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出版者:Springer Verlag

作者:Janocha, H. (EDT)

出品人:

页数:343

译者:

出版时间:

价格:149

装帧:HRD

isbn号码:9783540615644

丛书系列:

图书标签:

• Actuators
• Mechanical Engineering
• Automation
• Robotics
• Control Systems
• Electrical Engineering
• Mechatronics
• Sensors
• Industrial Automation
• Machine Design

《机械之心：传动与控制系统的精密工程》 图书简介 本书深入探索了现代工业、自动化、机器人技术以及航空航天等领域的核心驱动力——传动与控制系统。我们不再将这些复杂的系统视为孤立的组件，而是将其视为一个相互关联、精密协作的有机整体，是实现物理世界精确运动与智能行为的基石。 第一部分：运动的起源与基础物理 本书开篇即奠定了坚实的理论基础，探讨了将电能、液压能或气压能转化为有效机械运动的物理学原理。我们着重分析了能量转换的效率、热力学限制以及如何通过材料科学的选择来优化系统的性能和寿命。 能量转换的物理学精要： 从法拉第电磁感应定律到流体力学中的伯努利原理，解析了不同类型驱动源的内在工作机制。详细阐述了力、扭矩、速度与加速度之间的定量关系，并引入了系统响应时间（Rise Time）、稳定时间（Settling Time）和超调量（Overshoot）等关键性能指标的计算模型。 材料科学与可靠性设计： 深入研究了用于制造关键传动部件（如齿轮、轴承、密封件）的高强度合金、复合材料及先进聚合物。重点讨论了疲劳极限、蠕变现象以及极端温度或腐蚀环境下材料的选择策略，确保系统在长期、高负荷运行中的结构完整性。 第二部分：核心传动技术解析 本部分是对实现运动放大的、减速的或方向转换的关键机械装置的详尽剖析。我们不仅描述了它们的结构，更聚焦于其内在的机械损耗模型与动态特性。 精密齿轮传动系统： 区别于标准工业齿轮，本书详述了精密行星齿轮箱、谐波齿轮驱动（Strain Wave Gearing）以及准双曲面齿轮等高精度减速器的设计考量。内容涵盖了齿廓修正技术，以消除传动误差和反向间隙（Backlash），这对于需要高精度定位的应用至关重要。 摩擦与非摩擦传动： 对皮带、链条、滚珠丝杠和线性导轨进行了细致的比较分析。特别辟出一章讨论了磁悬浮驱动系统（Maglev Drives）的原理、无接触运行的优势及其在超净环境中的应用潜力。 流体动力传动： 深入研究了液压泵（如轴向和径向柱塞泵）与液压马达的设计，重点分析了容积效率、机械效率的相互影响。同时，探讨了气动系统的响应速度优势与精准控制的挑战，包括压缩空气质量对系统性能的显著影响。 第三部分：驱动器的深度剖析——电机的艺术 本部分将目光聚焦于将电能转化为机械能的“心脏”——各类电机及其驱动电路。我们强调的是电机设计与控制算法的协同优化。 永磁同步电机（PMSM）的矢量控制： 详述了如何利用磁场定向控制（FOC）实现对电机转矩和磁链的独立解耦控制，这是实现高性能伺服驱动的基础。内容包括如何精确估计转子位置（例如使用高分辨率编码器或无传感器技术）。 步进电机与步进伺服的适用边界： 讨论了在低速、高保持扭矩应用中，步进电机的优势与局限性。重点解析了微步进技术如何平滑运行并降低共振现象。 高效能驱动器设计： 探讨了功率电子在电机驱动中的作用，包括IGBT和SiC（碳化硅）MOSFET的应用。分析了开关频率、死区时间（Dead Time）设置对电机电流波形质量和热管理的影响。 第四部分：反馈、传感与闭环控制 一个没有反馈的驱动系统是盲目的。本部分阐述了如何精确测量运动状态并构建稳定、快速的闭环控制系统。 高精度位置与速度传感技术： 全面覆盖了旋转编码器（绝对式与增量式）、解析器（Resolver）以及激光多普勒测速仪的工作原理。特别关注了解析器在恶劣工业环境中的可靠性优势。 反馈回路的稳定性分析： 使用古典控制理论（如根轨迹、波德图）和现代控制理论（状态空间法）来分析控制系统的稳定裕度和带宽。详细介绍了PID控制器（比例-积分-微分）的参数整定方法，包括Ziegler-Nichols法和基于模型的优化整定。 前馈控制与扰动抑制： 引入先进控制策略，如状态观测器（Observer）的应用，以估计不可测量的内部状态（如摩擦力矩），并利用前馈控制来补偿已知负载变化，从而提升系统的动态响应速度。 第五部分：系统集成与应用工程 最后，本书将理论与实践相结合，探讨了如何将上述组件集成到实际应用中，并应对工程挑战。 机器人学的动力学建模： 介绍如何利用牛顿-欧拉法或拉格朗日方程对手臂或并联机构进行动力学建模，以便为每个关节的电机精确计算所需的实时转矩指令。 摩擦力矩的辨识与补偿： 摩擦是伺服系统中的主要非线性扰动源。本书提供了一系列摩擦模型（如库仑摩擦、斯蒂布摩擦）及其在控制循环中进行补偿的实用算法。 系统热管理与噪音抑制： 探讨了驱动器和电机散热的有效方法（如液体冷却、鳍片设计）。同时，分析了齿轮啮合和高频开关产生噪音的来源，并提出了结构设计和控制策略层面的降噪措施。 本书旨在为高级工程技术人员、系统集成商以及从事精密机械设计的研究人员提供一本全面、深入、实用的参考手册，理解并驾驭现代传动与控制系统的复杂性。

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