机电一体化系统设计（高等学校应用型特色规划教材）
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
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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
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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。
《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。
《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。
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
^ 收 起
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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《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。
《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。
《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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