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第1章 总论 1

1.1 “机电一体化”涵义 1

1.2 优先发展机电一体化领域及共性关键技术 2

1.3 机电一体化系统构成要素及功能构成 5

1.4 机电一体化系统构成要素的相互连接 9

1.5 机电一体化系统的评价 10

1.6 机电一体化系统的设计流程 11

1.7 机电一体化系统设计的考虑方法及设计类型 13

一、机电一体化系统设计的考虑方法 13

二、机电一体化系统的设计类型 14

1.8 机电一体化工程与系统工程 14

1.9 机电一体化系统设计的设计程序、准则和规律 15

1.10 机电一体化系统的开发工程与现代设计方法 16

一、机电一体化系统的开发工程 16

二、机电一体化系统设计与现代设计方法 18

思考题和习题 20

第2章 机电一体化系统的机械系统部件选择与设计 22

2.1 机械系统的选择与设计要求 22

2.2 机械传动部件的选择与设计 22

一、机械传动部件及其功能要求 22

二、丝杆螺母机构的基本传动形式 23

三、滚珠丝杠副传动部件 25

四、齿轮传动部件 35

五、挠性传动部件 42

六、间歇传动部件 44

2.3 导向支承部件的选择与设计 46

一、导轨副的组成、种类及其应满足的要求 46

二、滑动导轨副的结构及选择 50

三、滚动导轨副的类型与选择 56

四、静压导轨副工作原理 61

2.4 旋转支承部件的选择与设计 63

一、旋转支承部件的种类及基本要求 63

二、圆柱支承 63

三、圆锥支承 66

四、填入式滚动支承 66

五、其他形式支承 67

2.5 轴系部件的选择与设计 70

一、轴系设计的基本要求 70

二、轴（主轴）系用轴承的类型与选择 71

三、提高轴系性能的措施 78

2.6 机电一体化系统的机座或机架 78

一、机座或机架的作用及基本要求 78

二、机座或机架的结构设计要点 80

思考题和习题 84

第3章 机电一体化系统执行元件的选择与设计 86

3.1 执行元件的种类、特点及基本要求 86

一、执行元件的种类及特点 86

二、执行元件的基本要求 88

3.2 常用的控制用电动机 88

一、控制用电动机的基本要求 88

二、控制用电动机的种类、特点及选用 89

3.3 步进电动机及其驱动 91

一、步进电动机的特点与种类 91

二、步进电动机的工作原理 93

三、步进电动机的运行特性及性能指标 96

四、步进电动机的驱动与控制 101

3.4 直流（DC）和交流（AC）伺服电动机及其驱动 111

一、直流（DC）伺服电动机及其驱动 111

二、交流（AC）伺服电动机及其驱动 114

思考题和习题 117

第4章 机电一体化系统的微机控制系统选择及接口设计 118

4.1 专用与通用、硬件与软件的权衡与抉择 118

4.2 微机控制系统的设计思路 119

4.3 微型计算机的系统构成及种类 123

一、微型计算机的系统构成 123

二、微型计算机的种类 125

4.4 微型计算机软件与程序设计语言 127

4.5 微型计算机的应用领域及选用要点 128

4.6 8086/8088CPU微机的硬件结构特点 129

一、8086/8088CPU的主要结构特点 129

二、8086/8088CPU的最大与最小工作模式 129

三、8086/8088CPU引脚的功能定义 130

四、8086CPU最小、最大工作模式系统的典型配置 133

4.7 Z80CPU微机的结构特点及存储器、输入／输出扩展接口 136

一、Z80CPU的结构特点 136

二、总线驱动器 137

三、存储器 138

四、输入／输出接口 142

五、Z80CPU的存储器及I/O接口扩展举例 146

4.8 单片机的结构特点及最小应用系统 147

一、MCS-51系列单片机的结构特点 149

二、MCS-51系列单片机的最小应用系统及其扩展 151

4.9 数字显示器及键盘的接口电路 154

一、数字显示器的结构及其工作原理 154

二、键盘、显示器的接口电路 156

4.10 可编程逻辑控制器（PLC）的构成及应用举例 159

一、PLC的构成及工作原理 159

二、PLC的应用举例 161

4.11 微机应用系统的输入／输出控制的可靠性设计 164

一、光电隔离电路设计 164

二、信息转换电路设计 167

4.12 常用检测传感器的性能特点、选用及微机接口 169

一、检测传感器的分类与基本要求 169

二、各类传感器的主要性能及优缺点 172

三、传感器的选用原则及注意事项 181

四、检测传感器的测量电路 182

五、检测传感器的微机接口 183

思考题和习题 186

第5章 机电一体化系统的元、部件的特性分析 187

5.1 自动控制理论与机电一体化系统 187

5.2 机电一体化系统元、部件的动态特性分析 196

一、机械系统特性及变换机构 196

二、机械系统的机构静力学特性分析 198

三、机械系统的机构动力学特性分析 200

四、两自由度机器人运动轨迹创成所需转矩分析 205

5.3 传感器的动态特性分析 206

一、动电式变换器的特性分析 207

二、压电式变换器的特性分析 207

5.4 执行元件的动态特性分析 209

一、电磁变换执行元件的特性分析 210

二、具有反馈环节的驱动电路电磁变换执行元件的特性分析 211

三、压电式执行元件及其特性分析 211

四、执行元件与机械惯性阻转矩的匹配方法 213

五、凸轮曲线理论 214

思考题和习题 216

第6章 机电一体化系统的机电有机结合分析与设计 217

6.1 机电一体化系统的稳态与动态设计 217

6.2 机电有机结合之一——机电一体化系统的稳态设计考虑方法 217

一、典型负载分析 217

二、执行元件的匹配选择 220

三、减速比的匹配选择与各级减速比的分配 221

四、检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路及电源等的匹配选择与设计 222

五、系统数学模型的建立及主谐振频率的计算 222

6.3 机电有机结合之二——机电一体化系统的动态设计考虑方法 230

一、机电伺服系统的动态设计 230

二、系统的调节方法 230

三、机械结构弹性变形对系统特性的影响 237

四、传动间隙对系统特性的影响 243

五、机械系统实验振动模态参数识别 244

6.4 机电一体化系统的可靠性、安全性设计 245

一、可靠性设计 245

二、安全性设计 251

思考题和习题 253

第7章 常用机械加工设备的机电一体化改造分析与设计 255

7.1 机床的机电一体化改造分析 255

一、机械传动系统的改造设计方案分析 255

二、机械传动系统的简化 260

三、机床机电一体化改造的性能及精度选择 261

四、机床进给系统的有机结合的匹配计算 262

7.2 微机控制系统的设计分析 265

一、选择Z80CPU单板机的控制系统设计（以车床为例） 265

二、选择8031单片机的控制系统设计（以X-Y工作台为例） 275

三、XA6132型铣床的多CPU直流伺服系统设计 277

思考题和习题 279

第8章 典型机电一体化系统（产品）设计简介 281

8.1 工业机器人 281

一、简述 281

二、电动喷砂（多关节型）机器人 282

三、装配机器人（SCARA型） 287

8.2 计算机数字控制（CNC）机床设计简介 291

一、简述 291

二、CNC机床的分类及控制方式 292

三、CNC系统的组成和作用 294

四、CNC控制程序编制基础 295

五、BKX-I型变轴计算机数控（CNC）机床设计 304

六、PRS-XY型混联CNC机床设计 313

七、CNC机械加工中心（MC） 321

8.3 汽车的机电一体化 326

一、简述 326

二、汽车用传感器 326

三、数字式电子点火系统 330

四、电子控制的自动变速器 333

五、汽车自动空调系统 334

8.4 电子秤 336

8.5 三坐标测量机 339

8.6 电子灶烹调自动化 342

8.7 自动售票机 344

8.8 自动售货机 348

思考题和习题 350

附录 常用基本逻辑符号的中外及新旧标准对照表 351

参考文献 353