精密仪器设计

1、精密仪器的基本组成：基准部件感受转化部件转化放大部件瞄准部件处理与计算部件显示部件驱动部件机械结构部件2、现代精密仪器设计原则：1．从原理上提高精度的原则（1）误差平均原理（2）位移量同步比较原理：（3）误差分离与外偿原理2.阿贝原则3.运动学设计原理4.最小变形原则、功能分离原则5.基面统一原则6.最短测量链原则7.精度匹配原则8.仪器零件的标准化、系统化、通用化原则9.仪器可靠性、安全、维修与操作方便原则10.结构工艺性好原则11.造型与装饰宜人原则12.价值系数最优原则3、被测参数的精度要求:中等精度：直线位移、回转精度1-10um，分度精度：1-10高精度：直线位移、回转精度0.1-1um，分度精度：0.2-1超高精度：直线位移、回转精度0.1um，分度精度：0.14、阿贝原则定义：被测零件的尺寸线和量仪中作为读数用的基准线应顺序排成一条直线。游标卡尺、螺旋测微仪5、不服从阿贝原则的比长仪：误差：aaarctg)15231(5316、服从阿贝原则的比长仪：误差：7、不服从阿贝原则产生的误差叫做阿贝误差。8、减小阿贝误差的措施：①结构上措施：从设计及工艺上提高导轨运动精度，减小因导轨运动不直性带来的倾角；尽量使读数线（线纹尺、光栅尺、激光等）和被测参数的测量线靠近，减小两者间的间距；②补偿措施：加修正值补偿：爱膨斯坦原理（误差补偿原理）：布莱恩对阿贝原则进行了修正:位移测量系统的工作点的路程式和被测位移作用点的路程式位于同一条直线上，不可能时，必须使传递位移的导轨没有角运动，或必须算出角运动产生的位移，然后用补偿机构给予补偿。9、运动学设计原则：任何空间物体均具有6个自由度，且自由度S和约束Q有这样的关系：S=6-Q运动学设计原则：根据物体要求运动的方式确定施加的约束，对约束的安排不是任意的，一个平面最多安置3个约束，一条直线最多安置两个约束，且约束应该是点接触，且同一平面上的约束点应该尽量离开一些，约束面应垂直于欲限制自由度的方向。10、运动学设计原则优点：①每个原件是用最少的接触点来约束的，每个接触点的位置不变，这样作用在物体上的力可以预先计算，并得以控制。242221)]421(1[)cos1(lll读数值测量值1②工作表面的磨损及尺寸加工精度对约束的影响很小，用大公差可以达到高精度，降低了对加工精度的要求。③如果结构要求拆卸，则拆卸后能方便而精确地复位。11、最小变形原则：①合理安排布置线纹尺的固定点选择贝塞尔点，即两支点相距全尺寸5/9②避免经过变形环节③提高系统刚度12、基面合一原则:即设计面、工艺面（加工面、装配面）、测量面一致.13、工作原理设计：①误差平均原理：指采用多次重复测量，如多测头、多次重复分度、多次重复曝光等取得平均误差以提高精度的方法；②位移量同步比较原理：当相应的位移作同步运动的过程中，分别测出它们的位移量，再根据它们之间存在的特定关系直接进行比较而提高仪器精度的原理。③误差补偿原理14、精度分配：先按等作用原则分配误差，再根据实际情况进行调整。15、基准器件的选择条件：仪器误差：X基准器件误差：=1/3、1/10.16、仪器误差相关概念：正确度：它反映测量结果中系统误差的影响；精密度:它反映测量结果中随机误差的影响程度;准确度:它反映测量结果中系统误差和随机误差综合的影星程度，简称精度.17、误差的分类：①按误差的性质：随机误差系统误差粗大误差②按被测参数的时间特性区分：静态参数误差动态参数误差③按误差间的关系区分：独立误差非独立误差18、误差的表示方法：①绝对误差：绝对误差=测量值—标称值②相对误差：绝对误差与被测量真值之比③引用误差：仪器某标称范围（或量程）内的最大绝对误差与该标称范围（或量程）上限的比值。（引用误差是一种相对误差）19、电表的最大允许误差：S级电表，最大量程L-------最大允许误差max=S%*L当一个仪表的等级s选定后，用此表测量某一被测量时，所产生的最大绝对误差为%mmxxs最大相对误差为：20、机构原理误差--正弦机构：正弦机构原理误差：%mmxxxrsxxsinsa21、机构原理误差--正切机构：22、正弦机构和正切机构的比较及应用：1.合理选择传动型式－－高精度仪器仪表中，多采用正弦机构，精度较低时一般采用正切机构。1)条件相同时，正弦机构的原理误差是正切机构的1/2。2)测杆移动副的间隙对正弦机构精度没有影响，但对正切机构影响大。3)正切机构的结构工艺性比正弦机构好2.把工作角度限制在很小范围内，尽量增大参数a的长度3.摆杆长度的调整，即采用参数a可调整的结构。23、误差独立作用原则----一个误差源仅使仪器产生一定的误差，仪器误差是其误差源的线tansatansaa33()33asaa性函数，与其他误差源无关。误差独立作用原则结论：1.仪器误差Δy近似为原始误差(Δq1,Δq2,……,Δqn)的线性函数,线性系数是理想作用式对该参数的偏导数(∂y0/∂q10)2.在测量中,一个误差源仅影响仪器误差一次,在计算该误差影响时,可令其它误差为零。(偏导数性质决定)24、误差的合成：随机误差系统误差25、仪器精度的设计与分配：等影响原则：各分项误差对函数误差的影响相等，即由此可得：或用极限误差表示：函数的总极限误差各单项误差的极限误差26、二维工作台的组成：①支承部分②工作台滑板及直线移动导轨③传动机构④驱动电机⑤控制装置⑥位移检测器支承件考虑因素：刚度、热变形、稳定性、抗振性；材料要求主要是：强度、耐磨性、稳定性、热膨胀小、良好的铸造性和焊接性。（铸铁、钢板、花岗石）；导轨选择的基本要求：a.导向精度b.刚度c.耐磨性d.运动平稳性二维工作台的性能指标:①静态性能:工作台的几何精度、工作台的静态刚度、工作台的定位精度与重复定位精度。②动态性能:工作台的振动特性和固有频率、速度和加速度特性、负载特性、系统稳定性等.27、轴系设计的基本要求：①主轴回转精度②主轴系统的刚度iniiqqyy10ninnjijiijxiixf1122)(iniixxf112yyyynnL11/yyiiifxann11/iiifxann③主轴系统的振动④主轴系统的热变形⑤主轴系统的耐磨性⑥主轴结构设计的合理性主轴回转精度：1）一般把主轴实际回转轴线对理想回转轴线位置的偏移量定义为主轴回转误差。2）主轴回转误差由轴向窜动误差、径向晃动误差及角运动误差三部分组成。分别表征轴系的轴向回转精度、径向回转精度和定向精度；3）主轴的轴向窜动误差又称为轴向偏摆，是主轴回转误差的轴向分量，以主轴几何轴线的纯轴向窜动量表示。4）主轴角运动误差是主轴几何轴线对理想轴线的纯角度偏摆量，一般又称为主轴的定向精度。27、微位移系统（微动工作台的设计）：微位移系统一般由：微位移机构、检测装置、控制装置三部分构成。微位移机构一般指行程小于毫米级、分辨率和精度在亚微米或纳米级的机构。28、电致伸缩效应：电介质在电场的作用下，由于感应极化作用而引起应变，应变与电场方向无关，应变的大小与电场的平方成正比，这个现象就是电致伸缩效应。电介质在机械应力作用下产生电极化，电极化的大小与应力成正比，电极化的方向随应力的方向而改变，这就是压电效应。电介质在外界电场作用下产生应变，应变的大小与电场的大小成正比，应变的方向与电场的方向相关，这就是逆压电效应。29、微动工作台的静态特性：微动工作台的静态特性是指输入位移不随时间变化。其静态特性主要取决于驱动器的特性。微动工作台的动态特性：微动工作台的动态特性是指输入位移按正弦变化条件下的特性，研究微动工作台的动态特性是避免系统在刚度极小值附近工作，以免给系统带来很大的误差或是破坏。固有频率和阻尼比分别反映了系统对动态激励下的响应速度和超调过冲量的大小。30、开环控制系统和闭环控制系统：开环控制系统：闭环控制系统：开环控制系统的特点：开环控制系统的运动位置精度主要取决于执行元件的精度和机械本身的加工精度。优点是：系统简单；调整、使用和维修方便；工作稳定可靠；成本低。缺点是精度较低一般只能达到10微米的精度等级。闭环控制的特点：闭环控制的最大优点就是定位精度高，可达到亚微米甚至是纳米级精度；抗干扰和内部参数变化的能力强；易实现自动化。缺点是：系统比较复杂；调整、使用和维修比较困难；成本较高。31、定位测量系统的设计要求：与仪器的精度相匹配，合理选择定位测量系统的精度，一般定位测量系统的精度为仪器总体精度的1/3~1/5；具有足够的分辨率，定位测量系统的分辨率应小于仪器的精度，一般为仪器精度的1/3~1/10。具有较高的频率响应速度（主要是光电接收元件和控制电路的频率响应速度）。32、光栅：利用莫尔条纹测量位移（直线或角度）其核心部件是光栅副，即标尺光栅（定尺光栅）和指示光栅（动尺光栅），当两个光栅重叠在一起并使两栅线之间有一个很小的夹角，就形成了莫尔条纹。光栅的优点：测量精度高（误差均化作用）读书速率高（由电路的时间常数决定）分辨率高（刻线加细分）读数容易实现数字化、自动化莫尔条纹的特点：运动对应关系（光栅副中任一光栅沿垂直于刻线方向移动时，莫尔条纹就沿着近似于垂直光栅运动的方向运动。光栅移动一个栅距，莫尔条纹移动一个条纹间隔。当光栅方向移动时，莫尔条纹也随之反向运动，二者的运动关系是对应的）位移放大作用刻划误差平均作用1Bk