机电系统集成技术 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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页数:334

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出版时间:2009-5

价格:44.00元

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isbn号码:9787111262664

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• 机电系统集成
• 机电一体化
• 自动化
• 控制工程
• 机械工程
• 电气工程
• 系统工程
• 工业自动化
• 智能制造
• 技术创新

《智能制造的基石：先进传感器与执行器技术概览》 在现代工业飞速发展的浪潮中，智能制造已成为提升生产效率、优化产品质量、降低运营成本的关键驱动力。而支撑这一宏大体系的，正是那些能够感知世界、驱动行动的“眼睛”与“手臂”——先进传感器与执行器技术。本书旨在为读者系统性地呈现这些核心技术的发展脉络、关键原理、最新进展及其在智能制造各领域的广泛应用，从而勾勒出智能制造系统从感知到执行的完整图景。 第一章：智能制造中的感知层：传感器技术基础与演进 传感器是智能制造系统获取外部信息、理解运行状态的“感官”。本章将深入探讨各类传感器的基本原理，涵盖其在温度、压力、位移、速度、光、声音、化学成分等物理量与化学量量测方面的核心技术。我们将追溯传感器技术从传统的模拟传感器到现代数字传感器、MEMS（微机电系统）传感器的发展历程，重点介绍MEMS技术如何通过微纳加工工艺， miniaturization（小型化）、集成化和低功耗化，极大地拓展了传感器的应用边界。 1.1 传感器的工作原理与分类： 详细阐述电阻式、电容式、压电式、光学式、磁阻式、半导体式等多种基本传感原理，并根据测量对象、输出信号、工作方式等对传感器进行分类，为后续理解具体应用奠定基础。 1.2 关键传感器技术详解： 温度传感器： 热电偶、热敏电阻（NTC/PTC）、红外传感器、铂电阻（RTD）等。分析其测温原理、精度、响应速度、耐环境性及其在温控、过程监控中的应用。 压力传感器： 压阻式、电容式、应变片式、陶瓷压力传感器等。探讨其量程、灵敏度、非线性补偿等关键指标，以及在液压、气动、过程控制等领域的应用。 位移与速度传感器： 线性可变差动变压器（LVDT）、霍尔传感器、编码器（增量式、绝对式）、激光测距传感器、雷达传感器等。深入分析其测量原理、精度、分辨率、非接触性等特点，以及在伺服控制、定位、导航中的作用。 力与扭矩传感器： 应变片式测力传感器、压电式测力传感器、磁弹性扭矩传感器等。介绍其测量原理、载荷能力、稳定性，以及在机器人末端执行器、自动化装配、材料测试中的重要性。 图像传感器： CCD（耦合电荷器件）与CMOS（互补金属氧化物半导体）传感器。阐述其成像原理、像素结构、感光能力、帧率，以及在机器视觉、产品检测、质量追溯中的核心地位。 气体与化学传感器： 半导体气体传感器、电化学气体传感器、光学气体传感器等。介绍其对特定气体分子的检测原理、灵敏度、选择性，以及在环境监测、安全预警、过程气体分析中的应用。 1.3 传感器在智能制造中的应用场景： 结合实际案例，展示传感器在设备状态监测（振动、温度、噪声）、过程参数控制（流量、液位、pH值）、产品质量检测（尺寸、外观、成分）、环境监测（温湿度、气体浓度）、人员安全防护等方面的典型应用。 1.4 传感器技术的发展趋势： 聚焦MEMS/NEMS（微纳机电系统）技术、物联网（IoT）传感器融合、无线传感器网络（WSN）、自供电传感器、生物兼容性传感器、智能传感器（集成微处理器、具备数据预处理与通信功能）等前沿方向。 第二章：智能制造中的执行层：执行器技术及其智能化 执行器是智能制造系统中实现动作、改变状态的“肌肉”。本章将系统介绍各类执行器的基本类型、工作原理、性能特点以及在实现自动化操作中的关键作用。我们将重点关注执行器的智能化发展，探讨如何通过集成控制算法、反馈机制，使执行器能够更加精准、高效、协同地完成复杂任务。 2.1 执行器的基本分类与原理： 电动执行器： 直流电机、交流电机（步进电机、伺服电机）、无刷直流电机（BLDC）。详细讲解其驱动原理、调速方式、力矩特性，以及在伺服系统、机器人关节、自动化生产线中的广泛应用。 液压执行器： 液压缸、液压马达。阐述其高功率密度、承载能力强的特点，以及在重载搬运、精密定位、高压领域中的不可替代性。 气动执行器： 气缸、气马达、气动阀门。分析其结构简单、响应快速、易于控制的优势，以及在自动化装配、物料输送、阀门控制等领域的普及。 电磁执行器： 电磁阀、电磁铁、音圈电机。介绍其快速响应、简单结构、易于实现开关控制的特点，以及在阀门控制、精密定位、开关组件中的应用。 压电陶瓷执行器： 介绍其微位移、高精度、快速响应的特点，以及在精密定位、微操作、阀门控制等特殊应用场景。 2.2 伺服系统与运动控制： 深入探讨伺服电机、编码器、伺服驱动器构成的伺服系统，以及PID控制、模糊控制、模型预测控制等先进控制算法在实现高精度、高动态性能运动控制中的作用。这部分内容与传感器紧密结合，是实现精确动作的关键。 2.3 机器人与自动化设备中的执行器应用： 机器人关节驱动： 讲解不同类型电机（如交流伺服电机、直流伺服电机）如何驱动机器人关节，实现灵活的运动自由度。 末端执行器： 介绍夹爪、吸盘、焊枪、喷枪等末端执行器的工作原理，以及其与主控制系统的协同配合。 AGV/AMR（自动导引车/自主移动机器人）： 分析其驱动轮、转向系统、传感器集成，以及如何通过执行器实现自主导航与路径规划。 2.4 执行器的智能化发展： 集成传感器与控制器： 讲解执行器内部集成传感器（如位置、力反馈）和微控制器，实现“自感知、自决策、自执行”的功能。 分布式控制与协同： 探讨如何通过网络将多个执行器连接起来，实现协同作业，提高整体生产线的柔性和效率。 人机协作的执行器： 介绍为实现安全、高效的人机交互而设计的执行器技术，如力限制、碰撞检测等。 2.5 执行器技术的前沿与展望： 关注新型材料（如形状记忆合金、电活性聚合物）在执行器中的应用、仿生执行器、能量收集与执行器一体化、柔性与可穿戴执行器等方向。 第三章：传感器与执行器技术的融合与系统实现 本章将聚焦传感器与执行器技术如何紧密融合，共同构建起完整的智能制造系统。我们将从系统设计的角度，探讨如何根据具体的应用需求，选择合适的传感器与执行器，并对其进行有效的集成与协同控制。 3.1 系统设计流程： 从需求分析、方案设计、技术选型、集成调试到性能评估，系统地介绍传感器与执行器集成项目的全过程。 3.2 数据采集与预处理： 讲解传感器采集的数据如何通过接口、总线（如CAN、Ethernet/IP、Profinet）传输到上位机或控制器，以及数据滤波、校准、量纲转换等预处理技术。 3.3 控制策略与算法： 反馈控制回路： 详细阐述传感器获取的状态信息如何作为反馈输入，通过控制器生成控制信号，驱动执行器实现目标动作。 闭环控制系统： 介绍伺服系统、位置控制、速度控制、力控制等经典闭环控制系统的构成与工作原理。 智能控制方法： 探讨模糊逻辑控制、神经网络控制、自适应控制、机器学习在优化控制性能、应对复杂工况中的应用。 3.4 通信与网络集成： 分析各种工业通信协议（Modbus、OPC UA等）在连接传感器、执行器、PLC（可编程逻辑控制器）、HMI（人机界面）等设备中的作用，以及物联网（IoT）和工业互联网（IIoT）如何实现设备间的互联互通。 3.5 故障诊断与预测性维护： 讲解如何利用传感器监测设备的运行状态，通过数据分析识别潜在故障，结合执行器的响应信息，实现预测性维护，降低停机时间。 3.6 案例分析： 通过具体的智能制造应用场景（如智能工厂中的生产线自动化、无人仓储系统、精密制造设备），详细剖析传感器与执行器在其中扮演的角色，以及它们如何协同工作，实现复杂的功能。例如，在自动化装配线上，图像传感器识别零件位置，力传感器感知装配力度，伺服执行器则根据反馈信息进行精确的抓取与安装。 第四章：未来展望：传感器与执行器技术在下一代智能制造中的角色 本章将进一步探讨传感器与执行器技术在驱动未来智能制造发展中的前瞻性作用。我们将展望新兴技术如何改变其发展方向，以及它们将如何构建更具柔性、自适应性、可持续性的生产制造模式。 4.1 人工智能与机器学习的深度融合： AI/ML如何赋能传感器数据分析，实现更精准的环境感知、故障预测；AI/ML如何优化执行器的运动轨迹、协调能力，实现更高级别的自主决策。 4.2 柔性化与可重构制造： 柔性传感器与新型执行器（如软体机器人）如何支撑高度个性化、小批量、快速迭代的生产需求。 4.3 数字化孪生（Digital Twin）： 传感器实时采集的数据如何构建精确的物理实体数字孪生，从而进行仿真、优化与远程监控。 4.4 绿色制造与可持续发展： 传感器如何监测能源消耗、环境影响，执行器如何实现节能优化；新型环保材料在传感器和执行器中的应用。 4.5 跨界融合与新兴应用： 探讨传感器与执行器技术在生物制造、健康医疗、智能交通、航空航天等领域的交叉应用与创新机遇。 通过对传感器与执行器技术的全面梳理与深入分析，本书旨在为读者构建一个清晰、系统、前瞻性的技术框架，使其能够深刻理解智能制造系统运作的底层逻辑，并能把握未来技术发展趋势，为投身于智能制造的研发、设计、应用与管理工作提供有力的知识支撑。

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