【正文】 了精密設(shè)計的基本信息，說明了在精密加工這個重要領(lǐng)域中技術(shù)和將來的趨勢。在精密儀器和機(jī)床的很多部分，要經(jīng)過反復(fù)的祥和作用來達(dá)到最后的精度。由于誤差會產(chǎn)生幾何學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的影響，每一個部分都會影響到整體的精度。盡管實行了這些影響因素的相互作用在整個系統(tǒng)活動中有重要作用，但這里主要是分離的介紹這些因素。整篇論文的術(shù)語：儀器和機(jī)器都用來表示一種儀器。度量衡學(xué)的術(shù)語根據(jù)“國際大眾度量衡學(xué)術(shù)語詞匯表”定義的。在精密設(shè)計中，相對于純粹的度量衡學(xué)、精密定位和機(jī)床刀具路徑，有關(guān)機(jī)器和儀器的更是關(guān)鍵信息。因此，下列給出的定義，是從上面提到的國際詞匯表的擴(kuò)大。.加工精度：加工的實際數(shù)量等級的理想等級之間的差別，描述了質(zhì)量上的精度。.加工誤差：與加工結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)，描述可以合理的歸因于數(shù)量的等級的離中趨勢。.精度：可以從只是裝置中讀出的指示度數(shù)的最小刻度。.（加工結(jié)果的）重復(fù)性：在相同條件下成功加工相同量的結(jié)果間的差值。.重現(xiàn)性：在不同條件下加工結(jié)果間的差別。其他關(guān)于測量和制造機(jī)器的定義在[]和[]中分別給出，ISO準(zhǔn)則中給出了定量的描述。在布賴恩有關(guān)于“軸的旋度”的個別指導(dǎo)中描述了從20年代30年代末到現(xiàn)在的實際精密汽車轉(zhuǎn)向節(jié)和周的檢驗?zāi)Ｊ絒Bryan,1996]。 幾何圖在最初的機(jī)器和儀器設(shè)計中，幾何圖是設(shè)計者對于及其所應(yīng)具有的結(jié)構(gòu)的意向。在最初階段，幾何圖通常包括一些基本形狀。例如，用圓柱體或管子表示軸，用梁或者封閉的盒子結(jié)構(gòu)標(biāo)志支撐物，用平面或柱狀表示導(dǎo)向部分。但是，在實際中，這些理想的形狀不能被復(fù)制，由于受機(jī)床精度限制，直線永遠(yuǎn)不可能完全直，而且元也不可能完全圓。這里，仔細(xì)選擇加工工序是應(yīng)特別注意提高零件的精度。在加工過程中，越多運(yùn)動的軸將導(dǎo)致更多的錯誤，盡管額外的軸的微小運(yùn)動可能會對幾何誤差有一定的補(bǔ)償。精度不僅僅受肉眼的形狀誤差影響，也受肉眼偏差影響，例如表面光潔度。在整體加工中，這是很多應(yīng)用中的必須因素。在接觸關(guān)系中，磨對于表面光潔度的影響是明顯的。夾住的部分間的聯(lián)系對表面光潔度的影響就不太明顯，但是當(dāng)剛度、阻尼、磁滯和熱傳導(dǎo)率和熱擴(kuò)散型等性質(zhì)相關(guān)時就是必需的了。幾何圖不僅在加工過程中修改，如果沒有足夠的隔離（例如隔振、隔熱），幾何圖就會受環(huán)境影響，例如，大部分材料的元件，在溫度變化影響下的膨脹和變形，對于未加封的的自然花崗巖，它結(jié)構(gòu)的形狀取決于水汽的進(jìn)入。其他一些影響幾何圖的因素有：振動、電器和磁場。很多材料的使用壽命取決于空間的變化。同樣介紹了非理想的形狀，因為實際上機(jī)器時有很多零部件裝配而成的。這里，對形式和力的接近的解釋和單塊結(jié)構(gòu)和用螺釘或膠合的裝配結(jié)構(gòu)間的選擇的考慮是必要的。在裝配時，零部件可以用非常精確的特殊機(jī)床加工[]，盡管在接觸面的滯后作用可以會對整個在現(xiàn)性產(chǎn)生消極影響。在傳統(tǒng)形式中，對于閉環(huán)裝配部件要有窄的公差，否則會產(chǎn)生反接力，在錯誤測量情況下，就會在裝配時引入搞得不明確的壓力。力的封閉結(jié)構(gòu)從另一方面解決了這個問題，它采用靜態(tài)聯(lián)系方法，例如運(yùn)動學(xué)的、半運(yùn)動學(xué)的[]或者未運(yùn)動學(xué)的[]設(shè)計聯(lián)系，因此，大大減小了幾何形狀誤差，甚至在力封閉結(jié)構(gòu)中，一些幾何誤差，例如：導(dǎo)向軸方形誤差和平面誤差將會影響整個精度。但是這些誤差都是可以減小的，而且有可能采用軟件補(bǔ)償來減少。由于機(jī)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)的剛度有限，所以幾何位置在有載荷的情況下就會發(fā)生變化。特別是黨在和產(chǎn)生的位置和尺寸的變化時，將嚴(yán)重的影響機(jī)器的工作。當(dāng)有了正確的模型，這些誤差都可以預(yù)測和彌補(bǔ)[]。另一個關(guān)系到幾何圖的問題是：工件的定位。對于加工和測量機(jī)床，工件的定位必須保證在夾具內(nèi)不產(chǎn)生變形。同時，工件必須牢固的固定在機(jī)床的框架或工作臺上，而且，特別提到的是：在加工時，工件的熱膨脹不能產(chǎn)生過大的壓力。關(guān)系到定位問題的是：在高精密儀器重要是應(yīng)傳感器的襯墊物。這就是運(yùn)動的和半運(yùn)動的設(shè)計重點。 運(yùn)動學(xué)機(jī)床往往不是靜止的，用運(yùn)動學(xué)關(guān)系來描述就是：不同的部分有不同的運(yùn)動。這些結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)描述之描繪了理論發(fā)生什么，只基于理論長度、理論位置和理論圓弧的。但是，在實際中，這些因素都是在一定精度下保證的，因此，在實際的形式、速度和加速度等細(xì)節(jié)方面與理想的形式有所不同。在現(xiàn)代機(jī)床中，位置是由多個機(jī)械部分聯(lián)合產(chǎn)生的，例如，侍服控制系統(tǒng)中的促動器和傳感器。促動器的公路和速度、傳感器分析、控制方法和機(jī)械重現(xiàn)性等因素共同決定了規(guī)定方法的精度。在多于一根軸被控制的情況下，軸的同步性是影響精度的另一因素。例如，在銑圓弧外形時，要同時控制兩個正交軸。 動力學(xué)事實上，機(jī)床不是靜止的，包含有多個加速部分，意味著在加工過程中動力學(xué)效應(yīng)將起到重要的作用。一個將相對位置不確定的加速度影響減到最小的方法是選擇合適的輪廓，例如，在第二引出物中不包含突漲的曲率，例如，用傾斜的正弦來代替拋物線。防止振動和錯誤運(yùn)動同樣可以有效的減少動力位置誤差。零部件本身就可以按最小受力設(shè)計。若零部件是旋轉(zhuǎn)的，對稱結(jié)構(gòu)就有利于減少不平衡，同時全部的慣性的都可以減小，直線運(yùn)動時，應(yīng)保持質(zhì)量小，并且應(yīng)盡可能靠近軸驅(qū)動。另外一個決定機(jī)床對動力影響的因素是剛度。一般為了減小受力、增大剛度，不僅跟材料的質(zhì)量和種類有關(guān)，而且和分布也有關(guān)系。通常動力障礙有外部產(chǎn)生，例如地板和聲音的振動。這些情況下，剛度、質(zhì)量比對于減小輸入相應(yīng)是必需的。是機(jī)床和障礙隔離可以直接減小輸入。3. 設(shè)計原則高精度機(jī)床的設(shè)計要經(jīng)過很多人的分析。Pollard在他的“Cantor沿江”中描述了科學(xué)儀器的機(jī)械設(shè)計[Pollard,1922]。Loewen列出了主要的原理[Loewen,1980]。McKeown在[McKeown,1986,1987,1997]中定義了“十一條原理和技術(shù)”。Teague和Evans說明了基本概念，發(fā)表了12個“精密儀器模型”[Teague,19891997]。基于這些調(diào)查，總結(jié)了第三和第五部分。 Abbe和Bryan原理Abbe原理在1890年的[Abbe，1890]第一次發(fā)表：測量儀器一般是用來測量在作為附注的比例尺的延伸部分刻度的一條直線。這個原理也叫做調(diào)準(zhǔn)原理[Rolt,1929]，“Abbe比較儀原理”[Reindl,1967]和“機(jī)械設(shè)計和尺寸度量第一原理”[Bryan,1979c]。對于不能直線設(shè)計的情況重新說明，Bryan定義了一條綜合Abbe原理：“位移測量系統(tǒng)所測量的位移的功能點應(yīng)在同一條直線上。如果做不到這一點，那么轉(zhuǎn)變位移的滑動方法必須不受角度限制，或者角度數(shù)據(jù)必須作為Abbe原理計算結(jié)果的補(bǔ)償。另一個測量基本原理是Bryan定理[Bryan,1979a],是這樣定義的：“直線測量系統(tǒng)所測量的直線的功能點應(yīng)在同一條直線上?！比绻皇牵敲崔D(zhuǎn)變測量的滑動方法必須不受角度限制，或者角度數(shù)據(jù)必須作為計算補(bǔ)償。Vermeulen研制了一種3DCMM系統(tǒng)（），在該系統(tǒng)中，使用中間體（A和B），就可以在水平中間平面內(nèi)在三個方向上避免產(chǎn)生Abbe誤差。[Vermeulen，1998]。這臺機(jī)床也適用于Bryan原理，使機(jī)床的直線誤差不那么靈敏。：2DCMM多自由度分析Abbe和Bryan原理 運(yùn)動學(xué)設(shè)計Maxwell是這樣描述運(yùn)動學(xué)設(shè)計的：“儀器的各個部分是固體的，但不是固定的。如果固體部分受到多于六個方向的力時，它將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，并且會受力變形，但是若不采用非常精確的微米測量，是無法確定的[Maxwell，1890]。Lord Kelvin設(shè)立的劍橋科學(xué)儀器就是依據(jù)該設(shè)計理論，以達(dá)到高精度、低成本。GSIP廣泛的應(yīng)用該原理，特別是在度量儀器方面。Pollawd強(qiáng)調(diào)了在儀器裝置中，相對于一般的機(jī)床刀具設(shè)計的重要性，這不僅僅對使用者和減小變動有意義，也是對于經(jīng)濟(jì)加工而言[Pollard,1922] [Pollard,19291951]。對于當(dāng)今精密加工運(yùn)動學(xué)設(shè)計的重要性在[Blanding,1992]中有詳細(xì)地說明。MeKeown在他的“十一條原理”中也強(qiáng)調(diào)了它的重要性。Teague把它作為他的模型的一部分。還有一位不那么世界聞名的是Van der Hoek，從1962年到1985年，它同時是飛利浦電器的員工和恩加芬工業(yè)大學(xué)的教授。他的演講稿包括200個看起來相對較差的設(shè)計例子，在這些例子中，運(yùn)動學(xué)設(shè)計是解決問題的關(guān)鍵。[Hoek,19621986],[ Hoek,19851989]。其他一些介紹運(yùn)動學(xué)設(shè)計的書有[Slocum,1992]，[Smith,1992],[Nakazawa,1994]和[Koster,1996]。運(yùn)動學(xué)設(shè)計是從數(shù)學(xué)發(fā)展來的，它多少有些理想化，例如：固定不動的機(jī)體、筆直的線條、完美的圓和“點接觸”等等。盡管如此，由于在原理上是正確的，所以這仍是機(jī)械設(shè)計的一個良好開始。運(yùn)動學(xué)設(shè)計的基礎(chǔ)是非常重要的，一般都采用波形管[Debra,1998]。最典型的解決方法是利用一根細(xì)桿（）。由于桿的長度有限，在被限制的方向上，向一邊的位移就被限制了。采用折疊的兩片板就克服了以上的缺點，并可達(dá)到相同的功能（）。，它包括了四根桿。：限制單自由度運(yùn)動?？赏ㄟ^兩個細(xì)桿（）實現(xiàn)或者利用一個鉸接的金屬板。限制兩個直線自由度和一個旋轉(zhuǎn)自由度，例如，采用三根桿（）或者采用普通的金屬板（）。 限制兩個自由度的運(yùn)動：限制兩個直線自由度利用這些基本元素的組合，可制造運(yùn)動機(jī)構(gòu)或夾具。采用三塊鉸接金屬片限制平面的六個自由度，熱中心在與鉸接金屬片的中垂線交點。：限制六自由度和熱中心.：利用三塊折疊金屬的xyθ工作臺:.[Schouten，1997]。利用這種方法，當(dāng)接觸剛度和表面正交時的摩擦只是輕微的減小時，沿表面的摩擦了大大減小。由于剛度和力的比增大，遲滯（）.：利用TC的系統(tǒng)動力支承 熱循環(huán)熱循環(huán)的定義是：“在溫度變化時，一條經(jīng)過決定具體部件間相對位置的機(jī)械部件集合的路徑，原則上，熱循環(huán)應(yīng)盡量減小，以減小空間熱斜率的影響。機(jī)床熱循環(huán)中的熱膨脹又通過兩種方法：改變機(jī)床零件的有效長度或選擇合適的熱膨脹系數(shù)。定位的點和軸，可通過建立熱中心來選擇。106186。C內(nèi)才可測得[Breyor,1991]，但熱膨脹的影響可通過測量不同溫度下零件的膨脹程度[Kunzmann,1988]和選擇合適的定位點建立相等的熱長度來減小。[Breyor,1991]。熱源被限于機(jī)床內(nèi)部或外部會導(dǎo)致機(jī)床溫度外形的變化。由于相同的機(jī)床元件有不同的熱時間，這可能會導(dǎo)致在熱循環(huán)中的不等熱膨脹（）。因此，Donaldson強(qiáng)烈推薦，并在它的關(guān)于機(jī)床刀具[Donaldson，1980]的出版物中作為一個原理。就是：在熱源處把熱量帶走。Wetzels曾利用一個整體熱源來檢驗一個人機(jī)床穩(wěn)定性問題。移開熱源之后，利用一條規(guī)則可以減小熱趨勢。根據(jù)[ANSI,1992]，結(jié)構(gòu)鏈定義為：“機(jī)械零件的裝配，以保持指明的部件間的相對位置，一對典型的指明的部件是刀具和工件：結(jié)構(gòu)鏈包括主軸、軸承和軸套、導(dǎo)軌和機(jī)架、發(fā)動機(jī)和刀具、夾具?！睆陌l(fā)動機(jī)到響應(yīng)點的傳動路徑中全部機(jī)械零件和連接處，例如，最尾受動器（切削刀具或探針）或重力中心，必須具有高剛度以避免在改變載荷情況下的變形。機(jī)床或儀器的設(shè)計包括一個或多個結(jié)構(gòu)鏈。在一個認(rèn)為是好的結(jié)構(gòu)鏈設(shè)計中必須的是連續(xù)和平行路徑的分離。在連續(xù)路徑上，剛度不能突然變化。連續(xù)路徑的改進(jìn)方法是：通過把材料從最穩(wěn)定的部分轉(zhuǎn)移，從使最柔性的部分剛度增加。平行路徑的改進(jìn)方法則相反：改進(jìn)剛度最大的部分——為了系統(tǒng)質(zhì)量相等——到更柔性的平行路徑。由于物理限制，一個封閉鏈系統(tǒng)的測量系統(tǒng)不可避免的在離最尾受動器一定距離處攝制。除了友好的結(jié)構(gòu)鏈設(shè)計外，測量系統(tǒng)和最尾受動器間的路徑必須盡可能是剛度大，以減小偏差，例如，減小路徑長度，叫做“測量歡”[Kunzmann,1996]。度量結(jié)構(gòu)是誤差測量的參考結(jié)構(gòu)，獨立于機(jī)床基礎(chǔ)，例如作用在度量系統(tǒng)上的外力必須是不變的[Bryan,1979b]。DeBra建議把度量看作是綜合原理的一個例子，如“分離結(jié)構(gòu)”原理。[DeBra，1998]。實際上，力和位置信息路線是分離的概念，存在于旋轉(zhuǎn)平面的設(shè)計中，[Philips,1994]。在[Teague,19891997]中討論了度量機(jī)構(gòu)的歷史，以解決機(jī)床零件的變形問題。第一次度量結(jié)構(gòu)的例子是在很早以前的RogersBond宇宙比較儀中[Rogers,1883]。最近的例子就是Hocken的測量機(jī)械中的NIST和交互時間標(biāo)準(zhǔn)比較儀中的NPL及在39。Ultimat39。CMM系統(tǒng)中的LLNL[Bryan,1979b],84年的SPDTM[Bryan,1979a]和LODTM[Donaldson,1980],在Mckeown的Cranfield精密機(jī)床（）和WillsMoren[WillsMoren,1982]和[WillsMoren,1989]。[Teague,19891997]建議把度量結(jié)構(gòu)盡可能的做小一些，以減小環(huán)境影響。[Bryan,1979b]建議要建立零漂移度量機(jī)構(gòu)或利用溫度控制度量結(jié)構(gòu)的支撐面需和機(jī)床基體的偏差中和軸在同一位置。通過把正確的機(jī)械設(shè)計和閉環(huán)控制結(jié)合起來，可實現(xiàn)增大運(yùn)動速度、精度和運(yùn)動適應(yīng)性。典型的例子有：壓縮光盤播放器，高級CNC銑床和車床和快速零件裝配機(jī)床。隨著伺服定位控制裝置的發(fā)展，判斷傳動裝置是如何傳遞力的，以抵消慣性引起的力，例如刀具或者測量力、摩擦力等。如“十一條原理”[McKeown,1986,1987,1997]中闡述的，動力應(yīng)該安裝在直接驅(qū)動軸的位置。如果不行，由軸引起的偏差——叫做動力補(bǔ)償——包括機(jī)床導(dǎo)軌的動差。如果發(fā)動機(jī)和測量軸在旋轉(zhuǎn)中心的同一側(cè)，那么，導(dǎo)軌在它的可控性下合成旋轉(zhuǎn)的影響會減小。在很多3DCMM39。S中都用到了直立鍛床。為了避免鍛床的垂直導(dǎo)軌動力系統(tǒng)承受連續(xù)的力，就會用到力補(bǔ)償，因此要除去馬達(dá)中不期望的熱量浪費(fèi)?？赏ㄟ^和多途徑得到連續(xù)