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1 机电一体化概述1

1.1 机电一体化概念1

1.1.1 机电一体化的基本概念1

1.1.2 机电一体化技术的发展1

1.1.3 机电一体化系统的构成6

1.1.4 机电一体化的意义6

1.2 机电一体化技术的分类7

1.2.1 机电一体化技术分类概述7

1.2.2 机械制造过程的机电一体化8

1.2.3 机电产品的机电一体化10

1.3 机电一体化的相关技术10

1.3.1 机械技术11

1.3.2 传感技术11

1.3.3 信息处理技术11

1.3.4 接口技术11

1.3.5 伺服驱动技术12

1.3.6 系统总体技术12

1.4 机电一体化设计方法12

1.4.1 模块化设计方法13

1.4.2 柔性化设计方法13

1.4.3 取代设计方法13

1.4.4 融合设计方法14

1.4.5 优化设计方法14

思考题与习题15

2 工业控制计算机16

2.1 工业控制计算机的种类与选择16

2.1.1 工业控制计算机概述16

2.1.2 工业控制计算机的分类17

2.1.3 工业控制计算机的选择19

2.2 工业控制计算机的总线20

2.2.1 STD总线21

2.2.2 IBM PC总线和AT总线22

2.2.3 PCI总线22

2.2.4 USB总线24

2.2.5 现场总线24

2.3 工业PC机28

2.3.1 工业PC机的组成和特点28

2.3.2 工业PC机常用I/O模板及选择32

2.3.3 工业PC机在机电一体化产品中的应用38

思考题与习题44

3 可编程序控制器PLC45

3.1 可编程序控制器PLC概述45

3.1.1 可编程序控制器的发展与定义45

3.1.2 可编程序控制器的特点和应用45

3.1.3 可编程序控制器的基本类型48

3.1.4 可编程序控制器的发展趋势49

3.2 可编程序控制器的基本组成和工作原理50

3.2.1 可编程序控制器的基本组成51

3.2.2 可编程序控制器的工作原理54

3.2.3 可编程序控制器的编程语言57

3.3 三菱FX2N系列可编程序控制器及其指令系统61

3.3.1 FX2N系列可编程序控制器概述61

3.3.2 FX2N系列可编程序控制器的基本逻辑指令75

3.3.3 FX2N系列可编程序控制器的功能指令83

3.4 常用基本环节编程100

3.4.1 延时断开电路101

3.4.2 双延时电路101

3.4.3 分频电路102

3.4.4 不同占空比的多谐振荡电路103

3.4.5 报警电路103

3.4.6 比较电路103

3.4.7 保持电路105

3.4.8 两个输入信号的优先电路105

3.4.9 多个输入信号的优先电路105

3.5 可编程序控制器系统设计的内容和步骤107

3.5.1 PLC系统设计的内容和步骤107

3.5.2 PLC系统的硬件配置109

3.5.3 PLC的软件系统113

3.5.4 PLC的应用实例——半自动液压车床118

思考题与习题121

4 基于单片机的微控制器及其设计123

4.1 MCS-51单片机的硬件结构123

4.1.1 MCS-51的微处理器124

4.1.2 MCS-51的存储器125

4.1.3 MCS-51的并行口和串行口126

4.1.4 MCS-51的定时器127

4.1.5 MCS-51的中断系统及其控制128

4.1.6 单片机硬件结构的新进展129

4.2 MCS-51的寻址方式130

4.3 MCS-51的指令系统132

4.3.1 数据传送指令132

4.3.2 算术运算指令134

4.3.3 逻辑运算指令、移位指令和空操作指令136

4.3.4 控制转移指令138

4.3.5 布尔变量操作指令140

4.4 微控制器硬件系统的设计与开发141

4.4.1 MCS-51单片机存储器的扩展141

4.4.2 单片机常用并行接口电路147

4.4.3 单片机的人机接口设计159

4.4.4 D/A转换器及其接口电路169

4.4.5 A/D转换器及其接口电路173

4.4.6 MCS-51单片机与外围电路的匹配技术179

4.4.7 单片机的编程语言181

4.4.8 基于单片机的微控制器开发步骤182

4.5 嵌入式系统简介183

4.5.1 嵌入式系统的特点与应用183

4.5.2 单片机与嵌入式系统184

4.5.3 嵌入式系统软件技术184

4.5.4 实时多任务操作系统185

4.5.5 嵌入式系统的发展动向187

思考题与习题187

5 机电一体化产品中的传感器190

5.1 传感器概述190

5.1.1 传感器的概念190

5.1.2 传感器的特性和技术指标191

5.2 机电一体化中常用传感器192

5.2.1 位置传感器192

5.2.2 位移、角度、距离测量传感器193

5.2.3 速度和加速度测量传感器196

5.2.4 力和力矩测量传感器198

5.2.5 视觉传感器200

5.3 传感器与计算机的接口设计202

5.3.1 输入放大器203

5.3.2 V/I、I/V转换电路204

5.3.3 采样/保持电路204

5.3.4 模拟多路开关205

5.3.5 传感器与微机的连接206

5.4 智能传感器207

5.4.1 智能传感器的含义207

5.4.2 智能网络化传感器及其系统的结构207

思考题与习题208

6 常用驱动器及其控制209

6.1 步进电动机开环位置控制系统209

6.1.1 步进电动机的工作原理209

6.1.2 步进电动机的主要特性211

6.1.3 步进电动机的结构类型213

6.1.4 步进电动机的环行分配器213

6.1.5 功率放大器216

6.1.6 步进电动机的单片机控制218

6.2 直流电动机的调速220

6.2.1 直流电动机的机械特性和调速指标220

6.2.2 相控变流的直流电动机调速系统224

6.2.3 直流斩波传动228

6.2.4 晶体管脉宽调速控制系统232

6.2.5 直流电动机闭环控制系统236

6.2.6 直流电动机调速微机控制系统239

6.3 交流电动机速度控制240

6.3.1 交流电动机分类240

6.3.2 交流电动机的机械特性241

6.3.3 交流电动机的传统调速方式243

6.3.4 交流电动机的变频调速与变频器245

6.3.5 SPWM波调制248

6.3.6 交流电动机控制方式250

6.3.7 交流电动机的矢量控制251

思考题与习题257

7 常用的传动部件与执行机构258

7.1 精密齿轮传动258

7.1.1 齿轮传动分类及选用259

7.1.2 齿轮传动形式及其传动比的最佳匹配选择260

7.1.3 齿轮传动间隙的调整方法261

7.1.4 谐波齿轮传动263

7.2 滚珠丝杠螺母副264

7.2.1 滚珠丝杠螺母副的传动原理264

7.2.2 滚珠丝杠副的精度等级及标注方法268

7.3 挠性传动268

7.3.1 平形带传动268

7.3.2 绳传动269

7.3.3 链传动269

7.3.4 同步齿型带传动270

7.4 常用执行机构271

7.4.1 连杆机构271

7.4.2 凸轮机构272

7.4.3 间歇机构272

7.4.4 机器人的典型机构276

思考题与习题279

8 机电一体化系统的控制策略280

8.1 传统控制策略280

8.1.1 PID（比例-积分-微分）控制280

8.1.2 串级控制281

8.1.3 纯滞后对象的控制281

8.1.4 解耦控制283

8.2 现代控制策略285

8.2.1 自适应控制285

8.2.2 变结构控制286

8.2.3 鲁棒控制287

8.2.4 预测控制287

8.3 智能控制策略288

8.3.1 模糊控制288

8.3.2 专家控制289

8.3.3 神经网络控制290

8.3.4 遗传算法291

8.4 控制策略的渗透和结合292

8.4.1 几种常用的控制策略292

8.4.2 控制策略渗透和结合的特点294

8.5 模糊控制系统设计295

思考题与习题298

9 机电一体化设计实例299

9.1 柔索驱动并联机器人设计299

9.1.1 柔索驱动并联机器人机构组成及位置分析299

9.1.2 运动影响系数及运动学分析303

9.1.3 力学分析307

9.1.4 工作空间分析310

9.1.5 轨迹规划310

9.1.6 系统构成及驱动控制318

9.1.7 机器人语言321

9.2 基于MCS-51单片机的振动定量给料机控制系统设计实例324

9.2.1 MCS-51单片机控制系统的设计方法325

9.2.2 电磁振动定量给料控制系统327

9.2.3 电磁振动定量给料控制系统的方案确定330

9.2.4 系统硬件设计331

9.2.5 系统软件设计340

参考文献359