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一、機械設計的含義

機械設計（machine design），根據使用要求對機械的工作原理、結構、運動方式、力和能量的傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺寸、潤滑方法等進行構思、分析和計算並將其轉化為具體的描述（圖紙資料）以作為製造依據的工作過程。

機械設計是機械工程的重要組成部分，是機械生產的第一步，是決定機械性能的最主要的因素。

機械設計的努力目標是：在各種限定的條件（如材料、加工能力、理論知識和計算手段等）下設計出最好的機械，即做出優化設計。

優化設計需要綜合地考慮許多要求，包含：最好工作性能、最低製造成本、最好的適用性、最小尺寸和重量、使用中最具可靠性、方便性、最低消耗和最少環境汙染(還有客戶的想法和意圖)。這些要求常是互相矛盾的，而且它們之間的相對重要性因機械種類和用途的不同而異。

設計者的任務是按具體情況權衡利弊,分出輕重，統籌兼顧，使設計的機械有最優的綜合技術經濟效果。（可見並不只是：做得出來、能用就行！）

過去，設計的優化主要依靠設計者的知識、經驗和遠見。隨著機械工程基礎理論和價值工程、系統分析等新學科的發展，製造和使用的技術經濟數據資料的積累,以及計算機的推廣應用,優化逐漸捨棄主觀判斷而依靠科學計算。（講評：1、不能只依賴經驗；2、要有技術傳承和積累；3、運用先進的技術手段；4、要有依據。）

各產業機械的設計，特別是整體和整系統的機械設計，須依附於各有關的產業技術而難於形成獨立的學科。因此出現了農業機械設計、礦山機械設計、泵設計、壓縮機設計、汽輪機設計、內燃機設計、機床設計等專業性的機械設計分支學科。（講評：要有行業知識和經驗，這一個行業的專家可能是另一個行業的外行）

二、機械設計的類型

機械設計可分為新型設計、繼承設計和變型設計三類。

1、新型設計

應用成熟的科學技術或經過實驗證明是可行的新技術，設計過去沒有過的新型機械。（講評：注意，“成熟”、“ 實驗證明是可行”，而不是拍腦袋憑空想象出來的）

2、繼承設計

根據使用經驗和技術發展對已有的機械進行設計更新，以提高其性能、降低其製造成本或減少使用成本。（講評：不是照抄照搬）

3、變型設計

為適應新的需要對已有的機械作部分的修改或增刪而發展出不同於標準型的變型產品。

三、機械設計主要流程

1、制定設計任務。

根據用戶需求、市場需要或新科研成果制定設計任務。

2、初步設計。（方案設計）

包括確定機械的工作原理和基本結構形式，進行運動設計、結構設計並繪製初步總圖以及初步審查。（講評：初步總圖有兩層意思，一是粗略，二是可能會修改。初步審查，是指對初步方案的審查，主要關注方案原理方面的問題，暫時可不用關注小細節，但影響到原理是否可行的細節也必須審查，而不是粗略審查，隨便看一下的意思）

3、技術設計。（方案細化設計）

包括修改設計（根據初審意見）、繪製全部零部件和新的總圖以及第二次審查。（講評：主要是指機構組件、零部件三維模型細化）

4、工作圖設計。（平面圖紙設計）

包括最後的修改（根據二審意見）、繪製全部工作圖（如零件圖、部件裝配圖和總裝配圖等）、制定全部技術文件（如零件表、易損件清單、使用說明等）。（講評：很重要的設計階段，包含了零件加工工藝、零件精度、裝配精度等的設計，很多工程師只是做了3D轉2D的工作而已。）

5、定型設計（標準化設計）。用於成批或大量生產的機械。對於某些設計任務比較簡單（如簡單機械的新型設計、一般機械的繼承設計或變型設計等）的機械設計可省去初步設計程序。

四、機械設計階段

一部機器的質量基本上決定於設計質量。製造過程對機器質量所起的作用，本質上就在於實現設計時所規定的質量(達到圖紙設計的要求)。因此，機器的設計階段是決定機器好壞的關鍵。（講評：品質是設計出來的）

所討論的設計過程僅指狹義的技術性的設計過程。它是一個創造性的工作過程，同時也是一個儘可能多地利用已有的成功經驗的工作

以下對各階段包含工作內容分別加以簡要說明。

（一）計劃（講評：“計劃”一詞，有計劃經濟時代的痕跡，稱為“項目評估”更貼切）

在計劃階段中，應對所設計的機器的需求（用戶需求）情況做充分的調查研究和分析（講評：對需求進行了解、消化、分析、評估）。通過分析，進一步明確機器所應具有的功能，併為以後的決策提出由環境、經濟、加工以及時限等各方面所確定的約束條件

（二）方案設計

（實現某種功能）根據不同的工作原理，可以擬定多種不同的執行機構的具體方案。例如僅以切削螺紋來說，既可以採用工件只作旋轉運動而刀具作直線運動來切削螺紋（如在普通車床上切削螺紋），也可以使工件不動而刀具作轉動和移動來切削螺紋（如用板牙加工螺紋）。這就是說，即使對於同一種工作原理，也可能有幾種不同的結構方案。（講評：實現同一種功能，可採用多種實現的方法，每一種實現的方法又可以有多種不同的結構形式）

原動機（動力）部分的方案當然也可以有多種選擇（電動、氣動、液壓、熱力、彈簧等）。由於電力供應的普遍性和電力拖動技術的發展，現在可以說絕大多數的固定機械都優先選擇電動機作為原動機部分。熱力原動機主要用於運輸機、工程機械或農業機械。（講評：工廠生產用設備，氣源比較普遍，因氣源成本低、清潔，氣動能滿足使用要求的優先選擇氣動。）即使是用電動機作為原動機，也還有交流和直流的選擇，高轉速和低轉速的選擇等。

傳動部分的方案就更為複雜多樣了。對於同一傳動任務，可以由多種機構及不同機構的組合來完成。因此，如果用Ⅳ來表示原動機部分的可能方案數，N2和N3分別代表傳動部分和執行部分的可能方案數，則機器總體的可能方案數Ⅳ為Ni×N2×N3個。（Ni為不同原理的可能方案數）

以上僅是就組成機器的三個主要部分討論的。有時，還須考慮到配置輔助系統，對此，本文不再討論。

在如此眾多的方案中，技術上可行的僅有幾個。對這幾個可行的方案，要從技術方面和經濟及環保等方面進行綜合評價。評價的方法很多，現以經濟性評價為例略做說明。根據經濟性進行評價時，既要考慮到設計及製造時的經濟性（製作成本），也要費用考慮到使用時的經濟性（使用成本）。如果機器的結構方案比較複雜，則其設計製造成本就要相對地增大，可是其功能將更為齊全，生產率也較高，故使用經濟性也較好。反過來，結構較為簡單、功能不夠齊全的機器，設計及製造費用雖少，但使用費用卻會增多。評價結構方案的設計製造經濟性時，還可以用單位功效的成本來表示。例如單位輸出功率的成本、單件產品的成本等。

進行機器評價時，還必須對機器的可靠性進行分析，把可靠性作為一項評價的指標。從可靠性的觀點來看，盲目地追求複雜的結構往往是不明智的。一般地講，系統越複雜，則系統的可靠性就越低。為了提高複雜系統的可靠性，就必須增加並聯備用系統，而這不可避免地會提高機器的成本。

環境保護也是設計中必須認真考慮的重要方面。對環境造成不良影響的技術方案，必須詳細地進行分析，並提出技術上成熟的解決辦法。

通過方案評價，最後進行決策，確定一個據以進行下一步技術設計的原理圖或機構運動簡圖。

在方案設計階段，要正確地處理好借鑑與創新的關係。同類機器成功的先例應當借鑑，原先薄弱的環節及不符合現有任務要求的部分應當加以改進或者根本改變。既要積極創新，反對保守和照搬原有設計，也要反對一味求新而把合理的原有經驗棄置不用這兩種錯誤傾向。（講評：反對照搬，是指原本有問題或不足的設計一股腦的搬過來用，如果完全沒有問題，只要不涉及到侵權的問題，可以完全移植。把成熟的機構改變其原有的功能，也是創新）

（三）技術設計

技術設計階段的任務是輸出總裝配草圖及部件裝配草圖。通過草圖設計確定出各部件及其零件的外形及基本尺寸，包括各部件之間的連接，零、部件的外形及基本尺寸。最後繪製零件的工作圖、部件裝配圖和總裝圖。（講評：此處草圖不完全等同於三維軟件中的草圖，是指結構原理的平面幾何模型。）

為了確定主要零件的基本尺寸，必須做以下工作：

（1）機器的運動學設計。

根據確定的結構方案，確定原動件的參數（功率、轉速、線速度等）。然後做運動學計算，從而確定各運動構件的運動參數（轉速、速度、加速度等）。（講評：通過經驗和類比、初步計算得到，不能完全確定的，待結果細化完成後，再進行詳細計算，根據結果修改三維模型）

（2）機器的動力學計算。

結合各部分的結構及運動參數，計算各主要零件所受載荷的大小及特性。此時求出的載荷，由於零件尚未設計出來，因而只是作用於零件上的公稱（或名義）載荷。

（3）零件的工作能力設計。

已知主要零件所受的公稱載荷的大小和特性，即可做零、部件的初步設計。設計所依據的工作能力準則，須參照零、部件的一般失效情況、工作特性、環境條件等合理地擬定，一般有強度、剛度、振動穩定性、壽命等準則。通過計算或類比，即可決定零、部件的基本尺寸。

（4）部件裝配草圖及總裝配草圖的設計。

根據已定出的主要零、部件的基本尺寸，設計出部件裝配草圖及總裝配草圖。草圖上需對所有零件的外形及尺寸進行結構化設計。在此步驟中，需要很好地協調各零件的結構及尺寸，全面地考慮所設計的零、部件的結構工藝性，使全部零件有最合理的構形。

（5）主要零件的校核。

有一些零件，在上述第3）步中由於具體的結構未定，難於進行詳細的工作能力計算，所以只能做初步計算及設計。在繪出部件裝配草圖及總裝配草圖以後，所有零件的結構及尺寸均為已知，相互鄰接的零件之間的關係也為已知。只有在這時，才可以較為精確地定出作用在零件上的載荷，決定影響零件工作能力的各個細節因素。只有在此條件下，才有可能並且必須對一些重要的或者外形及受力情況複雜的零件進行精確的校核計算。根據校核的結果，反覆地修改零件的結構及尺寸，直到滿意（滿足要求）為止。

在技術設計的各個步驟中，近三四十年來發展起來的優化設計技術，越來越顯示出它可使結構參數的選擇達到最佳的能力。一些新的數值計算方法，如有限元法等，可使以前難以定量計算的問題獲得極好的近似定量計算的結果。對於少數非常重要、結構複雜且價格昂貴的零件，在必要時還須用模型試驗方法來進行設計，即按初步設計的圖紙製造出模型，通過試驗，找出結構上的薄弱部位或多餘的截面尺寸，據此進行加強或減小來修改原設計，最後達到完善的程度。機械可靠性理論用於技術設計階段，可以按可靠性的觀點對所設計的零、部件結構及其參數做出是否滿足可靠性要求的評價，提出改進設計的建議，從而進一步提高機器的設計質量。上述這些新的設計方法和概念，應當在設計中加以應用與推廣，使之得到相應的發展。

草圖設計完成以後，即可根據草圖已經確定的零件基本尺寸，設計零件的工作圖。此時，仍有大量的零件結構細節要加以推敲和確定。設計工作圖時，要充分考慮到零件的加工和裝配工藝性、零件在加工過程中和加工完成後的檢驗要求和實施方法等。有些細節安排如果對零件的工作能力有值得考慮的影響時，還須返回去重新校核工作能力。最後繪製出除標準件以外的全部零件的工作圖。（零件工作圖在採用三維設計時，包含零件的三維模型和二維平面圖兩個概念）

按最後定型的零件工作圖上的結構及尺寸，重新繪製部件裝配圖及總裝配圖。（講評：針對鉛筆設計時代的表述。三維軟件設計表述：將細化設計完成的三維零件，按照裝配關係重新繪製三維裝配圖。）通過這一工作，可以檢查出零件工作圖中可能隱藏的尺寸和結構上的錯誤。人們把這一工作通俗地稱為紙上裝配（電腦裝配）。

(講評：此段表述,內容上沒有太大的問題,更適合採用鉛筆製圖的方式,側重於自上而下的設計方式。採用三維軟件設計時，因設計修改的方便性有了很大的提升，設計的步驟在順序上更加靈活。既可以採用自上而下的設計方式也可採用自下而上的設計方式，根據需要和設計習慣以及設計的方便性來選擇。可以先大致畫出零件和機構，隨時可根據具體情況進行包括外形結構及尺寸上的修改，對於動力選用部分可初步預估或根據經驗或參考其它類似結構先選用，待機構細化完成後，再作詳細的選型計算，再作修改。對於結構件部分也可先根據位置關係進行初步設計，再作強度和剛性的校核，根據結果對結構進行完善設計。如何減少設計修改次數，儘量做到一次設計基本到位，取決於設計者的經驗和設計水平)

（四）技術文件編制

技術文件的種類較多，常用的有機器的設計計算說明書、使用說明書、標準件明細表等。

編制設計計算說明書時，應包括方案選擇及技術設計的全部結論性的內容。（講評：設計計算書基本上很少有人去作了，有些設計計算可採用專用軟件或EXCEL自動計算完成。這裡的設計計算書稱為方案概要設計更確切，不僅包含設計計算，還包括方案的描述性說明）

編制供用戶使用的機器使用說明書時，應向用戶介紹機器的性能參數範圍、使用操作方法、日常保養及簡單的維修方法、備用件的目錄等。

其它技術文件，如檢驗合格單（檢驗標準和規範）、裝配指導書、外購件明細表、驗收條件等，視需要與否另行編制。

（五）計算機在機械設計中的應用

隨著計算機技術的發展，計算機在機械設計中得到了日益廣泛的使用，並出現了許多高效率的設計、分析軟件。利用這些軟件可以在設計階段進行多方案的對比，可以對不同的包括大型的和很複雜的方案的結構強度、剛度和動力學特性進行精確的分析。同時，還可以在計算機上構建虛擬樣機，利用虛擬樣機仿真對設計進行驗證，從而實現在設計階段充分地評估設計的可行性。可以說，計算機技術在機械設計中的推廣使用已經並正在改變機械設計的進程，它在提高設計質量和效率方面的優勢是難以預估的。

以上簡要地介紹了機器的設計程序。廣義地講，在機器的製造過程中，隨時都有可能出現由於工藝原因而修改設計的情況。如需修改時，則應遵循一定的審批程序（工程變更流程，否則無法避免問題的反覆出現）。機器出廠後，應該有計劃地進行跟蹤調查；另外，用戶在使用過程中也會給製造或設計部門反饋出現的問題。設計部門根據這些信息，經過分析，也有可能對原設計進行修改，甚至改型。（講評：這樣做才能形成工作閉環，才能全面瞭解設計的結果優劣，便於設計的完善改進）這些工作，雖然廣義上也屬設計程序的組成部分，但是屬於另一個層次的問題，本書不再討論其具體的內容。但是作為設計工程師，應當有強烈的社會責任感，要把自己工作的視野延伸到製造、使用乃至報廢利用的全過程中去，反覆不斷地改進設計，才能使機器的質量繼續不斷地提高，更好地滿足生產及生活的需要。（講評：對於工程師個人重要是有利於自身設計水平的提升。）

設計階段分別說明

（一）計劃階段（項目評估階段）

在根據生產或生活的需要提出新機器的設計需求後，計劃階段只是一個預備階段。此時，對所要設計的機器僅有一個模糊的概念（講評：需求是明確的，概念是清晰的，初步的設計構想，具體的外形和結構是模糊的）。

（二）方案設計階段

本階段對設計的成敗起關鍵的作用（決定性作用）。在這一階段中也充分地表現出設計工作（結果）有多個解（方案）的特點。

機器的功能分析，就是要對設計任務書提出的機器功能中必須達到的要求、最低要求及希望達到的要求進行綜合分析（評估），即這些功能能否實現，多項功能間有無矛盾，相互間能否替代等。最後確定出功能參數，作為進一步設計的依據。在這一步驟中，要恰當處理需要與可能、理想與現實、發展目標與當前目標等之間可能產生的矛盾問題。（講評：評估工作不僅僅是能否滿足用戶提出的需求，還有評估可以做的什麼程度，客戶能否接受，需要雙方溝通協調。）

確定出功能參數後，即可提出可能的解決辦法，亦即提出可能採用的方案。尋求方案時，可按原動部分、傳動部分及執行部分分別進行討論（思考分析、組織檢討）。較為常用的辦法是先從執行部分開始討論。

討論（檢討）機器的執行部分時，首先是關於工作原理的選擇問題。（講評：選擇，是通過評估，依據約束條件及用戶意圖選一種相對更好的原理並確定下來，不一定是對和錯、好和不好，也不是都可以而猶豫不決）例如，設計製造螺釘的機器時，其工作原理既可採用在圓柱形毛坯上用車刀車削螺紋的辦法，也可採用在圓柱形毛坯上用滾絲模滾壓螺紋的辦法。這就提出了兩種不同的工作原理。工作原理不同，當然所設計出的機器就會根本不同。特別應當強調的是，必須不斷地研究和發展新的工作原理。這是設計技術發展的重要途徑。

設計開展步驟

在設計開始之前，先要制定設計任務。當設計任務比較複雜時，一般採用三階段設計，即初步設計、技術設計和工作圖設計；當任務比較簡單，如簡單機械的新型設計、一般機械的繼承設計或變型設計，則一開始就將設計做到技術設計深度，經審查、修改和批准後做工作圖設計，而成為兩階段設計。

（講評：採用幾段設計，其實沒有明確的界限，一般分為初步方案設計、方案細化設計和工作圖設計，這些過程是交替進行的，主要便於制定工作計劃及不同階段審查檢討的側重點）

在三階段設計中的初步設計階段，設計的主要步驟是：確定工作原理和基本結構型式，運動設計，設計主要零、部件、繪製初步總圖,初步設計審查。

在技術設計階段,主要步驟是：根據審查意見修改設計，設計全部零、部件，繪製新的總圖，技術設計審查。

在工作圖設計階段，根據審查意見修改設計，繪製全部工作圖和制定全部技術文件。對於批量或大量生產的產品，還要進行定型設計（講評：標準化設計和便於批量生產的結構設計，如樣機採用焊接件或其它方式組合，批量可改用鑄造件、注塑件、衝壓件等）。

在設計的每個步驟中，都可能發現前面步驟中某些決定不合理，這就需要折回到前面那個步驟，修改不合理的決定，重做隨後的設計工作。

（1）制定設計任務 　

這是設計的前期工作。設計任務的根據是用戶訂貨、市場需要和新的科研成果。設計部門應用各種技術和市場情報，擬列可能方案，比較其利弊，與經營部門和用戶共同商議，制定合理的設計任務目標。這對新型設計特別重要。任務目標的失誤將造成經濟上的嚴重損失，甚至遭到全面失敗。

（2）確定工作原理和基本結構型式　

如設計任務未作明確規定,設計的第一個步驟就是確定總體方案,即確定所要應用的工作原理和與之相應的結構型式。例如設計大功率船用柴油機，首先要確定是用二衝程、雙作用、十字頭、低速柴油機，還是用四衝程、單作用、中速柴油機。又例如設計用以粗碎岩石的破碎機械，首先要確定是採用以擠壓和彎折為主要破碎作用的顎式或旋迴式破碎機，或者採用以衝擊為主要作用的單轉子或雙轉子衝擊式破碎機。

（3）運動設計 　

設計的總體方案確定之後，接著需要運用機構學的知識，選用合適的機構以得到所需的運動方案。上面提到的顎式破碎機依靠其動顎板的擺動使進入破碎腔的岩石受到擠壓、彎折和劈裂作用而破碎，而動顎板的擺動則可以採用雙肘板機構的簡單擺動，或者採用單肘板機構的複雜擺動。在新型設計中，可能會需要綜合一個新的機構以得到所要求的運動方案，這常是一個困難的工作。因此，設計者一般儘量應用已有的和成熟的機構所提給的運動方案。

（4）結構設計和繪製初步總圖　

運動設計之後，設計者開始進行結構設計，計算機械各主要零件的受力、強度、形狀、尺寸和重量等，並繪製主要零、部件草圖。這時如發現原來選用的結構不可行，就必須調整或修改結構。同時還應考慮有無可能產生過熱、過度磨損或振動的部位。

在這一步驟中，設計者通過繪製草圖會發現各部分的形狀、尺寸、比例等方面的矛盾。為了加強或改進某一方面，可能會削弱或惡化另一方面。這時必須權衡輕重，進行協調，以達到最佳綜合效果。草圖經反覆修改認為初步滿意後，便可繪製初步總圖和估算造價（成本核算）。初步總圖嚴格按比例繪製，選取足夠的視圖和切面圖。

（5）初步審查 　

初步總圖繪製後，需要請對該類機械有經驗的設計、製造和使用人員以及用戶或委託設計單位的代表進行初步審查。審查結果如認為設計不適用(如重量、體積太大,造價太高,對結構的可靠性有懷疑等),則須重新進行運動設計，甚至改用別的工作原理和基本結構型式。多數情況是對設計採取某些改善措施。

（6）技術設計 　

根據初步審查意見,對設計進行修改,並繪製所有的零件和部件圖。對主要的零件和部件進行精確的應力分析，按分析結果修正零件的形狀、尺寸等細節，並規定材質和熱處理。確定零件加工精度以及部件和總裝的裝配條件。完成潤滑設計、電氣設計（驅動和控制）。重繪總圖，某些重要的和批量生產的機械有時還要製作出模型。將完成的技術設計提交第二次審查。

（7）繪製工作圖 　

根據第二次審查的意見作最後的修改後，就可以繪製正式的零件圖、部件裝配圖和總裝配圖，編寫零件表、易損零件清單、使用指南等技術文件。設計負責人應注意協調零件間的尺寸，核對耦合件間的公差配合，複核某些零件的強度和剛度。零件圖完成後開始圖紙核對，這是非常重要的工作。經過仔細校對的圖紙能保證加工後裝配順利。最可靠的校對方法是根據已繪製好的零件圖重繪出一張總裝配圖，所有矛盾之處就會表現出來。在繪製零件圖的同時還需要進行兩項工作：一是工藝性審核,使零件便於加工並降低製造成本;二是標準審核，使零件結構要素、尺寸、公差配合、熱處理技術條件以及標準和通用零件等符合標準的規定。

（8）試生產和定型設計

對於單件或小批生產的機械,經過上述步驟完成的設計圖紙可以投入正式生產。對於成批或大量生產的機械,在正式生產前要先試製樣機,進行功能試驗和鑑定，通過後，再按批量生產工藝進行批量試生產。在批量試生產中所出現的問題還可能需要對設計作相應的修改，才成為可供正式生產使用的定型設計。

五、約束條件

機械零件的設計具有眾多的約束條件，設計準則就是設計所應該滿足的約束條件。

1、技術性能準則

技術性能包括產品功能、製造和運行狀況在內的一切性能，既指靜態性能，也指動態性能。例如，產品所能傳遞的功率、效率、使用壽命、強度、剛度、抗摩擦、磨損性能、振動穩定性、熱特性等。

技術性能準則是指相關的技術性能必須達到規定的要求。例如振動會產生額外的動載荷和變應力，尤其是當其頻率接近機械系統或零件的固有頻率時，將發生共振現象，這時振幅將急劇增大，有可能導至零件甚至整個系統的迅速損壞。振動性穩定準則就是限制機械系統或零件的相關振動參數，如固有頻率、振幅、噪聲等在規定的允許範圍之內。又如機器工作時的發熱可能會導致熱應力、熱應變，甚至會造成熱損壞。熱特性準則就是限制各種相關的熱參數(如熱應力、熱應變、溫升等)在規定範圍內。

2、標準化準則

與機械產品設計有關的主要標準大致有：

1）概念標準化：設計過程中所涉及的名詞術語、符號、計量單位等應符合標準；

2）實物形態標準化：零部件、原材料、設備及能源等的結構形式、尺寸、性能等，都應按統一的規定選用。

3）方法標準化：操作方法、測量方法、試驗方法等都應按相應規定實施。

標準化準則就是在設計的全過程中的所有行為，都要滿足上述標準化的要求。現已發佈的與機械零件設計有關的標準，從運用範圍上來講，可以分為國家標準、行業標準和企業標準三個等級。從使用強制性來說，可分為必須執行的和推薦使用的兩種。

3、可靠性準則

可靠性：產品或零部件在規定的使用條件下，在預期的壽命內能完成規定功能的概率。可靠性準則就是指所設計的產品、部件或零件應能滿足規定的可靠性要求。

4、安全性準則

機器的安全性包括：

1）零件安全性：指在規定外載荷和規定時間內零件不發生如斷裂、過度變形、過度磨損和不喪失穩定性等等。

2）整機安全性：指機器保證在規定條件下不出故障，能正常實現總功能的要求。

3）工作安全性：指對操作人員的保護，保證人身安全和身心健康等等。

4）環境安全性：指對機器周圍的環境和人不造成汙染和危害。

六、設計方法學

設計方法學的目的是將設計思維上升為理性過程，從而使設計能循一定的邏輯進行，使更多的設計人員能作出好的設計。它大致包括以下一些內容：

1、將設計的階段分得很細，使每一階段成為有章可循和有理可據的思維活動。

2、將成功的或良好的設計儲存起來,建立設計資料庫,以供以後設計時參考或採用。

3、在設計工作中引進價值工程的概念和方法，對設計中的矛盾進行功能與成本的權衡,以獲得良好的使用效果。

4、在設計中採用摩擦學、振動學、斷裂力學、有限元法、可靠性設計、優化設計、系統工程、人類工程學等新興學科的知識，提高設計的科學性，減少盲目性。

5、將設計工作範圍擴大，向前延伸到市場預測，向後延伸到售後服務。

6、運用計算機輔助設計以減少設計勞動量、提高設計速度和設計質量。

七、展望

將來機械設計學必將滲透到半導體制造、生物工程、納米技術和機器人等行業中去，在對社會發展做出貢獻的同時，不斷完善自己，使理論進一步創新。

1、進一步實現系統性。

即從系統觀點入手，把機械產品看作一個系統或整體，依賴計算機技術，實現人、機、環境和相互協調。具體來說，是把總系統分解為若干個子系統，採用各種現代設計理論和方法，追求系統優化為目標協調各子系統的設計和匹配。

2、深化智能化設計。

隨著科技的進步和發展，設計要越來越多地考慮智能的因素。大量設計內容都可通過建立模型，來描述機械產品的各種工況行為，對模型求解可預測產品的性能、設計的合理性和最優性。例如，各類車輛性能評價的智能決策系統，齒輪箱設計專家系統，故障診斷系統等已應用在新車的開發設計中。

3、更加註重綠色思想。

綠色設計技術是對產品在其生命週期中，按符合環境保護、資源利用率最高、能源消耗最低的要求進行設計的技術。要求設計者從全週期考慮產品的環境屬性和基本屬性，在設計時始終立足於人的身心健康、環境保護等，同時要求所設計的產品具有可回收利用性，對環境的損害最小。

八、現代設計方法

1、專業現代

由機械設計和計算機專業人員共同開發的計算機軟件，能夠反映和描述機械產品在實際工況下的各種損傷、失效和破壞的機理，可以定量分析和計算機械零件和機械的動態行為，並形成固定的設計程序，這就是專業的現代設計方法，如：振動分析和設計，摩擦學設計，熱力學傳熱設計，強度、剛度設計，溫度場分析等等。這些軟件都是在傳統的設計方法基礎上，應用計算機技術開發出來的。例如：用Pro/M軟件分析機械裝置的動態特性，用ANSYS軟件分析應力都是這方面很好的例子，為準確判斷裝置的可靠性和選擇設計參數奠定了基礎。

2、通用現代

為了滿足機械產品性能的高要求，在機械設計中大量採用計算機技術進行輔助設計和系統分析，這就是通用的現代設計方法。常見的方法包括優化、有限元、可靠性、仿真、專家系統、CAD等。這些方法並不只是針對機械產品去研究，還有其自身的科學理論和方法。

（1）優化設計

機械優化設計是最優化技術在機械設計領域的移植和應用，其基本思想是根據機械設計的理論，方法和標準規範等建立一反映工程設計問題和符合數學規劃要求的數學模型，然後採用數學規劃方法和計算機計算技術自動找出設計問題的最優方案。它是機械設計理論與優化數學、電子計算機相互結合而形成的一種現代設計方法。

（2）仿真與虛擬設計

計算機仿真技術是以計算機為工具“建立實際或聯想的系統模型”並在不同條件下對模型進行動態運行實驗的一門綜合性技術。而虛擬技術的本質是以計算機支持的仿真技術為前提，在產品設計階段，實時地並行地模擬出產品開發全過程及其對產品設計的影響，預測產品性能、產品製造成本、產品的可製造性、產品的可維護性和可拆卸性等，從而提高產品設計的一次成功率。這種方法不但縮短產品開發週期，也實現了縮短產品開發與用戶之間的距離。

（3）有限元設計

這種方法是利用數學近似的方法對真實物理系統（幾何和載荷工況）進行模擬。還利用簡單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數量的未知量去逼近無限未知量的真實系統。它不僅能用於工程中複雜的非線行問題、非穩態問題的求解，而且還可用於工程設計中進行復雜結構的靜態和動力分析，並能準確地計算形狀複雜零件的應力分佈和變形，成為複雜零件強度和剛度計算的有力分析工具。

（4）模糊設計

它是將模糊數學知識應用到機械設計中的一種設計方法。機械設計中就存在大量的模糊信息。如機械零部件設計中，零件的安全係數往往從保守觀點出發，取較大值而不經濟，但在其允許的範圍內存在很大的模糊區間。機械產品的開發在各階段常會遇到各種模糊問題，雖然這些問題的特點、性質及對計策的要求不盡相同，但所採取的模糊分析方法是相似的。它的最大特點是，可以將各因素對設計結果的影響進行全面定量地分析，得出綜合的數量化指標，作為選擇決斷的依據。

編後說明：本文原文來源網絡，在原文的基礎上增加了講評的內容，見黑色加粗部分。無論你從事機械設計多少年，建議反覆閱讀此文，“不忘設計的初心，牢記設計的使命”。相信你每讀一次，都會有不同的認識和收穫，意味著你每一次的進步。

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