现代仪器总体设计学时

现代仪器总体设计学时第1页，共73页，2023年，2月20日，星期日主要内容了解仪器设计整体流程设计任务分析仪器结构参数及技术指标确定仪器设计若干原则第2页，共73页，2023年，2月20日，星期日一台仪器往往是解决某项工程中的一个环节，因此仪器的总体设计者首先应了解仪器在该工程项目中的地位和所起的作用。仪器作为一个产品，其市场定位要准确，特点要突出。仪器总体设计就是根据仪器要解决的工程问题（或客户要求）、市场定位和现有的技术水平，为用户提供性能先进、功能合理、经济可靠、美观实用、操作方便和高效率的测试手段和平台。3.1概述第3页，共73页，2023年，2月20日，星期日仪器是一个复杂的系统，涉及机、电、光、磁、液、气、计算机、信号处理等多种学科，仪器总体设计是复杂而重要的，是必不可少的一个环节。仪器总体设计主要考虑以下问题：1.设计任务书2.信号转换及传输方式3.精度设计4.技术指标确定5.结构参数6.可靠性、实用性、经济性、外观造型等7.总体方案确定第4页，共73页，2023年，2月20日，星期日仪器设计完整过程流程：第5页，共73页，2023年，2月20日，星期日仪器的应用场合不同，比如，有专用仪器、通用化和系列化仪器产品，还有新设计开发的仪器产品。因此，对设计任务分析的侧重点有所不同。通常设计任务分析涉及以下几个方面的内容。1.明确仪器在系统中的地位测量、控制工作原理精度测量范围接口方式工作环境其它3.2设计任务分析第6页，共73页，2023年，2月20日，星期日2.使用要求由使用环境或用户提出3.了解被测参数的特点被测参数定义，如长度、角度等精度要求（关键），比如，中等精度、高精度及超高精度，会导致原理、结构、成本等的巨大差异。通常，仪器的精度应为被测参数精度的1／3,对于高精度仪器，其设计精度也可为被测参数精度的1／2－1／10.被测参数的数值范围。一般仪器的测量范围应大于被测参数的范围，但不要超过太多。第7页，共73页，2023年，2月20日，星期日被测参数的性质。比如，单参数、复合参数、直接测量、间接测量等被测参数的状态。比如，瞬态、稳定、静态、动态等。4.了解被测参数载体特点指实测对象，比如，各种机械零件、电气元件、设备、各种信号5.了解仪器其它要求操作方式、承载能力、外形、尺寸、重量、工作环境应力水平等。6.专利文献、国内外相关技术及产品。第8页，共73页，2023年，2月20日，星期日3.3仪器结构参数及技术指标确定仪器结构参数及技术指标反映仪器的概貌特点、性能和功用的具体参数。它是设计仪器的基本依据，也是检验仪器产品质量的依据。仪器的结构参数及技术指标是根据仪器的功能、精度要求、测量范围、使用要求和使用条件以及有关标准规定等诸多因素来确定的。第9页，共73页，2023年，2月20日，星期日不同的仪器有不同的结构参数及技术指标。比如，体积、重量、尺寸、精度、测量范围、频率响应、灵敏度、信噪比、可靠性、故障率等等。参数及指标不能随意增减，技术等级不能随意更改。要有科学依据。第10页，共73页，2023年，2月20日，星期日1.确定方法（1）.根据设备用途确定主要参数和技术指标一般来讲，一台仪器设备，只要能够满足其使用要求就可以了。从仪器科学技术的角度讲，高、精、尖是不断追求的目标。从市场的角度讲，应适应市场的需求。技术指标的提高一般伴随着经济成本的提高和研制周期的增加。第11页，共73页，2023年，2月20日，星期日对于用户提出的仪器设计指标，要根据此转换成设计者的参数和指标。对于创新型的新仪器研制，其指标要根据使用场合、使用环境及市场调研来确定。第12页，共73页，2023年，2月20日，星期日（2）.根据测量（加工）对象的主要尺寸确定主要参数和技术指标例1.微细加工中，分步相机或光刻机x、y轴行程确定。17型台式紫外深层光刻机Quintel4000光刻机系列

第13页，共73页，2023年，2月20日，星期日等离子刻蚀光刻机

3分步重复投影光刻机第14页，共73页，2023年，2月20日，星期日确定精密工作台的行程，如加工直径200mm的硅片，工作台和行程应大于此值，一般选为205－210mm第15页，共73页，2023年，2月20日，星期日例2.工具显微镜主显微镜工作距离的确定，由测量范围决定。工作距离应大于测量工件的直径。第16页，共73页，2023年，2月20日，星期日万能工具显微镜(简称万工显,见右图)，是长度计量部门最常见的光学仪器之一。可用于测量工件长度、角度、分度及形状和位置误差。测量可按直角坐标，也可按极坐标进行。可测量柱形、块形零件、螺纹、齿轮、锥体及曲线样板，也可测量切削刀具，如：滚刀、铣刀及丝锥等。万能工具显微镜是各种制造工业上不可缺少的计量仪器。

万能工具显微镜有多种附件，利用这些附件可以扩大其使用范围。最常用的附件有：螺纹目镜、双象目镜、灵敏杠杆、测量刀、光学分度台、光学分度头及调焦棒等。

万能工具显微镜与大型工具显微镜、小型工具显微镜组成系列仪器。它们的测量范围各有不同第17页，共73页，2023年，2月20日，星期日（3）根据测量（加工）精度确定主要参数例1.自动分步重复光刻机工作台的定位精度。加工线宽为2um－3um，其套刻的位置误差允许是线宽的1／2－1／5,那么，工作台的定位精度应为±0.5um－±0.25um第18页，共73页，2023年，2月20日，星期日例2.灵敏杠杆杠杆比的确定图1为万能工具显微镜接触瞄准系统——光学灵敏杠杆的工作原理示意图。由照明光源1照亮的分划板2上的三对双刻线，经透镜3后由与测杆相连的反射镜4反射，再经物镜5放大，最后成像在测角目镜分划板6上。反射镜4随测杆摆动时，三组双刻线的象随之左右移动。仅当测杆中心线与显微镜光轴重合时，双刻线的象位于米字分划板的中心位置。第19页，共73页，2023年，2月20日，星期日瞄准的工作原理：移动工作台，使被测孔壁的一侧与杠杆触球相接触，一直到双线分划板上的双刻线像对中主显微镜中分划板上的米字线为止。这时，由主刻尺上读下第一个读数x1,之后，移动工作台，使孔壁另一侧与触球接触，同样，在主刻尺上读到第二个读数x2,于是，可得到孔径D=x1-x2+d，其中，d是触球的直径。第20页，共73页，2023年，2月20日，星期日在设计灵敏杠杆时，首先要求确定光学杠杆长度L1,机械杠杆长度L2以及尺寸L3的数值，然后才能进行具体的设计。对灵敏杠杆的主要要求是有一定的瞄准精度，现以瞄准精度为出发点来设计L1,L2,L3的尺寸。结构原理图如下。第21页，共73页，2023年，2月20日，星期日第22页，共73页，2023年，2月20日，星期日设测球0点有S的位移，机械杠杆及反射镜随之摆过角，反射镜由I－I摆到II－II，双刻线在I－I位置成像在001上，当摆到II－II位置时，成像在a’点上，a’c光线对光轴的夹角是2,a’点到光轴的距离为y,则所以，第23页，共73页，2023年，2月20日，星期日为了分辨双线对米字线的偏离，对y值有一定的数值要求。根据分辨的最小y值，就可求得瞄准误差S。设双线对米字线的瞄准精度对应的能分辨的最小y值为ymin，则，瞄准误差为：可见，瞄准精度与L2,L1的比值有关。这个比值称为灵敏杠杆的杠杆比。然后，结合测量范围、显微镜的工作距离及结构布局的大小来确定L1,L2,L3.第24页，共73页，2023年，2月20日，星期日例：L1＋L3＝80,取L1＝40,L2＝70,则瞄准误差为取ymin=0.2um第25页，共73页，2023年，2月20日，星期日（4）根据设备与仪器中的薄弱环节确定主要参数与技术指标如：变形、振动、测量速度、承载、动态特性等来设计指标。（5）根据系列化指标来确定主要参数和技术指标（6）根据产品可靠性与成本的要求来确定主要参数及技术指标第26页，共73页，2023年，2月20日，星期日3.4仪器设计若干原则及原理

在仪器的设计中，一些设计原理和设计原则可有效地提高设计质量。一.若干设计原则1.阿贝原则及其扩展重要原则，尽量遵守。古典阿贝原则，阿贝于1890年提出，它是一项测量仪设计的指导性原则，表述如下：

要使量仪给出准确的测量结果，必须将被测件布置在基准元件沿运动方向的延长线上。有时，也称共线原则。下面详细说明这一原则。第27页，共73页，2023年，2月20日，星期日以线纹尺测量为例讲解阿贝原则第28页，共73页，2023年，2月20日，星期日

图中共有三种测量方式，一是并联方式（图（a））；二是串联方式（图（b））；三是横向移动式（图（c））。问题：三种测量方式哪种产生的测量误差最小？（也即精度最高意义下的最佳设计方案）要搞清这个问题首先应该清楚三种方案的测量原理。（1）.测量原理图（a）采用并联方式，标准尺S与被测尺W安装在x-y平面内，瞄准用显微镜M1与计数显微镜M2都刚性地固定在悬壁支架B上，并与x-y平面垂直。工作时，先用M1,M2瞄准，后移动工作台（或支架），再对准测量，两次读数之差即被测尺寸。第29页，共73页，2023年，2月20日，星期日图（b）采用串联方式，被测尺在标准尺的延长线上。图（c）是横向移动方式。（2）.产生测量误差原因由于导轨不可能作到完全理想，所以总有一些非测量运动产生。可产生6个运动分量，分别在6个自由度上和。图（a）的并联方式中，三个移动对显微镜作用相同，因此对测量结果没有影响。绕X轴和Y轴的转动不会产生测量误差，绕Z轴转动会产生测量误差。误差的大小为：是S与W间的距离是转动的角度第30页，共73页，2023年，2月20日，星期日第31页，共73页，2023年，2月20日，星期日

图（b）是串联方式，三个移动产生的效果是相同的，不会造成测量误差。绕X轴的转动不会产生误差。绕Z轴和Y轴转动产生的误差分别为：其中现显微镜间的距离总的误差为：第32页，共73页，2023年，2月20日，星期日第33页，共73页，2023年，2月20日，星期日第34页，共73页，2023年，2月20日，星期日串联方式产生的误差是二阶小量，小于并联方式产生的误差（一阶小量），所以图（b）所示的方法产生的测量误差小。图（c）横向移动方式也是产生二阶误差。综上所述，遵守阿贝原则可减小误差，提高测量精度。但是，阿贝原则也有一定的缺点，如尺寸增大等。所以，如果不能严格遵守阿贝原则，可采用一些措施平提高测量的精度。（1）结构上采取措施从设计及工艺上提高导轨的精度，减小在导轨上运动的不直线性带来的转动。尽量使读数线与被测参量的测量线离的近一点。第35页，共73页，2023年，2月20日，星期日（2）补偿措施爱彭斯坦（Epenstein）原理采用误差补偿原理，利用各种机构，使可能产生的误差相互抵消或消弱，或者故意引进新的误差，以减小某些误差的影响。第36页，共73页，2023年，2月20日，星期日测长机第37页，共73页，2023年，2月20日，星期日这种测长仪并不严格遵守阿贝原则，即被测件与刻划板不在一条直线上，运用棱镜和透镜补偿原理而达到了较高的测量精度。使测量误差达到了二阶误差。第38页，共73页，2023年，2月20日，星期日由于间隙等原因造成尾架倾斜，测头由A移到A1,由此产生的测量误差为：H－为测件与刻尺间距离φ－为倾角L－为尾架到测头距离第39页，共73页，2023年，2月20日，星期日由于应用棱镜透镜补偿原理，使测点的像由S‘变到S’‘，其移动方向与测点移动方向相反，设其量为：故仪器实际误差为：可见，仪器是二阶微量误差，利用此原理对误差补偿取得了好的效果。第40页，共73页，2023年，2月20日，星期日iii.布莱恩原则阿贝原则的推广。位移测量系统工作点的路程应和被测位移作用点的路程位于同一条直线上；不可能时，必须使传送位移的导轨没有角运动；或者必须算出角运动产生的位移，然后用补偿机构给予补偿。布莱恩原则与阿贝原则并列为两个最基本的设计原则和测量原则。第41页，共73页，2023年，2月20日，星期日上移动桥式三坐标测量机YXB-643

第42页，共73页，2023年，2月20日，星期日第43页，共73页，2023年，2月20日，星期日第44页，共73页，2023年，2月20日，星期日2.运动学设计原则运动学设计的目的也是为了尽可能地提高仪器测量的精度。仪器中被测物体与测点的相对运动一般是通过导轨与轴系来实现的。空间物体具有6个自由度。自由度可以通过约束来加以限制，实际的自由度为：实际自由度＝6－约束数第45页，共73页，2023年，2月20日，星期日运动学设计原则是根据物体的运动方式，确定约束数。对约束的按排是平面最多3个，直线最多2个。约束尽量采用点接触，且约束点应尽量相距远一点（同一平面或直线上）。约束面应垂直于欲限制的自由度的方向。理想的点接触是不存在的。有时根据实际情况也采用半运动学设计原则，即有限平面接触。点接触的好处：（1）便于控制受力、接触点位置，定位精度高。（2）工作表面的工艺情况对约束影响小。（3）便于拆卸及复位。第46页，共73页，2023年，2月20日，星期日3.变形最小原则及减少变形影响的措施在仪器的工作过程中，无论是受力引起的变形还是温度变化或其它原因引起的变形都是无法避免的。其结果都将引起仪器测量误差，因此在仪器的设计中应各项措施，使变形为最小，以减小或消除由于变形给仪器带来的误差。具体措施：（1）减少力变形影响。分析可能的受力，画出结构受力图，分析受力大小及产生的变形。可在结构设计与工艺上进行直接补偿。也可利用光路和电路进行间接补偿。第47页，共73页，2023年，2月20日，星期日（2）减小热变形影响温度对测量仪器精度会产生影响，必须加以考虑。一般性措施：尽量采用恒温条件；选择合适材料，以减少线膨胀影响；采用补偿措施减少其影响。第48页，共73页，2023年，2月20日，星期日4.测量链最短原则所谓测量链可以认为是为了得到被测物体的测量值而所需的中间环节。这个环节愈少（或愈短）愈好。精密设备的总体布局，尽量采用最短测量链。有时也称传动链。精密机械与仪器的传动链有主辅之分。主要测量链对仪器设备的总体精度和其它性能起主要作用。因此，在总体布局时要使主传动链愈短愈好，这样它的结构愈简单，性能就愈稳定可靠，精度就愈容易保证。在需要为某些用途而增加机构时，宜加在辅助传动链上。第49页，共73页，2023年，2月20日，星期日

例如：老式工具显微镜中工作台的移动是通过测得千分螺杆的移动量及加量块的值得到的。这种方法测量链较长，影响精度。现在采用直接测量工作台移动量的方法，使得测量链变短。如通过线纹尺，光栅，激光干涉仪等。第50页，共73页，2023年，2月20日，星期日5.基面统一原则在仪器总体设计与零部件设计加工时，要尽量用基面统一原则。所谓基面统一原则是指，应使定位基准尽量与使用基面和加工基面相一致，从而减少由于基面不一致带来的误差。设计基面：零件工作图上标注尺寸的基准面。工艺基面：用它定位、加工其它工作面。装配基面：以它为基准，确定零件间的相互位置。第51页，共73页，2023年，2月20日，星期日例1.某投影仪反射镜机构A面为装配基面。反射镜坐的B，C面应以A为基准进行加工。尺寸标注以L1和L2标出，若以L1和L3标出，加工误差会增加一倍。第52页，共73页，2023年，2月20日，星期日例2.基面合一第53页，共73页，2023年，2月20日，星期日6.粗精分离原则这也是总体设计时应注意的一个原则。粗精分开有利于提高仪器的精度，同时使设计方案较易实现。例如：精密工作台的设计定位精度：±0.1um，运动速度：V>30mm/s。问题：运动速度高，惯性大，定位精度较难保证。解决方法：粗精分离。具体讲，就是高速时，采用低精度，低速时采用高精度。分两步走实现精度和速度要求。实现过程：设计时采用大行程粗精度工作台，在粗动工作台上加微动工作台。粗动工作台可用±5um的精度，而微动工作台再在5um的范围内实现±0.1um精度。再比如：调焦系统第54页，共73页，2023年，2月20日，星期日7.外界环境影响最小原则主要指温度、振动及电磁等的影响。第55页，共73页，2023年，2月20日，星期日8.系列化、通用化和标准化原则现代工业化一般是按专业化协作原则进行生产的。因此，在仪器的设计中要尽量地使产品及其零部件标准化、系列化、通用化。设计中要正确运用标准和规范。不仅有利于零部件的互换性和加工工艺性，还可以减少设计工作量，缩短加工周期，提高设计和加工质量，减少加工品种，便于组织生产和降低成本，提高生产效率。尝试积木化生产，建立功能模块，使接口标准化、系列化、通用化第56页，共73页，2023年，2月20日，星期日9.可靠性设计原则可靠性是指产品在一定的时间和一定的条件下，不出故障并发挥其功能的概率。还可用平均寿命、故障率、失效率或有效性等表示。一台仪器，无论工作原理如何先进，精度多么高，如果没有高的可靠性，不能长期稳定地工作，是没有价值的。可靠性指标俞来俞重要，后面的章节将详解。第57页，共73页，2023年，2月20日，星期日10.其它设计原则工艺性问题总体设计的任务是选择合理的设计方案，工艺问题不可忽略。工艺问题主要指保证产品或零部件性能条件下的可加工性、易实现性、低成本性、提高生产效率性及大批量可生产性等。造型设计这也是总体设计中一个不可忽略的问题。一般可从两个方面来考虑。一是造型要求，二是装饰要求。造型要求：外形轮廓应尽量采用直线和光滑曲线组成。结构匀称，长和宽的比例多采用黄金分割。长＋宽／长＝长／宽，接近8／5.稳定而安全。 第58页，共73页，2023年，2月20日，星期日装饰要求：色彩格调、喷涂工艺、光线、计数方便等。应尽量做到美观大方。装饰好可提高工作效率。经济性原则经济性是衡量一件产品的社会价值的综合性指标。产品的设计者应努力用最低的总成本可靠地去实现产品的功能。一个完美的设计应是各项质量指标的最佳匹配，所以，各项指标要综合考虑，经济性指标应贯穿在产品的各个环节。第59页，共73页，2023年，2月20日，星期日二.若干设计原理工作原理设计是总体设计的关键，合理地应用现有的设计原理，并融入自己的创造性设计，使整体设计更加完善。1.平均读数原理在精密仪器设计中，单个计数装置获取的参数可能存在不可避免的误差，应采用多次计数或多个计数头来减小或避免误差。

第60页，共73页，2023年，2月20日，星期日例：圆分度测量。采用光学分度头。基本原理

圆分度测量系统如下图所示。被测度盘2与标准度盘1同轴安装，它们可绕共同的回转中心O作同步转动或相对转动，读数头3、4分别对标准度盘进行细分读数，瞄准显微镜5实现对被测度盘的瞄准。测量时，首先相对移动两度盘，使瞄准显微镜瞄准被测度盘的“0”刻线时读数4的读数为0，并设定此时主轴回转角度为0。当主轴回转角度为θ时，瞄准显微镜瞄准被测度盘的θi刻线，读数头4、3的读数分别为ai，bi，在圆周上测得N组数据（θi，ai，bi）（i＝0，1，2，…，N-1）。第61页，共73页，2023年，2月20日，星期日

1．标准度盘2．被测度盘3，4．读数头5．瞄准显微镜第62页，共73页，2023年，2月20日，星期日圆分度测量系统存在三种主要误差：标准度盘的刻划误差、主轴晃动误差和度盘的安装偏心误差，它们均会引起读数头的读数误差。单个计数头时，由于轴系晃动或度盘安装偏心，会带来误差，如下图示。第63页，共73页，2023年，2月20日，星期日（a）(b)(a)存在偏心；(b)红色为偏心后转动角度，兰色为无偏心时转动角度。二者差异就是引入的误差。第64页，共73页，2023年，2月20日，星期日可以算得单个计数头时，产生的角度偏差为：e为偏心量，R半径，

为转动角度当在相对称的位置安放两个计数头时，这个误差一正一负，将计数平均后，误差会自动消失。同样，由于晃动而引起的误差也可以消失。第65页，共73页，2023年，2月20日，星期日在仪器上安置N个计数头，可以消除误差，但一般只采用两个计数头，一方面是工艺问题，一方面是成本问题。另一个原因是安装多个计数头后，仍不能消除所有的误差，可参考有关技术文献。第66页，共73页，2023年，2月20日，星期日2.差动比较测量原理差动比较测量可以减少共模信号的影响，提高测量精度和灵敏度，并可改善仪器的线性度。在非电量电测中应用较多。传感器采用差动结构。如差动电容，差动电感传感器。在电路中采用差动结构。如差动电桥。第67页，共73页，2023年，2月20日，星期日3.误差补偿原理误差补偿原理是仪器设计中广泛采用重要设计原理。如果采用巧妙的补偿方法，可以起到非常好的效果。补偿原理的范围非常广泛，它几乎包罗了精密仪器设计中的所有有关调整、校正补偿等全部内容，现代结合计算机技术的补偿措施更加广泛。如：材料补偿结构补偿（机械、光学）传感器补偿电路补偿反馈补偿差动补偿软件补偿