这是一本教授如何采用简单直观的方法进行机械（或结构）拓扑结构概念设计的专著。本书作者道格拉斯·布兰丁（Douglass LBlanding）曾经在柯达公司工作长达20余年。书中的许多机械模型都来自于生产实践，是作者长期工作的经验总结。
全书内容共分为8章。第1章从简单的二维装置（本质都是平面机构）出发，介绍了运动学中的一些基本概念，如自由度、约束、瞬心、反力等，并引出了约束线图的概念。第2章简单介绍了几种典型的三维约束装置，作为由平面装置向空间装置的过渡。第3章是全书的重点，从空间三维的角度系统介绍了约束线图分析法的基本原理。第4～7章分别给出了该方法在柔性元件、联轴器、复杂装置和结构设计中的应用。第8章，也是本书的最后一章，则列举了一个如何应用约束图谱法设计纺织机的具体实例。
在本书中，读者可以学习到大量与机械运动学设计相关的准则和技巧。全书通过全面系统地探索那些历史悠久但又有些抽象晦涩的运动设计原理（广泛用于精密仪器设计实践中己逾百年），可使读者从中获取一系列独特而强大的可用在任何机械（无论何种类型和尺寸）设计中的原则和技巧。而所有技巧的核心在于约束线图分析法的运用。该方法可将机械连接的约束及自由度用一组空间线图来表示，以达到可视化的目的。事实上，无论是精密仪器、办公用品，还是汽车、飞机、空间站等，任何机械装置都可找到这类线图。了解这些设计原理不仅对求解疑难设计问题有帮助，同时也有助于设计质优价廉的新装置。
此外，本书还提供了丰富的设计实例，以便于读者迅速了解机械的工作原理，提高机械创新的技能以及驾驭复杂机械分析与设计的能力。
正如本书作者所言：“一幅图片抵得上一千个单词，一个模型抵得上一千幅图片。”本书尽管蕴含了深刻的运动学原理，但运用的是大量线框形式表达的二维、三维机械模型。另外，全文鲜有公式，并不像一般工科教材专著那样公式通篇，这使得本书的可读性非常强。
精密机械设计：运动学设计原理与实践前言前言本书通过全面系统地探索那些历史悠久但有些抽象晦涩的运动学设计原理（广泛用于精密仪器设计实践中已逾百年），可使读者从中获取一组独特而功能强大的法则和技巧。这些法则与技巧可用在任何机械设计中，无论何种类型和尺寸，无论设计的仪器精密与否。所有技巧的核心在于约束线图分析法的运用。该方法可将机械连接的约束及自由度用一组空间线图来表示，以达到可视化的目的。这些线图的空间关系一经揭开，就可以发现在它们之间遵循一个相当简单的“法则”。尽管并不是新的，却并不为人们所熟知。事实上，无论是精密仪器、办公用品还是大型车辆等，任何机械装置都可找到这类线图。通过学习识别机器中的这些线图，机械设计工程师将能够以全新的视角来了解机器的工作原理，从而往往会令他们给出其各自领域内特异问题的完美解答。这些原理集成在一起，就是本书所提到的“精确约束设计原理”。它将使设计者对机器的性能有更为深刻的理解，从而有助于设计者更容易地设计质优价廉的新装置。
精确约束设计原理将各种看似不同领域的机器设计问题整合在一起。例如，表现约束和自由度的线图既可以在机构的构件连接中找到，也可以发现于单个结构内部。因此，诸如结构分析与机构设计这两个不同的领域完全可以归于同类，因为对二者而言都可采用相同的分析技巧。
精确约束设计原理不仅仅可以应用于机器构件（部件）间的机械连接，有时，我们需要跳出机器本身来审视这些连接，例如汽车的轮胎与道路之间的“连接”。当工程师在设计汽车悬架机构时，为了确定诸如汽车转向轴位置这类几何特性，应当认真考虑这种连接。与之类似的例子是，当工厂生产线上需要传送一个又薄又长的卷幅（或柔性板材）——比如纸——时，我们必须将卷幅本身也作为机器的一个组成部分，并考虑传送过程中卷幅与辊子之间的机械连接关系。本书最后一章就是探讨精确约束设计原理如何在卷幅传送装置中应用。
本书可以给机器设计者以灵感。受众读者群包括与机器（汽车、农业机械、飞机、空间站、望远镜、办公设备、精密仪器等）设计相关的工程师、设计师、科研人员、技师以及维修人员等，也可以是那些对机械痴迷或者希望能更好地理解机器工作原理的人员。本书的主题源于一些最基本的运动学原理，看似抽象的理论通过丰富多彩的实例来补充。读者从中定能极大地加深对机器工作原理的理解，提高创新设计高性能、低成本机器以及分析了解现有复杂机器的能力。
作者编写本书的目的就是将有关机器设计的运动学法则与技巧集成在一起，变成一个能使位于工程实践第一线的工程师受益的系统实用教程。这些法则有些为大家所共知，有些则不然。其中的一些技巧则是全新的体验。例如，约束线图分析技巧是新的，所有这些法则与技巧以书中的方式来集成也肯定是新的。集成后所谓的“精确约束设计原理”，更是一种具有实用价值的方法论。它从运动学中的迷雾中冲出，将运动学设计原理应用到机械设计问题的各个层面，而并不仅仅用在精密仪器的设计中。
在对精确约束设计原理进行阐述的过程中，本书首先介绍基本概念，然后在这些基本概念的基础上提出精确约束设计原理，辅以大家所熟悉的实例，从而将抽象的概念变得更加形象具体。另外，本书尽管有大量精彩的运动学连接实例，但并不是一本运动连接的分类图书。作者既不是这些实例的发明者，也不想深究它们的原创者。这里只有一个目的——更加形象地阐述丰富多彩的精确约束设计原理。
背景背景虽然詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）并没有宣称自己第一个发现了运动学原理，但他却精炼地诠释了运动学设计的本质。在其论文《有关科学仪器的通用性考虑》（General Considerations Concerning Scientific Apparatus）中，他总结出“施加给科学仪器关键部件的机械约束数一定等于6减去该部件应该具有的自由度数”。他进而指出这些约束必须合理布置才能避免过约束。有关运动学设计理论的起源和发展可参考克里斯·埃文斯（Chris Evans）所著的《精密工程发展论》（Precision Engineering：An Evolutionary View）。
运动设计原理己逐渐成为精密仪器设计的基本原理之一。怀特海德（TNWhitehead）在其所著的《仪器与精密机械设计与应用》（The Design and Use of Instruments and Accurate Mechanism）一书中指出：运动学精度作为仪器与精密机械设计的本质需求，一旦遵循其中的设计原理，必将从中获益，譬如可实现超高精度、预期的性能以及关键部件非常微小的变形等。
20世纪60年代，伊士曼柯达公司的约翰·麦克劳德（John McLeod）博士在工作中就采用运动学设计原理设计精密光学元件中的刚性结构和柔性支撑。他注意到板簧和细长杆都可承受适度的拉压载荷，而在受到横向及弯曲载荷时却很容易发生弯曲变形，因此都可作为柔性元件来使用。麦克劳德博士给出了如何将不同分布方式下的柔性细长杆连接在一起以实现不同类型的约束，进而得到不同的自由度类型。同时，他也注意到结构中经常使用的板簧和杆，尽管非常厚，但与柔性元件形状类似，因此在外载下也具有相似的反应。这一观察结果由此将运动学设计原理扩展至结构设计中。麦克劳德博士甚至还发明了“精确约束”（exact constraint）一词，用它来描述受关注元件既不欠约束也不过约束的条件是其受到了“在运动学上正确”的约束限制，即所希望的自由度恰恰满足。
在柯达公司的另一位员工——电气工程师约翰·莫斯（John EMorse）的努力下，运动学设计原理得到进一步发展。他在处理一系列意外事件时开始关注精确约束设计。他深入了解了麦克劳德博士的工作以及对结构和支撑光学元件的柔性机构中过约束、欠约束、精确约束的解释。当时，莫斯博士正在思考如何解决看似与之完全不相干的卷幅（柔性板材）传送问题。他经过深入细致的观察发现：他的机器中所传送的卷幅实际上是机器中的一个二维刚性元件，并与机器相连。经过这样的思考，他很自然地将运动学设计原理应用到分析与解决卷幅传送问题之中。莫斯博士继续研究和精炼这一技巧，并称之为“卷幅传送中的精确约束”。 20世纪80年代早期，莫斯博士将精确约束设计向伊士曼柯达公司的全体员工进行推广，他做了多场专题讲座，甚至发表了两本全面系统的论文集《基于精确约束的机器设计》（Exact Constraint Machine Design）与《卷幅传送中的精确约束》（Exact Web Handling）。
我十分有幸从1984年开始和莫斯先生共事，直至他1986年退休。那时的我是精确约束设计的坚定追随者，深信运动学设计原理强大到足可以解决机器设计领域的诸多问题。我继续在该领域开展工作，发表了多篇短论文（柯达公司内部使用）来记录如何应用著名的精确约束求解柯达公司全体工程师都感兴趣的问题。最近，应多方要求，我承担起整理有关这一主题相关材料的任务。我开始意识到可将这些素材变成一本基础教程，其中蕴含众多实例，以使对这一主题感兴趣的读者能够很容易地理解和应用自由度与约束之间的关系。
我尽力去找寻这样一种方法，但好像没有哪一种方法可以很好地将给定任意约束模式下的自由度确定出来，尤其当约束并不沿正交方向布置时。一名优秀的工程师经过多年经验的积累或许可以培养出某种直觉，但无法向无经验的人清晰地传达。我也注意到，甚至有着丰富经验的设计者也不能很好地解释和分析那些他们以前没有遇到过的机械连接。有这样一个例子：在某次我参加的有关运动学精度设计的主题讲座过程中，涉及到一种装置，该装置包括上下两个平台，两个平台之间由三条支链组成，每条支链都由球铰与螺纹千分尺相连接，但三条支链互为异面。报告人本来在运动学设计方面经验丰富，但面对如何精确给出该装置自由度的问题一筹莫展。我清楚地认识到尚有一片“乌云”横亘在眼前。
最后，当我用6个纯转动来表示物体的6个自由度（而不像通常那样用3个转动加上3个移动）时，我终于看透了那片乌云。这样就可以发现在表示物体自由度线图与其约束线图之间存在一个非常简单的关系。这个关系就是“约束线图分析法”的中心议题所在。颇具讽刺意味的是，这一结论经证明并非是个新东西，恰恰相反，它很陈旧——现在确实存在一种方法可以很漂亮地解析所有过去看似非常“聪明的求解”。它是一种粘合剂，将运动学设计可以应用的各种不同领域紧紧粘合在一起。不过，本书将以相当简洁的形式将这些基本原理和技巧组织在一起，这对从事机器设计的任何人而言都将是十分独特而又价值斐然的。
不像大多数工程类书籍那样的“定量”本性，本书所给出的原理和技巧都是“定性”的。书中的素材也并不期望屈从或者替代任何现有的工程分析。相反，精确约束设计原理旨在帮助设计者产生一个合理的机器拓扑结构，无论对象是机器本身还是结构，还是二者兼有之。同时也希望能够引导设计者正确安排机械约束以实现预期的自由度。因此，这本书的宗旨是传授一种设计方法论。而在学习本书时最好结合相关的工程基础教程。
