第1篇 创新设计基础 1
第1章 绪论 1
1.1概述 1
1.2机械设计创新概述 2
1.3机电创新产品的控制技术 5
1.3.1 工业控制计算机 5
1.3.2分散型控制系统（DCS） 6
1.3.3可编程序控制器 6
1.3.4单片机 7
1.3.5 DSP 7
1.4创新型人才培养 8
1.5课程性质及内容 9
第2章 创新思维与技法 11
2.1创新思维特点 11
2.2创新思维方法 11
2.2.1形象思维 12
2.2.2发散思维 13
2.2.3求异思维 13
2.2.4逻辑思维 14
2.2.5直觉思维 14
2.2.6灵感思维 14
2.3创新思维培养 14
2.4创新技法的分类 15
2.5创新技法 16
2.5.1类比法 16
2.5.2移植法 17
2.5.3组合法 18
第2篇 机械创新设计 20
第3章 机械系统方案创新设计 20
3.1机械系统概述 20
3.1.1机械系统的组成 20
3.1.2机械系统的特性 20
3.1.3机械系统设计的内容 21
3.2功能分析与综合 22
3.2.1功能分类 22
3.2.2功能分解 24
3.3原理分析与综合 25
3.3.1 39个工程参数 26
3.3.2 40个解决原理 28
3.3.3矛盾冲突矩阵 39
3.4构型分析与综合 40
3.5机械运动系统方案评价 43
3.5.1评价内容 44
3.5.2评价指标的量化 44
3.5.3评价方法 45
第4章 机构的创新设计 47
4.1机构创新设计原则 47
4.1.1机构尽可能简单 47
4.1.2尽量缩小机构尺寸 47
4.1.3合理选择运动副 47
4.1.4适当选择原动机 47
4.1.5应使机构具有较好的动力特性 48
4.2常用基木机构 48
4.2.1常用单自由度基本机构 49
4.2.2常用二自由度基本机构 50
4.2.3常用基本机构的特性 51
4.3机构变异设计与创新 52
4.3.1机架位置的变换 52
4.3.2构件形状和尺寸的变化 54
4.3.3运动副的变异与演化 57
4.3.4运动副的等效代换与创新 60
4.4机构组合设计与创新 61
4.4.1串联式组合 62
4.2.2并联式组合 66
4.2.3叠加式组合 69
4.2.4复合式组合 71
4.5机构再生运动链原理与创新 72
4.5.1再生运动链法的一般过程 72
4.5.2一般化规则 74
4.5.3运动链的连杆类配 78
4.5.4运动链再生方法 79
4.5.5新机构的构建 81
第5章 机械结构的创新设计 83
5.1机械结构设计概述 83
5.1.1机械结构设计的基本要求 83
5.1.2机械结构设计的原理 84
5.1.3机械结构设计的特点 85
5.2结构创新设计的变元法 87
5.2.1材料变元 87
5.2.2数量变元 88
5.2.3位置变元 88
5.2.4尺寸变元 90
5.2.5形状变元 90
5.2.6联接变元 91
5.2.7工艺变元 92
5.2.8实例分析 94
参考文献 95
第3篇 电控创新训练 97
第6章 可编程控制器概述 97
6.1 PLC的产生与发展 97
6.1.1 PLC的产生 97
6.1.2 PLC的发展 97
（1）早期阶段（20世纪60年代末-70年代中期） 97
（2）中期阶段（20世纪70年代中期-80年代中期） 98
（3）近期阶段（20世纪80年代中期-至今） 98
6.2 PLC的特点及应用 98
6.2.1 PLC的特点 98
（1）高可靠性 98
（2）应用灵活 98
（3）功能强、通用性好 99
（4）编程简单 99
6.2.2 PLC的应用 99
（1）数字量逻辑控制 99
（2）运动控制 99
（3）闭环过程控制 99
（4）数据处理 99
（5）通信联网 100
6.3 PLC的结构及工作原理 100
6.3.1 PLC的基本结构 100
（1）中央处理单元（CPU） 100
（2）存储器 100
1）系统程序存储器 101
2）用户程序存储器 101
3）变量（数据）存储器 101
（3）输入/输出接口 101
1）输入接口 101
2）输出接口 102
（4）编程器 103
（5）电源 103
6.3.2 PLC的工作原理 103
1）自诊断阶段 104
2）通信操作阶段 104
3）输入采样阶段 104
4）用户程序执行阶段 104
5）输出刷新阶段 104
6.3.3 PLC的I/O响应时间 104
第7章 S7-200系统概述 106
7.1 S7-200功能概述 106
7.2 S7-200 PLC的系统构成 106
（1）状态指示灯 107
（2）可选卡插槽 107
（3）RS-485串行通信口 107
（4）电源及输出端子 107
（5）输入端子及传感器电源 107
（6）扩展接口、模式选择开关、模拟量电位器 107
7.3 S7-200 CPU模块 108
7.3.1 CPU模块的技术指标 108
7.3.2 CPU模块的接线方式 109
7.3.3 CPU模块的通信接口 109
7.4 S7-200扩展模块 110
7.4.1数字量I/O扩展模块 110
（1）数字量I/O扩展模块的分类 110
（2）数字量I/O扩展模块的输入、输出规范 110
（3）数字量I/O扩展模块的接线 112
7.4.2模拟量I/O扩展模块 112
（1）模拟量I/O扩展模块的分类和技术规范 112
（2）模拟量扩展模块的接线 114
7.4.3温度测量扩展模块 115
7.4.4特殊功能模块 115
7.5S7-200供电和接线 116
第8章 S7-200 PLC编程基础 116
8.1 S7-200 PLC程序的结构 116
8.2 S7-200 PLC的数据区 117
（1）输入映像存储器I 117
（2）输出映像存储器Q 117
（3）模拟量输入映像存储器AI 118
（4）模拟量输出映像存储器AQ 118
（5）变量存储器V 118
（6）局部存储器L 118
（7）位存储器M 119
（8）特殊存储器SM 120
（9）定时器存储器T 120
（10）计数器存储器C 120
（11）高速计数器存储器HC 120
（12）顺序控制继电器S 120
（13）累加器AC 121
8.3 S7-200 PLC数据的保持 122
（1）内置电容保持数据 122
（2）内置电容＋电池卡保持数据 122
（3）使用数据块 122
（4）使用系统块 123
（5）编程保存数据 123
（6）使用存储卡 123
8.4 S7-200 PLC寻址方式 123
（1）直接寻址 123
（2）间接寻址 123
8.5 S7-200 PLC的编程语言 124
（1）梯形图（LAD） 124
（2）语句表（STL） 125
（3）功能块图（FBD） 126
第9章 S7-200 PLC的指令系统 127
9.1位逻辑指令 127
（1）触点指令 127
（2）线圈指令 128
（3）触点、线圈指令举例 129
（4） RS触发器指令 130
9.2数据处理指令 131
（1）比较指令 131
（2）传送指令 133
（3）移位指令 134
9.3定时器指令 135
（1）定时器概述 135
（2）接通延时定时器TON 136
（3）有记忆接通延时定时器TONR 137
（4）断开延时定时器TOF 138
9.4计数器指令 139
（1）加计数器指令（CTU） 139
（2）减计数器指令（CTD） 140
（3）加/减计数器指令（CTUD） 140
9.5程序控制指令 141
（1）循环指令 141
（2）跳转及标号指令 142
（3）顺序控制继电器指令 142
（4）条件结束指令与停止指令 143
（5）看门狗复位指令 144
9.6子程序指令 144
（1）建立子程序 145
（2）子程序指令 145
（3）带参数调用子程序 146
9.7中断指令 148
（1）中断概述 148
（2）中断指令 149
（3）中断程序的建立 150
（4）中断指令举例 151
第10章 S7-200编程软件STEP 7-Micro/WIN 152
10.1编程软件概述 152
10.2编程软件的安装 152
10.2.1安装条件 152
10.2.2软件安装 152
10.2.3安装SP升级包 153
10.3计算机和PLC的通信 153
10.3.1硬件连接 153
10.3.2通信设置 153
10.3.3 PLC通信参数设置 155
10.3.4不同PLC类型设置 156
10.4 STEP 7-Micro/WIN编程的概念和规则 156
（1）网络 157
（2）执行分区 157
（3） EN/ENO 157
（4）条件输入、无条件输入指令 157
（5）无输出的指令 157
（6） LAD编辑器符号说明 157
10.5 STEP 7-Micro/WIN V4.0软件界面及功能 158
（1）菜单条 158
（2）浏览条 159
（3）指令树 159
（4）项目提示 159
（5）工具栏 159
（6）程序编辑器 159
（7）状态条 160
（8）输出窗口 160
10.6创建工程及程序编写 160
10.6.1生成一个工程文件 160
（1）新建一个项目文件 160
（2）打开已有的项目文件 160
（3）从PLC上载项目文件 160
10.6.2程序编写 160
（1）输入程序 161
（2）编辑LAD线段 162
（3）插入和删除 162
（4）程序块操作 162
10.6.3程序编译和下载 162
10.6.4程序调试及运行监控 163
（1）有限次数扫描 163
（2）梯形图程序的状态监视 163
（3）状态表监视 164
（4）强制功能 164
（5）状态趋势图 165
（6）运行模式下的程序编辑 165
第11章 PLC应用系统设计及实例 166
11.1应用系统设计概述 166
11.2 PLC应用系统的设计 166
11.2.1 PLC控制系统的设计内容及设计步骤 166
（1） PLC控制系统的设计内容 166
（2）设计步骤 166
11.2.2 PLC的硬件设计和软件设计及调试 167
（1） PLC的硬件设计 167
（2） PLC的软件设计 167
（3）软件、硬件的调试 167
11.2.3 PLC程序设计常用的方法 168
（1）经验设计法 168
（2）继电器控制电路转换为梯形图法 168
（3）逻辑设计法 169
（4）顺序控制设计法 172
附录A 57-200仿真软件 176
A.1仿真软件简介 176
A.2仿真软件使用步骤 176
附录 B 特殊存储器（SM）各标志位的功能 178
B.1 SMBO：系统状态 178
B.2 SMB1：指令执行状态 178
B.3 SMB2：自由端口接收字符 178
B.4 SMB3：自由端口奇偶校验错误 179
B.5 SMB4：队列溢出 179
B.6 SM B5：I/O状态 179
B.7 SMB6：CPU标识寄存器 179
B.8 SMB7：保留 180
B.9 SMB8-SMB21：I/O模块标识和错误寄存器 180
B.10 SMW22-SMW26：以毫秒为单位的扫描时间 180
B.11 SMB28和SMB29：模拟调整 180
B.12 SMB30和SMB130：自由端口控制 181
参考文献 181
案例 182
Ⅰ机械创新设计大赛案例 182
案例1多功能拐杖的设计 182
1.1设计背景 182
1.2设计目标 183
1.3设计方案 184
1.4效果图 184
2多功能健身器的设计 184
2.1设计背景 184
2.2设计方案 185
2.3技术设计 185
3.3举重部分设计 191
4.2功能说明 193
4.3设计不足 194
3腰背锻炼器的设计 194
3.1设计背景 194
3.2腰部锻炼的作用 197
3.3设计目标 197
3.4设计方案 198
3.5结构设计 198
3.6结束语 199
4多功能手动除雪、清洁车的设计 199
4.1研究背景 199
4.2基本结构及工作原理 200
4.3主要工作部件及设计依据 200
4.4主要技术措施 202
4.5使用检验 203
4.6结束语 203
4.7设计感想 203
5燃气灶点火定时开关的设计 206
5.1设计背景 206
5.2基本结构和工作原理 207
5.3主要工作部件及设计依据 207
5.4结束语 209
6竖井救援装置的设计 209
6.1设计背景 209
6.2结构和主要尺寸 210
6.3强度校核 213
6.4工作过程及模拟试验 215
6.5结束语 216
7小型泥土挖抛灭火车的设计 217
7.1基本结构和工作原理 217
7.2主要设计内容 219
7.3结束语 221
7.4设计感想：我与机械创新设计大赛 222
Ⅱ机器人大赛案例 226
1绪论 226
1.1机器人竞赛 226
1.2亚太大学生机器人大赛 226
2行走机构 227
2.1行走机构简介 227
2.2行走机构类型 231
2.3轮子模块 239
2.4悬挂装置 240
2.5框架制作材料 241
2.6框架制作方法 243
2.7行走机构动力 246
2.8行走机构巡线及定位 250
3升降伸缩机构 254
3.1升降伸缩机构类型 254
3.2升降伸缩机构导轨 268
3.3升降伸缩机构限位 276