机电一体化技术 第2版

本书详细介绍了机电一体化技术的相关技术，共8章。第1章是机电一体化技术的概述部分，讲解了机电一体化技术概念、产品分类、技术组成、技术发展现状及发展趋势等内容；第2章为机械系统设计理论，重点讲解机械系统组成，机械系统建模（以传动系统为例），典型的传动机构、导向机构和执行机构；第3章为计算机控制技术，重点讲解计算机控制系统的组成、特点，典型的计算机控制系统，典型的工业控制计算机（Arduino、PLC、IPC）工作原理及其实例应用；第4章为PID控制算法，重点讲解典型的PID控制算法（位置型算法和增量型算法）、PID各参数对控制系统的影响规律，以Arduino为控制器讲解了液位PID算法程序；第5章为检测技术，重点讲解机械量测量传感器及工业机器视觉；第6章为伺服技术，讲解了伺服概念、分类，伺服系统的组成和要求，重点讲解了步进电动机的组成、工作原理、驱动器与步进电动机的使用方法，交流伺服电动机、直线电动机、DD电动机及音圈电动机的基本工作原理；第7章为MCGS组态软件技术，介绍了MCGS组态软件，以液位控制为实例重点讲解了MCGS如何构建上位机程序；第8章为典型机电一体化产品—工业机器人，介绍了工业机器人的分类、组成、控制系统及编程。 本书可作为普通高等院校和高职高专机械工程、电子工程、工业工程、农业机械化工程、机电一体化工程等相关专业的教材，也可作为机电一体化专业技术人员的学习和参考用书。

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前言 第1章 绪论1 1.1 机电一体化技术概述1 1.1.1 基本概念1 1.1.2 机电一体化产品分类1 1.2 国内外机电一体化发展现状2 1.2.1 国外机电一体化发展现状2 1.2.2 国内机电一体化发展现状3 1.3 机电一体化技术基本组成4 1.4 机电一体化技术体系6 1.5 机电一体化技术发展趋势7 习题9 第2章 机械系统设计理论10 2.1 机电一体化机械系统概述10 2.1.1 机电一体化对机械系统的基本要求10 2.1.2 机械系统的组成10 2.1.3 机械系统的设计思想11 2.2 机械系统性能分析11 2.2.1 数学模型的建立12 2.2.2 力学性能参数对系统性能的影响16 2.3 传动机构19 2.3.1 机电一体化系统对机械传动的要求19 2.3.2 无侧隙齿轮传动机构19 2.3.3 谐波齿轮传动机构24 2.3.4 滚珠花键传动机构26 2.3.5 同步齿形带传动机构27 2.3.6 滚珠丝杠螺母副传动机构31 2.4 导向机构36 2.4.1 导轨的分类和基本要求37 2.4.2 滑动导轨37 2.4.3 滚动导轨39 2.4.4 导轨的润滑与防护41 2.4.5 提高导轨耐磨性的措施42 2.5 执行机构43 2.5.1 执行机构的基本要求43 2.5.2 微动执行机构43 2.5.3 工业机械手末端执行器45 习题48 第3章 计算机控制技术49 3.1 计算机控制系统49 3.1.1 计算机控制系统概述49 3.1.2 计算机控制系统的组成50 3.1.3 计算机控制系统的特点52 3.1.4 计算机控制系统的类型53 3.2 工业控制计算机57 3.2.1 工业控制计算机概述57 3.2.2 工业控制计算机的特点57 3.2.3 工业控制计算机的常用类型58 3.3 Arduino58 3.3.1 Arduino概述58 3.3.2 Arduino硬件分类61 3.3.3 Arduino IDE介绍63 3.3.4 常用的Arduino第三方软件介绍66 3.3.5 Arduino使用方法67 3.3.6 Arduino应用实例69 3.4 可编程序控制器79 3.4.1 PLC概述79 3.4.2 S7-1200 PLC81 3.4.3 博途软件（TIA Portal）的使用87 3.4.4 S7-1200 PLC应用实例90 3.5 总线工业控制机96 3.5.1 总线工业控制机的组成与特点96 3.5.2 工控机的总线结构99 3.5.3 工控机I/O模块104 3.5.4 总线工控机I/O模块应用实例109 习题112 第4章 PID控制算法113 4.1 PID控制的原理和特点113 4.1.1 模拟PID113 4.1.2 数字PID114 4.2 PID各环节对控制系统的影响117 4.3 数字PID参数整定方法120 4.4 PID控制算法应用实例122 4.4.1 单容水箱恒液位值控制122 4.4.2 PID智能控制器123 4.4.3 Arduino控制器124 习题126 第5章 检测技术127 5.1 传感器概述127 5.1.1 传感器组成127 5.1.2 机械量测量传感器127 5.2 位置测量传感器128 5.2.1 位置传感器的主要技术指标128 5.2.2 常用的位置测量传感器129 5.3 位移测量传感器137 5.3.1 电感式位移传感器（微纳位移检测）137 5.3.2 电容式位移传感器（微纳位移检测）139 5.3.3 霍尔式位移传感器（微纳位移检测）141 5.3.4 光栅位移传感器（大尺寸位移检测）142 5.3.5 磁栅尺（大尺寸位移检测）144 5.4 速度测量传感器147 5.4.1 测速发电机147 5.4.2 光电式转速传感器147 5.5 力、力矩测量传感器150 5.5.1 电阻应变式力传感器150 5.5.2 压电式测力传感器151 5.5.3 电阻应变式力矩传感器151 5.5.4 相位差式转矩测量仪153 5.6 工业机器视觉简介153 5.6.1 机器视觉基础153 5.6.2 机器视觉系统156 5.6.3 机器视觉软件及图像处理常用算法161 习题163 第6章 伺服技术164 6.1 伺服概述164 6.1.1 伺服的概念164 6.1.2 伺服系统的分类165 6.2 伺服系统的组成及要求168 6.2.1 伺服系统的组成168 6.2.2 伺服系统的基本要求169 6.2.3 伺服电动机概述170 6.3 步进电动机171 6.3.1 步进电动机分类171 6.3.2 步进电动机的工作原理172 6.3.3 步进电动机的运行特性174 6.3.4 步进电动机的选用177 6.3.5 步进电动机的驱动器178 6.4 伺服电动机181 6.4.1 交流伺服电动机182 6.4.2 交流伺服驱动器185 6.4.3 伺服控制系统结构186 6.5 直线电动机187 6.5.1 直线电动机的结构和工作原理187 6.5.2 直线电动机和传统的旋转电动机+滚珠丝杠运动系统的比较188 6.6 DD电动机189 6.6.1 DD电动机的结构190 6.6.2 DD电动机的优点191 6.6.3 DD电动机与伺服、步进电动机的区别191 6.7 音圈电动机192 6.7.1 音圈电动机的工作原理193 6.7.2 音圈电动机的特点193 习题194 第7章 MCGS组态软件技术195 7.1 MCGS组态软件概述195 7.1.1 MCGS组态软件的系统构成196 7.1.2 MCGS组态软件的工作方式197 7.2 MCGS通用版组态软件应用实例198 7.2.1 建立一个新工程198 7.2.2 设计画面流程201 7.3 让动画动起来205 7.3.1 定义数据变量205 7.3.2 动画连接207 7.3.3 模拟设备213 7.3.4 编写控制流程214 7.4 报警显示与报警数据216 7.4.1 定义报警217 7.4.2 报警显示217 7.4.3 报警数据218 7.4.4 修改报警限值220 7.4.5 报警动画223 7.5 报表输出224 7.5.1 实时报表225 7.5.2 历史报表226 7.6 曲线显示230 7.6.1 实时曲线230 7.6.2 历史趋势231 7.7 安全机制232 7.7.1 操作权限232 7.7.2 系统权限管理233 7.7.3 工程加密237 7.8 设备在线调试238 习题241 第8章 典型机电一体化产品—工业机器人242 8.1 工业机器人概述242 8.1.1 工业机器人分类242 8.1.2 工业机器人的基本组成及机能242 8.1.3 工业机器人的主要技术参数243 8.2 典型工业机器人组成244 8.2.1 工业机器人本体244 8.2.2 工业机器人控制系统245 8.2.3 工业机器人编程249 习题255 参考文献256