机电一体化系统综合设计及应用实例

前言

1 概论

1.1 机电一体化基本概念

1.1.1 机电一体化定义

1.1.2 机电一体化系统的基本构成

1.2 机电一体化技术分类与应用

1.2.1 机电一体化技术分类

1.2.2 机电一体化技术应用

1.3 机电一体化系统关键技术

1.4 机电一体化设计方法

1.4.1 优势设计

1.4.2 创新设计

1.4.3 优化设计

1.4.4 可靠性设计

1.4.5 虚拟设计

1.4.6 智能设计

1.4.7 协同设计

1.4.8 绿色设计

1.5 机电一体化技术发展方向

1.5.1 机电一体化技术发展主要模式

1.5.2 从典型机电一体化产品看机电一体化发展趋势

1.5.3 机电一体化的轻量化及微型化发展趋势

习题与思考题

2 机电一体化系统设计基本原理

2.1 机电一体化系统设计一般步骤与方法

2.1.1 市场调查

2.1.2 初步设计

2.1.3 详细设计

2.2 机电一体化系统功能设计

2.2.1 功能的概念

2.2.2 确定总功能

2.2.3 总功能分解

2.2.4 功能元（分功能）求解

2.3 机电一体化系统结构设计

2.3.1 结构设计的基本过程

2.3.2 结构设计的基本原理

2.4 机电一体化控制系统设计

2.4.1 机电一体化控制系统设计的基本要求

2.4.2 控制系统设计的内容和步骤

2.4.3 控制器选型

2.4.4 总线技术

2.4.5 PC总线工控机

习题与思考题

3 机械系统设计与选择

3.1 机械传动部件的设计与选择

3.1.1 机械传动部件及其功能要求

3.1.2 齿轮传动部件的设计与选择

3.1.3 丝杠螺母传动部件的设计与选择

3.1.4 挠性传动部件的设计与选择

3.1.5 间隙传动部件的设计与选择

3.1.6 自动上料机构的设计与选择

3.2 导向支承部件的设计与选择

3.2.1 导轨副的组成、种类及其应满足的要求

3.2.2 滑动导轨的类型与选择

3.2.3 滚动导轨的类型与选择

3.2.4 静压导轨副工作原理

3.3 轴系部件的设计与选择

3.3.1 概述

3.3.2 轴系用滚动轴承的类型与选择

3.3.3 轴系用滑动轴承的类型与选择

3.3.4 主轴组件的布局

3.4 机电一体化系统（产品）的机座或机架

3.4.1 机座或机架的作用及基本要求

3.4.2 机座或机架的设计要点

习题与思考题

4 机电一体化驱动系统设计

4.1 概述

4.2 电动机的选择

4.2.1 电动机结构形式的选择

4.2.2 电动机类型的选择

……

这是《深入浅出机电一体化技术应用丛书》之一。《机电一体化系统综合设计及应用实例》从机电一体化技术角度出发，按照“以机为主、电为机用、机电结合”的编写原则。根据机电一体化产品设计过程中涉及到的内容，先后分别介绍了机电一体化系统设计基本原理、机械系统设计与选择、机电一体化驱动系统设计、传感器与检测系统、可编程控制器(PLC)原理及应用、单片机原理及接口技术、机电一体化系统设计实例等内容。教材编写努力做到理论与实际相结合，深入浅出，通俗易懂。

《机电一体化系统综合设计及应用实例》可作为机械工程及自动化等相关专业的教材，同时也可作为机电一体化产品开发设计人员、制造人员、生产管理人员学习和参考用书。

第1章机电一体化系统设计概述 / 1

1.1机电一体化系统的分类和基本组成1

1.1.1机电一体化系统的分类 1

1.1.2机电一体化系统的基本组成2

1.2机电一体化的主要特征和关键技术6

1.2.1机电一体化的主要特征6

1.2.2机电一体化系统设计的理论基础与关键技术7

1.3机电一体化系统的设计类型和主要方式11

1.3.1机电一体化的设计类型11

1.3.2机电一体化系统（产品）设计的主要方式12

第2章精密机械部件和执行元件设计 / 13

2.1精密机械系统设计的要求13

2.2机械传动部件的设计与选择14

2.2.1机械传动部件及其功能要求14

2.2.2丝杠螺母传动部件15

2.2.3齿轮传动部件30

2.2.4挠性传动部件36

2.2.5间歇传动部件37

2.2.6软轴传动部件39

2.2.7锥环无键联轴器部件39

2.2.8滚珠花键传动部件40

2.3支承部件的选择与设计41

2.3.1导向支承部件的选择与设计41

2.3.2旋转支承部件的选择与设计58

2.4执行元件与电机驱动64

2.4.1执行元件的种类、特点及基本要求64

2.4.2机电一体化系统(或产品)常用的控制用电机驱动66

2.4.3交、直流伺服电机与驱动67

2.4.4步进电机及其驱动控制83

2.4.5其他电动机97

2.4.6液压与气动执行机构105

第3章微机控制系统的选择 / 118

3.1概述118

3.1.1微机控制系统特征与组成118

3.1.2微机控制系统的分类122

3.1.3微机控制的发展概况及趋势127

3.1.4微机控制的应用领域及选用要点131

3.2微机控制系统的设计与调试132

3.2.1微机控制系统设计的基本要求132

3.2.2微机控制系统设计的基本内容与步骤132

3.2.3系统调试133

3.3控制微机的选择135

3.3.1单板和单片微机的选择135

3.3.2普通PC机的选择149

3.3.3工控PC控制机的选择153

3.3.4STD总线控制微机的选择163

3.3.5可编程控制器（PLC）的选择169

3.4计算机控制系统常用的控制算法191

3.4.1数字滤波和数据处理191

3.4.2数字PID控制算法196

3.4.3施密斯(Smith)预估控制209

3.4.4模糊控制算法211

第4章单片机控制系统设计 / 218

4.1最小控制系统和扩展控制系统设计218

4.1.1最小控制系统设计218

4.1.2扩展控制系统设计219

4.2常用控制电路设计225

4.2.1阵列式键盘电路设计225

4.2.28253定时器电路设计229

4.2.3外部中断电路设计230

4.2.4ADC0809模/数转换电路设计232

4.2.5并行数转换串行数电路设计235

4.2.65LED静态串行显示电路设计236

第5章可编程控制器（PLC）技术 / 239

5.1PLC概述239

5.1.1PLC的特点239

5.1.2PLC的应用领域240

5.2PLC的基本结构241

5.3PLC的工作原理247

5.3.1PLC控制系统的等效电路247

5.3.2PLC的工作原理248

5.3.3PLC的扫描周期250

5.4PLC的技术性能及编程语言252

5.4.1基本技术性能252

5.4.2PLC的内存分配及I/O点数253

5.4.3PLC的编程语言254

5.5基本逻辑指令的编程规则与技巧256

5.5.1梯形图的特点256

5.5.2PLC梯形图的编程规则与技巧256

5.6PLC控制的常用编程方法260

第6章新型天车电脑秤的设计 / 278

6.1系统结构和主要功能278

6.2硬件系统设计278

6.3软件系统设计282

6.4系统设计解析282

6.4.1运算放大器的设计282

6.4.2A/D转换器与单片机的接口设计282

6.4.3单片机与8255接口设计284

6.4.4静态显示器的设计285

6.4.5控制软件设计285

第7章交流电动机电脑控制柜的设计 / 289

7.1系统组成和主要功能289

7.2硬件系统设计290

7.3软件系统设计291

7.4系统设计解析291

第8章汽车机电一体化设计 / 301

8.1汽车电子技术概述301

8.1.1现代汽车电子技术301

8.1.2汽车电子技术的应用现状与发展趋势304

8.1.3汽车电子驱动控制技术308

8.2汽车的结构设计309

8.2.1汽车行驶的基本原理309

8.2.2汽车的总体构造设计310

8.3汽车电子点火系统设计311

8.3.1构成与工作原理311

8.3.2常用类型312

8.3.3无触点汽车电子点火系统控制电路的设计313

8.3.4L497型高能无触点点火控制器电路的设计316

8.3.5汽车点火系统智能IGBT设计318

8.3.6基于BTS2146汽车智能点火系统设计322

8.4汽车发动机电子燃油喷射系统设计327

8.4.1电控燃油喷射系统组成327

8.4.2电控燃油喷射系统设计328

8.5汽车电控自动变速系统设计344

8.5.1常用传感器的选用346

8.5.2执行元件电磁阀的设计348

8.5.3多功能开关的设计354

8.6汽车电子制动防抱死系统（ABS）设计357

8.6.1汽车ABS的类型及结构358

8.6.2汽车ABS设计359

8.7汽车安全气囊系统(SRS)的设计364

8.7.1安全气囊传感器的选用365

8.7.2安全气囊SRS ECU的设计368

第9章智能机器人的机电系统设计 / 369

9.1智能机器人的基本组成和主要控制功能369

9.1.1基本组成369

9.1.2主要控制功能370

9.2智能机器人的设计方法与设计原则371

9.2.1设计原则与步骤371

9.2.2设计方法375

9.3智能机器人的机械结构设计377

9.3.1末端执行件377

9.3.2机身和臂部378

9.3.3手腕380

9.4智能机器人控制系统硬件设计380

9.5智能机器人控制系统软件设计383

9.5.1上位机系统软件任务383

9.5.2VAL-Ⅱ程序任务384

9.6全口义齿排牙机器人机电一体化系统设计387

9.6.1排牙机器人控制系统整体设计387

9.6.2基于单片机的控制电路板开发388

9.6.3步进电机驱动器的研制392

9.6.4下位机应用程序的编制397

9.7多足步行机器人的设计400

9.7.1本体设计401

9.7.2LR-1六足机器人的性能与特点407

9.8通风管道清扫机器人设计407

9.8.1方案设计407

9.8.2控制系统设计408

9.8.3机械结构设计409

参考文献 / 413 2100433B

《机电一体化系统设计实例精解》主要内容：榜样的力量是无穷尽的，设计实例能提供示范和样板，给人以引导和启迪。《机电一体化系统设计实例精解》是《机电一体化系统设计禁忌》的姊妹篇。它从实用的角度出发，对几种类型机电一体化系统设计实例进行精解。

全书共分8章，内容包括机电一体化系统设计综述；机电一体化中的现代伺服系统设计实例及精解；机电一体化中的PLC控制系统设计实例及精解；机电一体化中的单片机控制系统设计实例及精解；基于Lon—Works现场总线的现代智能测控系统设计实例及精解；数控车床的机电一体化改造系统设计实例及精解；智能机器人的机电一体化系统设计实例及精解；全自动洗衣机的机电一体化设计及精解。

《机电一体化系统设计实例精解》内容翔实、阐述清晰透彻，可读性好，实用性强。《机电一体化系统设计实例精解》可作为机电一体化系统设计人员的指导书，也可作为大学相关专业本/专科师生的教科书。

《光机电一体化系统及应用》一书融光、机、电、算等多学科、多种高新技术于一体，具有综合性、系统性强的特色；本书另一个鲜明的特色是理论紧密联系实际，穿插选用了绝大部分为作者亲历的16个设计实例和6个产品案例，不仅为读者学习起到很好的启迪和示范作用，也体现了作者为光机电一体化技术与系统集成领域的贡献。