本书从机械自动化系统(产品)整体的角度出发，阐明系统的设计过程，并体现“以机械为本、电气为控制核心、控制软件为系统关键”的机械自动化系统设计的基本原则。通过教学用简易数控铣床这一典型设计实例，介绍了设计开发机电一体化产品的全过程：系统总体方案设计、机械部件结构设计、电气部件设计、系统控制软件设计、综合调试实验、设计说明书的编写等。设计有多种可行方案，特别是电气和软件，本书主要介绍设计思路，为读者留有一定的想象空间。本书可作为机械自动化专业本科学生四周左右的专业(课程)设计教材(指导书)，也可作为从事机电一体化设备设计和开发的技术人员的参考书。

本书以教学用简易数控铣床作为开发机械自动化系统的典型实例，阐明如何按设计任务书进行系统方案设计、机械结构设计、电气控制逻辑设计、控制程序(监控软件)编制及其调试，逐步完成机械自动化系统的设计开发全过程。本书还汇编了部分设计用参考资料，附有设计思考题和设计范例的目录，并展开对设计说明书中的机械部件结构设计部分进行描述。

本书突出机械、电气、软件在机械自动化系统设计时的整体性，强调设计开发过程中的实践性，并对编制和执行数控指令软件的技巧作了示范。本书图文并茂，深浅适宜，可作为大专院校机械工程及自动化专业、机电一体化专业或其他相关专业的专业课程设计指导书，也可作为机电一体化设备设计、制造工作者的参考书。

1 概述1

 1.1 设计的一般步骤1

 1.2 设计任务书及参考数据1

 1.3 设计要点与注意事项3

1.3.1 设计要点3

1.3.2 设计中常见的误区4

 1.4 调试与编写设计说明书5

2 总体方案设计6

 2.1 技术分析6

 2.2 系统方案设计6

 2.3 数控系统7

2.3.1 微机控制方案7

2.3.2 单片机控制方案8

2.3.3 微机-单片机混合控制方案8

 2.4 机械结构9

2.4.1 导轨结构9

2.4.2 传动系统结构10

 2.5 机械部件的驱动方式10

 2.6 系统方案的确定11

3 机械部件结构设计15

 3.1 机械设计要点15

3.1.1 机构的功能15

3.1.2 结构的强度和刚度15

3.1.3 结构工艺性15

3.1.4 其他方面16

3.1.5 装配图的标注16

 3.2 支承部件设计16

 3.3 主传动运动部件设计17

3.3.1 铣削要素、铣削力、铣削力矩和铣削功率17

3.3.2 主电机选择20

3.3.3 轴的设计20

3.3.4 轴承的选择与刚度校核22

 3.4 进给运动部件设计23

3.4.1 导轨的作用与要求23

3.4.2 导轨的选择24

3.4.3 丝杠螺母28

3.4.4 进给驱动电机34

 3.5 伺服进给系统设计35

3.5.1 伺服进给系统控制形式35

3.5.2 开环伺服进给系统设计35

 3.6 润滑和密封40

 3.7 机械装配图的绘制40

3.7.1 装配图的标注40

3.7.2 总装图上的技术条件42

3.7.3 零件图上的标注42

3.7.4 零件图上的技术条件43

4 电气部件设计44

 4.1 拟定电气硬件逻辑原理框图44

4.1.1 单片机控制方案44

4.1.2 微机控制方案45

4.1.3 微机-单片机混合控制方案46

 4.2 电气逻辑原理设计46

4.2.1 单片机控制方案46

4.2.2 微机控制方案50

4.2.3 微机-单片机控制方案55

 4.3 功率驱动部分设计计算55

4.3.1 伺服电机（主电机）的驱动电路55

4.3.2 步进电机的驱动电路56

 4.4 电源部分设计计算60

5 系统控制软件设计63

 5.1 软件系统框图63

 5.2 初始化程序63

 5.3 主程序64

 5.4 子程序65

5.4.1 外设驱动模块65

5.4.2 运算模块65

5.4.3 代码转换模块65

5.4.4 数据功能模块65

5.4.5 时钟程序65

5.4.6 系统功能模块66

5.4.7 功能键处理模块66

5.4.8 数控指令解释程序67

6 综合调试实验68

 6.1 实验目的68

 6.2 实验设备68

 6.3 实验内容和要点68

 6.4 实验步骤69

6.4.1 功率放大板的焊接制作69

6.4.2 硬件电路的连接与调试 70

6.4.3 机械部件的调试71

6.4.4 软件调试71

 6.5 实验记录72

6.5.1 电路电压测量记录72

6.5.2 手动调试记录73

6.5.3 系统的整体调试记录73

 6.6 实验思考题74

7 编写设计说明书75

 7.1 设计说明书正文75

 7.2 设计说明书附件77

 7.3 设计说明书的装订77

8 设计常用参考资料79

 8.1 电气类常用参考资料79

8.1.1 按钮开关电路79

8.1.2 光耦合电路79

8.1.3 过零检测电路80

8.1.4 扩展非易失性数据寄存器EEPROM接口原理80

8.1.5 程序空间的EPROM2764接口81

8.1.6 程序空间的EPROM27256接口81

8.1.7 数据空间的RAM6264接口82

8.1.8 地址译码器电路83

8.1.9 扩展简单的输入输出接口85

8.1.10 部分集成电路资料87

8.1.11 三端稳压器电路93

8.1.12 部分晶体管参数93

8.1.13 部分光电耦合器件参数94

8.1.14 部分步进电机参数94

8.1.15 工业控制微机接口卡资料97

 8.2 软件常用参考资料98

8.2.1 TB和TC的I/O接口驱动方法98

8.2.2 汇编语言的I/O端口编程99

8.2.3 WINIO库函数的应用方法100

8.2.4 8051系列单片机方案部分参考程序101

8.2.5 8051系列单片机内部RAM分配情况103

8.2.6 微机方案软件参考资料105

8.2.7 调试实验用参考程序119

 8.3 设计总体参考资料130

 思考题131

附录A 《机械自动化系统设计说明书》目录(范例)133

附录B 设计说明书中的机械部件结构设计部分（范例）135

 B1 铣床铣削力、铣削力矩和铣削功率135

B1.1 铣床切削力的计算135

B1.2 切削力矩的计算136

B1.3 切削功率的计算136

 B2 伺服系统的设计计算136

B2.1 系统的概念要求及已知系数136

B2.2 步进电机步距角选择136

B2.3 等效转动惯量计算137

B2.4 等效负载转矩计算138

 B3 主轴的计算140

B3.1 主轴的强度校核140

B3.2 主轴的刚度校核140

 B4 导轨的设计与计算141

参考文献142