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1 绪论1

1.1 机电一体化系统的基本概念1

1.1.1 机电一体化的定义1

1.1.2 机电一体化产品1

1.1.3 机电一体化技术特点2

1.1.4 机电一体化系统的基本组成要素2

1.1.5 机电一体化系统的技术组成4

1.1.6 机电一体化技术与其他技术的区别6

1.2 机电一体化系统的设计7

1.2.1 机电一体化系统的设计思想7

1.2.2 机电一体化系统的现代设计方法8

1.3 机电一体化的发展12

1.3.1 机电一体化技术的发展历程12

1.3.2 机电一体化的发展趋势13

思考与练习15

2 机电一体化系统的机械设计17

2.1 概述17

2.2 机电一体化对机械系统的基本要求17

2.2.1 机械系统的组成17

2.2.2 机械系统的设计思想18

2.3 机电一体化系统中的机械传动18

2.4 伺服机械传动系统的传动特性19

2.4.1 转动惯量19

2.4.2 摩擦23

2.4.3 爬行24

2.4.4 阻尼26

2.4.5 刚度26

2.4.6 谐振频率27

2.4.7 间隙28

2.5 齿轮传动副的设计28

2.5.1 齿轮传动装置的设计内容29

2.5.2 齿轮传动副间隙的消除34

2.6 三种精密传动机构38

2.6.1 谐波齿轮传动38

2.6.2 滚珠花键传动40

2.6.3 同步齿形带传动41

2.7 滚珠丝杠副传动44

2.7.1 滚珠丝杠副的工作原理44

2.7.2 滚珠丝杠副的机构与调整46

2.7.3 滚珠丝杠副的选型与计算51

2.7.4 滚珠丝杠副的结构参数与标注58

2.8 联轴器62

2.8.1 一般联轴器62

2.8.2 锥环无键联轴器63

2.8.3 膜片弹性联轴器65

2.8.4 安全联轴器66

2.9 导轨67

2.9.1 导轨概述67

2.9.2 导轨的类型和特点69

2.9.3 贴塑滑动导轨71

2.9.4 滚动直线导轨75

2.10 进给传动系统的误差与动态特性分析81

2.10.1 进给传动系统的误差分析81

2.10.2 进给传动系统的动态特性分析83

思考与练习85

3 机电一体化检测系统87

3.1 概述87

3.1.1 检测系统的组成87

3.1.2 传感器的构成、分类及基本特性87

3.1.3 信号传输与处理电路91

3.2 机电一体化系统常用传感器91

3.2.1 电阻传感器91

3.2.2 电容传感器96

3.2.3 电感传感器98

3.2.4 压电传感器102

3.2.5 磁敏传感器105

3.3 其他类型检测技术107

3.3.1 固态图像传感器（CCD）107

3.3.2 激光检测108

3.3.3 超声波检测109

3.3.4 光纤传感器109

3.3.5 薄膜传感器111

3.4 传感器的正确选择和使用112

3.4.1 传感器的选择112

3.4.2 传感器的正确使用112

3.5 传感器测量电路114

3.5.1 直流电桥114

3.5.2 交流电桥115

3.6 传感器前级信号处理117

3.6.1 测量放大器117

3.6.2 程控增益放大器118

3.6.3 隔离放大器120

3.7 传感器接口技术121

3.7.1 传感器信号的采样／保持121

3.7.2 多通道模拟信号输入123

3.8 电压／电流转换125

3.8.1 电压（0～5V）／电流（0～10mA）转换126

3.8.2 电压（1～5V）／电流（4～20mA）转换127

3.8.3 电流（0～10mA）／电压（0～5V）转换128

3.8.4 电流（4～20mA）／电压（1～5V）转换128

3.8.5 集成电压／电流转换电路129

思考与练习129

4 机电一体化计算机控制及接口技术131

4.1 概述131

4.1.1 计算机控制系统的组成131

4.1.2 计算机在控制系统中的应用方式131

4.1.3 典型的机电一体化控制系统135

4.2 单片机的结构特点及最小应用系统137

4.2.1 MCS-51系列单片机的结构特点137

4.2.2 MCS-51系列单片机的最小应用系统及其扩展138

4.3 数字显示器及键盘的接口电路140

4.3.1 数字显示器的结构及其工作原理140

4.3.2 键盘的接口电路141

4.4 可编程控制器（PLC）的构成及应用举例144

4.4.1 PLC的结构及工作原理144

4.4.2 PLC应用举例145

4.5 微机应用系统输入／输出控制的可靠性设计151

4.5.1 光电隔离电路设计151

4.5.2 信息转换电路设计152

4.6 计算机接口设计153

4.6.1 I/O接口与系统的连接153

4.6.2 I/O接口扩展156

4.6.3 模拟量的采样与处理159

4.6.4 输入输出通道162

4.7 D/A转换器166

4.7.1 并行D/A转换器的工作原理166

4.7.2 D/A转换器的主要技术参数167

4.7.3 8位D/A转换器DAC0832168

4.7.4 12位D/A转换器DAC1210169

4.8 A/D转换器171

4.8.1 A/D转换器的工作原理171

4.8.2 A/D转换器的主要技术参数172

4.8.3 8位A/D转换器ADC0809173

4.8.4 12位A/D转换器AD574175

4.8.5 A/D转换器与系统的连接及举例176

思考与练习181

5 机电一体化伺服控制系统182

5.1 概述182

5.2 伺服系统的结构及组成182

5.2.1 比较元件182

5.2.2 控制元件182

5.2.3 执行元件183

5.2.4 测量、反馈元件183

5.3 伺服系统的分类183

5.3.1 按控制方式分类183

5.3.2 按控制执行元件分类183

5.3.3 按被控制参数分类183

5.3.4 按反馈比较控制不同方式分类183

5.4 伺服系统的技术要求184

5.5 执行元件184

5.5.1 执行元件的种类及特点184

5.5.2 步进电动机及其驱动185

5.5.3 直流伺服电动机及其驱动195

5.5.4 交流伺服电动机及其驱动200

思考与练习208

6 机电一体化抗干扰技术210

6.1 概述210

6.2 产生干扰的因素210

6.2.1 干扰的基本概念210

6.2.2 干扰的三要素210

6.3 抗干扰的措施212

6.3.1 屏蔽212

6.3.2 隔离213

6.3.3 滤波214

6.3.4 接地215

6.3.5 软件抗干扰设计216

思考与练习217

7 机电一体化自动化制造系统218

7.1 概述218

7.1.1 刚性自动化生产219

7.1.2 柔性制造系统（FMS）219

7.1.3 柔性制造单元（FMC）221

7.1.4 柔性制造自动线（FML）222

7.1.5 柔性制造工厂（FMF）222

7.1.6 计算机集成制造系统（CIMS）223

7.2 数控机床224

7.2.1 数控机床的基本概念224

7.2.2 加工中心（MC）226

7.2.3 电火花加工229

7.3 工件储运设备231

7.3.1 有轨小车（RGV）231

7.3.2 自动导向小车（AGV）232

7.3.3 自动化立体仓库233

7.4 工业机器人235

7.4.1 工业机器人概况235

7.4.2 工业机器人的结构235

7.4.3 工业机器人的应用236

7.5 检测与监控系统239

7.5.1 检测与监控原理239

7.5.2 检测与监控应用举例240

7.5.3 检测设备240

7.6 辅助设备242

7.6.1 清洗站242

7.6.2 去毛刺设备242

7.6.3 切削和冷却液的处理242

思考与练习243

8 机电一体化项目案例教学244

8.1 项目一 卧式普通车床数控化改造进给传动机械系统设计244

8.1.1 概述244

8.1.2 设计参数245

8.1.3 实施方案245

8.1.4 横向进给传动链的设计计算247

8.1.5 滚珠丝杠副的承载能力校验248

8.1.6 机械传动系统的刚度计算250

8.1.7 驱动电动机的选型与计算251

8.1.8 机械传动系统的动态分析253

8.1.9 机械传动系统的误差分析与计算254

8.1.10 确定滚珠丝杠副的精度等级和规格型号254

8.2 项目二 汽车尾灯控制设计255

8.2.1 设计任务255

8.2.2 设计要求255

8.2.3 设计255

8.3 项目三 交通信号灯控制系统的设计256

8.3.1 设计任务256

8.3.2 设计要求256

8.3.3 设计256

8.3.4 程序设计256

8.4 项目四 四中断彩色广告灯控制系统的设计258

8.4.1 设计任务258

8.4.2 设计要求258

8.4.3 接线图设计258

8.4.4 源程序设计258

8.5 项目五 控制系统的设计药物配制261

8.5.1 设计任务261

8.5.2 设计要求261

8.5.3 设计262

8.5.4 流程图262

8.5.5 编程元件I/O地址分配262

8.5.6 控制程序设计263

8.5.7 物料混合过程模拟操作时应注意的问题263

8.6 项目六 数据采集系统设计265

8.6.1 模拟输入通道的组成265

8.6.2 设计示例266

思考与练习267

参考文献268