本书根据作者多年的教学与科研工作经验编写，为机械电子相关领域本科生、研究生以及科研工作者提供了系统的理论知识、完整的技术路线和丰富的应用案例。本书主要内容包括机电系统的执行装置结构及原理、机电系统精密机械传动技术、机电系统伺服驱动技术、计算机伺服控制接口技术和典型机电系统的工程应用等。
本书适合在校本科生和研究生作为教材使用，同时，也适合工程技术人员进修和自学使用。
《机电系统设计》一书的作者在机电一体化和机器人技术方面积累了丰富的经验，非常希望把对机电技术的热爱和理解传递给大家。书中提供了系统的理论知识、完整的技术路线和丰富的应用案例。主要内容包括机电系统的执行装置结构及原理、机电系统精密机械传动技术、机电系统伺服驱动技术、计算机伺服控制接口技术和典型机电系统的工程应用等。
《中国制造2025》提出的新一代信息技术产业、高档数控机床和机器人、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、农业机械装备、新材料、生物医药及高性能医疗器械十大领域，无不依托于装备制造业。制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基，而机械、电子、信息技术又是制造业的根本。现代科学技术的发展极大地推动了不同学科的交叉与渗透，引起了工程领域的技术变革，使工业生产由机械化电气化迈入机电一体化、数字化、智能化的发展新阶段。
本书主要作者从20世纪90年代初就开始从事机电一体化技术的科研和教学工作，参加和主持了九五至十二五期间的863计划相关项目，以及十三五国家重点研发计划、国家科技重大专项04专项等多项科研项目，在机电一体化和机器人技术方面积累了丰富的经验，非常希望把对机电技术的热爱和理解传递给大家。本书是作者根据多年的教学与科研工作经验，使用通俗易懂的文字编写而成的，适合相关专业本科生和研究生作为教材使用，同时也适合工程技术人员进修和自学使用。
全书内容共10章：第1章绪论，介绍机电一体化技术的内涵、演化过程和未来的发展趋势，重点介绍机电一体化系统关键技术、功能构成原理和系统评价指标，围绕着机电一体化系统设计的要求，培养学生加深对机电一体化系统的认识和理解，从而让学生建立起有关机电一体化系统的集成设计概念；第2章伺服驱动执行装置，主要介绍电动、液压、气动三种主要执行装置，从满足伺服驱动的要求出发，详细分析三类执行装置的结构、原理和性能特点等知识内容，提高学生对机电产品的执行元件的理解、设计和运用能力；第3章精密机械传动技术，通过精密机械传动总则分析了传动的类型和原则，详细介绍齿轮传动系统和传动比、少齿差行星轮传动、谐波齿轮传动、RV减速器、滚珠螺旋传动等传动系统，以及精密直线导轨；第4章半导体变流技术，介绍晶闸管及其触发电路的工作原理，分析常用的单相、三相可控整流电路的工作原理、基本数量关系、负载性质对整流电路的影响；第5章伺服控制技术，从控制论观点出发，介绍典型位置伺服系统的组成及工作原理，分析闭环伺服系统的稳定性、稳态特性、静态特性；第6章传感检测技术，介绍传感检测系统的组成、传感器的分类、位移检测传感器、速度和加速度的测量、力和力矩的测量、检测信号的处理方法；第7章步进伺服驱动技术，介绍步进电动机的结构、原理、特点，分析典型驱动电路的原理及设计过程；第8章直流伺服驱动技术，介绍单闭环直流调速系统，转速、电流双闭环直流调速系统以及直流可逆调速系统；第9章交流伺服驱动技术，介绍交-直-交变频器、脉宽调制控制技术和矢量控制变频调速系统等内容，对交流调速系统有比较全面的阐释；第10章计算机伺服控制接口技术及应用，介绍计算机伺服控制系统的构成及分类，通过典型产品介绍驱动器的接口技术，给出计算机控制系统设计的一般过程，并通过两个工程实例来阐述计算机控制系统设计的方法和步骤。
全书编写工作分工为：第1章、第2章、第7章由薛龙编写，第3章、第8章由曹莹瑜编写，第4章、第5章由王伟编写，第6章由黄军芬编写，第9章由黄继强编写，第10章由梁亚军编写，全书由王伟统稿。
本书在编写过程中参考了大量相关的图书资料，在此对参考文献的作者表示感谢。硕士研究生康克、赵震玺、陆闯、刘陈华、云欣怡、张鑫、孙东升参与了全书的校稿，在此一并表示感谢。
由于编著者水平有限，书中难免有不妥之处，敬请广大读者和专家批评指正。
编著者
前言
第1章 绪论1
1.1 机电一体化的基本含义1
1.1.1 机电一体化的定义1
1.1.2 机电一体化的关键技术2
1.2 机电一体化系统功能构成及评价3
1.2.1 从仿生学角度认识机电一体化五大要素3
1.2.2 机电一体化系统的功能构成4
1.2.3 机电一体化系统的评价5
1.3 机电一体化产品的分类及技术特点6
1.3.1 机电一体化技术发展历程6
1.3.2 机电一体化产品演化过程6
1.3.3 机电一体化技术设计原理7
1.4 机电一体化技术发展趋势8
习题9
第2章 伺服驱动执行装置10
2.1 概述10
2.1.1 伺服驱动执行装置及其分类10
2.1.2 动力驱动装置的特点11
2.1.3 动力驱动装置的性能12
2.1.4 动力驱动装置的应用12
2.1.5 新型动力驱动装置12
2.2 电动执行装置13
2.2.1 直流伺服电动机13
2.2.2 交流伺服电动机17
2.2.3 步进电动机24
2.2.4 直线电动机24
2.3 液压执行装置及伺服系统28
2.3.1 液压系统28
2.3.2 液压缸29
2.3.3 液压马达29
2.3.4 液压伺服阀的工作原理31
2.3.5 电液伺服系统35
2.3.6 电液比例控制39
2.4 气动执行装置及伺服系统41
2.4.1 气动系统41
2.4.2 气马达42
2.4.3 气缸42
2.4.4 气动比例/伺服控制阀45
2.4.5 电-气比例伺服回路48
习题51
第3章 精密机械传动技术52
3.1 精密机械传动总则52
3.2 同步带传动52
3.2.1 同步带传动原理52
3.2.2 同步带结构53
3.2.3 同步带传动分类和传动特点53
3.3 齿轮传动系统与传动比54
3.3.1 佳总传动比54
3.3.2 总传动比分配56
3.4 少齿差行星齿轮传动60
3.4.1 少齿差行星齿轮传动的结构60
3.4.2 少齿差行星齿轮传动的结构和原理60
3.4.3 少齿差行星齿轮传动的几种形式及传动特点60
3.5 谐波齿轮传动61
3.5.1 组成和工作原理61
3.5.2 谐波齿轮传动基本构件的结构和材料62
3.5.3 谐波齿轮传动的主要特点63
3.6 RV减速器64
3.6.1 基本结构64
3.6.2 变速原理65
3.6.3 RV减速器的主要特点68
3.7 滚珠螺旋传动68
3.7.1 滚珠丝杠副的传动原理68
3.7.2 滚珠螺旋传动的典型结构和类型69
3.7.3 滚珠螺旋传动特点71
3.7.4 滚珠丝杠的支承结构形式71
3.8 精密直线导轨73
3.8.1 直线滚珠导轨73
3.8.2 燕尾导轨75
习题76
第4章 半导体变流技术78
4.1 晶闸管78
4.1.1 晶闸管的结构78
4.1.2 晶闸管的工作原理79
4.2 晶闸管的触发电路79
4.2.1 晶闸管对触发电路的要求79
4.2.2 晶闸管的触发电路80
4.3 单相可控整流电路82
4.3.1 单相半波可控整流电路82
4.3.2 单相桥式半控整流电路88
4.3.3 单相桥式全控整流电路92
4.4 三相可控整流电路98
4.4.1 三相半波可控整流电路98
4.4.2 三相桥式全控整流电路103
习题108
第5章 伺服控制技术110
5.1 闭环控制与开环控制110
5.1.1 开环控制系统110
5.1.2 闭环控制系统111
5.1.3 开环控制系统与闭环控制系统的比较111
5.2 闭环伺服系统性能分析112
5.2.1 闭环伺服系统的数学描述112
5.2.2 典型伺服进给系统的稳态分析116
5.2.3 典型伺服进给系统的动态过程分析118
5.3 位置随动系统分析120
5.3.1 对位置伺服系统的基本要求120
5.3.2 位置随动系统常用的控制方式123
5.3.3 检测信号反馈比较方式126
习题132
第6章 传感检测技术133
6.1 检测的概念133
6.1.1 检测系统的组成133
6.1.2 信号的传输与处理134
6.2 传感器的组成和分类134
6.2.1 传感器的组成134
6.2.2 传感器的分类135
6.3 位移检测传感器135
6.3.1 电阻式位移传感器135
6.3.2 电感式位移传感器137
6.3.3 电容式位移传感器137
6.3.4 光栅式位移传感器138
6.3.5 超声波传感器141
6.4 速度和加速度的测量141
6.4.1 电磁式速度传感器142
6.4.2 激光测速传感器143
6.4.3 测速发电机143
6.4.4 利用相关法的速度传感器144
6.4.5 压电式加速度传感器144
6.5 力和力矩的测量145
6.5.1 电阻应变片145
6.5.2 压电元件146
6.6 检测信号的处理方法147
6.6.1 模拟信号处理147
6.6.2 数字信号处理148
6.6.3 零位误差和增益误差的补偿150
习题150
第7章 步进伺服驱动技术151
7.1 步进电动机的结构及工作原理151
7.1.1 反应式步进电动机151
7.1.2 永磁式步进电动机157
7.1.3 混合式步进电动机157
7.2 步进电动机的运行特性160
7.2.1 步进电动机的静态特性160
7.2.2 步进电动机的动态特性162
7.3 步进电动机的驱动与控制166
7.3.1 环形脉冲分配器167
7.3.2 功率放大器168
习题176
第8章 直流伺服驱动技术177
8.1 单闭环直流调速系统177
8.1.1 机电系统对转速控制的要求及调速指标177
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