現(xiàn)代機械設計手冊 第5卷（第二版）

第22篇 智能裝備系統(tǒng)設計

第1章智能裝備系統(tǒng)設計基礎知識

1.1智能裝備系統(tǒng)的定義、特點和發(fā)展趨勢22-3

1.2智能裝備系統(tǒng)基本構成要素22-5

1.2.1系統(tǒng)構成22-5

1.2.2技術構成22-6

1.2.3系統(tǒng)分類及特征22-8

1.3智能裝備系統(tǒng)產(chǎn)品的設計方法22-9

1.3.1智能裝備系統(tǒng)主要的分析方法22-9

1.3.1.1系統(tǒng)的解耦與耦合22-9

1.3.1.2系統(tǒng)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(tǒng)的結構層次22-13

1.3.1.5智能裝備系統(tǒng)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(yōu)化設計方法22-20

1.3.7人-機-環(huán)境系統(tǒng)設計方法22-20

1.3.8可靠性設計方法22-21

1.3.9系統(tǒng)安全性設計方法22-24

1.4智能裝備系統(tǒng)總體設計22-25

1.4.1智能裝備產(chǎn)品的需求分析22-25

1.4.2智能裝備系統(tǒng)設計技術參數(shù)與技術指標制定方法22-25

1.4.3智能裝備系統(tǒng)原理方案設計22-26

1.4.3.1系統(tǒng)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(tǒng)的功能結構圖設計方法22-27

1.4.4智能裝備系統(tǒng)結構方案設計22-28

1.4.4.1系統(tǒng)結構方案設計的程序22-28

1.4.4.2系統(tǒng)結構方案設計的基本原則22-29

1.4.5智能裝備系統(tǒng)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(tǒng)設計流程22-30



第2章傳感檢測系統(tǒng)設計

2.1傳感檢測系統(tǒng)22-33

2.1.1傳感檢測系統(tǒng)的概念與特點22-33

2.1.2傳感檢測系統(tǒng)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(tǒng)的結構22-34

2.1.2.3傳感檢測系統(tǒng)的硬件組成22-36

2.1.2.4傳感檢測系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)設計22-124

2.3.1模擬信號檢測系統(tǒng)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(diào)制與解調(diào)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(shù)字信號的預處理22-137

2.3.11抗干擾設計22-142

2.4數(shù)字信號檢測系統(tǒng)設計22-144

2.4.1數(shù)字信號檢測系統(tǒng)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(xiàn)代傳感檢測技術的新發(fā)展22-150

2.6典型傳感系統(tǒng)設計應用實例和檢測裝置22-152

2.6.1CX300型數(shù)控車銑加工中心傳感檢測系統(tǒng)設計實例22-152

2.6.2飛鋸檢測系統(tǒng)設計實例22-153

2.6.3新風節(jié)能系統(tǒng)設計實例22-156



第3章伺服系統(tǒng)設計

3.1伺服系統(tǒng)22-159

3.2伺服系統(tǒng)的基本要求和設計方法22-159

3.2.1伺服系統(tǒng)的基本要求22-159

3.2.2伺服系統(tǒng)的設計步驟22-160

3.3伺服系統(tǒng)執(zhí)行元件及其控制22-160

3.3.1執(zhí)行元件種類和特點22-160

3.3.2電氣執(zhí)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(zhí)行機構22-176

3.3.4氣動執(zhí)行裝置22-176

3.3.5新型執(zhí)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(shù)字閥22-178

3.4執(zhí)行電機的選擇及設計22-179

3.4.1交流電動機調(diào)速方式22-179

3.4.2交流變頻調(diào)速器22-180

3.5開環(huán)控制伺服系統(tǒng)及其設計22-181

3.6閉環(huán)伺服系統(tǒng)設計22-182

3.7數(shù)字伺服系統(tǒng)的設計22-183



第4章機械系統(tǒng)設計

4.1智能裝備機械系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(zhí)行機構設計22-232

4.4.1執(zhí)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(tǒng)的品質(zhì)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(shù)控機床動力卡盤與回轉刀架22-247

4.4.5.2工業(yè)機器人末端執(zhí)行器22-250

4.5支撐系統(tǒng)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(tǒng)設計

5.1微機控制系統(tǒng)的基本組成與分類22-258

5.1.1微機控制系統(tǒng)的基本組成22-258

5.1.1.1微機控制系統(tǒng)的硬件組成22-258

5.1.1.2微機控制系統(tǒng)的軟件組成22-259

5.1.2微機控制系統(tǒng)的分類22-259

5.2微機控制系統(tǒng)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(nóng)采樣定理22-260

5.2.1.3模擬化設計步驟22-261

5.2.1.4數(shù)字PID控制系統(tǒng)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(tǒng)的數(shù)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(shù)22-266

5.3.2.1基本概念22-266

5.3.2.2開環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)22-266

5.4微機控制系統(tǒng)分析22-268

5.4.1線性離散系統(tǒng)的時域響應分析22-268

5.4.2離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析22-269

5.4.2.1Z平面內(nèi)的穩(wěn)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(wěn)定判據(jù)22-270

5.4.3離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差22-270

5.4.4離散系統(tǒng)的暫態(tài)性能22-271

5.4.4.1閉環(huán)極點與暫態(tài)分量的關系22-271

5.4.4.2離散系統(tǒng)暫態(tài)性能的估算22-272

5.4.5離散系統(tǒng)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(tǒng)22-275

5.4.6離散系統(tǒng)的頻率法22-275

5.5典型微機控制系統(tǒng)及設計應用實例22-276

5.5.1基于工業(yè)控制計算機的微機控制系統(tǒng)22-276

5.5.1.1系統(tǒng)結構和特點22-276

5.5.1.2工控組態(tài)軟件22-276

5.5.2基于單片機的微機控制系統(tǒng)22-276

5.5.3基于可編程控制器的微機控制系統(tǒng)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(shù)控機床的改造22-304

7.1.1數(shù)控車床的改造22-304

7.1.1.1數(shù)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(shù)控車床計算機控制系統(tǒng)改造硬件設計22-307

7.1.1.4數(shù)控車床計算機控制系統(tǒng)改造軟件設計22-312

7.1.2大型數(shù)控落地鏜銑床的系統(tǒng)改造實例22-312

7.2工業(yè)機器人系統(tǒng)設計實例22-314

7.2.1工業(yè)機器人的組成與分類22-314

7.2.2SCARA型裝配機器人系統(tǒng)設計22-314

7.2.3BJDP-1型機器人設計22-319

7.2.4纜索并聯(lián)機器人設計22-323

7.3無人搬運車（AGV）系統(tǒng)設計22-327

7.3.1無人搬運車系統(tǒng)（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(chǎn)品22-333

7.3.3.2美國AGV產(chǎn)品有限公司的產(chǎn)品22-335

7.3.3.3中國新松AGV產(chǎn)品22-338

7.4信函連續(xù)作業(yè)自動處理系統(tǒng)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(yè)機器人系統(tǒng)設計

第1章工業(yè)機器人技術基礎

1.1工業(yè)機器人定義23-3

1.2工業(yè)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(tǒng)23-8

1.2.5傳感器23-10

1.3視覺技術23-10

1.4工業(yè)機器人主要性能參數(shù)23-11

1.5工業(yè)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(yè)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(yè)機器人應用和發(fā)展趨勢23-19



第2章機器人運動學與動力學

2.1數(shù)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(tài)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(yè)機器人本體

3.1概述23-44

3.1.1工業(yè)機器人的本體結構23-44

3.1.2工業(yè)機器人本體的發(fā)展趨勢23-45

3.2工業(yè)機器人自由度與坐標形式23-46

3.2.1工業(yè)機器人的自由度23-46

3.2.2工業(yè)機器人本體的運動副23-46

3.2.3工業(yè)機器人運動坐標形式23-48

3.2.4工業(yè)機器人的主要構型23-48

3.3工業(yè)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(yōu)化23-51

3.4.1結構優(yōu)化的目的23-51

3.4.2位置結構的優(yōu)化設計23-51

3.4.3要求使工作空間小的優(yōu)化設計23-52

3.4.4要求使工作空間的優(yōu)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(zhí)行器結構23-58

3.6.5工業(yè)機器人的運動傳動機構23-58

3.6.6工業(yè)機器人的移動機構23-63

3.6.7SCARA23-65

3.6.8并聯(lián)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(shù)誤差分配23-69



第4章工業(yè)機器人控制系統(tǒng)

4.1概述23-70

4.1.1工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的特點23-70

4.1.2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的主要功能23-70

4.1.3工業(yè)機器人的控制方式23-71

4.1.4工業(yè)機器人控制系統(tǒng)達到的功能23-71

4.1.5工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的特點23-71

4.2工業(yè)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(tǒng)分類23-73

4.3.1集中式控制系統(tǒng)CCS23-73

4.3.2分布式控制系統(tǒng)DCS23-73

4.4機器人控制系統(tǒng)設計23-74

4.4.1控制系統(tǒng)結構23-74

4.4.2下位機控制系統(tǒng)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?shù)臋C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(wěn)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(tǒng)23-83

4.5.3.2自適應控制系統(tǒng)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(guī)則生成23-87

4.5.4.3規(guī)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(tǒng)硬件構成23-94

4.6.1機器人控制系統(tǒng)硬件組成23-94

4.6.2機器人控制系統(tǒng)結構23-94

4.6.3機器人控制器23-96

4.7控制系統(tǒng)軟件構成23-97

4.7.1程序數(shù)據(jù)建立23-97

4.7.1.1初識程序數(shù)據(jù)23-97

4.7.1.2程序數(shù)據(jù)的類型與分類23-97

4.7.1.3關鍵的程序數(shù)據(jù)23-98

4.7.2RAPID程序創(chuàng)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(yè)機器人驅動系統(tǒng)

5.1概述23-100

5.2機器人驅動系統(tǒng)特點23-100

5.2.1基本驅動系統(tǒng)的特點23-100

5.2.2電液伺服驅動系統(tǒng)的特點23-100

5.3電動驅動系統(tǒng)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(yè)機器人伺服電動機行業(yè)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(diào)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(tǒng)23-120

5.4.1系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)23-122

5.5.1氣動驅動系統(tǒng)構件23-122

5.5.2氣動比例控制系統(tǒng)23-123

5.5.2.1氣動比例控制系統(tǒng)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(tǒng)在機器人驅動與控制中的應用23-125

5.5.5.1氣動系統(tǒng)在機器人中應用的優(yōu)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(yè)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(nèi)傳感器23-131

6.2.1規(guī)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(tài)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


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