普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材:機(jī)械電子工程原理
定 價(jià):36 元
叢書名:普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材
- 作者:王孫安 著 王孫安 編
- 出版時(shí)間:2010/1/1
- ISBN:9787111285335
- 出 版 社:機(jī)械工業(yè)出版社
- 中圖法分類:TH-39
- 頁碼:321
- 紙張:膠版紙
- 版次:1
- 開本:16開
《機(jī)械電子工程原理》論述了機(jī)械電子工程的基本原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在第一篇執(zhí)行機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)器中,介紹了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用,以及電氣、液壓和氣動(dòng)等驅(qū)動(dòng)方式;在第二篇測(cè)量系統(tǒng)中,講述了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)狀態(tài)信息的獲取、處理和干擾抑制問題;在第三篇嵌入式控制系統(tǒng)中,講述了接口、通道和控制策略的設(shè)計(jì),并介紹了機(jī)電系統(tǒng)監(jiān)控的基本內(nèi)容,此外,還涉及機(jī)械電子系統(tǒng)中機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)和人機(jī)界面設(shè)計(jì)的原則;在第四篇系統(tǒng)應(yīng)用中,介紹了幾種典型的機(jī)械電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例!稒C(jī)械電子工程原理》從機(jī)械電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度,著眼于物質(zhì)、能量和信息,闡述了機(jī)電系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)與控制的相關(guān)內(nèi)容,最后還給出了若干個(gè)機(jī)電系統(tǒng)案例剖析。
《機(jī)械電子工程原理》是普通高等學(xué)校機(jī)電工程或機(jī)電一體化專業(yè)的高年級(jí)本科生或碩士研究生教材,也可供相關(guān)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員閱讀。
物質(zhì)、能量和信息是推動(dòng)人類文明發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。生產(chǎn)力水平低下時(shí),人類的生存和發(fā)展較大程度上依靠物質(zhì)和能量。隨著生產(chǎn)力水平的提高,信息的作用日益突出,尤其是第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生,人類步入信息社會(huì)后,信息技術(shù)因其在應(yīng)用中所具有的強(qiáng)滲透性和高附加值而成為信息時(shí)代的核心技術(shù)和發(fā)展的中堅(jiān)力量,影響并決定著現(xiàn)代技術(shù)的總體走向。
機(jī)械電子工程(Mechatronics)是20世紀(jì)70年代日本提出來用于描述機(jī)械工程和電子工程一體化的一個(gè)技術(shù)術(shù)語,機(jī)械電子成為一門新興學(xué)科也僅僅始于20世紀(jì)80年代。近年來,由于以信息處理為核心的人工智能技術(shù)的滲透,機(jī)械電子工程在傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力傳遞和機(jī)構(gòu)連接基礎(chǔ)上,更強(qiáng)調(diào)信息的連接和驅(qū)動(dòng)作用,并逐步向智能方向發(fā)展,已經(jīng)成為機(jī)械工程的重要研究領(lǐng)域和技術(shù)革命的前沿方向。目前,機(jī)械電子工程學(xué)科已經(jīng)發(fā)展成為一門綜合機(jī)械、電子、控制、信息、計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的工程技術(shù)學(xué)科。該學(xué)科涉及的技術(shù)是現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)最主要的基礎(chǔ)技術(shù)和核心技術(shù)之一,是衡量一個(gè)國家機(jī)械裝備發(fā)展水平的重要標(biāo)志。
在日本提出機(jī)械電子工程這一術(shù)語后,日、美、英各國先后有一些專著出版。國際自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì)(IFAC)、美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)先后創(chuàng)辦了名為《Meelmtronics》的期刊。近幾年,國內(nèi)也有相關(guān)教科書和期刊問世。這些出版物的論述內(nèi)容各有側(cè)重,風(fēng)格迥異。
本書是在參考國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合作者從事機(jī)械電子工程教學(xué)、研究和我國實(shí)際情況,按照理論聯(lián)系實(shí)際的原則編寫而成的。本書分別從執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)信息的測(cè)量、嵌入式微處理器以及機(jī)械電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例等方面詳細(xì)闡述了機(jī)械電子工程的基本思想、系統(tǒng)組成和實(shí)際應(yīng)用。全書分為20章,第1章闡述了機(jī)械電子工程的基本概念、發(fā)展過程和設(shè)計(jì)思想;第2章介紹了執(zhí)行機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)器,以及在不同情況下驅(qū)動(dòng)方式的選擇;、第3章簡(jiǎn)要討論了機(jī)械系統(tǒng)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能與作用;第4章和第5章分別介紹了電氣驅(qū)動(dòng)裝置和液壓、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置;第6章概述了測(cè)量常用的指標(biāo)、誤差的形成和分類、常用測(cè)量方法以及測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì);第7章介紹了常用的傳感器,并討論了傳感器和轉(zhuǎn)換器的分類以及傳感器技術(shù)的發(fā)展;第8章給出了常見的信號(hào)處理電路,介紹了信號(hào)處理的相關(guān)內(nèi)容;第9章探討了干擾和噪聲的形成與抑制;第10章介紹了機(jī)械電子中的微處理器系統(tǒng);第11章從內(nèi)存、I/O接口電路、過程通道、模擬量輸入/輸出通道、教/模與模/教轉(zhuǎn)換技術(shù)等方面介紹了機(jī)械電子系統(tǒng)中的嵌入式微處理器的設(shè)計(jì);第12章介紹機(jī)電系統(tǒng)的模型建立,第13章主要以PID控制器和模糊控制器為例,探討了機(jī)械電子系統(tǒng)中的微處理器控制;第14章介紹了機(jī)械電子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控;第15章系統(tǒng)闡述了機(jī)械電子系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì);第16~20章以機(jī)械電子工程的觀點(diǎn),分別分析了軟盤驅(qū)動(dòng)器、關(guān)節(jié)式機(jī)器人、移動(dòng)式機(jī)器人、機(jī)器人視覺導(dǎo)航系統(tǒng)以及飛行動(dòng)力訓(xùn)練地面模擬系統(tǒng)等幾個(gè)典型機(jī)械電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì),這幾個(gè)案例基本能夠體現(xiàn)機(jī)械電子工程的精要,滿足教學(xué)的需要。
前言
第1章 緒論
1.1 機(jī)械電子工程的概念及發(fā)展過程
1.2 機(jī)械電子工程在產(chǎn)品及其設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
1.3 機(jī)械電子工程在制造業(yè)中的應(yīng)用
1.4 學(xué)習(xí)機(jī)械電子工程的意義與要求
思考題
第一篇 執(zhí)行機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)器
第2章 執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)
思考題
第3章 執(zhí)行機(jī)構(gòu)
3.1 基本概念
3.2 帶輪機(jī)構(gòu)
3.3 鏈輪機(jī)構(gòu)
3.4 齒輪機(jī)構(gòu)
3.5 螺旋機(jī)構(gòu)
3.6 蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)
3.7 直線導(dǎo)軌
3.8 連桿機(jī)構(gòu)
3.9 凸輪、棘輪和槽輪
3.10 機(jī)架
3.11 機(jī)構(gòu)的組合
思考題
第4章 電氣執(zhí)行元件
4.1 直流電動(dòng)機(jī)
4.2 交流異步電動(dòng)機(jī)
4.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
4.4 直線電動(dòng)機(jī)
4.5 電力電子器件
思考題
第5章 液壓與氣動(dòng)執(zhí)行裝置
5.1 能源裝置
5.2 執(zhí)行元件
5.3 控制元件
5.4 輔助元件
5.5 基本回路
思考題
第二篇 測(cè)量系統(tǒng)
第6章 測(cè)量與感知
6.1 測(cè)量系統(tǒng)的基本性能
6.2 測(cè)量方法
6.3 測(cè)量誤差
6.4 信號(hào)處理和信息管理
6.5 測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
思考題
第7章 傳感器與轉(zhuǎn)換器
7.1 概述
7.2 電阻型傳感器
7.3 電容式傳感器
7.4 電感式傳感器
7.5 熱電傳感器
7.6 光電傳感器
7.7 固體傳感器
7.8 壓電傳感器和超聲換能器
7.9 傳感器的線性化
思考題
第8章 信號(hào)處理
8.1 運(yùn)算放大器基本電路
8.2 實(shí)用運(yùn)算放大器
8.3 信號(hào)隔離
8.4 相敏檢波器和鎖相環(huán)
8.5 多路復(fù)用
8.6 濾波器
8.7 數(shù)字信號(hào)的處理和分析
8.8 信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展
思考題
第9章 干擾與噪聲
9.1 電磁干擾和噪聲的分類
9.2 干擾的傳播途徑
9.3 干擾對(duì)敏感設(shè)備的影響
9.4 干擾的抑制和防護(hù)技術(shù)
9.5 系統(tǒng)內(nèi)部器件產(chǎn)生的干擾及其抑制
9.6 軟件抗干擾技術(shù)
思考題
第三篇 嵌入式控制系統(tǒng)
第10章 機(jī)械電子系統(tǒng)中的微處理器
10.1 嵌入式微處理器系統(tǒng)
10.2 機(jī)械電子系統(tǒng)中微處理器的作用
10.3 嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法
思考題
11章 嵌入式微處理器系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)
11.1 微處理器與內(nèi)存及I/O接口電路的連接
11.2 微處理器與數(shù)字式外部設(shè)備的接口
11.3 過程通道
11.4 模擬量輸入通道
11.5 D/A轉(zhuǎn)換與A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)
11.6 模擬量輸出通道
思考題
第12章 機(jī)械電子系統(tǒng)的建模
12.1 機(jī)械電子系統(tǒng)的描述方法
12.2 控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型
12.3 一、二階線性定常系統(tǒng)的解析建模
12.4 一、二階線性常系數(shù)齊次微分方程的典型形式
12.5 一、二階線性定常系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)
12.6 系統(tǒng)的物理仿真
思考題
第13章 機(jī)械電子系統(tǒng)中的微機(jī)控制
13.1 順序控制和數(shù)值控制
13.2 開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)
13.3 控制系統(tǒng)的品質(zhì)和性能指標(biāo)
13.4 閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成及PID控制
13.5 PID參數(shù)整定
13.6 PID控制的改進(jìn)
13.7 智能型自適應(yīng)PID控制
13.8 模糊控制器及其特點(diǎn)
13.9 模糊控制器的設(shè)計(jì)
13.10 模糊控制方法在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
思考題
第14章 機(jī)械電子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控
14.1 控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的分層體系
14.2 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)
14.3 數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)
14.4 局域網(wǎng)
14.5 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的通信
思考題
第15章 機(jī)械電子系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
15.1 機(jī)械電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述
15.2 機(jī)械電子系統(tǒng)中的機(jī)構(gòu)
15.3 機(jī)械電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
15.4 機(jī)械電子系統(tǒng)人-機(jī)界面的設(shè)計(jì)
15.5 安全性
思考題
第四篇 系統(tǒng)應(yīng)用
第16章 軟盤驅(qū)動(dòng)器
16.1 磁頭系統(tǒng)
16.2 主軸系統(tǒng)
16.3 磁頭系統(tǒng)與主軸系統(tǒng)的協(xié)同工作
16.4 磁盤進(jìn)出機(jī)構(gòu)
16.5 主板
16.6 盤片和盤套
16.7 主要技術(shù)特性
思考題
第17章 關(guān)節(jié)式機(jī)器人設(shè)計(jì)
17.1 關(guān)節(jié)式機(jī)器人簡(jiǎn)介
17.2 總體設(shè)計(jì)
17.3 機(jī)器人機(jī)械本體的設(shè)計(jì)
17.4 機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
思考題
第18章 移動(dòng)式機(jī)器人設(shè)計(jì)
18.1 移動(dòng)式機(jī)器人簡(jiǎn)介
18.2 移動(dòng)式機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)
18.3 一種瑞土輪式全方位移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)
思考題
第19章 移動(dòng)式機(jī)器人視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
19.1 計(jì)算機(jī)視覺簡(jiǎn)介
19.2 立體視覺概述”
19.3 攝像機(jī)標(biāo)定
19.4 圖像理解
19.5 機(jī)器人視覺導(dǎo)航的應(yīng)用
思考題
第20章 飛行動(dòng)力訓(xùn)練地面模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
20.1 轉(zhuǎn)速控制簡(jiǎn)介
20.2 初步設(shè)計(jì)
20.3 具體設(shè)計(jì)
思考題
參考文獻(xiàn)
針對(duì)第二種情況的實(shí)例:
袖珍式光盤放像機(jī):該系統(tǒng)中的激光系統(tǒng)用來從盤上讀取數(shù)字編碼信號(hào),其控制是由一個(gè)微處理系統(tǒng)完成的,此系統(tǒng)還具有磁道選擇、掃描和預(yù)檢等功能。
自動(dòng)駕駛小船:能夠根據(jù)風(fēng)向標(biāo)、磁羅盤或全向無線電信標(biāo)機(jī)的輸出信號(hào)來控制操作桿或操作盤。
模塊化機(jī)器人:普通工業(yè)機(jī)器人的幾何結(jié)構(gòu)限制了其功能,而模塊化機(jī)器人,由于其眾多的結(jié)構(gòu)單元和執(zhí)行器是由一個(gè)中央控制器控制的,克服了普通機(jī)器人的缺點(diǎn),用戶可以根據(jù)自己的需要來選擇單元。
綜上所述,采用機(jī)械電子學(xué)可以在保證價(jià)格不變或降低的前提下提高產(chǎn)品性能。這是由于機(jī)械電子系統(tǒng)的元件或模塊較經(jīng)濟(jì)且具有較強(qiáng)的功能所致。
在第一類產(chǎn)品中,由于在最初的設(shè)計(jì)中只考慮了動(dòng)力之間的聯(lián)系,而沒有考慮“信息驅(qū)動(dòng)”,因此傳感器和控制器是在后來的改造中加上去的,某些時(shí)候就有可能因?yàn)榱悴考蛟骷男阅芑蛘甙惭b空間不能滿足要求而使改造失敗。而對(duì)第二類產(chǎn)品,由于在一開始設(shè)計(jì)的時(shí)候就同時(shí)考慮了動(dòng)力和信息之間的聯(lián)系,特別是強(qiáng)調(diào)了通過“嵌入式”設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)“機(jī)電一體”,產(chǎn)品性能得到了極大的提高。在今天,一些典型的現(xiàn)代機(jī)電產(chǎn)品,如磁懸浮軸承、噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)等,離開了電子工程的機(jī)械根本就無法工作。
在工程設(shè)計(jì)中,機(jī)械電子方法能將系統(tǒng)的大量材料和信息集中起來,使系統(tǒng)具有更高的性能、更強(qiáng)的靈活性。因此,要做到萬無一失,機(jī)械電子工程的設(shè)計(jì)必須包括初步設(shè)計(jì)和具體設(shè)計(jì)兩個(gè)階段。
在制造工業(yè)中,需要使整個(gè)系統(tǒng)及其組成部分具有高度的可控性,因此要對(duì)各個(gè)單元的功能及它們?cè)谡麄(gè)系統(tǒng)中的作用作全面了解。
對(duì)產(chǎn)品來說,用戶關(guān)心的是產(chǎn)品性能的提高、操作程序的簡(jiǎn)化,而并不關(guān)心用什么樣的方法來達(dá)到此目的,因此許多產(chǎn)品都裝有用以提高產(chǎn)品性能的微控制器。微控制器對(duì)用戶是開放的,用戶可以通過界面來選擇適當(dāng)?shù)目刂乒δ堋?br> 當(dāng)前,許多部門都在用機(jī)械電子方法從事產(chǎn)品和系統(tǒng)的開發(fā),開發(fā)過程的技術(shù)交接通常由某一個(gè)部門負(fù)責(zé),而該部門又往往不從事系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì),它的任務(wù)僅僅是將一個(gè)部門的工作轉(zhuǎn)交給另一個(gè)部門,大部分是事務(wù)性的工作。在真正的機(jī)械電子設(shè)計(jì)方法中,這種協(xié)調(diào)工作應(yīng)該由設(shè)計(jì)中心完成。這個(gè)事實(shí)已逐漸被認(rèn)識(shí),尤其是在日本。
因此,用機(jī)械電子方法進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的核心是將電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)與機(jī)械系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來。對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品或系統(tǒng),也常用機(jī)械電子方法來改善其性能。
工程設(shè)計(jì)中的機(jī)械電子方法與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的配置有關(guān),在這種方法中,可以實(shí)現(xiàn)各種技術(shù)的集成,并對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。為達(dá)到這個(gè)目的,通常采用一種基于信息的自頂向下的策略,就可以將系統(tǒng)分解成一些模塊。
在此需要說明的是,在機(jī)械電子系統(tǒng)中,其機(jī)械結(jié)構(gòu)(Stmcture)指的是機(jī)架(起支撐作用)、封裝(各種界面)、外殼(起外觀和隔離作用)及工具庫(存儲(chǔ)刀具或零件)等多方面的功能,事實(shí)上,這也就是下面所談及的裝配模塊(Assembly module)的作用。