机电一体化系统设计

第1章 绪论 1 1.1 概述 1 1.1.1 机电一体化概念 1 1.1.2 机电一体化产品分类 2 1.1.3 机电一体化产品特征 4 1.2 机电一体化系统组成 5 1.3 机电一体化系统应用的技术 6 1.3.1 机械技术 6 1.3.2 自动控制技术 7 1.3.3 信息处理技术 7 1.3.4 传感与检测技术 7 1.3.5 伺服驱动技术 8 1.3.6 系统总体技术 8 1.3.7 系统集成技术 8 1.4 机电一体化技术发展历史与趋势 9 1.4.1 机电一体化技术发展历史 9 1.4.2 机电一体化技术发展趋势 11 习题与思考题 13 第2章 机械系统设计 14 2.1 概述 14 2.2 功能原理设计 16 2.2.1 功能分类 16 2.2.2 功能分解 16 2.2.3 功能求解 17 2.3 总体设计 18 2.3.1 设计要求 18 2.3.2 应用举例 19 2.4 传动链设计 20 2.4.1 运动基本形式 20 2.4.2 复杂运动实现方式 21 2.4.3 齿轮传动链设计 23 2.5 传动装置设计与选择 28 2.5.1 齿轮传动装置 28 2.5.2 滚珠丝杠传动 31 2.5.3 蜗轮蜗杆传动 36 2.5.4 同步齿形带传动 38 2.5.5 精密减速器 39 2.6 主轴部件设计 44 2.6.1 主轴 44 2.6.2 轴承及支承 47 2.7 导向与支承部件设计 50 2.7.1 导轨基本要求 50 2.7.2 导轨选择与设计 51 2.7.3 导轨类型 51 2.7.4 导轨材料 53 2.7.5 导轨润滑与防护 54 2.7.6 直线滚动导轨副 55 2.8 支承件设计 58 2.8.1 支承件的设计要求 58 2.8.2 支承件的选择与设计 59 习题与思考题 64 第3章 伺服驱动系统与执行元件 65 3.1 伺服驱动系统的组成、要求及分类 65 3.1.1 伺服驱动系统及组成 65 3.1.2 伺服驱动系统要求 66 3.1.3 伺服驱动系统的分类 66 3.2 步进电机及驱动 68 3.2.1 步进电机工作原理 68 3.2.2 步进电机驱动技术 70 3.2.3 步进电机特性 73 3.2.4 步进电机选型与计算 74 3.3 直流伺服驱动 78 3.3.1 直流伺服驱动系统 78 3.3.2 直流伺服电机工作原理 79 3.3.3 直流伺服电机驱动控制 81 3.4 交流伺服驱动 83 3.4.1 交流伺服电机 84 3.4.2 交流伺服驱动系统 86 3.4.3 交流伺服调速方法 87 3.4.4 交流伺服电机选型 89 3.4.5 交流伺服驱动系统应用 91 3.5 直线伺服驱动系统 98 3.5.1 直线伺服电机特点与分类 98 3.5.2 直线伺服电机工作原理 99 3.5.3 直线伺服电机选型 103 3.6 电液伺服驱动 105 3.6.1 电液伺服驱动系统的组成与分类 105 3.6.2 电液伺服阀 107 3.6.3 电液伺服阀的选用 108 3.7 执行元件 110 3.7.1 执行元件分类 110 3.7.2 执行元件基本要求 111 3.7.3 电磁执行元件 111 3.7.4 液压执行元件 112 3.7.5 气动执行元件 112 3.7.6 压电式执行元件 113 3.7.7 磁致伸缩式执行元件 115 习题与思考题 117 第4章 检测技术与信号处理 119 4.1 检测单元的组成 119 4.1.1 传感器的组成与基本特性 121 4.1.2 传感器的分类与选用 122 4.2 常用的检测传感器 123 4.2.1 位置传感器 123 4.2.2 位移传感器 125 4.2.3 速度传感器 127 4.2.4 压力传感器 128 4.2.5 流量传感器 130 4.2.6 温度传感器 131 4.3 传感器接口 133 4.3.1 开关量接口 133 4.3.2 模拟量接口 134 4.3.3 数字量接口 138 4.4 传感器信号处理 141 4.4.1 信号放大 141 4.4.2 滤波处理 144 4.4.3 调制与解调 146 4.4.4 非线性补偿处理 148 习题与思考题 150 第5章 控制系统设计与控制技术 151 5.1 控制系统的组成与分类 151 5.1.1 控制系统的组成 151 5.1.2 控制系统的分类 152 5.2 基于单片机的控制系统设计 155 5.2.1 单片机控制系统特点 155 5.2.2 典型单片机介绍 156 5.2.3 单片机控制系统设计 157 5.3 基于PLC的控制系统设计 159 5.3.1 PLC控制特点 159 5.3.2 典型PLC介绍 160 5.3.3 PLC控制系统设计 163 5.4 基于总线式工控机的 控制系统设计 170 5.4.1 总线式工控机的组成与特点 170 5.4.2 IPC总线及接口 172 5.4.3 总线式工控机控制系统设计 173 5.4.4 运动控制卡 177 5.4.5 数据采集卡 178 5.5 机电一体化系统的控制技术 179 5.5.1 PID控制 179 5.5.2 模糊控制 183 5.5.3 人工神经网络控制 186 5.5.4 专家系统 188 习题与思考题 192 第6章 机电一体化系统建模 193 6.1 机电一体化系统建模方法 193 6.1.1 建模基本步骤 193 6.1.2 建模基本方法 194 6.2 机械系统模型 195 6.2.1 运动学模型 195 6.2.2 动力学模型 199 6.3 电路系统模型 207 6.3.1 基本定理 207 6.3.2 基本电路 208 6.3.3 伺服电动机 211 6.4 液压与气压系统模型 214 6.4.1 阀控液压缸 214 6.4.2 阀控液压马达 217 6.4.3 泵控液压马达 221 6.4.4 阀控气缸 223 6.4.5 电液伺服阀 224 6.5 机电一体化系统建模实例 228 6.5.1 数控机床进给机构建模 228 6.5.2 机床伺服驱动系统建模 234 习题与思考题 239 第7章 机电一体化系统设计方法 241 7.1 设计方法及设计类型 241 7.1.1 设计方法 241 7.1.2 设计类型 242 7.2 机电一体化系统开发流程 242 7.2.1 流程概述 242 7.2.2 准备阶段 244 7.2.3 设计阶段 245 7.2.4 实施阶段 247 7.2.5 测试阶段 247 7.2.6 定型阶段 248 7.3 优化设计 248 7.3.1 优化设计的概念 248 7.3.2 优化设计的应用 249 7.3.3 优化方法 249 7.3.4 应用举例 250 7.4 有限元方法 255 7.4.1 基本思想 255 7.4.2 有限元方法应用 255 7.4.3 求解步骤 256 7.4.4 应用举例 257 7.5 可靠性设计 258 7.5.1 可靠性概念 258 7.5.2 度量指标 259 7.5.3 可靠性设计内容 260 7.5.4 可靠性设计方法 261 7.5.5 应用举例 263 7.6 抗干扰设计 265 7.6.1 干扰源 266 7.6.2 供电干扰抑制 267 7.6.3 电磁干扰抑制 270 7.6.4 过程通道干扰抑制 271 7.6.5 接地技术 273 7.7 接口设计 276 7.7.1 接口作用 276 7.7.2 数字量接口设计 277 7.7.3 模拟量接口设计 279 7.7.4 功率接口设计 282 7.7.5 通信接口设计 284 7.8 机电一体化系统集成 288 7.8.1 系统集成要求 288 7.8.2 系统集成方式 288 习题与思考题 293 第8章 设计工具及应用 295 8.1 机械计算机辅助设计软件 295 8.1.1 概述 295 8.1.2 UG NX软件 296 8.1.3 CATIA软件 297 8.1.4 Pro/Engineer软件 299 8.1.5 Solidworks软件 300 8.2 运动学与动力学分析工具及应用 302 8.2.1 Adams软件 302 8.2.2 Simpack软件 304 8.3 综合性分析工具及应用 305 8.3.1 ANSYS Workbench软件 305 8.3.2 Patran & Nastran软件 307 8.3.3 MATLAB 软件 309 8.4 控制系统设计工具及应用 311 8.4.1 电气控制系统设计工具 311 8.4.2 电路设计工具 314 8.4.3 PLC控制系统开发工具 317 8.4.4 单片机控制系统开发工具 321 8.4.5 总线式工控机控制系统开发工具 323 习题与思考题 326 参考文献 328