本版手冊是在前5版手冊的基礎上吸收並總結瞭國內外機械工程設計領域中的新標準、新材料、新工藝、新結構、新技術、新産品、新設計理論與方法，並配閤我國創新驅動戰略的需求撰寫而成的。本版手冊全麵地介紹瞭常規設計、機電一體化設計、機電控製、現代設計與創新設計方法及其應用等內容，具有體係新穎、內容現代、凸顯創新、全麵、信息量大、實用可靠及簡明便查等特點。

    本版手冊分為7捲55篇，內容有：機械設計基礎資料、機械零部件設計（連接、緊固與傳動）、機械零部件設計（軸係、支承與其他）、流體傳動與控製、機電一體化與控製技術、現代設計與創新設計等。

    本捲為第5捲，主要內容有：機電一體化技術及設計，機電控製，機器人與機器人裝備，數控技術，微機電及設計，機械狀態監測與故障診斷技術，激光及其在機械工程中的應用，電動機、電器與常用傳感器等。

    本版手冊可供從事機械設計、製造、維修及相關工程技術人員作為工具書使用，也可供大專院校的相關師生使用和參考。

聞邦椿，1930年9月29日齣生於杭州，祖籍浙江溫嶺，東北大學教授，中國科學院院士，我國振動利用工程學科主要奠基者。機器理論與機構學聯閤會（IFToMM）中國委員會委員，轉子動力學技術委員會委員，亞太振動會議指導委員會委員，中國振動工程學會名譽理事長。曾任第六、七、八、九屆全國政協委員，國務院學位委員會第二、三、四屆機械工程學科評議組成員，中國振動工程學會理事長，《振動工程學報》主編等職。曾獲科技奬2項，國傢技術發明奬和科技進步奬5項，省、部級一、二等科技奬10餘項。

目  錄

第24篇 機電一體化技術及設計

第1章 機電一體化概述

1 機電一體化概念 24-3

1.1 機電一體化的基本概念 24-3

1.2 機電一體化技術的發展 24-3

1.3 機電一體化的構成 24-4

1.4 機電一體化的意義 24-5

2 機電一體化技術的分類 24-5

2.1 機電一體化技術的分類依據 24-5

2.2 機械製造過程的機電一體化 24-6

2.3 機電産品的機電一體化 24-7

3 機電一體化的相關技術 24-7

4 機電一體化設計方法 24-8

4.1 模塊化設計方法 24-8

4.2 柔性化設計方法 24-8

4.3 取代設計方法 24-8

4.4 融閤設計方法 24-9

4.5 優化設計方法 24-9

4.5.1 機械技術和電子技術的綜閤與優化 24-9

4.5.2 硬件和軟件的交叉與優化 24-9

4.5.3 機電一體化産品的整體優化 24-10

5 機電一體化的設計流程 24-10

第2章 基於工業控製機的控製器及其設計

1 工業控製機的種類與選擇 24-12

1.1 工業控製機概述 24-12

1.2 工業控製機的分類 24-12

1.2.1 按工業控製機的總綫分類 24-12

1.2.2 按工業控製機結構型式分類 24-13

1.3 工業控製機的選擇 24-13

2 工業控製機的總綫 24-14

2.1 總綫概述 24-14

2.2 STD總綫 24-14

2.3 ISA總綫 24-15

2.4 PCI總綫 24-16

2.5 cPCI總綫 24-17

2.6 PCI-E總綫 24-18

2.7 現場總綫 24-20

3 工業控製機常用的功能模塊 24-22

3.1 數據采集卡 24-22

3.2 遠程I/O模塊 24-23

3.3 通信模闆 24-24

3.4 信號調理模闆 24-24

3.5 運動控製器 24-25

第3章 可編程序控製器

1 可編程序控製器概述 24-28

1.1 可編程序控製器的發展概況 24-28

1.2 可編程序控製器的特點和應用 24-28

1.2.1 PLC的主要特點 24-28

1.2.2 可編程序控製器與其他工業控製的比較 24-29

1.2.3 PLC的應用範圍 24-29

1.3 可編程序控製器的發展趨勢 24-30

2 可編程序控製器的基本組成和工作原理 24-30

2.1 可編程序控製器的基本組成 24-30

2.1.1 處理單元（CPU） 24-31

2.1.2 存儲器 24-31

2.1.3 輸入/輸齣模塊 24-32

2.1.4 編程器 24-32

2.1.5 人機界麵 24-32

2.2 可編程序控製器的工作原理 24-32

2.2.1 循環掃描工作方式 24-32

2.2.2 可編程序控製器的工作過程 24-33

2.3 輸入/輸齣接口模塊 24-33

2.3.1 數字量輸入、輸齣模塊 24-33

2.3.2 模擬量輸入、輸齣模塊 24-34

2.4 智能模塊 24-36

2.5 遠程I/O 24-37

2.6 可編程序控製器的編程語言 24-39

2.6.1 梯形圖語言 24-39

2.6.2 順序功能圖語言 24-39

2.6.3 功能塊圖 24-42

2.6.4 指令錶 24-42

2.6.5 結構化文本 24-42

3 可編程序控製器的生産廠傢及産品介紹 24-42

3.1 德國西門子（SIEMENS）公司 24-42

3.2 美國羅剋韋爾公司的AB PLC 24-42

3.3 日本立石（OMRON，歐姆龍）公司 24-43

3.4 其他PLC公司 24-43

4 可編程序控製器應用設計的內容和步驟 24-43

4.1 PLC應用設計的內容和步驟 24-43

4.2 PLC應用的硬件設計 24-43

4.2.1 PLC的型號選擇 24-43

4.2.2 I/O模塊的選擇 24-43

4.2.3 電源選擇 24-44

4.3 PLC的應用軟件設計 24-44

4.4 PLC的應用實例———自動搬運機械手 24-44

第4章 基於單片機的控製器及其設計

1 單片機的硬件結構 24-46

前言

    本版手冊為新齣版的第6版七捲本《機械設計手冊》。由於科學技術的快速發展，需要我們對手冊內容進行更新，增加新的科技內容，以滿足廣大讀者的迫切需要。

    《機械設計手冊》自1991年麵世發行以來，曆經5次修訂，截至2016年已纍計發行38萬套。作為重點科技圖書的《機械設計手冊》，深受社會各界的重視和好評，在全國具有很大的影響力，該手冊曾獲得全國科技圖書奬二等奬（1995年）、機械工業部科技進步奬二等奬（1997年）、機械工業科學技術奬一等奬（2011年）、中國齣版政府奬提名奬（2013年），並多次獲得全國科技書奬等奬項。1994年，《機械設計手冊》曾在我國建宏齣版社齣版發行，並在海內外産生瞭廣泛的影響。《機械設計手冊》榮獲的一係列國傢和部級奬項錶明，其具有很高的科學價值、實用價值和文化價值。《機械設計手冊》已成為機械設計領域的一部大型品牌工具書，已成為機械工程領域的和影響力較大的大型工具書，長期以來，它為我國裝備製造業的發展做齣瞭巨大貢獻。

    第5版《機械設計手冊》齣版發行至今已有7年時間，這期間我國國民經濟有瞭很大發展，國傢製定瞭《國傢創新驅動發展戰略綱要》，其中把創新驅動發展作為瞭國傢的優先戰略。因此，《機械設計手冊》第6版修訂工作的指導思想除努力貫徹“科學性、先進性、創新性、實用性、可靠性”外，更加突齣瞭“創新性”，以全力配閤我國“創新驅動發展戰略”的重大需求，為實現我國建設創新型國傢和科技強國夢做齣貢獻。

    在本版手冊的修訂過程中，廣泛調研瞭廠礦企業、設計院、科研院所和高等院校等多方麵的使用情況和意見。對機械設計的基礎內容、經典內容和傳統內容，從取材、産品及其零部件的設計方法與計算流程、設計實例等多方麵進行瞭深入的整閤，同時，還全麵總結瞭當前國內外機械設計的新理論、新方法、新材料、新工藝、新結構、新産品和新技術，特彆是在現代設計與創新設計理論與方法、機電一體化及機械控製技術等方麵做瞭和全麵的論述和凝煉。相信本版手冊會以嶄新的麵貌展現在廣大讀者麵前，它將對提高我國機械産品的設計水平、推進新産品的研究與開發、老産品的改造，以及産品的引進、消化、吸收和再創新，進而促進我國由製造大國嚮製造強國躍升，發揮齣巨大的作用。

    本版手冊分為7捲55篇：第1捲 機械設計基礎資料；第2捲 機械零部件設計（連接、緊固與傳動）；第3捲 機械零部件設計（軸係、支承與其他）；第4捲 流體傳動與控製；第5捲 機電一體化與控製技術；第6捲 現代設計與創新設計（一）；第7捲 現代設計與創新設計（二）。

    本版手冊有以下七大特點：

    一、構建新體係

    構建瞭科學、先進、實用、適應現代機械設計創新潮流的《機械設計手冊》新結構體係。該體係層次為：機械基礎、常規設計、機電一體化設計與控製技術、現代設計與創新設計方法。該體係的特點是：常規設計方法與現代設計方法互相融閤，光、機、電設計融為一體，局部的零部件設計與化設計互相銜接，並努力將創新設計的理念貫穿於常規設計與現代設計之中。

    二、凸顯創新性

   在2014年6月和2016年5月召開的中國科學院、中國工程院兩院院士大會上分彆提齣瞭我國科技發展的方嚮就是“創新、創新、再創新”，以及實現創新型國傢和科技強國的三個階段的目標和五項具體工作。為瞭配閤我國創新驅動發展戰略的重大需求，本版手冊突齣瞭機械創新設計內容的編寫，主要有以下幾個方麵：

    （1）新增第7捲，重點介紹瞭創新設計及與創新設計有關的內容。

    該捲主要內容有：機械創新設計概論，創新設計方法論，頂層設計原理、方法與應用，創新原理、思維、方法與應用，綠色設計與和諧設計，智能設計，仿生機械設計，互聯網上的閤作設計，工業通信網絡，麵嚮機械工程領域的大數據、雲計算與物聯網技術，3D打印設計與製造技術，化設計理論與方法。

    （2）在一些篇章編入瞭創新設計和多種典型機械創新設計的內容。

    “第11篇 機構設計”篇新增加瞭“機構創新設計”一章，該章編入瞭機構創新設計的原理、方法及飛剪機剪切機構創新設計，大型空間摺展機構創新設計等多個創新設計的案例。典型機械的創新設計有大型全斷麵掘進機（盾構機）仿真分析與數字化設計、機器人挖掘機的機電一體化創新設計、節能抽油機的創新設計、産品包裝生産綫的機構方案創新設計等。

    （3）編入瞭一大批典型的創新機械産品。

    “機械無級變速器”一章中編入瞭新型金屬帶式無級變速器，“並聯機構的設計與應用”一章中編入瞭數十個新型的並聯機床産品，“振動的利用”一章中新編入瞭激振器偏移式自同步振動篩、慣性共振式振動篩、振動壓路機等十多個典型的創新機械産品。這些産品有的獲得瞭國傢或省部級奬勵，有的是專利産品。

    （4）編入瞭機械設計理論和設計方法論等方麵的創新研究成果。

    1）聞邦椿院士團隊經過長期研究，在上首先創建瞭振動利用工程學科，提齣瞭該類機械設計理論和方法。本版手冊中編入瞭相關內容和實例。

    2）根據多年的研究，提齣瞭以非綫性動力學理論為基礎的深層次的動態設計理論與方法。本版手冊編入瞭該方法並列舉瞭若乾應用範例。

    3）首先提齣瞭和諧設計的新概念和新內容，闡明瞭自然環境、社會環境（政治環境、經濟環境、人文環境、環境、國內環境）、技術環境、資金環境、法律環境下的産品和諧設計的概念和內容的新體係，把既有的綠色設計篇拓展為綠色設計與和諧設計篇。

    4）全麵地闡述瞭産品化設計的理論和方法，提齣瞭産品設計的總體目標、廣義目標和技術目標的內涵，提齣瞭應該用IQCTES六項設計要求來代替QCTES五項要求，詳細闡明瞭設計的四個理想步驟，即“3I調研”“7D規劃”“1 3 X實施”“5（A C）檢驗”，明確提齣瞭産品化設計的基本內容是主輔功能、三大性能和特殊性能要求的具體實現。

    5）本版手冊引入瞭聞邦椿院士經過長期實踐總結齣的獨特的、科學的創新設計方法論體係和規則，用來指導産品設計，並提齣瞭創新設計方法論的運用可嚮智能化方嚮發展，即采用專傢來完成。