作者：杨世明
出版社：电子工业出版社
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机械设计(上册)——机器与机构分析和设计试读：
前言
本书根据教育部高等学校机械基础课程教学指导分委员会2011年编制的机械原理课程教学基本要求、机械设计课程教学基本要求、机械工程实践需要和多年教学实践经验编写而成。
本书内容包含五篇，第一篇导论，第二篇机构分析与设计及机械系统运动方案设计，第三篇机械系统动力学，第四篇机械零件设计，第五篇现代机械设计方法概论，包括我国高等院校机械类专业机械原理和机械设计课程教学内容，且按机械设计实践的一般步骤编排教材内容。这样编写基于下述考虑：突出机器设计规律和一般步骤，便于学生掌握机器设计的内涵和规律，加强学生机器设计能力培养；传统机械设计课程（教材）并没有包含机械系统运动设计部分，实质上主要还是机械零件设计的内容。
全书分上、下册出版，上册的主要内容为机械原理课程教学基本要求规定的教学内容，下册主要内容为机械设计课程教学基本要求规定的教学内容。
本书比较系统地讲述了机器设计的概念、目标、内容、原则与主要考虑的问题、机械设计工程师的社会责任和职业道德等内容，目的是使学生能在产品研发的初始阶段有章可循，提高学生设计机器的能力。为了培养学生的创新意识、提高学生使用现代设计方法的能力，把现代机械设计方法单独编写为一篇，介绍了常用的现代机械设计方法。
机械零件设计部分尽量采用实物照片或立体图和新的国家标准，在附录中给出了学生完成习题需要的一些资料。
参加本书编写工作的有杨世明（第1章、第2章、第19章、第20章和第22章）、金国光（第3章）、刘卉（第4章）、冯志友（第5章，第8章、第9章、第10章、第11章和第12章）、武宝林（第6章、第7章）、赵镇宏（第13章、第14章、第15章、第16章、第17章和第18章）、高淑英（第21章、第23章和第24章），主编杨世明，副主编冯志友、刘卉和赵镇宏。上册由冯志友统稿，下册由杨世明、赵镇宏统稿。
尽管编者为本书付出了许多努力和心血，但疏漏和不当之处在所难免，希望机械原理、机械设计课程的教师和其他读者批评指正。
编者
2013年1月第一篇 导论第1章 绪论
在生产过程中直接运用电力或其他动力来驱动或操纵机械设备代替手工劳动进行生产的措施称为机械化，机械化是提高劳动生产率和减轻体力劳动的重要途径。机械化代替手工工具，提高劳动生产率，是社会生产力发展到一定阶段的必然产物。毫无疑义，机械化的核心是机械设备。因此，装备制造业是国民经济持续发展的基础，是工业化、现代化建设的发动机和动力源，是技术进步的主要舞台、国防安全的保障、发展现代文明的物质基础。没有先进的装备制造业去不断地、持续地武装、改造和提升各产业部门的装备和生产运行水平，实现对环境友好的可持续发展，就谈不上现代化。对中国这样的人口大国，没有自己的强大装备制造业，要实现工业化和可靠的现代化是不可能的。我国在20世纪下半叶，通过自力更生、艰苦奋斗，启动了工业化进程，建立了较为完整的工业体系，但是与发达国家相比，我国的装备制造业还有较大差距。我国虽有不少产品产量已居世界前列，但技术含量和产品附加价值较低。十六大报告指出：“用高新技术和先进适用技术改造传统产业，大力振兴装备制造业。”提高我国装备制造业水平的核心工作之一是提高装备制造业企业的研制开发和技术创新能力，提高核心竞争力。设计工作是装备制造业的命脉，企业要不断推出具有竞争力的产品，必须有先进的设计。1.1 机器的组成
1.机器的组成
机器是执行机械运动的装置。一台机器一般由动力部分（原动机）、传动部分、执行部分（工作部分）、操纵监测控制系统和辅助系统（润滑、照明等）组成，如图1-1所示。图1-1 机器的组成
按工作类型来分，机器可以分为三类：动力机器、工作机器和信息机器。
动力机器的功能是将非机械能转化为机械能，或将机械能转化成其他形式的能量，如内燃机、电动机和发电机都是动力机器。
工作机器的功能是完成有用的机械功或移动物品，如金属切削机床、汽车、飞机、水压机、吊车和输送机等。
信息机器的功能是完成信息的传递和转换，如复印机、绘图机、照相机、传真机等。
图1-2所示为一台带式输送机，其功能是输送物料。它主要由电动机、减速器、输送带及其支承轴、联轴器、机架和操纵系统等组成。电动机进行能量转换输出运动和机械能，通过联轴器，经减速器减速增扭，再经联轴器带动输送带按设计的速度运行，实现物料的输送。图1-2 带式输送机
图1-3所示为一台全功能数控车床。数控车床一般由以下几部分组成：主机——数控车床的机械部件，包括床身、主轴箱、刀架尾座、进给机构等；数控装置——数控车床的控制核心，其主体是控制数控系统运行的一台计算机；伺服驱动系统——数控车床切削工作的动力部分，实现主运动和进给运动；辅助装置——数控车床的一些配套部件，包括液压、气动装置及冷却系统、润滑系统和排屑装置等。数控车床能对轴类或盘类等回转体零件自动完成内、外圆柱面，圆锥面，圆弧面和直、锥螺纹等工序的切削加工，并能进行切槽、钻、扩和铰等工作。
图1-4所示为单缸往复活塞式内燃机。活塞式内燃机将燃料和空气混合，在其气缸内燃烧，释放出的热能使气缸内产生高温、高压的燃气。燃气膨胀推动活塞做功，再通过曲柄滑块机构或其他机构将机械功输出，驱动从动机械工作；常用凸轮机构控制气门运动。图1-3 数控车床图1-4 内燃机
2.有关名词
机械是机器和机构的总称。机构是用来进行运动变换和传递力的最简单的机械系统，如曲柄连杆机构。一台机器至少有一个机构。构件是机构的运动单元。组成机器的不可拆的基本单元叫做机械零件或零件，如螺钉、齿轮、轴、弹簧等。为完成同一功能在结构上组合在一起的若干零件叫做机械部件或部件，如联轴器、轴承等。在机械设计领域，一般把零件和部件泛称为零件。各种机器中普遍使用的零件叫做通用零件，如齿轮、轴、螺栓、轴承等。按国家标准或行业标准生产的零件称为标准件。1.2 本书与机械原理和机械设计课程的关系
1.机械设计、机器设计和机械零件设计
在我国，机械设计一般有两个含义，在机械工程领域，机械设计指机械方面产品的设计，包含机器的设计、机械零部件的设计，甚至包括机械系统的设计和机械装置（如夹具）的设计。在高等工程教育领域，机械设计是主要讲授机械零部件设计的一门课程。我国从20世纪50年代初到1987年，在学习苏联的背景下，设置了机械原理和机械零件课程，1987年机械零件课程改为机械设计课程。在我国，通常定义机械是机构和机器的统称。因此，按我国目前机械设计课程教学内容看，课程名称和课程内容有某些不对应。
根据机械原理和机械设计课程教学的基本要求，这两门课程研究的内容都属于机械设计范畴。
因此，有理由认为，应该把机械设计与机器设计、机械零件设计区分开来。因此，本书中使用机器设计、机构设计（综合）、机械零件设计等术语，而不是笼统地使用“机械设计”这一术语。机器设计、机构设计（综合）、机械零件设计等都是机械设计的具体内容。
明确机械设计、机器设计和机械零件设计区别的另一个考虑是，在研究对象、研究内容等方面，机器设计和机械零件设计有明显的区别。机器设计从满足机器的功能、性能的角度，从整体和系统的角度研究设计机器的问题；机械零件设计主要研究为实现对机器功能和性能的要求，设计具体机械零件的问题。
2.本书与机械原理和机械设计课程的关系
本书分上、下册，主要包含五篇内容，即导论、机构分析与设计和机械系统运动方案设计、机械系统动力学、机械零件设计和现代设计方法简介。内容覆盖我国本科机械类专业的机械原理和机械设计课程内容。机构分析与设计和机械系统运动方案设计、机械系统动力学两篇包含了机械原理课程教学基本要求的主要内容，机械零件设计一篇包含了机械设计课程教学基本要求的主要内容。
机械是机构和机器的统称，机器设计的重要内容之一是机械运动学和动力学设计。因此，概念上机械设计包含机构分析设计、机器运动系统设计及机械系统动力学的内容（即机械原理的内容）。从机械工程实际看，其重要内容之一是机器的设计及制造（研发）。如前所述，机器设计的重要内容之一是机械运动学和机械系统动力学设计。因此，机械设计工作同样包含机械原理课程的内容。所以，我们认为，无论从概念还是从工程实践看，机械原理课程的内容都是机械设计的一部分，编写一本《机械设计》教材，其内容涵盖机械原理和机械设计课程内容，符合机械设计的内涵和机械工程实践。
与机械原理和机械设计课程教学大纲要求相比，本教材还增添了部分内容，主要是有关机器设计和现代设计方法的内容。1.3 课程的任务和学习方法
1.机械原理和机械设计课程的任务
机械原理课程的任务是：掌握机构学和机器动力学的基本知识、基本理论和基本技能，学会常用机构的分析和设计方法，并具备常用机构分析设计的能力、进行简单机械系统运动方案设计的初步能力。
机械设计课程的任务是：掌握机器设计的基本知识和机械零件设计的基本理论和方法，具备对机械工程问题进行系统表达、建立模型、分析求解和论证的能力，具备设计常规条件下通用机械零件的能力和设计简单机器的能力。
2.机械原理和机械设计课程的学习方法
机械原理和机械设计课程的特点是：研究内容多，包括设计机器的基本知识，机构分析设计及机械系统运动方案设计的基本知识、基本理论和方法，通用机械零件设计的基础知识、基本理论和方法等，以及设计工程师的社会责任等，涉及许多概念、理论、方法、公式、图表等；与先修课程联系多，联系较多的有机械制图、高等数学、材料力学、工程材料和成型技术基础等课程；与机械工程实际联系紧密，实践性强。
机械原理和机械设计课程是机械工程专业培养学生机械设计能力的主干课程，一般称之为技术基础课。机械原理和机械设计课程不仅为专业课程学习提供基础，在该课程中讲授的知识和培养的能力是机械设计人员在设计机械产品过程中直接需要的。
对于机械原理和机械设计课程的学习，有以下建议，供参考。
树立“装备制造业是国民经济的基础产业，设计工作是装备制造业的命脉”的观念，要热爱机械行业，坚信在装备制造业有用武之地、可以发挥自己的才干。
掌握机械设计的基本知识、基本理论和基本方法，重视实践环节。人的能力必须通过主体的积极活动才能得到发展，认真完成习题、大作业、课程设计等内容。
机械原理和机械设计课程研究的内容是有规律的。常用机构及其设计部分，基本按机构组成和分类、机构的特性和有关理论、机构设计的顺序论述；机械零件设计部分基本沿以下主线论述：①机械零件的结构、工作原理、标准、选材、特点和应用；②工作情况、受力和应力分析；③参数设计、结构设计和选型，包括失效形式和原因、设计准则、设计方法和步骤等；④润滑密封、安装维护等。
在学习中，要掌握相关理论和方法、寻找研究规律，举一反三，提高分析和设计能力。
注意教材和设计手册中公式、图表的使用，注意设计工作要符合有关标准。1.4 单位
单位是量度中作为记数单元所规定的标准量，如米为计量长度的单位。我国采用的是国际单位制。单位制就是在选定了基本单位以后，再以一定的关系由基本单位构成一系列导出单位，这样的基本单位和导出单位构成的一个完整的单位体系就叫单位制。
我国的法定计量单位包括：（1）国际单位制的基本单位；（2）国际单位制的辅助单位；（3）国际单位制中具有专门名称的导出单位；（4）国家选定的非国际单位制单位；（5）由以上单位构成的组合形式的单位；（6）由词头和以上单位所构成的十进倍数和分数单位。
国际单位制是以长度的米、质量的克、时间的秒、电流的安培、热力学温度的开尔文、物质的量的摩尔和发光强度的坎德拉7个单位为基本单位，以平面角的弧度、立体角的球面度两个单位为辅助单位，以及按一贯制原则导出的单位所构成的单位制。国际单位制具有统一性、简明性、实用性、合理性、精确性及继承性等优点。
在讲英语的国家中，还普遍使用的是英尺-磅力-秒制（FPS）或英寸-磅力-秒制（IPS）。
学生在做习题时应仔细检查所列方程的单位，在毕业后工作时更应该如此。如果不检查单位，有可能产生错误。
顺便介绍一下数值的精确度。具有八位或十位或更多位显示能力的计算机很容易得到更高的精确度。当人们计数时，其结果总是精确的。例如，人们要购买8个螺栓，总可以不多不少地恰好买到8个。但是测量总是得到近似值。例如，有人称自己的体重，可以得到的体重是65kg，这并不表明是65.000kg，因为小数点后的三个零表明能读到千分之几千克的刻度。所以，65kg仅仅意味着比起64kg或66kg来这个人的体重更接近65kg。任何一个数值，其隐含的精确度是加减用来确定数值的最后一位有效数的一半。例如，用最小分度值为0.1单位的直尺测量一个杆的长度为18.5，有效数值有三位，这个测量值的精确度为±0.05。写成18.50的数值包括四位有效数字，意味着精确度为±0.005。2.80E-03与0.00280相等且有三位有效数字。去掉非有效数字的过程叫圆整，圆整的规则见有关文献。
数值作乘法和除法运算的结果的有效位数不大于具有最小有效位数的精确值的有效位数。例如
应圆整为175，因为1.68有三位有效数。
数值作加法和减法运算时，在运算前将所有的数值圆整到比最小精确度的数值的有效位数向右多一位有效数；然后进行运算；最后，将答数圆整到和最小精确度的数值具有相同的有效位数。例如，计算以下各数的和：
在这些数值中，104.2具有最小精确度，利用圆整规则，先计算：
再将结果圆整到119.4。习题
1-1 机械设计课程研究的内容是什么?
1-2 机械设计课程主要培养哪些能力?第2章 机器设计概述2.1 设计的概念“设”的含义之一是筹划，“计”有主意、谋划的意思。作为动词，设计的核心意思是谋划、确定方案。《现代汉语小词典》对“设计”的解释是：在正式做某项工作之前，根据一定的目的和要求，预先制定方法、图样等，也就是对某项工作制订计划或实施的依据。
图2-1所示是大家熟悉的赵州桥，建于隋代，由著名匠师李春设计和建造，距今已有约1400年的历史，是世界上现存最早、保存最完善的古代敞肩石拱桥。可以证明，优秀的设计是这座著名桥梁的基础。图2-1 赵州桥
图2-2所示是空客380飞机，能载客550余人。据文献介绍，一架大型飞机有数百万个零件，对于这样复杂的机器，设计的重要性不言而喻。图2-2 空客380飞机
一般地，设计是许多专业的重要工作内容，内容却大相径庭。建筑设计是制定符合功能要求、与周围环境协调、具有美和文化特征的建筑物施工依据；电气工程师设计控制系统则确定控制原理、选择硬件、布线等；服装设计是设计师根据设计对象的要求进行构思，并绘制出效果图、平面图，再根据图样进行制作，完成设计的全过程。设计兼有技术和艺术的属性。
设计作为一项工作，其目标是获得图样、图案和计划等，出发点是某种需要，过程是设计工程师（设计师）在约束范围内，通过分析、构思、计算、判断、选择和实验等，得到实现某种需要的计划或实施依据的过程。从设计角度讲，机械设计是根据功能和性能要求，对机器的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和结构、润滑方法等进行构思、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造的依据的工作过程，是一项创造性工作。
机械产品的竞争力主要取决于质量和价格，产品质量主要取决于精心设计、优异制造和严格管理，设计是基础。
优秀的产品必然以独特的设计思维为基础，优秀的产品可以让人们看到设计团队或个人设计思维的力量和作用。
对机械产品的功能和性能要求越高，机械产品越复杂，影响其功能和性能的因素越多，各因素与功能和性能的关系越复杂，设计中要分析讨论的内容越多，设计越重要。
鉴于设计对机械产品的重要作用，国内外的科技工作者在探讨设计规律和提高产品的设计质量方面进行了许多工作，提出了数十种设计理论和方法，如普适设计方法学、公理化设计理论、TRIZ发明解决问题的理论、QFD设计法、三次设计法、创新设计、绿色设计、功能设计、机构设计、智能设计、可靠性设计、摩擦学设计、优化设计、虚拟设计、数字化设计等。由于人和生产对机械产品功能和性能的要求不断提高、影响功能和性能的因素众多、功能和性能与影响功能和性能的因素的关系的复杂性及企业的实际情况不同，还没有一个设计理论或方法能适应任何设计，这也注定还会不断出现新的设计理论和方法。2.2 机器设计的目标与内容
1.机器设计的目标
机器设计的目标主要有技术目标、经济目标、时间目标、售后目标、环境目标等。技术目标指功能目标和性能目标，功能目标分为主功能目标和辅助功能目标；性能目标主要包含功能保障指标、安全性指标、可靠性指标和效率指标。经济目标指设计、制造成本低。时间目标指设计、制造周期指标，或者说，机器制造商对客户要求能快速反应。售后目标主要指方便维修和再制造。环境目标指对环境的影响和能源消耗指标。
机器是一种产品，在社会上流通、使用。因此，用户和社会对机器的要求就是设计目标。设备用户对机器的要求有：满足生产（生活）需要、技术先进、经济合理、供货周期短、维修维护方便和符合法律法规等。设计师追求的设计目标涵盖了用户的要求。例如，技术目标体现了“满足生产（生活）需要”、“技术先进”的要求；经济目标体现了“经济合理”的要求；时间目标体现了“供货周期短”的要求；售后目标体现了“维修维护方便”的要求。社会对机器的要求基于平衡机器用户利益和非所有者利益，并考虑社会的可持续发展。因此，提出的设计要求主要是保证安全可靠、对环境的破坏性要小、资源的利用率要高和保护知识产权等，体现在技术目标、环境目标和法律目标上。
设计目标对设计过程起指导作用。设计师对设计目标的深刻理解是设计优秀产品的基础。设计师应根据机器应用场合等具体情况，明确优先考虑的设计目标。
2.机器设计的内容
机器是人为实物组合体，执行机械动作，能实现预期功能要求。因此，机器设计内容主要包含：工作原理选择、运动方案设计、机器总体结构设计、机械零部件设计、外观设计、监控和诊断系统设计等。
以产品设计内容命名的设计方法有20余种。根据不同的设计理论，对一个内容可以用多种设计方法进行设计。对机构设计，有运动学设计、精度设计、动力学设计等。对机械零件设计，有强度设计、刚度设计、可靠性设计、摩擦学设计、寿命设计等。
技术指标、经济性、研发周期、品牌等决定了产品的竞争力。设计师要根据企业的竞争策略，考虑机器用途、性能要求等选择具体的设计内容，保证机器可靠、安全、经济、高效地运行，实现功能和性能要求，满足市场需要。
从设计目标和设计内容角度讲，设计过程就是在满足设计目标的前提下，完成上述设计内容，以制造出有竞争力的机器产品。2.3 机器设计类型与过程
1.机器设计的类型
机器设计一般可分为开发型设计、适应型设计和变参数型设计。（1）开发型设计。根据机器产品的功能需求，应用科学原理、成熟技术或经实践证明可行的新技术，设计过去没有的新机器。（2）适应型设计。根据使用经验和技术发展，对已有的机器进行设计更新，以提高其性能、降低其制造成本或减少运行费用。（3）变参数型设计。为适应新的需求，对已有的机器做部分的修改或增删而发展出不同于标准型的变型产品。
2.机器设计过程
有关机器设计过程的描述还没有统一，但差异不大。开发型机器设计的一般步骤如下。
1）提出机器研发目标
根据生产或生活等的需要，提出研发新机器的目标。此时对所要设计的机器一般只有一个模糊的概念。
背景调查，掌握相关信息。针对要设计的机器，进行需求调查、市场预测、可行性论证等。
明确设计目标。根据市场调研和技术预测等，进一步明确机器应具有的功能，并提出相关的环境、经济、设计制造周期等方面的约束条件，形成设计任务书。
确定功能、性能要求。主要是针对设计任务书提出的机器功能，进行分析、实验，最后确定出机器的功能、性能参数。
2）原理方案设计
设计者根据机器设计基本原则，拟订多个原理设计方案（机器工作原理和机构运动简图），并对方案进行技术经济分析和评价，选择最佳方案。
结构方案设计。确定机器布局、主要尺寸，以及主要零部件的结构、材料和尺寸及相互的配置关系等，完成机器总体结构设计方案图。
3）详细设计
根据已确定的结构方案，绘制总装配图、部件装配图和零件图，编写技术文件等。
4）制作样机和试验
通过样机制造、试验来检验设计的正确性，并进行成本核算，最后通过样机鉴定。
5）改进设计，销售
根据样机试验、使用、鉴定所暴露出的问题，进一步修改设计，完善设计，保证产品设计质量。
应该指出，实际的机械设计工作经常不是简单的串行工作，并行设计已广泛应用于机械产品设计；在一个阶段性工作完成后，要进行评价，并根据评价结果修改、完善设计方案，是不断循环反馈过程。
设计和生产、生活及未来密切相关，所以当前人们对设计工作越来越重视。2.4 机器设计主要考虑的问题及特点
设计对机器在市场上的竞争力有决定性作用。优秀的设计一定能满足市场的需求。机器设计主要考虑的问题是根据经验得出的，设计师在设计时必须考虑的问题是设计目标的具体化描述。2.4.1 机器设计主要考虑的问题
机器设计要满足设计目标，在机器设计中认真考虑如下问题，有助于实现设计目标。（1）执行构件的动作是否能实现，具体而言，其角位移、角速度和角加速度，以及点的位移、速度和加速度是否满足工艺要求，构件间运动是否协调。（2）机械零件受力是否清楚，强度和刚度是否满足要求。（3）机件运动时是否会发生干涉。（4）机件材料选择是否适当。（5）零件是否方便制造。（6）设计周期和制造周期是否满足用户的要求或竞争的需要。（7）产品定位及成本是否满足市场需要。（8）机器轮廓尺寸是否紧凑，色彩是否合适。（9）是否有先进的技术能应用于正在设计的机器，以提高性能或性价比。（10）是否有利于操作，是否方便维修。（11）是否能确保人机安全。（12）机器运转是否稳定可靠，机器寿命是否满足要求。（13）运转状态是否可以观测。（14）是否方便运输和安装。（15）是否对环境无害，是否减少能源消耗，是否有利于回收利用。2.4.2 机器设计的特点
了解机械设计的特点，有利于掌握正确的机械设计思维方式，避免思维错误导致的重大设计失误。
1.机器设计是一项不断构思、分析评价、选择、反馈的过程
设计的本质是革新和创造。在设计中，总有新的东西被创造出来，模仿不是设计，创造离不开构思。在一个构思从出现到实现的过程中，必然经过各方面的考察、研究、确定等环节，如是否符合科学原理、实现成本、所需时间、占用空间、安全性等。因此一个构思可能被采用，也可能被放弃，也可能被修改，直至问题得到解决。可以这样讲，机器设计的过程就是针对设计目标，不断构思、分析、评价、选择、反馈的过程，不可能一蹴而就。注意，要把问题放在机械系统设计的大背景中考虑。
2.与设计制造周期和经济性密切相关
设计是影响产品经济性的重要因素，设计者必须牢固树立对产品的经济性负责的理念。提高产品经济性可以采取以下几方面的措施：（1）进一步改善和简化设计，减少零件数目，提高产品标准化、系列化和通用化程度；（2）尽量采用廉价材料；（3）提高零件加工、装配和维修的工艺性，合理选择精度、表面粗糙度；（4）提高企业管理水平。
设计者的核心工作是设计满足人类不断增长的需求的产品，设计是产生有市场竞争力产品的一个重要环节。产品竞争力受许多因素影响，如产品功能原理的新颖性、产品技术性能的先进性等，设计制造周期也是一个不容忽视的因素。要用高速度、高质量、多品种去竞争，设计者必须考虑缩短设计制造周期，以提高产品竞争力。
3.要考虑机电一体化
机电一体化是微电子技术向机械工业渗透逐渐形成的一个新概念，机电一体化是现代机械的一个重要特点，是机械发展的一个方向。数控机床、数码相机、加工中心、打印机、高级汽车、航天飞机等无一不是机电一体化的产物。机电一体化系统一般由机械本体部分、传感器部分、控制与信息处理部分、驱动部分、执行部分和接口部分等组成，如图2-3所示。图2-3 机电一体化组成要素
机电一体化系统设计要求见表2-1。表2-1 机电一体化系统设计要求
4.CAD已渗透到机械设计的许多方面
计算机辅助设计简称CAD。目前CAD能承担的主要工作包括如下几方面。（1）建立产品设计数据库。产品设计数据是指设计某类产品时所需的各种信息，如有关标准、设计线图和表格、设计公式等。产品数据库可供CAD作业时检索或调用。（2）建立应用程序库。应用程序库指汇集了解决某类工程设计问题的通用或专用设计程序，如通用数学方法设计计算程序、常规机械零部件设计程序、优化设计程序、有限元法计算程序等。（3）建立基础图形库。在通用CAD系统平台上开发产品设计所需的标准件库、零部件库等。（4）实施产品CAD。根据设计要求建立产品模型，包括几何模型和材料、制造精度等非几何模型；通过人机交换方式对初步设计模型进行实时修改，确认结果；对设计方案、制造甚至装配进行仿真。
目前国内使用较为广泛的CAD软件主要有如下几种。
1）AutoCAD
AutoCAD是美国Autodesk公司的产品，是微机平台的主导CAD软件，在世界上拥有数以百万计的用户群体，其图形数据文件格式已成为一种事实上的国际性工业标准。其主要特点如下：强大的二维设计环境、三维实体建模、面向对象的特性管理、设计中心、网络互联与浏览、二次开发。
2）Unigraphics
Unigraphics（简称UG）是起源于美国麦道（MD）公司的产品，是Unigraphics公司的一个集成化机械CAD/CAE/CAM软件，被多家美国和世界著名公司选定为企业计算机辅助设计、分析和制造的软件。UG软件现已广泛应用于我国的航空航天、汽车、通用机械和模具等各个领域。其主要特点是具有CAD功能、CAE功能、CAM功能、钣金设计功能、PDM功能。
3）Pro/Engineer
Pro/Engineer系统是美国PTC（Parametric Technology Corporation）公司的产品，它从工程角度出发，以先进的参数化设计和基于特征的实体造型而著称。整个系统建立在统一的数据库上，具有完整、一致的模型，能将整个设计与生产过程集成在一起。其主要特点有：参数化特征建模、全相关、装配功能、家族表Family Table、制造自动化、丰富的接口和界面。
4）CADDS5
CADDS5软件是美国CV公司的集CAD/CAE/CAM于一体的软件包，为用户提供了完善的混合建模工具和集成化的多应用设计环境。CADDS5主要是工作站CAD平台，目前已推出其微机版本。其主要功能特点是：强大的建模与参数化、特征造型、曲线曲面功能、CAM与数控编程、强大的PDM功能、良好的图形用户界面和在线命令提示。
5）SolidWorks
SolidWorks是美国SolidWorks公司开发的一套低成本、基于特征建模的微机实体造型系统，能够在Windows系列平台环境下运行。其主要特点如下：特征造型、草图设计和草图的特征建模、面向对象的连接和嵌入、装配设计、工程绘图、结构分析CAE、数控加工CAM、产品数据管理PDM。
5.多解和优化
由于现代机器本身是一个复杂的系统，在设计时还要考虑人机关系、机器与市场、社会的关系等，造成影响机械设计方案的因素多、关系复杂，一个问题的解往往不是单一的，设计师要权衡利弊进行选择。为了得到最优解，设计者要充分分析已知条件、要求和各种相关因素，尽可能地提出多种设计方案，经过反复分析、实验、比较，选取最优设计方案。对能够建立数学模型的优化问题，要用优化方法进行优化设计。2.5 机器设计的原则
原则是观察问题、处理问题的准绳。以下是设计机器的基本原则。
设计机器的过程可视为求解的过程，目标是实现预期功能和性能，设计师在求解的过程中，要考虑法律法规、科学原理与现有技术、制造能力、经济性和文化环境背景等方面的限制。为了设计、制造有竞争力的产品，机器设计应遵循如下原则。
1.满足用户或市场对机器的功能和性能要求
当调试一台新机器时，如果不能满足预期功能和性能指标，问题往往出现在设计上。作为设计者，在设计机械产品时，务必始终把如何实现功能要求和性能指标作为首先要解决的问题之一。
是否满足对功能和性能要求可以从两个方面去考虑：一是能否实现，二是是否可靠。
设计中出现的“很小问题”也会造成设备不能正常运行，如应为左旋的丝杠误设计为右旋的。有些根本没有考虑到的问题可能造成不可弥补的功能缺陷。
2.经济合理
价格无疑是影响产品竞争力的重要因素之一。经济合理的含义是，在满足用户需要的功能的前提下，降低设计、制造和运行成本。性价比是用户十分关心的问题，这意味着低价不是提高产品竞争力的唯一方法。事实证明，功能适应需求、质量好的产品，即使价格较高也可以占有一定的市场份额。
3.安全性
进行机械设计时，必须保证机器安全运转，防止发生机器故障，确保人员安全。特别是可能导致重大财产损失和人员伤亡的问题，要慎重处理，尽可能做到万无一失。过载和某些零件的不可预测的失效是难以避免的，要考虑出现过载和关键零件损坏可能造成的后果，采取对应的措施，如在起重机械中，要避免在起吊重力作用下机械自动倒转的发生。
4.不断创新
设计是一项创新性工作。企业要提升竞争力，拥有具有自主知识产权的核心技术和关键技术是非常重要的，这些都建立在不断发明和创造的基础上。自主创新能力是整个经济社会发展的重要基点。因循守旧、不敢创新，只能永远落在别人后面。有许多技巧可以提高或激发设计问题的创新性求解。
5.利用先进适用技术和符合科学原理
工程是人们综合应用科学原理和技术手段去改造客观世界的实践活动。设计工作必须符合科学原理，选用先进适用技术意味着提高设计成功率、机器有较好的性能和有竞争力的成本。
6.最优化设计
一般工程设计问题都存在多种可能的设计方案。人们在进行设计工作时，应力求从各种可能方案中选择较好的方案，即优化的方案。“最优化设计”是在计算机性能快速提高且广泛使用的基础上发展起来的一项新技术。实践证明，最优化设计是保证产品具有优良的性能、减轻自重或体积、降低工程造价的一种有效的设计方法。
依作者的经验，重要的是设计者要有“最优化设计”的概念，即使是不能建立数学模型进行优化的问题，也应考虑多种方案，进行比较，择优实施。
7.标准化、系列化、通用化
机械产品的标准化、系列化、通用化是机械设计中应遵循的重要原则。在相同和类似的产品中，提高“三化”的程度，将有利于产品生产成本和使用成本的降低。因为“三化”程度的提高可以减少设计工作量，减少生产准备的工作量，便于维护和维修，其最终结果是，产品总成本的降低、设计制造周期缩短和维修简便。
GB/T 2000.1—2002对标准化的定义是“为了在一定范围内获得最佳秩序，对现实问题或潜在的问题制定共同的和重复使用的条款的活动”。标准化的作用如下：（1）标准化是组织现代化生产的手段，是实施科学管理的基础；（2）标准化是不断提高产品质量的重要保证；（3）标准化是合理简化品种、组织专业化生产的前提；（4）标准化有利于合理利用国家资源、节约能源、节约原材料；（5）标准化可以有效地保障人体健康和人身、财产安全，保护环境；（6）标准化是推广应用科研成果和新技术的桥梁；（7）标准化可以消除贸易技术壁垒，促进国际贸易的发展，提高我国产品在国际市场上的竞争力。
系列化是指通过对同一类产品发展规律的分析研究，对国内外产品发展趋势的预测，结合具体的生产技术条件，经过全面的技术经济比较，对产品的主要参数、形式、尺寸、基本结构等做出的合理安排与规划。
通用化是指在互相独立的系统中，选择和确定具有功能互换性或尺寸互换性的子系统或功能单元的标准化形式。
国家通过颁布、实施标准的方式，对产品安全进行了种种规定，在设计时必须符合国家有关规定。
8.符合人机工程学原理
人机工程学是一门多学科的交叉学科，主要研究的问题是不同的作业中人、机器及环境三者间的协调。社会发展、技术进步、产品更新、生活节奏加快，这一切必然导致产品质量观的变化。人们必将会更加重视产品人性化方面的评价。机器是为人服务的，但也是需要人去操作的。在设计机械时，要使产品符合人机工程学原理，使得人们在使用、操纵机械时，在效率、安全、健康、舒适等几个方面的特性得以提高。要使所设计的机器适应人而不是让人去适应机器。
9.符合国家的相关法律法规和发展战略
在进行机械产品设计中，要符合国家有关法律法规，如《专利法》、《著作权法》、《商标法》、《反不正当竞争法》、《计算机软件保护条例》和《信息网络传播权保护条例》等。
我国是人口众多、资源相对不足的国家，在现代化建设中必须实施可持续发展战略。就机械设计而言，贯彻可持续发展战略的主要内容是使机械产品在制造、使用等环节中尽量节约资源、减少污染物的产生和排放，保护环境。2.6 技术、经济评价
通过技术价和经济价可以定量评价产品的技术性能和经济性能，还可以求出相对价。
技术评价时，对某些性能指标，如质量、体积、生产能力、动力、效率等，可以用数量来衡量，而某些指标（如外观、操作性、维修性能等）则不能。能用数量表示的，由于单位不同，不能简单地直接相加。所以技术评价常用评分的办法，对每一个评价项目以好坏程度给予不同的分值，如很好——4，好——3，一般——2，较差——1，差——0。技术评价的好坏用技术价x表示：
式中，∑P是评定总分；∑P是满分分数。max
∑P=∑P时，x=1表示技术价值最高，x=0.8以上表示是很好的max设计方案，x=0.6以下是不合格设计。
经济评价通常只计算制造费用，因为制造费用是影响成本的最主要因素。经济评价用经济价y表示：
若H=H，即y=1，表示经济价值最高。理想制造费用建议取允许1制造费用［H］的70%。因允许制造费用通常低于销售价格，当H=［H］即y=0.7时，产品仍有利可图。2.7 机械设计师的社会责任与职业道德
从社会关系角度讲，企业是社会的一个小系统，企业的工程师首先是社会的一员，其次才是企业的员工，机械设计师首先应该承担社会责任，其次才承担企业责任。
这样讲的原因是，企业必然以追逐利益最大化为目标；工程师最了解企业的情况，且在企业生产经营活动中起重要作用，当企业不能自律、社会监管不严时，工程师若能不受利益集团的影响，在企业生产活动中以社会责任为行动准则，对确保生产和产品乃至最终造福人类将发挥不可替代的作用。综合看，工程师这样的行为既有利于个人发展，又有利于企业发展。其次，鉴于工程师对企业产品的重要作用和相对独立的工作性质，工程师积极承担社会责任，必将有助于企业生产有利于社会的产品。有利于社会的工程产品的主要特征是：提高生活品质，发展生产力，保护和改善人类环境，保证公众安全、健康，降低能源消耗。
工程师履行社会责任的最好动力是良好的职业道德。发自内心的约束是对人思想和行动最直接和最有效的制约。工程师遵守职业道德是国家对公民的要求。
机械工程师遵守职业道德主要表现在以下几个方面：首先，机械设计师要遵守国家法规和有关规定，如标准、专利法、商标法等；其次，要诚实、守信、公正，有高度的社会责任感，保证产品质量，避免财产损失和公众伤亡；再次，追求科技进步，努力创造和生产有利于提高生活品质和发展生产力的产品；最后，在机械设计中，要贯彻可持续发展战略，提高设计水平，使机械产品在制造和使用中能提高效率、节约资源、减少“三废”产生和排放，以保护环境和公众健康。习题
2-1 机器的基本构成是什么?
2-2 机器设计的基本原则有哪些?
2-3 简述机器设计的特点。
2-4 简述机器设计的基本步骤。
2-5 目前CAD常用软件有哪些，各自的特点是什么?第二篇 机构分析与设计及机械系统运动方案设计第3章 机构的结构分析3.1 引言
机构是一种将运动变换为某种所要求形式的机械装置。要实现机器的功能和把原动机的运动变换为机器执行部分所需要的运动，一台机器中至少包含一个机构。由机构的功能可知，其内部必须具有确定的相对运动。尽管已有大量的机构被人们设计出来，并应用于各种机器、仪器仪表和装置中，机械工程实践中仍需要工程师不断设计新机构。
为了分析和设计机器和机构，机械工程师需要掌握机构的组成及原理、机构具有确定运动的条件、用于机构分析、设计的机构运动简图和机构的结构分类等知识和相关能力。3.2 机构的组成
机构是由具有确定的相对运动的运动单元组成的。图1-4所示的内燃机中的曲柄滑块机构分别由滑块（活塞）、连杆、曲柄和机架四个运动单元组成；凸轮机构由凸轮、从动件和机架三个运动单元组成。称机构的运动单元为构件。通常把不与其他构件高副连接的构件称为杆。3.2.1 运动副
机构包含若干构件，使两个构件之间既保持直接接触，又产生确定的相对运动的可动连接称为运动副。机构是由构件通过运动副连接而成的人为组合体。两构件上直接参加接触而构成运动副的部分称为运动副元素，运动副元素有点、线和面。
构件具有独立运动参数的数目称为自由度。如图3-1所示，一个作平面运动的独立构件有3种独立运动的可能性，即沿X、Y轴方向的移动和在XOY平面内的转动。
当构件与构件之间用运动副连接时，构件的独立运动会受到限制，从而减少自由度的数目。运动副对构件运动的限制称为约束。
运动副有各种不同的分类方法，常见的分类方法有以下几种。图3-1 平面构件的自由度
1.根据两构件的相对运动形式分类
把两构件之间的相对运动为转动的运动副称为转动副（又称为回转副或铰链），如图3-2（a）所示；把两构件间的相对运动为移动的运动副称为移动副，如图3-2（b）所示。依此类推，还有螺旋副和球面副，如图3-2（e）和图3-2（f）所示。
把两个构件间的相对运动是平面运动的运动副称为平面运动副，把两个构件间的相对运动为空间运动的运动副称为空间运动副。
2.根据运动副的接触形式分类
两构件通过面接触构成的运动副称为低副，如转动副、移动副。通过点或线接触构成的运动副称为高副，如齿轮副（如图3-2（c）所示）、凸轮副（如图3-2（d）所示）。由于低副是面接触，所以承载能力较大，而高副是点或线接触，运动灵活。图3-2 常见运动副
3.根据运动副提供的约束数分类
把提供一个约束的运动副称为Ⅰ级副，把提供两个约束的运动副称为Ⅱ级副，依此类推，还有Ⅲ级副、Ⅳ级副和Ⅴ级副。球面副为Ⅲ级副，转动副和移动副都是Ⅴ级副。3.2.2 运动链
两个以上的构件，通过运动副的连接而构成的相对可动的系统称为运动链。若运动链的各构件构成了首尾封闭的系统（如图3-3（a）所示），则称为闭式运动链，简称闭链。若运动链中的构件未构成首尾封闭的系统（如图3-3（b）所示），则称为开式运动链，简称开链。图3-3 运动链
在各种机器中，除机械手等空间机构中采用开链外，多采用闭链。在闭链中，每个构件上至少有两个运动副，在开链中，有的构件上只有1个运动副。
若运动链中的构件上每一点的轨迹都在一个平面内或都在相互平行的平面内，称为平面运动链。若运动链中的构件上的点做空间运动，称为空间运动链。
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