現代機械設計手冊 第二版 第五卷 秦大同，謝里陽主編

現代機械設計手冊 第5卷（第二版） 作u3000者： 秦大同，謝里陽 著 出版時間： 2019 內容簡介 u3000u3000《現代機械設計手冊》第二版是順應“中國制造2025”智能裝備設計新要求、技術先進、數據可靠的一部現代化的機械設計大型工具書，涵蓋現代機械零部件及傳動設計、智能裝備及控制設計、現代機械設計方法三部分內容。第二版重點加強機械智能化產品設計（3D打印、智能零部件、節能元器件）、智能裝備（機器人及智能化裝備）控制及系統設計、現代設計方法及應用等內容。 《現代機械設計手冊》共6卷，其中第1卷包括機械設計基礎資料，零件結構設計，機械制圖和幾何精度設計，機械工程材料，連接件與緊固件;第2卷包括軸和聯軸器，滾動軸承，滑動軸承，機架、箱體及導軌，彈簧，機構，機械零部件設計禁忌，帶傳動、鏈傳動;第3卷包括齒輪傳動，減速器、變速器，離合器、制動器，潤滑，密封;第4卷包括液力傳動，液壓傳動與控制，氣壓傳動與控制;第5卷包括智能裝備系統設計，工業機器人系統設計，傳感器，控制元器件和控制單元，電動機;第6卷包括機械振動與噪聲，疲勞強度設計，可靠性設計，優化設計，逆向設計，數字化設計，人機工程與產品造型設計，創新設計，綠色設計。 新版手冊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，貫徹了國家和行業標準，推薦了國內外先進、智能、節能、通用的產品，體現了便查易用的編寫風格。 《現代機械設計手冊》可作為機械裝備研發、設計技術人員和有關工程技術人員的工具書，也可供高等院校相關專業師生參考使用。 第22篇 智能裝備系統設計 第1章智能裝備系統設計基礎知識 1.1智能裝備系統的定義、特點和發展趨勢22-3 1.2智能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系統分類及特征22-8 1.3智能裝備系統產品的設計方法22-9 1.3.1智能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智能裝備系統的結構層次22-13 1.3.1.5智能裝備系統的基本分析22-16 1.3.2模塊化設計方法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智能裝備系統總體設計22-25 1.4.1智能裝備產品的需求分析22-25 1.4.2智能裝備系統設計技術參數與技術指標制定方法22-25 1.4.3智能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智能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序22-28 1.4.4.2系統結構方案設計的基本原則22-29 1.4.5智能裝備系統總體布局設計22-29 1.4.6總體準確度分析與設計22-29 1.5智能裝備系統設計流程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非電量的特征22-33 2.1.2.2傳感檢測系統的結構22-34 2.1.2.3傳感檢測系統的硬件組成22-36 2.1.2.4傳感檢測系統的軟件組成22-36 2.1.3傳感器信號的處理22-37 2.1.4信號傳輸22-37 2.2傳感器及其應用22-38 2.2.1傳感器的組成與分類22-38 2.2.2傳感器的主要性能指標22-38 2.2.3各種用途的常用傳感器22-39 2.2.4基于各種工作原理的常用傳感器22-43 2.2.4.1電阻式傳感器22-43 2.2.4.2電容式傳感器22-48 2.2.4.3電感傳感器22-51 2.2.4.4壓電傳感器22-58 2.2.4.5磁電傳感器22-63 2.2.4.6磁致伸縮傳感器22-65 2.2.4.7熱電式傳感器22-71 2.2.4.8霍爾式傳感器22-77 2.2.4.9光纖傳感器22-80 2.2.4.10光電傳感器22-85 2.2.4.11紅外線傳感器22-91 2.2.4.12激光式傳感器22-92 2.2.4.13數字式傳感器22-97 2.2.4.14氣敏傳感器22-101 2.2.5智能傳感器22-114 2.2.6微傳感器22-117 2.2.6.1定義特點及分類22-117 2.2.6.2機械量微傳感器22-117 2.2.6.3基于MEMS技術的氣體微傳感器22-120 2.2.7傳感器的選用22-120 2.2.8多傳感器信息融合22-122 2.3模擬信號檢測系統設計22-124 2.3.1模擬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信號調制與解調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采樣-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數字信號的預處理22-137 2.3.11抗干擾設計22-142 2.4數字信號檢測系統設計22-144 2.4.1數字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數字伺服系統的設計22-183 第4章機械系統設計 4.1智能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智能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能量轉換接口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微機控制系統的硬件組成22-258 5.1.1.2微機控制系統的軟件組成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模擬化設計方法和步驟22-260 5.2.1.1模擬化設計思想22-260 5.2.1.2香農采樣定理22-260 5.2.1.3模擬化設計步驟22-261 5.2.1.4數字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開環系統的脈沖傳遞函數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響應分析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平面之間的映射關系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系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基于工業控制計算機的微機控制系統22-276 5.5.1.1系統結構和特點22-276 5.5.1.2工控組態軟件22-276 5.5.2基于單片機的微機控制系統22-276 5.5.3基于可編程控制器的微機控制系統22-276 第6章接口設計 6.1接口設計基本方法和接口芯片22-278 6.1.1接口設計與分析的基本方法22-278 6.1.2常用的接口芯片22-278 6.2人機接口電路設計22-278 6.2.1人機接口電路類型與特點22-278 6.2.2輸入接口電路設計22-279 6.2.3輸出接口電路設計22-280 6.3機電接口電路設計22-290 6.3.1機電接口電路類型與特點22-290 6.3.2信號采集通道接口中的A／D轉換接口電路設計22-290 6.3.3控制量輸出通道中的D／A轉換接口電路設計22-292 6.3.4控制量輸出通道中的功率接口電路設計22-294 6.3.4.1PWM整流電路22-294 6.3.4.2光耦合器驅動接口設計22-296 6.3.4.3繼電器22-298 6.3.5被控量反饋通道中的接口電路設計22-301 6.3.5.1速度反饋接口22-301 6.3.5.2位移反饋接口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數控車床計算機控制系統改造硬件設計22-307 7.1.1.4數控車床計算機控制系統改造軟件設計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纜索并聯機器人設計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緩沖儲存器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條形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 第23篇 工業機器人系統設計 第1章工業機器人技術基礎 1.1工業機器人定義23-3 1.2工業機器人組成23-3 1.2.1操作機23-3 1.2.2控制器23-6 1.2.3示教器23-8 1.2.4驅動系統23-8 1.2.5傳感器23-10 1.3視覺技術23-10 1.4工業機器人主要性能參數23-11 1.5工業機器人基本術語23-13 1.5.1有關機械結構和性能的術語23-13 1.5.2有關控制和安全的術語23-14 1.6工業機器人分類23-15 1.6.1按結構特征劃分23-15 1.6.2按控制方式劃分23-16 1.6.3按驅動方式劃分23-17 1.6.4按應用領域劃分23-17 1.7工業機器人應用和發展趨勢23-19 第2章機器人運動學與動力學 2.1數理基礎23-22 2.1.1位置描述23-22 2.1.2方位描述23-22 2.1.3位姿描述23-23 2.2坐標變換23-23 2.2.1平移坐標變換23-23 2.2.2旋轉坐標變換23-23 2.3齊次坐標變換23-24 2.3.1齊次變換23-24 2.3.2平移齊次坐標變換23-24 2.3.3旋轉齊次坐標變換23-24 2.4物體的變換及逆變換23-25 2.4.1物體位置描述23-25 2.4.2齊次變換的逆變換23-25 2.4.3變換方程初步23-26 2.5通用旋轉變換23-26 2.5.1通用旋轉變換公式23-26 2.5.2等效轉角與轉軸23-27 2.6機器人運動學23-28 2.6.1機器人運動方程的表示23-28 2.6.1.1運動姿態和方向角23-28 2.6.1.2運動位置和坐標23-30 2.6.1.3連桿變換矩陣及其乘積23-31 2.6.2機械手運動方程的求解23-32 2.6.2.1歐拉變換解23-32 2.6.2.2滾、仰、偏變換解23-34 2.6.2.3球面變換解23-34 2.7機器人動力學23-35 2.7.1剛體動力學23-35 2.7.1.1剛體的動能與位能23-35 2.7.1.2動力學方程的兩種求法23-36 2.7.2機械手動力學方程23-39 2.7.2.1速度的計算23-39 2.7.2.2動能和位能的計算23-40 2.7.2.3動力學方程的推導23-42 第3章工業機器人本體 3.1概述23-44 3.1.1工業機器人的本體結構23-44 3.1.2工業機器人本體的發展趨勢23-45 3.2工業機器人自由度與坐標形式23-46 3.2.1工業機器人的自由度23-46 3.2.2工業機器人本體的運動副23-46 3.2.3工業機器人運動坐標形式23-48 3.2.4工業機器人的主要構型23-48 3.3工業機器人工作空間與結構尺寸23-50 3.3.1機器人工作空間23-50 3.3.2確定工作空間的幾何法23-51 3.3.3工作空間與機器人結構尺寸的關系23-51 3.4機器人結構優化23-51 3.4.1結構優化的目的23-51 3.4.2位置結構的優化設計23-51 3.4.3要求使工作空間小的優化設計23-52 3.4.4要求使工作空間的優化設計23-52 3.5機器人整機設計原則和方法23-52 3.5.1機器人整機設計原則23-52 3.5.2機器人本體設計步驟23-53 3.6機器人的機械結構23-54 3.6.1腰部結構23-54 3.6.2臂部結構23-55 3.6.3腕部結構23-57 3.6.4末端執行器結構23-58 3.6.5工業機器人的運動傳動機構23-58 3.6.6工業機器人的移動機構23-63 3.6.7SCARA23-65 3.6.8并聯機器人23-66 3.6.9AGV23-67 3.7剛度、強度計算及誤差分配23-69 3.7.1機器人剛度計算23-69 3.7.2機器人本體強度計算23-69 3.7.3機器人本體連桿參數誤差分配23-69 第4章工業機器人控制系統 4.1概述23-70 4.1.1工業機器人控制系統的特點23-70 4.1.2工業機器人控制系統的主要功能23-70 4.1.3工業機器人的控制方式23-71 4.1.4工業機器人控制系統達到的功能23-71 4.1.5工業機器人控制系統的特點23-71 4.2工業機器人先進控制技術和方法23-71 4.2.1自適應控制23-72 4.2.2滑模變結構控制23-72 4.2.3魯棒控制23-72 4.2.4智能控制23-72 4.3機器人控制系統分類23-73 4.3.1集中式控制系統CCS23-73 4.3.2分布式控制系統DCS23-73 4.4機器人控制系統設計23-74 4.4.1控制系統結構23-74 4.4.2下位機控制系統的設計23-75 4.4.3示教盒從機的設計23-76 4.5機器人典型控制方法23-76 4.5.1機器人PID控制23-76 4.5.1.1機器人獨立PD控制23-76 4.5.1.2基于重力補償的機器人PD控制23-77 4.5.1.3機器人魯棒自適應PD控制23-77 4.5.2滑?？刂?3-78 4.5.2.1工作原理23-79 4.5.2.2滑?？刂圃O計流程23-79 4.5.2.3機械手滑模魯棒控制23-80 4.5.2.4基于計算力矩法的滑?？刂?3-81 4.5.2.5基于輸入輸出穩定性理論的滑?？刂?3-82 4.5.3自適應控制23-83 4.5.3.1自適應控制系統23-83 4.5.3.2自適應控制系統類型23-83 4.5.3.3自適應機器人23-84 4.5.3.4自適應控制常用的控制器23-84 4.5.4模糊控制23-86 4.5.4.1基本原理23-86 4.5.4.2模糊控制規則生成23-87 4.5.4.3規則形式23-87 4.5.4.4Fuzzy-PID復合控制23-87 4.5.5機器人順應控制23-88 4.5.5.1概述23-88 4.5.5.2被動式順應控制23-88 4.5.5.3主動式順應控制23-89 4.5.6位置和力控制23-89 4.5.6.1位置控制23-89 4.5.6.2力控制23-89 4.5.6.3位置和力的混合控制23-92 4.5.6.4R-C控制器23-92 4.5.6.5改進的R-C力和位置混合控制23-93 4.6控制系統硬件構成23-94 4.6.1機器人控制系統硬件組成23-94 4.6.2機器人控制系統結構23-94 4.6.3機器人控制器23-96 4.7控制系統軟件構成23-97 4.7.1程序數據建立23-97 4.7.1.1初識程序數據23-97 4.7.1.2程序數據的類型與分類23-97 4.7.1.3關鍵的程序數據23-98 4.7.2RAPID程序創建23-98 4.7.2.1程序模塊與例行程序23-98 4.7.2.2RAPID 控制指令23-98 4.8機器人常用編程語言23-99 第5章工業機器人驅動系統 5.1概述23-100 5.2機器人驅動系統特點23-100 5.2.1基本驅動系統的特點23-100 5.2.2電液伺服驅動系統的特點23-100 5.3電動驅動系統23-100 5.3.1同步式交流伺服電動機及驅動器23-101 5.3.1.1交流伺服電動機分類和特點23-102 5.3.1.2交流同步伺服電動機23-104 5.3.1.3應用舉例：工業機器人伺服電動機行業測試解決方案——MPT100023-104 5.3.2步進電動機及驅動器23-105 5.3.2.1概述23-105 5.3.2.2驅動方式23-107 5.3.2.3步進電動機驅動板說明23-108 5.3.2.4步進電動機及步進驅動器配套選型23-109 5.3.3直流伺服電動機及驅動器23-109 5.3.3.1直流伺服電動機的特點23-110 5.3.3.2直流伺服電動機的工作原理23-110 5.3.3.3工作特性23-111 5.3.3.4直流伺服電動機調速原理23-112 5.3.3.5直流伺服電動機特點及應用范圍23-115 5.3.4直接驅動電動機23-115 5.3.4.1直線電動機工作原理23-116 5.3.4.2直線電動機的特點23-117 5.3.4.3直線電動機的分類23-118 5.3.4.4力矩電動機工作原理、特點及分類23-118 5.3.4.5直流驅動電動機應用實例23-119 5.4電液伺服驅動系統23-120 5.4.1系統組成23-121 5.4.2特點23-121 5.4.3工作原理23-121 5.4.4要求23-121 5.4.5設計步驟23-121 5.4.6液壓系統及其在機器人驅動與控制中的應用23-122 5.5氣動驅動系統23-122 5.5.1氣動驅動系統構件23-122 5.5.2氣動比例控制系統23-123 5.5.2.1氣動比例控制系統組成23-123 5.5.2.2MPYE型伺服閥23-123 5.5.3控制原理23-124 5.5.4控制應用23-124 5.5.4.1張力控制23-124 5.5.4.2加壓控制23-124 5.5.4.3位置和力控制23-124 5.5.5氣動系統在機器人驅動與控制中的應用23-125 5.5.5.1氣動系統在機器人中應用的優勢23-125 5.5.5.2氣動機器人的適合場合23-125 5.5.5.3氣動機器人技術應用進展23-125 5.5.5.4氣動機器人應用23-126 第6章工業機器人常用傳感器 6.1概述23-128 6.1.1傳感器定義及指標23-128 6.1.2機器人的感覺策略23-128 6.1.3機器人傳感器的分類23-129 6.1.4傳感器選用原則23-130 6.2內傳感器23-131 6.2.1規定位置/角度的檢測23-131 6.2.2位置和角度的檢測23-132 6.2.3速度和角速度的檢測23-135 6.2.4加速度和角加速度的測量23-136 6.2.5姿態角的檢測23-138 6.3外傳感器23-140 6.3.1視覺傳感器23-140 6.3.2觸覺傳感器23-144 6.3.3力覺傳感器23-147 6.3.4接近覺傳感器23-150 6.3.5長距離傳感器23-152 6.3.6聽覺傳感器23-154 6.3.7其他相關傳感器23-155