2. USTC
大纲
• 概念
• 设计方法
• 产品设计类型
• 设计方法学
• 设计任务分析
• 主要参数和技术指标的确定
• 总体方案的制订 3. USTC
总体设计概念
• 指在具体设计之前，对精密机械设备和仪器 ，按照简单、
实用、经济、安全、美观的原则进行的综合性设计
• 包括设计任务分析、主要技术参数和指标的确定、方案
确定等阶段
• 是全局和战略性的工作，直接影响到设备仪器的性能。
• 需要运用设计理论，充分调研产品资料、对关键部位进
行实验研究，使总体设计原理正确、实践可行、经济合
理 4. USTC
设计方法
• 产品设计的三个类型
• 新产品设计：根据市场需要进行新产品的开发，根据所开发的新
产品品种进行新的方案原理设计
• 适应性设计：已有产品无法满足市场需要；在保留原来方案的基
础上，为适应市场需要，对个别零部件进行新的设计
• 变型设计：基本保留原来产品的功能、方案原理和结构，仅仅改
动尺寸大小或结构布局的设计 5. USTC
确定任务计划
总体设计
设计任务书 方案设计 总体结构设计
设 确 编 将 分 原 各 按 进 绘
计 定 写 总 功 理 原 比 行 制
功 零部件设计 理
任 主 任 能 组 例 评 正
务 要 务 能 的 合 方 绘 估 确
分 参 要 分零 实 的 案 制 消 优
零
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技术文件编制技
和 细 为件 原 应 体 薄 的
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指 目 分的 理 方 术 结 弱 结
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标 单 案
功 设仪和 经 构 环 构
总 图结 使
体能 计器结 节
济 设 设
纸构 用
样机试制及试验
构 评 计 计
设 和的 说
图
估 图 图
计 优精 明
试 成 鉴 修
书
报 化度
定 改
制 本
告 分
报 批量生产
核
书 析
告 算
新产品的设计试制过程 8. Reduced Risk Through Better
Information
Concept Design Validate Assembly Service
INFORMATION
With Virtual Prototyping
IMPROVEMENT
Product Development Process for Manufacturers
返回 9. USTC
总体设计 具体设计
总体设计之后需要形成的文件
• 设计任务书
• 机械、光、电、气动、液压原理图和运动简图
• 总装配图、部件装配图
• 总体设计报告（方案的比较和分析、设计原理、总体布局、精度
分析）
• 经济成本评价 11. USTC
系统工程学
• 是系统科学的领域，系统是指按一定秩序分布的各个元
素的总体，其以一定的特性联系起来。工程是产生效能
的方法。
• 将系统看作是能量流、材料流、信息流的转换系统
• 三个工作阶段
• 信息获得－系统分析
• 信息处理－系统选择
• 信息数据给定－系统实现计划
返回 12. USTC
优化设计
• 一个系统的输入输出指标确定以后，系统的优化问题就
是在两个集合中挑选最佳元素：系统的结构集合和系统
的参数集合
• 将优化技术应用于设计过程中，优化手段有很多种
• 线性规划等传统的优化设计手段
• 遗传算法和遗传规划等
• 神经网络、SOM等
• 例子：结构优化
• 尺寸优化
• 形状优化
• 拓扑优化 返回 14. USTC
几种智能变形结构
• 阵列型形状记忆合金变形结构
• 阵列型变形结构将驱动元件分散排布，便于实现飞行器结构灵活多样的
变形，其结构拓扑优化模型比连续体结构的要复杂得多，还有待建立。 15. USTC
几种智能变形结构
• 肌腱型形状记忆合金变形结构
• 用形状记忆合金丝组成驱动束，
作为拉动机翼发生柔顺变形的
“肌腱”。其中SMA驱动束的优
化设计是人工肌肉领域的一个研
究热点和难点
返回 17. 数字工程
Digital Engineering
Design - Development - Production
System-focused Virtual Prototyping
Virtual
Virtual Virtual
Prototyping
Mock-up Production
& Testing
Traditional Component-focused CAD/CAE/CAM
CAD CAE CAM
Product Data Management System
返回 18. 针对系统的解决方案
System - Focused Solutions
Design - Development - Production
System-focused Virtual Prototyping
虚拟样机
虚拟模型 虚拟生产
试验
Traditional Component-focused CAD/CAE/CAM
Traditional Component-focused CAD/CAE/CAM
CAD CAE CAM 生产
设计验证
设计 数字装配
CAD CAE CAM
Product Data Management System
Product Data Management System
测试 验证 优化 自动化
建模
返回 19. USTC
设计任务分析
总体设计的第一步，了解设计任务的各种要求。得到设计任务对设备仪器所提
出的各项指标，写入设计任务书
• 使用要求：精密机械设备或仪器在一定的工作范围内能有效的实现预期的
功能，并在一定的使用期间内有效。
• 仪器精度：
直线位移精度1~10μ, 主轴回转精度1~10 μ，圆分度精度1’~10’’
中等精度
直线位移精度0.1~1μ, 主轴回转精度0.1~1 μ，圆分度精度0.2’~1’’
高精度
直线位移精度<0.1μ, 主轴回转精度0.01~0.1 μ，圆分度精度0.2’’
超高精度
• 生产批量
大批量生产
小批量生产
• 工作效率：生产率和检验效率
• 工作环境：振动、温度、湿度、空气净化程度
• 安全保护：人身保护和设备保护 20. USTC
主要参数与技术指标
• 主要参数：反应设备特征和概貌的一些项目
• 精度参数
加工设备：加工的最细线条尺寸。测量设备：测量精度
• 尺寸参数
加工设备：加工工件的最大尺寸。测量设备：测量范围
• 运动参数
工作台运动速度
• 动力参数
电机功率和扭矩以及光源功率
• 结构参数
整机和主要部件的主要尺寸参数 21. USTC
主要参数与技术指标
• 技术指标：反映设备性能和功用的具体数据，是设计和
检验成品的依据
• 反映设备工作性能：功能、工作对象类型以及尺寸等
• 反映设备精度：加工精度、测量精度、光洁度…
• 反映设备自动化程度：手动－半自动－全自动
• 反映工作效率：生产率和检验效率
• 反映设备可靠性：平均故障间隔时间
• 反映设备维修：平均修理时间
• 反映设备安全性：故障率P
• 反映设备大小：重量和外形尺寸 22. USTC
主要参数和技术指标确定方法
• 1. 根据设备用途
• 通用：考虑加工和测量多种类型的工件，因此其加工或者测量范围尽可能广
• 专用：由于为某一特定工序或者工件设计、其加工测量范围就小。
• 2. 根据工作对象的主要尺寸
• 光刻机精密工作台的行程
• 三坐标测量机的参数
• 工具显微镜主显微镜的工作距离 24. USTC
主要参数和技术指标确定方法
• 4. 根据薄弱环节
高精度和低速度，容易造成弹性变形、摩擦、爬行、振动。因此对这些
精度薄弱环节来进行制订。
• 5. 根据系列化要求
采用标准系列，查阅手册
• 6. 可靠性和成本要求
平均故障间隔时间MTBF
平均修理时间MTTR
有效度 A=MTBF/(MTBF+MTTR) 27. USTC
三坐标测量机变形分析
• 测头在横梁最外端时、横臂上A的挠度和截面转角
• 测头自重引起的挠度和转角
• 横梁自重引起的挠度和转角
• 立柱受弯曲力矩Ma造成的横臂A点下沉量和转角
• 测头在横梁最内端时、横臂上B的挠度和截面转角
• 测头自重引起的挠度和转角
• 横梁自重引起的挠度和转角
• 立柱受弯曲力矩Mb造成的横臂B点下沉量和转角
• 由于力变形而引起的误差具有两个部分
• 由于挠度引起的高度测量误差
• 由于转角引起的水平测量误差 28. USTC
总体方案的制订
• 总体方案的制订是在设计任务分析、确定主要参数以及技术指标的基础上进行。包
括工作原理、方案比较、系统简图绘制、总体布局、总体精度分配、总装配图绘制、
造型与装饰设计、总体报告的编写等
• 基本设计原则
– 阿贝原则
– 误差补偿原则
– 运动学设计原则
– 变形最小原则
– 基面合一原则
– 最短传动链原则
– 外界环境影响最小原则
– 系列化通用化标准化原则
– 结构工艺性良好原则
– 价值系数最优原则
• 总体方案确定内容 29. USTC
阿贝原则（1）
• 必须将被测件布置在基准元件沿运动方向的延长线上（共线原则） 30. USTC
阿贝原则（2）
• 阿贝原则在线纹尺计量中的应用
• 并联
• 串联
• 横向移动式 31. USTC
阿贝原则（3）
• 遵循阿贝原则可以提高仪器精度，但是也导致仪器的尺寸增大，带来新的问题。设
计中严格遵守阿贝原则比较困难，因此可以考虑采取下列措施减小误差。
– 在结构布置上面，尽量使读数线和被测参数的测量线靠的近一点，减小两者之间的距离
– 补偿措施：
• Epstein原理：利用机构使得产生的误差相互抵消或者消弱。
• 布赖恩原则：普遍意义的阿贝原则：位移测量系统中工作点
的路程应和被测位移作用点的路程位于同一直线上；不可能
时，必须使得传送位移的导轨没有角位移；或者必须计算角
位移并且用补偿机构补偿 32. USTC
运动学设计原则
• 根据物体要求的运动方式确定施加的约束数，对约束的安排不是任意的，一个平面
上至多3个约束，一条直线上至多两个约束、约束应该为点接触、同一平面的约束点
尽量距离远一些。约束面应尽量垂直欲限制的自由度方向。其优点：
– 用最少的和固定的接触点进行接触，因此可以预先估算作用于物体的力并加以控制
– 大公差就可以达到高精度
– 拆卸后可以精确复位
– 例子: 支承平台 33. USTC
变形最小原则
工作中无论力还是热还是其他原因引起的变形不可避免，因此
• 合理安排布置：标准线纹尺
• 避免经过变形环节
• 提高系统的刚度
– 根据需用变形量确定系统的刚度、构件的截面形状和尺寸
– 根据运动部件不出现爬行/微动量进给的灵敏度确定系统刚度 34. USTC
基面合一原则
• 定位基面尽量和使用基面和加工基面相一致
最短传动链原则
• 传动链越多，误差源也越多
• 考虑机构简单、稳定、直接、对称以及加工方便
粗精分离原则
• 高速度与高精度、大范围与高精度之间的矛盾
• 粗动工作台和微动工作台
• 易于实现、经济性好 35. USTC
外界环境影响最小原则
• 估算温度和震动对设备的影响
• 使热源、震动源与主要的精度环节隔离
• 部件的热膨胀系数的配置、热量的均衡
系列化、通用化和标准化原则
• 可以缩短设计、生产周期、提高产品质量、降低成本、维修方便
工作可靠、安全、维修和操作方便原则 36. USTC
结构工艺性良好原则
• 结构简单、工艺良好、容易装配和制造、可以提高质量、降低成本
造型和装饰宜人原则
• 对客户的影响
价值系数最优原则
• 价值系数最高V=F/C 37. USTC
总体方案制订内容
• 工作原理的设计
– 误差平均原理
– 位移量同步比较原理
– 误差补偿原理
• 基准器件的选择
• 运动方式的选取
• 主要结构方案的选择
• 摩擦及局部变形的考虑
• 系统简图的绘制
• 总体布局的考虑
• 总体精度的分配
• 造型和装饰
• 总体设计报告 38. USTC
工作原理的设计(1)
• 误差平均原理
– 误差平均原理指采用多次重复测量（多个测量头测量）、多次重复分度、
多次重复曝光、多个滚动体支撑等方式以取得平均误差、提高精度的方
法。
– 例：双读数头系统
– 光栅测量中的莫尔条纹
– 感应同步器
– 多齿分度盘
– 滚动导轨的多个滚动体弹性变形 39. USTC
工作原理的设计(2)
• 位移量同步比较原理
– 各运动件之间的位移具有一定数量
关系时、可以利用激光、光栅、磁栅
等将同步运动的部件之间建立位移的
特定比例关系
– 测量链短、测量精度高、结构简单
• 误差补偿原理
– 对零部件的加工和装配误差，可以通过校正机构加以校正，提高总体精度
– 在设备的终端设置检测装置，实时测量误差，并且反馈加以补偿 40. USTC
基准器件的选择
• 基准器件的类型
– 传统的长度基准器件：量块、线纹尺、精密丝杠；分度：精密分度蜗轮－结构简单，
中低精度
– 数字式的基准器件：激光干涉仪、感应同步器、磁栅、光栅
• 根据仪器精度选择基准器件
运动方式的选取
• 决定设备仪器的效率和精度、控制方式以及结构
• 例：自动分步照相机
– 曝光方式：行进曝光和
停位曝光
– 运动轨迹：E，E’，S
• 例：光栅刻划机 41. USTC
主要结构方案的选择
• 保证精度、稳定可靠、制造装配调整方便
• 符合运动学设计原则或者误差平均原理
摩擦及局部变形的考虑
• 动静摩擦相差过大会引起爬行，因此要选择适合工作要求的导轨
• 滑动、滚动、液体气体静压 42. USTC
系统简图的绘制
• 画出光、机、电、液压相结合的系统简图
总体布局的考虑
• 各个部件之间的相对位置和相对运动关系
• 从部件之间的相互关系考虑；从设备与人的关系考虑
总体精度的分配
• 精度分配到各个部件上，不采取平均分配的方法
造型和装饰
• 光滑曲线、黄金分割、结构稳定安全、色调和谐、美观经济
总体设计报告
• 方案的比较和分析、设计原理、总体布局、精度分析 43. USTC
大纲
• 概念
• 设计方法
• 产品设计类型
• 设计方法学
• 设计任务分析
• 主要参数和技术指标的确定
• 总体方案的制订 44. USTC
总体设计概念
• 指在具体设计之前，对精密机械设备和仪器 ，按照简单、
实用、经济、安全、美观的原则进行的综合性设计
• 包括设计任务分析、主要技术参数和指标的确定、方案
确定等阶段
• 是全局和战略性的工作，直接影响到设备仪器的性能。
• 需要运用设计理论，充分调研产品资料、对关键部位进
行实验研究，使总体设计原理正确、实践可行、经济合
理 45. USTC
确定任务计划
总体设计
设计任务书 方案设计 总体结构设计
设 确 编 将 分 原 各 按 进 绘
计 定 写 总 功 理 原 比 行 制
功 零部件设计 理
任 主 任 能 组 例 评 正
务 要 务 能 的 合 方 绘 估 确
分 参 要 分零 实 的 案 制 消 优
零
析 数 求 解部 现 相 的 总 除 化
部
技术文件编制技
和 细 为件 原 应 体 薄 的
件
指 目 分的 理 方 术 结 弱 结
的
标 单 案
功 设仪和 经 构 环 构
总 图结 使
体能 计器结 节
济 设 设
纸构 用
样机试制及试验
构 评 计 计
设 和的 说
图
估 图 图
计 优精 明
试 成 鉴 修
书
报 化度
定 改
制 本
告 分
报 批量生产
核
书 析
告 算
新产品的设计试制过程 46. USTC
总体设计 具体设计
总体设计之后需要形成的文件
• 设计任务书
• 机械、光、电、气动、液压原理图和运动简图
• 总装配图、部件装配图
• 总体设计报告（方案的比较和分析、设计原理、总体布局、精度
分析）
• 经济成本评价 48. USTC
设计任务分析
总体设计的第一步，了解设计任务的各种要求。得到设计任务对设备仪器所提
出的各项指标，写入设计任务书
• 使用要求：精密机械设备或仪器在一定的工作范围内能有效的实现预期的
功能，并在一定的使用期间内有效。
• 仪器精度：
直线位移精度1~10μ, 主轴回转精度1~10 μ，园分度精度1’~10’’
中等精度
直线位移精度0.1~1μ, 主轴回转精度0.1~1 μ，园分度精度0.2’~1’’
高精度
直线位移精度<0.1μ, 主轴回转精度0.01~0.1 μ，园分度精度0.2’’
超高精度
• 生产批量
大批量生产
小批量生产
• 工作效率：生产率和检验效率
• 工作环境：振动、温度、湿度、空气净化程度
• 安全保护：人身保护和设备保护 50. USTC
主要参数和技术指标确定方法
• 4. 根据薄弱环节
高精度和低速度，容易造成弹性变形、摩擦、爬行、振动。因此对这些精度薄弱
环节来进行制订。
• 5. 根据系列化要求
采用标准系列，查阅手册
• 6. 可靠性和成本要求
平均故障间隔时间MTBF
平均修理时间MTTR
有效度 A=MTBF/(MTBF+MTTR) 51. USTC
总体方案的制订
• 总体方案的制订是在设计任务分析、确定主要参数以及技术指标的基础上进行。包
括工作原理、方案比较、系统简图绘制、总体布局、总体精度分配、总装配图绘制、
造型与装饰设计、总体报告的编写等
• 基本设计原则
– 阿贝原则
– 误差补偿原则
– 运动学设计原则
– 变形最小原则
– 基面合一原则
– 最短传动链原则
– 外界环境影响最小原则
– 系列化通用化标准化原则
– 结构工艺性良好原则
– 价值系数最优原则
• 总体方案确定内容 52. USTC
总体方案制订内容
• 工作原理的设计
– 误差平均原理
– 位移量同步比较原理
– 误差补偿原理
• 基准器件的选择
• 运动方式的选取
• 主要结构方案的选择
• 摩擦及局部变形的考虑
• 系统简图的绘制
• 总体布局的考虑
• 总体精度的分配
• 造型和装饰
• 总体设计报告
