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世界最新機械設(shè)計理念
來源:中國科技期刊
摘要:根據(jù)目前國內(nèi)外設(shè)計學(xué)者進(jìn)行機械產(chǎn)品設(shè)計時的主要思維特點，將產(chǎn)品方案的設(shè)計方法概括為系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)模塊化、基于產(chǎn)品特征知識和智能。這幾種方法的特點及其相互間的有機聯(lián)系，提出產(chǎn)品方案設(shè)計計算機實現(xiàn)的努力方向。
關(guān)鍵詞：機械產(chǎn)品方案設(shè)計方法發(fā)展趨勢
設(shè)計文件是將語義設(shè)計網(wǎng)作為設(shè)計工具，在其開發(fā)的活性語義設(shè)計網(wǎng)ASK中，采用結(jié)點和線條組成的網(wǎng)絡(luò)描述設(shè)計，結(jié)點表示元件化的單元(如設(shè)計任務(wù)、功能、構(gòu)件或加工設(shè)備等)，線條用以調(diào)整和定義結(jié)點間不同的語義關(guān)系，由此為設(shè)計過程中的所有活動和結(jié)果預(yù)先建立模型，使早期設(shè)計要求的定義到每一個結(jié)構(gòu)的具體描述均可由關(guān)系間的定義表達(dá)，實現(xiàn)了計算機輔助設(shè)計過程由抽象到具體的飛躍。
系統(tǒng)化設(shè)計方法
系統(tǒng)化設(shè)計方法的主要特點是：將設(shè)計看成由若干個設(shè)計要素組成的一個系統(tǒng)，每個設(shè)計要素具有獨立性，各個要素間存在著有機的聯(lián)系，并具有層次性，所有的設(shè)計要素結(jié)合后，即可實現(xiàn)設(shè)計系統(tǒng)所需完成的任務(wù)。
系統(tǒng)化設(shè)計思想于70年代由德國學(xué)者Pahl和Beitz教授提出，他們以系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，制訂了設(shè)計的一般模式，倡導(dǎo)設(shè)計工作應(yīng)具備條理性。德國工程師協(xié)會在這一設(shè)計思想的基礎(chǔ)上，制訂出標(biāo)準(zhǔn)VDI2221技術(shù)系統(tǒng)和產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計方法。
1. 將用戶需求作為產(chǎn)品功能特征構(gòu)思、結(jié)構(gòu)設(shè)計和零件設(shè)計、工藝規(guī)劃、作業(yè)控制等的基礎(chǔ)，從產(chǎn)品開發(fā)的宏觀過程出發(fā)，利用質(zhì)量功能布置方法，系統(tǒng)地將用戶需求信息合理而有效地轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品開發(fā)各階段的技術(shù)目標(biāo)和作業(yè)控制規(guī)程的方法。
2. 將產(chǎn)品看作有機體層次上的生命系統(tǒng)，并借助于生命系統(tǒng)理論，把產(chǎn)品的設(shè)計過程劃分成功能需求層次、實現(xiàn)功能要求的概念層次和產(chǎn)品的具體設(shè)計層次。同時采用了生命系統(tǒng)圖符抽象地表達(dá)產(chǎn)品的功能要求，形成產(chǎn)品功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
3. 將機械設(shè)計中系統(tǒng)科學(xué)的應(yīng)用歸納為兩個基本問題：一是把要設(shè)計的產(chǎn)品作為一個系統(tǒng)處理，最佳地確定其組成部分（單元）及其相互關(guān)系；二是將產(chǎn)品設(shè)計過程看成一個系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計目標(biāo)，正確、合理地確定設(shè)計中各個方面的工作和各個不同的設(shè)計階段。
由于每個設(shè)計者研究問題的角度以及考慮問題的側(cè)重點不同，進(jìn)行方案設(shè)計時采用的具體研究方法亦存在差異。下面介紹一些具有代表性的系統(tǒng)化設(shè)計方法。
4. 設(shè)計元素法
用五個設(shè)計元素（功能、效應(yīng)、效應(yīng)載體、形狀元素和表面參數(shù)）描述“產(chǎn)品解”，認(rèn)為一個產(chǎn)品的五個設(shè)計元素值確定之后，產(chǎn)品的所有特征和特征值即已確定。我國亦有設(shè)計學(xué)者采用了類似方法描述產(chǎn)品的原理解。
5. 圖形建模法
研制的“設(shè)計分析和引導(dǎo)系統(tǒng)”KALEIT，用層次清楚的圖形描述出產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的抽象信息，實現(xiàn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能關(guān)系的圖形化建模，以及功能層之間的聯(lián)接。
將設(shè)計劃分成輔助方法和信息交換兩個方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用圖形符號、具有內(nèi)容豐富的語義模型結(jié)構(gòu)、可以描述集成條件、可以劃分約束類型、可以實現(xiàn)關(guān)系間的任意結(jié)合等特點，將設(shè)計方法解與信息技術(shù)進(jìn)行集成，實現(xiàn)了設(shè)計過程中不同抽象層間信息關(guān)系的圖形化建模。
6. “構(gòu)思”—“設(shè)計”法
將產(chǎn)品的方案設(shè)計分成“構(gòu)思”和“設(shè)計”兩個階段?！皹?gòu)思”階段的任務(wù)是尋求、選擇和組合滿足設(shè)計任務(wù)要求的原理解。“設(shè)計”階段的工作則是具體實現(xiàn)構(gòu)思階段的原理解。
將方案的“構(gòu)思”具體描述為：根據(jù)合適的功能結(jié)構(gòu)，尋求滿足設(shè)計任務(wù)要求的原理解。即功能結(jié)構(gòu)中的分功能由“結(jié)構(gòu)元素”實現(xiàn)，并將“結(jié)構(gòu)元素”間的物理聯(lián)接定義為“功能載體”，“功能載體”和“結(jié)構(gòu)元素”間的相互作用又形成了功能示意圖(機械運動簡圖)。方案的“設(shè)計”是根據(jù)功能示意圖，先定性地描述所有的“功能載體”和“結(jié)構(gòu)元素”，再定量地描述所有“結(jié)構(gòu)元素”和聯(lián)接件(“功能載體”)的形狀及位置，得到結(jié)構(gòu)示意圖。Roper，H.利用圖論理論，借助于由他定義的“總設(shè)計單元(GE)”、“結(jié)構(gòu)元素(KE)”、“功能結(jié)構(gòu)元素(FKE)”、“聯(lián)接結(jié)構(gòu)元素(VKE)”、“結(jié)構(gòu)零件(KT)”、“結(jié)構(gòu)元素零件(KET)”等概念，以及描述結(jié)構(gòu)元素尺寸、位置和傳動參數(shù)間相互關(guān)系的若干種簡圖，把設(shè)計專家憑直覺設(shè)計的方法做了形式化的描述，形成了有效地應(yīng)用現(xiàn)有知識的方法，并將其應(yīng)用于“構(gòu)思”和“設(shè)計”階段。
7. 鍵合圖法
將組成系統(tǒng)元件的功能分成產(chǎn)生能量、消耗能量、轉(zhuǎn)變能量形式、傳遞能量等各種類型，并借用鍵合圖表達(dá)元件的功能解，希望將基于功能的模型與鍵合圖結(jié)合，實現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的自動生成和功能結(jié)構(gòu)與鍵合圖之間的自動轉(zhuǎn)換，尋求由鍵合圖產(chǎn)生多個設(shè)計方案的方法。
提倡在產(chǎn)品功能分析的基礎(chǔ)上，將產(chǎn)品分解成具有某種功能的一個或幾個模塊化的基本結(jié)構(gòu)，通過選擇和組合這些模塊化基本結(jié)構(gòu)組建成不同的產(chǎn)品。這些基本結(jié)構(gòu)可以是零件、部件，甚至是一個系統(tǒng)。
本結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有標(biāo)準(zhǔn)化的接口(聯(lián)接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、層次化、靈便化、經(jīng)濟化，具有互換性、相容性和相關(guān)性。我國結(jié)合軟件構(gòu)件技術(shù)和CAD技術(shù)，將變形設(shè)計與組合設(shè)計相結(jié)合，根據(jù)分級模塊化原理，將加工中心機床由大到小分為產(chǎn)品級、部件級、組件級和元件級，并利用專家知識和CAD技術(shù)將它們組合成不同品種、不同規(guī)格的功能模塊，再由這些功能模塊組合成不同的加工中心總體方案。
以設(shè)計為目錄作為選擇變異機械結(jié)構(gòu)的工具，提出將設(shè)計的解元素進(jìn)行完整的、結(jié)構(gòu)化的編排，形成解集設(shè)計目錄。并在解集設(shè)計目錄中列出評論每一個解的附加信息，非常有利于設(shè)計工程師選擇解元素。
網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，異地協(xié)同設(shè)計與制造，以及從用戶對產(chǎn)品的功能需求→設(shè)計→加工→裝配→成品這一并行工程的實現(xiàn)成為可能。但是，達(dá)到這些目標(biāo)的重要前提條件之一，就是實現(xiàn)產(chǎn)品方案設(shè)計效果的三維可視化。為此，不僅三維圖形軟件、智能化設(shè)計軟件愈來愈多地應(yīng)用于產(chǎn)品的方案設(shè)計中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)以及多媒體、超媒體工具也在產(chǎn)品的方案設(shè)計中初露鋒芒。目前，德國等發(fā)達(dá)國家正著力于研究超媒體技術(shù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)STEP，以及標(biāo)準(zhǔn)虛擬現(xiàn)實造型語言上基于虛擬環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)交換格式)在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用。
機械產(chǎn)品的方案設(shè)計正朝著計算機輔助實現(xiàn)、智能化設(shè)計和滿足異地協(xié)同設(shè)計制造需求的方向邁進(jìn)，由于產(chǎn)品方案設(shè)計計算機實現(xiàn)方法的研究起步較晚，目前還沒有成熟的、能夠達(dá)到上述目標(biāo)的方案設(shè)計工具軟件。作者認(rèn)為，綜合運用文中四種類型設(shè)計方法是達(dá)到這一目標(biāo)有效途徑。雖然這些方法的綜合運用涉及的領(lǐng)域較多，不僅與機械設(shè)計的領(lǐng)域知識有關(guān)，而且還涉及到系統(tǒng)工程理論、人工智能理論、計算機軟硬件工程、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等各方面的領(lǐng)域知識，但仍然是產(chǎn)品方案設(shè)計必須努力的方向。國外在這方面的研究已初見成效，我國設(shè)計學(xué)者也已意識到CAD技術(shù)與國際交流合作的重要性，及其應(yīng)當(dāng)采取的措施。
基于產(chǎn)品特征知識設(shè)計方法的主要特點是：用計算機能夠識別的語言描述產(chǎn)品的特征及其設(shè)計領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗，建立相應(yīng)的知識庫及推理機，再利用已存儲的領(lǐng)域知識和建立的推理機制實現(xiàn)計算機輔助產(chǎn)品的方案設(shè)計。
機械系統(tǒng)的方案設(shè)計主要是依據(jù)產(chǎn)品所具有的特征，以及設(shè)計領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗進(jìn)行推量和決策，完成機構(gòu)的型、數(shù)綜合。欲實現(xiàn)這一階段的計算機輔助設(shè)計，必須研究知識的自動獲取、表達(dá)、集成、協(xié)調(diào)、管理和使用。為此，國內(nèi)外設(shè)計學(xué)者針對機械系統(tǒng)方案設(shè)計知識的自動化處理做了大量的研究工作，采用的方法可歸納為下述幾種。
摘 要 I 摘 要 糕 點 在 日 常 生 活 是 一 種 常 見 的 食 品 ， 營 養(yǎng) 豐 富 ， 種 類 繁 多 。 因 此 深 受 人 們 喜 歡 。 在 人 們 的 日 常 生 活 中 具 有 很 重 要 作 用 ， 所 以 人 們 開 始 自 己 制 作 個 性 化 糕 點 。 因 此 小 型 家 庭 式 糕 點 切 片 機 應(yīng) 運 而 生 。 本 文 對 糕 點 切 片 機 的 研 究 的 最 新 狀 況 做 了 簡 要 介 紹 。 深 入 了 解 了 市 場 上 大 部 分 糕 點 切 片 機 的 優(yōu) 缺 點 ， 設(shè) 計 了 一 款 新 型 的 糕 點 切 片 機 。 該 切 片 機 用 了 槽 輪 機 構(gòu) 作 為 間 歇 進(jìn) 料 機 構(gòu) ， 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 旋 轉(zhuǎn) 角 度 準(zhǔn) 確 ， 能 夠 平 穩(wěn) 安 全 運 行 。 切 片 往 復(fù) 裝 置 采 用 了 曲 柄 滑 塊 機 構(gòu) ， 易 于 制 造 ， 成 本 低 廉 ， 承 載 能 力 大 。 而 且 具 有 急 回 特 性 ， 效 率 高 。 傳 動 機 構(gòu) 作 為 整 個 設(shè) 計 最 核 心 的 機 構(gòu) ， 采 用 了 皮 帶 傳 動 的 方 法 。 可 以 緩 沖 減 震 ， 傳 動 比 準(zhǔn) 確 。 同 步 帶 傳 動 同 時 具 有 帶 傳 動 、 鏈 傳 動 和 齒 輪 傳 動 的 優(yōu) 點 。 帶 與 帶 輪 間 無 相 對 滑 動 ， 能 保 證 精 確 的 傳 動 比 。 耐 磨 性 好 ， 不 需 潤 滑 油 ， 壽 命 長 。 應(yīng) 用 這 些 機 構(gòu) 可 以 最 大 程 度 實 現(xiàn) 總 體 材 料 和 結(jié) 構(gòu) 空 間 的 最 小 優(yōu) 化 。 并 且 設(shè) 計 的 切 片 機 構(gòu) 成 相 對 簡 單 ， 這 就 保 證 了 操 作 的 簡 便 性 。 適 用 于 家 庭 式 的 小 作 坊 使 用 。 而 且 研 究 制 造 成 本 也 比 較 低 。 在 家 庭 ， 小 型 車 間 場 合 制 作 蛋 糕 中 被 廣 泛 應(yīng) 用 。 關(guān) 鍵 詞 :糕 點 ； 切 片 機 ； 槽 輪 間 歇 推 料 ； 曲 柄 滑 塊 機 構(gòu) 目 錄 II 目 錄 摘 要 ...........................................................................................................................I 第 1 章 緒 論 .............................................................................................................1 1.1 研究目的和意義 ............................................................................................1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ............................................................................................1 第 2 章 糕點切片機的設(shè)計 .........................................................................................3 2.1 糕點切片機設(shè)計的要求 ................................................................................3 2.2 糕點間歇進(jìn)料機構(gòu)的確定和設(shè)計 ................................................................3 2.3 切片機往復(fù)切片裝置方案的確定 ................................................................6 第 3 章 傳動機構(gòu)的確定和設(shè)計 .................................................................................8 3.1 電機的選型 ....................................................................................................8 3.2 減速系統(tǒng)的設(shè)計 ............................................................................................8 第 4 章 軸的設(shè)計與計算 ...........................................................................................18 4.1 計算傳動裝置各軸的運動和動力參數(shù) ......................................................18 4.2 切片軸的設(shè)計 ..............................................................................................19 4.3 推料軸的設(shè)計 ..............................................................................................21 第 5 章 糕點切片機推料裝置的設(shè)計 .......................................................................26 第 6 章 糕點切片機切片裝置的設(shè)計 .......................................................................27 6.1 曲柄滑塊機構(gòu)的設(shè)計 ..................................................................................27 6.2 刀具的設(shè)計 ..................................................................................................27 第 7 章 機架的設(shè)計 ...................................................................................................29 第 8 章 結(jié) 論 ...........................................................................................................30 致 謝 .........................................................................................................................31 參考文獻(xiàn) .....................................................................................................................32 第 1 章 緒 論 - 1 - 第 1 章 緒 論 1.1 研究目的和意義 糕點作為一種深受人們歡迎的美食,以面粉為主要原料，加入一定比例的 蛋，乳品等，結(jié)合人們口味加入各種輔料，調(diào)味品，然后經(jīng)過蒸，烤，炒，炒 等工序制作 [1]。在如今各種各樣的糕點被生產(chǎn)，大約有 3000 種花式。蛋糕， 月餅均屬于糕點。作為數(shù)千年歷史的傳統(tǒng)食物，它具有悠久的傳統(tǒng)。遍布全國 各地，任何人無論在何時何地都可以享受到。在古代無論皇宮還是普通百姓都 可以享受 [2]。是一種非常受歡迎的美味。由于形狀和品類繁多，有很多方法可 以實現(xiàn)。蛋糕在不同的地方有不同的口味。 改革開放以來，中外食品的在隨著經(jīng)濟和文化交流中也受到影響，其中就 有糕點食品的交流。外國風(fēng)味和造型都是與國內(nèi)糕點非常不同。因此國內(nèi)外蛋 糕融合之后口味品種更多，尤其受到人們的喜愛 [3]，每有新品上市后都被追捧。 作為一種受歡迎的食物，有時被用作作為三餐來食用，特別是在一些高級蛋糕 中。即使少量對身體有益的藥添加到蛋糕中，也不會影響到蛋糕本身的味道 [4]。 在經(jīng)濟水平快速飛升的今天，人們更喜歡自己購買原料的方式來制作糕點 食品。糕點切片機已開發(fā)多年，而且已達(dá)到一定的發(fā)展階段。糕點切片機越來 越小，越來越以家庭為導(dǎo)向。從用戶的可操作性和價格方面出發(fā)。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在人民物質(zhì)水平急速提高的今天，人們對所購買蛋糕的品種及口味不滿意， 樂意根據(jù)自己的口味來做糕點，也就是所謂的 DIY。由于原材料和成分的購買 都非常方便，也可以依靠自己的喜好自己做蛋糕。隨著蛋糕類型的增加，蛋糕 味道越來越多樣化，人工生產(chǎn)越來越麻煩，切割的糕點外觀也不如用機器切割 出來的好看。因此小型家用糕點切片機變得非常受歡迎。因此，小家庭切片機 變得非常受歡迎。但是，在這個階段，國內(nèi)沒有一款簡單，使用方便，蛋糕切 片機便宜的蛋糕切片機。這個龐大的市場還沒有完全發(fā)展。 1.3 研究的主要內(nèi)容 - 2 - 研究在糕點制作過程中切片工作原理及結(jié)構(gòu)形式，在自己 DIY 的糕點成型 后利用槽輪機功能實現(xiàn)分時輸送，糕點的切片與蛋糕分離動作由曲柄滑塊機構(gòu) 實現(xiàn)，最大程度的實現(xiàn)了總體材料及結(jié)構(gòu)空間的最小化。 由于所制作的糕點品種不一，我們通過優(yōu)化所需傳動與工作部件的結(jié)構(gòu)， 使其設(shè)計參數(shù)最優(yōu)化，從而達(dá)到最優(yōu)效果。 1.4 研究的主要目標(biāo) 本設(shè)計選取的研究對象為小型家用的糕點切片機，滿足家庭需求，適用于 小批量生產(chǎn)，本文通過對糕點制作過程中的相應(yīng)流程分析，對切片裝置與糕點 的分離機理，切片來回運動中所受力的大小和方向及其來源，及其運動特點， 設(shè)計了最佳工作參數(shù)。對切片機構(gòu)進(jìn)行了最優(yōu)化啊設(shè)計，消耗得動力被降低， 制造成本被大幅度降低 。 第 2 章 糕點切片機的設(shè)計 - 3 - 第 2 章 糕點切片機的設(shè)計 2.1 糕點切片機設(shè)計的要求 根據(jù)糕點切片機的設(shè)計任務(wù)書上的設(shè)計要求可以知道，要求的糕點厚度為 10～20mm。糕點的切片長度范圍，也就是切片高要求為 5～80mm。切片在制 作糕點師能夠作用的最大距離為，沿著切片的寬度方向 300mm。切刀正常工 作頻率為 40 次/min。由于本次設(shè)計要求機器工作強度不大，阻力小所以電機 功率為 0.55KW；轉(zhuǎn)速為 1390r/min。 2.2 糕點間歇進(jìn)料機構(gòu)的確定和設(shè)計 本次設(shè)計初步選擇了三個可以實現(xiàn)糕點直線間歇移動機構(gòu)的方案。 方案一 如圖 1 是牛頭刨床，它可以用作往復(fù)式刨床，，因滑枕前端的刀架根據(jù)牛 頭設(shè)計而成，所以被稱作牛頭刨床?？梢詫崿F(xiàn)間歇移動。 - 4 - 刨床的優(yōu)點是快速返回運動特性?？梢栽O(shè)計每個桿尺寸的極限角度來設(shè)計 各個桿的長度 [5]。缺點是它不僅具有良好的間歇特性，只有急回特性所以不可 以很好的實現(xiàn)直線間歇移動，所以不能滿足設(shè)計要求。所以舍棄。 圖 2-1.牛頭刨床運動示意圖 方案二 如圖 2 所示，為為棘輪機構(gòu)，本主要由搖臂，制動器和外部棘輪組成，當(dāng) 搖桿連續(xù)擺動時，棘輪沿一個方向和間歇地旋轉(zhuǎn)。 圖 2-2.棘輪機構(gòu)示意圖 第 2 章 糕點切片機的設(shè)計 - 5 - 棘輪機構(gòu)的優(yōu)點是操作簡單，操作方便，可以順利實現(xiàn)間歇旋轉(zhuǎn)，而且還 可以調(diào)節(jié)切割厚度，缺點傳動精度相對較差，而噪聲大，在工作時，齒尖容易 磨損，因此不適合高速旋轉(zhuǎn)。提供蛋糕切割調(diào)節(jié)有級別。故舍棄。 方案三如圖 3 所示，是槽輪機構(gòu)，它是一種單向間歇運動機構(gòu)，由槽輪和 圓柱銷為其主要部件。經(jīng)常被用來將主動件的連續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成從動件的帶有停 歇的單向周期性轉(zhuǎn)動。故而可以很好的實現(xiàn)間歇移動。 圖 圖 2-3 槽輪機構(gòu) 該裝置具有簡單的結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)角度準(zhǔn)確，運行安全可靠程度較高，制作效 率高等優(yōu)點。實用新型強，具有的缺點為，槽輪在啟動和停止時加速度相對較 大，對工件有沖擊，所以不適合高速場合應(yīng)用。但是設(shè)計要求的工作速度不高， 這個缺點可以忽略不計。綜合考慮以上三個機構(gòu)的優(yōu)缺點之后決定采用槽輪機 構(gòu)比較合理。 - 6 - 2.3 切片機往復(fù)切片裝置方案的確定 本次設(shè)計初步選用了三個方案來實現(xiàn)往復(fù)直線運動。 2.3.1 凸輪機構(gòu) 將從動盤的運動速度等速轉(zhuǎn)化為相應(yīng)部件的速度的部件，其來回運動的位 移,路程速度變化率與凸輪的外廓曲線有關(guān)。凸輪機構(gòu)廣泛應(yīng)用于傳動機構(gòu)， 其他的裝置與其相比而言有一定缺陷 （1）簡單的設(shè)計過程，良好的適應(yīng)過程。 （2）整體結(jié)構(gòu)空間緊湊，控制效果準(zhǔn)確，可操作性好。 （3）穩(wěn)定性能好，出現(xiàn)故障的機率大，保養(yǎng)比較方便。 缺點：凸輪和跟隨器接觸高，易磨損，調(diào)節(jié)性差。另外，由于凸輪輪廓曲 線通常很復(fù)雜，所以很難處理 [6]。 2.3.2 齒輪齒條機構(gòu) 結(jié)構(gòu)緊湊，沖擊小，驅(qū)動精確，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，主動件往復(fù)運動的 優(yōu)點。 2.3.3 曲柄滑塊機構(gòu) 一般情況下，使用曲柄以恒定速度旋轉(zhuǎn)，滑塊用于往復(fù)直線運動，其往復(fù) 運動可均勻，或不均勻。作為直動從動件盤形凸輪機構(gòu)的等速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為從動 件的往復(fù)直線運動，其移動的位移,速度，加速度與凸輪的輪廓曲線有關(guān)。具 有回速快，效率高的特點，其結(jié)構(gòu)特點： （1）其結(jié)構(gòu)主體部件與其先對應(yīng)的輔助機構(gòu)組成，構(gòu)成部件較少，制造 難度低，成本低廉的特點。 （2）部件的力傳遞是通過對影得輔助機構(gòu)實現(xiàn)的，在較小的單位面積承 載能力大。 （3）通過合理設(shè)計每根桿的大小，聯(lián)動機制可以實現(xiàn)運動規(guī)律的多樣化。 （4）當(dāng)連桿和機架較長時，實現(xiàn)了動力的傳遞與轉(zhuǎn)化。 缺點是該連桿機構(gòu)的機械效率較低，是連桿機構(gòu)不能避免的，但該考慮到 成本及使用的場合，還是采用該機構(gòu)。槽輪在啟動和停止時加速度相對較大， 第 2 章 糕點切片機的設(shè)計 - 7 - 對工件有沖擊，所以不適合高速場合應(yīng)用。但是設(shè)計要求的工作速度不高，這 個缺點可以忽略不計。綜合考慮以上三個機構(gòu)的優(yōu)缺點之后決定采用槽輪機構(gòu) 比較合理。 圖 2-4 偏置曲柄滑塊機構(gòu) 通過上述比較，考慮到下一階段的發(fā)展，最終必然發(fā)展到自動化程度，因 此設(shè)自動化所要求的指標(biāo)必須被考慮。此機構(gòu)的運作是把糕點切開和把切開的 糕點送完傳輸裝置，不剪切糕點時，蛋糕前進(jìn)一定距離達(dá)到規(guī)定的位置。為了 實現(xiàn)切片操作，開始采用凸輪機構(gòu)，切刀的來回運動被控制，運動控制特性好， 最優(yōu)化了軌跡參數(shù)，但由于其設(shè)計制造過程復(fù)雜，較大的力不能夠被傳遞，而 切糕點所需的精度相對較低。所以我們考慮使用滑塊曲柄機構(gòu)，滑塊曲柄機構(gòu) 可以實現(xiàn)往復(fù)運動刀，傳遞較大力，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，可以降低生產(chǎn)成本， 滿足小型投資的需要，所以用這種設(shè)計由曲柄滑塊機構(gòu)構(gòu)成的切片機器是最好 的選擇 [7]。 - 8 - 第 3 章 傳動機構(gòu)的確定和設(shè)計 圖 3-1.傳動系統(tǒng)示意圖 3.1 電機的選型 根據(jù)要求，切片的頻率為 30 次/min。選擇型號為 Y801-4 的 Y 系列異步 電動機。電動機功率 0.55KW、轉(zhuǎn)速為 1390r/min。切刀切片時最大作用距離， 切片的寬度方向是 300mm。切刀的工作節(jié)拍要求每分鐘 40 次：40 次/min。由 于本次設(shè)計要求機器工作強度不大，阻力小所以電機功率為 0.55KW；轉(zhuǎn)速為 1390r/min。 3.2 減速系統(tǒng)的設(shè)計 本機構(gòu)為一高速電機,其轉(zhuǎn)速為 1390 r/min,但傳動所需要的轉(zhuǎn)速是 30r/min,所 以要減速。對于減速裝置采用帶傳動加齒輪的方法 [8]。第一級降速是用皮帶減 速,減為 240r/min。齒輪在第二級中減為每分鐘 30 轉(zhuǎn)。 3.2.1 皮帶傳動的設(shè)計： 皮帶驅(qū)動具有增大沖量，阻尼，傳動比準(zhǔn)確，便于控制的優(yōu)點。同步皮帶 傳動的優(yōu)點是帶驅(qū)動，鏈傳動和齒輪傳動。同步帶傳動由于帶與帶輪是靠嚙合 傳遞運動和動力，所以皮帶與皮帶輪之間沒有相對的滑動，從而確保傳動線路 第 3 章 傳動機構(gòu)的確定和設(shè)計 - 9 - 的傳動比準(zhǔn)確。傳動速度可達(dá) 50 米每秒，傳輸速率可達(dá)滿級，高達(dá)百分之九 十八。鏈條傳動和齒輪傳動，耐磨性好，無潤滑，使用壽命長于摩擦。主要缺 點是制造和安裝要求較高，中心距離要求嚴(yán)格。 因此，同步帶廣泛應(yīng)用于中 小傳動，傳動比準(zhǔn)確 [9]。 (1) 皮帶傳動設(shè)計主要是兩個大小不同的皮帶輪來完成。由于皮帶上線速 度相等，由 (3-1)24/139= /r，r×0 v 由此可見算出在電機上用于皮帶傳動的皮帶輪直徑大小 r1=36mm；另一 端皮帶輪 r2=220mm。傳動比 i=139/24. (2)工況系數(shù) KA=1.5[10]。傳動功率 P=0.55KW，得同步帶的設(shè)計功率 Pd=KaxPd=0.55x1.5KW=0.825KW[11]。小帶輪轉(zhuǎn)速 n1=1390r/min。初選同步帶 為模數(shù)制，因帶輪轉(zhuǎn)速較高，故同步帶模數(shù)應(yīng)選較小值，初定模數(shù) m=1.5。 (3)帶速 v= vmax， v=2.62m/s，由 vmax=40~50m/s，得 v 滿足條件。?10 x6 ndπ (4)初定中心距 a0，0.7（ d1+d2）
1, 故所選齒輪滿足要求。 推料軸和切片軸間用傳動比為 1：1 的齒輪傳動。 第 4 章 軸的設(shè)計與計算 - 19 - 第 4 章 軸的設(shè)計與計算 4.1 計算傳動裝置各軸的運動和動力參數(shù) 本設(shè)計重點設(shè)計切片軸以及推料軸，高速軸和中間軸用示意圖表示。 （1）各軸轉(zhuǎn)速 在傳動件的設(shè)計計算過程中，速度最高的為高速軸， 依此為中間軸，切 片軸，推料軸。 高速軸 （4-1） min/2401390rinmⅠ??? 中間軸 i/51i 切片軸 in/3022rinⅠ??? 推料軸 mi/30r （2）各輸入軸功率 高速軸 （4-2）kWPddⅠ 528.096.5101 ?????? 中間軸 kⅠ0.7322 切片軸 Ⅰ 49..3?? 推料軸 kPPⅠ 63.804224 ????? 各輸出功率為： 高速軸 kW517.9.58.09.? 中間軸 PⅠ4202??? 切片軸 k6..47.. 推料軸 Ⅰ59863098 （3）各軸輸入轉(zhuǎn)矩 - 20 - 電動機軸輸出轉(zhuǎn)矩 （4-3） mNnPTmdd ????78.31905.950 各輸入轉(zhuǎn)矩為： 高速軸 （4-4）iiddⅠ ??????? 01.26.87.31001? 中間軸 mNiTiTⅠ ??? 4.397..23112? 輸出軸 iiⅠ ???????? 8.1.0841.93223? 各軸輸出轉(zhuǎn)矩為： 高速軸 mNTⅠ??56.2.08. 中間軸 ???3891439 輸出軸 Ⅰ?... 各軸的輸出功率 高速軸 (4-5)kWPdd 528.096.50101 ?????? 中間軸 kⅠⅠ 0.7322 切片軸 49..3?? 推料軸 kPPⅠⅠ 63.804224 ????? 本設(shè)計重點設(shè)計其切片軸和推料軸。 4.2 切片軸的設(shè)計 已知：輸出軸上的功率 ，轉(zhuǎn)速 ，轉(zhuǎn)矩kWPⅠ47.0?min/30rnⅠ? ，該軸上的齒輪分度圓直徑 d=200mm 和 d=160mm。mNTⅠ??85.14 則作用在軸上的力為： 第 4 章 軸的設(shè)計與計算 - 21 - (4-6) NdTPⅠ5.1482085.12??? 初步確定軸的最小直徑 經(jīng)過初步估算，軸的最小半徑被確定。選取軸的材料為 45 鋼 [15]。 取 ，于是得120?A (4-7) mnPdⅠ16.283047.1230min ??? 位于聯(lián)軸器軸位置處的直徑顯然是輸出軸的最小直徑。 為了使所選軸的 直徑適應(yīng)聯(lián)軸器的孔徑，必須同時選擇聯(lián)軸器的類型 聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩 ，查表，考慮到轉(zhuǎn)矩變化很小，故?、馎caTK? ，則： 3.1?AK (4-8)mNTⅠAca ????1896051085.43.1 按照計算轉(zhuǎn)矩 應(yīng)小于聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩的條件，查用戶說明指導(dǎo)書 [16]，ca 選用 HL1 型彈性柱銷聯(lián)軸器，其公稱轉(zhuǎn)矩為 160000N·mm。半聯(lián)軸器的孔徑 ，故取 ；半聯(lián)軸器總長 L=52mm 半聯(lián)軸器與軸配合md201?mdⅠ2?? 的轂孔長度 L1=38mm。 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)定位軸向的相關(guān)條件確定軸的直徑 （1）為了滿足半聯(lián)軸器與孔徑的對位要求，左端需制出一軸肩右端用軸 端擋圈定位。 保持環(huán)的半聯(lián)接直徑 D = 30mm。 并且 L1 = 38mm 的芯軸孔長 度和長度應(yīng)略低于 L1，以確保軸端環(huán)在半軸上受壓，最后壓軸。 （2）滾動軸承的初步選擇。因為軸承只承受徑向力，所以常用的滾動軸 承 6005。齒輪節(jié)圓的最小直徑和參考軸為 ，B = 25mm×47mm * 12。它的大小 左端軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位。由手冊上查得 6005 型軸承的定位軸肩 高度 h=2.5mm，因此取 （3）在安裝齒輪軸直徑為 46mm 時，并將齒輪套筒安裝于右端和右側(cè)的軸 承寬度之間。 齒輪轂稱為 38mm。 為了使其可靠結(jié)束，擰緊齒輪軸應(yīng)略小于 車輪的寬度，因此長度為 33mm。 左肩定位齒輪， H> 0.07d 肩高。 H = 6mm，直徑 60mm 大于 1.4h。環(huán)寬，長 12mm。 - 22 - （4）軸承端蓋的總寬度為 20mm。根據(jù)軸承端蓋的裝拆及便于對軸承添 加潤滑脂，取端蓋的外端面與半聯(lián)軸器左端面間的距離 l=30mm。 （5）軸的右端為連接切片裝置，根據(jù)切片切刀位置，確定軸右端的長度 為 92mm。并在軸端設(shè)計兩個直徑為 4 的孔。與偏心輪連接。 至此，已初步確定了軸的各段直徑和長度。 軸的示意圖如下 圖 4-1 切片軸示意圖 4.3 推料軸的設(shè)計 已知：推料軸上的功率為 0.463kw，轉(zhuǎn)速 ，轉(zhuǎn)矩min/30rnⅠ? ，該軸上的齒輪分度圓直徑 d=160mm。mNTⅠ??85.14 則作用在軸上的力為： (4-9) 初步確定軸的最小直徑 先按式 15-2 初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理。 根據(jù)表 15-3， 取 ，于是得120?A (4-10) 第 4 章 軸的設(shè)計與計算 - 23 - 推料軸最小直徑為安裝軸承處，取最小直徑為 30mm。軸上安裝一個分度 圓直徑為 160mm 的齒輪，取安裝齒輪處的軸的直徑為 40mm；齒輪的右端與 右軸承之間采用套筒定位。已知齒輪輪轂的寬度為 38mm，為了使套筒端面可 靠地壓緊齒輪，此軸段應(yīng)略短于輪轂寬度，故取其長度 33mm。齒輪的左端采 用軸肩定位，軸肩高度 h>0.07d，取 h=6mm，則軸環(huán)處的直徑 60mm。軸環(huán)寬 度 b≥1.4h，取長度為 12mm。 推料軸右端與槽輪機構(gòu)連接，在軸右端面設(shè)計一個直徑為 5mm 的孔。 推料軸的成型圖如下圖所示 因小齒輪分度圓較小，固此將齒輪和軸做成一體， 則軸的材料和齒輪一 樣，也為 鋼，調(diào)質(zhì)處理。經(jīng)過計算，高速軸和中間軸的各段長度和直徑，rC40 畫出兩軸的示意圖分別如下： 圖 4-2 推料軸示意圖 計算軸的彎矩并畫出彎矩圖 水平面彎矩 MHB-Ft2L2+FH2(L2+L3)=0 (4-11) MHB=9482╳＋8321╳ (70+42)=-356260n·mm MHC+ FHL3=0 MHC=-8321╳47.4=-441013N·mm - 24 - 圖 4-3 高速軸示意圖 圖 4-4 中間軸示意圖 垂直面彎矩 -MVB-Fr2L2-Fv2(L2+L3)=0 MVB=3451╳74.2+2035(74.2+47.4)=4487n·mm MVC-FV2L3=0 MVC=-2035╳47.4=-107855n·mm 合成彎矩 = = =356288N·mm (4-12) = = =454010 N·mm E.畫扭矩圖，計算并畫當(dāng)量彎矩圖，轉(zhuǎn)矩按靜載荷計算，取 α=0.3 第 4 章 軸的設(shè)計與計算 - 25 - αT2=0.3╳474.09╳103=142227N·mm = = =383627 N·mm (4-13) = =454010 N·mm 根據(jù)計算得出的數(shù)據(jù)畫出彎矩圖 圖 4-5 彎矩示意圖 軸的強度校核 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度 - 26 - 軸的彎扭合成強度條件為 （4-14） ????12???????WTMca 已知 ，T=0mND?9354 由表 15-4 可知 （4-15） ??dtb23??? 式中，d=30mm ，b=8mm，t=4mm 將數(shù)據(jù)代入公式得： (4-16) 由以上數(shù)據(jù)可得： (4-17) ??53.67.142922 ????WMTca?? 查表 15-1 可知 ??701? 則有， ， 符合強度要求??ca 第 4 章 軸的設(shè)計與計算 - 27 - 圖 4-6 機架圖 - 28 - 第 5 章 糕點切片機推料裝置的設(shè)計 圓槽的槽的數(shù)量 Z 和撥針編號 K 是槽的輪式機構(gòu)的幾個重要的參數(shù)。根 據(jù)設(shè)計的要求，設(shè)計了單圓柱形缸針輪。如圖 3 所示，為了使這個輪開始和停 止的瞬時轉(zhuǎn)動角速度為零，以避免剛性沖擊氣缸銷進(jìn)入徑向槽從徑向槽中脫出， 垂直于表盤中心的圓柱銷連接中心線槽的中心線。讓 Z 的徑向槽數(shù)均勻分布， 如圖 2.3 所示，A1 輪轉(zhuǎn)動兩個槽的角度 a 時，表盤 1 的角度為 a2 為： a2 = π-a1 =π-2π/z （5-1） 有公式得：z=4.所以槽輪的槽數(shù)為 4. 在一次運行期間里，槽輪 2 的移動時間 t 和撥盤的移動時間 t 撥號運動系 數(shù)的比值表示為比率稱為移動系數(shù)。當(dāng) 1 個撥盤用恒速運行時，也可以用來表 示旋轉(zhuǎn)角度。 對于只有一個針槽輪機構(gòu)，tm 和 t 是旋轉(zhuǎn)撥盤 1 的所用的時間 為 a2 和 a1。因此，槽輪設(shè)備的是移動系數(shù) ： (2)kz??? （5-2） 由上式可知： 因運動系數(shù) 必須大于零（ 為零時表示槽輪始終保持不動），故徑向槽 數(shù) z 應(yīng)大于或等于 3. 本設(shè)計槽輪機構(gòu)的槽數(shù)選 4. 切片機的送料用輸送帶傳送，輸送帶輪直徑為 100mm。 輸送帶型號為 1000 300 EP 5 1000N/mm 4+2 L 槽輪的零件圖如下 圖 5-1 槽輪零件示意圖 第 6 章 糕點切片機切片裝置的設(shè)計 - 29 - 第 6 章 糕點切片機切片裝置的設(shè)計 6.1 曲柄滑塊機構(gòu)的設(shè)計 我們使用安裝在切片機滑塊曲柄機構(gòu)實現(xiàn)切刀來回運動，滑塊上固定有刀 具，當(dāng)曲柄往復(fù)運動時，圓周運動，放刀，考慮到刀具的快速返回特性，把滑 塊曲柄機構(gòu)偏移。該工具可以讓刀運動加速，平滑切口?？梢栽O(shè)計每個桿尺寸 的極限角度來設(shè)計各個桿的長度。缺點是它不僅具有良好的間歇特性，只有急 回特性所以不可以很好的實現(xiàn)直線間歇移動，所以不能滿足設(shè)計要求。所以舍 棄。 根據(jù)蛋糕切片厚度 10 到 20 毫米的要求，滑塊曲柄機構(gòu)分別設(shè)計為桿長 80 毫米，30 毫米。 偏心距 E = 40mm，具有快速返回功能。另外，聯(lián)動機構(gòu)被裝 在該機構(gòu)上，具有較大的承受能力，潤滑有利，裝配形狀配對元件進(jìn)行加工。 預(yù)計運動部件的運動規(guī)律的各個部件的長度變化。 6.2 刀具的設(shè)計 該機構(gòu)執(zhí)行工具的往復(fù)運動。因為用戶自己需求的糕點厚度為 20 毫米， 所以蛋糕切割機在運動中切割。為了給足夠的時間來切割蛋糕，該刀的設(shè)計路 徑長度 70mm 設(shè)計，即曲柄長度 30mm。從已知條件，糕點切片的長度（即高 度）：最大距離 5-80mm，工具（即寬度方向）部分：260mm，即糕點的最大 寬度為 260mm。 圖 6-1 偏置曲柄滑塊示意圖 - 30 - 根據(jù)工具的要求可以減小到 260mm 的寬度，這是由于滑塊曲柄機構(gòu)驅(qū)動 移動刀有自己向下的運動方向，考慮到刀寬設(shè)計工具，平滑增加 266mm，在 框架上有兩個平行的凹槽 的葉片在墻壁上，墻壁進(jìn)入葉片的端部可以平行移 動切割器，并平穩(wěn)移動。材料使用率大大提升，成本被極大降低，但可保證切 片機的質(zhì)量，下半部分設(shè)計成梯形切割刀。 切割 45 號鋼切割工具質(zhì)地柔軟的 蛋糕，再進(jìn)行淬火回火熱處理，淬火硬度達(dá)到 HRC 低于 55-58 葉片邊緣。 因 為連接曲柄滑塊機構(gòu)，所以設(shè)計了一個連接塊，并且連接螺栓 M8 連接。刀具 成型圖如下 圖 6-2 切刀示意圖 切片裝置與間歇進(jìn)料裝置的配合 第三十分鐘，包括葉片向上運動，并完成糕點的切割，快速回歸。槽輪車 削時間為槽輪間歇控制機構(gòu)，滑塊曲柄機構(gòu)分別設(shè)計為桿長 80mm，30mm。 偏心距 E = 40mm 的機構(gòu)，具有快速返回特性。另外，聯(lián)動機構(gòu)聯(lián)動機構(gòu)，能 承受更大的負(fù)荷，潤滑有利，裝配形狀配對元件進(jìn)行加工。預(yù)計運動部件的運 動規(guī)律的各個部件的長度變化。圓柱銷為 2S，在圓周旋轉(zhuǎn)過程中停止時間為 1.5s，進(jìn)給時間為 0.5s，起始時間片為 1.5s，位置為 的刀片從最低點的時間餅 0.5s，切片時間為 1.5s，所以在開始循環(huán)之前的 0.5 秒內(nèi)，槽輪驅(qū)動輸送帶， 從最低點到 1.5s 葉的位置 蛋糕，圓形皮帶切割機完成切割過程，暫停后返回 最低點。此時完成切片過程。 第 7 章 機架的設(shè)計 - 31 - 第 7 章 機架的設(shè)計 通過組裝協(xié)調(diào)，已經(jīng)確定了所有部件和部件。通過 CAD 的草圖，獲取每 個部分和框架的形狀的大小空間位置?？蚣苋缦聢D所示 ，為了方便維護(hù)和檢 查，框架由 10mm 45 號鋼板焊接。在框架的兩側(cè)是薄的軸承螺栓，安裝在框 架墻上，設(shè)計的尺寸如下圖所示： 圖 7-1 機架圖 - 32 - 第 8 章 結(jié) 論 該程序的設(shè)計是一個完整的整體。不能僅僅考慮一個或幾個的基本部分， 應(yīng)該考慮總體的概念。在課程設(shè)計中，結(jié)合了我以前三年所學(xué)過的知識，包括 機械制圖、機械設(shè)計、工程力學(xué)、以及 CAD 繪圖等等課程的學(xué)習(xí)。不同的設(shè) 計方案之間來回選擇也是很困難的。最后確定方案之后復(fù)雜的計算，到最終 CAD 繪圖。雖然完成了所有的設(shè)計內(nèi)容，但是也暴露了很多問題，很多知識 不能靈活應(yīng)用，對很多的知識也沒有很好的掌握，不能熟練的運用一些知識。 通過這次的設(shè)計，可以讓我們再次把我們的知識結(jié)合在一起，掌握那些不熟練 的知識。實現(xiàn)學(xué)以致用的目的。還有助于我們進(jìn)一步深化對機械設(shè)計的了解， 有助于讓我們認(rèn)清設(shè)計的基本步驟，了解熟悉設(shè)計的具體過程，提升我們的綜 合設(shè)計能力。 致 謝 - 33 - 致 謝 本次設(shè)計之所以能夠圓滿完成，離不開耿曙光老師的指導(dǎo)。本次設(shè)計從選 題到方案設(shè)計的選擇以及最后的設(shè)計都是在耿老師的悉心指導(dǎo)下完成的。值此 成文之際，謹(jǐn)向耿老師表達(dá)我深深的敬意和衷心的感謝！三年的學(xué)習(xí)和生活期 間始終得到學(xué)院各個老師和同學(xué)的無私幫助，在此深表感謝！最后衷心感謝所 有關(guān)心和幫助過我的人！謝謝你們！ - 34 - 參考文獻(xiàn) [1]高岳.糕點食品存在的問題及對策初探.食品安全導(dǎo)刊.2014，（21）：77- 78 [2]薛效賢.蛋糕加工技術(shù)及工藝配方[M].北京：科學(xué)技術(shù)出版社， 2000（10）：13-15 [3]陳玲.加入 WTO 對我國糕點食品業(yè)的影響及對策[J].商業(yè)研究， 2002（07）：42-65 [4]牛志新，孫成正.提高我國傳統(tǒng)糕點營養(yǎng)質(zhì)量的設(shè)想[J]. 食品科學(xué)， 1989（11）：20-40 [5]陳立德. 機械設(shè)計基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社， 2000 [6]濮良貴. 機械零件[M].北京：高等教育出版社， 1982 [7]鄒慧君.機械系統(tǒng)設(shè)計原理.北京：科學(xué)出版社，2002 [8]吳宗澤 羅圣國. 機械設(shè)計課程設(shè)計手冊[M ].北京：高等教育出版社， 1999 [9]王定國 周全光. 機械原理與機械零件[M].北京：高等教育出版社， 1993 [10]孟憲源. 現(xiàn)代機構(gòu)設(shè)計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社， 1994 [11]孫桓，陳作模. 機械原理[M]. 北京：高等教育出版社， 2001 [12]成大先.機械設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2016 [13]黃平，朱文堅.機械設(shè)計基礎(chǔ).北京：科學(xué)出版社，2008 [14]張云杰，尚蕾.零件設(shè)計.北京：清華大學(xué)出版社，2008 [15]申永勝. 機械原理教程[M]. 北京：清華大學(xué)出版社， 1999 [16]周全光 欒學(xué)鋼. 機械設(shè)計基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社， 1999