機構設計

機械設備原理動畫

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。

1. 機構設計

機械一定具有會動的部分,稱為機構。機構是以鋼體、撓性物體或流體等兩個或兩個以上的機件所組合而成的集合體。當其中的一個機件受到外界所施加的一定運動與能量,便能一次傳遞經過所有組成的機件,到達最後一個機件能產生所預期且具有一定規則的運動與能量。例如機械手臂、齒輪系統、機械傳動系統等都是機構。

機構設計的目的是設計出滿足特定需求的機械裝置。通常需要考慮許多因素,例如運動學、動力學、材料強度、精度等等。設計動作原理,使這些動作達成某些任務,就是機械設計的樂趣所在。
機構設計通常包括從概念設計開始,通過模擬、實驗和測試逐步優化設計,最終實現製造和實際應用。其最終目標是開發出高效、可靠、安全、節能、經濟的機械裝置,以滿足各種產品和生產需求。
需要注意的是,機構並不一定要使用在機械上。例如,在摺疊椅中達到摺疊動作的機構就是一種摺疊機構,它並非用在機械上的機構,但能有同樣的功能與價值。

● 如何自學機構設計與實際養成方法

2. 結構設計

機械設計中,除了機構設計外,結構設計也是一個非常重要的環節。結構設計的目的是為了支撐和固定機械中的會動部分,以確保機械能夠正常運作。結構設計需要考慮諸如結構的荷載、應力、變形、振動、氣動力、溫度等因素,以確保結構在使用期間能夠安全可靠地工作。

在結構設計的過程中,通常包括結構分析、結構設計、結構評估和結構檢查等步驟。在結構分析中,設計師通常使用數值模擬和分析工具來預測結構的性能。在設計階段,他們需要選擇適當的材料和結構形式,並設計出符合規範和標準的結構。結構評估通常是在建成後進行的,用於確保結構的安全性和可靠性。結構檢查則是為了確保結構在使用期間能夠正常工作,通常需要定期進行。

當設計師進行結構設計時,必須從力學的角度來分析機械各部會需要多少力才能動作。重要的是,必須先理解哪個部位需要最大的力。因此,在設計結構時,必須事先估算作用於材料的力來設計結構,這樣才能確保機械在運作時不會變形或損壞。結構設計也需要考慮產品的測試要求,以確保設計出的產品符合相關的標準和規範。

總之,結構設計在機械設計中扮演著非常重要的角色,它確保了機械的安全可靠性和運作效率。因此,在進行機械設計時,必須給予結構設計足夠的重視和注意。
如(圖1)所示,不同的產品會有不同的測試要求,因此在進行結構設計時,就必須考量這些測試要求的影響。

3. 材料應用

材料的應用指的是將不同類型的材料用於製造不同的產品或應用於不同的領域,以滿足特定的需求和目的。材料的應用可以包括但不限於以下領域:

建築領域:例如混凝土、鋼鐵和玻璃等材料,可以用於建造房屋、橋梁、道路、隧道等結構。
電子領域:例如半導體材料、金屬和塑料等材料,可以用於製造電子器件,例如晶片、電路板、電池等。
醫療領域:例如金屬、塑料和生物材料等,可以用於製造醫療設備、人工器官、手術工具等。
航空航天領域:例如複合材料、鈦合金和高溫合金等材料,可以用於製造航空器和火箭。
汽車領域:例如鋼鐵、鋁合金和塑料等材料,可以用於製造汽車的車身、引擎和零部件等。

在材料的應用過程中,需要考慮材料的特性、成本、可持續性以及環境影響等因素。通過選擇合適的材料,可以提高產品的性能、延長產品的壽命、降低生產成本,同時減少對環境的負面影響。
機械設計者通常會從這些已知的材料中選擇適合的材料,但如果這些材料不符合需求,例如強度和耐熱性不足等,則需要思考如何研發新材料。

負責研發新材料的是材料研究者,他們和進行機械設計的人有許多差異。然而,他們開發出的新材料,例如強度材料、耐熱材料和耐腐蝕性材料等,會交由機械設計者評估材料的性質是否實用。
所以機械設計者對於材料的應用以及特性都要必須有所了解,以免在進行測試時產生了誤判(圖2)。

4. 機械元件

機械元件是指機械裝置中的零件,它們通常是機械系統中最基本的單元,是構成機械結構的基礎。機械元件可以用於轉換能量、控制運動和傳遞力量。它們的功能包括但不限於支撐和連接零部件、傳遞力量、控制運動方向、轉換旋轉運動和直線運動等。

機械元件可以根據不同的功能和用途進行分類,例如:
連接元件:如螺栓、螺母、鉚釘、銷子等,用於連接兩個或多個零件。
傳動元件:如齒輪、皮帶、鍊條等,用於傳遞力量和轉換運動。
控制元件:如凸輪、齒輪、滑塊等,用於控制機械運動和方向。
支撐元件:如軸承、滑動軸承等,用於支撐機械部件並減少摩擦損失。
導向元件:如滑動導軌、滾動導軌等,用於控制機械部件的運動方向和軌跡。

機械元件的選擇和設計,需要考慮許多因素,例如適當的尺寸和形狀、材料的選擇、製造工藝、使用條件等。對於高精度、高速度、高負載等要求嚴格的機械裝置,機械元件的設計和選擇更加重要。
各種機械裝置通常都有許多共通的機械元件。這些機械元件的大部分都符合各國的規範(或國際標準),例如國際標準(ISO)等。螺絲釘、齒輪、皮帶、鍊條、軸、軸承、彈簧等都是常見的標準機械元件,它們不必每次都從頭開始製作,通常可以直接從已經製造好的標準產品中選擇。為了選擇合適的機械元件,必須先了解各種機械元件的結構、種類以及強度計算等基礎知識。

☆ 其他參考資料及文章

● 3小時讀通基礎機械設計
https://www.books.com.tw/products/0010720673

● 機構設計教學網站

https://www.youtube.com/playlist?list=PLsj3SzFZdN-jTfvHA2f33J3a8BIrPJrjt

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