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一部順應中國制造2025智能裝備新要求、技術先進、數據可靠的現代化機械設計工具書，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，貫徹了新的國家及行業標準，推薦了國內外先進、智能、節能、通用的產品。

《現代機械設計手冊》第一版自2011年3月出版以來，贏得了機械設計人員、工程技術人員和高等院校專業師生廣泛的青睞和好評，榮獲了2011年全國優秀暢銷書（科技類）。同時，因其在機械設計領域重要的科學價值、實用價值和現實意義，《現代機械設計手冊》還榮獲2009年國家出版基金資助和2012年中國機械工業科學技術獎。

《現代機械設計手冊》第一版出版距今已經8年，在這期間，我國的裝備制造業發生了許多重大的變化，尤其是2015年國家部署并頒布了實現中國制造業發展的十年行動綱領中國制造2025，發布了針對中國制造2025的五大工程實施指南，為機械制造業的未來發展指明了方向。在國家政策號召和驅使下，我國的機械工業獲得了快速的發展，自主創新的能力不斷加強，一批高技術、高性能、高精尖的現代化裝備不斷涌現，各種新材料、新工藝、新結構、新產品、新方法、新技術不斷產生、發展并投入實際應用，大大提升了我國機械設計與制造的技術水平和國際競爭力。《現代機械設計手冊》第二版最重要的原則就是緊密結合中國制造2025國家規劃和創新驅動發展戰略，在內容上與時俱進，全面體現創新、智能、節能、環保的主題，進一步呈現機械設計的現代感。鑒于此，《現代機械設計手冊》第二版被列入了十三五國家重點出版物規劃項目。

在本版手冊的修訂過程中，我們廣泛深入機械制造企業、設計院、科研院所和高等院校進行調研，聽取各方面讀者的意見和建議，最終確定了《現代機械設計手冊》第二版的根本宗旨：一方面，新版手冊進一步加強機、電、液、控制技術的有機融合，以全面適應機器人等智能化裝備系統設計開發的新要求；另一方面，隨著現代機械設計方法和工程設計軟件的廣泛應用和普及，新版手冊繼續促進傳動設計與現代設計的有機結合，將各種新的設計技術、計算技術、設計工具全面融入傳統的機械設計實際工作中。

《現代機械設計手冊》第二版共6卷35篇，它是一部面向中國制造2025，適應智能裝備設計開發新要求、技術先進、數據可靠、符合現代機械設計潮流的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、現代機械設計方法及應用三部分內容，具有以下六大特色。

1.權威性。《現代機械設計手冊》陣容強大，編、審人員大都來自設計、生產、教學和科研第一線，具有深厚的理論功底、豐富的設計實踐經驗。他們中很多人都是所屬領域的知名專家，在業內有廣泛的影響力和知名度，獲得過多項國家和省部級科技進步獎、發明獎和技術專利，承擔了許多機械領域國家重要的科研和攻關項目。這支專業、權威的編審隊伍確保了手冊準確、實用的內容質量。

2.現代感。追求現代感，體現現代機械設計氣氛，滿足時代要求，是《現代機械設計手冊》的基本宗旨。現代二字主要體現在：新標準、新技術、新材料、新結構、新工藝、新產品、智能化、現代的設計理念、現代的設計方法和現代的設計手段等幾個方面。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、數字化設計等內容。

（1）零件結構設計等篇進一步完善零部件結構設計的內容，結合目前的3D打印（增材制造）技術，增加3D打印工藝下零件結構設計的相關技術內容。

機械工程材料篇增加3D打印材料以及新型材料的內容。

（2）機械零部件及傳動設計各篇增加了新型智能零部件、節能元器件及其應用技術，例如滑動軸承篇增加了新型的智能軸承，潤滑篇增加了微量潤滑技術等內容。

（3）全面增加了工業機器人設計及應用的內容：新增了工業機器人系統設計篇；智能裝備系統設計篇增加了工業機器人應用開發的內容；機構篇增加了自動化機構及機構創新的內容；減速器、變速器篇增加了工業機器人減速器選用設計的內容；帶傳動、鏈傳動篇增加并完善了工業機器人適用的同步帶傳動設計的內容；齒輪傳動篇增加了RV減速器傳動設計、諧波齒輪傳動設計的內容等。

（4）氣壓傳動與控制液壓傳動與控制篇重點加強并完善了控制技術的內容，新增了氣動系統自動控制、氣動人工肌肉、液壓和氣動新型智能元器件及新產品等內容。

（5）繼續加強第5卷機電控制系統設計的相關內容：除增加工業機器人系統設計篇外，原機電一體化系統設計篇充實擴充形成智能裝備系統設計篇，增加并完善了智能裝備系統設計的相關內容，增加智能裝備系統開發實例等。

傳感器篇增加了機器人傳感器、航空航天裝備用傳感器、微機械傳感器、智能傳感器、無線傳感器的技術原理和產品，加強傳感器應用和選用的內容。

控制元器件和控制單元篇和電動機篇全面更新產品，重點推薦了一些新型的智能和節能產品，并加強產品選用的內容。

（6）第6卷進一步加強現代機械設計方法應用的內容：在3D打印、數字化設計等智能制造理念的倡導下，逆向設計數字化設計等篇全面更新，體現了智能工廠的全數字化設計的時代特征，增加了相關設計應用實例。

增加綠色設計篇；創新設計篇進一步完善了機械創新設計原理，全面更新創新實例。

（7）在貫徹新標準方面，收錄并合理編排了目前最新頒布的國家和行業標準。

3.實用性。新版手冊繼續加強實用性，內容的選定、深度的把握、資料的取舍和章節的編排，都堅持從設計和生產的實際需要出發：例如機械零部件數據資料主要依據最新國家和行業標準，并給出了相應的設計實例供設計人員參考；第5卷機電控制設計部分，完全站在機械設計人員的角度來編寫注重產品如何選用，摒棄或簡化了控制的基本原理，突出機電系統設計，控制元器件、傳感器、電動機部分注重介紹主流產品的技術參數、性能、應用場合、選用原則，并給出了相應的設計選用實例；第6卷現代機械設計方法中簡化了煩瑣的數學推導，突出了最終的計算結果，結合具體的算例將設計方法通俗地呈現出來，便于讀者理解和掌握。

為方便廣大讀者的使用，手冊在具體內容的表述上，采用以圖表為主的編寫風格。這樣既增加了手冊的信息容量，更重要的是方便了讀者的查閱使用，有利于提高設計人員的工作效率和設計速度。

為了進一步增加手冊的承載容量和時效性，本版修訂將部分篇章的內容放入二維碼中，讀者可以用手機掃描查看、下載打印或存儲在PC端進行查看和使用。二維碼內容主要涵蓋以下幾方面的內容：即將被廢止的舊標準（新標準一旦正式頒布，會及時將二維碼內容更新為新標準的內容）；部分推薦產品及參數；其他相關內容。

4.通用性。本手冊以通用的機械零部件和控制元器件設計、選用內容為主，主要包括機械設計基礎資料、機械制圖和幾何精度設計、機械工程材料、機械通用零部件設計、機械傳動系統設計、液壓和氣壓傳動系統設計、機構設計、機架設計、機械振動設計、智能裝備系統設計、控制元器件和控制單元等，既適用于傳統的通用機械零部件設計選用，又適用于智能化裝備的整機系統設計開發，能夠滿足各類機械設計人員的工作需求。

5.準確性。本手冊盡量采用原始資料，公式、圖表、數據力求準確可靠，方法、工藝、技術力求成熟。所有材料、零部件和元器件、產品和工藝方面的標準均采用最新公布的標準資料，對于標準規范的編寫，手冊沒有簡單地照抄照搬，而是采取選用、摘錄、合理編排的方式，強調其科學性和準確性，盡量避免差錯和謬誤。所有設計方法、計算公式、參數選用均經過長期檢驗，設計實例、各種算例均來自工程實際。手冊中收錄通用性強、標準化程度高的產品，供設計人員在了解企業實際生產品種、規格尺寸、技術參數，以及產品質量和用戶的實際反映后選用。

6.全面性。本手冊一方面根據機械設計人員的需要，按照基本、常用、重要、發展的原則選取內容，另一方面兼顧了制造企業和大型設計院兩大群體的設計特點，即制造企業側重基礎性的設計內容，而大型的設計院、工程公司側重于產品的選用。因此，本手冊力求實現零部件設計與整機系統開發的和諧統一，促進機械設計與控制設計的有機融合，強調產品設計與工藝技術的緊密結合，重視工藝技術與選用材料的合理搭配，倡導結構設計與造型設計的完美統一，以全面適應新時代機械新產品設計開發的需要。

經過廣大編審人員和出版社的不懈努力，新版《現代機械設計手冊》將以嶄新的風貌和鮮明的時代氣息展現在廣大機械設計工作者面前。值此出版之際，謹向所有給過我們大力支持的單位和各界朋友表示衷心的感謝！



主編

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