一部顺应中国制造2025智能装备新要求、技术先进、数据可靠的现代化机械设计工具书，从新时代机械设计人员的实际需求出发，追求现代感，兼顾实用性、通用性，准确性，涵盖了各种常规和通用的机械设计技术资料，贯彻了新的国家及行业标准，推荐了国内外先进、智能、节能、通用的产品。

《现代机械设计手册》第一版自2011年3月出版以来，赢得了机械设计人员、工程技术人员和高等院校专业师生广泛的青睐和好评，荣获了2011年全国优秀畅销书（科技类）。同时，因其在机械设计领域重要的科学价值、实用价值和现实意义，《现代机械设计手册》还荣获2009年国家出版基金资助和2012年中国机械工业科学技术奖。

《现代机械设计手册》第一版出版距今已经8年，在这期间，我国的装备制造业发生了许多重大的变化，尤其是2015年国家部署并颁布了实现中国制造业发展的十年行动纲领中国制造2025，发布了针对中国制造2025的五大工程实施指南，为机械制造业的未来发展指明了方向。在国家政策号召和驱使下，我国的机械工业获得了快速的发展，自主创新的能力不断加强，一批高技术、高性能、高精尖的现代化装备不断涌现，各种新材料、新工艺、新结构、新产品、新方法、新技术不断产生、发展并投入实际应用，大大提升了我国机械设计与制造的技术水平和国际竞争力。《现代机械设计手册》第二版最重要的原则就是紧密结合中国制造2025国家规划和创新驱动发展战略，在内容上与时俱进，全面体现创新、智能、节能、环保的主题，进一步呈现机械设计的现代感。鉴于此，《现代机械设计手册》第二版被列入了十三五国家重点出版物规划项目。

在本版手册的修订过程中，我们广泛深入机械制造企业、设计院、科研院所和高等院校进行调研，听取各方面读者的意见和建议，最终确定了《现代机械设计手册》第二版的根本宗旨：一方面，新版手册进一步加强机、电、液、控制技术的有机融合，以全面适应机器人等智能化装备系统设计开发的新要求；另一方面，随着现代机械设计方法和工程设计软件的广泛应用和普及，新版手册继续促进传动设计与现代设计的有机结合，将各种新的设计技术、计算技术、设计工具全面融入传统的机械设计实际工作中。

《现代机械设计手册》第二版共6卷35篇，它是一部面向中国制造2025，适应智能装备设计开发新要求、技术先进、数据可靠、符合现代机械设计潮流的现代化的机械设计大型工具书，涵盖现代机械零部件及传动设计、智能装备及控制设计、现代机械设计方法及应用三部分内容，具有以下六大特色。

1.权威性。《现代机械设计手册》阵容强大，编、审人员大都来自设计、生产、教学和科研第一线，具有深厚的理论功底、丰富的设计实践经验。他们中很多人都是所属领域的知名专家，在业内有广泛的影响力和知名度，获得过多项国家和省部级科技进步奖、发明奖和技术专利，承担了许多机械领域国家重要的科研和攻关项目。这支专业、权威的编审队伍确保了手册准确、实用的内容质量。

2.现代感。追求现代感，体现现代机械设计气氛，满足时代要求，是《现代机械设计手册》的基本宗旨。现代二字主要体现在：新标准、新技术、新材料、新结构、新工艺、新产品、智能化、现代的设计理念、现代的设计方法和现代的设计手段等几个方面。第二版重点加强机械智能化产品设计（3D打印、智能零部件、节能元器件）、智能装备（机器人及智能化装备）控制及系统设计、数字化设计等内容。

（1）零件结构设计等篇进一步完善零部件结构设计的内容，结合目前的3D打印（增材制造）技术，增加3D打印工艺下零件结构设计的相关技术内容。

机械工程材料篇增加3D打印材料以及新型材料的内容。

（2）机械零部件及传动设计各篇增加了新型智能零部件、节能元器件及其应用技术，例如滑动轴承篇增加了新型的智能轴承，润滑篇增加了微量润滑技术等内容。

（3）全面增加了工业机器人设计及应用的内容：新增了工业机器人系统设计篇；智能装备系统设计篇增加了工业机器人应用开发的内容；机构篇增加了自动化机构及机构创新的内容；减速器、变速器篇增加了工业机器人减速器选用设计的内容；带传动、链传动篇增加并完善了工业机器人适用的同步带传动设计的内容；齿轮传动篇增加了RV减速器传动设计、谐波齿轮传动设计的内容等。

（4）气压传动与控制液压传动与控制篇重点加强并完善了控制技术的内容，新增了气动系统自动控制、气动人工肌肉、液压和气动新型智能元器件及新产品等内容。

（5）继续加强第5卷机电控制系统设计的相关内容：除增加工业机器人系统设计篇外，原机电一体化系统设计篇充实扩充形成智能装备系统设计篇，增加并完善了智能装备系统设计的相关内容，增加智能装备系统开发实例等。

传感器篇增加了机器人传感器、航空航天装备用传感器、微机械传感器、智能传感器、无线传感器的技术原理和产品，加强传感器应用和选用的内容。

控制元器件和控制单元篇和电动机篇全面更新产品，重点推荐了一些新型的智能和节能产品，并加强产品选用的内容。

（6）第6卷进一步加强现代机械设计方法应用的内容：在3D打印、数字化设计等智能制造理念的倡导下，逆向设计数字化设计等篇全面更新，体现了智能工厂的全数字化设计的时代特征，增加了相关设计应用实例。

增加绿色设计篇；创新设计篇进一步完善了机械创新设计原理，全面更新创新实例。

（7）在贯彻新标准方面，收录并合理编排了目前最新颁布的国家和行业标准。

3.实用性。新版手册继续加强实用性，内容的选定、深度的把握、资料的取舍和章节的编排，都坚持从设计和生产的实际需要出发：例如机械零部件数据资料主要依据最新国家和行业标准，并给出了相应的设计实例供设计人员参考；第5卷机电控制设计部分，完全站在机械设计人员的角度来编写注重产品如何选用，摒弃或简化了控制的基本原理，突出机电系统设计，控制元器件、传感器、电动机部分注重介绍主流产品的技术参数、性能、应用场合、选用原则，并给出了相应的设计选用实例；第6卷现代机械设计方法中简化了烦琐的数学推导，突出了最终的计算结果，结合具体的算例将设计方法通俗地呈现出来，便于读者理解和掌握。

为方便广大读者的使用，手册在具体内容的表述上，采用以图表为主的编写风格。这样既增加了手册的信息容量，更重要的是方便了读者的查阅使用，有利于提高设计人员的工作效率和设计速度。

为了进一步增加手册的承载容量和时效性，本版修订将部分篇章的内容放入二维码中，读者可以用手机扫描查看、下载打印或存储在PC端进行查看和使用。二维码内容主要涵盖以下几方面的内容：即将被废止的旧标准（新标准一旦正式颁布，会及时将二维码内容更新为新标准的内容）；部分推荐产品及参数；其他相关内容。

4.通用性。本手册以通用的机械零部件和控制元器件设计、选用内容为主，主要包括机械设计基础资料、机械制图和几何精度设计、机械工程材料、机械通用零部件设计、机械传动系统设计、液压和气压传动系统设计、机构设计、机架设计、机械振动设计、智能装备系统设计、控制元器件和控制单元等，既适用于传统的通用机械零部件设计选用，又适用于智能化装备的整机系统设计开发，能够满足各类机械设计人员的工作需求。

5.准确性。本手册尽量采用原始资料，公式、图表、数据力求准确可靠，方法、工艺、技术力求成熟。所有材料、零部件和元器件、产品和工艺方面的标准均采用最新公布的标准资料，对于标准规范的编写，手册没有简单地照抄照搬，而是采取选用、摘录、合理编排的方式，强调其科学性和准确性，尽量避免差错和谬误。所有设计方法、计算公式、参数选用均经过长期检验，设计实例、各种算例均来自工程实际。手册中收录通用性强、标准化程度高的产品，供设计人员在了解企业实际生产品种、规格尺寸、技术参数，以及产品质量和用户的实际反映后选用。

6.全面性。本手册一方面根据机械设计人员的需要，按照基本、常用、重要、发展的原则选取内容，另一方面兼顾了制造企业和大型设计院两大群体的设计特点，即制造企业侧重基础性的设计内容，而大型的设计院、工程公司侧重于产品的选用。因此，本手册力求实现零部件设计与整机系统开发的和谐统一，促进机械设计与控制设计的有机融合，强调产品设计与工艺技术的紧密结合，重视工艺技术与选用材料的合理搭配，倡导结构设计与造型设计的完美统一，以全面适应新时代机械新产品设计开发的需要。

经过广大编审人员和出版社的不懈努力，新版《现代机械设计手册》将以崭新的风貌和鲜明的时代气息展现在广大机械设计工作者面前。值此出版之际，谨向所有给过我们大力支持的单位和各界朋友表示衷心的感谢！



主编

第22篇 智能装备系统设计

第1章智能装备系统设计基础知识

1.1智能装备系统的定义、特点和发展趋势22-3

1.2智能装备系统基本构成要素22-5

1.2.1系统构成22-5

1.2.2技术构成22-6

1.2.3系统分类及特征22-8

1.3智能装备系统产品的设计方法22-9

1.3.1智能装备系统主要的分析方法22-9

1.3.1.1系统的解耦与耦合22-9

1.3.1.2系统设计公理22-10

1.3.1.3单元化设计原理22-12

1.3.1.4智能装备系统的结构层次22-13

1.3.1.5智能装备系统的基本分析22-16

1.3.2模块化设计方法22-19

1.3.3柔性化设计方法22-19

1.3.4取代设计方法22-19

1.3.5融合设计方法22-20

1.3.6优化设计方法22-20

1.3.7人-机-环境系统设计方法22-20

1.3.8可靠性设计方法22-21

1.3.9系统安全性设计方法22-24

1.4智能装备系统总体设计22-25

1.4.1智能装备产品的需求分析22-25

1.4.2智能装备系统设计技术参数与技术指标制定方法22-25

1.4.3智能装备系统原理方案设计22-26

1.4.3.1系统的原理方案分析22-26

1.4.3.2基本功能单元的原理方案分析22-26

1.4.3.3系统的功能结构图设计方法22-27

1.4.4智能装备系统结构方案设计22-28

1.4.4.1系统结构方案设计的程序22-28

1.4.4.2系统结构方案设计的基本原则22-29

1.4.5智能装备系统总体布局设计22-29

1.4.6总体准确度分析与设计22-29

1.5智能装备系统设计流程22-30



第2章传感检测系统设计

2.1传感检测系统22-33

2.1.1传感检测系统的概念与特点22-33

2.1.2传感检测系统的结构与组成22-33

2.1.2.1非电量的特征22-33

2.1.2.2传感检测系统的结构22-34

2.1.2.3传感检测系统的硬件组成22-36

2.1.2.4传感检测系统的软件组成22-36

2.1.3传感器信号的处理22-37

2.1.4信号传输22-37

2.2传感器及其应用22-38

2.2.1传感器的组成与分类22-38

2.2.2传感器的主要性能指标22-38

2.2.3各种用途的常用传感器22-39

2.2.4基于各种工作原理的常用传感器22-43

2.2.4.1电阻式传感器22-43

2.2.4.2电容式传感器22-48

2.2.4.3电感传感器22-51

2.2.4.4压电传感器22-58

2.2.4.5磁电传感器22-63

2.2.4.6磁致伸缩传感器22-65

2.2.4.7热电式传感器22-71

2.2.4.8霍尔式传感器22-77

2.2.4.9光纤传感器22-80

2.2.4.10光电传感器22-85

2.2.4.11红外线传感器22-91

2.2.4.12激光式传感器22-92

2.2.4.13数字式传感器22-97

2.2.4.14气敏传感器22-101

2.2.5智能传感器22-114

2.2.6微传感器22-117

2.2.6.1定义特点及分类22-117

2.2.6.2机械量微传感器22-117

2.2.6.3基于MEMS技术的气体微传感器22-120

2.2.7传感器的选用22-120

2.2.8多传感器信息融合22-122

2.3模拟信号检测系统设计22-124

2.3.1模拟信号检测系统的组成22-124

2.3.2基本转换电路22-125

2.3.3信号放大电路22-127

2.3.4信号调制与解调22-130

2.3.5滤波电路22-131

2.3.6电平转换电路22-133

2.3.7采样-保持电路22-133

2.3.8运算电路22-133

2.3.9A/D转换电路22-136

2.3.10数字信号的预处理22-137

2.3.11抗干扰设计22-142

2.4数字信号检测系统设计22-144

2.4.1数字信号检测系统的组成22-144

2.4.2编码器及光栅信号的电子细分方法22-145

2.5现代传感检测技术的新发展22-150

2.6典型传感系统设计应用实例和检测装置22-152

2.6.1CX300型数控车铣加工中心传感检测系统设计实例22-152

2.6.2飞锯检测系统设计实例22-153

2.6.3新风节能系统设计实例22-156



第3章伺服系统设计

3.1伺服系统22-159

3.2伺服系统的基本要求和设计方法22-159

3.2.1伺服系统的基本要求22-159

3.2.2伺服系统的设计步骤22-160

3.3伺服系统执行元件及其控制22-160

3.3.1执行元件种类和特点22-160

3.3.2电气执行元件22-161

3.3.2.1直流伺服电机及其驱动22-161

3.3.2.2交流伺服电机及其驱动22-163

3.3.2.3松下MINAS A5 伺服电机22-165

3.3.2.4步进电机及其驱动22-170

3.3.3液压执行机构22-176

3.3.4气动执行装置22-176

3.3.5新型执行装置22-177

3.3.6电液伺服阀22-177

3.3.7电液比例阀22-178

3.3.8电液数字阀22-178

3.4执行电机的选择及设计22-179

3.4.1交流电动机调速方式22-179

3.4.2交流变频调速器22-180

3.5开环控制伺服系统及其设计22-181

3.6闭环伺服系统设计22-182

3.7数字伺服系统设计22-183



第4章机械系统设计

4.1智能装备机械系统的基本要求和组成22-185

4.2机械传动机构设计22-186

4.2.1机械传动机构的分类及选用22-186

4.2.1.1智能装备系统对机械传动的要求22-186

4.2.1.2机械传动机构的分类22-187

4.2.1.3机械传动机构的选用22-188

4.2.1.4机械传动系统方案的选择22-188

4.2.2传动因素分析22-189

4.2.3丝杠螺母机构传动设计22-191

4.2.3.1滚珠丝杠副基本结构22-191

4.2.3.2滚珠丝杠副的主要尺寸和精度等级22-201

4.2.3.3滚珠丝杠副的选择设计计算22-205

4.2.3.4滚珠螺母安装连接尺寸22-210

4.2.3.5静压丝杠螺母副22-217

4.2.4其他传动机构22-219

4.2.4.1齿轮传动22-219

4.2.4.2挠性传动22-224

4.2.4.3间歇传动22-225

4.3机械导向机构设计22-227

4.4机械执行机构设计22-232

4.4.1执行机构分析22-232

4.4.1.1主要性能指标22-232

4.4.1.2系统的品质22-235

4.4.1.3能量转换接口22-238

4.4.2微动机构22-240

4.4.3误差补偿机构22-244

4.4.4定位机构22-246

4.4.5设计实例22-247

4.4.5.1数控机床动力卡盘与回转刀架22-247

4.4.5.2工业机器人末端执行器22-250

4.5支撑系统和机架设计22-252

4.5.1轴系设计的基本要求及类型22-252

4.5.2机架的基本要求及结构设计要点22-254



第5章微机控制系统设计

5.1微机控制系统的基本组成与分类22-258

5.1.1微机控制系统的基本组成22-258

5.1.1.1微机控制系统的硬件组成22-258

5.1.1.2微机控制系统的软件组成22-259

5.1.2微机控制系统的分类22-259

5.2微机控制系统设计的方法和步骤22-260

5.2.1模拟化设计方法和步骤22-260

5.2.1.1模拟化设计思想22-260

5.2.1.2香农采样定理22-260

5.2.1.3模拟化设计步骤22-261

5.2.1.4数字PID控制系统设计22-262

5.2.2离散化设计方法和步骤22-265

5.3微机控制系统的数学模型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传递函数22-266

5.3.2.1基本概念22-266

5.3.2.2开环系统的脉冲传递函数22-266

5.4微机控制系统分析22-268

5.4.1线性离散系统的时域响应分析22-268

5.4.2离散系统的稳定性分析22-269

5.4.2.1Z平面内的稳定条件22-269

5.4.2.2S平面与Z平面之间的映射关系22-269

5.4.2.3稳定判据22-270

5.4.3离散系统的稳态误差22-270

5.4.4离散系统的暂态性能22-271

5.4.4.1闭环极点与暂态分量的关系22-271

5.4.4.2离散系统暂态性能的估算22-272

5.4.5离散系统的根轨迹分析法22-273

5.4.5.1Z平面上的根轨迹22-273

5.4.5.2用根轨迹法分析离散系统22-275

5.4.6离散系统的频率法22-275

5.5典型微机控制系统及设计应用实例22-276

5.5.1基于工业控制计算机的微机控制系统22-276

5.5.1.1系统结构和特点22-276

5.5.1.2工控组态软件22-276

5.5.2基于单片机的微机控制系统22-276

5.5.3基于可编程控制器的微机控制系统22-276



第6章接口设计

6.1接口设计基本方法和接口芯片22-278

6.1.1接口设计与分析的基本方法22-278

6.1.2常用的接口芯片22-278

6.2人机接口电路设计22-278

6.2.1人机接口电路类型与特点22-278

6.2.2输入接口电路设计22-279

6.2.3输出接口电路设计22-280

6.3机电接口电路设计22-290

6.3.1机电接口电路类型与特点22-290

6.3.2信号采集通道接口中的A／D转换接口电路设计22-290

6.3.3控制量输出通道中的D／A转换接口电路设计22-292

6.3.4控制量输出通道中的功率接口电路设计22-294

6.3.4.1PWM整流电路22-294

6.3.4.2光耦合器驱动接口设计22-296

6.3.4.3继电器22-298

6.3.5被控量反馈通道中的接口电路设计22-301

6.3.5.1速度反馈接口22-301

6.3.5.2位移反馈接口22-301



第7章设计实例

7.1数控机床的改造22-304

7.1.1数控车床的改造22-304

7.1.1.1数控车床的改造方案组成框图22-304

7.1.1.2机械结构改造设计方案22-304

7.1.1.3数控车床计算机控制系统改造硬件设计22-307

7.1.1.4数控车床计算机控制系统改造软件设计22-312

7.1.2大型数控落地镗铣床的系统改造实例22-312

7.2工业机器人系统设计实例22-314

7.2.1工业机器人的组成与分类22-314

7.2.2SCARA型装配机器人系统设计22-314

7.2.3BJDP-1型机器人设计22-319

7.2.4缆索并联机器人设计22-323

7.3无人搬运车（AGV）系统设计22-327

7.3.1无人搬运车系统（AGVS）22-327

7.3.2无人搬运车的工作原理和结构22-330

7.3.2.1无人搬运车的引导方式22-330

7.3.2.2无人搬运车的结构22-331

7.3.3典型的无人搬运车22-333

7.3.3.1瑞典AGV电子有限公司的产品22-333

7.3.3.2美国AGV产品有限公司的产品22-335

7.3.3.3中国新松AGV产品22-338

7.4信函连续作业自动处理系统设计22-343

7.4.1信函自动处理流水线22-344

7.4.1.1信函自动处理流水线的组成22-344

7.4.1.2信函自动处理的前提条件22-345

7.4.2信函分类机22-345

7.4.3缓冲储存器22-347

7.4.4理信盖销机22-349

7.4.5信函分拣机22-352

7.4.5.1信函分拣的同步入格控制22-352

7.4.5.2条形码及光学条码自动识别22-352

7.4.5.3光学文字自动识别22-355



参考文献22-360