下面的内容构成了一个概念或设计活动的清单，这些概念或活动应该是设计过程的内在组成部分，特别是对于精密仪器和机器的开发。并非所有这些都是设计概念，例如，"性能测量 " 通常用于确定任何特定设计的数量限制，但仍然是设计和工艺发展的内在因素。乍一看，这些概念中有许多可能是从其他被接受为 "良好实践 "的考虑中抽象出来的。如果在学习了整个设计过程的其他部分后，在重温本节时，这些想法的相关性和重要性变得更加重要，那么本篇文章的一个主要目的就已经实现了。

这些概念代表了设计师或设计团队在早期创意阶段的指南，当他们试图构思可能的解  决方案来应对工程挑战时，预审性能是一个必要的要求。

最重要的是，在判断设计时，有必要尽量避免主观偏见。在对一个想法进行深思熟虑之后，往往很难将其抛弃，而对那些乍一看似乎缺乏可行性的想法则很容易拒绝。通常情况下，在考虑了许多想法之后，一个新的解决方案会显示出比其他所有考虑过的方案更明显的优势。当这种情况发生时，往往会有一种 "感觉"，即 "那个 "解决方案已经产生，这时，进一步的创造性思维就会停止（事实上，只有 "一个 "解决方案）。即使是 "最终 "的解决方案也需要进行批判性的审查和研究，以认识到对问题的思考是如何被 "一个 "新的解决方案所改变的。通过这种持续的审查过程，更多新的、甚至更好的解决方案往往开始出现，设计团队将逐渐思考问题的性质和解决方案的可接受性，以供考虑。在决定了设计概念之后，就有必要对工艺开发的各个阶段进行规划，并确定关键的性能要求。第1.4节讨论了对后续过程评估和测量的两个有用的概念，即Ishikawa图和 "操作概念 "规划。

1.2.1分析不是设计合成

再多的分析也无法改变一个糟糕的设计。对一个坏的设计进行分析的结果将是一个优化的坏设计。

1.2.2设计规范和其他要求

在可能的情况下，要求应始终以独立于后续（机床）仪器/（机床）机器设计的量化措施来说明。例如，规定负载测量悬臂梁必须能够承受100N的力，同时变形不超过1毫米，这是一个取决于设计的规格。要求覆盖100N范围内的负载，且该负载导致的变形小于1毫米是独立设计。

1.2.3对称性

机械和支持结构内的对称性很容易被发现，并带来许多好处，主要是提高性能和简化分析。在应力和动态及热响应方面。例如，不需要使用任何分析来推断，通过将一台机器连接到第二台相同的机器上，形成一个对称的平面，就可以使机器产生的力在特定的方向上完全平衡。

1.2.4在可能的情况下，识别和消除弯矩

弯矩可被视为力的倍增器，导致相应的大应力和应变。变形是应变的积分，通常会导致围绕弯曲轴线的旋转，由于这种变形而产生的位移被负责弯曲力矩的杠杆臂的长度所增加。在许 多情况下，结构件的失效会发生在弯矩最大的地方。这些区域的应力往往因几何形状的急剧变化而加剧（应力集中）。当有弯矩时，可能会发生重大的变形错误。如果这些不能避免，设计者应设法补偿或消除影响。对于普通车床的滑道，如图1.2.1所示，当使用进给螺旋驱动装置施加力时，由于滑动表面引起的摩擦力，很难消除弯矩。这些力产生的力矩会导致移动小车的小幅度俯仰和偏航误差运动。然而，通过将两个滑道连接在一起（见图1.2.2），并通过对称线驱动移动滑架，力矩将被消除或大大减少。

图1.2.1正面和等轴测视图，V型和平面滑道的简化模型

图1.2.2 对称的主轴设计：(a)组装好的主轴，(b)去掉盖子的主轴，(c)组装好的主轴的横截面，(d)去掉盖子的主轴的剖视图。主轴的横截面，(d)去除盖子后的主轴爆炸图，(e)表示轴承接触的 "三角孔"。

1.2.5循环

牛顿第三定律指出，每一个动作都有一个相等和相反的反应。因此，对于任何施加在处于 平衡状态的机构上的力，都会有一个结构元素的环，这个力围绕着这个环传递，称为力环。力会使这个环路周围的结构元素产生变形。当测量结构中各点的相对位移或位置时，也会有一个连接测量标尺和相关点的结构元素环，称为计量环。为了消除测量误差，计量环最好保持刚性。因此，由于受力环路会变形，而计量环路应该是刚性的，这两个环路的结构元素应该尽可能地分开。这些和其他力环问题将在以后是我文章详细讨论。

循环的其他规则包括：保持元件的刚度度；保持力小和力矩小。保持稳定的温度，避免温度梯度，特别是在结构不对称的方向上；确保谐振频率高，并保持回路小。确保共振频率高，并保持小的环路（对于高频率响应、小弯矩、低自重失真和快速热响应）。

1.2.6刚度

大多数机器，无论是用于测量还是加工，都需要提供精确控制的工作和动力。刚度是对机器在做机械工作和加速（和减速）结构元素时保持精度的能力的直接衡量，当计量和力环的组成部分重合时，刚度就显得尤为重要。

对于许多精密的应用，对刚性结构的要求导致了力环部件内的小应变，因此不需要考虑强度问题。然而高刚度所需的大型结构往往具有较高的质量，并降低动态响应，这可能是一个重要的问题。要提前预测复杂机构中可能产生的力的性质是很困难的，因此常常需要考虑许多坐标方向上的力和力矩对结构的影响。对于许多机构来说，有必要考虑所有可能的力和力矩对设计的三维刚度的影响。

在某些情况下，低刚度是一个理想的目标。一个例子可能是力控制的加工过程，如抛光。对于这样的加工过程，目标是在试样和抛光圈之间施加一个恒定的（而且通常是均匀的）力。重力经常被利用，并提供有效的零刚度力矢量。

1.2.7补偿

在校准仪器或机器时，经常发现错误会重复出现。误差通常是恒定的，或者如果它们遵循 一个系统的或因果的模型，则可以预测到。因此，可重复的误差可以被最小化；至少在任何随机或不可预测的校准偏差范围内。已知的误差通常在计算机内直接补偿，几乎是现代 机床和测量仪器的常规做法。因果误差，如随温度变化的热膨胀效应、可预测的磨损率或 随温度、压力和湿度变化的光学波长，可以使用预测模型进行补偿，书中给出了一些例子。

1.2.8空值控制

空值控制可以用来消除不良的误差，通常在测量的情况下，通过将仪器（机床）恢复到空值状态，并使用恢复力或位移来推断测量值。在设计化验天平或普通质量天平时，使用了一种   简单而熟悉的无效方法。化验天平由两个天平盘组成，待测的质量由校准的质量来平衡。在平衡状态下，机构被恢复到应用质量之前的配置，这时由于秤臂的倾斜或弯曲而产生的任何误差将围绕机构的对称平面进行补偿。

有时主动控制可以与反馈一起使用。例如，所提出的公斤的新定义，在一种叫做瓦特或基布尔天平的仪器中，用电磁力来平衡质量上的引力（Haddad等人，2016）。另一个基于空的设计是扫描探针显微镜，它使用一个尖锐的表面传感器测量表面地形："探针"。这种探针通过监测尖头移动到接近表面时的相互作用来确定试样表面上一个小点的位置。今天的扫描探针要么测量相互作用力，要么为了获得最高的分辨率，测量导电针和试样之间在针尖到试样表面的间隙小于1纳米的电子隧道。尖端被伺服控制以保持这种相互作用的恒定，因为它在表面上穿行。随后，针尖的运动被用作表面地形的测量，在隧穿探针的情况下，能够分辨出单个原子中电子轨道的存在，这一壮举为研究科学家Gerd Binnig赢得了荣誉。和合作者获得1986年诺贝尔物理学奖。在许多这样的实施中，空被用作将局部测量转移到机构中的手段，在那里可以很容易地实现高精度测量。

Zerodur是一种两相陶瓷，这些相的比例被选择为：在室温附近的变化中，玻璃相的正膨胀被结晶相的负膨胀所补偿，可以被认为是解决热不稳定问题的一种无效或补偿方法。

1.2.9误差分离

误差分离可以在任何可重复的机器或过程中实现，其中的误差可以被认为是两个或多个效应的直接总和。如果一个或多个影响可以被逆转，原则上有可能将它们分开，以确定它们的影响或独立补偿这些影响。一个例子是使用一个主轴和一个探头测量圆柱体（或球体） 的测量，该探头随着主轴的旋转测量圆柱体表面的径向变化。这种测量将包括主轴的径向误差运动和圆柱体的径向偏离圆度。如果探头和圆柱体旋转180°并重复测量，圆柱体的误差将是相同的，而在第一次测量时导致峰值的主轴误差运动（即主轴向探头移动）在从另一侧测量时将产生一个谷底。通过将这两个测量值相加，主轴误差将被抵消，只留下圆柱 体的失圆度；因此，这两个误差可以被分离。误差分离和自我校准的具体例子将在以后论文讨论。

1.2.10自我纠正/校准

与误差分离一样，自我纠正也是利用工艺配置的能力来纠正误差。一种应用是研磨平面板； 至少对于较小的板子，较大的、一米大小的板子不是这样生产的。在这个过程中，三块板可以连续地相互研磨，这样一个平面的平面度误差将被另一个平面的形式选择性地消除，直到所有三个平面都趋向于一个平面。

1.2.11运动学设计

运动学设计代表了一种方法，旨在通过考虑使用关节连接刚体的效果来设计理论上理想和确定的机制，这些关节的设计是为了约束它们之间特定的运动自由度。特别是，可以很容易地证明，两个机构之间的点接触将约束一个自由度，而适当安排的接触总数将等于约束的总数。

确切的约束设计考虑了完整的机制，如果要有完全的确定性，所有的机构在任何时候都将在所有的自由度上受到约束。例如，直线运动平台的移动小车可以沿其轴线自由移动，直到添加一个执行器将其约束在所有自由度的特定位置。

1.2.12伪运动学设计

当需要承重能力时，通常需要进行伪运动学设计。在更高的负载下，"点 "接触的应力变得不切实际，这些接触被轴承、铰链、机械接头和联轴器等形式的保形表面所取代。较大面积的接触提供了更高的负载能力，但偏离了纯运动学原理。然而，运动学设计的思想并没有被完全抛弃，关节仍然被分类，装配也是根据它们所带来的或限制的自由度来评估的。以后引用其他资料将介绍运动学和伪运动学设计，以及随后的机械装置的 "机动性"。

1.2.13弹性设计和弹性平均法

所有制造的部件都必然会偏离其理想的几何形状，通常是在规定的制造公差范围内出现偏差。有正确公差的部件可以被加工成装配体，并能满足规定的性能要求。根据对装配体施加的约束（通过应用精确的约束和伪运动学设计原则使其最小化），为了使部件装配在一起，需要进行一些有限的变形。这可能被认为是对弹性变形的利用，以提供机构中制造公差的功能容纳。例如，滚动元件轴承的装配依靠弹性变形来适应滚动元件的小偏差。如果轴承中使用了许多元件，这些几何偏差的影响可以平均化，以提供轴承的内圈和外圈的偏差，这些偏差比单个滚动元件的偏差小。弹性平均法通常被认为是弹性设计的一种形式。

1.2.14塑性设计

永久性变形可以被利用来提供保形接触或部件对齐。滑动表面的'磨合'是塑性设计和弹性平均的结合。其他导致精密成型或保形表面的工艺包括研磨和珩磨、使用 "白金属"（为嵌入性、保形性和摩擦学兼容性而选择）、顺应性螺母、滑道刮削和使用滚珠制造球体。

度盘量具用于许多精密测量，通常由滑动或旋转轴上的球形接触组成。在一些应用中，如量块比较器，与平面和抛光表面的反复接触将部分磨损微米级的粗糙度，直到接触区域的球面本身被磨成大半径和 "抛光"，从而使塑料应力减少到弹性接触条件，导致更多的可重复测量。大多数紧固件依靠表面纹理凸点的塑性变形来形成足够的接触面积。有些资料概述了表面接触条件是弹性还是塑性。其他弹性和塑性设计的例子部分资料中有介绍。

1.2.15削减

令人惊讶的是，只要有一点设计上的独创性，一个机构中的许多子组件都可以用一个部件来代替，有时这些部件可以被取消。总的来说。用较少的部件替换复杂的装配体，总是能简化分析。许多装配体，特别是那些需   要许多紧固件或需要特定公差的装配体，对精确和/或确定性的理论模型是有阻力的。复杂装配体的另一个问题是公差堆积问题。随着装配体中部件数量的增加，装配体与所需几何形状的偏差也会增加，这往往会对其整体功能造成损害。在考虑装配排列时，讨论了减少作为简化原则的作用。以后介绍有一个详细的案例研究。随着技术的进步，在研究工程解决方案的演变时，经常可以使用还原法。例如，化油器  已经让位给喷油器，现在正缓慢地向电动马达演变，以取代内部组合发动机。与减少有关的原则是，只要有可能，就使用直接的而不是衍生的测量。例如，已知气体  的压力可以从体积和温度的测量中获得。尽管两者都能提供相同的结果，但直接的压力测量将减少一半的测量次数，从而减少不确定度确定中的影响因素的数量。

1.2.16余弦误差和阿贝误差

对仪器和机器内的线性或旋转运动的监测，通常使用条形或圆盘形式的标尺，其上有规则的线条，可以通过电子或光学方式进行感应。栅尺固定在机器的一个部分，而传感头连接到一个移动元件（例如滑架），读数显然是传感头相对于栅尺的运动。然而，设计意图是测量机器上某一点相对于另一点的运动，例如，切割工具相对于正在加工的工件的运动。由于实际原因，传感器和标尺在机器上的位置往往与感兴趣的线不同。所关注的线（或轴）与测量之间的位置差异导致对准（余弦）和偏移（阿贝）误差，这些误差可能是测量或位置不确定度的重要来源，即使机器的运动误差很小。

1.2.17设计的反转

有时，一个系统的机制可以用倒置的配置来构建。如果是这样的话，对设计之间的差异的 考虑往往能阐明解决一个问题的不同方法的相对优点和局限性，有时还能说明问题的性质。

反转的例子包括：

•热泵或冰箱

•电力电缆（安装在高处并将车辆移到下面，或安装在地面以下并开过去）。

•悬索桥（钢丝强行拉紧）。

•拱桥（混凝土抗压性强）

•车削工具（反转主轴，将工具倒置，使切屑从切削区落下）。

•一个大电机驱动许多小机器或一个小电机驱动每个机器

•自行车上的刹车线是在管子外面还是里面走（一个更容易，另一个更流线型，不会卡住）。

•鼓式刹车片相互推开，但围绕轴线对称，盘式刹车片相互推开，但施加力矩，在支撑轴上产生扭矩。

在大多数机床（铣削、磨削）中，刀具放在主轴上，零件移动。在车床中，零件放在主轴上，刀具移动。

1.2.18能量耗散

没有阻尼的系统在受到干扰力的作用下会无休止地振荡。增加阻尼通常会减少振动的幅度，使控制更容易，但也会产生热量，使事情变慢。因此，正确的阻尼总是代表着速度和精度之间的妥协。

1.2.19测试和验证

大多数设计在纸上是可行的，在实体模型中看起来也不错。然而，模型并不能显示出设备运行的所有方面。许多大公司由于过度依赖模型，在经济上和声誉上都遭受了损失。一个设计要想成功，很多相互影响的因素都会起作用，包括社会、物理和经济。因此，原型有助于解决制造过程中的所有问题并将产品推向市场。快速生产和测试原型有助于在开发的早期阶段确定主要问题。

1.2.20奥卡姆剃刀

布里弗利说。“简单就是好"。当一个问题有相互竞争的解决方案时，每一个方案都能以相当的成本和性能满足要求，最好是选择最简单的方案。从本质上讲，奥卡姆剃刀被用来在那些看似以同等程度解决相同问题的竞争性设计之间做出决定。