本书以机电一体化系统的组成为主线，系统介绍了机电一体化系统各主要组成部分及其控制技术和控制策略，并通过实例详细介绍了机电一体化系统的设计方法。本书在机械系统部件、执行器、运动传感器选择方面有别于现有机电一体化书籍，如RV减速器、滚动导轨、自动化流水线机构、直线电机、行程和接近开关等都是较新的内容。本书还着重采用三菱PLC对机电系统组成的接口进行了大量案例演示，方便读者动手实践。

本书可供机电一体化产品开发设计人员、制造人员、生产管理人员学习参考，也适合高等工科院校机械设计制造及其自动化专业、机电一体化专业以及其他相近专业的本科生、研究生和教师使用。

第1章绪论

1.1机电一体化系统概述001

1.1.1机电一体化系统定义001

1.1.2机电一体化与智能制造的关系002

1.2典型的机电一体化系统004

1.2.1机械手关节伺服系统004

1.2.2数控机床004

1.2.3机器人005

1.2.4自动导引车006

1.2.5顺序控制系统006

1.2.6柔性制造系统007

1.2.7计算机集成制造系统008

1.3机电一体化系统构成要素009

1.4机电一体化系统涉及的科学技术010

1.5机电一体化系统设计常用方法和设计类型011

1.5.1机电一体化系统设计常用方法011

1.5.2机电一体化系统设计类型012

1.6机电一体化设计系统（产品）开发过程012

1.6.1市场调研012

1.6.2技术可行性分析014

1.6.3概念设计015

1.6.4详细设计015

1.6.5样机试制与试验018

1.6.6小批量生产018

1.6.7大批量生产018

1.7机电一体化的现代设计方法018

1.7.1计算机辅助设计与并行工程018

1.7.2虚拟产品设计019

1.7.3快速响应设计019

1.7.4绿色设计019

1.7.5反求设计020

1.7.6基于数字孪生的复杂产品设计020

1.8机电一体化系统的发展方向021

1.8.1智能化021

1.8.2模块化和系统化022

1.8.3网络化022

1.8.4微型化022

1.8.5绿色化023

1.8.6人性化023

1.8.7柔性化023

1.9计算机控制系统的组成与特点023

1.9.1计算机控制系统的一般概念024

1.9.2计算机控制系统的组成024

1.9.3计算机控制系统的特点024

1.10计算机控制系统的典型形式026

1.10.1操作指导控制系统026

1.10.2直接数字控制系统026

1.10.3监督控制系统026

1.10.4集散控制系统027

1.10.5现场总线控制系统027

1.10.6综合自动化系统028

1.11计算机控制系统的其他分类方式029

1.12计算机控制系统的发展趋势029

1.13我国在机电装备技术领域的发展与突破030

思考题032

第2章自动机械系统部件及机电模型

2.1机电一体化系统中对机械系统的设计要求034

2.2丝杠副034

2.2.1丝杠副的工作原理034

2.2.2滚珠丝杠的结构与特点035

2.2.3滚珠丝杠机构的类型036

2.2.4滚珠丝杠的主要参数038

2.2.5滚珠丝杠机构的典型安装方式041

2.2.6滚珠丝杠副的间隙调整044

2.2.7滚珠丝杠螺母副的刚度计算045

2.2.8滚珠丝杠的选型与使用045

2.2.9滚珠丝杠的选型计算046

2.2.10滑动丝杠副046

2.3同步齿形带046

2.3.1同步齿形带的特点046

2.3.2同步带的结构与规格047

2.3.3同步带轮048

2.3.4同步带传动的选型计算048

2.4齿轮传动副048

2.5谐波减速器052

2.5.1谐波减速器的基本结构052

2.5.2谐波减速器的工作原理052

2.5.3谐波减速器传动比分析053

2.5.4谐波减速器的主要特点053

2.6RV减速器054

2.6.1RV减速器的结构054

2.6.2RV减速器的工作原理055

2.6.3RV减速器传动比分析055

2.6.4RV减速器的主要特点056

2.7滑动导轨056

2.8滚动导轨057

2.8.1滚动导轨的结构和特点057

2.8.2滚动导轨的布置与安装058

2.8.3滚动导轨的选型计算步骤058

2.9滚动导套副059

2.10自动化流水线常用机构060

2.10.1自动化流水线的结构组成060

2.10.2倍速链输送线061

2.10.3振盘送料装置064

2.11机械传动系统建模与仿真067

2.11.1齿轮传动机构的模型067

2.11.2丝杠螺母机构的模型068

2.11.3传动机构仿真分析072

2.11.4机械参数对系统性能的影响074

思考题与习题077

思考题077

习题077

第3章电机与驱动技术

3.1交流异步电动机驱动控制078

3.1.1工作原理078

3.1.2接触器、PLC控制080

3.1.3变频调速控制081

3.1.4直线电机控制092

3.2直流电动机驱动控制096

3.2.1工作原理096

3.2.2PLC-接触器控制096

3.2.3PWM调速控制097

3.3步进电动机驱动控制及转速检测099

3.3.1工作原理099

3.3.2步进电机控制107

3.3.3回转机械转速检测108

3.4伺服电动机驱动控制109

3.4.1直流伺服电机工作原理109

3.4.2交流伺服电动机工作原理113

3.4.3交流伺服电动机控制116

思考题与习题121

思考题121

习题121

第4章运动控制系统中的传感器与检测技术

4.1传感器的特性参数122

4.1.1静态特性122

4.1.2动态特性124

4.2光电编码器124

4.2.1增量式光电编码器125

4.2.2绝对式光电编码器126

4.2.3光电编码器的选用128

4.3旋转变压器128

4.3.1旋转变压器工作原理128

4.3.2鉴相工作方式129

4.3.3鉴幅工作方式130

4.4测速发电机130

4.4.1直流测速发电机130

4.4.2交流测速发电机131

4.5距离传感器132

4.5.1光栅的概念、结构与分类132

4.5.2直线光栅尺的测量原理132

4.5.3磁栅尺134

4.5.4测距传感器135

4.6行程开关（限位开关）和接近开关137

4.6.1行程开关（限位开关）137

4.6.2接近开关139

4.7霍尔传感器145

4.7.1霍尔效应145

4.7.2霍尔传感器功能146

4.7.3霍尔传感器的一些典型应用147

4.8MEMS传感器148

4.8.1MEMS压力传感器148

4.8.2MEMS加速度传感器149

4.8.3加速度传感器选择原则150

4.9智能传感器150

4.10传感器输出信号的处理方法152

4.10.1信号变换中的阻抗匹配152

4.10.2采样-保持电路154

4.10.3滤波器155

4.10.4抗干扰技术159

4.11传感器测量方式的选择161

4.11.1直接测量161

4.11.2间接测量161

思考题与习题163

思考题163

习题163

第5章接口技术及应用

5.1开关量输入/输出接口技术164

5.1.1三菱PLC基本单元及I/O扩展164

5.1.2输入接口166

5.1.3输出接口167

5.2模拟量/数字量接口技术171

5.2.1A/D转换及应用171

5.2.2D/A转换及应用175

5.2.3电压与频率的转换179

5.3通信接口技术180

5.3.1RS-232C通信180

5.3.2RS-485通信186

5.3.3CC-Link现场总线194

5.4人机交互接口技术198

5.4.1键盘接口及编程198

5.4.2人机界面组态200

思考题与习题205

思考题205

习题205

第6章工业控制计算机系统

6.1工控机的结构组成207

6.1.1工控机机箱207

6.1.2无源底板208

6.1.3CPU卡的基本功能与分类208

6.2基于PC的工控机系统209

6.2.1基于PC的工控机集中式控制系统的特点210

6.2.2基于PC的工控机分布式控制系统210

6.2.3数据采集卡211

6.3运动控制及运动控制卡217

6.3.1运动控制217

6.3.2运动控制卡217

6.4工控机的选配219

6.5集中式控制系统的软件219

思考题222

第7章数字控制器的模拟化设计

7.1数字控制器的模拟化设计步骤223

7.1.1Z变换的定义224

7.1.2常用信号的Z变换224

7.1.3脉冲传递函数的定义224

7.1.4具体设计步骤225

7.2PID控制规律228

7.2.1比例控制229

7.2.2积分控制229

7.2.3微分控制230

7.2.4比例积分控制230

7.2.5比例积分微分控制231

7.3常规数字PID控制器234

7.3.1位置式PID控制234

7.3.2增量式PID控制235

7.4数字PID控制算法的改进237

7.4.1积分分离PID控制算法238

7.4.2抗积分饱和PID控制算法239

7.4.3不完全微分PID控制算法239

7.4.4微分先行PID控制算法242

7.4.5带死区的PID控制算法242

7.5数字PID控制器的参数整定243

7.5.1PID控制参数对系统性能的影响243

7.5.2采样周期的选择原则244

7.5.3按简易工程法整定PID参数244

7.6数字PID控制系统设计举例247

习题250

第8章典型机电一体化系统设计案例

8.1步进电机直线移动机构系统设计251

8.1.1步进电机直线移动机构系统设计任务要求251

8.1.2机械传动部件的计算与选型252

8.1.3控制系统原理及设计258

8.2大中型龙门刨床直流传动系统设计259

8.2.1大中型龙门刨床直流传动系统设计技术指标259

8.2.2直流调速控制系统总体设计260

8.2.3相关数学模型260

8.2.4直流电机参数和系统建模262

8.2.5基本参数的计算263

8.2.6电流调节器的设计264

8.2.7转速调节器的设计265

8.2.8系统幅相频率特性及稳定性268

8.3立体仓库设计269

8.3.1立体仓库设计任务要求269

8.3.2机械系统270

8.3.3控制系统硬件270

8.3.4电子元器件清单275

8.3.5PLC程序275

8.3.6基于VB6.0控制软件283

8.4低频力学谱仪设计289

8.4.1低频力学谱仪设计任务要求289

8.4.2低频力学谱仪结构设计290

8.4.3低频力学谱仪电路设计及模块功能介绍290

8.4.4基于LABVIEW和MATLAB的上位机软件设计292

8.4.5数据采集滤波方法选择299

8.4.6测试结果301

附录

参考文献

随着互联网、大数据、云计算和人工智能等信息技术的发展，世界各国政府和企业界更加重视工业与互联网的融合，形成互联网时代的工业新思维。在这个背景下，诞生了德国的“工业4.0”，我国的工业化和信息化的“两化”融合及“中国制造2025”等。机电一体化产品作为信息与物理系统连接的关键节点或界面，在各个领域得到了广泛应用和极大发展。要使用计算机技术、自动控制技术、检测与传感技术、CRT显示技术、通信与网络技术、微电子技术改变目前我国机械工业面貌，必须走发展机电一体化技术之路，这也是当代机械工业发展的必然趋势。

本书是为了适应高等院校机械类和近机类机电一体化系统设计专业的教学要求而编写。本书结合了作者多年来科研与教学实践，内容丰富，深入浅出，既注意与选修课的衔接，又避免了相互重复，并将重点放在了实际应用上；既注意了基础理论、基本概念的系统叙述，也考虑到工程设计人员的实际需要。

学习本书需要有一定的可编程控制技术和自动控制方面的基础知识，全书共分为8章。第1章介绍机电一体化系统定义、机电一体化与智能制造的关系、典型的机电一体化系统、机电一体化系统构成要素、所涉及的相关科学技术、发展方向及设计常用方法；同时，以典型机电控制系统为研究对象，介绍计算机控制系统的组成、特点、典型分类形式及其发展概况和发展趋势。第2章主要介绍自动化设备中广泛使用的丝杠副、同步带、滚动导轨、精密减速器及自动化流水线常用的倍速链、振盘等零部件。第3章介绍交流异步电动机、直流电动机、步进电动机、伺服电动机的驱动控制。第4章介绍常见运动控制系统中的位置、速度、加速度和力传感器，同时对传感器输出信号中的阻抗匹配、采样保持、滤波器和抗干扰等进行介绍。第5章主要介绍开关量输入/输出接口技术、模拟量/数字量接口技术、通信接口技术和人机交互接口技术。第6章介绍工控机的结构组成、基于PC的工控机系统、数据采集卡、运动控制卡等。第7章介绍数字控制器的模拟化设计步骤、常规数字PID控制器、改进的数字PID控制器及数字PID控制器的参数整定等。第8章详细介绍四个典型机电一体化产品设计实例，四个案例全面综合覆盖了前七章的理论内容。

本书由华东交通大学李志刚、胡国良、龚志远等编著。其中，胡国良编写第1章、第3.4节、第4.9节，李志刚编写第2章、除4.9节外的第4章，龚志远编写除3.4节外的第3章、第5章，徐明编写第7章、第8章的8.3节，陈慧编写第6章及第8章的第8.1、8.2、8.4节。编写团队老中青结合，在机电设计研究领域都具有丰富的科研经历，同时具有本课程和相关课程丰富的教学经验。本书由李志刚进行内容设计和全书统稿。同时，本书的编写得到了王业楷、毛雨露、徐名亮等同学的协助支持。

此外，向本书所参考和引用的有关资料的作者致以衷心的感谢。限于编著者的水平，书中疏漏之处在所难免，恳请广大读者批评指正。

编著者