光机电一体化技术手册

前言

第1篇 总论

第1章 光机电一体化技术概述

1.1 光机电一体化技术

1.1.1 光机电一体化技术的基本概念

1.1.2 光机电一体化系统的基本组成

1.1.3 光机电一体化相关技术

1.2 光机电一体化技术在现代制造业中的地位和作用

第2章 光机电一体化系统设计

2.1 光机电一体化系统工程化设计

2.1.1 光机电一体化系统工程化设计特点

2.1.2 光机电一体化系统设计的步骤

2.1.3 光机电一体化系统设计方案的评价

2.1.4 光机电一体化系统设计中的质量控制

2.2 光机电一体化系统的评价分析

2.2.1 可靠性安全性分析

2.2.2 系统柔性及匹配性分析

2.2.3 友好操作性分析

2.2.4 可维修性分析

2.2.5 技术经济性分析

2.3 光机电一体化系统抗干扰技术

2.3.1 干扰的产生和传播

2.3.2 干扰的抑制

第3章 光机电一体化技术发展方向

3.1 光机电一体化技术发展趋势

3.1.1 控制数字化和智能化

3.1.2 系统开放、网络化

3.1.3 操作仿生、拟人化

3.1.4 产品绿色、微型化

3.2 现代制造业光机电一体化的技术方向

3.2.1 现代制造业

3.2.2 制造业信息化的主要方向

3.2.3 制造业信息化未来的发展趋势

3.3 典型光机电一体化产品技术的发展

3.3.1 数控机床技术的发展

3.3.2 工业机器人的发展

3.3.3 自动生产系统及各种自动化成套装备的发展

3.4 国内外机电一体化技术的研究热点

3.4.1 新型光机电系统的研究

3.4.2 高速运动控制平台的研究与开发

3.4.3 高速、高精度、智能化驱动部件和控制技术

3.4.4 光机电一体化设备群智能管理、控制技术及系统

3.4.5 机器人急需解决的技术问题

3.5 光机电一体化技术的发展战略

参考文献

第2篇 机械传动与执行装置

第1章 光机电一体化机械系统

1.1 光机电一体化机械系统概述

1.2 光机电一体化系统对机械系统的要求

1.3 光机电一体化机械系统的分类和特点

第2章 光机电一体化中的传动装置

2.1 光机电一体化中的传动装置概述

2.1.1 光机电一体化对传动装置的要求

2.1.2 光机电一体化传动装置的类型和特点

2.2 齿轮传动

2.2.1 齿轮传动系统的概述

2.2.2 齿轮传动系统的类型及特点

2.2.3 齿轮传动系统的选用原则

2.2.4 齿轮传动系统的应用实例

2.3 滚珠丝杠副

2.3.1 滚珠丝杠副的结构形式和特点

2.3.2 滚珠丝杠副的选用原则

2.3.3 滚珠丝杠副的应用实例

2.4 光机电系统常用减速器

2.4.1 光机电系统常用减速器概述

2.4.2 谐波减速器

2.4.3 摆线针轮传动

2.4.4 活齿精密传动

2.4.5 RV减速器

2.5 同步带与多楔带传动

2.5.1 同步带传动

2.5.2 多楔带传动

2.6 滚动花键副

2.6.1 滚动花键副的类型和特点

2.6.2 滚珠花键副的选择计算

2.6.3 国内外主要滚珠花键副产品

2.6.4 滚动花键副的设计实例

2.7 联轴器、离合器和制动器

2.7.1 联轴器的类型和特点

2.7.2 联轴器的选用及应用实例

2.7.3 离合器

2.7.4 制动器

第3章 光机电一体化系统的导向装置

3.1 概述

3.1.1 光机电一体化系统对导向装置的要求

3.1.2 导轨的初步选用

3.2 导轨的功用和分类

3.2.1 导轨的功用与要求

3.2.2 导轨的类型

3.3 滚动导轨

3.3.1 滚动体不作循环运动的直线运动导轨

3.3.2 滚动体作循环运动的直线运动导轨

3.4 滚动直线导轨副

3.4.1 滚动直线导轨副的类型和特点

3.4.2 滚动直线导轨副的选择计算

3.4.3 滚动直线导轨副的应用实例

3.5 液体静压导轨

3.5.1 液体静压导轨的特点和工作原理

3.5.2 液体静压导轨的油腔结构与尺寸

3.5.3 开式液体静压导轨的设计与计算实例

3.6 塑料导轨

3.6.1 塑料导轨的类型

3.6.2 塑料导轨的制作

3.7 静压气浮导轨

3.7.1 气浮导轨的类型

3.7.2 气浮导轨的设计

3.8 导轨的防护

第4章 光机电一体化系统执行装置

4.1 概述

4.1.1 光机电一体化系统执行装置技术的特点

4.1.2 光机电一体化对执行装置的技术要求

4.2 常用执行装置

4.2.1 电动执行装置

4.2.2 定位装置

4.2.3 锁紧装置

4.2.4 电动执行装置应用实例

4.3 液压气动执行装置

4.3.1 液压执行装置概述

4.3.2 电液步进元件

4.3.3 液压执行装置控制元件

4.4 气压执行装置

4.4.1 气压执行装置概述

4.4.2 气马达的分类及特点

4.4.3 气动控制元件

4.5 电一气比例、伺服元件及系统

4.5.1 电一气伺服阀

4.5.2 电一气比例控制阀

4.5.3 电一气比例与伺服控制系统

4.5.4 电一气比例与伺服控制系统实例

4.6 新型执行机构装置

4.6.1 压电执行装置

4.6.2 热变形执行装置

4.6.3 形状记忆合金执行装置

4.6.4 纳米级执行装置

4.6.5 超声电动机执行装置

4.6.6 磁致伸缩装置

4.6.7 机械手执行器

4.6.8 气压支承式直线步进电动机

4.6.9 直线悬浮电动机

4.6.10 新型执行装置的应用实例

参考文献

第3篇 光机电系统常用集成器件

第1章 绪论

1.1 集成器件的概述

1.2 集成器件的发展趋势

1.3 替代CMOS集成器件的新产品

1.4 本篇的主要内容

第2章 接口集成器件

2.1 频率电压转换器件

2.1.1 频率电压器件原理概述

2.1.2 常用频率电压集成器件LM331

2.1.3 其他相关器件

2.2 电平转换器件

2.2.1 电平转换器件原理概述

2.2.2 MAX30138通道电平转换器

2.2.3 其他相关器件

2.3 电压电流转换器件

2.3.1 电压电流转换器件原理概述

2.3.2 AM442电压电流转换器件

2.3.3 其他相关器件

2.4 开关器件

2.4.1 模拟开关器件原理概述

2.4.2 MAX4729模拟开关

2.4.3 其他相关器件

2.5 模/数转换器件

2.5.1 模/数转换器件原理概述

2.5.2 双积分式A/D转换器

2.5.3 逐次逼近式A/D转换器

2.5.4 A·∑A/D转换器

2.6 数/模转换器件

2.6.1 数/模转换器件原理概述

2.6.2 8位串行通信电压输出D/A转换器TLC7225

2.6.3 12位SPI通信电压输出型D/A转换器TLV5614

2.6.4 12位串行输入电流输出D/A转换器MAX543

2.6.5 8位并行通信电流输出型D/A转换器TLC7528

2.6.6 其他相关器件

2.7 通用光电隔离器件

2.7.1 线性光电隔离器件原理概述

2.7.2 高线性度光耦HCNR200/201

2.7.3 其他相关器件

2.8 常用通信接口器件

2.8.1 通信接口器件概述

2.8.2 RS232串行通信器件SP2538

2.8.3 高压系统RS-485收发器MAX3443E

2.8.4 I2c器件DS2482-800及其应用

2.8.5 USB接口器件ISP1581

2.8.6 10端口、SPI接I/O扩展器MAX7317

2.8.7 其他相关通信集成器件

2.9 常用输入驱动器件

2.9.1 输入驱动器件原理概述

2.9.2 I2C接口键盘及LED驱动器ZLG7290

2.9.3 4线触摸屏数据转换器MXB7846

2.9.4 其他相关器件

2.10 常用显示驱动器件

2.10.1 显示驱动器件原理概述

2.10.2 LCD显示驱动器AY0438

2.10.3 串行接LED驱动器MAX6968

2.10.4 其他相关器件

第3章 信号处理集成器件

3.1 模拟信号处理器件

3.1.1 运算放大器件原理概述

3.1.2 仪表放大器件原理概述

3.1.3 滤波器件原理概述

3.1.4 采样保持放大器件原理概述

3.2 微处理器

3.2.1 AT89C51

3.2.2 PIC16F5X系列单片机

3.2.3 其他可选择的相关器件

3.3 可编程逻辑器件原理概述

3.3.1 Lattice的ispLSI系列器件ispLSl3256A

3.3.2 低成本普及型Spartan3系列FPGA

3.3.3 其他可选择的相关器件

3.4 常用信号处理器件外设器件

3.4.1 计数器件原理概述

3.4.2 存储器件原理概述

3.4.3 译码器件原理概述

第4章 电力电子及电动机控制集成器件应用

4.1 现代电力电子器件及其驱动器件

4.1.1 MOSFET驱动器件

4.1.2 IGBT及其驱动器件

4.1.3 其他相关MOSFET/IGBT驱动器件

4.2 电动机驱动集成器件

4.2.1 直流电动机驱动专用器件

4.2.2 步进电动机驱动器件

4.2.3 无刷直流电动机控制电路

4.2.4 交流电动机控制集成器件

第5章 电源器件

5.1 线性稳压电源

5.1.1 线性稳压电源概述

5.1.2 iE线性稳压电源

5.1.3 负线性稳压电源

5.1.4 其他相关器件

5.2 电压基准

5.2.1 电压基准概述

5.2.2 LM285

5.2.3 MCP1525

5.2.4 REF102

5.2.5 其他相关器件

5.3 开关电源

5.3.1 开关电源概述

5.3.2 LM2596

5.3.3 TC1303

5.3.4 MAX5033

5.3.5 LTC3415

5.3.6 MAX8570

5.3.7 ME331B

5.3.8 MCP650

5.3.9 B8505

5.3.1 0NCP1402

5.3.1 1MAX5072

5.3.1 2其他可用器件

5.4 功率因数校正器件

5.4.1 功率因数校正器件概述

5.4.2 IP3001

5.4.3 NCP1650

5.4.4 其他可用器件

5.5 其他电源相关器件

5.5.1 电源相关器件概述

5.5.2 TL494

5.5.3 其他可用器件

第6章 典型系统级器件

6.1 嵌入式片上系统

6.2 专用数据传送IC概述

6.2.1 基于MAx7044的无线电发射器电路

6.2.2 基于MAx7033的无线接收器电路

6.2.3 其他相关的无线收发器件

6.2.4 实现红外IrDA标准无线连接器件:MCP2140

6.2.5 其他相关的红外器件

6.2.6 蓝牙收发芯片RF2968的原理及应用

6.2.7 其他相关的蓝牙器件

6.3 运动控制专用集成器件DSP概述

6.3.1 TMS320C2x系列T1电动机控制专用DSP

6.3.2 Motorola电动机控制专用器件DSP56F80X系列

6.3.3 其他相关的DSP器件

6.4 新型高性能可编程逻辑器件

6.4.1 ALTERA的CPLD器件概述

6.4.2 MAX7000系列CPLD器件

6.4.3 其他CPLD器件

6.4.4 ALTERA的FPGA器件概述

6.4.5 FLEX8000系列FPGA器件

6.4.6 其他FPGA器件

6.5 图像信号处理器件

6.5.1 JPEG编解码芯片ZR36060及其应用

6.5.2 新型的视频驱动芯片ISL59830

6.5.3 其他图像信号处理器件

6.6 微机电系统集成器件

6.6.1 微机电系统

6.6.2 基于MEMS技术的美新公司集成加速度计技术概述

6.6.3 集成加速度传感器芯片MXD2125及其应用

6.6.4 集成I2C加速度传感器芯片MXC6202xM及其应用

6.6.5 其他相关的MEMS器件

附录A 集成器件应用注意事项

附录B 厂商列表

第4篇 传感器与光机电测量技术

概述

第1章 基本知识

1.1 基本概念

1.1.1 测量系统

1.1.2 传感器

1.1.3 信号调理与电路接口

……

第2章 机电传感器及其测量技术

第3章 光电传感器及测量技术

第4章 光机电一体化系统检测设备

第5篇 接口技术及现场总线

第6篇 激光加工装备与快速原型装备

参考文献

从20世纪70年代起，微电子技术的发展引起了新技术领域的深刻变革。光机电一体化技术就是在微电子技术向机械工业领域渗透过程中逐渐形成并发展起来的，集光、机、电、磁、声、热、液、气于一体的独立的综合性交叉学科。经过几十年的发展，其内涵和外延得到了丰富和拓宽，从最初的机械电子化、机电一体化向多学科综合交叉的光机电一体化、智能化等方向发展。

光机电一体化技术是由光学、光电子学、微电子、信息和机械及其他相关技术交叉与融合而构成的综合性高新技术，也是诸多高新技术产业和高新技术装备的基础技术。先进制造、信息、材料、能源、空间、海洋等高科技领域的技术发展和产业化，传统产业的技术改造，武器装备的现代化，都要用到光机电一体化技术。

制造业是国民经济高速增长的发动机，是推进信息化的主导产业;是科学技术的基本栽体;是实现技术创新的主要舞台;是国家的基础和战略支柱产业。制造业的发展，依赖于先进的制造装备的发展。光机电一体化技术是装备制造业的关键核心技术，它能使产品实现更新和升级换代，技术性能指标大幅度提高，在功能、水平、质量、品种、使用效果和价格等方面能更好地满足国内外市场需求，增强了产品的竞争性。另一方面，光机电一体化的生产装备易于根据市场需求组织和改变产品生产，缩短新产品生产周期，降低能耗和生产成本，增强企业生产经营的竞争能力。因此，光机电一体化以其本身特有的技术优势迅速改变现代制造产业的产品结构和生产装备结构。

为了满足制造业领域的科技人员对于光机电一体化技术的迫切需求，为读者奉献一本光机电领域及相关领域的先进实用的工具书。我们组织了华中科技大学、清华大学、重庆大学、上海交通大学、武汉科技学院和无锡关心半导体有限公司等高等院校和单位的多个领域的专家、教授和富有经验的高级工程师联合编写了这本《光机电一体化技术手册》。

本手册系统全面地介绍了光机电一体化技术的各构成技术的运用、基础元器件和构件的选用以及典型的光机电一体化系统实例，选用最新的国家标准，产品型号、性能参数准确可靠，突出先进性、实用性的特点。

本手册包括12篇，分上下两册。上册包括第1篇至第6篇，下册包括第7篇至第12篇。

上册的主要内容包括:总论、机械传动与执行装置、光机电系统常用集成器件、传感器与光机电测量技术、接口技术及现场总线和激光加工装备与快速原型装备。

下册的主要内容包括:驱动技术与驱动电动机、控制用计算机与控制系统、工业机器人、数字加工装备、光机电技术在汽车电子系统中应用和其他典型光机电系统。

本书可供光机电一体化领域的技术研究产品开发的人员、从事技术应用及产品制造的工程技术人员使用，也可供相关部门及相关行业的技术管理人员参考。

《光机电一体化技术手册(上册)》由机械工业出版社出版。

前言

第1章 光机电一体化技术及其产品开发1

1.1 概述1

1.2 光机电一体化技术的特征1

1.3 光机电一体化技术的应用3

1.3.1 设计信息的处理和传输3

1.3.2 生产过程中的检测3

1.3.3 激光在加工中的运用4

1.4 光机电一体化产品4

1.4.1 光机电一体化产品组成4

1.4.2 光机电一体化产品的特点6

1.4.3 光机电一体化技术领域的优先发展产品6

1.5 光机电一体化技术的发展方向9

第2章 在设计方面的应用技术与产品11

2.1 计算机仿真技术11

2.1.1 概述11

2.1.2 计算机仿真技术的特点11

2.1.3 计算机仿真技术的应用12

2.2 逆向工程技术13

2.2.1 概述13

2.2.2 逆向工程的应用13

2.2.3 三坐标测量机14

2.2.4 三维激光扫描仪16

2.3 虚拟现实技术20

2.3.1 虚拟现实技术的体系结构和特征20

2.3.2 虚拟现实系统的组成20

2.3.3 虚拟现实系统的分类23

2.3.4 虚拟现实的关键技术24

2.3.5 虚拟现实技术的应用25

第3章 在制造方面的应用30

3.1 激光切割技术30

3.1.1 概述30

3.1.2 激光切割原理30

3.1.3 激光切割的分类31

3.1.4 激光切割机器人32

3.1.5 激光切割特点33

3.1.6 激光切割的应用34

3.1.7 激光切割技术发展趋势35

3.2 激光热处理技术37

3.2.1 激光热处理原理37

3.2.2 激光热处理技术的特点37

3.2.3 激光热处理设备38

3.2.4 激光热处理技术的应用40

3.3 激光打孔技术42

3.3.1 激光打孔机的组成42

3.3.2 激光打孔的原理及方法42

3.3.3 激光打孔的工艺参数分析44

3.3.4 激光打孔的特点45

3.3.5 激光打孔的应用46

3.4 激光清洗技术46

3.4.1 激光清洗的工作原理47

3.4.2 激光清洗的分类47

3.4.3 激光清洗的方法48

3.4.4 激光清洗的应用48

3.5 激光焊接技术51

3.5.1 激光焊接原理52

3.5.2 激光焊接特点52

3.5.3 激光焊接设备53

3.5.4 激光焊接工艺54

3.5.5 激光焊接的应用55

3.6 激光快速成形技术56

3.6.1 激光快速成形的基本原理和特点57

3.6.2 激光快速成形的工艺57

3.6.3 激光快速成形的关键技术60

3.6.4 激光快速成形技术的应用61

3.7 激光再制造技术63

3.7.1 激光再制造技术的主要种类63

3.7.2 激光再制造系统的构成63

3.7.3 激光熔覆工艺方法64

3.7.4 激光再制造技术的工业应用67

3.8 特种加工技术69

3.8.1 电子束加工70

3.8.2 离子束加工72

3.8.3 电火花加工74

3.8.4 电解加工75

3.8.5 超声波加工77

3.8.6 液体喷射加工78

3.8.7 电解磨削80

3.8.8 电铸加工81

3.9 数控加工设备85

3.9.1 CJK6240数控车床86

3.9.2 XK5025数控铣床89

3.9.3 XHK716型立式加工中心95

3.9.4 数控五轴联动激光加工机103

3.9.5 HCD300K型数控电火花加工机床110

3.9.6 NCUT-ME30型数控雕铣机113

3.9.7 虚拟轴机床117

3.9.8 电主轴123

第4章 在仪器仪表中的应用128

4.1 光电编码器128

4.1.1 光电编码器的工作原理128

4.1.2 光电编码器的结构128

4.1.3 光电编码器的类型129

4.1.4 光电脉冲编码器的应用实例131

4.2 光纤传感器132

4.2.1 光纤传感器的基本结构132

4.2.2 光纤传感器的工作原理133

4.3 便携式隧道断面激光测量仪135

4.3.1 便携式隧道断面激光测量仪的工作原理135

4.3.2 便携式隧道断面激光测量仪的测量形式136

4.3.3 便携式隧道断面激光测量仪的硬件构成136

4.3.4 便携式隧道断面激光测量仪的软件设计136

4.3.5 便携式隧道断面激光测量仪的测试项目和结果137

4.4 激光准直仪137

4.4.1 激光准直仪的工作原理137

4.4.2 激光准直仪的组成138

4.4.3 激光准直的应用实例141

4.5 数字显微硬度计142

4.5.1 数字显微硬度计的仪器构成143

4.5.2 数字显微硬度计的工作方式143

4.5.3 数字显微硬度计的控制系统144

4.5.4 数字显微硬度计的硬件部分144

4.5.5 数字显微硬度计的测试软件及数据库145

4.6 活塞外轮廓测量仪146

4.6.1 活塞外轮廓测量仪的工作原理与构成147

4.6.2 活塞外轮廓测量仪的硬件系统147

4.6.3 活塞外轮廓测量仪的软件系统150

4.7 激光扫描声学显微镜150

4.7.1 激光扫描声学显微镜的工作原理151

4.7.2 激光扫描声学显微镜的应用152

4.8 数字微镜器件153

4.8.1 数字微镜器件的设备结构153

4.8.2 数字微镜器件的应用154

4.9 激光微束装置155

4.9.1 激光微束装置的组成156

4.9.2 激光波长的选择156

4.10 激光扫平仪159

4.10.1 激光扫平仪的工作原理159

4.10.2 激光扫平仪的类型159

4.10.3 激光扫平仪的工程应用160

4.11 数字化超声波探伤仪161

4.11.1 数字化超声波探伤仪的基本结构162

4.11.2 数字化超声波探伤仪的系统组成162

4.11.3 数字化超声波探伤仪的数据采集163

4.11.4 数字化超声波探伤仪的系统软件164

4.12 带有集成传感器的轴承单元165

4.12.1 带有集成传感器的轴承单元的结构特征165

4.12.2 带有集成传感器的轴承单元的工作原理166

4.12.3 带有集成传感器的轴承单元的特点167

4.12.4 带有集成传感器的轴承单元的应用领域167

4.13 扫描隧道显微镜167

4.13.1 扫描隧道显微镜的工作原理168

4.13.2 扫描隧道显微镜的设备组成169

4.13.3 扫描隧道显微镜的工作方式169

4.13.4 扫描隧道显微镜的应用170

4.14 微致动器171

4.14.1 微致动器的工作原理171

4.14.2 微致动器的种类171

4.14.3 微致动器的工程应用171

4.15 微机器人174

4.15.1 微机器人系统175

4.15.2 典型微机器人176

4.16 光栅测量系统179

4.16.1 光栅结构179

4.16.2 光栅工作原理180

4.16.3 光栅种类181

4.16.4 光栅精度182

4.16.5 光栅测量系统的工程应用183

4.17 激光陀螺仪183

4.18 红外测油仪183

4.18.1 红外测油仪的测量原理184

4.18.2 红外测油仪的结构184

4.18.3 红外测油仪的主要应用领域186

4.19 光栅数显表187

4.20 激光扫描显微镜188

……

第5章 在工程机械方面的应用190

第6章 在交通方面的应用215

第7章 在节能环保方面的应用243

第8章 在医疗卫生方面的应用281

第9章 在日用生活方面的应用298

第10章 在军事方面的应用382

参考文献409