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1、机械设计学机械设计学主讲：张金中主讲：张金中2021/9/231教学安排v本课程共分七章本课程共分七章v第一章第一章 机械设计学概述机械设计学概述v第二章第二章 机械创新设计原理与方法机械创新设计原理与方法v第三章第三章 机械功能原理设计机械功能原理设计v第四章第四章 实用化设计及其技术方法实用化设计及其技术方法v第五章第五章 商品化设计商品化设计v第六章第六章 评价与决策评价与决策v第七章第七章 设计试验设计试验.v第第712周共周共48学时学时 v其中课堂讲授其中课堂讲授42，总结复习，总结复习2，机动，机动2，考试，考试v考试时间：考试时间：07.01.05，19:0021:002021
2、/9/232第一章第一章 机械设计学概论机械设计学概论第一节第一节第一节第一节 机械产品设计的重要性和关键步骤机械产品设计的重要性和关键步骤机械产品设计的重要性和关键步骤机械产品设计的重要性和关键步骤 2021/9/233第一节第一节 机械产品设计的重要性和关键步骤机械产品设计的重要性和关键步骤 v.重要性重要性 v随随着着工工业业生生产产的的发发展展，机机械械产产品品的的功功能能和和结结构构日日趋趋复复杂杂，产产品品设设计计在在整整个个生生命命周周期期内内占占有有越越来来越越重重要要的的位位置置。通通常常，产产品品的的设设计计成成本本只只占占产产品品总总成成本本的的5%，而而往往往往决决定定
3、70%80%的的产产品品总总成成本本。我我们们所所处处的的二二十十一一世世纪纪是是市市场场经经济济国国际际化化、全全球球一一体体化化的的世世纪纪，产产品品竞竞争争是是国国际际化化的的竞竞争争，竞竞争争日日益益加加剧剧。为为了了适适应应这这一一需需要要，世世界界各各国国普普遍遍重重视视提高产品的设计水平，以增强产品竞争力。提高产品的设计水平，以增强产品竞争力。v产产品品设设计计的的根根本本目目的的就就是是要要创创新新产产品品，满满足足市市场场需需求求和和占占领领更更大大市市场场。产产品品设设计计本本身身是是创创造造性性的的劳劳动动，设设计计的的本本质质是是创创新新。因因此此，重重视视创创新新设计
4、是增加机械产品竞争力的根本途径。设计是增加机械产品竞争力的根本途径。2021/9/234第一节第一节 机械产品设计的重要性和关键步骤机械产品设计的重要性和关键步骤v2.机械产品设计过程的主要步骤机械产品设计过程的主要步骤v对对于于机机械械产产品品设设计计过过程程的的不不同同理理解解，从从本本质质上上说说是是由由于于对对设设计计的的内内涵涵有有不不同同的认识和对设计理论有不同的理解。的认识和对设计理论有不同的理解。v设计过程的模型国内外已有很多的论述，归纳起来主要有三种：设计过程的模型国内外已有很多的论述，归纳起来主要有三种：v 一一是是Pahl和和Beitz认认为为：机机械械设设计计分分为为明
5、明确确任任务务、概概念念设设计计、技技术术设设计计和和施施工设计等四个阶段工设计等四个阶段1。v 二二是是Koller认认为为：机机械械设设计计分分为为产产品品规规划划、功功能能设设计计、定定性性设设计计和和定定量量设设计等四个阶段计等四个阶段2。v 三三是是邹邹慧慧君君教教授授提提出出：机机械械设设计计分分为为产产品品规规划划、方方案案设设计计、详详细细设设计计和和改改进设计等四个阶段进设计等四个阶段3。v总之，产品设计过程中十分重视的步骤是功能设计、定性设计。总之，产品设计过程中十分重视的步骤是功能设计、定性设计。2021/9/235第二节第二节 现代广义设计观现代广义设计观v什么叫设计？
6、什么叫设计？v至至今今人人们们有有着着不不同同的的理理解解和和解解释释。但但不不弄弄清清设设计计的的内内涵涵与与实实质质，就就不不可可能能对对设设计计过过程程的的特特征征、规规律律、原原理理原原则则、方方法法步步骤骤等等等等，有有一一个个清清晰晰的的认认识识，更更不不会会将将现现代代设设计计法法作作为为一一门门多多元元交交叉叉的的横横断断学学科科去去加加以以总总结结研研究究，从从而而在在根根本本上上就就不不可可能能将将整整个个设设计计提提到到更更高高的的水水平平。但但首首先先必必须须建建立立现现代代广广义义设设计计观观，即即对对设设计计、广广义义、现现代代三三个个术语有一个正确的观点。术语有一
7、个正确的观点。2021/9/2362.1 设计的内涵及种类设计的内涵及种类v一、设计的内涵一、设计的内涵 v 英英文文Design(设设计计)，起起源源于于拉拉丁丁语语Designare。由由De（记记下下）与与Signare（符符号号、记记号号、图图形形等等）两两词词组组成成。因因此此，Design的的最最初初含含义义为为将将符符号号、记记号号、图图形形之之类类记记下下来来的的意意思思。随随着着生生产产的的不不断断发发展展，科科学学技技术术的的进进步步，设设计计不不断断向向深深度度和和广广度度发发展展，以以至至人人类类活活动动的一切领域几乎都离不开设计。的一切领域几乎都离不开设计。v 面面对
8、对种种类类繁繁多多、形形式式多多样样的的设设计计，日日本本川川添添登登在在他他的的什什么么是是设设计计一一书书中中，通通过过对对人人、社社会会、自自然然三三者者间间的的相相互互关关系系分分析析后后提提出，有三类设计：出，有三类设计：传递表达设计传递表达设计（Communication Design)v 产品设计产品设计 (Product Design)v 环境设设计环境设设计 （Environmental Design)v 如图如图11所示。所示。2021/9/237图图11 三类设计的相互关系三类设计的相互关系人人的的个个体体，通通过过复复杂杂的的组组织织机机构构加加以以集集合合，组组成成社
9、社会会，进进而而构构成成当当今今的的世世界界。人人们们用用语语言言、文文字字、图图形形、符符号号等等等等用用来来构构通通人人们们的的思思想想。整整个个社社会会就就是是依依靠靠这这类类信信息息的的传传递递表表达达来来实实现现其其功功能能的的。因因此此人人与社会之间通过传递设计相联系。与社会之间通过传递设计相联系。自然界自然界既是人们生活、工作、活动既是人们生活、工作、活动的场所，又为人们提供赖以生存的的场所，又为人们提供赖以生存的一切必要条件。人与自然界的关系一切必要条件。人与自然界的关系是索取与提供的矛盾。人们通过是索取与提供的矛盾。人们通过产产品设计品设计不断加强、提高自身的机能不断加强、提
10、高自身的机能以便更好地利用、开发、改造自然，以便更好地利用、开发、改造自然，使之更好地为人类服务。使之更好地为人类服务。社社会会：人人的的个个体体，通通过过复复杂杂的的组组织织机机构构加加以以集集合合，进进而而构构成成当当今今的的世世界界。语语言言、文文字字、图图形形、符符号号等等等等用用来来构构通通人人们们的的思思想想。整整个个社社会会就就是是依依靠靠这这类类信信息息的的传传递递表表达达来来实实现现其其功功能能的的。因因此此人人与与社社会之间通过传递设计相联系。会之间通过传递设计相联系。2021/9/238图图11 三类设计的相互关系三类设计的相互关系这三类设计既有差别又这三类设计既有差别又
11、不能绝然分开。传递表不能绝然分开。传递表达设计、环境设计中涉达设计、环境设计中涉及到产品设计，产品设及到产品设计，产品设计中涉及到传递表达设计中涉及到传递表达设计，如各种显示装置的计，如各种显示装置的设计和环境设计（如工设计和环境设计（如工作位置、空间环保等设作位置、空间环保等设计）。当代一些环境设计）。当代一些环境设计往往也包含有传递表计往往也包含有传递表达设计的内容，如长江达设计的内容，如长江大桥桥头堡的造型设计。大桥桥头堡的造型设计。2021/9/2392.1 设计的内涵及种类设计的内涵及种类v 由由此此可可见见，通通过过人人社社会会自自然然三三者者关关系系，将将广广义义设设计计分分为为
12、三三种种类类型型有有其其一一定定的的科科学学道道理理，但但是是这这种种分分类类法法对对现现代代设设计计的的内内涵涵、特特点点、实实质质和和形形式式以以及及所所采用的设计方法等方面均未能清晰地表达出来。采用的设计方法等方面均未能清晰地表达出来。v 如如果果避避开开传传递递表表达达设设计计中中那那些些较较为为特特殊殊的的设设计计，例例如如广广告告、路路标标等等设设计计，那么根据系统论原理，整个设计基本上可按图那么根据系统论原理，整个设计基本上可按图12所示来划分。所示来划分。v人人机机器器工工作作环环境境组组成成了了一一个个完完整整的的总总系系统统，彼彼此此之之间间相相互互作作用用影影响响。由由此
13、可得到四种类型的设计：环境设计，系统设计，产品设计和零件设计。此可得到四种类型的设计：环境设计，系统设计，产品设计和零件设计。1.环环境境设设计计 环环境境设设计计包包括括区区域域规规划划，房房屋屋、道道路路、桥桥梁梁等等等等设设计计，为为人人们们提提供供工工作作、学学习习、生生活活、活活动动空空间间。这这类类设设计计的的特特点点是是带带有有“战战略略”意意义义的的、一一次次性性设设计计施施工工，设设计计优优劣劣的的判判断断准准则则为为对对客客观观情情况况发发生生变变化化时时的的适适应应性性如如何何，而而这这种种客客观观情情况况的的变变化化往往往事先很难详细预料。往事先很难详细预料。图图122
14、021/9/23102.1 设计的内涵及种类设计的内涵及种类v2.系统设计系统设计 所谓所谓系统是指具有特定功能的、相互间有着有机联系的若干个要素系统是指具有特定功能的、相互间有着有机联系的若干个要素 所组成的一个独立整体所组成的一个独立整体。系统设计就是指这类整体的设计。系统可分为两种：。系统设计就是指这类整体的设计。系统可分为两种：v一种为一种为流系统流系统，有一组输入流（为物质流、能量流、信息流）通过提供统一性，有一组输入流（为物质流、能量流、信息流）通过提供统一性共同的要素（如子系统，机器、设备或装置等）进行传递转换，最后变为一组共同的要素（如子系统，机器、设备或装置等）进行传递转换，
15、最后变为一组输出流。如供电系统、通信系统、供水系统，一个工艺流程，一条生产流水线输出流。如供电系统、通信系统、供水系统，一个工艺流程，一条生产流水线等等均属该种流系统。等等均属该种流系统。v另一种为另一种为结合系统结合系统。它由两组或两组以上的、自成系统的要素组成，各组要素。它由两组或两组以上的、自成系统的要素组成，各组要素有各自的输入流并产生各自的输出流，通过各要素的有机结合来实现系统的总有各自的输入流并产生各自的输出流，通过各要素的有机结合来实现系统的总功能。例如一辆汽车，有它的传动系统、电路系统、供油系统、制动系统、冷功能。例如一辆汽车，有它的传动系统、电路系统、供油系统、制动系统、冷却
16、系统、润滑系统、操作系统等等，各系统有各自的输入和输出量，这些系统却系统、润滑系统、操作系统等等，各系统有各自的输入和输出量，这些系统的有机结合便组成一辆汽车，实现汽车的总功能。的有机结合便组成一辆汽车，实现汽车的总功能。v 这两种系统在性质上有所不同。流系统中各组成要素间的连接，相对而言这两种系统在性质上有所不同。流系统中各组成要素间的连接，相对而言呈呈“柔性柔性”连接，而结合系统各要素间的连接呈连接，而结合系统各要素间的连接呈“刚性刚性”连接。因此，前者的连接。因此，前者的系统设计往往包括提出流系统的总体设计要求，各种流的流程综合，各组成要系统设计往往包括提出流系统的总体设计要求，各种流的
17、流程综合，各组成要素的位置布置及接口设计等等，但不包括各要素的设计。图素的位置布置及接口设计等等，但不包括各要素的设计。图13为一典型的流为一典型的流系统设计示意图系统设计示意图 2021/9/23112.1 设计的内涵及种类设计的内涵及种类v图图13 流系统设计过程流系统设计过程 提出流系统功能提出流系统功能提出流系统要求提出流系统要求物质流功能综合物质流功能综合工艺流程工艺流程机器位置综合机器位置综合机器流程图机器流程图能流功能综合能流功能综合能量流程图能量流程图信息流功能综合信息流功能综合信息流程图信息流程图接口设计1接口设计32流系统设计流系统设计机器设计机器设计产品设计产品设计202
18、1/9/23122.1 设计的内涵及种类设计的内涵及种类v 产产品品设设计计是是指指由由许许多多零零部部件件甚甚至至是是分分系系统统集集装装而而成成的的整整体体以以实实现现一一种种或或一一组组功功能能的的这这类类设设计计，包包括括结结合合系系统统的的设设计计。例例如如发发动动机机，汽汽车车，电电动动机机，泵泵。这这类类设设计计的的特特点点一一般般较较复复杂杂。方方案案构构思思，总总体体设设计计，零零件件的的材材料料，尺尺寸寸、结结构构形形状状，加加工工要要求求以以及及零零件件间间的的装装配配位位置置等等方方面面的的变变化化往往往往对对产产品品的的性性能能，质质量量，成成本本影影响响很很大大。因
19、因此此，设设计计人人员员需花很大的努力才能得到满意的设计结果。需花很大的努力才能得到满意的设计结果。v 零零件件设设计计是是指指不不能能再再分分解解的的、由由单单一一材材料料组组成成的的单单元元体体的的设设计计。大大多多数数情情况况，针针对对不不同同的的产产品品，这这类类零零件件需需要要单单独独设设计计。根根据据整整个个产产品品的的设设计计要要求求不不难难确确定定对对这这些些零零件件的的设设计计要要求求。此此外外，常常用用零零件件的的设设计计，多多设设计计成成标标准准件件或或通通用用件件，设设计计时时只只需需要要注注意意规规格格的的选选择择及及互互换换性要求。性要求。2021/9/23132.
20、1 设计的内涵及种类设计的内涵及种类v通通过过上上述述人人机机环环境境间间的的相相互互关关系系的的分分析析，将将绝绝大大多多数数设设计计归归为为四四种种类类型型，这这样样就就比比较较清清楚楚地地揭揭示示了了各各种种设设计计的的内内涵涵、性性质质、特特点点、要要求求及及其其与与设设计计方方法法之之间间的的关关系系。在在实实际际中中，由由于于设设计计项项目目不不同同，设设计计类类型型的的侧侧重重是是不不同同的的。有有的的侧侧重重于于环环境境设设计计，有有的的侧侧重重于于流流系系统统或或产产品品设设计计，也也有有的的涉涉及及全全部部设设计计类类型型。但但不不管管哪哪类类设设计计，都都涉涉及及到到三三
21、大大要要素素：人人、机机器器和和环环境境。这这里里的的机机器器是是指指广广义义的的机机器器，包包括括工工具具、用用具具、设设备备、设设施施等等。人人、机机器器与与环环境境构构成成了了完完整整的的系系统统。因因此此设设计计时时应应从从这这种种系系统统角角度度来来考考虑虑。又由于人与机器在设计中所占的侧重不同，产生了两种基本设计指导思想：见图又由于人与机器在设计中所占的侧重不同，产生了两种基本设计指导思想：见图14图图14 两种设计指导思想示意图两种设计指导思想示意图v以人为中心，以人为中心，逐步向机器、逐步向机器、环境扩展（见环境扩展（见图图1 4b）。）。图图14a是以机是以机器为中心，逐步器
22、为中心，逐步向人，环境扩展，向人，环境扩展，这是广大工程技这是广大工程技术人员所习用的术人员所习用的设计思路；设计思路；从理论上讲，只要真正从系统设计角度来考虑，这两种设计指导思想均是正从理论上讲，只要真正从系统设计角度来考虑，这两种设计指导思想均是正确的，只是针对不同的矛盾采用不同的思想方法而已。确的，只是针对不同的矛盾采用不同的思想方法而已。2021/9/23142.1 设计的内涵及种类设计的内涵及种类v一般的设计过程不管大到一个机电产品（或系统），小到一支自动铅笔，整个设一般的设计过程不管大到一个机电产品（或系统），小到一支自动铅笔，整个设计总是在一定的时间和空间内，按自身的规律进行的。
23、这个过程如图计总是在一定的时间和空间内，按自身的规律进行的。这个过程如图15所示。所示。图图15 设计一般过程框图设计一般过程框图从从人人需需求求出出发发提出设计任务提出设计任务调查研究调查研究掌握信息掌握信息提提出出明明确确、详详细的设计要求细的设计要求方方案案构构思思初初步评价方案步评价方案选择模型选择模型确定参数确定参数详细设计详细设计信息交流信息交流制造方案制造方案硬件化硬件化批量生产批量生产投入使用投入使用样机试验样机试验设计评定设计评定 没没有有客客观观的的需需求求，就就没没有有设设计计任任务务，因因此此一一切切设设计计起起源源于于客客观观的的需需求求，又又归归宿宿于于满满足足这这
24、种种需需求求。设设计计的的过过程程就就是是将将提提供供的的资资源源转转化化为为技技术术装装置置以以满满足足客客观观需需求求的的过过程程。在在这这过过程程中中，各各个个步步骤骤之之间间存存在在着着严严密密的的逻逻辑辑关关系系，既既不不能能颠颠倒倒，也也不不能能随随意意跳跳越越。产产品品投投入入使使用用后后，该该产产品品的的设设计计暂暂告告一一段段落落。随随着着时时间间的的推推移移，产产品品的的竞竞争争、销销售售地地点点的的不不同同，原原来来能能满满足足需需求求的的产产品品，可可能能会会变变成成不不能能满满足足客客观观需需要要，于于是是对对产产品品又又要要进进行行改改进进设设计计、进进行行新新的的
25、循循环环。产产品品就就是是经经过过这这种种反反复复循循环环，不不断断改改进进、更更新新、升升级级甚甚至至换换代代，呈呈螺螺旋旋型型向向前前发发展展的的。在在一一次次设设计计过过程程中中，为为了了获获得得满满意意的的产产品品设设计计，在在各各个个步步骤骤间间也也存存在在着着各各种种循循环环。因因此此设设计计又又是是一一种种根根据据各各种种信信息息反反复复作作出出判判断断的的过过程程。但但图图15未未能能生生动动地地反反映映出出设设计计过过程程如如何何在在时时间间与与空空间间范范围围内内运运动动，更更未未能能形形象象地地反反映映出出设设计计过过程程与与各各种种知知识识软软件件间间的的关关系系，从而
26、未能进一步揭示设计的实质。从而未能进一步揭示设计的实质。2021/9/23152.1 设计的内涵及种类设计的内涵及种类v所所谓谓设设计计形形态态是是指指设设计计过过程程所所表表现现的的形形式式、状状态态。可可用用图图16可可以以形形象象地地表表达达出产品设计与时间的关系。出产品设计与时间的关系。v在在整整个个设设计计过过程程中中，“详详细细设设计计要要求求”是是后后面面设设计计、制制造造加加工工、设设计计鉴鉴定定及及用用户户是是否否尝尝试试的的依依据据，它它像像一一个个圆圆筒筒一一样样笼笼罩罩着着后后面面各各项项工工作作。这这样样，我我们们不不难难设设想想设设计计要要求求实实际际上上起起着着一
27、一种种边边界界的的作作用用，将将整整个个设设计计“空空间间”分分为为内内外外两两部部分分：内内部部为为设设计计应应遵遵循循的的各各个个过过程程，其其任任务务是是使使资资源源转转为为“硬硬件件”以以满满足足需需求求，这这是是设设计计的的最最终终目目的的，故故称称这这一一内内部部空空间为间为设计核心设计核心；v外外部部为为支支持持设设计计所所需需的的各各种种“软软件件”，它它包包括括自自然然科科学学、技技术术科科学学、社社会会科科学学等等必必要要的的知知识识、经经验验及及技技能能。设设计计的的过过程程，实实际际上上就就是是一一方方面面遵遵循循设设计计自自身身的的规规律律进进行行运运动动，另另一一方
28、方面面随随时时随随地地调调用用外部软件进行反复信息交流的过程。外部软件进行反复信息交流的过程。图1 设计进展模式2021/9/23162.1 设计的内涵及种类设计的内涵及种类v 上上述述设设计计形形态态是是根根据据产产品品设设计计过过程程剖剖析析得得出出的的，对对于于环环境境设设计计，流流系系统统设设计计，零零件件设设计计同同样样适适用用，只只是是设设计计核核心心的的内内涵涵有有所所不不同同。因因此，这种设计形态具有一定的普遍性。此，这种设计形态具有一定的普遍性。v 总总之之，设设计计的的实实质质是是：根根据据客客观观需需求求，通通过过人人们们创创造造性性思思维维，经经过过反反复复判判断断，作
29、作出出决决策策并并用用各各种种设设计计模模型型使使之之定定量量化化，借借此此将将提提供供的的资资源源（人人、物物、信信息息）转转化化为为技技术术装装置置、设设施施或或系系统统（包包括括社社会会系系统统）以满足人类与社会的功能要求，并取得最满意的社会与经济效益。以满足人类与社会的功能要求，并取得最满意的社会与经济效益。v 一一个个设设计计人人员员若若想想更更好好地地胜胜任任当当今今的的设设计计工工作作，不不仅仅要要充充分分了了解解掌掌握握设设计计核核心心部部分分的的内内在在特特点点、规规律律、原原理理、原原则则，步步骤骤与与方方法法，了了解解掌掌握握外外部部设设计计软软件件的的各各种种知知识识，
30、并并且且还还必必须须具具备备科科学学思思维维方方法法，分分析析、综综合合判判断断各各种种信信息息的的能能力力，集集各各种种知知识识和和技技能能于于整整个个设设计计中中的的才能。才能。2021/9/23172.2 广义化是当代科学的重要特征广义化是当代科学的重要特征v一、广义化是科学综合性、交叉性的必然结果一、广义化是科学综合性、交叉性的必然结果v社社会会科科学学与与技技术术科科学学的的复复杂杂性性，引引起起综综合合解解题题与与交交叉叉解解题题的的必必然然性性，这这种种综综合合与与交交叉叉又又导导致致了了科科学学技技术术、概概念念、方方法法、名名词词的的广广义义化化。目目前前“工工程程”“设设计
31、计”等等词词已已扩扩大大理理解解为为包包括括社社会会问问题题；“法法”字字已已不不仅仅指指方方法法，还还包包括括法法规规、规规律律、途途径径、步步骤骤等等等等；“数数据据”不不仅仅指指数数字字，实实际际上上是是指指一一切切信信息息的的纪纪录录（包包括括图图形形、法法则则、数数值值、消消息息等等）；“机机构构”一一词词现现已已理理解解为为机机械械、电电气气、液液压压、气气动动、小小五五金金部部件件等等；名名词词术术语语的的广广义义化化，也也说说明明了了只只有有跨跨行行业业、垮垮学学科科才才能能解决一项工程问题的必然趋向。解决一项工程问题的必然趋向。v优优化化方方法法过过去去往往往往被被理理解解为
32、为数数学学规规划划的的最最优优化化方方法法，其其实实，这这是是一一种种误误解解，实实际际包包括括数数学学方方法法、计计算算机机方方法法、试试验验方方法法、方方法法论论、设设计计观观等等都都与与优优化化有有关关，所所以以我我们们从从开开拓拓事事业业出出发发，为为了了达达到到真真正正的的全全域域优优化化，必必须须提提倡倡“广广义义优优化化”，它是现代设计的目标。，它是现代设计的目标。v另另外外，优优化化域域内内的的优优化化与与非非优优化化域域内内的的优优化化同同等等重重要要，因因为为大大量量的的现现象象是是在在非非优优化化域域内内，真真正正在在优优化化城城内内的的情情况况为为数数不不多多的的。因因
33、此此，要要减减少少在在非非优优化化域域内内的的失误，尽然找不到最优点，也要趋近于最适宜的区间。失误，尽然找不到最优点，也要趋近于最适宜的区间。2021/9/23182.2 广义化是当代科学的重要特征广义化是当代科学的重要特征v二、广义化飞跃的条件二、广义化飞跃的条件v1传传统统的的事事物物与与系系统统是是非非常常牢牢固固的的稳稳态态闭闭式式系系统统，因因此此，只只有有首首先先使这些系统变成开式的动态系统，才有可能广义化、交叉化；使这些系统变成开式的动态系统，才有可能广义化、交叉化；v2稳稳态态闭闭式式系系统统具具有有强强大大的的自自回回归归力力，只只有有远远离离稳稳态态平平衡衡点点，才才能能进
34、入飞跃能量级最高的边缘点、交叉点、空白点，从而产生突破；进入飞跃能量级最高的边缘点、交叉点、空白点，从而产生突破；v3事事物物发发展展呈呈非非线线性性动动态态方方程程的的多多种种解解，即即具具有有多多种种结结果果的的可可能能，所所以以必必须须抓抓住住某某一一关关键键变变量量波波动动的的机机遇遇，获获得得优优化化的的定定解解。但但要要做做到到这这一一点点必必须须眼眼观观六六路路，正正如如双双眼眼视视觉觉灵灵敏敏度度比比单单眼眼不不仅仅高高610倍倍，而而且且具具有有立立体体感感一一样样，我我们们必必须须吸吸收收更更多多的的“论论”进进行行广广义义化化飞飞跃跃，肯肯定定地地说说：“三三论论”要要比
35、比系系统统论论“一一论论”高高明明，“十十一一论论”则则比比“三三论论”又又开开阔阔得得多多，人人们们只只有有欢欢迎迎更更多多的的“论论”，才才能能适适应应与与解解决决日新月异的科学进程与社会发展。日新月异的科学进程与社会发展。2021/9/23192.2 广义化是当代科学的重要特征广义化是当代科学的重要特征v三、广义化若干范畴三、广义化若干范畴v1术术语语革革命命化化：人人类类的的科科学学史史也也是是一一部部术术语语的的产产生生和和演演化化的的历历史史，“术术语语”是是人人类类认认识识自自然然与与社社会会的的深深度度与与广广度度的的标标志志。从从价价格格到到剩剩余余价价值值、从从以以太太到到
36、量量子子、从从通通讯讯到到信信息息、从从设设计计方方法法到到现现代代设设计计法法学学、从从语语言言学学到到计计算算语语言言学学等等，都都深深刻刻地地反反映映了了自自然然与与社会革命。赶时髦与采用新术语、新方法就会自然地得到新成果的观点是庸人之见。社会革命。赶时髦与采用新术语、新方法就会自然地得到新成果的观点是庸人之见。v2视视野野扩扩大大化化：科科学学革革命命往往往往从从扩扩大大视视野野引引起起，从从“膜膜”的的作作用用到到渗渗透透、反反渗渗透透的的膜膜技术、筑路不用石、运动不用机械等等，都是视野扩大化的结果。技术、筑路不用石、运动不用机械等等，都是视野扩大化的结果。v3学学科科复复合合化化：
37、现现代代科科学学发发展展与与成成果果许许多多来来自自技技术术复复合合、房房子子与与环环境境复复合合、住住舍舍与与电电脑脑复复合合、多多种种功功能能复复合合、硬硬件件与与软软件件复复合合、产产业业之之间间的的复复合合、技技术术科科学学与与人人文文科科学学复复合等等。单一学科的作用愈来愈受到限制，跨学科与交叉学科的贡献愈来愈大。合等等。单一学科的作用愈来愈受到限制，跨学科与交叉学科的贡献愈来愈大。v4解解题题全全域域化化：解解题题指指解解决决问问题题的的方方法法、方方案案、途途径径，这这本本身身反反映映了了广广义义化化，不不仅仅指指解解数数学学题题，更更主主要要的的指指解解广广义义题题。在在现现代
38、代广广义义设设计计中中，解解题题仅仅仅仅达达到到一一个个目目标标、少少量量指标是完全不够的，追求的是全局上的广义优化，这样才能满足人类的需要。指标是完全不够的，追求的是全局上的广义优化，这样才能满足人类的需要。v 运用交叉化、广义化的飞跃，就能开创微观与宏观领域广义设计现代化的新局面。运用交叉化、广义化的飞跃，就能开创微观与宏观领域广义设计现代化的新局面。2021/9/23202.3 2.3 现代机器的分类、组成与设计特征现代机器的分类、组成与设计特征现代机器的分类、组成与设计特征现代机器的分类、组成与设计特征 v一一、分分类类 通通常常按按机机器器使使用用性性能能分分类类，如如分分为为万万能
39、能机机械械、专专用用机机械械与与专专门门化化机机械械，或分为工作母机、工艺机械、施工机械等。，或分为工作母机、工艺机械、施工机械等。v随随着着机机械械化化、自自动动化化的的发发展展，当当前前机机械械的的分分类类，出出现现了了依依据据“生生物物空空间间”三三坐坐标标即即智智能能度度（感感觉觉、记记忆忆、学学习习、判判断断等等）、机机能能度度（通通用用性性、变变通通性性等等）、物物理理能能度度（力力、速速度度、可可靠靠性性、均均一一性性、连连续续工工作作能能力力等等）来来加加以以划划分分。一一般般机机械械属属于于一一元元机机械械（只只考考虑虑物物理理能能度度），机机械械手手、自自动动机机与与数数控
40、控机机械械等等属属于二元机械，机器人则属于三元机械。于二元机械，机器人则属于三元机械。v二、二、组成组成 二元机械有下列几部分组成：二元机械有下列几部分组成：v1执执行行机机构构：常常用用油油缸缸与与油油马马达达、气气缸缸与与气气动动马马达达、交交直直流流伺伺服服电电机机、脉脉冲冲电机、电磁铁与电液脉冲马达等；电机、电磁铁与电液脉冲马达等；v2控制系统：常用插件、穿孔带、插销板、磁带、磁鼓与凸轮鼓等；控制系统：常用插件、穿孔带、插销板、磁带、磁鼓与凸轮鼓等；v3检检测测与与反反馈馈系系统统：按按介介质质分分为为电电、气气、机机与与液液压压等等；按按信信号号分分为为模模拟拟式式、数字式与开关式等
41、；数字式与开关式等；按信号量分为按信号量分为电压、电流、压力、位移与脉冲等。电压、电流、压力、位移与脉冲等。v内内部部信信息息传传感感器器，模模拟拟式式的的有有电电位位计计、自自整整角角机机、旋旋转转变变压压器器与与差差动动变变压压器器等等；数数字字式式的的有有脉脉冲冲发发生生器器、编编码码器器与与磁磁尺尺、霍霍尔尔元元件件等等；开开关关式式的的有有限限位位开关、接近开关与光电开关等。开关、接近开关与光电开关等。2021/9/23212.3 现代机器的分类、组成与设计特征现代机器的分类、组成与设计特征v外外部部信信息息传传感感器器，接接触触式式的的有有压压力力传传感感器器、集集电电器器、微微型
42、型多多点点开开关关等等；无无触触点点式式的的有有电电磁磁接接近近开开关关、光光学学开开关关、超超声声开开关关与与流流体体开开关关等等；最最新新型型的的为为图图像像识识别（可用镜子反射电子按收与多应变片多通道接触反映等）。别（可用镜子反射电子按收与多应变片多通道接触反映等）。v机机械械手手与与数数控控机机械械主主要要以以电电子子部部分分为为中中心心，液液压压部部分分主主要要是是执执行行的的手手足足。其其液液压系统主要对液压源的要求（过滤、温度控制与配置等）较高。压系统主要对液压源的要求（过滤、温度控制与配置等）较高。v机械手的液压系统特点如下机械手的液压系统特点如下：v1力减轻手臂的重量，活塞杆
43、中间常为流道，以便防止管道密布；力减轻手臂的重量，活塞杆中间常为流道，以便防止管道密布；v2液压源可单独自成体系或借助整机的油压源；液压源可单独自成体系或借助整机的油压源；v3失电时应为卡紧与上升位置；失电时应为卡紧与上升位置；v4一般不要求调速，所以泵的流量要选择恰当；一般不要求调速，所以泵的流量要选择恰当；v5压力多取压力多取3MPa左右，不大于左右，不大于6MPa；v6缓冲是很重要的，因为有定位要求。缓冲是很重要的，因为有定位要求。v数数控控机机械械的的液液压压系系统统主主要要是是高高要要求求的的液液压压源源与与电电液液脉脉冲冲马马达达的的结结合合，没没有有多多少少中中间间元元件件，因因
44、为为变变速速、换换向向都都是是由由步步进进电电机机的的电电信信号号控控制制，机机械械部部件件往往往往只只作作支撑与连接元件。支撑与连接元件。2021/9/23222.3 现代机器的分类、组成与设计特征现代机器的分类、组成与设计特征v根据对现有机械的分析，根据对现有机械的分析，现代机械的设计具有下列四大要求：现代机械的设计具有下列四大要求：v1三三性性统统筹筹：即即可可靠靠性性、适适用用性性（包包括括先先进进性性）与与经经济济性性加加以以统统一一的的辩辩证证的的考考虑虑，而而以以可可靠靠地地满满足足工工作作性性能能为为基基准准，反反对对不不切切实实际际地地强强调调先先进进，反反对对不不讲讲求求经
45、济效益；经济效益；v2人机配合人机配合：即一定要把人的因素考虑进来，为用户服务，为使用者着想；：即一定要把人的因素考虑进来，为用户服务，为使用者着想；v3四四位位一一体体：即即四四种种传传动动（机机械械、电电气气、液液压压、气气动动）要要有有机机地地匹匹配配，各各得得其其所所，发发挥挥专专长长；广广义义的的“机机”包包括括气气、液液、光光电电系系统统，可可简简称称为为“机机电电一一体体化化”；v4多多方方兼兼顾顾：即即设设计计、制制造造、管管理理、使使用用、维维修修、保保养养要要全全面面地地综综合合分分析析，贯贯穿到一台产品中去。穿到一台产品中去。v要要满满足足这这些些要要求求，参参数数变变量
46、量可可以以说说是是成成百百的的，甚甚至至更更多多，所所以以现现有有常常规规设设计计法法（或或称称古古典典法法、经经典典法法、惯惯用用法法）已已不不能能满满足足具具体体的的发发展展需需要要。常常规规统统计计的的经经验验公公式式法法、近近似似系系数数法法、类类比比归归纳纳法法、规规范范手手册册法法等等虽虽然然简简单单，但但显显示示其其保保守守与不符实际动态情况，在光怪陆离的多变参数面前，它完全无能为力。与不符实际动态情况，在光怪陆离的多变参数面前，它完全无能为力。v现代设计与分析方法在这种新形势下必然发展起来。现代设计与分析方法在这种新形势下必然发展起来。2021/9/23232.3 2.3 现代
47、机器的分类、组成与设计特征现代机器的分类、组成与设计特征现代机器的分类、组成与设计特征现代机器的分类、组成与设计特征v在在生生产产实实践践中中，工工程程设设计计的的类类型型是是很很多多的的，据据统统计计，机机械械工工业业中中只只有有40的的机机械械是是已已经经设设计计过过的的，它它们们具具备备一一定定的的设设计计资资料料，而而另另有有60的的机机械械还还未未曾曾设设计计过过，没没有有设设计计资资料料，许许多多老老的的机机械械则则大大量量的的需需要要更更新新换换代代。由由于于重重新新设设计计参参照照的原始条件不同，所以进行设计时常会遇到下列三种不同类型：的原始条件不同，所以进行设计时常会遇到下列
48、三种不同类型：v1开开发发性性设设计计：是是在在不不知知道道设设计计方方案案、设设计计原原理理的的情情况况下下，从从对对产产品品的的抽抽象象要要求求出出发发设设计计出出质质和和量量方方面面都都能能满满足足要要求求的的产产品品。最最初初蒸蒸汽汽机机的的设设计计就就属属于于开开发性设计。发性设计。v2适适应应性性设设计计：在在总总的的方方案案原原理理基基本本保保持持不不变变的的情情况况下下对对已已有有产产品品进进行行局局部部变变更更，使使它它适适应应于于在在质质和和量量方方面面的的某某种种附附加加要要求求。这这里里，局局部部方方案案原原理理是是有有所所变变化化的的，如如在在汽汽油油发发动动机机中中
49、设设计计汽汽油油喷喷射射装装置置代代替替传传统统的的汽汽化化器器，以以满满足足节节约约燃料的设计就属于适应性设计。燃料的设计就属于适应性设计。v3变变异异性性设设计计：在在方方案案原原理理和和功功能能结结构构都都不不变变的的情情况况下下，改改变变现现有有产产品品的的结结构构配配置置和和尺尺寸寸，使使之之适适应应于于量量的的方方面面有有所所变变更更的的要要求求，比比如如由由于于传传递递扭扭矩矩或或速速比发生变化而重新设计减速器的传动系统和尺寸的设计就属于变异性设计。比发生变化而重新设计减速器的传动系统和尺寸的设计就属于变异性设计。v在在其其他他科科学学领领域域的的设设计计也也不不外外乎乎这这三三
50、种种类类型型，这这样样多多变变的的设设计计类类型型，要要求求我我们们在在现现代代设设计计中中摸摸索索一一套套普普遍遍的的规规律律，以以便便遵遵循循这这种种理理性性化化的的法法则则，较较好好的的达达到到最终的设计目的。最终的设计目的。2021/9/23242.4 现代设计与传统设计现代设计与传统设计v什么是现代设计？现代设计有什么基本特征？这是工什么是现代设计？现代设计有什么基本特征？这是工程设计界所关心的一个议题。由于机械工程是工程系程设计界所关心的一个议题。由于机械工程是工程系统中比较典型而又具代表性，所以我们以机械工程设统中比较典型而又具代表性，所以我们以机械工程设计领域为剖析对象探索一下