精密仪器第二章总体设计

精密仪器设计Design

of

PrecisionInstrument本章内容：§

2.1§

2.2§

2.3§

2.4设计方法概述设计任务分析设计参数指标总体方案制定意义——总体设计是战略性、方向性、把握全局性的设计。仪器功能与性能成败的关键。标准——

先进性——原理、结构（世界竞争）；

经济性——加工和装配，性能和价格比；

实用性——操作方便，适合中国国情。总体设计对设计师要求很高：

既要赶超世界水平、又要符合中国国情；

技术上先进、经济上合理；

使用方便、维修简便。指导思想——

原理正确

技术先进

实践可行

经济合理

产品竞争力(效率、寿命、造型)总体不合理竞争中被淘汰！设计方法概述保证设计质量

减小设计冒险度从事创造性设计从实践设计科学设计设计意义、作用和影响评估，从——产品质量；经济价值；进程速度三个方面体现。设计方法（决策、技术） 企业/产品成败设计方法学——设计领域中逻辑关系的综合,一门新兴学科。找出最佳方案§

2.1一、仪器设计方法

系统工程

有限元(FEM)价值工程

优化设计

可靠性设计计算机辅助设计(CAD)设计方法——1.系统工程设计系统——按一定秩序分布的各元素的总体。工程——产生一定效能的方法。信息获取信息处理信息应用目的能量流能量流信息流信息流材料流材料流三大流互相转换产品设计应用系统工程的工作流程2.优化设计优化设计内容比较丰富，只介绍三次设计技术目的——将优化技术应用到设计过程中，以获得比较合理设计参数系统输入系统输入结构集合结构集合参数集合参数集合最优设计参数最优设计参数系统设计参数设计允差设计三个阶段(1)系统设计

专业技术人员按设计产品机构和各元器件中心值及误差进行设计；

主要采用传统设计方法——试验方法、经验公式和设计者经验；

只要设计达到要求，即结束（未考虑优化问题）。(2)参数设计——新的设计技术目的——庞大组合关系中找出最好参数搭配关系，使质量最稳定可靠。方法——利用非线性技术以及多种因素搭配关系的优选技术。结果——改变第一次设计的中心值，提高精度和稳定性。手段——应用正交表，在计算机上完成。(3)允差设计目的——

找出对系统性能影响大的重要元件，分析计算；

找出高质量、低成本的合理设计方案。最佳平均值三次设计后：产品质量质量正态分布！3.可靠性设计可靠性——是在规定时间和条件下，完成规定功能的概率。用可靠度、失效率、寿命、维修度及有效性等表征。————产品分析、设计、试验、统计和管理————可靠性分析——可靠性基础内容之一。不同角度分析、建立数学模型、逻辑图、分析各部件原理关系等。可靠性设计

可行性研究——达到目标众多途径与手段中选最优一种，工程决策

可靠性设计——失效形式、后果与致命度

可靠性预计与分配。

结构、漂移及兼容改进

安全与维修设计(3)可靠性试验确定可靠性特征量；发现设计、材料、工艺的缺陷；提供可靠性数据以备后用破坏性

非破坏性试验方法！产品复杂度不同，试验条件、抽样方法、数据处理及统计方法不同需要特别声明。(4)可靠性评定点估计法

区间估计法统计方法(5)可靠性管理管理工作与技术规范等均属可靠性管理工作。仪表工业——技术高、品种多、材料新、工艺新，可靠性尤为重要可靠性计划各阶段流程图4.计算机辅助设计（CAD）应用领域广泛——输入、设计、计算、绘图、缩放、识别等。人——机合作最大限度发挥人与机的功能创造性——人来完成（机器无法代替）常规性——机器完成有限元……二、新产品设计试制过程1.产品设计三种类型(1)创新性设计——开发新产品

市场需要

拟定设计原理、方案特点——要进行理论探讨、试验，有类似仪器参考。(2)适应性设计——科研工作有仪器参考。特点——保留原仪器原理方案个别零部件重新设计。(3)变型设计——通常在工厂 如Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型等。特点——原产品比较好

改动尺寸或布局。2.新产品的设计试制原则——

技术先进、结构简单

容易加工制造

使用操作维修方便

安全、美观

性价比好等新产品设计试制进程§

2.1设计方法概述新产品设计四阶段：关键技术分析——由试验获取设计数据，同时验证理论是否可行；[光刻机－机械、光点、掩膜等]模拟试验装置设计与试制[转台－机械、电控等]；样机设计与试制；

(4)定型设计与试制。总体设计——是一个反复设计的过程，要经过理论

实践

理论

再实践反复过程，不可能一次完成。！§

2.2设计任务分析目的——

了解设计任务各种要求，收集资料；

分析设计的关键，分清主次；

设计方案比较；

提出设计技术指标。内容——

使用要求

批量

工作环境

精度

生产效率

安全保护§

2.2设计任务分析仪器类型自由度阿贝测量仪一个方向移动万用工显微镜X－Y两自由度三坐标测量机X－Y－Z三自由度1.使用要求一定范围内有效地实现预期功能要求——仪器本身角度搞清楚使用对象“用户是上帝”——操作者角度提出各项设计技术指标“仪器设计出发点和归宿”——设计者角度不同使用要求，其方案结构不相同2.精度——仪器设计的关键精度直线旋转分度中1－10µm1—10

µm1—10"高0.1－1µm0.1－1µm0.2—1

"超高<

0.1µm<

0.1

µm<

0.2

"可分三类：中

高

超高精度要求不同，方案差异很大，甚至原理不同，价格差距悬殊。！3.批量——决定于市场需要批量不同——方案不同、加工方法也应有所不同

单件小批——多采用通用机床，尽量少采用铸件；

批量——专用机床、夹具、铸、锻件；零部件系列化、通用化、标准化提高效率、降低成本。4.生产效率——单位时间加工（测量、检测）工件数效率的确定应考虑与自动化相关联。如：SLIC——采用专用设备、自动化与智能化，其目的是尽量减少人干预，提高生产效率。6.安全保护仪器首先是安全，特别是人身安全！不同仪器，应采取不同措施——用壳保护，如：高压、放射性、有毒气体等；操作安全——接地；仪器本身安全，如：过载保护、限位、停电保护等[转台]。5.工作环境工作环境不同，仪器结构差异也很大。——振动、温度、湿度、净化度、天气等

室外——环境差如：搅拌机；注意：防尘、防油、防腐等

室内——条件好如：高精度仪器（超净室、隔音、防震等）；

地理位置——经纬仪，注意：“南热/北冷”影响。一、设计参数与技术指标工作性能——加工（测量）对象尺寸范围、运动参数 以及自动化程度等精度——精确度、分辨率、灵敏度、重复精度等效率——如生产（检测）效率可靠性——平均故障间隔时间（MTBF）维修性——平均修理时间（MTTR）安全性——1-P，P为故障概率外形尺寸、重量设计者性能——追求高指标性/价最佳价值——追求高利润§

2.3设计参数与指标二、确定设计参数与指标的方法1.根据设备的用途用户提出的是使用要求，设计者应根据用户使用要求转换成设计工作所需的指标。依据——经验、试验、统计、专用或者通用。2.根据加工（测量）对象的主要尺寸根据加工（测量）对象主要尺寸确定仪器的主要指标。（1）微细加工设备´´硅片

＝

3´´

4

´´

5行程

>

Ø75Ø100Ø125（2）三坐标测量机主孔工件

<

600mm600—2m>

2m小型中型大型3.根据加工（测量）的精度要求（1）参数本身对精度影响——设计时取不同参数对仪器产生不同精度。光测头杠杆比(l2/l1)确定：l1——光学杠杆长度；

l2——机械杠杆长度；

l3——显微工作尺寸；l2侧头O

fi

O'，产生位移量D1反射角q，光线反射2qy

=

l1

·

2qq＝D

/

l2\

y

»

2l1Dmin2l12l1y=

0.2l2则，瞄准误差D＝

l2

ymin=

a

250

＝

0.00005

·

250

»

0.4mmTa

30若：瞄准精度a

»

10（''

0.00005

弧度），Ta

=

303l3太小显微光路结构困难。\

l1

›

fi

l

fl可见：D与l1、l2有关（1）l1

›

fi

D

fl

l1＋l3＝ffi

测量瞄准困难。fi

D

fl（2）l2

fll2太小（2）力变形对仪器精度影响——某些参数由于受力变形对精度影响很大三坐标测量机受力变形对精度影响机型分析——不同结构形式受力不同，变形对精度影响也不同，故应根据设计精度选型。

悬臂式——变形大精度<0.01mm/m

桥式、龙门式——刚性好

主轴式——适于小型测量机

卧轴式——适于中型及精密测量机4.根据仪器的薄弱环节仪器特点：

精度高、承载小、速度较低；

很少强度校核;

刚度、变形、振动、精度为主要考虑因素；

低速的爬行；设计中，应着重关键和薄弱环节加以解决。5.根据标准化、系列化精密仪器设计中各种参量应参阅有关手册，尽量采用标准系列。6.根据可靠性与成本要求精密仪器设计应结合必要性和可能性提出可靠性的合理指标，使用户获得最大性价比的仪器。总体方案制定§

2.4设计任务分析确定主要参数及技术指标总体方案制定总体方案内容：

工作原理、方案分析和比较；

系统简图、总体布局；

精度分配、造型与装饰；

总体报告。§

2.4总体方案制定一、基本设计原则

运动学设计原则

基面合一原则

粗精分开原则

阿贝原则

变形最小原则

最短传动链原则

外界环境影响最小原则

系列化、通用化和标准化原则

结构工艺性良好原则

可靠安全、维修操作方便原则

造型与装饰宜人原则

价值系数最优原则1.阿贝（Abbe）原则1890年，Abbe提出一项量仪设计的指导性原则——“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”。——共线原则举例线纹尺测量的三种方式2''22212jd2

=

d

'

+d

'

=

cj

22

2绕Y轴转动，d

»

c绕Z轴转动，d

'

=

c(1-

cosj

)»

1

cj

2I

)

图a中绕Z轴转动，d1

=atgj

»ajII

)

图b中21

cj

2

—二阶微量、aj

—一阶微量III

)

图c中绕Z和Y轴转动：d3

=

bj

2j

—微量、j

2

—二阶微量、δ1——一阶误差（First-order

Error）δ2——二阶误差（Second-order

Error）结论——遵守阿贝原则可以消除一阶误差。！2.运动学设计原则空间物体的自由度和约束的关系：S＝6－Q其中S－自由度，Q－约束。运动学设计原则——根据运动方式（S）来确定约束数（Q）约束布置：

一个平面上最多3个；

一条直线上最多2个；

约束点尽量离得远；

约束应是点接触；

约束面应垂直欲限制自由度的方向。优点——

最少接触点

预先计算而可控避免过大的力引起变形；

点接触

定位精确可靠；

降低对加工精度要求，磨损后可修正；

拆卸后可准确复位。举例符合运动学设计原则的导轨与轴系不足——

理想的点是不存在；

受力变形后，接触点

面；

点接触易磨损；半运动学设计——将点接触适当扩大为有限面积，运动学原则不变。举例符合半运动学设计原则的设计3.变形最小原则变形（不可避免）温度受力┇最小变形措施——合理安排布局避免经过变形环节提高系统刚度举例

典型实例——光电光波比长仪工作台为了减小变形影响，工作台设计中采用工作台、床身、基座三层结构。4－平面球支承5－圆锥球窝支承6－V型球窝支承优点——（1）符合变形最小原则——工作台移动重量始终过三支点作用在基座上，仅力大小变化，而无方向和位置变化。运动力通过底座下三支点（对应）直接作用地基，基座变形最小。符合阿贝原则——保证激光转角、光电显微镜、干涉仪的显微镜均固定在与基座相联构件上，精度不受工作台变动影响。符合定位原则——无另加限制，避免不良约束造成内应力；温度变化自由伸缩不受约束，无内应力。能自动定位，无附加力，为自动定位设计；抗振性差。photoelectric

interferometric

comparator4.基面合一原则减小基面不一造成误差合一定位基面加工基面使用基面安装与使用的基面——球窝

球窝——为加工基准，与使用基准重合

外圆——为加工基准，与使用基准不重合5.最短传动链原则主传动链传动链辅助传动链传动链——越短越好；设计结构——越简单，性能越稳定，精度易保证。6.粗精分离原则

高速度与高精度

大行程与高精度仪器设计矛盾——！举例阿贝原则运动学原则

变形最小原则基面合一原则最短传动链原则粗精分开原则阿贝原则运动学原则

变形最小原则基面合一原则最短传动链原则粗精分开原则设计原则排序7.其它原则

外界环境影响最小原则

系列化、通用化和标准化原则

工作可靠、安全、维修与操作方便原则

结构工艺性良好原则

造型与装饰宜人原则

价值系数最优原则§

2.4总体方案制定二、总体方案制定内容主要内容——

工作原理

基准器件

运动方式

结构方案

摩擦与变形

系统简图

总体布局

精度分配

造型与修饰

总体报告1.工作原理设计——总体设计的关键1=

-Dq2

=Re

sinqR创造性原理——不一定全是发明新理论，可将已有理论，只要前人没有用过，应用到新仪器设计中，既为发明或独创。设计方法理论：

误差平均原理；

位移同步比较原理；

误差补偿原理（1）误差平均原理——采取一定方法，将仪器或部件误差均化以提高精度。举例

双读数头系统Dq

=

e

sinqRe

sin(q

+180

o

)Dq＝Dq1＋Dq2＝0消除偏心误差（2）位移同步比较原理——当相应的位移作同步运动过程中，分别测出位移量，由其特定关系进行比较实现测量和控制。举例丝杠动态测量仪fi

测出Dq采用两套测量系统光栅系统——测量转角激光干涉系统——测量位移光栅Dq

fi

莫尔条纹丝杠转Dq位移Dl

fi

激光干涉仪

fi

记数测出Dl（1）无误差fi

输出为0；（2）有误差fi

绘出曲线2p

fi

转换fi

比较t

Dl

=

DqDq

结构简单，测量链短；

精度高，反映动态精度；特点（3）误差补偿原理——应用最广的设计原理，特别是微机的应用提供了补偿的条件，主要包括调整、校正、补偿等。2.基准器件选择种类传统——标尺、丝杠、蜗轮、度盘近代——激光、光栅、码尺应用原理测量方法结构精度抗干扰应用激光光电相对复杂最高差一般光栅光电相对较复杂高强较方便磁栅磁电相对简单较低强很方便码盘光电绝对较复杂较高很强方便感应同步器磁电绝对较简单中高强方便标尺光电相对简单中高很强方便机械元件机械相对简单低强方便3.运动方式选择将设计原理具体化决定器件的效率、控制方式、结构及精度。运动方式间歇运动——机构简单、受静摩擦力影响大效率低、控制简单连续运动——效率高、精度高、无定位误差联机脱机控制方式4.结构方案设计方案选择原则：

保证精度、工作稳定可靠、结构尽量简单；

加工、装调、维修方便；

尽量遵守设计原则、符合运动学设计原则；

成本低。5.摩擦及局部