現代機械設計手冊：單行本智慧裝備系統設計（第二版）

一部順應“中國製造2025”智慧裝備新要求、技術先進、資料可靠的現代化機械設計工具書，從新時代機械設計人員的實際需求出發，追求現代感，兼顧實用性、通用性，準確性，涵蓋了各種常規和通用的機械設計技術資料，貫徹了新的國家及行業標準，推薦了國內外先進、智慧、節能、通用的產品。

第22篇 智慧裝備系統設計

第1章 智慧裝備系統設計基礎知識
1.1智慧裝備系統的定義、特點和發展趨勢22-3
1.2智慧裝備系統基本構成要素22-5
1.2.1系統構成22-5
1.2.2技術構成22-6
1.2.3系統分類及特徵22-8
1.3智慧裝備系統產品的設計方法22-9
1.3.1智慧裝備系統主要的分析方法22-9
1.3.1.1系統的解耦與耦合22-9
1.3.1.2系統設計公理22-10
1.3.1.3單元化設計原理22-12
1.3.1.4智慧裝備系統的結構層次22-13
1.3.1.5智慧裝備系統的基本分析22-16
1.3.2模組化設計方法22-19
1.3.3柔性化設計方法22-19
1.3.4取代設計方法22-19
1.3.5融合設計方法22-20
1.3.6優化設計方法22-20
1.3.7人-機-環境系統設計方法22-20
1.3.8可靠性設計方法22-21
1.3.9系統安全性設計方法22-24
1.4智慧裝備系統總體設計22-25
1.4.1智慧裝備產品的需求分析22-25
1.4.2智慧裝備系統設計技術參數與技術指標制定方法22-25
1.4.3智慧裝備系統原理方案設計22-26
1.4.3.1系統的原理方案分析22-26
1.4.3.2基本功能單元的原理方案分析22-26
1.4.3.3系統的功能結構圖設計方法22-27
1.4.4智慧裝備系統結構方案設計22-28
1.4.4.1系統結構方案設計的程式22-28
1.4.4.2系統結構方案設計的基本原則22-29
1.4.5智慧裝備系統總體佈局設計22-29
1.4.6總體準確度分析與設計22-29
1.5智慧裝備系統設計流程22-30

第2章 傳感檢測系統設計
2.1傳感檢測系統22-33
2.1.1傳感檢測系統的概念與特點22-33
2.1.2傳感檢測系統的結構與組成22-33
2.1.2.1非電量的特徵22-33
2.1.2.2傳感檢測系統的結構22-34
2.1.2.3傳感檢測系統的硬體組成22-36
2.1.2.4傳感檢測系統的軟體組成22-36
2.1.3感測器信號的處理22-37
2.1.4信號傳輸22-37
2.2感測器及其應用22-38
2.2.1感測器的組成與分類22-38
2.2.2感測器的主要性能指標22-38
2.2.3各種用途的常用感測器22-39
2.2.4基於各種工作原理的常用感測器22-43
2.2.4.1電阻式感測器22-43
2.2.4.2電容式感測器22-48
2.2.4.3電感感測器22-51
2.2.4.4壓電感測器22-58
2.2.4.5磁電感測器22-63
2.2.4.6磁致伸縮感測器22-65
2.2.4.7熱電式感測器22-71
2.2.4.8霍爾式感測器22-77
2.2.4.9光纖傳感器22-80
2.2.4.10光電感測器22-85
2.2.4.11紅外線感測器22-91
2.2.4.12鐳射式感測器22-92
2.2.4.13數字式感測器22-97
2.2.4.14氣敏感測器22-101
2.2.5智慧感測器22-114
2.2.6微感測器22-117
2.2.6.1定義特點及分類22-117
2.2.6.2機械量微感測器22-117
2.2.6.3基於MEMS技術的氣體微感測器22-120
2.2.7感測器的選用22-120
2.2.8多感測器資訊融合22-122
2.3類比信號檢測系統設計22-124
2.3.1類比信號檢測系統的組成22-124
2.3.2基本轉換電路22-125
2.3.3信號放大電路22-127
2.3.4信號調製與解調22-130
2.3.5濾波電路22-131
2.3.6電平轉換電路22-133
2.3.7採樣-保持電路22-133
2.3.8運算電路22-133
2.3.9A/D轉換電路22-136
2.3.10數位信號的預處理22-137
2.3.11抗干擾設計22-142
2.4數位信號檢測系統設計22-144
2.4.1數位信號檢測系統的組成22-144
2.4.2編碼器及光柵信號的電子細分方法22-145
2.5現代傳感檢測技術的新發展22-150
2.6典型傳感系統設計應用實例和檢測裝置22-152
2.6.1CX300型數控車銑加工中心傳感檢測系統設計實例22-152
2.6.2飛鋸檢測系統設計實例22-153
2.6.3新風節能系統設計實例22-156

第3章 伺服系統設計
3.1伺服系統22-159
3.2伺服系統的基本要求和設計方法22-159
3.2.1伺服系統的基本要求22-159
3.2.2伺服系統的設計步驟22-160
3.3伺服系統執行元件及其控制22-160
3.3.1執行元件種類和特點22-160
3.3.2電氣執行元件22-161
3.3.2.1直流伺服電機及其驅動22-161
3.3.2.2交流伺服電機及其驅動22-163
3.3.2.3松下MINAS A5 伺服電機22-165
3.3.2.4步進電機及其驅動22-170
3.3.3液壓執行機構22-176
3.3.4氣動執行裝置22-176
3.3.5新型執行裝置22-177
3.3.6電液伺服閥22-177
3.3.7電液比例閥22-178
3.3.8電液數字閥22-178
3.4執行電機的選擇及設計22-179
3.4.1交流電動機調速方式22-179
3.4.2交流變頻調速器22-180
3.5開環控制伺服系統及其設計22-181
3.6閉環伺服系統設計22-182
3.7數位伺服系統設計22-183

第4章 機械系統設計
4.1智慧裝備機械系統的基本要求和組成22-185
4.2機械傳動機構設計22-186
4.2.1機械傳動機構的分類及選用22-186
4.2.1.1智慧裝備系統對機械傳動的要求22-186
4.2.1.2機械傳動機構的分類22-187
4.2.1.3機械傳動機構的選用22-188
4.2.1.4機械傳動系統方案的選擇22-188
4.2.2傳動因素分析22-189
4.2.3絲杠螺母機構傳動設計22-191
4.2.3.1滾珠絲杠副基本結構22-191
4.2.3.2滾珠絲杠副的主要尺寸和精度等級22-201
4.2.3.3滾珠絲杠副的選擇設計計算22-205
4.2.3.4滾珠螺母安裝連接尺寸22-210
4.2.3.5靜壓絲杠螺母副22-217
4.2.4其他傳動機構22-219
4.2.4.1齒輪傳動22-219
4.2.4.2撓性傳動22-224
4.2.4.3間歇傳動22-225
4.3機械導向機構設計22-227
4.4機械執行機構設計22-232
4.4.1執行機構分析22-232
4.4.1.1主要性能指標22-232
4.4.1.2系統的品質22-235
4.4.1.3能量轉換介面22-238
4.4.2微動機構22-240
4.4.3誤差補償機構22-244
4.4.4定位機構22-246
4.4.5設計實例22-247
4.4.5.1數控機床動力卡盤與回轉刀架22-247
4.4.5.2工業機器人末端執行器22-250
4.5支撐系統和機架設計22-252
4.5.1軸系設計的基本要求及類型22-252
4.5.2機架的基本要求及結構設計要點22-254

第5章 微機控制系統設計
5.1微機控制系統的基本組成與分類22-258
5.1.1微機控制系統的基本組成22-258
5.1.1.1微機控制系統的硬體組成22-258
5.1.1.2微機控制系統的軟體組成22-259
5.1.2微機控制系統的分類22-259
5.2微機控制系統設計的方法和步驟22-260
5.2.1類比化設計方法和步驟22-260
5.2.1.1模擬化設計思想22-260
5.2.1.2香農採樣定理22-260
5.2.1.3類比化設計步驟22-261
5.2.1.4數位PID控制系統設計22-262
5.2.2離散化設計方法和步驟22-265
5.3微機控制系統的數學模型22-265
5.3.1差分方程22-265
5.3.1.1差分的概念和差分方程22-265
5.3.1.2差分方程的求解方法22-266
5.3.2Z傳遞函數22-266
5.3.2.1基本概念22-266
5.3.2.2開環系統的脈衝傳遞函數22-266
5.4微機控制系統分析22-268
5.4.1線性離散系統的時域回應分析22-268
5.4.2離散系統的穩定性分析22-269
5.4.2.1Z平面內的穩定條件22-269
5.4.2.2S平面與Z平面之間的映射關係22-269
5.4.2.3穩定判據22-270
5.4.3離散系統的穩態誤差22-270
5.4.4離散系統的暫態性能22-271
5.4.4.1閉環極點與暫態分量的關係22-271
5.4.4.2離散系統暫態性能的估算22-272
5.4.5離散系統的根軌跡分析法22-273
5.4.5.1Z平面上的根軌跡22-273
5.4.5.2用根軌跡法分析離散系統22-275
5.4.6離散系統的頻率法22-275
5.5典型微機控制系統及設計應用實例22-276
5.5.1基於工業控制電腦的微機控制系統22-276
5.5.1.1系統結構和特點22-276
5.5.1.2工控組態軟體22-276
5.5.2基於單片機的微機控制系統22-276
5.5.3基於可程式設計控制器的微機控制系統22-276

第6章 介面設計
6.1介面設計基本方法和介面晶片22-278
6.1.1介面設計與分析的基本方法22-278
6.1.2常用的介面晶片22-278
6.2人機介面電路設計22-278
6.2.1人機介面電路類型與特點22-278
6.2.2輸入介面電路設計22-279
6.2.3輸出介面電路設計22-280
6.3機電介面電路設計22-290
6.3.1機電介面電路類型與特點22-290
6.3.2信號採集通道介面中的A／D轉換介面電路設計22-290
6.3.3控制量輸出通道中的D／A轉換介面電路設計22-292
6.3.4控制量輸出通道中的功率介面電路設計22-294
6.3.4.1PWM整流電路22-294
6.3.4.2光耦合器驅動介面設計22-296
6.3.4.3繼電器22-298
6.3.5被控量回饋通道中的介面電路設計22-301
6.3.5.1速度回饋介面22-301
6.3.5.2位移回饋介面22-301

第7章 設計實例
7.1數控機床的改造22-304
7.1.1數控車床的改造22-304
7.1.1.1數控車床的改造方案組成框圖22-304
7.1.1.2機械結構改造設計方案22-304
7.1.1.3數控車床電腦控制系統改造硬體設計22-307
7.1.1.4數控車床電腦控制系統改造軟體設計22-312
7.1.2大型數控落地鏜銑床的系統改造實例22-312
7.2工業機器人系統設計實例22-314
7.2.1工業機器人的組成與分類22-314
7.2.2SCARA型裝配機器人系統設計22-314
7.2.3BJDP-1型機器人設計22-319
7.2.4纜索並聯機器人設計22-323
7.3無人搬運車（AGV）系統設計22-327
7.3.1無人搬運車系統（AGVS）22-327
7.3.2無人搬運車的工作原理和結構22-330
7.3.2.1無人搬運車的引導方式22-330
7.3.2.2無人搬運車的結構22-331
7.3.3典型的無人搬運車22-333
7.3.3.1瑞典AGV電子有限公司的產品22-333
7.3.3.2美國AGV產品有限公司的產品22-335
7.3.3.3中國新松AGV產品22-338
7.4信函連續作業自動處理系統設計22-343
7.4.1信函自動處理流水線22-344
7.4.1.1信函自動處理流水線的組成22-344
7.4.1.2信函自動處理的前提條件22-345
7.4.2信函分類機22-345
7.4.3緩衝儲存器22-347
7.4.4理信蓋銷機22-349
7.4.5信函分揀機22-352
7.4.5.1信函分揀的同步入格控制22-352
7.4.5.2條碼及光學條碼自動識別22-352
7.4.5.3光學文字自動識別22-355

參考文獻22-360