作者：杨之勇

机械化与自动化是大生产和社会发展的必然趋势

机械化和自动化设计是机械工程设计的第一道工序。特别是创造构型设计是不可或缺的。机械工程设计包含：机械结构设计、机械系统设计、机构设计、机械装置设计、机械项目设计、新产品设计、自动机与自动线、广义机械（机构）设计、工艺过程设备设计、工艺设计、生产流程方案设计、机械创新设计、原创专利产品设计，逻辑机构设计，运动链化解分析，广义机构设计与应用创新设计等。

大企业机械工程项目设计研究所

要成为设计的行家里手，知识面要宽，思维方式要新进。光是个力学专家是不能奏效的，力学和机构学只是设计中的一个方面的知识和学问。要有合理配套的知识结构，致使一方面专家是不行的。要有全能科学技术的能力才适合搞好机械工程设计的。

机器与机构；机构与构件；机件与总成（机器、装置）；机构单元与运动链；机构运动链与机构和结构，平面机构与空间机构；机械手；‘机械臂’；机器人、生产输送线：连续输送、步进输送、差速输送，刚性输送与柔性输送；伺服输送，自动机与自动线；液压与气动等等。

大工业生产转配线是机械设计制造及自动化的设计优势所在

概念理解和延伸

约束与运动是机械（机构）学的重要概念之一，约束是运动副间限制多余自由度，确保所需运动自由度的必要保障。没有约束就没唯一所要求设计的运动状态。

约束可分为：全约束，半约束，时空约束，软（弹性）约束，….。把约束这样延伸，就有在机械创新设计设中翅膀展开，有了新的机械运动设计条件的展现。

在平面机构中一种运动副就是一种全约束，基本机构中其一两杆一副的转动机构，，其二为两杆一副的移动机构，在某些资料中被称为阿苏尔杆组，都属于全约束机构。其实楚辞之外延伸后可以根据功能需要设计出半约束转动机构，转到一定角度不能再转被卡死（顶住），根据设计功能需要移动到移动位置后再转动，即成为半约束复合机构。这里不谈应用实例。

全约束   （无图）    （一般常用约束）

半约束    （无图）    （创新设计有时用）

时空约束  （无图）    （创新设计有时用）

软（弹性）约束，外加约束条件的二自由度机构，（无图） （创新设计有时采用）

等等

两杆一副的基本机构及其应用

两杆一副机构是机构中最简单的机构形式，能把简单及机构认识和应用好就不简单了，枪械特别是自动化连发枪械是两杆一副机构的巧妙应用，是机械和热能原理的结合产物。

机械中基本机构的变通和应用 自动步枪就是基本机构的动作自内内环

基本机构看似简单，能把简单的东西运用好就不简单。简单的基本机构的组合与功能合作就会产生新的功能产品。这是分析与综合的能力的体现，可用于枪炮技术，它的公共科技知识的范畴不是枪械原理是基本机构科技原理的具体应用。现在有的人搞反了，这样对科技创新发展发展不利。这里有特殊性与普遍性的关系问题。理论没有特殊性，是具有普遍性的。只有上升为理性我们才能深刻的感觉到它，认识它。人们认识事物往往从具体的个别事物中开始认识，看到了规律性上升为普遍性的认识，所谓普遍性规律存在于特殊性之中，当人们掌握了这种普遍性的理论规律是可以运用于各种特殊性事物中。枪械在一般人看来很神秘，其实这是广义机械机构知识的具体应用。是机械机构学与机械结构学。功能组合和功能元的效能结合，是机械学与热力学（热力爆发学）的结合与功能应用

掌握了基本机构两杆一副转动机构的特性和变通，在料道输送环节就会设计出弹性活门，能解决料道输送中物料被卡死问题。也可以去应变解决其它问题。这就体现了科技人员的能力性理论应用的能力性。

转动副机构

转动副机构简图

两转动副构件通过移转副的结合和合作生成新的机构运动功能体

转动机件的组合与功能合作量值配比不同生产的功能也不同 不同的转动结构组合生成非同轴转动的万向轴机构 组合结构决定其功能，本机构为垂直转动的间歇运动机构

构件：1机架,2连架杆，2.1曲柄，2.2滑块，2.3摇杆，2.4摇块，2.5滑块，3连杆

3.1可变连杆。3.2组合变态连杆，3.3二元杆件3.4三元杆件3.5多元杆件….

可变连杆的应用

可变连杆机构用于机械臂的设计方案

差动连杆机构

该差动连杆既是驱动组合件又是差动连杆件，这就是设计的变通性，不能看死，也不能死搬硬套，这里面有人的设计能力性和运用知识的灵活性的体现。两气缸差动：1同时进，2一进另退，3另进一退，产生不同的运动效果。

差动连杆（兼做动力输出）应用图例

组合变态连杆的应用

本机构可用于翻斗车等翻转创新设计，可根据功能需要设计组合变态连杆的结构形式，可以起到节能高效的作用。

组合变态连杆的图示

机械设计制造及自动化从基本理论的学习和掌握入手

机械工程是国家国民经济装备库，机械技术键是基础知识和理论，和设计者的能力和变通的综合体现，不在于顶层设计问题，是设计者机械基础理论掌握厚重和应用变通能力高低问题，否则机械难以担负起机械工程是国家国民经济装备库的称为。

机器人操作生产线

我们有些设备在机械工程中能用，有的使不住，…问题多，时有故障，问题在哪里？笔者认为是在设计上。目前仅我知道的机械设计禁忌，就有500例，何止500例，实际更多，轴承配置定位有问题，对热变形没有开路自适应结构保护，这是逻辑思维问题，我过去给某企业设计研究所校核图纸发现违反禁忌的很多，需要在校核中指出改正。在去某设计院联系项目设计时，一眼看到他的图纸轴承定位有问题，和课题主任说了，课题主任说不能有问题，我们有各级技术部门主任把关，有专业校审人员校核，能有问题吗？我指出了问题的实质是“铁磨铁”，也就是轴承运转不是内外套滚动体的及润滑液件的摩擦，点到了问题实质，该课题主任说你是哪个学校毕业的？看技术问题咋这样敏感？我告诉他学习掌握东西要掌握本质不要死搬手册等标准。只有理解了东西才能深刻感觉它。目前我们的大学机械设计和液压设计禁忌可能很多没人研究掌握。

除此之外密封形式结构和位置选定，轴承，组合、配置、定位方式、各种用场主轴轴承配置是不一样的，这里体现一个道理：形式与内容，内容与功能，功能的相容与干涉，不同级别，不同形式（比如机械中的滑动与滚动）不能混配。这些原则当然也适合其它方面，公差配合、形位公差与尺寸公差关联问题、间隙选定、工艺基准与设计基准同一问题、止口设置、等都有科学理论知识存在。过去有个发动机教授把曲轴小头连杆轴套只按静配合压配处理，结果经常出现抱轴，滑出等故障问题，实际这是机械结构理论知之太少，是没有更好的机件结构理论智慧升华问题。

过去我无锡给台商企业搞自动化设计时，他们的一套模具工装是委托国外i出名企业企业给设计制造的，其中就曾违反了模具工装两导向杆的导向中心距与导向有效长度的制约理论（摩擦与运行、卡顿、自锁）理论计算，这方面目前书没有公式，本人原想推导公式出公式发表供设计者设计参考，但始终未来得及完成。外国人也只好来现场修改设计。所以设计脱离理性规律问题不但我们有，国外也不少，应该靠理论指导设计实践，否则是盲目的行动，必遭到反科学规律的报应，另外有的机构结构有问题存在两个自由度倾向存在，或液压同步回路设计有问题，不先进，致使运动克顿，….。所以不重视基础理论掌握是不行的。没有理论指导的行动是不行的。方向不对努力白费，制造再精确，表面质量再美观也是没用的。

机械工程设计包括机械机构设计，广义机构设计，机械结构设计，可靠性设计，热加工自动化设计，机械系统设计等是一套互相关联互相制约的系统科学理论问题。

能看到差距是进步的开始

我们的振动机械也有问题，不先进，设计理论欠缺，性能也存在问题。记得75年在哈市我曾随工厂技术攻关队参观考察苏联进口的某工艺过程自动机，工件用料在振动驱动下从料道自动计入中（高）频加热系统，自动进入滚轧机，由振动驱动计入淬火区，自动检测，无人操作，工作在进行，无有任何机械声响和噪音，我很羡慕，随手摸一下机体外框，便发出剧烈响声，看护人员对我们说你们只能看，不能摸，这是一台由振动驱动输送设备，手一摸改变了设备的固有频率，就破坏了谐振条件。这是我记忆最深的一段回忆。到目前为止，在我看见的国内振动机没有不发出很大响声和噪音的，根本没有象以前苏联进口我国的设备那样设计理论化和应用恰到好处的工艺设备。

这就说明了我们的科技理论和应用水平还需继续努力，要从基础做起，打好基础，我们的液压气动元件及控制元件，高精度减速机、伺服电机、及伺服控制元件和国外一些发达国家还有一些差距，市场占有率不高，特别是液压气动元件小一点规格没有标准，这样制造厂家无法制造和被验收。这是政府主管部门标准计量的工作没跟上来。这些基础的东西就是工业基础，特别是人的能力性问题，有了博士，能搞创新设计道可以，可是技师、大国工匠、技工、没有，有了设计图纸，制造、安装、调试上不去也是问题，另外技术技巧、操作经验也有个传帮带问题。只看GDP指标是不行的。

改放使人们扩大了视野促进了创新设计思维的开展

改开后我们看到了一些进口设备，外形外观，用材、颜色都是和我们原来不一样，当初我们是大槽钢大角钢，外形不讲究，当初我们有些功能原理设计不讲究，不少人思维死板教条，普通皮带输送机只知道上下必须用托辊，国外就有轻型输送机（定量包装场合），皮带从上到下都用托板，而效果也不错，运行平稳。见到国外发动机挂小拉簧的用开口销，以前按一些守旧观念讲挂拉簧的要用带孔销轴，这本是按标准还是按功能原理设计问题。以前我们不知道还有自动定量包装机，见到国外进口定量包装机，采用称重传感器和电控仪表，给料用串联组合气缸实现差动，进行分级给料，这些原理知道了扩大了视野，看到国外进口的焊接机器人，焊接操作机，焊接操作机才知道我国焊接辅机太薄弱，那是只有一重有这种设备，是苏联援助的。技术人员下海外出打工，见到了各种输送机，步进输送‘差动输送，连续输送，悬挂链输送机，地面链输送机，地下链输送机，…，信息很重要，看到实物，知道原理，设计就不难了，刚到南方打工，轨道车换轨设计就给我，悬挂输送机自动道岔设计’没有资料，知道要求后不也一样设计的很好嘛。见到国外人管理是A管理模式，逐级管理，各负其责，不吃请，不招待客人吃饭，设计方案要通过计划安排出批准方可实施。台资企业的运作要由台湾总部核实计划安排批准。他们只提要求，不管技术具体方案。感到我们的企业管理人员不会有预案、有要求，不会从系统着眼，象部队指挥打仗一样实现系统领导力。决策实施力的实现。

不要忽略企业科技人员的机械设计创造能力

企业科技人员，特别是企业机械设计人员，在工作中环境上，直接和实际问题接触，持有大生产问题的压力和解决问题的急需，自然对机械设计制造及自动化设计起到推动作用，设计、工艺、制造、检测、装配、试车调试等过程一杆子插到底，这是企业科技人员的设计环境环境的优势，是时势造英雄的必然。如果在企业真心实意工作一段时间胜读十年书。在中国是这样，在国外也是如此。

（瑞典工程师，发明家）拉瓦尔

拉瓦尔（Laval，Carl Gustaf Patrik de，1845～1913），瑞典工程师。单级冲击式汽轮机发明者。1845年5月9日出生在瑞典一个法国移民家庭，卒于1913年2月2日。拉瓦尔曾就读于斯德哥尔摩工业大学和乌普萨拉大学。1882年发明了单级冲动式汽轮机。1889年取得了膨胀式喷管的英国专利。他对喷管形状的研究、喷嘴的设计和强度设计等方面作出了贡献。拉瓦尔还于1879年发明处理牛奶用的高速奶油离心分离机，1913年又发明真空挤奶机。他的各种发明的详细记录保存在斯德哥尔摩技术博物馆内。

瑞典企业工程师拉瓦尔

“拉瓦尔喷管是火箭发动机和航空发动机最常用的构件,由两个锥形管构成,其中一个为收缩管,另一个为扩张管。 拉瓦尔喷管是推力室的重要组成部分。喷管的前半部是由大变小向中间收缩至一个窄喉。窄喉之后又由小变大向外扩张至箭底。箭体中的气体受高压流入喷嘴的前半部,穿过窄喉后由后半部逸出.工作原理..”

分析一下拉瓦尔喷管的原理。火箭发动机中的燃气流在燃烧室压力作用下，经过喷管向后运动，进入喷管的

拉瓦尔喷管结构示意图及流体增速原理图

拉瓦尔管理论原理图示

A1。在这一阶段，燃气运动遵循"流体在管中运动时，截面小处流速大，截面大处流速小"的原理，因此气流不断加速。当到达窄喉时，流速已经超过了音速。而跨音速的流体在运动时却不再遵循"截面小处流速大，截面大处流速小"的原理，而是恰恰相反，截面越大，流速越快。在A2，燃气流的速度被进一步加速，为2-3公里/秒，相当于音速的7-8倍，这样就产生了巨大的推力。拉瓦尔喷管实际上起到了一个"流速增大器"的作用。其实，不仅仅是火箭发动机，导弹的喷管也是这样的喇叭形状的，所以拉瓦尔喷管在武器上有着非常广泛的应用。 

功能

作为推力室的一种重要组成部分，拉瓦尔喷管性能的好坏能够对装置的整体性能产生重大的影响。在火箭发动机中，其主要功能有两个:一是通过控制喷管喉部的面积实现对燃气流量的控制，确保燃气室内的燃气压强维持

在预定的压强;二是通过拉瓦尔喷管先收敛后扩张的几何结构使管内燃气流速发生从亚音速到声速的增加，高速燃气的喷出产生推力。而在导弹发动机中，通过拉瓦尔喷管能够实现推力大小和方向的调节与控制。拉瓦尔喷管中最为重要的结构，其尺寸对喷管性能影响较大。

说到科学技术一般先想到专家教授，其实别忘了还有企业广大的科技人员（工程师、高级工程师…）， 由此可见企业工程师的作用不可低估和轻视。

中国科技人员并不比外国力差…

在外用机械设计技术打工时接触不少外资企业，按广义机械设原理是跨专业、跨行业设计，给意大利在上海某公司设计的环保设备，在苏州的日本某公司设计自动装配工装，给在合肥日本某公司设计的机器人清理设备方案，某外国公司的的技术协议中参数和某些要求有问题，我当面提出，能诚恳接受，修改技术协议，是很可敬配的行为，也说明中国人不比外国人差，在参与某次国际招标研讨会上外国人通过翻译按我的技术设计思路由外国人用外语去讲在翻译称汉语。特别是经历在外用设计技术打工的工程师，是环境压力和自身压力出功能，不同于教师，铁饭碗，那真是泥饭碗，开幕绘图设计软件给一周熟悉时间，一周开始能用电脑该软件设计出当用创新设计图来，留用，否则人事本门通知离职。是压力不是利益驱动力。给国外在华公司搞自动化设计，没有参考实物，也没有样品，只有技术协议和技术要求，本人本是70年毕业的本科生，经多年社会实践和在校学得知识的结合，以及触类旁通的感悟，曾为某汽车制造大公司设计出机械手操作的从进料加工检测全自动生产线，当考察我们设计使用的多工位伺服控制气动夹紧机械手生产线后惊叹，真了不起，我公司海归博士那么多，机械手自己都不敢自己设计都是引进国外的。只要安排使用合理，中国科技人员并不必外国差。

科学技术发展目标

发展是个渐进过程，是不断革命论和革命发展阶段论的拼搏过程，主要解决国内短板，缺项、急需问题，我见过很多极端条件下（高热、重体力、环境恶略）石油矿场，铸造混砂、矿山采矿，重型装配机器人（如三一重工重型机械装配）等国家急需的要有计划的搞出来排在首位，至于无人驾驶技术可往后安排。科学技术发展：要筑基础、补短板、强弱项。聚力解决发展中的主要矛盾。

基础是根基问题不可忽视 补短板强弱项 强弱项是全面发展互动的关键

善于抓主要矛盾既是思维方式也应该是工作方法！