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| 編輯推薦： |
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《机电一体化系统设计》围绕机电一体化系统产品的机械系统、传感检测系统、信息处理系统、动力源、执行元件系统五个子系统，讲解各部分之间的相互关系、相互作用，阐明机械系统应具有良好的伺服性能，以满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性等要求。机电控制系统部分采用常用的上、下位机控制方式，从上位机的人机界面设计到下位机的嵌入式系统编程，以及上、下位机的MODBUS通信协议，在人机环境这个大系统中进行较为详细的说明。传感检测系统部分重点介绍传感器的后续电路及与微处理器的接口电路。执行元件部分着重讲解步进或伺服电动机的工作原理，说明驱动器与微处理器之间的接口电路，给出插补运算的软件设计。全书着重强调机电一体化系统的应用技术。
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| 內容簡介： |
《机电一体化系统设计》讲解机电一体化系统设计的基本概念、基本原理、方法和应用，为辽宁省精品资源共享课机电系统设计的配套教材。全书共分8章，前6章介绍机电一体化系统设计的基本原理与应用，包括机电一体化系统概论、位置控制的数学方法、机械系统部件的选择与设计、传感检测系统、执行元件和机电参数的相互匹配；后两章为机电一体化系统的典型应用案例，包括自动纠偏及其控制系统、XY数控工作台，内容涉及系统说明及控制系统软、硬件设计等。
《机电一体化系统设计》可作为高等院校机械、机电、自动化、测控等专业的教材，也可作为相关专业的研究生和工程技术人员的专业参考书。
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| 關於作者： |
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《机电一体化系统设计》围绕机电一体化系统产品的机械系统、传感检测系统、信息处理系统、动力源、执行元件系统五个子系统，讲解各部分之间的相互关系、相互作用，阐明机械系统应具有良好的伺服性能，以满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性等要求。机电控制系统部分采用常用的上、下位机控制方式，从上位机的人机界面设计到下位机的嵌入式系统编程，以及上、下位机的MODBUS通信协议，在人机环境这个大系统中进行较为详细的说明。传感检测系统部分重点介绍传感器的后续电路及与微处理器的接口电路。执行元件部分着重讲解步进或伺服电动机的工作原理，说明驱动器与微处理器之间的接口电路，给出插补运算的软件设计。全书着重强调机电一体化系统的应用技术。
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| 目錄：
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目 录
第1章 机电一体化系统概论 1
1.1 机电一体化系统基础知识 1
1.2 机电一体化系统的组成及功能 2
1.3 机电一体化技术与其他技术关系 3
1.3.1 与传统机电技术的区别 3
1.3.2 与自动控制技术的区别 3
1.3.3 与计算机应用技术的区别 3
1.3.4 对应的共性关键技术 3
1.4 机电一体化系统的分类及应用 5
1.4.1 生产用机电一体化产品和
系统 5
1.4.2 运输、包装及工程用机电
一体化产品 6
1.4.3 储存、销售用机电一体化
产品 6
1.4.4 社会服务及家庭用机电一体化
产品 7
1.4.5 科研及民用机电一体化产品 7
1.5 机电一体化系统各要素之间的关系 7
1.5.1 机电一体化系统的功能构成 8
1.5.2 机电一体化系统中接口的
定义 9
1.6 机电一体化的发展 10
1.6.1 智能化 11
1.6.2 系统化 12
1.6.3 微型化 12
1.6.4 模块化 12
1.6.5 网络化 13
1.6.6 绿色化 13
复习思考题 13
第2章 位置控制的数学方法 15
2.1 概述 15
2.2 插补运算 15
2.3 逐点比较法的直线和圆弧的插补
原理 15
2.3.1 逐点比较法插补原理 16
2.3.2 圆弧插补原理 19
2.3.3 逐点比较法圆弧插补举例 21
2.3.4 多段组合位置控制说明 22
2.4 轮廓步长法插补 22
2.4.1 轮廓步长法直线插补 23
2.4.2 轮廓步长法圆弧插补
逆时针 23
复习思考题 25
第3章 机械系统部件的选择与设计 28
3.1 概述 28
3.2 机械传动部件的设计要求和原则 28
3.3 齿轮副传动 29
3.3.1 齿轮副等效惯量计算和传动比
分配 29
3.3.2 齿轮副间隙的调整 30
3.4 滚珠丝杠副传动部件 32
3.4.1 滚珠丝杠副的组成 32
3.4.2 滚珠丝杠副的典型结构类型
和尺寸 32
3.5 同步齿形带传动 39
3.5.1 同步齿形带传动的特点 39
3.5.2 带和带轮结构 39
3.6 谐波齿轮传动 40
3.6.1 特点 40
3.6.2 组成和工作原理 40
3.7 导轨副的设计与选择 41
3.7.1 导轨副的组成、分类及其应
满足的条件 41
3.7.2 滚动导轨副的结构及其选择 46
3.8 导轨的润滑与防护 51
3.8.1 导轨的润滑 51
3.8.2 导轨的防护 52
复习思考题 52
第4章 传感检测系统 55
4.1 传感器与检测技术基础知识 55
4.1.1 传感器的概念 55
4.1.2 检测系统 55
4.1.3 传感与检测系统的基本特性 56
4.2 行程开关 58
4.2.1 行程开关的功能和作用 59
4.2.2 行程开关的工作原理及接口
电路 59
4.3 光电传感器 60
4.3.1 光电管 60
4.3.2 光敏电阻 61
4.3.3 光敏二极管 61
4.3.4 光敏三极管 61
4.4 电阻应变传感器 62
4.5 电感传感器 64
4.6 电容传感器 66
4.7 磁电传感器 66
4.8 磁敏传感器 67
4.8.1 霍尔元件 67
4.8.2 磁敏电阻、磁敏二极管和磁敏
三极管 68
4.9 光栅传感器 69
4.10 光电编码器 69
4.10.1 绝对式编码器 70
4.10.2 增量式编码器 70
4.11 旋转变压器 71
4.12 检测变换基本电路 71
4.12.1 发光二极管基本电路 71
4.12.2 电压跟随电路 72
4.12.3 同相放大器 74
4.12.4 反相放大器 74
4.12.5 差动放大电路 75
4.13 仪器仪表放大器 76
4.14 恒压恒流电路 77
4.14.1 恒压恒流电路的应用 77
4.14.2 TL431可控精密稳压源 78
4.14.3 恒流电路 80
4.15 DC 4～20mA电路 81
4.15.1 非共地的可控DC 4～20mA
电路 81
4.15.2 共地可控DC 4～20mA
电路 82
4.16 电源电路 83
4.16.1 三端稳压电路 83
4.16.2 LM2575开关稳压电路 84
4.16.3 3.3V微处理器所用电源 85
4.17 IO口的隔离输入、输出 86
4.17.1 输入光电隔离电路 86
4.17.2 输出光电隔离电路 87
4.17.3 采用光电隔离电路驱动感性
负载 87
4.18 Pt100温度测量 88
4.18.1 基本原理 88
4.18.2 测量电路 89
复习思考题 91
第5章 执行元件 95
5.1 执行元件的分类及特点 95
5.1.1 执行元件介绍 95
5.1.2 执行元件的分类 96
5.1.3 执行元件的特点 97
5.2 机电一体化系统常用的控制电动机 99
5.2.1 常用控制电动机 99
5.2.2 伺服的概念 99
5.2.3 伺服电动机控制方式的基本
形式 100
5.2.4 对控制用电动机的基本
要求 101
5.3 步进电动机及其驱动 102
5.3.1 步进电动机的特点、种类 102
5.3.2 步进电动机的工作原理 103
5.4 步进电动机的运行特性及性能
指标 110
5.4.1 分辨率 110
5.4.2 静态特性 110
5.4.3 动态特性 113
5.5 步进电动机的控制电路及驱动
控制器 115
5.5.1 步进电动机的控制电路 115
5.5.2 功率放大器 116
5.5.3 细分驱动 118
5.5.4 步进电动机的微机控制 119
5.5.5 步进电动机的加、减速
控制 120
5.6 伺服电动机及其驱动 121
5.6.1 直流DC伺服电动机的工作
原理 121
5.6.2 直流DC伺服电动机的
驱动 123
5.6.3 常用交流伺服电动机 124
复习思考题 125
第6章 机电参数的相互匹配 129
6.1 机电一体化系统装备对伺服系统的
要求 129
6.2 惯量分析 130
6.2.1 联动回转体的等效转动惯量的
折算 130
6.2.2 直线运动的惯量折算 131
6.2.3 惯量的合理匹配 133
6.3 容量匹配和速度匹配 135
6.3.1 一般说明 135
6.3.2 等效负载转矩的计算 135
6.3.3 转动等效负载转矩的计算 135
6.3.4 直线移动等效负载转矩的
计算 136
6.3.5 等效摩擦转矩的计算 136
6.3.6 等效惯性转矩的计算 136
6.3.7 容量匹配的建议 137
6.3.8 速度匹配的建议 137
复习思考题 137
第7章 自动纠偏及其控制系统 139
7.1 自动纠偏的应用、分类、组成 139
7.2 自动纠偏的工作原理说明 140
7.2.1 边缘位置控制型 141
7.2.2 线条位置控制型 142
7.3 自动纠偏机械执行机构 144
7.4 自动纠偏控制接口电路 144
7.4.1 光电传感器及其接口电路 145
7.4.2 同步电动机及其接口电路 147
7.4.3 自动纠偏上、下位机接口
电路 151
7.5 自动纠偏控制电路原理 152
7.5.1 自动纠偏控制器所用微处理器
芯片 152
7.5.2 自动纠偏控制系统的接口电路
原理图 152
7.6 上位机触摸屏软件MCGS介绍 155
7.6.1 人机界面触摸屏的选用 155
7.6.2 人机界面的功能 155
7.6.3 生产人机界面的厂家 155
7.6.4 TPC1062KX触摸屏 155
7.6.5 开发环境 156
7.6.6 MCGS软件构成 157
7.6.7 MODBUS协议说明 158
7.6.8 自动纠偏控制系统上位机监控
界面设计 170
7.7 自动纠偏控制器软件设计 173
7.7.1 自动纠偏控制系统的RS-232
通信说明 174
7.7.2 电动机纠偏速度的调整 178
7.7.3 纠偏工作台移动程序说明 180
7.7.4 自动纠偏控制程序流程 183
复习思考题 184
第8章 XY数控工作台 187
8.1 XY数控工作台的结构及工作原理 187
8.1.1 XY数控工作台的结构 187
8.1.2 XY数控工作台的工作原理 188
8.1.3 XY数控工作台的构成 189
8.2 直线插补程序说明 192
8.2.1 第一象限直线插补原理简要
说明 192
8.2.2 第一象限直线插补程序 194
8.3 圆弧插补程序说明 196
8.3.1 第一象限圆弧插补原理简要
说明 196
8.3.2 第一象限圆弧插补程序 198
复习思考题 199
复习思考题参考答案 201
参考文献 217
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| 內容試閱：
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前 言
为适应部分高等院校及高职、高专院校向应用技术型人才培养迅速转型的趋势，在此出版本书。机电一体化系统设计是随着生产和技术的发展，在以机械技术、电子技术、计算机技术为主的多门学科相互渗透、互相结合的过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴边缘技术。
机电一体化系统是一个综合的概念，包含技术和产品两方面的内容。机电一体化技术是指包括技术基础、技术原理在内的，使机电一体化产品得以实现、使用和发展的技术。机电一体化产品是指采用机电一体化技术在基本产品的基础上创造出来的新一代产品。
在工程技术学科系谱中，机械电子学仍属于机械工程范畴。按照机械电子学的观点，凡是由各种现代高新技术与机械和电子技术相结合而形成的各种技术、产品或系统都应属于机电一体化的范畴。机器人、柔性制造系统FMS、计算机集成制造系统CIMS及自动化生产工程都在机电一体化的范畴之内。
可以说，机电一体化系统或产品已深入社会的各个方面。例如，数控机床、机器人、加工中心、自动生产设备等生产用机电一体化产品和系统；自动仓库、自动空调与制冷系统及设备；自动称量、分选、销售及现金处理系统等储存、销售用机电一体化产品；复印机、打字机、扫描仪等办公自动化设备；CT机、心电图机、X光机等医疗设备；自动清扫机器人、取款机、取票排队机等环保及公共服务产品；全自动洗衣机、数字化空调、冰箱等家电产品；航天器、宇宙飞船、探月车等航天科研设备，都是机电一体化产品。在未来的发展中，机电一体化技术是工业机械化发展的必然趋势。
传统的机械设计主要以解决运动学和动力学为主，现代机械系统及装备都是光、机、电、液等高度一体化的复杂技术系统。本书围绕机电一体化系统产品的机械系统、传感检测系统、信息处理系统、动力源、执行元件系统五个子系统，讲解各部分之间的相互关系、相互作用，阐明机械系统应具有良好的伺服性能，以满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性等要求。机电控制系统部分采用常用的上、下位机控制方式，从上位机的人机界面设计到下位机的嵌入式系统编程，以及上、下位机的MODBUS通信协议，在人机环境这个大系统中进行较为详细的说明。传感检测系统部分重点介绍传感器的后续电路及与微处理器的接口电路。执行元件部分着重讲解步进或伺服电动机的工作原理，说明驱动器与微处理器之间的接口电路，给出插补运算的软件设计。全书着重强调机电一体化系统的应用技术。
本书分8章，前6章介绍机电一体化系统基础知识，后两章采用案例形式系统说明两个典型机电一体化产品的功能及应用，包括软、硬件设计。
第1章介绍机电一体化系统的基础知识，阐述机电一体化系统的组成及功能，分类及应用，以及机电一体化系统各要素之间的关系，等等。第2章介绍机电一体化系统中常用的位置控制的数学方法，重点讲解逐点比较法的直线和圆弧的插补原理。第3章介绍机械系统部件的选择与设计，针对机电一体化系统对机械部分的要求和设计原则，阐述机械传动和支撑的设计，重点介绍传动系统中的间隙调整，包括齿轮副传动间隙和滚珠丝杠副间隙调整的方法。第4章传感检测系统，介绍机械中常用传感器及其信号预处理电路，检测变换接口电路、工业上常用的DC?4～20mA变换电路和隔离的IO口输入、输出电路的设计等；对常用电路，如电压跟随器、同相放大器、反相放大器、差动放大电路、仪器仪表放大器、DC?4～20mA变换电路及恒流恒压电路，从运放的三个基本特点进行了深入浅出的说明，让读者很容易得出输出与输入的关系。第5章执行元件，介绍执行元件的分类与特点，重点介绍步进伺服电动机及其驱动，步进电动机的运行特性及性能指标、步进电动机的控制电路及驱动控制器。第6章介绍机电参数的相互匹配，说明伺服电机与机械负载的惯量匹配、容量匹配和速度匹配方法，重点介绍等效转动惯量的折算方法。
第7章，以食品、轻工、印刷、塑料、橡胶和钢铁等行业中机电设备常用的纠偏系统为例，说明典型机电一体化系统的工作原理及应用，给出自动纠偏机械执行机构及自动纠偏控制电路原理，并通过上、下位机控制方式详细说明上、下位机的MODBUS通信协议、接口原理和软件设计；上位机采用MCGS工业触摸屏，在此详细介绍上位机自动纠偏控制系统的组态软件设计和下位机STM32的Keil C软件设计，目的在于通过简单的实例，说明典型的机电一体化系统控制系统的实现。第8章，XY数控工作台是数控车床、数控铣床和数控钻床的工作台，是激光加工设备的工作台，是表面贴装设备、刻字机、3D打印雕刻的基本部件，本章利用案例介绍数控工作台的工作原理，说明其控制方式及实现方法，详细给出直线插补和圆弧插补的C语言程序。
本书内容比较多，教师在具体的教学内容安排上，可根据实际情况进行选择或取舍，也可将书中部分内容作为某一课程的教材或作为课程设计的辅助教材。例如，第4章传感检测系统可作为机械工程测试相关课程的教材内容；后两章案例部分可作为机电一体化系统设计课程设计的辅助教材。
本书由大连工业大学机械工程与自动化学院的丁金华和王学俊老师共同编写。其中，丁金华完成第1、4、5、6、7和8章内容的编写工作；王学俊完成第2、3章内容的编写工作。全书由丁金华和魏鸿磊统稿，并对习题及习题答案进行了整理与编辑。
因编者能力有限，不妥之处在所难免，希望各位读者提出宝贵意见，以便今后修订时进一步完善。
编 者
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