前言

为适应部分高等院校及高职、高专院校向应用技术型人才培养迅速转型的趋势，在此出版本书。机电一体化系统设计是随着生产和技术的发展，在以机械技术、电子技术、计算机技术为主的多门学科相互渗透、互相结合的过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴边缘技术。

“机电一体化系统”是一个综合的概念，包含技术和产品两方面的内容。“机电一体化技术”是指包括技术基础、技术原理在内的，使机电一体化产品得以实现、使用和发展的技术。“机电一体化产品”是指采用机电一体化技术在基本产品的基础上创造出来的新一代产品。

在工程技术学科系谱中，机械电子学仍属于机械工程范畴。按照机械电子学的观点，凡是由各种现代高新技术与机械和电子技术相结合而形成的各种技术、产品（或系统）都应属于机电一体化的范畴。机器人、柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）及自动化生产工程都在机电一体化的范畴之内。

可以说，机电一体化系统或产品已深入社会的各个方面。例如，数控机床、机器人、加工中心、自动生产设备等生产用机电一体化产品和系统；自动仓库、自动空调与制冷系统及设备；自动称量、分选、销售及现金处理系统等储存、销售用机电一体化产品；复印机、打字机、扫描仪等办公自动化设备；CT机、心电图机、X光机等医疗设备；自动清扫机器人、取款机、取票排队机等环保及公共服务产品；全自动洗衣机、数字化空调、冰箱等家电产品；航天器、宇宙飞船、探月车等航天科研设备，都是机电一体化产品。在未来的发展中，机电一体化技术是工业机械化发展的必然趋势。

传统的机械设计主要以解决运动学和动力学为主，现代机械系统及装备都是光、机、电、液等高度一体化的复杂技术系统。本书围绕机电一体化系统（产品）的机械系统、传感检测系统、信息处理系统、动力源、执行元件系统五个子系统，讲解各部分之间的相互关系、相互作用，阐明机械系统应具有良好的伺服性能，以满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性等要求。机电控制系统部分采用常用的上、下位机控制方式，从上位机的人机界面设计到下位机的嵌入式系统编程，以及上、下位机的MODBUS通信协议，在“人—机—环境”这个大系统中进行较为详细的说明。传感检测系统部分重点介绍传感器的后续电路及与微处理器的接口电路。执行元件部分着重讲解步进（或伺服）电动机的工作原理，说明驱动器与微处理器之间的接口电路，给出插补运算的软件设计。全书着重强调机电一体化系统的应用技术。

本书分8章，前6章介绍机电一体化系统基础知识，后两章采用案例形式系统说明两个典型机电一体化产品的功能及应用，包括软、硬件设计。

第1章介绍机电一体化系统的基础知识，阐述机电一体化系统的组成及功能，分类及应用，以及机电一体化系统各要素之间的关系，等等。第2章介绍机电一体化系统中常用的位置控制的数学方法，重点讲解逐点比较法的直线和圆弧的插补原理。第3章介绍机械系统部件的选择与设计，针对机电一体化系统对机械部分的要求和设计原则，阐述机械传动和支撑的设计，重点介绍传动系统中的间隙调整，包括齿轮副传动间隙和滚珠丝杠副间隙调整的方法。第4章传感检测系统，介绍机械中常用传感器及其信号预处理电路，检测变换接口电路、工业上常用的DC 4~20mA变换电路和隔离的IO口输入、输出电路的设计等；对常用电路，如电压跟随器、同相放大器、反相放大器、差动放大电路、仪器仪表放大器、DC 4~20mA变换电路及恒流恒压电路，从运放的三个基本特点进行了深入浅出的说明，让读者很容易得出输出与输入的关系。第5章执行元件，介绍执行元件的分类与特点，重点介绍步进（伺服）电动机及其驱动，步进电动机的运行特性及性能指标、步进电动机的控制电路及驱动控制器。第6章介绍机电参数的相互匹配，说明伺服电机与机械负载的惯量匹配、容量匹配和速度匹配方法，重点介绍等效转动惯量的折算方法。

第7章，以食品、轻工、印刷、塑料、橡胶和钢铁等行业中机电设备常用的纠偏系统为例，说明典型机电一体化系统的工作原理及应用，给出自动纠偏机械执行机构及自动纠偏控制电路原理，并通过上、下位机控制方式详细说明上、下位机的MODBUS通信协议、接口原理和软件设计；上位机采用MCGS工业触摸屏，在此详细介绍上位机自动纠偏控制系统的组态软件设计和下位机STM32的Keil C软件设计，目的在于通过简单的实例，说明典型的机电一体化系统控制系统的实现。第8章，XY数控工作台是数控车床、数控铣床和数控钻床的工作台，是激光加工设备的工作台，是表面贴装设备、刻字机、3D打印雕刻的基本部件，本章利用案例介绍数控工作台的工作原理，说明其控制方式及实现方法，详细给出直线插补和圆弧插补的C语言程序。

本书内容比较多，教师在具体的教学内容安排上，可根据实际情况进行选择或取舍，也可将书中部分内容作为某一课程的教材或作为课程设计的辅助教材。例如，第4章传感检测系统可作为机械工程测试相关课程的教材内容；后两章案例部分可作为机电一体化系统设计课程设计的辅助教材。

本书由大连工业大学机械工程与自动化学院的丁金华和王学俊老师共同编写。其中，丁金华完成第1、4、5、6、7和8章内容的编写工作；王学俊完成第2、3章内容的编写工作。全书由丁金华和魏鸿磊统稿，并对习题及习题答案进行了整理与编辑。

因编者能力有限，不妥之处在所难免，希望各位读者提出宝贵意见，以便今后修订时进一步完善。

编者