机电一体化系统设计及实例解析

1、本书着重介绍了智能设备系统的设计方法，并选取了典型案例详细解析。2、本书内容既包括了基本的零部件介绍，也包括了智能设备系统设计所需要的控制技术等。3、实例解析全面、详细，可参考性强。 

本书详细介绍了机电一体化系统的设计方法，并选取典型案例详细解析，指导和引领读者在掌握正确设计理念和方法的基础上，通过实例学习，达到举一反三、不断创新的目的。主要内容包括：精密机械部件和执行元件设计、微机控制系统的选择、单片机控制系统设计、可编程序控制器（PLC）技术、新型天车电脑秤的设计、交流电动机电脑控制柜的设计、汽车机电一体化设计、智能机器人的机电系统设计等。本书内容翔实、图文并茂、实例选择典型、解析清晰透彻，适用于从事机电产品和机械制造装备的开发、设计、改造与研究、运行及维修等相关工作的工程技术人员使用，也可供机电产业管理、营销人员参考；对大学院校相关专业的师生也具有很高的实用价值。

第1章机电一体化系统设计概述 /
1

1.1机电一体化系统的分类和基本组成1

1.1.1机电一体化系统的分类 1

1.1.2机电一体化系统的基本组成2

1.2机电一体化的主要特征和关键技术6

1.2.1机电一体化的主要特征6

1.2.2机电一体化系统设计的理论基础与关键技术7

1.3机电一体化系统的设计类型和主要方式11

1.3.1机电一体化的设计类型11

1.3.2机电一体化系统（产品）设计的主要方式12

第2章精密机械部件和执行元件设计 / 13

2.1精密机械系统设计的要求13

2.2机械传动部件的设计与选择14

2.2.1机械传动部件及其功能要求14

2.2.2丝杠螺母传动部件15

2.2.3齿轮传动部件30

2.2.4挠性传动部件36

2.2.5间歇传动部件37

2.2.6软轴传动部件39

2.2.7锥环无键联轴器部件39

2.2.8滚珠花键传动部件40

2.3支承部件的选择与设计41

2.3.1导向支承部件的选择与设计41

2.3.2旋转支承部件的选择与设计58

2.4执行元件与电机驱动64

2.4.1执行元件的种类、特点及基本要求64

2.4.2机电一体化系统(或产品)常用的控制用电机驱动66

2.4.3交、直流伺服电机与驱动67

2.4.4步进电机及其驱动控制83

2.4.5其他电动机97

2.4.6液压与气动执行机构105

第3章微机控制系统的选择 / 118

3.1概述118

3.1.1微机控制系统特征与组成118

3.1.2微机控制系统的分类122

3.1.3微机控制的发展概况及趋势127

3.1.4微机控制的应用领域及选用要点131

3.2微机控制系统的设计与调试132

3.2.1微机控制系统设计的基本要求132

3.2.2微机控制系统设计的基本内容与步骤132

3.2.3系统调试133

3.3控制微机的选择135

3.3.1单板和单片微机的选择135

3.3.2普通PC机的选择149

3.3.3工控PC控制机的选择153

3.3.4STD总线控制微机的选择163

3.3.5可编程控制器（PLC）的选择169

3.4计算机控制系统常用的控制算法191

3.4.1数字滤波和数据处理191

3.4.2数字PID控制算法196

3.4.3施密斯(Smith)预估控制209

3.4.4模糊控制算法211

第4章单片机控制系统设计 / 218

4.1小控制系统和扩展控制系统设计218

4.1.1小控制系统设计218

4.1.2扩展控制系统设计219

4.2常用控制电路设计225

4.2.1阵列式键盘电路设计225

4.2.28253定时器电路设计229

4.2.3外部中断电路设计230

4.2.4ADC0809模/数转换电路设计232

4.2.5并行数转换串行数电路设计235

4.2.65LED静态串行显示电路设计236

第5章可编程控制器（PLC）技术 / 239

5.1PLC概述239

5.1.1PLC的特点239

5.1.2PLC的应用领域240

5.2PLC的基本结构241

5.3PLC的工作原理247

5.3.1PLC控制系统的等效电路247

5.3.2PLC的工作原理248

5.3.3PLC的扫描周期250

5.4PLC的技术性能及编程语言252

5.4.1基本技术性能252

5.4.2PLC的内存分配及I/O点数253

5.4.3PLC的编程语言254

5.5基本逻辑指令的编程规则与技巧256

5.5.1梯形图的特点256

5.5.2PLC梯形图的编程规则与技巧256

5.6PLC控制的常用编程方法260

第6章新型天车电脑秤的设计 / 278

6.1系统结构和主要功能278

6.2硬件系统设计278

6.3软件系统设计282

6.4系统设计解析282

6.4.1运算放大器的设计282

6.4.2A/D转换器与单片机的接口设计282

6.4.3单片机与8255接口设计284

6.4.4静态显示器的设计285

6.4.5控制软件设计285

第7章交流电动机电脑控制柜的设计 / 289

7.1系统组成和主要功能289

7.2硬件系统设计290

7.3软件系统设计291

7.4系统设计解析291

第8章汽车机电一体化设计 / 301

8.1汽车电子技术概述301

8.1.1现代汽车电子技术301

8.1.2汽车电子技术的应用现状与发展趋势304

8.1.3汽车电子驱动控制技术308

8.2汽车的结构设计309

8.2.1汽车行驶的基本原理309

8.2.2汽车的总体构造设计310

8.3汽车电子点火系统设计311

8.3.1构成与工作原理311

8.3.2常用类型312

8.3.3无触点汽车电子点火系统控制电路的设计313

8.3.4L497型高能无触点点火控制器电路的设计316

8.3.5汽车点火系统智能IGBT设计318

8.3.6基于BTS2146汽车智能点火系统设计322

8.4汽车发动机电子燃油喷射系统设计327

8.4.1电控燃油喷射系统组成327

8.4.2电控燃油喷射系统设计328

8.5汽车电控自动变速系统设计344

8.5.1常用传感器的选用346

8.5.2执行元件电磁阀的设计348

8.5.3多功能开关的设计354

8.6汽车电子制动防抱死系统（ABS）设计357

8.6.1汽车ABS的类型及结构358

8.6.2汽车ABS设计359

8.7汽车安全气囊系统(SRS)的设计364

8.7.1安全气囊传感器的选用365

8.7.2安全气囊SRS ECU的设计368

第9章智能机器人的机电系统设计 / 369

9.1智能机器人的基本组成和主要控制功能369

9.1.1基本组成369

9.1.2主要控制功能370

9.2智能机器人的设计方法与设计原则371

9.2.1设计原则与步骤371

9.2.2设计方法375

9.3智能机器人的机械结构设计377

9.3.1末端执行件377

9.3.2机身和臂部378

9.3.3手腕380

9.4智能机器人控制系统硬件设计380

9.5智能机器人控制系统软件设计383

9.5.1上位机系统软件任务383

9.5.2VAL-Ⅱ程序任务384

9.6全口义齿排牙机器人机电一体化系统设计387

9.6.1排牙机器人控制系统整体设计387

9.6.2基于单片机的控制电路板开发388

9.6.3步进电机驱动器的研制392

9.6.4下位机应用程序的编制397

9.7多足步行机器人的设计400

9.7.1本体设计401

9.7.2LR-1六足机器人的性能与特点407

9.8通风管道清扫机器人设计407

9.8.1方案设计407

9.8.2控制系统设计408

9.8.3机械结构设计409

参考文献 / 413

 

机电一体化是微电子技术向传统机械工业领域迅速渗透的过程中逐渐形成并发展起来的一门新兴的综合性学科。目前机电一体化技术一方面极大地提高了机电产品的性能，另一方面又极大地提高了产品生产系统的生产效率，正促使机械工业领域开始一场大规模的机电一体化技术革命。机电一体化技术正日益得到广泛应用，其产品已遍及人们日常生活和国民经济各个领域，成为现代技术、经济发展中不可缺少的一种高新技术。

机电一体化是一门实践性很强的综合性技术学科，所涉及的知识领域非常广泛。现代多种先进技术构成了机电一体化的技术基础。但机电一体化并非是这些技术的简单叠加，它的灵魂是突出强调这些技术的相互渗透和有机结合，从而形成某一单项技术所无法达到的优势，并将这种优势通过性能优异的机电一体化产品而体现出来，从而转化为强大的生产力。因此，机电一体化技术不仅仅限于向读者介绍精密机械技术、微电子技术、计算机技术等机电一体化的共性关键技术，还应在此基础上更进一步地通过专业学习及相应的工程实践，使读者真正了解和掌握机电一体化的重要实质及机电一体化设计的理论和方法，从而能够灵活地综合运用这些技术进行机电一体化产品的分析、设计与开发，达到知识能力结构的机电一体化。这些正是本书编写中所力求要达到的。

该书的编写是编者多年来从事教学研究和科研开发实践经验的概括和总结。本书由哈尔滨理工大学高安邦教授、哈尔滨理工大学胡乃文高级工程师任主编，哈尔滨信息工程学院马欣讲师、哈尔滨信托物业供热有限责任公司王兆物业分公司王冲工程师任副主编，参与编写的还有：哈尔滨锅炉集团公司高云高级工程师、哈尔滨华崴集团技术开发部罗泽艳工程师。具体分工如下：高安邦负责制定大纲、编写第1章并统稿，胡乃文编写第2章、第8章、第9章，马欣编写第3章和第4章，王冲编写第5章，高云编写第6章，罗泽艳编写第7章。本书由哈尔滨理工大学机械动力工程学院院长刘献礼教授和哈尔滨理工大学机械动力工程学院邵俊鹏教授担任主审。

此外，为本书编写提供辅助工作的有：高家宏、高鸿升、佟星、郜普艳、李梦华、谢越发、谢礼德、樊文国、孙佩芳、沈洋、冯坚、吴英旭、王海丽、陈瑾、刘曼华、黄志欣、孙定霞、尚升飞、吴多锦、唐涛、钟其恒、王启名、杨帅、薛岚、陈银燕、姜姍、刘磊、段曙彬、卫军峰、吕宝增、岳满林、关士岩、陈玉华、毕洁廷、赵冉冉、刘晓艳、王玲、姚薇、居海清、姜亚南、任胜乐、于庆有、任胜乐、孔政伟、靳丽娟、王鹏程、李建英、蒋继红、吴会琴、卢志珍、刘业亮、张守峰、丁艳玲、张月平、张广川、尹朝辉、裴立云、朱绍胜、于建明、邱少华、王宇航、马鑫、陆智华、余彬、邱一启、张纺、武婷婷、司雪美、朱颖、杨俊、周伟、陈忠、陈丹丹、杨智炜、霍如旭、张旭、宋开峰、陈晨、丁杰、姜延蒙、吴国松、朱兵、杨景、赵家伟、李玉驰、张建民、施赛健、陈一民，在此表示衷心的感谢！该书的编写得到了哈尔滨理工大学、哈尔滨信息工程学院、哈尔滨信托物业供热有限责任公司王兆物业分公司、哈尔滨锅炉集团公司、哈尔滨华崴集团等单位的大力支持，在此也表示真诚的感激之意！

鉴于编者的水平和经验所限，书中难免有不足之处，恳请读者和专家们不吝批评指正，以便今后更好地完善、充实和提高。

编者