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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 3-2 总体设计内容 3-3 总体设计举例总体设计举例 第二节第二节 总体设计内容总体设计内容 1 1、工作原理的选择、工作原理的选择 2 2、系统设计、系统设计 3 3、主要参数和技术指标的确定、主要参数和技术指标的确定 4 4、系统简图的绘制、系统简图的绘制 5 5、总体布局的考虑、总体布局的考虑 6 6、总体精度的分配、总体精度的分配 7 7、造型设计、造型设计 8 8、总体设计
2、报告、总体设计报告 第三节第三节 总体设计举例总体设计举例 某钢厂要求研制钢锭尺寸在线测量控制系统钢锭尺寸在线测量控制系统，测量尺寸， 控制体积达到要求时将钢锭锯断。 要求：要求：设计长度方向的测量装置。 在长度方向的要求为：段长公差（0，+20mm ） ， 段长范围410m，分辨率4mm 。厂房内允许安装设备高度 4m。 长(L)，（宽 (W) ，高(H)尺寸作为已知量输入 ） 钢锭尺寸在线测量控制系统功能： 测量: 控制: 分分 析析 长度L（钢锭） 长度数字信号计算装置（数据处理装置， 同时接收W、H信号，并计算得V值） 体积V =L W H （长度L = V/(W H） ）锯断信号 （
3、锯断设备接收，完成锯断动作） 长度测量：输入： 输出： 总总 体体 设设 计计 1、测量（工作）原理 2、主要结构设计 3、系统简图 4、系统布置 5、主要参数设计 6、精度 一、工作原理的选择一、工作原理的选择 非接触测量，利用光学成像原理，将L 象。 输出信号，应为数字信号。 象电数字， 须进行光-电和A/D转换。 二、二、主要结构设计主要结构设计 （1 1）感受、转换部件的选择）感受、转换部件的选择 （2 2）数据处理部件选择）数据处理部件选择 （3 3）标准量选择）标准量选择 1、感受、转换部件的选择、感受、转换部件的选择 采用：采用：CCD摄像机摄像机 物镜：输入钢锭长度信息的（物）
4、亮度，物镜：输入钢锭长度信息的（物）亮度，L 作作 为物高（光学系统）；为物高（光学系统）； CCD：输出象的电信号；：输出象的电信号； 图像采集卡：电信号图像采集卡：电信号数字信号（数字图象）。数字信号（数字图象）。 2、数据处理部件选择、数据处理部件选择 （1）计算机图像处理：）计算机图像处理： 数字信号数字信号提出长度提出长度L 值，值， （2）计算）计算V =L W H 是否等于规定值：是否等于规定值： 如果是，则让控制装置发出控制信号（如锯床的开启如果是，则让控制装置发出控制信号（如锯床的开启 信号）。信号）。 如果不是，则继续测量计算。如果不是，则继续测量计算。 3、标准量选择、标
5、准量选择 作用：标定。 刻线尺（钢尺） 定标点 三、系三、系统简图统简图 四、系统布置四、系统布置 摄像机固定于钢锭上方 进行测量； 保护：冷却水 防尘压缩空 气吹拂； 信号传输：测量信号 （视频信号）通过光缆 送到主控室和锯床操作 室。 摄像机监视测钢锭的下 边缘。 五、主要参数设计五、主要参数设计 1、放大倍数、放大倍数 2、象方分辨率、象方分辨率 3、焦距、焦距 4、像面视场照度均匀性、像面视场照度均匀性 1、放大倍数、放大倍数 采用TCD106C CCD 摄像机， 线阵线阵CCD：5000象素，长度象素，长度35mm。 )mm(007. 0 5000 35 3 3 105 . 3 10
6、10 35 象素尺寸象素尺寸= 最大象高为最大象高为35mm。 物方视场，最大物高为物方视场，最大物高为10m（工作范围，量程）。（工作范围，量程）。 则放大倍数：则放大倍数： 2、象方分辨率、象方分辨率 物方分辨率为4mm ，则像方分辨率为： 4=0.014（mm）大于0.007mm （象素尺寸）， 则摄像机可以满足要求。 3、焦距、焦距 物距 ，像距 ， fll 11 1 m4lmm14ll )mm(95.13 014. 04 014. 04 ll ll f 4、像面视场照度均匀性、像面视场照度均匀性 边缘与中心照度之比 视场角：视场角： cos 4 w 3 .51 4 5 warctgw
7、 153. 0cos4w 像面照度不均匀比较严重，可在物镜设计时考虑采用 光阑渐晕技术，减小像面中心照度，提高边缘与中心照 度之比。 六、精度设计六、精度设计 （1）摄像机、信号的转换和传输 （2）温度变形（实际温度与标定要求之差） 标定标定 补偿补偿 误差来源： 摄像机引起的系统误差摄像机引起的系统误差 1、CCD分辨率： e1=CCD像素尺寸/=0.007/(3.510-3)=2(mm) 段长公差（0，+20mm ） 系统误差：e= e1+ e2=720/3（接近） 改进：改变摄像头初始位置/用两个摄像头。 2、物镜畸变： e2 =y= 0.0005y= 0.000510103=5（mm）
8、 改变摄像头初始位置 用两个摄像头 课堂练习 进行总体设计进行总体设计 1、矿石密度仪、矿石密度仪 2、运动木棒长度计量装置、运动木棒长度计量装置 3、激光测长机数据处理显示系统、激光测长机数据处理显示系统 矿石密度仪 工作原理：阿基米得定律 结构：结构：1、感受、感受 水箱水箱 压力传感器压力传感器 2、转换、放大、传输、转换、放大、传输 3、数据处理、数据处理 单片机单片机 4、显示、记录、显示、记录 5、瞄准、瞄准手动信号手动信号 6、标准量、标准量标定、标准砝码标定、标准砝码 运动木棒长度计量装置（运动木棒长度计量装置（D） 一、任务一、任务 设计并制作一个运动的棒体长度计量装置。实现
9、单个木棒长度、累计长度设计并制作一个运动的棒体长度计量装置。实现单个木棒长度、累计长度 和木棒个数的计量、显示和语音播报。其和木棒个数的计量、显示和语音播报。其结构原理结构原理如下图所示。如下图所示。 二、要求二、要求 1 1基本要求基本要求 （1 1）具有运动木棒单个长度、个数、累计长度的显示功能；）具有运动木棒单个长度、个数、累计长度的显示功能； （2 2）具有运动木棒单个长度、个数、累计长度的语音播报；）具有运动木棒单个长度、个数、累计长度的语音播报； （3 3）长度测量误差）长度测量误差1cm1cm。 2 2发挥部分发挥部分 （1 1）具有存储数据自动回放功能；）具有存储数据自动回放功
10、能； （2 2）长度测量误差）长度测量误差0.5cm0.5cm； （3 3）具有木棒反方向运动计量功能，实现相应长度、个数扣除；）具有木棒反方向运动计量功能，实现相应长度、个数扣除； （4 4）创新性。）创新性。 木棒直线运动滑槽木棒直线运动滑槽 单片机单片机 键键 盘盘 显显 示示 语音播报语音播报 传感器传感器 激光测长机数据处理显示系统激光测长机数据处理显示系统 要求： 记录在测量过程中干涉条纹的变化个 数（注意正反方向）、计算并显示长度测 量结果。 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
11、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 思考题思考题 1 1、总体设计前应做那些工作总体设计前应做那些工作？ 2 2、总体设计的内容有那些总体设计的内容有那些？ 3 3、仪器总体设计时应遵守哪些原则仪器总体设计时应遵守哪些原则？为什么为什么？举例说明举例说明 4 4、为什么说遵守阿贝原则可以避免一次误差为什么说遵守阿贝原则可以避免一次误差？ 5 5、仪器总体设计时工作原理如何设计仪器总体设计时工作原理如何设计？请举例说明常见的仪请举例说明常见的仪 器设计原理器设计原理 6 6、仪器的组成按功能分为哪八个部分仪器的组成按功能分为哪八个部分？并举例分析仪器的组并举例分析仪器的组 成及各部分作用成及各部分作用 7 7、如何确定仪器结构的主要参数如何确定仪器结构的主要参数？举例说明举例说明。 作业：进行总体设计作业：进行总体设计 1 1、对矿石密度仪对矿石密度仪 2 2、运动木棒长度计量装置运动木棒长度计量装置 3 3、激光测长机数据处理显示系统激光测长机数据处理显示系统 再见！再见！
