3小時讀通基礎機械設計【新裝版】

機械系、機械工程系、電機系
成為工程師的第一步！

機械設計＝科學的思考＋組合元件的技術！

如何利用物理原理，
結合電子、材料的知識，
設計出會動的機械？

工程師必備能力！
從機構、結構、材料、元件，到迴路的設計！

簡單將機械分為會動的機構，以及不會動的結構。利用運動原理，綜合去思考材料強度與特性、機械的結構組成，認識各種元件的功能，並學習以電子迴路控制機械動作！

融合力學、材料力學、數位電路，介紹各種機械零件與設計要點，最全面的機械設計入門書！
解決機械製造的疑難雜症！

國立台灣大學機械系副教授　劉霆　審訂

 

門田和雄
1968年生，完成東京學藝大學大學院教育學研究科修士課程(專攻技術教育)以及東京工業大學大學院綜合理工程研究科博士課程(專攻機械微觀工程)。擁有工程博士學位。現任教於東京工業大學附屬科學技術高等學校機械系統領域。以機械技術教育的實踐與研究作為活動基礎，致力於有關機械或機器人等各式各樣的教育研究活動。還有許多其他著作，如『從基礎開始學的機械工程』、『螺絲支撐生活的秘密』(科學眼新書)等。

譯者簡介
陳怡靜
中興大學化學系畢，曾任職於電路板、面板產業及專利事務所，除了對科技新知有無比的好奇心，也對日本文化有濃厚的興趣，所以一頭栽進日語學習這條路而無法自拔，現為自由譯者。

審訂者簡介
劉霆
現職：國立台灣大學機械工程學系副教授/副主任
學歷：國立台灣大學機械系學士、美國羅格斯(Rutgers)大學機械系碩士、博士
經歷：美國通用汽車公司研究實驗室資深工程師、工研院機械所顧問、中華民國機構與機器原理學會理事長、中華民國自動機工程學會常務理事
授課科目：機動學、機構設計、機器動力學、車輛工程學、創造工學
研究方面：機構與機器設計、動力與傳動系統、車輛研發

 

現在，世界正面臨著巨變，物品製造將在未來產生巨大轉變。截至目前為止，一般人所使用的物品，多是工廠大量生產的製品。然而，近年來「自造者與創客（Maker）」不斷增加，他們不屬於大企業，而是以個人為單位來製造物品。由個人或少數人創建的公司，不必使用成本很高的模具，即可藉由3D列印等方式，建立只接數百張或數千張訂單的一人工廠。即使只由一個人設計，也有辦法找到能夠實現這個創意的夥伴，並大量生產。
以前就有自己製作物品的人， 以 “Do it yourself ” 為口號；但這幾年流行的想法是 “Do it with others”，意指不是自己獨力做出物品，而是與同伴一起，共享製作技術。
近年來，國際上出現一個稱作「Fablab」的全民工坊，在網路上蔓延開來。那裡提供多樣化的工作機械，包含數位與類比的機械，讓人們能夠製造各式各樣的物品。這種數位製造實驗室所推行的不只是物品製造，聚集於此的人也不只是消費者，而是想自行生產物品的生活玩家。這裡形成了人們可以自行製造物品，在使用的過程中不斷改良，甚至自己修復物品的文化。
由 Fablab 的使用人數增加情形來看，物品製造
與設計的過程可能會產生本質上的革新。
還沒有獨力完成過物品製造的人，若想從頭開
始學習物品製造，將會遇到許多困難。應該有不少人煩惱著：「在哪裡學物品製造比較好？」
二○○八年我委託日本出版社出版《從基礎學機械工程》，很感謝它能再版。而本書乃延續前本著作，匯集了物品製造的基礎知識，希望對物品製造領域做出實際的貢獻。本書本著 “Do it with others” 的精神，希望能提供想從事物品製造的人協助，也希望各位讀者能充分運用本書。
本書是以虛構的大學「物品製造工科大學」（Monozukuri Institute of Technology）為背景，故事的主角為大學二年級的機械男和電子女，如同他們的名字，他們一個主修機械，一個主修電子。但他們都有輔修，機械男的輔修為電子，電子女的輔修為機械。本書故意安排這樣交錯的學習背景，讓這兩位學生不只是努力去掌握相關知識與技術，也想
要與對方一起學習。

序..............................................................4
第1章 設計開始...9
1 關於設計...10
設計是以科學方式思考，以技術方式組合而成的...10
數位製作的浪潮正蜂擁而至...11
新生指導...14
2 機構設計...15
3 結構設計...16
4 材料設計...17
5 元件設計...18
機械元件...18
電子零件...19
6 迴路設計...20
專欄1 機械設計是科學嗎?...22
第2章 機構設計...23
1 機械運動...24
機械元件...24
運動的傳達...28
運動的變換...29
2 機構設計...31
將旋轉運動變換為往復運動的機構...31
設計課題1...31
往復滑塊曲柄機構的設計與製作...37
將旋轉運動變換為搖擺運動的機構...41
設計課題2...41
曲柄搖桿機構的設計與製作...47
3 各式各樣的機構...50
快回機構...50
蘇格蘭軛機構...50
日內瓦機構...51
司羅兩氏機構(Scott-Russell) ...51
泰奧楊森機構...52
第3章 結構設計...55
1 作用於材料的力...56
拉伸力...56
壓縮力...59
剪斷力...61
彎曲力...62
2 結構設計...64
材料應力-應變曲線圖...64
設計課題3...66
作用於樑的彎曲扭矩...69
截面係數與彎曲應力...71
探討改變秤方向時所施加的力...72
研討問題...74
關於應力集中...76
破壞力學...78
3結構的方法...80
作成三角形的結構...80
使應力不集中...82
椅子的設計...83
第4章 材料設計...85
1 材料性質...86
機械性質...86
電磁性質...96
2 金屬材料...98
鋼鐵材料...98
鋁材料...107
銅材料...111
鈦材料...114
3 塑膠材料...115
關於塑膠材料...115
塑膠材料的種類...115
複合材料...117
4 陶瓷材料...119
關於陶瓷材料...119
陶瓷材料的種類...119
專欄2 結構設計與材料設計...122
第5章 元件設計...123
1 機械元件...124
螺絲...124
齒輪...132
計算問題...140
皮帶與鏈條...141
軸承...144
聯軸器...149
彈簧...152
空氣壓縮機...155
2 電/電子零件...159
電阻...159
電容...161
線圈...162
二極體...163
電晶體...165
開關...167
感應器...170
馬達...172
螺線管(Solenoid) ...176
第6章 迴路設計...177
1 電的基本定律...178
歐姆定律...178
基爾霍夫定律...180
2 邏輯迴路...182
邏輯迴路的基礎... 182
邏輯運算...186
數位IC...188
半加法器...191
全加法器...192
3 序列控制...194
關於序列控制...194
序列圖與階梯圖...196
研討...202
4 反饋控制...204
關於反饋控制...204
控制系統的回應...206
PID控制...210

後記...215
索引...218

 

機械設計等於科學的思考加組合元件的技術
機械就是「可以接收能量，且做出預設動作、完成某些任務的機器」。此外，以機械工程為基礎的機械設計，意指「製作一個有形體且會動的物品，並預期它對世界有所幫助」。為了使機械自動化，達到上述目的，我們必須創造電子迴路，也需要電腦控制。
然而，人類一開始是為了什麼而設計的呢？拉丁文有Homo faber（意指創造者）這樣的辭彙，代表人類與其他動物的區別在於人會「製造」。由此可知，人類是知性與製造能力的結合。就算不想得這麼高尚，你也可以觀察孩子們的活動，你會發現不論是玩沙子或積木，「製造」是人類與生俱來的能力。
大家總有「想做出物品」的想法吧？想創造空前絕後的物品，這樣的「製作物品」行為是非常有創意的活動。然而，這與藝術的相異點在於，製作物品不只需要感性。
要設計會動的機械，必須思考「以每秒幾公尺[m]前進？」「可以承受幾牛頓[N]的力量？」為了達到「以每秒10公分[cm]的速度直線前進」或是「可以承受100[N]的力量」等目標，以具體的數值來表示是必要的。
這些事項並非只有一個人單獨執行全部製作過程才須注意，群體協力製作以及向外部廠商下訂單，都必須注意。也就是說，機械設計必須「以科學的方式思考，利用技術組合元件」。
數位製作的浪潮來襲
以目前的狀況來說，雖然設計可視為純屬個人的活動，但要將設計製成實體，即使可做出最棒的試作品，也不太可能大量生產銷往全世界，因為量產需要模具等高價品，必須有巨額的投資。
然而，近年來數位製造的潮流發展迅速，人們只要以數位的方式處理資料，並使用雷射加工機或3D列印機等數位機器，就能進行一部分的加工。當然，並非使用數位機器就能輕易為所有物品加工，但物品製造的門檻的確已經越來越低了。
原本只為自己製作的物品，越來越容易多製作一點，推廣至周邊的人。我不是指一次要製作一萬個，而是指可以製作一定的量，寄送給他人。此外，現在已有越來越多人製造專屬於自己、獨一無二的物品，設計的多樣性也越來越豐富！
無論在什麼情況下，機械設計的前期階段必須抱著「無論如何都想做看看這樣的物品」的強烈想法，而且為了實現這個想法，必須多方面思考如何設計。
現在，讓我們一起透過「物品製造工科大學」的故事來了解機械設計吧！
新生訓練
今天，二年級的導師要學生聚集在大講堂，準備說明二年級的課程內容。一年級所學的數學與物理等科目，是為了二年級正式學習機械工程而準備的基礎科目，所以要認真學習。此外，一年級每週會有一次基礎的實驗與實習課程，必須穿白色工作服專心學習，同時訓練寫報告的技巧。而從二年級開始要更正式地學習機械和電子等專業科目，所以機械男和電子女都興致勃勃，期待著這些課程。