在過去十年中，精密加工一直在不斷發(fā)展，以達到亞納米級精度。如圖 1 所示，Taniguchi教授根據過去的歷史預測了機床精度的演變。例如，圖中顯示，2010 年零部件的精度將接近亞納米級。機床的設計必須達到比產品預期精度更高的精度，因此到 2020 年，機床必須達到優(yōu)于亞納米的精度。今年是2024年，機床向著更高精度邁進，同時機床主體與自動化、人工智能的結合，距離智慧工廠的目標越來越近。

高科技產品在制造之初，如果材料完整度和表面完整度高，制造精確，就能實現其全部功能。圖 1 顯示了新產品規(guī)格過于嚴格的趨勢，因此必須采用出色的設計方法。表1 舉例說明了當前應用和產品中光學元件的超精密加工要求。

圖 1 Tanigushi 教授的圖表推斷。數值以微米為單位。

1.標準尺寸機器的設計策略

設計機械系統(tǒng)的方法多種多樣，可歸納如下：通過創(chuàng)建和建模的確定性方法、公理設計、稱為田口方法的穩(wěn)健設計、系統(tǒng)設計、以客戶為中心的產品和系統(tǒng)設計方法。此外，還可以引入虛擬設計，以簡化設計過程，并出于經濟原因減少或避免原型檢查。

虛擬機床設計包括計算機環(huán)境中的設計、測試、優(yōu)化、控制和機床部件。機床通常在 CAD 環(huán)境中設計。機床的 CAD 模型被導出到有限元分析 (FEA) 中進行結構分析，并根據數控控制模型和機床本身之間的交互作用來確定速度和加速度的控制回路。

 表1 光學精度要求

圖2顯示了虛擬計算在原型制造前幫助重新調整所選設計的步驟。檢查測試將顯示需要對原型進行多少調整，但預計調整幅度不大。

圖2 虛擬設計策略

標準尺寸機器的設計方法

隨著對超精密系統(tǒng)的需求不斷增加，標準的機器設計方法已不再適合設計精密機器和滿足嚴格的要求。因此，對于亞微米級精度的定位要求，設計策略將不再以標準方法為基礎。此外，似乎還必須確定和考慮其他關鍵設計參數?？紤]通常被認為是二階問題的所有物理現象變得極為重要。設計方法將包括幾個關鍵步驟，如選擇剛度較高的設計概念。重要的是要研究機器上已識別的現象是單獨影響整體精度還是耦合影響整體精度。該方法將通過減少可重復和不可重復的誤差，最大限度地提高成功概率。必須測量滑動運動誤差，并根據任何阿貝*偏移進行初步評估。在性能質量/成本比方面，序列設計-分析-性能是一個連續(xù)的迭代過程。

接下來需要遵循的主要關鍵設計原則如下：

1）高結構剛度、阻尼和機器結構的穩(wěn)定性

2）軸承和導軌之間的運動學設計

3）盡量減少系統(tǒng)引起的已知誤差，例如阿貝誤差

4）使用直接驅動裝置

5）適用的計量要求直接測量以避免阿貝誤差，并使用具有適當分辨率、重復性和時間響應的傳感器

6）控制--確保高軸剛度、高響應和高帶寬誤差和/或力補償

2.設計原則

       從根本上說，隨著 Ernst Abbé 于 1890 年提出阿貝誤差以及 Bryan 于 1979 年提出機床和儀器的各個方面，人們對阿貝誤差給予了更多關注。精密系統(tǒng)的設計已確定了許多原則。隨著近年來嚴格的規(guī)格和先進要求的出現，這些方法雖然被用作原則，但由于系統(tǒng)需要更多的驗證和全面的模擬，因此變得不夠充分。以下是精密系統(tǒng)設計所需的大部分原則。

概念設計分析

? 機械式半機械設計，阿貝原理或其它選項

結構分析

? 結構剛度

? 機器各軸的力平衡、阻尼和動態(tài)穩(wěn)定性

? 熱漂移穩(wěn)定和補償

機械元件

? 基架無影響驅動耦合和夾緊

? 驅動裝置在反作用力軸上的位置

? 平均軸承、摩擦、磨損和溫度影響

? 直接驅動/傳動

傳感與計量

? 傳感系統(tǒng)不受機器失真影響

控制

? 伺服驅動器剛度、位置環(huán)同步

? 誤差補償技術

下圖3是一高精度微加工設備的設計策略，是對整個設計過程的最好詮釋。

圖3  一微加工設備的設計策略

作為大型機床設備制造商，機床精度也在逐年提高，這些高精設備的設計策略是值得我們學習的，另外機床的自動化程度也在進步，機床的穩(wěn)健性和高效性都將面臨挑戰(zhàn)，我們有必要細化學習這些底層關鍵技術。