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第1章 绪论 1

1.1 机电一体化系统 1

1.1.1 机电一体化概念的产生 1

1.1.2 机电一体化系统的组成 3

1.1.3 机电一体化系统的相关技术 4

1.1.4 机电一体化技术与其他相关技术的区别 6

1.1.5 机电一体化技术的特点 7

1.2 机电一体化系统的设计 8

1.2.1 机电一体化产品的分类 8

1.2.2 机电一体化系统（产品）设计的类型 9

1.2.3 机电一体化系统（产品）设计的常用方法 9

1.2.4 机电一体化系统设计的程序与途径 10

1.3 机电一体化技术的发展 11

1.3.1 机电一体化技术的发展历程 11

1.3.2 机电一体化技术的发展趋势 13

1.4 机电一体化技术的具体应用实例 15

1.4.1 机电一体化技术在机电产品中的应用 15

1.4.2 机电一体化技术在机械制造中的应用 16

思考与练习题 18

第2章 机电一体化系统中的机械传动 19

2.1 概述 20

2.1.1 传动系统的概念与任务 20

2.1.2 伺服机械传动系统的指标 20

2.1.3 伺服机械传动系统的传动特性 20

2.2 齿轮传动副的设计 29

2.2.1 齿轮传动装置的设计内容 29

2.2.2 齿轮传动副间隙的消除 35

2.3 三种精密传动机构 38

2.3.1 谐波齿轮传动 38

2.3.2 滚珠花键传动 41

2.3.3 同步齿形带传动 42

2.4 滚珠丝杠副传动 45

2.4.1 滚珠丝杠副的工作原理 45

2.4.2 滚珠丝杠副的结构与调整 46

2.4.3 滚珠丝杠副的选型与计算 51

2.4.4 滚珠丝杠副的结构参数与标注 58

2.5 联轴器 62

2.5.1 一般联轴器 62

2.5.2 锥环无键联轴器 63

2.5.3 膜片弹性联轴器 65

2.5.4 安全联轴器 66

2.6 导轨 67

2.6.1 导轨概述 67

2.6.2 导轨的类型和特点 68

2.6.3 贴塑滑动导轨 70

2.6.4 滚动直线导轨 75

2.7 进给传动系统的误差与动态特性分析 81

2.7.1 进给传动系统的误差分析 81

2.7.2 进给传动系统的动态特性分析 82

2.8项目一：卧式车床数控化改造进给传动机械系统设计 85

2.8.1 概述 85

2.8.2 设计参数 86

2.8.3 实施方案 86

2.8.4 横向进给传动链的设计计算 88

2.8.5 滚珠丝杠副的承载能力校验 89

2.8.6 计算机械传动系统的刚度 91

2.8.7 驱动电动机的选型与计算 91

2.8.8 机械传动系统的动态分析 94

2.8.9 机械传动系统的误差计算与分析 94

2.8.10 确定滚珠丝杠副的精度等级和规格型号 95

思考与练习题 95

第3章 机电一体化控制系统的组成与接口 97

3.1 控制系统的设计思路 97

3.1.1 专用与通用、硬件与软件的抉择与权衡 97

3.1.2 控制系统的一般设计思路 98

3.2 控制系统中的微型计算机 102

3.2.1 微型计算机概述 102

3.2.2 微型计算机在机电一体化系统中的核心地位 105

3.3 基于单片机的控制系统设计 108

3.3.1 单片机控制系统的结构形式 108

3.3.2 单片机控制系统的设计要点 111

3.3.3 单片机芯片的选择与系统扩展 112

3.3.4 前向通道接口 116

3.3.5 后向通道接口 123

3.4 执行元件的功率驱动接口 133

3.4.1 功率驱动接口的分类 133

3.4.2 功率驱动接口的一般组成形式 134

3.4.3 功率驱动接口的设计要点 134

3.4.4 功率驱动接口实例 135

3.5 项目二：XY工作台单片机控制系统设计 138

3.5.1 XY工作台的基本原理 138

3.5.2 存储系统扩展设计 139

3.5.3 键盘显示器接口设计 142

3.5.4 步进电动机接口设计 143

思考与练习题 146

第4章 传感器信号处理及其与微机的接口 147

4.1 传感器前级信号的放大与隔离 147

4.1.1 运算放大器 147

4.1.2 测量放大器 148

4.1.3 程控测量放大器 150

4.1.4 隔离放大器 152

4.2 电压／电流转换 153

4.2.1 电压（0～5V）／电流（0～10mA）转换 154

4.2.2 电压（1～5V）／电流（4～20mA）转换 155

4.2.3 电流（0～10mA）／电压（0～5V）转换 155

4.2.4 电流（4～20mA）／电压（1～5V）转换 156

4.2.5 集成电压／电流转换电路 156

4.3 多通道模拟信号输入 157

4.3.1 多路开关 157

4.3.2 常用多路开关 158

4.3.3 集成模拟多路开关 159

4.4 传感器信号的采样／保持 162

4.4.1 采样／保持原理 162

4.4.2 集成采样／保持器 163

4.5 传感器与微机的接口 164

4.6 传感器的非线性补偿 166

4.6.1 非线性补偿环节特性的获取方法 166

4.6.2 非线性补偿环节的实现办法 167

4.7 传感器的干扰抑制与数字滤波 171

4.7.1 中值滤波 172

4.7.2 算术平均滤波 173

4.7.3 滑动平均滤波 174

4.7.4 低通滤波 175

4.7.5 防脉冲干扰平均值法 177

4.8 项目三：数据采集系统设计 179

4.8.1 模拟输入通道的组成 179

4.8.2 设计示例 180

思考与练习题 181

第5章 机电一体化中的伺服系统 182

5.1 概述 182

5.2 步进电动机驱动及控制 183

5.2.1 步进电动机 183

5.2.2 步进电动机的性能指标 186

5.2.3 步进电动机的选用 188

5.2.4 步进电动机的脉冲驱动电源 190

5.2.5 步进电机与微机的接口 195

5.3 项目四：步进电动机的环形分配系统 197

5.3.1 步进电动机的硬件环形分配系统 197

5.3.2 步进电动机的软件环形分配系统 198

5.3.3 提高开环进给伺服系统精度的措施 201

5.4 直流伺服驱动系统 203

5.4.1 直流伺服电动机 203

5.4.2 晶闸管直流伺服驱动装置 206

5.4.3 直流脉宽调制伺服驱动装置 210

5.5 交流伺服驱动系统 214

5.5.1 交流伺服电动机 214

5.5.2 交流异步电动机伺服驱动装置 215

思考与练习题 221

第6章 机电一体化项目教学案例 223

6.1 数控加工中心刀具换刀系统的设计 223

6.2 控制系统的设计药物配制 226

6.3 汽车尾灯控制设计 229

6.4 交通信号灯控制系统的设计 230

6.5 四中断彩色广告灯控制系统的设计 232

参考文献 236