本書根據(jù)作者多年的教學(xué)與科研工作經(jīng)驗編寫，為機械電子相關(guān)領(lǐng)域本科生、研究生以及科研工作者提供了系統(tǒng)的理論知識、完整的技術(shù)路線和豐富的應(yīng)用案例。本書主要內(nèi)容包括機電系統(tǒng)的執(zhí)行裝置結(jié)構(gòu)及原理、機電系統(tǒng)精密機械傳動技術(shù)、機電系統(tǒng)伺服驅(qū)動技術(shù)、計算機伺服控制接口技術(shù)和典型機電系統(tǒng)的工程應(yīng)用等。
本書適合在校本科生和研究生作為教材使用，同時，也適合工程技術(shù)人員進修和自學(xué)使用。
《機電系統(tǒng)設(shè)計》一書的作者在機電一體化和機器人技術(shù)方面積累了豐富的經(jīng)驗，非常希望把對機電技術(shù)的熱愛和理解傳遞給大家。書中提供了系統(tǒng)的理論知識、完整的技術(shù)路線和豐富的應(yīng)用案例。主要內(nèi)容包括機電系統(tǒng)的執(zhí)行裝置結(jié)構(gòu)及原理、機電系統(tǒng)精密機械傳動技術(shù)、機電系統(tǒng)伺服驅(qū)動技術(shù)、計算機伺服控制接口技術(shù)和典型機電系統(tǒng)的工程應(yīng)用等。
《中國制造2025》提出的新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)、高檔數(shù)控機床和機器人、航空航天裝備、海洋工程裝備及高技術(shù)船舶、先進軌道交通裝備、節(jié)能與新能源汽車、電力裝備、農(nóng)業(yè)機械裝備、新材料、生物醫(yī)藥及高性能醫(yī)療器械十大領(lǐng)域，無不依托于裝備制造業(yè)。制造業(yè)是國民經(jīng)濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基，而機械、電子、信息技術(shù)又是制造業(yè)的根本。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展極大地推動了不同學(xué)科的交叉與滲透，引起了工程領(lǐng)域的技術(shù)變革，使工業(yè)生產(chǎn)由機械化電氣化邁入機電一體化、數(shù)字化、智能化的發(fā)展新階段。
本書主要作者從20世紀90年代初就開始從事機電一體化技術(shù)的科研和教學(xué)工作，參加和主持了九五至十二五期間的863計劃相關(guān)項目，以及十三五國家重點研發(fā)計劃、國家科技重大專項04專項等多項科研項目，在機電一體化和機器人技術(shù)方面積累了豐富的經(jīng)驗，非常希望把對機電技術(shù)的熱愛和理解傳遞給大家。本書是作者根據(jù)多年的教學(xué)與科研工作經(jīng)驗，使用通俗易懂的文字編寫而成的，適合相關(guān)專業(yè)本科生和研究生作為教材使用，同時也適合工程技術(shù)人員進修和自學(xué)使用。
全書內(nèi)容共10章：第1章緒論，介紹機電一體化技術(shù)的內(nèi)涵、演化過程和未來的發(fā)展趨勢，重點介紹機電一體化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)、功能構(gòu)成原理和系統(tǒng)評價指標，圍繞著機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的要求，培養(yǎng)學(xué)生加深對機電一體化系統(tǒng)的認識和理解，從而讓學(xué)生建立起有關(guān)機電一體化系統(tǒng)的集成設(shè)計概念；第2章伺服驅(qū)動執(zhí)行裝置，主要介紹電動、液壓、氣動三種主要執(zhí)行裝置，從滿足伺服驅(qū)動的要求出發(fā)，詳細分析三類執(zhí)行裝置的結(jié)構(gòu)、原理和性能特點等知識內(nèi)容，提高學(xué)生對機電產(chǎn)品的執(zhí)行元件的理解、設(shè)計和運用能力；第3章精密機械傳動技術(shù)，通過精密機械傳動總則分析了傳動的類型和原則，詳細介紹齒輪傳動系統(tǒng)和傳動比、少齒差行星輪傳動、諧波齒輪傳動、RV減速器、滾珠螺旋傳動等傳動系統(tǒng)，以及精密直線導(dǎo)軌；第4章半導(dǎo)體變流技術(shù)，介紹晶閘管及其觸發(fā)電路的工作原理，分析常用的單相、三相可控整流電路的工作原理、基本數(shù)量關(guān)系、負載性質(zhì)對整流電路的影響；第5章伺服控制技術(shù)，從控制論觀點出發(fā)，介紹典型位置伺服系統(tǒng)的組成及工作原理，分析閉環(huán)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)特性、靜態(tài)特性；第6章傳感檢測技術(shù)，介紹傳感檢測系統(tǒng)的組成、傳感器的分類、位移檢測傳感器、速度和加速度的測量、力和力矩的測量、檢測信號的處理方法；第7章步進伺服驅(qū)動技術(shù)，介紹步進電動機的結(jié)構(gòu)、原理、特點，分析典型驅(qū)動電路的原理及設(shè)計過程；第8章直流伺服驅(qū)動技術(shù)，介紹單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)以及直流可逆調(diào)速系統(tǒng)；第9章交流伺服驅(qū)動技術(shù)，介紹交-直-交變頻器、脈寬調(diào)制控制技術(shù)和矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)等內(nèi)容，對交流調(diào)速系統(tǒng)有比較全面的闡釋；第10章計算機伺服控制接口技術(shù)及應(yīng)用，介紹計算機伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成及分類，通過典型產(chǎn)品介紹驅(qū)動器的接口技術(shù)，給出計算機控制系統(tǒng)設(shè)計的一般過程，并通過兩個工程實例來闡述計算機控制系統(tǒng)設(shè)計的方法和步驟。
全書編寫工作分工為：第1章、第2章、第7章由薛龍編寫，第3章、第8章由曹瑩瑜編寫，第4章、第5章由王偉編寫，第6章由黃軍芬編寫，第9章由黃繼強編寫，第10章由梁亞軍編寫，全書由王偉統(tǒng)稿。
本書在編寫過程中參考了大量相關(guān)的圖書資料，在此對參考文獻的作者表示感謝。碩士研究生康克、趙震璽、陸闖、劉陳華、云欣怡、張鑫、孫東升參與了全書的校稿，在此一并表示感謝。
由于編著者水平有限，書中難免有不妥之處，敬請廣大讀者和專家批評指正。
編著者
前言
第1章 緒論1
1.1 機電一體化的基本含義1
1.1.1 機電一體化的定義1
1.1.2 機電一體化的關(guān)鍵技術(shù)2
1.2 機電一體化系統(tǒng)功能構(gòu)成及評價3
1.2.1 從仿生學(xué)角度認識機電一體化五大要素3
1.2.2 機電一體化系統(tǒng)的功能構(gòu)成4
1.2.3 機電一體化系統(tǒng)的評價5
1.3 機電一體化產(chǎn)品的分類及技術(shù)特點6
1.3.1 機電一體化技術(shù)發(fā)展歷程6
1.3.2 機電一體化產(chǎn)品演化過程6
1.3.3 機電一體化技術(shù)設(shè)計原理7
1.4 機電一體化技術(shù)發(fā)展趨勢8
習(xí)題9
第2章 伺服驅(qū)動執(zhí)行裝置10
2.1 概述10
2.1.1 伺服驅(qū)動執(zhí)行裝置及其分類10
2.1.2 動力驅(qū)動裝置的特點11
2.1.3 動力驅(qū)動裝置的性能12
2.1.4 動力驅(qū)動裝置的應(yīng)用12
2.1.5 新型動力驅(qū)動裝置12
2.2 電動執(zhí)行裝置13
2.2.1 直流伺服電動機13
2.2.2 交流伺服電動機17
2.2.3 步進電動機24
2.2.4 直線電動機24
2.3 液壓執(zhí)行裝置及伺服系統(tǒng)28
2.3.1 液壓系統(tǒng)28
2.3.2 液壓缸29
2.3.3 液壓馬達29
2.3.4 液壓伺服閥的工作原理31
2.3.5 電液伺服系統(tǒng)35
2.3.6 電液比例控制39
2.4 氣動執(zhí)行裝置及伺服系統(tǒng)41
2.4.1 氣動系統(tǒng)41
2.4.2 氣馬達42
2.4.3 氣缸42
2.4.4 氣動比例/伺服控制閥45
2.4.5 電-氣比例伺服回路48
習(xí)題51
第3章 精密機械傳動技術(shù)52
3.1 精密機械傳動總則52
3.2 同步帶傳動52
3.2.1 同步帶傳動原理52
3.2.2 同步帶結(jié)構(gòu)53
3.2.3 同步帶傳動分類和傳動特點53
3.3 齒輪傳動系統(tǒng)與傳動比54
3.3.1 佳總傳動比54
3.3.2 總傳動比分配56
3.4 少齒差行星齒輪傳動60
3.4.1 少齒差行星齒輪傳動的結(jié)構(gòu)60
3.4.2 少齒差行星齒輪傳動的結(jié)構(gòu)和原理60
3.4.3 少齒差行星齒輪傳動的幾種形式及傳動特點60
3.5 諧波齒輪傳動61
3.5.1 組成和工作原理61
3.5.2 諧波齒輪傳動基本構(gòu)件的結(jié)構(gòu)和材料62
3.5.3 諧波齒輪傳動的主要特點63
3.6 RV減速器64
3.6.1 基本結(jié)構(gòu)64
3.6.2 變速原理65
3.6.3 RV減速器的主要特點68
3.7 滾珠螺旋傳動68
3.7.1 滾珠絲杠副的傳動原理68
3.7.2 滾珠螺旋傳動的典型結(jié)構(gòu)和類型69
3.7.3 滾珠螺旋傳動特點71
3.7.4 滾珠絲杠的支承結(jié)構(gòu)形式71
3.8 精密直線導(dǎo)軌73
3.8.1 直線滾珠導(dǎo)軌73
3.8.2 燕尾導(dǎo)軌75
習(xí)題76
第4章 半導(dǎo)體變流技術(shù)78
4.1 晶閘管78
4.1.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)78
4.1.2 晶閘管的工作原理79
4.2 晶閘管的觸發(fā)電路79
4.2.1 晶閘管對觸發(fā)電路的要求79
4.2.2 晶閘管的觸發(fā)電路80
4.3 單相可控整流電路82
4.3.1 單相半波可控整流電路82
4.3.2 單相橋式半控整流電路88
4.3.3 單相橋式全控整流電路92
4.4 三相可控整流電路98
4.4.1 三相半波可控整流電路98
4.4.2 三相橋式全控整流電路103
習(xí)題108
第5章 伺服控制技術(shù)110
5.1 閉環(huán)控制與開環(huán)控制110
5.1.1 開環(huán)控制系統(tǒng)110
5.1.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)111
5.1.3 開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較111
5.2 閉環(huán)伺服系統(tǒng)性能分析112
5.2.1 閉環(huán)伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述112
5.2.2 典型伺服進給系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析116
5.2.3 典型伺服進給系統(tǒng)的動態(tài)過程分析118
5.3 位置隨動系統(tǒng)分析120
5.3.1 對位置伺服系統(tǒng)的基本要求120
5.3.2 位置隨動系統(tǒng)常用的控制方式123
5.3.3 檢測信號反饋比較方式126
習(xí)題132
第6章 傳感檢測技術(shù)133
6.1 檢測的概念133
6.1.1 檢測系統(tǒng)的組成133
6.1.2 信號的傳輸與處理134
6.2 傳感器的組成和分類134
6.2.1 傳感器的組成134
6.2.2 傳感器的分類135
6.3 位移檢測傳感器135
6.3.1 電阻式位移傳感器135
6.3.2 電感式位移傳感器137
6.3.3 電容式位移傳感器137
6.3.4 光柵式位移傳感器138
6.3.5 超聲波傳感器141
6.4 速度和加速度的測量141
6.4.1 電磁式速度傳感器142
6.4.2 激光測速傳感器143
6.4.3 測速發(fā)電機143
6.4.4 利用相關(guān)法的速度傳感器144
6.4.5 壓電式加速度傳感器144
6.5 力和力矩的測量145
6.5.1 電阻應(yīng)變片145
6.5.2 壓電元件146
6.6 檢測信號的處理方法147
6.6.1 模擬信號處理147
6.6.2 數(shù)字信號處理148
6.6.3 零位誤差和增益誤差的補償150
習(xí)題150
第7章 步進伺服驅(qū)動技術(shù)151
7.1 步進電動機的結(jié)構(gòu)及工作原理151
7.1.1 反應(yīng)式步進電動機151
7.1.2 永磁式步進電動機157
7.1.3 混合式步進電動機157
7.2 步進電動機的運行特性160
7.2.1 步進電動機的靜態(tài)特性160
7.2.2 步進電動機的動態(tài)特性162
7.3 步進電動機的驅(qū)動與控制166
7.3.1 環(huán)形脈沖分配器167
7.3.2 功率放大器168
習(xí)題176
第8章 直流伺服驅(qū)動技術(shù)177
8.1 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)177
8.1.1 機電系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速控制的要求及調(diào)速指標177
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