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第1章 绪论1

1.1 机械的基本概念1

1.1.1 机构、机器和机械1

1.1.2 机械系统2

1.1.3 人、机、环境的广义机械系统2

1.1.4 机械系统设计的重要性3

1.1.5 机械系统的能量流、物质流和信息流4

1.2 机器的类型及其基本特征7

1.2.1 机器的分类7

1.2.2 机器的基本特征8

1.2.3 动力机器类别与功能9

1.2.4 工作机器的类别与功能9

1.2.5 信息机器的类别与功能10

1.3 机械产品设计的一般程序和内容10

1.3.1 机械产品设计的类型10

1.3.2 机械产品设计的一般程序11

1.3.3 机械系统设计的基本内容11

1.4 机械创新设计的内涵和方法13

1.4.1 关于设计13

1.4.2 机械创新设计的内涵14

1.4.3 机械创新设计主要内容14

1.5 关于文献的说明20

第一篇 创新设计基础23

第2章 创新思维和创新原理23

2.1 概述23

2.1.1 创新是人类社会进步的强大动力23

2.1.2 创新的内涵24

2.2 创新思维方法25

2.2.1 思维的分类25

2.2.2 创造性思维的特点26

2.2.3 创造性思维的主要形式26

2.2.4 创造性思维的方向28

2.2.5 创造性思维过程的4个阶段28

2.3 创造性基本原理和思维活动方式29

2.3.1 创造性基本原理29

2.3.2 创新思维活动方式30

2.4 创新法则31

第3章 创新技法33

3.1 创新技法的作用和分类33

3.2 智力激励法34

3.2.1 智力激励法的4项原则34

3.2.2 智力激励法的运用程序34

3.3 类比创新法37

3.4 列举创新法37

3.5 组合创新法39

3.6 移植创新法39

3.6.1 移植创新法的基本原理40

3.6.2 移植创新法的分类和应用40

3.7 形态分析法40

3.7.1 形态分析法的基本原理41

3.7.2 形态分析法的基本步骤42

第二篇 机构创新设计45

第4章 机构的拓扑构造45

4.1 机构的组成45

4.1.1 构件45

4.1.2 运动副46

4.1.3 机构46

4.2 自由度和约束运动47

4.2.1 自由度47

4.2.2 约束运动49

4.3 链、一般化链及运动链51

4.3.1 链51

4.3.2 一般化链51

4.3.3 运动链55

4.4 机构的构形综合（型综合）58

第5章 机构的表示和特征61

5.1 矩阵表示61

5.1.1 杆邻接矩阵61

5.1.2 拓扑构造矩阵62

5.2 图表示和特征63

5.2.1 基本定义63

5.2.2 链和图66

5.3 排列群67

5.3.1 杆群67

5.3.2 运动副群68

5.3.3 链群68

5.3.4 相似类68

5.3.5 排列群68

5.4 机构的一般化70

5.4.1 一般化原则70

5.4.2 一般化规则70

5.4.3 一般化（运动）链71

5.5 机构的特殊化73

5.5.1 特殊化链和机构73

5.5.2 特殊化演算程序74

第6章 闭链机构的创新设计79

6.1 引言79

6.2 设计方法79

6.2.1 设计程序79

6.2.2 原始机构80

6.2.3 一般化81

6.2.4 数目综合82

6.2.5 特殊化82

6.2.6 具体化83

6.3 设计范例83

6.3.1 范例一：摩托车前轮防俯冲机构83

6.3.2 范例二：汽车自动变速器机构89

6.3.3 范例三：指南车95

第7章 开链机构的创新设计103

7.1 加工中心的自动换刀机构103

7.1.1 坐标系统103

7.1.2 换刀动作简图105

7.1.3 换刀动作图表示法106

7.1.4 换刀动作特性107

7.2 设计方法111

7.2.1 原始机构111

7.2.2 机构树形图111

7.2.3 一般化树形图111

7.2.4 树形图目录112

7.2.5 特殊化树形图目录112

7.2.6 机构目录113

7.3 无换刀臂式加工中心机构的构形综合113

7.3.1 无换刀臂式加工中心原始机构113

7.3.2 无换刀臂式加工中心机构树形图114

7.3.3 无换刀臂式加工中心机构一般化树形图114

7.3.4 无换刀臂式加工中心机构树形图目录115

7.3.5 无换刀臂式加工中心机构特殊化树形图目录116

7.3.6 无换刀臂式加工中心机构目录119

7.4 具有换刀臂式加工中心机构的构形综合123

7.4.1 具有换刀臂式加工中心原始机构123

7.4.2 具有换刀臂式加工中心机构树形图124

7.4.3 具有换刀臂式加工中心机构一般化树形图125

7.4.4 具有换刀臂式加工中心机构树形图目录126

7.4.5 具有换刀臂式加工中心机构特殊化树形图目录126

7.4.6 具有换刀臂式加工中心机构目录130

第8章 变链机构的创新设计135

8.1 可变运动副135

8.2 拓扑构造表示139

8.2.1 图表示139

8.2.2 运动副码142

8.2.3 有限状态机械142

8.3 构形设计方法143

8.3.1 原始机构144

8.3.2 机构图表示145

8.3.3 一般化图145

8.3.4 一般化图目录146

8.3.5 特殊化图目录146

8.3.6 机构目录147

8.4 设计范例148

8.4.1 范例一：双暂停曲柄滑块机构148

8.4.2 范例二：阻块式可变号按键锁153

第9章 电动机-轮系组合机构的创新设计161

9.1 原动机与传动机构组合设计161

9.1.1 电动机162

9.1.2 齿轮传动机构162

9.2 图表示法163

9.3 设计方法165

9.3.1 分析现有设计165

9.3.2 可行齿轮系图目录165

9.3.3 组合设计图目录166

9.3.4 可行组合设计图目录167

9.3.5 新型组合设计图目录169

9.4 设计范例172

9.4.1 设计范例一：4杆电动机-轮系组合机构172

9.4.2 设计范例二：发电机-轮系组合机构175

9.4.3 设计范例三：组合型行星齿轮同心式电动机178

第三篇 机械系统创新设计183

第10章 机械产品的市场需求和工作机理183

10.1 市场需求是产品开发的起点183

10.1.1 需求与产品设计的关系183

10.1.2 需求的内涵184

10.2 基于需求的功能分析188

10.2.1 企业产品开发规划189

10.2.2 设计任务书191

10.2.3 基于需求的功能分析191

10.3 功能细分和功能求解193

10.3.1 确定待研制的产品的总功能（功能抽象表述）194

10.3.2 功能的细分和设计194

10.3.3 功能元的组合方式196

10.3.4 确定合适的技术原理197

10.3.5 功能元求解197

10.4 机械产品的工作机理198

10.4.1 机器工作机理的内涵和表达199

10.4.2 机器工作机理的重要特征200

10.4.3 机器工作机理的构成要素201

10.5 机器工作机理的基本特征和分类202

10.5.1 机器工作机理的表现形式202

10.5.2 机器工作机理的主要类别202

10.5.3 按工作机的行业特点对工作机理分类203

10.6 机器工作机理分析和求解方法204

10.6.1 机器工作机理的组成204

10.6.2 机器工作机理的行为表达205

10.6.3 机器工作机理的分解206

10.7 机器工作机理行为表述的应用207

10.8 工作机理行为表述是机器功能原理求解的有效方法208

10.9 结论209

第11章 机器创新设计过程模型和功能求解模型211

11.1 机器的基本要素与系统特性211

11.1.1 构成机器的基本要素211

11.1.2 机器所具有的基本系统特性211

11.2 机器创新设计的构架和过程212

11.2.1 机器创新设计的基本框架212

11.2.2 创新设计过程中的几个重要概念214

11.2.3 机器创新设计过程中的主要步骤215

11.3 设计方法学中常用的功能求解模型216

11.3.1 设计目录求解模型216

11.3.2 功能—结构求解模型（F—S）216

11.3.3 功能—行为—结构求解模型（F—B—S）216

11.3.4 功能—效应—原理解求解模型217

11.3.5 运动链发散创新求解模型217

11.4 功能—效应—工艺动作过程—执行动作—机构的求解模型（F—E—P—A—M）217

11.4.1 构建F—E—P—A—M功能求解模型217

11.4.2 F—E—P—A—M功能求解模型的特点218

11.4.3 F—E—P—A—M功能求解模型示例219

11.5 执行机构选型和机构知识建模220

11.5.1 机构的分类原则和方法220

11.5.2 动作的描述和机构属性表达方式分析221

11.5.3 机构知识库结构模型222

11.5.4 计算机编码原则222

11.5.5 知识存储224

第12章 工艺动作过程构思和分解225

12.1 工艺动作过程的构思225

12.1.1 网络图的基本要素和绘制226

12.1.2 工艺动作过程和机器工作循环图227

12.1.3 工艺动作过程构思的方法和步骤231

12.2 工艺动作过程的分解233

12.2.1 工艺动作过程的分解准则233

12.2.2 工艺动作过程的分解方法234

12.3 动作结构创新235

12.3.1 动作分组创新法236

12.3.2 动作变换创新法238

12.4 机械系统运动方案的运动协调设计240

12.4.1 机器的机构传动系统类型和工作原理240

12.4.2 机器执行机构的协调设计243

12.4.3 执行机构协调设计的分析计算245

第13章 机械运动系统方案的计算机辅助设计247

13.1 引言247

13.2 基于F—P—A—M功能求解模型的机械运动系统方案计算机辅助设计流程248

13.2.1 F—P—A—M功能求解模型248

13.2.2 基于F—P—A—M模型的计算机辅助设计流程249

13.2.3 机械运动系统方案设计过程中相关状态的抽象描述250

13.3 执行机构的信息模型251

13.3.1 产品设计信息模型的特征251

13.3.2 层次化执行机构的信息模型252

13.4 执行机构运动特性和机构知识库253

13.4.1 执行机构输入—输出运动类型253

13.4.2 输出运动基本特性描述253

13.4.3 执行机构知识库建立原则254

13.4.4 机构的知识表示254

13.4.5 机构知识库的建立255

13.5 机构自动化选型256

13.5.1 机构自动化选型的问题空间Ωw256

13.5.2 机构自动化选型的解空间ΩJ257

13.5.3 机构自动化选型原理258

13.5.4 机构自动化选型应用举例259

13.6 机构系统自动化组成理论及其实现260

13.6.1 基于F—P—A—M模型的机构系统自动化组成过程260

13.6.2 机构系统组合的相容性准则261

13.6.3 机构系统自动化组成的实现262

13.6.4 机构系统自动化组成实例262

13.7 机械系统方案计算机辅助设计的展望263

第14章 机电一体化系统方案设计基本原理265

14.1 概述265

14.1.1 机电一体化系统的形成和发展265

14.1.2 机电一体化系统的定义266

14.1.3 机电一体化系统的研究状况266

14.1.4 机电一体化系统的组成268

14.1.5 机电一体化系统组成的新认识269

14.2 机电一体化系统应用和特点270

14.2.1 机电一体化系统的应用270

14.2.2 机电一体化产品的主要特点271

14.3 机电一体化系统方案设计过程模型及数学描述272

14.3.1 机电一体化系统设计过程模型的建立272

14.3.2 机电一体化系统设计过程的数学描述274

14.4 广义执行机构子系统的类型和设计275

14.4.1 传统执行机构275

14.4.2 广义执行机构276

14.4.3 广义执行机构的种类和基本特性277

14.4.4 驱动元件的机械特性和基本特点278

14.4.5 驱动元件与执行机构的匹配282

14.4.6 广义执行机构的运动方程式283

14.5 检测传感子系统的类型和设计283

14.5.1 检测传感器的分类与基本要求283

14.5.2 位移检测传感器286

14.5.3 速度、加速度传感器287

14.5.4 力、力矩传感器和其他传感器287

14.5.5 传感器与微机的接口288

14.5.6 检测传感系统的设计原则289

14.6 信息处理及控制子系统的类型和设计290

14.6.1 信息处理及控制子系统的基本构成290

14.6.2 信息处理及控制子系统的一般设计过程及内容290

14.6.3 主要控制方法292

14.6.4 控制系统的种类295

14.6.5 动作控制方式及其特点296

14.7 机电一体化系统设计举例298

14.7.1 线料自动切断机298

14.7.2 多功能缝纫机的横针机构300

第15章 机械运动方案设计的评价体系和评价方法303

15.1 评价指标体系的确定原则303

15.2 评价指标体系304

15.2.1 机构的评价指标304

15.2.2 几种典型机构评价指标的初步评定305

15.2.3 机构选型的评价体系305

15.2.4 机构评价指标的量化306

15.2.5 机构系统选型的评估方法307

15.3 价值工程方法307

15.3.1 产品的功能307

15.3.2 产品的寿命周期成本308

15.3.3 产品的价值308

15.3.4 机械运动方案的价值评定309

15.4 系统工程评价法310

15.4.1 系统工程评价方法的基本原则310

15.4.2 建立评价指标体系和确定评价指标值311

15.4.3 建立评价模型311

15.5 模糊综合评价法313

15.5.1 模糊综合评价中主要运算符号313

15.5.2 模糊集合的概念313

15.5.3 隶属度函数的确定方法314

15.5.4 模糊综合评价316

15.6 实例分析321

15.6.1 系统工程评价法评价机械运动系统方案321

15.6.2 模糊综合评价法评价机械运动系统方案324

第16章 机械创新设计实例分析331

16.1 机械创新设计实例的意义和作用331

16.2 冰淇淋自动包装机创新设计分析332

16.2.1 市场需求分析和机器功能确定332

16.2.2 机器工作机理和工艺动作过程构思332

16.2.3 机器工艺动作过程分解332

16.2.4 机器运动方案分解333

16.3 电动机电枢自动嵌绝缘纸机创新设计分析334

16.3.1 市场需求分析和机器功能确定334

16.3.2 机器工作机理和工艺动作过程335

16.3.3 机器工艺动作过程分解335

16.3.4 机器运动方案分解335

16.4 提花织物纹版冲孔机创新设计分析337

16.4.1 市场需求分析和机器功能确定337

16.4.2 机器工艺动作过程构思337

16.4.3 机器工艺动作过程分解337

16.4.4 机器运动方案分解338

参考文献341