机械工程导论基于智能制造第2版李勇峰课后参考答案

第1章1.何谓机器、机构、机械？答：机器通常指的是能够执行特定任务或完成特定工作的装置或设备。它可以是由多个部件、元件或机械系统组成的物体，能够转化能量、进行运动或执行操作。机构是指由若干连接在一起的零件或元件组成的系统，用于实现特定的运动转换。机构可以通过运动学和动力学原理进行设计和分析，以实现所需的运动或力学性能。机械是机器和机构的统称,是将已有的机械能或非机械能转换成便于利用的机械能,将机械能变换为某种非机械能或通过机械能来完成特定工作的装备和器具。2.简述机械工程的定义和内涵。答：机械工程是一门工程学科，涉及设计、制造、操作和维护机械系统及其组件的原理和应用。它是研究物质的运动和能量转换的一门学科，涵盖了广泛的领域，包括力学、热力学、材料科学、流体力学、控制工程、机电一体化等。机械工程的内涵包括以下几个方面：设计与制造：机械工程师负责设计和制造各种机械系统和设备，如发动机、机械传动系统、机床、飞机、汽车等。他们需要考虑材料选择、结构设计、工艺流程等因素，确保设计的机械系统能够满足预期的功能和性能要求。力学与材料：机械工程涉及力学原理的应用，研究物体的静力学和动力学行为。此外，材料科学也是机械工程的重要组成部分，机械工程师需要了解材料的性能和行为，以便选择合适的材料来满足设计需求。热力学与能量转换：机械工程师需要掌握热力学原理，了解能量转换和传递的原理，以设计高效的热能系统和动力系统。他们在能源领域扮演着重要的角色，致力于提高能源利用效率和减少能源消耗。流体力学：流体力学是研究流体运动和行为的学科，对于机械工程师来说至关重要。他们需要了解液体和气体在机械系统中的流动特性，以便设计和优化液压系统、气动系统等。控制工程与自动化：机械工程师还需要掌握控制工程的知识，以实现机械系统的自动化和智能化。他们使用传感器、执行器和控制算法来监测和控制机械系统的运行，提高系统的性能和效率。3.思考从古代到现代机械工程发展的脉络，分析其推动力的来源，以及对未来机械工程发展的启示。答：古代到现代机械工程的发展可以追溯到人类文明的早期。以下是其发展脉络和推动力的来源的简要分析：古代和中世纪时期：在古代，人们开始利用简单机械，如杠杆、滑轮和轮轴等。这些机械的发展主要受到人类日常生活和工作需求的驱动，例如农业、建筑和交通等方面的要求。中世纪时期，冶金技术和机械制造能力的提高推动了机械工程的进步，例如水力驱动的磨坊和挖掘机等。工业革命：18世纪的工业革命是机械工程发展的重要里程碑。蒸汽机的发明和应用引领了工业革命的浪潮，带来了机械工程的革新。蒸汽机的出现大大提高了能源利用效率和生产力，推动了矿山、纺织、交通等行业的快速发展。此外，机床的发展也为机械制造和生产奠定了基础。现代机械工程：随着科学技术的不断进步和工程领域的发展，机械工程进入了现代阶段。先进的材料科学、计算机辅助设计和制造技术、控制系统和自动化技术的引入，极大地推动了机械工程的发展。现代机械工程应用于广泛的领域，如航空航天、汽车工业、能源、生物医学等，推动了现代社会的进步和发展。推动机械工程发展的来源主要包括以下几个方面：技术需求和应用需求：人类对更高效、更精确和更可靠的机械系统的需求推动了机械工程的发展。例如，交通运输的发展需要更快速、更安全的交通工具；能源需求的增长促使开发更高效的能源转换和利用技术。科学研究和创新：科学的进步为机械工程提供了新的理论和方法。热力学、流体力学、材料科学等领域的研究为机械工程带来了新的认识和突破。创新的工程设计和制造方法也为机械工程的进步做出了贡献。工程实践和经验积累：通过实践和经验，工程师们不断总结和改进机械系统的设计和制造方法。实际应用中的挑战和问题促使工程师提出创新的解决方案，推动了机械工程的发展。对未来机械工程发展的启示包括：新技术的应用：随着人工智能、物联网、大数据等新兴技术的迅速发展，机械工程将继续受益于这些技术的应用。智能化、自动化和数字化将成为未来机械系统设计和制造的重要方向。可持续发展：环境保护和可持续发展将成为未来机械工程的重要考虑因素。研究和开发更节能、更环保的机械系统和能源转换技术将是未来的发展方向。跨学科合作：机械工程与其他学科的交叉融合将推动机械工程的创新和进步。与材料科学、电子工程、生物医学等领域的合作将产生更多跨领域的创新解决方案。教育与培养人才：培养具有综合素质和创新思维的机械工程人才将是未来的重要任务。教育体系需要注重培养学生的实践能力、创新意识和跨学科合作能力，以适应未来机械工程的发展需求。综上所述，古代到现代机械工程的发展源于技术需求、科学研究和工程实践。未来的机械工程将受益于新技术的应用、可持续发展的要求、跨学科合作和人才培养的重视，以应对社会和技术发展的挑战。4.简述机械设计与理论、机械制造及自动化、机械电子工程分学科所研究的领域。答：机械设计与理论：机械设计与理论是机械工程的核心学科之一，主要研究机械系统的设计原理、方法和技术。它关注机械系统的结构设计、运动学和动力学分析、机构设计、传动系统、机械振动和噪声控制等。机械设计与理论的目标是设计出满足功能和性能需求的可靠机械系统，包括机械零部件、装配体和机械设备。机械制造及自动化：机械制造及自动化学科关注机械零件和装配体的制造过程、工艺和设备。它研究材料加工技术、数控加工、机器人技术、自动化装配、工艺规划等。机械制造及自动化的目标是实现高效、精确和可持续的机械制造过程，提高生产效率和质量，降低成本和资源消耗。机械电子工程：机械电子工程是机械工程与电子工程的交叉学科，研究将电子技术应用于机械系统和设备中，实现机械系统的自动化、智能化和控制。它涉及传感器技术、电机与驱动技术、控制系统设计、嵌入式系统、机器视觉等。机械电子工程的目标是提高机械系统的自动化水平、实现精确控制和智能功能，以适应现代工业的要求。这三个学科分支相互关联，共同构成了机械工程领域的重要组成部分。机械设计与理论研究机械系统的设计原理和方法，机械制造及自动化关注机械零件和装配体的制造过程和工艺，机械电子工程将电子技术应用于机械系统的控制和自动化。综合运用这些学科的知识和技术，可以推动机械工程的发展，实现更高效、智能和可持续的机械系统设计和制造。1．机械工程中利用数学进行建模的基本步骤是什么？答：（1）明确问题（2）合理假设（3）建立模型（4）求解模型（5）分析检验2．数学在机械工程中有哪些应用？答：机械工程中零件的强度计算、齿轮传动与带传动、工厂管理计算中的切削用量计算、生产成本计算等都需要数学知识。特别是将数学机械化法与数字化设计制造融合后，实现了对机械中复杂曲面的特征识别、设计、分析和制造。3．机械力学的分类及其研究内容是什么？答：力学可以分为静力学、运动学和动力学三部分。静力学研究力的平衡或物体的静止问题；运动学只考虑物体怎样运动，不讨论它与所受力的关系；动力学讨论物体运动和所受力的关系。力学也可以按照研究对象分为固体力学、流体力学和一般力学三个分支。固体力学包括材料力学、结构力学、弹性力学、塑性力学等。流体力学包括流体静力学、流体动力学等。固体力学和流体力学从力学分出后，余下的部分组成一般力学。一般力学主要研究离散系统的基本力学规律和某些与现代工程技术有关的新兴学科的理论，包括理论力学（狭义的）、分析力学、刚体动力学、陀螺力学等。4．机械动力学在工程中有哪些应用？答：机械运动当中，传动装置是很多机器的重要组成部分。传动装置的主要任务是在原动机5．静力学在工程中有哪些应用？答：在锻造、铸造、焊接、热处理、表面处理、机械加工等制造过程中，机械零件不可避免会产生应力，消除应力或使之再分布是非常必要的。一些刚性较差、容易变形的细长工件（如丝杠等），常采用冷校直的方法纠正其弯曲变形。在弯曲的反向加外力F，在力F的作用下，工件轴线以上产生压应力，轴线以下产生拉应力。去除外力F后，外层的塑性变形部分阻止内部弹性变形的恢复，使内应力重新分布。此时，虽然纠正了工件的弯曲，但其内部却产生了内应力，工件处于不稳定状态。如再次加工工件，将会产生新的变形，因此，在进行机械加工前需要分析材料内部残余应力的分布情况。通过合理设计零件结构、合理安排时效处理和工艺流程，消除残余应力对零件加工质量的影响。6．工程材料是如何分类的？结构材料与功能材料在性能与使用上有何区别？答：料除具有重要性和普遍性外，还具有多样性。工程材料是在各工程领域中使用的材料。工程上使用的材料种类繁多，有许多不同的分类方法。按材料的应用领域，可分为信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航天材料等多种类别。按使用性能，材料分为结构材料和功能材料。工程材料主要是指结构材料，是用于机械、车辆、建筑、船舶、化工、仪器仪表、航空航天、军工等各工程领域中制造结构件的材料，主要利用材料的力学性能，如强度、硬度、塑性及韧性等；功能材料是指具有光、电、磁、热、声等功能和效应的材料，包括半导体材料、磁性材料、光学材料、电介质材料、超导材料、非晶材料、形状记忆合金等。工程材料按组成特点可分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料4大类。7．试述高分子材料的性能特点。答：（1）质轻（2）比强度高（3）有良好的韧性（4）减摩和耐磨性好（5）电绝缘性好（6）耐蚀性（7）导热系数小（8）易老化（9）易燃（10）耐热性（11）刚度小8．简述陶瓷材料的性能有哪些。陶瓷材料有很好的力学特性，也有热特性，电特性，还有一定的化学特性和光学特性。陶瓷材料的力学特性主要表现在有很强的抗压效果。陶瓷材料的热特性主要表现在具有很高的熔点，一般熔点都在2000℃以上。它在高温下有很好的稳定性，再加上陶瓷导热性，低于金属材料，所以现在用陶瓷材料可以当做很好的隔热材料。陶瓷材料的热特性还表现在膨胀系数比金属低很多，当温度发生变化的时候，它的尺寸是比较稳定的。陶瓷材料的电特性主要表现在它是一种非常好的电绝缘体，因此大量用于制作各种电压的绝缘器件。9．复合材料都有哪些结构形式？其性能特点是什么？答：高分子基复合材料常见的结构有夹层型和纤维型。夹层型复合材料具有以下特点：（1）高强度和高刚度:夹层材料的高强度和高刚度使得夹层复合材料具有优异的抗弯、抗剪和抗拉性能，能够承受较大的载荷。（2）良好的韧性和耐磨性:外层材料的良好韧性和耐磨性使得夹层复合材料具有较好的抗冲击和耐磨性能，能够在复杂的工作环境下长时间使用。（3）优异的防腐性能:夹层复合材料具有良好的防腐性能，能够在潮湿、腐蚀等恶劣环境下使用。（4）轻质化:夹层复合材料具有较低的密度，比传统材料如钢铁等轻很多，能够减轻结构重量，提高整体性能。（5）易加工:夹层复合材料易于加工成各种形状和尺寸，能够满足不同的工程需求。纤维材料复合材料具有如下特点:(1)比强度高，比模量大;(2)材料性能具有可设计性:(3)抗腐蚀性和耐久性能好;(4)热膨胀系数与混凝土的相近。10．计算机主要能解决哪些问题？答：（1）数值计算（2）数据处理（3）实时控制（4）计算机辅助设计（CAD）（5）模式识别（6）通信和图像、文字处理（7）多媒体技术（8）网络技术与信息高速公路（9）教育11．简述计算机制图与工程制图的关系。答：传统的工程绘图是手工绘图,它是技术人员依靠绘图工具和仪器凭借个人的制图知识、绘图技巧和经验，逐步绘制、逐字书写来完成图样的一种方法。图样质量的高低完全取决于技术人员的能力和经验，其稳定性不强。计算机绘图是技术人员利用计算机绘图软件系统,根据投影理论和国家制图标准,通过交互式绘图方式，绘制出高精度图形文字等的绘制图样方法。其精确程度不受个人绘图经验等因素的影响,图样质量容易得到保证。传统的工程绘图需依靠循序渐进的训练,培养学生的绘图能力和读图能力。而使用计算机绘制工程图样,对技术人员的形象思维和逻辑思维能力的要求不低于手工绘图，同时还要求学生具备熟练操作计算机及使用AutoCAD软件的能力。工程制图是学习计算机绘图的基础,而计算机绘图则是学习工程制图的工具。因此,我们在教学中应始终贯穿两条线一条是工程制图另一条是计机绘图。应用CAD软件培养学生的计算机绘图能力，前提必须以工程制图为基础计算机绘图不能脱离工程制图的基本投影原理表达方式和国家相关的制图标准而独立进行。我们在进行计算机绘图教学时，以计算机绘图为主线,以工程制图为基础,这两条线相互协调相互融合,相互促进。12．常用的工业软件有哪些？答：常用的工业软件包括：计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助制造（CAM）。13．计算机在机械工程中有哪些应用？答：工业控制、辅助设计、数据库管理等14．什么是控制论？答：控制论强调用系统的、反馈的和控制的方法研究工程实际问题。15．机电控制系统的组成部分有哪些？分别有什么作用？答：机电控制系统主要由四部分组成：控制部分、执行部分、检测部分和机械部分。（1）控制部分控制部分相当于人类的大脑和神经系统，是机电控制系统的中枢部分，用于对机电系统的控制信息和来自传感器的反馈信息进行运算处理和判断，并向执行部分发出动作指令。控制部分一般由计算机、可编程控制器、数控装置及逻辑电路、A/D转换器与D/A转换器、输入/输出接口和计算机外部设备等组成。控制系统对控制和信息处理单元的基本要求是：提高信息处理速度和可靠性，增强抗干扰能力，完善系统自诊断功能，实现信息处理智能化和零部件的小型化、轻量化和标准化。（2）执行部分执行部分相当于人类的手足，将来自控制部分的电信号转换为机械能，以驱动机械部分进行运动。控制系统一方面要求执行部分具有高效率和快速响应的特点，另一方面要求其具有较高的可靠性，以及对水、油、温度和尘埃等外部环境具有较强的适应性。由于几何尺寸上的限制，要求执行部分的动作范围狭窄，因此还需考虑维修和标准化的要求。随着电力电子技术的高速发展，高性能步进驱动、直流伺服驱动和交流伺服驱动已大量应用于控制系统。（3）检测部分检测部分相当于人类的五官，对机电控制系统运行所需的各种参数及状态进行检测，并转换成可识别的信号，传输到控制部分。检测部分的功能由传感器来实现，如果没有传感器准确可靠地捕获和转换信息，一切准确的测试与过程控制将无法实现。（4）机械部分机械部分相当于人类的骨骼，是能够实现某种运动的机构，是机电控制系统所有功能元素的机械支撑部分，包括机身、框架和机械连接。16．机电控制系统的分类是什么？答：机电控制系统分类的原则性非常强，根据不同的原则可以划分出不同的机电控制系统。通常，从输出量、控制信号的变量形式、系统输入信号三个方面对机电控制系统进行分类。机电控制系统根据输出量的反馈可以分为开环式和闭环式两种。机电控制系统按照控制信号变量形式的不同可以分成模拟式和数字式两种。机电控制系统根据系统输入信号的变化机律可以分为自动调节系统、随动控制系统和程序控制系统三种。17．控制理论在机械工程中有哪些应用？答：机械工程控制系统的控制对象是机械。在简单的机械自动控制系统中，常用机械装置产生自动控制作用。自动控制是人们利用某种装置或以某种方式使事物按照某种特定的规律自动运行或变化的过程。例如，数控机床根据控制器发出的指令和位置检测信号能够准确地控制机床工作台的位移轨迹达到自动加工工件的目的，仿生机器人能够根据视觉传感器对环境的探测通过控制器确定行动路径，飞行器根据陀螺检测出的偏移量实时修正飞行方向等都是自动控制理论在机械工程中应用的结果。18．机械工业造成的环境污染主要包括哪几类？答：机械工业的任务是为国民经济各部门制造各种装备。在机械工业中，材料的成型技术包括切削成型（车、铣、刨、磨、钻）、流动成型（铸造、锻造）、连接成型（焊接）和热处理。各种材料的加工过程都会对环境造成污染，主要包括：大气污染、水污染、固体废弃物污染和噪声污染等。19．绿色设计制造包括哪几个方面内容？答：绿色制造就是在传统的机械制造中渗入绿色发展的理念，通过设计、材料、工艺的提升使产品的整个生产周期安全环保。绿色制造的理念最主要的就是资源利用最大化和环境污染最小化，主要包括以下几个方面：（1）绿色设计（2）绿色材料（3）绿色制造工艺20．举例说明绿色设计制造在机械工程领域的应用。答：绿色设计就是在设计过程中始终贯彻绿色发展和低耗发展的理念，从产品生命周期的根源上考虑制造、包装、处理过程中可能对环境产生的负面影响。在设计的早期阶段，应该科学、合理地分析生产环境和资源，使设计的工程机械和设备既能节能环保，又能重复使用。比如：高度自动化的卫生陶瓷绿色生产线。第3章1.机构和机器的区别是什么？答：机构：机构是指由多个连接在一起的零件组成的系统，其目的是将输入的力、运动或能量转换为特定的输出。机构通常由连杆、齿轮、滑块、曲柄等零件组成，通过这些零件之间的相对运动来实现所需的功能。机构的设计和分析涉及到运动学、力学和动力学等领域，用于研究和优化机构的运动特性和性能。机器：机器是指由一个或多个机构组成的复杂系统，用于执行特定的任务或完成特定的工作。机器通常是基于特定的工作需求和功能需求而设计和制造的，它可以是一个独立的设备或一个系统的组成部分。机器可以包括多个机构、传感器、执行器、控制系统等组件，以实现自动化、精确控制和高效操作等目标。因此，机构是机器的基本组成部分，而机器是一个更大、更复杂的系统，由多个机构组合而成，以实现特定的功能和任务。机构主要关注于单一运动的转换和传递，而机器更关注于整体的功能、性能和任务完成能力。2.发展到现在，机械设计经历了哪些阶段？答：（1）直觉设计阶段。古代的设计是一种直觉设计，当时人们从自然现象中直接得到启示，凭借直观感觉设计制作工具。设计者多为丰富经验的手工艺人，设计者之间信息交流传递很少。产品的制造是根据制造者本人的经验或其头脑中的构思完成的，设计与制造无法分开。（2）经验设计阶段。17世纪初，数学与力学结合后，人们开始运用经验公式来解决设计中一些问题，并开始按图纸进行制造。图纸的出现，既可使具有丰富经验的手工艺人通过图纸将其经验或构思记录下来，更便于其他设计者在已有图纸的基础上对产品进行分析、改进和提高，使得先前经验得以积累并更深入的发展；同时还可以满足更多的人同时参加同一产品的生产活动，满足社会对产品的需求及生产率的要求。（3）半理论半经验设计阶段。20世纪初以来，随着试验技术与测试手段的迅速发展和应用，人们把对产品采用局部试验、模拟试验等作为设计辅助手段。通过中间试验取得较可靠的数据，选择较合适的结构，从而缩短了试制周期，提高了设计可靠性，这个阶段称为半理论半经验设计阶段。在这个阶段，材料应力应变、摩擦磨损理论，零件失效与寿命的研究，从而为设计提供了大量信息，如包含大量设计数据的图表（图册）和设计手册等；加强关键零件的设计研究。特别是加强了关键零部件的模拟试验，大大提高了设计速度和成功率；加强零件标准化、部件通用化、产品系列化的研究。（4）现代设计阶段。近几十年来，由于科学和技术迅速发展，特别是电子计算机技术的发展及应用，对设计工作产生了革命性的突变，同时为新的时代对产品的设计提出了多样性的需求准备了必要的条件。在现代设计阶段，相应地产生了多种现代设计理论和方法。例如，针对成本和环保要求，学者提出产品全生命周期设计；针对客户的多样性要求以及对产品多用途使用，学者提出模块化设计；为了沿用已有设计成果和缩短研发周期，学者提出参数化设计等等。3.机械的现代设计方法与传统设计方法有哪些主要区别?答：传统设计是以经验总结为基础，运用力学和数学而形成的经验、公式、图表、设计手册等作为设计的依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。传统设计在长期运用中得到不断地完善和提高，是符合当代技术水平的有效设计方法。但由于所用的计算方法和参考数据偏重于经验的概括和总结，往往忽略了一些难解或非主要的因素，因而造成设计结果的近似性较大，也难免有不确切和失误。此外，在信息处理、参量统计和选取、经验或状态的存储和调用等方面还没有一个理想的有效方法，计算和绘图也多用手工完成，所以不仅影响设计速度和设计质量的提高，也难以做到精确和优化的效果。传统设计对技术与经济、技术与美学也未能做到很好地统一，使设计带来一定的局限性。这些都是有待于进一步改进和完善的不足之处。现代设计继承了传统设计的精华，吸收了当代科技成果和计算机技术。与传统设计相比，它则是一种以动态分析、精确计算、优化设计和CAD为特征的设计方法。现代设计方法与传统设计方法相比，主要完成了以下几方面的转变：（1）产品结构分析的定量化；（2）产品工况分析的动态化；（3）产品质量分析的可靠性化；（4）产品设计结果的最优化；（5）产品设计过程的高效化和自动化。目前，我国设计领域正面临着由传统设计向现代设计过渡，广大设计人员应尽快适应这一新的变化。通过推行现代设计，尽快提高我国机电产品的性能、质量、可靠性和在市场的竞争能力。4.简述机械设计的一般步骤，以身边的产品为例说明一个产品产生的过程。答：机械设计的一般步骤机械设计的最大特点就是继承与创新的紧密结合，是一个系统性、协作性很强的工作。机械设计作为一种创造性工作，有其内在规律可循，一个完整的设计过程主要由下面的各个阶段所组成。（1）编制设计任务书（2）拟定设计方案（3）总体设计（4）加工工艺设计（5）鉴定和评价（6）产品定型设计汽车设计举例：编制设计任务书：确定产品设计的需求和目标。以汽车设计为例，设计任务书可能包括设计要求（如座位数量、燃油效率等）、功能要求（如安全性、舒适性等）、成本限制和时间要求等。拟定设计方案：设计团队根据设计任务书，提出多个设计方案。对于汽车设计，可能会考虑不同的车身结构、动力系统和驾驶控制等方面的设计方案。总体设计：从众多设计方案中选择一个最佳方案，并进行总体设计。这包括确定汽车的外观设计、车身结构、座椅布局、悬挂系统等主要设计参数。加工工艺设计：根据总体设计，制定加工工艺方案。这涉及选择适当的材料、制造工艺和工艺流程，以实现汽车零部件的制造和加工。鉴定和评价：对设计方案进行鉴定和评价，以确保其符合设计要求和性能指标。这可能包括原型制作、性能测试、安全评估和用户体验评估等。产品定型设计：基于评价结果，对最终设计方案进行进一步优化和改进，以实现产品的定型设计。这可能包括详细的零部件设计、装配设计、材料选择和尺寸确定等。5.什么是优化设计？优化设计包含哪几个基本概念？答：优化设计，是借助最优化数值计算方法和计算机技术，求取工程问题的最优设计方案。首先需要将实际问题进行数学描述，形成一组由数学表达式组成的数学模型；然后选择一种最优化数值计算方法和计算机程序，在计算机上运算求解，得到一组最佳的设计参数，该设计参数就是设计的最优解。基本概念目标函数：目标函数是指在优化设计过程中要最大化或最小化的性能指标或目标。它可以是单一的目标函数，也可以是多个目标函数构成的多目标函数。设计变量：设计变量是指在优化设计中可以被调整和优化的变量。这些变量可以是产品的几何尺寸、材料参数、工艺参数等。约束条件：约束条件是指在优化设计中必须满足的限制条件。它可以是设计的功能要求、性能要求、材料的可用性、成本限制、制造工艺的限制等。设计空间：设计空间是指所有可行的设计变量取值的范围。优化设计的目标是在设计空间中寻找最优的设计解决方案。优化算法：优化算法是用于搜索设计空间并找到最优解的数学和计算方法。常见的优化算法包括梯度下降法、遗传算法、粒子群算法、模拟退火等。6.简述优化设计的基本过程。答：优化设计过程（1）设计课题分析首先确定设计目标，它可以是单项指标，也可以是多项设计指标的组合。就机械设计而言，机器的运动学和动力学性能、体积与总量、效率、成本、可靠性等，都可以作为设计所追求的目标。然后分析设计应满足的要求，主要的有：某些参数的取值范围；某种设计性能或指标按设计规范推导出的技术性能；还有工艺条件对设计参数的限制等。（2）建立数学模型将实际设计问题用数学方程的形式予以全面、准确地描述，其中包括：确定设计变量，即哪些设计参数参与优选；构造目标函数，即评价设计方案优劣的设计指标；选择约束函数，即把设计应满足的各类条件以等式或不等式的形式表达。建立数学模型要做到准确、齐全这两点，即必须严格地按各种规范作出相应的数学描述，必须把设计中应考虑的各种因素全部包括进去，这对于整个优化设计的效果是至关重要的。（3）选择优化方法根据数学模型的函数性态、设计精度要求等选择使用的优化方法，并编制出相应的计算机程序。（4）上机计算择优将所编程序及有关数据输入计算机，进行运算，求解得最优值，然后对所算结果作出分析判断，得到设计问题的最优设计方案。上述优化设计过程的四步其核心是进行如下两项工作：一是分析设计任务，将实际问题转化为一个最优化问题，即建立优化问题的数学模型；二是选用适用的优化方法在计算机上求解数学模型，寻求最优设计方案。7.试说明有限元法解题的主要步骤。答：（1）建立几何模型：首先需要建立准确的几何模型，包括结构的形状、尺寸和边界条件。可以使用计算机辅助设计（CAD）软件创建几何模型。（2）离散化：将几何模型离散化为有限数量的有限元单元，如三角形、四边形、六面体等。每个单元由节点和单元单元组成。（3）定义材料属性和边界条件：为每个有限元单元定义材料属性，如弹性模量、材料密度、热导率等。此外，还需要定义边界条件，如约束和加载条件。（4）建立单元刚度矩阵和全局刚度矩阵：根据材料性质和几何形状，通过数学公式和积分计算，为每个有限元单元构建局部刚度矩阵。然后将局部刚度矩阵组装成全局刚度矩阵。（5）应用边界条件：将边界条件（约束和加载条件）应用于全局刚度矩阵，以模拟结构在实际工况下的行为。这通常涉及将边界节点的位移和力等价施加到全局刚度矩阵上。（6）求解方程：解决由全局刚度矩阵和边界条件构成的方程组，以确定结构在给定边界条件下的位移、应力和应变等响应。（7）后处理：对求解结果进行后处理，如绘制应力云图、变形图等，以获得结构的详细信息和评估设计的准确性。（8）验证和优化：对有限元模型进行验证，与实际测试数据进行对比，以确保模型的准确性。如果有必要，可以对模型进行优化，以改善设计。8.何为产品的可靠性，如何计算可靠度？9.零件失效在不同失效期具有哪些特点？答：初始失效期：在零件开始使用的早期阶段可能发生初始失效。在这个阶段，失效率相对较高，可能是由于制造缺陷、材料质量问题或安装错误导致的。通常这些失效可以通过质量控制和可靠性测试在制造过程中检测和修复。使用寿命期：在使用寿命期内，零件处于相对稳定的工作状态。失效率相对较低，但仍存在潜在的失效风险。在这个阶段，适当的维护和保养措施可以延长零件的寿命。磨损失效期：随着时间的推移和使用量的增加，零件可能会经历磨损失效。在这个阶段，零件的功能性能逐渐下降，磨损和疲劳开始显现。失效率逐渐增加，需要采取适当的修复或更换措施。随机失效期：在零件的寿命接近结束时，随机失效开始成为主要的失效模式。在这个阶段，失效率急剧上升，由于老化、疲劳和物质退化等因素导致的失效变得更为频繁。在此阶段，通常需要更频繁的维护和监测，以确保系统的可靠性和安全性。10.可靠性设计与常规静强度设计有何不同？可靠性设计的出发点是什么？答：常规静强度设计是基于材料的强度和应力分析，通过计算系统在静态加载下的安全系数来确定设计的合理性。它通常假设系统的负载是确定的、静态的，并且材料的强度是确定的。这种设计方法主要关注系统在正常工作负载下的强度和稳定性。而可靠性设计则更加综合和细致，它考虑到系统在多个不确定因素的共同作用下的性能和寿命。可靠性设计的出发点是系统在实际工作环境中的不确定性和变化性，包括负载、材料性能、制造偏差、工作环境等。它通过概率和统计方法来评估系统在给定可靠性水平下的性能，并采取相应的设计措施来保证系统能够在设计寿命内以可接受的概率满足性能要求。可靠性设计的主要特点和出发点包括：不确定性考虑：可靠性设计考虑了系统设计和使用过程中的不确定性因素，如负载变化、材料性能的散布、制造偏差等，以及环境因素的随机性。可靠性评估：可靠性设计使用概率和统计方法对系统的可靠性进行评估，确定系统在给定可靠性要求下的可靠性水平，如失效概率、故障频率等。安全系数的考虑：可靠性设计不仅仅关注系统的强度，还考虑了安全系数和可靠性指标，以确保系统在设计寿命内以可接受的概率满足性能要求。寿命预测和优化：可靠性设计通过寿命预测和优化，确定系统的寿命分布和可靠性增强措施，以提高系统的可靠性和寿命。11.机械系统的可靠性与哪些因素有关，机械系统可靠性设计的目的是什么？答：设计质量：机械系统的设计质量是影响可靠性的关键因素。良好的设计应考虑强度、刚度、耐久性、抗疲劳等方面，以确保系统在各种工况下都能正常运行并长时间使用。材料选择：所选材料的质量和特性对机械系统的可靠性至关重要。适当的材料选择应考虑材料的强度、耐蚀性、耐磨性和耐疲劳性等特性，以满足系统的使用要求。制造过程：制造过程的精度和质量对机械系统的可靠性有直接影响。良好的制造过程能够确保零部件的尺寸精度、表面质量和装配质量，减少制造缺陷和杂质，提高系统的可靠性。运行环境：机械系统的可靠性与其所处的运行环境密切相关。温度、湿度、振动、腐蚀等环境因素可能对零部件和系统的性能和寿命产生影响。因此，在设计和运行过程中要考虑和控制这些环境因素。机械系统可靠性设计的目的是确保系统在设计寿命内能够以可接受的概率达到设计要求。其主要目标包括：提高系统的寿命：通过合理的设计和材料选择，延长系统的使用寿命，减少维修和更换的频率，降低使用成本。降低故障率：通过减少系统故障的概率和频率，提高系统的可靠性和可用性，确保系统在关键时刻正常工作。减少故障对环境和人员的影响：可靠性设计还旨在减少系统故障对环境和人员的潜在危害，提高安全性和可持续性。提高用户满意度：可靠的机械系统能够提供稳定的性能和可靠的操作体验，满足用户的需求和期望，增强用户对产品或服务的信任和满意度。12.创新设计的实质和过程是什么？答：创新设计是指在设计过程中引入新的思想、概念和解决方案，以创造出与传统设计不同或更优越的产品、服务或系统。其实质是通过独特的创造力和创新思维，以满足用户需求、解决问题或提供新的体验。机械创新设计的过程（1）确定机械的基本原理。可能会涉及到机械学对象的不同层次、不同类型的机构组合，或不同学科知识、技术的问题。（2）机构结构类型综合及优选。优选的结构类型对机械整体性能和经济性具有重大影响，它多伴随新机构的发明。机械发明专利的大部分属于结构类型的创新设计（3）机构运动尺寸综合及其运动参数优选，其难点在于求得非线性方程组的完全解，为优选方案提供较大的空间。随着优化法、代数消元法等数学方法引入机构学，使该问题有了突破性进展。（4）机构动力学参数综合及其动力学参数优选，其难点在于动力学参数量大、参数值变化域广的多维非线性动力学方程组的求解，这是一个亟待深入研究的问题13.创新设计包含哪几种基本创新方法？答：（1）头脑风暴法该方法是一种发挥集体智慧的方法，由美国人于1938年提出的一种方法。这种方法是先把具体的功能目标告知每个人，经过一定的准备后，大家可以不受任何约束地提出自己的新概念、新方法、新思路、新设想、各抒己见，在较短的时间内可获得大量的设想与方案，经分析讨论，去伪存真、由粗到细、进而找出创新的方法与实施方案，最后由主持人负责完成。该方法要求主持人有较强的业务能力、工作能力和较大的凝聚力。（2）仿生创新法通过对自然界生物机能的分析和类比，创新设计新机器，这也是一种常用的创造性设计方法。仿人机械手、仿爬行动物的海底机器人、仿动物的四足机器人、多足机器人，就是仿生设计的产物。由于仿生法的迅速发展，目前已经形成仿生工程学这一新的学科。使用该方法时，要注意切莫刻意仿真，否则会走入误区。（3）反求设计创新法反求设计是指在引入别国先进产品的基础上，加以分析、改进、提高，最终创新设计出新产品的过程。日本、韩国经济的迅速发展都与大量使用反求设计创新法有关。（4）类比求优创新设计法类比求优是指把同类产品相对比较，研究同类产品的优点，然后集其优点，去其缺点，设计出同类产品中的最优良产品。日本丰田摩托车就是集世界上几十种摩托车的优点而设计成功的性能最好、成本最低的品牌。但这种方法的前期资金投入过大。（5）功能设计创新法功能设计创新法是传统的设计方法，是一种正向设计法。根据设计要求，确定功能目标后，再拟定实施技术方案，从中择优设计。（6）移置技术创新设计法移置技术创新设计是指把一个领域内的先进技术移置到另外一个领域，或把一种产品的先进技术应用到另一种产品中，从而获得新产品。（7）计算机辅助创新法利用计算机内存储的大量信息，进行机械创新设计，这是近期出现的新方法。目前，正处于发展和完善之中。第4章复习思考题及参考答案1．手工造型和机器造型各自的特点是什么？适用于何种制造场合？答：手工造型和机器造型是两种不同的制造方法，它们各自具有一些特点和适用场合。以下是它们的主要特点和适用情况的概述：手工造型特点：手工造型是人工操作的过程，依靠手工技能和经验进行制造。需要工匠或技术人员具备高水平的技能和专业知识。可以实现高度的个性化和定制化，因为手工造型可以根据具体要求进行调整和修改。需要较长的制造周期，因为手工造型通常需要更多的时间来完成。对于一些复杂或艺术性要求较高的产品，手工造型通常更适用。适用场合：艺术和工艺品制作：手工造型可以展现艺术家或工匠的独特技巧和创造力。定制化产品：当产品需要按照特定要求进行个性化定制时，手工造型可以提供更灵活的选择。小批量生产：对于生产规模较小的产品，手工造型可以更经济有效地满足需求。机器造型特点：机器造型利用计算机控制和自动化技术进行制造，减少了人工操作的需求。生产速度快，能够实现大规模生产和高效率。精度和一致性高，机器能够准确地按照预定参数进行制造，减少误差。制造成本相对较低，因为机器造型通常能够实现规模化生产和节约人力成本。适合于需要高度重复性和标准化的产品。适用场合：大规模生产：机器造型在需要大量产品的制造场合具有明显优势，能够更快速、高效地满足市场需求。工业制造：在需要高精度、高效率和一致性的工业制造领域，机器造型是常见的选择。大批量定制化：通过计算机程序和机器造型技术，可以实现大规模定制化生产，满足个性化需求。需要注意的是，手工造型和机器造型并不是相互排斥的，而是可以互补使用的。在实际制造过程中，可以根据产品特性、需求和成本效益等因素来选择合适的制造方法。2．什么是熔模铸造？试述其工艺过程。答：熔模铸造，也称为失蜡铸造或精密铸造，是一种用于制造复杂形状、高精度零件的铸造方法。它通过使用可融化的模具（熔模）来制造铸件，并在模具中注入熔融金属，待金属凝固后，模具被破坏或融化以取出成品。以下是熔模铸造的一般工艺过程：制造模具（熔模）：a.首先，根据所需铸件的形状和尺寸，制造一个模具。通常使用耐火材料（如硅溶胶）涂覆在原型零件表面上，逐渐形成一个坚硬的熔模壳体。这个过程可能需要数层涂覆和干燥。b.当熔模壳体完全干燥后，将其加热，使其中的蜡模融化和流出，留下一个空腔，形成模具。这个空腔的形状是与最终铸件相对应的。铸造准备：a.在模具中，将熔模壳体放入一个特制的烘箱或炉中，以去除残留的蜡模和其他杂质，并进一步加强模具壳体。b.准备熔融金属。根据铸件的要求和材料选择，熔融适当的金属合金，并将其熔化到合适的温度。铸造过程：a.将模具从烘箱中取出，并在特制的铸造设备中固定。确保模具处于合适的位置和角度。b.将预热的熔融金属缓慢地注入模具中，填满整个空腔。注入金属的方式可以是重力注入、压力注入或真空注入，具体取决于铸件的要求。c.等待金属冷却和凝固。这个过程中，金属逐渐固化成为铸件。模具破坏与铸件提取：a.当金属完全冷却凝固后，将模具从铸件上破坏或融化，以暴露出铸件。b.通过切割、抛光或其他加工方法，将铸件进行后续处理，以达到所需的精度和表面质量。3．金属型铸造有何优越性？为什么金属型铸造未能取代砂型铸造？答：金属型铸造是一种铸造方法，使用金属作为铸型材料。相对于砂型铸造，金属型铸造具有一些优越性，但也存在一些限制，这些限制导致金属型铸造未能完全取代砂型铸造。以下是金属型铸造的优越性和未能取代砂型铸造的原因：金属型铸造的优越性：精度高：金属型铸造可以实现更高的精度和尺寸一致性，因为金属型具有更好的尺寸稳定性和热传导性能。表面质量好：由于金属型的光洁度较高，铸件表面质量相对较好，可以减少后续加工的需求。寿命长：金属型耐用且具有较长的使用寿命，可以重复使用多次，降低模具成本。快速生产：金属型铸造的制造周期较短，可以实现快速生产和交付。金属型铸造未能取代砂型铸造的原因：制造成本高：金属型的制造成本较高，需要特殊设备和工艺，而砂型铸造使用的砂模相对较便宜和易制造。适用于小批量生产：金属型铸造适用于小批量生产，而砂型铸造适用于大规模和连续生产。设计限制：金属型铸造对于一些复杂形状和内部结构的铸件可能存在限制，而砂型铸造更加灵活，适用于各种形状的铸件。适应性差：金属型铸造对于不同材料的适应性较差，而砂型铸造可以适应多种金属合金和材料。破坏性取模：金属型铸造在铸件成型后需要破坏性地取出铸型，无法实现模具的重复使用，而砂型铸造可以进行非破坏性取模，可以重复使用砂型。4．压力铸造有何优缺点？它与熔模铸造的适用范围有何不同？答：压力铸造是一种常用的金属铸造方法，通过在高压下将熔融金属注入铸型中进行成型。它具有以下优点和缺点，并且与熔模铸造在适用范围上存在一些不同：压力铸造的优点：高生产效率：压力铸造具有快速充填和冷却的特点，可实现高产量和短周期的生产。准确复制性：由于高压注入，压力铸造能够准确地复制细节和形状，实现高精度的铸件制造。较少的缺陷：压力铸造可减少气孔、砂眼和冷隔等缺陷的产生，提高铸件的质量和密度。節省材料：由于压力铸造中金属的充填完全，材料利用率较高，浪费较少。压力铸造的缺点：初始投资高：压力铸造设备和工艺相对复杂，需要较高的初始投资成本。设计限制：压力铸造对于形状复杂、壁厚不均匀或内部结构复杂的铸件有一定限制。高金属液体温度：压力铸造需要较高的金属液体温度，可能对某些合金和材料的性能产生影响。与熔模铸造的适用范围不同之处：复杂性：熔模铸造在制造复杂形状和内部结构的零件方面更具优势，因为熔模铸造可以实现更高的精度和细节表现。适应性：压力铸造对于各种金属合金和材料的适应性较好，而熔模铸造在某些特殊材料和合金方面更为常见。制造量：压力铸造适用于大规模生产，而熔模铸造通常适用于小批量生产和高要求的精密零件制造。因此，根据零件要求、设计复杂性、生产规模和材料适应性等因素，选择合适的铸造方法，可以使压力铸造和熔模铸造在不同的制造场景中发挥各自的优势。5．低压铸造的工作原理与压力铸造的有何不同？答：低压铸造是一种铸造方法，与压力铸造在工作原理上有一些不同之处。以下是低压铸造的工作原理和与压力铸造的不同之处：低压铸造的工作原理：铸型准备：首先，准备一个闭合的金属型（通常是钢制的），其中具有连接到铸件形状的入口系统。铸件准备：将要铸造的金属材料（通常是铝合金）加热到熔化状态，并装入一个特制的熔炉或保温炉中。真空抽吸：在金属型的下方设置真空室，并通过真空系统抽吸空气，形成负压环境。金属注入：在真空室内，将熔融金属注入一个称为液面容器的储存室中。低压注入：通过施加一定的压力（通常为气压）将熔融金属从液面容器注入金属型中，直到填充整个空腔。冷却和凝固：待金属冷却和凝固后，铸件可从金属型中取出。后续处理：根据需要进行切割、修整、抛光和其他加工步骤，以达到所需的精度和表面质量。低压铸造与压力铸造的不同之处：压力来源不同：在压力铸造中，铸件形成时通过施加高压将熔融金属充填入模腔，而低压铸造则是通过施加低压或气压将熔融金属注入金属型中。注入方式不同：压力铸造使用压力推动金属进入模腔，而低压铸造使用气压将金属推入金属型。压力范围不同：压力铸造通常使用较高的压力，一般在几十至几百兆帕（MPa）的范围内，而低压铸造使用较低的压力，通常在几十千帕（kPa）至几百千帕（kPa）的范围内。设备结构不同：压力铸造设备通常较大、较复杂，具有高压液压系统和注射装置，而低压铸造设备相对简单，通常包括一个真空系统和一个气压系统。适用范围不同：压力铸造适用于制造较大和较重的铸件，通常用于汽车和航空航天等领域；低压铸造适用于较小和较轻的铸件，常用于电子、通信和家居等领域。综上所述，低压铸造和压力铸造在施加压力方式、压力范围、设备结构和适用范围等方面存在差异。选择合适的铸造方法取决于所需铸件的尺寸、形状、质量要求以及生产效率的考虑。6．锻造主要分为哪两种？适用范围如何？答：锻造主要分为以下两种类型：手工锻造：手工锻造是一种传统的锻造方式，通过锤击和应用手工工具来改变金属的形状。锻造师使用锤子、模具和压力来将金属加热至可塑状态，然后通过敲打、压制和弯曲等操作来塑造金属。手工锻造通常需要高度熟练的技术和经验，适用于制作精密的工艺品、艺术品、刀剑以及少量的特殊零部件等。机械锻造：机械锻造是利用机械设备和压力来进行金属塑性变形的锻造过程。机械锻造通常使用压力机、冲击机或液压机等设备，通过施加高压力来使金属材料变形。机械锻造可以批量生产大量相似形状的零部件，适用于汽车、航空航天、建筑、机械制造等行业。锻造的适用范围广泛，它可以用于制造各种金属制品，包括但不限于以下领域：汽车工业：锻造用于制造引擎零件、悬挂系统、传动系统以及车身部件等。航空航天工业：航空航天领域需要高强度和轻量化的金属零件，锻造能够满足这些要求。建筑业：锻造用于制造建筑结构、桥梁、钢筋等。机械制造：锻造用于生产各种机械零部件，如齿轮、轴、连杆等。农业机械：用于制造农业机械零部件，如耕种设备和收割机械。武器制造：锻造用于制造武器零部件，如刀剑、枪械等。7．板料冲压有哪些特点？主要的冲压工序有哪些？答：板料冲压是一种常用的金属加工方法，具有以下特点：高效性：板料冲压可以在短时间内快速完成大量产品的生产，适用于批量生产。高精度：冲压工艺能够实现高精度的尺寸和形状控制，确保产品的一致性和精准度。可塑性强：通过冲压工艺，可以将板料材料以较大的变形程度塑性变形，实现复杂的形状和结构。省材料：由于冲压工艺能够最大限度地利用原材料，减少废料和剪切损失，具有较高的材料利用率。多功能性：冲压工艺可以进行多种操作，如切割、弯曲、拉伸、成形等，适用于制作各种形状和尺寸的产品。冲压工序主要包括以下几个步骤：下料：根据产品设计和要求，将原始板料进行切割，得到所需尺寸的工件。冲孔：使用冲孔模具将板料上的孔洞冲击出来，用于连接、组装或通气等功能。弯曲：通过冲压机床和弯曲模具，对板料进行弯曲成形，得到所需的曲线或角度。拉伸：通过拉伸模具，将板料局部区域进行拉伸，使其在垂直方向延伸，实现产品的形状和尺寸要求。成形：通过压力机和成形模具，对板料进行整体或局部的冲压成形，实现产品的复杂形状。表面处理：包括清洗、除锈、涂装等工序，使产品表面达到要求的光洁度和防腐性。8．通过对粉末冶金制品制造工艺过程的了解，你认为粉末冶金制品主要存在哪些缺陷？答：粉末冶金制品是一种常见的制造工艺，它利用金属粉末通过成型和烧结等步骤来制造零件和产品。尽管粉末冶金具有许多优点，如材料利用率高、形状复杂度高、成本较低等，但也存在一些缺陷和局限性，包括以下几个方面：孔隙率高：粉末冶金制品在烧结过程中由于粉末颗粒之间存在空隙，容易形成孔隙。这些孔隙会对制品的密度和力学性能产生不利影响，降低了材料的强度和韧性。尺寸变化不稳定：由于烧结过程中的材料收缩和不均匀烧结等因素，粉末冶金制品的尺寸变化比较难以控制。这可能导致产品尺寸不稳定或与设计要求偏离。表面处理困难：粉末冶金制品的表面粗糙度较高，常需要进行进一步的加工和处理才能满足产品的要求。这增加了制造成本和加工工序。难以应用于高温和高强度环境：由于粉末冶金制品的孔隙率较高，它们通常在高温和高强度环境下的抗氧化性能和机械性能相对较差。限制于材料选择：粉末冶金制品的材料选择受到限制。某些高熔点和难以粉末化的材料较难用于粉末冶金制造，限制了材料的多样性。9．高分子材料主要的成形技术有哪些？答：高分子材料的成形技术主要包括以下几种：注塑成形：注塑成形是最常见和广泛应用的高分子材料成形技术。它通过将高分子熔融物注入模具中，并在冷却固化后取出成形零件。注塑成形适用于制造各种复杂形状的产品，如塑料容器、零件、玩具等。挤出成形：挤出成形是通过将高分子熔融物通过挤压机加热和压力挤出模具中的孔口，形成连续的截面形状。这种技术常用于生产管道、薄膜、线缆和型材等产品。吹塑成形：吹塑成形是将高分子熔融物挤出成一种中空管状的粘度较高的热塑性塑料制品（吹塑件），然后通过在其中注入空气，使其膨胀并贴合在模具表面上，最后通过冷却固化成形。常见的吹塑产品包括塑料瓶、容器和空气球等。压延成形：压延成形是将高分子熔融物通过压力和温度作用下，通过两个或多个滚筒之间的压力进行挤压和拉伸成薄膜或薄片。常见的应用包括塑料薄膜、包装材料、塑料板材等。注塑吹塑复合成形：注塑吹塑复合成形技术将注塑成形和吹塑成形相结合，可以制造具有复杂形状和空腔结构的产品，如玩具、家居用品、汽车零部件等。10．常用的刀具材料有哪些？各用在哪些场合？答：常用的刀具材料包括以下几种：（1）碳素工具钢用于制造低速、手动刀具，如锉刀、手用锯条等。（2）合金工具钢用于制造低速、手动刀具，如手用丝锥、手用铰刀、圆板牙、搓丝板及硬质合金钻头的刀体等。（3）高速工具钢（简称高速钢）用于制造各种结构复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻头、铰刀、拉刀、齿轮刀具、螺纹刀具等。（4）硬质合金用于切削速度很高、难加工材料的场合，制造形状较简单的刀具，如车刀、刨刀、镶齿铣刀、镶齿滚刀等。11．外圆和平面一般用什么方法进行加工？答：外圆和平面的加工可以使用以下几种常见的方法：车削（Turning）：车削是最常用的加工方法之一，适用于加工外圆和平面。通过旋转工件，并利用车床上的刀具对工件进行切削，实现对外圆和平面的加工。车削广泛应用于各种工件的加工，从小型零件到大型轴类等。铣削（Milling）：铣削适用于平面的加工，通过铣床上的转动刀具进行切削。对于大型平面，可以使用面铣刀具进行平面铣削。铣削可以实现平面的加工和轮廓形状的加工。磨削（Grinding）：磨削是一种精密加工方法，适用于外圆和平面的加工。通过磨床上的砂轮对工件进行磨削，可以实现高精度和良好表面质量的加工。磨削常用于对工件的精密加工和修整。镗削（Boring）：镗削适用于大孔和内圆的加工，但也可以用于加工外圆。通过镗床上的刀具进行切削，实现对孔和内圆的加工。在特定情况下，镗削也可以用于加工某些外圆的形状。钻削（Drilling）：钻削适用于加工孔洞，通过钻床上的钻头对工件进行切削。钻削可以用于加工小直径的孔洞，也可以用于预备孔进行后续加工。12．钻削和镗削加工孔有何区别？答：钻削和镗削都是用于加工孔洞的方法，但它们在工作原理和应用方面有一些区别。钻削（Drilling）是通过旋转的钻头在工件上施加轴向力，以切削工件并形成孔洞。钻削通常适用于加工直径较小的孔洞，常见的钻头有立铣刀、中心钻、钻孔钻头等。钻削是一种快速且相对简单的孔加工方法，适用于一次加工到位的情况，通常用于加工圆柱形孔洞。镗削（Boring）则是通过旋转的刀具在工件上施加径向力，同时进行切削和径向移动，形成精确的孔洞。镗削通常适用于加工直径较大或特殊形状的孔洞，常见的刀具有镗刀、精密镗头等。镗削可以实现较高的加工精度和表面质量，适用于加工精密孔洞和调整孔洞尺寸的情况。下面是钻削和镗削加工孔的一些区别：加工范围：钻削适用于小到中等直径的孔洞，而镗削适用于大直径或特殊形状的孔洞。加工精度：镗削通常能够提供更高的加工精度和表面质量，而钻削的精度和表面质量相对较低。切削方式：钻削是沿轴向方向切削工件，而镗削是沿径向方向切削工件。切削稳定性：由于刀具结构和切削力的不同，镗削比钻削更稳定，能够在较高的切削条件下获得更好的切削效果。调整能力：镗削可以通过调整刀具直径和径向移动来实现孔洞尺寸的调整，而钻削一般无法调整孔洞尺寸。13．数控加工有哪些特点？答：数控加工的特点工序集中数控机床一般带有可以自动换刀的刀架、刀库，换刀过程由程序控制自动进行，因此，工序比较集中。工序集中带来巨大的经济效益：（1）减少机床占地面积，节约厂房。（2）减少或没有中间环节（如半成品的中间检测、暂存搬运等），既省时间又省人力。自动化数控机床加工时，不需人工控制刀具，自动化程度高。带来的好处很明显。（1）对操作工人的要求降低：一个普通机床的高级工，不是短时间内可以培养的，而一个不需编程的数控工培养时间极短（如数控车工需要一周即可，还会编写简单的加工程序）。并且，数控工在数控机床上加工出的零件比普通工在传统机床上加工的零件精度要高，时间要省。（2）降低了工人的劳动强度：数控工人在加工过程中，大部分时间被排斥在加工过程之外，非常省力。（3）产品质量稳定：数控机床的加工自动化，免除了普通机床上工人的疲劳、粗心、估计等人为误差，提高了产品的一致性。（4）加工效率高：数控机床的自动换刀等使加工过程紧凑，提高了劳动生产率。柔性化高传统的通用机床，虽然柔性好，但效率低下；而传统的专机，虽然效率很高，但对零件的适应性很差，刚性大，柔性差，很难适应市场经济下的激烈竞争带来的产品频繁改型。只要改变程序，就可以在数控机床上加工新的零件，且又能自动化操作，柔性好，效率高，因此数控机床能很好适应市场竞争。能力强机床能精确加工各种轮廓，而有些轮廓在普通机床上无法加工。数控机床特别适合以下场合：（1）不许报废的零件。（2）新产品研制。（3）急需件的加工。第5章复习思考题及参考答案什么是机电一体化？机电一体化的主要内容是什么？机电一体化是指在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。机电一体化包含了技术和产品两方面的内容，首先是指机电一体化技术，其次是指机电一体化产品。机电一体化技术是指包括技术基础、技术原理在内的使机电一体化产品得以实现、使用和发展的技术。机电一体化产品是指随着机械系统和微电子系统的有机结合，被赋予新的功能和性能的新产品。简述机电一体化系统技术体系中的关键技术。机电一体化技术是多种学科交叉融合而产生的综合性技术，所涉及的技术领域非常广泛，其技术体系主要包括机械技术、检测传感技术、伺服驱动技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术和系统总体技术等。简述机电一体化系统的组成要素和组成原则。机电一体化系统包括以下五大基本要素：机械本体、检测传感部分、电子控制单元（计算机）、执行机构和动力与驱动部分，各要素之间通过接口相互联系，实现运动传递、信息控制、能量转换，从而形成一个有机融合的完整系统。机电一体化对我国机械工业的发展有何意义？由于机电一体化技术对现代工业和技术的发展具有巨大的推动力，因此世界各国均将其作为工业技术发展的重要战略之一。从20世纪70年代起，在发达国家兴起了机电一体化热，而在20世纪90年代，中国也把机电一体化技术列为重点发展的十大高新技术产业之一。什么是数控技术、机器人技术？简要介绍各自的定义及特点。数字控制（NumericalControl，NC）技术是指采用数字化信息进行控制的技术。用数字化信息对机床的运动及其加工过程进行控制的机床，称作数控机床，它是数字控制技术与机床相结合的产物。数控机床是典型的机电一体化产品，是集现代机械制造技术、自动控制技术、检测技术、计算机信息技术于一体的高效率、高精度、高柔性和高自动化的现代机械加工设备。数控机床的特点：（1）柔性自动化，具有广泛的适应性；（2）加工精度高，质量稳定；（3）生产效率高；4）能实现复杂零件的加工；（5）减轻劳动强度，改善劳动条件；（6）有利于现代化生产与管理。工业机器人（IndustrialRobot）是一种能模拟人的手、臂的部分动作，按照预定的程序、轨迹及其他要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置，它综合了精密机械技术、微电子技术、检测传感技术、自动控制技术等领域的最新成果。工业机器人的特点：相比于传统的工业设备，工业机器人有众多的优势和显著的特点，比如机器人具有可编程、拟人化、通用性、交叉性等特点。实现加工设备自动化的意义是什么？自动化加工设备主要有哪几类？机械制造自动化的意义（1）提高生产率；（2）缩短生产周期；（3）提高产品质量；（4）提济效益（5）降低劳动强度；（6）有利于产品更新；（7）提高劳动者的素质；（8）带动相关技术的发展；（9）体现国家的科技水平。实现加工设备自动化的方法主要有以下几种：①通过对半自动加工设备配置自动上下料装置，以实现加工设备的完全自动化；②将通用加工设备运用电气控制技术、数控技术等进行自动化改装；③根据加工工件的特点和工艺要求设计制造专用的自动化加工设备，如组合机床、其他专用自动化机床等；④采用数控加工设备，包括数控机床、加工中心等。7．加工中心和数控机床的主要区别是什么？加工中心是从数控铣床发展而来的。与数控铣床的最大区别在于加工中心具有自动交换加工刀具的能力，通过在刀库上安装不同用途的刀具，可在一次装夹中通过自动换刀装置改变主轴上的加工刀具，实现多种加工功能。什么是机械化和自动化？当制造过程中原来由人力所承担的劳动由机械及其驱动的能源（如各种机械能、水力、电力、热能等）所代替的过程，称为机械化。在机器代替人完成基本劳动的同时，人对机器的操纵看管、对工件的装卸和检验等辅助劳动也由机器代替，并由自动控制系统或计算机代替人的部分脑力劳动的过程，称为自动化。柔性制造系统的基本组成部分有哪些？各部分具有什么作用?柔性制造系统:FMS主要由两台以上数控加工系统、一套能自动装卸的运储系统和一套计算机控制系统等三部分组成。加工系统用于将原材料转变为最后产品;运储系统的作用是完成工件、原材料、刀具及其它辅助设备和材料的运储;运行控制系统是FMS的大脑,负责控制整个系统协调、优化、高效地运作。10．机械制造自动化的主要内容有哪些？机械制造自动化的作用是什么？机械制造过程中的自动化技术主要内容有：1）机械加工自动化技术：包括上下料、装夹、换刀、加工、零件校验等环节的自动化技术；2）物料储运自动化技术：包括工件、刀具和其他物料的储运自动化技术；3）装配自动化技术：包括零部件供应和装配过程等自动化技术；4）质量控制自动化技术：包括零件检测、产品检测和刀具检测等自动化技术。机械制造中采用的自动化技术可以有效改善劳动条件，降低工人的劳动强度，显著提高劳动生产率，大幅度提高产品的质量，有效缩短生产周期，并能显著降低制造成本。11．机械制造自动化系统由哪几部分组成？机械制造自动化系统的构成：加工系统、物料储运系统、刀具准备与储运系统、控制与管理系统。12．机械制造自动化的类型有哪些，各类型有什么特点？1．刚性半自动化单机：刚性半自动化单机实现的是加工自动化的最低层次，但是投资少、见效快，适用于产品品种变化范围和生产批量都较大的制造系统。缺点是调整工作量大加工质量较差，工人的劳动强度也大。2．刚性自动化单机：特点是投资少、见效快，但通用性差，是大量生产最常见的加工装备。3．刚性自动化生产线：特点是自动化程度高，有效缩短生产周期、取消半成品的中间库存、缩短物料流程、减少生产面积、改善劳动条件、便于管理等优点。缺点是投资大、系统调整周期长、更换产品不方便。4．刚性综合自动化系统。特点是结构复杂，投资强度大，建线周期长，更换产品困难，但生产效率极高，加工质量稳定，工人劳动强度低。5．一般数控机床一般数控机床（NC）用来完成零件一个工序的自动化循环加工。是用代码化的数字量来控制机床，按照事先编好的程序，自动控制机床各部分的运动，而且还能控制选刀、换刀、测量、润滑、冷却等工作。6．加工中心：特点是具有工序集中、可以有效缩短调整时间和搬运时间，减少在制品库存，加工质量高等优点。7．柔性制造单元：柔性制造单元的主要优点是：占地面积较小，系统结构不很复杂，成本较低，投资较小，可靠性较高，使用及维护均较简单。8．柔性制造系统;主要优点是：①可以减少机床操作人员。②由于配有质量检测和反馈控制装置，零件的加工质量很高。③工序集中，可以有效减少生产面积。④与立体仓库相配合，可以实现24h连续工作。⑤由于集中作业，可以减少加工时间。⑥易于和管理信息系统（MIS）、工艺信息系统（TIS）及质量信息系统（QIS）结合形成更高级的制造自动化系统。主要缺点是：①系统投资大，投资回收期长。②系统结构复杂，对操作人员的要求很高。③结构复杂使得系统的可靠性较差。一般情况下，柔性制造系统适用于品种变化不大，批量在200~2500件的中等批量生产。9．计算机集成制造系统：主要特点是系统十分庞大，包括的内容很多，要在一个企业完全实现难度很大。但可以采取部分集成的方式，逐步实现整个企业的信息及功能集成。13．试述机械制造自动化的主要发展趋势。随着科学技术的飞速发展和社会的不断进步，先进的生产模式对进行制造自动化技术提出了多种不同的要求，这些要求同时也决定了机械制造自动化技术的发展趋势。目前机械制造自动化技术正在向敏捷化、网络化、虚拟化、智能化、全球化、绿色化的方向发展。第六章课后思考题及参考答案1．什么是智能制造？定义：完全集成和协作的制造系统，能够实时响应工厂、供应链网络、客户不断变化的需求和条件。2．智能制造的核心技术是什么？核心技术：依据装备制造行业的制造特点与要求，装备制造行业的核心制造技术基本上可以划分为三类，即信息物理系统技术、数字线索科学技术、人工智能增强技术。3．智能制造的系统架构是什么？智能制造（IntelligentManufacturing）通过综合和智能地利用信息空间、物理空间的过程和资源，贯穿于设计、生产、物流、销售、服务等活动的各个环节，具有自感知、自决策、自执行、自学习、自优化等功能，创造交付产品和服务的新型制造。1.生命周期是指由设计、生产、物流、销售、服务等一系列相互联系的价值创造活动组成的链式集合。2.系统层级维度自下而上共5层，分别为设备层级、控制层级、车间层级、企业层级和协同层级。3.智能功能维度自上而下包括资源要素、系统集成、互联互通、信息融合、新兴业态。4．智能制造的特征是什么？智能制造的发展趋势是什么？特征：（1）全面互联（2）数据驱动（3）物理信息空间融合（4）智能自主（5）开放共享发展趋势：智能化是未来发展的趋势，人工智能技术的发展将会攻克许多难关，克服关键领域的瓶颈，最终形成完整的、体系化的智能生产装备行业。在未来，集信息技术、电子技术、物理技术等于一体的智能制造装备产业将会迅速发展，并引导传统制造业朝节能和高效的方向发展，提高劳动生产率和经济收益。5．我国智能制造的现状和基本构架是什么？我国制造业在经历机械化、自动化、数字化等发展阶段后，已经建立起较为完整的制造业体系，在全球制造产业链中占据重要地位。但我国智能制造的数字化基础较为薄弱，制造业整体上还处于机械自动化向数字自动化过渡阶段，与工业发达国家相比，我国的制造业在关键技术、工艺装备、标准体系等方面还存在较大差距。如果以德国工业4.0作为参考，我国总体上还处于2.0时代，部分企业向3.0时代迈进。《2021—2025年中国工业自动化行业全景调研与发展战略咨询报告》显示，未来5年，我国将进入工业3.0与工业4.0的混合发展时代。6．智能制造的基本范式是什么？根据智能制造数字化网络化智能化的基本技术特征，智能制造可总结归纳为三种基本范式，即：数字化制造——第一代智能制造、数字化网络化制造——“互联网+”制造或第二代智能制造、数字化网络化智能化制造——新一代智能制造。7．什么是机器人？机器人如何分类？工业机器人的系统组成如何？工业机器人的特点是什么？定义：现在国际社会主流方面对机器人的定义主要有以下几种。（1）国际标准化组织（ISO）：可编程的装置，具备移动能力，可完成各类作业指令。（2）日本工业机器人协会（JIRA）：机器人是一种可以替代人类劳动的通用机器，它装备有末端执行装置及记忆装置，可以自动完成移动及转动等动作。（3）美国国家标准与技术研究院（NationalInstituteofStandardsandTechnology）：可编程并且自动完成一些动作和行进功能的机械装置。（4）牛津简明英文词典（ConciseOxfordEnglishDictionary）：类似于人的装置，它服从于人类，可以拥有一些智力但不会具有人格。（5）美国机器人工业协会（RIA）：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置，通过可编程序动作来执行各种任务并具有编程能力的多功能机械手。（6）我国科学家对机器人的定义：机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具有一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。分类：按从低级到高级的发展程度，工业机器人可分为以下几类。（1）第一代机器人指只有操作器（手）的机器人，以可编程序或示教再现方式工作，不具有对外界信息的反馈能力。（2）第二代机器人指装备各种传感器（如力觉、触觉、视觉等）的机器人，在一定程度上能感知客观环境的变化及动作的结果，即具有对外部信息的反馈能力，能适应客观环境的变化。（3）第三代机器人指智能机器人。智能机器人装有丰富的传感器，并将人工智能技术与机器人相结合，使机器人不仅能够感知环境，而且能够建立并适时修正环境模型，然后根据确定的任务，以实时模型为基础进行问题求解，做出决策及制订规划，并且具有一定的学习功能，它具有高度的自适应性及自治功能。（4）第四代机器人指情感型机器人，它具有人类式的情感，是机器人发展的最高层次。从传统实践来看，工业机器人的分类主要依据关键技术的发展和承载力的高低。从关键技术特点方面来划分，通常将工业机器人划分为3类机器人：示教再现工业机器人、离线编程机器人和智能机器