測(cè)控儀器設(shè)計(jì)(第3章)

1、第二章第二章 測(cè)控儀器總體設(shè)計(jì)測(cè)控儀器總體設(shè)計(jì) 測(cè)控儀器總體設(shè)計(jì)，是指在進(jìn)行儀器具體設(shè)計(jì)以前，從儀器自身的 功能、技術(shù)指標(biāo)、檢測(cè)與控制系統(tǒng)框架及儀器應(yīng)用的環(huán)境和條件等總體 角度出發(fā)，對(duì)儀器設(shè)計(jì)中的全局問(wèn)題進(jìn)行全面的設(shè)想和規(guī)劃。 要考慮的主要問(wèn)題有：要考慮的主要問(wèn)題有： 1.設(shè)計(jì)任務(wù)分析 2.創(chuàng)新性構(gòu)思 （所能達(dá)到的新功能，所實(shí)現(xiàn)的新方法，所反映出的新技 術(shù)，新理論等） 3.測(cè)控儀器若干設(shè)計(jì)原則的考慮 4.測(cè)控儀器若干設(shè)計(jì)原理的斟酌 5.測(cè)控儀器工作原理的選擇和系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6.測(cè)控系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)的確定 7.儀器總體的造型規(guī)劃 第一 設(shè)計(jì)任務(wù)分析 第二 創(chuàng)新性設(shè)計(jì) 第三 測(cè)控儀器設(shè)計(jì)原則

2、 第四 測(cè)控儀器設(shè)計(jì)原理 第五 測(cè)控儀器工作原理的選擇和系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第六 測(cè)控儀器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)的確定 第七 測(cè)控儀器的造型設(shè)計(jì) 儀器總體設(shè)計(jì)的最終評(píng)估，是以其所能達(dá)到的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與技術(shù)指標(biāo) 來(lái)衡量，精度與可靠性指標(biāo)是測(cè)控儀器設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題。 本章共分為七部分 第一節(jié)第一節(jié) 設(shè)計(jì)任務(wù)分析設(shè)計(jì)任務(wù)分析 測(cè)控儀器的設(shè)計(jì)任務(wù)一般有三種情況：測(cè)控儀器的設(shè)計(jì)任務(wù)一般有三種情況： 1）設(shè)計(jì)者根據(jù)用戶專門(mén)的需要，針對(duì)特定的測(cè)控對(duì)象，被測(cè)參數(shù) 或工作特性來(lái)設(shè)計(jì)專用的儀器。 2）設(shè)計(jì)者根據(jù)目前市場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)通用產(chǎn)品和系列產(chǎn)品。在 這種情況下，設(shè)計(jì)者應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求作廣泛的調(diào)研，以確定適當(dāng)?shù)膬x 器技術(shù)指標(biāo)，達(dá)

3、到以最少的產(chǎn)品系列和較全的儀器功能來(lái)覆蓋最大 的社會(huì)需求。 3）設(shè)計(jì)者超前預(yù)測(cè)，設(shè)計(jì)出先進(jìn)的新型產(chǎn)品，進(jìn)行開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)。 以上不同情況，對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)的分析，其側(cè)重考慮的內(nèi)容和方面是 不同的。通常，設(shè)計(jì)任務(wù)的分析包括以下內(nèi)容： 了解被測(cè)控參數(shù)的特點(diǎn)了解被測(cè)控參數(shù)的特點(diǎn) 1）了解精度、數(shù)值范圍（一維、二維、量值范圍）、量值性質(zhì) （單值、多值）、測(cè)量狀態(tài)（動(dòng)態(tài)、靜態(tài)）等要求； 2） 按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格的定義確定儀器工作原理 了解測(cè)控參數(shù)載體的特點(diǎn)了解測(cè)控參數(shù)載體的特點(diǎn) 機(jī)械與光學(xué)載體居多。要考慮載體的大小、形狀、材料、 重量、狀態(tài)等 了解儀器的功能要求了解儀器的功能要求 是靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)、開(kāi)環(huán)還是閉環(huán)、一維還

4、是多維、單一參數(shù) 還是復(fù)合參數(shù)、檢測(cè)效率、測(cè)量范圍、承載能力、操作方式、 顯示方式、自動(dòng)診斷、自動(dòng)保護(hù)等。 了解儀器的使用條件了解儀器的使用條件 室內(nèi)還是室外、在線還是脫機(jī)、間斷還是連續(xù)、環(huán)境狀況。 了解國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的原理和技術(shù)水平了解國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的原理和技術(shù)水平 了解國(guó)內(nèi)加工工藝水平及關(guān)鍵元器件的銷(xiāo)售情況了解國(guó)內(nèi)加工工藝水平及關(guān)鍵元器件的銷(xiāo)售情況 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù) 的分析的分析 第二節(jié)第二節(jié) 創(chuàng)新性設(shè)計(jì)創(chuàng)新性設(shè)計(jì) 創(chuàng)新創(chuàng)新是對(duì)原設(shè)計(jì)的繼承和發(fā)展，我們對(duì)現(xiàn)有儀器的原理、功能、特點(diǎn)了解的愈 多，掌握的愈深入，愈容易發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有儀器的缺陷，從而找到進(jìn)一步完善和發(fā)展的途 徑。就測(cè)控儀器的總體設(shè)計(jì)而言

5、,創(chuàng)新設(shè)計(jì)將體現(xiàn)在:儀器設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的原理、所達(dá) 到的功能、所反映出的新方法和新技術(shù)等方面。 舉例如下舉例如下: 1）數(shù)控加工機(jī)床所必備的刀具預(yù)調(diào)儀（儀器原理上的創(chuàng)新） 2）齒輪全自動(dòng)誤差測(cè)量?jī)x（儀器功能上的創(chuàng)新） 解決了齒輪測(cè)量參數(shù)多、測(cè)量?jī)x器復(fù)雜、測(cè)量精度不高的難題。使一臺(tái)儀器實(shí)現(xiàn) 了多臺(tái)儀器和量具才能達(dá)到的測(cè)量功能，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)者在儀器功能上的創(chuàng)新成就。 3）開(kāi)關(guān)（新技術(shù)和新方法的創(chuàng)新） 機(jī)械式開(kāi)關(guān)是最早的通斷控制形式，但其反映的頻率低，定位精度差，結(jié)構(gòu)復(fù) 雜，慣性大，壽命短。隨著科技的發(fā)展，人們開(kāi)發(fā)出觸摸式、感應(yīng)式、聲控式、光 控式、紅外線式等多種新的開(kāi)關(guān)。這些新的開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)反映出設(shè)計(jì)者對(duì)各

6、種新技術(shù)和 新方法的創(chuàng)新研究。 對(duì) 比 光學(xué)投影式刀具預(yù)調(diào)儀 計(jì)算機(jī)視覺(jué)型刀具預(yù)調(diào)儀 測(cè)量 原理 圖示 工作 過(guò)程 將刀尖到影屏上，采用目視瞄準(zhǔn)定 使用CCD攝像機(jī)采集被測(cè)刀具圖像，測(cè)量時(shí)， 計(jì)算機(jī)影屏上的十字線自動(dòng)跟蹤刀具切削點(diǎn)， 當(dāng)?shù)都夥€(wěn)定在測(cè)量區(qū)域后，即已完成測(cè)量 優(yōu)缺 點(diǎn) 光學(xué)投影光路的加工及調(diào)整復(fù)雜， 由人眼控制刀尖對(duì)準(zhǔn)十字線的微細(xì) 調(diào)整過(guò)程，要求二維光柵數(shù)字系統(tǒng) 的導(dǎo)軌必須具備微調(diào)機(jī)構(gòu)，增加了 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度；而且人眼目視瞄 準(zhǔn)的精度低，工作效率差。 消除了操作者的人為誤差，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、 數(shù)字化、微米級(jí)的測(cè)量精度。 結(jié)論 這種由光學(xué)投影式瞄準(zhǔn)原理發(fā)展為利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行瞄準(zhǔn)的

7、創(chuàng)新，開(kāi)創(chuàng)了 新一代刀具預(yù)調(diào)儀的發(fā)展，也為生產(chǎn)廠家?guī)?lái)了較大的經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)和社會(huì)效益。 一、創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維能力的培養(yǎng)一、創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維能力的培養(yǎng) 突破“思維定勢(shì)”的束縛。人們往往習(xí)慣于從已有的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)中，從考慮 某類問(wèn)題獲得成功的思維模式中尋求解題方案，這就是所說(shuō)的思維定勢(shì)。要 克服心理上的慣性，從思維定勢(shì)的框框中解脫出來(lái)，善于從新的技術(shù)領(lǐng)域中 接受有用的事物，提出新原理、創(chuàng)造新模式、貢獻(xiàn)新方法，闖出新局面。 敢于標(biāo)新立異。創(chuàng)新思維的特點(diǎn)不僅是要突破“思維定勢(shì)”的束縛，而且要 敢于標(biāo)新立異，即敢于提出與前人甚至多數(shù)人不同的見(jiàn)解，敢于對(duì)似乎完美 的現(xiàn)實(shí)事物提出懷疑，尋找更合理的解法。 善于從不同角度思

8、考問(wèn)題，探索多種解法，設(shè)想多個(gè)可供選擇的方案，這樣， 成功的幾率必然成倍增長(zhǎng)。我們稱這種思維方法為多向思維或擴(kuò)散思維。 創(chuàng)新設(shè)計(jì)的訣竅在于創(chuàng)新設(shè)計(jì)的訣竅在于 充分依靠現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息資源有針對(duì)性的檢索相關(guān)資料，補(bǔ)充掌握不足的信 息來(lái)達(dá)到創(chuàng)新構(gòu)思。 在設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程中采用集多人智慧，互相啟發(fā)來(lái)尋求解決問(wèn)題的途徑； 也可通過(guò)有針對(duì)性、有系統(tǒng)地提問(wèn)來(lái)激發(fā)智慧，尋找解決辦法 通過(guò)對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的觀察，優(yōu)缺點(diǎn)分析，或采用數(shù)學(xué)建模，或采用系統(tǒng)分析 及形態(tài)學(xué)矩陣的理論分析方法尋求各種解決辦法。 舉例子說(shuō)明舉例子說(shuō)明：采用系統(tǒng)分析方法解決防止螺紋松動(dòng)的結(jié)構(gòu)措施。 螺釘鎖緊力矩公式為 2 tan 2 2M MGL Dd

9、 FM 二、創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的訓(xùn)練二、創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的訓(xùn)練 1） 學(xué)習(xí)，掌握創(chuàng)造學(xué)理論的基本思想，掌握創(chuàng)新思維規(guī)律，面對(duì)來(lái)自于自 然界生存壓力、社會(huì)發(fā)展需求壓力、經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)壓力、個(gè)人工作壓力及自我責(zé)任心， 事業(yè)心的主客觀強(qiáng)大壓力，激發(fā)出積極、主動(dòng)創(chuàng)造精神。 2）摸索創(chuàng)新設(shè)計(jì)的方法和技巧 式中， 為螺釘鎖緊力； 為螺紋中徑； 為螺紋升角； 為螺紋摩擦角； 為螺紋間摩擦系數(shù)； 為螺母壓緊端面時(shí)的摩擦系數(shù)； 為螺釘、螺母、被連接件（或墊圈）材料的摩擦系數(shù)； 為螺紋牙形角； 為螺母錐形壓緊端面錐角之半，通常壓緊為平面時(shí) ； 為螺母壓緊 端面的平均直徑。 F2 d GG arctan 2/cos/ G sin/

10、 M 0 90 M D 防止螺紋松動(dòng)的結(jié)構(gòu)措施，它可以從四個(gè)方面考慮：采用細(xì)牙螺紋，使 螺紋升角 減小，則鎖緊力矩增大；采用大牙形角螺紋，使 增大，可使 增大，則鎖緊力矩增大；采用錐形壓緊端面（錐角 180）， 愈小， 愈大，則鎖緊力矩增大；采用摩擦系數(shù) 大的材料，則鎖緊力矩增大。 G 2 M 這種系統(tǒng)分析的方法，使研究更具科學(xué)性，減少盲目性。 第三節(jié)第三節(jié) 測(cè)控儀器設(shè)計(jì)原則測(cè)控儀器設(shè)計(jì)原則 在儀器設(shè)計(jì)長(zhǎng)期實(shí)踐的基礎(chǔ)上,形成了一些帶有普遍性的或在一定場(chǎng)合下帶有普 遍性的儀器設(shè)計(jì)所應(yīng)遵循的基本原則與基本原理。這些設(shè)計(jì)原則與設(shè)計(jì)原理,作為儀 器設(shè)計(jì)中的技術(shù)措施,在保證和提高儀器精度,改善儀器性能,

11、以及在降低儀器成本等方 面帶來(lái)了良好的效果。 如何在儀器的總體方案中遵循或恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用這些原則與原理,便是在儀器總體設(shè) 計(jì)階段應(yīng)當(dāng)突出考慮的一個(gè)內(nèi)容。 共有六項(xiàng)設(shè)計(jì)原則：共有六項(xiàng)設(shè)計(jì)原則： 一、阿貝(Abbe)原則及其擴(kuò)展 七、從原理出發(fā)提高精度原則 二、變形最小原則及減小變形影響的措施 八、運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)原則 三、測(cè)量鏈最短原則 九、硬件、軟件協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則 四、坐標(biāo)系統(tǒng)一原則 十、可靠性原則 五、精度匹配原則 六、經(jīng)濟(jì)原則 一一. 阿貝阿貝(Abbe)原則及其擴(kuò)展原則及其擴(kuò)展 阿貝原則定義：阿貝原則定義：為使測(cè)量?jī)x器能給出正 確的測(cè)量結(jié)果,必須將儀器的讀數(shù)刻線尺安放 在被測(cè)尺寸線的延長(zhǎng)線上?；?/p>

12、者說(shuō)，被測(cè)零件 的尺寸線和儀器的基準(zhǔn)線（刻線尺）應(yīng)順序排 成一條直線。 因此，遵守阿貝(Abbe)原則的儀器，應(yīng)符合 圖3-1所示的安排。儀器的標(biāo)準(zhǔn)刻線尺與被測(cè) 件的直徑共線。 舉例說(shuō)明阿貝原則舉例說(shuō)明阿貝原則 圖31 遵守阿貝原則的測(cè)量 1-導(dǎo)軌 2-指示器 3-標(biāo)準(zhǔn)線紋尺 4-被測(cè)件 5-工作臺(tái) 對(duì)比 用游標(biāo)卡尺測(cè)量工件的直徑 用千分尺測(cè)量工件的直徑 測(cè)量圖示 測(cè)量過(guò)程 用游標(biāo)卡尺測(cè)量工件的直徑。不符合阿貝 原則。測(cè)量時(shí)，活動(dòng)量爪在尺架（導(dǎo)軌） 上移動(dòng)，由于導(dǎo)軌之間存在間隙，使活動(dòng) 量爪發(fā)生傾斜角而帶來(lái)測(cè)量誤差，其值為 設(shè)S=30毫米， =1則引起的誤差為 =300.0003=0.009m

13、m 用千分尺測(cè)量工件的直徑。符合阿 貝原則。如果由于安裝等原因，測(cè) 微絲桿軸線的移動(dòng)方向與尺寸線方 向有一夾角，則此時(shí)帶來(lái)測(cè)量誤差 為 設(shè)d=20毫米， =1則引起的誤差 為 =20mm 即誤差微小到可以忽略不計(jì)的程 度。 結(jié)論 誤差和傾角成一次方關(guān)系，習(xí)慣上稱為一 次誤差 誤差和傾角成二次方關(guān)系，習(xí)慣 上稱為二次微小誤差 阿貝誤差 產(chǎn)生的原 因 導(dǎo)軌間隙造成運(yùn)動(dòng)中的擺角由于標(biāo)準(zhǔn)刻線 尺與被測(cè)件的直徑不共線而帶來(lái)測(cè)量誤差 導(dǎo)軌間隙造成運(yùn)動(dòng)中的擺角由于標(biāo) 準(zhǔn)刻線尺與被測(cè)件的直徑共線誤差 微小到可以忽略不計(jì) Stg1 1 4/ 2 dL 2 72 105 . 44/)0003. 0( 再舉一例：再

14、舉一例： 用阿貝比長(zhǎng)儀測(cè)量線紋尺的刻線間隔，被測(cè)尺寸線W和儀器基準(zhǔn)線S在同一條 直線上，故符合阿貝原則。如果由于導(dǎo)軌誤差，基準(zhǔn)讀數(shù)顯微鏡和測(cè)量使讀數(shù) 顯微鏡支架在圖示平面內(nèi)產(chǎn)生 的轉(zhuǎn)動(dòng)，使基準(zhǔn)讀數(shù)顯微鏡的第二次瞄準(zhǔn)位置 由 移到 此時(shí)帶來(lái)的測(cè)量誤差為： 因?yàn)椋海?-cos）=2sin2/2 設(shè)d 被測(cè)線紋長(zhǎng)度，且d=20mm，=1， 則引起的誤差為：=20（0.0003）2/2=910-7 mm 即誤差微小到可以忽略不計(jì)的程度。 2 M 2 M 2/)cos1 ( 2 dddd 可見(jiàn)，阿貝原則在量?jī)x設(shè)計(jì)中的意義重大。 阿貝原則被公認(rèn)為是量?jī)x設(shè)計(jì)中最基本的原則之一，在一般的設(shè)計(jì)情 況下應(yīng)盡量遵守

15、。 但在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，有些情況不能保證阿貝原則的實(shí)施，其原因 有二： 1）遵守阿貝原則一般造成儀器外廓尺寸過(guò)大，特別是對(duì)線值測(cè)量范圍大的儀器， 情況更為嚴(yán)重。 2）多自由度測(cè)量?jī)x器，如圖3-3所示的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，或其它有線值測(cè)量系統(tǒng)的 儀器。很難作到使各個(gè)坐標(biāo)方向或一個(gè)坐標(biāo)方向上的各個(gè)平面內(nèi)均能遵守阿貝原 則。 如圖3-3所示的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其測(cè)量點(diǎn)的軌跡是測(cè)頭1的行程所構(gòu)成的尺寸 線，而儀器讀數(shù)線分別在圖示的X、Y與Z直線位置處，顯然，在圖示情況下測(cè)量 時(shí)，X與Y坐標(biāo)方向均不遵守阿貝原則。 其中圖3-3 a)為XZ平面，測(cè)頭1在該平面內(nèi)的行程所構(gòu)成的尺寸線與Z方向讀 數(shù)線共線，但與X方向

16、讀數(shù)線相距為L(zhǎng)，在該平面內(nèi)不符合阿貝原則。 其中圖3-3 b)為YZ平面，測(cè)頭1在該平面內(nèi)的行程所構(gòu)成的尺寸線與Z方向讀 數(shù)線共線，但與Y方向讀數(shù)線相距為L(zhǎng)，在該平面內(nèi)不符合阿貝原則。 圖3-2 工件的直徑測(cè)量 b）用阿貝比較儀測(cè)量 1被測(cè)工件 2工作臺(tái) 3底座 4基準(zhǔn)刻線尺 5支架 圖3-3 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 1-測(cè)頭的觸球 2-被測(cè)工件 結(jié)論結(jié)論：許多線值 測(cè)量系統(tǒng)的儀器，很 難做到使各個(gè)坐標(biāo)方 向或一個(gè)坐標(biāo)方向上 的各個(gè)平面內(nèi)均能遵 守阿貝原則。 圖3-3 a) 圖3-3 b) 基于上述實(shí)際情況，引出了擴(kuò)展阿貝原則的思路和方法。 美國(guó)學(xué)者布萊恩（J.B.Bryan）建議將擴(kuò)展了的阿貝原則表達(dá)

17、如下： “位移測(cè)量系統(tǒng)工作點(diǎn)的路程應(yīng)和被測(cè)位移作用點(diǎn)的路程位于一條直線上。 如果這不可能，那么或者必須使傳送位移的導(dǎo)軌沒(méi)有角運(yùn)動(dòng)，或者必須用實(shí)際 角運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)計(jì)算偏移的影響。 它包含三重意思，遵守了這三條中的一條，即遵守了阿貝原則。即： 1）標(biāo)尺與被測(cè)量一條線； 2）如無(wú)法做到則確保導(dǎo)軌沒(méi)有角運(yùn)動(dòng)； 3）或應(yīng)跟蹤測(cè)量，算出導(dǎo)軌偏移加以補(bǔ)償。 舉幾例來(lái)了解阿貝原則擴(kuò)展定義的應(yīng)用。舉幾例來(lái)了解阿貝原則擴(kuò)展定義的應(yīng)用。 以下實(shí)例的共性點(diǎn)：這些實(shí)例均采用了動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)量，隨機(jī)補(bǔ)償測(cè)量誤差 的方法。動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ菍⒈O(jiān)測(cè)系統(tǒng)與儀器主體固定為一體，一旦經(jīng)過(guò) 統(tǒng)調(diào)和定標(biāo)，則補(bǔ)償?shù)木确€(wěn)定。 注：注：還可采

18、用標(biāo)準(zhǔn)器具，對(duì)儀器進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)量、修正的方法。這種方法的最大 缺點(diǎn)是：儀器某標(biāo)定點(diǎn)的定標(biāo)條件與被測(cè)件在此標(biāo)定點(diǎn)上的被測(cè)條件都應(yīng)完全 一樣，否則將造成更大的測(cè)量誤差。 1. 愛(ài)彭斯坦（愛(ài)彭斯坦（Eppenstein）光學(xué)補(bǔ)償方法）光學(xué)補(bǔ)償方法 愛(ài)彭斯坦（Eppenstein）光學(xué)補(bǔ)償方法主要被應(yīng)用于高精度測(cè)長(zhǎng)機(jī)的讀數(shù)系統(tǒng) 中。圖3-4a為測(cè)長(zhǎng)機(jī)原理圖。 刻尺面位于焦距f相同的兩個(gè)透鏡N1，N2的焦面上。M2，N2與尾座聯(lián)為一體， M1，N1與頭座聯(lián)為一體?？坛哂裳b在尾座內(nèi)的光源照明。對(duì)零時(shí)，設(shè)0刻線成象 在s1點(diǎn)。測(cè)量時(shí)，尾座向左移動(dòng)。當(dāng)導(dǎo)軌平直時(shí)，設(shè)相應(yīng)于被測(cè)長(zhǎng)度讀數(shù)值的刻線 0亦成象在s1處時(shí)

19、不產(chǎn)生誤差?，F(xiàn)假設(shè)由于導(dǎo)軌直線度的影響，使尾座產(chǎn)生傾角 ，則在測(cè)量線方向上，測(cè)端因傾斜而向左挪動(dòng) ，如無(wú)補(bǔ)償措施，則此 值即為阿貝誤差。 tanLh 但這時(shí)與尾座聯(lián)為一體的M2，N2也隨之傾斜角，這樣，刻線0通過(guò)M2，N2 及M1，N1便成象到s2點(diǎn)，則S2點(diǎn)相對(duì)于S1點(diǎn)在刻尺面上也有一挪動(dòng) 量 。 12tans sf 圖34 愛(ài)彭斯坦光學(xué)補(bǔ)償方法 a)測(cè)長(zhǎng)機(jī)工作原理圖 b)光學(xué)補(bǔ)償原理 為了補(bǔ)償阿貝誤差，頭座需向左移動(dòng)靠緊工件 ， 為使讀數(shù)正確， S1S也需等于向左移動(dòng)量 即 = 即 ， 于是，由尾座傾斜而帶來(lái)的阿貝誤差，由于在儀器中設(shè)置了上述光學(xué)系統(tǒng)，在 讀數(shù)時(shí)自動(dòng)消失了，即達(dá)到了補(bǔ)償?shù)哪?/p>

20、的。這種補(bǔ)償原理被稱為愛(ài)彭斯坦光學(xué)補(bǔ) 償原理，是通過(guò)結(jié)構(gòu)布局隨機(jī)補(bǔ)償阿貝誤差的方法。 tanLh 12tans sftanLh fh 2激光兩坐標(biāo)測(cè)量?jī)x中監(jiān)測(cè)導(dǎo)軌轉(zhuǎn)角與平移的光電補(bǔ)償方法激光兩坐標(biāo)測(cè)量?jī)x中監(jiān)測(cè)導(dǎo)軌轉(zhuǎn)角與平移的光電補(bǔ)償方法 圖3-5為高精度激光兩坐標(biāo)測(cè)量?jī)x，為了補(bǔ)償由于導(dǎo)軌轉(zhuǎn)角引起的的阿貝誤差， 儀器采用雙層工作臺(tái)。下層工作臺(tái)2經(jīng)滾柱在底座1的導(dǎo)軌上作縱向移動(dòng)，上工作 臺(tái)3通過(guò)三個(gè)滾珠軸承4支承在下工作臺(tái)上。上工作臺(tái)型框板的左右各有兩個(gè)孔眼。 左面兩個(gè)孔眼里裝有彈性頂塊5，把上工作臺(tái)往左拉，右面兩個(gè)孔眼里裝有壓電陶 瓷組合體6、7，其端部頂在下工作臺(tái)上。利用壓電陶瓷的電場(chǎng)-壓變效

21、應(yīng)，使上工 作臺(tái)相對(duì)于下工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)微小的平移或轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)角將產(chǎn)生阿貝誤差，故在此僅介 紹導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)。 上工作臺(tái)移動(dòng)過(guò)程中在水平面 內(nèi)的轉(zhuǎn)角測(cè)量及校正原理如圖3-6所 示。這里采用了激光小角度測(cè)量法。 在上工作臺(tái)的左部裝了一對(duì)角隅棱 鏡。若上工作臺(tái)移動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生轉(zhuǎn) 動(dòng)，角隅棱鏡3相對(duì)于角隅棱鏡8的 光程差將有增大或縮小。這樣根據(jù) 測(cè)得的偏差值的正負(fù)方向，通過(guò)電 子線路，使壓電陶瓷5作相應(yīng)的伸 長(zhǎng)或縮短，以補(bǔ)償上工作臺(tái)在移動(dòng) 過(guò)程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角。 圖3-5 激光兩坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的工作臺(tái)原理 1-底座 2-下層工作臺(tái) 3-上工作臺(tái) 4-滾珠軸承 5-彈性頂塊 6，7-壓電陶瓷組合體 圖3-6轉(zhuǎn)角測(cè)量及校

22、正原理 1-準(zhǔn)直透鏡組 2-全反射鏡 3-角隅棱鏡 4-上工作臺(tái) 5-壓電陶瓷 6-分光移相鏡 7-光電接收器 8-角隅棱鏡 3以動(dòng)態(tài)準(zhǔn)直儀為標(biāo)準(zhǔn)器的電學(xué)補(bǔ)償方法以動(dòng)態(tài)準(zhǔn)直儀為標(biāo)準(zhǔn)器的電學(xué)補(bǔ)償方法 以動(dòng)態(tài)準(zhǔn)直儀為標(biāo)準(zhǔn)器來(lái)跟蹤測(cè)量一些高精度、數(shù)字式計(jì)量?jī)x器導(dǎo)軌的直線 度誤差，并把測(cè)得的誤差值經(jīng)電路處理后轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的脈沖數(shù)，輸入給計(jì)數(shù)器 或計(jì)算機(jī)進(jìn)行誤差補(bǔ)償。其電路框圖如圖3-7所示。 該電路比較復(fù)雜，沒(méi)有充分利用計(jì)算機(jī)的功能，補(bǔ)償?shù)淖杂啥葦?shù)單一。 能否請(qǐng)同學(xué)設(shè)計(jì)智能化自動(dòng)補(bǔ)償方案？ 圖37 電學(xué)補(bǔ)償方法原理框圖 4 標(biāo)準(zhǔn)器工作點(diǎn)與被測(cè)點(diǎn)共線的平直度測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)器工作點(diǎn)與被測(cè)點(diǎn)共線的平直度測(cè)量系統(tǒng)

23、 在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上配制標(biāo)準(zhǔn)直尺和測(cè)微表，即可作直線度測(cè)量。布萊恩提出 了一種遵守阿貝原則的結(jié)構(gòu)布局。 平直度測(cè)量系統(tǒng)的工作點(diǎn)應(yīng)當(dāng)位于垂直于滑塊移動(dòng)方向的，并通過(guò)被測(cè)的平 直度的測(cè)量點(diǎn)的方向線上。如果這不可能，那么，或者必須使傳送平直度的導(dǎo)軌 沒(méi)有角運(yùn)動(dòng)，或者必須用角運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)計(jì)算偏移的影響。 見(jiàn)圖3-8，圖中測(cè)微表6和標(biāo)準(zhǔn)直尺5組合實(shí)現(xiàn)沿Z向的平直度測(cè)量，測(cè)微表15 和標(biāo)準(zhǔn)直尺12組合實(shí)現(xiàn)沿Y向的平直度測(cè)量。測(cè)端17即為Z向被測(cè)的平直度的測(cè)量 點(diǎn)。由于儀器導(dǎo)軌的直線度誤差，Z向滑塊移動(dòng)時(shí)，可能有Y向的平移或在Y-Z平 面內(nèi)的傾斜，由此將引起測(cè)量誤差，為補(bǔ)償該誤差，布萊恩提出：將測(cè)端17與測(cè) 微

24、表6的測(cè)端按圖3-9a）布置。如若布置為如圖3-9b）所示的A1點(diǎn)或A2點(diǎn)，則不 符合上面提到的原則，起不到補(bǔ)償?shù)淖饔谩?提示： 、 為測(cè)端17的位置； 為測(cè)微表6的測(cè)端。1 A 2 A 0 A 圖3-8 平直度測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局 1.激光干涉儀2. 激光光路邊3.測(cè)量框架4.Z軸滑塊 5.標(biāo)準(zhǔn)直尺6.測(cè)微表7. 激光干涉儀8. 激光器 9. 激光干涉儀 10.儀器底座 11.測(cè)量框架12. 標(biāo)準(zhǔn)直尺 13.隔振支承14.Y軸滑塊 15. 測(cè)微表16.壓電晶體17.測(cè)端 圖3-9 標(biāo)準(zhǔn)器工作點(diǎn)與被測(cè)點(diǎn)的相互關(guān)系 a）正確 b）不正確 思考題：如果以0點(diǎn)為圓心發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，請(qǐng)同學(xué) 們畫(huà)圖指出為什么a

25、）正確而 b）不正確？ 平直度測(cè)量的工作點(diǎn)可設(shè)在 、 或 。（ 與 共線，并垂直于平直度測(cè)量的移動(dòng)方向）但由于 導(dǎo)軌誤差將造成Z軸滑塊發(fā)生位于紙面內(nèi)的擺動(dòng)， 因此，導(dǎo)軌擺動(dòng)帶來(lái)的誤差將被引入到平直度測(cè)量 中，因此，增加了標(biāo)準(zhǔn)平尺和輔助測(cè)量頭 ，用輔 助測(cè)量頭 感受導(dǎo)軌擺動(dòng)帶來(lái)的誤差，以便補(bǔ)償該 誤差。 當(dāng)Z軸滑塊的瞬間擺動(dòng)點(diǎn)為O時(shí)，只有當(dāng)平直度 測(cè)量的工作點(diǎn)設(shè)在 位置時(shí)，由于導(dǎo)軌誤差引入的 測(cè)量誤差 ， 為輔助測(cè)量頭 感受到的導(dǎo)軌擺 動(dòng)帶來(lái)的誤差。而 ，均不能有效補(bǔ)償 導(dǎo)軌誤差。 1 A 2 A 0 A 0 A 0 A 0 A 0 A 0 A 00 0 0 A 1 0 2 0 動(dòng)畫(huà)演示動(dòng)畫(huà)演示

26、 5遵守阿貝原則的傳動(dòng)部件遵守阿貝原則的傳動(dòng)部件 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 阿貝原則雖然主要是針對(duì)幾何 量中大量程線值測(cè)量?jī)x器總體布 局設(shè)計(jì)的一條原則，但同樣適合 各類儀器傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)。 圖3-10 a）符合阿貝原則； 而圖3-10 b）不符合阿貝原則。 為什么？請(qǐng)同學(xué)回答。 圖3-10 傳動(dòng)部件遵守阿貝原則的設(shè)計(jì) a）正確 b)不正確 二、變形最小原則及減小變形影響的措施二、變形最小原則及減小變形影響的措施 變形最小原則定義變形最小原則定義：應(yīng)盡量避免在儀器工作過(guò)程中，因受力變化或因受溫度變 化而引起的儀器結(jié)構(gòu)變形或儀器狀態(tài)和參數(shù)的變化。 例如：儀器承重變化 儀器結(jié)構(gòu)變形 外界溫度變化 儀器或傳感器結(jié)構(gòu)參

27、數(shù)變化，導(dǎo)致光電信號(hào)的零點(diǎn)漂移及系 統(tǒng)靈敏度變化。 1減小力變形影響的技術(shù)措施減小力變形影響的技術(shù)措施 要從總體設(shè)計(jì)上，或從具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，考慮減小或消除力變形的影響。 （1）一米激光測(cè)長(zhǎng)機(jī)一米激光測(cè)長(zhǎng)機(jī)底座變形的補(bǔ)償?shù)鬃冃蔚难a(bǔ)償 一米激光測(cè)長(zhǎng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理：測(cè)量頭架3由電動(dòng)機(jī)和變速箱6通過(guò)閉合鋼帶7， 電磁離合器8帶動(dòng)在導(dǎo)軌上移動(dòng)。工件放在工作臺(tái)4上，工作臺(tái)也可沿導(dǎo)軌移動(dòng)。 固定角隅棱鏡9與尾座5固結(jié)在一起?？蓜?dòng)角隅棱鏡12與測(cè)量頭架3內(nèi)的測(cè)量主軸11 固結(jié)在一起，測(cè)量主軸可在測(cè)量頭架內(nèi)作5mm的軸向移動(dòng)。裝在干涉儀箱體2內(nèi) 的激光器13發(fā)出的激光束經(jīng)反射鏡后由分光鏡14分為兩路：一路到固定

28、角隅棱鏡9； 一路到可動(dòng)角隅棱鏡12。這兩束光在返回后發(fā)生干涉。 圖3-11一米激光測(cè)長(zhǎng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理 1底座 2干涉儀箱體 3測(cè)量頭架 4工作臺(tái) 5尾座 6電動(dòng)機(jī)和變速 箱 7閉合鋼帶 8電磁離合器 9固定角隅棱鏡 10尾桿 11測(cè)量主軸 12可動(dòng)角隅棱鏡 13激光器 14分光鏡 工作時(shí)： 第一步第一步，儀器對(duì)零； 第二步第二步，放上工件，開(kāi)始測(cè)量，這時(shí)底座上既增加了重量,又改變了測(cè)量頭架及工 作臺(tái)在底座上的位置, 底座就產(chǎn)生新的重力變形 如果尾座軸線相對(duì)于導(dǎo)軌面在垂直平面內(nèi)發(fā)生5傾斜角的零位變化（見(jiàn)圖3 12）,設(shè)尾座中心高為200mm，則此時(shí)引起的零位的變動(dòng)量為 為了消除上述誤差的影響,此臺(tái)

29、儀器在總體布局時(shí),采取了以下措施: 固定角隅棱鏡9與尾座5固結(jié)在一起; 固定角隅棱鏡9的錐頂安放在尾桿10的軸線離底座導(dǎo)軌面等高的同一平面內(nèi); 可動(dòng)角隅棱鏡12的錐頂位于測(cè)量主軸11的軸心線上(以便符合阿貝原則); 盡可能減小固定角隅棱鏡9和尾桿10在水平面內(nèi)的距離d。 實(shí)踐證明上述結(jié)構(gòu)布局可使因重力變形引起的誤差大為縮小。 mmm5200 102 1 5 5 驗(yàn)證：驗(yàn)證： 圖中位置 I是測(cè)量頭架3對(duì)零時(shí)的位置，此時(shí)， 測(cè)量光束一路，由測(cè)量角隅棱鏡到分光鏡之間的距離為L(zhǎng)1； 參考光束一路，由固定角隅棱鏡到分光鏡之間的距離為（Sd）。 則此兩路相干光束的光程差為 （33） 11 )(2LdS 圖

30、312 測(cè)量頭架位置變動(dòng)的原理示意圖 圖中位置II為測(cè)量頭架在測(cè)量時(shí)的位置，此時(shí)，尾座有傾角 ，由此而引起 的尾桿零位變動(dòng)量為 （見(jiàn)圖312a），其中h為尾桿軸線離底座導(dǎo)軌面的 距離。 測(cè)量光束一路：由測(cè)量角隅棱鏡到分光鏡之間的距離為（L1 L），其中L 為被測(cè)零件長(zhǎng)度。由于儀器布局滿足上述、兩個(gè)條件，故固定角隅棱鏡的 位置也有一個(gè)和尾桿方向相同、大小相等的零位變動(dòng)量 。 參考光束一路：由固定角隅棱鏡到分光鏡的距離為（Sd） 。 在測(cè)量時(shí)，兩種相干光束的光程差為 （34） 式（34）減去式（33），就得到測(cè)量時(shí)和對(duì)零時(shí)兩個(gè)光程差的變化量為 （35） 即光程差的變化的正好正比于被測(cè)長(zhǎng)度L。 1

31、1 h 1 1 )(2)( 2)(2 11112 LLdSLLdS nL2 12 （2）光電光波比長(zhǎng)儀消除力變形的結(jié)構(gòu)布局）光電光波比長(zhǎng)儀消除力變形的結(jié)構(gòu)布局 為減小力變形的影響，儀器布局如下： 第一，第一，采用了工作臺(tái)、床身、基座 三層結(jié)構(gòu)的形式。工作臺(tái)1在床身2上移 動(dòng)，床身2通過(guò)三個(gè)鋼球支承在基座3上， 基座則用三個(gè)支點(diǎn)支在地基上。鋼球支 承和基座支點(diǎn)位置上重合。這樣，工作 時(shí)，無(wú)論工作臺(tái)1怎樣移動(dòng)，工作臺(tái)及 床身的重量始終通過(guò)三個(gè)球支承作用在 基座上，即基座受到的三個(gè)垂直力只有 大小的變化，而無(wú)方向和位置的變化， 而且這三個(gè)力又通過(guò)基座底下的三個(gè)相 對(duì)應(yīng)的支點(diǎn)直接作用在地基上。因此，

32、在工作過(guò)程中，基座變形基本穩(wěn)定不變。 圖313 三層結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì) 1工作臺(tái) 2床身 3基座 4V形槽支承面 5平支承面板 6圓錐形球窩支承面 第二，第二，在光電光波比長(zhǎng)儀中，光電顯微鏡、固定參考鏡和干涉系統(tǒng)的分光鏡三 者之間的相對(duì)位置，要求嚴(yán)格保持不變。因此布局上把這三者都裝在與基座相 連的構(gòu)件上。由于基座變形穩(wěn)定不變，故這三者之間相對(duì)位置也保持穩(wěn)定不變。 從而保證了測(cè)量精度。 第三，第三，前面提到，床身2是通過(guò)三個(gè)鋼球支承在基座3上的。這三個(gè)鋼球的支承， 其支承座結(jié)構(gòu)各不相同。一個(gè)支承座是平支承面5（布置在后面），前面兩邊的 兩個(gè)，其中一個(gè)是圓錐形球窩支承面6，另一個(gè)是V形槽支承面4。V形

33、槽的方向 與基座縱方向相平行。采用這種支承座結(jié)構(gòu)后，床身一經(jīng)放到基座上，就符合 定位原則。這時(shí)，床身在縱向、橫向及轉(zhuǎn)角方向均無(wú)需再加諸如螺釘、夾板等 的限制，避免產(chǎn)生不良的約束所帶來(lái)的附加內(nèi)應(yīng)力。此外，如果溫度有所變化， 這種結(jié)構(gòu)也并不限制床身相對(duì)于基座的自由伸縮，所以也不會(huì)因熱變形而帶來(lái) 內(nèi)應(yīng)力。這種設(shè)計(jì)，既能自動(dòng)定位，又無(wú)附加內(nèi)應(yīng)力，在有些資料中，把它稱 之為無(wú)附加內(nèi)應(yīng)力的自動(dòng)定位設(shè)計(jì)，或稱為符合運(yùn)動(dòng)學(xué)原理的設(shè)計(jì)。作為一種 設(shè)計(jì)原理，在儀器設(shè)計(jì)中應(yīng)用很廣。 2減小熱變形影響的技術(shù)措施減小熱變形影響的技術(shù)措施 減小熱變形影響的技術(shù)措施有： 采用恒溫條件，以減小溫度變化量 ； 選擇合適的材料，

34、以減小線膨脹的影響，或選用線脹系數(shù)相反的材料在某些 敏感環(huán)節(jié)上進(jìn)行補(bǔ)償； 采用補(bǔ)償法補(bǔ)償溫度變化的影響，如測(cè)出被測(cè)件與標(biāo)準(zhǔn)件的溫度 和 ，查 得被測(cè)件與標(biāo)準(zhǔn)件的線脹系數(shù) 與 ，則溫度誤差的修正公式為 （3-6） 式中，L為被測(cè)件的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度。 也可采用實(shí)時(shí)補(bǔ)償法，例如：也可采用實(shí)時(shí)補(bǔ)償法，例如： t 1 t 2 t 1 2 )20()20( 0 22 0 11 CtCtLL 1)如絲杠動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x，由于溫度的影響，被測(cè)絲杠將伸長(zhǎng)或縮短，此外，當(dāng) 環(huán)境溫度、氣壓、濕度偏離標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)，激光波長(zhǎng)也將發(fā)生變化，這些都將帶 來(lái)測(cè)量誤差。因此，可以采用在激光一路信號(hào)中增減脈沖數(shù)的辦法來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償 的方案。在補(bǔ)償

35、時(shí)， 先測(cè)出環(huán)境的溫度、氣壓和濕度， 再計(jì)算出每米需累積補(bǔ)償量 ， 再計(jì)算每米補(bǔ)償量的脈沖數(shù) ，1m長(zhǎng)度內(nèi)的激光脈沖數(shù) 為 ，則每隔 脈沖，對(duì)激光一路增減一個(gè)脈沖信號(hào)。 N)2/( )2/(101 6 M/101/ 6 NM 圖314 分頻補(bǔ)償原理 1分頻器 2補(bǔ)償器 3與門(mén) 2) 擴(kuò)散硅壓力傳感器零點(diǎn)溫漂的補(bǔ)償 擴(kuò)散硅壓力傳感器是在硅材料的基片上，用集成電路的工藝制成擴(kuò)散電阻并 組成橋路。由于采用了半導(dǎo)體材料的擴(kuò)散技術(shù)，不可避免地產(chǎn)生了如下問(wèn)題： 擴(kuò)散電阻的離散性很大，橋路的四個(gè)電橋臂阻值R1R2R3R4； 擴(kuò)散電阻的各個(gè)電阻溫度系數(shù)不等，即 ； 擴(kuò)散電阻隨溫度的非線性變化。因此，將產(chǎn)生嚴(yán)重

36、的各不相同的零點(diǎn)溫度漂 移和靈敏度溫度漂移。 為了解決擴(kuò)散硅壓力傳感器零點(diǎn)溫度漂移的補(bǔ)償，提出了串并聯(lián)、雙并 聯(lián)、雙串聯(lián)等幾種補(bǔ)償方案，下面以串并聯(lián)為例，敘述其補(bǔ)償原理。 （1） 橋路的平衡條件橋路的平衡條件 圖3-15為四個(gè)擴(kuò)散電阻所組成的橋路 若使橋路在所要求的溫度點(diǎn)和溫度變化 后均能平衡，則平衡條件應(yīng)有二個(gè)， 即 （3-7） （3-8） 式中， 、 、 、 為在所要求溫度點(diǎn)的電阻 、 、 、 的阻值 t 4321 R RR R 10402030 aaaa 1423 10 R 20 R 30 R 40 R 1 R 2 R 3 R 4 R 圖315 電阻式橋路 圖316 電阻的串聯(lián)或并聯(lián)形式

37、 a) 串聯(lián)形式 b）并聯(lián)形式 即并聯(lián)后亦能降低其電阻溫度系數(shù)。即并聯(lián)后亦能降低其電阻溫度系數(shù)。 得 可見(jiàn) ，即串聯(lián)電阻后其電阻溫度系數(shù)降低。 a R RR a s aa s R R R RRRs s RtaRtaR)1 ()1 ( R （2） 串、并聯(lián)電阻對(duì)電阻溫度系數(shù)的影響。串、并聯(lián)電阻對(duì)電阻溫度系數(shù)的影響。 在電阻為 的擴(kuò)散電阻上串聯(lián)電阻 。設(shè)串聯(lián)后的等效電阻溫度系數(shù)為 ，等 效電阻為 ， 的電阻溫度系數(shù)為 。如圖3-16a，則有： 在擴(kuò)散電阻上并聯(lián)電阻 。如圖3-16b所示，并聯(lián)后其等效電阻為： p R 即 p p RtaR RtaR taR )1 ( )1 ( )1 ( 得 tRaR

38、R aR a p p 因 RRRa t p R RR RR p p 故 a R a RR p p 可見(jiàn) aa RRR a R RR a s s 1010 1 10 10 1 橋臂2上的等效電阻和等效溫度系數(shù)分別為： 2 20 2 20 20 20 a RR R a RR RR R p p p p （39） （310） （3） 串并聯(lián)電阻補(bǔ)償原理串并聯(lián)電阻補(bǔ)償原理 見(jiàn)圖3-17，在 上串聯(lián) ，在 上并聯(lián) 。這樣， 橋臂1上的等效電阻和等效溫度系數(shù)分別為 p R 1 R s R 2 R 將式（3-9）、式（3-10）代入電橋平衡公式（3-7）及（3-8），得： （311） （312） 令 ，故 （

39、313） ()RRRR R R RR s p p 10402030 20 0 0 3 20 24 10 10 1 a RR R aa RR R a p p s K R RR p p 20 RR K K p 20 1 圖317 串并聯(lián)電阻補(bǔ)償原理 p R s R 又由式（3-11）得 （3-14） 將式（3-13）、（3-14）代入式（3-12），解得 由K的定義知K0，故取上式根號(hào)前的正值得 （3-15） 在此，將橋路的各電阻和 值代入(3-15)便可求得K值，再將K值代入式（3- 13）、式（3-14）就可以求出 和 。這樣求出的 和 值能夠同時(shí)滿足式（3- 11）和式（3-12），也就是說(shuō)

40、在有溫度變化時(shí)，電橋總是處在平衡的條件下，這就 達(dá)到了補(bǔ)償溫度漂移的目的。 R R R R KR s 2030 40 10 K aa a aa a R R R R a a 43 2 43 2 2 1040 2030 1 2 22 K aa a aa a R R R R a a 43 2 43 2 2 1040 2030 1 2 22 p R s R 三、測(cè)量鏈最短原則三、測(cè)量鏈最短原則 測(cè)量鏈定義：儀器中直接感受標(biāo)準(zhǔn)量和被測(cè)量的有關(guān)元件，如被測(cè)件、標(biāo) 準(zhǔn)件、感受元件、定位元件等均屬于測(cè)量鏈。 在精密測(cè)量?jī)x器中，根據(jù)各環(huán)節(jié)對(duì)儀器精度影響程度的不同，可將儀器中的 結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)區(qū)分為測(cè)量鏈、放大指示鏈和

41、輔助鏈三類。 測(cè)量鏈的誤差對(duì)儀器精度的影響最大，一般都是1:1影響測(cè)量結(jié)果。因此，對(duì) 測(cè)量鏈各環(huán)節(jié)的精度要求應(yīng)最高。 因此測(cè)量鏈最短原則顯然指一臺(tái)儀器中測(cè)量鏈環(huán)節(jié)的構(gòu)件數(shù)目應(yīng)最少，即測(cè) 量鏈應(yīng)最短。因此，測(cè)量鏈最短原則作為一條設(shè)計(jì)原則要求設(shè)計(jì)者予以遵守。 四、四、 坐標(biāo)系統(tǒng)一原則坐標(biāo)系統(tǒng)一原則 以上設(shè)計(jì)原則，一般都是從某臺(tái)儀器總體出發(fā)考慮的。而坐標(biāo)系統(tǒng)一原則,則 是對(duì)儀器群體之間的位置關(guān)系,相互依賴關(guān)系來(lái)說(shuō)的,或主要是針對(duì)儀器中的零件 設(shè)計(jì)及部件裝配要求來(lái)說(shuō)的。 對(duì)零部件設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，對(duì)零部件設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，這條原則是指：在設(shè)計(jì)零件時(shí)，應(yīng)該使零件的設(shè)計(jì)基面、 工藝基面和測(cè)量基面一致起來(lái)，符合這個(gè)原則，才

42、能使工藝上或測(cè)量上能夠較經(jīng) 濟(jì)地獲得規(guī)定的精度要求而避免附加的誤差。 例如，圖318所示的零件，兩個(gè)直徑d1及d2的設(shè)計(jì)基面及工藝基面均為中 心線OO。在測(cè)量時(shí)，若用頂尖支承進(jìn)行（見(jiàn)圖3-18），則測(cè)量基準(zhǔn)和設(shè)計(jì)基 準(zhǔn)、工藝基準(zhǔn)重合，此時(shí)能真正地反映d2的圓柱度等加工誤差。但若以d1的外 圓柱面為測(cè)量基準(zhǔn)時(shí)（見(jiàn)圖3-19），則d1的形狀誤差也就反映到測(cè)量結(jié)果中， 帶來(lái)附加的測(cè)量誤差。 圖318 頂尖支承法測(cè)徑向圓心晃動(dòng) 圖319 V形支承法測(cè)徑向圓心晃動(dòng) 對(duì)儀器群體之間（主系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間）的位置關(guān)系對(duì)儀器群體之間（主系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間）的位置關(guān)系,相互依賴關(guān)系相互依賴關(guān)系 來(lái)說(shuō)來(lái)說(shuō), 這條原則

43、是指：在設(shè)計(jì)某臺(tái)儀器或其中的組成部件時(shí)，應(yīng)考慮到該儀器或 該部件的坐標(biāo)系統(tǒng)在主坐標(biāo)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換關(guān)系與實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的方法。較復(fù)雜的測(cè)控 系統(tǒng)，常常由機(jī)械系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)和光電變換部分組成；有時(shí)一個(gè)復(fù)雜的測(cè)控系 統(tǒng)往往由幾個(gè)子系統(tǒng)共同來(lái)完成同一個(gè)測(cè)量任務(wù)。這時(shí)應(yīng)將各個(gè)子系統(tǒng)的坐標(biāo)都 應(yīng)統(tǒng)一起來(lái)，統(tǒng)一到表征被測(cè)件位置的主坐標(biāo)系中，即在設(shè)計(jì)中要考慮各子坐標(biāo) 系與主坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，否則會(huì)帶來(lái)測(cè)量結(jié)果的混亂。 圖3-20所示為刀具預(yù)調(diào)儀的結(jié)構(gòu)原理圖，該儀器用于測(cè)量刀具的刀尖部分參數(shù)， 主要有刀柄長(zhǎng)度和刀尖的旋轉(zhuǎn)半徑（見(jiàn)圖3-21）。 其工作原理是：其工作原理是： 圖3-20 數(shù)控加工設(shè)備用刀具預(yù)調(diào)儀 1-工作

44、臺(tái) 2-床身（含X向?qū)к墸?3-被測(cè)刀具 4-計(jì)算機(jī)監(jiān)視器 5-CCD攝像頭 6-立柱（含Z向?qū)к墸?7-Z向滑架 8-光源 圖321 數(shù)控加工用刀具 1-莫氏錐柄 2-刀尖 3-刀柄 T z x R Z X 式中， 為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)角系數(shù)； 為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的平移系數(shù)。 經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，作到了兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)的基準(zhǔn)統(tǒng)一。 RT 五、精度匹配原則五、精度匹配原則 在對(duì)儀器進(jìn)行精度分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)儀器中各部分各環(huán)節(jié)對(duì)儀器精度影 響程度的不同，分別對(duì)各部分各環(huán)節(jié)提出不同的精度要求和恰當(dāng)?shù)木确峙洌?這就是精度匹配原則。 刀具預(yù)調(diào)儀的主坐標(biāo)系為 ，立柱6構(gòu)成Z向坐標(biāo)，并沿X向?qū)к壩灰?Z向滑架7上的CCD成像系統(tǒng)（

45、包括攝像頭5和光源8）完成對(duì)刀尖的瞄準(zhǔn)，刀尖 的尺寸和形狀則由CCD光敏面子坐標(biāo)系坐標(biāo) 來(lái)確定。 為了正確給出刀尖的尺寸和形狀坐標(biāo)，必須將 確定的刀尖像坐標(biāo)與主 坐標(biāo)統(tǒng)一起來(lái)。即通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣將像坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到主坐標(biāo)系中。通過(guò)標(biāo)定 可以找到 坐標(biāo)系相對(duì) 坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換系數(shù) 和坐標(biāo)平移系數(shù) ，則 zox XOZ zox zoxXOZ RT 六、經(jīng)濟(jì)原則六、經(jīng)濟(jì)原則 經(jīng)濟(jì)原則是一切工作都要遵守的一條基本而重要的原則。經(jīng)濟(jì)原則反映 到測(cè)控儀器的設(shè)計(jì)之中，可從以下幾方面來(lái)考慮： 1）工藝性。選擇正確的加工工藝和裝配工藝，從而達(dá)到節(jié)省工時(shí)，節(jié)約能 源，不但易于組織生產(chǎn)，而且降低管理費(fèi)用。 2）合理的精

46、度要求。精度的高低，決定了成本的高低。因此各環(huán)節(jié)則應(yīng)根 據(jù)不同的要求分配不同的精度。 3）合理選材。合理選材是儀器設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)之一，從減小磨損、減小 熱變形、減小力變形、提高剛度及滿足許多物理性能上來(lái)說(shuō)，都離不開(kāi)材料 性能。而材料的成本又差價(jià)很大，因此合理選材是至關(guān)重要的一條。 4）合理的調(diào)整環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)合理的調(diào)整環(huán)節(jié)，往往可以降低儀器零部件的精 度要求，達(dá)到降低儀器成本的目的。 5）提高儀器壽命。為提高儀器壽命要對(duì)電氣元件進(jìn)行老化和篩選；對(duì)機(jī)械 零部件中的易損系統(tǒng)采用更合理的結(jié)構(gòu)型式。雖然這兩方面的改進(jìn)會(huì)使成本 增加，但如果儀器壽命延長(zhǎng)一倍，等于使儀器價(jià)格降低了一半。 硬件、軟件協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)

47、計(jì)原則 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的局限性：傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的局限性： 過(guò)去的嵌入式系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)相對(duì)于軟件部分來(lái)說(shuō)更容易，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)主要是在 目標(biāo)電路板上進(jìn)行編程和交叉調(diào)試，所以那時(shí)的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)很大精力都放在 軟件上，通常認(rèn)為只要軟件開(kāi)發(fā)質(zhì)量能夠很好地保證，就可以很好地滿足整個(gè)系 統(tǒng)的功能和性能需求。傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖1-1所示。系統(tǒng)軟件和硬件 劃分完成以后，首先進(jìn)行硬件子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，再進(jìn)行軟件子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn)，因此整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程基本上是一個(gè)串行過(guò)程。 軟硬件設(shè)計(jì)原則 過(guò)去的嵌入式系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)相對(duì)于軟件部分來(lái)說(shuō)更容易，系 統(tǒng)開(kāi)發(fā)主要是在目標(biāo)電路板上進(jìn)行編程和交叉調(diào)試，所以

48、那時(shí)的嵌 入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)很大精力都放在軟件上，通常認(rèn)為只要軟件開(kāi)發(fā)質(zhì)量 能夠很好地保證，就可以很好地滿足整個(gè)系統(tǒng)的功能和性能需求。 傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖1-1所示。系統(tǒng)軟件和硬件劃分完 成以后，首先進(jìn)行硬件子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，再進(jìn)行軟件子系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，因此整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程基本上是一個(gè)串行過(guò) 程。 隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，硬件的集成度越來(lái)越高，嵌入式產(chǎn) 品大量采用soc技術(shù)，使得傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法逐漸暴露出 很多不足之處：軟件和硬件的開(kāi)發(fā)過(guò)程割裂、缺乏溝通；設(shè)計(jì)自動(dòng) 化層次低；設(shè)計(jì)過(guò)程串行化增加了設(shè)計(jì)周期；缺乏設(shè)計(jì)重用支持。 軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 軟硬件設(shè)計(jì)原則 針對(duì)嵌

49、入式系統(tǒng)Soc設(shè)計(jì)面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn) ，研究者們開(kāi)始探索新的設(shè)計(jì)方法學(xué)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì) (Hardware/Software Co-Design)方法學(xué)。軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方 法學(xué)的研究始于90年代初期，第一屆International Workshop on Hardware/Software Codesign會(huì)議于1993年召開(kāi)，它標(biāo) 志著軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法學(xué)的研究正式展開(kāi)，軟硬件協(xié)同設(shè) 計(jì)領(lǐng)域正式確立。軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)不僅是一種設(shè)計(jì)技術(shù)，同 時(shí)也是種新的設(shè)計(jì)方法學(xué)，其核心問(wèn)題是協(xié)調(diào)軟件子系統(tǒng)和 硬件子系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不同，軟硬件協(xié) 同設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)軟件和硬件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的并行性和相互反饋，如

50、圖 1-3所示，克服了傳統(tǒng)方法中把軟件和硬件分開(kāi)設(shè)計(jì)所帶來(lái)的 種軟硬件設(shè)計(jì)原則 種弊端，協(xié)調(diào)軟件和硬件之間的制約關(guān)系，達(dá)到系統(tǒng)高效 工作的目的，軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)提高了設(shè)計(jì)抽象的層次，拓 展了設(shè)計(jì)覆蓋的范圍。與此同時(shí)，軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)利 用現(xiàn)有資源(已經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的IP核和軟件構(gòu)件)，縮短系統(tǒng)開(kāi) 發(fā)周期，降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)性能，保證系統(tǒng)開(kāi)發(fā)質(zhì) 量，適應(yīng)Soc設(shè)計(jì)。Soc軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)研究目前還處于 發(fā)展階段許多技術(shù)仍未成熟和實(shí)用化，但是該技術(shù)將給嵌 入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)革命性的變化，能夠 極大地提高設(shè)計(jì)生產(chǎn)力，研究意義重大。 軟硬件設(shè)計(jì)原則 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的目的就是找到一種最優(yōu)化的軟硬件比例結(jié)構(gòu)以

51、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)規(guī)范，同時(shí)滿足系統(tǒng)速度、面積、功耗、靈活性等要求。 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)是一種自頂向下、自底向上的設(shè)計(jì)方法。具體流 程如圖1-4所示，在系統(tǒng)行為描述階段，系統(tǒng)將被以最直接的方 式描述出來(lái)。此時(shí)不涉及任何有關(guān)系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，指描述 系統(tǒng)外在的行為表現(xiàn)，更不涉及哪些是硬件、哪些是軟件。在這 個(gè)階段，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的行為進(jìn)行驗(yàn)證，以期在設(shè)計(jì)的開(kāi)始階 段就發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)行為要求中的錯(cuò)誤。之后，要對(duì)系統(tǒng)行為描述進(jìn)行 功能劃分。將系統(tǒng)劃分為互連的模塊，每個(gè)模塊都執(zhí)行功能相對(duì) 獨(dú)立的特定行為，并確定模塊的互連關(guān)系和接口標(biāo)準(zhǔn)，完成系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)模型描述。同樣在完成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)描述后，也需要進(jìn)行驗(yàn) 證，以確認(rèn)結(jié)構(gòu)描

52、述與行為描述的一致。 軟硬件劃分在結(jié)構(gòu)描述完成后進(jìn)行，以確定各個(gè)部分由軟件或硬 件實(shí)現(xiàn)。更重要的是，在進(jìn)行完軟硬件劃分后，要對(duì)系統(tǒng)的性能 、靈活性等參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，以評(píng)估軟硬件劃分，甚至功能劃分的 合理性。 軟硬件設(shè)計(jì)原則 如果劃分不合理，就需要重新進(jìn)行軟硬件劃分或功能劃分，再進(jìn)行 評(píng)估。如此反復(fù)，直至獲得最優(yōu)的解決方案。 在完成軟硬件劃分之后，就可以對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行細(xì)化、綜合 (Synthesis)，直至虛擬器件原型(包括軟件)。在整個(gè)細(xì)化過(guò)程中， 應(yīng)多次進(jìn)行軟硬件的協(xié)同驗(yàn)證(Verification)7，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)細(xì) 化中的錯(cuò)誤。 在到達(dá)器件原型級(jí)后，需要對(duì)各硬件原型進(jìn)行映射(mapping)，完 成最終的實(shí)現(xiàn)。對(duì)已經(jīng)由廠商提供IP的器件，可直接進(jìn)行例化 ；對(duì)自己設(shè)計(jì)的器件，還要進(jìn)一步進(jìn)行綜合、布圖等工作。值得 注意的是有些廠商提供較高層次的IP，這樣，在較高的層次上就 可以用IP替代原型。 在整個(gè)設(shè)計(jì)完畢之前還要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行底層