本書以機(jī)電一體化共性關(guān)鍵技術(shù)為基礎(chǔ),圍繞各種技術(shù)的融合與綜合運用構(gòu)造知識體系,力求系統(tǒng)和全面地表述機(jī)電一體化技術(shù)的精髓與工程實踐。
本書突出產(chǎn)教融合,注重讀者對機(jī)電一體化技術(shù)體系認(rèn)知、機(jī)電一體化思維及機(jī)電一體化知識結(jié)構(gòu)和能力的同步發(fā)展,可以使讀者充分了解和掌握機(jī)電一體化技術(shù)的實質(zhì)及機(jī)電一體化設(shè)計的理論和基本方法,從而能夠運用相關(guān)共性關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行機(jī)電一體化產(chǎn)品及機(jī)電一體化系統(tǒng)的分析、設(shè)計和開發(fā)。
本書既可作為高等教育的專業(yè)教材,用于系統(tǒng)地學(xué)習(xí)機(jī)電一體化技術(shù),也可作為工程技術(shù)人員在實際應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)過程中,對經(jīng)常遇到的技術(shù)規(guī)范與難點問題進(jìn)行求證和查詢的參考書。
機(jī)電一體化是微電子技術(shù)在向機(jī)械工程領(lǐng)域滲透過程中形成并發(fā)展起來的一門綜合性技術(shù)學(xué)科,承載了四次工業(yè)革命的精華。為了在當(dāng)今激烈的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)競爭中占據(jù)優(yōu)勢,世界強國紛紛將機(jī)電一體化的研究和發(fā)展作為一項重要內(nèi)容列入本國的科技戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃。我國正處于由制造大國轉(zhuǎn)向制造強國的快速發(fā)展過程中,需要大量能夠掌握高新技術(shù)的人才進(jìn)行持續(xù)的自主創(chuàng)新,不斷增強核心競爭力。
機(jī)電一體化技術(shù)最早起源于20世紀(jì)60年代,形成于20世紀(jì)70年代,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,已經(jīng)由早期的機(jī)械產(chǎn)品與電子技術(shù)的簡單組合發(fā)展成為多種技術(shù)高度融合且智能化的高新技術(shù)。機(jī)電一體化是將機(jī)械、電工、電子、信息處理、伺服驅(qū)動、傳感檢測、自動控制等技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,用系統(tǒng)工程的思想各取所長,在項目的構(gòu)思、規(guī)劃、設(shè)計等方面優(yōu)化組織現(xiàn)代工業(yè)“物質(zhì)、能量、信息”三要素,從而制造出具有多種集成功能、高性能、高可靠性并在市場中具有強競爭力的產(chǎn)品。目前,機(jī)電一體化產(chǎn)品已遍及人們?nèi)粘I詈蛧窠?jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域。機(jī)電一體化技術(shù)的靈魂在于突出多種工業(yè)科學(xué)技術(shù)的相互滲透和有機(jī)融合,從而形成某一單項技術(shù)所無法達(dá)到的優(yōu)勢,并將這種優(yōu)勢通過性能優(yōu)異的機(jī)電一體化產(chǎn)品體現(xiàn)出來,轉(zhuǎn)化成強大的生產(chǎn)力,用以提升國家核心科技競爭力。
本書以機(jī)電一體化共性關(guān)鍵技術(shù)為基礎(chǔ),圍繞各種技術(shù)的融合與綜合運用構(gòu)造知識體系,本著宜學(xué)宜教的原則設(shè)置了總論、機(jī)械本體技術(shù)、電子技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)、傳感與檢測技術(shù)、自動控制基礎(chǔ)、單片機(jī)、可編程邏輯控制器、伺服驅(qū)動技術(shù)、接口技術(shù)、系統(tǒng)總體技術(shù)、機(jī)電一體化實例各章,力求系統(tǒng)和全面地表述機(jī)電一體化技術(shù)精髓與工程實踐,以使讀者充分了解和掌握機(jī)電一體化的實質(zhì)及機(jī)電一體化設(shè)計的理論和基本方法,從而能夠綜合運用共性關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行機(jī)電一體化產(chǎn)品及機(jī)電一體化系統(tǒng)的分析、設(shè)計與開發(fā)。作為規(guī)劃教材,我們在編寫過程中著重考慮了以下幾點:一是著重體現(xiàn)機(jī)電一體化領(lǐng)域中多學(xué)科的融合與交叉,避免相關(guān)知識與技術(shù)的簡單堆砌;二是在保證內(nèi)容豐富的同時,突出側(cè)重點,以幫助讀者有針對性地閱讀與學(xué)習(xí);三是注重動手能力的培養(yǎng),通過從不同層面與不同角度介紹、講解的大量技術(shù)示例和工程實例,鍛煉并促進(jìn)實踐應(yīng)用能力的形成;四是強調(diào)機(jī)電一體化技術(shù)體系認(rèn)知、機(jī)電一體化思維以及機(jī)電一體化知識結(jié)構(gòu)和能力的同步發(fā)展。
本書自第1版面世以來,廣受認(rèn)可和好評,歷經(jīng)多次印刷,但鑒于相關(guān)技術(shù)的迅猛發(fā)展,部分內(nèi)容亟待更新,新知識亟待增加,為此啟動本版重新編撰工作,并邀請東貝機(jī)電(江蘇)有限公司工程師王俊加入編委會,以突出產(chǎn)教融合,保證內(nèi)容隨科技的發(fā)展進(jìn)步以及生產(chǎn)的實際需求而不斷更新和完善。同時,為便于本書在教學(xué)實踐中運用,編委會配套設(shè)計并搭建了在線課程平臺。該平臺采用編委及用書教師互動,集眾所長、聯(lián)建共享的新模式建設(shè)及運行,不僅可使教學(xué)過程不斷豐富和完善,還可用來與教育同行分享教學(xué)經(jīng)驗與成果,減少重復(fù)勞動,提高授課成效,并支持以共享資源為基礎(chǔ)的各類一流課程的申報。用書教師如有在線課程平臺與資源使用需求,可通過郵箱(T3D_home@hotmailcom)與編者聯(lián)系,獲取使用與維護(hù)授權(quán)。
由于水平有限,編者雖勤勉謹(jǐn)慎,書中紕漏與不當(dāng)之處仍在所難免,懇請讀者能夠理解并給予指正,也希望能借此書和聯(lián)建共享的在線課程平臺同廣大讀者就機(jī)電一體化的知識傳授和技術(shù)運用等方面進(jìn)行廣泛的交流與合作。
劉宏新,工學(xué)博士,教授,博士生導(dǎo)師,國家級一流本科課程主持人,省級慕課名師,全國十佳農(nóng)機(jī)教師。從事數(shù)字化與智能化設(shè)計、車輛工程、機(jī)械化及其自動化技術(shù)與裝備的教學(xué)和研究工作,學(xué)術(shù)兼職11項。主持國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃課題等科學(xué)研究項目10余項,獲省部級科技獎勵3項;主持卓越人才教育培養(yǎng)計劃改革試點項目、新工科研究與實踐項目,省教育廳教育科學(xué)規(guī)劃重點課題等省部級教育教學(xué)改革項目9項,獲省織教學(xué)成果獎3項;于國家級出版社出版學(xué)術(shù)專著11部、主編規(guī)劃教材9部、主審規(guī)劃教材2部,系列圖書被知名高校及社會圖書館藏4000余館次; 主持建設(shè)汽車原理與構(gòu)造、3D-CAD、DMU.CAE等一流在線開放課程。
前言
第1章總論1
11機(jī)電一體化基本概念1
111機(jī)電一體化的定義1
112機(jī)電一體化產(chǎn)品的分類2
113機(jī)電一體化技術(shù)特點3
12機(jī)電一體化發(fā)展歷程4
121發(fā)展階段劃分4
122國內(nèi)外綜述5
123技術(shù)發(fā)展趨勢7
13機(jī)電一體化系統(tǒng)組成要素8
14機(jī)電一體化共性關(guān)鍵技術(shù)10
15機(jī)電一體化技術(shù)運用流程11
151可行性研究13
152系統(tǒng)設(shè)計14
153試驗運行14
復(fù)習(xí)與思考14
第2章機(jī)械本體技術(shù)15
21概述15
22傳動機(jī)構(gòu)15
221傳動機(jī)構(gòu)的性能要求15
222絲杠螺母傳動16
223齒輪傳動21
224撓性傳動25
225間歇傳動27
23導(dǎo)向機(jī)構(gòu)28
231性能要求與分類28
232滾動直線導(dǎo)軌29
233塑料導(dǎo)軌30
234流體靜壓導(dǎo)軌31
24執(zhí)行機(jī)構(gòu)32
241執(zhí)行機(jī)構(gòu)的基本要求32
242直線電動機(jī)33
243微動執(zhí)行機(jī)構(gòu)34
244工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器36
245農(nóng)業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器39
25軸系42
251軸系的性能要求與分類42
252滾動軸承43
253流體靜壓軸承43
254磁懸浮軸承45
26機(jī)座與機(jī)架45
27機(jī)構(gòu)簡圖繪制46
復(fù)習(xí)與思考48
第3章電子技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)49
31集成運算放大器49
311基本知識49
312信號運算52
313信號濾波57
32功率放大電路63
321功率放大電路的特點與分類63
322甲類功率放大電路64
323互補推挽乙類功率放大電路66
324集成功率放大器71
33直流穩(wěn)壓電源72
331工作原理73
332串聯(lián)型穩(wěn)壓電路74
333輔助電源電路75
334串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的保護(hù)電路76
34組合與時序邏輯電路78
341組合邏輯電路的分析與設(shè)計78
342編碼器80
343譯碼器83
344加法器85
345時序邏輯電路的分析與設(shè)計86
346寄存器88
347計數(shù)器90
35脈沖波形的產(chǎn)生和整形電路90
351單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器90
352施密特觸發(fā)器93
353多諧振蕩器95
復(fù)習(xí)與思考97
第4章傳感與檢測技術(shù)99
41概述99
42傳感器的分類及特性100
421傳感器的定義與作用100
422傳感器的構(gòu)成與分類100
423傳感器特性102
424傳感器的選用原則104
43常用傳感器與傳感元件105
431電阻式、電容式與電感式傳感器105
432磁電式、壓電式與熱電式傳感器110
433光電與光纖傳感器114
434半導(dǎo)體傳感器117
44信號預(yù)處理119
441信號放大119
442調(diào)制與解調(diào)121
443濾波122
444信號采樣與保持124
45傳感器的非線性補償125
復(fù)習(xí)與思考127
第5章自動控制基礎(chǔ)128
51概述128
511控制系統(tǒng)的組成128
512控制方式及特點129
513控制系統(tǒng)的分類130
514自動控制科學(xué)發(fā)展歷程131
52控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型132
521時域數(shù)學(xué)模型133
522復(fù)數(shù)域數(shù)學(xué)模型137
523典型元件數(shù)學(xué)模型139
524機(jī)械系統(tǒng)與電系統(tǒng)的模型相似147
53結(jié)構(gòu)圖與信號流圖153
531結(jié)構(gòu)圖的組成與繪制153
532結(jié)構(gòu)圖的等效變換與簡化155
533信號流圖的組成與繪制160
534梅森增益公式164
54線性系統(tǒng)的分析167
541時域分析法167
542根軌跡法173
543頻域分析法182
復(fù)習(xí)與思考187
第6章單片機(jī)190
61單片機(jī)基本知識190
62MCS-51系列單片機(jī)硬件和原理193
621基本結(jié)構(gòu)193
622引腳及功能194
623存儲器配置195
624中斷與中斷源197
625定時/計數(shù)198
63C51語言編程基礎(chǔ)199
631C51語言特點及結(jié)構(gòu)200
632C51語言基礎(chǔ)知識200
633C51語言程序設(shè)計207
634應(yīng)用程序示例211
64應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)基本流程223
復(fù)習(xí)與思考230
第7章可編程邏輯控制器(PLC)231
71PLC基本知識231
711PLC的定義231
712工作原理231
713硬件結(jié)構(gòu)233
714輸入/輸出(I/O)模塊234
72編程語言與基本指令235
721編程語言235
722基本指令237
73狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖及編程方法241
731狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖與步進(jìn)梯形圖241
732多流程步進(jìn)順序控制242
733狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖應(yīng)用示例243
74梯形圖的C語言描述及應(yīng)用249
741常見開關(guān)邏輯的C語言描述249
742脈沖程序的C語言描述250
743定時器與計數(shù)器的C語言程序252
744順序控制的C語言描述及應(yīng)用253
復(fù)習(xí)與思考257
第8章伺服驅(qū)動技術(shù)259
81概述259
811伺服驅(qū)動的定義259
812伺服系統(tǒng)的分類260
82執(zhí)行元件262
821分類與特點262
822步進(jìn)電動機(jī)265
823直流伺服電動機(jī)270
824交流伺服電動機(jī)274
83電動機(jī)的控制與驅(qū)動275
831步進(jìn)電動機(jī)的控制與驅(qū)動275
832直流伺服電動機(jī)的控制與驅(qū)動280
833交流伺服電動機(jī)的控制與驅(qū)動284
84伺服驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計288
841系統(tǒng)設(shè)計方法與控制方式288
842調(diào)節(jié)器校正290
843單環(huán)位置伺服系統(tǒng)290
844雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)291
845三環(huán)位置伺服系統(tǒng)292
846復(fù)合控制的伺服系統(tǒng)293
85伺服驅(qū)動技術(shù)示例293
851天線控制系統(tǒng)的構(gòu)成294
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