精密儀器設計基礎2012-2

第二章精密儀器設計方法2.1設計方法概述創(chuàng)新設計：指充分發(fā)揮設計者的創(chuàng)造力,利用人類已有的相關科技成果開發(fā)新產品適應性設計：是在總的方案原理基本保持不變的情況下，對現(xiàn)有產品進行局部更改。變型設計：基本保留原產品的功能、方案原理和結構，只是改動尺寸大小或結構布局的設計。新產品設計試制過程計劃總體設計方案設計總體結構設計設計任務書零、部件設計技術文件編制樣機試制及實驗投產4詳細設計專注于每一個細節(jié)尺寸與參數(shù)初步設計表示出梁的截面變化概念設計僅僅是一個從翼根到翼梢的平面！總體設計機翼前梁在設計過程中的演變5（決定的費用）（消耗的費用）新產品設計試制過程總體設計方案設計總體結構設計設計任務書設計任務分析確定主要參數(shù)及指標編寫任務要求細目單分解總功能為分功能設計實現(xiàn)分工能選出可行的原理組合為各組合作出相應方案對各方案進行評價繪制總體結構草圖對總體結構進行評價繪制改進總體結構圖2.2設計任務分析設計任務分析主要內容1、使用要求：即是要求精密儀器在一定的工作范圍內能有效地實現(xiàn)預期的功能，并在一定的使用期間內不喪失原有功能。2、儀器精度例：測地型GPS接收機：5mm導航型GPS接收機：25m

3、生產批量:大批量生產時盡可能采用專用機床和專用工夾具;單件小批量生產時,則可采用通用機床加工。4、生產效率:單位時間內的檢測效率。5、工作環(huán)境:指如振動、溫度、濕度等對儀器使用的影響。6、安全保護：人身保護和設備保護2.3主要參數(shù)與技術指標2.3.1內容主要參數(shù)：能夠基本反映該設備的概貌和特點的一些項目精度參數(shù)：測量設備：測量精度尺寸參數(shù)：測量設備：測量范圍2.3.1內容主要參數(shù)：運動參數(shù)：工作臺的運動速度動力參數(shù)：電機功率和扭矩以及光源功率結構參數(shù)：整機及主要部件的主要尺寸參數(shù)例：測長儀精度參數(shù)：0.001mm測量范圍：0-1015mm結構參數(shù)：1200mm運動參數(shù):50mm/秒測力：2N技術指標：用來說明一臺精密儀器性能和功用的具體數(shù)據，他既是設計的基本依據，又是檢驗成品質量的基本依據反映設計工作性能:功能、工作對象范圍與尺寸等反映設備精度：加工精度、測量精度反映設備自動化程度：手動—半自動—自動反映工作效率：生產率和檢驗效率…型號LABC-P500光柵尺長度(測量范圍)0-550mm測量不確定度≤0.15+(L(mm)/2000)μm（全量程保證精度，以上精度無需采用溫度補償）分辨率0.001mm/0.0001mm/0.00001mm重復性(2S)0.05μm測量系統(tǒng)超高精度玻璃光柵測量系統(tǒng)顯示單元液晶顯示屏、標準DELL電腦測量體移動速度400mm/秒環(huán)境溫度+10℃至+40℃環(huán)境濕度20-80%重量 80kg

2.3.2確定方法根據設備的用途通用：考慮加工和測量多種類型的工件，因此其加工和測量的范圍盡可能的廣專用：為某一特定工序或工件設計，其加工和測量的范圍就小根據測量（加工）對象的主要尺寸根據測量（加工）精度根據參數(shù)本身對儀器精度的影響例自動分步重復光刻機64k隨機存儲器,光刻線條寬度為2-3μm。套刻的位置誤差允許是線寬的1/2-1/5，工作臺的定位精度為0.5-0.25μm。根據力變形對儀器精度的影響例三坐標測量機三坐標測量機選型根據設備或儀器中的薄弱環(huán)節(jié)根據系列化要求根據產品可靠性與成本的要求

2.4總體方案的制定2.4.1基本設計原則一、阿貝原則(共線原則)：阿貝（1840年1月23日－1905年1月14日）德國物理學家、光學家、企業(yè)家。一、阿貝原則(共線原則)：要使量儀給出準確地測量結果，必須將被測件布置在基準元件沿運動方向的延長線上。被測零件的尺寸線和儀器中作為讀數(shù)用的基準線（刻線基準）應順序排成一條直線。測量時，活動量爪在尺架（導軌）上移動，由于導軌之間存在間隙，使活動量爪發(fā)生傾斜角而帶來測量誤差，其值為誤差和傾角φ成一次方關系，習慣上稱為一次誤差不符合阿貝原則例：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，則此時帶來測量誤差為

誤差和傾角φ成二次方關系，習慣上稱為二次微小誤差符合阿貝原則例：線紋尺計量S——標準件W——被測件T——工作臺B——懸臂支架M1M2——瞄準及讀數(shù)用顯微鏡并聯(lián)式繞z軸轉動引起的誤差串聯(lián)式繞z軸轉動引起的誤差遵守阿貝原則的傳動部件設計阿貝原則同樣適合各類儀器傳動部件的設計。傳動部件遵守阿貝原則的設計a）正確b)不正確例：機械測微儀

測量桿與傳動杠桿的接觸點被置于測量桿位移的方向線上符合阿貝原則不適合Abbe原則的情況外觀尺寸過大多自由度測量儀器（1）愛彭斯坦原理用硬件來實現(xiàn)補償：結構布局來實現(xiàn)誤差補償例測長機：以線紋尺的刻度作為已知長度，利用機械測頭進行接觸測量的光學長度測量工具愛彭斯坦光學系統(tǒng)尾架傾斜產生的測量誤差令高度H與物鏡焦距f相等(2)以動態(tài)準直儀來檢測導軌擺角誤差的電學補償方法(實時補償概念，計數(shù)器直接補償)（3）布萊恩原則：更具普遍意義的阿貝原則位移測量系統(tǒng)工作點的路程應和被測位移作用點的路程位于同一條直線上；不可能時，必須使傳送位移的導軌沒有角運動；或者必須算出角運動產生的位移，然后用補償機構給予補償。布萊恩原則和阿貝原則并列為兩個最基本的設計和測量原則二、運動學設計原則自由度數(shù)：確定一物體在空間位置所需要的獨立坐標數(shù)。自由度S與約束Q的關系:運動與約束6個自由度，0個約束運動與約束5個自由度，1個約束兩點決定一條直線4個自由度，2個約束三點決定一個平面3個自由度，3個約束運動設計原則：根據物體要求運動的方式（即要求自由度）確定施加的約束數(shù)。滿足運動學設計要求的優(yōu)點：每個元件是用最少的接觸點來約束的，定位準確，力可以預先計算，可避免材料變形影響機構的工作性能工作表面磨損及尺寸加工精度對約束影響小拆卸后能方便精確的復位運動學設計原則的局限：點接觸容易變形不耐磨穩(wěn)定性差半運動學設計：若將點約束適當?shù)財U大為有限大的面積約束，而運動學設計原則不變。三、變形最小原則應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構變形或儀器狀態(tài)和參數(shù)的變化。解決方法：合理安排布局避免經過變形環(huán)節(jié)提高系統(tǒng)的剛度四、基面合一原則：零件設計時，設計基準、加工基準、檢驗基準、裝配基準要統(tǒng)一。

基準：用來確定生產對象上幾何要素間的幾何關系所依據的那些點、線、面。頂尖支承法測徑向圓心晃動V形支承法測徑向圓心晃動例如，圖中所示的零件，兩個直徑d1及d2的設計基面及工藝基面均為中心線OO。在測量時，若用頂尖支承進行，則測量基準和設計基準、工藝基準重合，此時能真正地反映d2的圓柱度等加工誤差。但若以d1的外圓柱面為測量基準時，則d1的形狀誤差也就反映到測量結果中，帶來附加的測量誤差。五、傳動鏈最短原則

傳動鏈：對于測量來說，是被測量和標準量的信號傳遞的鏈條。粗精分離原則：根據各部分對儀器精度影響程度的不同來提出不同的精度要求和恰當?shù)木确峙?。測量鏈精度最高，依次遞減外界環(huán)境影響最小原則：主要是溫度和振動的影響系列化、通用化、標準化原則：可以縮短設計、生產周期、提高產品質量、降低成本、維修方便結構工藝性良好原則：工藝決定成本工作可靠、安全、維修與操作方便原則造型與裝飾宜人原則價值系數(shù)最優(yōu)原則：性價比最高粗精分離：2.4.2總體方案制定的內容一、工作原理的設計誤差平均原理如采用多次重復測量，取平均值位移量同步比較原理：主要針對復合參數(shù)的測量，復合參數(shù)一般都是由線位移和角位移，或角位移和角位移以一定關系作相互運動而成。它們的測量過程，實際上是相應的位移量之間的同步比較過程。誤差補償原理：儀器的精度不可能完全靠加工來保證，巧妙的補償可以取得較好的效果。§3-3

三、補償原理二、方案的選擇基準器件的選擇傳統(tǒng)的基準器件：線紋尺角度測量：激光干涉儀，光柵，感應同步器碼盤二、方案的選擇運動方式的選擇主要結構方案的選擇摩擦及局部變形的考慮三、系統(tǒng)簡圖的繪制總體布局的考慮總體精度的分配造型與裝飾四、總體設計報告顏色傳感器工作原理：各種顏色是由不同比例的三原色(紅、綠、藍)混合而成的。通常所看到的物體顏色，實際上是物體表面吸收了照射到它上面的白光(日光)中的一部分有色成分，而反射出的另一部分有色光在人眼中的反應。方案的選擇：方案一：使用不同顏色光線濾波器，當選定一個顏色濾波器時，它只允許某種特定的原色通過，阻止其他原色的通過。方案二：利用三原色的LED燈分別照射實測物體，對反射的光強進行測定，從而確定物體顏色.光敏器件的選擇光敏電阻方案光敏三極管方案光敏二極管方案AD轉化器件的選擇顯示及主控制模塊選擇2.5典型設計方法系統(tǒng)工程在設計中的應用系統(tǒng)工程包括系統(tǒng)和工程兩部分。所謂系統(tǒng)是按一種秩序分布的各個元素的總體，這些元素以一定的特性聯(lián)系起