1、高等院校精品教材系列 机电一体化系统设计 张保成 主编 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING II内 容 简 介 本书详细地介绍了机电一体化系统的功能、构成、原理和机电一体化的共性关键技术，并系统地介绍了机电一体化系统中机械系统、伺服驱动系统、检测系统、控制系统的设计方法。最后通过典型机电一体化产品的实例，进一步阐述了机电一体化系统设计的分析与综合。全书共7章，第1章绪论；第2章机械系统设计；第3章传感检测系统选择与设计；第4章控制系统设计；第5章伺服系统选择与设计；第6章机电一体化系统机电有机结合分析与设计；第7章典型的机电一体
2、化装置。全书内容清晰、结构紧凑、实用性强。为了方便教师课堂教学和学生学习，本书配有PPT等教学资源，相关章节配有思考题。本书可作为普通高等院校机械电子工程、机械设计制造及其自动化、数控机床、汽车等相关专业的教材，也可选作相关专业高职高专、成人教育的教材，亦可供相关工程技术人员参考。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 机电一体化系统设计/张保成主编.北京：电子工业出版社，2012.9 高等院校精品教材系列 ISBN 978-7-121-17789-7.机 .张 .机电一体化系统设计高等学校教材 .TH-39 中国版本图书馆 CI
3、P 数据核字（2012）第 178087 号 策划编辑：严永刚 责任编辑：史鹏举 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871 092 1/16 印张：13.5 字数：346 千字 印 次：2012 年 9 月第 1 次印刷 定 价：29.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。III 前 言 随着机械技术、微电子技术和信息技术的飞速发展，机
4、械技术、微电子技术和信息技术间相互渗透的特征越来越突出。“机电一体化”作为新兴的交叉学科，是机械工业的重要发展方向。所谓“机电一体化”并不是机械技术、微电子技术和信息技术的简单组合，而是相互取长补短、有机结合，以实现系统构成及其性能的最佳化。“机电一体化”是通过实现系统或产品的短、小、轻、薄和智能化，从而达到节省能源、节省材料，实现多功能、高性能和高可靠性目标的根本手段。本书的最大特点是从机电有机结合的角度较系统地阐述了机电一体化系统的设计原理与设计方法，充分体现了“以机为主、以电为用、机电有机结合”的原则。作为教材，本书在论述中力求简明扼要，前后连贯；在内容安排上，以系统分析和设计为主线。考
5、虑到机电一体化专业的课程设置还在不断地改进，以及课程的系统性，本书编入了步进电机、伺服电机的工作原理等内容，因此在讲授时，可根据学生的实际情况适当删减。全书共 7 章。第 1 章为概述。第 2 章介绍机械系统的设计，包括传动机构、支承部件、数控机床的机械结构等。第 3 章介绍了传感检测系统的选择与设计，包括机电一体化系统中常用的传感器、传感检测系统的设计方法、传感器与计算机的接口技术，以及传感器在数控机床中的应用实例。第 4 章阐述了计算机控制系统的设计方法，内容涉及控制器数学模型的建立、数字控制器的模拟化和离散化设计方法，并给出了典型的计算机数控实例。第 5 章分别讨论了伺服系统中步进电机、
6、伺服电机的工作原理，阐述了电动机的驱动与控制方法。第6 章针对机电一体化系统中稳态设计和动态设计方法进行了详细的阐述。第 7 章分别介绍了喷涂机器人和汽车防抱死制动系统机电一体化装置，通过具体实例对机电一体化系统设计方法进行了综合，以达到学以致用的目的。本书配有PPT等教学资源，可登录电子工业出版社华信教育资源网（），免费注册、下载。本书是编者多年来从事教学和实践工作的概括与总结，同时又博采了目前各有关教材和著作的精华。全书由张保成教授主持编写和负责统稿，参加本书编写工作的有张保成（第 1 章）、刘璐（第 2 章）、史源源（第 3 章）、王智兴（第 4 章）、郭彦青（第 5 章）、赵鹏飞（第
7、6 章）、王春花（第 7 章）。樊文欣教授审阅了全部书稿，并给予了指导性的编写意见。本书的编写得到电子工业出版社的热情帮助，中北大学教务处给予了大力支持，在此表示真诚的谢意！本书在编写过程中参考和引用了许多前人优秀教材与研究成果的结晶和精华，在此向本书所参考和引用资料、文献和教材的编著者表示最诚挚的敬意和感谢！本书力求实现学用一致、理论联系实际、“教、学、用”一体化等教学特色，又要注重对大学生素质和技能的培养和提高，所以编写难度较大。鉴于编者的知识水平有限和经验不足，书中的错误、疏漏等不足之处难免，恳请读者和专家批评指正。编 者 V目 录 第 1 章 绪论 1 1.1 机电一体化的基本概念 1
8、 1.2 机电一体化的发展概况 2 1.3 机电一体化系统的构成 3 1.4 机电一体化系统的共性关键技术 4 思考题 6 第 2 章 机械系统设计 7 2.1 概述 7 2.2 传动机构的设计 7 2.3 支承部件 28 2.4 数控机床的机械结构 47 思考题 55 第 3 章 传感检测系统选择与设计 57 3.1 概述 57 3.2 机电一体化系统常用传感器 63 3.3 传感检测系统设计方法 77 3.4 传感器检测系统与计算机的接口 84 3.5 传感器在数控机床中的应用 92 思考题 95 第 4 章 控制系统设计 96 4.1 概述 96 4.2 控制系统的数学模型 102 4.
9、3 典型数字控制器的设计 109 4.4 计算机控制技术 118 4.5 控制量输出接口设计 125 4.6 典型计算机数控系统介绍 131 思考题 136 第 5 章 伺服系统选择与设计 138 5.1 概述 138 5.2 步进电机 143 5.3 直流伺服电机与驱动 154 VI5.4 交流伺服电机 162 思考题 166 第 6 章 机电一体化系统机电有机结合分析与设计 168 6.1 机电有机结合设计概述 168 6.2 机电一体化系统稳态设计考虑方法 169 6.3 机电一体化系统动态设计考虑方法 175 思考题 185 第 7 章 典型的机电一体化装置 186 7.1 喷涂机器人
10、设计 186 7.2 汽车防抱死制动系统（ABS）设计 191 参考文献 207 第 1 章 绪 论 1.1 机电一体化的基本概念 机电一体化又称机械电子学，英文称为 Mechatronics，它是由英文 Mechanics（机械学）的前半部分与 Electronics（电子学）的后半部分组合而成，机电一体化的概念起源于日本 机械设计杂志的副刊（1971 年），所给出的解释是：“机电一体化是在机械主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成的系统的总称”，因此其字面上表示机械学和电子学两个学科的综合，但是机电一体化并不是机械技术和电子技术
11、的简单组合或者拼凑，而是有着自身体系的新型学科。到目前为止，就机电一体化这一概念的内涵，国内外学术界还没有一个完全统一的表述。一般认为，机电一体化是以机械学、电子学和信息科学为主的多门技术学科在机电产品发展过程中相互交叉、相互渗透而形成的一门新兴边缘性技术学科。这里面包含了三重含义：首先，机电一体化是机械学、电子学与信息科学等学科相互融合而形成的学科。其次，机电一体化是一个发展中的概念，早期的机电一体化就像其字面所表述的那样，主要强调机械与电子的结合，即将电子技术“融入”到机械技术中而形成新的技术与产品。机电一体化系统与传统机械产品、电气化机械产品和一般电子产品不同。后者的主要支撑技术是机械技
12、术、电工技术，主要功能是代替或放大人的体力。但是，机电一体化系统除了将微电子装置代替机械部件的功能外，还能够赋予产品新的功能。如自动监测、自动处理信息、自动调节与控制、自动诊断与保护、自动显示等，已不仅仅是将人的体力放大，还是人的肢体、感官与大脑的延伸，具有“智能化”的特征，这是机电一体化系统与机械电气化产品在功能上的根本区别。随着机电一体化技术的发展，以计算机技术、通信技术和控制技术为特征的信息技术“渗透”到机械技术中，丰富了机电一体化的含义，现代的机电一体化不仅仅指机械、电子与信息技术的结合，还包括光（光学）机电一体化、机电气（气压）一体化、机电液（液压）一体化、机电仪（仪器仪表）一体化等
13、；最后，机电一体化表达了技术之间相互结合的学术思想，强调各种技术在机电产品中的相互协调，以达到系统总体性能最优。换句话说，机电一体化是多种技术学科有机结合的产物，而不是它们的简单叠加。现实生活中的机电一体化产品比比皆是。我们日常生活中使用的全自动洗衣机、空调及全自动照相机等，都是典型的机电一体化产品；在机械制造领域中广泛使用的各种数控机床、工业机器人、三坐标测量仪及全自动仓储设备等，也是典型的机电一体化产品；而汽车更是机电一体化技术成功应用的典范，目前汽车上成功应用和正在开发的机电一体化系统达数十种之多，特别是发动机电子控制系统、汽车防抱死制动系统、全主动和半主动悬架等。机电一体化系统在汽车上
14、的应用，使得现代汽车的乘坐舒适性、行驶安全性及环保性能都得到了机电一体化系统设计 2很大的改善；在农业工程领域，机电一体化技术也在一定范围内得到了应用，如拖拉机的自动驾驶系统、悬挂式农具的自动调节系统、联合收割机工作部件（如脱粒清选装置）的监控系统、温室环境自动控制系统等。1.2 机电一体化的发展概况 与其他科学技术一样，机电一体化技术的发展也经历了一个较长期的过程。有学者将这一过程划分为萌芽阶段、快速发展阶段和智能化阶段三个阶段，这种划分方法较为客观地反映了机电一体化技术的发展历程。“萌芽阶段”，指 20 世纪 70 年代以前的时期。在这一时期，尽管机电一体化的概念还没有正式提出来，但人们在
15、机械产品的设计与制造过程中，总是自觉或不自觉地应用电子技术的初步成果来改善机械产品的性能。特别是在第二次世界大战期间，战争刺激了机械产品与电子技术的结合，出现了许多性能优良的军事用途的机电产品。这些机电结合的军用技术在战后转为民用，对战后经济的恢复和技术的进步起到了积极的作用。“快速发展阶段”，指 20 世纪 70 年代到 80 年代这段时期。在这一时期，人们自觉地、主动地利用 3C（CAD/CAPP/CAM）技术的成果创造新的机电一体化产品。在这一阶段，日本在推动机电一体化技术的发展方面起了主导作用。日本政府于 1971 年 3 月颁布了特定电子工业和特定机械工业振兴临时措施法，要求企业界“
16、应特别注意促进为机械配备电子计算机和其他电子设备，从而实现控制的自动化和机械产品的其他功能”。经过多年的努力，取得了巨大的成就，推动了日本经济的快速发展。其他西方发达国家对机电一体化技术的发展也给予了极大的重视，纷纷制定了有关的发展战略、政策和法规。我国机电一体化技术的发展也始于这一阶段，从 20 世纪 80 年代开始，原国家科委和原机械、电子工业部，分别组织专家根据我国国情对发展机电一体化的原则、目标、层次和途径等，进行了深入而广泛地研究，制定了一系列有利于机电一体化发展的政策法规，确定了数控机床、工业自动化控制仪表、工业机器人、汽车电子化等 15 个优先发展领域及 6 项共性关键技术的研究方向和课题，并明确提出要在 2000 年使我国的机电一体化产品产值比率（即机电一体化产品总产值占当年机械工业总产值的比值）达到 15%20%的发展目标。从 20 世纪 90 年代开始的第三阶段，称为“智能化阶段”。在这一阶段，机电一体化技术向智能化方向迈进，其主要标志是模糊逻辑、人工神经网络和光纤通信等领域的研究成果应用到机电一体化技术中。模糊逻辑与人的思维过程类似，用模糊逻辑工具编写的模糊控制软