作者：闻邦椿
出版社：机械工业出版社
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机械设计手册 第6版 第5卷试读：
前言
本版手册为新出版的第6版七卷本《机械设计手册》。由于科学技术的快速发展，需要我们对手册内容进行更新，增加新的科技内容，以满足广大读者的迫切需要。《机械设计手册》自1991年面世发行以来，历经5次修订，截至2016年已累计发行38万套。作为国家级重点科技图书的《机械设计手册》，深受社会各界的重视和好评，在全国具有很大的影响力，该手册曾获得全国优秀科技图书奖二等奖（1995年）、机械工业部科技进步奖二等奖（1997年）、机械工业科学技术奖一等奖（2011年）、中国出版政府奖提名奖（2013年），并多次获得全国科技畅销书奖等奖项。1994年，《机械设计手册》曾在我国台湾建宏出版社出版发行，并在海内外产生了广泛的影响。《机械设计手册》荣获的一系列国家和部级奖项表明，其具有很高的科学价值、实用价值和文化价值。《机械设计手册》已成为机械设计领域的一部大型品牌工具书，已成为机械工程领域权威的和影响力较大的大型工具书，长期以来，它为我国装备制造业的发展做出了巨大贡献。
第5版《机械设计手册》出版发行至今已有7年时间，这期间我国国民经济有了很大发展，国家制定了《国家创新驱动发展战略纲要》，其中把创新驱动发展作为了国家的优先战略。因此，《机械设计手册》第6版修订工作的指导思想除努力贯彻“科学性、先进性、创新性、实用性、可靠性”外，更加突出了“创新性”，以全力配合我国“创新驱动发展战略”的重大需求，为实现我国建设创新型国家和科技强国梦做出贡献。
在本版手册的修订过程中，广泛调研了厂矿企业、设计院、科研院所和高等院校等多方面的使用情况和意见。对机械设计的基础内容、经典内容和传统内容，从取材、产品及其零部件的设计方法与计算流程、设计实例等多方面进行了深入系统的整合，同时，还全面总结了当前国内外机械设计的新理论、新方法、新材料、新工艺、新结构、新产品和新技术，特别是在现代设计与创新设计理论与方法、机电一体化及机械系统控制技术等方面做了系统和全面的论述和凝练。相信本版手册会以崭新的面貌展现在广大读者面前，它将对提高我国机械产品的设计水平、推进新产品的研究与开发、老产品的改造，以及产品的引进、消化、吸收和再创新，进而促进我国由制造大国向制造强国跃升，发挥出巨大的作用。
本版手册分为7卷55篇：第1卷 机械设计基础资料；第2卷 机械零部件设计（连接、紧固与传动）；第3卷 机械零部件设计（轴系、支承与其他）；第4卷 流体传动与控制；第5卷 机电一体化与控制技术；第6卷 现代设计与创新设计（一）；第7卷 现代设计与创新设计（二）。
本版手册有以下七大特点：
一、构建新体系
构建了科学、先进、实用、适应现代机械设计创新潮流的《机械设计手册》新结构体系。该体系层次为：机械基础、常规设计、机电一体化设计与控制技术、现代设计与创新设计方法。该体系的特点是：常规设计方法与现代设计方法互相融合，光、机、电设计融为一体，局部的零部件设计与系统化设计互相衔接，并努力将创新设计的理念贯穿于常规设计与现代设计之中。
二、凸显创新性
习近平总书记在2014年6月和2016年5月召开的中国科学院、中国工程院两院院士大会上分别提出了我国科技发展的方向就是“创新、创新、再创新”，以及实现创新型国家和科技强国的三个阶段的目标和五项具体工作。为了配合我国创新驱动发展战略的重大需求，本版手册突出了机械创新设计内容的编写，主要有以下几个方面：（1）新增第7卷，重点介绍了创新设计及与创新设计有关的内容。
该卷主要内容有：机械创新设计概论，创新设计方法论，顶层设计原理、方法与应用，创新原理、思维、方法与应用，绿色设计与和谐设计，智能设计，仿生机械设计，互联网上的合作设计，工业通信网络，面向机械工程领域的大数据、云计算与物联网技术，3D打印设计与制造技术，系统化设计理论与方法。（2）在一些篇章编入了创新设计和多种典型机械创新设计的内容。“第11篇 机构设计”篇新增加了“机构创新设计”一章，该章编入了机构创新设计的原理、方法及飞剪机剪切机构创新设计，大型空间折展机构创新设计等多个创新设计的案例。典型机械的创新设计有大型全断面掘进机（盾构机）仿真分析与数字化设计、机器人挖掘机的机电一体化创新设计、节能抽油机的创新设计、产品包装生产线的机构方案创新设计等。（3）编入了一大批典型的创新机械产品。“机械无级变速器”一章中编入了新型金属带式无级变速器，“并联机构的设计与应用”一章中编入了数十个新型的并联机床产品，“振动的利用”一章中新编入了激振器偏移式自同步振动筛、惯性共振式振动筛、振动压路机等十多个典型的创新机械产品。这些产品有的获得了国家或省部级奖励，有的是专利产品。（4）编入了机械设计理论和设计方法论等方面的创新研究成果。
1）闻邦椿院士团队经过长期研究，在国际上首先创建了振动利用工程学科，提出了该类机械设计理论和方法。本版手册中编入了相关内容和实例。
2）根据多年的研究，提出了以非线性动力学理论为基础的深层次的动态设计理论与方法。本版手册首次编入了该方法并列举了若干应用范例。
3）首先提出了和谐设计的新概念和新内容，阐明了自然环境、社会环境（政治环境、经济环境、人文环境、国际环境、国内环境）、技术环境、资金环境、法律环境下的产品和谐设计的概念和内容的新体系，把既有的绿色设计篇拓展为绿色设计与和谐设计篇。
4）全面系统地阐述了产品系统化设计的理论和方法，提出了产品设计的总体目标、广义目标和技术目标的内涵，提出了应该用IQCTES六项设计要求来代替QCTES五项要求，详细阐明了设计的四个理想步骤，即“3I调研”“7D规划”“1+3+X实施”“5（A+C）检验”，明确提出了产品系统化设计的基本内容是主辅功能、三大性能和特殊性能要求的具体实现。
5）本版手册引入了闻邦椿院士经过长期实践总结出的独特的、科学的创新设计方法论体系和规则，用来指导产品设计，并提出了创新设计方法论的运用可向智能化方向发展，即采用专家系统来完成。
三、坚持科学性
手册的科学水平是评价手册编写质量的重要方面，因此，本版手册特别强调突出内容的科学性。（1）本版手册努力贯彻科学发展观及科学方法论的指导思想和方法，并将其落实到手册内容的编写中，特别是在产品设计理论方法的和谐设计、深层次设计及系统化设计的编写中。（2）本版手册中的许多内容是编著者多年研究成果的科学总结。这些内容中有不少是国家863、973计划项目，国家科研重大专项，国家自然科学基金重大、重点和面上项目资助项目的研究成果，有不少成果曾获得国际、国家、部委、省市科技奖励及技术专利，充分体现了本版手册内容的重大科学价值与创新性。
下面简要介绍本版手册编入的几方面的重要研究成果：
1）振动利用工程新学科是闻邦椿院士团队经过长期研究在国际上首先创建的。本版手册中编入了振动利用机械的设计理论、方法和范例。
2）产品系统化设计理论与方法的体系和内容是闻邦椿院士团队提出并加以完善的，编写者依据多年的研究成果和系列专著，经综合整理后首次编入本版手册。
3）仿生机械设计是一门新兴的综合性交叉学科，近年来得到了快速发展，它为机械设计的创新提供了新思路、新理论和新方法。吉林大学任露泉院士领导的工程仿生教育部重点实验室开展了大量的深入研究工作，取得了一系列创新成果且出版了专著，据此并结合国内外大量较新的文献资料，为本版手册构建了仿生机械设计的新体系，编写了“仿生机械设计”篇（第50篇）。
4）激光及其在机械工程中的应用篇是中国科学院长春光学精密机械与物理研究所王立军院士依据多年的研究成果,并参考国内外大量较新的文献资料编写而成的。
5）绿色制造工程是国家确立的五项重大工程之一，绿色设计是绿色制造工程的最重要环节，是一个新的学科。合肥工业大学刘志峰教授依据在绿色设计方面获多项国家和省部级奖励的研究成果，参考国内外大量较新的文献资料为本版手册首次构建了绿色设计新体系，编写了“绿色设计与和谐设计”篇（第48篇）。
6）微机电系统及设计是前沿的新技术。东南大学黄庆安教授领导的微电子机械系统教育部重点实验室多年来开展了大量研究工作，取得了一系列创新研究成果，本版手册的“微机电系统及设计”篇（第28篇）就是依据这些成果和国内外大量较新的文献资料编写而成的。
四、重视先进性（1）本版手册对机械基础设计和常规设计的内容做了大规模全面修订，编入了大量新标准、新材料、新结构、新工艺、新产品、新技术、新设计理论和计算方法等。
1）编入和更新了产品设计中需要的大量国家标准，仅机械工程材料篇就更新了标准126个，如GB/T 699—2015《优质碳素结构钢》和GB/T 3077—2015《合金结构钢》等。
2）在新材料方面，充实并完善了铝及铝合金、钛及钛合金、镁及镁合金等内容。这些材料由于具有优良的力学性能、物理性能以及回收率高等优点，目前广泛应用于航空、航天、高铁、计算机、通信元件、电子产品、纺织和印刷等行业。增加了国内外粉末冶金材料的新品种，如美国、德国和日本等国家的各种粉末冶金材料。充实了国内外工程塑料及复合材料的新品种。
3）新编的“机械零部件结构设计”篇（第4篇），依据11个结构设计方面的基本要求，编写了相应的内容，并编入了结构设计的评估体系和减速器结构设计、滚动轴承部件结构设计的示例。
4）按照GB/T 3480.1～3—2013（报批稿）、GB/T 10062.1～3—2003及ISO 6336—2006等新标准，重新构建了更加完善的渐开线圆柱齿轮传动和锥齿轮传动的设计计算新体系；按照初步确定尺寸的简化计算、简化疲劳强度校核计算、一般疲劳强度校核计算，编排了三种设计计算方法，以满足不同场合、不同要求的齿轮设计。
5）在“第4卷 流体传动与控制”卷中，编入了一大批国内外知名品牌的新标准、新结构、新产品、新技术和新设计计算方法。在“液力传动”篇（第23篇）中新增加了液黏传动，它是一种新型的液力传动。（2）“第5卷 机电一体化与控制技术”卷充实了智能控制及专家系统的内容，大篇幅增加了机器人与机器人装备的内容。
机器人是机电一体化特征最为显著的现代机械系统，机器人技术是智能制造的关键技术。由于智能制造的迅速发展，近年来机器人产业呈现出高速发展的态势。为此，本版手册大篇幅增加了“机器人与机器人装备”篇（第26篇）的内容。该篇从实用性的角度，编写了串联机器人、并联机器人、轮式机器人、机器人工装夹具及变位机；编入了机器人的驱动、控制、传感、视角和人工智能等共性技术；结合喷涂、搬运、电焊、冲压及压铸等工艺，介绍了机器人的典型应用实例；介绍了服务机器人技术的新进展。（3）为了配合我国创新驱动战略的重大需求，本版手册扩大了创新设计的篇数，将原第6卷扩编为两卷，即新的“现代设计与创新设计（一）”（第6卷）和“现代设计与创新设计（二）”（第7卷）。前者保留了原第6卷的主要内容，后者编入了创新设计和与创新设计有关的内容及一些前沿的技术内容。
本版手册“现代设计与创新设计（一）”卷（第6卷）的重点内容和新增内容主要有：
1）在“现代设计理论与方法综述”篇（第32篇）中，简要介绍了机械制造技术发展总趋势、在国际上有影响的主要设计理论与方法、产品研究与开发的一般过程和关键技术、现代设计理论的发展和根据不同的设计目标对设计理论与方法的选用。闻邦椿院士在国内外首次按照系统工程原理，对产品的现代设计方法做了科学分类，克服了目前产品设计方法的论述缺乏系统性的不足。
2）新编了“数字化设计”篇（第40篇）。数字化设计是智能制造的重要手段，并呈现应用日益广泛、发展更加深刻的趋势。本篇编入了数字化技术及其相关技术、计算机图形学基础、产品的数字化建模、数字化仿真与分析、逆向工程与快速原型制造、协同设计、虚拟设计等内容，并编入了大型全断面掘进机（盾构机）的数字化仿真分析和数字化设计、摩托车逆向工程设计等多个实例。
3）新编了“试验优化设计”篇（第41篇）。试验是保证产品性能与质量的重要手段。本篇以新的视觉优化设计构建了试验设计的新体系、全新内容，主要包括正交试验、试验干扰控制、正交试验的结果分析、稳健试验设计、广义试验设计、回归设计、混料回归设计、试验优化分析及试验优化设计常用软件等。
4）将手册第5版的“造型设计与人机工程”篇改编为“工业设计与人机工程”篇（第42篇），引入了工业设计的相关理论及新的理念，主要有品牌设计与产品识别系统（PIS）设计、通用设计、交互设计、系统设计、服务设计等，并编入了机器人的产品系统设计分析及自行车的人机系统设计等典型案例。（4）“现代设计与创新设计（二）”卷（第7卷）主要编入了创新设计和与创新设计有关的内容及一些前沿技术内容，其重点内容和新编内容有：
1）新编了“机械创新设计概论”篇（第44篇）。该篇主要编入了创新是我国科技和经济发展的重要战略、创新设计的发展与现状、创新设计的指导思想与目标、创新设计的内容与方法、创新设计的未来发展战略、创新设计方法论的体系和规则等。
2）新编了“创新设计方法论”篇（第45篇）。该篇为创新设计提供了正确的指导思想和方法，主要编入了创新设计方法论的体系、规则，创新设计的目的、要求、内容、步骤、程序及科学方法，创新设计工作者或团队的四项潜能，创新设计客观因素的影响及动态因素的作用，用科学哲学思想来统领创新设计工作，创新设计方法论的应用，创新设计方法论应用的智能化及专家系统，创新设计的关键因素及制约的因素分析等内容。
3）创新设计是提高机械产品竞争力的重要手段和方法，大力发展创新设计对我国国民经济发展具有重要的战略意义。为此，编写了“创新原理、思维、方法与应用”篇（第47篇）。除编入了创新思维、原理和方法，创新设计的基本理论和创新的系统化设计方法外，还编入了29种创新思维方法、30种创新技术、40种发明创造原理，列举了大量的应用范例，为引领机械创新设计做出了示范。
4）绿色设计是实现低资源消耗、低环境污染、低碳经济的保护环境和资源合理利用的重要技术政策。本版手册中编入了“绿色设计与和谐设计”篇（第48篇）。该篇系统地论述了绿色设计的概念、理论、方法及其关键技术。编者结合多年的研究实践，并参考了大量的国内外文献及较新的研究成果，首次构建了系统实用的绿色设计的完整体系，包括绿色材料选择、拆卸回收产品设计、包装设计、节能设计、绿色设计体系与评估方法，并给出了系列典型范例，这些对推动工程绿色设计的普遍实施具有重要的指引和示范作用。
5）仿生机械设计是一门新兴的综合性交叉学科，本版手册新编入了“仿生机械设计”篇（第50篇），包括仿生机械设计的原理、方法、步骤，仿生机械设计的生物模本，仿生机械形态与结构设计，仿生机械运动学设计，仿生机构设计，并结合仿生行走、飞行、游走、运动及生机电仿生手臂，编入了多个仿生机械设计范例。
6）第55篇为“系统化设计理论与方法”篇。装备制造机械产品的大型化、复杂化、信息化程度越来越高，对设计方法的科学性、全面性、深刻性、系统性提出的要求也越来越高，为了满足我国制造强国的重大需要，亟待创建一种能统领产品设计全局的先进设计方法。该方法已经在我国许多重要机械产品（如动车、大型离心压缩机等）中成功应用，并获得重大的社会效益和经济效益。本版手册对该系统化设计方法做了系统论述并给出了大型综合应用实例，相信该系统化设计方法对我国大型、复杂、现代化机械产品的设计具有重要的指导和示范作用。
7）本版手册第7卷还编入了与创新设计有关的其他多篇现代化设计方法及前沿新技术，包括顶层设计原理、方法与应用，智能设计，互联网上的合作设计，工业通信网络，面向机械工程领域的大数据、云计算与物联网技术，3D打印设计与制造技术等。
五、突出实用性
为了方便产品设计者使用和参考，本版手册对每种机械零部件和产品均给出了具体应用，并给出了选用方法或设计方法、设计步骤及应用范例，有的给出了零部件的生产企业，以加强实际设计的指导和应用。本版手册的编排尽量采用表格化、框图化等形式来表达产品设计所需要的内容和资料，使其更加简明、便查；对各种标准采用摘编、数据合并、改排和格式统一等方法进行改编，使其更为规范和便于读者使用。
六、保证可靠性
编入本版手册的资料尽可能取自原始资料，重要的资料均注明来源，以保证其可靠性。所有数据、公式、图表力求准确可靠，方法、工艺、技术力求成熟。所有材料、零部件、产品和工艺标准均采用新公布的标准资料，并且在编入时做到认真核对以避免差错。所有计算公式、计算参数和计算方法都经过长期检验，各种算例、设计实例均来自工程实际，并经过认真的计算，以确保可靠。本版手册编入的各种通用的及标准化的产品均说明其特点及适用情况，并注明生产厂家，供设计人员全面了解情况后选用。
七、保证高质量和权威性
本版手册主编单位东北大学是国家211、985重点大学、“重大机械关键设计制造共性技术”985创新平台建设单位、2011国家钢铁共性技术协同创新中心建设单位，建有“机械设计及理论国家重点学科”和“机械工程一级学科”。由东北大学机械及相关学科的老教授、老专家和中青年学术精英组成了实力强大的大型工具书编写团队骨干，以及一批来自国家重点高校、研究院所、大型企业等30多个单位、近200位专家、学者组成了高水平编审团队。编审团队成员的大多数都是所在领域的著名资深专家，他们具有深广的理论基础、丰富的机械设计工作经历、丰富的工具书编篡经验和执着的敬业精神，从而确保了本版手册的高质量和权威性。
在本版手册编写中，为便于协调，提高质量，加快编写进度，编审人员以东北大学的教师为主，并组织邀请了清华大学、上海交通大学、西安交通大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、吉林大学、天津大学、华中科技大学、北京科技大学、大连理工大学、东南大学、同济大学、重庆大学、北京化工大学、南京航空航天大学、上海师范大学、合肥工业大学、大连交通大学、长安大学、西安建筑科技大学、沈阳工业大学、沈阳航空航天大学、沈阳建筑大学、沈阳理工大学、沈阳化工大学、重庆理工大学、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、中国科学院沈阳自动化研究所等单位的专家、学者参加。
在本版手册出版之际，特向著名机械专家、本手册创始人、第1版及第2版的主编徐灏教授致以崇高的敬意，向历次版本副主编邱宣怀教授、蔡春源教授、严隽琪教授、林忠钦教授、余俊教授、汪恺总工程师、周士昌教授致以崇高的敬意，向参加本手册历次版本的编写单位和人员表示衷心感谢，向在本手册历次版本的编写、出版过程中给予大力支持的单位和社会各界朋友们表示衷心感谢，特别感谢机械科学研究总院、郑州机械研究所、徐州工程机械集团公司、北方重工集团沈阳重型机械集团有限责任公司和沈阳矿山机械集团有限责任公司、沈阳机床集团有限责任公司、沈阳鼓风机集团有限责任公司及辽宁省标准研究院等单位的大力支持。
由于编者水平有限，手册中难免有一些不尽如人意之处，殷切希望广大读者批评指正。主编 闻邦椿第24篇 机电一体化技术及设计主 编 刘 杰编写人 刘 杰 李允公 刘 宇 戴 丽审稿人 柳洪义 刘 杰第5版机电一体化技术及设计主 编 刘 杰编写人 刘 杰 李允公 刘 宇 戴 丽审稿人 柳洪义 刘 杰第1章 机电一体化概述1 机电一体化概念1.1 机电一体化的基本概念
机电一体化技术是机械技术、电子技术和信息技术有机结合的产物，又称机械电子技术。目前，被广泛接受的“机电一体化”的定义是：“机电一体化是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称”。
随着科学技术的发展，电子技术得到了蓬勃发展，从分立电子元件到集成电路（IC），从集成电路到大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI），特别是微型计算机的出现，使电子技术与信息技术相结合并向其他学科渗透，对推动其他学科的发展起到了不可忽视的作用。信息技术（3C技术）的主体包括计算机技术、控制技术和通信技术。在机械领域中，电子技术与计算机技术同机械技术相互交叉、相互渗透，使古老的机械技术焕发了青春。在原有机械基础上，引入电子计算机高性能的控制机能，并实现整体最优化，就使原来的机械产品产生了质的飞跃，变成功能更强、性能更好的新一代的机械产品或系统，这正是机电一体化的意义所在。1.2 机电一体化技术的发展
由于机电一体化技术涵盖了机械技术和电子技术，因此，机电一体化技术的发展既包括了其自身的发展情况，又包括与其关系密切的电子技术发展。（1）微电子器件的发展
集成电路是机电一体化的基础。近年来集成电路的集成度越来越高，目前单片集成已达几亿个元器件以上，能够用纳米级工艺制成容量巨大的动态存储器（Dynamic RAM，DRAM）。
在机电一体化产品中，大量采用了专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC），特别是可编程逻辑器件和现场可编程门阵列（Gate Array）应用广泛。门阵列是指一种预先在芯片上整齐地生成由“与非”门或者“或非”门等基本单元组成的基阵列，然后随时根据用户的需要在各基本单元之间进行布线，以实现具有逻辑处理功能的集成电路。据国外报道，美国LSI逻辑公司采用0.5μm工艺已完成了150万门阵列的设计。VLSI技术公司声称可以用单元设计制成200万门阵列。日本东芝公司提出用0.35μm工艺可以制成500万门阵列，VLSI公司和日立公司则宣布已能设计出500万门阵列的实用芯片，引出脚可达1280个。（2）微控制器的发展
机电产品的机电一体化的核心是微控制器的设计。近年来，以单片机应用系统为代表的微控制器发展特别迅速，应用也越来越广泛。
自从1974年12月美国仙童公司第一个推出单片机F8以后，单片机的发展速度十分惊人，从4位机、8位机发展到16位机、32位机，集成度越来越高，功能越来越强，应用范围越来越广。目前，世界上单片机的年销售量已达数亿片以上。近年来，为了不断提高单片机的技术性能以满足不同用户的要求，各公司竞相推出能满足不同需要的产品：
1）采用双CPU结构以提高处理能力。如Rockwell公司的R6500/21和R65C29单片机采用了双CPU结构，其中每一个CPU都是增强型的6502。
2）增加数据总线的宽度。例如，NEC公司的μPD-7800系列单片机采用一个16位运算部件，内部采用16位数据总线，使其处理能力明显优于一般8位机。
3）采用串行总线结构。例如，飞利浦公司开发的IIC（Intel-ICBUS）总线和DDB（Digital Data BUS）总线，它们都采用三条数据总线代替现行的8位数据总线，从而大大减少了单片机引线，降低了成本。
4）采用流水线结构。指令以队列形式出现在CPU中，从而有很高的运算速度，如Sharp公司的单片机SM-812。有的单片机甚至采用了多流水线结构，因而具有极高的运算速度。这类单片机的运算速度要比标准的单片机高出10倍以上，特别适合用作数字信号处理。
5）双单片机结构。例如，Intel公司的RUPI-44系列单片机8044/8744/8344，它是一个双单片机结构，其中一个为8051/8751，另一个用以构成SDLC/HDLC串行接口部件（SIU），片内程序存储器中装有加电诊断、任务管理、数据传送和对用户透明的并行、串行通信服务程序。（3）先进制造技术
先进制造技术（Advanced Manufacturing Technology，AMT）是当代制造技术的最新发展阶段，是机电一体化技术的重要组成部分。它是传统制造技术与信息技术、综合自动化技术和现代企业管理技术有机结合而产生的高技术群。
先进制造技术的核心和前沿是制造系统集成技术。制造系统集成技术正在由企业内部信息的集成（计算机集成制造系统，CIMS）逐步走向产品开发过程的集成（并行工程，CE）和企业间的集成（敏捷制造，AM）。
计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System，CIMS）就是在自动化技术、信息技术及制造技术的基础上，通过计算机网络及数据库，将制造工厂全部生产活动所需的各种分散的自动化系统有机地集成起来，完成从采购原材料到售出产品的一系列生产过程的高效益、高柔性的制造系统。在功能上，CIMS包含了一个工厂的全部生产经营活动，即从市场预测、产品设计、加工制造、经营管理到售后服务的全部活动。
20世纪60年代末期，在集成化CAD/CAM的基础上，国外有关专家提出了计算机集成制造系统的概念。接着，在20世纪70年代，美国、日本、德国、英国、法国等一些发达国家对CIMS的关键技术进行了比较全面的研究，从20世纪80年代开始逐步建成了一批采用CIMS技术的自动化工厂。我国的有关专家也对CIMS技术进行了深入的研究，建立了像成都飞机制造公司、沈阳鼓风机厂这样一批CIMS工程的示范企业，为我国跟踪世界科技前沿做出了贡献。（4）微机械加工与微机械的发展
随着机电一体化产品向小型化和微型化的发展，微机械加工与微机械（又称微纳米技术）已成为机电一体化的一个新的重要的发展方向。
目前，通过容积硅微加工、金属电镀、立体电沉积、电火花线切割、激光加工等微机械加工技术，已经能够加工包括微型机器人在内的各种微型机械。如美国加州大学研制成功φ60mm的静电电动机；日本精工EPSON公司研制出光诱导自行走机器人，有97个零件，外3形尺寸小于1cm，移动速度1.4～11.3mm/s，爬坡能力30°，重1.5g。我国长春光学精密机械与物理研究所也已研制出φ3mm的微电机，上海交通大学曾研制出φ2mm的微电机。微机械在微细外科手术以及工业领域具有广泛的应用前景。（5）虚拟现实
虚拟现实（Virtual Reality，VR）是一种高级的人机交互系统，它采用高性能的计算机和先进的电子技术产生逼真的视、听、触、力环境，给人以身临其境的感受。
该系统采用计算机图形仿真技术或立体摄像技术产生虚拟景物，用三维位置传感器跟踪人体的运动，用数据手套感知虚拟物体的几何、物理性质，并对它们进行操作，用立体声发声器产生虚拟的声音，用立体显示形成一种真三维的景象。
以数据手套为例，最初的数据手套只是一种手运动跟踪器。它们把手指的运动变化和手在3D中的位置传给计算机。为了提高手套的性能，实现触觉和力反馈，美国Advanced Robotics Research Ltd和Airnuacle Ltd设计了如图24.1-1所示的气动触／力觉反馈装置，在适当的位置上安装有可以充放气的气囊，小气囊用于产生触觉，大气囊用于产生力觉。它将光纤、发光二极管、光传感器组合起来，光纤的光强就随手指弯曲程度而变化，由此即可测出手的姿态。为了提供力位反馈，Burdea开发了一个可移动的“主手”，如图24.1-2所示。它由四个直接驱动的微型气缸组成，安装在位于手套掌心一个L形小平面上，每个气缸有一锥形工作区间，总质量为40～60g。数据手套可用于控制远处机器人进行灵巧操作或在虚拟人体上进行手术训练。图24.1-1 光纤、气囊式触/力觉手套图24.1-2 气缸式移动主手
虚拟现实技术是机械电子技术中的又一新技术，在医学、科研、军事、航空航天和机器人等方面都有重要应用，被看作是综合国力的象征之一。1.3 机电一体化系统的构成
机电一体化系统通常由五大要素构成，即动力源、传感器、机械结构、执行元件和电子计算机。因此，机电一体化系统是由若干具有特定功能的机械与信息系统组成的有机整体，具有满足一定使用要求的功能。根据不同的使用目的，要求系统能对输入的物质、能量和信息（即工业三大要素）进行某种处理，输出所需要的物质、能量和信息。同时，机电一体化系统的性能在很大程度上取决于控制系统的好坏。控制系统不仅与计算机及其输入输出通道有关，更与所采用的控制技术密切相关。
对于一个机电一体化产品或设备，应以系统的整体的思想来考虑机电系统许多综合性的技术问题。例如，一台多关节机器人，就存在着各运动部件之间的力耦合，各运动轴伺服系统的干扰和相互影响，系统动力学与控制规律和运动精度之间的关系，机器人与外围设备的连接，机器人各部分之间的协调运动和机器人防护安全连锁的问题。这些问题即构成了机器人的系统技术问题，必须通过系统工程和系统设计的理论来解决。其中，系统工程是为使系统达到最佳状态而对系统的组成部件、组织结构、信息传递、控制机构等进行分析、设计和优化的技术。而系统设计的第一个特点是具有综合性，这需要把系统内部和外部综合起来考虑。要设计一个复杂的系统，首先就要把系统分解成许多分系统，建立各个分系统的数学模型，最后再进行最优设计。系统设计的另一个重要特征是系统的均衡设计，均衡设计就是要恰当地选择元件，以构成性能优异的系统。如果设计者只注重元件设计而忽视优化组合过程，那么即使是经过精心筛选的元件也可能组成性能低劣的系统。
需要注意的是，机电一体化系统是通过信息技术将机械技术与电子技术融为一体构成的最佳系统，而不是机械技术与电子技术的简单叠加，因此，必须有机地、灵活地运用现有机械技术、电子技术和信息技术，采用系统工程的方法，使整个系统达到最优化，即设计最优化、加工最优化、管理最优化和运行方式最优化，使各功能要素能够构成最佳组合。1.4 机电一体化的意义
机电一体化技术可以用来设计新型的机电一体化产品，改造旧的机电产品，使机电产品的面貌大大改观，从而达到功能增强、体积减小、重量减轻、可靠性提高、性能价格比大大改善的目的。实施机电一体化通常可以获得表24.1-1所列的一些效果。表24.1-1 实施机电一体化可获得的效果2 机电一体化技术的分类2.1 机电一体化技术的分类依据
从广义上来说，机电一体化技术有着极广的含义，自动化的机械产品、自动化的生产工艺、设备的故障诊断与监测监控技术、数控技术、CAD技术、CAPP技术、CAM技术、集成化的CAD／CAPP／CAM技术、专家系统、计算机仿真、企业的计算机管理、机器人工程等，都属于机电一体化的范畴。
目前，世界上普遍认为机电一体化有两大分支，即生产过程的机电一体化和机电产品的机电一体化。
生产过程的机电一体化意味着整个工业体系的机电一体化，如机械制造过程的机电一体化、冶金生产的机电一体化、化工生产的机电一体化、粮食及食品加工过程的机电一体化、纺织工业的机电一体化、排版与印刷的机电一体化等。生产过程的机电一体化根据生产过程的特点又可划分为离散制造过程的机电一体化和连续生产过程的机电一体化。前者以机械制造业为代表，后者以化工生产流程为代表。生产过程的机电一体化包含着诸多的自动化生产线、计算机集中管理和计算机控制。生产过程的机电一体化既需要具体的专业知识，又需要机械技术、控制理论和计算机技术方面的知识，是内容更为广泛的机电一体化。
机电产品的机电一体化是机电一体化的核心，是生产过程机电一体化的物质基础。传统的机电产品加上微机控制即可转变为新一代的产品，而新产品较之旧产品功能强、性能好、精度高、体积小、重量轻、更可靠、更方便，具有明显的经济效益。机电一体化产品根据结构和电子技术与计算机技术在系统中的作用可以分为三类：
1）原机械产品采用电子技术和计算机控制技术，从而产生性能好、功能强的机电一体化的新一代产品，如微电脑洗衣机、机器人等。
2）用集成电路或计算机及其软件代替原机械的部分结构，从而形成机电一体化产品，如电子缝纫机、电子照相机、用交流或直流调速电动机代替变速器等。
3）利用机电一体化原理设计全新的机电一体化产品，如传真机、复印机、录像机等。2.2 机械制造过程的机电一体化
机械制造过程的机电一体化包括产品设计、加工、装配、检验的自动化，生产过程自动化，经营管理自动化等，其高级形式是计算机集成制造系统。它所涵盖的相关技术见表24.1-2。表24.1-2 机械制造过程机电一体化的相关技术（续）2.3 机电产品的机电一体化
原机电产品引入电子技术和计算机控制技术就形成了所谓的新一代产品——机电一体化产品。典型的机电一体化产品体现了机电的深度有机结合。近年来，新开发的机电一体化产品大多都采用了全新的工作原理，集中了各种高新技术，并把多种功能集成在一起，体积小、重量轻、成本低、高效节能，在市场上具有极强的竞争能力。由于在机电一体化产品中往往要引入仪器仪表技术，所以国内也有些人称之为机、电、仪一体化产品。
机电一体化产品，特别是复杂的机电一体化产品，存在着多种能量转换和多重复杂的非线性耦合。这些设备在工作过程中，要求各执行机构以所需的相对运动规律协调运动，但由于系统的复杂性以及制造误差，很难保证足够的运动精度和稳定性，从而使机器人手臂颤动；数控机床达不到所需的加工精度；高速运行的汽轮机转子由于运动规律的变化造成重大设备事故；带材冷连轧机在高速轧制薄规格带材时，轧机发生剧烈振动，迫使轧机降速运行，严重影响带材的质量和产量。这些都说明在复杂机电一体化产品中存在着深度的机电有机结合，而这种特性，特别是机电系统动力学特性在设备设计和运行过程中，还没有被充分考虑。因此，如何在复杂的机电一体化产品的结构设计和控制软件设计中充分考虑这些特性，使系统按所需运动规律协调运动，并能够保证足够的运动精度和稳定性，即在设计和运行过程中，把系统协调运动控制与机电系统动力学特性有机地结合起来，是机电一体化产品设计中必须认真解决的关键问题之一。3 机电一体化的相关技术
从工程学角度来看，机电一体化技术是微电子学、机械学、控制工程、计算技术等多学科综合发展的产物，是利用多学科方法对机械产品与制造系统进行设计的一种集成技术。因此，目前普遍认为，机电一体化这一学科涉及四大基础学科，即机械学、控制论、电子学和计算机科学。具体内容见表24.1-3。表24.1-3 机电一体化的相关技术（续）4 机电一体化设计方法
传统的设计方法和各种现代设计方法是普遍适用的，当然也适用机电一体化产品的设计。而机电产品的机电一体化设计方法又是现代设计方法的重要组成部分。机电一体化是机械技术、电子技术和信息技术的有机结合，需考虑哪些功能由机械技术实现，哪些功能由电子技术实现，进一步还需要考虑在电子技术中哪些功能由硬件实现，哪些功能由软件实现；存在着机电有机结合如何实现，机、电、液传动如何匹配，机电一体化系统如何进行整体优化等不同于传统机电产品设计的一些特点。因此，机电一体化产品必然有一些特有的设计方法，能够综合运用机械技术和电子技术的特长，使其充分发挥机电一体化的优越性。4.1 模块化设计方法
机电一体化产品或设备可设计成由相应于五大要素的功能部件组成，也可以设计成由若干功能子系统组成，而每个功能部件或功能子系统又包含若干组成要素。这些功能部件或功能子系统经过标准化、通用化和系列化，就成为功能模块。每一个功能模块可视为一个独立体，在设计时只需了解其性能规格，按其功能来选用，而无需了解其结构细节。
作为机电一体化产品或设备要素的电动机、传感器和微型计算机等都是功能模块的实例。如交流伺服驱动模块（AMDR）就是一种以交流电动机（AM）或交流伺服电动机（ASM）为核心的执行模块。它以交流电源为其主工作电源，使交流电动机的机械输出（转矩、转速）按照控制指令的要求而变化。
在新产品设计时，可以把各种功能模块组合起来，形成我们所需的产品。采用这种方法可以缩短设计与研制周期，节约工装设备费用，从而降低生产成本，也便于生产管理、使用和维护。例如，将工业机器人各关节的驱动器、检测传感元件、执行元件和控制器做成机电一体化的驱动功能模块，可用来驱动不同的关节；还可以研制机器人的机身回转、肩部关节、臂部伸缩、肘部弯曲、腕部旋转、手部俯仰等各种功能模块，并将其进一步标准化、系列化，就可以用来组成结构和用途不同的各种工业机器人。4.2 柔性化设计方法
将机电一体化产品或系统中完成某一功能的检测传感元件、执行元件和控制器做成机电一体化的功能模块，如果控制器具有可编程序的特点，那该模块就成为柔性模块。例如，采用凸轮机构可以实现位置控制，但这种控制是刚性的，一旦运动则难以调节，若采用伺服电动机驱动，则可以使机械装置简化，且利用电子控制装置可以进行复杂的运动控制，以满足不同的运动和定位要求。采用计算机编程还可以进一步提高该驱动模块的柔性。例如，采用凸轮机构，若想改变原有的运动规律，则必须改变凸轮外廓的几何形状，但若采用计算机控制的伺服电动机驱动，则只需改变控制程序即可。4.3 取代设计方法
取代设计方法又称为机电互补设计方法。该方法的主要特点是利用通用或专用电子器件取代传统机械产品中的复杂机械部件，以便简化结构，获得更好的功能和特性。
1）用电力电子器件或部件与电子计算机及其软件相结合取代机械式变速机构，如用变频调速器或直流调速装置代替机械减速器、变速器。
2）用PLC（可编程序控制器）取代传统的继电器控制柜，大大地减小了控制模块的重量和体积，并被柔性化。可编程序控制器便于嵌入机械结构内部。
3）用电子计算机及其控制程序取代凸轮机构、插销板、拨码盘、步进开关和时间继电器等，以弥补机械技术的不足。
4）用数字式、集成式（或智能式）传感器取代传统的传感器，以提高检测精度和可靠性。智能传感器是把敏感元件、信号处理电路与微处理器集成在一起的传感器。集成式传感器有集成式磁传感器、集成式光传感器、集成式压力传感器和集成式温度传感器等。
取代设计方法既适用于旧产品的改造，也适用于新产品的开发。例如，可用单片机应用系统（微控制器）、可编程序控制器（PLC）和驱动器取代机械式变速（减速）机构、凸轮机构、离合器，代替插销板、拨码盘、步进开关和时间继电器等。又如采用多机驱动的传动机构代替单纯的机械传动机构，可省去许多机械传动件，如齿轮、带轮和轴等。其优点是可以在较远的距离实现动力传动，大幅度提高设计自由度，增加柔性，有利于提高传动精度和性能。这就需要开发相应的同步控制、定速比控制、定函数关系控制及其他协调控制软件。4.4 融合设计方法
融合设计方法是把机电一体化产品的某些功能部件或子系统设计成该产品所专用的部件或子系统的方法。用这种方法可以使该产品各要素和参数之间的匹配问题考虑得更充分、更合理、更经济、更能体现机电一体化的优越性。融合设计方法还可以简化接口，使彼此融为一体。例如，在激光打印机中就把激光扫描镜的转轴与电动机轴制作成一体，使结构更加简单、紧凑。在金属切削机床中，把电动机轴与主轴部件制作成一体，是驱动器与执行机构相结合的又一实例。
国外还有把电动机（驱动器）与控制器做成一体的。在大规模集成电路和微型计算机不断普及的今天，完全能够设计出传感器、控制器、驱动器、执行机构与机械本体完全融为一体的机电一体化产品。
融合设计方法主要用于机电一体化新产品的设计与开发。4.5 优化设计方法4.5.1 机械技术和电子技术的综合与优化
随着机械结构的日益复杂和制造精度的不断提高，机械制造的成本显著增加，仅仅依靠机械本身的结构和加工精度来实现高精度和多功能的要求是不可能的。而对于同样的功能，有时既可以通过机械技术来实现，也可以通过电子技术和软件技术来实现。这就要求设计者既要掌握机械技术，又要掌握电子技术和计算机技术，站在机电有机结合的高度，对机电一体化产品或系统予以通盘考虑，加以优化，以便决定哪些功能由机械技术来实现，哪些功能由电子技术来实现，并对机电系统的各类参数（机、电、光、液）加以优化，使系统或产品工作在最优状态，体积最小、重量最轻、功能最强、成本最低、功耗最小。常用的优化方法有数学规划法、最优控制理论和方法、遗传算法、神经网络等。4.5.2 硬件和软件的交叉与优化
在机电一体化系统中，有些功能既可以通过硬件来实现，也可以通过软件来实现。究竟应该采用哪一种方法来实现，这也是对机电一体化产品或系统进行整体优化的重要问题之一。这里所说的硬件应该包括两个方面，一个是电子电路，一个是机械结构。例如，PID控制功能可以通过模拟电路PID控制器来实现，也可以通过计算机软件PID控制程序来实现。计算机控制在现代工业中已获得非常广泛的应用。计算机软件在控制精度以及性能价格比等方面都比模拟控制器有着明显的优越性，可以很方便地改变控制规律，尤其当采用计算机控制多个生产过程时，上述优点就显得更加突出。对于机械结构，也有很多功能可以通过软件来实现。首先，在利用通用或专用电子部件取代传统机械产品或系统中的复杂机械部件时，一般都需要配合相应的计算机软件。另外，由于微型计算机受字长与速度的限制，采用软件的速度往往没有采用硬件的速度快。例如，要实现数控机床的轮廓轨迹控制，其必不可少的一个重要功能就是插补功能，而实现插补就有硬件插补、软件插补和软硬件结合插补等多种方案。软件插补方便灵活，容易实现复杂的插补运算并获得较高的插补精度。若采用硬件插补，则费用必然增加。但采用硬件插补，只需配合普通微型计算机即可设计一块或几块专用大规模集成电路芯片（专用插补器），可以大大加快插补运算速度。如果既要求高的插补精度，又要求较高的插补速度，就可采用软硬件结合的办法。
对于由电子电路组成的硬件所能实现的功能，在大多数情况下既可以用硬件来实现，也可以用软件来实现。一般来说，如必须用分立元件组成硬件，那么不如采用软件，因为与采用分立元件组成的电路相比，采用软件不需要底板，不需要元器件，无需焊接，可以减少因焊接不良或脱焊而引起的故障，并且所需的功能也易于修改。如果能用通用的LSI和VLSI芯片组成所需电路,则最好采用硬件，因为用通用的LSI和VLSI芯片组成的电路不仅价廉，而且可靠性高，处理速度快。4.5.3 机电一体化产品的整体优化
以计算机为工具，以非线性数学规划为方法的优化设计是普遍适用的，即首先建立机电一体化系统的数学模型，确定变量，拟定目标函数，列出约束条件，然后选择合适的计算方法，如搜索法、复合型法、可行方向法、惩罚函数法、坐标轮换法、共轭梯度法等，然后编制程序，用计算机求出最优解。但由于机电一体化系统的复杂性，目前还无法找到一个通用的机电一体化的数学模型来对机电一体化产品进行整体优化，而只能针对具体产品、具体问题进行优化求解。5 机电一体化系统的设计流程
机电一体化系统的设计流程如图24.1-3所示，具体说明如下。（1）根据目的功能确定产品的规格和性能指标
系统的目的功能，不外乎是用来改变物质的形状、状态、位置尺寸或特性，也就是必须实现一定的运动，并提供必要的动力。基本性能指标主要指实现运动的自由度数、轨迹、行程、精度、速度、动力、稳定性和自动化程度。用来评价机电一体化系统质量的基本指标主要包括以下参数：
运动参数——用来表征机器工作运动的轨迹、行程、方向和起、止点位置正确性的指标。
动力参数——用来表征机器输出动力大小的指标，如力、力矩和功率等。
品质指标——用来表征运动参数和动力参数品质的指标，如运动轨迹和行程的精度、运动行程和方向的可变性、运动速度的高低与稳定性、力和力矩的可调性或恒定性等。
同时，在满足基本性能指标的前提下，还需考虑如下一些指标。
1）工艺性指标。对产品结构提出的方便制造和维修的要求，要做到容易制造和便于维修。
2）人机工程学指标。考虑人和机器的关系，针对人类在生产和生活中所表现出来的卫生、体形、生理和心理学等对产品提出的综合性要求，如操作方便，噪声小等。图24.1-3 机电一体化系统的设计流程
3）美学指标。对产品的外部性质，如外观、风格、匀称性、和谐性、色泽，以及与外部环境的协调等方面提出的要求。
4）标准化指标。即组成产品的元件、部件的标准化程度。（2）系统功能部件、功能要素的划分
机电一体化系统必须具备适当的结构才能满足所需性能。要形成具体结构，并以各构成要素及要素之间的接口为基础来划分功能部件或功能子系统。复杂机器的运动常由若干直线或回转运动组合而成，在控制上形成若干自由度，因此也可以按运动的自由度划分成若干功能子系统，再按子系统划分功能部件。这种功能部件可能包括若干组成要素。各功能部件的规格要求可根据整机的性能指标确定。功能要素或功能子系统的选用或设计是指特定机器的执行机构和机体通常必须自行设计，而执行元件、检测传感元件和控制器等功能要素既可自行设计也可选购市售的通用产品。（3）接口的设计
接口问题是各构成要素间的匹配问题。执行元件与运动机构之间、检测传感元件与运动机构之间通常是机械接口。机械接口有两种形式：一种是执行元件与运动机构之间的联轴器和传动轴，以及直接将检测传感元件与执行元件或运动机构连接在一起的联轴器（如波纹管、十字接头等）、螺钉、铆钉等，直接连接时不存在任何运动和运动变换；另一种是机械传动机构，如减速器、丝杠螺母等，控制器与执行元件之间的驱动接口、控制器与检测传感元件之间转换接口、微电子传输、转换电路。因此，接口设计问题也就是机械技术和微电子技术的具体应用问题。（4）整体评价
对机电一体化系统的综合评价主要是对其实现目的功能的性能、结构进行评价。机电一体化的目的是提高产品的附加价值，而附加价值的高低必须以衡量产品性能和结构质量的各种定量指标为依据。不同的评价指标可选用不同的评价方法。具体设计时，常采用不同的设计方案来实现产品的目的功能、规格要求和性能指标。因此，必须对这些方案进行综合评价，从中找出最佳方案。关于评价和优化的具体方法，可参考现代设计方法中的有关具体内容。（5）可靠性复查
机电一体化系统既可能产生电子故障、软件故障，又可能产生机械故障，而且容易受到电噪声的干扰，因此，可靠性问题显得格外突出，也是用户最关心的问题之一。在产品设计中，除采用可靠性设计方法外，还必须采取必要的可靠性措施，在产品设计初步完成之后还需要进行可靠性复查和分析，以便发现问题及时改进。（6）试制与调试
样机试制是检验产品设计的制造可行性的重要阶段，通过样机调试，可验证各项性能指标是否符合设计要求。这个阶段也是最终发现设计中的问题，以便及时修改和完善产品设计的必要阶段。第2章 基于工业控制机的控制器及其设计1 工业控制机的种类与选择1.1 工业控制机概述
工业控制机也称工业计算机（Industrial Personal Computer，IPC），是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。工业控制机是工业自动化和信息产业基础设备的核心，主要用于工业现场的测量、控制及数据采集等工作。
一般情况下，对工业控制机的要求是：温度、湿度适用范围大；防尘、防腐蚀、防振动冲击能力强；电磁兼容性、抗干扰和共模抑制能力强；平均无故障工作时间长，故障修复时间短，运行效率高。
工业控制机的显著特点是采用了模块化的硬件板卡结构。它取消了PC中的母板，将原来的大母板上的总线插槽部分分成了通用的底板总线插座系统和PC插卡式主板，如各种无源底板和多种CPU卡。把各种工业控制功能都做成各种硬件板卡，如开关量I/O卡、模拟量I/O卡、计数器／定时器卡、通信板卡、数据采集卡和信号调理卡等基本模板，利用这些板卡可以很方便地组成各种控制系统。目前，工业控制计算机的厂商已开发出上千种的专业化板卡。这些板卡结构紧凑，现场功能丰富，使用方便，用户可以利用厂商提供的板卡很方便地组成自己需要的工控机系统硬件，并可以利用厂商提供的驱动程序，开发满足自己需要的控制程序，从而可有效缩短控制系统硬件的开发周期。典型的工业控制机系统的组成部分有：
1）主机：包括主板、显示器、磁盘驱动器、无源多槽底板、CPU卡、电源和机箱等。
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