精密仪器第三章1

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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 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总体设计的前提条件 2、设计、设计原则 3、设计原理 一、一、总体设计的前提条件总体设计的前提条件 设计任务分析设计任务分析 目的：目的：为仪器的总体设计提供基本的已知 条件（成为设计指标）。 1. 设计任务分析的内容设计任务分析的内容 （1）了解被测控参数测控参数的特

2、点特点。 定义定义所设计的仪器在测量原理测量原理上严格与被测 参数的定义相符合。 精度要求精度要求、 数值范围数值范围(一维、多维及量值范围)、 性质性质(单值、多值)、 状态状态(瞬态量、稳念量、动态量、静态量)等等 确定仪器的主要技术指标技术指标。 1. 设计任务分析的内容设计任务分析的内容 （1）了解被测控参数测控参数的特点。 （2）了解测控参数载体测控参数载体(测控对象)的特点。 大小大小、形状形状、材料材料、 重量重量、状态状态 1. 设计任务分析的内容设计任务分析的内容 （1）了解被测控参数测控参数的特点。 （2）了解测控参数载体控参数载体(测控对象)的特点。 （3）了解仪器的功能

3、要求功能要求。 用途用途、检测效率检测效率、测量范围测量范围 承载能力承载能力、操作方式操作方式、显示显示 方式方式、自动诊断自动诊断、自动保护自动保护、 外廊尺寸与自重外廊尺寸与自重等等。 1. 设计任务分析的内容设计任务分析的内容 （1）了解被测控参数测控参数的特点。 （2）了解测控参数载体参数载体(测控对象测控对象)的特点。 （3）了解仪器的功能要求功能要求。 （4）了解仪器的使用条件使用条件。 工作环境工作环境（室内/室外、在线/ 离线）、 工作状态工作状态（连续/间断）、 接口情况接口情况（是否与大系统的其 它子系统相关工作）。 1. 设计任务分析的内容设计任务分析的内容 （1）了解

4、被测控参数测控参数的特点。 （2）了解测控参数载体控参数载体(测控对象测控对象)的特点。 （3）了解仪器的功能要求功能要求。 （4）了解仪器的使用条件使用条件。 （5）了解国内外同类产品的类型同类产品的类型、原理原理、技术水平和技术水平和 特点特点。 1. 设计任务分析的内容设计任务分析的内容 （1）了解被测控参数测控参数的特点。 （2）了解测控参数载体控参数载体(测控对象测控对象)的特点。 （3）了解仪器的功能要求功能要求。 （4）了解仪器的使用条件使用条件。 （5）了解国内外同类产品的类型同类产品的类型、原理原理、技术水平和技术水平和 特点特点。 （6）了解国内有关方面的加工工艺水平及关键

5、元器件加工工艺水平及关键元器件销 售情况。 2 2. 设计任务分析的结果设计任务分析的结果 明确为仪器的技术指标明确为仪器的技术指标，如：测量精度、示值范围、 工作距离、放大率、视场、焦距等，基本反映仪器 的概貌。 仪器的技术指标是用来说明仪器性能和功用的具体仪器的技术指标是用来说明仪器性能和功用的具体 数据数据，它既是设计的基本依据，又是检验成品质量 的基本依据，它与仪器的用途、功能、特点有关， 不同类型的仪器，有不同的技术指标。 二、设计原则二、设计原则 （1 1）阿贝原则）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 （一）（一）阿贝原则阿贝原则 1、 原

6、则原则 2、 阿贝原则分析阿贝原则分析 3、 阿贝原则之局限阿贝原则之局限 4、 阿贝原则扩展阿贝原则扩展 5、 举例举例 1 1、阿贝原则阿贝原则 1890年德国人艾恩斯特 阿贝(Ernst Abbe)提出 “被测物与标准尺沿测量轴线成直线排列”。 长度测量时必须将仪器的读数刻尺安放在被 测尺寸的延长线上，这样可避免一次误差。 2、阿贝原则分析、阿贝原则分析 读数刻尺与被测尺寸不在同一直线上 s 1 尺 被测件 对准件 2、阿贝原则分析、阿贝原则分析 读数刻尺与被测尺寸不在同一直线上 当对准件（如游标卡尺的活动量爪）在 导轨（尺架）上移动时，由于导轨间隙而 使之发生倾斜角，从而引起的测量误差

7、 1阿贝误差阿贝误差： 1=stgs 设： s=10mm, =10“=0.00005rad 则： 1=101000510-5=0.5m s 1 尺 被测件 对准件 遵守阿贝原则遵守阿贝原则 读数刻尺与被测尺寸在同一直线上 被测件 尺 读数器件 瞄准器件 d 2 M1 M2 读数器件与瞄准器件接在一 起，间距为d，支架在测量时 沿导轨移动，得出测量结果 （二次读数之差M2-M1）。当 导轨有误差时，而使支架有 角的转动而引起的测量误 差 2 : 设： d=1000mm, =10“=0.00005rad, 则： 2 =1000 1000 ( 5 10-5 ) 2 /2 =0.001m 1与为一次方

8、关系，称为一次误差，2与二次方关系，称为二次 误差。 1 2 。 所以符合阿贝原则可消除一次误差符合阿贝原则可消除一次误差。 读数刻尺与被测尺寸在同一直线上 2 )cos1 ( 2 2 dd 被测件 尺 读数器件 瞄准器件 d 2 M1 M2 阿贝原则可在相同的条件下，提高测量的精度。因此，在测量 时应尽量遵守，尽量将被测件靠近标准件的延长线安放。 但是阿贝原则并不是在任何情况都能遵守阿贝原则并不是在任何情况都能遵守。原因： a.它使仪器的结构尺寸增大（仪器的长度至少是被测长度的二 倍），这在测量大尺寸时矛盾尤为突出，从而给制造运输以及 使用中保持温度的一致性带来困难。 b.对于多自由度（坐标

9、轴）测量仪器，很难做到使各个坐标方 向或一个坐标方向上各个平面内均能遵守阿贝原则。 3、阿贝原则之局限、阿贝原则之局限 4、阿贝原则扩展、阿贝原则扩展 1979年布莱思对阿贝原则叙述： 长度测量系统工作点的路程应和长度测量系统工作点的路程应和 被测位移工作点的路程被测位移工作点的路程位于一条位于一条 直线上直线上。如果这不可能，那么必。如果这不可能，那么必 须使传送位移的须使传送位移的导轨没有角运动导轨没有角运动， 或者用实际角运动的数据计算偏或者用实际角运动的数据计算偏 移的影响，并加以移的影响，并加以补偿补偿。 1、共线共线 2、=0 3、测出实际角运动的测出实际角运动的 数据，并以此计算

10、偏移数据，并以此计算偏移 的影响，从而用偏移差的影响，从而用偏移差 值补偿修正测量结果。值补偿修正测量结果。 使导轨没有角运动使导轨没有角运动 完全没有角运动的导轨是做不出来的，不过随着工 艺水平的提高，可以制造出角运动很小角运动很小的导轨，如大 理石气浮导轨的直线度在小行程（如100mm）内可达 到0.5um的精度，即产生0.25的角运动。 一种理论上不产生角运动的导轨是平行片簧导轨平行片簧导轨， 这种导轨无间隙、无摩擦、灵敏度高、运动直线性好 （无角运动），适用于高精度微位移系统中。例如在 一些精密测头里就使用这种导轨。 平行片簧导轨平行片簧导轨 l f ll f b lll)cos1 (

11、)cos1)( sin ) 2 sin 2 (sin 2 22 b l l bl f l l f b l b l b l 2 2 3 2 22 2 2 )( 2 )( 2 导轨在外力导轨在外力F作用下的位移量作用下的位移量f， 引起两弹簧片的偏角：引起两弹簧片的偏角： ， 引起导轨的偏角：引起导轨的偏角： b l l+l f F 这种导轨的直线性取决于两片弹 簧的材料和结构（长度差）的一 致性： 当 l=30mm，b=45mm， l=0.005mm时，f=3mm时， 仍能产生0.1的角运动。 常用的补偿方法常用的补偿方法 a. 动态跟踪测量补偿动态跟踪测量补偿 b. 定点测量补偿定点测量补偿

12、5、 举例举例 阿贝误差除可用结果数据补偿外，还可通过系统的合 理布局来消除。通常在仪器结构不可能符合阿贝原则的 情况，通过系统合理布局来抵消阿贝误差，如： （1）爱彭斯坦（Eppenstein）原则 （2）导轨光电补偿(p62-64) （3）平直度测量系统(p64-65) （4）传动部件设计(p65-66) （1）爱彭斯坦（）爱彭斯坦（Eppenstein）光学补偿方法）光学补偿方法 爱彭斯坦原则的特点是巧妙地利用光学原理爱彭斯坦原则的特点是巧妙地利用光学原理， 在不增加误差补偿装置的情况下在不增加误差补偿装置的情况下，通过仪器组通过仪器组 成部分的合理布局来自动抵消阿贝误差成部分的合理布局

13、来自动抵消阿贝误差。 1m测长机测长机 头座、尾座、刻尺面，构成测量光路头座、尾座、刻尺面，构成测量光路 头座头座 100100mm刻尺刻尺 光源光源 透镜透镜N2 反射镜反射镜M2 反射镜反射镜M1 透镜透镜N1 读数显微镜读数显微镜 双线分划板双线分划板 （09） 光学计管光学计管 测量过程测量过程 对零位 尾尾座座 1m测长机测长机 头座、尾座、刻尺面，构成测量光路头座、尾座、刻尺面，构成测量光路 头座头座 100100mm刻尺刻尺 光源光源 透镜透镜N2 反射镜反射镜M2 反射镜反射镜M1 透镜透镜N1 读数显微镜读数显微镜 双线分划板双线分划板 （09） 光学计管光学计管 测量过程测

14、量过程 对零位 尾尾座座 对零对零 光学计管2中对零 （读数范围100um） 显微镜3视场内两个零线对准 100mm刻线尺刻线 （读数至0.1mm） 分划板双线 1m测长机测长机 头架头架( (座座) )、尾架、尾架( (座座) )、刻尺面，构成测量光路、刻尺面，构成测量光路 头架头架 尾架尾架 100100mm刻尺刻尺 光源光源 透镜透镜N2 反射镜反射镜M2 反射镜反射镜M1 透镜透镜N1 读数显微镜读数显微镜 光学计管光学计管 双线分划板双线分划板 （09） 测量过程测量过程 测量 读数读数 显微镜3中读数:560.6mm 刻线尺刻线 分划板双线 光学计管2中读数:0.0079mm 读数：读数：560.6079mm 爱彭斯坦（Epenstien）原则 tgf llHcossin 由于导轨直线度的影响，测量时使尾座产生了倾角， 而产生了阿贝误差 l= H sin + l cos- l 。 分划板上S的像由S移至S“，其移动方向与尾架测头的移 动方向相反。 SS“ = l1=f tg 。 则测量误差： L= l- l1 = H sin+lcos-l-f tg 。 上式近似简化为： L=(H-f )-l 2/2 。 选择参数取 H =f ，则： L = - l2/2 。 此为二阶误差，消除了一次误差，此即爱帕斯坦原则。 再见！再见！