现代精密仪器设计第二章-总体设计

精密仪器设计DesignofPrecisionInstrument第三讲本章内容：§2.1设计方法概述§2.2设计任务分析§2.3主要参数指标§2.4总体方案制定意义——总体设计是战略性、方向性、把握全局性的设计。仪器功能与性能成败的关键。标准——先进性——原理、结构（世界竞争）；经济性——加工和装配，性能和价格比；实用性——操作方便，适合中国国情。总体设计对设计师要求很高：既要赶超世界水平、又要符合中国国情；技术上先进、经济上合理；使用方便、维修简便。实例：XWY-1型动物纤维细度测量仪先进性——精密机械－显微镜－数字CCD－计算机边缘提取、角点链码、亚像素定位经济性——专业光源普通光源实用性——自动测量、显示与打印输出性能参数XWY－1OFDA100测量范围4～300m3～300m测量速度最大可达130根/s20s～50s内2000～5000根测量重复性小于0.15m小于0.22m相对误差小于0.6%无长期测量稳定性小于0.15m无技术先进性对比与国外同类仪器相比，价格大幅度降低，每台仪器价格仅相当于进口仪器（约50万元人民币）1/3；仪器已销售到张家港、内蒙、宁夏、新疆等单位，检测速度较国内常规检测方法快100倍以上，且降低检测人员技术要求，为检测部门节约大量人力。经济效益分析指导思想——原理正确技术先进实践可行经济合理产品竞争力(效率、寿命、造型)总体设计不合理竞争中被淘汰§2.1设计方法概述设计意义、作用和影响评估，从——产品质量；经济价值；进程速度三个方面体现。设计科学与设计方法学是一门新兴学科！设计科学是设计领域中逻辑关系的综合。找出最佳方案保证设计质量减小设计冒险度从事创造性设计从经验设计科学设计设计方法（决策、技术）企业/产品成败一、仪器设计方法系统工程有限元(FEM)价值工程优化设计可靠性设计计算机辅助设计(CAD)设计方法与理论——1.系统工程设计系统——按一定秩序分布的各元素的总体。工程——产生一定效能的方法。信息获取信息处理信息数据给定系统工程的工作过程产品设计应用系统工程的工作流程2.优化设计优化设计内容比较丰富，只介绍三次设计技术目的——将优化技术应用到设计过程中，以获得比较合理设计参数系统输入结构集合参数集合最优设计参数系统设计参数设计允差设计三个阶段(1)系统设计专业技术人员按设计产品机构和各元器件中心值及误差进行设计；主要采用传统设计方法——试验方法、经验公式和设计者经验；只要设计达到要求，即结束（未考虑优化问题）。(2)参数设计——新的设计技术目的——庞大组合关系中找出最好参数搭配关系，使质量最稳定可靠。方法——利用非线性技术以及多种因素搭配关系的优选技术。结果——改变第一次设计的中心值，提高精度和稳定性。手段——应用正交表，在计算机上完成。(3)允差设计目的——找出对系统性能影响大的重要元件，分析计算；找出高质量、低成本的合理设计方案。最佳平均值三次设计后：产品质量质量正态分布3.可靠性设计可靠性——是在规定时间和条件下，完成规定功能的概率。用可靠度、失效率、寿命、维修度及有效性等表征。——产品分析、设计、试验、统计和管理(1)可靠性分析——可靠性基础内容之一。不同角度分析、建立数学模型、逻辑图、分析各部件原理关系等。(2)可靠性设计可行性研究——达到目标众多途径与手段中选最优一种，工程决策可靠性设计——失效形式、后果与致命度可靠性预计与分配。结构、漂移及兼容改进安全与维修设计(3)可靠性试验确定可靠性特征量；发现设计、材料、工艺的缺陷；提供可靠性数据以备后用破坏性非破坏性试验方法！产品复杂度不同，试验条件、抽样方法、数据处理及统计方法不同需要特别声明。(4)可靠性评定(5)可靠性管理管理工作与技术规范等均属可靠性管理工作。点估计法区间估计法统计方法仪表工业——技术高、品种多、材料新、工艺新，可靠性尤为重要可靠性计划各阶段流程图4.计算机辅助设计（CAD）应用领域广泛——输入、设计、计算、绘图、缩放、识别等。人——机合作最大限度发挥人与机的功能创造性——人来完成（机器无法代替）常规性——机器完成有限元……（FEA，FiniteElementAnalysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。二、新产品设计试制过程1.产品设计三种类型创新性设计；适应性设计；变型设计1982年，IBM发明了扫描隧道显微镜（STM）－观察到原子在物质表面排列，被认为80年代世界10大科技成果，1986年获得诺贝尔物理奖。1986年，美国发明原子力显微镜（AFM）达到原子级分辨率。市场前景广阔：~1994年生产1400台，2.8亿。原始创新！(1)创新性设计——开发新产品市场需要拟定设计原理、方案特点——要进行理论探讨、试验，有类似仪器参考。(2)适应性设计——科研工作有仪器参考。特点——保留原仪器原理方案个别零部件重新设计。(3)变型设计——通常在工厂如Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型等。特点——原产品比较好改动尺寸或布局。创新设计－－创新性开发新产品适应性设计－－在保留原理方案的基础上，在系统部件重新设计变型设计－－在原产品的功能、方案原理和结构基础上，改变尺寸大小和结构布局，系列化。2.新产品的设计试制原则——技术先进、结构简单容易加工制造使用操作维修方便安全、美观性价比好等新产品设计试制过程计划任务分析决策总体设计任务书方案设计结构设计零部件设计技术文档说明书总体报告组成原理方案比较设计图实现方法存在难点解决方法试制成本评估研制报告鉴定（文件）批量生产[系统/市场/股票分析员]新产品设计试制进程新产品设计四阶段：(1)关键技术分析——由试验获取设计数据，同时验证理论是否可行；[光刻机－机械、光点、掩膜等](2)模拟试验装置设计与试制[转台－机械、电控等]；(3)样机设计与试制；(4)定型设计与试制。总体设计——是一个反复设计的过程，要经过理论实践理论再实践反复过程，不可能一次完成。！§2.2设计任务分析目的——了解设计任务各种要求，收集资料；分析设计的关键，分清主次；设计方案比较；提出设计技术指标。内容——使用要求精度批量生产效率工作环境安全保护1.使用要求§2.2设计任务分析（1）一定范围内有效地实现预期功能要求——仪器本身角度（2）搞清楚使用对象“用户是上帝”——操作者角度（3）提出各项设计技术指标“仪器设计出发点和归宿”——设计者角度X－Y－Z三自由度三坐标测量机X－Y两自由度万能工具显微镜一个方向移动阿贝测量仪自由度仪器类型不同使用要求，其方案结构不相同2.精度——仪器设计的关键精度直线位移精度主轴回转精度圆分度精度中1－10µm1—10µm1—10高0.1－1µm0.1－1µm0.2—1超高0.1µm0.1µm0.2可分三类：中高超高精度要求不同，方案差异很大，甚至原理不同，价格差距悬殊。！由精度要求，合理选择方案——精度/经济性匹配高精度方案低精度方案低精度仪器高精度仪器不经济达不到要求╳3.批量——决定于市场需要批量不同——方案不同、加工方法也应有所不同单件小批——多采用通用机床，尽量少采用铸件；批量——专用机床、夹具、铸、锻件；零部件系列化、通用化、标准化提高效率、降低成本。4.生产效率——单位时间加工（测量、检测）工件数效率的确定应考虑与自动化相关联。室外——环境差如：搅拌机；注意：防尘、防油、防腐等室内——条件好如：高精度仪器（超净室、隔音、防震等）；地理位置——经纬仪，注意：“南热/北冷”影响。6.安全保护仪器首先是安全，特别是人身安全！不同仪器，应采取不同措施——（1）用壳保护，如：高压、放射性、有毒气体等；（2）操作安全——接地；（3）仪器本身安全，如：过载保护、限位、停电保护等[转台]。5.工作环境工作环境不同，仪器结构差异也很大。——振动、温度、湿度、净化度、天气等§2.3主要参数与技术指标通常用户——只能提出使用要求：例如——用户提出要测64K集成电路的仪器。这不能作仪器设计起始数据，应经设计者“翻译”成正式的仪器设计要求。64K线宽2.5µm仪器精度1µm一、精密机械设备与仪器的技术指标（1）工作性能——加工（测量）对象尺寸范围、运动参数以及自动化程度等（2）精度——精确度、分辨率、灵敏度、重复精度等（3）效率——如生产（检测）效率（4）可靠性——平均故障间隔时间（MTBF）（5）维修性——平均修理时间（MTTR）（6）安全性——1-P，P为故障概率（7）外形尺寸、重量性/价最佳性能——追求高指标价值——追求高利润设计者二、确定设计参数与指标的方法1.根据设备的用途用户提出的是使用要求，设计者应根据用户使用要求转换成设计工作所需的指标。依据——经验、试验、统计、专用或者通用。2.根据加工（测量）对象的主要尺寸根据加工（测量）对象主要尺寸确定仪器的主要指标。（1）微细加工设备硅片＝3´´4´´5´´行程Ø75Ø100Ø1251英寸=25.4mm（2）三坐标测量机主孔工件600mm小型600—2m中型2m大型SRmax（3）显微镜工作距3.根据加工（测量）的精度要求确定主要参数和技术指标（1）参数本身对精度影响——设计时取不同参数对仪器产生不同精度。光学测头杠杆比(l2/l1)确定：l1——光学杠杆长度；l2——机械杠杆长度；l3——显微工作尺寸；'1121222/2OOylllyl测头，产生位移量反射角，光线反射＝121min2min22.024.03025000005.02503000005.0''10lllylmTyT＝则，瞄准误差＝弧度），（若：瞄准精度。太小显微光路结构困难＝＋）（有关、与可见：331311211lllflllll测量瞄准困难。太小）（222ll（2）力变形对仪器精度影响——某些参数由于受力变形对精度影响很大三坐标测量机受力变形对精度影响机型分析——不同结构形式受力不同，变形对精度影响也不同，故应根据设计精度选型。悬臂式——变形大精度0.01mm/m桥式、龙门式——刚性好主轴式——适于小型测量机卧轴式——适于中型及精密测量机悬臂式横臂变形及其对测量精度影响举例A点变形及转角——测头自重、横梁自重与立柱弯曲32111143111122213228632ApApAqAqAAAMAMAMAAApAqAMAApAqAMPplplyEIEIqqlqlyEIEIMMlylEIqlMplAyyyy（）测头自重，（）横臂自重，（）受弯矩，点：同理，可得B点变形及转角radmmyradmmycmkggmmlmmbaNBBAA5532102.4613.0106.15556.3/0028.0300020050200，，计算可得：，铝的密度，横梁截面积：设：头部自重结论——（1）变形引起的垂直方向测量误差Δ1＝3.43mm（2）不符合阿贝原则引起测量误差Δ2＝1.1mmΔ2=S(θA-θB)(假定S=1000mm)参数设计不合理对仪器精度影响很大，因此设计过程要考虑选型，正确选择参数，并采取结构措施（本例：空心、反变形、卸载等）。！4.根据仪器的薄弱环节仪器特点：精度高、承载小、速度较低；很少强度校核;刚度、变形、振动、精度为主要考虑因素；弹性变形、摩擦、振动与低速爬行突出问题；设计中，应着重关键和薄弱环节加以解决。5.根据标准化、系列化精密仪器设计中各种参量应参阅有