機械設計學知識小結(已修改)

　

【正文】 第一章緒論第一節設計與文明勞動→勞動能力、思維能力→創造性設計的能力設計：通過制作使產品得以實現思維能力具有創造性制作技能（建筑物的基礎工程，橋梁、建筑等大型基礎工程，挖掘機與汽車的行走系統）第二節設計與國家競爭力英、德、美、蘇、日第三節改善設計工作對我國的重要性制造大國與制造強國第四節設計與科學研究科學研究：求知欲與好奇心——發現自然規律設計：需求——發明新產品第五節近代設計科學的重大發展一、“設計學”從古代到現代的三個發展階段 階段1：為“功能”目標而發明某種器械階段2：以經典力學為基礎發展的機械設計體系，包括機械原理和機械零件。運動學——動力學。階段3：回歸“功能”二、近代“設計學”的重大發展 “功能”(Function)思想的提出和發展 “人機學”(Ergonomics，Human Factor)思想的形成和發展“工業設計”(Industrial Design)學科體系的發展相成熟以上三項是近代設計學發展的核心內容。同時：CAD/CAM技術、可靠性技術、有限元、優化、并行工程等。三、“機械設計學”的學科組成 機械設計學學科體系包括以下三方面：(1)功能原理設計(2)實用化設計(3)商品化設計船用抽水機功能原理構思（圖略）第六節機械設計概述機械是機器和機構的統稱?！霸O計”是把各種先進技術成果轉化為生產力的一種手段和方法。它是從合理的目標參數出發，通過各種方法和手段創造出一個所需的優化系統或結構的過程。由想法到產品的過程機械產品設計的一般過程：認識需求→目標界定→問題求解→分析選優→評價決策→表達→實現機械設計特點：(1)多解性；(2)系統性；(3)創新性。第七節機械設計的類型適應性設計、變型性設計、創新性設計第八節概念設計第九節“設計過程”研究及其新發展設計過程、并行工程、協同設計、集成設計第十節 質量功能配置(QFD)和質量屋(House of Quality)質量屋”是質量功能配置（QFD）的核心QFD是一個非常結構化的、矩陣驅動的過程，其運行包括4個階段：（1）將顧客需求轉化產品特性 （2）將產品特性轉化成零件特性（3）將零件特性轉化成關鍵工藝操作（4）將關鍵工藝操作轉化成生產要求第二章機器的組成及典型機器的功能分析有兩個或兩個以上相互聯系配合的構件所組成的聯合體，通過其中某些構件的限定的相對運動，能將某種原動力和運動轉變，以執行人們預期的工作，在人或其他智能體的操作或控制下，實現位置設計的某種或幾種功能。從機構學的角度看：各種基本機構，自由度=原動機數從結構學的角度看：各種基本零件從專業的角度看：各種主要部件機器（總功能）分功能系統 1分功能系統 i分功能系統 n工作機傳動機工作頭執行機構原動機控制器…………按行業按輕重按功能機器工藝類機器加工機床　通用機械食品機械動力機械 醫療機械起重運輸機械機密機械…………非工藝類機器紡織機械印刷機械——家用縫紉機（略）——點鈔機（略）第三章機械產品的功能原理設計功能原理設計：針對主要功能的原理性設計。功能原理設計重點：盡量使思維盡量“發散”，力求多解，便于選優。為什么要突出功能原理設計：功能原理設計對產品的成敗起決定性作用。任何一種機器的更新換代都存在三個途徑：一是改革工作原理；二是通過改進工藝、結構和材料提高技術性能；三是加強輔助功能使其更適應使用者的心理。第一節功能原理設計的工作特點和工作內容用一種新的物理效應來代替舊的物理效應，使機器的工作原理發生根本的變化的設計。手動變速箱（圖略）液力變矩器原理（圖略）轉矩傳遞過程：（1）泵輪轉動，渦輪不動。（2）泵輪與渦輪轉速差較大時，形成渦流。（3）泵輪與渦輪轉速接近時，形成環流。磁帶機（圖略）無人駕駛小車（圖略）構思新原理的步驟：明確功能目標：裝設導向系統的費用要??；允許擴充和調整設備，變動運輸路線；在擁擠的工作環境中小車能靈活運行。提出的原理性設想：應用慣性導航技術，利用所設參考點用于制程序給出理論軌跡并作軌跡誤差的修正；應用傳感器引導繞過障礙物；在共建轉接戰上用超聲波定向，使小車實現準確定位。第二節功能、功能單元和功能結構機器（總功能）分功能系統 1分功能系統 i　分功能系統 n工作機傳動機工作頭原動機控制器…………執行機構什么是功能：某一機器(或裝置)所具有的轉化能量、運動或其它物理量的特性。系統工程學的觀點：一個技術系統在以實現某種任務為目標時，其輸入量和輸出量之間的相互轉換的關系。系統工程學：用“黑箱”描述技術系統的功能技 術 系 統信息流S（進行 能量流E 的轉換)物料流M輸入(IN)輸出(OUT)信息S能量E物料MS’E’M’（黑箱）（BLACK BOX)設計者的任務：使“黑箱”變成“白箱”：獲得一個完美的機械產品，實現預定的功能。任何技術系統都可以視為三種流的處理系統：能量流、物料流、信息流。硬幣計數包卷機外形圖（圖略）功能單元：將總功能分解成較為簡單的、具有一定的獨立性、可以直接求解“功能單元”，也稱“功能元”。直接實現總功能的各分功能稱為一階分功能；實現一階分功能的分功能稱為二階分功能，并以此類推。分解到末端的為功能元。硬幣計數包卷機功能分解圖（圖略）功能結構功能結構圖：用來表示各分功能之間關系的框圖。功能分析：由總功能分解為分功能，最后作出功能結構圖。也可稱為“系統分析”。用功能樹法進行露天礦開采挖掘機的方案設計（略）功能元組合：相容矩陣法露天礦開采挖掘機黑箱示意圖（圖略）第三節功能原理的發展歷史及基本類型功能原理設計的兩個工作特點：功能原理設計是一種綜合，無定法可循。功能原理設計所要求解的問題是有多解的問題，即既不是只有唯一解，也不是絕對無解，而且也很難得到絕對理想的解。功能原理分類：動作功能、工藝功能根據功能的技術特點分類：綜合技術功能：綜合運用機、光、電、磁、熱、化……各種“廣義物理效應”（非純機械）去實現各種動作功能和工藝功能。“關鍵技術”（“Know How”）：某個企業或部門獨有的技術，暫時還沒有被別人掌握。磁記錄的記錄方式示意圖（圖略）功能類型總結：功能類型動作類工藝類簡單動作功能復雜動作功能工藝功能關鍵技術功能綜合技術功能（純機械）（廣義物理效應）第四節兩種動作功能及其對應的求解思路類型：簡單動作：一次性動作復雜動作第五節工藝功能及其對應的求解思路工藝功能：工件頭和工作對象相互配合，實現一種功能。兩個重要因素：（1）采用哪種工藝方法（2）工作頭采用什么形狀和動作工藝功能的特點：工作頭的形狀、運動方式和作用場是完成工藝功能的三個主要因素。犁的工作曲面，絞肉機，水刀切割工藝，家用切碎機，電火花加工原理圖，電火花線切割原理圖（圖略）物一場分析法：S：對象或物體(Substance)。主體(S1)，客體(S2)F：場，這不單指某種物理場，而是廣義地指S1向S2作用時發出的力、運動、電磁、熱、光……一切作用場。“最小技術系統”：在任何一個最小技術系統中，至少有一個主體(S1)，一個客體(S2)和一個場(F)。缺一即不可能發生技術作用。用S—Field模式探求工藝功能原理的解法：尋求合理的F和S例：為了完成修剪草地的任務，如何構思剪草機的工作原理?在這個問題里，S2是草地上的草。剩下的問題是尋找合適的F和S1了。首先要尋找各種可能被利用的F并加以分析和比較：拉力——可以拉斷草，但無法控制被拉斷的草的高度，無法使草地整齊。割斷力——像農夫割麥一樣，需要握住草的上部才能割斷。剪斷力——利用剪刀刃合攏，可以剪斷。顯然，人們常常選擇剪斷力作為理想的F，當然S1就只能是剪刀可以通過“完善”、“增加’’和“‘變換”的方法來尋求新的解法。1．完善：原設計中有時出現缺少F或S1的情況并因此而造成功能不良的后果。應該通過補全F或S1的措施來使S—Field模式完善化。2．增加：一個最小技術系統至少應具有SS2和F，但有時還應輔以S’1和F’，才能更好地完成希望實現的功能。3．變換：對已有工藝功能解法中的S1和F進行分析后，常?？梢园l現它們并非是不可替換的。有時通過變換可能會產生意想不到的好效果。焊接：氣焊、電焊、摩擦攪拌焊、超聲波焊（圖略）第六節關鍵技術功能、綜合技術功能及其求解思路一、關鍵技術功能（1）材料：例如高強度、高耐磨性、特殊的潤滑油、特殊輕質材料(例如復合材料)、特殊物理性能要求等。（2）制造工藝：高精度、小的表面粗糙度、高的熱處理要求……。（3）設計：通過設計實現特殊的功能原理，尤其是實現以前從未有人實現過的功能或是比別人已經實現的功能更好的功能水平。存儲技術：穿孔紙帶、磁盤、磁帶機、閃存、硬盤、微硬盤、光盤（圖略）關鍵技術的求解思路：“技術矛盾分析法”機電控制人工假手（圖略）解決思路：在傳動路線上再串接一套減速比i2＝10的減速裝置，然后通過兩個聯動的切換開關來操作。從不同的角度分析技術矛盾，則可以得到不同的分析結果，并可導出另一些解法。解決關鍵技術功能的特點：用常規技術或已有技術難以達到的技術難點，或是別人目前尚難以實現的技術高度、總的來說它的技術要求高，而解決的方法也往往是出奇制勝。二、綜合技術功能動作功能高速平面電機式自動繪圖機（略）工藝功能：非機械的工作頭連桿頭的爆炸切斷工藝（圖略）綜合技術功能的特點：在某些特定的條件下、采用廣義物理效應。綜合技術功能的求解思路：物理效應引入法。在人工臟器的設計中，需要一種微型液體泵來幫助體液循環。以前這種泵都是用微型電動機帶動微型機械泵來工作的。由于存在磨損等機械問題，效果不理想。有一位生物醫學專家想出了用金屬的熱膨脹效應來做體液泵，效果很理想。用石英晶體振蕩器控制的電磁擺來代替機械游絲擺制成的石英電子鐘表，也是運用物理效應引入法的很典型的例子。在潤滑油中添加某些成分，就有可能使這種油在高壓或電場中產生特殊的性能(如粘性變大等)。在機械傳動中已經在利用這些新效應。近年出現的“機電一體化”或“機械電子學”，就是引入微電子技術和計算機技術的產物，它是物理效應引入法中一個較突出的成功的例子。第七節功能原理設計的工作要點1．明確所要設計的任務的功能目標，提出具體問題肌電假手：①／s的抓握運動速度，以模仿人手的真實運動。②手指觸物后，應能產生50N左右的捏緊力，以滿足實際工作的需要。③所用微型電動機需在假手掌心中放置，故其外徑應不大于￠20mm。④傳動機械的效率應足夠高，以保證充電電池至少能工作1天。2．調查、分析已有的解法原理，供設計時參考手的結構，牽引式假手，大腦控制假手，德國OTTO BOCK公司產品3．進行創新構思、尋求更合理的解法原理設計者應該有一個信念：現有的產品決不是頂峰，肯定還會有更好的設計出現。要爭取由自己推出新一代的創新產品。設計者應重視基本科學知識的積累，避免陷入一些違反基本科學原理的“錯覺”。例如，有人設計了一種機械式的“功率增大器”，認為能把小功率輸入變為大功率輸出，他采用了一種特殊的行星齒輪傳動方式來實現他的理想。當然，他所作的原理設計中存在著基本力學知識上的錯誤。4．初步預想實用化的可能性大量例子說明一個好的原理構思最后不能成為產品。在專利文獻中有大量的專利都沒有能夠成為有用的技術。其中部分的原因就是因為結構、材料和工藝問題無法得到合理的解決。這充分說明創新構思時要粗略考慮一些主要的結構工藝問題。5．認真進行原理性試驗這是功能原理設計階段的最后一步，也是最重要的一步。在進行創新構思時，盡管反復檢驗過他的發明原理。但是實際做一下試驗，往往會出現意想不到的問題。例如在假手的原理試驗時，發生手指捏緊后的反彈松脫現象，令人百思不得其解，不知是何原因。后來才弄清楚，這是在切換時有一瞬間出現了兩個離合器同時處于脫開的狀態。使得手指失控，造成反彈松脫。找到了原因，才采取了相應的措施，解決了上述反彈問題。6．評價、對比、決策必須要根據實驗的結果進行評價和對比，從技術和經濟兩方面的對比結果來做出決策。設計工作過程中，有兩項重大決策問題：一是在創意階段，這是決定產品方向的決策。要能判斷5年或10年以后市場所需要的產品二是在構思階段，這是決定產品的技術方向的決策。—個產品可能有兩個以上的技術方向，在未來的發展中有可能出現完全不同的命運。例如，不久以前，人們提出了一種創意，就是壁掛式電視，沒有人懷疑這種創意的合理性，于是各大公司都花大量的人力、物力投入研究、試制。但是隨后出現的功能原理設計中，就出現了技術方向的問題，是用液晶技術，還是用固體發光技術。又例如，目前市場上的噴墨打印技術，也存在兩個技術方向的選擇，現在兩個方向(汽化噴墨和壓電噴墨)正在激烈競爭，最后的勝利將由市場作出判決，只有市場才是決定勝負的唯一標準。因此，在選擇技術方向的決策中，實際上不存在方法，只有像象棋大師那樣，用深刻的洞察力、精密地分析比較、超人的預測能力，最后通過直覺判斷，作出天才的決策。不過任何天才的決策成功率也不可能是100％?？傊?，決定產品方向和技術方向的決策是一個非常重要。又是非常困難的問題，千萬不要輕信那些草率的決策，它將帶來災難性的后果。山核桃采摘的自動化解決方案（略）第四章機械功能原理的實現——機械運動系統的方案設計第一節機構能實現的動作功能機構能實現哪些動作功能：1．運動形式或運動規