第3章(123节)

第三章测控仪器总体设计测控仪器总体设计，是指在进行仪器具体设计以前，从仪器自身的功能、技术指标、检测与控制系统框架及仪器应用的环境和条件等总体角度出发，对仪器设计中的全局问题进行全面的设想和规划。要考虑的主要问题有：1.设计任务分析2.创新性构思（所能达到的新功能，所实现的新方法，所反映出的新技术，新理论等）3.测控仪器若干设计原则的考虑4.测控仪器若干设计原理的斟酌5.测控仪器工作原理的选择和系统设计6.测控系统主要结构参数与技术指标的确定7.仪器总体的造型规划第一节设计任务分析第二节创新性设计第三节测控仪器设计原则第四节测控仪器设计原理第五节测控仪器工作原理的选择和系统设计第六节测控仪器主要结构参数与技术指标的确定第七节测控仪器的造型设计仪器总体设计的最终评估，是以其所能达到的经济指标与技术指标来衡量，精度与可靠性指标是测控仪器设计的核心问题。本章共分为七节第一节设计任务分析测控仪器的设计任务一般有三种情况：1）设计者根据用户专门的需要，针对特定的测控对象，被测参数或工作特性来设计专用的仪器。2）设计者根据目前市场需求，设计开发通用产品和系列产品。在这种情况下，设计者应对市场需求作广泛的调研，以确定适当的仪器技术指标，达到以最少的产品系列和较全的仪器功能来覆盖最大的社会需求。3）设计者超前预测，设计出先进的新型产品，进行开发性设计。以上不同情况，对设计任务的分析，其侧重考虑的内容和方面是不同的。通常，设计任务的分析包括以下内容：了解被测控参数的特点1）了解精度、数值范围（一维、二维、量值范围）、量值性质（单值、多值）、测量状态（动态、静态）等要求；2）按国家标准严格的定义确定仪器工作原理了解测控参数载体的特点机械与光学载体居多。要考虑载体的大小、形状、材料、重量、状态等了解仪器的功能要求是静态还是动态、开环还是闭环、一维还是多维、单一参数还是复合参数、检测效率、测量范围、承载能力、操作方式、显示方式、自动诊断、自动保护等。了解仪器的使用条件室内还是室外、在线还是脱机、间断还是连续、环境状况。了解国内外同类产品的原理和技术水平了解国内加工工艺水平及关键元器件的销售情况设计任务的分析第二节创新性设计创新是对原设计的继承和发展，我们对现有仪器的原理、功能、特点了解的愈多，掌握的愈深入，愈容易发现现有仪器的缺陷，从而找到进一步完善和发展的途径。就测控仪器的总体设计而言,创新设计将体现在:仪器设计所实现的原理、所达到的功能、所反映出的新方法和新技术等方面。举例如下:1）数控加工机床所必备的刀具预调仪（仪器原理上的创新）2）齿轮全自动误差测量仪（仪器功能上的创新）解决了齿轮测量参数多、测量仪器复杂、测量精度不高的难题。使一台仪器实现了多台仪器和量具才能达到的测量功能，体现了设计者在仪器功能上的创新成就。3）开关（新技术和新方法的创新）机械式开关是最早的通断控制形式，但其反映的频率低，定位精度差，结构复杂，惯性大，寿命短。随着科技的发展，人们开发出触摸式、感应式、声控式、光控式、红外线式等多种新的开关。这些新的开关设计反映出设计者对各种新技术和新方法的创新研究。对比光学投影式刀具预调仪计算机视觉型刀具预调仪测量原理图示工作过程将刀尖到影屏上，采用目视瞄准定使用CCD摄像机采集被测刀具图像，测量时，计算机影屏上的十字线自动跟踪刀具切削点，当刀尖稳定在测量区域后，即已完成测量优缺点光学投影光路的加工及调整复杂，由人眼控制刀尖对准十字线的微细调整过程，要求二维光栅数字系统的导轨必须具备微调机构，增加了机构设计的难度；而且人眼目视瞄准的精度低，工作效率差。消除了操作者的人为误差，实现了自动化、数字化、微米级的测量精度。结论这种由光学投影式瞄准原理发展为利用计算机视觉系统进行瞄准的创新，开创了新一代刀具预调仪的发展，也为生产厂家带来了较大的经济利润和社会效益。一、创新设计思维能力的培养突破“思维定势”的束缚。人们往往习惯于从已有的经验和知识中，从考虑某类问题获得成功的思维模式中寻求解题方案，这就是所说的思维定势。要克服心理上的惯性，从思维定势的框框中解脱出来，善于从新的技术领域中接受有用的事物，提出新原理、创造新模式、贡献新方法，闯出新局面。敢于标新立异。创新思维的特点不仅是要突破“思维定势”的束缚，而且要敢于标新立异，即敢于提出与前人甚至多数人不同的见解，敢于对似乎完美的现实事物提出怀疑，寻找更合理的解法。善于从不同角度思考问题，探索多种解法，设想多个可供选择的方案，这样，成功的几率必然成倍增长。我们称这种思维方法为多向思维或扩散思维。创新设计的诀窍在于①充分依靠现代网络信息资源有针对性的检索相关资料，补充掌握不足的信息来达到创新构思。②在设计的整个过程中采用集多人智慧，互相启发来寻求解决问题的途径；也可通过有针对性、有系统地提问来激发智慧，寻找解决办法③通过对现有产品的观察，优缺点分析，或采用数学建模，或采用系统分析及形态学矩阵的理论分析方法寻求各种解决办法。举例子说明：采用系统分析方法解决防止螺纹松动的结构措施。螺钉锁紧力矩公式为2tan22MMGLDdFM二、创新设计方法的训练1）学习，掌握创造学理论的基本思想，掌握创新思维规律，面对来自于自然界生存压力、社会发展需求压力、经济竞争压力、个人工作压力及自我责任心，事业心的主客观强大压力，激发出积极、主动创造精神。2）摸索创新设计的方法和技巧式中，为螺钉锁紧力；为螺纹中径；为螺纹升角；为螺纹摩擦角；为螺纹间摩擦系数；为螺母压紧端面时的摩擦系数；为螺钉、螺母、被连接件（或垫圈）材料的摩擦系数；为螺纹牙形角；为螺母锥形压紧端面锥角之半，通常压紧为平面时；为螺母压紧端面的平均直径。F2dGGarctan2/cos/Gsin/M090MD防止螺纹松动的结构措施，它可以从四个方面考虑：①采用细牙螺纹，使螺纹升角减小，则锁紧力矩增大；②采用大牙形角螺纹，使增大，可使增大，则锁紧力矩增大；③采用锥形压紧端面（锥角180°），愈小，愈大，则锁紧力矩增大；④采用摩擦系数大的材料，则锁紧力矩增大。G2M这种系统分析的方法，使研究更具科学性，减少盲目性。第三节测控仪器设计原则在仪器设计长期实践的基础上,形成了一些带有普遍性的或在一定场合下带有普遍性的仪器设计所应遵循的基本原则与基本原理。这些设计原则与设计原理,作为仪器设计中的技术措施,在保证和提高仪器精度,改善仪器性能,以及在降低仪器成本等方面带来了良好的效果。如何在仪器的总体方案中遵循或恰当地运用这些原则与原理,便是在仪器总体设计阶段应当突出考虑的一个内容。共有六项设计原则：一、阿贝(Abbe)原则及其扩展二、变形最小原则及减小变形影响的措施三、测量链最短原则四、坐标系统一原则五、精度匹配原则六、经济原则一.阿贝(Abbe)原则及其扩展阿贝原则定义：为使量仪能给出正确的测量结果,必须将仪器的读数刻线尺安放在被测尺寸线的延长线上。或者说，被测零件的尺寸线和仪器的基准线（刻线尺）应顺序排成一条直线。因此，遵守阿贝(Abbe)原则的仪器，应符合图3-1所示的安排。仪器的标准刻线尺与被测件的直径共线。举例说明阿贝原则图3—1遵守阿贝原则的测量1-导轨2-指示器3-标准线纹尺4-被测件5-工作台对比用游标卡尺测量工件的直径用千分尺测量工件的直径测量图示测量过程用游标卡尺测量工件的直径。不符合阿贝原则。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，其值为设S=30毫米，=1ˊ则引起的误差为=300.0003=0.009mm用千分尺测量工件的直径。符合阿贝原则。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设d=20毫米，=1ˊ则引起的误差为=20mm即误差微小到可以忽略不计的程度。结论误差和倾角φ成一次方关系，习惯上称为一次误差误差和倾角φ成二次方关系，习惯上称为二次微小误差阿贝误差产生的原因导轨间隙造成运动中的摆角由于标准刻线尺与被测件的直径不共线而带来测量误差导轨间隙造成运动中的摆角由于标准刻线尺与被测件的直径共线误差微小到可以忽略不计Stg114/2dL272105.44/)0003.0(再举一例：用阿贝比长仪测量线纹尺的刻线间隔，被测尺寸线W和仪器基准线S在同一条直线上，故符合阿贝原则。如果由于导轨误差，基准读数显微镜和测量使读数显微镜支架在图示平面内产生的转动，使基准读数显微镜的第二次瞄准位置由移到此时带来的测量误差为：因为：（1-cosφ）=2sin2φ/2设d被测线纹长度，且d=20mm，φ=1′，则引起的误差为：Δ=20×（0.0003）2/2=9×10-7mm即误差微小到可以忽略不计的程度。2M2M2/)cos1(2dddd可见，阿贝原则在量仪设计中的意义重大。·阿贝原则被公认为是量仪设计中最基本的原则之一，在一般的设计情况下应尽量遵守。·但在实际的设计工作中，有些情况不能保证阿贝原则的实施，其原因有二：1）遵守阿贝原则一般造成仪器外廓尺寸过大，特别是对线值测量范围大的仪器，情况更为严重。2）多自由度测量仪器，如图3-3所示的三坐标测量机，或其它有线值测量系统的仪器。很难作到使各个坐标方向或一个坐标方向上的各个平面内均能遵守阿贝原则。如图3-3所示的三坐标测量机，其测量点的轨迹是测头1的行程所构成的尺寸线，而仪器读数线分别在图示的X、Y与Z直线位置处，显然，在图示情况下测量时，X与Y坐标方向均不遵守阿贝原则。其中图3-3a)为XZ平面，测头1在该平面内的行程所构成的尺寸线与Z方向读数线共线，但与X方向读数线相距为L，在该平面内不符合阿贝原则。其中图3-3b)为YZ平面，测头1在该平面内的行程所构成的尺寸线与Z方向读数线共线，但与Y方向读数线相距为L，在该平面内不符合阿贝原则。图3-2工件的直径测量b）用阿贝比较仪测量1—被测工件2—工作台3—底座4—基准刻线尺5—支架图3-3三坐标测量机1-测头的触球2-被测工件结论：许多线值测量系统的仪器，很难做到使各个坐标方向或一个坐标方向上的各个平面内均能遵守阿贝原则。图3-3a)图3-3b)基于上述实际情况，引出了扩展阿贝原则的思路和方法。美国学者布莱恩（J.B.Bryan）建议将扩展了的阿贝原则表达如下：“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一条直线上。如果这不可能，那么或者必须使传送位移的导轨没有角运动，或者必须用实际角运动的数据计算偏移的影响。它包含三重意思，遵守了这三条中的一条，即遵守了阿贝原则。即：1）标尺与被测量一条线；2）如无法做到则确保导轨没有角运动；3）或应跟踪测量，算出导轨偏移加以补偿。举几例来了解阿贝原则扩展定义的应用。以下实例的共性点：这些实例均采用了动态跟踪测量，随机补偿测量误差的方法。动态跟踪补偿的方法是将监测系统与仪器主体固定为一体，一旦经过统调和定标，则补偿的精度稳定。注：还可采用标准器具，对仪器进行定点测量、修正的方法。这种方法的最大缺点是：仪器某标定点的定标条件与被测件在此标定点上的被测条件都应完全一样，否则将造成更大的测量误差。1.爱彭斯坦（Eppenstein）光学补偿方法爱彭斯坦（Eppenstein）光学补偿方法主要被应用于高精度测长机的读数系统中。图3-4a为测长机原理图。刻尺面位于焦距f相同的两个透镜N1，N2的焦面上。M2，N2与尾座联为一体，M1，N1与头座联为一体。刻尺由装在尾座内的光源照明。对零时，设0刻线成象在s1点。测量时，尾座向左移动。当导轨平直时，设相应于被测长度读数值的刻线0ˊ亦成象在s1处时不产生误差。现假设由于导轨直线度的影响，使尾座产生倾角θ，则在测量线方向上，测端因倾斜而向左挪动，如无补偿措施，则此值即为阿贝误差。tanLh但这时与尾座联为一体的M2，N2也随之倾斜θ角，这样，刻线0ˊ通过M2，N2及M1，N1便成象到s2点，则S2点相对于S1点在刻尺面上也有一挪动量。1