机械设计手册 第六版 第五卷 机电一体化与控制技术 闻邦椿 主编

机械设计手册 第6版 第5卷 作者： 闻邦椿 著 出版时间：2018 内容简介 本版手册是在前5版手册的基础上吸收并总结了国内外机械工程设计领域中的新标准、新材料、新工艺、新结构、新技术、新产品、新设计理论与方法，并配合我国创新驱动战略的需求撰写而成的。本版手册全面系统地介绍了常规设计、机电一体化设计、机电系统控制、现代设计与创新设计方法及其应用等内容，具有体系新颖、内容现代、凸显创新、系统全面、信息量大、实用可靠及简明便查等特点。 本版手册分为7卷55篇，内容有：机械设计基础资料、机械零部件设计（连接、紧固与传动）、机械零部件设计（轴系、支承与其他）、流体传动与控制、机电一体化与控制技术、现代设计与创新设计等。 本卷为第5卷，主要内容有：机电一体化技术及设计，机电系统控制，机器人与机器人装备，数控技术，微机电系统及设计，机械状态监测与故障诊断技术，激光及其在机械工程中的应用，电动机、电器与常用传感器等。 本版手册可供从事机械设计、制造、维修及相关工程技术人员作为工具书使用，也可供大专院校的相关专业师生使用和参考。 目 录 第24篇 机电一体化技术及设计 第1章 机电一体化概述 1 机电一体化概念 24-3 1.1 机电一体化的基本概念 24-3 1.2 机电一体化技术的发展 24-3 1.3 机电一体化系统的构成 24-4 1.4 机电一体化的意义 24-5 2 机电一体化技术的分类 24-5 2.1 机电一体化技术的分类依据 24-5 2.2 机械制造过程的机电一体化 24-6 2.3 机电产品的机电一体化 24-7 3 机电一体化的相关技术 24-7 4 机电一体化设计方法 24-8 4.1 模块化设计方法 24-8 4.2 柔性化设计方法 24-8 4.3 取代设计方法 24-8 4.4 融合设计方法 24-9 4.5 优化设计方法 24-9 4.5.1 机械技术和电子技术的综合与优化 24-9 4.5.2 硬件和软件的交叉与优化 24-9 4.5.3 机电一体化产品的整体优化 24-10 5 机电一体化系统的设计流程 24-10 第2章 基于工业控制机的控制器及其设计 1 工业控制机的种类与选择 24-12 1.1 工业控制机概述 24-12 1.2 工业控制机的分类 24-12 1.2.1 按工业控制机的总线分类 24-12 1.2.2 按工业控制机结构型式分类 24-13 1.3 工业控制机的选择 24-13 2 工业控制机的总线 24-14 2.1 总线概述 24-14 2.2 STD总线 24-14 2.3 ISA总线 24-15 2.4 PCI总线 24-16 2.5 cPCI总线 24-17 2.6 PCI-E总线 24-18 2.7 现场总线 24-20 3 工业控制机常用的功能模块 24-22 3.1 数据采集卡 24-22 3.2 远程I/O模块 24-23 3.3 通信模板 24-24 3.4 信号调理模板 24-24 3.5 运动控制器 24-25 第3章 可编程序控制器 1 可编程序控制器概述 24-28 1.1 可编程序控制器的发展概况 24-28 1.2 可编程序控制器的特点和应用 24-28 1.2.1 PLC的主要特点 24-28 1.2.2 可编程序控制器与其他工业控制系统的比较 24-29 1.2.3 PLC的应用范围 24-29 1.3 可编程序控制器的发展趋势 24-30 2 可编程序控制器的基本组成和工作原理 24-30 2.1 可编程序控制器的基本组成 24-30 2.1.1 中央处理单元（CPU） 24-31 2.1.2 存储器 24-31 2.1.3 输入/输出模块 24-32 2.1.4 编程器 24-32 2.1.5 人机界面 24-32 2.2 可编程序控制器的工作原理 24-32 2.2.1 循环扫描工作方式 24-32 2.2.2 可编程序控制器的工作过程 24-33 2.3 输入/输出接口模块 24-33 2.3.1 数字量输入、输出模块 24-33 2.3.2 模拟量输入、输出模块 24-34 2.4 智能模块 24-36 2.5 远程I/O 24-37 2.6 可编程序控制器的编程语言 24-39 2.6.1 梯形图语言 24-39 2.6.2 顺序功能图语言 24-39 2.6.3 功能块图 24-42 2.6.4 指令表 24-42 2.6.5 结构化文本 24-42 3 可编程序控制器的生产厂家及产品介绍 24-42 3.1 德国西门子（SIEMENS）公司 24-42 3.2 美国罗克韦尔公司的AB PLC 24-42 3.3 日本立石（OMRON，欧姆龙）公司 24-43 3.4 其他PLC公司 24-43 4 可编程序控制器应用系统设计的内容和步骤 24-43 4.1 PLC应用系统设计的内容和步骤 24-43 4.2 PLC应用系统的硬件设计 24-43 4.2.1 PLC的型号选择 24-43 4.2.2 I/O模块的选择 24-43 4.2.3 电源选择 24-44 4.3 PLC的应用软件设计 24-44 4.4 PLC的应用实例———自动搬运机械手 24-44 第4章 基于单片机的控制器及其设计 1 单片机的硬件结构 24-46 1.1 单片机的基本结构 24-46 1.2 单片机的微处理器 24-46 1.3 MCS-51的存储器 24-47 1.3.1 程序存储器 24-47 1.3.2 数据存储器 24-47 1.4 MCS-51的并行口和串行口 24-48 1.4.1 并行口 24-48 1.4.2 串行口 24-48 1.5 MCS-51的定时器 24-48 1.5.1 方式控制寄存器TMOD 24-48 1.5.2 定时器控制寄存器TCON 24-49 1.6 MCS-51的中断系统及其控制 24-49 2 常用单片机的厂家及产品介绍 24-50 2.1 4位单片机 24-50 2.2 8位单片机 24-50 2.3 16位单片机 24-52 2.4 32位单片机 24-52 3 单片机的编程语言 24-52 3.1 单片机编程语言的分类 24-52 3.2 MCS-51单片机指令系统 24-53 3.3 PIC单片机指令系统简介 24-54 4 控制器的硬件系统设计 24-56 4.1 单片机存储器的扩展 24-56 4.1.1 扩展程序存储器的设计 24-56 4.1.2 扩展数据存储器的设计 24-57 4.2 单片机常用并行接口电路 24-59 4.3 单片机的人机接口设计 24-61 4.3.1 单片机系统的输入装置 24-61 4.3.2 单片机系统的显示装置 24-63 4.4 D/A转换器及其接口电路 24-64 4.5 A/D转换器及其接口电路 24-65 4.6 MCS-51单片机与外围电路的匹配技术 24-67 4.6.1 集成逻辑门的负载能力 24-68 4.6.2 单片机系统常用集成电路的驱动能力 24-68 4.6.3 单片机控制系统电平匹配举例 24-68 第5章 传感器及其接口设计 1 传感器概述 24-70 1.1 传感器的概念 24-70 1.2 传感器的特性和技术指标 24-70 1.2.1 传感器的静态特性 24-70 1.2.2 传感器的动态特性 24-71 1.2.3 传感器的性能指标 24-71 2 几类传感器的主要性能及优缺点 24-72 3 机电一体化中常用传感器 24-75 3.1 电位器 24-75 3.2 光栅 24-75 3.3 编码器 24-76 3.4 测速发电机 24-76 3.5 压电加速度传感器 24-77 3.6 超声波距离传感器 24-77 4 传感器的选用原则及注意事项 24-78 5 传感器与计算机的接口设计 24-79 第6章 常用的传动部件与执行机构 1 机械传动部件及其功能要求 24-83 1.1 齿轮传动 24-84 1.1.1 齿轮传动分类及选用 24-84 1.1.2 齿轮传动形式及其传动比的最佳匹配选择 24-84 1.1.3 齿轮传动间隙的调整方法 24-86 1.1.4 谐波齿轮传动 24-87 1.2 滚珠螺旋传动 24-88 1.2.1 滚珠螺旋的传动原理 24-88 1.2.2 滚动螺旋副支承方式的选择 24-91 1.2.3 滚动螺旋副的密封与润滑 24-91 1.2.4 滚动螺旋副的选择方法 24-92 1.3 挠性传动 24-92 1.3.1 平带传动 24-92 1.3.2 绳传动 24-92 1.3.3 链传动 24-93 1.3.4 同步带传动 24-94 2 导向支承部件的结构型式选择 24-94 2.1 导轨副的组成、种类 24-94 2.2 滑动导轨 24-96 2.3 静压导轨 24-99 2.4 滚动导轨 24-101 3 旋转支承的类型与选择 24-103 3.1 旋转支承的种类及基本要求 24-103 3.2 圆柱支承 24-103 3.3 圆锥支承 24-103 3.4 填入式滚动支承 24-104 4 轴系部件的设计与选择 24-105 4.1 轴系设计的基本要求 24-105 4.2 轴（主轴）系用轴承的类型与选择 24-105 4.3 提高轴系性能的措施 24-107 5 常用执行机构 24-108 5.1 连杆机构 24-108 5.2 凸轮机构 24-108 5.3 间歇机构 24-109 第7章 常用控制用电动机及其驱动 1 对控制用电动机的基本要求 24-112 2 控制用电动机的种类、特点及选用 24-112 3 直流伺服（DC）电动机与驱动 24-113 3.1 直流电动机调速原理及调速特性 24-113 3.2 永磁直流电动机伺服系统 24-113 3.3 直流伺服电动机驱动 24-114 4 交流伺服电动机与驱动 24-116 4.1 交流异步电动机 24-116 4.1.1 工作原理 24-116 4.1.2 异步电动机的运行特性 24-117 4.1.3 性能指标 24-117 4.1.4 交流异步伺服电动机的驱动与控制 24-117 4.2 交流同步电动机 24-119 4.2.1 同步电动机工作原理 24-119 4.2.2 等效电路 24-120 4.2.3 交流同步电动机的运行特性 24-121 4.2.4 同步电动机的控制 24-121 4.3 交流伺服电动机常用电力电子器件 24-123 5 步进电动机与驱动 24-124 5.1 步进电动机分类 24-124 5.2 步进电动机工作原理 24-125 5.3 步进电动机驱动与控制 24-125 5.3.1 脉冲分配器 24-125 5.3.2 功率放大器 24-126 第8章 机电一体化设计实例 1 振幅定值控制电磁振动给料机 24-129 1.1 电磁振动给料机的工作原理 24-129 1.2 溜槽式固体流量计工作原理 24-129 1.3 对控制系统的技术要求 24-130 1.4 电磁振动定量给料控制系统的方案确定 24-130 1.4.1 CPU选择 24-130 1.4.2 输入输出接口的配置 24-130 1.4.3 键盘显示器 24-130 1.4.4 串行通信 24-130 1.4.5 系统电源 24-131 2 电子传送带配料秤 24-131 2.1 传送带配料秤的工作原理 24-131 2.2 传送带配料秤监控仪的技术要求 24-131 2.3 监控仪的硬件结构及其组成电路 24-132 2.4 系统软件设计 24-132 3 立式包装机 24-134 3.1 立式连续制袋三边封口包装机工作原理 24-134 3.2 立式包装机技术要求 24-135 3.3 传动系统及电控原理 24-135 4 电动喷砂机器人 24-137 4.1 机器人机构原理 24-137 4.2 控制系统 24-137 4.3 机器人规格参数 24-138 4.4 控制算法简介 24-138 5 XH714立式加工中心 24-139 5.1 机床简介 24-139 5.2 数控系统 24-140 5.3 伺服系统 24-141 5.4 I/O控制 24-142 5.5 电源 24-145 6 综合实例:液压挖掘机器人 24-145 6.1 全液压挖掘机器人的功能需求及开发流程 24-145 6.2 电液系统的设计与改造 24-145 6.3 基于xPC Target的控制平台 24-147 6.3.1 实时工具RTW 24-148 6.3.2 xPC Target控制平台 24-148 6.3.3 挖掘机器人挖沟目标的实现 24-149 参考文献 24-151