普通高等教育“十一五”国家级规划教材：机械电子工程原理_王孙安著王孙安编_9787111285335

《机械电子工程原理》论述了机械电子工程的基本原理及系统设计。在第一篇执行机构与驱动器中，介绍了执行机构的作用，以及电气、液压和气动等驱动方式；在第二篇测量系统中，讲述了系统运行时状态信息的获取、处理和干扰抑制问题；在第三篇嵌入式控制系统中，讲述了接口、通道和控制策略的设计，并介绍了机电系统监控的基本内容，此外，还涉及机械电子系统中机构、结构和人机界面设计的原则；在第四篇系统应用中，介绍了几种典型的机械电子系统设计实例。《机械电子工程原理》从机械电子系统设计的角度，着眼于物质、能量和信息，阐述了机电系统的机构、驱动与控制的相关内容，最后还给出了若干个机电系统案例剖析。
《机械电子工程原理》是普通高等学校机电工程或机电一体化专业的高年级本科生或硕士研究生教材，也可供相关领域的工程技术人员阅读。

    物质、能量和信息是推动人类文明发展的强大动力。生产力水平低下时，人类的生存和发展较大程度上依靠物质和能量。随着生产力水平的提高，信息的作用日益突出，尤其是第一台电子计算机诞生，人类步入信息社会后，信息技术因其在应用中所具有的强渗透性和高附加值而成为信息时代的核心技术和发展的中坚力量，影响并决定着现代技术的总体走向。
    机械电子工程（Mechatronics）是20世纪70年代日本提出来用于描述机械工程和电子工程一体化的一个技术术语，机械电子成为一门新兴学科也仅仅始于20世纪80年代。近年来，由于以信息处理为核心的人工智能技术的渗透，机械电子工程在传统机械系统动力传递和机构连接基础上，更强调信息的连接和驱动作用，并逐步向智能方向发展，已经成为机械工程的重要研究领域和技术革命的前沿方向。目前，机械电子工程学科已经发展成为一门综合机械、电子、控制、信息、计算机技术为一体的工程技术学科。该学科涉及的技术是现代机械工业最主要的基础技术和核心技术之一，是衡量一个国家机械装备发展水平的重要标志。
    在日本提出机械电子工程这一术语后，日、美、英各国先后有一些专著出版。国际自动控制联合会（IFAC）、美国电气和电子工程师协会（IEEE）先后创办了名为《Meelmtronics》的期刊。近几年，国内也有相关教科书和期刊问世。这些出版物的论述内容各有侧重，风格迥异。
    本书是在参考国内外相关文献的基础上，结合作者从事机械电子工程教学、研究和我国实际情况，按照理论联系实际的原则编写而成的。本书分别从执行机构和驱动、系统信息的测量、嵌入式微处理器以及机械电子系统设计实例等方面详细阐述了机械电子工程的基本思想、系统组成和实际应用。全书分为20章，第1章阐述了机械电子工程的基本概念、发展过程和设计思想；第2章介绍了执行机构与驱动器，以及在不同情况下驱动方式的选择；、第3章简要讨论了机械系统中执行机构的功能与作用；第4章和第5章分别介绍了电气驱动装置和液压、气动驱动装置；第6章概述了测量常用的指标、误差的形成和分类、常用测量方法以及测量系统的设计；第7章介绍了常用的传感器，并讨论了传感器和转换器的分类以及传感器技术的发展；第8章给出了常见的信号处理电路，介绍了信号处理的相关内容；第9章探讨了干扰和噪声的形成与抑制；第10章介绍了机械电子中的微处理器系统；第11章从内存、I／O接口电路、过程通道、模拟量输入／输出通道、教／模与模／教转换技术等方面介绍了机械电子系统中的嵌入式微处理器的设计；第12章介绍机电系统的模型建立，第13章主要以PID控制器和模糊控制器为例，探讨了机械电子系统中的微处理器控制；第14章介绍了机械电子系统的网络监控；第15章系统阐述了机械电子系统的总体设计；第16～20章以机械电子工程的观点，分别分析了软盘驱动器、关节式机器人、移动式机器人、机器人视觉导航系统以及飞行动力训练地面模拟系统等几个典型机械电子系统的设计，这几个案例基本能够体现机械电子工程的精要，满足教学的需要。

    针对第二种情况的实例：
    袖珍式光盘放像机：该系统中的激光系统用来从盘上读取数字编码信号，其控制是由一个微处理系统完成的，此系统还具有磁道选择、扫描和预检等功能。
    自动驾驶小船：能够根据风向标、磁罗盘或全向无线电信标机的输出信号来控制操作杆或操作盘。
    模块化机器人：普通工业机器人的几何结构限制了其功能，而模块化机器人，由于其众多的结构单元和执行器是由一个中央控制器控制的，克服了普通机器人的缺点，用户可以根据自己的需要来选择单元。
    综上所述，采用机械电子学可以在保证价格不变或降低的前提下提高产品性能。这是由于机械电子系统的元件或模块较经济且具有较强的功能所致。
    在第一类产品中，由于在最初的设计中只考虑了动力之间的联系，而没有考虑“信息驱动”，因此传感器和控制器是在后来的改造中加上去的，某些时候就有可能因为零部件或元器件的性能或者安装空间不能满足要求而使改造失败。而对第二类产品，由于在一开始设计的时候就同时考虑了动力和信息之间的联系，特别是强调了通过“嵌入式”设计来实现“机电一体”，产品性能得到了极大的提高。在今天，一些典型的现代机电产品，如磁悬浮轴承、喷气式战斗机等，离开了电子工程的机械根本就无法工作。
    在工程设计中，机械电子方法能将系统的大量材料和信息集中起来，使系统具有更高的性能、更强的灵活性。因此，要做到万无一失，机械电子工程的设计必须包括初步设计和具体设计两个阶段。
    在制造工业中，需要使整个系统及其组成部分具有高度的可控性，因此要对各个单元的功能及它们在整个系统中的作用作全面了解。
    对产品来说，用户关心的是产品性能的提高、操作程序的简化，而并不关心用什么样的方法来达到此目的，因此许多产品都装有用以提高产品性能的微控制器。微控制器对用户是开放的，用户可以通过界面来选择适当的控制功能。
    当前，许多部门都在用机械电子方法从事产品和系统的开发，开发过程的技术交接通常由某一个部门负责，而该部门又往往不从事系统的总体设计，它的任务仅仅是将一个部门的工作转交给另一个部门，大部分是事务性的工作。在真正的机械电子设计方法中，这种协调工作应该由设计中心完成。这个事实已逐渐被认识，尤其是在日本。
    因此，用机械电子方法进行工程设计的核心是将电子技术和计算机技术与机械系统有机地结合起来。对现有产品或系统，也常用机械电子方法来改善其性能。
    工程设计中的机械电子方法与系统结构的配置有关，在这种方法中，可以实现各种技术的集成，并对其进行评估。为达到这个目的，通常采用一种基于信息的自顶向下的策略，就可以将系统分解成一些模块。
    在此需要说明的是，在机械电子系统中，其机械结构（Stmcture）指的是机架（起支撑作用）、封装（各种界面）、外壳（起外观和隔离作用）及工具库（存储刀具或零件）等多方面的功能，事实上，这也就是下面所谈及的装配模块（Assembly module）的作用。

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