機械設計手冊 第六版 第五卷 機電一體化與控制技術 聞邦椿 主編

機械設計手冊 第6版 第5卷 作者： 聞邦椿 著 出版時間：2018 內容簡介 本版手冊是在前5版手冊的基礎上吸收并總結了國內外機械工程設計領域中的新標準、新材料、新工藝、新結構、新技術、新產品、新設計理論與方法，并配合我國創新驅動戰略的需求撰寫而成的。本版手冊全面系統地介紹了常規設計、機電一體化設計、機電系統控制、現代設計與創新設計方法及其應用等內容，具有體系新穎、內容現代、凸顯創新、系統全面、信息量大、實用可靠及簡明便查等特點。 本版手冊分為7卷55篇，內容有：機械設計基礎資料、機械零部件設計（連接、緊固與傳動）、機械零部件設計（軸系、支承與其他）、流體傳動與控制、機電一體化與控制技術、現代設計與創新設計等。 本卷為第5卷，主要內容有：機電一體化技術及設計，機電系統控制，機器人與機器人裝備，數控技術，微機電系統及設計，機械狀態監測與故障診斷技術，激光及其在機械工程中的應用，電動機、電器與常用傳感器等。 本版手冊可供從事機械設計、制造、維修及相關工程技術人員作為工具書使用，也可供大專院校的相關專業師生使用和參考。 目 錄 第24篇 機電一體化技術及設計 第1章 機電一體化概述 1 機電一體化概念 24-3 1.1 機電一體化的基本概念 24-3 1.2 機電一體化技術的發展 24-3 1.3 機電一體化系統的構成 24-4 1.4 機電一體化的意義 24-5 2 機電一體化技術的分類 24-5 2.1 機電一體化技術的分類依據 24-5 2.2 機械制造過程的機電一體化 24-6 2.3 機電產品的機電一體化 24-7 3 機電一體化的相關技術 24-7 4 機電一體化設計方法 24-8 4.1 模塊化設計方法 24-8 4.2 柔性化設計方法 24-8 4.3 取代設計方法 24-8 4.4 融合設計方法 24-9 4.5 優化設計方法 24-9 4.5.1 機械技術和電子技術的綜合與優化 24-9 4.5.2 硬件和軟件的交叉與優化 24-9 4.5.3 機電一體化產品的整體優化 24-10 5 機電一體化系統的設計流程 24-10 第2章 基于工業控制機的控制器及其設計 1 工業控制機的種類與選擇 24-12 1.1 工業控制機概述 24-12 1.2 工業控制機的分類 24-12 1.2.1 按工業控制機的總線分類 24-12 1.2.2 按工業控制機結構型式分類 24-13 1.3 工業控制機的選擇 24-13 2 工業控制機的總線 24-14 2.1 總線概述 24-14 2.2 STD總線 24-14 2.3 ISA總線 24-15 2.4 PCI總線 24-16 2.5 cPCI總線 24-17 2.6 PCI-E總線 24-18 2.7 現場總線 24-20 3 工業控制機常用的功能模塊 24-22 3.1 數據采集卡 24-22 3.2 遠程I/O模塊 24-23 3.3 通信模板 24-24 3.4 信號調理模板 24-24 3.5 運動控制器 24-25 第3章 可編程序控制器 1 可編程序控制器概述 24-28 1.1 可編程序控制器的發展概況 24-28 1.2 可編程序控制器的特點和應用 24-28 1.2.1 PLC的主要特點 24-28 1.2.2 可編程序控制器與其他工業控制系統的比較 24-29 1.2.3 PLC的應用范圍 24-29 1.3 可編程序控制器的發展趨勢 24-30 2 可編程序控制器的基本組成和工作原理 24-30 2.1 可編程序控制器的基本組成 24-30 2.1.1 中央處理單元（CPU） 24-31 2.1.2 存儲器 24-31 2.1.3 輸入/輸出模塊 24-32 2.1.4 編程器 24-32 2.1.5 人機界面 24-32 2.2 可編程序控制器的工作原理 24-32 2.2.1 循環掃描工作方式 24-32 2.2.2 可編程序控制器的工作過程 24-33 2.3 輸入/輸出接口模塊 24-33 2.3.1 數字量輸入、輸出模塊 24-33 2.3.2 模擬量輸入、輸出模塊 24-34 2.4 智能模塊 24-36 2.5 遠程I/O 24-37 2.6 可編程序控制器的編程語言 24-39 2.6.1 梯形圖語言 24-39 2.6.2 順序功能圖語言 24-39 2.6.3 功能塊圖 24-42 2.6.4 指令表 24-42 2.6.5 結構化文本 24-42 3 可編程序控制器的生產廠家及產品介紹 24-42 3.1 德國西門子（SIEMENS）公司 24-42 3.2 美國羅克韋爾公司的AB PLC 24-42 3.3 日本立石（OMRON，歐姆龍）公司 24-43 3.4 其他PLC公司 24-43 4 可編程序控制器應用系統設計的內容和步驟 24-43 4.1 PLC應用系統設計的內容和步驟 24-43 4.2 PLC應用系統的硬件設計 24-43 4.2.1 PLC的型號選擇 24-43 4.2.2 I/O模塊的選擇 24-43 4.2.3 電源選擇 24-44 4.3 PLC的應用軟件設計 24-44 4.4 PLC的應用實例———自動搬運機械手 24-44 第4章 基于單片機的控制器及其設計 1 單片機的硬件結構 24-46 1.1 單片機的基本結構 24-46 1.2 單片機的微處理器 24-46 1.3 MCS-51的存儲器 24-47 1.3.1 程序存儲器 24-47 1.3.2 數據存儲器 24-47 1.4 MCS-51的并行口和串行口 24-48 1.4.1 并行口 24-48 1.4.2 串行口 24-48 1.5 MCS-51的定時器 24-48 1.5.1 方式控制寄存器TMOD 24-48 1.5.2 定時器控制寄存器TCON 24-49 1.6 MCS-51的中斷系統及其控制 24-49 2 常用單片機的廠家及產品介紹 24-50 2.1 4位單片機 24-50 2.2 8位單片機 24-50 2.3 16位單片機 24-52 2.4 32位單片機 24-52 3 單片機的編程語言 24-52 3.1 單片機編程語言的分類 24-52 3.2 MCS-51單片機指令系統 24-53 3.3 PIC單片機指令系統簡介 24-54 4 控制器的硬件系統設計 24-56 4.1 單片機存儲器的擴展 24-56 4.1.1 擴展程序存儲器的設計 24-56 4.1.2 擴展數據存儲器的設計 24-57 4.2 單片機常用并行接口電路 24-59 4.3 單片機的人機接口設計 24-61 4.3.1 單片機系統的輸入裝置 24-61 4.3.2 單片機系統的顯示裝置 24-63 4.4 D/A轉換器及其接口電路 24-64 4.5 A/D轉換器及其接口電路 24-65 4.6 MCS-51單片機與外圍電路的匹配技術 24-67 4.6.1 集成邏輯門的負載能力 24-68 4.6.2 單片機系統常用集成電路的驅動能力 24-68 4.6.3 單片機控制系統電平匹配舉例 24-68 第5章 傳感器及其接口設計 1 傳感器概述 24-70 1.1 傳感器的概念 24-70 1.2 傳感器的特性和技術指標 24-70 1.2.1 傳感器的靜態特性 24-70 1.2.2 傳感器的動態特性 24-71 1.2.3 傳感器的性能指標 24-71 2 幾類傳感器的主要性能及優缺點 24-72 3 機電一體化中常用傳感器 24-75 3.1 電位器 24-75 3.2 光柵 24-75 3.3 編碼器 24-76 3.4 測速發電機 24-76 3.5 壓電加速度傳感器 24-77 3.6 超聲波距離傳感器 24-77 4 傳感器的選用原則及注意事項 24-78 5 傳感器與計算機的接口設計 24-79 第6章 常用的傳動部件與執行機構 1 機械傳動部件及其功能要求 24-83 1.1 齒輪傳動 24-84 1.1.1 齒輪傳動分類及選用 24-84 1.1.2 齒輪傳動形式及其傳動比的最佳匹配選擇 24-84 1.1.3 齒輪傳動間隙的調整方法 24-86 1.1.4 諧波齒輪傳動 24-87 1.2 滾珠螺旋傳動 24-88 1.2.1 滾珠螺旋的傳動原理 24-88 1.2.2 滾動螺旋副支承方式的選擇 24-91 1.2.3 滾動螺旋副的密封與潤滑 24-91 1.2.4 滾動螺旋副的選擇方法 24-92 1.3 撓性傳動 24-92 1.3.1 平帶傳動 24-92 1.3.2 繩傳動 24-92 1.3.3 鏈傳動 24-93 1.3.4 同步帶傳動 24-94 2 導向支承部件的結構型式選擇 24-94 2.1 導軌副的組成、種類 24-94 2.2 滑動導軌 24-96 2.3 靜壓導軌 24-99 2.4 滾動導軌 24-101 3 旋轉支承的類型與選擇 24-103 3.1 旋轉支承的種類及基本要求 24-103 3.2 圓柱支承 24-103 3.3 圓錐支承 24-103 3.4 填入式滾動支承 24-104 4 軸系部件的設計與選擇 24-105 4.1 軸系設計的基本要求 24-105 4.2 軸（主軸）系用軸承的類型與選擇 24-105 4.3 提高軸系性能的措施 24-107 5 常用執行機構 24-108 5.1 連桿機構 24-108 5.2 凸輪機構 24-108 5.3 間歇機構 24-109 第7章 常用控制用電動機及其驅動 1 對控制用電動機的基本要求 24-112 2 控制用電動機的種類、特點及選用 24-112 3 直流伺服（DC）電動機與驅動 24-113 3.1 直流電動機調速原理及調速特性 24-113 3.2 永磁直流電動機伺服系統 24-113 3.3 直流伺服電動機驅動 24-114 4 交流伺服電動機與驅動 24-116 4.1 交流異步電動機 24-116 4.1.1 工作原理 24-116 4.1.2 異步電動機的運行特性 24-117 4.1.3 性能指標 24-117 4.1.4 交流異步伺服電動機的驅動與控制 24-117 4.2 交流同步電動機 24-119 4.2.1 同步電動機工作原理 24-119 4.2.2 等效電路 24-120 4.2.3 交流同步電動機的運行特性 24-121 4.2.4 同步電動機的控制 24-121 4.3 交流伺服電動機常用電力電子器件 24-123 5 步進電動機與驅動 24-124 5.1 步進電動機分類 24-124 5.2 步進電動機工作原理 24-125 5.3 步進電動機驅動與控制 24-125 5.3.1 脈沖分配器 24-125 5.3.2 功率放大器 24-126 第8章 機電一體化設計實例 1 振幅定值控制電磁振動給料機 24-129 1.1 電磁振動給料機的工作原理 24-129 1.2 溜槽式固體流量計工作原理 24-129 1.3 對控制系統的技術要求 24-130 1.4 電磁振動定量給料控制系統的方案確定 24-130 1.4.1 CPU選擇 24-130 1.4.2 輸入輸出接口的配置 24-130 1.4.3 鍵盤顯示器 24-130 1.4.4 串行通信 24-130 1.4.5 系統電源 24-131 2 電子傳送帶配料秤 24-131 2.1 傳送帶配料秤的工作原理 24-131 2.2 傳送帶配料秤監控儀的技術要求 24-131 2.3 監控儀的硬件結構及其組成電路 24-132 2.4 系統軟件設計 24-132 3 立式包裝機 24-134 3.1 立式連續制袋三邊封口包裝機工作原理 24-134 3.2 立式包裝機技術要求 24-135 3.3 傳動系統及電控原理 24-135 4 電動噴砂機器人 24-137 4.1 機器人機構原理 24-137 4.2 控制系統 24-137 4.3 機器人規格參數 24-138 4.4 控制算法簡介 24-138 5 XH714立式加工中心 24-139 5.1 機床簡介 24-139 5.2 數控系統 24-140 5.3 伺服系統 24-141 5.4 I/O控制 24-142 5.5 電源 24-145 6 綜合實例:液壓挖掘機器人 24-145 6.1 全液壓挖掘機器人的功能需求及開發流程 24-145 6.2 電液系統的設計與改造 24-145 6.3 基于xPC Target的控制平臺 24-147 6.3.1 實時工具RTW 24-148 6.3.2 xPC Target控制平臺 24-148 6.3.3 挖掘機器人挖溝目標的實現 24-149 參考文獻 24-151