3小时读通基础机械设计 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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　　机械设计＝科学的思考＋组合元件的技术！

　　如何利用物理原理，
　　结合电子、材料的知识，
　　设计出会动的机械？

　　工程师必备能力！
　　从机构、结构、材料、元件，到回路的设计！

　　融合力学、材料力学、数位电路，介绍各种机械零件与设计要点，最全面的机械设计入门书！
　　解决机械制造的疑难杂症！

名人推荐

　　国立台湾大学机械系副教授　刘霆　审订
 

精通工业控制：现代自动化系统的原理与实践 简介： 本书旨在为读者提供一个全面、深入且实用的视角，以理解和掌握现代工业自动化系统的核心原理、关键技术与实际应用。我们聚焦于当前制造业、流程工业以及智能制造领域中不可或缺的控制系统构建、编程、部署与维护，避开机械设计的基础理论，转而深入探讨电子、信息技术与控制工程的交叉领域。 第一部分：工业控制系统的基石——PLC与SCADA 本部分将系统性地剖析工业自动化的“大脑”——可编程逻辑控制器（PLC）和“神经中枢”——数据采集与监视控制系统（SCADA）。 第一章：PLC的硬件架构与选型原则 本章详细阐述现代PLC的内部结构，包括中央处理器（CPU）的性能指标、内存管理机制（程序存储器、数据存储器、EEPROM/Flash的应用）、输入/输出（I/O）模块的分类与选型。我们将深入比较离散量I/O（数字量）与模拟量I/O（如4-20mA、0-10V信号的采集与处理）的硬件接口要求、抗干扰措施以及接地规范。选型时，我们将重点分析基于项目规模、响应速度、环境适应性（如防护等级IP等级、工作温度范围）和通信需求的决策流程，而非侧重于机械设备的驱动要求。 第二章：指令集与编程范式详解 深入讲解主流工业控制编程语言，包括梯形图（Ladder Diagram, LD）、指令表（Instruction List, IL）、结构化文本（Structured Text, ST）以及功能块图（Function Block Diagram, FBD）。着重分析不同指令集在实现复杂逻辑、数据处理和算法运算中的优劣。重点内容包括： 定时器与计数器的高级应用： 探讨TON, TOF, TP等IEC 61131-3标准定时器的精确延时控制与串联应用。 数据结构与数组操作： 如何高效地在PLC内部定义和操作复杂数据结构（UDT）以及多维数组，以管理大量传感器和执行器的状态。 中断处理与快速响应： 讲解外部中断和内部周期中断的配置，实现对高速事件（如编码器脉冲、安全联锁）的实时捕捉与处理，这对于流程控制的稳定性至关重要。 第三章：SCADA系统架构与 HMI 界面设计 SCADA系统作为上位监控平台，其设计理念与操作体验直接决定了工厂的运维效率。本章探讨经典三层或四层SCADA架构（现场层、控制层、监督层、信息层）。 通信协议的深度解析： 详细介绍工业以太网协议（如EtherNet/IP, PROFINET, Modbus TCP/IP）的工作机制、帧结构、报文交换流程以及网络安全基础配置。 HMI/操作员界面的设计规范： 遵循人机工程学（Ergonomics）和ISA 101（高能效操作界面标准）的原则，设计直观、高效、无信息过载的监控界面。重点讨论趋势图（Trending）的有效展示、报警管理系统的分级与追溯机制。 第二部分：先进控制理论与运动控制 本部分将超越简单的开环/闭环逻辑，进入到对连续过程进行精确调节和对复杂机械运动进行轨迹规划的领域。 第四章：经典PID控制算法的优化与整定 PID控制器是流程工业的基石。本章不满足于基础的P、I、D参数设置，而是深入探讨： 串级控制（Cascade Control）： 针对具有内、外回路的复杂过程（如温度与流量的耦合控制）的结构设计与参数整定。 前馈控制（Feedforward Control）： 如何利用过程的干扰变量信息，提前补偿控制器的作用，以提高响应速度并抑制扰动。 自整定（Auto-tuning）方法： 介绍基于波特图分析和最小二乘法的在线/离线PID参数自整定技术，以及如何应对过程的非线性特征。 第五章：运动控制与伺服系统集成 现代自动化生产线高度依赖于高精度、高动态响应的运动控制系统。 伺服驱动器的原理与调试： 阐述伺服系统中的电流环、速度环、位置环的嵌套控制结构。重点讲解如何通过示波器和专业软件对速度环进行带宽和相位裕度调整，确保系统稳定性和快速定位。 多轴插补与轨迹规划： 介绍直线插补、圆弧插补（G01, G02/G03指令的底层实现原理）。对于机器人和CNC系统，深入分析样条曲线（Spline）和多项式插补在平滑轨迹过渡中的应用，避免机械冲击。 第三部分：网络化、诊断与维护 随着工业4.0的推进，控制系统的互联互通性、数据安全性和可维护性成为新的挑战。 第六章：工业现场总线与物联网通信 本章对比分析各种主流现场总线（如DeviceNet, CANopen, Foundation Fieldbus）的介质、拓扑结构和实时性差异。重点讲解工业物联网（IIoT）的通信栈，特别是MQTT协议在边缘设备与云平台间数据传输中的应用，以及数据安全（加密与认证）的初步实施。 第七章：故障诊断与预测性维护（PdM） 控制系统的稳定运行依赖于及时的故障诊断。本章聚焦于系统级的健康监测。 报警管理与事件记录： 建立符合事件驱动特性的报警优先级体系，并利用历史趋势分析（Historical Trending）结合时间戳信息，快速定位故障发生的先后顺序。 基于模型的故障检测： 介绍如何利用过程数学模型（如能耗模型、状态模型）建立残差信号，通过残差的异常波动来预警传感器漂移或执行器性能下降，实现从被动维修到主动预防的转变。 本书的读者对象包括自动化工程师、设备维护技术人员、希望深入了解现代工厂控制逻辑的机械或电气专业学生，以及对智能制造技术感兴趣的行业从业者。全书侧重于“如何让设备动起来、如何让数据准确传输、如何让控制更稳定”，是一本面向实际工程应用的控制系统实战指南。

作者简介

门田和雄

　　1968年生，完成东京学艺大学大学院教育学研究科修士课程(专攻技术教育)以及东京工业大学大学院综合理工程研究科博士课程(专攻机械微观工程)。拥有工程博士学位。现任教于东京工业大学附属科学技术高等学校机械系统领域。以机械技术教育的实践与研究作为活动基础，致力于有关机械或机器人等各式各样的教育研究活动。还有许多其他着作，如『从基础开始学的机械工程』、『螺丝支撑生活的秘密』(科学眼新书)等。

审订者简介

刘霆

　　现职：国立台湾大学机械工程学系副教授/副主任

　　学历：国立台湾大学机械系学士、美国罗格斯(Rutgers)大学机械系硕士、博士

　　经历：美国通用汽车公司研究实验室资深工程师、工研院机械所顾问、中华民国机构与机器原理学会理事长、中华民国自动机工程学会常务理事

　　授课科目：机动学、机构设计、机器动力学、车辆工程学、创造工学

　　研究方面：机构与机器设计、动力与传动系统、车辆研发

译者简介

陈怡静

　　中兴大学化学系毕，曾任职于电路板、面板产业及专利事务所，除了对科技新知有无比的好奇心，也对日本文化有浓厚的兴趣，所以一头栽进日语学习这条路而无法自拔，现为自由译者。

序..............................................................4

第1章 设计开始...9
1 关于设计...10
设计是以科学方式思考，以技术方式组合而成的...10
数位制作的浪潮正蜂拥而至...11
新生指导...14
2 机构设计...15
3 结构设计...16
4 材料设计...17
5 元件设计...18
机械元件...18
电子零件...19
6 回路设计...20
专栏1 机械设计是科学吗?...22

第2章 机构设计...23
1 机械运动...24
机械元件...24
运动的传达...28
运动的变换...29
2 机构设计...31
将旋转运动变换为往复运动的机构...31
设计课题1...31
往复滑块曲柄机构的设计与制作...37
将旋转运动变换为摇摆运动的机构...41
设计课题2...41
曲柄摇桿机构的设计与制作...47
3 各式各样的机构...50
快回机构...50
苏格兰轭机构...50
日内瓦机构...51
司罗两氏机构(Scott-Russell) ...51
泰奥杨森机构...52

第3章 结构设计...55
1 作用于材料的力...56
拉伸力...56
压缩力...59
剪断力...61
弯曲力...62
2 结构设计...64
材料应力-应变曲线图...64
设计课题3...66
作用于樑的弯曲扭矩...69
截面系数与弯曲应力...71
探讨改变秤方向时所施加的力...72
研讨问题...74
关于应力集中...76
破坏力学...78
3结构的方法...80
作成三角形的结构...80
使应力不集中...82
椅子的设计...83

第4章 材料设计...85
1 材料性质...86
机械性质...86
电磁性质...96
2 金属材料...98
钢铁材料...98
铝材料...107
铜材料...111
钛材料...114
3 塑胶材料...115
关于塑胶材料...115
塑胶材料的种类...115
复合材料...117
4 陶瓷材料...119
关于陶瓷材料...119
陶瓷材料的种类...119
专栏2 结构设计与材料设计...122

第5章 元件设计...123
1 机械元件...124
螺丝...124
齿轮...132
计算问题...140
皮带与链条...141
轴承...144
联轴器...149
弹簧...152
空气压缩机...155
2 电/电子零件...159
电阻...159
电容...161
线圈...162
二极体...163
电晶体...165
开关...167
感应器...170
马达...172
螺线管(Solenoid) ...176

第6章 回路设计...177
1 电的基本定律...178
欧姆定律...178
基尔霍夫定律...180
2 逻辑回路...182
逻辑回路的基础... 182
逻辑运算...186
数位IC...188
半加法器...191
全加法器...192
3 序列控制...194
关于序列控制...194
序列图与阶梯图...196
研讨...202
4 反馈控制...204
关于反馈控制...204
控制系统的回应...206
PID控制...210

后记...215
索引...218
 

序

　　现在，世界正面临着巨变，物品制造将在未来产生巨大转变。截至目前为止，一般人所使用的物品，多是工厂大量生产的制品。然而，近年来「自造者与创客（Maker）」不断增加，他们不属于大企业，而是以个人为单位来制造物品。由个人或少数人创建的公司，不必使用成本很高的模具，即可借由3D列印等方式，建立只接数百张或数千张订单的一人工厂。即使只由一个人设计，也有办法找到能够实现这个创意的伙伴，并大量生产。

　　以前就有自己制作物品的人， 以 “Do it yourself ” 为口号；但这几年流行的想法是 “Do it with others”，意指不是自己独力做出物品，而是与同伴一起，共享制作技术。

　　近年来，国际上出现一个称作「Fablab」的全民工坊，在网路上蔓延开来。那里提供多样化的工作机械，包含数位与类比的机械，让人们能够制造各式各样的物品。这种数位制造实验室所推行的不只是物品制造，聚集于此的人也不只是消费者，而是想自行生产物品的生活玩家。这里形成了人们可以自行制造物品，在使用的过程中不断改良，甚至自己修复物品的文化。

　　由 Fablab 的使用人数增加情形来看，物品制造与设计的过程可能会产生本质上的革新。

　　还没有独力完成过物品制造的人，若想从头开始学习物品制造，将会遇到许多困难。应该有不少人烦恼着：「在哪里学物品制造比较好？」

　　二○○八年我委託日本出版社出版《从基础学机械工程》，很感谢它能再版。而本书乃延续前本着作，汇集了物品制造的基础知识，希望对物品制造领域做出实际的贡献。本书本着 “Do it with others” 的精神，希望能提供想从事物品制造的人协助，也希望各位读者能充分运用本书。

　　本书是以虚构的大学「物品制造工科大学」（Monozukuri Institute of Technology）为背景，故事的主角为大学二年级的机械男和电子女，如同他们的名字，他们一个主修机械，一个主修电子。但他们都有辅修，机械男的辅修为电子，电子女的辅修为机械。本书故意安排这样交错的学习背景，让这两位学生不只是努力去掌握相关知识与技术，也想要与对方一起学习。
 

机械设计等于科学的思考加组合元件的技术

机械就是「可以接收能量，且做出预设动作、完成某些任务的机器」。此外，以机械工程为基础的机械设计，意指「制作一个有形体且会动的物品，并预期它对世界有所帮助」。为了使机械自动化，达到上述目的，我们必须创造电子回路，也需要电脑控制。

然而，人类一开始是为了什么而设计的呢？拉丁文有Homo faber（意指创造者）这样的辞汇，代表人类与其他动物的区别在于人会「制造」。由此可知，人类是知性与制造能力的结合。就算不想得这么高尚，你也可以观察孩子们的活动，你会发现不论是玩沙子或积木，「制造」是人类与生俱来的能力。

大家总有「想做出物品」的想法吧？想创造空前绝后的物品，这样的「制作物品」行为是非常有创意的活动。然而，这与艺术的相异点在于，制作物品不只需要感性。

要设计会动的机械，必须思考「以每秒几公尺[m]前进？」「可以承受几牛顿[N]的力量？」为了达到「以每秒10公分[cm]的速度直线前进」或是「可以承受100[N]的力量」等目标，以具体的数值来表示是必要的。

这些事项并非只有一个人单独执行全部制作过程才须注意，群体协力制作以及向外部厂商下订单，都必须注意。也就是说，机械设计必须「以科学的方式思考，利用技术组合元件」。

数位制作的浪潮来袭

以目前的状况来说，虽然设计可视为纯属个人的活动，但要将设计制成实体，即使可做出最棒的试作品，也不太可能大量生产销往全世界，因为量产需要模具等高价品，必须有巨额的投资。

然而，近年来数位制造的潮流发展迅速，人们只要以数位的方式处理资料，并使用雷射加工机或3D列印机等数位机器，就能进行一部分的加工。当然，并非使用数位机器就能轻易为所有物品加工，但物品制造的门槛的确已经越来越低了。

原本只为自己制作的物品，越来越容易多制作一点，推广至周边的人。我不是指一次要制作一万个，而是指可以制作一定的量，寄送给他人。此外，现在已有越来越多人制造专属于自己、独一无二的物品，设计的多样性也越来越丰富！

无论在什么情况下，机械设计的前期阶段必须抱着「无论如何都想做看看这样的物品」的强烈想法，而且为了实现这个想法，必须多方面思考如何设计。

评分☆☆☆☆☆

身為一個對生活充滿觀察的台灣人，我一直覺得機械設計是構成我們周遭世界的一種「隱形語言」，從家裡的電器到街上的交通工具，每一個物件的運作都充滿著智慧的結晶。但是，對我這種非本科系的讀者來說，機械設計聽起來總是有點遙不可及，好像是屬於工程師的專業領域。這次看到《3小時讀通基礎機械設計》這本書，真的像是在黑暗中看到了一線曙光！「3小時」這個時間點非常精準，它不是要求你花費數個月甚至數年的時間，而是提供一個相對集中的、可行的學習目標。這讓我這種時間有限的上班族，或是想在短時間內獲取新知的朋友，都感到非常振奮。我特別好奇，這本書會以什麼樣的角度切入？它會不會從最基礎的「力」與「運動」開始講起，然後逐步帶入不同的機械元件？我希望它能提供一些非常具體的、生活化的例子，像是為什麼腳踏車的齒輪可以讓你騎得更省力，或者為什麼汽車的懸吊系統能讓行駛更平穩。如果書中能夠搭配清晰的插圖，甚至是一些簡單的動畫示意（如果是在數位版的話），那將會大大提升理解的效率。我希望透過這本書，能夠打破對機械設計的刻板印象，讓它變得有趣、易懂，並且能在日常生活中觀察到更多機械設計的巧妙之處。

评分☆☆☆☆☆

作為一個在台灣生活，對身邊的各種產品都充滿好奇的普通讀者，我一直覺得「機械設計」這個詞聽起來專業又遙遠。但《3小時讀通基礎機械設計》這個書名，卻讓我眼睛一亮，彷彿有個神奇的濾鏡，瞬間將機械設計的距離拉近了許多。「3小時」這個時間點，簡直就是為我這種想要快速入門、又不想花費太多時間的讀者量身打造的。我特別好奇，這本書會不會以一種非常「接地氣」的方式來呈現機械設計的知識？例如，會不會從我們日常生活中最熟悉的物品開始，像是我們每天使用的開瓶器、剪刀，甚至是腳踏車的踏板，來解釋它們背後所蘊含的機械原理？我希望能透過這本書，理解為什麼有些設計可以讓工具使用起來更省力，或者為什麼某些結構能夠承受巨大的重量。我預期書中會包含一些基礎的機械元件介紹，像是齒輪、連桿、彈簧等，並用非常直觀的方式說明它們的功能和用途。最重要的是，我希望這本書能夠使用大量的圖解和生動的比喻，來解釋那些聽起來複雜的物理概念和工程原理，讓我在閱讀過程中不會感到枯燥乏味。我期待能藉由這本書，對機械設計有一個全新的認識，不再覺得它只是工程師的專利，而是能夠發現其中蘊含的智慧和趣味。

评分☆☆☆☆☆

哇，看到這本《3小時讀通基礎機械設計》，我真的超期待！我一直覺得機械設計聽起來很厲害，但又覺得好像很難學，好像需要很多年才能入門。但這個標題實在太吸引人了，"3小時讀通" 聽起來就像是一個魔法，可以瞬間解開機械設計的奧秘。我之前也隨便翻過一些機械設計的書，但看了幾頁就頭昏眼花，很多名詞都看不懂，覺得自己可能真的不是這塊料。可是這本書的標題卻給了我很大的希望，讓我忍不住想，是不是真的可以有個快速入門的方法？我平常工作雖然跟機械沒什麼直接關係，但身邊的很多東西，從腳踏車到家電，再到手機，都離不開機械的原理。如果我能稍微了解一下它是怎麼運作的，也許在日常生活中會更有趣，或者在跟人聊天時也能多點話題。我特別好奇，這本書會不會用很淺顯易懂的方式來解釋那些複雜的公式和圖表？像是齒輪怎麼咬合，軸承怎麼轉動，或者材料為什麼會受力變形等等。我希望它能提供一些實際的例子，讓我能聯想到生活中的事物，這樣學起來應該會更有感。畢竟，理論知識再豐富，如果不能跟實際連結，也很難真正吸收。我希望能藉由這本書，對機械設計有一個初步的認識，讓我在面對一些機械相關的東西時，不再感到完全陌生，甚至能激發出更多的好奇心。

评分☆☆☆☆☆

我是一個對事物充滿好奇心的台灣讀者，對於機械設計一直抱持著一種既敬畏又嚮往的態度。《3小時讀通基礎機械設計》這本書的書名，立刻吸引了我的目光，因為「3小時」這個時間點，給人一種非常親切且可達成的學習預期。我常常覺得，很多專業知識的入門門檻太高，讓人望而卻步，但如果能有一個如此精煉的學習方案，那將會大大降低學習的阻力。我對這本書的內容充滿了想像，不知道它會如何在這短短的三小時內，引導讀者理解機械設計的核心概念。會不會從最基本的物理原理講起，例如牛頓定律在機械中的應用？或者會直接探討一些常見的機械元件，例如如何設計一個能夠承受一定負荷的軸，或者如何選擇合適的軸承來減少摩擦？我特別期待書中能有圖文並茂的呈現方式，用清晰易懂的圖示來解釋複雜的結構和原理，而不是一堆讓人頭昏的公式。如果能再搭配一些生活中的實際案例分析，比如某個常見的工具是如何運用機械原理來提高效率的，那肯定會讓學習過程更加生動有趣。我希望這本書能夠為我開啟一扇了解機械設計的大門，讓我能對周遭的機械世界有更深入的認識，甚至激發我進一步學習的興趣。

评分☆☆☆☆☆

身為一個對事物運作原理充滿好奇的台灣讀者，我對《3小時讀通基礎機械設計》這本書抱持著極大的興趣。過去我曾嘗試過一些工程類的入門讀物，但常常因為內容的艱澀與專業術語的堆砌而感到挫敗。然而，《3小時讀通基礎機械設計》這個標題，恰恰點出了許多讀者渴望快速掌握核心知識的心聲。我猜想，這本書的作者應該是精心設計了一套精煉的學習路徑，能夠在短時間內帶領讀者穿越機械設計的迷霧。想像一下，在一個週末的下午，泡上一杯咖啡，輕鬆翻閱這本書，就能對機械設計的基礎原理豁然開朗，這聽起來是多麼美好的學習體驗！我特別期待書中能涵蓋哪些基礎的核心概念，例如材料力學的基本原理、結構設計的考量、或者是一些常見的機械元件（如螺絲、軸承、齒輪）的設計邏輯。我希望它能以一種非傳統的、更具啟發性的方式呈現，避免枯燥的推導過程，而是透過生動的圖解、實際案例的分析，甚至是小小的思考題，來引導讀者理解。畢竟，機械設計的應用無所不在，從微小的電子產品到龐大的橋樑建築，都離不開精準的機械設計。如果能透過這本書，對這些「看不見」的設計有基本的認識，那將會是一種全新的視野。