精密机械设计

传授知识，启迪智慧，激励创新！
美国麻省理工学院、美国国家科学基金会、橡树岭大学联盟、英国皇家学会和美国国防部等机构联合推荐用书，是麻省理工学院“公开课程”指定教材。

本书亮点：
1.将精密机械作为一个各个部件之间相互协作的集成系统，重点放在精密机械零件的机械结构设计及其与传感器和控制系统的集成，以达到系统性能极佳；
2.强调设计将如何影响整个系统的精 确度、重复性和分辨率，并提供了许多具有创造性的设计案例。

 

本书既有先进的基础理论体系，又特别重视工程实际，是精密机械领域一部传授知识、启迪智慧、激励创新的经典之作，是美国麻省理工学院公开课程的指定用书。本书将精密机械作为一个各个部件之间相互协作的集成系统，重点放在精密机械零件的机械结构设计及其与传感器和控制系统集成，以达到系统性能佳；在设计中，强调设计将如何影响整个系统的精 确度、重复性和分辨率；提供了许多具有创造性的设计案例。全书共包括10章：第1章精密机械设计概论，第2章精 确度、重复性与分辨率的原理，第3章模拟传感器，第4章光学传感器，第5章传感器的安装和校准，第6章车削中心几何误差与热误差，第7章系统设计注意事项，第8章接触式轴承，第9章非接触式轴承，第10章驱动与传动。

译者序
原版书前言
第1章　精密机械设计概论 1
　1.1　引言 1
　1.2　经济学分析基础 2
　1.3　项目管理: 理论和实施 9
　1.4　设计工程师应具备的素质 15
　1.5　设计案例: 高速加工中心(HSMC) 29
　1.6　设计案例: 三坐标测量仪 40
第2章　精确度、重复性与分辨率的原理 52
　2.1　引言 52
　2.2　制订系统误差分配 55
　2.3　准静态机械误差 71
　2.4　动态力引起的误差 92
　2.5　设计案例研究: 丝杠调整不当引起的支架直线度误差 94
第3章　模拟传感器 101
　3.1　引言 101
　3.2　非光学传感器系统 106
第4章　光学传感器 141
　4.1　引言 141
　4.2　自准直仪 141
　4.3　光学编码器 145
　4.4　光纤传感器 155
　4.5　干涉传感器 158
　4.6　激光三角传感器 183
　4.7　光电传感器 184
　4.8　飞行时间传感器 189
　4.9　视觉系统 190
第5章　传感器的安装与校准 194
　5.1　引言 194
　5.2　传感器的定位 194
　5.3　传感器的找正 198
　5.4　传感器安装结构设计 199
　5.5　传感器安装环境 202
　5.6　曲面间的接触 203
　5.7　测量构架 209
　5.8　传感器校准 219
　5.9　传感器输出和定位误差对精度的影响 222
　5.10　设计案例研究: 激光遥测系统设计 224
第6章　车削中心几何误差与热误差 238
　6.1　引言 238
　6.2　SuperslantTM的齐次变换矩阵的建立 242
　6.3　机床的测量 246
　6.4　校准测量结果 251
　6.5　测量误差补偿 259
　6.6　误差补偿系统的实时实现 261
　6.7　总结和结论 264
第7章　系统设计注意事项 266
　7.1　引言 266
　7.2　加工注意事项 267
　7.3　材料 293
　7.4　结构设计 300
　7.5　连接设计 322
　7.6　辅助系统 346
　7.7　活动连接设计 354
　7.8　设计案例: 磨削大型离轴光学零件的新型机床 363
第8章　接触式轴承 370
　8.1　引言 370
　8.2　滑动轴承 374
　8.3　滚动轴承 391
　8.4　旋转运动的滚动轴承 405
　8.5　直线运动的滚动轴承 422
　8.6　挠性轴承 459
　8.7　限制轴承热效应的设计 474
　8.8　案例分析: 主轴运动误差测量 478
第9章　非接触式轴承 485
　9.1　引言 485
　9.2　液体静压轴承 485
　9.3　气体静压轴承 508
　9.4　磁浮轴承 541
第10章　驱动与传动 553
　10.1　引言 553
　10.2　元件的动态匹配 553
　10.3　线性和旋转伺服电动机 562
　10.4　有限行程电磁致动器 574
　10.5　压电致动器 577
　10.6　流体传动系统 584
　10.7　旋转传动元件 592
　10.8　直线传动元件 606
　10.9　设计案例: 通过控制提高轴向刚度 640

历史已经证明：精密机械是工业社会的基本要素。事实上，从集成电路制造，到光学零件加工，再到汽车生产，现代工业高度依赖于精密机械。鉴于目前已经有许多优秀的机械零件设计教材，本书假设读者已经熟知相关概念。精密机械是一个各部件相互协作的集成系统，因此，本书侧重于精密机械部件的结构设计，以及精密机械部件与传感器和控制系统的集成优化设计。在部件设计的论述中着重探讨设计是如何影响机械的整体精确度、重复性以及分辨率等内容。
任何一本教材都不可能涵盖机械、传感器及控制系统等设计的全部内容。本书主要涉及精密机械部件及设备的集成设计。对传感器和控制系统则先介绍其基本工作原理，然后通过实例给出市面上常见传感器的特性，而控制系统的设计主要讨论控制单元的选取及其对机械可控性的影响。
设计是分析与创新的结合，本书旨在为读者提供清晰的理论背景和试验方法。在以往的设计类课程的教学中，我常常因不得不为学生们的课程设计准备足够的参考资料目录而感到苦恼;反过来，站在学生的角度，设计时又常常因为没有所需的资料目录而耽误设计方案的顺利完成。因此，在本书的设计实例中，给出了许多作者认为相当有用的市面上常见零部件的性能参数。以后，如有新的应用实例，我也很乐意采纳。
本书第1章从精密机械设计的基本原理入手，以精密机床和坐标测量机为设计案例进行深入探讨。第2章详细讨论了机械误差的物理原理，以及如何将这些知识运用于机械误差分配中。第3章和第4章分别介绍了在精密机床上应用的各种类型的模拟传感器和光学传感器1。第5章讨论了传感器安装方法。第6章给出了机床几何误差和温度误差的详细案例研究。第7章讨论了系统设计的注意事项。第8章和第9章分别讨论了机床上常用的各种类型的直线和旋转轴承，重点放在轴承的基本特性及其在机械系统中的动力学行为。第10章介绍如何定义驱动机构的需求，并且详尽介绍了精密机械系统中常用的各种类型的直线和回转驱动器以及传动装置。
本书可作为高年级本科生及研究生的设计类课程教材，并且可供工程技术人员参考。作为教材，本书假定学生已具备了学习能力，能够就书中提及的一些不熟悉的概念进行深入研究。在许多方面，这样的设计书是首次出版，因此对工程技术人员来说也极具参考价值。在很多情况下，书中给出了公式的详细推导过程，以助于读者更深入地理解问题的本质。这些公式的应用都以电子数据表的形式进行了说明。
为什么学生们要学习成为设计工程师呢?看看你周围的那些缺乏营养、缺少关爱的孩子，能够帮助他们的资源，只有通过提升自然资源的价值来获得。这也就意味着，我们需要新的·Ⅳ·产品，进而产生许多就业机会，以帮助他们摆脱贫困。一旦有了产品需求，就需要制造出来，这样会创造出更多的就业岗位。我们需要人设计出满足人们需求的产品，我们需要人解决新产品的生产、分配、销售以及售后服务问题，这将创造出更多的就业机会。我的目标是帮助人们去发现如何才能更好地使用自己的头脑，并使他们能够用自己的头脑去帮助别人。
将你的大脑想象成为一个大型的能够储存信息的立方体的三维阵列，随着时间的增长，这种储存信息的立方体数量也随之增加。例如，一旦读者从书本上了解到一种新型轴承，该信息将被存放在知识立方块中，使用轴承的新方法或许会存入想象立方块中，之前的关于轴承的经验或许会存入智慧立方块中，你可以随机地或者系统地搜索这一立方体阵列，从而找到解决问题的方法。在寻找解决问题的过程中，你常常发现已有的立方体并不包含所需的内容，这样，便会促使你去创造发明。
希望这本书能够帮助读者充实自己的立方体，并学会更加有效地、更加富有想象力地、更加聪明地运用这些立方体，这是一个世界公民的责任。倘若不能充分利用你的大脑，岂不是白白浪费了你的天赋。
本书花费了四年时间写成，期间得到了许多人和公司的支持，详见致谢部分。本书经过认真校对，以尽量避免出错2，但同时也欢迎读者指出错误，以便日后印刷时得以修正。十分欢迎读者对教材提出修改意见，包括添加新的内容。学生用的习题集将另外结集成册，同时，欢迎读者补充新习题。

亚历山大·亨利·斯洛克姆
机械工程系
麻省理工学院
马萨诸塞大街77号
剑桥，马萨诸塞州 02139

1　第3章和第4章按照字母顺序介绍传感器，而不是按照工作原理(如感应的)进行介绍，因为我询问的现实世界的工程师更喜欢这种方式。终，信息内容是相同的。欢迎读者对此提出意见。
2　对于因利用本书信息而造成的损失，作者、编辑、出版社、赞助商或机构不承担任何责任。一名优秀的工程师将会反复校验信息，特别是应用于那些具有危险性的设计时。