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第24篇 机电一体化技术及设计 3

第1章 机电一体化概述 3

1机电一体化概念 3

1.1机电一体化的基本概念 3

1.2机电一体化技术的发展 3

1.3机电一体化系统的构成 4

1.4机电一体化的意义 5

2机电一体化技术的分类 5

2.1机电一体化技术的分类依据 5

2.2机械制造过程的机电一体化 6

2.3机电产品的机电一体化 7

3机电一体化的相关技术 7

4机电一体化设计方法 8

4.1模块化设计方法 8

4.2柔性化设计方法 8

4.3取代设计方法 8

4.4融合设计方法 9

4.5优化设计方法 9

4.5.1机械技术和电子技术的综合与优化 9

4.5.2硬件和软件的交叉与优化 9

4.5.3机电一体化产品的整体优化 10

5机电一体化系统的设计流程 10

第2章 基于工业控制机的控制器及其设计 12

1工业控制机的种类与选择 12

1.1工业控制机概述 12

1.2工业控制机的分类 12

1.2.1按工业控制机的总线分类 12

1.2.2按工业控制机结构型式分类 13

1.3工业控制机的选择 13

2工业控制机的总线 14

2.1总线概述 14

2.2 STD总线 14

2.3 ISA总线 15

2.4 PCI总线 16

2.5 cPCI总线 17

2.6 PCI-E总线 18

2.7现场总线 20

3工业控制机常用的功能模块 22

3.1数据采集卡 22

3.2远程I／O模块 23

3.3通信模板 24

3.4信号调理模板 24

3.5运动控制器 25

第3章 可编程序控制器 28

1可编程序控制器概述 28

1.1可编程序控制器的发展概况 28

1.2可编程序控制器的特点和应用 28

1.2.1 PLC的主要特点 28

1.2.2可编程序控制器与其他工业控制系统的比较 29

1.2.3 PLC的应用范围 29

1.3可编程序控制器的发展趋势 30

2可编程序控制器的基本组成和工作原理 30

2.1可编程序控制器的基本组成 30

2.1.1中央处理单元（CPU） 31

2.1.2存储器 31

2.1.3输入／输出模块 32

2.1.4编程器 32

2.1.5人机界面 32

2.2可编程序控制器的工作原理 32

2.2.1循环扫描工作方式 32

2.2.2可编程序控制器的工作过程 33

2.3输入／输出接口模块 33

2.3.1数字量输入、输出模块 33

2.3.2模拟量输入、输出模块 34

2.4智能模块 36

2.5远程I／O 37

2.6可编程序控制器的编程语言 39

2.6.1梯形图语言 39

2.6.2顺序功能图语言 39

2.6.3功能块图 42

2.6.4指令表 42

2.6.5结构化文本 42

3可编程序控制器的生产厂家及产品介绍 42

3.1德国西门子（SIEMENS）公司 42

3.2美国罗克韦尔公司的AB PLC 42

3.3日本立石（OMRON，欧姆龙）公司 43

3.4其他PLC公司 43

4可编程序控制器应用系统设计的内容和步骤 43

4.1 PLC应用系统设计的内容和步骤 43

4.2 PLC应用系统的硬件设计 43

4.2.1 PLC的型号选择 43

4.2.2 I／O模块的选择 43

4.2.3电源选择 44

4.3 PLC的应用软件设计 44

4.4 PLC的应用实例——自动搬运机械手 44

第4章 基于单片机的控制器及其设计 46

1单片机的硬件结构 46

1.1单片机的基本结构 46

1.2单片机的微处理器 46

1.3 MCS-51的存储器 47

1.3.1程序存储器 47

1.3.2数据存储器 47

1.4 MCS-51的并行口和串行口 48

1.4.1并行口 48

1.4.2串行口 48

1.5 MCS-51的定时器 48

1.5.1方式控制寄存器TMOD 48

1.5.2定时器控制寄存器TCON 49

1.6 MCS-51的中断系统及其控制 49

2常用单片机的厂家及产品介绍 50

2.1 4位单片机 50

2.2 8位单片机 50

2.3 16位单片机 52

2.4 32位单片机 52

3单片机的编程语言 52

3.1单片机编程语言的分类 52

3.2 MCS-51单片机指令系统 53

3.3 PIC单片机指令系统简介 54

4控制器的硬件系统设计 56

4.1单片机存储器的扩展 56

4.1.1扩展程序存储器的设计 56

4.1.2扩展数据存储器的设计 57

4.2单片机常用并行接口电路 59

4.3单片机的人机接口设计 61

4.3.1单片机系统的输入装置 61

4.3.2单片机系统的显示装置 63

4.4 D／A转换器及其接口电路 64

4.5 A／D转换器及其接口电路 65

4.6 MCS-51单片机与外围电路的匹配技术 67

4.6.1集成逻辑门的负载能力 68

4.6.2单片机系统常用集成电路的驱动能力 68

4.6.3单片机控制系统电平匹配举例 68

第5章 传感器及其接口设计 70

1传感器概述 70

1.1传感器的概念 70

1.2传感器的特性和技术指标 70

1.2.1传感器的静态特性 70

1.2.2传感器的动态特性 71

1.2.3传感器的性能指标 71

2几类传感器的主要性能及优缺点 72

3机电一体化中常用传感器 75

3.1电位器 75

3.2光栅 75

3.3编码器 76

3.4测速发电机 76

3.5压电加速度传感器 77

3.6超声波距离传感器 77

4传感器的选用原则及注意事项 78

5传感器与计算机的接口设计 79

第6章 常用的传动部件与执行机构 83

1机械传动部件及其功能要求 83

1.1齿轮传动 84

1.1.1齿轮传动分类及选用 84

1.1.2齿轮传动形式及其传动比的最佳匹配选择 84

1.1.3齿轮传动间隙的调整方法 86

1.1.4谐波齿轮传动 87

1.2滚珠螺旋传动 88

1.2.1滚珠螺旋的传动原理 88

1.2.2滚动螺旋副支承方式的选择 91

1.2.3滚动螺旋副的密封与润滑 91

1.2.4滚动螺旋副的选择方法 92

1.3挠性传动 92

1.3.1平带传动 92

1.3.2绳传动 92

1.3.3链传动 93

1.3.4同步带传动 94

2导向支承部件的结构型式选择 94

2.1导轨副的组成、种类 94

2.2滑动导轨 96

2.3静压导轨 99

2.4滚动导轨 101

3旋转支承的类型与选择 103

3.1旋转支承的种类及基本要求 103

3.2圆柱支承 103

3.3圆锥支承 103

3.4填入式滚珠支承 104

4轴系部件的设计与选择 105

4.1轴系设计的基本要求 105

4.2轴（主轴）系用轴承的类型与选择 105

4.3提高轴系性能的措施 107

5常用执行机构 108

5.1连杆机构 108

5.2凸轮机构 108

5.3间歇机构 109

第7章 常用控制用电动机及其驱动 112

1对控制用电动机的基本要求 112

2控制用电动机的种类、特点及选用 112

3直流伺服（DC）电动机与驱动 113

3.1直流电动机调速原理及调速特性 113

3.2永磁直流电动机伺服系统 113

3.3直流伺服电动机驱动 114

4交流伺服电动机与驱动 116

4.1交流异步电动机 116

4.1.1工作原理 116

4.1.2异步电动机的运行特性 117

4.1.3性能指标 117

4.1.4交流异步伺服电动机的驱动与控制 117

4.2交流同步电动机 119

4.2.1同步电动机工作原理 119

4.2.2等效电路 120

4.2.3交流同步电动机的运行特性 121

4.2.4同步电动机的控制 121

4.3交流伺服电动机常用电力电子器件 123

5步进电动机与驱动 124

5.1步进电动机分类 124

5.2步进电动机工作原理 125

5.3步进电动机驱动与控制 125

5.3.1脉冲分配器 125

5.3.2功率放大器 126

第8章 机电一体化设计实例 129

1振幅定值控制电磁振动给料机 129

1.1电磁振动给料机的工作原理 129

1.2溜槽式固体流量计工作原理 129

1.3对控制系统的技术要求 130

1.4电磁振动定量给料控制系统的方案确定 130

1.4.1 CPU选择 130

1.4.2输入输出接口的配置 130

1.4.3键盘显示器 130

1.4.4串行通信 130

1.4.5系统电源 131

2电子传送带配料秤 131

2.1传送带配料秤的工作原理 131

2.2传送带配料秤监控仪的技术要求 131

2.3监控仪的硬件结构及其组成电路 132

2.4系统软件设计 132

3立式包装机 134

3.1立式连续制袋三边封口包装机工作原理 134

3.2立式包装机技术要求 135

3.3传动系统及电控原理 135

4电动喷砂机器人 137

4.1机器人机构原理 137

4.2控制系统 137

4.3机器人规格参数 138

4.4控制算法简介 138

5 XH714立式加工中心 139

5.1机床简介 139

5.2数控系统 140

5.3伺服系统 141

5.4 I／O控制 142

5.5电源 145

6综合实例：液压挖掘机器人 145

6.1全液压挖掘机器人的功能需求及开发流程 145

6.2电液系统的设计与改造 145

6.3基于xPC Target的控制平台 147

6.3.1实时工具RTW 148

6.3.2 xPC Target控制平台 148

6.3.3挖掘机器人挖沟目标的实现 149

参考文献 151

第25篇 机电系统控制 153

第1章 概述 155

1自动控制系统的基本组成 155

2自动控制系统的分类 155

3对自动控制系统的基本要求 156

4控制系统的性能指标 156

4.1控制系统的时域性能指标 157

4.1.1典型输入信号 157

4.1.2一阶系统的时域性能指标 157

4.1.3二阶系统的时域性能指标 157

4.1.4高阶系统的时域性能指标 159

4.2控制系统的频域性能指标 160

5自动控制系统设计的基本原则 160

第2章 控制系统数学模型 162

1系统的微分方程 162

2系统的传递函数 163

2.1传递函数的定义 163

2.2传递函数的性质 163

2.3与传递函数相关的几个基本概念 163

2.4典型环节的微分方程和传递函数 163

3系统的状态空间表达式 165

3.1基本概念 165

3.2状态空间表达式 165

3.3状态空间表达式的建立方法 166

3.3.1建立状态空间表达式的直接方法 166

3.3.2由微分方程求状态空间表达式 166

3.3.3由系统传递函数写出状态空间表达式 166

3.4系统的传递函数矩阵 166

3.4.1传递函数矩阵的概念 166

3.4.2由状态空间表达式求传递函数矩阵 167

4离散系统的数学模型 167

4.1离散系统的差分方程 167

4.1.1差分方程含义 167

4.1.2差分方程的解法 168

4.2离散系统的传递函数 168

4.2.1离散传递函数的定义 168

4.2.2离散传递函数的求法 168

4.2.3开环系统的脉冲传递函数 169

4.2.4闭环系统的脉冲传递函数 169

4.3离散系统的状态空间表达式 169

4.3.1离散系统状态方程的建立 169

4.3.2离散系统的传递矩阵 171

5系统框图 171

5.1画框图的规则 171

5.2框图的基本连接方式与等效变换规则 171

5.3框图的简化 172

6信号流图 172

6.1信号流图的性质 172

6.2信号流图的简化 172

6.3梅逊公式及其应用 172

7非线性系统线性化 173

第3章 控制系统分析方法 175

1频率特性分析法 175

1.1频率特性的基本概念 175

1.2频率特性的求法 175

1.3频率特性的图示法 175

1.3.1极坐标图 175

1.3.2.对数坐标图 175

2根轨迹分析法 179

2.1根轨迹定义 179

2.2根轨迹的幅值条件和相角条件 179

2.3绘制根轨迹的基本规则 179

2.4在开环传递函数中增加极点、零点的影响 180

3系统稳定性 181

3.1系统稳定性的基本概念 181

3.2线性系统的代数稳定性判据 181

3.2.1赫尔维茨判据 181

3.2.2劳斯判据 182

3.2.3谢绪恺判据 183

3.3李亚普诺夫稳定性判据 183

3.4乃奎斯特稳定性判据 183

3.4.1乃奎斯特判据 183

3.4.2乃奎斯特判据的应用 184

3.5根据Bode图判断系统的稳定性 185

3.6系统的相对稳定性 185

3.6.1相位稳定裕度 185

3.6.2幅值稳定裕度 185

3.6.3关于相位裕度和幅值裕度的几点说明 185

4控制系统的误差 186

4.1系统的复域误差 186

4.2系统时域稳态误差 186

4.3系统稳态误差的计算 186

4.3.1系统的类型 186

4.3.2系统的误差传递函数 186

4.3.3稳态误差系数与稳态误差 186

4.4扰动引起的误差 187

5离散系统的Z域分析 188

5.1离散系统的稳定性分析 188

5.2极点分布与瞬态响应的关系 188

5.3离散系统的稳态误差 189

第4章 控制系统设计方法 190

1控制系统设计的基本原理 190

1.1 Bode定理 190

1.2反馈校正 190

1.3顺馈校正 191

1.4串联校正 191

1.5控制器分类 191

2控制器设计方法 193

2.1按希望特性设计控制器的基本原理 193

2.1.1典型Ⅰ型系统（二阶希望特性系统） 193

2.1.2典型Ⅱ型系统（三阶希望特性系统） 194

2.2按希望特性设计控制器的图解法 196

2.3按希望特性设计控制器的直接法 197

2.4 PID控制器 198

3离散系统设计 199

3.1模拟化设计法 199

3.2离散设计法 200

3.3 PID数字控制器 200

第5章 先进控制理论基础 202

1系统智能化 202

1.1智能控制的产生背景 202

1.2智能机器的智能级别 202

1.3智能化系统的结构 203

1.4人工智能 204

1.4.1人工智能的定义 204

1.4.2人工智能的发展史 204

1.4.3人工智能的研究与应用 205

1.5智能控制系统的特点 206

1.6运动状态的智能控制 207

1.6.1交通工具运动状态的智能控制 207

1.6.2各种数控机床运动状态的智能控制 207

1.6.3机器人运动状态的智能控制 208

2最优控制 208

2.1最优性能指标 208

2.1.1积分型最优性能指标 208

2.1.2末值型最优性能指标 209

2.1.3综合最优性能指标 209

2.2最优控制的约束条件 209

2.2.1对系统的最大控制作用或控制容量的限制 209

2.2.2终了状态的约束条件 209

2.2.3系统的最优参数问题 209

2.3二次型最优控制 209

2.4离散系统的二次型最优控制 210

2.4.1离散系统二次型最优控制问题的求解 210

2.4.2采用离散极小值原理的求解 210

2.4.3最小性能指标的计算 211

2.5动力减振器的最优控制 214

3自适应控制系统 215

3.1模型参考自适应控制 216

3.2自校正自适应控制 216

4模糊控制 217

4.1模糊控制的基本原理 217

4.1.1单变量模糊控制系统 217

4.1.2多变量模糊控制系统 218

4.1.3 Mamdani模糊控制系统 219

4.1.4 T-S模糊推理模型 220

4.1.5模糊控制器设计步骤 220

4.2倒立摆模糊控制实例 220

4.2.1倒立摆系统建模 221

4.2.2模糊控制系统设计 221

4.3工作台位置模糊控制 221

5自学习控制系统 224

5.1迭代自学习控制的基本原理 224

5.2迭代自学习控制应用举例 226

6人工神经网络控制系统 227

6.1人工神经元模型 227

6.2人工神经网络的构成 228

6.3人工神经网络的学习算法 228

6.3.1 BP网络 228

6.3.2 RBF网络 229

7专家系统与专家控制器 234

7.1专家系统的产生与发展 234

7.2专家系统的基本结构与原理 235

7.2.1专家系统的结构 235

7.2.2几种专家系统的工作原理 235

7.3专家控制器的组成 238

7.4专家控制器设计 238

7.4.1专家控制器的设计原则 238

7.4.2专家控制器的建模 239

7.4.3专家控制器的应用实例 239

第6章机械运动控制系统 241

1系统机械结构及传动 241

1.1系统结构及载荷 241

1.1.1系统载荷分析计算 241

1.1.2负载折算 241

1.1.3负载综合计算 243

1.2驱动系统设计 243

1.2.1一般性设计原则 244

1.2.2设计举例 244

2运动驱动器 245

2.1直流伺服电动机 245

2.1.1直流伺服电动机的驱动 245

2.1.2直流伺服电动机的控制 247

2.2交流伺服电动机 247

2.2.1永磁同步电动机的结构与工作原理 247

2.2.2永磁同步电动机的数学模型 247

2.2.3正弦波永磁同步电动机的矢量控制方法 250

2.2.4交流伺服电动机的使用 252

2.3步进电动机 253

2.3.1步进电动机的种类 253

2.3.2步进电动机的主要性能指标 254

2.3.3步进电动机的控制特性 255

2.3.4步进电动机的选择与使用 255

2.4直线电动机 256

2.4.1直线电动机的原理和分类 256

2.4.2直线电动机的选用原则 257

2.4.3直线感应电动机的应用范围 257

2.4.4直线直流电动机的应用 258

3控制系统典型元器件 258

3.1运动控制器 258

3.2伺服电动机 259

3.3减速器 260

3.4编码器 261

3.5人机界面平台 262

3.6线性伺服电动机 263

3.7直驱电动机运动平台 263

4位置控制系统 264

4.1机器人控制系统 264

4.1.1基本组成 264

4.1.2控制方式 265

4.2数控机床伺服系统 265

4.2.1伺服系统的组成 265

4.2.2对伺服系统的基本要求 266

4.2.3控制方式 266

5工作台位置控制系统设计实例 266

5.1系统组成 266

5.2工作原理 267

5.3系统数学模型的建立 268

5.4系统性能分析 269

5.5系统稳定性分析 270

5.6系统设计 270

6飞机机翼的位置控制系统分析 271

6.1单位阶跃瞬态响应 272

6.2单位阶跃稳态响应 274

6.3单位斜坡输入的时间响应 274

6.4三阶系统的时间响应 275

参考文献 282

第26篇 机器人与机器人装备 285

第1章 概述 287

1机器人与机器人系统 287

1.1机器人 287

1.2工业机器人 287

1.3服务机器人 288

2机器人专用术语 289

2.1有关机械结构、几何学和运动学的术语 289

2.2有关编程、控制和安全、性能、感知与导航的术语 289

2.3机器人的分类 292

3工业机器人性能规范和测试方法 294

3.1工业机器人性能指标 294

3.2工业机器人测试方法 295

4机器人的新发展与发展趋势 295

第2章 串联机器人 297

1串联机器人的结构与坐标形式 297

1.1串联机器人的结构 297

1.2自由度 297

1.3工业机器人运动的坐标形式 298

2串联机器人的结构型式及其特点 298

3机器人运动学与动力学 299

3.1基本定义 299

3.2机器人运动学正问题 300

3.3机器人运动学逆问题 301

3.4变换方程 301

3.5微分关系式 301

3.5.1微分平移变换 301

3.5.2微分旋转变换 301

3.5.3动系与固定系之间的微分变换关系 301

3.6雅可比（Jacobian）矩阵 301

3.6.1雅可比矩阵（简称J阵） 301

3.6.2雅可比逆阵 302

3.7机器人动力学问题的常用分析方法 302

3.7.1拉格朗日法 302

3.7.2牛顿-欧拉法 302

3.7.3机器人动力学的正问题 303

4工业机器人的工作空间及与结构尺寸的相关性 303

4.1机器人的工作空间 303

4.2确定工作空间的几何法 303

4.3包容正方体 304

4.4工作空间与机器人结构尺寸的相关性 304

5机器人尺度规划中的优化设计及关键尺寸的选定 304

5.1位置结构的优化设计 304

5.1.1要求使工作空间最小的优化设计 305

5.1.2要求使工作空间最大的优化设计 305

5.2尺度规划时关键尺寸的选定 305

6机器人整机设计原则和设计方法 305

6.1机器人整机设计原则 305

6.2机器人本体的设计步骤 305

7机器人腰部、臂部和腕部结构 307

7.1腰部结构 307

7.2臂部结构 307

7.3腕部结构 308

7.4工业机器人末端执行器的结构 309

8刚度、强度计算及误差分配 312

8.1机器人刚度计算 312

8.2机器人本体强度计算 312

8.3机器人本体连杆参数的误差分配 312

9平衡机构的计算 312

9.1配重平衡机构 312

9.2弹簧平衡机构 312

9.3气缸平衡机构 313

10终端刚度计算 313

11关节驱动力矩计算 314

11.1移动关节驱动力的计算 314

11.2转动关节驱动力矩的计算 314

12灵巧性指标 314

12.1开链结构的局部灵巧性 314

12.2基于动力学的局部性能评价 316

12.3全局灵巧性度量 316

第3章 并联机器人 317

1并联机器的构型 317

1.1并联机器人的型综合 317

1.2并联机器人的腿结构 318

1.3 2～6自由度并联操作手示例 318

2运动学与动力学 328

2.1并联机构运动学位置分析 328

2.1.1运动学位置分析逆问题 328

2.1.2正运动学 328

2.2速度、加速度与精度分析 328

3并联机构的性能评价指标与奇异分析 329

3.1通用公式 329

3.2并联奇异分析 330

4工作空间的确定 330

5静力学分析和静平衡 331

6动力学分析 332

7并联机器人设计问题 333

第4章 轮式机器人 334

1轮式移动机构概述 334

1.1汽车 334

1.2工业车辆 334

1.3建筑机械及农业机械等特殊车辆 334

1.4医疗康复机器 334

1.5教育、研究、开发的轮式移动机构 336

2轮式移动机构的构成要求 336

2.1车体 336

2.2车轮 336

2.3车轮支承机构 338

2.4驱动机构 339

3机构学 339

3.1车轮机构分析 340

3.2转向 341

3.3车轮的旋转驱动 341

3.4轮式移动机构的稳定 342

4运动学 343

4.1与机械手的区别 343

4.2独立两轮驱动 343

4.3前轮转向驱动 343

4.4前轮转向后轮驱动 344

4.5独立4轮转向 344

4.6合成型全方位车轮的移动机构 345

4.7脚轮型驱动轮机构的全方位移动 345

4.8拖车 346

5静力学 346

5.1摩擦 346

5.2轮式移动机构的行驶阻力 347

5.3车轮的驱动力 350

6动力学 351

7控制 351

7.1控制基础 351

7.2导航 353

第5章 机器人驱动系统 356

1机器人驱动系统特点 356

2机器人驱动系统选用原则 356

3电液伺服驱动系统 357

4气动驱动系统 358

5电动驱动系统 359

5.1直流伺服电动机驱动器 361

5.2同步式交流伺服电动机驱动器 361

5.3步进电动机驱动器 362

5.4直接驱动电动机 362

第6章 机器人用传感器 366

1位移传感器 366

1.1电位器 366

1.2光电编码器 366

1.3旋转变压器 367

2速度传感器 367

3加速度传感器 367

4触觉传感器 367

4.1接触觉传感器 367

4.2触觉传感器阵列 368

4.3滑觉传感器 369

5力觉传感器 370

5.1力和力矩的一般检测方法 370

5.2腕力传感器 371

6接近与距离觉传感器 372

6.1磁力式接近传感器 373

6.2气压式接近传感器 373

6.3红外式接近传感器 373

6.4超声式距离传感器 374

7陀螺仪 374

第7章 机器人视觉 376

1概述 376

2机器人视觉系统的组成 377

2.1视觉系统组成 377

2.2镜头和视觉传感器 379

2.3电气输出接口 381

3机器人视觉图像处理 382

3.1机器人的二维图像处理 382

3.1.1前处理 382

3.1.2特征提取 383

3.1.3 匹配和识别 384

3.2三维视觉的分析 385

3.2.1单目视觉 385

3.2.2双目视觉 386

3.2.3物体的表示及匹配 386

4机器人视觉系统实例 387

4.1二值系统 387

4.2灰度系统 387

4.3三维系统 388

第8章 机器人控制系统 389

1机器人控制系统的体系结构、功能、组成和分类 389

1.1机器人控制系统的一般要求与体系结构 389

1.2机器人控制系统的组成 390

1.3机器人控制系统分类 390

2机器人整体控制系统设计方法 391

2.1控制系统结构 391

2.2控制系统设计原则 393

2.3控制系统选择方法 393

3几种典型的控制方法 393

3.1 PID控制 393

3.2滑模控制 394

3.3自适应控制 395

3.4模糊控制 395

3.5机器人的顺应控制 396

3.6位置和力控制系统结构 397

4控制系统硬件构成 397

5控制系统软件构成 400

5.1软件构成 400

5.2软件功能 400

6机器人语言 402

7机器人离线编程与仿真 410

第9章 机器人人工智能 411

1智能机器人的含义 411

1.1感觉功能智能化 411

1.2控制功能智能化 411

1.3移动功能智能化 412

1.4安全可靠性 412

2机器人系统的描述 413

2.1作业程序知识 413

2.2对象物的知识 413

2.3知识表达框架 414

3机器人行为规划 416

3.1作业规划 416

3.2行动规划 416

4机器人知识的获取 419

4.1学习的分类 419

4.2作业知识的获取 420

4.3图像理解与环境知识的获取 421

5智能机器人的控制范式 422

6智能机器人应用前景 423

第10章 机器人工装夹具及变位机 425

1定位与工装夹具 425

1.1定位方法及定位器与夹具体 425

1.1.1基准的概念 425

1.1.2工件以平面定位 425

1.1.3工件以圆孔定位 426

1.1.4工件以外圆柱定位 427

1.1.5组合表面的定位 428

1.1.6型面的定位 428

1.1.7夹具体 428

1.2手动夹紧机构 429

1.3动力工装夹具 429

1.3.1气压和液压夹具 429

1.3.2磁力夹紧装置 436

2机器人变位机 437

2.1变位机的种类 437

2.2变位机与焊接机器人组合的工作站 440

第11章 工业机器人的典型应用 442

1喷涂机器人 442

1.1喷涂机器人的结构 442

1.2喷涂机器人控制系统 442

1.3直接示教轻动化 443

1.3.1示教轻动化的概念 443

1.3.2影响示教轻动化的因素及解决途径 444

1.4应用实例 444

2点焊机器人 445

2.1点焊机器人的结构 445

2.2点焊机器人控制系统 446

2.3点焊机器人应用实例 446

2.3.1机器人工作单元 446

2.3.2机器人生产线 446

3弧焊机器人 447

3.1弧焊机器人的结构 447

3.2弧焊机器人控制系统 448

3.3弧焊机器人应用实例 448

4搬运机器人 449

4.1搬运机器人的结构 449

4.2搬运机器人控制系统 449

4.3搬运机器人应用实例 450

5装配机器人 450

5.1装配机器人结构 450

5.2装配机器人的驱动系统 451

5.3装配机器人应用实例 451

5.3.1用机器人装配电子印制电路板（PCB） 451

5.3.2用机器人装配计算机硬盘 452

6冲压机器人 452

6.1冲压机器人的结构 452

6.1.1臂结构 452

6.1.2末端执行器结构 453

6.2冲压机器人控制系统 453

6.3冲压机器人应用实例 453

6.3.1冲压机器人在应用中的几个问题 454

6.3.2机器人在汽车工业冲压加工中的应用 454

7压铸机器人 455

7.1压铸机器人结构 455

7.2压铸机器人控制系统 455

7.3压铸机器人应用实例 456

第12章 服务机器人技术的新进展 457

1概述 457

1.1服务机器人的分类 457

1.2服务机器人的共性技术 457

2农业机器人 458

2.1农业机器人的特点和分类 458

2.2农业机器人应用实例 459

3医疗机器人 463

3.1神经外科机器人 463

3.2骨科机器人 464

3.3腹腔镜机器人 466

3.4血管介入机器人 467

3.5假肢和外骨骼机器人 467

3.6辅助、康复机器人 469

3.7医院服务机器人 470

4水下机器人 470

4.1水下机器人的定义与分类 470

4.2典型水下机器人 471

5空间机器人 473

5.1空间机器人的定义和分类 473

5.2空间机器人实例 473

6军用机器人 475

6.1军用机器人的含义与分类 475

6.2军用机器人实例 475

7家用服务与娱乐机器人 477

8特种服务机器人 478

9服务机器人前沿关键技术 480

参考文献 481

第27篇 数控技术 483

第1章 概论 485

1基本概念 485

1.1数控设备的组成 485

1.2数控设备的工作过程和分类 486

1.2.1数控设备的工作过程 486

1.2.2数控设备的分类 486

1.3数控设备的检测装置 488

1.4数控设备的辅助功能 488

1.5数控系统的故障诊断 488

2数控技术的发展和现状 488

2.1数控技术的产生与发展 488

2.2数控技术的现状 489

3数控技术的发展趋势 489

4以数控技术为基础的自动化加工技术 490

4.1分布式数字控制系统 490

4.2柔性制造单元及柔性制造系统 490

4.3计算机集成制造系统 491

第2章 数控系统的点位和轨迹控制原理 492

1点位控制 492

2插补原理 492

2.1逐点比较法 492

2.1.1逐点比较法的基本原理 492

2.1.2四象限域的推广 493

2.1.3进给速度合成与分析 494

2.2数字积分法 495

2.2.1求和运算代替求积分运算 495

2.2.2.数字积分法的基本原理 495

2.2.3四象限域工作 497

2.2.4合成进给速度与改善方法 497

2.3数据采样插补 499

2.3.1概述 499

2.3.2数据采样法直线插补 500

2.3.3数据采样法圆弧插补 500

3刀具补偿原理及方法 502

3.1基本概念 502

3.2刀具长度补偿 503

3.3刀具半径补偿 503

3.3.1刀具半径补偿概述 503

3.3.2 B功能刀具半径补偿 504

3.3.3 C功能刀具半径补偿 504

3.3.4刀补造成的过切削报警 506

第3章 数控程序编制 507

1程序编制的目的和方法 507

1.1程序编制的目的 507

1.2程序编制的方法 507

1.2.1手工编程 507

1.2.2计算机辅助编程 507

2数控机床程序编制的有关规定 507

2.1数字控制的标准和代码 507

2.1.1穿孔纸带及其代码 507

2.1.2数控机床的坐标轴与运动方向 508

2.1.3数控机床的坐标系统 508

2.1.4程序段格式 509

2.2常用的程序编制指令 509

2.2.1准备功能指令 509

2.2.2辅助功能指令 509

3程序编制的步骤和实例 511

3.1程序编制的步骤 511

3.1.1对零件图样的分析和工艺处理 511

3.1.2数学处理 512

3.1.3零件（加工）程序单的编写、控制介质的制作及程序的检验 512

3.2数控车床的程序编制 512

3.2.1数控车床的编程特点 512

3.2.2数控车床编程实例一 512

3.2.3数控车床编程实例二 518

3.3数控铣床的程序编制 518

3.3.1平面与曲面加工的工艺处理 518

3.3.2非圆曲线与列表曲线的数学处理 519

3.3.3棱角过渡 522

3.3.4数控铣床的程序编制实例一 522

3.3.5数控铣床的程序编制实例二 523

4计算机数控自动程序编制系统 523

4.1数控语言自动编程 523

4.1.1数控语言自动编程的工作原理 523

4.1.2数控自动编程语言 524

4.1.3数控语言自动程序编制系统的程序设计 525

4.2图形交互数控自动编程 525

4.2.1图形交互编程的原理和特点 525

4.2.2主要的CAD／CAM软件 528

4.2.3 CAD／CAM系统功能分析 528

4.2.4图形交互自动编程的主要步骤 528

4.2.5使用Mastercam软件图形交互自动编程示例 529

4.2.6使用UG软件图形交互自动编程示例 531

第4章 数控伺服系统 534

1伺服驱动结构系统的组成 534

2开环伺服系统 534

2.1概述 534

2.2步进电动机的工作原理 535

2.3步进电动机的特性 536

2.4步进电动机的控制电路 537

2.5开环系统的反馈补偿方法 538

3闭环伺服系统 539

3.1概述 539

3.2直流伺服电动机及其速度控制 539

3.3交流伺服电动机及其速度控制 541

第5章 数控检测装置 545

1概述 545

1.1位置检测装置的分类 545

1.2对位置检测装置的要求 545

2光电盘和编码盘 545

2.1光电盘 545

2.2编码盘 546

3感应同步器 547

3.1感应同步器的工作原理和信号处理 547

3.1.1结构与工作原理 547

3.1.2信号处理 547

3.2感应同步器的分类和主要参数 547

3.2.1直线式感应同步器 547

3.2.2旋转式感应同步器 548

3.3感应同步器的特点 548

4旋转变压器 548

4.1旋转变压器的结构和工作原理 548

4.1.1旋转变压器的结构 548

4.1.2旋转变压器的工作原理 548

4.2旋转变压器的工作方式 549

4.2.1鉴幅型 549

4.2.2鉴相型 550

5光栅 550

5.1光栅的基本原理 550

5.2光栅的分类 551

5.2.1透射和反射光栅 551

5.2.2直线光栅与圆光栅 551

5.3光栅的测量装置 551

5.3.1读数头 551

5.3.2装置原理 552

6磁尺 552

第6章 计算机数控装置 554

1计算机数控系统概述 554

1.1计算机数控系统的定义 554

1.2计算机数控系统的组成 554

1.3计算机数控系统的特点 555

2计算机数字控制装置的硬件结构 555

2.1大板式结构和模块化结构 555

2.2单微处理器数控装置和多微处理器数控装置 556

2.3开放式数控体系结构 557

3 CNC装置功能 558

3.1 CNC装置的主要功能与工作过程 558

3.2 CNC装置的可选择功能 560

4 CNC装置的软件系统 560

4.1 CNC软件的特点 560

4.2 CNC系统软件的总体结构 562

4.2.1前后台型软件 562

4.2.2多重中断型软件结构 563

5国内外典型的数控装置简介 564

5.1国内典型数控装置 564

5.1.1中华Ⅰ型数控系统 564

5.1.2华中数控系统 565

5.1.3航天数控系统 566

5.1.4蓝天系列CNC系统 568

5.1.5凯恩帝（KND） CNC系统 569

5.1.6 i5数控系统 569

5.2国外典型数控装置 570

5.2.1 FANUC公司的主要数控系统 570

5.2.2西门子公司的主要数控系统 573

参考文献 575

第28篇 微机电系统及设计 577

第1章 微机电系统概述 579

1基本概念 579

1.1微传感器 579

1.2微执行器和微结构 579

1.3微机电系统的基本特征 580

1.4微机电系统技术和微电子技术的比较 580

2微机电系统发展历程 580

3微机电系统及相关技术 581

3.1微机电系统组成 581

3.2微机电系统设计 582

3.3微机电系统制造 582

3.4微机电系统封装 583

3.5微装配 584

3.6系统封装（Sip） 584

3.7微机电系统可靠性 585

3.8微机电系统测试 585

4微机电系统应用领域 586

4.1微机电系统在汽车中的应用 586

4.2微机电系统在医疗和生命科学领域中的应用 587

4.3微机电系统在电信领域中的应用 587

第2章 微机电系统制造 588

1体硅微机械加工技术 588

1.1硅晶体的描述 588

1.2各向同性腐蚀 588

1.3各向异性腐蚀 589

1.3.1不同腐蚀液中的腐蚀速率 589

1.3.2腐蚀速率与温度的关系 590

1.3.3腐蚀速率与腐蚀液含量的关系 591

1.3.4腐蚀速率与衬底掺杂浓度的关系 591

1.3.5.不同腐蚀液中的腐蚀表面状况 592

1.3.6各向异性腐蚀加工技术中的凸角补偿方法 592

1.4深反应离子刻蚀 593

1.4.1刻蚀原理 593

1.4.2载片台温度与SF6／O2配比的影响 594

1.4.3 SF6流量与ICP功率的影响 595

1.4.4滞后效应和凹缺效应 595

1.4.5深反应离子刻蚀工艺优化 596

1.5硅直接键合技术 597

1.5.1硅直接键合技术的分类 597

1.5.2键合前的清洗 598

1.5.3键合表面的活化 599

1.5.4平整度对键合的影响 599

1.5.5键合后的热处理 600

1.5.6键合质量的表征 600

2表面微机械加工技术 602

2.1表面微机械加工的薄膜材料及其特性 602

2.1.1多晶硅 602

2.1.2氧化硅 604

2.1.3氮化硅 606

2.1.4碳化硅 606

2.1.5其他表面微机械加工材料 607

2.2牺牲层释放腐蚀技术 607

2.2.1氧化硅牺牲层的腐蚀 607

2.2.2黏附问题及其解决方案 609

2.3标准化的表面微机械加工工艺 612

2.3.1 MUMPS加工工艺 612

2.3.2 SUMMiTTM-V加工工艺 612

3玻璃微机械加工技术 613

3.1湿法刻蚀 613

3.2干法刻蚀 614

3.3阳极键合 615

3.4模具成型 616

3.5其他加工方法 618

4 UV-LIGA技术 618

4.1工艺流程 619

4.2去胶工艺 621

4.3 SU-8胶光学特性 623

4.4 SU-8胶其他特性 624

5其他微机械加工技术 624

5.1激光微加工技术 624

5.2电火花微加工技术 626

5.3热压微成型技术 627

5.4注射微成型技术 628

6微机电系统制造工艺优化 629

6.1常用材料的刻蚀特性 629

6.2微机电系统加工技术比较 636

6.3工艺设计及优化 637

第3章 微机电系统设计 640

1设计工具 640

1.1 CoventorWare简介 640

1.2 CoventorWare设计实例 641

1.3 IntelliSuite简介 642

1.4 IntelliSuite设计实例 643

2微机械润滑 646

2.1比例尺度基础知识 646

2.1.1立方定律 646

2.1.2连续介质假设 646

2.1.3表面粗糙度 647

2.2润滑的基本方程 647

2.3 Couette流阻尼 647

2.4压膜阻尼 648

2.4.1基本方程 648

2.4.2通气孔效应 648

2.5摩擦和磨损 649

3静电执行器 649

3.1面内运动执行器 649

3.2离面运动执行器 649

3.3性能参数 650

3.4材料参数 650

3.5材料选择优化 651

3.6多层材料的选择 652

4压电执行器 652

4.1执行器性能设计 653

4.2材料选择 654

4.3性能综合 657

5热执行器 658

5.1双层材料热执行器基本原理 658

5.2性能设计 658

5.3性能指标的优化 659

5.4双层材料执行器材料选择 661

5.5执行器设计的其他因素 665

6热气动和相变执行器 665

6.1热气动执行器的原理 665

6.2隔膜结构的机械设计 665

6.3热气动执行器的热学性能 669

6.4热气动执行器的材料选择 670

6.5相变执行器 670

6.6设计综合 671

7磁执行器 671

7.1按比例缩小规则 671

7.2永磁体和线圈间的等效 672

7.3微线圈中的电流密度 673

7.4磁相互作用的优点 673

8执行器比较 674

8.1微执行器分类 674

8.2 MEMS执行器和宏观执行器的性能图 674

8.2.1最大力和最大位移 674

8.2.2位移分辨力与最大位移 676

8.2.3最大频率与最大位移 676

第4章 微机电系统实例 677

1微机械压力传感器 677

1.1器件结构与性能参数 677

1.2压阻式压力传感器 678

1.3电容式压力传感器 681

1.3.1设计改进 682

1.3.2电路集成和器件补偿 683

1.4其他类型压力传感器 685

1.4.1谐振式压力传感器 685

1.4.2伺服控制式压力传感器 685

1.4.3隧道压力传感器 686

1.4.4光学拾取式压力传感器 686

1.4.5热型压力式传感器 686

1.5压力传感器性能比较 687

2微机械惯性传感器 687

2.1惯性测量原理 688

2.2设计参数 688

2.2.1质量块与弹簧 689

2.2.2阻尼器 689

2.2.3动态冲击 691

2.2.4传感方式 691

2.3惯性传感器的系统问题 692

2.3.1单片集成或多芯片集成 692

2.3.2开环或闭环控制 692

2.4系统实例 692

2.4.1 Motorola双片集成横向加速度计 692

2.4.2 ADI单片集成陀螺仪 693

3微滴发生器 694

3.1微滴发生器的工作原理 694

3.2物理及设计问题 694

3.2.1频率响应 696

3.2.2热／水压串扰和溢出 697

3.2.3附属液滴 698

3.2.4水坑形成 698

3.2.5材料问题 698

3.3应用 698

4微流控芯片 700

4.1微流控芯片制造及材料 700

4.2微流体驱动与控制技术 701

4.3微流控系统 703

4.3.1微流控大规模集成芯片 703

4.3.2自调节治疗微系统（智能药丸） 704

5微机械装置 704

5.1机械设计 704

5.1.1柔性单元 704

5.1.2应力集中 706

5.1.3屈曲 707

5.2失效机制 707

5.2.1离面结构的垂直浮动和机械干扰 707

5.2.2电学短路 707

5.2.3光刻误差 708

5.2.4提高机械装置可靠性的方法 708

5.3应用实例 708

5.3.1微马达 708

5.3.2抗干扰齿轮鉴别器 708

5.3.3柔性微镜 709

6微机器人 710

6.1微机器人定义 710

6.2微机器人应用领域 710

6.2.1基于MEMS技术的微机器人应用 710

6.2.2微组装应用 711

6.3微机器人制造方法 711

6.3.1微执行器阵列 711

6.3.2微执行器的选择 712

6.3.3基于微执行器阵列的移动微机器人 712

6.4微机器人器件 712

6.4.1微夹子和其他微型工具 713

6.4.2微运输器 713

6.4.3行走MEMS微机器人 714

6.5微工厂或桌面工厂 716

参考文献 717

第29篇 机械状态监测与故障诊断技术 719

第1章 概述 721

1机械状态监测与故障诊断技术综述 721

1.1机械状态监测与故障诊断的意义 721

1.2机械状态监测与故障诊断技术的发展、现状与展望 721

2设备维修与现代化管理 722

2.1设备运行状态 722

2.2设备维修制度 722

3机械故障诊断的基本知识 723

3.1机械故障诊断的基本概念 723

3.2机械故障诊断的内容 723

3.3机械设备状态监测与故障诊断系统的工作流程 723

3.4机械故障诊断系统的组成 724

3.5机械故障诊断技术的分类 724

第2章 信号采集系统的组成 725

1信号采集系统概述 725

2传感器 725

2.1压电式加速度传感器 726

2.1.1工作原理 726

2.1.2结构型式 727

2.1.3压电式加速度传感器的指标 727

2.1.4内装集成电路压电式加速度传感器 728

2.1.5加速度传感器的选择 728

2.1.6安装方式 728

2.1.7部分厂家部分压电式加速度传感器型号及技术指标 730

2.2磁电式速度传感器 732

2.2.1工作原理 732

2.2.2结构型式 733

2.2.3安装使用 733

2.2.4磁电式速度传感器性能特点 733

2.2.5部分厂家部分磁电式速度传感器技术指标 733

2.3电涡流传感器 734

2.3.1工作原理 734

2.3.2结构型式 734

2.3.3性能特点 735

2.3.4使用注意事项 735

2.3.5电涡流传感器的安装要求 735

2.3.6部分厂家电涡流传感器技术指标 736

2.4传感器的技术指标 736

2.5传感器的标定 736

2.5.1标定内容 736

2.5.2标定方法 737

2.5.3电涡流传感器的标定 737

3信号放大器 737

3.1电压放大器 737

3.1.1电压放大器工作原理和等效电路 737

3.1.2电压放大器性能 738

3.2电荷放大器 738

3.2.1电荷放大器的工作原理 738

3.2.2电荷放大器的性能 738

3.2.3部分电荷放大器型号和性能指标 739

4滤波器 739

4.1滤波器的数学原理 739

4.2滤波器的分类 739

4.3滤波器的主要技术指标 740

4.4常用滤波器 740

4.4.1模拟滤波器 740

4.4.2数字滤波器 741

4.4.3 RC有源滤波器 741

4.4.4 RC无源滤波器 743

5模数转换器（ADC） 743

5.1 ADC的类型 743

5.2 ADC的主要技术指标 743

5.3 ADC的选择原则 744

5.4常用的ADC 744

第3章 机械故障诊断中的信号处理 745

1信号的概念和分类 745

2常见基本信号 746

3连续信号的离散化 746

3.1采样与采样定理 747

3.1.1采样与采样保持 747

3.1.2频率混叠与采样定理 747

3.2量化与量化误差 747

3.3截断与泄漏 747

3.3.1信号的截断 747

3.3.2能量的泄漏 748

3.3.3窗函数 748

3.4频域采样定理 749

3.4.1频域采样 749

3.4.2栅栏效应 749

3.4.3频域采样定理 749

4信号处理的方法 749

4.1信号预处理技术 749

4.1.1时域平均法 749

4.1.2自适应消噪技术 750

4.1.3共振解调技术 750

4.2信号的时域分析方法 750

4.2.1信号的时域分解 750

4.2.2信号的时域统计 751

4.2.3信号的时域相关分析 751

4.3信号的频域分析方法 752

4.3.1周期信号傅里叶级数及频谱 752

4.3.2信号傅里叶变换和傅里叶逆变换 753

4.3.3非周期信号的傅里叶变换及频谱 753

4.3.4离散信号的傅里叶变换 755

4.3.5快速傅里叶变换 755

4.3.6短时傅里叶变换 756

4.3.7常用的谱分析技术 756

4.4现代信号处理方法 757

4.4.1小波分析 757

4.4.2 Wigner-Ville分布 759

4.4.3希尔伯特-黄变换 761

4.4.4盲源分离 762

4.4.5混沌与分形技术 763

4.4.6数学形态分析 766

4.5旋转机械常用的振动信号处理图形 766

4.5.1时域波形 766

4.5.2频谱图 767

4.5.3轴心轨迹 767

4.5.4阶比分析 768

4.5.5转子振型 768

4.5.6博德图和奈奎斯特图 768

4.5.7全息谱 768

第4章 旋转机械运行状态的振动监测技术 769

1诊断对象的选择 769

2监测方式的选择 769

3监测参数的选择 769

3.1监测参数的类型 769

3.2监测参数选择的方法 769

4监测点的选择 770

4.1测定点选择的一般原则 770

4.2测点的布置方法及应注意的事项 770

4.3测量方法的确定 770

5监测周期的确定 771

5.1定期检测 771

5.2设备点检 771

5.3在线监测 772

6判断标准的确定 772

6.1绝对判断标准 772

6.2相对判断标准 775

6.3类比判断标准 775

6.4振动诊断标准的制定方法 775

7简易诊断与精密诊断技术 775

7.1简易诊断原理 775

7.2简易诊断仪器 775

7.3简易诊断工作过程 776

7.4精密诊断原理 777

7.5精密诊断技术的实现 778

第5章 机械故障诊断中的模式识别方法 780

1模式识别的理论基础 780

1.1模式识别的任务 780

1.2模式识别的步骤 780

2统计模式识别方法 780

2.1统计模式识别方法基本理论 780

2.2距离函数判别法 781

2.3贝叶斯法则 782

2.3.1基于最小错误率的贝叶斯决策规则 782

2.3.2基于最小风险的贝叶斯决策规则 782

2.3.3最小最大决策规则 782

2.4统计识别方法的步骤 783

2.5诊断实例 783

3逻辑模式识别方法 784

3.1逻辑识别方法的定义 784

3.2逻辑识别方法的原理 784

3.2.1故障树的建立 784

3.2.2逻辑识别方法的原理 784

3.3逻辑识别方法的步骤 785

4模糊模式识别方法 785

4.1模糊模式识别的基本原理 785

4.1.1模糊关系方程的建立 785

4.1.2隶属函数 785

4.1.3故障特征模糊向量的确定 787

4.1.4模糊关系矩阵的确定 787

4.1.5模糊识别的主要方法（模糊算子的确定） 787

4.2模糊模式识别的步骤 788

4.3诊断实例 788

5灰色系统识别方法 789

5.1灰色理论的基本概念 789

5.2灰色关联度分析法 789

5.2.1灰色关联分析的基本原理 789

5.2.2灰色关联分析方法的步骤 789

5.2.3诊断实例 789

5.3灰色预测法 790

5.3.1灰色预测法基本原理 790

5.3.2灰色预测的步骤 790

5.3.3预测实例 791

6时间序列分析方法 791

6.1时间序列分析的基础 791

6.1.1自回归滑动平均模型ARMA（m，n） 791

6.1.2自回归模型AR（m） 791

6.1.3滑动平均模型MA（n） 791

6.2 AR （m）模型的建模过程 792

6.2.1 AR （m）模型参数的最小二乘法估计 792

6.2.2 AR （m）模型阶数的确定 792

6.3时序模型诊断的方法 792

6.3.1根据模型参数进行诊断 792

6.3.2根据模型残差方差进行诊断 792

6.3.3利用AIC指标进行诊断 793

6.3.4利用AR模型的谱密度进行诊断 793

6.4时序方法识别的步骤 793

6.5诊断实例 793

7神经网络识别方法 794

7.1神经网络基础 794

7.1.1生物神经元 794

7.1.2人工神经元 794

7.1.3神经网络的拓扑结构 795

7.1.4神经网络的学习规则 795

7.2神经网络的基本模型 795

7.2.1多层感知器与BP算法 796

7.2.2 Hopfield神经网络 796

7.2.3自组织神经网络 797

7.3神经网络的识别步骤 797

7.4诊断实例 797

8支持向量机识别方法 798

8.1支持向量机识别方法的基本原理 798

8.2支持向量机的分类方法 799

8.3支持向量机识别方法的步骤 799

8.4诊断实例 799

9模拟退火算法 800

9.1模拟退火算法的基本原理 800

9.2模拟退火算法的步骤 800

10专家系统 801

10.1专家系统的基本概念 801

10.2专家知识及其特点 801

10.3专家系统的基本结构 801

10.3.1知识库 801

10.3.2推理机 802

10.3.3知识的获取程序 803

10.3.4综合数据库 803

10.3.5解释程序 803

10.3.6人机接口软件 803

10.4专家系统的开发 804

10.4.1专家系统开发的条件 804

10.4.2专家系统开发内容与步骤 804

10.4.3专家系统开发的原则 804

10.5专家系统的应用 804

第6章 旋转机械和典型零件的故障诊断方法 805

1旋转机械故障诊断与旋转机械振动的关系 805

2旋转机械典型故障的诊断方法 805

2.1转子不平衡的振动特征及诊断 805

2.2转子弯曲的振动特征与诊断 807

2.3轴不对中故障的振动特征与诊断 808

2.4转子支承松动的振动特征与诊断 810

2.5油膜涡动和油膜振荡的振动特征与诊断 811

2.6旋转失速和喘振的振动特征与诊断 813

2.7转轴横向裂纹的振动特征与诊断 816

3齿轮故障诊断 817

3.1齿轮失效的常见形式及原因 817

3.2齿轮振动的力学模型 819

3.3齿轮的振动分析 819

3.3.1齿轮正常振动的分析 819

3.3.2齿轮故障振动的分析 820

3.4齿轮箱振动分析 823

3.5齿轮的振动诊断 824

3.5.1齿轮的振动测量 824

3.5.2简易诊断法 824

3.5.3精密诊断法 826

4滚动轴承故障诊断 828

4.1滚动轴承常见的失效形式 828

4.2滚动轴承的振动分析 828

4.2.1滚动轴承的特征频率 828

4.2.2滚动轴承的振动特征 828

4.3滚动轴承的故障诊断 829

4.3.1滚动轴承的振动诊断 829

4.3.2滚动轴承的其他诊断方法 835

第7章 机械故障诊断的其他方法 837

1概述 837

2油样分析技术 837

2.1油样分析技术概述 837

2.2油样光谱分析技术 837

2.2.1光谱分析的物理原理 837

2.2.2原子吸收光谱分析法 838

2.2.3原子发射光谱分析法 838

2.3油样铁谱分析技术 838

2.3.1分析式铁谱仪 839

2.3.2直读式铁谱仪 841

2.3.3旋转式铁谱仪 842

2.3.4铁谱分析的程序 842

3温度检测方法 844

3.1接触式测温法 844

3.1.1热电偶式传感器 844

3.1.2热电阻式传感器 845

3.2非接触式测温法（红外测温法） 845

3.2.1红外的基本知识 845

3.2.2红外测温的基本原理和特点 847

3.2.3红外测温系统 847

4无损检测法 851

4.1磁粉探伤法 851

4.2渗透探伤法 853

4.3超声波探伤法 854

4.4声发射技术 857

5机械参数监测方法 860

5.1机械结构参数监测法 860

5.2力学性能参数监测法 860

参考文献 861

第30篇 激光及其在机械工程中的应用 863

第1章 激光加工概论 865

1激光器基础 865

1.1激光特性 865

1.2激光器基本构成 865

2加工中常用的激光器 866

3激光加工物理基础 867

3.1材料对激光吸收的一般规律 867

3.2金属的激光加热 868

3.3激光辐射下金属的蒸发及小孔效应 868

第2章 激光打孔 869

1激光打孔的特点与分类 869

2激光打孔的原理及物理过程 869

3激光打孔工艺参数 870

3.1影响打孔质量的主要参数 870

3.2激光打孔的辅助工艺 873

4激光打孔的质量检验 873

第3章 激光切割 875

1激光切割机理 875

1.1激光切割原理 875

1.2激光切割主要方式 875

2激光切割质量 876

2.1激光切割质量评价 876

2.2切割质量实例 876

3影响激光切割质量的因素 877

3.1激光光源的影响 877

3.1.1激光光束质量 877

3.1.2激光工作模式和功率 878

3.2辅助气体 879

3.3喷嘴 881

3.4焦点位置 881

3.5切割速度 882

3.6计算机辅助工艺设计影响因素 884

4常用工程材料的激光切割 885

4.1金属材料的激光切割 885

4.1.1碳钢 885

4.1.2不锈钢 886

4.1.3铝合金 886

4.1.4钛及合金 887

4.1.5铜合金与镍基合金 887

4.2非金属材料的激光切割 888

第4章 激光焊接 889

1激光焊接原理与分类 889

1.1激光焊接特点与分类 889

1.2激光焊接与传统焊接工艺的比较 889

2激光热传导焊接 890

2.1焊接接头设计 890

2.2激光热传导焊接工艺参数的选择 890

3激光深熔焊接 892

3.1激光深熔焊接的原理及特征 892

3.2激光深熔焊接工艺参数的选择 892

3.3激光深熔焊接时常见的几种效应 894

4激光焊接中常出现的问题 895

4.1等离子体云 895

4.2表面成形 895

4.3气孔 895

4.4裂纹 896

5典型材料的激光焊接 896

5.1材料激光焊接的焊接性 896

5.2金属材料的激光焊接 896

5.2.1铝及铝合金的激光焊接 896

5.2.2钢的激光焊接 897

5.2.3铜及铜合金的焊接 897

5.2.4钛合金的激光焊接 898

5.2.5耐热合金的激光焊接 898

5.2.6镁合金的激光焊接 898

5.2.7异种金属的激光焊接 899

第5章 激光淬火 900

1激光淬火原理与特点 900

1.1激光淬火机理 900

1.2激光淬火的特点 900

1.3激光淬火工艺适用范围 900

2激光淬火质量 901

2.1质量指标 901

2.2激光淬火质量指标的影响因素 901

3激光淬火工艺及参数 902

3.1工件预处理 902

3.2激光扫描工艺 903

3.2.1激光束焦点与扫描表面的相对位置 903

3.2.2激光扫描基本工艺 904

3.2.3基本工艺参数 905

3.2.4脉冲激光硬化工艺 908

3.3原始组织对激光硬化组织性能的影响 909

3.4含碳量及合金元素的影响 910

3.4.1含碳量的影响 911

3.4.2合金元素的影响 911

3.5激光淬火后金属材料的组织结构和性能 912

3.6激光淬火后材料残余应力及变形 913

3.6.1残余应力 913

3.6.2变形 914

3.7应用实例 914

第6章 激光熔覆与合金化 916

1激光熔覆与合金化的基础 916

1.1激光熔池的温度场及其影响因素 916

1.2激光熔池的对流及其影响 916

1.2.1激光熔池的对流机制 916

1.2.2熔池的对流模型 916

1.2.3影响熔池对流特征的因素 918

2激光熔覆 919

2.1常用的激光熔覆材料 919

2.2激光熔覆的工艺方法 919

2.2.1熔覆材料的供给方式 920

2.2.2基材表面预处理 920

2.2.3预热与后热处理 920

2.3激光工艺参数的影响 921

2.3.1激光工艺参数对熔覆层形状特征的影响 921

2.3.2激光工艺参数对稀释率的影响 921

3激光合金化 924

3.1激光合金化基础 924

3.2激光合金化工艺 924

3.2.1合金元素选择 924

3.2.2激光合金成分设计 925

3.2.3后续处理 925

3.3常见的合金化 925

3.3.1铁系激光合金化 925

3.3.2有色金属激光表面合金化 928

3.3.3气体激光合金化 928

4激光熔覆与合金化的质量控制 929

4.1激光熔覆与合金化的表面形貌及其控制 929

4.1.1表面形貌类型及成因 929

4.1.2表面形貌的影响因素及控制 929

4.2激光熔覆与合金化的成分均匀性及其控制 930

4.3激光熔覆与合金化层的应力状态、裂纹与变形 931

4.3.1激光熔凝层的应力状态 931

4.3.2激光熔凝层的裂纹 931

4.3.3激光熔凝引起基材变形 931

4.4激光熔覆与合金化层的气孔及其控制 931

第7章 激光冲击强化 933

1概述 933

2激光冲击过程机理 933

2.1材料对激光的吸收 933

2.2材料在激光冲击下的传热 933

2.3金属在激光冲击下汽化 934

2.4激光冲击产生冲击波 934

3激光冲击的两种模型 935

4涂层和约束涂层技术 936

4.1能量吸收涂层 936

4.2约束层 937

5激光冲击设备 937

6典型材料的激光冲击强化效果 938

第8章 激光在其他机械工程领域的应用 940

1激光板料成形 940

1.1概述 940

1.2激光热应力成形简介 940

1.3激光热应力成形机理 941

1.4激光热应力成形的影响因素 941

1.5激光冲击成形简介 941

1.6冲击成形的工艺过程 942

1.7冲击成形的影响因素 942

2激光毛化 942

2.1毛化原理 942

2.2激光毛化系统 943

2.3毛化参数的影响 944

3激光标记 944

3.1概述 944

3.2打标方式 945

3.3激光打标的应用 945

4激光表面非晶化 945

4.1概述 945

4.2激光脉冲沉积 946

4.3激光化学气相沉积 946

4.4激光熔覆与激光重熔 946

4.5表面非晶化实例 947

5激光清洗 947

5.1概述 947

5.2激光表面处理原理 947

5.3激光清洗系统 949

5.4激光清洗的应用 949

6激光全息干涉无损检测技术 949

6.1全息干涉无损检测原理 949

6.2全息干涉无损检测的加载方法 950

6.3应用实例 950

6.3.1航空雷达罩胶接质量检测 950

6.3.2复合材料检测 950

6.3.3轮胎检测 951

第9章 激光加工的安全防护 952

1激光辐射的危害 952

1.1激光损伤组织的因素 952

1.2激光对眼睛的危害 952

1.3激光对皮肤的危害 952

2使用激光时伴随的危害 953

3激光安全防护标准 953

4激光危害分类 955

4.1决定激光危害分类的因素 955

4.2可达发射极限和激光危害分类 955

5激光危害的工程控制 956

5.1激光加工系统危害的工程控制 956

5.1.1一般要求 956

5.1.2防护罩 957

5.1.3安全联锁 957

5.1.4遥控联锁连接器 957

5.1.5钥匙开关 957

5.1.6激光辐射发射警告 957

5.1.7光路 957

5.1.8镜反射 957

5.1.9光束的终止 958

5.1.10光学观察器 958

5.1.11防止意外触发 958

5.1.12应急断电开关 958

5.2激光安全标志 958

5.2.1激光辐射警告标志的图形和尺寸 958

5.2.2标志的颜色和文字说明 959

5.2.3设置与使用