機電一體化系統設計（簡體書）

《機電一體化系統設計》介紹了機電一體化系統的基本原理、機電一體化系統的構成、常用傳感器、常用執行元件以及相關檢測控制電路設計，力求貼近工程實用。全書共7章，內容包括：概論、機械系統部件及其設計、檢測傳感器及其接口電路、執行元件及控制、單片機及接口電路設計、機電一體化系統的抗干擾設計、機電一體化系統設計實例。《機電一體化系統設計》注意理論與實際的結合，重視解決工程實際問題，并力求做到突出重點，層次分明，語言易懂，以便于讀者自學。
讀者對象：《機電一體化系統設計》主要作為高等院校機械設計制造、機械電子工程、工業自動化等專業的教材，也可作為高等專科學校、高等職業學校、成人高校相關專業教材，并可供機電類工程技術人員和研究人員參考。

《機電一體化系統設計》是普通高等教育機械類“十二五”規劃系列教材。

第1章 概論 1
1.1 機電一體化概念 1
1.2 機電一體化系統的構成 1
1.3 機電一體化關鍵技術 1
復習思考題 3

第2章 機械系統部件及其設計 4
2.1 概述 4
2.1.1 機電一體化產品對機械系統部件的基本要求 4
2.1.2 機電一體化產品機械系統的基本組成及其功能 4
2.2 機械傳動機構 5
2.2.1 齒輪傳動機構及其設計 6
2.2.2 絲杠螺母機構及其選用 15
2.2.3 同步帶傳動 30
2.3 導向與支承機構 36
2.3.1 回轉運動支承 36
2.3.2 直線運動支承 42
2.3.3 框架類支承構件 54
2.4 機械執行機構 59
2.4.1 機械執行機構的功能 60
2.4.2 機械執行機構的分類 62
2.4.3 機械執行機構設計的要求 63
2.4.4 機械執行機構設計的步驟 63
復習思考題 64

第3章 檢測傳感器及其接口電路 66
3.1 溫度傳感器 66
3.2 力傳感器 68
3.2.1 金屬電阻應變片式力傳感器 69
3.2.2 半導體應變式力傳感器 70
3.3 位移測量傳感器 71
3.3.1 電容位移傳感器 71
3.3.2 氣隙電感位移傳感器 72
3.3.3 差動變壓器結構電感式位移傳感器 73
3.3.4 渦流電感式位移傳感器 74
3.4 光電傳感器 75
3.5 光電編碼器 78
3.5.1 增量式光電編碼器構成及原理 78
3.5.2 絕對式光電編碼器構成及原理 80
3.5.3 增量式光電編碼器計數電路 81
3.6 電流環信號傳輸 83
3.7 運算放大器的基本電路 83
復習思考題 86

第4章 執行元件及控制 87
4.1 執行元件的分類 87
4.1.1 電動執行元件 87
4.1.2 氣動執行元件 88
4.1.3 液壓執行元件 89
4.2 直流電動機的基本工作原理 90
4.3 三相異步電動機的旋轉磁場 91
4.4 步進電動機 92
4.5 直線電動機 94
4.5.1 直線感應電動機 95
4.5.2 直線直流電動機 97
4.5.3 直線步進電動機 98
4.6 直流電動機的驅動控制 100
4.6.1 開關型功率接口電路 100
4.6.2 直流電動機PWM驅動方式 104
4.6.3 IR2130三相驅動控制集成芯片 107
4.7 交流伺服電動機控制 110
4.8 電-氣比例閥、伺服閥 111
4.8.1 滑閥式電氣方向比例閥 112
4.8.2 動圈式二級方向伺服閥 113
4.8.3 動圈式壓力伺服閥 114
4.8.4 脈寬調制伺服閥 115
4.8.5 電-氣比例伺服系統的應用實例（柔性定位伺服汽缸） 117
4.9 電-液比例閥、伺服閥 118
4.9.1 電液伺服閥 118
4.9.2 電液比例閥 121
復習思考題 122

第5章 單片機及接口電路設計 123
5.1 MCS-51單片機 123
5.1.1 MCS-51單片機的引腳描述及片外總線結構 123
5.1.2 MCS-51片內總體結構 125
5.1.3 MCS-51單片機基本外圍電路 125
5.1.4 MCS-51單片機看門狗電路(MAX6814) 127
5.2 A/D轉換及與單片機接口電路設計 129
5.3 多路模擬開關 131
5.4 AVR單片機簡介 133
5.4.1 ATmega128的結構和主要特點 133
5.4.2 ATmega128的封裝和引腳 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的時鐘系統 143
5.5 AVR單片機開發工具（ATmega128） 144
5.5.1 ICCAVR集成開發環境 144
5.5.2 ICCAVR介紹 144
5.5.3 ICCAVR導游 151
5.5.4 ICCAVR C庫函數與啟動文件 152
5.5.5 訪問AVR硬件的編程 154
5.6 ATmega128基礎實例 155
5.6.1 發光二極管應用實驗 155
5.6.2 鍵盤電路應用實例 157
復習思考題 160

第6章 機電一體化系統的抗干擾設計 161
6.1 電磁干擾形成的條件 161
6.2 干擾源 162
6.2.1 供電干擾 162
6.2.2 過程通道干擾 162
6.2.3 場干擾 163
6.3 提高系統抗電源干擾能力的方法 163
6.3.1 配電方案中的抗干擾措施 163
6.3.2 利用電源監視電路抗電源干擾 164
6.3.3 用Watchdog抗電源于擾 164
6.4 電場與磁場干擾耦合的抑制 165
6.4.1 電場與磁場干擾耦合的特點 165
6.4.2 電場與磁場干擾耦合的抑制 166
6.5 幾種接地技術 170
6.5.1 單點接地 170
6.5.2 多點接地 170
6.5.3 混合單點接地 171
6.5.4 混合多點接地 171
6.5.5 接地的一般性原則 172
6.6 過程通道抗干擾措施 173
6.7 模擬信號的線性光耦隔離 176
6.7.1 HCNR200基本工作原理 176
6.7.2 HCNR200的基本工作電路 177
6.7.3 HCNR200應用電路設計 177
6.8 空間干擾的抑制 179
6.9 軟件抗干擾技術 179
6.9.1 實施軟件抗干擾的必要條件 179
6.9.2 數據采樣的干擾抑制 179
6.9.3 程序運行失常的軟件抗干擾措施 181
6.10 鐵氧體插損器 181
6.10.1 鐵磁性材料（鐵氧體）特性 181
6.10.2 磁導率對電磁干擾的影響 181
6.10.3 鐵氧體的特性阻抗 183
6.10.4 鐵氧體插損器件及應用 185
復習思考題 190

第7章 機電一體化系統設計實例 191
7.1 RC伺服電動機控制 191
7.1.1 RC伺服電動機簡介 191
7.1.2 RC伺服電動機的內部組成 191
7.1.3 RC伺服電動機的控制 192
7.1.4 硬件電路圖 192
7.1.5 RC伺服電動機的正向旋轉和逆向旋轉控制實驗 193
7.1.6 RC伺服電動機的旋轉相應角度實驗 194
7.1.7 RC伺服電動機速度控制實驗 195
7.2 步進電動機應用軟/硬件設計實例 197
7.2.1 步進電動機概述 197
7.2.2 步進電動視的分類與結構 197
7.2.3 步進電動機的基本參數 198
7.2.4 步進電動機的特性 198
7.2.5 反應式步進電動機的結構 199
7.2.6 反應式步進電動機的工作原理 200
7.2.7 步進電動機的失步、振蕩及解決方法 203
7.2.8 步進電動機的控制 204
7.2.9 步進電動機的應用設計 207
7.3 小型打印機系統 209
7.3.1 硬件電路設計 209
7.3.2 典型器件選型及介紹 213
7.3.3 硬件電路 214
7.3.4 軟件設計 217
7.3.5 經驗總結 220
7.4 直流電動機的控制實例 221
7.4.1 硬件電路設計 221
7.4.2 典型器件選型及介紹 223
7.4.3 硬件電路 225
7.4.4 軟件設計 228
復習思考題 235

2.氣動馬達
氣動馬達分為擺動式和回轉式兩類，前者實現有限回轉運動，後者實現連續回轉運動。擺動式氣動馬達有葉片式和螺桿式兩種。螺桿式氣動馬達利用螺桿將活塞的直線運動變為回轉運動。它與葉片式相比，雖然體積稍嫌笨重，但密閉性能很好。擺動式馬達是依靠裝在軸上的銷軸來傳遞扭矩的，在停止回轉時有很大的慣性力作用在軸心上，即使調節緩沖裝置也不能消除這種作用，因此需要采用油緩沖，或設置外部緩沖裝置。回轉式氣動馬達可以實現無級調速，只要控制氣體流量就可以調節功率和轉速。它還具有過載保護作用，過載時馬達只降低轉速或停轉，但不超過額定轉矩。回轉式氣動馬達常見的有葉片式和活塞式兩種。活塞式比葉片式轉矩大，但葉片式轉速高；葉片式的葉片與定子間的密封比較困難，因而低速時效率不高，可用于驅動大型閥的開閉機構。活塞式氣動馬達用以驅動齒輪齒條帶動負荷運動。4.1.3 液壓執行元件液壓執行元件是將液壓能轉換為機械能以實現往復運動或回轉運動的執行元件，分為液壓缸、擺動液壓馬達和旋轉液壓馬達三類。液壓執行元件的優點是單位重量和單位體積的功率很大，機械剛性好，動態響應快。因此它被廣泛應用于精密控制系統，導彈舵機采用液壓缸推動舵面，可以減輕導彈重量，提高舵系統的快速性和動態、靜態剛度。它的缺點是制造工藝復雜、維護困難和效率低。
1.液壓缸
液壓缸實現直線往復機械運動，輸出力和線速度。液壓缸的種類很多，僅能向活塞一側供高壓油的為單作用液壓缸，活塞反向運動靠彈簧或外力完成；能向活塞兩側交替供高壓油的為雙作用液壓缸；活塞桿從缸體一端伸出的為單出桿液壓缸，兩個運動方向的力和線速度不相等；活塞桿從缸體兩端伸出的為雙出桿液壓缸，兩個運動方向具有相同的力和線速度。雙作用液壓缸的結構和動作原理是，四通閥根據對液壓缸活塞的運動要求，將缸體開口A與油源、開口B與回油接通時，高壓油從A流入缸體一腔推動活塞，通過裝在活塞上的活塞桿帶動負載做機械功；被活塞隔開的另一腔低壓油由B流出缸體，經四通閥達回油；當四通閥將A與回油、B與油源接通時，活塞運動方向反向。2.擺動液壓馬達擺動液壓馬達實現有限往復回轉機械運動，輸出力矩和角速度。它的動作原理與雙作用液壓缸相同，只是高壓油作用在葉片上的力對輸出軸產生力矩，帶動負載擺動做機械功。這種液壓馬達結構緊湊，效率高，能在兩個方向產生很大的瞬時力矩。