下面的內(nèi)容構(gòu)成了一個(gè)概念或設(shè)計(jì)活動的清單，這些概念或活動應(yīng)該是設(shè)計(jì)過程的內(nèi)在組成部分，特別是對于精密儀器和機(jī)器的開發(fā)。并非所有這些都是設(shè)計(jì)概念，例如，"性能測量 " 通常用于確定任何特定設(shè)計(jì)的數(shù)量限制，但仍然是設(shè)計(jì)和工藝發(fā)展的內(nèi)在因素。乍一看，這些概念中有許多可能是從其他被接受為 "良好實(shí)踐 "的考慮中抽象出來的。如果在學(xué)習(xí)了整個(gè)設(shè)計(jì)過程的其他部分后，在重溫本節(jié)時(shí)，這些想法的相關(guān)性和重要性變得更加重要，那么本篇文章的一個(gè)主要目的就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。

這些概念代表了設(shè)計(jì)師或設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在早期創(chuàng)意階段的指南，當(dāng)他們試圖構(gòu)思可能的解  決方案來應(yīng)對工程挑戰(zhàn)時(shí)，預(yù)審性能是一個(gè)必要的要求。

最重要的是，在判斷設(shè)計(jì)時(shí)，有必要盡量避免主觀偏見。在對一個(gè)想法進(jìn)行深思熟慮之后，往往很難將其拋棄，而對那些乍一看似乎缺乏可行性的想法則很容易拒絕。通常情況下，在考慮了許多想法之后，一個(gè)新的解決方案會顯示出比其他所有考慮過的方案更明顯的優(yōu)勢。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，往往會有一種 "感覺"，即 "那個(gè) "解決方案已經(jīng)產(chǎn)生，這時(shí)，進(jìn)一步的創(chuàng)造性思維就會停止（事實(shí)上，只有 "一個(gè) "解決方案）。即使是 "最終 "的解決方案也需要進(jìn)行批判性的審查和研究，以認(rèn)識到對問題的思考是如何被 "一個(gè) "新的解決方案所改變的。通過這種持續(xù)的審查過程，更多新的、甚至更好的解決方案往往開始出現(xiàn)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將逐漸思考問題的性質(zhì)和解決方案的可接受性，以供考慮。在決定了設(shè)計(jì)概念之后，就有必要對工藝開發(fā)的各個(gè)階段進(jìn)行規(guī)劃，并確定關(guān)鍵的性能要求。第1.4節(jié)討論了對后續(xù)過程評估和測量的兩個(gè)有用的概念，即Ishikawa圖和 "操作概念 "規(guī)劃。

1.2.1分析不是設(shè)計(jì)合成

再多的分析也無法改變一個(gè)糟糕的設(shè)計(jì)。對一個(gè)壞的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析的結(jié)果將是一個(gè)優(yōu)化的壞設(shè)計(jì)。

1.2.2設(shè)計(jì)規(guī)范和其他要求

在可能的情況下，要求應(yīng)始終以獨(dú)立于后續(xù)（機(jī)床）儀器/（機(jī)床）機(jī)器設(shè)計(jì)的量化措施來說明。例如，規(guī)定負(fù)載測量懸臂梁必須能夠承受100N的力，同時(shí)變形不超過1毫米，這是一個(gè)取決于設(shè)計(jì)的規(guī)格。要求覆蓋100N范圍內(nèi)的負(fù)載，且該負(fù)載導(dǎo)致的變形小于1毫米是獨(dú)立設(shè)計(jì)。

1.2.3對稱性

機(jī)械和支持結(jié)構(gòu)內(nèi)的對稱性很容易被發(fā)現(xiàn)，并帶來許多好處，主要是提高性能和簡化分析。在應(yīng)力和動態(tài)及熱響應(yīng)方面。例如，不需要使用任何分析來推斷，通過將一臺機(jī)器連接到第二臺相同的機(jī)器上，形成一個(gè)對稱的平面，就可以使機(jī)器產(chǎn)生的力在特定的方向上完全平衡。

1.2.4在可能的情況下，識別和消除彎矩

彎矩可被視為力的倍增器，導(dǎo)致相應(yīng)的大應(yīng)力和應(yīng)變。變形是應(yīng)變的積分，通常會導(dǎo)致圍繞彎曲軸線的旋轉(zhuǎn)，由于這種變形而產(chǎn)生的位移被負(fù)責(zé)彎曲力矩的杠桿臂的長度所增加。在許 多情況下，結(jié)構(gòu)件的失效會發(fā)生在彎矩最大的地方。這些區(qū)域的應(yīng)力往往因幾何形狀的急劇變化而加劇（應(yīng)力集中）。當(dāng)有彎矩時(shí)，可能會發(fā)生重大的變形錯(cuò)誤。如果這些不能避免，設(shè)計(jì)者應(yīng)設(shè)法補(bǔ)償或消除影響。對于普通車床的滑道，如圖1.2.1所示，當(dāng)使用進(jìn)給螺旋驅(qū)動裝置施加力時(shí)，由于滑動表面引起的摩擦力，很難消除彎矩。這些力產(chǎn)生的力矩會導(dǎo)致移動小車的小幅度俯仰和偏航誤差運(yùn)動。然而，通過將兩個(gè)滑道連接在一起（見圖1.2.2），并通過對稱線驅(qū)動移動滑架，力矩將被消除或大大減少。

圖1.2.1正面和等軸測視圖，V型和平面滑道的簡化模型

圖1.2.2 對稱的主軸設(shè)計(jì)：(a)組裝好的主軸，(b)去掉蓋子的主軸，(c)組裝好的主軸的橫截面，(d)去掉蓋子的主軸的剖視圖。主軸的橫截面，(d)去除蓋子后的主軸爆炸圖，(e)表示軸承接觸的 "三角孔"。

1.2.5循環(huán)

牛頓第三定律指出，每一個(gè)動作都有一個(gè)相等和相反的反應(yīng)。因此，對于任何施加在處于 平衡狀態(tài)的機(jī)構(gòu)上的力，都會有一個(gè)結(jié)構(gòu)元素的環(huán)，這個(gè)力圍繞著這個(gè)環(huán)傳遞，稱為力環(huán)。力會使這個(gè)環(huán)路周圍的結(jié)構(gòu)元素產(chǎn)生變形。當(dāng)測量結(jié)構(gòu)中各點(diǎn)的相對位移或位置時(shí)，也會有一個(gè)連接測量標(biāo)尺和相關(guān)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)元素環(huán)，稱為計(jì)量環(huán)。為了消除測量誤差，計(jì)量環(huán)最好保持剛性。因此，由于受力環(huán)路會變形，而計(jì)量環(huán)路應(yīng)該是剛性的，這兩個(gè)環(huán)路的結(jié)構(gòu)元素應(yīng)該盡可能地分開。這些和其他力環(huán)問題將在以后是我文章詳細(xì)討論。

循環(huán)的其他規(guī)則包括：保持元件的剛度度；保持力小和力矩小。保持穩(wěn)定的溫度，避免溫度梯度，特別是在結(jié)構(gòu)不對稱的方向上；確保諧振頻率高，并保持回路小。確保共振頻率高，并保持小的環(huán)路（對于高頻率響應(yīng)、小彎矩、低自重失真和快速熱響應(yīng)）。

1.2.6剛度

大多數(shù)機(jī)器，無論是用于測量還是加工，都需要提供精確控制的工作和動力。剛度是對機(jī)器在做機(jī)械工作和加速（和減速）結(jié)構(gòu)元素時(shí)保持精度的能力的直接衡量，當(dāng)計(jì)量和力環(huán)的組成部分重合時(shí)，剛度就顯得尤為重要。

對于許多精密的應(yīng)用，對剛性結(jié)構(gòu)的要求導(dǎo)致了力環(huán)部件內(nèi)的小應(yīng)變，因此不需要考慮強(qiáng)度問題。然而高剛度所需的大型結(jié)構(gòu)往往具有較高的質(zhì)量，并降低動態(tài)響應(yīng)，這可能是一個(gè)重要的問題。要提前預(yù)測復(fù)雜機(jī)構(gòu)中可能產(chǎn)生的力的性質(zhì)是很困難的，因此常常需要考慮許多坐標(biāo)方向上的力和力矩對結(jié)構(gòu)的影響。對于許多機(jī)構(gòu)來說，有必要考慮所有可能的力和力矩對設(shè)計(jì)的三維剛度的影響。

在某些情況下，低剛度是一個(gè)理想的目標(biāo)。一個(gè)例子可能是力控制的加工過程，如拋光。對于這樣的加工過程，目標(biāo)是在試樣和拋光圈之間施加一個(gè)恒定的（而且通常是均勻的）力。重力經(jīng)常被利用，并提供有效的零剛度力矢量。

1.2.7補(bǔ)償

在校準(zhǔn)儀器或機(jī)器時(shí)，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤會重復(fù)出現(xiàn)。誤差通常是恒定的，或者如果它們遵循 一個(gè)系統(tǒng)的或因果的模型，則可以預(yù)測到。因此，可重復(fù)的誤差可以被最小化；至少在任何隨機(jī)或不可預(yù)測的校準(zhǔn)偏差范圍內(nèi)。已知的誤差通常在計(jì)算機(jī)內(nèi)直接補(bǔ)償，幾乎是現(xiàn)代 機(jī)床和測量儀器的常規(guī)做法。因果誤差，如隨溫度變化的熱膨脹效應(yīng)、可預(yù)測的磨損率或 隨溫度、壓力和濕度變化的光學(xué)波長，可以使用預(yù)測模型進(jìn)行補(bǔ)償，書中給出了一些例子。

1.2.8空值控制

空值控制可以用來消除不良的誤差，通常在測量的情況下，通過將儀器（機(jī)床）恢復(fù)到空值狀態(tài)，并使用恢復(fù)力或位移來推斷測量值。在設(shè)計(jì)化驗(yàn)天平或普通質(zhì)量天平時(shí)，使用了一種   簡單而熟悉的無效方法。化驗(yàn)天平由兩個(gè)天平盤組成，待測的質(zhì)量由校準(zhǔn)的質(zhì)量來平衡。在平衡狀態(tài)下，機(jī)構(gòu)被恢復(fù)到應(yīng)用質(zhì)量之前的配置，這時(shí)由于秤臂的傾斜或彎曲而產(chǎn)生的任何誤差將圍繞機(jī)構(gòu)的對稱平面進(jìn)行補(bǔ)償。

有時(shí)主動控制可以與反饋一起使用。例如，所提出的公斤的新定義，在一種叫做瓦特或基布爾天平的儀器中，用電磁力來平衡質(zhì)量上的引力（Haddad等人，2016）。另一個(gè)基于空的設(shè)計(jì)是掃描探針顯微鏡，它使用一個(gè)尖銳的表面?zhèn)鞲衅鳒y量表面地形："探針"。這種探針通過監(jiān)測尖頭移動到接近表面時(shí)的相互作用來確定試樣表面上一個(gè)小點(diǎn)的位置。今天的掃描探針要么測量相互作用力，要么為了獲得最高的分辨率，測量導(dǎo)電針和試樣之間在針尖到試樣表面的間隙小于1納米的電子隧道。尖端被伺服控制以保持這種相互作用的恒定，因?yàn)樗诒砻嫔洗┬?。隨后，針尖的運(yùn)動被用作表面地形的測量，在隧穿探針的情況下，能夠分辨出單個(gè)原子中電子軌道的存在，這一壯舉為研究科學(xué)家Gerd Binnig贏得了榮譽(yù)。和合作者獲得1986年諾貝爾物理學(xué)獎。在許多這樣的實(shí)施中，空被用作將局部測量轉(zhuǎn)移到機(jī)構(gòu)中的手段，在那里可以很容易地實(shí)現(xiàn)高精度測量。

Zerodur是一種兩相陶瓷，這些相的比例被選擇為：在室溫附近的變化中，玻璃相的正膨脹被結(jié)晶相的負(fù)膨脹所補(bǔ)償，可以被認(rèn)為是解決熱不穩(wěn)定問題的一種無效或補(bǔ)償方法。

1.2.9誤差分離

誤差分離可以在任何可重復(fù)的機(jī)器或過程中實(shí)現(xiàn)，其中的誤差可以被認(rèn)為是兩個(gè)或多個(gè)效應(yīng)的直接總和。如果一個(gè)或多個(gè)影響可以被逆轉(zhuǎn)，原則上有可能將它們分開，以確定它們的影響或獨(dú)立補(bǔ)償這些影響。一個(gè)例子是使用一個(gè)主軸和一個(gè)探頭測量圓柱體（或球體） 的測量，該探頭隨著主軸的旋轉(zhuǎn)測量圓柱體表面的徑向變化。這種測量將包括主軸的徑向誤差運(yùn)動和圓柱體的徑向偏離圓度。如果探頭和圓柱體旋轉(zhuǎn)180°并重復(fù)測量，圓柱體的誤差將是相同的，而在第一次測量時(shí)導(dǎo)致峰值的主軸誤差運(yùn)動（即主軸向探頭移動）在從另一側(cè)測量時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)谷底。通過將這兩個(gè)測量值相加，主軸誤差將被抵消，只留下圓柱 體的失圓度；因此，這兩個(gè)誤差可以被分離。誤差分離和自我校準(zhǔn)的具體例子將在以后論文討論。

1.2.10自我糾正/校準(zhǔn)

與誤差分離一樣，自我糾正也是利用工藝配置的能力來糾正誤差。一種應(yīng)用是研磨平面板； 至少對于較小的板子，較大的、一米大小的板子不是這樣生產(chǎn)的。在這個(gè)過程中，三塊板可以連續(xù)地相互研磨，這樣一個(gè)平面的平面度誤差將被另一個(gè)平面的形式選擇性地消除，直到所有三個(gè)平面都趨向于一個(gè)平面。

1.2.11運(yùn)動學(xué)設(shè)計(jì)

運(yùn)動學(xué)設(shè)計(jì)代表了一種方法，旨在通過考慮使用關(guān)節(jié)連接剛體的效果來設(shè)計(jì)理論上理想和確定的機(jī)制，這些關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)是為了約束它們之間特定的運(yùn)動自由度。特別是，可以很容易地證明，兩個(gè)機(jī)構(gòu)之間的點(diǎn)接觸將約束一個(gè)自由度，而適當(dāng)安排的接觸總數(shù)將等于約束的總數(shù)。

確切的約束設(shè)計(jì)考慮了完整的機(jī)制，如果要有完全的確定性，所有的機(jī)構(gòu)在任何時(shí)候都將在所有的自由度上受到約束。例如，直線運(yùn)動平臺的移動小車可以沿其軸線自由移動，直到添加一個(gè)執(zhí)行器將其約束在所有自由度的特定位置。

1.2.12偽運(yùn)動學(xué)設(shè)計(jì)

當(dāng)需要承重能力時(shí)，通常需要進(jìn)行偽運(yùn)動學(xué)設(shè)計(jì)。在更高的負(fù)載下，"點(diǎn) "接觸的應(yīng)力變得不切實(shí)際，這些接觸被軸承、鉸鏈、機(jī)械接頭和聯(lián)軸器等形式的保形表面所取代。較大面積的接觸提供了更高的負(fù)載能力，但偏離了純運(yùn)動學(xué)原理。然而，運(yùn)動學(xué)設(shè)計(jì)的思想并沒有被完全拋棄，關(guān)節(jié)仍然被分類，裝配也是根據(jù)它們所帶來的或限制的自由度來評估的。以后引用其他資料將介紹運(yùn)動學(xué)和偽運(yùn)動學(xué)設(shè)計(jì)，以及隨后的機(jī)械裝置的 "機(jī)動性"。

1.2.13彈性設(shè)計(jì)和彈性平均法

所有制造的部件都必然會偏離其理想的幾何形狀，通常是在規(guī)定的制造公差范圍內(nèi)出現(xiàn)偏差。有正確公差的部件可以被加工成裝配體，并能滿足規(guī)定的性能要求。根據(jù)對裝配體施加的約束（通過應(yīng)用精確的約束和偽運(yùn)動學(xué)設(shè)計(jì)原則使其最小化），為了使部件裝配在一起，需要進(jìn)行一些有限的變形。這可能被認(rèn)為是對彈性變形的利用，以提供機(jī)構(gòu)中制造公差的功能容納。例如，滾動元件軸承的裝配依靠彈性變形來適應(yīng)滾動元件的小偏差。如果軸承中使用了許多元件，這些幾何偏差的影響可以平均化，以提供軸承的內(nèi)圈和外圈的偏差，這些偏差比單個(gè)滾動元件的偏差小。彈性平均法通常被認(rèn)為是彈性設(shè)計(jì)的一種形式。

1.2.14塑性設(shè)計(jì)

永久性變形可以被利用來提供保形接觸或部件對齊?；瑒颖砻娴?磨合'是塑性設(shè)計(jì)和彈性平均的結(jié)合。其他導(dǎo)致精密成型或保形表面的工藝包括研磨和珩磨、使用 "白金屬"（為嵌入性、保形性和摩擦學(xué)兼容性而選擇）、順應(yīng)性螺母、滑道刮削和使用滾珠制造球體。

度盤量具用于許多精密測量，通常由滑動或旋轉(zhuǎn)軸上的球形接觸組成。在一些應(yīng)用中，如量塊比較器，與平面和拋光表面的反復(fù)接觸將部分磨損微米級的粗糙度，直到接觸區(qū)域的球面本身被磨成大半徑和 "拋光"，從而使塑料應(yīng)力減少到彈性接觸條件，導(dǎo)致更多的可重復(fù)測量。大多數(shù)緊固件依靠表面紋理凸點(diǎn)的塑性變形來形成足夠的接觸面積。有些資料概述了表面接觸條件是彈性還是塑性。其他彈性和塑性設(shè)計(jì)的例子部分資料中有介紹。

1.2.15削減

令人驚訝的是，只要有一點(diǎn)設(shè)計(jì)上的獨(dú)創(chuàng)性，一個(gè)機(jī)構(gòu)中的許多子組件都可以用一個(gè)部件來代替，有時(shí)這些部件可以被取消。總的來說。用較少的部件替換復(fù)雜的裝配體，總是能簡化分析。許多裝配體，特別是那些需   要許多緊固件或需要特定公差的裝配體，對精確和/或確定性的理論模型是有阻力的。復(fù)雜裝配體的另一個(gè)問題是公差堆積問題。隨著裝配體中部件數(shù)量的增加，裝配體與所需幾何形狀的偏差也會增加，這往往會對其整體功能造成損害。在考慮裝配排列時(shí)，討論了減少作為簡化原則的作用。以后介紹有一個(gè)詳細(xì)的案例研究。隨著技術(shù)的進(jìn)步，在研究工程解決方案的演變時(shí)，經(jīng)?？梢允褂眠€原法。例如，化油器  已經(jīng)讓位給噴油器，現(xiàn)在正緩慢地向電動馬達(dá)演變，以取代內(nèi)部組合發(fā)動機(jī)。與減少有關(guān)的原則是，只要有可能，就使用直接的而不是衍生的測量。例如，已知?dú)怏w  的壓力可以從體積和溫度的測量中獲得。盡管兩者都能提供相同的結(jié)果，但直接的壓力測量將減少一半的測量次數(shù)，從而減少不確定度確定中的影響因素的數(shù)量。

1.2.16余弦誤差和阿貝誤差

對儀器和機(jī)器內(nèi)的線性或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的監(jiān)測，通常使用條形或圓盤形式的標(biāo)尺，其上有規(guī)則的線條，可以通過電子或光學(xué)方式進(jìn)行感應(yīng)。柵尺固定在機(jī)器的一個(gè)部分，而傳感頭連接到一個(gè)移動元件（例如滑架），讀數(shù)顯然是傳感頭相對于柵尺的運(yùn)動。然而，設(shè)計(jì)意圖是測量機(jī)器上某一點(diǎn)相對于另一點(diǎn)的運(yùn)動，例如，切割工具相對于正在加工的工件的運(yùn)動。由于實(shí)際原因，傳感器和標(biāo)尺在機(jī)器上的位置往往與感興趣的線不同。所關(guān)注的線（或軸）與測量之間的位置差異導(dǎo)致對準(zhǔn)（余弦）和偏移（阿貝）誤差，這些誤差可能是測量或位置不確定度的重要來源，即使機(jī)器的運(yùn)動誤差很小。

1.2.17設(shè)計(jì)的反轉(zhuǎn)

有時(shí)，一個(gè)系統(tǒng)的機(jī)制可以用倒置的配置來構(gòu)建。如果是這樣的話，對設(shè)計(jì)之間的差異的 考慮往往能闡明解決一個(gè)問題的不同方法的相對優(yōu)點(diǎn)和局限性，有時(shí)還能說明問題的性質(zhì)。

反轉(zhuǎn)的例子包括：

?熱泵或冰箱

?電力電纜（安裝在高處并將車輛移到下面，或安裝在地面以下并開過去）。

?懸索橋（鋼絲強(qiáng)行拉緊）。

?拱橋（混凝土抗壓性強(qiáng)）

?車削工具（反轉(zhuǎn)主軸，將工具倒置，使切屑從切削區(qū)落下）。

?一個(gè)大電機(jī)驅(qū)動許多小機(jī)器或一個(gè)小電機(jī)驅(qū)動每個(gè)機(jī)器

?自行車上的剎車線是在管子外面還是里面走（一個(gè)更容易，另一個(gè)更流線型，不會卡?。?。

?鼓式剎車片相互推開，但圍繞軸線對稱，盤式剎車片相互推開，但施加力矩，在支撐軸上產(chǎn)生扭矩。

在大多數(shù)機(jī)床（銑削、磨削）中，刀具放在主軸上，零件移動。在車床中，零件放在主軸上，刀具移動。

1.2.18能量耗散

沒有阻尼的系統(tǒng)在受到干擾力的作用下會無休止地振蕩。增加阻尼通常會減少振動的幅度，使控制更容易，但也會產(chǎn)生熱量，使事情變慢。因此，正確的阻尼總是代表著速度和精度之間的妥協(xié)。

1.2.19測試和驗(yàn)證

大多數(shù)設(shè)計(jì)在紙上是可行的，在實(shí)體模型中看起來也不錯(cuò)。然而，模型并不能顯示出設(shè)備運(yùn)行的所有方面。許多大公司由于過度依賴模型，在經(jīng)濟(jì)上和聲譽(yù)上都遭受了損失。一個(gè)設(shè)計(jì)要想成功，很多相互影響的因素都會起作用，包括社會、物理和經(jīng)濟(jì)。因此，原型有助于解決制造過程中的所有問題并將產(chǎn)品推向市場?？焖偕a(chǎn)和測試原型有助于在開發(fā)的早期階段確定主要問題。

1.2.20奧卡姆剃刀

布里弗利說。“簡單就是好"。當(dāng)一個(gè)問題有相互競爭的解決方案時(shí)，每一個(gè)方案都能以相當(dāng)?shù)某杀竞托阅軡M足要求，最好是選擇最簡單的方案。從本質(zhì)上講，奧卡姆剃刀被用來在那些看似以同等程度解決相同問題的競爭性設(shè)計(jì)之間做出決定。