1 机电一体化概述 1
1.1 机电一体化概念 1
1.1.1 机电一体化的基本概念 1
1.1.2 机电一体化技术的发展 1
1.1.3 机电一体化系统的构成 6
1.1.4 机电一体化的意义 6
1.2 机电一体化技术的分类 7
1.2.1 机电一体化技术分类概述 7
1.2.2 机械制造过程的机电一体化 8
1.2.3 机电产品的机电一体化 10
1.3 机电一体化的相关技术 10
1.3.1 机械技术 11
1.3.2 传感技术 11
1.3.3 信息处理技术 11
1.3.4 接口技术 11
1.3.5 伺服驱动技术 12
1.3.6 系统总体技术 12
1.4 机电一体化设计方法 12
1.4.1 模块化设计方法 13
1.4.2 柔性化设计方法 13
1.4.3 取代设计方法 13
1.4.4 融合设计方法 14
1.4.5 优化设计方法 14
思考题与习题 15
2 工业控制计算机 16
2.1 工业控制计算机的种类与选择 16
2.1.1 工业控制计算机概述 16
2.1.2 工业控制计算机的分类 17
2.1.3 工业控制计算机的选择 19
2.2 工业控制计算机的总线 20
2.2.1 STD总线 21
2.2.2 IBM PC总线和AT总线 22
2.2.3 PCI总线 22
2.2.4 USB总线 24
2.2.5 现场总线 24
2.3 工业PC机 28
2.3.1 工业PC机的组成和特点 28
2.3.2 工业PC机常用I/O模板及选择 32
2.3.3 工业PC机在机电一体化产品中的应用 38
思考题与习题 44
3 可编程序控制器PLC 45
3.1 可编程序控制器PLC概述 45
3.1.1 可编程序控制器的发展与定义 45
3.1.2 可编程序控制器的特点和应用 45
3.1.3 可编程序控制器的基本类型 48
3.1.4 可编程序控制器的发展趋势 49
3.2 可编程序控制器的基本组成和工作原理 50
3.2.1 可编程序控制器的基本组成 51
3.2.2 可编程序控制器的工作原理 54
3.2.3 可编程序控制器的编程语言 57
3.3 三菱FX2N系列可编程序控制器及其指令系统 61
3.3.1 FX2N系列可编程序控制器概述 61
3.3.2 FX2N系列可编程序控制器的基本逻辑指令 75
3.3.3 FX2N系列可编程序控制器的功能指令 83
3.4 常用基本环节编程 100
3.4.1 延时断开电路 101
3.4.2 双延时电路 101
3.4.3 分频电路 102
3.4.4 不同占空比的多谐振荡电路 103
3.4.5 报警电路 103
3.4.6 比较电路 103
3.4.7 保持电路 105
3.4.8 两个输入信号的优先电路 105
3.4.9 多个输入信号的优先电路 105
3.5 可编程序控制器系统设计的内容和步骤 107
3.5.1 PLC系统设计的内容和步骤 107
3.5.2 PLC系统的硬件配置 109
3.5.3 PLC的软件系统 113
3.5.4 PLC的应用实例——半自动液压车床 118
思考题与习题 121
4 基于单片机的微控制器及其设计 123
4.1 MCS-51单片机的硬件结构 123
4.1.1 MCS-51的微处理器 124
4.1.2 MCS-51的存储器 125
4.1.3 MCS-51的并行口和串行口 126
4.1.4 MCS-51的定时器 127
4.1.5 MCS-51的中断系统及其控制 128
4.1.6 单片机硬件结构的新进展 129
4.2 MCS-51的寻址方式 130
4.3 MCS-51的指令系统 132
4.3.1 数据传送指令 132
4.3.2 算术运算指令 134
4.3.3 逻辑运算指令、移位指令和空操作指令 136
4.3.4 控制转移指令 138
4.3.5 布尔变量操作指令 140
4.4 微控制器硬件系统的设计与开发 141
4.4.1 MCS-51单片机存储器的扩展 141
4.4.2 单片机常用并行接口电路 147
4.4.3 单片机的人机接口设计 159
4.4.4 D/A转换器及其接口电路 169
4.4.5 A/D转换器及其接口电路 173
4.4.6 MCS-51单片机与外围电路的匹配技术 179
4.4.7 单片机的编程语言 181
4.4.8 基于单片机的微控制器开发步骤 182
4.5 嵌入式系统简介 183
4.5.1 嵌入式系统的特点与应用 183
4.5.2 单片机与嵌入式系统 184
4.5.3 嵌入式系统软件技术 184
4.5.4 实时多任务操作系统 185
4.5.5 嵌入式系统的发展动向 187
思考题与习题 187
5 机电一体化产品中的传感器 190
5.1 传感器概述 190
5.1.1 传感器的概念 190
5.1.2 传感器的特性和技术指标 191
5.2 机电一体化中常用传感器 192
5.2.1 位置传感器 192
5.2.2 位移、角度、距离测量传感器 193
5.2.3 速度和加速度测量传感器 196
5.2.4 力和力矩测量传感器 198
5.2.5 视觉传感器 200
5.3 传感器与计算机的接口设计 202
5.3.1 输入放大器 203
5.3.2 V/I、I/V转换电路 204
5.3.3 采样/保持电路 204
5.3.4 模拟多路开关 205
5.3.5 传感器与微机的连接 206
5.4 智能传感器 207
5.4.1 智能传感器的含义 207
5.4.2 智能网络化传感器及其系统的结构 207
思考题与习题 208
6 常用驱动器及其控制 209
6.1 步进电动机开环位置控制系统 209
6.1.1 步进电动机的工作原理 209
6.1.2 步进电动机的主要特性 211
6.1.3 步进电动机的结构类型 213
6.1.4 步进电动机的环行分配器 213
6.1.5 功率放大器 216
6.1.6 步进电动机的单片机控制 218
6.2 直流电动机的调速 220
6.2.1 直流电动机的机械特性和调速指标 220
6.2.2 相控变流的直流电动机调速系统 224
6.2.3 直流斩波传动 228
6.2.4 晶体管脉宽调速控制系统 232
6.2.5 直流电动机闭环控制系统 236
6.2.6 直流电动机调速微机控制系统 239
6.3 交流电动机速度控制 240
6.3.1 交流电动机分类 240
6.3.2 交流电动机的机械特性 241
6.3.3 交流电动机的传统调速方式 243
6.3.4 交流电动机的变频调速与变频器 245
6.3.5 SPWM波调制 248
6.3.6 交流电动机控制方式 250
6.3.7 交流电动机的矢量控制 251
思考题与习题 257
7 常用的传动部件与执行机构 258
7.1 精密齿轮传动 258
7.1.1 齿轮传动分类及选用 259
7.1.2 齿轮传动形式及其传动比的最佳匹配选择 260
7.1.3 齿轮传动间隙的调整方法 261
7.1.4 谐波齿轮传动 263
7.2 滚珠丝杠螺母副 264
7.2.1 滚珠丝杠螺母副的传动原理 264
7.2.2 滚珠丝杠副的精度等级及标注方法 268
7.3 挠性传动 268
7.3.1 平形带传动 268
7.3.2 绳传动 269
7.3.3 链传动 269
7.3.4 同步齿型带传动 270
7.4 常用执行机构 271
7.4.1 连杆机构 271
7.4.2 凸轮机构 272
7.4.3 间歇机构 272
7.4.4 机器人的典型机构 276
思考题与习题 279
8 机电一体化系统的控制策略 280
8.1 传统控制策略 280
8.1.1 PID（比例-积分-微分）控制 280
8.1.2 串级控制 281
8.1.3 纯滞后对象的控制 281
8.1.4 解耦控制 283
8.2 现代控制策略 285
8.2.1 自适应控制 285
8.2.2 变结构控制 286
8.2.3 鲁棒控制 287
8.2.4 预测控制 287
8.3 智能控制策略 288
8.3.1 模糊控制 288
8.3.2 专家控制 289
8.3.3 神经网络控制 290
8.3.4 遗传算法 291
8.4 控制策略的渗透和结合 292
8.4.1 几种常用的控制策略 292
8.4.2 控制策略渗透和结合的特点 294
8.5 模糊控制系统设计 295
思考题与习题 298
9 机电一体化设计实例 299
9.1 柔索驱动并联机器人设计 299
9.1.1 柔索驱动并联机器人机构组成及位置分析 299
9.1.2 运动影响系数及运动学分析 303
9.1.3 力学分析 307
9.1.4 工作空间分析 310
9.1.5 轨迹规划 310
9.1.6 系统构成及驱动控制 318
9.1.7 机器人语言 321
9.2 基于MCS-51单片机的振动定量给料机控制系统设计实例 324
9.2.1 MCS-51单片机控制系统的设计方法 325
9.2.2 电磁振动定量给料控制系统 327
9.2.3 电磁振动定量给料控制系统的方案确定 330
9.2.4 系统硬件设计 331
9.2.5 系统软件设计 340
参考文献 359