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第1章 机电一体化概论1

1.1机电一体化的概念1

1.1.1机电一体化的发展历史1

1.1.2机电一体化系统的特征2

1.1.3机电一体化的意义5

1.2机电一体化的技术基础6

1.2.1机械设计和制造技术6

1.2.2微电子技术6

1.2.3传感器技术6

1.2.4软件技术7

1.2.5通信技术7

1.2.6驱动技术7

1.2.7自动控制技术7

1.2.8系统技术8

1.3机电一体化的发展及应用概况8

习题与思考题10

第2章 精密机械技术11

2.1概述11

2.1.1机电一体化对机械系统的基本要求11

2.1.2机械系统的主要组成12

2.2传动机构12

2.2.1传动机构的性能要求12

2.2.2精密传动机构——滚珠丝杠副12

2.2.3齿轮传动18

2.2.4同步带传动20

2.2.5间歇传动22

2.3导向机构23

2.3.1导轨副的组成及种类23

2.3.2导轨的基本要求24

2.3.3滑动导轨副27

2.3.4滚动直线导轨副和圆柱直线滚动导轨副31

2.3.5静压导轨副33

2.4执行机构34

2.4.1执行机构及其技术特点34

2.4.2电磁执行机构34

2.4.3压电驱动器与超声电机39

2.4.4微动机构47

2.4.5液压机构51

2.4.6气动机构57

习题与思考题62

第3章 工业控制计算机64

3.1概述64

3.1.1机电一体化对控制系统的基本要求64

3.1.2机电一体化控制系统的类型、特点与选用64

3.2工控机的特点、组成及总线67

3.2.1工控机及其特点67

3.2.2工控机的组成67

3.2.3工控机的ISA总线和PCI总线69

3.3工控机的主板79

3.4工控机的接口卡79

3.4.1模拟量输入／输出卡79

3.4.2数字量输入／输出卡85

3.4.3运动控制卡85

3.4.4 RS-232／RS-485模块89

3.4.5 CAN总线接口卡91

3.5工业组态软件94

3.5.1工业组态软件简介94

3.5.2工业组态软件设计的基本步骤96

3.5.3工业组态软件的设备连接与测试96

3.5.4工业组态软件的报警显示97

3.5.5工业组态软件实现实时数据、历史数据、实时曲线与历史曲线的显示97

3.5.6工业组态软件的工程安全机制97

3.6工控机与组态软件的应用98

习题与思考题99

第4章 基于单片机的控制器101

4.1 MCS-51单片机101

4.2模拟数据采集101

4.2.1传感器102

4.2.2多路模拟开关102

4.2.3放大器103

4.2.4采样／保持器103

4.2.5 A／D转换器及其与单片机接口103

4.3模拟数据输出112

4.4功率输出115

4.4.1功率晶体管接口115

4.4.2光电耦合器隔离116

4.4.3双向晶闸管接口117

4.5单片机现场控制器117

4.6其他嵌入式处理器119

习题与思考题120

第5章 可编程序控制器122

5.1顺序控制系统及其实现122

5.1.1顺序控制系统122

5.1.2顺序控制系统的实现124

5.2可编程序控制器基础124

5.2.1可编程序控制器的结构及分类124

5.2.2可编程序控制器的输入／输出模块127

5.2.3可编程序控制器的工作机制130

5.2.4可编程序控制器的编程语言131

5.2.5与其他顺序逻辑控制系统的比较134

5.2.6可编程序控制器的应用概况135

5.3三菱FX2N系列可编程序控制器及其指令系统136

5.3.1三菱可编程序控制器概述136

5.3.2三菱FX2N系列可编程序控制器的软组件及其功能138

5.3.3三菱FX2N系列可编程序控制器的指令系统147

5.4可编程序控制器的基本应用159

5.4.1 PLC控制系统设计的基本内容和步骤159

5.4.2编程方法及编程规则与技巧160

5.4.3常用和基本环节编程163

5.4.4应用实例168

5.5可编程序控制器的高级应用173

5.5.1可编程序控制器的通信及网络173

5.5.2可编程序控制器的人机界面175

习题与思考题176

第6章 传感器与计算机接口179

6.1概述179

6.1.1传感检测装置在机电一体化系统中的作用179

6.1.2传感检测装置的组成179

6.2机电一体化系统中的常用传感器180

6.2.1传感器的定义与分类180

6.2.2机电一体化系统中的常用传感器180

6.2.3智能传感器193

6.3传感器与计算机接口技术194

6.3.1数字型传感器与计算机的接口及实例194

6.3.2模拟型传感器与计算机的接口195

习题与思考题197

第7章 动力驱动及其计算机控制198

7.1概述198

7.1.1机电一体化系统中执行装置的特点198

7.1.2电力电子技术在执行装置中的应用198

7.1.3机电传动系统建模199

7.2电力电子技术应用基础203

7.2.1晶闸管及其驱动电路203

7.2.2功率晶体管及其驱动电路206

7.2.3功率场效应晶体管及其驱动电路208

7.2.4 IGBT及其驱动电路211

7.3直流传动控制系统213

7.3.1直流电机的晶闸管驱动控制213

7.3.2直流电机的全桥驱动控制216

7.3.3直流电机调速和伺服控制217

7.4交流传动控制系统218

7.4.1交流电机控制原理218

7.4.2交流伺服电机的驱动原理219

7.5步进传动控制系统221

7.5.1步进电机的原理和结构221

7.5.2步进电机控制223

习题与思考题226

第8章 生产过程自动化技术228

8.1概述228

8.1.1基本概念228

8.1.2自动化制造系统的常见类型229

8.2自动化加工设备231

8.2.1组合机床231

8.2.2一般数控机床231

8.2.3车削中心232

8.2.4加工中心233

8.3工件储运系统234

8.3.1存储设备234

8.3.2工件输送装置239

8.4检验过程自动化253

8.4.1概述253

8.4.2加工过程中的自动检验装置255

8.4.3自动补偿装置259

8.4.4检验自动机261

8.5辅助设备264

8.5.1提升装置264

8.5.2分路装置265

8.5.3小零件的转向和定向装置267

8.5.4大零件的转位装置269

8.5.5断屑装置271

8.6自动化制造系统的控制系统273

8.6.1 FMS的信息流273

8.6.2制造过程的协调控制275

8.6.3加工过程监控279

8.7计算机集成制造系统279

8.7.1基本定义279

8.7.2计算机集成制造系统的基本组成279

8.7.3计算机集成制造系统的递阶控制模式282

习题与思考题284

第9章 机电一体化系统的常用控制策略285

9.1模拟PID调节器285

9.2数字PID控制器286

9.2.1数字PID位置型控制算法286

9.2.2数字PID增量型控制算法288

9.3数字PID控制算法的改进290

9.3.1积分分离PID控制算法290

9.3.2遇限削弱积分PID控制算法292

9.3.3不完全微分PID控制算法293

9.3.4微分先行PID控制算法295

9.3.5带死区的PID控制算法296

9.4数字PID控制技术的应用实例297

9.4.1直线电机的数字PID控制297

9.4.2运动控制系统中位置环数字PID控制算法的改进实现300

9.5其他智能控制302

9.5.1模糊控制302

9.5.2专家智能控制317

9.5.3自学习智能控制系统318

9.5.4基于神经网络的智能控制318

习题与思考题319

第10章 机电一体化系统设计方法与实例320

10.1机电一体化系统设计方法学概论320

10.1.1机电一体化系统设计原则320

10.1.2机电一体化系统设计类型321

10.1.3机电一体化系统设计方法321

10.1.4机电一体化系统设计步骤322

10.1.5机电一体化系统的性能评价325

10.2基于单片机的机电一体化控制系统设计案例327

10.2.1基于89C52单片机的连续纸胶印机控制系统327

10.2.2基于P87C591单片机的温室控制单元329

10.2.3基于压力平衡原理的汽车燃油检漏仪330

10.3基于PC机的机电一体化控制系统设计案例332

10.3.1基于机器视觉的晶振外壳缺陷在线抽检系统332

10.3.2基于PC的并联机床控制系统334

10.3.3基于PC的开放式数控系统336

10.4基于PLC的机电一体化控制系统设计案例338

10.4.1锅炉膜式水冷壁管屏自动焊接生产线控制系统338

10.4.2气动机械手控制系统340

10.5机器人及其控制系统设计案例343

10.5.1液压挖掘机器人分布式测控系统343

10.5.2多自由度机器人的结构与控制系统345

10.5.3高速并联机械手位置控制系统346

10.6机电一体化系统的综合设计实例349

10.6.1数控五轴联动激光加工机349

10.6.2机器人智能关节354

习题与思考题363

参考文献365