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出版者:科学普及（中国科技）

作者:刘飞 编

出品人:

页数:337

译者:

出版时间:2005-1

价格:36.00元

装帧:

isbn号码:9787504637970

丛书系列:

图书标签:

• 先进制造
• 智能制造
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• 生产系统
• 自动化
• 数字化转型
• 工业工程
• 供应链管理
• 精益生产
• 柔性制造

精密机械设计与优化理论 内容简介 本书系统地阐述了现代精密机械系统的设计原理、关键技术与优化方法。全书涵盖了从微观尺度到宏观系统的多个层面，旨在为从事高精度仪器、先进制造设备以及复杂机电耦合系统研发的工程师和科研人员提供一套全面且深入的技术指南。 第一部分：精密机械设计基础与误差理论 本部分首先回顾了精密机械设计的核心概念，重点剖析了设计过程中必须考虑的物理约束与性能指标。详细介绍了误差的来源与传递模型，包括几何误差、运动误差、热误差和装配误差。书中引入了误差预算（Error Budgeting）的系统化方法，通过概率统计和容差链分析，指导读者如何科学地分配和控制系统各子部件的误差，以确保最终产品的精度要求。 特别深入探讨了摩擦、润滑与磨损在精密运动中的影响。分析了不同润滑剂在高速、高载荷和极端温度下的性能表现，并提出了基于纳米涂层和自润滑材料的低摩擦设计策略。对粘滞阻尼和静摩擦特性进行了详细的数学建模，为动态系统的精确控制提供了理论基础。 第二部分：高精度传动与驱动技术 本章聚焦于实现高精度运动的关键机构——传动系统的设计与分析。详细对比了齿轮传动、谐波传动、无齿隙传动（如准双曲面蜗轮蜗杆和摩擦轮系）的精度特性、刚度与寿命。对于依赖于超高精度的场合，书中专门辟出章节阐述直线驱动系统，包括滚珠丝杠、直线电机和空气静压导轨的选型、误差补偿与性能评估。 在驱动方面，本书深入探讨了伺服控制系统的设计。内容涵盖了电机选型（步进电机、永磁同步电机、直线电机）、高频电流环与速度环的解耦设计、以及如何利用先进的滤波器（如卡尔曼滤波器）来抑制高频噪声和改善系统响应。此外，还详细阐述了反作用力补偿技术和振动抑制策略，以应对高速运动中产生的惯性力和外部激励。 第三部分：先进测量、传感与反馈系统 精密系统的核心在于其可测性。本部分系统梳理了精密位移测量技术。详细介绍了激光干涉仪、电容式传感器、光栅编码器和电涡流传感器的物理原理、精度等级和环境适应性。重点分析了如何进行多传感器信息融合，以构建高冗余度和高可靠性的测量网络。 特别关注了热形变测量与补偿。书中提供了从接触式探针到非接触式白光干涉仪在热环境下的应用案例，并阐述了如何利用有限元分析（FEA）结果与实际测量数据相结合，建立实时的热-机耦合模型，从而在运动过程中主动补偿由温度梯度引起的机械结构变形。 第四部分：机械系统动力学与主动减振 本部分深入研究了精密机械系统在动态工作条件下的行为。涵盖了结构模态分析，包括如何使用锤击法和激光多点测量技术识别系统的固有频率和振型。强调了柔性结构的设计，如柔性铰链，并分析了其在实现无摩擦、高带宽运动中的潜力与局限。 为实现超高精度，本书详细介绍了主动振动控制技术。内容包括： 1. 主动隔振平台的设计：分析了不同类型的空气弹簧和电磁驱动隔振器的动态特性。 2. 反馈控制算法：重点讨论了基于LQR（线性二次调节器）和H-infinity等鲁棒控制方法的振动抑制策略，以及如何利用压电作动器（PZT）或音圈电机进行高频、小位移的实时补偿。 第五部分：微纳操作与先进集成技术 本部分关注于面向半导体、生物医学和纳米制造领域的微纳尺度操作技术。详细介绍了微定位平台的设计，包括压电扫描器、形状记忆合金驱动器和磁悬浮驱动器的原理及其在亚微米甚至纳米精度下的动态响应。 此外，还探讨了先进制造技术对精密设计的影响。分析了增材制造（如激光选区熔化SLM）在复杂结构件制造中的优势，以及如何针对增材制造的残余应力和孔隙率对机械性能（如刚度、疲劳寿命）进行后处理优化与结构设计修正。最后，对微机电系统（MEMS）的集成设计原则进行了概述，强调了从器件设计到系统集成的跨学科方法。 目标读者 本书适合机械设计、控制工程、精密仪器科学与技术、光电工程等相关专业的硕士研究生、博士研究生，以及在航空航天、高端数控机床、半导体设备和精密光学仪器等行业从事研发工作的工程师和技术人员。

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读完全书，我最大的感受是，这本书更像是一份“技术蓝图的底层设计说明书”，而非一本鼓舞人心的“行业趋势报告”。它的文字风格非常内敛、克制，几乎没有使用任何夸张或煽动性的词汇。例如，在讨论到人工智能在质量控制中的应用时，作者没有大肆渲染AI的“智能”，而是聚焦于如何设计一个既能保证高准确率，又能适应传感器数据漂移的容错算法。全书的基调是审慎而务实的，充满了对工程实现细节的尊重和对理论局限性的清醒认识。它没有给我提供快速致富或立刻颠覆行业的捷径，反而像一位严厉的导师，反复提醒我，真正的“先进”，来自于对每一个微小环节的极致优化和对系统内在脆弱性的深刻理解。这本书的价值在于它提供的不是答案，而是更高质量的问题，迫使读者跳出现有的舒适区，去重新审视那些被视为理所当然的工业范式。这绝对是一本需要反复研读，并随时准备好用笔在页边空白处进行演算和标记的工具书。

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我花了很长时间才真正消化完关于“数据孪生体”建模的那部分内容，坦白说，那是我阅读生涯中遇到的最具挑战性的技术性阐述之一。作者对于多尺度建模和实时同步机制的描述，已经深入到了底层算法的层面，涉及到了计算几何和大规模并行处理的复杂性。我手中的这本书的纸张质量很好，配合着清晰的图表，勉强跟上了作者的思路，但即便如此，也需要反复停下来，查阅一些相关的并行计算背景知识。这本书的价值，就在于它毫不避讳地触及了当前工业技术领域最尖端、也最难以实现的部分。它没有给出现成的“银弹”解决方案，反而像一位经验丰富的老兵，摆出了一桌子待解的难题，然后耐心地告诉你，这些难题的本质是什么，以及前人尝试用哪些工具去撬动它们。这种毫不妥协的专业深度，使得这本书的受众面被有效地筛选了——它不适合那些只求一览工业“风光”的读者，而是为那些真正想深入到“骨骼”层面去理解制造系统核心矛盾的专业人士准备的。它的重量，不在于它“说了什么”，而在于它“揭示了什么尚待解决”。

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这本书的排版和术语管理做得非常出色，这对于一本涉及如此多跨学科知识的著作来说，无疑是巨大的加分项。我注意到，书中首次出现的专业术语，比如“边缘计算的去中心化拓扑结构”或者“循环经济的逆向物流建模”，都配有非常精准且简短的脚注或术语解释框。这极大地提升了阅读的流畅性，避免了频繁翻到书后索引页的麻烦。更令人称道的是，作者在构建理论框架时，似乎非常注重不同学科间的“对话”。你会看到，一个纯粹关于物理制造的章节，会突然引用经济学中的“纳什均衡”概念来解释资源分配的最优解，或者借鉴了生物学中“自组织”的原理来阐述分布式控制网络的稳定性。这种跨界的融合，使得这本书呈现出一种宏大叙事的气魄，它描绘的“先进系统”，早已超越了单一工厂的范畴，而是触及了全球生产网络、资源配置乃至社会结构层面的深刻变革。它让人意识到，未来的制造系统，本质上是一个复杂的社会技术系统。

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这本书的封面设计着实吸引人，那种深邃的蓝色调配上流线型的金属质感图形，让人立刻联想到精密机械和未来科技的交汇点。我最初翻开它，是带着对“未来工厂”的某种浪漫想象的，期待能读到一些关于全自动化生产线、机器人协作的奇妙叙事。然而，这本书的开篇却着墨于对传统供应链冗余环节的深刻剖析，那种详实的数据罗列和对现有管理模式的系统性解构，初看之下，略显枯燥，仿佛不是一本畅谈“先进”的书，而是一本扎实的工业工程学教科书的修订版。作者似乎并不急于描绘那些光鲜亮丽的未来图景，而是将大量的篇幅放在了“基础不牢，地动山摇”的哲学上。他用严谨的笔触，一步步拆解了“效率”的定义，并提出了一个挑战性的观点：很多我们自以为“先进”的系统，在核心逻辑上依然停留在上个世纪的思维定式中。这种务实的态度，虽然牺牲了一部分的阅读快感，却为后续的深入探讨奠定了极其坚实的基础。我不得不承认，读完前三章后，我对“系统”二字的理解被彻底重塑了，那不再是一个笼统的概念，而是由无数个相互耦合的、需要精细调校的子模块构成的复杂有机体。这本书的深度，在于它拒绝浮于表面的光环，而是执着于挖掘那些隐藏在冰冷数据背后的、驱动变革的核心动力。

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这本书的叙事节奏掌握得非常独特，它更像是一部精心编排的交响乐，而不是一首直白的流行歌曲。在某些章节，例如关于柔性制造单元的论述部分，作者采用了近乎学术论文的严谨结构，充满了大量的公式推导和严密的逻辑链条，读起来需要极高的专注度，仿佛置身于一个高强度的研讨会上，必须全神贯注地捕捉每一个论点的支撑证据。然而，紧接着，笔锋一转，在讲述人机交互界面（HMI）的演进历史时，语言突然变得生动起来，充满了对早期工程师们“笨拙却富有创造力”的敬意，甚至引用了一些轶事，让人忍不住会心一笑。这种在极端理性与人文关怀之间的游走，使得整本书的阅读体验充满了层次感。我尤其欣赏作者在引入新兴概念时所采取的“溯源法”，他从不直接抛出一个新名词，而是先追溯该概念在工业发展史上的萌芽阶段，指出其历史局限性，然后再逐步引申到当前的技术前沿。这种讲述方式，极大地降低了理解复杂技术门槛的同时，也极大地丰富了读者的知识背景，让那些冰冷的机器和算法仿佛拥有了时间维度的生命力。

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