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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
 

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
 

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。

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