳感信號的采樣/保持 （81）3.4.2 模擬信號的采集與處理 （81）3.4.3 數(shù)字信號處理 （83）3.4.4 信號調(diào)制與解調(diào) （86）3.5 傳感器的應(yīng)用 （92）3.5.1 傳感器信號的計算機(jī)檢測技術(shù) （93）3.5.2 車載信息系統(tǒng) （99）本章小結(jié) （101）思考練習(xí) （102）第4章 接口設(shè)計概述 （103）本章導(dǎo)讀 （103）4.1 接口設(shè)計概述 （103）4.1.1 接口的基本概念 （103）4.1.2 接口設(shè)計的任務(wù)及主要類型 （104）4.1.3 接口設(shè)計的基本原則及要求 （105）4.2 常用系統(tǒng)總線 （106）4.3 人機(jī)接口設(shè)計 （107）4.3.1 輸入接口 （107）4.3.2 輸出接口 （110）4.4 機(jī)電接口設(shè)計 （112）4.4.1 輸入接口 （113）4.4.2 輸出接口 （113）本章小結(jié) （114）思考練習(xí) （115）第5章 機(jī)電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計技術(shù) （116）本章導(dǎo)讀 （116）5.1 控制系統(tǒng)概述 （116）5.1.1 控制系統(tǒng)的組成及其特點(diǎn) （117）5.1.2 控制系統(tǒng)的分類 （118）5.1.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟 （119）5.2 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 （120）5.2.1 輸入/輸出模型 （120）5.2.2 狀態(tài)模型 （122）5.2.3 傳遞函數(shù) （124）5.2.4 方框圖 （127）5.3 系統(tǒng)的控制策略 （130）5.3.1 傳統(tǒng)控制策略 （130）5.3.2 現(xiàn)代控制策略 （131）5.3.3 智能控制策略 （134）5.3.4 控制策略的相互滲透和結(jié)合 （137）5.4 計算機(jī)控制技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計 （139）5.4.1 計算機(jī)控制技術(shù)的組成及特點(diǎn) （139）5.4.2 計算機(jī)控制系統(tǒng)的基本功能 （139）5.4.3 計算機(jī)控制系統(tǒng)的基本組成 （140）5.4.4 計算機(jī)控制裝置及微機(jī)的選擇 （141）5.4.5 提高計算機(jī)控制裝置的可靠性 （143）5.5 數(shù)字控制器的設(shè)計 （145）5.5.1 PID數(shù)字控制器 （145）5.5.2 Smith數(shù)字控制器 （150）5.5.3 最少拍無差系統(tǒng)的設(shè)計 （151）本章小結(jié) （154）思考練習(xí) （154）第6章 機(jī)電液一體化系統(tǒng)的執(zhí)行與伺服驅(qū)動技術(shù) （156）本章導(dǎo)讀 （156）6.1 概述 （156）6.1.1 伺服系統(tǒng)簡要介紹 （157）6.1.2 執(zhí)行元件的特點(diǎn)及類型 （159）6.1.3 機(jī)電控制系統(tǒng)對執(zhí)行元件的要求 （160）6.2 液壓執(zhí)行元件的特性與選擇方法 （161）6.2.1 液壓泵 （161）6.2.2 液壓缸 （164）6.2.3 液壓電動機(jī) （166）6.2.4 液壓執(zhí)行元件的選擇方法 （167）6.3 伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動元件 （170）6.3.1 驅(qū)動元件的分類和特點(diǎn) （170）6.3.2 步進(jìn)電動機(jī)的工作原理及驅(qū)動方法 （171）6.3.3 直流伺服電動機(jī)的工作原理及驅(qū)動方法（178）6.3.4 交流伺服電動機(jī)的工作原理及驅(qū)動方法（184）6.3.5 機(jī)電一體化系統(tǒng)常用控制用電動機(jī)性能比較（190）本章小結(jié) （192）思考練習(xí) （192）第7章 多機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù) （193）本章導(dǎo)讀 （193）7.1 概述 （193）7.1.1 基本概念和功能 （193）7.1.2 分類 （194）7.1.3 性能參數(shù) （195）7.2 多機(jī)系統(tǒng)總線 （196）7.2.1 單總線 （197）7.2.2 I2C總線 （200）7.2.3 ULAN總線 （204）7.2.4 位總線 （208）……第8章 機(jī)電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計 （225）第9章 機(jī)電一體化系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例分析 （256）參考文獻(xiàn) （289）

章節(jié)摘錄

　　自動控制技術(shù)就是通過控制器使被控對象或過程自動地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動控制技術(shù)的范圍很廣，包括自動控制理論、控制系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)仿真、現(xiàn)場調(diào)試、可靠運(yùn)行等從理論到實(shí)踐的整個過程。由于被控對象種類繁多，所以控制技術(shù)的內(nèi)容極其豐富，包括高精度定位控制、速度控制、自適應(yīng)控制、自診斷、校正、補(bǔ)償、檢索等控制技術(shù)?！　C(jī)電一體化系統(tǒng)中的自動控制技術(shù)主要包括位置控制、速度控制、最優(yōu)控制、模糊控制、自適應(yīng)控制等。主要以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入、單輸出一類線性自動控制系統(tǒng)分析與設(shè)計問題的古典控制技術(shù)發(fā)展較早，且已日臻成熟?，F(xiàn)代控制技術(shù)主要以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入、多輸出、參變量、非線性、高精度、高效能等控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題?！　∽詣涌刂萍夹g(shù)的難點(diǎn)在于自動控制理論的工程化與實(shí)用化，這是由于現(xiàn)實(shí)世界中的被控對象往往與理論上的控制模型之間存在較大差距，使得從控制設(shè)計到控制實(shí)施往往要經(jīng)過多次反復(fù)調(diào)試與修改，才能獲得比較滿意的結(jié)果。由于微型機(jī)的廣泛應(yīng)用，自動控制技術(shù)越來越多地與計算機(jī)控制技術(shù)聯(lián)系在一起，成為機(jī)電一體化中十分重要的關(guān)鍵技術(shù)。　　1.2.4傳感與檢測技術(shù)　　檢測傳感技術(shù)是機(jī)電一體化的關(guān)鍵技術(shù)，它將所測得的各種參量如位移、位置、速度、加速度、力、溫度、酸度和其他形式的信號等轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一規(guī)格的電信號輸入到信息處理系統(tǒng)中，并由此產(chǎn)生出相應(yīng)的控制信號以決定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動形式和動作幅度。傳感器檢測的精度、靈敏度和可靠性將直接影響到機(jī)電一體化的性能。　　檢測與傳感技術(shù)的研究對象是傳感器及其信號檢測裝置。機(jī)電一體化產(chǎn)品中，傳感器作為感受器件，將各種內(nèi)、外部信息通過相應(yīng)的信號檢測裝置反饋給控制及信息處理裝置。因此檢測與傳感是實(shí)現(xiàn)自動控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。機(jī)電一體化要求傳感器能快速、精確地獲取信息并經(jīng)受各種嚴(yán)酷環(huán)境的考驗(yàn)，但是由于目標(biāo)檢測與傳感技術(shù)還不能與機(jī)電一體化的發(fā)展相適應(yīng)，使得不少機(jī)電一體化產(chǎn)品不能達(dá)到滿意的效果或無法實(shí)現(xiàn)設(shè)計。因此，大力開展檢測與傳感技術(shù)的研究對發(fā)展機(jī)電一體化具有十分重要的意義。

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