機電整閤控製:多軸運動設計與應用(第六版)(附部分內容光碟)

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施慶隆
圖書標籤:
  • 機電整閤
  • 運動控製
  • 多軸運動
  • 伺服控製
  • PLC
  • 自動化
  • 機器人
  • 工業控製
  • 設計
  • 應用
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圖書描述

  此書之目的即在提供機電整閤及機器人係統之運動控製的基本工作原理、理論分析、設計與應用實例及實驗結果等資料。

  由於資訊化功能、網路通訊功能、以及人機介麵圖像化等需求愈來愈殷切,使得網際網路的持續發展必將在自動化產業上扮演更重要的角色。機構組件網路化的機電係統整閤更是一個值得關注的發展潮流。應用網際網路的技術,將可提昇產品的附加價值與提高產品的競爭優勢。另外值得一提的是電腦視覺與影像處理技術的持續發展勢必在未來自動化產品上扮演更智慧、更重要的角色。整閤高速電腦視覺處理的機電整閤及機器人係統更是一值得關注的發展潮流。

  本書共二十六章依各章之性質將全書分為三篇:基本原理篇、機械臂原理篇及運動控製應用實例篇。第一部份基本原理篇中共包含有五章,它可作為多軸運動控製的入門知識。第二部份為多軸機械臂運動控製的基礎理論介紹。最後第三部份應用實例篇共有十二章,分別介紹六個運動控製係統的完整實例。為瞭全書內容的完整性,於本書附錄中詳細介紹運動控製係統常用之機電介麵。

本書特色

  1.本書以實用的基本理論為基礎,以深入淺齣的方式介紹機電整閤係統多軸運動控製的基本知識與原理。

  2.本書闡述機械臂及機器人的基本工作原理,其內容可加強機電整閤係統之理論基礎。

  3.本書涵蓋運動控製器設計與製作實例,諸如多軸伺服馬達運動控製係統、半導體設備控製係統、機械臂自動鑽骨控製係統以及機器人係統設計等。
好的,這是一本關於《數位邏輯設計與微處理機應用:基於FPGA與STM32的整閤實作》的圖書簡介,字數在1500字左右,內容詳實,旨在為讀者提供一個全麵、深入的學習體驗,不涉及您提到的那本“機電整閤控製”書籍的內容。 --- 《數位邏輯設計與微處理機應用:基於FPGA與STM32的整閤實作》圖書簡介 前言:麵嚮未來電路設計的雙軌製學習路徑 在當代電子工程與嵌入式係統領域,數位電路設計能力與微處理器應用能力是工程師不可或缺的兩大核心技能。傳統的學習路徑往往將這兩者割裂開來,使得學習者難以在理論與實務之間建立有效的橋樑。 本書《數位邏輯設計與微處理機應用:基於FPGA與STM32的整閤實作》正是為瞭解決這一痛點而精心編撰。我們採納瞭一種創新的「雙軌製」教學策略,將基於硬體描述語言(HDL)的可程式化邏輯晶片(FPGA)設計方法,與基於成熟微控製器(STM32係列)的軟硬體整閤開發緊密結閤。全書不僅涵蓋瞭從基礎邏輯閘到複雜數據通路設計的理論深度,更提供瞭大量基於業界主流工具與硬體的實作案例,確保讀者能夠從零開始,逐步掌握構建現代嵌入式係統的全流程能力。 第一部分:數位邏輯設計基礎與FPGA實作(硬體思維的養成) 本部分著重於建立讀者紮實的數位邏輯基礎,並引入FPGA作為實現這些邏輯的平颱。我們深知,理解底層邏輯是設計複雜係統的基石。 1. 數位係統的基石:從布林代數到組閤與循序邏輯 我們從最基礎的布林代數、邏輯閘齣發,逐步深入到解碼器、多工器、加法器等組閤邏輯電路的設計與分析。隨後,我們係統性地介紹觸發器(Flip-Flops)、暫存器、計數器以及有限狀態機(FSM)等循序邏輯元件。不同於僅限於書本推導,本章節的每一類電路都將對應VHDL/Verilog的程式碼實例,並指導讀者如何在Xilinx Vivado或Intel Quartus等主流FPGA開發環境中進行語法編譯、功能仿真及硬體燒錄驗證。 2. 硬體描述語言(HDL)的精進:係統級描述 本部分將重點提升讀者對HDL的掌握層次,從行為級描述過渡到結構級描述。我們強調同步設計的原則,詳細解析如何利用時鐘域Crossing (CDC) 技術處理異步信號,這是設計穩定、高速FPGA係統的關鍵。我們將通過一個小型處理器模型(如簡化的RISC結構)的設計流程,展示如何將抽象的邏輯需求轉化為可綜閤(Synthesizable)的RTL代碼。 3. 專案實作:高性能數據處理模組 為鞏固FPGA知識,本部分設計瞭數個經典的硬體實作專案,例如: 高效率的快速傅立葉變換(FFT)硬體加速器的結構設計與資源利用分析。 即時影像邊緣偵測濾波器的流水線化設計,探討如何利用FPGA的並行性來超越CPU的計算瓶頸。 這些實作將引導讀者理解FPGA在高速信號處理、客製化介麵設計中的獨特優勢。 第二部分:微處理機應用與STM32嵌入式係統開發(軟體與介麵整閤) 在建立瞭強大的硬體設計能力後,第二部分將焦點轉嚮當前最流行的微控製器平颱——意法半導體(STMicroelectronics)的STM32係列。本部分旨在培養讀者將複雜邏輯嵌入到實際運行係統中的能力。 4. STM32微處理機架構與基礎開發環境 我們深入剖析基於Cortex-M核心的STM32架構,包括暫存器組、記憶體映射、中斷嚮量錶等。讀者將學習如何搭建Keil MDK或STM32CubeIDE等主流開發環境,並掌握寄存器級(Register-Level)編程技巧,而非僅依賴高層次的庫函數。這確保瞭讀者對硬體資源的細微操作擁有絕對控製權。 5. 核心周邊介麵與驅動開發 本部分涵蓋瞭嵌入式係統中最常用的通訊與控製介麵: 通用定時器(Timer):用於精確的時間控製、PWM信號生成與輸入捕獲。 中斷係統(NVIC):高效能事件處理機製的研究與實戰。 序列通訊介麵:深入探討UART、SPI、I2C協議的底層實現,並設計客製化的設備驅動程式(Driver)。 我們強調中斷服務常式(ISR)的設計規範,確保程式碼的即時響應性與穩定性。 6. FPGA與STM32的硬體協同設計:係統級整閤 這是本書的精華所在。我們探討如何將第一部分設計的FPGA模組(例如一個客製化的數模轉換器或高速數據採集單元)與STM32係統進行高效的數據交換與控製。 介麵橋接技術:詳細介紹如何利用SPI或高速DMA通道,建立STM32與FPGA之間的資料高速公路。 異步係統同步化:探討在異步協同設計中,如何通過軟體輪詢(Polling)與硬體中斷機製,確保數據一緻性。 整閤專案實作:設計一個完整的「嵌入式視覺處理係統」,其中STM32負責係統調度、人機介麵(HMI)控製,而FPGA則專門負責原始圖像數據的預處理與加速運算,最後STM32再對處理結果進行分析和輸齣。 結語:從邏輯到智慧係統的完整能力建構 《數位邏輯設計與微處理機應用:基於FPGA與STM32的整閤實作》提供的不僅是知識點的羅列,而是一套完整的係統工程師思維訓練。讀者將學會如何根據應用需求,在「專用硬體(FPGA)」和「通用軟體控製(STM32)」之間做齣最佳的架構決策,從而設計齣效能卓越、資源利用率高的現代嵌入式解決方案。本書適閤電子工程、電機工程、自動化控製、電腦科學等相關專業的學生,以及尋求提升全棧嵌入式係統開發能力的在職工程師。全書配有豐富的程式碼範例、實驗步驟與除錯指南,確保學習過程的順暢與高效。

著者信息

圖書目錄

第一部份 運動控製基本原理
第1章 多軸運動控製器的基本原理
1.1 簡介 1-1
1.2 運動路徑產生器 1-3
1.3 梯形速度麯線規劃 1-6
1.4 路徑插值 1-7
1.5 位置脈波產生器 1-9
1.6 位置控製器 1-10
1.7 程式流程圖 1-12
1.8 結論與討論 1-13
第2章 點到點運動軌跡設計
2.1 等速度麯線 2-1
2.2 梯形速度麯線 2-2
2.3 最短運動時間的梯形速度麯線 2-5
2.4 固定抵達時間的梯形速度麯線 2-6
2.5 S形速度麯線 2-10
2.6 PVT運動指令格式 2-16
2.7 梯形與S形速度麯線的程式撰寫技巧 2-18
2.8 其它點到點運動速度麯線 2-22
第3章 連續運動軌跡設計
3.1 簡介 3-1
3.2 3段PVT運動麯線 3-2
3.3 三次雲形麯線插值 3-6
3.4 均勻型基本雲形麯線 3-10
3.5 非均勻型基本雲形麯線 3-17
3.6 點到點速度麯線與連續運動麯線 3-24
3.7 圓弧插值 3-26
第4章 伺服控製係統分析與設計
4.1 簡介 4-1
4.2 直流伺服馬達控製係統之線性模式 4-2
4.4 穩定性與相對穩定 4-6
4.4 控製係統的性能與規格 4-8
4.5 穩態誤差分析 4-10
4.6 控製係統的靈敏度分析 4-12
4.7 控製係統的外部乾擾分析 4-13
4.8 控製係統的分析步驟 4-15
4.9 常用的控製器型式 4-21
4.10 控製係統設計 4-25
4.11 控製器數位化與實現 4-31
4.12 數位控製器的取樣時間 4-34
4.14 轉換數位控製器為控製程式 4-34
4.14 其他常見機電係統元件的簡化線性模式 4-39
第5章 運算放大器原理與應用
5.1 類比/數位技術的演進 5-1
5.2 運算放大器基本特性與原理 5-5
5.3 基本運算放大器電路設計 5-9
5.4 濾波器設計 5-20
5.5 運算放大器的其他應用 5-29
5.6 直流伺服馬達驅動控製器設計範例 5-33

第二部份 機器人運動控製基礎
第6章 機器人簡介
6.1 機器人簡介 6-1
6.2 機器人係統的組成 6-3
6.3 機械臂簡介 6-6
第7章 座標係統與齊次矩陣
7.1 直角座標係統與平移及鏇轉 7-1
7.2 連續鏇轉矩陣 7-3
7.3 齊次轉換 7-15
7.4 相機座標係統 7-21
第8章 機械臂直接運動學
8.1 自定座標齊次轉換法 8-2
8.2 DH參數齊次轉換法 8-7
第9章 機械臂反運動學
9.1 基本技巧 9-2
9.2 機械臂運動學之解析解 9-4
第10章 機械臂微分運動學
10.1 基本概念 10-1
10.2 計算幾何Jacobian矩陣 10-3
10.3 Jacobian矩陣計算範例 10-7
10.3 相機Jacobian矩陣 10-18
第11章 機械臂動力學
11.1 Lagrange法 11-1
11.2 牛頓尤拉法 11-4
11.3 二軸機械臂動力方程式範例 11-8
11.4 比較Lagrange法與Newton-Euler法 11-14
11.5 串聯式機械臂動力方程式的電腦計算方法 11-18
11.6 計算範例 11-23
第12章 機械臂控製
12.1 機械臂動態數學模型 12-1
12.2 機械臂PD控製器 12-7
12.3 機械臂可變結構滑動模式PID控製 12-9
12.4 基材搬運機械臂控製器設計例 12-13
第13章 輪行移動機器人速度運動學
13.1 簡介 13-1
13.2 雙輪獨立驅動移動機器人 13-3
13.3 三輪車式移動機器人 13-5
13.4 全方位式三輪移動機器人 13-7
13.5 二輪自行車機器人 13-8
13.6 移動機器人結閤影像係統例 13-11
第14章 二足步行機器人平衡及步行控製
14.1 簡介 14-1
14.2 數學模型 14-5
14.3 週期解 14-9
14.4 定點解的穩定性分析及事件驅動式控製 14-11
14.5 模擬結果 14-14
14.6 雙足機器人的運動自由度與緻動器個數 14-22

第三部份 機電整閤運動控製應用
第15章 機電整閤係統實現
15.1 選用PC-Based係統或Embedded係統 15-1
15.2 係統所需的即時性能分析 15-6
15.3 PC-Based係統架構的應用與設計 15-10
15.4 嵌入式係統架構的應用與設計 15-15
15.5 係統介麵分析與規劃 15-26
15.6 機電整閤係統程式開發 15-38
15.7 由PC-Based架構導入Embedded架構 -以骨骼鑽孔係統為例 15-43
15.8 Embedded 與PC-Based混閤架構 –機電係統實驗平颱建立 15-55
15.9 專案設計與開發實例 15-60
第16章 FPGA-Based 泛用型嵌入式運動控製模組設計
16.1 前言 16-1
16.2 運動控製晶片架構設計 16-1
16.3 運動製控製晶片模組功能分析 16-3
16.4 控製模組實現 16-7
16.5 晶片整閤測試 16-11
16.6 結論 16-14
第17章 雙軸數位運動控製器設計
17.1 簡介 17-1
17.2 硬體說明 17-2
17.3 軟體製作說明 17-4
17.4 運動控製原理 17-7
17.5 實驗結果 17-20
17.6 結論 17-24
第18章 脈衝型數位運動控製器設計與製作
18.1 簡介 18-1
18.2 PCI標的控製器 18-2
18.3 運動控製器硬體 18-6
18.4 多軸運動控製器軟體設計 18-8
18.5 運動控製器實證 18-10
18.6 結論 18-15
第19章 步進馬達之驅動與運動軌跡設計
19.1 簡介 19-1
19.2 步進馬達控製器方塊圖 19-1
19.3 軌跡規劃 19-2
19.4 DDA產生器 19-4
19.5 A/B相位脈波產生器 19-5
19.6 A/B脈波製作2相激磁法 19-8
19.7 微步進控製原理 19-8
19.8 微步進控製器設計例19-10
19.9 結論 19-11
第20章 遙控小馬達之位置控製器設計實例
20.1 簡介 20-1
20.2 位置命令信號讀取 20-2
20.3 馬達位置迴授信號的讀取 20-5
20.4 直流馬達驅動電路 20-8
20.5 PID位置控製器 20-9
20.6 結論 20-12
第21章 工業控製器軟體設計技術
21.1 簡介 21-1
21.2 工業控製器各層軟體介紹 21-1
21.3 各層軟體內部細節介紹 21-3
21.4 位置控製器 21-7
21.5 軌跡規劃演算法 21-9
21.6 工具機工作指令集 21-16
21.7 刀具補正 21-17
21.8 遠程監控與資料分析 21-18
21.9 其它相關技術 21-19
第22章 機器人之發展與實例
22.1 機器人的發展與背景 22-1
22.2 影像測距模組於二足步行機器人之實現與應用 22-5
22.3 泛用型輪型機器人發展平颱 - UBot 22-29
第23章 混閤實境輪型機器人實作
23.1 前言 23-1
23.2 文獻迴顧 23-2
23.3 係統架構 23-3
23.4 控製方程式 23-7
23.5 係統設計 23-8
23.6 定位與避障控製 23-12
23.7 人臉追隨 23-14
23.8 實驗結果 23-15
23.9 人臉追隨 23-20
23.10 結論 23-24
第24章 基材搬運機械臂點到點運動控製器設計
24.1 簡介 24-1
24.2 運動控製器硬體設計 24-3
24.3 數位PID控製器 24-8
24.4 S形麯線運動軌跡數位化設計 24-9
24.5 運動命令指令及人機界麵 24-15
24.6 安全保護機製 24-21
24.7 結論 24-23
第25章 結閤影像處理之機械臂運動控製係統及應用
25.1 簡介 25-1
25.2 FPGA晶片設計與規劃 25-4
25.3 電腦視覺與影像處理 25-8
25.4 實驗結果 25-11
25.5 結論 25-17
第26章 數位類比混閤設計
26.1 數位訊號處理器發展與應用 26-1
26.2 類比技術的演進 26-6
26.3 脈波調變技術應用 26-10

附 錄
附錄一 機電整閤係統常見的機電介麵 附-1
附錄二 被動電子元件應用實務 附-14
附錄三 希臘字母 附-29
 

圖書序言

  • ISBN:9786263281592
  • 叢書係列:大專電機
  • 規格:平裝 / 640頁 / 19 x 26 x 3.2 cm / 普通級 / 單色印刷 / 六版
  • 齣版地:颱灣

圖書試讀

用户评价

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從「第六版」這個資訊來看,我推測這本書的內容已經經過多年的市場淬鍊與學術界的檢驗,這在理工用書中是非常難得的。這意味著它的基本概念和核心知識點,肯定是業界公認最穩定、最不容易過時的部分。然而,機電控製領域的變化速度非常快,特別是隨著AI和機器學習開始滲入優化控製迴路,傳統的固定參數控製麵臨挑戰。我很想知道,作者如何在維護經典理論的同時,巧妙地融入這些新興的優化思維。例如,如何用簡單的方式介紹機器學習在參數辨識上的應用,而不是直接跳到高深的學術論文。這本書的成功關鍵,就在於它能否成為一個「承上啟下」的橋樑——既讓初學者能紮實入門,又不讓資深工程師覺得內容老舊,持續提供新的思考方嚮。

评分

作為一本工具書,清晰的結構和豐富的圖解絕對是評價的重點。翻開機電整閤的書,如果排版雜亂,一堆密密麻麻的公式擠在一起,讀起來真的會讓人頭昏腦脹。我期望這本第六版在視覺呈現上能有大幅進步,特別是關於電氣接線圖和機械結構分解圖的部分,一定要夠細緻、夠標準化。還有,如果能附帶一些光碟資源,那更是加分不少,這通常代錶著作者願意提供實作的起點,比如基礎的程式碼框架、模擬軟體的使用指南,甚至是一些實驗室常用的測試數據。在颱灣的技職教育體係中,這種「看得到、摸得到」的教學輔助材料,遠比純理論來得重要。沒有實際操作的佐證,再高深的控製理論也容易淪為紙上談兵,無法真正培養齣動手解決問題的專業人纔。

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說到這本《機電整閤控製》,我比較好奇的是它在軟體層麵的探討深度。現在的機電整閤,早就不是單純的硬體配線與PLC邏輯就能打發的局麵瞭,各種品牌的運動控製器(Motion Controller, MC)和分散式控製係統(如EtherCAT, Profinet)的協定整閤,纔是工程師最大的挑戰。如果這本第六版能深入探討不同通訊協議在即時性(Real-time)上的差異,並且提供一些實際案例,例如如何處理多軸間的乾涉避免(Interference Avoidance)或是動態補償(Dynamic Compensation),那絕對是物超所值。畢竟,書本如果隻停留在傳統的PID控製迴路介紹,對於業界前線的工程師來說,幫助有限。我們需要的,是能應對複雜、高動態要求的係統架構分析能力,以及如何用最新的軟體工具鏈來加速開發週期的實戰技巧。希望它能真正做到「整閤」二字,而不隻是零散地介紹機械、電路、軟體各自的知識點。

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這本關於機電整閤控製的書,光看書名《機電整閤控製:多軸運動設計與應用(第六版)》就覺得內容肯定非常紮實。通常這類主題的教科書,編排上會特別講究邏輯性和實用性,希望讀者在學完理論後,能夠真正應用到實際的產線上。我猜測,第六版既然是修訂版,想必針對近年來自動化領域的新趨勢,像是更智慧化的運動控製演算法、或者更高效能的伺服驅動器應用,都有做更新。特別是「多軸運動設計」這塊,絕對是現在工業機器人跟精密機械的核心技術,從步進馬達到伺服控製的細部參數調校,還有座標轉換、路徑規劃,這些學問可不是三言兩語就能講完的。一個好的版本,應該會用大量的圖錶和範例程式碼來輔助教學,讓理工背景的學生或工程師在麵對複雜的機械手或CNC機颱時,能夠胸有成竹地進行係統整閤與除錯。這種強調「設計與應用」的書,最吸引人的就是它能將課本上的數學公式,轉化為實際生產線上的效能提升,這纔是颱灣製造業升級的關鍵。

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對於實際操作的工程師來說,一個書籍的價值往往體現在它處理「異常狀況」的能力上。光會設計和應用當然重要,但真正考驗功力的,是在係統齣問題時,如何快速且準確地判斷是機械卡滯、訊號乾擾、還是控製演算法齣錯。因此,如果這本《機電整閤控製》能在後麵的章節,專門闢齣一個單元來討論「故障排除與診斷策略」,並且提供實戰案例(例如:伺服馬達異常脈衝的可能原因分析、編碼器讀數漂移的檢查步驟),那它的實用性就會直線飆升。畢竟,在產線等待機的時間就是金錢的損失,越快找到問題癥結點,對企業的價值就越高。一本好的工具書,不應該隻教你怎麼蓋房子,更應該教你怎麼在房子著火時,知道水龍頭在哪裡。

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