智能机电装备系统设计与实例

第1 章　智能制造装备概述 1
　1.1　智能制造装备的概念、组成及特点 2
　　　1.1.1　智能制造装备的概念 2
　　　1.1.2　智能制造装备的组成 6
　　　1.1.3　智能制造装备的特点及关键技术 7
　　　1.1.4　智能装备应用领域 11
　1.2　智能制造装备的发展概况 16
　　　1.2.1　数控机床发展现状 17
　　　1.2.2　工业机器人发展现状 19
　　　1.2.3　未来的智能制造装备发展 21
　1.3　智能制造装备研发内容 22
　　　1.3.1　智能机床与基础制造装备 22
　　　1.3.2　工业机器人 23
　　　1.3.3　增材制造 26
　1.4　智能制造装备的发展趋势 29
　　　1.4.1　智能机床装备 29
　　　1.4.2　智能工程机械 32
　　　1.4.3　智能动力装备 32
　　　1.4.4　智能机器人 33
　　　1.4.5　智能终端产品 33
　1.5　本章小结 33

第2 章　智能制造装备机械本体设计 34 　
　2.1　机械设计的基本要求 34
　2.2　智能制造装备机械本体整体设计 37
　　　2.2.1　机械结构设计的任务 37
　　　2.2.2　机械结构设计的特点 37
　　　2.2.3　机械结构件的结构要素和设计方法 38
　2.3　智能制造装备本体设计的主要内容 39
　　　2.3.1　功能原理设计 39
　　　2.3.2　方案评价与筛选 42
　　　2.3.3　机械结构设计的基本要求 44
　　　2.3.4　机械结构基本设计准则 45
　　　2.3.5　机械结构设计步骤 52
　2.4　智能制造装备进给传动系统设计 53
　　　2.4.1　智能制造装备进给传动系统的功能要求 53
　　　2.4.2　智能制造装备进给传动系统的组成 54
　　　2.4.3　智能制造装备传动系统的分析及计算 55
　　　2.4.4　智能制造装备传动系统结构的设计 57
　　　2.4.5　滚动导轨副的设计 57
　　　2.4.6　滚珠丝杠的设计 60
　2.5　智能制造装备支承系统设计 66
　　　2.5.1　设计支承系统需注意的问题 66
　　　2.5.2　支承件的设计 67
　　　2.5.3　旋转支承部件设计 72
　　　2.5.4　移动支承部件结构方案设计 81
　2.6　智能制造装备执行系统设计 87
　2.7　智能制造装备本体动态设计 99
　　　2.7.1　动态设计的原则 99
　　　2.7.2　机体动态设计的步骤 99
　　　2.7.3　智能制造装备本体动态性能分析 100
　2.8　智能制造装备本体优化设计 103
　　　2.8.1　本体设计的主要内容 103
　　　2.8.2　结构模块的优化设计 103
　　　2.8.3　系统模块的优化设计 104
　　　2.8.4　产品特征的优化设计 104
　　　2.8.5　机械结构优化方法 106
　2.9　智能制造装备数字化设计 106
　　　2.9.1　数字化设计的现状 107
　　　2.9.2　数字化设计的发展 109
　　　2.9.3　数字化设计制造的主要方法和常用文件交换类型 110
　　　2.9.4　数字化设计制造的未来趋势 115
　　　2.9.5　智能制造装备数字化设计 117
　　　2.9.6　绿色设计 118
　2.10　本章小结 119

第3 章　智能制造装备驱动系统设计 120 　
　3.1　驱动机构的分类和特性 120
　　　3.1.1　驱动机构的分类 120
　　　3.1.2　驱动机构的技术特性 122
　3.2　电机驱动系统 124
　　　3.2.1　电机驱动系统概述 124
　　　3.2.2　步进电机的选择 137
　　　3.2.3　伺服电机的选择原则 137
　　　3.2.4　伺服电机选择注意的问题 139
　　　3.2.5　根据负载转矩选择伺服电机 140
　　　3.2.6　根据负载惯量选择伺服电机 141
　　　3.2.7　根据电机加减速时的转矩选择伺服电机 142
　　　3.2.8　根据电机转矩均方根值选择伺服电机 143
　　　3.2.9　伺服电机选择的步骤、方法、公式 144
　3.3　液压驱动系统 145
　　　3.3.1　概述 146
　　　3.3.2　液压系统的形式 149
　　　3.3.3　液压系统性能评价 157
　　　3.3.4　液压动力系统 158
　　　3.3.5　液压系统设计 162
　3.4　气压传动系统设计 165
　3.5　驱动机构的发展方向 170
　3.6　本章小结 173

第4 章　智能制造装备感知系统设计 174 　
　4.1　传感器的概念 174
　　　4.1.1　传感器的概念和组成 174
　　　4.1.2　传感器的特性 175
　　　4.1.3　智能传感器的特点和作用 179
　　　4.1.4　传感器的分类 180
　　　4.1.5　微机电系统（MEMS） 传感器 182
　　　4.1.6　传感器的发展 188
　4.2　智能制造装备传感器 189
　　　4.2.1　概述 189
　　　4.2.2　智能制造装备传感器的作用 190
　　　4.2.3　智能制造装备传感器的分类 191
　　　4.2.4　无线传感器网络 192
　　　4.2.5　模糊传感器 194
　4.3　智能制造装备传感器的选择 195
　4.4　智能制造装备感知系统设计 198
　　　4.4.1　感知系统定制开发 198
　　　4.4.2　感知系统定制开发方式及案例 203
　4.5　工业机器人的传感器 207
　　　4.5.1　工业机器人的感觉系统 207
　　　4.5.2　工业机器人内部传感器 208
　　　4.5.3　工业机器人外部传感器 209
　4.6　智能制造装备传感器的发展趋势 211
　4.7　本章小结 213

第5 章　智能制造装备控制系统设计 214 　
　5.1　智能控制概述 214
　5.2　智能制造装备的控制系统分类 217
　　　5.2.1　分级递阶控制系统 217
　　　5.2.2　模糊控制系统 219
　　　5.2.3　神经网络控制系统 220
　　　5.2.4　专家控制系统 221
　　　5.2.5　仿人智能控制 222
　　　5.2.6　集成智能控制系统 223
　5.3　智能制造装备控制系统的硬件平台设计 227
　　　5.3.1　概述 227
　　　5.3.2　常见控制系统硬件 229
　　　5.3.3　机器人控制系统 229
　5.4　智能制造装备控制系统的软件设计 232
　　　5.4.1　概述 232
　　　5.4.2　智能控制系统常用的软件设计方法 234
　5.5　现代工业装备自动控制技术 235
　　　5.5.1　概述 235
　　　5.5.2　可编程逻辑控制器 236
　　　5.5.3　DCS 控制系统 244
　　　5.5.4　现场总线 250
　　　5.5.5　PC 数控 260
　　　5.5.6　先进控制技术方法 263
　5.6　PLC 控制系统设计 264
　　　5.6.1　PLC 控制系统的硬件设计 265
　　　5.6.2　PLC 控制系统的软件设计 269
　　　5.6.3　PLC 系统的抗干扰设计 284
　　　5.6.4　PLC 系统的调试 285
　5.7　电气控制系统设计 286
　　　5.7.1　概述 286
　　　5.7.2　常用的控制线路的基本回路 287
　　　5.7.3　常用保护环节 288
　　　5.7.4　故障维修 289
　5.8　本章小结 290

第6 章　智能物联网机电装备系统的设计 291 　
　6.1　物联网概述 292
　　　6.1.1　物联网的主要功能 294
　　　6.1.2　物联网的关键技术 295
　　　6.1.3　物联网的应用 297
　6.2　物联网架构 308
　6.3　物联网的终端 310
　　　6.3.1　物联网终端的概念 310
　　　6.3.2　物联网终端的基本原理及作用 310
　　　6.3.3　物联网终端的分类 310
　　　6.3.4　物联网终端的标准化 313
　6.4　物联网技术在装备中的应用 313
　6.5　机电装备物联网设计 316
　　　6.5.1　概述 316
　　　6.5.2　物联网平台架构设计过程 316
　6.6　本章小结 319

第7 章　具有复杂工艺与高性能运动要求的工业装备系统 320 　
　7.1　案例一　中空玻璃全自动涂胶机开发 320
　　　7.1.1　中空玻璃全自动涂胶机机械本体设计 321
　　　7.1.2　中空玻璃全自动涂胶机驱动系统设计 323
　　　7.1.3　中空玻璃全自动涂胶机控制系统 324
　　　7.1.4　中空玻璃全自动涂胶机下位控制 338
　7.2　案例二　全自动立式玻璃磨边机开发 343
　　　7.2.1　全自动立式玻璃磨边机机械本体设计 343
　　　7.2.2　全自动立式玻璃磨边机控制系统设计 348

附录　2015 年全国智能制造试点示范典型经验 349 　
　附录一：2015 年全国智能制造试点示范典型经验（一）——九江石化建设智能工厂， 培育核心优势 349
　附录二：2015 年全国智能制造试点示范典型经验（二）——潍柴以智能制造推动企业快速发展 351
　附录三：2015 年全国智能制造试点示范典型经验（三）——海尔智能制造创新实践 352
　附录四：2015 年全国智能制造试点示范典型经验（四）——长虹以大规模个性化定制驱动产业智能转型 354
　附录五：2015 年全国智能制造试点示范典型经验（五）——和利时用智能控制系统助力制造业转型升级 355

参考文献 358