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1 概论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构成1

1.2 机电一体化技术分类与应用3

1.2.1 机电一体化技术分类3

1.2.2 机电一体化技术应用4

1.3 机电一体化系统关键技术6

1.4 机电一体化设计方法7

1.4.1 优势设计9

1.4.2 创新设计9

1.4.3 优化设计9

1.4.4 可靠性设计10

1.4.5 虚拟设计10

1.4.6 智能设计10

1.4.7 协同设计11

1.4.8 绿色设计11

1.5 机电一体化技术发展方向11

1.5.1 机电一体化技术发展主要模式11

1.5.2 从典型机电一体化产品看机电一体化发展趋势13

1.5.3 机电一体化的轻量化及微型化发展趋势14

习题与思考题14

2 机电一体化系统设计基本原理15

2.1 机电一体化系统设计一般步骤与方法15

2.1.1 市场调查15

2.1.2 初步设计16

2.1.3 详细设计17

2.2 机电一体化系统功能设计20

2.2.1 功能的概念20

2.2.2 确定总功能21

2.2.3 总功能分解22

2.2.4 功能元（分功能）求解26

2.3 机电一体化系统结构设计29

2.3.1 结构设计的基本过程30

2.3.2 结构设计的基本原理31

2.4 机电一体化控制系统设计36

2.4.1 机电一体化控制系统设计的基本要求36

2.4.2 控制系统设计的内容和步骤37

2.4.3 控制器选型38

2.4.4 总线技术40

2.4.5 PC总线工控机40

习题与思考题41

3 机械系统设计与选择42

3.1 机械传动部件的设计与选择42

3.1.1 机械传动部件及其功能要求42

3.1.2 齿轮传动部件的设计与选择43

3.1.3 丝杠螺母传动部件的设计与选择50

3.1.4 挠性传动部件的设计与选择57

3.1.5 间隙传动部件的设计与选择62

3.1.6 自动上料机构的设计与选择65

3.2 导向支承部件的设计与选择69

3.2.1 导轨副的组成、种类及其应满足的要求69

3.2.2 滑动导轨的类型与选择71

3.2.3 滚动导轨的类型与选择76

3.2.4 静压导轨副工作原理79

3.3 轴系部件的设计与选择82

3.3.1 概述82

3.3.2 轴系用滚动轴承的类型与选择84

3.3.3 轴系用滑动轴承的类型与选择89

3.3.4 主轴组件的布局95

3.4 机电一体化系统（产品）的机座或机架99

3.4.1 机座或机架的作用及基本要求99

3.4.2 机座或机架的设计要点100

习题与思考题104

4 机电一体化驱动系统设计105

4.1 概述105

4.2 电动机的选择106

4.2.1 电动机结构形式的选择106

4.2.2 电动机类型的选择106

4.2.3 电动机转速的选择107

4.2.4 电动机容量的选择107

4.3 步进电动机驱动与控制107

4.3.1 步进电动机的工作原理107

4.3.2 步进电动机的驱动控制110

4.3.3 步进电动机的选用111

4.4 直流伺服电动机及其控制111

4.4.1 直流伺服电动机的特点111

4.4.2 直流伺服电动机的分类与结构112

4.4.3 直流伺服电动机的驱动及控制112

4.5 交流伺服电动机及其控制115

4.5.1 交流伺服电动机的种类和结构特点115

4.5.2 交流伺服电动机的控制方法115

4.5.3 交流伺服电动机的选择118

4.6 直线电动机121

4.6.1 直线感应电动机121

4.6.2 直线直流电动机123

4.6.3 直线步进电动机124

4.7 压电驱动器126

4.7.1 压电材料的特性126

4.7.2 双压电型驱动元件128

4.7.3 积层压电驱动元件129

4.8 电液伺服驱动系统130

4.8.1 电液伺服阀的概念和功能131

4.8.2 电液伺服阀的工作原理131

习题与思考题133

5 传感器与检测系统134

5.1 概述134

5.1.1 传感器及其组成134

5.1.2 传感器的静态特性134

5.1.3 传感器的动态特性136

5.1.4 传感器的性能指标136

5.2 位移传感器136

5.2.1 电感式传感器136

5.2.2 电容式位移传感器139

5.2.3 光栅数字传感器141

5.2.4 感应同步器143

5.2.5 角数字编码器144

5.3 速度与加速度传感器146

5.3.1 速度传感器146

5.3.2 加速度传感器147

5.4 力、压力和扭矩传感器148

5.4.1 测力传感器148

5.4.2 压力传感器150

5.4.3 转矩（扭矩）传感器151

5.5 位置传感器152

5.5.1 接触式位置传感器152

5.5.2 非接触式位置传感器153

5.6 红外、图像传感器154

5.6.1 红外辐射的基本知识154

5.6.2 红外探测器分类155

5.6.3 热释电型红外传感器156

5.6.4 固体电荷耦合成像器件（CCD）157

5.7 传感器应用举例160

5.7.1 高频涡流测厚仪160

5.7.2 压差式液位传感器160

5.7.3 电容式料位传感器161

5.7.4 摩托车电子速度表162

5.7.5 CCD技术应用163

习题与思考题165

6 可编程控制器（PLC）原理及应用167

6.1 概述167

6.1.1 PLC的产生167

6.1.2 PLC的发展168

6.1.3 PLC的基本功能168

6.1.4 PLC的特点169

6.1.5 PLC与微机（MC）及继电器控制的区别170

6.2 PLC的基本构成171

6.2.1 PLC的硬件组成171

6.2.2 PLC的工作过程173

6.2.3 可编程控制器的软件系统175

6.3 FX系列可编程控制器概述175

6.3.1 FX系列PLC的型号175

6.3.2 FX2N系列PLC的配置176

6.3.3 FX2N系列PLC内部软元件178

6.4 FX系列PLC基本指令及编程183

6.4.1 FX系列PLC基本指令183

6.4.2 基本逻辑指令184

6.4.3 应用指令、步进指令和返回指令191

6.5 PLC基本逻辑指令应用编程196

6.5.1 电动机控制实例196

6.5.2 定时器的应用197

6.5.3 振荡电路与分频电路198

6.6 PLC控制应用实例——运料小车控制199

习题与思考题201

7 单片机原理及接口技术202

7.1 单片机的工作原理202

7.1.1 概论202

7.1.2 MCS-51单片机管脚及总线结构203

7.1.3 MCS-51单片机内部结构205

7.1.4 MCS-51系列单片机指令系统213

7.2 单片机扩展与接口技术217

7.2.1 单片机系统扩展218

7.2.2 人机通道配置及接口技术226

7.2.3 单片机开发系统简介231

7.3 单片机应用实例——控制步进电动机232

习题与思考题236

8 机电一体化系统设计实例237

8.1 机电一体化系统（产品）设计基本方法237

8.2 喷气织机电子开口机械机构设计238

8.2.1 设计思路238

8.2.2 设计要求239

8.2.3 电子开口机械机构方案设计239

8.2.4 电子开口机构方案确定241

8.2.5 电子开口系统分析241

8.2.6 电子开口机构机械结构设计242

8.3 机械手自动控制系统设计244

8.3.1 控制要求244

8.3.2 控制方案244

8.4 机械预缩机预缩量的控制247

8.4.1 预缩量的数字控制247

8.4.2 用MCS-51单片机实现预缩量控制248

习题与思考题255

参考文献256