第1章1.何謂機器、機構、機械？答：機器通常指的是能夠執行特定任務或完成特定工作的裝置或設備。它可以是由多個部件、元件或機械系統組成的物體，能夠轉化能量、進行運動或執行操作。機構是指由若干連接在一起的零件或元件組成的系統，用于實現特定的運動轉換。機構可以通過運動學和動力學原理進行設計和分析，以實現所需的運動或力學性能。機械是機器和機構的統稱,是將已有的機械能或非機械能轉換成便于利用的機械能,將機械能變換為某種非機械能或通過機械能來完成特定工作的裝備和器具。2.簡述機械工程的定義和內涵。答：機械工程是一門工程學科，涉及設計、制造、操作和維護機械系統及其組件的原理和應用。它是研究物質的運動和能量轉換的一門學科，涵蓋了廣泛的領域，包括力學、熱力學、材料科學、流體力學、控制工程、機電一體化等。機械工程的內涵包括以下幾個方面：設計與制造：機械工程師負責設計和制造各種機械系統和設備，如發動機、機械傳動系統、機床、飛機、汽車等。他們需要考慮材料選擇、結構設計、工藝流程等因素，確保設計的機械系統能夠滿足預期的功能和性能要求。力學與材料：機械工程涉及力學原理的應用，研究物體的靜力學和動力學行為。此外，材料科學也是機械工程的重要組成部分，機械工程師需要了解材料的性能和行為，以便選擇合適的材料來滿足設計需求。熱力學與能量轉換：機械工程師需要掌握熱力學原理，了解能量轉換和傳遞的原理，以設計高效的熱能系統和動力系統。他們在能源領域扮演著重要的角色，致力于提高能源利用效率和減少能源消耗。流體力學：流體力學是研究流體運動和行為的學科，對于機械工程師來說至關重要。他們需要了解液體和氣體在機械系統中的流動特性，以便設計和優化液壓系統、氣動系統等。控制工程與自動化：機械工程師還需要掌握控制工程的知識，以實現機械系統的自動化和智能化。他們使用傳感器、執行器和控制算法來監測和控制機械系統的運行，提高系統的性能和效率。3.思考從古代到現代機械工程發展的脈絡，分析其推動力的來源，以及對未來機械工程發展的啟示。答：古代到現代機械工程的發展可以追溯到人類文明的早期。以下是其發展脈絡和推動力的來源的簡要分析：古代和中世紀時期：在古代，人們開始利用簡單機械，如杠桿、滑輪和輪軸等。這些機械的發展主要受到人類日常生活和工作需求的驅動，例如農業、建筑和交通等方面的要求。中世紀時期，冶金技術和機械制造能力的提高推動了機械工程的進步，例如水力驅動的磨坊和挖掘機等。工業革命：18世紀的工業革命是機械工程發展的重要里程碑。蒸汽機的發明和應用引領了工業革命的浪潮，帶來了機械工程的革新。蒸汽機的出現大大提高了能源利用效率和生產力，推動了礦山、紡織、交通等行業的快速發展。此外，機床的發展也為機械制造和生產奠定了基礎。現代機械工程：隨著科學技術的不斷進步和工程領域的發展，機械工程進入了現代階段。先進的材料科學、計算機輔助設計和制造技術、控制系統和自動化技術的引入，極大地推動了機械工程的發展。現代機械工程應用于廣泛的領域，如航空航天、汽車工業、能源、生物醫學等，推動了現代社會的進步和發展。推動機械工程發展的來源主要包括以下幾個方面：技術需求和應用需求：人類對更高效、更精確和更可靠的機械系統的需求推動了機械工程的發展。例如，交通運輸的發展需要更快速、更安全的交通工具；能源需求的增長促使開發更高效的能源轉換和利用技術。科學研究和創新：科學的進步為機械工程提供了新的理論和方法。熱力學、流體力學、材料科學等領域的研究為機械工程帶來了新的認識和突破。創新的工程設計和制造方法也為機械工程的進步做出了貢獻。工程實踐和經驗積累：通過實踐和經驗，工程師們不斷總結和改進機械系統的設計和制造方法。實際應用中的挑戰和問題促使工程師提出創新的解決方案，推動了機械工程的發展。對未來機械工程發展的啟示包括：新技術的應用：隨著人工智能、物聯網、大數據等新興技術的迅速發展，機械工程將繼續受益于這些技術的應用。智能化、自動化和數字化將成為未來機械系統設計和制造的重要方向。可持續發展：環境保護和可持續發展將成為未來機械工程的重要考慮因素。研究和開發更節能、更環保的機械系統和能源轉換技術將是未來的發展方向。跨學科合作：機械工程與其他學科的交叉融合將推動機械工程的創新和進步。與材料科學、電子工程、生物醫學等領域的合作將產生更多跨領域的創新解決方案。教育與培養人才：培養具有綜合素質和創新思維的機械工程人才將是未來的重要任務。教育體系需要注重培養學生的實踐能力、創新意識和跨學科合作能力，以適應未來機械工程的發展需求。綜上所述，古代到現代機械工程的發展源于技術需求、科學研究和工程實踐。未來的機械工程將受益于新技術的應用、可持續發展的要求、跨學科合作和人才培養的重視，以應對社會和技術發展的挑戰。4.簡述機械設計與理論、機械制造及自動化、機械電子工程分學科所研究的領域。答：機械設計與理論：機械設計與理論是機械工程的核心學科之一，主要研究機械系統的設計原理、方法和技術。它關注機械系統的結構設計、運動學和動力學分析、機構設計、傳動系統、機械振動和噪聲控制等。機械設計與理論的目標是設計出滿足功能和性能需求的可靠機械系統，包括機械零部件、裝配體和機械設備。機械制造及自動化：機械制造及自動化學科關注機械零件和裝配體的制造過程、工藝和設備。它研究材料加工技術、數控加工、機器人技術、自動化裝配、工藝規劃等。機械制造及自動化的目標是實現高效、精確和可持續的機械制造過程，提高生產效率和質量，降低成本和資源消耗。機械電子工程：機械電子工程是機械工程與電子工程的交叉學科，研究將電子技術應用于機械系統和設備中，實現機械系統的自動化、智能化和控制。它涉及傳感器技術、電機與驅動技術、控制系統設計、嵌入式系統、機器視覺等。機械電子工程的目標是提高機械系統的自動化水平、實現精確控制和智能功能，以適應現代工業的要求。這三個學科分支相互關聯，共同構成了機械工程領域的重要組成部分。機械設計與理論研究機械系統的設計原理和方法，機械制造及自動化關注機械零件和裝配體的制造過程和工藝，機械電子工程將電子技術應用于機械系統的控制和自動化。綜合運用這些學科的知識和技術，可以推動機械工程的發展，實現更高效、智能和可持續的機械系統設計和制造。1．機械工程中利用數學進行建模的基本步驟是什么？答：（1）明確問題（2）合理假設（3）建立模型（4）求解模型（5）分析檢驗2．數學在機械工程中有哪些應用？答：機械工程中零件的強度計算、齒輪傳動與帶傳動、工廠管理計算中的切削用量計算、生產成本計算等都需要數學知識。特別是將數學機械化法與數字化設計制造融合后，實現了對機械中復雜曲面的特征識別、設計、分析和制造。3．機械力學的分類及其研究內容是什么？答：力學可以分為靜力學、運動學和動力學三部分。靜力學研究力的平衡或物體的靜止問題；運動學只考慮物體怎樣運動，不討論它與所受力的關系；動力學討論物體運動和所受力的關系。力學也可以按照研究對象分為固體力學、流體力學和一般力學三個分支。固體力學包括材料力學、結構力學、彈性力學、塑性力學等。流體力學包括流體靜力學、流體動力學等。固體力學和流體力學從力學分出后，余下的部分組成一般力學。一般力學主要研究離散系統的基本力學規律和某些與現代工程技術有關的新興學科的理論，包括理論力學（狹義的）、分析力學、剛體動力學、陀螺力學等。4．機械動力學在工程中有哪些應用？答：機械運動當中，傳動裝置是很多機器的重要組成部分。傳動裝置的主要任務是在原動機5．靜力學在工程中有哪些應用？答：在鍛造、鑄造、焊接、熱處理、表面處理、機械加工等制造過程中，機械零件不可避免會產生應力，消除應力或使之再分布是非常必要的。一些剛性較差、容易變形的細長工件（如絲杠等），常采用冷校直的方法糾正其彎曲變形。在彎曲的反向加外力F，在力F的作用下，工件軸線以上產生壓應力，軸線以下產生拉應力。去除外力F后，外層的塑性變形部分阻止內部彈性變形的恢復，使內應力重新分布。此時，雖然糾正了工件的彎曲，但其內部卻產生了內應力，工件處于不穩定狀態。如再次加工工件，將會產生新的變形，因此，在進行機械加工前需要分析材料內部殘余應力的分布情況。通過合理設計零件結構、合理安排時效處理和工藝流程，消除殘余應力對零件加工質量的影響。6．工程材料是如何分類的？結構材料與功能材料在性能與使用上有何區別？答：料除具有重要性和普遍性外，還具有多樣性。工程材料是在各工程領域中使用的材料。工程上使用的材料種類繁多，有許多不同的分類方法。按材料的應用領域，可分為信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航天材料等多種類別。按使用性能，材料分為結構材料和功能材料。工程材料主要是指結構材料，是用于機械、車輛、建筑、船舶、化工、儀器儀表、航空航天、軍工等各工程領域中制造結構件的材料，主要利用材料的力學性能，如強度、硬度、塑性及韌性等；功能材料是指具有光、電、磁、熱、聲等功能和效應的材料，包括半導體材料、磁性材料、光學材料、電介質材料、超導材料、非晶材料、形狀記憶合金等。工程材料按組成特點可分為金屬材料、陶瓷材料、高分子材料和復合材料4大類。7．試述高分子材料的性能特點。答：（1）質輕（2）比強度高（3）有良好的韌性（4）減摩和耐磨性好（5）電絕緣性好（6）耐蝕性（7）導熱系數小（8）易老化（9）易燃（10）耐熱性（11）剛度小8．簡述陶瓷材料的性能有哪些。陶瓷材料有很好的力學特性，也有熱特性，電特性，還有一定的化學特性和光學特性。陶瓷材料的力學特性主要表現在有很強的抗壓效果。陶瓷材料的熱特性主要表現在具有很高的熔點，一般熔點都在2000℃以上。它在高溫下有很好的穩定性，再加上陶瓷導熱性，低于金屬材料，所以現在用陶瓷材料可以當做很好的隔熱材料。陶瓷材料的熱特性還表現在膨脹系數比金屬低很多，當溫度發生變化的時候，它的尺寸是比較穩定的。陶瓷材料的電特性主要表現在它是一種非常好的電絕緣體，因此大量用于制作各種電壓的絕緣器件。9．復合材料都有哪些結構形式？其性能特點是什么？答：高分子基復合材料常見的結構有夾層型和纖維型。夾層型復合材料具有以下特點：（1）高強度和高剛度:夾層材料的高強度和高剛度使得夾層復合材料具有優異的抗彎、抗剪和抗拉性能，能夠承受較大的載荷。（2）良好的韌性和耐磨性:外層材料的良好韌性和耐磨性使得夾層復合材料具有較好的抗沖擊和耐磨性能，能夠在復雜的工作環境下長時間使用。（3）優異的防腐性能:夾層復合材料具有良好的防腐性能，能夠在潮濕、腐蝕等惡劣環境下使用。（4）輕質化:夾層復合材料具有較低的密度，比傳統材料如鋼鐵等輕很多，能夠減輕結構重量，提高整體性能。（5）易加工:夾層復合材料易于加工成各種形狀和尺寸，能夠滿足不同的工程需求。纖維材料復合材料具有如下特點:(1)比強度高，比模量大;(2)材料性能具有可設計性:(3)抗腐蝕性和耐久性能好;(4)熱膨脹系數與混凝土的相近。10．計算機主要能解決哪些問題？答：（1）數值計算（2）數據處理（3）實時控制（4）計算機輔助設計（CAD）（5）模式識別（6）通信和圖像、文字處理（7）多媒體技術（8）網絡技術與信息高速公路（9）教育11．簡述計算機制圖與工程制圖的關系。答：傳統的工程繪圖是手工繪圖,它是技術人員依靠繪圖工具和儀器憑借個人的制圖知識、繪圖技巧和經驗，逐步繪制、逐字書寫來完成圖樣的一種方法。圖樣質量的高低完全取決于技術人員的能力和經驗，其穩定性不強。計算機繪圖是技術人員利用計算機繪圖軟件系統,根據投影理論和國家制圖標準,通過交互式繪圖方式，繪制出高精度圖形文字等的繪制圖樣方法。其精確程度不受個人繪圖經驗等因素的影響,圖樣質量容易得到保證。傳統的工程繪圖需依靠循序漸進的訓練,培養學生的繪圖能力和讀圖能力。而使用計算機繪制工程圖樣,對技術人員的形象思維和邏輯思維能力的要求不低于手工繪圖，同時還要求學生具備熟練操作計算機及使用AutoCAD軟件的能力。工程制圖是學習計算機繪圖的基礎,而計算機繪圖則是學習工程制圖的工具。因此,我們在教學中應始終貫穿兩條線一條是工程制圖另一條是計機繪圖。應用CAD軟件培養學生的計算機繪圖能力，前提必須以工程制圖為基礎計算機繪圖不能脫離工程制圖的基本投影原理表達方式和國家相關的制圖標準而獨立進行。我們在進行計算機繪圖教學時，以計算機繪圖為主線,以工程制圖為基礎,這兩條線相互協調相互融合,相互促進。12．常用的工業軟件有哪些？答：常用的工業軟件包括：計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助工程（CAE）、計算機輔助制造（CAM）。13．計算機在機械工程中有哪些應用？答：工業控制、輔助設計、數據庫管理等14．什么是控制論？答：控制論強調用系統的、反饋的和控制的方法研究工程實際問題。15．機電控制系統的組成部分有哪些？分別有什么作用？答：機電控制系統主要由四部分組成：控制部分、執行部分、檢測部分和機械部分。（1）控制部分控制部分相當于人類的大腦和神經系統，是機電控制系統的中樞部分，用于對機電系統的控制信息和來自傳感器的反饋信息進行運算處理和判斷，并向執行部分發出動作指令。控制部分一般由計算機、可編程控制器、數控裝置及邏輯電路、A/D轉換器與D/A轉換器、輸入/輸出接口和計算機外部設備等組成。控制系統對控制和信息處理單元的基本要求是：提高信息處理速度和可靠性，增強抗干擾能力，完善系統自診斷功能，實現信息處理智能化和零部件的小型化、輕量化和標準化。（2）執行部分執行部分相當于人類的手足，將來自控制部分的電信號轉換為機械能，以驅動機械部分進行運動。控制系統一方面要求執行部分具有高效率和快速響應的特點，另一方面要求其具有較高的可靠性，以及對水、油、溫度和塵埃等外部環境具有較強的適應性。由于幾何尺寸上的限制，要求執行部分的動作范圍狹窄，因此還需考慮維修和標準化的要求。隨著電力電子技術的高速發展，高性能步進驅動、直流伺服驅動和交流伺服驅動已大量應用于控制系統。（3）檢測部分檢測部分相當于人類的五官，對機電控制系統運行所需的各種參數及狀態進行檢測，并轉換成可識別的信號，傳輸到控制部分。檢測部分的功能由傳感器來實現，如果沒有傳感器準確可靠地捕獲和轉換信息，一切準確的測試與過程控制將無法實現。（4）機械部分機械部分相當于人類的骨骼，是能夠實現某種運動的機構，是機電控制系統所有功能元素的機械支撐部分，包括機身、框架和機械連接。16．機電控制系統的分類是什么？答：機電控制系統分類的原則性非常強，根據不同的原則可以劃分出不同的機電控制系統。通常，從輸出量、控制信號的變量形式、系統輸入信號三個方面對機電控制系統進行分類。機電控制系統根據輸出量的反饋可以分為開環式和閉環式兩種。機電控制系統按照控制信號變量形式的不同可以分成模擬式和數字式兩種。機電控制系統根據系統輸入信號的變化機律可以分為自動調節系統、隨動控制系統和程序控制系統三種。17．控制理論在機械工程中有哪些應用？答：機械工程控制系統的控制對象是機械。在簡單的機械自動控制系統中，常用機械裝置產生自動控制作用。自動控制是人們利用某種裝置或以某種方式使事物按照某種特定的規律自動運行或變化的過程。例如，數控機床根據控制器發出的指令和位置檢測信號能夠準確地控制機床工作臺的位移軌跡達到自動加工工件的目的，仿生機器人能夠根據視覺傳感器對環境的探測通過控制器確定行動路徑，飛行器根據陀螺檢測出的偏移量實時修正飛行方向等都是自動控制理論在機械工程中應用的結果。18．機械工業造成的環境污染主要包括哪幾類？答：機械工業的任務是為國民經濟各部門制造各種裝備。在機械工業中，材料的成型技術包括切削成型（車、銑、刨、磨、鉆）、流動成型（鑄造、鍛造）、連接成型（焊接）和熱處理。各種材料的加工過程都會對環境造成污染，主要包括：大氣污染、水污染、固體廢棄物污染和噪聲污染等。19．綠色設計制造包括哪幾個方面內容？答：綠色制造就是在傳統的機械制造中滲入綠色發展的理念，通過設計、材料、工藝的提升使產品的整個生產周期安全環保。綠色制造的理念最主要的就是資源利用最大化和環境污染最小化，主要包括以下幾個方面：（1）綠色設計（2）綠色材料（3）綠色制造工藝20．舉例說明綠色設計制造在機械工程領域的應用。答：綠色設計就是在設計過程中始終貫徹綠色發展和低耗發展的理念，從產品生命周期的根源上考慮制造、包裝、處理過程中可能對環境產生的負面影響。在設計的早期階段，應該科學、合理地分析生產環境和資源，使設計的工程機械和設備既能節能環保，又能重復使用。比如：高度自動化的衛生陶瓷綠色生產線。第3章1.機構和機器的區別是什么？答：機構：機構是指由多個連接在一起的零件組成的系統，其目的是將輸入的力、運動或能量轉換為特定的輸出。機構通常由連桿、齒輪、滑塊、曲柄等零件組成，通過這些零件之間的相對運動來實現所需的功能。機構的設計和分析涉及到運動學、力學和動力學等領域，用于研究和優化機構的運動特性和性能。機器：機器是指由一個或多個機構組成的復雜系統，用于執行特定的任務或完成特定的工作。機器通常是基于特定的工作需求和功能需求而設計和制造的，它可以是一個獨立的設備或一個系統的組成部分。機器可以包括多個機構、傳感器、執行器、控制系統等組件，以實現自動化、精確控制和高效操作等目標。因此，機構是機器的基本組成部分，而機器是一個更大、更復雜的系統，由多個機構組合而成，以實現特定的功能和任務。機構主要關注于單一運動的轉換和傳遞，而機器更關注于整體的功能、性能和任務完成能力。2.發展到現在，機械設計經歷了哪些階段？答：（1）直覺設計階段。古代的設計是一種直覺設計，當時人們從自然現象中直接得到啟示，憑借直觀感覺設計制作工具。設計者多為豐富經驗的手工藝人，設計者之間信息交流傳遞很少。產品的制造是根據制造者本人的經驗或其頭腦中的構思完成的，設計與制造無法分開。（2）經驗設計階段。17世紀初，數學與力學結合后，人們開始運用經驗公式來解決設計中一些問題，并開始按圖紙進行制造。圖紙的出現，既可使具有豐富經驗的手工藝人通過圖紙將其經驗或構思記錄下來，更便于其他設計者在已有圖紙的基礎上對產品進行分析、改進和提高，使得先前經驗得以積累并更深入的發展；同時還可以滿足更多的人同時參加同一產品的生產活動，滿足社會對產品的需求及生產率的要求。（3）半理論半經驗設計階段。20世紀初以來，隨著試驗技術與測試手段的迅速發展和應用，人們把對產品采用局部試驗、模擬試驗等作為設計輔助手段。通過中間試驗取得較可靠的數據，選擇較合適的結構，從而縮短了試制周期，提高了設計可靠性，這個階段稱為半理論半經驗設計階段。在這個階段，材料應力應變、摩擦磨損理論，零件失效與壽命的研究，從而為設計提供了大量信息，如包含大量設計數據的圖表（圖冊）和設計手冊等；加強關鍵零件的設計研究。特別是加強了關鍵零部件的模擬試驗，大大提高了設計速度和成功率；加強零件標準化、部件通用化、產品系列化的研究。（4）現代設計階段。近幾十年來，由于科學和技術迅速發展，特別是電子計算機技術的發展及應用，對設計工作產生了革命性的突變，同時為新的時代對產品的設計提出了多樣性的需求準備了必要的條件。在現代設計階段，相應地產生了多種現代設計理論和方法。例如，針對成本和環保要求，學者提出產品全生命周期設計；針對客戶的多樣性要求以及對產品多用途使用，學者提出模塊化設計；為了沿用已有設計成果和縮短研發周期，學者提出參數化設計等等。3.機械的現代設計方法與傳統設計方法有哪些主要區別?答：傳統設計是以經驗總結為基礎，運用力學和數學而形成的經驗、公式、圖表、設計手冊等作為設計的依據，通過經驗公式、近似系數或類比等方法進行設計。傳統設計在長期運用中得到不斷地完善和提高，是符合當代技術水平的有效設計方法。但由于所用的計算方法和參考數據偏重于經驗的概括和總結，往往忽略了一些難解或非主要的因素，因而造成設計結果的近似性較大，也難免有不確切和失誤。此外，在信息處理、參量統計和選取、經驗或狀態的存儲和調用等方面還沒有一個理想的有效方法，計算和繪圖也多用手工完成，所以不僅影響設計速度和設計質量的提高，也難以做到精確和優化的效果。傳統設計對技術與經濟、技術與美學也未能做到很好地統一，使設計帶來一定的局限性。這些都是有待于進一步改進和完善的不足之處。現代設計繼承了傳統設計的精華，吸收了當代科技成果和計算機技術。與傳統設計相比，它則是一種以動態分析、精確計算、優化設計和CAD為特征的設計方法。現代設計方法與傳統設計方法相比，主要完成了以下幾方面的轉變：（1）產品結構分析的定量化；（2）產品工況分析的動態化；（3）產品質量分析的可靠性化；（4）產品設計結果的最優化；（5）產品設計過程的高效化和自動化。目前，我國設計領域正面臨著由傳統設計向現代設計過渡，廣大設計人員應盡快適應這一新的變化。通過推行現代設計，盡快提高我國機電產品的性能、質量、可靠性和在市場的競爭能力。4.簡述機械設計的一般步驟，以身邊的產品為例說明一個產品產生的過程。答：機械設計的一般步驟機械設計的最大特點就是繼承與創新的緊密結合，是一個系統性、協作性很強的工作。機械設計作為一種創造性工作，有其內在規律可循，一個完整的設計過程主要由下面的各個階段所組成。（1）編制設計任務書（2）擬定設計方案（3）總體設計（4）加工工藝設計（5）鑒定和評價（6）產品定型設計汽車設計舉例：編制設計任務書：確定產品設計的需求和目標。以汽車設計為例，設計任務書可能包括設計要求（如座位數量、燃油效率等）、功能要求（如安全性、舒適性等）、成本限制和時間要求等。擬定設計方案：設計團隊根據設計任務書，提出多個設計方案。對于汽車設計，可能會考慮不同的車身結構、動力系統和駕駛控制等方面的設計方案。總體設計：從眾多設計方案中選擇一個最佳方案，并進行總體設計。這包括確定汽車的外觀設計、車身結構、座椅布局、懸掛系統等主要設計參數。加工工藝設計：根據總體設計，制定加工工藝方案。這涉及選擇適當的材料、制造工藝和工藝流程，以實現汽車零部件的制造和加工。鑒定和評價：對設計方案進行鑒定和評價，以確保其符合設計要求和性能指標。這可能包括原型制作、性能測試、安全評估和用戶體驗評估等。產品定型設計：基于評價結果，對最終設計方案進行進一步優化和改進，以實現產品的定型設計。這可能包括詳細的零部件設計、裝配設計、材料選擇和尺寸確定等。5.什么是優化設計？優化設計包含哪幾個基本概念？答：優化設計，是借助最優化數值計算方法和計算機技術，求取工程問題的最優設計方案。首先需要將實際問題進行數學描述，形成一組由數學表達式組成的數學模型；然后選擇一種最優化數值計算方法和計算機程序，在計算機上運算求解，得到一組最佳的設計參數，該設計參數就是設計的最優解。基本概念目標函數：目標函數是指在優化設計過程中要最大化或最小化的性能指標或目標。它可以是單一的目標函數，也可以是多個目標函數構成的多目標函數。設計變量：設計變量是指在優化設計中可以被調整和優化的變量。這些變量可以是產品的幾何尺寸、材料參數、工藝參數等。約束條件：約束條件是指在優化設計中必須滿足的限制條件。它可以是設計的功能要求、性能要求、材料的可用性、成本限制、制造工藝的限制等。設計空間：設計空間是指所有可行的設計變量取值的范圍。優化設計的目標是在設計空間中尋找最優的設計解決方案。優化算法：優化算法是用于搜索設計空間并找到最優解的數學和計算方法。常見的優化算法包括梯度下降法、遺傳算法、粒子群算法、模擬退火等。6.簡述優化設計的基本過程。答：優化設計過程（1）設計課題分析首先確定設計目標，它可以是單項指標，也可以是多項設計指標的組合。就機械設計而言，機器的運動學和動力學性能、體積與總量、效率、成本、可靠性等，都可以作為設計所追求的目標。然后分析設計應滿足的要求，主要的有：某些參數的取值范圍；某種設計性能或指標按設計規范推導出的技術性能；還有工藝條件對設計參數的限制等。（2）建立數學模型將實際設計問題用數學方程的形式予以全面、準確地描述，其中包括：確定設計變量，即哪些設計參數參與優選；構造目標函數，即評價設計方案優劣的設計指標；選擇約束函數，即把設計應滿足的各類條件以等式或不等式的形式表達。建立數學模型要做到準確、齊全這兩點，即必須嚴格地按各種規范作出相應的數學描述，必須把設計中應考慮的各種因素全部包括進去，這對于整個優化設計的效果是至關重要的。（3）選擇優化方法根據數學模型的函數性態、設計精度要求等選擇使用的優化方法，并編制出相應的計算機程序。（4）上機計算擇優將所編程序及有關數據輸入計算機，進行運算，求解得最優值，然后對所算結果作出分析判斷，得到設計問題的最優設計方案。上述優化設計過程的四步其核心是進行如下兩項工作：一是分析設計任務，將實際問題轉化為一個最優化問題，即建立優化問題的數學模型；二是選用適用的優化方法在計算機上求解數學模型，尋求最優設計方案。7.試說明有限元法解題的主要步驟。答：（1）建立幾何模型：首先需要建立準確的幾何模型，包括結構的形狀、尺寸和邊界條件。可以使用計算機輔助設計（CAD）軟件創建幾何模型。（2）離散化：將幾何模型離散化為有限數量的有限元單元，如三角形、四邊形、六面體等。每個單元由節點和單元單元組成。（3）定義材料屬性和邊界條件：為每個有限元單元定義材料屬性，如彈性模量、材料密度、熱導率等。此外，還需要定義邊界條件，如約束和加載條件。（4）建立單元剛度矩陣和全局剛度矩陣：根據材料性質和幾何形狀，通過數學公式和積分計算，為每個有限元單元構建局部剛度矩陣。然后將局部剛度矩陣組裝成全局剛度矩陣。（5）應用邊界條件：將邊界條件（約束和加載條件）應用于全局剛度矩陣，以模擬結構在實際工況下的行為。這通常涉及將邊界節點的位移和力等價施加到全局剛度矩陣上。（6）求解方程：解決由全局剛度矩陣和邊界條件構成的方程組，以確定結構在給定邊界條件下的位移、應力和應變等響應。（7）后處理：對求解結果進行后處理，如繪制應力云圖、變形圖等，以獲得結構的詳細信息和評估設計的準確性。（8）驗證和優化：對有限元模型進行驗證，與實際測試數據進行對比，以確保模型的準確性。如果有必要，可以對模型進行優化，以改善設計。8.何為產品的可靠性，如何計算可靠度？9.零件失效在不同失效期具有哪些特點？答：初始失效期：在零件開始使用的早期階段可能發生初始失效。在這個階段，失效率相對較高，可能是由于制造缺陷、材料質量問題或安裝錯誤導致的。通常這些失效可以通過質量控制和可靠性測試在制造過程中檢測和修復。使用壽命期：在使用壽命期內，零件處于相對穩定的工作狀態。失效率相對較低，但仍存在潛在的失效風險。在這個階段，適當的維護和保養措施可以延長零件的壽命。磨損失效期：隨著時間的推移和使用量的增加，零件可能會經歷磨損失效。在這個階段，零件的功能性能逐漸下降，磨損和疲勞開始顯現。失效率逐漸增加，需要采取適當的修復或更換措施。隨機失效期：在零件的壽命接近結束時，隨機失效開始成為主要的失效模式。在這個階段，失效率急劇上升，由于老化、疲勞和物質退化等因素導致的失效變得更為頻繁。在此階段，通常需要更頻繁的維護和監測，以確保系統的可靠性和安全性。10.可靠性設計與常規靜強度設計有何不同？可靠性設計的出發點是什么？答：常規靜強度設計是基于材料的強度和應力分析，通過計算系統在靜態加載下的安全系數來確定設計的合理性。它通常假設系統的負載是確定的、靜態的，并且材料的強度是確定的。這種設計方法主要關注系統在正常工作負載下的強度和穩定性。而可靠性設計則更加綜合和細致，它考慮到系統在多個不確定因素的共同作用下的性能和壽命。可靠性設計的出發點是系統在實際工作環境中的不確定性和變化性，包括負載、材料性能、制造偏差、工作環境等。它通過概率和統計方法來評估系統在給定可靠性水平下的性能，并采取相應的設計措施來保證系統能夠在設計壽命內以可接受的概率滿足性能要求。可靠性設計的主要特點和出發點包括：不確定性考慮：可靠性設計考慮了系統設計和使用過程中的不確定性因素，如負載變化、材料性能的散布、制造偏差等，以及環境因素的隨機性。可靠性評估：可靠性設計使用概率和統計方法對系統的可靠性進行評估，確定系統在給定可靠性要求下的可靠性水平，如失效概率、故障頻率等。安全系數的考慮：可靠性設計不僅僅關注系統的強度，還考慮了安全系數和可靠性指標，以確保系統在設計壽命內以可接受的概率滿足性能要求。壽命預測和優化：可靠性設計通過壽命預測和優化，確定系統的壽命分布和可靠性增強措施，以提高系統的可靠性和壽命。11.機械系統的可靠性與哪些因素有關，機械系統可靠性設計的目的是什么？答：設計質量：機械系統的設計質量是影響可靠性的關鍵因素。良好的設計應考慮強度、剛度、耐久性、抗疲勞等方面，以確保系統在各種工況下都能正常運行并長時間使用。材料選擇：所選材料的質量和特性對機械系統的可靠性至關重要。適當的材料選擇應考慮材料的強度、耐蝕性、耐磨性和耐疲勞性等特性，以滿足系統的使用要求。制造過程：制造過程的精度和質量對機械系統的可靠性有直接影響。良好的制造過程能夠確保零部件的尺寸精度、表面質量和裝配質量，減少制造缺陷和雜質，提高系統的可靠性。運行環境：機械系統的可靠性與其所處的運行環境密切相關。溫度、濕度、振動、腐蝕等環境因素可能對零部件和系統的性能和壽命產生影響。因此，在設計和運行過程中要考慮和控制這些環境因素。機械系統可靠性設計的目的是確保系統在設計壽命內能夠以可接受的概率達到設計要求。其主要目標包括：提高系統的壽命：通過合理的設計和材料選擇，延長系統的使用壽命，減少維修和更換的頻率，降低使用成本。降低故障率：通過減少系統故障的概率和頻率，提高系統的可靠性和可用性，確保系統在關鍵時刻正常工作。減少故障對環境和人員的影響：可靠性設計還旨在減少系統故障對環境和人員的潛在危害，提高安全性和可持續性。提高用戶滿意度：可靠的機械系統能夠提供穩定的性能和可靠的操作體驗，滿足用戶的需求和期望，增強用戶對產品或服務的信任和滿意度。12.創新設計的實質和過程是什么？答：創新設計是指在設計過程中引入新的思想、概念和解決方案，以創造出與傳統設計不同或更優越的產品、服務或系統。其實質是通過獨特的創造力和創新思維，以滿足用戶需求、解決問題或提供新的體驗。機械創新設計的過程（1）確定機械的基本原理。可能會涉及到機械學對象的不同層次、不同類型的機構組合，或不同學科知識、技術的問題。（2）機構結構類型綜合及優選。優選的結構類型對機械整體性能和經濟性具有重大影響，它多伴隨新機構的發明。機械發明專利的大部分屬于結構類型的創新設計（3）機構運動尺寸綜合及其運動參數優選，其難點在于求得非線性方程組的完全解，為優選方案提供較大的空間。隨著優化法、代數消元法等數學方法引入機構學，使該問題有了突破性進展。（4）機構動力學參數綜合及其動力學參數優選，其難點在于動力學參數量大、參數值變化域廣的多維非線性動力學方程組的求解，這是一個亟待深入研究的問題13.創新設計包含哪幾種基本創新方法？答：（1）頭腦風暴法該方法是一種發揮集體智慧的方法，由美國人于1938年提出的一種方法。這種方法是先把具體的功能目標告知每個人，經過一定的準備后，大家可以不受任何約束地提出自己的新概念、新方法、新思路、新設想、各抒己見，在較短的時間內可獲得大量的設想與方案，經分析討論，去偽存真、由粗到細、進而找出創新的方法與實施方案，最后由主持人負責完成。該方法要求主持人有較強的業務能力、工作能力和較大的凝聚力。（2）仿生創新法通過對自然界生物機能的分析和類比，創新設計新機器，這也是一種常用的創造性設計方法。仿人機械手、仿爬行動物的海底機器人、仿動物的四足機器人、多足機器人，就是仿生設計的產物。由于仿生法的迅速發展，目前已經形成仿生工程學這一新的學科。使用該方法時，要注意切莫刻意仿真，否則會走入誤區。（3）反求設計創新法反求設計是指在引入別國先進產品的基礎上，加以分析、改進、提高，最終創新設計出新產品的過程。日本、韓國經濟的迅速發展都與大量使用反求設計創新法有關。（4）類比求優創新設計法類比求優是指把同類產品相對比較，研究同類產品的優點，然后集其優點，去其缺點，設計出同類產品中的最優良產品。日本豐田摩托車就是集世界上幾十種摩托車的優點而設計成功的性能最好、成本最低的品牌。但這種方法的前期資金投入過大。（5）功能設計創新法功能設計創新法是傳統的設計方法，是一種正向設計法。根據設計要求，確定功能目標后，再擬定實施技術方案，從中擇優設計。（6）移置技術創新設計法移置技術創新設計是指把一個領域內的先進技術移置到另外一個領域，或把一種產品的先進技術應用到另一種產品中，從而獲得新產品。（7）計算機輔助創新法利用計算機內存儲的大量信息，進行機械創新設計，這是近期出現的新方法。目前，正處于發展和完善之中。第4章復習思考題及參考答案1．手工造型和機器造型各自的特點是什么？適用于何種制造場合？答：手工造型和機器造型是兩種不同的制造方法，它們各自具有一些特點和適用場合。以下是它們的主要特點和適用情況的概述：手工造型特點：手工造型是人工操作的過程，依靠手工技能和經驗進行制造。需要工匠或技術人員具備高水平的技能和專業知識。可以實現高度的個性化和定制化，因為手工造型可以根據具體要求進行調整和修改。需要較長的制造周期，因為手工造型通常需要更多的時間來完成。對于一些復雜或藝術性要求較高的產品，手工造型通常更適用。適用場合：藝術和工藝品制作：手工造型可以展現藝術家或工匠的獨特技巧和創造力。定制化產品：當產品需要按照特定要求進行個性化定制時，手工造型可以提供更靈活的選擇。小批量生產：對于生產規模較小的產品，手工造型可以更經濟有效地滿足需求。機器造型特點：機器造型利用計算機控制和自動化技術進行制造，減少了人工操作的需求。生產速度快，能夠實現大規模生產和高效率。精度和一致性高，機器能夠準確地按照預定參數進行制造，減少誤差。制造成本相對較低，因為機器造型通常能夠實現規模化生產和節約人力成本。適合于需要高度重復性和標準化的產品。適用場合：大規模生產：機器造型在需要大量產品的制造場合具有明顯優勢，能夠更快速、高效地滿足市場需求。工業制造：在需要高精度、高效率和一致性的工業制造領域，機器造型是常見的選擇。大批量定制化：通過計算機程序和機器造型技術，可以實現大規模定制化生產，滿足個性化需求。需要注意的是，手工造型和機器造型并不是相互排斥的，而是可以互補使用的。在實際制造過程中，可以根據產品特性、需求和成本效益等因素來選擇合適的制造方法。2．什么是熔模鑄造？試述其工藝過程。答：熔模鑄造，也稱為失蠟鑄造或精密鑄造，是一種用于制造復雜形狀、高精度零件的鑄造方法。它通過使用可融化的模具（熔模）來制造鑄件，并在模具中注入熔融金屬，待金屬凝固后，模具被破壞或融化以取出成品。以下是熔模鑄造的一般工藝過程：制造模具（熔模）：a.首先，根據所需鑄件的形狀和尺寸，制造一個模具。通常使用耐火材料（如硅溶膠）涂覆在原型零件表面上，逐漸形成一個堅硬的熔模殼體。這個過程可能需要數層涂覆和干燥。b.當熔模殼體完全干燥后，將其加熱，使其中的蠟模融化和流出，留下一個空腔，形成模具。這個空腔的形狀是與最終鑄件相對應的。鑄造準備：a.在模具中，將熔模殼體放入一個特制的烘箱或爐中，以去除殘留的蠟模和其他雜質，并進一步加強模具殼體。b.準備熔融金屬。根據鑄件的要求和材料選擇，熔融適當的金屬合金，并將其熔化到合適的溫度。鑄造過程：a.將模具從烘箱中取出，并在特制的鑄造設備中固定。確保模具處于合適的位置和角度。b.將預熱的熔融金屬緩慢地注入模具中，填滿整個空腔。注入金屬的方式可以是重力注入、壓力注入或真空注入，具體取決于鑄件的要求。c.等待金屬冷卻和凝固。這個過程中，金屬逐漸固化成為鑄件。模具破壞與鑄件提取：a.當金屬完全冷卻凝固后，將模具從鑄件上破壞或融化，以暴露出鑄件。b.通過切割、拋光或其他加工方法，將鑄件進行后續處理，以達到所需的精度和表面質量。3．金屬型鑄造有何優越性？為什么金屬型鑄造未能取代砂型鑄造？答：金屬型鑄造是一種鑄造方法，使用金屬作為鑄型材料。相對于砂型鑄造，金屬型鑄造具有一些優越性，但也存在一些限制，這些限制導致金屬型鑄造未能完全取代砂型鑄造。以下是金屬型鑄造的優越性和未能取代砂型鑄造的原因：金屬型鑄造的優越性：精度高：金屬型鑄造可以實現更高的精度和尺寸一致性，因為金屬型具有更好的尺寸穩定性和熱傳導性能。表面質量好：由于金屬型的光潔度較高，鑄件表面質量相對較好，可以減少后續加工的需求。壽命長：金屬型耐用且具有較長的使用壽命，可以重復使用多次，降低模具成本。快速生產：金屬型鑄造的制造周期較短，可以實現快速生產和交付。金屬型鑄造未能取代砂型鑄造的原因：制造成本高：金屬型的制造成本較高，需要特殊設備和工藝，而砂型鑄造使用的砂模相對較便宜和易制造。適用于小批量生產：金屬型鑄造適用于小批量生產，而砂型鑄造適用于大規模和連續生產。設計限制：金屬型鑄造對于一些復雜形狀和內部結構的鑄件可能存在限制，而砂型鑄造更加靈活，適用于各種形狀的鑄件。適應性差：金屬型鑄造對于不同材料的適應性較差，而砂型鑄造可以適應多種金屬合金和材料。破壞性取模：金屬型鑄造在鑄件成型后需要破壞性地取出鑄型，無法實現模具的重復使用，而砂型鑄造可以進行非破壞性取模，可以重復使用砂型。4．壓力鑄造有何優缺點？它與熔模鑄造的適用范圍有何不同？答：壓力鑄造是一種常用的金屬鑄造方法，通過在高壓下將熔融金屬注入鑄型中進行成型。它具有以下優點和缺點，并且與熔模鑄造在適用范圍上存在一些不同：壓力鑄造的優點：高生產效率：壓力鑄造具有快速充填和冷卻的特點，可實現高產量和短周期的生產。準確復制性：由于高壓注入，壓力鑄造能夠準確地復制細節和形狀，實現高精度的鑄件制造。較少的缺陷：壓力鑄造可減少氣孔、砂眼和冷隔等缺陷的產生，提高鑄件的質量和密度。節省材料：由于壓力鑄造中金屬的充填完全，材料利用率較高，浪費較少。壓力鑄造的缺點：初始投資高：壓力鑄造設備和工藝相對復雜，需要較高的初始投資成本。設計限制：壓力鑄造對于形狀復雜、壁厚不均勻或內部結構復雜的鑄件有一定限制。高金屬液體溫度：壓力鑄造需要較高的金屬液體溫度，可能對某些合金和材料的性能產生影響。與熔模鑄造的適用范圍不同之處：復雜性：熔模鑄造在制造復雜形狀和內部結構的零件方面更具優勢，因為熔模鑄造可以實現更高的精度和細節表現。適應性：壓力鑄造對于各種金屬合金和材料的適應性較好，而熔模鑄造在某些特殊材料和合金方面更為常見。制造量：壓力鑄造適用于大規模生產，而熔模鑄造通常適用于小批量生產和高要求的精密零件制造。因此，根據零件要求、設計復雜性、生產規模和材料適應性等因素，選擇合適的鑄造方法，可以使壓力鑄造和熔模鑄造在不同的制造場景中發揮各自的優勢。5．低壓鑄造的工作原理與壓力鑄造的有何不同？答：低壓鑄造是一種鑄造方法，與壓力鑄造在工作原理上有一些不同之處。以下是低壓鑄造的工作原理和與壓力鑄造的不同之處：低壓鑄造的工作原理：鑄型準備：首先，準備一個閉合的金屬型（通常是鋼制的），其中具有連接到鑄件形狀的入口系統。鑄件準備：將要鑄造的金屬材料（通常是鋁合金）加熱到熔化狀態，并裝入一個特制的熔爐或保溫爐中。真空抽吸：在金屬型的下方設置真空室，并通過真空系統抽吸空氣，形成負壓環境。金屬注入：在真空室內，將熔融金屬注入一個稱為液面容器的儲存室中。低壓注入：通過施加一定的壓力（通常為氣壓）將熔融金屬從液面容器注入金屬型中，直到填充整個空腔。冷卻和凝固：待金屬冷卻和凝固后，鑄件可從金屬型中取出。后續處理：根據需要進行切割、修整、拋光和其他加工步驟，以達到所需的精度和表面質量。低壓鑄造與壓力鑄造的不同之處：壓力來源不同：在壓力鑄造中，鑄件形成時通過施加高壓將熔融金屬充填入模腔，而低壓鑄造則是通過施加低壓或氣壓將熔融金屬注入金屬型中。注入方式不同：壓力鑄造使用壓力推動金屬進入模腔，而低壓鑄造使用氣壓將金屬推入金屬型。壓力范圍不同：壓力鑄造通常使用較高的壓力，一般在幾十至幾百兆帕（MPa）的范圍內，而低壓鑄造使用較低的壓力，通常在幾十千帕（kPa）至幾百千帕（kPa）的范圍內。設備結構不同：壓力鑄造設備通常較大、較復雜，具有高壓液壓系統和注射裝置，而低壓鑄造設備相對簡單，通常包括一個真空系統和一個氣壓系統。適用范圍不同：壓力鑄造適用于制造較大和較重的鑄件，通常用于汽車和航空航天等領域；低壓鑄造適用于較小和較輕的鑄件，常用于電子、通信和家居等領域。綜上所述，低壓鑄造和壓力鑄造在施加壓力方式、壓力范圍、設備結構和適用范圍等方面存在差異。選擇合適的鑄造方法取決于所需鑄件的尺寸、形狀、質量要求以及生產效率的考慮。6．鍛造主要分為哪兩種？適用范圍如何？答：鍛造主要分為以下兩種類型：手工鍛造：手工鍛造是一種傳統的鍛造方式，通過錘擊和應用手工工具來改變金屬的形狀。鍛造師使用錘子、模具和壓力來將金屬加熱至可塑狀態，然后通過敲打、壓制和彎曲等操作來塑造金屬。手工鍛造通常需要高度熟練的技術和經驗，適用于制作精密的工藝品、藝術品、刀劍以及少量的特殊零部件等。機械鍛造：機械鍛造是利用機械設備和壓力來進行金屬塑性變形的鍛造過程。機械鍛造通常使用壓力機、沖擊機或液壓機等設備，通過施加高壓力來使金屬材料變形。機械鍛造可以批量生產大量相似形狀的零部件，適用于汽車、航空航天、建筑、機械制造等行業。鍛造的適用范圍廣泛，它可以用于制造各種金屬制品，包括但不限于以下領域：汽車工業：鍛造用于制造引擎零件、懸掛系統、傳動系統以及車身部件等。航空航天工業：航空航天領域需要高強度和輕量化的金屬零件，鍛造能夠滿足這些要求。建筑業：鍛造用于制造建筑結構、橋梁、鋼筋等。機械制造：鍛造用于生產各種機械零部件，如齒輪、軸、連桿等。農業機械：用于制造農業機械零部件，如耕種設備和收割機械。武器制造：鍛造用于制造武器零部件，如刀劍、槍械等。7．板料沖壓有哪些特點？主要的沖壓工序有哪些？答：板料沖壓是一種常用的金屬加工方法，具有以下特點：高效性：板料沖壓可以在短時間內快速完成大量產品的生產，適用于批量生產。高精度：沖壓工藝能夠實現高精度的尺寸和形狀控制，確保產品的一致性和精準度。可塑性強：通過沖壓工藝，可以將板料材料以較大的變形程度塑性變形，實現復雜的形狀和結構。省材料：由于沖壓工藝能夠最大限度地利用原材料，減少廢料和剪切損失，具有較高的材料利用率。多功能性：沖壓工藝可以進行多種操作，如切割、彎曲、拉伸、成形等，適用于制作各種形狀和尺寸的產品。沖壓工序主要包括以下幾個步驟：下料：根據產品設計和要求，將原始板料進行切割，得到所需尺寸的工件。沖孔：使用沖孔模具將板料上的孔洞沖擊出來，用于連接、組裝或通氣等功能。彎曲：通過沖壓機床和彎曲模具，對板料進行彎曲成形，得到所需的曲線或角度。拉伸：通過拉伸模具，將板料局部區域進行拉伸，使其在垂直方向延伸，實現產品的形狀和尺寸要求。成形：通過壓力機和成形模具，對板料進行整體或局部的沖壓成形，實現產品的復雜形狀。表面處理：包括清洗、除銹、涂裝等工序，使產品表面達到要求的光潔度和防腐性。8．通過對粉末冶金制品制造工藝過程的了解，你認為粉末冶金制品主要存在哪些缺陷？答：粉末冶金制品是一種常見的制造工藝，它利用金屬粉末通過成型和燒結等步驟來制造零件和產品。盡管粉末冶金具有許多優點，如材料利用率高、形狀復雜度高、成本較低等，但也存在一些缺陷和局限性，包括以下幾個方面：孔隙率高：粉末冶金制品在燒結過程中由于粉末顆粒之間存在空隙，容易形成孔隙。這些孔隙會對制品的密度和力學性能產生不利影響，降低了材料的強度和韌性。尺寸變化不穩定：由于燒結過程中的材料收縮和不均勻燒結等因素，粉末冶金制品的尺寸變化比較難以控制。這可能導致產品尺寸不穩定或與設計要求偏離。表面處理困難：粉末冶金制品的表面粗糙度較高，常需要進行進一步的加工和處理才能滿足產品的要求。這增加了制造成本和加工工序。難以應用于高溫和高強度環境：由于粉末冶金制品的孔隙率較高，它們通常在高溫和高強度環境下的抗氧化性能和機械性能相對較差。限制于材料選擇：粉末冶金制品的材料選擇受到限制。某些高熔點和難以粉末化的材料較難用于粉末冶金制造，限制了材料的多樣性。9．高分子材料主要的成形技術有哪些？答：高分子材料的成形技術主要包括以下幾種：注塑成形：注塑成形是最常見和廣泛應用的高分子材料成形技術。它通過將高分子熔融物注入模具中，并在冷卻固化后取出成形零件。注塑成形適用于制造各種復雜形狀的產品，如塑料容器、零件、玩具等。擠出成形：擠出成形是通過將高分子熔融物通過擠壓機加熱和壓力擠出模具中的孔口，形成連續的截面形狀。這種技術常用于生產管道、薄膜、線纜和型材等產品。吹塑成形：吹塑成形是將高分子熔融物擠出成一種中空管狀的粘度較高的熱塑性塑料制品（吹塑件），然后通過在其中注入空氣，使其膨脹并貼合在模具表面上，最后通過冷卻固化成形。常見的吹塑產品包括塑料瓶、容器和空氣球等。壓延成形：壓延成形是將高分子熔融物通過壓力和溫度作用下，通過兩個或多個滾筒之間的壓力進行擠壓和拉伸成薄膜或薄片。常見的應用包括塑料薄膜、包裝材料、塑料板材等。注塑吹塑復合成形：注塑吹塑復合成形技術將注塑成形和吹塑成形相結合，可以制造具有復雜形狀和空腔結構的產品，如玩具、家居用品、汽車零部件等。10．常用的刀具材料有哪些？各用在哪些場合？答：常用的刀具材料包括以下幾種：（1）碳素工具鋼用于制造低速、手動刀具，如銼刀、手用鋸條等。（2）合金工具鋼用于制造低速、手動刀具，如手用絲錐、手用鉸刀、圓板牙、搓絲板及硬質合金鉆頭的刀體等。（3）高速工具鋼（簡稱高速鋼）用于制造各種結構復雜的刀具，如成形車刀、銑刀、鉆頭、鉸刀、拉刀、齒輪刀具、螺紋刀具等。（4）硬質合金用于切削速度很高、難加工材料的場合，制造形狀較簡單的刀具，如車刀、刨刀、鑲齒銑刀、鑲齒滾刀等。11．外圓和平面一般用什么方法進行加工？答：外圓和平面的加工可以使用以下幾種常見的方法：車削（Turning）：車削是最常用的加工方法之一，適用于加工外圓和平面。通過旋轉工件，并利用車床上的刀具對工件進行切削，實現對外圓和平面的加工。車削廣泛應用于各種工件的加工，從小型零件到大型軸類等。銑削（Milling）：銑削適用于平面的加工，通過銑床上的轉動刀具進行切削。對于大型平面，可以使用面銑刀具進行平面銑削。銑削可以實現平面的加工和輪廓形狀的加工。磨削（Grinding）：磨削是一種精密加工方法，適用于外圓和平面的加工。通過磨床上的砂輪對工件進行磨削，可以實現高精度和良好表面質量的加工。磨削常用于對工件的精密加工和修整。鏜削（Boring）：鏜削適用于大孔和內圓的加工，但也可以用于加工外圓。通過鏜床上的刀具進行切削，實現對孔和內圓的加工。在特定情況下，鏜削也可以用于加工某些外圓的形狀。鉆削（Drilling）：鉆削適用于加工孔洞，通過鉆床上的鉆頭對工件進行切削。鉆削可以用于加工小直徑的孔洞，也可以用于預備孔進行后續加工。12．鉆削和鏜削加工孔有何區別？答：鉆削和鏜削都是用于加工孔洞的方法，但它們在工作原理和應用方面有一些區別。鉆削（Drilling）是通過旋轉的鉆頭在工件上施加軸向力，以切削工件并形成孔洞。鉆削通常適用于加工直徑較小的孔洞，常見的鉆頭有立銑刀、中心鉆、鉆孔鉆頭等。鉆削是一種快速且相對簡單的孔加工方法，適用于一次加工到位的情況，通常用于加工圓柱形孔洞。鏜削（Boring）則是通過旋轉的刀具在工件上施加徑向力，同時進行切削和徑向移動，形成精確的孔洞。鏜削通常適用于加工直徑較大或特殊形狀的孔洞，常見的刀具有鏜刀、精密鏜頭等。鏜削可以實現較高的加工精度和表面質量，適用于加工精密孔洞和調整孔洞尺寸的情況。下面是鉆削和鏜削加工孔的一些區別：加工范圍：鉆削適用于小到中等直徑的孔洞，而鏜削適用于大直徑或特殊形狀的孔洞。加工精度：鏜削通常能夠提供更高的加工精度和表面質量，而鉆削的精度和表面質量相對較低。切削方式：鉆削是沿軸向方向切削工件，而鏜削是沿徑向方向切削工件。切削穩定性：由于刀具結構和切削力的不同，鏜削比鉆削更穩定，能夠在較高的切削條件下獲得更好的切削效果。調整能力：鏜削可以通過調整刀具直徑和徑向移動來實現孔洞尺寸的調整，而鉆削一般無法調整孔洞尺寸。13．數控加工有哪些特點？答：數控加工的特點工序集中數控機床一般帶有可以自動換刀的刀架、刀庫，換刀過程由程序控制自動進行，因此，工序比較集中。工序集中帶來巨大的經濟效益：（1）減少機床占地面積，節約廠房。（2）減少或沒有中間環節（如半成品的中間檢測、暫存搬運等），既省時間又省人力。自動化數控機床加工時，不需人工控制刀具，自動化程度高。帶來的好處很明顯。（1）對操作工人的要求降低：一個普通機床的高級工，不是短時間內可以培養的，而一個不需編程的數控工培養時間極短（如數控車工需要一周即可，還會編寫簡單的加工程序）。并且，數控工在數控機床上加工出的零件比普通工在傳統機床上加工的零件精度要高，時間要省。（2）降低了工人的勞動強度：數控工人在加工過程中，大部分時間被排斥在加工過程之外，非常省力。（3）產品質量穩定：數控機床的加工自動化，免除了普通機床上工人的疲勞、粗心、估計等人為誤差，提高了產品的一致性。（4）加工效率高：數控機床的自動換刀等使加工過程緊湊，提高了勞動生產率。柔性化高傳統的通用機床，雖然柔性好，但效率低下；而傳統的專機，雖然效率很高，但對零件的適應性很差，剛性大，柔性差，很難適應市場經濟下的激烈競爭帶來的產品頻繁改型。只要改變程序，就可以在數控機床上加工新的零件，且又能自動化操作，柔性好，效率高，因此數控機床能很好適應市場競爭。能力強機床能精確加工各種輪廓，而有些輪廓在普通機床上無法加工。數控機床特別適合以下場合：（1）不許報廢的零件。（2）新產品研制。（3）急需件的加工。第5章復習思考題及參考答案什么是機電一體化？機電一體化的主要內容是什么？機電一體化是指在機械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進微電子技術，并將機械裝置與電子裝置用相關軟件有機結合而構成系統的總稱。機電一體化包含了技術和產品兩方面的內容，首先是指機電一體化技術，其次是指機電一體化產品。機電一體化技術是指包括技術基礎、技術原理在內的使機電一體化產品得以實現、使用和發展的技術。機電一體化產品是指隨著機械系統和微電子系統的有機結合，被賦予新的功能和性能的新產品。簡述機電一體化系統技術體系中的關鍵技術。機電一體化技術是多種學科交叉融合而產生的綜合性技術，所涉及的技術領域非常廣泛，其技術體系主要包括機械技術、檢測傳感技術、伺服驅動技術、計算機與信息處理技術、自動控制技術和系統總體技術等。簡述機電一體化系統的組成要素和組成原則。機電一體化系統包括以下五大基本要素：機械本體、檢測傳感部分、電子控制單元（計算機）、執行機構和動力與驅動部分，各要素之間通過接口相互聯系，實現運動傳遞、信息控制、能量轉換，從而形成一個有機融合的完整系統。機電一體化對我國機械工業的發展有何意義？由于機電一體化技術對現代工業和技術的發展具有巨大的推動力，因此世界各國均將其作為工業技術發展的重要戰略之一。從20世紀70年代起，在發達國家興起了機電一體化熱，而在20世紀90年代，中國也把機電一體化技術列為重點發展的十大高新技術產業之一。什么是數控技術、機器人技術？簡要介紹各自的定義及特點。數字控制（NumericalControl，NC）技術是指采用數字化信息進行控制的技術。用數字化信息對機床的運動及其加工過程進行控制的機床，稱作數控機床，它是數字控制技術與機床相結合的產物。數控機床是典型的機電一體化產品，是集現代機械制造技術、自動控制技術、檢測技術、計算機信息技術于一體的高效率、高精度、高柔性和高自動化的現代機械加工設備。數控機床的特點：（1）柔性自動化，具有廣泛的適應性；（2）加工精度高，質量穩定；（3）生產效率高；4）能實現復雜零件的加工；（5）減輕勞動強度，改善勞動條件；（6）有利于現代化生產與管理。工業機器人（IndustrialRobot）是一種能模擬人的手、臂的部分動作，按照預定的程序、軌跡及其他要求，實現抓取、搬運工件或操縱工具的自動化裝置，它綜合了精密機械技術、微電子技術、檢測傳感技術、自動控制技術等領域的最新成果。工業機器人的特點：相比于傳統的工業設備，工業機器人有眾多的優勢和顯著的特點，比如機器人具有可編程、擬人化、通用性、交叉性等特點。實現加工設備自動化的意義是什么？自動化加工設備主要有哪幾類？機械制造自動化的意義（1）提高生產率；（2）縮短生產周期；（3）提高產品質量；（4）提濟效益（5）降低勞動強度；（6）有利于產品更新；（7）提高勞動者的素質；（8）帶動相關技術的發展；（9）體現國家的科技水平。實現加工設備自動化的方法主要有以下幾種：①通過對半自動加工設備配置自動上下料裝置，以實現加工設備的完全自動化；②將通用加工設備運用電氣控制技術、數控技術等進行自動化改裝；③根據加工工件的特點和工藝要求設計制造專用的自動化加工設備，如組合機床、其他專用自動化機床等；④采用數控加工設備，包括數控機床、加工中心等。7．加工中心和數控機床的主要區別是什么？加工中心是從數控銑床發展而來的。與數控銑床的最大區別在于加工中心具有自動交換加工刀具的能力，通過在刀庫上安裝不同用途的刀具，可在一次裝夾中通過自動換刀裝置改變主軸上的加工刀具，實現多種加工功能。什么是機械化和自動化？當制造過程中原來由人力所承擔的勞動由機械及其驅動的能源（如各種機械能、水力、電力、熱能等）所代替的過程，稱為機械化。在機器代替人完成基本勞動的同時，人對機器的操縱看管、對工件的裝卸和檢驗等輔助勞動也由機器代替，并由自動控制系統或計算機代替人的部分腦力勞動的過程，稱為自動化。柔性制造系統的基本組成部分有哪些？各部分具有什么作用?柔性制造系統:FMS主要由兩臺以上數控加工系統、一套能自動裝卸的運儲系統和一套計算機控制系統等三部分組成。加工系統用于將原材料轉變為最后產品;運儲系統的作用是完成工件、原材料、刀具及其它輔助設備和材料的運儲;運行控制系統是FMS的大腦,負責控制整個系統協調、優化、高效地運作。10．機械制造自動化的主要內容有哪些？機械制造自動化的作用是什么？機械制造過程中的自動化技術主要內容有：1）機械加工自動化技術：包括上下料、裝夾、換刀、加工、零件校驗等環節的自動化技術；2）物料儲運自動化技術：包括工件、刀具和其他物料的儲運自動化技術；3）裝配自動化技術：包括零部件供應和裝配過程等自動化技術；4）質量控制自動化技術：包括零件檢測、產品檢測和刀具檢測等自動化技術。機械制造中采用的自動化技術可以有效改善勞動條件，降低工人的勞動強度，顯著提高勞動生產率，大幅度提高產品的質量，有效縮短生產周期，并能顯著降低制造成本。11．機械制造自動化系統由哪幾部分組成？機械制造自動化系統的構成：加工系統、物料儲運系統、刀具準備與儲運系統、控制與管理系統。12．機械制造自動化的類型有哪些，各類型有什么特點？1．剛性半自動化單機：剛性半自動化單機實現的是加工自動化的最低層次，但是投資少、見效快，適用于產品品種變化范圍和生產批量都較大的制造系統。缺點是調整工作量大加工質量較差，工人的勞動強度也大。2．剛性自動化單機：特點是投資少、見效快，但通用性差，是大量生產最常見的加工裝備。3．剛性自動化生產線：特點是自動化程度高，有效縮短生產周期、取消半成品的中間庫存、縮短物料流程、減少生產面積、改善勞動條件、便于管理等優點。缺點是投資大、系統調整周期長、更換產品不方便。4．剛性綜合自動化系統。特點是結構復雜，投資強度大，建線周期長，更換產品困難，但生產效率極高，加工質量穩定，工人勞動強度低。5．一般數控機床一般數控機床（NC）用來完成零件一個工序的自動化循環加工。是用代碼化的數字量來控制機床，按照事先編好的程序，自動控制機床各部分的運動，而且還能控制選刀、換刀、測量、潤滑、冷卻等工作。6．加工中心：特點是具有工序集中、可以有效縮短調整時間和搬運時間，減少在制品庫存，加工質量高等優點。7．柔性制造單元：柔性制造單元的主要優點是：占地面積較小，系統結構不很復雜，成本較低，投資較小，可靠性較高，使用及維護均較簡單。8．柔性制造系統;主要優點是：①可以減少機床操作人員。②由于配有質量檢測和反饋控制裝置，零件的加工質量很高。③工序集中，可以有效減少生產面積。④與立體倉庫相配合，可以實現24h連續工作。⑤由于集中作業，可以減少加工時間。⑥易于和管理信息系統（MIS）、工藝信息系統（TIS）及質量信息系統（QIS）結合形成更高級的制造自動化系統。主要缺點是：①系統投資大，投資回收期長。②系統結構復雜，對操作人員的要求很高。③結構復雜使得系統的可靠性較差。一般情況下，柔性制造系統適用于品種變化不大，批量在200~2500件的中等批量生產。9．計算機集成制造系統：主要特點是系統十分龐大，包括的內容很多，要在一個企業完全實現難度很大。但可以采取部分集成的方式，逐步實現整個企業的信息及功能集成。13．試述機械制造自動化的主要發展趨勢。隨著科學技術的飛速發展和社會的不斷進步，先進的生產模式對進行制造自動化技術提出了多種不同的要求，這些要求同時也決定了機械制造自動化技術的發展趨勢。目前機械制造自動化技術正在向敏捷化、網絡化、虛擬化、智能化、全球化、綠色化的方向發展。第六章課后思考題及參考答案1．什么是智能制造？定義：完全集成和協作的制造系統，能夠實時響應工廠、供應鏈網絡、客戶不斷變化的需求和條件。2．智能制造的核心技術是什么？核心技術：依據裝備制造行業的制造特點與要求，裝備制造行業的核心制造技術基本上可以劃分為三類，即信息物理系統技術、數字線索科學技術、人工智能增強技術。3．智能制造的系統架構是什么？智能制造（IntelligentManufacturing）通過綜合和智能地利用信息空間、物理空間的過程和資源，貫穿于設計、生產、物流、銷售、服務等活動的各個環節，具有自感知、自決策、自執行、自學習、自優化等功能，創造交付產品和服務的新型制造。1.生命周期是指由設計、生產、物流、銷售、服務等一系列相互聯系的價值創造活動組成的鏈式集合。2.系統層級維度自下而上共5層，分別為設備層級、控制層級、車間層級、企業層級和協同層級。3.智能功能維度自上而下包括資源要素、系統集成、互聯互通、信息融合、新興業態。4．智能制造的特征是什么？智能制造的發展趨勢是什么？特征：（1）全面互聯（2）數據驅動（3）物理信息空間融合（4）智能自主（5）開放共享發展趨勢：智能化是未來發展的趨勢，人工智能技術的發展將會攻克許多難關，克服關鍵領域的瓶頸，最終形成完整的、體系化的智能生產裝備行業。在未來，集信息技術、電子技術、物理技術等于一體的智能制造裝備產業將會迅速發展，并引導傳統制造業朝節能和高效的方向發展，提高勞動生產率和經濟收益。5．我國智能制造的現狀和基本構架是什么？我國制造業在經歷機械化、自動化、數字化等發展階段后，已經建立起較為完整的制造業體系，在全球制造產業鏈中占據重要地位。但我國智能制造的數字化基礎較為薄弱，制造業整體上還處于機械自動化向數字自動化過渡階段，與工業發達國家相比，我國的制造業在關鍵技術、工藝裝備、標準體系等方面還存在較大差距。如果以德國工業4.0作為參考，我國總體上還處于2.0時代，部分企業向3.0時代邁進。《2021—2025年中國工業自動化行業全景調研與發展戰略咨詢報告》顯示，未來5年，我國將進入工業3.0與工業4.0的混合發展時代。6．智能制造的基本范式是什么？根據智能制造數字化網絡化智能化的基本技術特征，智能制造可總結歸納為三種基本范式，即：數字化制造——第一代智能制造、數字化網絡化制造——“互聯網+”制造或第二代智能制造、數字化網絡化智能化制造——新一代智能制造。7．什么是機器人？機器人如何分類？工業機器人的系統組成如何？工業機器人的特點是什么？定義：現在國際社會主流方面對機器人的定義主要有以下幾種。（1）國際標準化組織（ISO）：可編程的裝置，具備移動能力，可完成各類作業指令。（2）日本工業機器人協會（JIRA）：機器人是一種可以替代人類勞動的通用機器，它裝備有末端執行裝置及記憶裝置，可以自動完成移動及轉動等動作。（3）美國國家標準與技術研究院（NationalInstituteofStandardsandTechnology）：可編程并且自動完成一些動作和行進功能的機械裝置。（4）牛津簡明英文詞典（ConciseOxfordEnglishDictionary）：類似于人的裝置，它服從于人類，可以擁有一些智力但不會具有人格。（5）美國機器人工業協會（RIA）：機器人是一種用于移動各種材料、零件、工具或專用裝置，通過可編程序動作來執行各種任務并具有編程能力的多功能機械手。（6）我國科學家對機器人的定義：機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具有一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規劃能力、動作能力和協同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。分類：按從低級到高級的發展程度，工業機器人可分為以下幾類。（1）第一代機器人指只有操作器（手）的機器人，以可編程序或示教再現方式工作，不具有對外界信息的反饋能力。（2）第二代機器人指裝備各種傳感器（如力覺、觸覺、視覺等）的機器人，在一定程度上能感知客觀環境的變化及動作的結果，即具有對外部信息的反饋能力，能適應客觀環境的變化。（3）第三代機器人指智能機器人。智能機器人裝有豐富的傳感器，并將人工智能技術與機器人相結合，使機器人不僅能夠感知環境，而且能夠建立并適時修正環境模型，然后根據確定的任務，以實時模型為基礎進行問題求解，做出決策及制訂規劃，并且具有一定的學習功能，它具有高度的自適應性及自治功能。（4）第四代機器人指情感型機器人，它具有人類式的情感，是機器人發展的最高層次。從傳統實踐來看，工業機器人的分類主要依據關鍵技術的發展和承載力的高低。從關鍵技術特點方面來劃分，通常將工業機器人劃分為3類機器人：示教再現工業機器人、離線編程機器人和智能機器