机电一体化系统设计

第1章 概论 1

1.1 机电一体化概念 1

1.2 机电一体化系统的构成 1

1.3 机电一体化关键技术 1

复习思考题 3

第2章 机械系统部件及其设计 4

2.1 概述 4

2.1.1 机电一体化产品对机械系统部件的基本要求 4

2.1.2 机电一体化产品机械系统的基本组成及其功能 4

2.2 机械传动机构 5

2.2.1 齿轮传动机构及其设计 6

2.2.2 丝杠螺母机构及其选用 15

2.2.3 同步带传动 30

2.3 导向与支承机构 36

2.3.1 回转运动支承 36

2.3.2 直线运动支承 42

2.3.3 框架类支承构件 54

2.4 机械执行机构 59

2.4.1 机械执行机构的功能 60

2.4.2 机械执行机构的分类 62

2.4.3 机械执行机构设计的要求 63

2.4.4 机械执行机构设计的步骤 63

复习思考题 64

第3章 检测传感器及其接口电路 66

3.1 温度传感器 66

3.2 力传感器 68

3.2.1 金属电阻应变片式力传感器 69

3.2.2 半导体应变式力传感器 70

3.3 位移测量传感器 71

3.3.1 电容位移传感器 71

3.3.2 气隙电感位移传感器 72

3.3.3 差动变压器结构电感式位移传感器 73

3.3.4 涡流电感式位移传感器 74

3.4 光电传感器 75

3.5 光电编码器 78

3.5.1 增量式光电编码器构成及原理 78

3.5.2 绝对式光电编码器构成及原理 80

3.5.3 增量式光电编码器计数电路 81

3.6 电流环信号传输 83

3.7 运算放大器的基本电路 83

复习思考题 86

第4章 执行元件及控制 87

4.1 执行元件的分类 87

4.1.1 电动执行元件 87

4.1.2 气动执行元件 88

4.1.3 液压执行元件 89

4.2 直流电动机的基本工作原理 90

4.3 三相异步电动机的旋转磁场 91

4.4 步进电动机 92

4.5 直线电动机 94

4.5.1 直线感应电动机 95

4.5.2 直线直流电动机 97

4.5.3 直线步进电动机 98

4.6 直流电动机的驱动控制 100

4.6.1 开关型功率接口电路 100

4.6.2 直流电动机PWM驱动方式 104

4.6.3 IR2130三相驱动控制集成芯片 107

4.7 交流伺服电动机控制 110

4.8 电-气比例阀、伺服阀 111

4.8.1 滑阀式电气方向比例阀 112

4.8.2 动圈式二级方向伺服阀 113

4.8.3 动圈式压力伺服阀 114

4.8.4 脉宽调制伺服阀 115

4.8.5 电-气比例伺服系统的应用实例（柔性定位伺服汽缸） 117

4.9 电-液比例阀、伺服阀 118

4.9.1 电液伺服阀 118

4.9.2 电液比例阀 121

复习思考题 122

第5章 单片机及接口电路设计 123

5.1 MCS-51单片机 123

5.1.1 MCS-51单片机的引脚描述及片外总线结构 123

5.1.2 MCS-51片内总体结构 125

5.1.3 MCS-51单片机基本外围电路 125

5.1.4 MCS-51单片机看门狗电路(MAX6814) 127

5.2 A/D转换及与单片机接口电路设计 129

5.3 多路模拟开关 131

5.4 AVR单片机简介 133

5.4.1 ATmega128的结构和主要特点 133

5.4.2 ATmega128的封装和引脚 134

5.4.3 ATmega128的I/O端口描述 136

5.4.4 ATmega128端口的第2功能 137

5.4.5 ATmega128的时钟系统 143

5.5 AVR单片机开发工具（ATmega128） 144

5.5.1 ICCAVR集成开发环境 144

5.5.2 ICCAVR介绍 144

5.5.3 ICCAVR导游 151

5.5.4 ICCAVR C库函数与启动文件 152

5.5.5 访问AVR硬件的编程 154

5.6 ATmega128基础实例 155

5.6.1 发光二极管应用实验 155

5.6.2 键盘电路应用实例 157

复习思考题 160

第6章 机电一体化系统的抗干扰设计 161

6.1 电磁干扰形成的条件 161

6.2 干扰源 162

6.2.1 供电干扰 162

6.2.2 过程通道干扰 162

6.2.3 场干扰 163

6.3 提高系统抗电源干扰能力的方法 163

6.3.1 配电方案中的抗干扰措施 163

6.3.2 利用电源监视电路抗电源干扰 164

6.3.3 用Watchdog抗电源于扰 164

6.4 电场与磁场干扰耦合的抑制 165

6.4.1 电场与磁场干扰耦合的特点 165

6.4.2 电场与磁场干扰耦合的抑制 166

6.5 几种接地技术 170

6.5.1 单点接地 170

6.5.2 多点接地 170

6.5.3 混合单点接地 171

6.5.4 混合多点接地 171

6.5.5 接地的一般性原则 172

6.6 过程通道抗干扰措施 173

6.7 模拟信号的线性光耦隔离 176

6.7.1 HCNR200基本工作原理 176

6.7.2 HCNR200的基本工作电路 177

6.7.3 HCNR200应用电路设计 177

6.8 空间干扰的抑制 179

6.9 软件抗干扰技术 179

6.9.1 实施软件抗干扰的必要条件 179

6.9.2 数据采样的干扰抑制 179

6.9.3 程序运行失常的软件抗干扰措施 181

6.10 铁氧体插损器 181

6.10.1 铁磁性材料（铁氧体）特性 181

6.10.2 磁导率对电磁干扰的影响 181

6.10.3 铁氧体的特性阻抗 183

6.10.4 铁氧体插损器件及应用 185

复习思考题 190

第7章 机电一体化系统设计实例 191

7.1 RC伺服电动机控制 191

7.1.1 RC伺服电动机简介 191

7.1.2 RC伺服电动机的内部组成 191

7.1.3 RC伺服电动机的控制 192

7.1.4 硬件电路图 192

7.1.5 RC伺服电动机的正向旋转和逆向旋转控制实验 193

7.1.6 RC伺服电动机的旋转相应角度实验 194

7.1.7 RC伺服电动机速度控制实验 195

7.2 步进电动机应用软/硬件设计实例 197

7.2.1 步进电动机概述 197

7.2.2 步进电动视的分类与结构 197

7.2.3 步进电动机的基本参数 198

7.2.4 步进电动机的特性 198

7.2.5 反应式步进电动机的结构 199

7.2.6 反应式步进电动机的工作原理 200

7.2.7 步进电动机的失步、振荡及解决方法 203

7.2.8 步进电动机的控制 204

7.2.9 步进电动机的应用设计 207

7.3 小型打印机系统 209

7.3.1 硬件电路设计 209

7.3.2 典型器件选型及介绍 213

7.3.3 硬件电路 214

7.3.4 软件设计 217

7.3.5 经验总结 220

7.4 直流电动机的控制实例 221

7.4.1 硬件电路设计 221

7.4.2 典型器件选型及介绍 223

7.4.3 硬件电路 225

7.4.4 软件设计 228

复习思考题 235

《机电一体化系统设计》是普通高等教育机械类“十二五”规划系列教材。 《机电一体化系统设计》介绍了机电一体化系统的基本原理、机电一体化系统的构成、常用传感器、常用执行元件以及相关检测控制电路设计，力求贴近工程实用。全书共7章，内容包括：概论、机械系统部件及其设计、检测传感器及其接口电路、执行元件及控制、单片机及接口电路设计、机电一体化系统的抗干扰设计、机电一体化系统设计实例。《机电一体化系统设计》注意理论与实际的结合，重视解决工程实际问题，并力求做到突出重点，层次分明，语言易懂，以便于读者自学。读者对象：《机电一体化系统设计》主要作为高等院校机械设计制造、机械电子工程、工业自动化等专业的教材，也可作为高等专科学校、高等职业学校、成人高校相关专业教材，并可供机电类工程技术人员和研究人员参考。