精密仪器设计基础2012-2

第二章精密仪器设计方法2.1设计方法概述创新设计：指充分发挥设计者的创造力,利用人类已有的相关科技成果开发新产品适应性设计：是在总的方案原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改。变型设计：基本保留原产品的功能、方案原理和结构，只是改动尺寸大小或结构布局的设计。新产品设计试制过程计划总体设计方案设计总体结构设计设计任务书零、部件设计技术文件编制样机试制及实验投产4详细设计专注于每一个细节尺寸与参数初步设计表示出梁的截面变化概念设计仅仅是一个从翼根到翼梢的平面！总体设计机翼前梁在设计过程中的演变5（决定的费用）（消耗的费用）新产品设计试制过程总体设计方案设计总体结构设计设计任务书设计任务分析确定主要参数及指标编写任务要求细目单分解总功能为分功能设计实现分工能选出可行的原理组合为各组合作出相应方案对各方案进行评价绘制总体结构草图对总体结构进行评价绘制改进总体结构图2.2设计任务分析设计任务分析主要内容1、使用要求：即是要求精密仪器在一定的工作范围内能有效地实现预期的功能，并在一定的使用期间内不丧失原有功能。2、仪器精度例：测地型GPS接收机：5mm导航型GPS接收机：25m

3、生产批量:大批量生产时尽可能采用专用机床和专用工夹具;单件小批量生产时,则可采用通用机床加工。4、生产效率:单位时间内的检测效率。5、工作环境:指如振动、温度、湿度等对仪器使用的影响。6、安全保护：人身保护和设备保护2.3主要参数与技术指标2.3.1内容主要参数：能够基本反映该设备的概貌和特点的一些项目精度参数：测量设备：测量精度尺寸参数：测量设备：测量范围2.3.1内容主要参数：运动参数：工作台的运动速度动力参数：电机功率和扭矩以及光源功率结构参数：整机及主要部件的主要尺寸参数例：测长仪精度参数：0.001mm测量范围：0-1015mm结构参数：1200mm运动参数:50mm/秒测力：2N技术指标：用来说明一台精密仪器性能和功用的具体数据，他既是设计的基本依据，又是检验成品质量的基本依据反映设计工作性能:功能、工作对象范围与尺寸等反映设备精度：加工精度、测量精度反映设备自动化程度：手动—半自动—自动反映工作效率：生产率和检验效率…型号LABC-P500光栅尺长度(测量范围)0-550mm测量不确定度≤0.15+(L(mm)/2000)µm（全量程保证精度，以上精度无需采用温度补偿）分辨率0.001mm/0.0001mm/0.00001mm重复性(2S)0.05µm测量系统超高精度玻璃光栅测量系统显示单元液晶显示屏、标准DELL电脑测量体移动速度400mm/秒环境温度+10℃至+40℃环境湿度20-80%重量 80kg

2.3.2确定方法根据设备的用途通用：考虑加工和测量多种类型的工件，因此其加工和测量的范围尽可能的广专用：为某一特定工序或工件设计，其加工和测量的范围就小根据测量（加工）对象的主要尺寸根据测量（加工）精度根据参数本身对仪器精度的影响例自动分步重复光刻机64k随机存储器,光刻线条宽度为2-3μm。套刻的位置误差允许是线宽的1/2-1/5，工作台的定位精度为0.5-0.25μm。根据力变形对仪器精度的影响例三坐标测量机三坐标测量机选型根据设备或仪器中的薄弱环节根据系列化要求根据产品可靠性与成本的要求

2.4总体方案的制定2.4.1基本设计原则一、阿贝原则(共线原则)：阿贝（1840年1月23日－1905年1月14日）德国物理学家、光学家、企业家。一、阿贝原则(共线原则)：要使量仪给出准确地测量结果，必须将被测件布置在基准元件沿运动方向的延长线上。被测零件的尺寸线和仪器中作为读数用的基准线（刻线基准）应顺序排成一条直线。测量时，活动量爪在尺架（导轨）上移动，由于导轨之间存在间隙，使活动量爪发生倾斜角而带来测量误差，其值为误差和倾角φ成一次方关系，习惯上称为一次误差不符合阿贝原则例：如果由于安装等原因，测微丝杆轴线的移动方向与尺寸线方向有一夹角，则此时带来测量误差为

误差和倾角φ成二次方关系，习惯上称为二次微小误差符合阿贝原则例：线纹尺计量S——标准件W——被测件T——工作台B——悬臂支架M1M2——瞄准及读数用显微镜并联式绕z轴转动引起的误差串联式绕z轴转动引起的误差遵守阿贝原则的传动部件设计阿贝原则同样适合各类仪器传动部件的设计。传动部件遵守阿贝原则的设计a）正确b)不正确例：机械测微仪

测量杆与传动杠杆的接触点被置于测量杆位移的方向线上符合阿贝原则不适合Abbe原则的情况外观尺寸过大多自由度测量仪器（1）爱彭斯坦原理用硬件来实现补偿：结构布局来实现误差补偿例测长机：以线纹尺的刻度作为已知长度，利用机械测头进行接触测量的光学长度测量工具爱彭斯坦光学系统尾架倾斜产生的测量误差令高度H与物镜焦距f相等(2)以动态准直仪来检测导轨摆角误差的电学补偿方法(实时补偿概念，计数器直接补偿)（3）布莱恩原则：更具普遍意义的阿贝原则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。布莱恩原则和阿贝原则并列为两个最基本的设计和测量原则二、运动学设计原则自由度数：确定一物体在空间位置所需要的独立坐标数。自由度S与约束Q的关系:运动与约束6个自由度，0个约束运动与约束5个自由度，1个约束两点决定一条直线4个自由度，2个约束三点决定一个平面3个自由度，3个约束运动设计原则：根据物体要求运动的方式（即要求自由度）确定施加的约束数。满足运动学设计要求的优点：每个元件是用最少的接触点来约束的，定位准确，力可以预先计算，可避免材料变形影响机构的工作性能工作表面磨损及尺寸加工精度对约束影响小拆卸后能方便精确的复位运动学设计原则的局限：点接触容易变形不耐磨稳定性差半运动学设计：若将点约束适当地扩大为有限大的面积约束，而运动学设计原则不变。三、变形最小原则应尽量避免在仪器工作过程中，因受力变化或因受温度变化而引起的仪器结构变形或仪器状态和参数的变化。解决方法：合理安排布局避免经过变形环节提高系统的刚度四、基面合一原则：零件设计时，设计基准、加工基准、检验基准、装配基准要统一。

基准：用来确定生产对象上几何要素间的几何关系所依据的那些点、线、面。顶尖支承法测径向圆心晃动V形支承法测径向圆心晃动例如，图中所示的零件，两个直径d1及d2的设计基面及工艺基面均为中心线OO。在测量时，若用顶尖支承进行，则测量基准和设计基准、工艺基准重合，此时能真正地反映d2的圆柱度等加工误差。但若以d1的外圆柱面为测量基准时，则d1的形状误差也就反映到测量结果中，带来附加的测量误差。五、传动链最短原则

传动链：对于测量来说，是被测量和标准量的信号传递的链条。粗精分离原则：根据各部分对仪器精度影响程度的不同来提出不同的精度要求和恰当的精度分配。测量链精度最高，依次递减外界环境影响最小原则：主要是温度和振动的影响系列化、通用化、标准化原则：可以缩短设计、生产周期、提高产品质量、降低成本、维修方便结构工艺性良好原则：工艺决定成本工作可靠、安全、维修与操作方便原则造型与装饰宜人原则价值系数最优原则：性价比最高粗精分离：2.4.2总体方案制定的内容一、工作原理的设计误差平均原理如采用多次重复测量，取平均值位移量同步比较原理：主要针对复合参数的测量，复合参数一般都是由线位移和角位移，或角位移和角位移以一定关系作相互运动而成。它们的测量过程，实际上是相应的位移量之间的同步比较过程。误差补偿原理：仪器的精度不可能完全靠加工来保证，巧妙的补偿可以取得较好的效果。§3-3

三、补偿原理二、方案的选择基准器件的选择传统的基准器件：线纹尺角度测量：激光干涉仪，光栅，感应同步器码盘二、方案的选择运动方式的选择主要结构方案的选择摩擦及局部变形的考虑三、系统简图的绘制总体布局的考虑总体精度的分配造型与装饰四、总体设计报告颜色传感器工作原理：各种颜色是由不同比例的三原色(红、绿、蓝)混合而成的。通常所看到的物体颜色，实际上是物体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应。方案的选择：方案一：使用不同颜色光线滤波器，当选定一个颜色滤波器时，它只允许某种特定的原色通过，阻止其他原色的通过。方案二：利用三原色的LED灯分别照射实测物体，对反射的光强进行测定，从而确定物体颜色.光敏器件的选择光敏电阻方案光敏三极管方案光敏二极管方案AD转化器件的选择显示及主控制模块选择2.5典型设计方法系统工程在设计中的应用系统工程包括系统和工程两部分。所谓系统是按一种秩序分布的各个元素的总体，这些元素以一定的特性联系起