第3章(123節(jié))

1、第三章第三章 測控儀器總體設(shè)計(jì)測控儀器總體設(shè)計(jì) 測控儀器總體設(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)，對儀器設(shè)計(jì)中的全局問題進(jìn)行全面的設(shè)想和規(guī)劃。要考慮的主要問題有：要考慮的主要問題有：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.測控儀器若干設(shè)計(jì)原則的考慮4.測控儀器若干設(shè)計(jì)原理的斟酌5.測控儀器工作原理的選擇和系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.測控系統(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 第一節(jié) 設(shè)計(jì)任務(wù)分析第二節(jié) 創(chuàng)新性設(shè)計(jì)第三節(jié) 測控儀器設(shè)計(jì)原則 第四節(jié) 測控儀器設(shè)

2、計(jì)原理第五節(jié) 測控儀器工作原理的選擇和系統(tǒng)設(shè)計(jì)第六節(jié) 測控儀器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)的確定第七節(jié) 測控儀器的造型設(shè)計(jì) 儀器總體設(shè)計(jì)的最終評估，是以其所能達(dá)到的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與技術(shù)指標(biāo)來衡量，精度與可靠性指標(biāo)是測控儀器設(shè)計(jì)的核心問題。 本章共分為七節(jié)第一節(jié)第一節(jié) 設(shè)計(jì)任務(wù)分析設(shè)計(jì)任務(wù)分析測控儀器的設(shè)計(jì)任務(wù)一般有三種情況：測控儀器的設(shè)計(jì)任務(wù)一般有三種情況： 1）設(shè)計(jì)者根據(jù)用戶專門的需要，針對特定的測控對象，被測參數(shù)或工作特性來設(shè)計(jì)專用的儀器。 2）設(shè)計(jì)者根據(jù)目前市場需求，設(shè)計(jì)開發(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)對市場需求作廣泛的調(diào)研，以確定適當(dāng)?shù)膬x器技術(shù)指標(biāo)，達(dá)到以最少的產(chǎn)品系列和較全的儀器功

3、能來覆蓋最大的社會需求。 3）設(shè)計(jì)者超前預(yù)測，設(shè)計(jì)出先進(jìn)的新型產(chǎn)品，進(jìn)行開發(fā)性設(shè)計(jì)。 以上不同情況，對設(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：了解被測控參數(shù)的特點(diǎn)了解被測控參數(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）、測量狀態(tài)（動態(tài)、靜態(tài)）等要求；2） 按國家標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格的定義確定儀器工作原理了解測控參數(shù)載體的特點(diǎn)了解測控參數(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)還是動態(tài)、開環(huán)還是閉環(huán)、一維還是多維、單一參數(shù)還是復(fù)合參數(shù)、檢測效率、測量范圍

4、、承載能力、操作方式、顯示方式、自動診斷、自動保護(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。了解國內(nèi)外同類產(chǎn)品的原理和技術(shù)水平了解國內(nèi)外同類產(chǎn)品的原理和技術(shù)水平了解國內(nèi)加工工藝水平及關(guān)鍵元器件的銷售情況了解國內(nèi)加工工藝水平及關(guān)鍵元器件的銷售情況設(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)新是對原設(shè)計(jì)的繼承和發(fā)展，我們對現(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。就測控儀器的總體設(shè)計(jì)而言,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

5、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）齒輪全自動誤差測量儀（儀器功能上的創(chuàng)新） 解決了齒輪測量參數(shù)多、測量儀器復(fù)雜、測量精度不高的難題。使一臺儀器實(shí)現(xiàn)了多臺儀器和量具才能達(dá)到的測量功能，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)者在儀器功能上的創(chuàng)新成就。3）開關(guān)（新技術(shù)和新方法的創(chuàng)新） 機(jī)械式開關(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關(guān)。這些新的開關(guān)設(shè)計(jì)反映出設(shè)計(jì)者對各種新技術(shù)和新方法的創(chuàng)新研究。 對 比 光學(xué)投影式刀具預(yù)調(diào)儀 計(jì)算機(jī)視覺型刀具預(yù)調(diào)儀

6、測量原理圖示 工作過程 將刀尖到影屏上，采用目視瞄準(zhǔn)定 使用CCD攝像機(jī)采集被測刀具圖像，測量時(shí)，計(jì)算機(jī)影屏上的十字線自動跟蹤刀具切削點(diǎn)，當(dāng)?shù)都夥€(wěn)定在測量區(qū)域后，即已完成測量 優(yōu)缺點(diǎn) 光學(xué)投影光路的加工及調(diào)整復(fù)雜，由人眼控制刀尖對準(zhǔn)十字線的微細(xì)調(diào)整過程，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)了自動化、數(shù)字化、微米級的測量精度。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)視覺系統(tǒng)進(jìn)行瞄準(zhǔn)的創(chuàng)新，開創(chuàng)了新一代刀具預(yù)調(diào)儀的發(fā)展，也為生產(chǎn)廠家?guī)砹溯^大的經(jīng)濟(jì)利潤和社會效益。 一、創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維能力的培養(yǎng)一、

7、創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維能力的培養(yǎng)突破“思維定勢”的束縛。人們往往習(xí)慣于從已有的經(jīng)驗(yàn)和知識中，從考慮某類問題獲得成功的思維模式中尋求解題方案，這就是所說的思維定勢。要克服心理上的慣性，從思維定勢的框框中解脫出來，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”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)人不同的見解，敢于對似乎完美的現(xiàn)實(shí)事物提出懷疑，尋找更合理的解法。善于從不同角度思考問題，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。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

8、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)信息資源有針對性的檢索相關(guān)資料，補(bǔ)充掌握不足的信息來達(dá)到創(chuàng)新構(gòu)思。在設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中采用集多人智慧，互相啟發(fā)來尋求解決問題的途徑；也可通過有針對性、有系統(tǒng)地提問來激發(fā)智慧，尋找解決辦法通過對現(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。舉例子說明舉例子說明：采用系統(tǒng)分析方法解決防止螺紋松動的結(jié)構(gòu)措施。螺釘鎖緊力矩公式為 2tan22MMGLDdFM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，面對來自于自然界生存壓力、社會發(fā)展需求壓力、經(jīng)濟(jì)競爭

9、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。 F2dGGarctan2/cos/Gsin/M090MD 防止螺紋松動的結(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（

10、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。G2M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) 測控儀器設(shè)計(jì)原則測控儀器設(shè)計(jì)原則 在儀器設(shè)計(jì)長期實(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,以及在降低儀器成本等方面帶來了良好的效果。 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

11、其擴(kuò)展二、變形最小原則及減小變形影響的措施三、測量鏈最短原則四、坐標(biāo)系統(tǒng)一原則五、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：為使量儀能給出正確的測量結(jié)果,必須將儀器的讀數(shù)刻線尺安放在被測尺寸線的延長線上?；蛘哒f，被測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)刻線尺與被測件的直徑共線。舉例說明阿貝原則舉例說明阿貝原則 圖31 遵守阿貝原則的測量1-導(dǎo)軌 2-指示器 3-標(biāo)準(zhǔn)線紋尺 4-被測件 5-工作臺對比 用游標(biāo)卡尺測量工件的直徑 用千分尺測

12、量工件的直徑 測量圖示 測量過程 用游標(biāo)卡尺測量工件的直徑。不符合阿貝原則。測量時(shí)，活動量爪在尺架（導(dǎo)軌）上移動，由于導(dǎo)軌之間存在間隙，使活動量爪發(fā)生傾斜角而帶來測量誤差，其值為 設(shè)S=30毫米， =1則引起的誤差為 =300.0003=0.009mm用千分尺測量工件的直徑。符合阿貝原則。如果由于安裝等原因，測微絲桿軸線的移動方向與尺寸線方向有一夾角，則此時(shí)帶來測量誤差為 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)動中的擺角

13、由于標(biāo)準(zhǔn)刻線尺與被測件的直徑不共線而帶來測量誤差 導(dǎo)軌間隙造成運(yùn)動中的擺角由于標(biāo)準(zhǔn)刻線尺與被測件的直徑共線誤差微小到可以忽略不計(jì) Stg114/2dL 272105 . 44/)0003. 0(再舉一例：再舉一例：用阿貝比長儀測量線紋尺的刻線間隔，被測尺寸線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)顯微鏡和測量使讀數(shù)顯微鏡支架在圖示平面內(nèi)產(chǎn)生 的轉(zhuǎn)動，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)帶來的測量誤差為：因?yàn)椋海?-cos）=2sin2/2設(shè)d 被測線紋長度，且d=20mm，=1，則引起的誤差為：=20（0.0003）2/2=910-7 mm即誤差微小

14、到可以忽略不計(jì)的程度。2M2M 2/)cos1 (2dddd 可見，阿貝原則在量儀設(shè)計(jì)中的意義重大。 阿貝原則被公認(rèn)為是量儀設(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。 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大，特別是對線值測量范圍大的儀器，情況更為嚴(yán)重。2）多自由度測量儀器，如圖3-3所示的三坐標(biāo)測量機(jī)，或其它有線值測量系統(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)測量機(jī)，其測量點(diǎn)的軌跡是測頭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

15、，顯然，在圖示情況下測量時(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方向讀數(shù)線相距為L，在該平面內(nèi)不符合阿貝原則。 其中圖3-3 b)為YZ平面，測頭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，在該平面內(nèi)不符合阿貝原則。 圖3-2 工件的直徑測量 b）用阿貝比較儀測量 1被測工件 2工作臺 3底座 4基準(zhǔn)刻線尺 5支架圖3-3 三坐標(biāo)測量機(jī) 1-測頭的觸球 2-被測工件 結(jié)論結(jié)論：許多線值測量系統(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

16、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。 美國學(xué)者布萊恩（J.B.Bryan）建議將擴(kuò)展了的阿貝原則表達(dá)如下： “位移測量系統(tǒng)工作點(diǎn)的路程應(yīng)和被測位移作用點(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)軌沒有角運(yùn)動，或者必須用實(shí)際角運(yùn)動的數(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)尺與被測量一條線；2）如無法做到則確保導(dǎo)軌沒有角運(yùn)動；3）或應(yīng)跟蹤測量，算出導(dǎo)軌偏移加以補(bǔ)償。舉幾例來了解阿貝原則擴(kuò)展定義的應(yīng)用。舉幾例來了解阿貝原則擴(kuò)展定義的應(yīng)用。 以下實(shí)例的共性點(diǎn)：這些實(shí)例均采用了動態(tài)跟蹤測量，隨機(jī)

17、補(bǔ)償測量誤差的方法。動態(tài)跟蹤補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ菍⒈O(jiān)測系統(tǒng)與儀器主體固定為一體，一旦經(jīng)過統(tǒng)調(diào)和定標(biāo)，則補(bǔ)償?shù)木确€(wěn)定。注：注：還可采用標(biāo)準(zhǔn)器具，對儀器進(jìn)行定點(diǎn)測量、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)條件與被測件在此標(biāo)定點(diǎn)上的被測條件都應(yīng)完全一樣，否則將造成更大的測量誤差。愛彭斯坦（愛彭斯坦（Eppenstein）光學(xué)補(bǔ)償方法）光學(xué)補(bǔ)償方法 愛彭斯坦（Eppenstein）光學(xué)補(bǔ)償方法主要被應(yīng)用于高精度測長機(jī)的讀數(shù)系統(tǒng)中。圖3-4a為測長機(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。對零時(shí)，

18、設(shè)0刻線成象在s1點(diǎn)。測量時(shí)，尾座向左移動。當(dāng)導(dǎo)軌平直時(shí)，設(shè)相應(yīng)于被測長度讀數(shù)值的刻線0亦成象在s1處時(shí)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，則在測量線方向上，測端因傾斜而向左挪動 ，如無補(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M2，N2及M1，N1便成象到s2點(diǎn)，則S2點(diǎn)相對于S1點(diǎn)在刻尺面上也有一挪動量 。12tans sf圖34 愛彭斯坦光學(xué)補(bǔ)償方法 a)測長機(jī)工作原理圖 b)光學(xué)補(bǔ)償原理 為了補(bǔ)償阿貝誤差，頭座需向左移動靠緊工件 ，為使讀數(shù)正確， S1S也需等于向左移動量 即 =即 ， 于是，由尾座傾斜而

19、帶來的阿貝誤差，由于在儀器中設(shè)置了上述光學(xué)系統(tǒng)，在讀數(shù)時(shí)自動消失了，即達(dá)到了補(bǔ)償?shù)哪康?。這種補(bǔ)償原理被稱為愛彭斯坦光學(xué)補(bǔ)償原理，是通過結(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)測量儀中監(jiān)測導(dǎo)軌轉(zhuǎn)角與平移的光電補(bǔ)償方法激光兩坐標(biāo)測量儀中監(jiān)測導(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)測量儀，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。下層工作臺2經(jīng)滾柱在底座1的導(dǎo)軌上作縱向移動，上工作臺3通過三個(gè)滾珠軸承4支承在下工作臺上。上工作臺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，把上工作臺往左拉，右面兩個(gè)孔眼里

20、裝有壓電陶瓷組合體6、7，其端部頂在下工作臺上。利用壓電陶瓷的電場-壓變效應(yīng)，使上工作臺相對于下工作臺實(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。 上工作臺移動過程中在水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)角測量及校正原理如圖3-6所示。這里采用了激光小角度測量法。在上工作臺的左部裝了一對角隅棱鏡。若上工作臺移動過程中產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，角隅棱鏡3相對于角隅棱鏡8的光程差將有增大或縮小。這樣根據(jù)測得的偏差值的正負(fù)方向，通過電子線路，使壓電陶瓷5作相應(yīng)的伸長或縮短，以補(bǔ)償上工作臺在移動過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角。 圖3-5 激光兩坐標(biāo)測量儀的工作臺原理1-底座 2-下層工作臺 3-上工作臺 4-滾珠軸承 5-彈性頂

21、塊 6，7-壓電陶瓷組合體 圖3-6轉(zhuǎn)角測量及校正原理1-準(zhǔn)直透鏡組 2-全反射鏡 3-角隅棱鏡 4-上工作臺 5-壓電陶瓷 6-分光移相鏡7-光電接收器 8-角隅棱鏡3以動態(tài)準(zhǔn)直儀為標(biāo)準(zhǔn)器的電學(xué)補(bǔ)償方法以動態(tài)準(zhǔn)直儀為標(biāo)準(zhǔn)器的電學(xué)補(bǔ)償方法 以動態(tài)準(zhǔn)直儀為標(biāo)準(zhǔn)器來跟蹤測量一些高精度、數(shù)字式計(jì)量儀器導(dǎo)軌的直線度誤差，并把測得的誤差值經(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。能否請同學(xué)設(shè)計(jì)智能化自動補(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)與被測點(diǎn)共線的平直度測量系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)器

22、工作點(diǎn)與被測點(diǎn)共線的平直度測量系統(tǒng) 在三坐標(biāo)測量機(jī)上配制標(biāo)準(zhǔn)直尺和測微表，即可作直線度測量。布萊恩提出了一種遵守阿貝原則的結(jié)構(gòu)布局。 平直度測量系統(tǒng)的工作點(diǎn)應(yīng)當(dāng)位于垂直于滑塊移動方向的，并通過被測的平直度的測量點(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)軌沒有角運(yùn)動，或者必須用角運(yùn)動的數(shù)據(jù)計(jì)算偏移的影響。 見圖3-8，圖中測微表6和標(biāo)準(zhǔn)直尺5組合實(shí)現(xiàn)沿Z向的平直度測量，測微表15和標(biāo)準(zhǔn)直尺12組合實(shí)現(xiàn)沿Y向的平直度測量。測端17即為Z向被測的平直度的測量點(diǎn)。由于儀器導(dǎo)軌的直線度誤差，Z向滑塊移動時(shí)，可能有Y向的平移或在Y-Z平面內(nèi)的傾斜，由此將引起測量誤差，為補(bǔ)償該誤差，布萊恩提

23、出：將測端17與測微表6的測端按圖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： 、 為測端17的位置； 為測微表6的測端。1A2A0A 圖3-8 平直度測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局1.激光干涉儀2. 激光光路邊3.測量框架4.Z軸滑塊5.標(biāo)準(zhǔn)直尺6.測微表7. 激光干涉儀8. 激光器9. 激光干涉儀 10.儀器底座 11.測量框架12. 標(biāo)準(zhǔn)直尺 13.隔振支承14.Y軸滑塊 15. 測微表16.壓電晶體17.測端圖3-9 標(biāo)準(zhǔn)器工作點(diǎn)與被測點(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，請同學(xué)們畫圖指出為什么a）正

24、確而 b）不正確？ 平直度測量的工作點(diǎn)可設(shè)在 、 或 。（ 與 共線，并垂直于平直度測量的移動方向）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，因此，導(dǎo)軌擺動帶來的誤差將被引入到平直度測量中，因此，增加了標(biāo)準(zhǔn)平尺和輔助測量頭 ，用輔助測量頭 感受導(dǎo)軌擺動帶來的誤差，以便補(bǔ)償該誤差。 當(dāng)Z軸滑塊的瞬間擺動點(diǎn)為O時(shí)，只有當(dāng)平直度測量的工作點(diǎn)設(shè)在 位置時(shí)，由于導(dǎo)軌誤差引入的測量誤差 ， 為輔助測量頭 感受到的導(dǎo)軌擺動帶來的誤差。而 ，均不能有效補(bǔ)償導(dǎo)軌誤差。1A2A0A0A0A0A0A0A0000A1020動畫演示動畫演示5遵守阿貝原則的傳動部件遵守阿貝原則的傳動部件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 阿貝原則雖然主要

25、是針對幾何量中大量程線值測量儀器總體布局設(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？請同學(xué)回答。圖3-10 傳動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)參數(shù)變化，導(dǎo)致光電信號的零點(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

26、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）一米激光測長機(jī)底座變形的補(bǔ)償）一米激光測長機(jī)底座變形的補(bǔ)償 一米激光測長機(jī)結(jié)構(gòu)原理：測量頭架3由電動機(jī)和變速箱6通過閉合鋼帶7，電磁離合器8帶動在導(dǎo)軌上移動。工件放在工作臺4上，工作臺也可沿導(dǎo)軌移動。固定角隅棱鏡9與尾座5固結(jié)在一起。可動角隅棱鏡12與測量頭架3內(nèi)的測量主軸11固結(jié)在一起，測量主軸可在測量頭架內(nèi)作5mm的軸向移動。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：一路到固定角隅棱鏡9；一路到可動角隅棱鏡12。這兩束光在返回后發(fā)生干涉。 圖3-11一米激光測長機(jī)結(jié)構(gòu)原理 1底座 2干涉儀

27、箱體 3測量頭架 4工作臺 5尾座 6電動機(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測量主軸 12可動角隅棱鏡 13激光器 14分光鏡工作時(shí)：第一步第一步，儀器對零；第二步第二步，放上工件，開始測量，這時(shí)底座上既增加了重量,又改變了測量頭架及工作臺在底座上的位置, 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（見圖312）,設(shè)尾座中心高為200mm，則此時(shí)引起的零位的變動量為 為了消除上述誤差的影響,此臺儀器在總體布局時(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

28、同一平面內(nèi); 可動角隅棱鏡12的錐頂位于測量主軸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。mmm5200102155驗(yàn)證：驗(yàn)證： 圖中位置 I是測量頭架3對零時(shí)的位置，此時(shí)， 測量光束一路，由測量角隅棱鏡到分光鏡之間的距離為L1；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312 測量頭架位置變動的原理示意圖 圖中位置II為測量頭架在測量時(shí)的位置，此時(shí)，尾座有傾角 ，由此而引起的尾桿零位變動量為 （見圖312a），其中h為尾

29、桿軸線離底座導(dǎo)軌面的距離。 測量光束一路：由測量角隅棱鏡到分光鏡之間的距離為（L1 L），其中L為被測零件長度。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），就得到測量時(shí)和對零時(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長度L。11h11)(2)( 2)(211112LLdSLLdSnL212（2）光電光波比長儀消除力變形的結(jié)構(gòu)布局）光電光波比長儀消除力變形的結(jié)構(gòu)布局 為減小力變形的影響，儀器布

30、局如下： 第一，第一，采用了工作臺、床身、基座三層結(jié)構(gòu)的形式。工作臺1在床身2上移動，床身2通過三個(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)，無論工作臺1怎樣移動，工作臺及床身的重量始終通過三個(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，而無方向和位置的變化，而且這三個(gè)力又通過基座底下的三個(gè)相對應(yīng)的支點(diǎn)直接作用在地基上。因此，在工作過程中，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 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，在光電光波比長儀中，光電顯微鏡、固定參考鏡和干涉系統(tǒng)的分

31、光鏡三者之間的相對位置，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，故這三者之間相對位置也保持穩(wěn)定不變。從而保證了測量精度。第三，第三，前面提到，床身2是通過三個(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

32、并不限制床身相對于基座的自由伸縮，所以也不會因熱變形而帶來內(nèi)應(yīng)力。這種設(shè)計(jì)，既能自動定位，又無附加內(nèi)應(yīng)力，在有些資料中，把它稱之為無附加內(nèi)應(yīng)力的自動定位設(shè)計(jì)，或稱為符合運(yùn)動學(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，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，如測出被測件與標(biāo)準(zhǔn)件的溫度 和 ，查得被測件與標(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為被測件的標(biāo)準(zhǔn)長度。也可采用實(shí)

33、時(shí)補(bǔ)償法，例如：也可采用實(shí)時(shí)補(bǔ)償法，例如：t1t2t12)20()20(022011CtCtLL1)如絲杠動態(tài)測量儀，由于溫度的影響，被測絲杠將伸長或縮短，此外，當(dāng)環(huán)境溫度、氣壓、濕度偏離標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)，激光波長也將發(fā)生變化，這些都將帶來測量誤差。因此，可以采用在激光一路信號中增減脈沖數(shù)的辦法來進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆桨?。在補(bǔ)償時(shí)， 先測出環(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長度內(nèi)的激光脈沖數(shù)為 ，則每隔 脈沖，對激光一路增減一個(gè)脈沖信號。 N)2/()2/(1016M/101/6NM圖314 分頻補(bǔ)償原理1分頻器 2補(bǔ)償器 3與門2) 擴(kuò)散硅壓力傳感器零點(diǎn)

34、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

35、 （3-7） （3-8）式中， 、 、 、 為在所要求溫度點(diǎn)的電阻 、 、 、 的阻值t4321R RR R10402030aaaa142310R20R30R40R1R2R3R4R圖315 電阻式橋路 圖316 電阻的串聯(lián)或并聯(lián)形式 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 ，即串聯(lián)電阻后其電阻溫度系數(shù)降低。 aRRRas aasRRR RRRssRtaRtaR)1 ()1 (R（2） 串、并聯(lián)電阻對電阻溫度系數(shù)的影響。串、并聯(lián)電阻對電阻溫度系數(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 ，

36、 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： pR即 ppRtaRRtaRtaR )1 ()1 ()1 (得 tRaRRaRapp因 RRRa tp RRRRRpp故 aR aRRpp可見 aa RRRaRRRass1010110101橋臂2上的等效電阻和等效溫度系數(shù)分別為：2202202020aRRRaRRRRRpppp（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pR1RsR2R將式（3-9）、式（3-10）代入電橋平衡公

37、式（3-7）及（3-8），得：（311） （312）令 ，故 （313）()RRRR RRRRspp1040203020003202410101aRRRaaRRRappsKRRRpp20RRKKp201圖317 串并聯(lián)電阻補(bǔ)償原理pRsR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），也就是說在有溫度變化時(shí)，電橋總是處在平衡

38、的條件下，這就達(dá)到了補(bǔ)償溫度漂移的目的。RR RRKRs20304010KaaaaaaR RR Raa4324322104020301222KaaaaaaR RR Raa4324322104020301222pRsR三、測量鏈最短原則三、測量鏈最短原則 測量鏈定義：儀器中直接感受標(biāo)準(zhǔn)量和被測量的有關(guān)元件，如被測件、標(biāo)準(zhǔn)件、感受元件、定位元件等均屬于測量鏈。 在精密測量儀器中，根據(jù)各環(huán)節(jié)對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)分為測量鏈、放大指示鏈和輔助鏈三類。測量鏈的誤差對儀器精度的影響最大，一般都是1:1影響測量結(jié)果。因此，對測量鏈各環(huán)節(jié)的精度要求應(yīng)最高。因此測量鏈最短原則顯然指一臺

39、儀器中測量鏈環(huán)節(jié)的構(gòu)件數(shù)目應(yīng)最少，即測量鏈應(yīng)最短。因此，測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，一般都是從某臺儀器總體出發(fā)考慮的。而坐標(biāo)系統(tǒng)一原則,則是對儀器群體之間的位置關(guān)系,相互依賴關(guān)系來說的,或主要是針對儀器中的零件設(shè)計(jì)及部件裝配要求來說的。 對零部件設(shè)計(jì)來說，對零部件設(shè)計(jì)來說，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、工藝基面和測量基面一致起來，符合這個(gè)原則，才能使工藝上或測量上能夠較經(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。在測量時(shí)，若用頂尖支承進(jìn)行（見圖3-18），則測量基準(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的外圓柱面為測量基準(zhǔn)時(shí)（見圖3-19），則d1的形狀誤差也就反映到測量結(jié)果中，帶來附加的測量誤差。圖318 頂尖支承法測徑向圓心晃動 圖319 V形支承法測徑向圓心晃動 對儀器群體之間（主系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間）的位置關(guān)系對儀器群體之間（主系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間）的位置關(guān)系,