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第1篇 总论1

1.现代机械与现代机械组成1

1.1传统机械与现代机械1

1.2现代机械系统的构成1

1.2.1机械本体2

1.2.2动力部分2

1.2.3检测传感装置2

1.2.4控制及信息处理装置2

1.2.5执行机构3

1.3现代机械系统的主要特征3

1.3.1功能增加柔性提高3

1.3.2结构简化改善性能3

1.3.3效率提高成本降低4

1.4现代机械的功能要求5

2.现代机械系统的关键技术6

2.1机械技术与精密机械技术6

2.2检测传感技术9

2.3自动控制及伺服系统技术10

2.4系统总体技术12

2.4.1系统设计12

2.4.2系统调试12

2.4.3系统评价13

3.现代机械系统总体设计概述14

3.1总体设计主要内容14

3.1.1分析技术资料，明确设计方向14

3.1.2综合实际需要，确定功能指标14

3.1.3分解系统功能，拟定总体方案15

3.1.4认真评价复查，确保方案可行15

3.2现代机械系统的设计类型与设计步骤16

4.现代机械系统设计中几个应注意的问题19

4.1现代机械系统设计的两个特点19

4.1.1等效性19

4.1.2互补性19

4.2系统性能指标对总体方案的影响20

4.3性能指标分配21

第2篇 驱动和执行装置24

5.电力驱动24

5.1回转运动型电力驱动元件24

5.1.1步进电动机24

5.1.2直流伺服电动机29

5.1.3交流伺服电动机31

5.2直线运动型电力驱动元件32

5.2.1直线步进电动机32

6液压驱动34

6.1液压泵34

6.2液压马达和液压缸35

6.2.1液压马达36

6.2.2液压缸38

6.3伺服阀的结构与特性39

6.3.1喷嘴挡板式伺服阀39

6.3.2射流管式伺服阀40

6.3.3偏转板射流式伺服阀40

6.3.4动圈式伺服阀40

6.3.5三级电液流量伺服阀41

6.3.6电液压力伺服阀42

6.4电液步进马达的工作特性43

6.5液压伺服马达的运动特性44

6.5.1喷嘴挡板式液压伺服马达44

6.5.2射流管式液压伺服马达45

6.5.3滑阀式液压伺服马达46

7.气动驱动48

7.1气动系统简介48

7.2气动执行器49

7.2.1气缸49

7.2.2气马达51

7.3气阀51

7.4气动驱动器的位置控制54

7.5气动逻辑控制55

7.6气动伺服控制58

8.运动传动机构和系统60

8.1机械传动机构60

8.1.1齿轮传动60

8.1.2丝杠传动61

8.1.3皮带传动和链传动64

8.1.4连杆传动和凸轮传动74

8.2液压传动系统77

8.3气动传动系统78

9.减速器82

9.1渐开线圆柱齿轮减速器82

9.2圆柱蜗杆减速器84

9.3行星齿轮减速器87

9.3.1NGW-L型行星齿轮减速器87

9.3.2其他行星齿轮减速器89

9.3.3球减速器90

9.4谐波减速器91

9.4.1XB型谐波齿轮减速器91

9.4.2谐波齿轮设计93

9.5特殊齿形减速器95

9.5.1摆线针轮减速器95

9.5.2圆弧圆柱蜗杆减速器96

9.5.3RV减速器98

9.5.4摆杆减速器99

9.6无级变速器99

10.机电系统中的执行机构102

10.1概述102

10.1.1执行机构的功能102

10.1.2执行机构的设计要求102

10.1.3执行系统的设计步骤103

10.2常见的机械机构的主要性能与特点104

10.3微动机构109

第3篇 传感器技术112

11.概论112

11.1现代机械设计对传感器的基本要求112

11.2传感器的组成与一般特性113

11.2.1传感器的组成113

11.2.2传感器的一般特性114

11.3传感器的应用与发展趋势118

11.3.1传感器的应用118

11.3.2传感器的发展趋势118

12.开关量及接近传感器120

12.1光电传感器120

12.1.1对射型光电传感器120

12.1.2反射板型光电传感器121

12.1.3反射型光电传感器121

12.1.4带光纤的光电传感器122

12.2接近开关用电感、电容式传感器122

12.2.1电感式传感器122

12.2.2电容式传感器124

12.3涡流式传感器126

12.4磁式接近传感器127

12.5霍尔传感器129

13.位移传感器131

13.1光栅式传感器131

13.1.1光栅式传感器的类型131

13.1.2光栅式传感器的结构和原理133

13.2光电编码器139

13.3旋转变压器及感应同步器140

13.3.1旋转变压器140

13.3.2感应同步器141

13.4光纤位移传感器145

13.4.1传输型光纤位移传感器145

13.4.2干涉型光纤位移传感器146

14.速度、加速度传感器147

14.1测速发电机147

14.1.1直流测速发电机147

14.1.2交流测速发电机148

14.2霍尔速度传感器148

14.3磁电式速度传感器149

14.4线加速度传感器150

14.4.1压电式加速度传感器150

14.4.2压阻式加速度传感器151

14.4.3金属挠性加速度传感器152

14.4.4石英挠性加速度传感器152

14.4.5光纤加速度传感器153

15.力和力矩传感器156

15.1力传感器156

15.1.1应变式力传感器156

15.1.2膜片式压力传感器157

15.1.3电感式压力传感器157

15.1.4电容式压力传感器157

15.1.5压电式力和压力传感器158

15.1.6压阻式压力传感器160

15.1.7霍尔压力传感器160

15.1.8石英谐振式压力传感器160

15.1.9磁致伸缩式压力传感器160

15.1.10声表面波（SAW）压力传感器161

15.2力矩传感器161

15.2.1电阻应变式力矩仪162

15.2.2磁电式力矩仪162

15.2.3压磁式力矩仪163

15.3力与力矩复合传感器164

16.其他传感器166

16.1触觉传感器166

16.1.1压阻式集成触觉传感器阵列167

16.1.2压电式集成触觉传感器阵列167

16.1.3电容式集成触觉传感器阵列167

16.1.4转动动态触觉传感器168

16.1.5柔性匹配触觉传感器168

16.2图像和色彩传感器168

16.2.1电荷耦合器件（CCD）图像传感器169

16.2.2电荷注入器件（CID）图像传感器170

16.2.3光纤图像传感器170

16.2.4超导图像传感器171

16.2.5半导体色彩传感器171

16.2.6非晶态硅色彩传感器172

16.3温度传感器173

16.3.1热电阻173

16.3.2半导体热敏电阻174

16.3.3热电偶175

16.3.4晶体管PN结温度传感器176

16.3.5热释电型红外线传感器176

16.3.6声表面波（SAW）温度传感器177

16.3.7光现象型温度传感器177

16.4模糊传感器178

17.信号处理接口电路180

17.1数据放大接口180

17.1.1仪表放大器180

17.1.2程控增益放大器183

17.1.3电桥放大器186

17.1.4隔离放大器187

17.1.5电荷放大器190

17.2数据转换接口191

17.2.1A/D和D/A转换器191

17.2.2V/F转换器195

17.2.3F/V转换器196

17.2.4I/V电流-电压转换器198

17.2.5V/I电压-电流转换器199

17.2.6有效值转换器200

17.3数据调理接口202

17.3.1有源滤波器202

17.3.2调制与解调204

17.3.3抗干扰技术207

18.智能传感器210

18.1智能传感器的定义、特点和构成210

18.2智能传感器输出信号的预处理和数据采集211

18.2.1开关信号的预处理211

18.2.2模拟信号的预处理211

18.2.3数据采集213

18.3传感器的智能化213

18.3.1智能传感器的控制213

18.3.2智能传感器的数据处理215

18.3.3智能传感器的数据传输216

18.4智能传感器的应用216

18.4.1智能压力传感器216

18.4.2智能差压-压力传感器217

18.4.3智能温度传感器218

18.4.4智能超声波流量传感器218

18.5智能传感器的发展趋势219

第4篇 控制技术221

19.开关量电器控制技术221

19.1引言221

19.2开关量电器控制系统的基本结构221

19.3开关量电器控制的基本电路223

19.3.1点动、启动和停车223

19.3.2可逆控制223

19.3.3联锁与互锁控制225

19.4开关量电器控制系统设计225

19.4.1设计的基本要求与原则225

19.4.2设计方法225

19.4.3设计中应注意的几个问题228

20.开关量计算机控制系统231

20.1开关量计算机控制系统的组成与功能231

20.2PLC控制程序设计235

20.3PLC控制系统设计240

20.4PLC控制系统应用举例243

21.连续量控制技术249

21.1伺服系统概述249

21.1.1开环伺服系统249

21.1.2闭环伺服系统250

21.2速度控制伺服系统250

21.2.1直流电动机速度控制251

21.2.2交流电动机速度控制255

21.3位置伺服控制系统260

21.3.1步进电动机驱动位置控制260

21.3.2相位位置伺服控制系统262

21.3.3幅值位置伺服系统263

21.3.4数字脉冲比较伺服系统263

22.数字控制技术266

22.1数控系统的原理及组成266

22.2数控装置的功能与结构267

22.2.1数控装置的功能267

22.2.2CNC装置的硬件结构268

22.2.3CNC系统的软件结构272

22.3数控系统的程序编制275

22.3.1概述275

22.3.2手工程序编制276

22.3.3自动程序编制278

22.4数控系统的插补原理280

22.4.1数据采样插补原理280

22.4.2时间分割数据采样插补281

22.4.3扩展DDA数据采样插补283

第5篇 现代机械系统设计综合286

23.开环伺服系统设计286

23.1系统方案设计286

23.2机械系统设计287

23.2.1确定脉冲当量，初选步进电动机287

23.2.2计算减速器的传动比288

23.2.3计算系统转动惯量289

23.2.4确定步进电动机动力参数290

23.2.5验算惯量匹配291

23.3控制系统设计292

23.3.1控制系统总体考虑292

23.3.2系统的硬件设计293

23.3.3系统软件设计294

24.闭环伺服系统设计296

24.1系统方案设计296

24.1.1控制方案确定296

24.1.2执行元件的选择296

24.1.3检测反馈元件的选择297

24.1.4机械系统与控制系统方案的确定297

24.2系统性能分析297

24.3系统参数设计298

24.4系统校正300

25.伺服系统中的非线性因素考虑302

25.1饱和特性与死区特性的影响302

25.2间隙特性的影响303

25.3摩擦特性的影响305

25.4结构弹性变形的影响307

26.“精密1号”装配机器人系统设计311

26.1概述311

26.2“精密1号”机器人系统总体设计方案311

26.2.1系统总体功能311

26.2.2总体结构及本体结构分析311

26.2.3主要技术性能312

26.3主要分系统设计314

26.3.1机械本体设计314

26.3.2控制系统设计317

26.3.3电动机及其功率驱动分系统323

26.3.4视觉分系统328

26.3.5六维力传感器分系统333

26.4小结335