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1、第三章第三章 精密仪器总体设计精密仪器总体设计 教学要求教学要求：了解精密仪器设计的基本原则，掌 握精密仪器的设计原理和总体设计内容，熟悉精 密仪器的总体设计过程。 教学内容教学内容 3-1 总体设计的相关知识总体设计的相关知识 3-2 总体设计内容 3-3 总体设计举例 第一节第一节 总体设计的相关知识总体设计的相关知识 1、总体设计的前提条件 2、设计原则、设计原则 3、设计原理 二、设计原则二、设计原则 （1 1）阿贝原则 （2 2）变形最小原则）变形最小原则 （3 3）其它原则）其它原则 （二）变形最小原则（二）变形最小原则 1、原则 2、减少力变形影响的技术措施 举例： a）1m激光
2、测长机 b）光电光波比长仪 3、减少热变形影响的技术措施 举例：扩散电阻电桥零点漂移的补偿 1变形最小变形最小原则原则 在仪器工作过程中，应尽量避免因受力或因温度 变化而引起的仪器结构变形或仪器状态和参数的变化， 并使之对仪器精度的影响最小。变形包括： 力变形力变形。如：仪器承重（测量力）。 温度变形温度变形。如：温度变化引起仪器或传感器结构参数 变化，导致光电信号的零漂及系统灵敏度的变化。 变形是客观存在的，应采取必要的措施减少其 对仪器精度的影响。 2减少力变形影响的技术措施减少力变形影响的技术措施 （1） 提高受力件的刚度提高受力件的刚度，选择合理的截面积， 直接减少受力件的变形。 （2
3、） 合理布局合理布局，避免经过变形环节。如：线纹 尺的刻线刻在其中性面上，支点在贝塞尔点上 （相距5/9全长），使之变形最小。 （3） 采用调整装置调整装置或预变形法预变形法来消除仪器工作 时力变形的影响。 （4） 采用补偿法补偿法和结构设计结构设计消除结构的力变形 的影响。 举例：1m激光测长机 底座底座 干涉仪厢体干涉仪厢体 测量头架测量头架 工作台工作台 尾座尾座 电机与变速箱电机与变速箱 闭合钢带闭合钢带 电磁离合器电磁离合器 固定角隅棱镜固定角隅棱镜 尾杆尾杆 测量主轴测量主轴 可动角隅棱镜可动角隅棱镜 激光器激光器 分光器分光器 h 举例：1m激光测长机 底座底座 干涉仪厢体干涉仪
4、厢体 测量头架测量头架 工作台工作台 尾座尾座 电机与变速箱电机与变速箱 闭合钢带闭合钢带 电磁离合器电磁离合器 固定角隅棱镜固定角隅棱镜 尾杆尾杆 测量主轴测量主轴 可动角隅棱镜可动角隅棱镜 激光器激光器 分光器分光器 h 光路光路 激光器发出的激光束经2个反射镜后由分光镜14分为两路： 测量光路测量光路：经可动角隅棱镜12返回，光程为分光镜14至棱镜12距离的2倍； 参考光路参考光路：经反射镜至固定角隅棱镜9返回，再经反射镜反射至分光器，光 程为反射镜至棱镜9加上反射镜至分光器距离的2倍(2n(s+d)。 11 )(2Ldsn 对零对零 测量测量 )()(2 12 LLdsn 测量测量 a
5、.对零：移动头架3使测量主轴11在一定作用力下与尾杆10接 触。此时，两路光程差: b.读数：移动头架3，将工件放在工作台上，并夹在尾杆与头 架主轴之间。此时两路光程差 : 则读数为测量时干涉条纹相对于对零的变化数m，即： 11 )(2Ldsn )()(2 12 LLdsn nLm2)( 21 n m L 2 举例：1m激光测长机 底座底座 干涉仪厢体干涉仪厢体 测量头架测量头架 工作台工作台 尾座尾座 电机与变速箱电机与变速箱 闭合钢带闭合钢带 电磁离合器电磁离合器 固定角隅棱镜固定角隅棱镜 尾杆尾杆 测量主轴测量主轴 可动角隅棱镜可动角隅棱镜 激光器激光器 分光器分光器 h 问题：问题：1
6、m1m激光测长仪激光测长仪 1 1、是否符合阿贝原则？、是否符合阿贝原则？ 2 2、基准部件是什么？提供、基准部件是什么？提供 的标准量是什么？的标准量是什么？ 举例：1m激光测长机 底座底座 干涉仪厢体干涉仪厢体 测量头架测量头架 工作台工作台 尾座尾座 电机与变速箱电机与变速箱 闭合钢带闭合钢带 电磁离合器电磁离合器 固定角隅棱镜固定角隅棱镜 尾杆尾杆 测量主轴测量主轴 可动角隅棱镜可动角隅棱镜 激光器激光器 分光器分光器 X X Y Z h a b b O O 底座受力变形的影响底座受力变形的影响 由于对零和测量时底座受力不同，而产生不同的变 形量，从而产生测量误差。 a. 尾座5因变形
7、变化，绕Y 轴转动（即与Z轴夹角）。 b. 尾座绕Z轴转动（即与Y轴夹角） c .尾座绕X轴转动（与Z轴夹角） d. 测量头架在垂直平面内产生倾斜。 底座底座 干涉仪厢体干涉仪厢体 测量头架测量头架 工作台工作台 尾座尾座 电机与变速箱电机与变速箱 闭合钢带闭合钢带 电磁离合器电磁离合器 固定角隅棱镜固定角隅棱镜 尾杆尾杆 测量主轴测量主轴 可动角隅棱镜可动角隅棱镜 激光器激光器 分光器分光器 X X Y Z h a b b O O 减少力变形的影响措施减少力变形的影响措施 底座底座 1、棱镜与尾座固接，且其锥顶（参考 光路的光轴）与尾杆轴线在一个水平 面内，即具有相同的Z坐标值。 2、测量头
8、架的测量主轴与棱 镜的锥顶（测量光路的光轴） 共线 3、减少d 值 减少力变形的影响措施减少力变形的影响措施 1）棱镜9与尾座固接，且其锥顶（参考光 路的光轴）与尾杆10轴线在一个水平面内， 即具有相同的Y坐标值。 2）测量头架的测量主轴与棱镜12的锥顶 （测量光路的光轴）共线 3）减少d 值 a. 尾座绕尾座绕Y 轴的转角轴的转角 尾座测量主轴相对于零位的变动量 a=h sin ，则 测量光路长度 。 由于固定棱镜固定棱镜9 9与尾座固结与尾座固结，且Z坐标值相同坐标值相同，棱 镜9相对零位也有相同的变动量a ，则： 参考光路长 而二路光程差 不变。 由于仪器采取了结构布局的补偿措施，消除了
9、力 变形 引起的测量误差。 )(2 1 LLn a a dsn)(2 21 )()(2LLdsn 底座底座 干涉仪厢体干涉仪厢体 测量头架测量头架 工作台工作台 尾座尾座 电机与变速箱电机与变速箱 闭合钢带闭合钢带 电磁离合器电磁离合器 固定角隅棱镜固定角隅棱镜 尾杆尾杆 测量主轴测量主轴 可动角隅棱镜可动角隅棱镜 激光器激光器 分光器分光器 X X Y Z h a b b O O b. 尾座绕尾座绕Z轴转动轴转动 棱镜9相对尾座测量主轴x 向的变动量： 此时测量光路光程不变，参考光路光程的变化为 2n b，则两光路光程变化量: 为一次误差，不可忽略，但可通过减少减少d 值值，减少该 项变形而
10、引起的误差。 d b ndn b 22 2 底座底座 干涉仪厢体干涉仪厢体 测量头架测量头架 工作台工作台 尾座尾座 电机与变速箱电机与变速箱 闭合钢带闭合钢带 电磁离合器电磁离合器 固定角隅棱镜固定角隅棱镜 尾杆尾杆 测量主轴测量主轴 可动角隅棱镜可动角隅棱镜 激光器激光器 分光器分光器 X X Y Z h a b b O O c. 尾座绕尾座绕X轴转动轴转动 棱镜9相对尾座测量主轴Z向变动量： 。此时测量光 路光程未变，则参考光路光程相对无变形时的变化为： dt Z Y Z X 则两光路光程差变化量： 22 2 sin22) cos (2 nsnss s n s d s t 2 2 2 s
11、 nd (0,d,h) (0,0,h) (0,d,h) 其中: 为二次误差可忽略。 d，s，便于减少该项变形 而引起的测量误差。 d. 测量头架在垂直平面内产生倾斜测量头架在垂直平面内产生倾斜 由于测量头架的测量主轴与棱镜12的 锥顶（测量光路的光轴）共线，符合阿贝 原则，无一次误差，只有二次误差，可忽 略。 底座受力变形的影响底座受力变形的影响 由于对零和测量时底座受力不同，而产生不同的变 形量，从而产生测量误差。 a. 尾座5因变形变化，绕Y 轴转动（即与Z轴夹角） 消除。 b. 尾座绕Z轴转动（即与Y轴夹角） 一次。 c .尾座绕X轴转动（与Z轴夹角） 二次。 d. 测量头架在垂直平面内
12、产生倾斜二次。 ndn b 22 2 光电光波比长仪消除力变形的结构布局光电光波比长仪消除力变形的结构布局 三层结构形式的设计三层结构形式的设计 1-工作台工作台 2-床身床身 3-基座基座 4-V型槽支撑面型槽支撑面 5-平支撑面板平支撑面板 6-圆锥形球窝支撑面圆锥形球窝支撑面 3减少热变形影响的技术措施减少热变形影响的技术措施 tL 1 t 2 t （1）采用恒温条件，减少温度变化量。 （2）选用合适的材料，减少线膨胀的影响。如选 用线胀系数相反的材料在某些敏感环节补偿热变形 误差。 （3）利用温度误差修正值进行补偿。如测出被测 件与标准件的温度 、 以及二者线胀系数 、 ，则 ，对测量
13、值进行修 正。 1 2 )20()20( 2211 ttLL 例：扩散电阻电桥零点漂移的补偿例：扩散电阻电桥零点漂移的补偿 自学 p37-39 （三）其它原则（三）其它原则 1、 测量链最短原则测量链最短原则 2、 坐标系基准统一原则坐标系基准统一原则 3、 精度匹配原则精度匹配原则 4、 经济原则经济原则 三、设计原理三、设计原理 1、平均读数原理 2、比较测量原理 3、补偿原理 1、平均读数原理、平均读数原理 误差平均原理 采用多次重复测量，如多测头，多次重复分 度，多次重复暴光取得平均值，以提高精度的 方法，测量仪器通常利用这一原理来设计仪器的 读数系统，又称之为平均读数原理。 原理分析、举例（自学p40-41） 2、比较测量原理、比较测量原理 1）被测量与标准量进行比较(p82) 2）差动比较（p84） 3）零位比较(p85) 差动电桥差动电桥 双端差动电路双端差动电路 光学双通道差动法测量透射率光学双通道差动法测量透射率 再见！再见！
