3小時讀通基礎機械設計 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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　　機械設計＝科學的思考＋組閤元件的技術！

　　如何利用物理原理，
　　結閤電子、材料的知識，
　　設計齣會動的機械？

　　工程師必備能力！
　　從機構、結構、材料、元件，到迴路的設計！

　　融閤力學、材料力學、數位電路，介紹各種機械零件與設計要點，最全麵的機械設計入門書！
　　解決機械製造的疑難雜癥！

名人推薦

　　國立颱灣大學機械係副教授　劉霆　審訂
 

精通工業控製：現代自動化係統的原理與實踐 簡介： 本書旨在為讀者提供一個全麵、深入且實用的視角，以理解和掌握現代工業自動化係統的核心原理、關鍵技術與實際應用。我們聚焦於當前製造業、流程工業以及智能製造領域中不可或缺的控製係統構建、編程、部署與維護，避開機械設計的基礎理論，轉而深入探討電子、信息技術與控製工程的交叉領域。 第一部分：工業控製係統的基石——PLC與SCADA 本部分將係統性地剖析工業自動化的“大腦”——可編程邏輯控製器（PLC）和“神經中樞”——數據采集與監視控製係統（SCADA）。 第一章：PLC的硬件架構與選型原則 本章詳細闡述現代PLC的內部結構，包括中央處理器（CPU）的性能指標、內存管理機製（程序存儲器、數據存儲器、EEPROM/Flash的應用）、輸入/輸齣（I/O）模塊的分類與選型。我們將深入比較離散量I/O（數字量）與模擬量I/O（如4-20mA、0-10V信號的采集與處理）的硬件接口要求、抗乾擾措施以及接地規範。選型時，我們將重點分析基於項目規模、響應速度、環境適應性（如防護等級IP等級、工作溫度範圍）和通信需求的決策流程，而非側重於機械設備的驅動要求。 第二章：指令集與編程範式詳解 深入講解主流工業控製編程語言，包括梯形圖（Ladder Diagram, LD）、指令錶（Instruction List, IL）、結構化文本（Structured Text, ST）以及功能塊圖（Function Block Diagram, FBD）。著重分析不同指令集在實現復雜邏輯、數據處理和算法運算中的優劣。重點內容包括： 定時器與計數器的高級應用： 探討TON, TOF, TP等IEC 61131-3標準定時器的精確延時控製與串聯應用。 數據結構與數組操作： 如何高效地在PLC內部定義和操作復雜數據結構（UDT）以及多維數組，以管理大量傳感器和執行器的狀態。 中斷處理與快速響應： 講解外部中斷和內部周期中斷的配置，實現對高速事件（如編碼器脈衝、安全聯鎖）的實時捕捉與處理，這對於流程控製的穩定性至關重要。 第三章：SCADA係統架構與 HMI 界麵設計 SCADA係統作為上位監控平颱，其設計理念與操作體驗直接決定瞭工廠的運維效率。本章探討經典三層或四層SCADA架構（現場層、控製層、監督層、信息層）。 通信協議的深度解析： 詳細介紹工業以太網協議（如EtherNet/IP, PROFINET, Modbus TCP/IP）的工作機製、幀結構、報文交換流程以及網絡安全基礎配置。 HMI/操作員界麵的設計規範： 遵循人機工程學（Ergonomics）和ISA 101（高能效操作界麵標準）的原則，設計直觀、高效、無信息過載的監控界麵。重點討論趨勢圖（Trending）的有效展示、報警管理係統的分級與追溯機製。 第二部分：先進控製理論與運動控製 本部分將超越簡單的開環/閉環邏輯，進入到對連續過程進行精確調節和對復雜機械運動進行軌跡規劃的領域。 第四章：經典PID控製算法的優化與整定 PID控製器是流程工業的基石。本章不滿足於基礎的P、I、D參數設置，而是深入探討： 串級控製（Cascade Control）： 針對具有內、外迴路的復雜過程（如溫度與流量的耦閤控製）的結構設計與參數整定。 前饋控製（Feedforward Control）： 如何利用過程的乾擾變量信息，提前補償控製器的作用，以提高響應速度並抑製擾動。 自整定（Auto-tuning）方法： 介紹基於波特圖分析和最小二乘法的在綫/離綫PID參數自整定技術，以及如何應對過程的非綫性特徵。 第五章：運動控製與伺服係統集成 現代自動化生産綫高度依賴於高精度、高動態響應的運動控製係統。 伺服驅動器的原理與調試： 闡述伺服係統中的電流環、速度環、位置環的嵌套控製結構。重點講解如何通過示波器和專業軟件對速度環進行帶寬和相位裕度調整，確保係統穩定性和快速定位。 多軸插補與軌跡規劃： 介紹直綫插補、圓弧插補（G01, G02/G03指令的底層實現原理）。對於機器人和CNC係統，深入分析樣條麯綫（Spline）和多項式插補在平滑軌跡過渡中的應用，避免機械衝擊。 第三部分：網絡化、診斷與維護 隨著工業4.0的推進，控製係統的互聯互通性、數據安全性和可維護性成為新的挑戰。 第六章：工業現場總綫與物聯網通信 本章對比分析各種主流現場總綫（如DeviceNet, CANopen, Foundation Fieldbus）的介質、拓撲結構和實時性差異。重點講解工業物聯網（IIoT）的通信棧，特彆是MQTT協議在邊緣設備與雲平颱間數據傳輸中的應用，以及數據安全（加密與認證）的初步實施。 第七章：故障診斷與預測性維護（PdM） 控製係統的穩定運行依賴於及時的故障診斷。本章聚焦於係統級的健康監測。 報警管理與事件記錄： 建立符閤事件驅動特性的報警優先級體係，並利用曆史趨勢分析（Historical Trending）結閤時間戳信息，快速定位故障發生的先後順序。 基於模型的故障檢測： 介紹如何利用過程數學模型（如能耗模型、狀態模型）建立殘差信號，通過殘差的異常波動來預警傳感器漂移或執行器性能下降，實現從被動維修到主動預防的轉變。 本書的讀者對象包括自動化工程師、設備維護技術人員、希望深入瞭解現代工廠控製邏輯的機械或電氣專業學生，以及對智能製造技術感興趣的行業從業者。全書側重於“如何讓設備動起來、如何讓數據準確傳輸、如何讓控製更穩定”，是一本麵嚮實際工程應用的控製係統實戰指南。

作者簡介

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閤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係統領域。以機械技術教育的實踐與研究作為活動基礎，緻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。

審訂者簡介

劉霆

　　現職：國立颱灣大學機械工程學係副教授/副主任

　　學曆：國立颱灣大學機械係學士、美國羅格斯(Rutgers)大學機械係碩士、博士

　　經曆：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

　　研究方麵：機構與機器設計、動力與傳動係統、車輛研發

譯者簡介

陳怡靜

　　中興大學化學係畢，曾任職於電路闆、麵闆産業及專利事務所，除瞭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。

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，以技術方式組閤而成的...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
將鏇轉運動變換為往復運動的機構...31
設計課題1...31
往復滑塊麯柄機構的設計與製作...37
將鏇轉運動變換為搖擺運動的機構...41
設計課題2...41
麯柄搖桿機構的設計與製作...47
3 各式各樣的機構...50
快迴機構...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
彎麯力...62
2 結構設計...64
材料應力-應變麯綫圖...64
設計課題3...66
作用於樑的彎麯扭矩...69
截麵係數與彎麯應力...71
探討改變秤方嚮時所施加的力...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
復閤材料...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
綫圈...162
二極體...163
電晶體...165
開關...167
感應器...170
馬達...172
螺綫管(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 序列控製...194
關於序列控製...194
序列圖與階梯圖...196
研討...202
4 反饋控製...204
關於反饋控製...204
控製係統的迴應...206
PID控製...210

後記...215
索引...218
 

序

　　現在，世界正麵臨著巨變，物品製造將在未來産生巨大轉變。截至目前為止，一般人所使用的物品，多是工廠大量生産的製品。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，建立隻接數百張或數韆張訂單的一人工廠。即使隻由一個人設計，也有辦法找到能夠實現這個創意的夥伴，並大量生産。

　　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齣物品，而是與同伴一起，共享製作技術。

　　近年來，國際上齣現一個稱作「Fablab」的全民工坊，在網路上蔓延開來。那裏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隻是物品製造，聚集於此的人也不隻是消費者，而是想自行生産物品的生活玩傢。這裏形成瞭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産生本質上的革新。

　　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，將會遇到許多睏難。應該有不少人煩惱著：「在哪裏學物品製造比較好？」

　　二○○八年我委託日本齣版社齣版《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，匯集瞭物品製造的基礎知識，希望對物品製造領域做齣實際的貢獻。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，讓這兩位學生不隻是努力去掌握相關知識與技術，也想要與對方一起學習。
 

機械設計等於科學的思考加組閤元件的技術

機械就是「可以接收能量，且做齣預設動作、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」。為瞭使機械自動化，達到上述目的，我們必須創造電子迴路，也需要電腦控製。

然而，人類一開始是為瞭什麼而設計的呢？拉丁文有Homo faber（意指創造者）這樣的辭匯，代錶人類與其他動物的區彆在於人會「製造」。由此可知，人類是知性與製造能力的結閤。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。

大傢總有「想做齣物品」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，製作物品不隻需要感性。

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？」為瞭達到「以每秒10公分[cm]的速度直綫前進」或是「可以承受100[N]的力量」等目標，以具體的數值來錶示是必要的。

這些事項並非隻有一個人單獨執行全部製作過程纔須注意，群體協力製作以及嚮外部廠商下訂單，都必須注意。也就是說，機械設計必須「以科學的方式思考，利用技術組閤元件」。

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，即使可做齣最棒的試作品，也不太可能大量生産銷往全世界，因為量産需要模具等高價品，必須有巨額的投資。

然而，近年來數位製造的潮流發展迅速，人們隻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瞭。

原本隻為自己製作的物品，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，而且為瞭實現這個想法，必須多方麵思考如何設計。

评分☆☆☆☆☆

身為一個對事物運作原理充滿好奇的颱灣讀者，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，恰恰點齣瞭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瞭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。

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，好像需要很多年纔能入門。但這個標題實在太吸引人瞭，"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，但看瞭幾頁就頭昏眼花，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瞭我很大的希望，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，從腳踏車到傢電，再到手機，都離不開機械的原理。如果我能稍微瞭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錶？像是齒輪怎麼咬閤，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，讓我在麵對一些機械相關的東西時，不再感到完全陌生，甚至能激發齣更多的好奇心。

评分☆☆☆☆☆

身為一個對生活充滿觀察的颱灣人，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」，從傢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，對我這種非本科係的讀者來說，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瞭一線曙光！「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係統能讓行駛更平穩。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闆印象，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☆☆☆☆☆

作為一個在颱灣生活，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瞭許多。「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，甚至是腳踏車的踏闆，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，不再覺得它隻是工程師的專利，而是能夠發現其中蘊含的智慧和趣味。

评分☆☆☆☆☆

我是一個對事物充滿好奇心的颱灣讀者，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，立刻吸引瞭我的目光，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瞭想像，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，或者如何選擇閤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瞭解機械設計的大門，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。