机电一体化系统设计(应用型本科规划教材.机器人技术及应用)

机电一体化技术是计算机技术、信息技术、传感器技术与机械技术相结合的产物，对于一个具体的机电一体化系统而言，这些技术已经融为一体。典型的机电一体化系统可以是单台设备，如一个工业机器人或一台数控机床；也可以是由几台甚至十几台设备组成的一个中型系统，如一个数控加工中心；甚至可以是由成百上千乃至上万台设备组成的大系统，如一条自动化汽车生产线。针对这样的系统设计，本书作者基于从事20多年机电一体化技术研究的相关经验，给出一般性的方法。机电一体化系统由机械系统、电气控制系统和检测系统组成。设计机电一体化系统，涉及机械工程、控制科学与工程、计算机科学与工程、通信工程等学科的知识，因此，如何在有限的篇幅下面向不同学科背景的技术人员，提出机电一体化系统设计的一般方法，无疑是一个挑战。
应用机电一体化技术解决工程问题，需要学习机械系统设计、电气控制系统设计及检测系统设计的基本理论、方法和设计手段。但是，一个具体的机电一体化系统无论涉及的对象多少、多复杂，它都是以单机设备控制为基础的。因此，学习机电一体化技术的“脉络”，是以单台设备涉及的机电一体化系统相关机械设计技术、计算机控制技术和检测技术的学习为基础，逐步向多台设备“群控”的复杂机电一体化系统学习拓展，后者主要涉及现场总线技术和集散控制技术等。
任何一个机电一体化系统都是由基本的控制单元组成。在机电一体化系统中，电机和执行器是最基本的控制对象，掌握了它们的选择方法和控制方法，可以为设计复杂的机电一体化系统奠定基础。由电机、驱动器、控制器可以构成“最小的控制单元”；同样，由控制器与电动执行器、液动执行器和气动执行器也可组成“基本控制单元”。学习这些“基本控制单元”的系统组成和控制方法，可以为整个系统设计奠定基础。
在机电一体化系统中，机械系统是系统功能的物理载体。针对如何根据系统的功能和技术指标设计机械系统，包括确定原动机类型（电机、液压缸、气缸等）机械传动系统和执行机构，本书给出了完整的方法，内容包括机械传动方案设计、零部件结构设计、机器装配图设计，特别是应用了三维设计、有限元分析技术和虚拟样机技术等数字化设计手段。原动机是联系机械系统和控制系统的纽带，这是因为原动机向上延伸涉及电气控制系统和检测系统，向下延伸涉及机械系统。针对设计过程中如何实现这两个系统的衔接，本书也给出了一般性的方法。在机电一体化系统中，电气控制系统设计往往基于原动机的控制要求。本书给出了如何依据这些要求设计电气控制系统的方法。机电一体化系统要成为闭环，需要监测系统的运行状态，为此，需要对相关的参量进行检测，这些参量包括模拟量（如位移、速度、加速度和力等参数）、脉冲量和开关量。为实现该目标，本书给出了检测系统的设计方法。
机电一体化系统要按照既定的时序运转，“通信”或“互连”是机电一体化系统最关键的问题。其中，小型机电一体化系统需要解决一台设备内各子系统的“通信”或“互连”问题；中型机电一体化系统需要解决车间或生产单元内相关设备的互连问题；大型机电一体化系统不但要解决各车间内设备的互连问题，还要解决车间与车间之间的“通信”或“互连”问题。而计算机总线、现场总线、工业以太网总线等各种总线是解决“通信”或“互连”问题的手段。通信是通过“通信协议”完成的；目前有标准、成熟的总线通信硬件和软件产品，这些技术和产品为简化机电一体化系统设计提供了保障。
为了实现上述目标，本书内容安排如下∶第1章给出了机电一体化系统的概念、组成、功能、分类、基本设计要求和基本设计工具等；第2章给出了机电一体化系统的基本结构类型；第3章给出了机械系统的组成、功能和设计方法；第4章给出了控制电机及常用执行器的选型和控制方法；第5章给出了电气控制系统的设计方法；第6章给出了检测系统的设计方法。以前6章的内容为基础，本书第7章给出了机电一体化系统完整的设计方法，内容涉及产品需求分析、功能分解、技术指标确定；以及如何基于这些内容，完成机械系统设计、电气控制系统设计和检测系统设计；另外，还包括整个系统如何调试，并重点介绍了小型机电一体化系统的设计方法，以此为基础，给出了中型和大型机电一体化系统的设计方法。
本书可供高等院校机械工程专业、机器人工程专业和自动化专业的本科生和研究生使用、参考。

编者

本书结合应用型教材的编写要求和编写团队多年来从事电气控制技术的研发经验编写而成。全书围绕“机电一体化系统设计”这个核心,首先介绍机电一体化系统的概念、分类、组成、关键技术、主要应用领域等,然后介绍其结构类型、控制电机及常用执行器的选型和控制方法、常用参量的检测,最后基于前述各方面基础知识,给出小型、中型及大型机电一体化系统的设计方法,即本书第7章可视作第2~6章相关内容的具体应用。

荆学东，丛书总负责及主要作者。工学博士，上海应用技术大学电气与电子工程学院院长、教授，上海应用技术大学和陕西科技大学研究生导师，科技部国际合作项目评审专家。主要从事智能检测技术及机器人技术研究。长期从事本科生和研究生的机器人技术、测试技术、智能检测技术、自动控制原理等课程教学。1997年10月—1998年9月赴日本国立高知大学留学，研究TIG焊接及机器人控制技术；2010年受科技部派遣，经由日本协力机构(JICA)渠道，赴日本研修节能技术。获上海市科技进步三等奖1项、行业协会科技进步奖4项；获2013年上海市奉贤区“滨海贤人”系列领军人才称号。主持国家自然科学基金面上项目1项、省部级项目2项、厅局级项目5项、联盟计划项目2项、横向课题15项。发表论文30篇，其中被SCI检索6篇、被EI检索6篇；出版专著2部。已培养硕士研究生30人。

第1章 绪论一
1.1 机电一体化系统概述 1 1.2 机电一体化系统设计的基本要求 5 1.3 机电一体化系统设计工具 5 1.4 机电一体化系统中操作系统的选择 12 1.5 机电一体化系统设计相关标准和规范 13 1.6 研究和设计机电一体化系统应具备的基础知识 13 参考文献 14 思考与练习 14
第2章 机电一体化系统的基本结构类型15
2.1 基于PC机总线的机电一体化系统 15 2.2 基于专用控制总线的机电一体化系统 18 2.3 基于单片机的机电一体化系统 20 2.4 基于PLC的机电一体化系统 22 2.5 基于现场总线的机电一体化系统 25 2.6 基于混合结构的机电一体化系统 32 2.7 大型机电一体化系统 34 参考文献 36 思考与练习 36
第3章 机械系统设计方法37
3.1 机械系统设计概述 37 3.2 机械系统设计流程 40
3.3 机械系统主要技术参数及设计指标的确定 41 3.4 机械系统传动方案设计 41 3.5 机械系统机构运动简图设计 48 3.6 原动件类型的选择及设计 50 3.7 机构运动学分析 52 3.8 机构静力学分析 55 3.9 机械零部件结构设计 59 3.10 机械系统装配图设计 90 3.11 机构动力学分析 93 3.12 基于3D实体模型的虚拟样机分析及改进 97 参考文献 97 思考与练习 98
第4章 控制电机、液压缸、气缸及常用执行器的选型及控制100
4.1 步进电机的控制方式、选型及其控制系统设计 100 4.2 直流伺服电机的控制方式、选型及其控制系统设计 108 4.3 交流伺服电机的控制方式、选型及其控制系统设计 115 4.4 液压缸的控制方式、设计选型及其控制系统设计 118 4.5 气缸的控制方式、设计选型及其控制系统设计 146 4.6 常用执行器的选型及控制 159 参考文献 160 思考与练习 161
第5章 电气控制系统设计163
5.1 电气控制系统设计概述 163 5.2 电气控制系统设计 167 参考文献 185 思考与练习 185
第6章 检测系统设计方法186
6.1 检测系统设计概述 186 6.2 常用参量检测方法 187 6.3 检测系统设计 193 参考文献 222 思考与练习 222
第7章 机电一体化系统设计方法223
7.1 机电一体化系统的产品需求分析 223 7.2 机电一体化系统的设计流程 224 7.3 产品功能定义、功能分解及求解 226 7.4 系统技术指标确定 229 7.5 小型机电一体化系统设计方法 229 7.6 中型机电一体化系统设计方法 255 7.7 大型机电一体化系统设计方法 279 参考文献 288 思考与练习 288

1. 丛书为培养高水平应用型新兴专业——机器人工程专业人才而组织撰写，致力于配合以开发机器人工作站为目标的应用型机器人工程专业课程体系构建。
2. 机器人工程专业课程体系包括电气控制技术及PLC应用，机电一体化系统设计，机器人焊接、喷涂与激光加工工艺及设备，机器人末端执行器、作业工装及输送设备设计、工业机器人技术及应用。这5门课程体现了机械工程、控制科学与工程以及信息技术的交叉融合。
3. 丛书5分册分别与上述5门课程对应撰写。教材内容涵盖了机器人工作站开发所涉及的作业工艺、工装夹具、末端执行器，也包括了机器人工作站开发所涉及的电气控制技术、检测技术和机械设计技术的应用方法，构成了机器人工程专业的核心教材体系。
4. 丛书实现校企合作，由知名机器人企业配合应用型高校资深作者共同撰写。各分册均以应用为导向，以典型实例引导读者理解和掌握机器人工作站的设计目标、设计方法和设计流程。
5. 丛书针对机器人工程专业撰写，既考虑了以机械为主的机器人工程专业的需求，也考虑到以自动化为主的机器人工程专业的需求。各分册内容较为全面，便于授课教师根据学时进行取舍，也便于读者自学。