本版手册是在前5版手册的基础上吸收并总结了国内外机械工程设计领域中的新标准、新材料、新工艺、新结构、新技术、新产品、新设计理论与方法，并配合我国创新驱动战略的需求撰写而成的。本版手册全面地介绍了常规设计、机电一体化设计、机电控制、现代设计与创新设计方法及其应用等内容，具有体系新颖、内容现代、凸显创新、全面、信息量大、实用可靠及简明便查等特点。

    本版手册分为7卷55篇，内容有：机械设计基础资料、机械零部件设计（连接、紧固与传动）、机械零部件设计（轴系、支承与其他）、流体传动与控制、机电一体化与控制技术、现代设计与创新设计等。

    本卷为第5卷，主要内容有：机电一体化技术及设计，机电控制，机器人与机器人装备，数控技术，微机电及设计，机械状态监测与故障诊断技术，激光及其在机械工程中的应用，电动机、电器与常用传感器等。

    本版手册可供从事机械设计、制造、维修及相关工程技术人员作为工具书使用，也可供大专院校的相关师生使用和参考。

闻邦椿，1930年9月29日出生于杭州，祖籍浙江温岭，东北大学教授，中国科学院院士，我国振动利用工程学科主要奠基者。机器理论与机构学联合会（IFToMM）中国委员会委员，转子动力学技术委员会委员，亚太振动会议指导委员会委员，中国振动工程学会名誉理事长。曾任第六、七、八、九届全国政协委员，国务院学位委员会第二、三、四届机械工程学科评议组成员，中国振动工程学会理事长，《振动工程学报》主编等职。曾获科技奖2项，国家技术发明奖和科技进步奖5项，省、部级一、二等科技奖10余项。

目  录

第24篇 机电一体化技术及设计

第1章 机电一体化概述

1 机电一体化概念 24-3

1.1 机电一体化的基本概念 24-3

1.2 机电一体化技术的发展 24-3

1.3 机电一体化的构成 24-4

1.4 机电一体化的意义 24-5

2 机电一体化技术的分类 24-5

2.1 机电一体化技术的分类依据 24-5

2.2 机械制造过程的机电一体化 24-6

2.3 机电产品的机电一体化 24-7

3 机电一体化的相关技术 24-7

4 机电一体化设计方法 24-8

4.1 模块化设计方法 24-8

4.2 柔性化设计方法 24-8

4.3 取代设计方法 24-8

4.4 融合设计方法 24-9

4.5 优化设计方法 24-9

4.5.1 机械技术和电子技术的综合与优化 24-9

4.5.2 硬件和软件的交叉与优化 24-9

4.5.3 机电一体化产品的整体优化 24-10

5 机电一体化的设计流程 24-10

第2章 基于工业控制机的控制器及其设计

1 工业控制机的种类与选择 24-12

1.1 工业控制机概述 24-12

1.2 工业控制机的分类 24-12

1.2.1 按工业控制机的总线分类 24-12

1.2.2 按工业控制机结构型式分类 24-13

1.3 工业控制机的选择 24-13

2 工业控制机的总线 24-14

2.1 总线概述 24-14

2.2 STD总线 24-14

2.3 ISA总线 24-15

2.4 PCI总线 24-16

2.5 cPCI总线 24-17

2.6 PCI-E总线 24-18

2.7 现场总线 24-20

3 工业控制机常用的功能模块 24-22

3.1 数据采集卡 24-22

3.2 远程I/O模块 24-23

3.3 通信模板 24-24

3.4 信号调理模板 24-24

3.5 运动控制器 24-25

第3章 可编程序控制器

1 可编程序控制器概述 24-28

1.1 可编程序控制器的发展概况 24-28

1.2 可编程序控制器的特点和应用 24-28

1.2.1 PLC的主要特点 24-28

1.2.2 可编程序控制器与其他工业控制的比较 24-29

1.2.3 PLC的应用范围 24-29

1.3 可编程序控制器的发展趋势 24-30

2 可编程序控制器的基本组成和工作原理 24-30

2.1 可编程序控制器的基本组成 24-30

2.1.1 处理单元（CPU） 24-31

2.1.2 存储器 24-31

2.1.3 输入/输出模块 24-32

2.1.4 编程器 24-32

2.1.5 人机界面 24-32

2.2 可编程序控制器的工作原理 24-32

2.2.1 循环扫描工作方式 24-32

2.2.2 可编程序控制器的工作过程 24-33

2.3 输入/输出接口模块 24-33

2.3.1 数字量输入、输出模块 24-33

2.3.2 模拟量输入、输出模块 24-34

2.4 智能模块 24-36

2.5 远程I/O 24-37

2.6 可编程序控制器的编程语言 24-39

2.6.1 梯形图语言 24-39

2.6.2 顺序功能图语言 24-39

2.6.3 功能块图 24-42

2.6.4 指令表 24-42

2.6.5 结构化文本 24-42

3 可编程序控制器的生产厂家及产品介绍 24-42

3.1 德国西门子（SIEMENS）公司 24-42

3.2 美国罗克韦尔公司的AB PLC 24-42

3.3 日本立石（OMRON，欧姆龙）公司 24-43

3.4 其他PLC公司 24-43

4 可编程序控制器应用设计的内容和步骤 24-43

4.1 PLC应用设计的内容和步骤 24-43

4.2 PLC应用的硬件设计 24-43

4.2.1 PLC的型号选择 24-43

4.2.2 I/O模块的选择 24-43

4.2.3 电源选择 24-44

4.3 PLC的应用软件设计 24-44

4.4 PLC的应用实例———自动搬运机械手 24-44

第4章 基于单片机的控制器及其设计

1 单片机的硬件结构 24-46

前言

    本版手册为新出版的第6版七卷本《机械设计手册》。由于科学技术的快速发展，需要我们对手册内容进行更新，增加新的科技内容，以满足广大读者的迫切需要。

    《机械设计手册》自1991年面世发行以来，历经5次修订，截至2016年已累计发行38万套。作为重点科技图书的《机械设计手册》，深受社会各界的重视和好评，在全国具有很大的影响力，该手册曾获得全国科技图书奖二等奖（1995年）、机械工业部科技进步奖二等奖（1997年）、机械工业科学技术奖一等奖（2011年）、中国出版政府奖提名奖（2013年），并多次获得全国科技书奖等奖项。1994年，《机械设计手册》曾在我国建宏出版社出版发行，并在海内外产生了广泛的影响。《机械设计手册》荣获的一系列国家和部级奖项表明，其具有很高的科学价值、实用价值和文化价值。《机械设计手册》已成为机械设计领域的一部大型品牌工具书，已成为机械工程领域的和影响力较大的大型工具书，长期以来，它为我国装备制造业的发展做出了巨大贡献。

    第5版《机械设计手册》出版发行至今已有7年时间，这期间我国国民经济有了很大发展，国家制定了《国家创新驱动发展战略纲要》，其中把创新驱动发展作为了国家的优先战略。因此，《机械设计手册》第6版修订工作的指导思想除努力贯彻“科学性、先进性、创新性、实用性、可靠性”外，更加突出了“创新性”，以全力配合我国“创新驱动发展战略”的重大需求，为实现我国建设创新型国家和科技强国梦做出贡献。

    在本版手册的修订过程中，广泛调研了厂矿企业、设计院、科研院所和高等院校等多方面的使用情况和意见。对机械设计的基础内容、经典内容和传统内容，从取材、产品及其零部件的设计方法与计算流程、设计实例等多方面进行了深入的整合，同时，还全面总结了当前国内外机械设计的新理论、新方法、新材料、新工艺、新结构、新产品和新技术，特别是在现代设计与创新设计理论与方法、机电一体化及机械控制技术等方面做了和全面的论述和凝炼。相信本版手册会以崭新的面貌展现在广大读者面前，它将对提高我国机械产品的设计水平、推进新产品的研究与开发、老产品的改造，以及产品的引进、消化、吸收和再创新，进而促进我国由制造大国向制造强国跃升，发挥出巨大的作用。

    本版手册分为7卷55篇：第1卷 机械设计基础资料；第2卷 机械零部件设计（连接、紧固与传动）；第3卷 机械零部件设计（轴系、支承与其他）；第4卷 流体传动与控制；第5卷 机电一体化与控制技术；第6卷 现代设计与创新设计（一）；第7卷 现代设计与创新设计（二）。

    本版手册有以下七大特点：

    一、构建新体系

    构建了科学、先进、实用、适应现代机械设计创新潮流的《机械设计手册》新结构体系。该体系层次为：机械基础、常规设计、机电一体化设计与控制技术、现代设计与创新设计方法。该体系的特点是：常规设计方法与现代设计方法互相融合，光、机、电设计融为一体，局部的零部件设计与化设计互相衔接，并努力将创新设计的理念贯穿于常规设计与现代设计之中。

    二、凸显创新性

   在2014年6月和2016年5月召开的中国科学院、中国工程院两院院士大会上分别提出了我国科技发展的方向就是“创新、创新、再创新”，以及实现创新型国家和科技强国的三个阶段的目标和五项具体工作。为了配合我国创新驱动发展战略的重大需求，本版手册突出了机械创新设计内容的编写，主要有以下几个方面：

    （1）新增第7卷，重点介绍了创新设计及与创新设计有关的内容。

    该卷主要内容有：机械创新设计概论，创新设计方法论，顶层设计原理、方法与应用，创新原理、思维、方法与应用，绿色设计与和谐设计，智能设计，仿生机械设计，互联网上的合作设计，工业通信网络，面向机械工程领域的大数据、云计算与物联网技术，3D打印设计与制造技术，化设计理论与方法。

    （2）在一些篇章编入了创新设计和多种典型机械创新设计的内容。

    “第11篇 机构设计”篇新增加了“机构创新设计”一章，该章编入了机构创新设计的原理、方法及飞剪机剪切机构创新设计，大型空间折展机构创新设计等多个创新设计的案例。典型机械的创新设计有大型全断面掘进机（盾构机）仿真分析与数字化设计、机器人挖掘机的机电一体化创新设计、节能抽油机的创新设计、产品包装生产线的机构方案创新设计等。

    （3）编入了一大批典型的创新机械产品。

    “机械无级变速器”一章中编入了新型金属带式无级变速器，“并联机构的设计与应用”一章中编入了数十个新型的并联机床产品，“振动的利用”一章中新编入了激振器偏移式自同步振动筛、惯性共振式振动筛、振动压路机等十多个典型的创新机械产品。这些产品有的获得了国家或省部级奖励，有的是专利产品。

    （4）编入了机械设计理论和设计方法论等方面的创新研究成果。

    1）闻邦椿院士团队经过长期研究，在上首先创建了振动利用工程学科，提出了该类机械设计理论和方法。本版手册中编入了相关内容和实例。

    2）根据多年的研究，提出了以非线性动力学理论为基础的深层次的动态设计理论与方法。本版手册编入了该方法并列举了若干应用范例。

    3）首先提出了和谐设计的新概念和新内容，阐明了自然环境、社会环境（政治环境、经济环境、人文环境、环境、国内环境）、技术环境、资金环境、法律环境下的产品和谐设计的概念和内容的新体系，把既有的绿色设计篇拓展为绿色设计与和谐设计篇。

    4）全面地阐述了产品化设计的理论和方法，提出了产品设计的总体目标、广义目标和技术目标的内涵，提出了应该用IQCTES六项设计要求来代替QCTES五项要求，详细阐明了设计的四个理想步骤，即“3I调研”“7D规划”“1 3 X实施”“5（A C）检验”，明确提出了产品化设计的基本内容是主辅功能、三大性能和特殊性能要求的具体实现。

    5）本版手册引入了闻邦椿院士经过长期实践总结出的独特的、科学的创新设计方法论体系和规则，用来指导产品设计，并提出了创新设计方法论的运用可向智能化方向发展，即采用专家来完成。