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機(jī)械設(shè)計(jì)
機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械工程的重要組成部分，是機(jī)械生產(chǎn)的第一步，是決定機(jī)械性能的最主要的因素。機(jī)械設(shè)計(jì)的努力目標(biāo)是：在各種限定的條件(如材料、加工能力、理論知識(shí)和計(jì)算手段等)下設(shè)計(jì)出最好的機(jī)械，即做出優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)需要綜合地考慮許多要求，一般有：最好工作性能、最低制造成本、最小尺寸和重量、使用中最可靠性、最低消耗和最少環(huán)境污染。這些要求常是互相矛盾的，而且它們之間的相對(duì)重要性因機(jī)械種類和用途的不同而異。設(shè)計(jì)者的任務(wù)是按具體情況權(quán)衡輕重，統(tǒng)籌兼顧，使設(shè)計(jì)的機(jī)械有最優(yōu)的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。過(guò)去，設(shè)計(jì)的優(yōu)化主要依靠設(shè)計(jì)者的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和遠(yuǎn)見。隨著機(jī)械工程基礎(chǔ)理論和價(jià)值工程、系統(tǒng)分析等新學(xué)科的發(fā)展，制造和使用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)資料的積累,以及計(jì)算機(jī)的推廣應(yīng)用,優(yōu)化逐漸舍棄主觀判斷而依靠科學(xué)計(jì)算。
服務(wù)于不同產(chǎn)業(yè)的不同機(jī)械，應(yīng)用不同的工作原理，要求不同的功能和特性。各產(chǎn)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)，特別是整體和整系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)，須依附于各有關(guān)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)而難于形成獨(dú)立的學(xué)科。因此出現(xiàn)了農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)、礦山機(jī)械設(shè)計(jì)、紡織機(jī)械設(shè)計(jì)、汽車設(shè)計(jì)、船舶設(shè)計(jì)、泵設(shè)計(jì)、壓縮機(jī)設(shè)計(jì)、汽輪機(jī)設(shè)計(jì)、內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)、機(jī)床設(shè)計(jì)等專業(yè)性的機(jī)械設(shè)計(jì)分支學(xué)科。但是，這許多專業(yè)設(shè)計(jì)又有許多共性技術(shù)，例如機(jī)構(gòu)分析和綜合、力與能的分析和計(jì)算、工程材料學(xué)、材料強(qiáng)度學(xué)、傳動(dòng)、潤(rùn)滑、密封，以及標(biāo)準(zhǔn)化、可靠性、工藝性、優(yōu)化等。此外，還有研究設(shè)計(jì)工作的內(nèi)在規(guī)律和設(shè)計(jì)的合理步驟和方法的新興的設(shè)計(jì)方法學(xué)。將機(jī)械設(shè)計(jì)的共性技術(shù)與理性化的設(shè)計(jì)方法學(xué)匯集成為一門獨(dú)立的、綜合性的機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)科是機(jī)械工程實(shí)踐和教育工作者正在努力的工作。
機(jī)械設(shè)計(jì)可分為新型設(shè)計(jì)、繼承設(shè)計(jì)和變型設(shè)計(jì)3類。
1、新型設(shè)計(jì)應(yīng)用成熟的科學(xué)技術(shù)或經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明是可行的新技術(shù)，設(shè)計(jì)過(guò)去沒有過(guò)的新型機(jī)械。
2、繼承設(shè)計(jì)根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)發(fā)展對(duì)已有的機(jī)械進(jìn)行設(shè)計(jì)更新，以提高其性能、降低其制造成本或減少其運(yùn)用費(fèi)用。
3、變型設(shè)計(jì)為適應(yīng)新的需要對(duì)已有的機(jī)械作部分的修改或增刪而發(fā)展出不同于標(biāo)準(zhǔn)型的變型產(chǎn)品。
機(jī)械設(shè)計(jì)主要過(guò)程
1根據(jù)用戶訂貨、市場(chǎng)需要和新科研成果制定設(shè)計(jì)任務(wù)。
2、初步設(shè)計(jì)。包括確定機(jī)械的工作原理和基本結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并繪制初步總圖以及初步審查。
3、技術(shù)設(shè)計(jì)。包括修改設(shè)計(jì)（根據(jù)初審意見）、繪制全部零部件和新的總圖以及第二次審查。
4、工作圖設(shè)計(jì)。包括最后的修改（根據(jù)二審意見）、繪制全部工作圖（如零件圖、部件裝配圖和總裝配圖等）、制定全部技術(shù)文件（如零件表、易損件清單、使用說(shuō)明等）。
5、定型設(shè)計(jì)。用于成批或大量生產(chǎn)的機(jī)械。對(duì)于某些設(shè)計(jì)任務(wù)比較簡(jiǎn)單（如簡(jiǎn)單機(jī)械的新型設(shè)計(jì)、一般機(jī)械的繼承設(shè)計(jì)或變型設(shè)計(jì)等）的機(jī)械設(shè)計(jì)可省去初步設(shè)計(jì)程序。
所討論的設(shè)計(jì)過(guò)程僅指狹義的技術(shù)性的設(shè)計(jì)過(guò)程。它是一個(gè)創(chuàng)造性的工作過(guò)程，同時(shí)也是一個(gè)盡可能多地利用已有的成功經(jīng)驗(yàn)的工作。要很好地把繼承與創(chuàng)新結(jié)合起來(lái)，才能設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的機(jī)器。作為一部完整的機(jī)器，它是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。要提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，必須有一個(gè)科學(xué)的設(shè)計(jì)程序。雖然不可能列出一個(gè)在任何情況下都有效的惟一程序，但是，根據(jù)人們?cè)O(shè)計(jì)。
（一）計(jì)劃階段
在根據(jù)生產(chǎn)或生活的需要提出所要設(shè)計(jì)的新機(jī)器后，計(jì)劃階段只是一個(gè)預(yù)備階段。此時(shí)，對(duì)所要設(shè)計(jì)的機(jī)器僅有一個(gè)模糊的概念。
在計(jì)劃階段中，應(yīng)對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)器的需求情況做充分的調(diào)查研究和分析。通過(guò)分析，進(jìn)一步明確機(jī)器所應(yīng)具有的功能，并為以后的決策提出由環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、加工以及時(shí)限等各方面所確定的約束條件。在此基礎(chǔ)上，明確地寫出設(shè)計(jì)任務(wù)的全面要求及細(xì)節(jié)，最后形成設(shè)計(jì)任務(wù)書，作為本階段的總結(jié)。設(shè)計(jì)任務(wù)書大體上應(yīng)包括：機(jī)器的功能，經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性的估計(jì)，制造要求方面的大致估計(jì)，基本使用要求，以及完成設(shè)計(jì)任務(wù)的預(yù)計(jì)期限等。此時(shí)，對(duì)這些要求及條件一般也只能給出一個(gè)合理的范圍，而不是準(zhǔn)確的數(shù)字。例如可以用必須達(dá)到的要求、最低要求、希望達(dá)到的要求等方式予以確定。
（二）方案設(shè)計(jì)階段
本階段對(duì)設(shè)計(jì)的成敗起關(guān)鍵的作用。在這一階段中也充分地表現(xiàn)出設(shè)計(jì)工作有多個(gè)解（方案）的特點(diǎn)。
機(jī)器的功能分析，就是要對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)書提出的機(jī)器功能中必須達(dá)到的要求、最低要求及希望達(dá)到的要求進(jìn)行綜合分析，即這些功能能否實(shí)現(xiàn)，多項(xiàng)功能間有無(wú)矛盾，相互間能否替代等。最后確定出功能參數(shù)，作為進(jìn)一步設(shè)計(jì)的依據(jù)。在這一步驟中，要恰當(dāng)處理需要與可能、理想與現(xiàn)實(shí)、發(fā)展目標(biāo)與當(dāng)前目標(biāo)等之間可能產(chǎn)生的矛盾問題。
確定出功能參數(shù)后，即可提出可能的解決辦法，亦即提出可能采用的方案。尋求方案時(shí)，可按原動(dòng)部分、傳動(dòng)部分及執(zhí)行部分分別進(jìn)行討論。，較為常用的辦法是先從執(zhí)行部分開始討論。
討論機(jī)器的執(zhí)行部分時(shí)，首先是關(guān)于工作原理的選擇問題。例如，設(shè)計(jì)制造螺釘?shù)臋C(jī)器時(shí)，其工作原理既可采用在圓柱形毛坯上用車刀車削螺紋的辦法，也可采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(dāng)然所設(shè)計(jì)出的機(jī)器就會(huì)根本不同。特別應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是，必須不斷地研究和發(fā)展新的工作原理。這是設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的重要途徑。
根據(jù)不同的工作原理，可以擬定多種不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體方案。例如僅以切削螺紋來(lái)說(shuō)，既可以采用工件只作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而刀具作直線運(yùn)動(dòng)來(lái)切削螺紋（如在普通車床上切削螺紋），也可以使工件不動(dòng)而刀具作轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)來(lái)切削螺紋（如用板牙加工螺紋）。這就是說(shuō)，即使對(duì)于同一種工作原理，也可能有幾種不同的結(jié)構(gòu)方案。
原動(dòng)機(jī)部分的方案當(dāng)然也可以有多種選擇。由于電力供應(yīng)的普遍性和電力拖動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在可以說(shuō)絕大多數(shù)的固定機(jī)械都優(yōu)先選擇電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)部分。熱力原動(dòng)機(jī)主要用于運(yùn)輸機(jī)、工程機(jī)械或農(nóng)業(yè)機(jī)械。即使是用電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，也還有交流和直流的選擇，高轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速的選擇等。
傳動(dòng)部分的方案就更為復(fù)雜多樣了。對(duì)于同一傳動(dòng)任務(wù)，可以由多種機(jī)構(gòu)及不同機(jī)構(gòu)的組合來(lái)完成。因此，如果用Ⅳ，表示原動(dòng)機(jī)部分的可能方案數(shù)，N2和N3分別代表傳動(dòng)部分和執(zhí)行部分的可能方案數(shù)，則機(jī)器總體的可能方案數(shù)Ⅳ為Ni×N2×N3個(gè)。
以上僅是就組成機(jī)器的三個(gè)主要部分討論的。有時(shí)，還須考慮到配置輔助系統(tǒng)，對(duì)此，本書不再討論。
在如此眾多的方案中，技術(shù)上可行的僅有幾個(gè)。對(duì)這幾個(gè)可行的方案，要從技術(shù)方面和經(jīng)濟(jì)及環(huán)保等方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)的方法很多，現(xiàn)以經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)為例略做說(shuō)明。根據(jù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，既要考慮到設(shè)計(jì)及制造時(shí)的經(jīng)濟(jì)性，也要費(fèi)用考慮到使用時(shí)的經(jīng)濟(jì)性。如果機(jī)器的結(jié)構(gòu)方案比較復(fù)雜，則其設(shè)計(jì)制造成本就要相對(duì)地增大，可是其功能將更為齊全，生產(chǎn)率也較高，故使用經(jīng)濟(jì)性也較好。反過(guò)來(lái)，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、功能不夠齊全的機(jī)器，設(shè)計(jì)及制造費(fèi)用雖少，但使用費(fèi)用卻會(huì)增多。評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)制造經(jīng)濟(jì)性時(shí)，還可以用單位功效的成本來(lái)表示。例如單位輸出功率的成本、單件產(chǎn)品的成本等。
進(jìn)行機(jī)器評(píng)價(jià)時(shí)，還必須對(duì)機(jī)器的可靠性進(jìn)行分析，把可靠性作為一項(xiàng)評(píng)價(jià)的指標(biāo)。從可靠性的觀點(diǎn)來(lái)看，盲目地追求復(fù)雜的結(jié)構(gòu)往往是不明智的。一般地講，系統(tǒng)越復(fù)雜，則系統(tǒng)的可靠性就越低。為了提高復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性，就必須增加并聯(lián)備用系統(tǒng)，而這不可避免地會(huì)提高機(jī)器的成本。
環(huán)境保護(hù)也是設(shè)計(jì)中必須認(rèn)真考慮的重要方面。對(duì)環(huán)境造成不良影響的技術(shù)方案，必須詳細(xì)地進(jìn)行分析，并提出技術(shù)上成熟的解決辦法。
通過(guò)方案評(píng)價(jià)，最后進(jìn)行決策，確定一個(gè)據(jù)以進(jìn)行下步技術(shù)設(shè)計(jì)的原理圖或機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。
在方案設(shè)計(jì)階段，要正確地處理好借鑒與創(chuàng)新的關(guān)系。同類機(jī)器成功的先例應(yīng)當(dāng)借鑒，原先薄弱的環(huán)節(jié)及不符合現(xiàn)有任務(wù)要求的部分應(yīng)當(dāng)加以改進(jìn)或者根本改變。既要積極創(chuàng)新，反對(duì)保守和照搬原有設(shè)計(jì)，也要反對(duì)一味求新而把合理的原有經(jīng)驗(yàn)棄置不用這兩種錯(cuò)誤傾向。
（三）技術(shù)設(shè)計(jì)階段
技術(shù)設(shè)計(jì)階段的目標(biāo)是產(chǎn)生總裝配草圖及部件裝配草圖。通過(guò)草圖設(shè)計(jì)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。最后繪制零件的工作圖、部件裝配圖和總裝圖。
為了確定主要零件的基本尺寸，必須做以下工作：
1)機(jī)器的運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)。根據(jù)確定的結(jié)構(gòu)方案，確定原動(dòng)件的參數(shù)（功率、轉(zhuǎn)速、線速度等）。然后做運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，從而確定各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)（轉(zhuǎn)速、速度、加速度等）。
2)機(jī)器的動(dòng)力學(xué)計(jì)算。結(jié)合各部分的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)，計(jì)算各主要零件所受載荷的大小及特性。此時(shí)求出的載荷，由于零件尚未設(shè)計(jì)出來(lái)，因而只是作用于零件上的公稱（或名義）載荷。
3)零件的工作能力設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)所依據(jù)的工作能力準(zhǔn)則，須參照零、部件的一般失效情況、工作特性、環(huán)境條件等合理地?cái)M定，一般有強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)穩(wěn)定性、壽命等準(zhǔn)則。通過(guò)計(jì)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(shè)計(jì)。根據(jù)已定出的主要零、部件的基本尺寸，設(shè)計(jì)出部件裝配草圖及總裝配草圖。草圖上需對(duì)所有零件的外形及尺寸進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。在此步驟中，需要很好地協(xié)調(diào)各零件的結(jié)構(gòu)及尺寸，全面地考慮所設(shè)計(jì)的零、部件的結(jié)構(gòu)工藝性，使全部零件有最合理的構(gòu)形。
5)主要零件的校核。有一些零件，在上述第3）步中由于具體的結(jié)構(gòu)未定，難于進(jìn)行詳細(xì)的工作能力計(jì)算，所以只能做初步計(jì)算及設(shè)計(jì)。在繪出部件裝配草圖及總裝配草圖以后，所有零件的結(jié)構(gòu)及尺寸均為已知，相互鄰接的零件之間的關(guān)系也為已知。只有在這時(shí)，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(gè)細(xì)節(jié)因素。只有在此條件下，才有可能并且必須對(duì)一些重要的或者外形及受力情況復(fù)雜的零件進(jìn)行精確的校核計(jì)算。根據(jù)校核的結(jié)果，反復(fù)地修改零件的結(jié)構(gòu)及尺寸，直到滿意為止。
在技術(shù)設(shè)計(jì)的各個(gè)步驟中，近三四十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，越來(lái)越顯示出它可使結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇達(dá)到最佳的能力。一些新的數(shù)值計(jì)算方法，如有限元法等，可使以前難以定量計(jì)算的問題獲得極好的近似定量計(jì)算的結(jié)果。對(duì)于少數(shù)非常重要、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且價(jià)格昂貴的零件，在必要時(shí)還須用模型試驗(yàn)方法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即按初步設(shè)計(jì)的圖紙制造出模型，通過(guò)試驗(yàn)，找出結(jié)構(gòu)上的薄弱部位或多余的截面尺寸，據(jù)此進(jìn)行加強(qiáng)或減小來(lái)修改原設(shè)計(jì)，最后達(dá)到完善的程度。機(jī)械可靠性理論用于技術(shù)設(shè)計(jì)階段，可以按可靠性的觀點(diǎn)對(duì)所設(shè)計(jì)的零、部件結(jié)構(gòu)及其參數(shù)做出是否滿足可靠性要求的評(píng)價(jià)，提出改進(jìn)設(shè)計(jì)的建議，從而進(jìn)一步提高機(jī)器的設(shè)計(jì)質(zhì)量。上述這些新的設(shè)計(jì)方法和概念，應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)中加以應(yīng)用與推廣，使之得到相應(yīng)的發(fā)展。
草圖設(shè)計(jì)完成以后，即可根據(jù)草圖業(yè)已確定的零件基本尺寸，設(shè)計(jì)零件的工作圖。此時(shí)，仍有大量的零件結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)要加以推敲和確定。設(shè)計(jì)工作圖時(shí)，要充分考慮到零件的加工和裝配工藝性、零件在加工過(guò)程中和加工完成后的檢驗(yàn)要求和實(shí)施方法等。有些細(xì)節(jié)安排如果對(duì)零件的工作能力有值得考慮的影響時(shí)，還須返回去重新校核工作能力。最后繪制出除標(biāo)準(zhǔn)件以外的全部零件的工作圖。
按最后定型的零件工作圖上的結(jié)構(gòu)及尺寸，重新繪制部件裝配圖及總裝配圖。通過(guò)這一工作，可以檢查出零件工作圖中可能隱藏的尺寸和結(jié)構(gòu)上的錯(cuò)誤。人們把這一工作通俗地稱為紙上裝配。
（四）技術(shù)文件編制階段
技術(shù)文件的種類較多，常用的有機(jī)器的設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書、使用說(shuō)明書、標(biāo)準(zhǔn)件明細(xì)表等。
編制設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書時(shí)，應(yīng)包括方案選擇及技術(shù)設(shè)計(jì)的全部結(jié)論性的內(nèi)容。
編制供用戶使用的機(jī)器使用說(shuō)明書時(shí)，應(yīng)向用戶介紹機(jī)器的性能參數(shù)范圍、使用操作方法、日常保養(yǎng)及簡(jiǎn)單的維修方法、備用件的目錄等。
其他技術(shù)文件，如檢驗(yàn)合格單、外購(gòu)件明細(xì)表、驗(yàn)收條件等，視需要與否另行編制。
（五）計(jì)算機(jī)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)在機(jī)械設(shè)計(jì)中得到了日益廣泛的使用，并出現(xiàn)了許多高效率的設(shè)計(jì)、分析軟件。利用這些軟件可以在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行多方案的對(duì)比，可以對(duì)不同的包括大型的和很復(fù)雜的方案的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行精確的分析。同時(shí)，還可以在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建虛擬樣機(jī)，利用虛擬樣機(jī)仿真對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，從而實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段充分地評(píng)估設(shè)計(jì)的可行性?？梢哉f(shuō)，計(jì)算機(jī)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的推廣使用已經(jīng)并正在改變機(jī)械設(shè)計(jì)的進(jìn)程，它在提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率方面的優(yōu)勢(shì)是難以預(yù)估的。
以上簡(jiǎn)要地介紹了機(jī)器的設(shè)計(jì)程序。廣義地講，在機(jī)器的制造過(guò)程中，隨時(shí)都有可能出現(xiàn)由于工藝原因而修改設(shè)計(jì)的情況。如需修改時(shí)，則應(yīng)遵循一定的審批程序。機(jī)器出廠后，應(yīng)該有計(jì)劃地進(jìn)行跟蹤調(diào)查；另外，用戶在使用過(guò)程中也會(huì)給制造或設(shè)計(jì)部門反饋出現(xiàn)的問題。設(shè)計(jì)部門根據(jù)這些信息，經(jīng)過(guò)分析，也有可能對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，甚至改型。這些工作，雖然廣義上也屬設(shè)計(jì)程序的組成部分，但是屬于另一個(gè)層次的問題，本書不再討論其具體的內(nèi)容。但是作為設(shè)計(jì)工作者，應(yīng)當(dāng)有強(qiáng)烈的社會(huì)責(zé)任感，要把自己工作的視野延伸到制造、使用乃至報(bào)廢利用的全過(guò)程中去，反復(fù)不斷地改進(jìn)設(shè)計(jì)，才能使機(jī)器的質(zhì)量繼續(xù)不斷地提高，更好地滿足生產(chǎn)及生活的需要。
在設(shè)計(jì)開始之前，先要制定設(shè)計(jì)任務(wù)。當(dāng)設(shè)計(jì)任務(wù)比較復(fù)雜時(shí)，一般采用三階段設(shè)計(jì)，即初步設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和工作圖設(shè)計(jì)；當(dāng)任務(wù)比較簡(jiǎn)單，如簡(jiǎn)單機(jī)械的新型設(shè)計(jì)、一般機(jī)械的繼承設(shè)計(jì)或變型設(shè)計(jì)，則一開始就將設(shè)計(jì)做到技術(shù)設(shè)計(jì)深度，經(jīng)審查、修改和批準(zhǔn)后做工作圖設(shè)計(jì)，而成為兩階段設(shè)計(jì)。在三階段設(shè)計(jì)中的初步設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)的主要步驟是：確定工作原理和基本結(jié)構(gòu)型式，運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)主要零、部件、繪制初步總圖,初步設(shè)計(jì)審查。在技術(shù)設(shè)計(jì)階段,主要步驟是：根據(jù)審查意見修改設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)全部零、部件，繪制新的總圖，技術(shù)設(shè)計(jì)審查。在工作圖設(shè)計(jì)階段，根據(jù)審查意見修改設(shè)計(jì)，繪制全部工作圖和制定全部技術(shù)文件。對(duì)于批量或大量生產(chǎn)的產(chǎn)品，還要進(jìn)行定型設(shè)計(jì)。
在設(shè)計(jì)的每個(gè)步驟中，都可能發(fā)現(xiàn)前面步驟中某些決定不合理，這就需要折回到前面那個(gè)步驟，修改不合理的決定，重做隨后的設(shè)計(jì)工作。
1、制定設(shè)計(jì)任務(wù) 這是設(shè)計(jì)的前期工作。設(shè)計(jì)任務(wù)的根據(jù)是用戶訂貨、市場(chǎng)需要和新的科研成果。設(shè)計(jì)部門應(yīng)用各種技術(shù)和市場(chǎng)情報(bào)，擬列可能方案，比較其利弊，與經(jīng)營(yíng)部門和用戶共同商議，制定合理的設(shè)計(jì)任務(wù)目標(biāo)。這對(duì)新型設(shè)計(jì)特別重要。任務(wù)目標(biāo)的失誤將造成經(jīng)濟(jì)上的嚴(yán)重?fù)p失，甚至遭到全面失敗。
2、確定工作原理和基本結(jié)構(gòu)型式 如設(shè)計(jì)任務(wù)未作明確規(guī)定,設(shè)計(jì)的第一個(gè)步驟就是確定總體方案,即確定所要應(yīng)用的工作原理和與之相應(yīng)的結(jié)構(gòu)型式。例如設(shè)計(jì)大功率船用柴油機(jī)，首先要確定是用二沖程、雙作用、十字頭、低速柴油機(jī)，還是用四沖程、單作用、中速柴油機(jī)。又例如設(shè)計(jì)用以粗碎巖石的破碎機(jī)械，首先要確定是采用以擠壓和彎折為主要破碎作用的顎式或旋回式破碎機(jī)，或者采用以沖擊為主要作用的單轉(zhuǎn)子或雙轉(zhuǎn)子沖擊式破碎機(jī)。
3、運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)的總體方案確定之后，接著需要運(yùn)用機(jī)構(gòu)學(xué)的知識(shí)，選用合適的機(jī)構(gòu)以得到所需的運(yùn)動(dòng)方案。上面提到的顎式破碎機(jī)依靠其動(dòng)顎板的擺動(dòng)使進(jìn)入破碎腔的巖石受到擠壓、彎折和劈裂作用而破碎，而動(dòng)顎板的擺動(dòng)則可以采用雙肘板機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)單擺動(dòng)，或者采用單肘板機(jī)構(gòu)的復(fù)雜擺動(dòng)。在新型設(shè)計(jì)中，可能會(huì)需要綜合一個(gè)新的機(jī)構(gòu)以得到所要求的運(yùn)動(dòng)方案，這常是一個(gè)困難的工作。因此，設(shè)計(jì)者一般盡量應(yīng)用已有的和成熟的機(jī)構(gòu)所提給的運(yùn)動(dòng)方案。
4、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和繪制初步總圖 運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)之后，設(shè)計(jì)者開始進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)械各主要零件的受力、強(qiáng)度、形狀、尺寸和重量等，并繪制主要零、部件草圖。這時(shí)如發(fā)現(xiàn)原來(lái)選用的結(jié)構(gòu)不可行，就必須調(diào)整或修改結(jié)構(gòu)。同時(shí)還應(yīng)考慮有無(wú)可能產(chǎn)生過(guò)熱、過(guò)度磨損或振動(dòng)的部位。
在這一步驟中，設(shè)計(jì)者通過(guò)繪制草圖會(huì)發(fā)現(xiàn)各部分的形狀、尺寸、比例等方面的矛盾。為了加強(qiáng)或改進(jìn)某一方面，可能會(huì)削弱或惡化另一方面。這時(shí)必須權(quán)衡輕重，進(jìn)行協(xié)調(diào)，以達(dá)到最佳綜合效果。草圖經(jīng)反復(fù)修改認(rèn)為初步滿意后，便可繪制初步總圖和估算造價(jià)。初步總圖嚴(yán)格按比例繪制，選取足夠的視圖和切面圖。
5、初步審查 初步總圖繪制后，需要請(qǐng)對(duì)該類機(jī)械有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、制造和使用人員以及用戶或委托設(shè)計(jì)單位的代表進(jìn)行初步審查。審查結(jié)果如認(rèn)為設(shè)計(jì)不適用(如重量、體積太大,造價(jià)太高,對(duì)結(jié)構(gòu)的可靠性有懷疑等),則須重新進(jìn)行運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，甚至改用別的工作原理和基本結(jié)構(gòu)型式。多數(shù)情況是對(duì)設(shè)計(jì)采取某些改善措施。
6、技術(shù)設(shè)計(jì) 根據(jù)初步審查意見,對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改,并繪制所有的零件和部件圖。對(duì)主要的零件和部件進(jìn)行精確的應(yīng)力分析，按分析結(jié)果修正零件的形狀、尺寸等細(xì)節(jié)，并規(guī)定材質(zhì)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(rùn)滑設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)（驅(qū)動(dòng)和控制）。重繪總圖，某些重要的和批量生產(chǎn)的機(jī)械有時(shí)還要制作出模型。將完成的技術(shù)設(shè)計(jì)提交第二次審查。
7、繪制工作圖 根據(jù)第二次審查的意見作最后的修改后，就可以繪制正式的零件圖、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(shù)文件。設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人應(yīng)注意協(xié)調(diào)零件間的尺寸，核對(duì)耦合件間的公差配合，復(fù)核某些零件的強(qiáng)度和剛度。零件圖完成后開始圖紙核對(duì)，這是非常重要的工作。經(jīng)過(guò)仔細(xì)校對(duì)的圖紙能保證加工后裝配順利。最可靠的校對(duì)方法是根據(jù)已繪制好的零件圖重繪出一張總裝配圖，所有矛盾之處就會(huì)表現(xiàn)出來(lái)。在繪制零件圖的同時(shí)還需要進(jìn)行兩項(xiàng)工作：一是工藝性審核,使零件便于加工并降低制造成本;二是標(biāo)準(zhǔn)審核，使零件結(jié)構(gòu)要素、尺寸、公差配合、熱處理技術(shù)條件以及標(biāo)準(zhǔn)和通用零件等符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。
8、試生產(chǎn)和定型設(shè)計(jì) 對(duì)于單件或小批生產(chǎn)的機(jī)械,經(jīng)過(guò)上述步驟完成的設(shè)計(jì)圖紙可以投入正式生產(chǎn)。對(duì)于成批或大量生產(chǎn)的機(jī)械,在正式生產(chǎn)前要先試制樣機(jī),進(jìn)行功能試驗(yàn)和鑒定，通過(guò)后，再按批量生產(chǎn)工藝進(jìn)行批量試生產(chǎn)。在批量試生產(chǎn)中所出現(xiàn)的問題還可能需要對(duì)設(shè)計(jì)作相應(yīng)的修改，方成為可供正式生產(chǎn)使用的定型設(shè)計(jì)。
機(jī)械零件的設(shè)計(jì)具有眾多的約束條件，設(shè)計(jì)準(zhǔn)則就是設(shè)計(jì)所應(yīng)該滿足的約束條件。
1、技術(shù)性能準(zhǔn)則
技術(shù)性能包括產(chǎn)品功能、制造和運(yùn)行狀況在內(nèi)的一切性能，既指靜態(tài)性能，也指動(dòng)態(tài)性能。例如，產(chǎn)品所能傳遞的功率、效率、使用壽命、強(qiáng)度、剛度、抗摩擦、磨損性能、振動(dòng)穩(wěn)定性、熱特性等。技術(shù)性能準(zhǔn)則是指相關(guān)的技術(shù)性能必須達(dá)到規(guī)定的要求。例如振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生額外的動(dòng)載荷和變應(yīng)力，尤其是當(dāng)其頻率接近機(jī)械系統(tǒng)或零件的固有頻率時(shí)，將發(fā)生共振現(xiàn)象，這時(shí)振幅將急劇增大，有可能導(dǎo)至零件甚至整個(gè)系統(tǒng)的迅速損壞。振動(dòng)性穩(wěn)定準(zhǔn)則就是限制機(jī)械系統(tǒng)或零件的相關(guān)振動(dòng)參數(shù)，如固有頻率、振幅、噪聲等在規(guī)定的允許范圍之內(nèi)。又如機(jī)器工作時(shí)的發(fā)熱可能會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力、熱應(yīng)變，甚至?xí)斐蔁釗p壞。熱特性準(zhǔn)則就是限制各種相關(guān)的熱參數(shù)(如熱應(yīng)力、熱應(yīng)變、溫升等)在規(guī)定范圍內(nèi)。
2、標(biāo)準(zhǔn)化準(zhǔn)則
與機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)有關(guān)的主要標(biāo)準(zhǔn)大致有：
概念標(biāo)準(zhǔn)化：設(shè)計(jì)過(guò)程中所涉及的名詞術(shù)語(yǔ)、符號(hào)、計(jì)量單位等應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)；
實(shí)物形態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化：零部件、原材料、設(shè)備及能源等的結(jié)構(gòu)形式、尺寸、性能等，都應(yīng)按統(tǒng)一的規(guī)定選用。
方法標(biāo)準(zhǔn)化：操作方法、測(cè)量方法、試驗(yàn)方法等都應(yīng)按相應(yīng)規(guī)定實(shí)施。
標(biāo)準(zhǔn)化準(zhǔn)則就是在設(shè)計(jì)的全過(guò)程中的所有行為，都要滿足上述標(biāo)準(zhǔn)化的要求。現(xiàn)已發(fā)布的與機(jī)械零件設(shè)計(jì)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，從運(yùn)用范圍上來(lái)講，可以分為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)三個(gè)等級(jí)。從使用強(qiáng)制性來(lái)說(shuō)，可分為必須執(zhí)行的和推薦使用的兩種。
3、可靠性準(zhǔn)則
可靠性：產(chǎn)品或零部件在規(guī)定的使用條件下，在預(yù)期的壽命內(nèi)能完成規(guī)定功能的概率。可靠性準(zhǔn)則就是指所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品、部件或零件應(yīng)能滿足規(guī)定的可靠性要求。
4、安全性準(zhǔn)則
零件安全性：指在規(guī)定外載荷和規(guī)定時(shí)間內(nèi)零件不發(fā)生如斷裂、過(guò)度變形、過(guò)度磨損和不喪失穩(wěn)定性等等。
整機(jī)安全性：指機(jī)器保證在規(guī)定條件下不出故障，能正常實(shí)現(xiàn)總功能的要求。
工作安全性：指對(duì)操作人員的保護(hù)，保證人身安全和身心健康等等。
環(huán)境安全性：指對(duì)機(jī)器周圍的環(huán)境和人不造成污染和危害。
設(shè)計(jì)方法學(xué)的目的是將設(shè)計(jì)思維上升為理性過(guò)程，從而使設(shè)計(jì)能循一定的邏輯進(jìn)行，使更多的設(shè)計(jì)人員能作出好的設(shè)計(jì)。它大致包括以下一些內(nèi)容：
1、將設(shè)計(jì)的階段分得很細(xì)，使每一階段成為有章可循和有理可據(jù)的思維活動(dòng)。
2、將成功的或良好的設(shè)計(jì)儲(chǔ)存起來(lái),建立設(shè)計(jì)資料庫(kù),以供以后設(shè)計(jì)時(shí)參考或采用。
3、在設(shè)計(jì)工作中引進(jìn)價(jià)值工程的概念和方法，對(duì)設(shè)計(jì)中的矛盾進(jìn)行功能與成本的權(quán)衡,以獲得良好的使用效果。
4、在設(shè)計(jì)中采用摩擦學(xué)、振動(dòng)學(xué)、斷裂力學(xué)、有限元法、可靠性設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)工程、人類工程學(xué)等新興學(xué)科的知識(shí)，提高設(shè)計(jì)的科學(xué)性，減少盲目性。
5、將設(shè)計(jì)工作范圍擴(kuò)大，向前延伸到市場(chǎng)預(yù)測(cè)，向后延伸到售后服務(wù)。運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)以減少設(shè)計(jì)勞動(dòng)量、提高設(shè)計(jì)速度和設(shè)計(jì)質(zhì)量。