现代机械设计手册 第二版 第五卷

现代机械设计手册 第5卷（第二版）
作　者： 秦大同，谢里阳 著
出版时间： 2019

内容简介
《现代机械设计手册》第二版是顺应“中国制造2025”智能装备设计新要求、技术先进、数据可靠的一部现代化的机械设计大型工具书，涵盖现代机械零部件及传动设计、智能装备及控制设计、现代机械设计方法三部分内容。第二版重点加强机械智能化产品设计（3D打印、智能零部件、节能元器件）、智能装备（机器人及智能化装备）控制及系统设计、现代设计方法及应用等内容。 《现代机械设计手册》共6卷，其中第1卷包括机械设计基础资料，零件结构设计，机械制图和几何精度设计，机械工程材料，连接件与紧固件;第2卷包括轴和联轴器，滚动轴承，滑动轴承，机架、箱体及导轨，弹簧，机构，机械零部件设计禁忌，带传动、链传动;第3卷包括齿轮传动，减速器、变速器，离合器、制动器，润滑，密封;第4卷包括液力传动，液压传动与控制，气压传动与控制;第5卷包括智能装备系统设计，工业机器人系统设计，传感器，控制元器件和控制单元，电动机;第6卷包括机械振动与噪声，疲劳强度设计，可靠性设计，优化设计，逆向设计，数字化设计，人机工程与产品造型设计，创新设计，绿色设计。 新版手册从新时代机械设计人员的实际需求出发，追求现代感，兼顾实用性、通用性、准确性，涵盖了各种常规和通用的机械设计技术资料，贯彻了国家和行业标准，推荐了国内外先进、智能、节能、通用的产品，体现了便查易用的编写风格。 《现代机械设计手册》可作为机械装备研发、设计技术人员和有关工程技术人员的工具书，也可供高等院校相关专业师生参考使用。

第22篇 智能装备系统设计

第1章智能装备系统设计基础知识

1.1智能装备系统的定义、特点和发展趋势22-3

1.2智能装备系统基本构成要素22-5

1.2.1系统构成22-5

1.2.2技术构成22-6

1.2.3系统分类及特征22-8

1.3智能装备系统产品的设计方法22-9

1.3.1智能装备系统主要的分析方法22-9

1.3.1.1系统的解耦与耦合22-9

1.3.1.2系统设计公理22-10

1.3.1.3单元化设计原理22-12

1.3.1.4智能装备系统的结构层次22-13

1.3.1.5智能装备系统的基本分析22-16

1.3.2模块化设计方法22-19

1.3.3柔性化设计方法22-19

1.3.4取代设计方法22-19

1.3.5融合设计方法22-20

1.3.6优化设计方法22-20

1.3.7人-机-环境系统设计方法22-20

1.3.8可靠性设计方法22-21

1.3.9系统安全性设计方法22-24

1.4智能装备系统总体设计22-25

1.4.1智能装备产品的需求分析22-25

1.4.2智能装备系统设计技术参数与技术指标制定方法22-25

1.4.3智能装备系统原理方案设计22-26

1.4.3.1系统的原理方案分析22-26

1.4.3.2基本功能单元的原理方案分析22-26

1.4.3.3系统的功能结构图设计方法22-27

1.4.4智能装备系统结构方案设计22-28

1.4.4.1系统结构方案设计的程序22-28

1.4.4.2系统结构方案设计的基本原则22-29

1.4.5智能装备系统总体布局设计22-29

1.4.6总体准确度分析与设计22-29

1.5智能装备系统设计流程22-30

第2章传感检测系统设计

2.1传感检测系统22-33

2.1.1传感检测系统的概念与特点22-33

2.1.2传感检测系统的结构与组成22-33

2.1.2.1非电量的特征22-33

2.1.2.2传感检测系统的结构22-34

2.1.2.3传感检测系统的硬件组成22-36

2.1.2.4传感检测系统的软件组成22-36

2.1.3传感器信号的处理22-37

2.1.4信号传输22-37

2.2传感器及其应用22-38

2.2.1传感器的组成与分类22-38

2.2.2传感器的主要性能指标22-38

2.2.3各种用途的常用传感器22-39

2.2.4基于各种工作原理的常用传感器22-43

2.2.4.1电阻式传感器22-43

2.2.4.2电容式传感器22-48

2.2.4.3电感传感器22-51

2.2.4.4压电传感器22-58

2.2.4.5磁电传感器22-63

2.2.4.6磁致伸缩传感器22-65

2.2.4.7热电式传感器22-71

2.2.4.8霍尔式传感器22-77

2.2.4.9光纤传感器22-80

2.2.4.10光电传感器22-85

2.2.4.11红外线传感器22-91

2.2.4.12激光式传感器22-92

2.2.4.13数字式传感器22-97

2.2.4.14气敏传感器22-101

2.2.5智能传感器22-114

2.2.6微传感器22-117

2.2.6.1定义特点及分类22-117

2.2.6.2机械量微传感器22-117

2.2.6.3基于MEMS技术的气体微传感器22-120

2.2.7传感器的选用22-120

2.2.8多传感器信息融合22-122

2.3模拟信号检测系统设计22-124

2.3.1模拟信号检测系统的组成22-124

2.3.2基本转换电路22-125

2.3.3信号放大电路22-127

2.3.4信号调制与解调22-130

2.3.5滤波电路22-131

2.3.6电平转换电路22-133

2.3.7采样-保持电路22-133

2.3.8运算电路22-133

2.3.9A/D转换电路22-136

2.3.10数字信号的预处理22-137

2.3.11抗干扰设计22-142

2.4数字信号检测系统设计22-144

2.4.1数字信号检测系统的组成22-144

2.4.2编码器及光栅信号的电子细分方法22-145

2.5现代传感检测技术的新发展22-150

2.6典型传感系统设计应用实例和检测装置22-152

2.6.1CX300型数控车铣加工中心传感检测系统设计实例22-152

2.6.2飞锯检测系统设计实例22-153

2.6.3新风节能系统设计实例22-156

第3章伺服系统设计

3.1伺服系统22-159

3.2伺服系统的基本要求和设计方法22-159

3.2.1伺服系统的基本要求22-159

3.2.2伺服系统的设计步骤22-160

3.3伺服系统执行元件及其控制22-160

3.3.1执行元件种类和特点22-160

3.3.2电气执行元件22-161

3.3.2.1直流伺服电机及其驱动22-161

3.3.2.2交流伺服电机及其驱动22-163

3.3.2.3松下MINAS A5伺服电机22-165

3.3.2.4步进电机及其驱动22-170

3.3.3液压执行机构22-176

3.3.4气动执行装置22-176

3.3.5新型执行装置22-177

3.3.6电液伺服阀22-177

3.3.7电液比例阀22-178

3.3.8电液数字阀22-178

3.4执行电机的选择及设计22-179

3.4.1交流电动机调速方式22-179

3.4.2交流变频调速器22-180

3.5开环控制伺服系统及其设计22-181

3.6闭环伺服系统设计22-182

3.7数字伺服系统的设计22-183

第4章机械系统设计

4.1智能装备机械系统的基本要求和组成22-185

4.2机械传动机构设计22-186

4.2.1机械传动机构的分类及选用22-186

4.2.1.1智能装备系统对机械传动的要求22-186

4.2.1.2机械传动机构的分类22-187

4.2.1.3机械传动机构的选用22-188

4.2.1.4机械传动系统方案的选择22-188

4.2.2传动因素分析22-189

4.2.3 丝杠螺母机构传动设计22-191

4.2.3.1滚珠丝杠副基本结构22-191

4.2.3.2滚珠丝杠副的主要尺寸和精度等级22-201

4.2.3.3滚珠丝杠副的选择设计计算22-205

4.2.3.4滚珠螺母安装连接尺寸22-210

4.2.3.5静压丝杠螺母副22-217

4.2.4其他传动机构22-219

4.2.4.1齿轮传动22-219

4.2.4.2挠性传动22-224

4.2.4.3间歇传动22-225

4.3机械导向机构设计22-227

4.4机械执行机构设计22-232

4.4.1执行机构分析22-232

4.4.1.1主要性能指标22-232

4.4.1.2系统的品质22-235

4.4.1.3能量转换接口22-238

4.4.2微动机构22-240

4.4.3误差补偿机构22-244

4.4.4定位机构22-246

4.4.5设计实例22-247

4.4.5.1数控机床动力卡盘与回转刀架22-247

4.4.5.2工业机器人末端执行器22-250

4.5支撑系统和机架设计22-252

4.5.1轴系设计的基本要求及类型22-252

4.5.2机架的基本要求及结构设计要点22-254

第5章微机控制系统设计

5.1微机控制系统的基本组成与分类22-258

5.1.1微机控制系统的基本组成22-258

5.1.1.1微机控制系统的硬件组成22-258

5.1.1.2微机控制系统的软件组成22-259

5.1.2微机控制系统的分类22-259

5.2微机控制系统设计的方法和步骤22-260

5.2.1模拟化设计方法和步骤22-260

5.2.1.1模拟化设计思想22-260

5.2.1.2香农采样定理22-260

5.2.1.3模拟化设计步骤22-261

5.2.1.4数字PID控制系统设计22-262

5.2.2离散化设计方法和步骤22-265

5.3微机控制系统的数学模型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传递函数22-266

5.3.2.1基本概念22-266

5.3.2.2开环系统的脉冲传递函数22-266

5.4微机控制系统分析22-268

5.4.1线性离散系统的时域响应分析22-268

5.4.2离散系统的稳定性分析22-269

5.4.2.1Z平面内的稳定条件22-269

5.4.2.2S平面与Z平面之间的映射关系22-269

5.4.2.3稳定判据22-270

5.4.3离散系统的稳态误差22-270

5.4.4离散系统的暂态性能22-271

5.4.4.1闭环极点与暂态分量的关系22-271

5.4.4.2离散系统暂态性能的估算22-272

5.4.5离散系统的根轨迹分析法22-273

5.4.5.1Z平面上的根轨迹22-273

5.4.5.2用根轨迹法分析离散系统22-275

5.4.6离散系统的频率法22-275

5.5典型微机控制系统及设计应用实例22-276

5.5.1基于工业控制计算机的微机控制系统22-276

5.5.1.1系统结构和特点22-276

5.5.1.2工控组态软件22-276

5.5.2基于单片机的微机控制系统22-276

5.5.3基于可编程控制器的微机控制系统22-276

第6章接口设计

6.1接口设计基本方法和接口芯片22-278

6.1.1接口设计与分析的基本方法22-278

6.1.2常用的接口芯片22-278

6.2人机接口电路设计22-278

6.2.1人机接口电路类型与特点22-278

6.2.2输入接口电路设计22-279

6.2.3输出接口电路设计22-280

6.3机电接口电路设计22-290

6.3.1机电接口电路类型与特点22-290

6.3.2信号采集通道接口中的A／D转换接口电路设计22-290

6.3.3控制量输出通道中的D／A转换接口电路设计22-292

6.3.4控制量输出通道中的功率接口电路设计22-294

6.3.4.1PWM整流电路22-294

6.3.4.2光耦合器驱动接口设计22-296

6.3.4.3继电器22-298

6.3.5被控量反馈通道中的接口电路设计22-301

6.3.5.1速度反馈接口22-301

6.3.5.2位移反馈接口22-301

第7章设计实例

7.1数控机床的改造22-304

7.1.1数控车床的改造22-304

7.1.1.1数控车床的改造方案组成框图22-304

7.1.1.2机械结构改造设计方案22-304

7.1.1.3数控车床计算机控制系统改造硬件设计22-307

7.1.1.4数控车床计算机控制系统改造软件设计22-312

7.1.2大型数控落地镗铣床的系统改造实例22-312

7.2工业机器人系统设计实例22-314

7.2.1工业机器人的组成与分类22-314

7.2.2SCARA型装配机器人系统设计22-314

7.2.3BJDP-1型机器人设计22-319

7.2.4缆索并联机器人设计22-323

7.3无人搬运车（AGV）系统设计22-327

7.3.1无人搬运车系统（AGVS）22-327

7.3.2无人搬运车的工作原理和结构22-330

7.3.2.1无人搬运车的引导方式22-330

7.3.2.2无人搬运车的结构22-331

7.3.3典型的无人搬运车22-333

7.3.3.1瑞典AGV电子有限公司的产品22-333

7.3.3.2美国AGV产品有限公司的产品22-335

7.3.3.3中国新松AGV产品22-338

7.4信函连续作业自动处理系统设计22-343

7.4.1信函自动处理流水线22-344

7.4.1.1信函自动处理流水线的组成22-344

7.4.1.2信函自动处理的前提条件22-345

7.4.2信函分类机22-345

7.4.3缓冲储存器22-347

7.4.4理信盖销机22-349

7.4.5信函分拣机22-352

7.4.5.1信函分拣的同步入格控制22-352

7.4.5.2条形码及光学条码自动识别22-352

7.4.5.3光学文字自动识别22-355

参考文献22-360

第23篇 工业机器人系统设计

第1章工业机器人技术基础

1.1工业机器人定义23-3

1.2工业机器人组成23-3

1.2.1操作机23-3

1.2.2控制器23-6

1.2.3示教器23-8

1.2.4驱动系统23-8

1.2.5传感器23-10

1.3视觉技术23-10

1.4工业机器人主要性能参数23-11

1.5工业机器人基本术语23-13

1.5.1有关机械结构和性能的术语23-13

1.5.2有关控制和安全的术语23-14

1.6工业机器人分类23-15

1.6.1按结构特征划分23-15

1.6.2按控制方式划分23-16

1.6.3按驱动方式划分23-17

1.6.4按应用领域划分23-17

1.7工业机器人应用和发展趋势23-19

第2章机器人运动学与动力学

2.1数理基础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坐标变换23-23

2.2.1平移坐标变换23-23

2.2.2旋转坐标变换23-23

2.3齐次坐标变换23-24

2.3.1齐次变换23-24

2.3.2平移齐次坐标变换23-24

2.3.3旋转齐次坐标变换23-24

2.4物体的变换及逆变换23-25

2.4.1物体位置描述23-25

2.4.2齐次变换的逆变换23-25

2.4.3变换方程初步23-26

2.5通用旋转变换23-26

2.5.1通用旋转变换公式23-26

2.5.2等效转角与转轴23-27

2.6机器人运动学23-28

2.6.1机器人运动方程的表示23-28

2.6.1.1运动姿态和方向角23-28

2.6.1.2运动位置和坐标23-30

2.6.1.3连杆变换矩阵及其乘积23-31

2.6.2机械手运动方程的求解23-32

2.6.2.1欧拉变换解23-32

2.6.2.2滚、仰、偏变换解23-34

2.6.2.3球面变换解23-34

2.7机器人动力学23-35

2.7.1刚体动力学23-35

2.7.1.1刚体的动能与位能23-35

2.7.1.2动力学方程的两种求法23-36

2.7.2机械手动力学方程23-39

2.7.2.1速度的计算23-39

2.7.2.2动能和位能的计算23-40

2.7.2.3动力学方程的推导23-42

第3章工业机器人本体

3.1概述23-44

3.1.1工业机器人的本体结构23-44

3.1.2工业机器人本体的发展趋势23-45

3.2工业机器人自由度与坐标形式23-46

3.2.1工业机器人的自由度23-46

3.2.2工业机器人本体的运动副23-46

3.2.3工业机器人运动坐标形式23-48

3.2.4工业机器人的主要构型23-48

3.3工业机器人工作空间与结构尺寸23-50

3.3.1机器人工作空间23-50

3.3.2确定工作空间的几何法23-51

3.3.3工作空间与机器人结构尺寸的关系23-51

3.4机器人结构优化23-51

3.4.1结构优化的目的23-51

3.4.2位置结构的优化设计23-51

3.4.3要求使工作空间小的优化设计23-52

3.4.4要求使工作空间的优化设计23-52

3.5机器人整机设计原则和方法23-52

3.5.1机器人整机设计原则23-52

3.5.2机器人本体设计步骤23-53

3.6机器人的机械结构23-54

3.6.1腰部结构23-54

3.6.2臂部结构23-55

3.6.3腕部结构23-57

3.6.4末端执行器结构23-58

3.6.5工业机器人的运动传动机构23-58

3.6.6工业机器人的移动机构23-63

3.6.7SCARA23-65

3.6.8并联机器人23-66

3.6.9AGV23-67

3.7刚度、强度计算及误差分配23-69

3.7.1机器人刚度计算23-69

3.7.2机器人本体强度计算23-69

3.7.3机器人本体连杆参数误差分配23-69

第4章工业机器人控制系统

4.1概述23-70

4.1.1工业机器人控制系统的特点23-70

4.1.2工业机器人控制系统的主要功能23-70

4.1.3工业机器人的控制方式23-71

4.1.4工业机器人控制系统达到的功能23-71

4.1.5工业机器人控制系统的特点23-71

4.2工业机器人先进控制技术和方法23-71

4.2.1自适应控制23-72

4.2.2滑模变结构控制23-72

4.2.3鲁棒控制23-72

4.2.4智能控制23-72

4.3机器人控制系统分类23-73

4.3.1集中式控制系统CCS23-73

4.3.2分布式控制系统DCS23-73

4.4机器人控制系统设计23-74

4.4.1控制系统结构23-74

4.4.2下位机控制系统的设计23-75

4.4.3示教盒从机的设计23-76

4.5机器人典型控制方法23-76

4.5.1机器人PID控制23-76

4.5.1.1机器人独立PD控制23-76

4.5.1.2基于重力补偿的机器人PD控制23-77

4.5.1.3机器人鲁棒自适应PD控制23-77

4.5.2滑模控制23-78

4.5.2.1工作原理23-79

4.5.2.2滑模控制设计流程23-79

4.5.2.3机械手滑模鲁棒控制23-80

4.5.2.4基于计算力矩法的滑模控制23-81

4.5.2.5基于输入输出稳定性理论的滑模控制23-82

4.5.3自适应控制23-83

4.5.3.1自适应控制系统23-83

4.5.3.2自适应控制系统类型23-83

4.5.3.3自适应机器人23-84

4.5.3.4自适应控制常用的控制器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模糊控制规则生成23-87

4.5.4.3规则形式23-87

4.5.4.4Fuzzy-PID复合控制23-87

4.5.5机器人顺应控制23-88

4.5.5.1概述23-88

4.5.5.2被动式顺应控制23-88

4.5.5.3主动式顺应控制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改进的R-C力和位置混合控制23-93

4.6控制系统硬件构成23-94

4.6.1机器人控制系统硬件组成23-94

4.6.2机器人控制系统结构23-94

4.6.3机器人控制器23-96

4.7控制系统软件构成23-97

4.7.1程序数据建立23-97

4.7.1.1初识程序数据23-97

4.7.1.2程序数据的类型与分类23-97

4.7.1.3关键的程序数据23-98

4.7.2RAPID程序创建23-98

4.7.2.1程序模块与例行程序23-98

4.7.2.2RAPID 控制指令23-98

4.8机器人常用编程语言23-99

第5章工业机器人驱动系统

5.1概述23-100

5.2机器人驱动系统特点23-100

5.2.1基本驱动系统的特点23-100

5.2.2电液伺服驱动系统的特点23-100

5.3电动驱动系统23-100

5.3.1同步式交流伺服电动机及驱动器23-101

5.3.1.1交流伺服电动机分类和特点23-102

5.3.1.2交流同步伺服电动机23-104

5.3.1.3应用举例：工业机器人伺服电动机行业测试解决方案——MPT100023-104

5.3.2步进电动机及驱动器23-105

5.3.2.1概述23-105

5.3.2.2驱动方式23-107

5.3.2.3步进电动机驱动板说明23-108

5.3.2.4步进电动机及步进驱动器配套选型23-109

5.3.3直流伺服电动机及驱动器23-109

5.3.3.1直流伺服电动机的特点23-110

5.3.3.2直流伺服电动机的工作原理23-110

5.3.3.3工作特性23-111

5.3.3.4直流伺服电动机调速原理23-112

5.3.3.5直流伺服电动机特点及应用范围23-115

5.3.4直接驱动电动机23-115

5.3.4.1直线电动机工作原理23-116

5.3.4.2直线电动机的特点23-117

5.3.4.3直线电动机的分类23-118

5.3.4.4力矩电动机工作原理、特点及分类23-118

5.3.4.5直流驱动电动机应用实例23-119

5.4电液伺服驱动系统23-120

5.4.1系统组成23-121

5.4.2特点23-121

5.4.3工作原理23-121

5.4.4要求23-121

5.4.5设计步骤23-121

5.4.6液压系统及其在机器人驱动与控制中的应用23-122

5.5气动驱动系统23-122

5.5.1气动驱动系统构件23-122

5.5.2气动比例控制系统23-123

5.5.2.1气动比例控制系统组成23-123

5.5.2.2MPYE型伺服阀23-123

5.5.3控制原理23-124

5.5.4控制应用23-124

5.5.4.1张力控制23-124

5.5.4.2加压控制23-124

5.5.4.3位置和力控制23-124

5.5.5气动系统在机器人驱动与控制中的应用23-125

5.5.5.1气动系统在机器人中应用的优势23-125

5.5.5.2气动机器人的适合场合23-125

5.5.5.3气动机器人技术应用进展23-125

5.5.5.4气动机器人应用23-126

第6章工业机器人常用传感器

6.1概述23-128

6.1.1传感器定义及指标23-128

6.1.2机器人的感觉策略23-128

6.1.3机器人传感器的分类23-129

6.1.4传感器选用原则23-130

6.2内传感器23-131

6.2.1规定位置/角度的检测23-131

6.2.2位置和角度的检测23-132

6.2.3速度和角速度的检测23-135

6.2.4加速度和角加速度的测量23-136

6.2.5姿态角的检测23-138

6.3外传感器23-140

6.3.1视觉传感器23-140

6.3.2触觉传感器23-144

6.3.3力觉传感器23-147

6.3.4接近觉传感器23-150

6.3.5长距离传感器23-152

6.3.6听觉传感器23-154

6.3.7其他相关传感器23-155