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目录1

1 绪论1

1.1 机电一体化基本概念1

1.1.1 机电一体化定义1

1.1.2 机电一体化系统的基本结构要素1

1.1.3 机电一体化相关技术2

1.1.4 机电一体化的技术、经济和社会效益4

1.2 机电一体化技术与现代制造业5

1.3 机电一体化技术发展趋势6

习题与思考题7

2 电机一体化系统的设计8

2.1 现代系统设计的特征8

2.2 系统设计的评价分析方法9

2.2.1 技术经济性分析9

2.2.2 可靠性分析10

2.2.3 其他系统评价分析13

2.3.1 基本设计和工程路线14

2.3.2 市场调查与预测14

2.3 机电一体化产品设计与工程路线14

2.3.3 构思比较与方案评价16

2.3.4 详细设计17

2.3.5 系统设计中的质量控制17

2.3.6 制造工程质量管理18

2.4 机电一体化系统主要技术参数与技术指标19

2.5 制定机电一体化系统总体方案的一般步骤20

2.6 典型机电一体化产品设计开发的工程路线21

2.6.1 工业机器人的设计与开发21

2.6.2 家用电器的设计与开发24

习题与思考题26

3 机电一体化系统中的机械传动与液压气动执行装置27

3.1 机械传动系统27

3.1.1 机械传动系统的数学模型27

3.1.2 机械传动系统的特性30

3.1.3 机械传动装置35

3.2 液压与气压执行装置45

3.2.1 液压执行装置45

3.2.2 气动执行装置48

3.3.1 基于液压驱动的6自由度并联机构52

3.3 机械传动与液压气动执行装置的应用实例52

3.3.2 工件输送系统53

习题与思考题54

4 机电一体化中的伺服传动技术55

4.1 概述55

4.1.1 伺服系统的结构组成及分类55

4.1.2 伺服电动机56

4.1.3 电力电子技术简介58

4.2.1 直流伺服系统结构和原理61

4.2 直流伺服系统及应用61

4.2.2 直流伺服系统的稳态误差分析71

4.2.3 直流伺服系统的动态校正72

4.3 交流伺服系统及应用76

4.3.1 异步型交流电动机的变频调速的基本原理及特性76

4.3.2 异步电动机变频调速系统77

4.4 步进电动机的驱动和控制80

4.4.1 步进电动机80

4.4.2 环形分配器81

4.4.3 功率驱动器82

4.5 电液伺服系统85

4.4.4 提高系统精度的措施85

4.5.1 电液位置伺服控制系统86

4.5.2 电液速度伺服控制系统89

4.5.3 电液力控制系统89

习题与思考题91

5 机电一体化中的计算机技术92

5.1 工业控制机92

5.1.1 工业控制机的组成92

5.1.2 工业控制机的分类93

5.1.3 工业标准总线97

5.2 单片机在机电一体化产品中的应用101

5.2.1 MCS-51单片机组成控制系统101

5.2.2 单片机控制系统信息输入通道设计103

5.2.3 单片机控制系统功率驱动接口设计105

5.2.4 单片机控制系统人机界面设计107

5.2.5 单片机应用系统设计109

5.2.6 单片机应用系统实例110

5.3 可编程逻辑控制器（PLC）及其应用117

5.3.1 PLC的结构117

5.3.3 PLC控制系统的设计方法和步骤120

5.3.2 PLC的工作原理120

5.3 PLC应用实例121

5.4 计算机接口技术127

5.4.1 并行输入／输出接口127

5.4.2 数／模（D／A）转换接口131

5.4.3 模／数（A／D）转换接口133

习题与思考题136

6.1 传感器技术基础137

6.1.1 传感器组成137

6 传感器技术及应用137

6.1.2 传感器的分类138

6.1.3 传感器的基本特性140

6.1.4 传感器的主要性能指标143

6.1.5 传感器的输入、输出特性和对环境的要求144

6.1.6 传感器的标定与校准145

6.2 常用传感器及应用146

6.2.1 电阻式传感器146

6.2.2 电容式传感器152

6.2.3 电感式传感器155

6.2.4 磁电式传感器159

6.2.5 压电式传感器162

6.2.6 光电式传感器165

6.2.7 热电式传感器169

6.2.8 其他传感器170

6.3 传感器的选用171

6.4 基于传感器的计算机检测系统及应用实例172

6.4.1 基于传感器的计算机检测系统的基本组成172

6.4.2 地下穿孔机器人气动冲击头性能测试系统174

习题与思考题177

7.1.1 数学模型的类型178

7.1.2 建立数学模型的步骤和方法178

7 机电一体化系统控制方法178

7.1 机电一体化系统的数学模型178

7.1.3 被控对象模型的辨识179

7.2 PID控制187

7.2.1 常规的PID控制187

7.2.2 数字PID的改进算法191

7.2.3 数字PID参数整定197

7.3 常见复杂控制199

7.3.1 串级控制200

7.3.2 比值控制203

7.3.3 前馈控制系统207

7.3.4 自适应控制209

7.4 模糊控制212

7.4.1 模糊控制系统的组成及基本原理213

7.4.2 模糊控制器的设计及应用217

7.5 神经网络控制218

7.5.1 神经细胞的基本结构218

7.5.2 神经元的基本结构219

7.5.4 神经网络的学习220

7.5.3 神经网络模型220

7.5.5 误差反向传播网络及其学习221

7.5.6 神经网络的特点和局限性223

习题与思考题223

8 典型机电一体化系统设计分析与综合225

8.1 工业机器人225

8.1.1 工业机器人的定义与发展225

8.1.2 工业机器人的构成226

8.1.3 典型的工业机器人——喷漆机器人227

8.2.1 全自动洗衣机单片机控制系统结构231

8.2 家用电器231

8.2.2 模糊全自动洗衣机的控制软件233

8.2.3 洗衣机物理量检测235

8.3 特种机器人——地下穿孔机器人237

8.3.1 地下穿孔机器人的总体构成及作业流程238

8.3.2 地下穿孔机器人运动学分析240

8.3.3 地下穿孔机器人本体设计244

8.3.4 地下穿孔机器人气压传动系统248

8.3.5 地下穿孔机器人控制系统248

8.4.1 CNC机床分类256

8.4 数控机床256

8.4.2 CNC机械加工中心（MC）257

8.5 机电一体化系统设计与综合262

8.5.1 执行机构与驱动元件262

8.5.3 控制方式与计算机267

8.5.4 系统与工作环境269

习题与思考题271

参考文献272

8.5.2 驱动方式与传感器285