本書是在遵循課程教學改革“高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度”的要求，考慮加強學生綜合設計能力培養(yǎng)，倡導“理實一體、知行合一”的教學理念基礎上編寫的。全書分為上下兩篇，第1篇主要介紹常用基礎知識和設計技術，包括8章內(nèi)容，涵蓋從機構和結構的設計分析技術、機械制造工藝規(guī)程到電氣控制系統(tǒng)設計的復雜機電系統(tǒng)設計全過程中涉及的相關知識，從設計的角度對專業(yè)基礎課程和專業(yè)課程的相關知識點進行總結和聯(lián)系，并引入產(chǎn)品全生命周期設計、創(chuàng)新設計方法、有限元分析和優(yōu)化設計、增材制造等新知識和新技術；第2篇以小型沖床、四足行走機器人和模塊化工業(yè)機器人3個典型的設計案例，具體分析原理方案設計、結構設計與分析、工藝和控制系統(tǒng)設計的要點，引導學生在設計實踐中應用知識和創(chuàng)新知識，舉一反三，提高綜合設計能力。
本書可作為高等學校機械類專業(yè)的教材，也可供相關專業(yè)的師生和工程技術人員參考。
第1篇常用基礎知識和設計技術
第1章概述2
1.1復雜機電系統(tǒng)的含義2
1.2機械的分類4
1.3機械工程的發(fā)展史5
1.3.1古代機械階段5
1.3.2近代機械階段6
1.3.3現(xiàn)代機械階段8
第2章設計的內(nèi)涵10
2.1設計的意義和必要性10
2.1.1機械工程師應具有的素質(zhì)10
2.1.2機械產(chǎn)品的全生命周期11
2.2問題的提出和產(chǎn)品規(guī)劃12
2.2.1用途描述12
2.2.2限制條件12
2.3設計的流程13
2.3.1設計計劃13
2.3.2草案圖繪制14
2.3.3計劃圖繪制15
2.3.4零件圖、裝配圖、電氣控制圖繪制16
2.3.5制造、裝配、調(diào)試階段16
2.3.6檢查、試車階段16
2.3.7設計的后期工作16
2.4設計的思考過程17
2.4.1一般的思考過程17
2.4.2創(chuàng)造性的思考方法18
2.5設計技術23
第3章機構分析與方案設計26
3.1機構選型26
3.1.1執(zhí)行構件運動的常用機構26
3.1.2機構選型的運動特性分析31
3.1.3機構選型的基本原則33
3.2機械系統(tǒng)方案設計34
3.2.1運動方案設計34
3.2.2運動方案確定37
3.2.3執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)設計（運動循環(huán)圖設計）39
3.2.4原動機選擇46
3.2.5系統(tǒng)方案評價與決策47
3.3機構運動分析與力分析49
3.3.1機構運動分析49
3.3.2機構力分析50
第4章機械零件結構設計51
4.1典型工藝零件結構設計51
4.1.1金屬切削件結構設計51
4.1.2鑄件結構設計54
4.1.3焊接件結構設計57
4.1.43D打印件結構設計59
4.2典型功能零部件結構設計61
4.2.1動連接件結構設計61
4.2.2靜連接件結構設計68
4.2.3其他典型零件結構設計75
4.3零件精度設計79
4.3.1孔、軸公差與配合79
4.3.2滾動軸承的公差與配合81
4.3.3鍵和花鍵的公差83
4.3.4圓柱齒輪的公差86
第5章機械結構力學性能分析90
5.1有限元基本概念90
5.2有限元分析模型與求解基本流程91
5.2.1有限元分析建模準備91
5.2.2有限元模型建立與求解94
5.2.3有限元模型結果分析97
5.2.4常用軟件98
5.3機械結構靜特性分析99
5.3.1結構分析和簡化99
5.3.2受力分析101
5.3.3機床主軸箱的靜特性分析103
5.4機械結構動力學分析106
5.4.1基本概念106
5.4.2結構在載荷作用下的動特性計算107
5.4.3機床主軸箱模態(tài)分析109
第6章機械結構優(yōu)化設計110
6.1機械結構優(yōu)化的設計準則110
6.1.1優(yōu)化數(shù)學模型110
6.1.2機械結構的輕量化設計111
6.2機械結構優(yōu)化設計的流程112
6.2.1一般設計流程112
6.2.2結構優(yōu)化設計技術分類和特點114
6.3結構構型優(yōu)化設計115
6.3.1基于變密度法的結構構型設計117
6.3.2基于仿生原理的結構加強筋分布設計118
6.4結構形狀優(yōu)化設計120
6.4.1形狀優(yōu)化的數(shù)學模型121
6.4.2形狀優(yōu)化的設計過程121
6.5結構尺寸優(yōu)化設計123
6.6多學科綜合優(yōu)化設計的基本概念124
第7章機械制造工藝規(guī)程設計127
7.1工藝規(guī)程設計的前期準備127
7.1.1基本要求127
7.1.2原始資料127
7.1.3內(nèi)容與步驟127
7.2毛坯的設計與制造128
7.2.1毛坯的選擇128
7.2.2等材制造129
7.2.3增材制造134
7.3機械加工工藝規(guī)程設計136
7.3.1擬定零件的機械加工工藝路線136
7.3.2確定各工序采用的設備137
7.3.3切削用量的選擇及相關計算138
7.3.4機械加工工藝文件設計140
7.4典型零件機械加工工藝規(guī)程設計實例142
7.4.1主軸類零件的機械加工工藝規(guī)程142
7.4.2箱體類零件的機械加工工藝規(guī)程150
7.4.3齒輪類零件的機械加工工藝規(guī)程152
7.4.4連桿類零件的機械加工工藝規(guī)程154
第8章電氣控制系統(tǒng)設計161
8.1電氣控制系統(tǒng)設計的原則和內(nèi)容161
8.1.1設計的基本原則161
8.1.2設計的內(nèi)容161
8.1.3設計的基本流程162
8.2電氣控制電路的設計163
8.2.1電氣傳動方案的選擇163
8.2.2常用低壓電器164
8.2.3基本控制電路166
8.2.4繼電器-接觸器控制系統(tǒng)設計的基本方法172
8.3現(xiàn)代電氣控制電路的設計174
8.3.1單片機控制系統(tǒng)174
8.3.2可編程序控制器PLC177
8.3.3接口電路的選擇179
8.4現(xiàn)代伺服驅(qū)動系統(tǒng)設計179
8.4.1驅(qū)動器和驅(qū)動系統(tǒng)179
8.4.2常用傳感器180
8.4.3工業(yè)PC控制系統(tǒng)181
8.4.4伺服系統(tǒng)控制設計181
第2篇典型設計案例
第9章小型沖床設計184
9.1設計內(nèi)容184
9.1.1原理方案設計要求184
9.1.2結構設計要求185
9.1.3工藝設計要求185
9.1.4控制設計要求186
9.2原理方案設計186
9.2.1原理方案選擇186
9.2.2沖壓機構的原理方案187
9.2.3機構的傳動方案分析189
9.3結構設計及優(yōu)化190
9.3.1結構設計190
9.3.2曲軸強度分析192
9.3.3曲軸尺寸優(yōu)化193
9.4工藝方案設計197
9.4.1曲軸的主要技術要求197
9.4.2曲軸的材料與毛坯198
9.4.3曲軸的機械加工工藝198
9.5控制方案設計200
9.5.1沖床實現(xiàn)的主要功能200
9.5.2沖床電氣元件的選擇200
9.5.3電氣控制原理圖200
第10章四足行走機器人設計202
10.1設計內(nèi)容202
10.1.1原理方案設計要求202
10.1.2結構設計要求203
10.1.3工藝設計要求203
10.1.4控制設計要求204
10.2原理方案設計204
10.2.1原理方案選擇204
10.2.2行走機構的原理方案205
10.2.3原動機的選擇207
10.3結構模塊設計208
10.3.1結構方案設計208
10.3.2回轉(zhuǎn)副設計與校核210
10.3.3主軸設計與校核212
10.3.4總裝圖213
10.4工藝方案設計213
10.4.1軸承座的主要技術要求213
10.4.2軸承座的材料與毛坯213
10.4.3小端軸承座的機械加工工藝217
10.5控制方案設計217
10.5.1電氣控制總體方案確定217
10.5.2電氣元件表218
10.5.3電氣原理圖220
第11章模塊化工業(yè)機器人設計221
11.1設計內(nèi)容221
11.1.1原理方案設計要求221
11.1.2電氣控制設計要求221
11.2原理方案設計222
11.2.1機構運動簡圖222
11.2.2Delta機器人運動分析223
11.3控制方案設計224
11.3.1電氣元件的選擇225
11.3.2運動控制器功能與連線227
11.3.3電氣原理圖230
參考文獻234
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