【正文】 了精密設(shè)計(jì)的基本信息，說明了在精密加工這個(gè)重要領(lǐng)域中技術(shù)和將來(lái)的趨勢(shì)。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(lái)達(dá)到最后的精度。由于誤差會(huì)產(chǎn)生幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的影響，每一個(gè)部分都會(huì)影響到整體的精度。盡管實(shí)行了這些影響因素的相互作用在整個(gè)系統(tǒng)活動(dòng)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(yǔ)：儀器和機(jī)器都用來(lái)表示一種儀器。度量衡學(xué)的術(shù)語(yǔ)根據(jù)“國(guó)際大眾度量衡學(xué)術(shù)語(yǔ)詞匯表”定義的。在精密設(shè)計(jì)中，相對(duì)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(guó)際詞匯表的擴(kuò)大。.加工精度：加工的實(shí)際數(shù)量等級(jí)的理想等級(jí)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(jí)的離中趨勢(shì)。.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(cè)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(gè)別指導(dǎo)中描述了從20年代30年代末到現(xiàn)在的實(shí)際精密汽車轉(zhuǎn)向節(jié)和周的檢驗(yàn)?zāi)Ｊ絒Bryan,1996]。 幾何圖在最初的機(jī)器和儀器設(shè)計(jì)中，幾何圖是設(shè)計(jì)者對(duì)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(shí)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(dòng)的軸將導(dǎo)致更多的錯(cuò)誤，盡管額外的軸的微小運(yùn)動(dòng)可能會(huì)對(duì)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(duì)于表面光潔度的影響是明顯的。夾住的部分間的聯(lián)系對(duì)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(shí)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(huì)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(duì)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(dòng)、電器和磁場(chǎng)。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?yàn)閷?shí)際上機(jī)器時(shí)有很多零部件裝配而成的。這里，對(duì)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(shí)，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(huì)對(duì)整個(gè)在現(xiàn)性產(chǎn)生消極影響。在傳統(tǒng)形式中，對(duì)于閉環(huán)裝配部件要有窄的公差，否則會(huì)產(chǎn)生反接力，在錯(cuò)誤測(cè)量情況下，就會(huì)在裝配時(shí)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(gè)問題，它采用靜態(tài)聯(lián)系方法，例如運(yùn)動(dòng)學(xué)的、半運(yùn)動(dòng)學(xué)的[]或者未運(yùn)動(dòng)學(xué)的[]設(shè)計(jì)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(huì)影響整個(gè)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(lái)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(huì)發(fā)生變化。特別是黨在和產(chǎn)生的位置和尺寸的變化時(shí)，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(cè)和彌補(bǔ)[]。另一個(gè)關(guān)系到幾何圖的問題是：工件的定位。對(duì)于加工和測(cè)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(shí)，工件必須牢固的固定在機(jī)床的框架或工作臺(tái)上，而且，特別提到的是：在加工時(shí)，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(dòng)的和半運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。 運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)床往往不是靜止的，用運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系來(lái)描述就是：不同的部分有不同的運(yùn)動(dòng)。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(zhǎng)度、理論位置和理論圓弧的。但是，在實(shí)際中，這些因素都是在一定精度下保證的，因此，在實(shí)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(gè)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(dòng)器和傳感器。促動(dòng)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(shí)，要同時(shí)控制兩個(gè)正交軸。 動(dòng)力學(xué)事實(shí)上，機(jī)床不是靜止的，包含有多個(gè)加速部分，意味著在加工過程中動(dòng)力學(xué)效應(yīng)將起到重要的作用。一個(gè)將相對(duì)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(lái)代替拋物線。防止振動(dòng)和錯(cuò)誤運(yùn)動(dòng)同樣可以有效的減少動(dòng)力位置誤差。零部件本身就可以按最小受力設(shè)計(jì)。若零部件是旋轉(zhuǎn)的，對(duì)稱結(jié)構(gòu)就有利于減少不平衡，同時(shí)全部的慣性的都可以減小，直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)保持質(zhì)量小，并且應(yīng)盡可能靠近軸驅(qū)動(dòng)。另外一個(gè)決定機(jī)床對(duì)動(dòng)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(dòng)力障礙有外部產(chǎn)生，例如地板和聲音的振動(dòng)。這些情況下，剛度、質(zhì)量比對(duì)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(jì)原則高精度機(jī)床的設(shè)計(jì)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(jì)[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(gè)“精密儀器模型”[Teague,19891997]?；谶@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(cè)量?jī)x器一般是用來(lái)測(cè)量在作為附注的比例尺的延伸部分刻度的一條直線。這個(gè)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(jì)和尺寸度量第一原理”[Bryan,1979c]。對(duì)于不能直線設(shè)計(jì)的情況重新說明，Bryan定義了一條綜合Abbe原理：“位移測(cè)量系統(tǒng)所測(cè)量的位移的功能點(diǎn)應(yīng)在同一條直線上。如果做不到這一點(diǎn)，那么轉(zhuǎn)變位移的滑動(dòng)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(jì)算結(jié)果的補(bǔ)償。另一個(gè)測(cè)量基本原理是Bryan定理[Bryan,1979a],是這樣定義的：“直線測(cè)量系統(tǒng)所測(cè)量的直線的功能點(diǎn)應(yīng)在同一條直線上?！比绻皇牵敲崔D(zhuǎn)變測(cè)量的滑動(dòng)方法必須不受角度限制，或者角度數(shù)據(jù)必須作為計(jì)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(gè)方向上避免產(chǎn)生Abbe誤差。[Vermeulen，1998]。這臺(tái)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(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)Maxwell是這樣描述運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)的：“儀器的各個(gè)部分是固體的，但不是固定的。如果固體部分受到多于六個(gè)方向的力時(shí)，它將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，并且會(huì)受力變形，但是若不采用非常精確的微米測(cè)量，是無(wú)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(jì)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?jī)x器方面。Pollawd強(qiáng)調(diào)了在儀器裝置中，相對(duì)于一般的機(jī)床刀具設(shè)計(jì)的重要性，這不僅僅對(duì)使用者和減小變動(dòng)有意義，也是對(duì)于經(jīng)濟(jì)加工而言[Pollard,1922] [Pollard,19291951]。對(duì)于當(dāng)今精密加工運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)看起來(lái)相對(duì)較差的設(shè)計(jì)例子，在這些例子中，運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)是解決問題的關(guān)鍵。[Hoek,19621986],[ Hoek,19851989]。其他一些介紹運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)的書有[Slocum,1992]，[Smith,1992],[Nakazawa,1994]和[Koster,1996]。運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)是從數(shù)學(xué)發(fā)展來(lái)的，它多少有些理想化，例如：固定不動(dòng)的機(jī)體、筆直的線條、完美的圓和“點(diǎn)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(jì)的一個(gè)良好開始。運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(diǎn)，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(dòng)?？赏ㄟ^兩個(gè)細(xì)桿（）實(shí)現(xiàn)或者利用一個(gè)鉸接的金屬板。限制兩個(gè)直線自由度和一個(gè)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(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)：限制兩個(gè)直線自由度利用這些基本元素的組合，可制造運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)或夾具。采用三塊鉸接金屬片限制平面的六個(gè)自由度，熱中心在與鉸接金屬片的中垂線交點(diǎn)。：限制六自由度和熱中心.：利用三塊折疊金屬的xyθ工作臺(tái):.[Schouten，1997]。利用這種方法，當(dāng)接觸剛度和表面正交時(shí)的摩擦只是輕微的減小時(shí)，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(dòng)力支承 熱循環(huán)熱循環(huán)的定義是：“在溫度變化時(shí)，一條經(jīng)過決定具體部件間相對(duì)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(zhǎng)度或選擇合適的熱膨脹系數(shù)。定位的點(diǎn)和軸，可通過建立熱中心來(lái)選擇。106186。C內(nèi)才可測(cè)得[Breyor,1991]，但熱膨脹的影響可通過測(cè)量不同溫度下零件的膨脹程度[Kunzmann,1988]和選擇合適的定位點(diǎn)建立相等的熱長(zhǎng)度來(lái)減小。[Breyor,1991]。熱源被限于機(jī)床內(nèi)部或外部會(huì)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(shí)間，這可能會(huì)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(gè)原理。就是：在熱源處把熱量帶走。Wetzels曾利用一個(gè)整體熱源來(lái)檢驗(yàn)一個(gè)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(shì)。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(duì)位置，一對(duì)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(dòng)機(jī)和刀具、夾具?！睆陌l(fā)動(dòng)機(jī)到響應(yīng)點(diǎn)的傳動(dòng)路徑中全部機(jī)械零件和連接處，例如，最尾受動(dòng)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(jì)包括一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鏈。在一個(gè)認(rèn)為是好的結(jié)構(gòu)鏈設(shè)計(jì)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(gè)封閉鏈系統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)不可避免的在離最尾受動(dòng)器一定距離處攝制。除了友好的結(jié)構(gòu)鏈設(shè)計(jì)外，測(cè)量系統(tǒng)和最尾受動(dòng)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(zhǎng)度，叫做“測(cè)量歡”[Kunzmann,1996]。度量結(jié)構(gòu)是誤差測(cè)量的參考結(jié)構(gòu)，獨(dú)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(gè)例子，如“分離結(jié)構(gòu)”原理。[DeBra，1998]。實(shí)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(jì)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(cè)量機(jī)械中的NIST和交互時(shí)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(jì)和閉環(huán)控制結(jié)合起來(lái)，可實(shí)現(xiàn)增大運(yùn)動(dòng)速度、精度和運(yùn)動(dòng)適應(yīng)性。典型的例子有：壓縮光盤播放器，高級(jí)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(dòng)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(cè)量力、摩擦力等。如“十一條原理”[McKeown,1986,1987,1997]中闡述的，動(dòng)力應(yīng)該安裝在直接驅(qū)動(dòng)軸的位置。如果不行，由軸引起的偏差——叫做動(dòng)力補(bǔ)償——包括機(jī)床導(dǎo)軌的動(dòng)差。如果發(fā)動(dòng)機(jī)和測(cè)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(huì)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(dòng)力系統(tǒng)承受連續(xù)的力，就會(huì)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)