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第五章机械工程概论目录第1节机械工程及学科总论第2节机械工程中的力学第3节机械设计第4节先进制造技术第5节机电一体化技术机械：是现代社会进行生产和服务的六大要素(人、资金、信息、能量、材料和机械)之一，并且还参与能量和材料的生产。机器：①由许多构件组合而成；②各运动实体之间有确定

的相对运动关系；③能实现能量的转换，代替或减轻人的劳动，完成有用的机械功。如：内燃机、发电机、电梯、机器人、机床、交通工具等。机构：具有确定相对运动的各种实物的组合，符合机器的前两个特征。机械是机器和机构的总称；机器主要用来传递和变换能量；机

构主要用来传递和变换运动。第1节机械工程及学科总论什么是机械工程？运用数学、物理等基础理论和有关机械方面的专门知识，结合生产实际经验，经济有效地解决在设计、研究、制造和运行各种机械中遇到的实际问题。机

械根据用途可分为：①动力机械：用来实现机械能与其他形式能量的转换。如电动机、内燃机、发电机、空压机等。②加工机械：用来改变物料的结构形状、性质及状态。如轧钢机、包装机、纺织机械及各类机床等。③运输机械：用来改变人或物料

的空间位置。如汽车、飞机、轮船、输送机等。④信息机械：用来获取或处理各种情息。如复印机、传真机、摄像机等。第1节机械工程及学科总论机械工业是国民经济的支柱工业之一。机械工业是社会生产力发展水平的重要标志。第1节机械工程及学科总论机

械发展的历史回顾----中国古代五千年前已开始使用简单的纺织机械；晋朝时在连机椎和水碾中应用了凸轮原理；西汉时应用轮系传动原理制成了指南车和记里鼓车；东汉张衡发明的候风地动仪是世界上第一台地震仪。目前许多机械中仍在采用的青铜

轴瓦和金属人字圆柱齿轮，在我国东汉年代的文物中都可以找到它们的原始形态。第1节机械工程及学科总论机械发展的历史回顾----中国古代⚫秦始皇陵铜车马代表了当时铸造技术、金属加工和组装工艺的水平。⚫东汉以后出现的记里鼓车

，有一套减速齿轮系，通过鼓镯的音响分段报知里程。⚫三国马钧所造的指南车除用齿轮传动外，还有自动离合装置。⚫明初，郑和下西洋的船队是当时世界上最大的船队。郑和所乘宝船长约137米，张12帆，舵杆长11米多，是古代最大的远洋船舶。第1节机械工程及学科总论机械发展的历

史回顾----中国古代1634～1637年，明朝的宋应星编著了《天工开物》，记录了许多先进的工艺技术和科学创见。它反映出当时的农业和手工业的生产技术水平。记载了不少有关机械制造和产品性能的情况。涉及泥型铸釜、失蜡法铸造以及铸钱等铸造技术，

还有千钧锚和软硬绣花针的制造方法、提花机和纺织机械以及车船等交通工具的性能和规格等。《天工开物》被称为中国17世纪的工艺百科全书。机械技术的进步促进了学术研究：第1节机械工程及学科总论机械发展的历史回顾----国外18世纪初，蒸汽机的出现产生了第一次产业革命，人们开始设计

制造各种各样的机械，例如纺织机、火车、汽轮船。哈格里沃斯发明的“珍妮纺纱机”法国陆军技术军官古诺发明了世界上第一辆蒸汽动力车与此同时，机械制造设备和技术也在同步发展。第1节机械工程及学科总论机械发展的历

史回顾----国外19世纪到20世纪初的第二次产业革命，内燃机的出现促进了汽车、飞机等运输工具的出现和发展。1898年问世的“雷诺”牌汽车1927年美国人林德伯格驾驶“圣路易斯精神”号飞机首次飞越大西洋第1节机械工程及学科总论机械发展的历史回顾◼1797年，

莫兹利首创螺纹车床。◼1914年，福特流水生产线，大量生产汽车。◼19世纪末，泰勒“科学管理法”的出现第1节机械工程及学科总论现代机械工程的发展20世纪中后期，以机电一体化技术为代表，在机器人，航空航天，海洋舰船等领域开发出了众多高新机械

产品，如火箭、卫星、宇宙飞船、空间站、航空母舰、深海探测器等。国际太空站航天飞机利用机械臂施放哈勃空间望远镜第1节机械工程及学科总论现代机械工程的发展高精度加工、超精密加工特种加工自动化流水线、数控机床、机器人、成组技术、柔性制造系统现代机械工程

范围广泛◼18世纪前，机械工程师主要凭借经验和技艺◼现代机械工程，引入了计算机信息技术第1节机械工程及学科总论现代机械工程的发展◼汽车生产线◼机器人第1节机械工程及学科总论现代机械工程的发展◼数控机床◼柔性制造系统第1节机械工程及学科总论未来机械工程的发展展望未来机械工程，智能机械、微型机构、仿

生机械的蓬勃发展，将促进材料、信息、计算机技术、自动化等领域的交叉与融合，进一步丰富和发展机械基础学科知识。用光刻技术做成的微米级微机械军事、航空航天的应用第1节机械工程及学科总论现代机械工程机械原理电工电子原理传感测

试原理微机原理控制原理现代先进技术现代机械工程机械科学与技术发展或许是我们限定思维所难以展望的，但人们在机械创新的漫漫征程中所积累的机械设计基础知识为我们提供了认识和改造客观世界的基础。现代机械工程的内容和重要任务◼建立和发展应用了机械工程的基础理论及利用新技术改造传统技术◼机械产品

的正规生产，包括设计、生产准备、加工、计划调度、装配调试、包装运输及质量控制等◼各类机械系统的运行，包括设备的选购、验收、安装、调试、操作、监控、诊断、维修以至整个企业的经营管理◼机械对自然环境的污染、自然资源的过度消耗、社会安全等问题的预防和处理◼研究开发新

的机械产品满足人们当前和将来的需要现代机械工程机械工程应用领域▪动力机械（风、水、热、电、化学、原子能等）▪交通运输（汽车、轮船、飞机及相应设施、仓储物流等）▪装备技术（农、林、矿山、冶金、化工、纺织、食品、印刷等制造设备）▪工作母机、仪表仪器等▪通风取暖、医疗器械、家用器械、环

保设备等民生机械▪国防武器等机械工程学科简介◼机械工程一级学科下设四个二级学科：机械设计及理论、机械制造及其自动化、机械电子工程、车辆工程。◼机械类专业在1998年颁布的《普通高等学校本科专业目录》中有四个本科专业：机械设计制造及其

自动化、材料成形及控制工程、工业设计、过程装备与控制工程。◼部分高校有自主设置专业的权利：车辆工程、机械电子工程、机械工程及自动化等专业。第1节机械工程及学科总论机械设计制造及其自动化（本科）专业学习内容：机械设计、机械制造、自动化三方面的内容。基础课程：英语、高等数学、线性代数、

概率论与数理统计、大学物理、大学化学、计算机基础等。专业基础课：机械制图、理论力学、材料力学、机械原理、机械设计、现代设计方法；互换件与技术测量、机械制造基础、金属材料与热处理；电工和电子技术、模拟电子技术、微机原理及应用、控制工程基础。专业课：金属切削原理

与刀具、金属切削机床、机械制造工艺学、液压与气动传动、数控技术、计算机辅助设计、机电一体化系统设计、机械优化设计等。此外，各高校结合自己的学科特色或行业背景，还开设一些其他专业课：流体力学、化工工艺、工程热力学、传热学、纺织工艺、工业机

器人等等。实践环节：认知实习、制图测绘、金工实习、课程设计、毕业实习、毕业设计。掌握技能：掌握制图、设计、计算、检测与控制、自动化知识；具有机电产品和系统的研制、开发、制造、设备控制、生产组织管理及经营的基本技能。第1节机械工程及学科总论材料成形及控制工程（本科

）专业学习内容：综合1998年前“金属材料及热处理”、“热加工工艺及设备”、“铸造”、“塑性成形工艺及设备”、“焊接工艺及设备”专业的内容。基础课程：英语、高等数学、线性代数、概率论与数理统计、大学物理、大学化学、计算机基础等。专业基础课：机械制图、互换件与技术测量、理论

力学、材料力学、材料热力学、机械设计基础、电工和电子技术、微机原理及应用、物理化学、材料科学基础、材料相变原理等。专业课：热处理工艺学、陶瓷材料学、材料加热设备、材料热成形工艺、材料表面技术、材料热成形设备。此外，还有材料X射线测试与分析、材料电子显微分析、功能材料、材料物理性能、复合材料、超微

材料、粉末冶金等。掌握技能：掌握制图、计算、实验、测试方面的知识；具备机械热加工应用、材料的热处理和化学处理的基本技能。第1节机械工程及学科总论工业设计（本科）专业工业设计专业与机械设计制造及其自动化专业的区别：前者倾向于工业产品的外形设计、功能设计、广

告设计；后者侧重于产品的使用性能、强度、刚度、结构、原理方面的设计。主要内容：工业产品的设计理念、设计方法、造型材料和工艺、机械与结构、计算机辅助设计，同时兼顾广告设计、展示设计、企业形象设计和环境系统

设计。基础课程：英语、高等数学、线性代数、概率论与数理统计、大学物理、大学化学、设计概述、设计简史等。专业基础课：工业设计概论、机械与结构设计、人机工程学、计算机基础、工程制图基础、绘画透视、基础素描、色彩写生、立体构成、设

计素描、三维形态设计与模型制作、色彩构成等。专业课：电子产品设计、虚拟产品设计、产品包装设计、产品摄影、色彩设计、室内设计、市场调查、效果图、设计管理、设计心理、广告设计、展示设计等。就业去向：产品设计部门、广告公司、演出公司、展示中心、电视台等。第1

节机械工程及学科总论过程装备与控制工程（本科）专业专业来源：主要由化工设备与机械专业经过拓展专业领域和内容演化发展而来。面向行业：面向化工、石油、能源、轻工、医药、环保、食品等，处理流动型材料（如气体、液体、粉粒体），以改变物料状态或物理与化学

性质为主要目的的工业。学习内容：主要包括机械工程、化学工程、控制工程三大方面。专业基础课：物理化学、机械制图、理论力学、材料力学、机械原理、机械设计、机械制造基础；电工和电子技术、微机原理及应用、仪表

与测试技术、控制系统设计、计算机控制技术、等。专业课：化工计算、化工原理、工程热力学、流体力学、粉体力学、化工装置设计、控制与管理技术等。此外，还有压力容器安全技术、化工流体密封、化工机械制造、成套设备可靠性等。第1节机械工程及学科总论目录第1节机械工程及学科总论第2节机

械工程中的力学第3节机械设计第4节先进制造技术第5节机电一体化技术第2节机械工程中的力学机构：一组或多组部件组合在一起，能够进行一定的相对运动的装置。结构：一组或多组部件组合在一起，承担某种载荷的装置。传统上把机械分为

三类：原动机械：能把自然界的能量或其他非机械能转变为机械能的设备。如内燃机、电动机等。变换机械：把机械能转变为非机械能的设备。如发电机、空气压缩机等。工作机械：在外界给予的能量下完成生产过程，以改变工件（或工质）的物理性质、状态、形状和位置的设备

。如各种机床、起重机、汽车、液压机等。以上三类机械可以相互结合，联合工作。如火力发电设备的三大主机——锅炉、汽轮机和发电机的顺序连接工作。Mechanics的含义:机械学，力学机械中的力学主要包括：理论力学材料力学流体力学振动力学计算力学第2节机械工程中的力学第

2节机械工程中的力学——理论力学机械系统在工作时，从原动机到交换机，或者从交换机到工作机，存在大量的运动传递问题，简称传动问题。如汽车发动机内活塞的往复运动到车轮的旋转转动，就是一个传动系统。涉及曲柄连杆机构、齿轮变速机构、差速机构、皮带轮传动机构等。机构的运动分

析以及运动传递属于理论力学中运动学的范畴。运动学研究对象是质点或刚体。且仅限于质点或刚体在运动时所需满足的数学（几何）上的运动规律，而不涉及产生这种运动的具体的物理原因。一、运动学与机械传动质点只考虑其几何位置，不考虑其几何尺寸。如地球在太阳

系中就是一个点；轮船在海洋中的定位就是一个点；火车在铁道网中也是一个点。刚体可以看做是无数个点的集合体，而且刚体上各点的运动状态通常各不相同。大多数机械的部件或机构作为刚体来分析。刚体平移：刚体上所有点的速度、加速度均相同，

此时刚体可看成一个点。刚体转动：刚体运动时，刚体上某一条直线保持静止，成为定轴转动。此时，刚体具有共同的角速度和角加速度，刚体上任意点均做圆周运动。刚体平面运动：刚体在某一固定平面内做任意运动。分析刚体的平面运动时，通常采用“基点法”，即把刚体分解为随着基点的平行移动和

相对于基点的转动。刚体的运动分析在机械传动中得到大量应用。描述运动的参数有：位移、速度、加速度。一、运动学与机械传动第2节机械工程中的力学——理论力学动量定理：物体动量的增量等于它所受合外力的冲量即Ft=Δvm。⚫鱿鱼和墨鱼的游动⚫礼

花上天⚫火箭的推进二、动力学与运载火箭第2节机械工程中的力学——理论力学第2节机械工程中的力学——材料力学⚫材料的内效应：实际存在的固体材料都不是刚体，在受到载荷作用后都会发生变形，称为材料的内效应。内效应会导致物体的变形和破坏（断裂或

塑性变形）。⚫力的集度：构件是否会被破坏，不仅取决于载荷的大小，还取决于构件的几何尺寸，即与力的集度有关。⚫应力：构件内部某点处截面内力的集度。任何材料都有其自身的极限应力。⚫强度：构件的强度不仅与材料的物理性能有关，而且同结构的几何形状、

构件配置、外力作用形式有关。⚫安全因数：是一个大于1的数值。材料的极限应力除以安全因数后，得到一个比原极限应力小的应力，称为许用应力。安全因数取得越大，机构越安全保险，但尺寸越粗大。第2节机械工程中的力学——断裂力学⚫即使固体材料在工作时的应力小于其许用应力，有时并不一定安全。因为在实际

结构中，由于各种原因（结晶、加工、腐蚀），实际构件并不“完好”，其中存在大量的及其微小的裂纹。⚫断裂力学：研究含裂纹物体的强度和裂纹扩展规律的分支学科。断裂力学对机械结构或构件的强度分析十分重要。⚫在循环载荷作

用下，结构中的某些危险点会发生损伤递增，足够大的应力经循环后，损伤积累可形成裂纹，并使裂纹进一步扩展至完全断裂，这种常见破坏形式成为疲劳破坏。常规的疲劳强度计算和实验常用于曲轴、叶片、齿轮、弹簧等的设计。第2节机械工程中的力学——流体力学⚫浮力：浸入流体中的物体受到流体的压力

作用，由于各表面受到的压力不同而形成压力差的表现。浮力大小等于物体在流体中所占据的同体积流体的重量。⚫在静止的流体中，流体给予浸入其中的物体的压力，称为静水压力。该压力大小与流体的密度以及浸入流体中的深度成正比，方向沿着物体表面的法线方向。⚫当流体处于运动时，浸入流体中的物体表面所受到的压力

，与流体运动的速度有关，即伯努利定理：p为流体压力；ρ为流体密度；v为流体运动速度；h为物体浸入流体的深度。如果流体的运动速度为零，则流体压力与流线高度成正比，这也就是静水压力的计算公式；如果流线高度h不变，则流体的压力将随流

动速度的增加而减少。伯努利定理在航空、航海等领域的应用机翼剖面及速度流场图⚫机翼截面的构表面是一个凸面，而下表面是一个近似平面。⚫当飞机滑跑时，空气以一定速度绕流过机翼截面。上表面流线长，其表面的流动速度就快；下表面的流线短，其速

度就慢。⚫由于上、下表面的速度差，根据伯努利定理，存在一个压力差，即上表面速度大而压力小，下表面速度小而压力大。上下表面压力与的差产生的一个向上的力，称为升力。第2节机械工程中的力学——流体力学第2节机械工程中的力学——振动力学一、机械转子振动与系统平衡⚫振动：机械在工作中，所受外力的作用

通常都是随时间变化的。当作用力是一个周期性的循环往复的力时，称为周期性的激励。激励作用在物体上，将引起物体也发生周期性的循环往复的运动。⚫绝大部分的机械(尤其是脉动载荷作用下的机械、往复式机械、旋转机械)在工作中都会产生振动。⚫振动会降低机械设备的工作精度，加剧构件磨损，甚至引起结构疲

劳破坏。⚫共振：如果激励载荷的频率接近机械结构的某阶固有频率时，会产生共振现象。如果阻尼十分小，共振振幅可以达到非常大，往往造成机械的彻底破坏。在机械设计中，必须注意使激励频率尽量错开系统的固有频率，或适当增加系统的阻尼以防止

共振的产生。第2节机械工程中的力学——振动力学一、机械转子振动与系统平衡利用机械振动原理可以制成各种振动机械：(1)振动能使物料剧烈运动，使物料沿工作面散开，能有效地完成物料的筛分、选别、脱水、干燥等。(2)振动可

使物料在封闭的槽中作滑移运动或抛掷运动，可以将松散物料或物件从某一位置运送至另一位置。(3)振动可加剧物体与被研磨物料之间的冲击和摩擦，从而可以完成物料的粉磨、破碎、落砂、清理等工作。(4)振动能减少物料颗粒之间的内摩擦力，增加物料的“流动性”，因而使物料易于成形

与密实；(5)振动能降低土壤对插入物体(管、桩)的阻力，可提高插入的效率。第2节机械工程中的力学——振动力学一、机械转子振动与系统平衡转子系统是汽轮机、发电机、电动机、车床、内燃机等一类旋转机械的关键结构，转子系统运转的平稳性极大地影

响机器的工作质量、工作效率、工作寿命和工作环境。研究和改善转子系统运转的平稳性是振动力学的核心研究课题。决定转子系统运转的平稳性的关键因素是转子的平衡问题。第2节机械工程中的力学——振动力学二、机械振动的控制⚫机械发生振动时，不同频率和强度的信号混合在一起就形成了噪声。⚫要控制机械振动，需

要了解振动的形态和规律（振动类型、振动系统建模、振动频率、振动体各点的响应大小和相互关系、振动起因等），这些离不开力学分析与实验。⚫振动控制涉及工程力学理论、计算方法和实验技术。第2节机械工程中的力学——振动力学二、机械振动的控制⚫被动控

制：1）安装隔振器或阻尼减振器；2）加装阻尼层。⚫主动控制：通过适当的系统状态或输出反馈，产生一定的控制作用，以实现结构的振动控制。⚫主被动控制目录第1节机械工程及学科总论第2节机械工程中的力学第3节机械设计第4节先进制造技术第5节机电一体化技术第3节机械设计▪传统设计方法以经验为基

础，以力学和公式、图表、手册等为依据，着眼于产品的功能和技术规范，总结出有关设计理论、步骤、方法进行设计。特点：(1)用人工试凑法求得设计对象的各种结构尺寸和性能参数，其中，经验类比法设计占很大比重；

(2)以静态为假设条件，进行定性目标和某些定量的设计；(3)设计者和制造者往往独立工作，分别活动；(4)周期长，效率低，质量差，费用高，带有很大的盲目性和随意性，产品缺乏竞争力。▪现代设计方法以理论为指导，以计算机为手段，以分析、优化、动态、定量、

综合为核心，设计过程自动化，设计的效率、水平、质量以及设计过程中的主动性、科学性和准确性大大提高。特点：(1)突出设计的创造性；(2)设计过程科学化和程式化；(3)处理问题时具有系统性和综合性；(4)最大程度运用计算机技术，以获得整体最优的设计结果。包括：优

化设计、可靠性设计、模块化设计、智能设计、并行设计、虚拟设计、绿色设计、反求设计、创新设计、稳健设计、有限元设计、人机工程设计……第3节机械设计⚫根据设计要求，合理确定各种参数，如质量、成本、性能、承载能力等，使其达到最佳的设计目标。⚫立足于计算分析,将最优原理和

计算机技术应用于设计领域，把经验的、感性的、类比的传统设计方法转变为科学的、理性的设计。⚫能从众多的设计方案中寻找到尽可能完善的或最适宜的设计方案，提高设计效率和质量。现代设计方法——优化设计第3节机械设计▪产品质量既包括功能指标，也包括可靠性指标。▪可靠性

的数值指标常用可靠度、实效率、平均寿命、有效寿命、维修度、有效度等来表示。▪有了可靠性的尺度，在设计和生产产品时，可以利用数学方法来计算和预测它们的可靠性；在产品生产出来之后，可用一定的试验方法来评定其可靠性。现代设

计方法——可靠性设计第3节机械设计▪有限元法是一种实用的数值方法，它避开了在整个求解区域上寻找连续解析函数的难点，转为寻求在各子域(单元)上适当控制方程，并满足整个物体的边界条件和连续条件的分块近似的插值函数。▪具

体方法：（1）将研究对象分成若干小单元，各单元通过节点联系，对于每个单元都用节点的未知量通过插值函数近似地表示单元内部的多种物理量，并使其在单元内部满足该问题的控制方程，从而将各单元对整体的影响通过单元的节点传递；（2）将这些单元组装成整体，使它们

满足整个物体的边界条件和连续条件，得到一组有关节点未知量的联立方程；（3）解出方程后，再用插值函数和有关公式求得物体内部各点所要求的多种物理量。▪如果插值函数选的合适，单元分得越细，计算结果就越精确。但是，单元数的增加，计算量和存储信息会迅速增加，因此一

般都是根据问题对精度的要求，只取一定数量的单元进行分析。现代设计方法——有限元分析第3节机械设计有限元法的应用领域(1)杆、梁、板、壳、三维块体、二维平面、管道等各种单元复杂结构的静力分析。(2)各种复杂结构的动力分析，包括频率、振型和动力响应计算。(3)复杂机械系统(如水压机、汽车、

发电机、机床等)的静力和动力分析。(4)工程结构和机械零部件的弹塑性应力分析及大变形分析。(5)工程结构和机械零件的热弹性蠕变、黏弹性、黏塑性分析。第3节机械设计1.静力学分析功能线性应力分析复合材料分析间隙单元分析

复合材料和间隙单元分析线性稳定性分析2.线性动力学分析功能线性模态分析复合材料模态分析时间历程分析响应谱分析线性瞬态应力分析复合材料瞬态应力分析频率响应分析随机振动分析载荷作用下的模态分析3.非线性动力分析功能非线性模态分析非

线性动态响应分析4.热传导分析功能稳态热传导分析瞬态热传导分析5.流动分析功能二维稳态流动分析二维瞬态流动分析三维稳态流动分析三维瞬态流动分析6.电场分析功能7.管道设计及分析功能8.机械事件仿真功能9.多物理场分析能力电－机械场（对于M

EMS的应用），热－机械场、流体－热－机械场的分析等10.CAD功能直接对Pro/E，SolidEdge和SolidWorks建立的模型进行CAD/CAE模型转换，并进行有限元分析。能支持广泛的CAD实体建模，并含有有限元网格划分和建模的工具。大

型通用有限元软件ALGOR主要分析功能：大型通用有限元软件ALGOR主要分析功能大型通用有限元软件ALGOR主要分析功能大型通用有限元软件ALGOR主要分析功能大型通用有限元软件ALGOR主要分析功能ANSYS10.0的仿真效果图ANSYS10.0的仿真效果图▪保持“

鸟巢”的建筑风格，对结构布置、构件截面形式等进行了调整与优化。扩大屋顶开口，大大减少了用钢量。▪在ANSYS平台上开发了设计与优化功能，满足复杂大跨度结构设计需求。▪在国内建筑行业首次采用CATIA软件，解决造型复杂结构的空间建模问题；对大跨度结构的建造过程进行详细的

施工模拟分析；对大跨度结构整体稳定性、扭曲构件二阶效应、薄壁箱形构件局部屈曲等进行非线性分析。(1)概念：产品在设计时与相关过程进行集成的一种系统化设计方法,从而避免在产品研制后期出现不必要的返工与重复。(2)产品开发过程的并行重组及团队工作方式。通过工作步骤的平

行交叉，缩短开发周期。如当产品开发处于某一特定环节时，原本只是由一个或几个部门进行操作的，可能会得到来自其他部门的共同关注，他们随时发表评价和建议，与产品的开发过程一直保持接触。第3节机械设计现代设计方法——并行设计产品的生命周期在产品概念设计阶段考虑产品生命周期各个环节

，包括设计、研制、生产、供货、使用、直到废弃后拆卸回收或处理处置。现代设计方法——绿色设计第3节机械设计绿色设计的主要内容(1)材料选择与管理。选材：了解材料对环境的影响，选用无毒、无污染材料及易回收、可重用、易降解材料。对材料的管理：不能把含有有害成分与无害成分的材料混放在一起；达到生命周

期的产品，可重用部分要充分回收利用，不可用部分要采用一定的工艺方法进行处理，使其对环境的影响降低到最低限度。(2)产品的可回收设计。充分考虑零件材料的回收可能性、回收价值大小、回收处理方法、回收处理结构工艺性等，最终达到零件材料资源、能源的最大利用，并对环境污染最小。(3)产品的装配与拆

卸性设计。产品不仅具有优良的装配性能，还必须具有良好的拆卸性能。因为不可拆卸会造成大量可重复利用零件部件材料的浪费，还会污染环境。(4)产品包装设计。优化包装方案和包装结构，选用易处理、可降解、可回收重用和循环再生的包装材料。(5

)绿色产品的成本分析。考虑污染物的替代、产品拆卸、重复利用成本、特殊产品相应的环境成本等。第3节机械设计绿色汽车应满足：1）制定基于环境因素的设计规范，以保证制造装配、产品的运输销售、消费者使用、回收再生等所有过程都不会引起环境问题；2）在生产制

造过程中不得对环境产生损害，包括噪声、振动、热、化学物质、电辐射等；3）汽车的能耗要低，效率要高；4）汽车报废时要能够方便地拆卸和回收。绿色汽车要求汽车厂家改造生产工艺，选择新材料，加重制造成本。一些发达国家制定了严厉的环境法规，去约束汽车厂商的生产行为。如果规定汽车报废时的回

收处理费用由汽车制造厂家来承担，绝大部分汽车的设计方案就会有很大的修改。美国的废旧车利用⚫美国每年更新旧车超过1000万辆。严格的法规要求：美国的报废汽车必须送到专门的报废汽车回收利用企业进行处理。高效的废旧汽车回收业和完善的二手车市场，为美国的废旧汽车找到了循环利用之路，带来了巨大的经济

、环境和社会效益。⚫美国报废汽车的再利用率已达到95%。废旧汽车回收成为美国最大的回收行业。每辆回收车被再利用的零部件重量超过该车总重量的75%。⚫全美目前共有1.2万多家报废汽车拆解企业、2万家零部件再制造企业和200家拆后报废汽车粉碎企业。旧车的修复废车电池的回收美

国的废旧车利用美国报废汽车的回收利用流程：1）被回收的车辆进入报废汽车回收工厂；2）放掉油箱的汽油和机油等残留液体；3）牌照由相关部门检验签字；4）将“五大总成”拆除，对可利用或销售的零部件进行筛选后入库；5）织物及布料作垃圾处理；6）有用的汽车零部件被拆卸下来，修理翻新

后重新投入使用；7）金属车架会被送进大型挤压机粉碎，再用磁分离法将钢分离出来，或者将钢铁进行压块后出售给钢铁回收部门。粉碎一辆车的废壳几乎能满足制造一辆新车的需要。汽车回收业每年向美国钢铁冶金行业提供的废钢铁占冶金业回收量

的1/3还要多。车身压块处理后打包运输美国的废旧车利用⚫美国汽车回收业的蓬勃发展，大大减少了公路两旁和树林中报废的汽车堆积，使环境污染问题得到改善。⚫由于部分回收零部件经整修和翻新后再次进入市场，有利于降低成本，使广大消费者得到

实惠。对于未达使用年限，车主又希望置换的旧车，二手车市场则成了理想的选择。美国每年二手车的销量远远超过新车销量。美国二手车市场已相当成熟。几乎所有美国汽车经销商都同时经营新车和二手车。美国的废旧车利用苏联发明家Altshuller发现：技术的变革、创新和生物系统一样，都存在产生、生长、

成熟、衰老、灭亡的过程，是有规律可循的。Altshuller领导数十家研究机构、大学、企业分析了世界近250万份高水平的发明专利，总结出各种技术发展进化遵循的规律，以及解决各种技术矛盾和物理矛盾的创新原理和法则，并综合多学科领域的原理和法则，建立起TRIZZ理论体

系。现代设计方法——创新设计TRIZZ理论第3节机械设计相对于传统的创新方法，比如试错法，头脑风暴法等，TRIZ理论成功地揭示了创造发明的内在规律和原理，而不是逃避矛盾或采取折衷或者妥协的做法。实践证明，TRIZ理论能够帮助快速发现问题本质或者矛盾，准确确定问题探索方向，不会错过各种可

能，以新的视觉分析问题，开发富有竞争力的新产品。TRIZZ理论第3节机械设计功能分析解法构思砸壳外部加压：砸(利用重力)适度抽象化夹：杠杆作用(核桃夹子)压：螺旋压力机冲击：水力冲击冲射：把桃核作为子弹射到硬靶上侧向思维：使壳变脆，让壳易

碎把壳溶解，只溶解壳而不落解桃仁逆向思维：内部加压：钻孔，向壳内充气撑破外壳分离壳与桃仁整体加压：外压甄减，内压撑破外壳例：取果仁的功能描述第3节机械设计▪划分并设计出一系列通用的功能模块，根据用户要求，对模块进行选择和组合，构成不同功能或功能相同性能不同、规格不同的产品。▪中小

批量产品约占产品总数的70％～80％，为了满足不同的功能及性能要求，而且要迅速、经济地设计出更多变型新产品。▪系列化设计和模块化设计是当今产品设计的发展方向。现代设计方法——模块化设计第3节机械设计对已有

的先进产品或有关的影像、资料、图样等进行分解、试验、分析、研究，在充分掌握其功能特点的基础上，吸收优点，充实提高，发展创新产品的一种设计方法。反求工程的特点：①目标明确。从功能要求及各项技术经济指标均有实物样品或技术资料作为准

则，它也是反求工程所追求、赶超的总目标。②设计水平起步高。反求工程项目一般是国外科技先进的产品，不但缩短了我国与发达国家之间的差距，还可以启迪设计人员的思维，提高设计人员的设计水平，可节省人力、物力，缩短设计周期。现代设计方法——反求设计第3节机械设计反求工程发展的时

代背景：二次大战后，许多国家（特别是战败国）急于恢复和振兴经济。日本在60年代初提出科技立国方针：“一代引进，二代国产化，三代改进出口，四代占领国际市场”，其中在汽车、电子、光学设备和家电等行业上最突出

。为要国产化的改进，迫切需要对别国产品进行消化、吸收、改进和挖潜，这就是反求设计或反求工程。反求工程的大量采用为日本的经济振兴、进而创造和开发各种新产品奠定了良好基础。实际上，任何产品问世，包括创新、改进和仿制的

，都蕴含着对已有科学、技术的继承和应用借鉴。因而反求思维在工程中的应用已源远流长，而提出这种术语并作为一门学问去研究，则是60年代初出现的。第3节机械设计正设计：关注“怎么做?”，是主动的创造。反设计：关注“为什么要这样做?”是先被动后主动的创造。反设计并非正设计的简单逆过程，因为

一个先进成熟的产品，凝集着设计者的智慧和技术，要去吃透、消化，包含很多复杂内容。往往吃透别人的技术比自己创造还难，因为：（1）先进产品中总有“绝招”、“诀窍”和关键技术，我们并不掌握；（2）很难摸透别人的思维。多年来，我国测绘仿制的产品，大多数达不到原产品的水平，涉及原因、内容和技术是多

方面的，正说明发展反求工程的研究和应用的重要性。现代设计方法——反求设计第3节机械设计目录第1节机械工程及学科总论第2节机械工程中的力学第3节机械设计第4节机械制造技术第5节机电一体化技术第4节机械制造技术◼机械制造技术两方面的含义：一、指用机械

来加工零件的技术，通常指在一种机器上用切削方法来加工，这种机器通常称为机床或工作母机；二、指制造某种机械的技术，如制造汽车、涡轮机、农业机械、纺织机械、军工机械等。随着制造方法的发展，出现了电加工、光学加工、电子加工和化学加

工等非机械加工方法，又有信息、管理等方面的融入，因此,人们把机械制造技术扩大，称之为制造技术。制造技术强调了各种各样的制造技术，但机械制造技术仍是主体和基础。▪先进制造技术是将机械、电子、信息、材料、能源和管理等方面的技术，进行交叉、融合和集成，综合应用于产品全生命周期的制造全过程，包

括市场需求、产品设计、工艺设计、加工装配、检测、销售、使用、维修和报废处理等，以实现优质、敏捷、高效、低耗、清洁生产，快速响应市场的需求。第4节机械制造技术20世纪制造理论（1）加工成形机理：分离（去除）加工；结合（堆积、分层）加工；变形（流动）加工。（2

）精度原理：精度是工艺的关键问题之一，围绕精度、质量和优化出现了许多理论。●机械加工精度原则●定位与基准的概念和六点定位规律●尺寸链原理和计算方法●质量统计分析原理和方法（3）相似性原理：相似性是成组技术的理论基础，成组工艺是成组技术的核心，零件的分类成

组方法是成组技术的关键。（4）工艺决策原理：数学模型决策、逻辑推理决策、智能思维决策等方法第4节机械制造技术▪又叫快速成形，是在CAD／CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。▪基本原理：“分层制造，逐层叠加”。每次制做一个具有

一定微小厚度和特定形状的截面，然后再将其逐层粘结，得到立体零件。该工艺称为“增长法”或“加法”。▪由传统“去除法”到先进“增长法”，由有模制造到无模制造，对制造业产生的革命性意义。▪快速原型制造可直接用于新产品设计验证、

功能验证、外观验证、工程分析、市场订货等。先进制造技术——快速原型制造优越性：①无需模具、刀具和工装卡具，直接接受产品的设计(CAD)数据，快速制造出新产品样件、模具或模型。大大缩短新产品研制周期。②提高了制造复杂零件的能力。③可以及时发现产品设计的错误，避免更改后续工序所造成的大量损失。④支持

同步(并行)工程的实施，使设计、交流和评估更加形象化，使新产品设计、样品制造、市场定货、生产准备等工作能并行进行。⑤支持技术创新、改进产品外观设计，有利于优化产品设计。⑥可迅速实现单件及小批量生产。先进制造技术——快速原型制造Contex推出的ZPrinter3D打

印机先进制造技术——快速原型制造DIMENSION三维打印机制作的样品：先进制造技术——快速原型制造DIMENSION三维打印机制作的样品：先进制造技术——快速原型制造DIMENSION三维打印机制作的样品：先进制造技术——快速原

型制造先进制造技术——精密工程▪精密工程与纳米技术是衡量现在制造技术水平的重要指标之一。▪纳米技术通常是指纳米级制造技术，是超精密加工技术的一部分。(1)机械精密和超精密加工技术。指金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密研磨和抛光等传统加工方法及其微型化。(2)非机械精密和超精密加工

技术。指微电子束加工及离子束加工、激光束加工等非传统加工及其微型化。实际上就是超精密特种加工。(3)微细加工技术。指制造微小尺寸零件的加工技术。是在半导体集成电路制造技术的基础上形成并发展的,是大规模集成电路和计算机技术的基础,是

信息时代、微电子时代、光电子时代的关键制造技术之一。先进制造技术——纳米技术▪纳米技术通常指0.1~100nm的材料、产品设计、加工、检测及控制等系列技术。它不是简单的“尺寸缩小”，而是从宏观领域进入到微观领域，宏观的几何学、力

学、热力学和电磁学等都不能描述纳米级的工程现象与规律。▪纳米技术包括:纳米材料、纳米级精度制造技术、纳米级精度和表面质量检测、纳米级微传感器和控制技术、微型机电系统和纳米生物学等。▪微型机电系统(Micr

oElectricMechanicalSystems,MEMS)是指集微型机构、微型传感器、微型执行器、信号处理、控制电路、接口、通信和电源等于一体的微型综合体。▪微型机电系统的发展前沿：微型机械学研究、微型结构加工技术、微装配微键合微封

装技术、微测试技术、典型微器件及微机械的设计制造技术等。先进制造技术——计算机集成制造系统CIMS和并行工程CE▪制造系统的发展分为四个阶段。(1)刚性自动线。单一品种大批量生产自动化的形式。(2)柔性制造系统。由数控机床和加工中心(一般为2至8台

)、物流、检测和清洗等装备构成，具有工件的自动加工、运输、存储、上下料和检测等功能。(3)集成制造系统。在计算机系统、网络和数据库的支撑环境下，由以计算机辅助设计为核心的工程信息分系统、计算机辅助制造分系统、计算机管理信息分系统和计算机质量管理分系统组成，体现功能

集成、信息集成、过程集成、人机集成和学科集成，实现了车间、工厂的综合自动化。（4）智能制造系统具有人的智能的制造系统，展现了与人类智能行为相关的特性，如理解语言、学习能力、逻辑推理和解决问题等能力，能够深入了解人脑活动机

理，取代人的部分脑力劳动，强调企业的自组织能力。大体包括专家系统、模糊推理、人工神经网络和遗传因子等方面，其表现形式有智能制造单元和系统，如智能数控机床、智能机器人、制造过程的智能控制、智能监测与诊断系统等。先进制造技术——计算机集成制造系统CIMS先进制造技术——特

种加工技术▪具有工具的强度和硬度可以低于工件的强度和硬度的特点，因此适于加工高硬度材料、脆性材料等难加工材料；▪由于它不是靠力来进行加工，所以适于加工微细零件、薄壁零件、弹性零件；又由于工具损耗很少，因

此适于加工复杂成形表面和型腔等模具零件。（1）电加工。主要有电火花线切割、电火花成形。（2）电化学加工。主要有电解加工、电镀、电铸、刷镀及一些复合加工方法（3）高能束流加工。主要指电子束、离子束和激光束三束加工，又称高能束流加工，现己成为微细加工方法的主流

。（4）超声波加工。主要有超声波成形加工、旋转加工、振动切削、探测(如探伤、测距等)和焊接等加工，已经发展为一种不可缺少的特种加工方法，其中的超声波旋转加工已成功的运用在硬脆材料的孔加工上。特种加工的发展：▪在能源

上己从机械能向声能、光能、电能、磁能、热能、分子运动能、化学能及电化学能等方向发展,甚至向量子能加工方向迈进,寻求新的能源；▪特种加工和精密加工密切结合,形成精密特种加工。特别是在纳米加工中,正是采用了许多特种加工手段才得以解决。先进制造技术——特种加工技术目

录第1节机械工程及学科总论第2节机械工程中的力学第3节机械设计第4节先进制造技术第5节机电一体化技术机电一体化的组成和发展◼机电一体化是从系统工程观点出发，使机械、电子有机合，实现系统或产品整体最优的综合性技术，是工业信息化的重要内容。◼主要包括：技术原理使用机电一体化产品得以实现、使用和发

展的技术。◼机电一体化的发展趋势：光机电一体化、智能化第5节机电一体化技术国际标准化组织(ISO)对机器人的定义：“机器人”是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。第5

节机电一体化技术⚫机器人是一种能够代替人从事多类工作的高度灵活的自动化机械系统。⚫机器人技术是集力学、机械学、电子学、生物学、控制论、人工智能、系统工程等多种学科于一体的综合性很强的新技术。机器人学◼当一种工业、技术和经济发生重大变化时，总是要求科学和教育系

统发生与之相适应的调整和发展。◼知识经济对机器人的需求和机器人工业的迅速发展，为机器人学的建立奠定了基础。◼机器人学己进入朝气蓬勃的青年时代。第5节机电一体化技术机器人的主要特点▪通用性：指某种执行不同的功能和完成多样的简单任务的能

力。取决于其几何特性和机械能力。即机器人可根据工作需要进行变更的几何结构。▪适应性：指对环境的自适应能力:(1)运用传感器感测环境的能力;(2)分析任务空间和执行操作规划的能力;(3)自动指令模式能力。第5节机电一体化技术机器人

的分类◼按机械手的几何结构来分（1）柱面坐标机器人（2）球面坐标机器人（3）关节式球面机器人◼按机器人的控制方式分：（1）非伺服机器non-servorobots（2）伺服控制机器人servo-controlledrobots◼按机器

人的用途分（1）工业机器人（2）探索机器人（3）服务机器人（4）军事机器人第5节机电一体化技术◼按机器人的智能程度分（1）一般机器人：只具有一般编程能力操作功能。（2）智能机器人：具有不同程度的智能；又可分为：传感型机器人：具有利用传感信息（

视觉、听觉、触觉、接近觉、力觉和红外、超生及激光等）进行传感信息处理，实现控制与操作的能力。交互型机器人：机器人通过计算机系统与操作员或程序员进行人-机对话，实现对机器人的控制与操作；自主型机器人：在设计制作之后，机器人无需人的干预，能够在各种环境下自动完成各

项拟人任务。机器人的分类第5节机电一体化技术◼按机器人的移动性分（1）固定式机器人（2）移动式机器人：轮式机器人、履带式机器人、步行机器人其中步行式又分为：单足、双足、四足、六足和八足。机器人的分类第5

节机电一体化技术机械工程的发展方向▪高效率、高功率、高性能、高精度、高度自动化、低成本、安全可靠、经久耐用▪新材料及材料技术的应用▪机械技术与微电子技术和信息技术的结合即机电一体化▪微机械技术MEMS▪降低材料消耗与能源消耗，环保的可持续发展的技术