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第24篇 机电一体化技术及设计3

第1章 机电一体化概述3

1机电一体化概念3

1.1机电一体化的基本概念3

1.2机电一体化技术的发展3

1.3机电一体化系统的构成4

1.4机电一体化的意义5

2机电一体化技术的分类5

2.1机电一体化技术的分类依据5

2.2机械制造过程的机电一体化6

2.3机电产品的机电一体化7

3机电一体化的相关技术7

4机电一体化设计方法8

4.1模块化设计方法8

4.2柔性化设计方法8

4.3取代设计方法8

4.4融合设计方法9

4.5优化设计方法9

4.5.1机械技术和电子技术的综合与优化9

4.5.2硬件和软件的交叉与优化9

4.5.3机电一体化产品的整体优化10

5机电一体化系统的设计流程10

第2章 基于工业控制机的控制器及其设计12

1工业控制机的种类与选择12

1.1工业控制机概述12

1.2工业控制机的分类12

1.2.1按工业控制机的总线分类12

1.2.2按工业控制机结构型式分类13

1.3工业控制机的选择13

2工业控制机的总线14

2.1总线概述14

2.2 STD总线14

2.3 ISA总线15

2.4 PCI总线16

2.5 cPCI总线17

2.6 PCI-E总线18

2.7现场总线20

3工业控制机常用的功能模块22

3.1数据采集卡22

3.2远程I／O模块23

3.3通信模板24

3.4信号调理模板24

3.5运动控制器25

第3章 可编程序控制器28

1可编程序控制器概述28

1.1可编程序控制器的发展概况28

1.2可编程序控制器的特点和应用28

1.2.1 PLC的主要特点28

1.2.2可编程序控制器与其他工业控制系统的比较29

1.2.3 PLC的应用范围29

1.3可编程序控制器的发展趋势30

2可编程序控制器的基本组成和工作原理30

2.1可编程序控制器的基本组成30

2.1.1中央处理单元（CPU）31

2.1.2存储器31

2.1.3输入／输出模块32

2.1.4编程器32

2.1.5人机界面32

2.2可编程序控制器的工作原理32

2.2.1循环扫描工作方式32

2.2.2可编程序控制器的工作过程33

2.3输入／输出接口模块33

2.3.1数字量输入、输出模块33

2.3.2模拟量输入、输出模块34

2.4智能模块36

2.5远程I／O37

2.6可编程序控制器的编程语言39

2.6.1梯形图语言39

2.6.2顺序功能图语言39

2.6.3功能块图42

2.6.4指令表42

2.6.5结构化文本42

3可编程序控制器的生产厂家及产品介绍42

3.1德国西门子（SIEMENS）公司42

3.2美国罗克韦尔公司的AB PLC42

3.3日本立石（OMRON，欧姆龙）公司43

3.4其他PLC公司43

4可编程序控制器应用系统设计的内容和步骤43

4.1 PLC应用系统设计的内容和步骤43

4.2 PLC应用系统的硬件设计43

4.2.1 PLC的型号选择43

4.2.2 I／O模块的选择43

4.2.3电源选择44

4.3 PLC的应用软件设计44

4.4 PLC的应用实例——自动搬运机械手44

第4章 基于单片机的控制器及其设计46

1单片机的硬件结构46

1.1单片机的基本结构46

1.2单片机的微处理器46

1.3 MCS-51的存储器47

1.3.1程序存储器47

1.3.2数据存储器47

1.4 MCS-51的并行口和串行口48

1.4.1并行口48

1.4.2串行口48

1.5 MCS-51的定时器48

1.5.1方式控制寄存器TMOD48

1.5.2定时器控制寄存器TCON49

1.6 MCS-51的中断系统及其控制49

2常用单片机的厂家及产品介绍50

2.1 4位单片机50

2.2 8位单片机50

2.3 16位单片机52

2.4 32位单片机52

3单片机的编程语言52

3.1单片机编程语言的分类52

3.2 MCS-51单片机指令系统53

3.3 PIC单片机指令系统简介54

4控制器的硬件系统设计56

4.1单片机存储器的扩展56

4.1.1扩展程序存储器的设计56

4.1.2扩展数据存储器的设计57

4.2单片机常用并行接口电路59

4.3单片机的人机接口设计61

4.3.1单片机系统的输入装置61

4.3.2单片机系统的显示装置63

4.4 D／A转换器及其接口电路64

4.5 A／D转换器及其接口电路65

4.6 MCS-51单片机与外围电路的匹配技术67

4.6.1集成逻辑门的负载能力68

4.6.2单片机系统常用集成电路的驱动能力68

4.6.3单片机控制系统电平匹配举例68

第5章 传感器及其接口设计70

1传感器概述70

1.1传感器的概念70

1.2传感器的特性和技术指标70

1.2.1传感器的静态特性70

1.2.2传感器的动态特性71

1.2.3传感器的性能指标71

2几类传感器的主要性能及优缺点72

3机电一体化中常用传感器75

3.1电位器75

3.2光栅75

3.3编码器76

3.4测速发电机76

3.5压电加速度传感器77

3.6超声波距离传感器77

4传感器的选用原则及注意事项78

5传感器与计算机的接口设计79

第6章 常用的传动部件与执行机构83

1机械传动部件及其功能要求83

1.1齿轮传动84

1.1.1齿轮传动分类及选用84

1.1.2齿轮传动形式及其传动比的最佳匹配选择84

1.1.3齿轮传动间隙的调整方法86

1.1.4谐波齿轮传动87

1.2滚珠螺旋传动88

1.2.1滚珠螺旋的传动原理88

1.2.2滚动螺旋副支承方式的选择91

1.2.3滚动螺旋副的密封与润滑91

1.2.4滚动螺旋副的选择方法92

1.3挠性传动92

1.3.1平带传动92

1.3.2绳传动92

1.3.3链传动93

1.3.4同步带传动94

2导向支承部件的结构型式选择94

2.1导轨副的组成、种类94

2.2滑动导轨96

2.3静压导轨99

2.4滚动导轨101

3旋转支承的类型与选择103

3.1旋转支承的种类及基本要求103

3.2圆柱支承103

3.3圆锥支承103

3.4填入式滚珠支承104

4轴系部件的设计与选择105

4.1轴系设计的基本要求105

4.2轴（主轴）系用轴承的类型与选择105

4.3提高轴系性能的措施107

5常用执行机构108

5.1连杆机构108

5.2凸轮机构108

5.3间歇机构109

第7章 常用控制用电动机及其驱动112

1对控制用电动机的基本要求112

2控制用电动机的种类、特点及选用112

3直流伺服（DC）电动机与驱动113

3.1直流电动机调速原理及调速特性113

3.2永磁直流电动机伺服系统113

3.3直流伺服电动机驱动114

4交流伺服电动机与驱动116

4.1交流异步电动机116

4.1.1工作原理116

4.1.2异步电动机的运行特性117

4.1.3性能指标117

4.1.4交流异步伺服电动机的驱动与控制117

4.2交流同步电动机119

4.2.1同步电动机工作原理119

4.2.2等效电路120

4.2.3交流同步电动机的运行特性121

4.2.4同步电动机的控制121

4.3交流伺服电动机常用电力电子器件123

5步进电动机与驱动124

5.1步进电动机分类124

5.2步进电动机工作原理125

5.3步进电动机驱动与控制125

5.3.1脉冲分配器125

5.3.2功率放大器126

第8章 机电一体化设计实例129

1振幅定值控制电磁振动给料机129

1.1电磁振动给料机的工作原理129

1.2溜槽式固体流量计工作原理129

1.3对控制系统的技术要求130

1.4电磁振动定量给料控制系统的方案确定130

1.4.1 CPU选择130

1.4.2输入输出接口的配置130

1.4.3键盘显示器130

1.4.4串行通信130

1.4.5系统电源131

2电子传送带配料秤131

2.1传送带配料秤的工作原理131

2.2传送带配料秤监控仪的技术要求131

2.3监控仪的硬件结构及其组成电路132

2.4系统软件设计132

3立式包装机134

3.1立式连续制袋三边封口包装机工作原理134

3.2立式包装机技术要求135

3.3传动系统及电控原理135

4电动喷砂机器人137

4.1机器人机构原理137

4.2控制系统137

4.3机器人规格参数138

4.4控制算法简介138

5 XH714立式加工中心139

5.1机床简介139

5.2数控系统140

5.3伺服系统141

5.4 I／O控制142

5.5电源145

6综合实例：液压挖掘机器人145

6.1全液压挖掘机器人的功能需求及开发流程145

6.2电液系统的设计与改造145

6.3基于xPC Target的控制平台147

6.3.1实时工具RTW148

6.3.2 xPC Target控制平台148

6.3.3挖掘机器人挖沟目标的实现149

参考文献151

第25篇 机电系统控制153

第1章 概述155

1自动控制系统的基本组成155

2自动控制系统的分类155

3对自动控制系统的基本要求156

4控制系统的性能指标156

4.1控制系统的时域性能指标157

4.1.1典型输入信号157

4.1.2一阶系统的时域性能指标157

4.1.3二阶系统的时域性能指标157

4.1.4高阶系统的时域性能指标159

4.2控制系统的频域性能指标160

5自动控制系统设计的基本原则160

第2章 控制系统数学模型162

1系统的微分方程162

2系统的传递函数163

2.1传递函数的定义163

2.2传递函数的性质163

2.3与传递函数相关的几个基本概念163

2.4典型环节的微分方程和传递函数163

3系统的状态空间表达式165

3.1基本概念165

3.2状态空间表达式165

3.3状态空间表达式的建立方法166

3.3.1建立状态空间表达式的直接方法166

3.3.2由微分方程求状态空间表达式166

3.3.3由系统传递函数写出状态空间表达式166

3.4系统的传递函数矩阵166

3.4.1传递函数矩阵的概念166

3.4.2由状态空间表达式求传递函数矩阵167

4离散系统的数学模型167

4.1离散系统的差分方程167

4.1.1差分方程含义167

4.1.2差分方程的解法168

4.2离散系统的传递函数168

4.2.1离散传递函数的定义168

4.2.2离散传递函数的求法168

4.2.3开环系统的脉冲传递函数169

4.2.4闭环系统的脉冲传递函数169

4.3离散系统的状态空间表达式169

4.3.1离散系统状态方程的建立169

4.3.2离散系统的传递矩阵171

5系统框图171

5.1画框图的规则171

5.2框图的基本连接方式与等效变换规则171

5.3框图的简化172

6信号流图172

6.1信号流图的性质172

6.2信号流图的简化172

6.3梅逊公式及其应用172

7非线性系统线性化173

第3章 控制系统分析方法175

1频率特性分析法175

1.1频率特性的基本概念175

1.2频率特性的求法175

1.3频率特性的图示法175

1.3.1极坐标图175

1.3.2.对数坐标图175

2根轨迹分析法179

2.1根轨迹定义179

2.2根轨迹的幅值条件和相角条件179

2.3绘制根轨迹的基本规则179

2.4在开环传递函数中增加极点、零点的影响180

3系统稳定性181

3.1系统稳定性的基本概念181

3.2线性系统的代数稳定性判据181

3.2.1赫尔维茨判据181

3.2.2劳斯判据182

3.2.3谢绪恺判据183

3.3李亚普诺夫稳定性判据183

3.4乃奎斯特稳定性判据183

3.4.1乃奎斯特判据183

3.4.2乃奎斯特判据的应用184

3.5根据Bode图判断系统的稳定性185

3.6系统的相对稳定性185

3.6.1相位稳定裕度185

3.6.2幅值稳定裕度185

3.6.3关于相位裕度和幅值裕度的几点说明185

4控制系统的误差186

4.1系统的复域误差186

4.2系统时域稳态误差186

4.3系统稳态误差的计算186

4.3.1系统的类型186

4.3.2系统的误差传递函数186

4.3.3稳态误差系数与稳态误差186

4.4扰动引起的误差187

5离散系统的Z域分析188

5.1离散系统的稳定性分析188

5.2极点分布与瞬态响应的关系188

5.3离散系统的稳态误差189

第4章 控制系统设计方法190

1控制系统设计的基本原理190

1.1 Bode定理190

1.2反馈校正190

1.3顺馈校正191

1.4串联校正191

1.5控制器分类191

2控制器设计方法193

2.1按希望特性设计控制器的基本原理193

2.1.1典型Ⅰ型系统（二阶希望特性系统）193

2.1.2典型Ⅱ型系统（三阶希望特性系统）194

2.2按希望特性设计控制器的图解法196

2.3按希望特性设计控制器的直接法197

2.4 PID控制器198

3离散系统设计199

3.1模拟化设计法199

3.2离散设计法200

3.3 PID数字控制器200

第5章 先进控制理论基础202

1系统智能化202

1.1智能控制的产生背景202

1.2智能机器的智能级别202

1.3智能化系统的结构203

1.4人工智能204

1.4.1人工智能的定义204

1.4.2人工智能的发展史204

1.4.3人工智能的研究与应用205

1.5智能控制系统的特点206

1.6运动状态的智能控制207

1.6.1交通工具运动状态的智能控制207

1.6.2各种数控机床运动状态的智能控制207

1.6.3机器人运动状态的智能控制208

2最优控制208

2.1最优性能指标208

2.1.1积分型最优性能指标208

2.1.2末值型最优性能指标209

2.1.3综合最优性能指标209

2.2最优控制的约束条件209

2.2.1对系统的最大控制作用或控制容量的限制209

2.2.2终了状态的约束条件209

2.2.3系统的最优参数问题209

2.3二次型最优控制209

2.4离散系统的二次型最优控制210

2.4.1离散系统二次型最优控制问题的求解210

2.4.2采用离散极小值原理的求解210

2.4.3最小性能指标的计算211

2.5动力减振器的最优控制214

3自适应控制系统215

3.1模型参考自适应控制216

3.2自校正自适应控制216

4模糊控制217

4.1模糊控制的基本原理217

4.1.1单变量模糊控制系统217

4.1.2多变量模糊控制系统218

4.1.3 Mamdani模糊控制系统219

4.1.4 T-S模糊推理模型220

4.1.5模糊控制器设计步骤220

4.2倒立摆模糊控制实例220

4.2.1倒立摆系统建模221

4.2.2模糊控制系统设计221

4.3工作台位置模糊控制221

5自学习控制系统224

5.1迭代自学习控制的基本原理224

5.2迭代自学习控制应用举例226

6人工神经网络控制系统227

6.1人工神经元模型227

6.2人工神经网络的构成228

6.3人工神经网络的学习算法228

6.3.1 BP网络228

6.3.2 RBF网络229

7专家系统与专家控制器234

7.1专家系统的产生与发展234

7.2专家系统的基本结构与原理235

7.2.1专家系统的结构235

7.2.2几种专家系统的工作原理235

7.3专家控制器的组成238

7.4专家控制器设计238

7.4.1专家控制器的设计原则238

7.4.2专家控制器的建模239

7.4.3专家控制器的应用实例239

第6章机械运动控制系统241

1系统机械结构及传动241

1.1系统结构及载荷241

1.1.1系统载荷分析计算241

1.1.2负载折算241

1.1.3负载综合计算243

1.2驱动系统设计243

1.2.1一般性设计原则244

1.2.2设计举例244

2运动驱动器245

2.1直流伺服电动机245

2.1.1直流伺服电动机的驱动245

2.1.2直流伺服电动机的控制247

2.2交流伺服电动机247

2.2.1永磁同步电动机的结构与工作原理247

2.2.2永磁同步电动机的数学模型247

2.2.3正弦波永磁同步电动机的矢量控制方法250

2.2.4交流伺服电动机的使用252

2.3步进电动机253

2.3.1步进电动机的种类253

2.3.2步进电动机的主要性能指标254

2.3.3步进电动机的控制特性255

2.3.4步进电动机的选择与使用255

2.4直线电动机256

2.4.1直线电动机的原理和分类256

2.4.2直线电动机的选用原则257

2.4.3直线感应电动机的应用范围257

2.4.4直线直流电动机的应用258

3控制系统典型元器件258

3.1运动控制器258

3.2伺服电动机259

3.3减速器260

3.4编码器261

3.5人机界面平台262

3.6线性伺服电动机263

3.7直驱电动机运动平台263

4位置控制系统264

4.1机器人控制系统264

4.1.1基本组成264

4.1.2控制方式265

4.2数控机床伺服系统265

4.2.1伺服系统的组成265

4.2.2对伺服系统的基本要求266

4.2.3控制方式266

5工作台位置控制系统设计实例266

5.1系统组成266

5.2工作原理267

5.3系统数学模型的建立268

5.4系统性能分析269

5.5系统稳定性分析270

5.6系统设计270

6飞机机翼的位置控制系统分析271

6.1单位阶跃瞬态响应272

6.2单位阶跃稳态响应274

6.3单位斜坡输入的时间响应274

6.4三阶系统的时间响应275

参考文献282

第26篇 机器人与机器人装备285

第1章 概述287

1机器人与机器人系统287

1.1机器人287

1.2工业机器人287

1.3服务机器人288

2机器人专用术语289

2.1有关机械结构、几何学和运动学的术语289

2.2有关编程、控制和安全、性能、感知与导航的术语289

2.3机器人的分类292

3工业机器人性能规范和测试方法294

3.1工业机器人性能指标294

3.2工业机器人测试方法295

4机器人的新发展与发展趋势295

第2章 串联机器人297

1串联机器人的结构与坐标形式297

1.1串联机器人的结构297

1.2自由度297

1.3工业机器人运动的坐标形式298

2串联机器人的结构型式及其特点298

3机器人运动学与动力学299

3.1基本定义299

3.2机器人运动学正问题300

3.3机器人运动学逆问题301

3.4变换方程301

3.5微分关系式301

3.5.1微分平移变换301

3.5.2微分旋转变换301

3.5.3动系与固定系之间的微分变换关系301

3.6雅可比（Jacobian）矩阵301

3.6.1雅可比矩阵（简称J阵）301

3.6.2雅可比逆阵302

3.7机器人动力学问题的常用分析方法302

3.7.1拉格朗日法302

3.7.2牛顿-欧拉法302

3.7.3机器人动力学的正问题303

4工业机器人的工作空间及与结构尺寸的相关性303

4.1机器人的工作空间303

4.2确定工作空间的几何法303

4.3包容正方体304

4.4工作空间与机器人结构尺寸的相关性304

5机器人尺度规划中的优化设计及关键尺寸的选定304

5.1位置结构的优化设计304

5.1.1要求使工作空间最小的优化设计305

5.1.2要求使工作空间最大的优化设计305

5.2尺度规划时关键尺寸的选定305

6机器人整机设计原则和设计方法305

6.1机器人整机设计原则305

6.2机器人本体的设计步骤305

7机器人腰部、臂部和腕部结构307

7.1腰部结构307

7.2臂部结构307

7.3腕部结构308

7.4工业机器人末端执行器的结构309

8刚度、强度计算及误差分配312

8.1机器人刚度计算312

8.2机器人本体强度计算312

8.3机器人本体连杆参数的误差分配312

9平衡机构的计算312

9.1配重平衡机构312

9.2弹簧平衡机构312

9.3气缸平衡机构313

10终端刚度计算313

11关节驱动力矩计算314

11.1移动关节驱动力的计算314

11.2转动关节驱动力矩的计算314

12灵巧性指标314

12.1开链结构的局部灵巧性314

12.2基于动力学的局部性能评价316

12.3全局灵巧性度量316

第3章 并联机器人317

1并联机器的构型317

1.1并联机器人的型综合317

1.2并联机器人的腿结构318

1.3 2～6自由度并联操作手示例318

2运动学与动力学328

2.1并联机构运动学位置分析328

2.1.1运动学位置分析逆问题328

2.1.2正运动学328

2.2速度、加速度与精度分析328

3并联机构的性能评价指标与奇异分析329

3.1通用公式329

3.2并联奇异分析330

4工作空间的确定330

5静力学分析和静平衡331

6动力学分析332

7并联机器人设计问题333

第4章 轮式机器人334

1轮式移动机构概述334

1.1汽车334

1.2工业车辆334

1.3建筑机械及农业机械等特殊车辆334

1.4医疗康复机器334

1.5教育、研究、开发的轮式移动机构336

2轮式移动机构的构成要求336

2.1车体336

2.2车轮336

2.3车轮支承机构338

2.4驱动机构339

3机构学339

3.1车轮机构分析340

3.2转向341

3.3车轮的旋转驱动341

3.4轮式移动机构的稳定342

4运动学343

4.1与机械手的区别343

4.2独立两轮驱动343

4.3前轮转向驱动343

4.4前轮转向后轮驱动344

4.5独立4轮转向344

4.6合成型全方位车轮的移动机构345

4.7脚轮型驱动轮机构的全方位移动345

4.8拖车346

5静力学346

5.1摩擦346

5.2轮式移动机构的行驶阻力347

5.3车轮的驱动力350

6动力学351

7控制351

7.1控制基础351

7.2导航353

第5章 机器人驱动系统356

1机器人驱动系统特点356

2机器人驱动系统选用原则356

3电液伺服驱动系统357

4气动驱动系统358

5电动驱动系统359

5.1直流伺服电动机驱动器361

5.2同步式交流伺服电动机驱动器361

5.3步进电动机驱动器362

5.4直接驱动电动机362

第6章 机器人用传感器366

1位移传感器366

1.1电位器366

1.2光电编码器366

1.3旋转变压器367

2速度传感器367

3加速度传感器367

4触觉传感器367

4.1接触觉传感器367

4.2触觉传感器阵列368

4.3滑觉传感器369

5力觉传感器370

5.1力和力矩的一般检测方法370

5.2腕力传感器371

6接近与距离觉传感器372

6.1磁力式接近传感器373

6.2气压式接近传感器373

6.3红外式接近传感器373

6.4超声式距离传感器374

7陀螺仪374

第7章 机器人视觉376

1概述376

2机器人视觉系统的组成377

2.1视觉系统组成377

2.2镜头和视觉传感器379

2.3电气输出接口381

3机器人视觉图像处理382

3.1机器人的二维图像处理382

3.1.1前处理382

3.1.2特征提取383

3.1.3 匹配和识别384

3.2三维视觉的分析385

3.2.1单目视觉385

3.2.2双目视觉386

3.2.3物体的表示及匹配386

4机器人视觉系统实例387

4.1二值系统387

4.2灰度系统387

4.3三维系统388

第8章 机器人控制系统389

1机器人控制系统的体系结构、功能、组成和分类389

1.1机器人控制系统的一般要求与体系结构389

1.2机器人控制系统的组成390

1.3机器人控制系统分类390

2机器人整体控制系统设计方法391

2.1控制系统结构391

2.2控制系统设计原则393

2.3控制系统选择方法393

3几种典型的控制方法393

3.1 PID控制393

3.2滑模控制394

3.3自适应控制395

3.4模糊控制395

3.5机器人的顺应控制396

3.6位置和力控制系统结构397

4控制系统硬件构成397

5控制系统软件构成400

5.1软件构成400

5.2软件功能400

6机器人语言402

7机器人离线编程与仿真410

第9章 机器人人工智能411

1智能机器人的含义411

1.1感觉功能智能化411

1.2控制功能智能化411

1.3移动功能智能化412

1.4安全可靠性412

2机器人系统的描述413

2.1作业程序知识413

2.2对象物的知识413

2.3知识表达框架414

3机器人行为规划416

3.1作业规划416

3.2行动规划416

4机器人知识的获取419

4.1学习的分类419

4.2作业知识的获取420

4.3图像理解与环境知识的获取421

5智能机器人的控制范式422

6智能机器人应用前景423

第10章 机器人工装夹具及变位机425

1定位与工装夹具425

1.1定位方法及定位器与夹具体425

1.1.1基准的概念425

1.1.2工件以平面定位425

1.1.3工件以圆孔定位426

1.1.4工件以外圆柱定位427

1.1.5组合表面的定位428

1.1.6型面的定位428

1.1.7夹具体428

1.2手动夹紧机构429

1.3动力工装夹具429

1.3.1气压和液压夹具429

1.3.2磁力夹紧装置436

2机器人变位机437

2.1变位机的种类437

2.2变位机与焊接机器人组合的工作站440

第11章 工业机器人的典型应用442

1喷涂机器人442

1.1喷涂机器人的结构442

1.2喷涂机器人控制系统442

1.3直接示教轻动化443

1.3.1示教轻动化的概念443

1.3.2影响示教轻动化的因素及解决途径444

1.4应用实例444

2点焊机器人445

2.1点焊机器人的结构445

2.2点焊机器人控制系统446

2.3点焊机器人应用实例446

2.3.1机器人工作单元446

2.3.2机器人生产线446

3弧焊机器人447

3.1弧焊机器人的结构447

3.2弧焊机器人控制系统448

3.3弧焊机器人应用实例448

4搬运机器人449

4.1搬运机器人的结构449

4.2搬运机器人控制系统449

4.3搬运机器人应用实例450

5装配机器人450

5.1装配机器人结构450

5.2装配机器人的驱动系统451

5.3装配机器人应用实例451

5.3.1用机器人装配电子印制电路板（PCB）451

5.3.2用机器人装配计算机硬盘452

6冲压机器人452

6.1冲压机器人的结构452

6.1.1臂结构452

6.1.2末端执行器结构453

6.2冲压机器人控制系统453

6.3冲压机器人应用实例453

6.3.1冲压机器人在应用中的几个问题454

6.3.2机器人在汽车工业冲压加工中的应用454

7压铸机器人455

7.1压铸机器人结构455

7.2压铸机器人控制系统455

7.3压铸机器人应用实例456

第12章 服务机器人技术的新进展457

1概述457

1.1服务机器人的分类457

1.2服务机器人的共性技术457

2农业机器人458

2.1农业机器人的特点和分类458

2.2农业机器人应用实例459

3医疗机器人463

3.1神经外科机器人463

3.2骨科机器人464

3.3腹腔镜机器人466

3.4血管介入机器人467

3.5假肢和外骨骼机器人467

3.6辅助、康复机器人469

3.7医院服务机器人470

4水下机器人470

4.1水下机器人的定义与分类470

4.2典型水下机器人471

5空间机器人473

5.1空间机器人的定义和分类473

5.2空间机器人实例473

6军用机器人475

6.1军用机器人的含义与分类475

6.2军用机器人实例475

7家用服务与娱乐机器人477

8特种服务机器人478

9服务机器人前沿关键技术480

参考文献481

第27篇 数控技术483

第1章 概论485

1基本概念485

1.1数控设备的组成485

1.2数控设备的工作过程和分类486

1.2.1数控设备的工作过程486

1.2.2数控设备的分类486

1.3数控设备的检测装置488

1.4数控设备的辅助功能488

1.5数控系统的故障诊断488

2数控技术的发展和现状488

2.1数控技术的产生与发展488

2.2数控技术的现状489

3数控技术的发展趋势489

4以数控技术为基础的自动化加工技术490

4.1分布式数字控制系统490

4.2柔性制造单元及柔性制造系统490

4.3计算机集成制造系统491

第2章 数控系统的点位和轨迹控制原理492

1点位控制492

2插补原理492

2.1逐点比较法492

2.1.1逐点比较法的基本原理492

2.1.2四象限域的推广493

2.1.3进给速度合成与分析494

2.2数字积分法495

2.2.1求和运算代替求积分运算495

2.2.2.数字积分法的基本原理495

2.2.3四象限域工作497

2.2.4合成进给速度与改善方法497

2.3数据采样插补499

2.3.1概述499

2.3.2数据采样法直线插补500

2.3.3数据采样法圆弧插补500

3刀具补偿原理及方法502

3.1基本概念502

3.2刀具长度补偿503

3.3刀具半径补偿503

3.3.1刀具半径补偿概述503

3.3.2 B功能刀具半径补偿504

3.3.3 C功能刀具半径补偿504

3.3.4刀补造成的过切削报警506

第3章 数控程序编制507

1程序编制的目的和方法507

1.1程序编制的目的507

1.2程序编制的方法507

1.2.1手工编程507

1.2.2计算机辅助编程507

2数控机床程序编制的有关规定507

2.1数字控制的标准和代码507

2.1.1穿孔纸带及其代码507

2.1.2数控机床的坐标轴与运动方向508

2.1.3数控机床的坐标系统508

2.1.4程序段格式509

2.2常用的程序编制指令509

2.2.1准备功能指令509

2.2.2辅助功能指令509

3程序编制的步骤和实例511

3.1程序编制的步骤511

3.1.1对零件图样的分析和工艺处理511

3.1.2数学处理512

3.1.3零件（加工）程序单的编写、控制介质的制作及程序的检验512

3.2数控车床的程序编制512

3.2.1数控车床的编程特点512

3.2.2数控车床编程实例一512

3.2.3数控车床编程实例二518

3.3数控铣床的程序编制518

3.3.1平面与曲面加工的工艺处理518

3.3.2非圆曲线与列表曲线的数学处理519

3.3.3棱角过渡522

3.3.4数控铣床的程序编制实例一522

3.3.5数控铣床的程序编制实例二523

4计算机数控自动程序编制系统523

4.1数控语言自动编程523

4.1.1数控语言自动编程的工作原理523

4.1.2数控自动编程语言524

4.1.3数控语言自动程序编制系统的程序设计525

4.2图形交互数控自动编程525

4.2.1图形交互编程的原理和特点525

4.2.2主要的CAD／CAM软件528

4.2.3 CAD／CAM系统功能分析528

4.2.4图形交互自动编程的主要步骤528

4.2.5使用Mastercam软件图形交互自动编程示例529

4.2.6使用UG软件图形交互自动编程示例531

第4章 数控伺服系统534

1伺服驱动结构系统的组成534

2开环伺服系统534

2.1概述534

2.2步进电动机的工作原理535

2.3步进电动机的特性536

2.4步进电动机的控制电路537

2.5开环系统的反馈补偿方法538

3闭环伺服系统539

3.1概述539

3.2直流伺服电动机及其速度控制539

3.3交流伺服电动机及其速度控制541

第5章 数控检测装置545

1概述545

1.1位置检测装置的分类545

1.2对位置检测装置的要求545

2光电盘和编码盘545

2.1光电盘545

2.2编码盘546

3感应同步器547

3.1感应同步器的工作原理和信号处理547

3.1.1结构与工作原理547

3.1.2信号处理547

3.2感应同步器的分类和主要参数547

3.2.1直线式感应同步器547

3.2.2旋转式感应同步器548

3.3感应同步器的特点548

4旋转变压器548

4.1旋转变压器的结构和工作原理548

4.1.1旋转变压器的结构548

4.1.2旋转变压器的工作原理548

4.2旋转变压器的工作方式549

4.2.1鉴幅型549

4.2.2鉴相型550

5光栅550

5.1光栅的基本原理550

5.2光栅的分类551

5.2.1透射和反射光栅551

5.2.2直线光栅与圆光栅551

5.3光栅的测量装置551

5.3.1读数头551

5.3.2装置原理552

6磁尺552

第6章 计算机数控装置554

1计算机数控系统概述554

1.1计算机数控系统的定义554

1.2计算机数控系统的组成554

1.3计算机数控系统的特点555

2计算机数字控制装置的硬件结构555

2.1大板式结构和模块化结构555

2.2单微处理器数控装置和多微处理器数控装置556

2.3开放式数控体系结构557

3 CNC装置功能558

3.1 CNC装置的主要功能与工作过程558

3.2 CNC装置的可选择功能560

4 CNC装置的软件系统560

4.1 CNC软件的特点560

4.2 CNC系统软件的总体结构562

4.2.1前后台型软件562

4.2.2多重中断型软件结构563

5国内外典型的数控装置简介564

5.1国内典型数控装置564

5.1.1中华Ⅰ型数控系统564

5.1.2华中数控系统565

5.1.3航天数控系统566

5.1.4蓝天系列CNC系统568

5.1.5凯恩帝（KND） CNC系统569

5.1.6 i5数控系统569

5.2国外典型数控装置570

5.2.1 FANUC公司的主要数控系统570

5.2.2西门子公司的主要数控系统573

参考文献575

第28篇 微机电系统及设计577

第1章 微机电系统概述579

1基本概念579

1.1微传感器579

1.2微执行器和微结构579

1.3微机电系统的基本特征580

1.4微机电系统技术和微电子技术的比较580

2微机电系统发展历程580

3微机电系统及相关技术581

3.1微机电系统组成581

3.2微机电系统设计582

3.3微机电系统制造582

3.4微机电系统封装583

3.5微装配584

3.6系统封装（Sip）584

3.7微机电系统可靠性585

3.8微机电系统测试585

4微机电系统应用领域586

4.1微机电系统在汽车中的应用586

4.2微机电系统在医疗和生命科学领域中的应用587

4.3微机电系统在电信领域中的应用587

第2章 微机电系统制造588

1体硅微机械加工技术588

1.1硅晶体的描述588

1.2各向同性腐蚀588

1.3各向异性腐蚀589

1.3.1不同腐蚀液中的腐蚀速率589

1.3.2腐蚀速率与温度的关系590

1.3.3腐蚀速率与腐蚀液含量的关系591

1.3.4腐蚀速率与衬底掺杂浓度的关系591

1.3.5.不同腐蚀液中的腐蚀表面状况592

1.3.6各向异性腐蚀加工技术中的凸角补偿方法592

1.4深反应离子刻蚀593

1.4.1刻蚀原理593

1.4.2载片台温度与SF6／O2配比的影响594

1.4.3 SF6流量与ICP功率的影响595

1.4.4滞后效应和凹缺效应595

1.4.5深反应离子刻蚀工艺优化596

1.5硅直接键合技术597

1.5.1硅直接键合技术的分类597

1.5.2键合前的清洗598

1.5.3键合表面的活化599

1.5.4平整度对键合的影响599

1.5.5键合后的热处理600

1.5.6键合质量的表征600

2表面微机械加工技术602

2.1表面微机械加工的薄膜材料及其特性602

2.1.1多晶硅602

2.1.2氧化硅604

2.1.3氮化硅606

2.1.4碳化硅606

2.1.5其他表面微机械加工材料607

2.2牺牲层释放腐蚀技术607

2.2.1氧化硅牺牲层的腐蚀607

2.2.2黏附问题及其解决方案609

2.3标准化的表面微机械加工工艺612

2.3.1 MUMPS加工工艺612

2.3.2 SUMMiTTM-V加工工艺612

3玻璃微机械加工技术613

3.1湿法刻蚀613

3.2干法刻蚀614

3.3阳极键合615

3.4模具成型616

3.5其他加工方法618

4 UV-LIGA技术618

4.1工艺流程619

4.2去胶工艺621

4.3 SU-8胶光学特性623

4.4 SU-8胶其他特性624

5其他微机械加工技术624

5.1激光微加工技术624

5.2电火花微加工技术626

5.3热压微成型技术627

5.4注射微成型技术628

6微机电系统制造工艺优化629

6.1常用材料的刻蚀特性629

6.2微机电系统加工技术比较636

6.3工艺设计及优化637

第3章 微机电系统设计640

1设计工具640

1.1 CoventorWare简介640

1.2 CoventorWare设计实例641

1.3 IntelliSuite简介642

1.4 IntelliSuite设计实例643

2微机械润滑646

2.1比例尺度基础知识646

2.1.1立方定律646

2.1.2连续介质假设646

2.1.3表面粗糙度647

2.2润滑的基本方程647

2.3 Couette流阻尼647

2.4压膜阻尼648

2.4.1基本方程648

2.4.2通气孔效应648

2.5摩擦和磨损649

3静电执行器649

3.1面内运动执行器649

3.2离面运动执行器649

3.3性能参数650

3.4材料参数650

3.5材料选择优化651

3.6多层材料的选择652

4压电执行器652

4.1执行器性能设计653

4.2材料选择654

4.3性能综合657

5热执行器658

5.1双层材料热执行器基本原理658

5.2性能设计658

5.3性能指标的优化659

5.4双层材料执行器材料选择661

5.5执行器设计的其他因素665

6热气动和相变执行器665

6.1热气动执行器的原理665

6.2隔膜结构的机械设计665

6.3热气动执行器的热学性能669

6.4热气动执行器的材料选择670

6.5相变执行器670

6.6设计综合671

7磁执行器671

7.1按比例缩小规则671

7.2永磁体和线圈间的等效672

7.3微线圈中的电流密度673

7.4磁相互作用的优点673

8执行器比较674

8.1微执行器分类674

8.2 MEMS执行器和宏观执行器的性能图674

8.2.1最大力和最大位移674

8.2.2位移分辨力与最大位移676

8.2.3最大频率与最大位移676

第4章 微机电系统实例677

1微机械压力传感器677

1.1器件结构与性能参数677

1.2压阻式压力传感器678

1.3电容式压力传感器681

1.3.1设计改进682

1.3.2电路集成和器件补偿683

1.4其他类型压力传感器685

1.4.1谐振式压力传感器685

1.4.2伺服控制式压力传感器685

1.4.3隧道压力传感器686

1.4.4光学拾取式压力传感器686

1.4.5热型压力式传感器686

1.5压力传感器性能比较687

2微机械惯性传感器687

2.1惯性测量原理688

2.2设计参数688

2.2.1质量块与弹簧689

2.2.2阻尼器689

2.2.3动态冲击691

2.2.4传感方式691

2.3惯性传感器的系统问题692

2.3.1单片集成或多芯片集成692

2.3.2开环或闭环控制692

2.4系统实例692

2.4.1 Motorola双片集成横向加速度计692

2.4.2 ADI单片集成陀螺仪693

3微滴发生器694

3.1微滴发生器的工作原理694

3.2物理及设计问题694

3.2.1频率响应696

3.2.2热／水压串扰和溢出697

3.2.3附属液滴698

3.2.4水坑形成698

3.2.5材料问题698

3.3应用698

4微流控芯片700

4.1微流控芯片制造及材料700

4.2微流体驱动与控制技术701

4.3微流控系统703

4.3.1微流控大规模集成芯片703

4.3.2自调节治疗微系统（智能药丸）704

5微机械装置704

5.1机械设计704

5.1.1柔性单元704

5.1.2应力集中706

5.1.3屈曲707

5.2失效机制707

5.2.1离面结构的垂直浮动和机械干扰707

5.2.2电学短路707

5.2.3光刻误差708

5.2.4提高机械装置可靠性的方法708

5.3应用实例708

5.3.1微马达708

5.3.2抗干扰齿轮鉴别器708

5.3.3柔性微镜709

6微机器人710

6.1微机器人定义710

6.2微机器人应用领域710

6.2.1基于MEMS技术的微机器人应用710

6.2.2微组装应用711

6.3微机器人制造方法711

6.3.1微执行器阵列711

6.3.2微执行器的选择712

6.3.3基于微执行器阵列的移动微机器人712

6.4微机器人器件712

6.4.1微夹子和其他微型工具713

6.4.2微运输器713

6.4.3行走MEMS微机器人714

6.5微工厂或桌面工厂716

参考文献717

第29篇 机械状态监测与故障诊断技术719

第1章 概述721

1机械状态监测与故障诊断技术综述721

1.1机械状态监测与故障诊断的意义721

1.2机械状态监测与故障诊断技术的发展、现状与展望721

2设备维修与现代化管理722

2.1设备运行状态722

2.2设备维修制度722

3机械故障诊断的基本知识723

3.1机械故障诊断的基本概念723

3.2机械故障诊断的内容723

3.3机械设备状态监测与故障诊断系统的工作流程723

3.4机械故障诊断系统的组成724

3.5机械故障诊断技术的分类724

第2章 信号采集系统的组成725

1信号采集系统概述725

2传感器725

2.1压电式加速度传感器726

2.1.1工作原理726

2.1.2结构型式727

2.1.3压电式加速度传感器的指标727

2.1.4内装集成电路压电式加速度传感器728

2.1.5加速度传感器的选择728

2.1.6安装方式728

2.1.7部分厂家部分压电式加速度传感器型号及技术指标730

2.2磁电式速度传感器732

2.2.1工作原理732

2.2.2结构型式733

2.2.3安装使用733

2.2.4磁电式速度传感器性能特点733

2.2.5部分厂家部分磁电式速度传感器技术指标733

2.3电涡流传感器734

2.3.1工作原理734

2.3.2结构型式734

2.3.3性能特点735

2.3.4使用注意事项735

2.3.5电涡流传感器的安装要求735

2.3.6部分厂家电涡流传感器技术指标736

2.4传感器的技术指标736

2.5传感器的标定736

2.5.1标定内容736

2.5.2标定方法737

2.5.3电涡流传感器的标定737

3信号放大器737

3.1电压放大器737

3.1.1电压放大器工作原理和等效电路737

3.1.2电压放大器性能738

3.2电荷放大器738

3.2.1电荷放大器的工作原理738

3.2.2电荷放大器的性能738

3.2.3部分电荷放大器型号和性能指标739

4滤波器739

4.1滤波器的数学原理739

4.2滤波器的分类739

4.3滤波器的主要技术指标740

4.4常用滤波器740

4.4.1模拟滤波器740

4.4.2数字滤波器741

4.4.3 RC有源滤波器741

4.4.4 RC无源滤波器743

5模数转换器（ADC）743

5.1 ADC的类型743

5.2 ADC的主要技术指标743

5.3 ADC的选择原则744

5.4常用的ADC744

第3章 机械故障诊断中的信号处理745

1信号的概念和分类745

2常见基本信号746

3连续信号的离散化746

3.1采样与采样定理747

3.1.1采样与采样保持747

3.1.2频率混叠与采样定理747

3.2量化与量化误差747

3.3截断与泄漏747

3.3.1信号的截断747

3.3.2能量的泄漏748

3.3.3窗函数748

3.4频域采样定理749

3.4.1频域采样749

3.4.2栅栏效应749

3.4.3频域采样定理749

4信号处理的方法749

4.1信号预处理技术749

4.1.1时域平均法749

4.1.2自适应消噪技术750

4.1.3共振解调技术750

4.2信号的时域分析方法750

4.2.1信号的时域分解750

4.2.2信号的时域统计751

4.2.3信号的时域相关分析751

4.3信号的频域分析方法752

4.3.1周期信号傅里叶级数及频谱752

4.3.2信号傅里叶变换和傅里叶逆变换753

4.3.3非周期信号的傅里叶变换及频谱753

4.3.4离散信号的傅里叶变换755

4.3.5快速傅里叶变换755

4.3.6短时傅里叶变换756

4.3.7常用的谱分析技术756

4.4现代信号处理方法757

4.4.1小波分析757

4.4.2 Wigner-Ville分布759

4.4.3希尔伯特-黄变换761

4.4.4盲源分离762

4.4.5混沌与分形技术763

4.4.6数学形态分析766

4.5旋转机械常用的振动信号处理图形766

4.5.1时域波形766

4.5.2频谱图767

4.5.3轴心轨迹767

4.5.4阶比分析768

4.5.5转子振型768

4.5.6博德图和奈奎斯特图768

4.5.7全息谱768

第4章 旋转机械运行状态的振动监测技术769

1诊断对象的选择769

2监测方式的选择769

3监测参数的选择769

3.1监测参数的类型769

3.2监测参数选择的方法769

4监测点的选择770

4.1测定点选择的一般原则770

4.2测点的布置方法及应注意的事项770

4.3测量方法的确定770

5监测周期的确定771

5.1定期检测771

5.2设备点检771

5.3在线监测772

6判断标准的确定772

6.1绝对判断标准772

6.2相对判断标准775

6.3类比判断标准775

6.4振动诊断标准的制定方法775

7简易诊断与精密诊断技术775

7.1简易诊断原理775

7.2简易诊断仪器775

7.3简易诊断工作过程776

7.4精密诊断原理777

7.5精密诊断技术的实现778

第5章 机械故障诊断中的模式识别方法780

1模式识别的理论基础780

1.1模式识别的任务780

1.2模式识别的步骤780

2统计模式识别方法780

2.1统计模式识别方法基本理论780

2.2距离函数判别法781

2.3贝叶斯法则782

2.3.1基于最小错误率的贝叶斯决策规则782

2.3.2基于最小风险的贝叶斯决策规则782

2.3.3最小最大决策规则782

2.4统计识别方法的步骤783

2.5诊断实例783

3逻辑模式识别方法784

3.1逻辑识别方法的定义784

3.2逻辑识别方法的原理784

3.2.1故障树的建立784

3.2.2逻辑识别方法的原理784

3.3逻辑识别方法的步骤785

4模糊模式识别方法785

4.1模糊模式识别的基本原理785

4.1.1模糊关系方程的建立785

4.1.2隶属函数785

4.1.3故障特征模糊向量的确定787

4.1.4模糊关系矩阵的确定787

4.1.5模糊识别的主要方法（模糊算子的确定）787

4.2模糊模式识别的步骤788

4.3诊断实例788

5灰色系统识别方法789

5.1灰色理论的基本概念789

5.2灰色关联度分析法789

5.2.1灰色关联分析的基本原理789

5.2.2灰色关联分析方法的步骤789

5.2.3诊断实例789

5.3灰色预测法790

5.3.1灰色预测法基本原理790

5.3.2灰色预测的步骤790

5.3.3预测实例791

6时间序列分析方法791

6.1时间序列分析的基础791

6.1.1自回归滑动平均模型ARMA（m，n）791

6.1.2自回归模型AR（m）791

6.1.3滑动平均模型MA（n）791

6.2 AR （m）模型的建模过程792

6.2.1 AR （m）模型参数的最小二乘法估计792

6.2.2 AR （m）模型阶数的确定792

6.3时序模型诊断的方法792

6.3.1根据模型参数进行诊断792

6.3.2根据模型残差方差进行诊断792

6.3.3利用AIC指标进行诊断793

6.3.4利用AR模型的谱密度进行诊断793

6.4时序方法识别的步骤793

6.5诊断实例793

7神经网络识别方法794

7.1神经网络基础794

7.1.1生物神经元794

7.1.2人工神经元794

7.1.3神经网络的拓扑结构795

7.1.4神经网络的学习规则795

7.2神经网络的基本模型795

7.2.1多层感知器与BP算法796

7.2.2 Hopfield神经网络796

7.2.3自组织神经网络797

7.3神经网络的识别步骤797

7.4诊断实例797

8支持向量机识别方法798

8.1支持向量机识别方法的基本原理798

8.2支持向量机的分类方法799

8.3支持向量机识别方法的步骤799

8.4诊断实例799

9模拟退火算法800

9.1模拟退火算法的基本原理800

9.2模拟退火算法的步骤800

10专家系统801

10.1专家系统的基本概念801

10.2专家知识及其特点801

10.3专家系统的基本结构801

10.3.1知识库801

10.3.2推理机802

10.3.3知识的获取程序803

10.3.4综合数据库803

10.3.5解释程序803

10.3.6人机接口软件803

10.4专家系统的开发804

10.4.1专家系统开发的条件804

10.4.2专家系统开发内容与步骤804

10.4.3专家系统开发的原则804

10.5专家系统的应用804

第6章 旋转机械和典型零件的故障诊断方法805

1旋转机械故障诊断与旋转机械振动的关系805

2旋转机械典型故障的诊断方法805

2.1转子不平衡的振动特征及诊断805

2.2转子弯曲的振动特征与诊断807

2.3轴不对中故障的振动特征与诊断808

2.4转子支承松动的振动特征与诊断810

2.5油膜涡动和油膜振荡的振动特征与诊断811

2.6旋转失速和喘振的振动特征与诊断813

2.7转轴横向裂纹的振动特征与诊断816

3齿轮故障诊断817

3.1齿轮失效的常见形式及原因817

3.2齿轮振动的力学模型819

3.3齿轮的振动分析819

3.3.1齿轮正常振动的分析819

3.3.2齿轮故障振动的分析820

3.4齿轮箱振动分析823

3.5齿轮的振动诊断824

3.5.1齿轮的振动测量824

3.5.2简易诊断法824

3.5.3精密诊断法826

4滚动轴承故障诊断828

4.1滚动轴承常见的失效形式828

4.2滚动轴承的振动分析828

4.2.1滚动轴承的特征频率828

4.2.2滚动轴承的振动特征828

4.3滚动轴承的故障诊断829

4.3.1滚动轴承的振动诊断829

4.3.2滚动轴承的其他诊断方法835

第7章 机械故障诊断的其他方法837

1概述837

2油样分析技术837

2.1油样分析技术概述837

2.2油样光谱分析技术837

2.2.1光谱分析的物理原理837

2.2.2原子吸收光谱分析法838

2.2.3原子发射光谱分析法838

2.3油样铁谱分析技术838

2.3.1分析式铁谱仪839

2.3.2直读式铁谱仪841

2.3.3旋转式铁谱仪842

2.3.4铁谱分析的程序842

3温度检测方法844

3.1接触式测温法844

3.1.1热电偶式传感器844

3.1.2热电阻式传感器845

3.2非接触式测温法（红外测温法）845

3.2.1红外的基本知识845

3.2.2红外测温的基本原理和特点847

3.2.3红外测温系统847

4无损检测法851

4.1磁粉探伤法851

4.2渗透探伤法853

4.3超声波探伤法854

4.4声发射技术857

5机械参数监测方法860

5.1机械结构参数监测法860

5.2力学性能参数监测法860

参考文献861

第30篇 激光及其在机械工程中的应用863

第1章 激光加工概论865

1激光器基础865

1.1激光特性865

1.2激光器基本构成865

2加工中常用的激光器866

3激光加工物理基础867

3.1材料对激光吸收的一般规律867

3.2金属的激光加热868

3.3激光辐射下金属的蒸发及小孔效应868

第2章 激光打孔869

1激光打孔的特点与分类869

2激光打孔的原理及物理过程869

3激光打孔工艺参数870

3.1影响打孔质量的主要参数870

3.2激光打孔的辅助工艺873

4激光打孔的质量检验873

第3章 激光切割875

1激光切割机理875

1.1激光切割原理875

1.2激光切割主要方式875

2激光切割质量876

2.1激光切割质量评价876

2.2切割质量实例876

3影响激光切割质量的因素877

3.1激光光源的影响877

3.1.1激光光束质量877

3.1.2激光工作模式和功率878

3.2辅助气体879

3.3喷嘴881

3.4焦点位置881

3.5切割速度882

3.6计算机辅助工艺设计影响因素884

4常用工程材料的激光切割885

4.1金属材料的激光切割885

4.1.1碳钢885

4.1.2不锈钢886

4.1.3铝合金886

4.1.4钛及合金887

4.1.5铜合金与镍基合金887

4.2非金属材料的激光切割888

第4章 激光焊接889

1激光焊接原理与分类889

1.1激光焊接特点与分类889

1.2激光焊接与传统焊接工艺的比较889

2激光热传导焊接890

2.1焊接接头设计890

2.2激光热传导焊接工艺参数的选择890

3激光深熔焊接892

3.1激光深熔焊接的原理及特征892

3.2激光深熔焊接工艺参数的选择892

3.3激光深熔焊接时常见的几种效应894

4激光焊接中常出现的问题895

4.1等离子体云895

4.2表面成形895

4.3气孔895

4.4裂纹896

5典型材料的激光焊接896

5.1材料激光焊接的焊接性896

5.2金属材料的激光焊接896

5.2.1铝及铝合金的激光焊接896

5.2.2钢的激光焊接897

5.2.3铜及铜合金的焊接897

5.2.4钛合金的激光焊接898

5.2.5耐热合金的激光焊接898

5.2.6镁合金的激光焊接898

5.2.7异种金属的激光焊接899

第5章 激光淬火900

1激光淬火原理与特点900

1.1激光淬火机理900

1.2激光淬火的特点900

1.3激光淬火工艺适用范围900

2激光淬火质量901

2.1质量指标901

2.2激光淬火质量指标的影响因素901

3激光淬火工艺及参数902

3.1工件预处理902

3.2激光扫描工艺903

3.2.1激光束焦点与扫描表面的相对位置903

3.2.2激光扫描基本工艺904

3.2.3基本工艺参数905

3.2.4脉冲激光硬化工艺908

3.3原始组织对激光硬化组织性能的影响909

3.4含碳量及合金元素的影响910

3.4.1含碳量的影响911

3.4.2合金元素的影响911

3.5激光淬火后金属材料的组织结构和性能912

3.6激光淬火后材料残余应力及变形913

3.6.1残余应力913

3.6.2变形914

3.7应用实例914

第6章 激光熔覆与合金化916

1激光熔覆与合金化的基础916

1.1激光熔池的温度场及其影响因素916

1.2激光熔池的对流及其影响916

1.2.1激光熔池的对流机制916

1.2.2熔池的对流模型916

1.2.3影响熔池对流特征的因素918

2激光熔覆919

2.1常用的激光熔覆材料919

2.2激光熔覆的工艺方法919

2.2.1熔覆材料的供给方式920

2.2.2基材表面预处理920

2.2.3预热与后热处理920

2.3激光工艺参数的影响921

2.3.1激光工艺参数对熔覆层形状特征的影响921

2.3.2激光工艺参数对稀释率的影响921

3激光合金化924

3.1激光合金化基础924

3.2激光合金化工艺924

3.2.1合金元素选择924

3.2.2激光合金成分设计925

3.2.3后续处理925

3.3常见的合金化925

3.3.1铁系激光合金化925

3.3.2有色金属激光表面合金化928

3.3.3气体激光合金化928

4激光熔覆与合金化的质量控制929

4.1激光熔覆与合金化的表面形貌及其控制929

4.1.1表面形貌类型及成因929

4.1.2表面形貌的影响因素及控制929

4.2激光熔覆与合金化的成分均匀性及其控制930

4.3激光熔覆与合金化层的应力状态、裂纹与变形931

4.3.1激光熔凝层的应力状态931

4.3.2激光熔凝层的裂纹931

4.3.3激光熔凝引起基材变形931

4.4激光熔覆与合金化层的气孔及其控制931

第7章 激光冲击强化933

1概述933

2激光冲击过程机理933

2.1材料对激光的吸收933

2.2材料在激光冲击下的传热933

2.3金属在激光冲击下汽化934

2.4激光冲击产生冲击波934

3激光冲击的两种模型935

4涂层和约束涂层技术936

4.1能量吸收涂层936

4.2约束层937

5激光冲击设备937

6典型材料的激光冲击强化效果938

第8章 激光在其他机械工程领域的应用940

1激光板料成形940

1.1概述940

1.2激光热应力成形简介940

1.3激光热应力成形机理941

1.4激光热应力成形的影响因素941

1.5激光冲击成形简介941

1.6冲击成形的工艺过程942

1.7冲击成形的影响因素942

2激光毛化942

2.1毛化原理942

2.2激光毛化系统943

2.3毛化参数的影响944

3激光标记944

3.1概述944

3.2打标方式945

3.3激光打标的应用945

4激光表面非晶化945

4.1概述945

4.2激光脉冲沉积946

4.3激光化学气相沉积946

4.4激光熔覆与激光重熔946

4.5表面非晶化实例947

5激光清洗947

5.1概述947

5.2激光表面处理原理947

5.3激光清洗系统949

5.4激光清洗的应用949

6激光全息干涉无损检测技术949

6.1全息干涉无损检测原理949

6.2全息干涉无损检测的加载方法950

6.3应用实例950

6.3.1航空雷达罩胶接质量检测950

6.3.2复合材料检测950

6.3.3轮胎检测951

第9章 激光加工的安全防护952

1激光辐射的危害952

1.1激光损伤组织的因素952

1.2激光对眼睛的危害952

1.3激光对皮肤的危害952

2使用激光时伴随的危害953

3激光安全防护标准953

4激光危害分类955

4.1决定激光危害分类的因素955

4.2可达发射极限和激光危害分类955

5激光危害的工程控制956

5.1激光加工系统危害的工程控制956

5.1.1一般要求956

5.1.2防护罩957

5.1.3安全联锁957

5.1.4遥控联锁连接器957

5.1.5钥匙开关957

5.1.6激光辐射发射警告957

5.1.7光路957

5.1.8镜反射957

5.1.9光束的终止958

5.1.10光学观察器958

5.1.11防止意外触发958

5.1.12应急断电开关958

5.2激光安全标志958

5.2.1激光辐射警告标志的图形和尺寸958

5.2.2标志的颜色和文字说明959

5.2.3设置与使用