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Ωw 256
13.5.2 机构自动化选型的解空间ΩJ 257
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