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出版者:上海交通大学出版社

作者:翁祖亮编

出品人:

页数:186

译者:

出版时间:2004-1

价格:12.0

装帧:平装

isbn号码:9787313034472

丛书系列:

图书标签:

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• 水泵技术
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• 机械工程
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《精密机械驱动系统：设计、分析与控制》 内容简介 本书深入探讨了现代精密机械驱动系统的核心技术，旨在为工程师、技术人员以及相关领域的研究人员提供一套全面、实用的知识体系。精密机械驱动系统是实现复杂机械设备高精度、高效率运行的关键，其性能直接影响着产品质量、生产效率和整体技术水平。本书从理论基础到工程实践，层层递进，力求为读者呈现一个完整且深入的驱动系统设计、分析与控制的图景。 第一部分：精密机械驱动系统的基础理论 在第一部分，我们将奠定坚实的理论基础。首先，对精密机械驱动系统的基本概念、构成要素以及发展趋势进行概述。这包括对不同类型驱动器（如电机、液压、气动）的特性、适用范围及选择原则的介绍。我们将重点分析电机驱动，详细阐述直流电机、交流电机（同步电机、异步电机）、步进电机、伺服电机的工作原理、电磁特性、机械特性及其在精密传动中的应用优劣。 接下来，我们将深入研究传动环节的设计。这包括对各种精密传动机构的详细解析，如齿轮传动（直齿、斜齿、锥齿、蜗轮蜗杆）、带传动（V带、同步带）、链传动、谐波减速器、行星减速器、精密丝杠螺母机构、滚珠导轨等。我们将从传动效率、精度、刚度、承载能力、噪音、寿命等多个维度进行比较和分析，并提供具体的选型依据和设计计算方法，强调在精密传动中，如何通过优化机构设计、选择高性能材料、精密加工和可靠的润滑来达到极高的传动精度和稳定性。 能量传递与损耗分析是本部分的重要组成部分。我们将讲解不同传动环节的能量传递机制，并详细分析各种形式的能量损耗，如摩擦损耗、惯性损耗、电磁损耗、漏泄损耗等。理解并量化这些损耗对于提高驱动系统的整体效率、降低能耗至关重要。我们将介绍计算能量损耗的常用模型和方法，并探讨如何通过改进设计和选择更优化的部件来减小损耗。 第二部分：精密驱动系统的建模与仿真分析 第二部分聚焦于精密驱动系统的建模与仿真分析，这是实现系统优化和故障预测的关键。我们将介绍建立驱动系统数学模型的不同方法，包括基于物理原理的建模（如拉格朗日方程、牛顿-欧拉方程）和基于数据驱动的建模。重点讲解如何针对具体驱动组件，如电机、减速器、执行器等，建立准确的动力学模型，考虑其非线性特性、摩擦力矩、惯性、阻尼等因素。 系统的频域分析和瞬态响应分析将在本部分得到深入探讨。我们将讲解如何利用傅里叶变换、拉普拉斯变换等工具分析系统的频率响应特性，评估系统的带宽、稳定性以及对不同频率干扰的抑制能力。瞬态响应分析则着重于研究系统在特定输入信号（如阶跃信号、脉冲信号）作用下的动态行为，包括响应速度、超调量、稳定时间等，并分析这些参数如何受到系统参数和控制器设计的影响。 有限元分析（FEA）和多体动力学仿真（MBD）作为重要的数值仿真工具，也将被详细介绍。我们将讲解如何利用FEA分析驱动系统中关键部件（如齿轮、轴承、连接件）的应力、应变、变形以及热分布，确保其在工作载荷下的可靠性和耐久性。MBD则能模拟整个驱动系统的多体交互运动，分析各部件之间的运动耦合、碰撞检测以及系统整体的动态性能，尤其适用于复杂的机械系统。 本书还将引入计算机辅助工程（CAE）工具的应用。我们将介绍如何利用主流的仿真软件（如MATLAB/Simulink, ANSYS, Adams等）进行驱动系统的建模、仿真和参数优化。通过实际案例演示，展示如何运用这些工具进行系统性能评估、潜在故障预测以及设计方案的验证，极大地缩短了研发周期并提高了设计质量。 第三部分：精密驱动系统的控制策略与实现 第三部分是本书的核心，着重于精密驱动系统的控制策略与实现。我们将从基础的PID控制开始，详细讲解其原理、参数整定方法（如Ziegler-Nichols法、试凑法、优化算法）及其在驱动系统中的应用。在此基础上，我们将深入介绍更先进的控制方法，包括： 模糊逻辑控制（FLC）： 探讨如何利用模糊规则和模糊推理实现对驱动系统复杂非线性特性的有效控制，特别适用于难以建立精确数学模型的场合。 神经网络控制（NNC）： 介绍如何利用神经网络学习驱动系统的动态特性，实现自适应控制和模型预测控制，提高系统的鲁棒性和跟踪精度。 模型预测控制（MPC）： 重点阐述MPC的基本原理，即基于预测模型，通过优化算法在有限的预测时域内滚动优化控制律，以实现对未来输出的精确跟踪和约束满足。我们将分析MPC在处理多变量耦合、约束条件下的优势。 自适应控制（AC）： 讲解如何通过在线调整控制器参数，使驱动系统在参数变化或外部扰动下仍能保持良好的性能。 鲁棒控制（RC）： 关注如何设计控制器，使其在模型不确定或存在干扰的情况下，仍能保证系统的稳定性和性能指标。 在这些先进控制策略的基础上，我们将重点讨论伺服控制系统的设计与实现。这包括对位置伺服、速度伺服和力矩伺服的原理、典型结构和性能指标的深入分析。我们将讲解如何设计高精度的伺服回路，包括前馈控制、反馈控制、抗积分饱和、抗零点漂移等技术。 数字信号处理（DSP）与微控制器（MCU）在现代驱动系统控制中的作用至关重要。我们将介绍基于DSP和MCU的驱动器硬件架构，讲解如何利用这些嵌入式系统实现实时控制算法的运算、传感器信号的采集与处理、执行器指令的输出等。还将讨论实时操作系统（RTOS）在复杂驱动系统中的应用。 第四部分：精密驱动系统的故障诊断与维护 第四部分将关注精密驱动系统的可靠性，涵盖故障诊断、预测与维护。我们将系统地介绍各种常见的驱动系统故障类型，如电机绕组故障、轴承磨损、传动机构卡滞、传感器失效、控制器过载等，并分析其产生的原因和典型表现。 状态监测与早期预警技术是本部分的核心内容。我们将详细介绍基于振动分析、温度监测、电气参数监测（如电流、电压、功率因数）、声学监测等方法的故障诊断技术。我们将讲解如何利用这些监测数据，通过谱分析、时域分析、模式识别等手段，提前发现潜在的故障迹象，避免突发性停机。 故障诊断专家系统和智能诊断方法也将被介绍。我们将探讨如何利用人工智能技术，如机器学习、模糊逻辑、神经网络等，构建自动化的故障诊断系统，提高诊断的准确性和效率。 此外，本书还将阐述预测性维护的理念与实践。通过对设备运行数据的持续分析和趋势预测，提前安排维护计划，更换易损件，从而最大程度地减少非计划停机时间和维护成本。本书还将提供不同类型驱动系统的典型故障排除流程和维护指南。 第五部分：精密驱动系统的实际应用与案例研究 在第五部分，我们将通过具体的工程案例，展示精密机械驱动系统在各个领域的广泛应用。我们将深入分析以下几个关键应用领域： 机器人与自动化生产线： 详细介绍在工业机器人（如六轴机器人、协作机器人）、AGV（自动导引车）、自动化装配线、精密加工中心等设备中，驱动系统是如何被设计和应用的。我们将分析如何根据任务需求，选择合适的驱动器、减速器和控制策略，以实现高精度、高动态响应和高可靠性的运动控制。 数控机床与精密测量设备： 深入探讨在数控机床（如车床、铣床、磨床）、三坐标测量机、光学测量仪器等设备中，对驱动系统在传动精度、速度稳定性、运动平稳性方面的严苛要求。我们将分析直线电机、伺服电机配合精密滚珠丝杠和线性导轨等如何实现亚微米级的定位精度。 航空航天与国防工业： 介绍精密驱动系统在飞机舵面控制、导弹稳定平台、雷达跟踪系统、无人机等关键领域的应用。我们将讨论在极端环境（如高温、低温、真空、强辐射）下，驱动系统所面临的挑战以及相应的解决方案。 医疗器械与生物工程： 探讨在手术机器人、精密注药泵、离心机、显微操作器等设备中，对驱动系统在精度、可靠性、生物相容性方面的特殊要求。我们将分析微型驱动器、精密减速器以及无菌环境下的驱动方案。 新能源技术与高端装备： 介绍精密驱动系统在太阳能光伏设备的自动跟踪系统、风力发电机组的偏航与变桨控制、锂电池生产设备等领域的应用。 本书的每个案例研究都将围绕实际的设计挑战、技术选型、控制策略优化、性能验证以及解决实际问题的经验进行展开，力求使读者能够将理论知识与工程实践紧密结合，提升解决实际问题的能力。 总结 《精密机械驱动系统：设计、分析与控制》是一本集理论性、实用性和前瞻性于一体的专业技术书籍。它不仅为读者提供了精密驱动系统设计与控制所需的扎实理论基础，更通过详实的建模仿真分析和丰富的实际应用案例，帮助读者掌握最新的技术进展和工程实践经验。通过对本书的学习，读者将能够更深入地理解精密机械驱动系统的奥秘，并能独立承担相关领域的设计、分析与优化工作。

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这本书的广度也同样令人称赞。虽然主题聚焦于核心的流体机械，但作者并未将其局限于单一的设备类型。它涵盖了从基础的离心泵到更专业的轴流泵、潜水泵等多种结构形式的特点、适用范围及选型原则的对比分析。这种对比使得读者能够清晰地认识到，没有“最好的泵”，只有“最适合工况的泵”。在选型章节，作者提出的那个多维度评分体系，巧妙地将能耗效率、维护成本、安装空间和介质特性等多个互相制约的因素整合起来进行量化评估，这比单纯看效率曲线要全面得多。我特别喜欢它对“系统集成”的探讨，它没有孤立地看待泵本身，而是将其置于整个工业管网、换热系统乃至能源管理的大背景下进行讨论，强调了系统层面的优化比单点设备优化更为重要。这种宏观视野的拓展，对于刚入行或者希望提升管理视野的技术人员来说，是一个非常宝贵的视角，它告诉我们，真正的技术深度，是建立在对整个系统深刻理解之上的。

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这本书的内容编排，简直就像一位经验丰富的老技师在手把手教你，那种细致入微的讲解方式让人印象深刻。我尤其关注了其中关于故障诊断与维护的部分，那块写得尤为精彩。它没有停留在理论层面说“A可能导致B”，而是详细列举了在不同工况下，可能出现的具体声响、振动模式，乃至电流波形的异常变化，并一一对应到可能的机械磨损、气蚀或密封失效等具体原因。书中提供了一个非常实用的“问题-症状-排查步骤”的矩阵表格，我试着根据这个流程检查了我正在负责的一个老旧系统，效率比我以往依靠经验判断快了不止一倍。更妙的是，作者还对不同材质叶轮和泵壳在特定介质腐蚀下的寿命预测，给出了量化的参考指标，这对于设备更新换代决策非常有指导意义。这本书的价值在于它的实用性，它完全跳脱了纯粹的理论探讨，更像是工程师的“工具箱”手册，任何技术人员需要动手解决实际问题时，都能从中找到立即可用的解决方案和验证方法，避免了大量试错成本的投入，这一点对于项目周期紧张的工程来说，简直是无价之宝。

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阅读这本书的过程，我有一种强烈的体会，那就是作者对“标准与规范”的重视程度极高。书中清晰地引用和解读了国内外相关行业的标准，比如API、ISO等标准中对泵的性能测试、精度要求和安装公差的规定。这部分内容对于从事国际贸易或者需要进行设备招投标的团队来说，简直是如获至宝。很多基础技术书籍往往会忽略这些合规性要求，导致实际采购或验收时出现偏差。而这本书则将这些“硬性门槛”都做了详细的梳理，甚至连文档管理和操作规程的建立都给出了范例。它的详尽程度甚至延伸到了对不同介质（如高粘度流体、含有固体颗粒的浆液）在泵送过程中可能出现的特定磨损机制的解释，并提供了针对性的材料选择建议。这种对每一个细节的负责任态度，让这本书的权威性得到了极大的提升，它不仅仅是一本技术指南，更像是行业内一套非官方但极其实用的“操作红线”指南。

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这本书的深度和广度令人印象深刻，但最让我感到惊喜的是它对“未来趋势”的洞察和探讨。作者并没有沉溺于传统技术的成熟与稳定，而是用相当的篇幅讨论了高能效驱动技术（如永磁同步电机在泵系统中的应用）、智能预测性维护（PdM）如何利用传感器数据优化泵的运行周期，以及在节能减排压力下，如何对老旧泵站进行数字化改造升级。这些前瞻性的内容，让这本书的生命周期大大延长，它不仅仅是回顾历史，更是在指引方向。尤其是关于数据分析和泵性能漂移识别的部分，作者提供了一些简化的算法思路，即使没有深厚的IT背景，也能理解如何利用现有SCADA数据来提前发现潜在的性能衰退。这使得这本书不仅适合当前的现场工程师，也为未来从事工业4.0或智能制造方向的技术人员提供了一个极具价值的参考坐标系，让人在学习当下技术的同时，对行业未来的技术迭代方向有了清晰的预判。

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这本书的装帧设计非常吸引人，封面采用了深邃的蓝色调，配上简洁有力的白色字体，给人一种专业而可靠的感觉。内页的纸张质感也相当不错，印刷清晰，图文排版疏密有致，阅读起来非常舒适，即便是长时间翻阅也不会感到眼睛疲劳。我特别欣赏作者在结构上的安排，逻辑性极强，从基础理论到实际应用，层层递进，使得初学者也能很快掌握核心概念。例如，在阐述泵的工作原理时，配有多角度的剖视图和精细的流程图，这些视觉辅助极大地降低了理解复杂机械结构的难度。全书的语言风格严谨而不失生动，专业术语的解释都非常到位，绝不是那种干巴巴的教科书式叙述。书中穿插的一些行业案例分析，更是让理论知识立刻落地，让人能真切感受到这些技术在现实工业环境中的价值和挑战。对于想系统学习工业流体输送设备知识的工程师或技术人员来说，这本书无疑是一个极佳的入门和参考工具，它提供的不仅仅是知识点，更是一种解决问题的思维框架。我感觉作者对这个领域有着深厚的实践积累，很多细节的处理都体现了“过来人”的经验，这种深度在同类书籍中是少见的。

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