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《现代精密仪器设计》总复习一、基本概念题：*1.现代精密仪器的基本组成答：1.基准部件2.感受转换部件3.转换放大部件4.瞄准部件5.处理与计算部件6.显示部件7.驱动控制部件8.机械结构部件*2.现代精密仪器设计的指导思想答：1.精度对于测量仪器,首要的是精度(不确定度)。根据不同的仪器及不同的测量条件,选用相应的静态或动态精度特性指标。仪器精度取值要合理。不分对象地要求仪器精度愈高愈好,实际上是完全不必要的。应该根据实际中被测对象的精度要求来确定仪器精度,一般仪器的测量误差取被测件公差的1/3,有时取被测件公差的1/5或1/10。对仪器零件精度的要求也应合理,不应要求仪器所有零件都高精度,而只应对仪器中直接参与测量的那些零部件,即测量链中的关键零件规定严格的精度要求。同时还应采取补偿措施,提高整体精度。2.经济性设计仪器时,不应盲目地追求复杂、高级的方案,如能采用某种最简单的方案便能满足所提出的功能要求,则此方案便是最经济的设计方案。因为采用最简单的方案意味着零部件少、元件少、可靠性高、成本低等。一般说来,简单方案比较经济,但也不能一概而论,还必须和被测件批量的大小、要求的效率、测量误差所造成的损失、零件公差带及尺寸分布情况等综合考虑。如大批生产时,往往自动测量比手工测量更为经济,在精度或效率要求较高时,简单方案便不能满足要求,必须由简到繁选用相应的方案。在技术设计阶段中,还应注意提高“三化”程度和工艺性,使零件制造也符合经济性的要求。仪器生产大部分是小批量、多品种,因而在组织设计与生产时,要灵活迅速地采用各种先进技术,争取最大经济效益。在考虑仪器经济性时,不应仅限于仪器的制造成本,还应考虑仪器的使用成本,即除仪器原价外,还有使用期间的保养费、工时费、备件费、运转费(动力及辅料费)、停工损失费、管理费、培养费等。必须综合考虑后,才能看出真正的经济效益,从而做出选用方案的正确决策。3.效率一般情况下,测量或检验效率应与生产制造效率相适应。实际上,测量效率通常比生产效率低。在这种情况下,则应尽量考虑采用自动化或半自动化测量方案。若工艺稳定,则可采用统计检验方案。在自动化生产线上,整个过程是按严格的节拍进行的。此时测量速度必须与生产节拍相吻合。因此,仪器的操作方式要适合生产测量的需要。提高测量速度,不仅提高了生产率,有时也可以起到提高精度的作用。因为生产效率提高,会缩短测量时间而减少温度变化对降低测量精度的影响。采用自动化测量不仅可以缩短时间,提高生产率,而且可以提高测量精度,节省人力,消除人为误差,避免重复单调的劳动操作,减少费用,还便于远距离显示及反馈,避免辐射影响等,这是测量技术发展的主要方向之一。4.可靠性可靠性是指一种产品在一定时间内和一定条件下,不出故障地发挥其规定功能的概率。可靠性指标除了用完成规定功能的成功概率表示外,还可以用平均故障间隔时间或称产品平均寿命、故障率或称失效率、有效性、平均保养间隔时间或平均寿命等来表示。一台仪器或一套自动测量系统,无论在原理上如何先进,在功能上如何全面,在精度上如何高级,假若可靠性差,故障频繁,不能长时期地稳定工作,则该仪器或系统就没有使用价值。因此,随着现代化仪器及测量系统的发展,可靠性要求愈来愈重要,与此相应,可靠性的评价便不能像过去那样仅停留在定性的概念性分析上,而应该科学地进行定量计算。5.寿命在设计中应注意考虑提高寿命的方法,如结构中尽量减少磨损件,用分子内摩擦元件代替外摩擦元件;选用适当的材料及热处理、化学处理方法;规定合理的使用操作规程、维护保养方法、包装搬运要求及使用环境条件等等。6.造型仪器的外观设计亦极为重要。总体结构的安装、部件间的造型、细部的美化等,都必须认真考虑,同时便于使用。最好经过美工人员的专门设计,使产品造型优美、色泽柔和、美观大方、外廓整齐、细部精致。总之要使人们感到是一台现代精密仪器,必须小心维护,细致操作,从而提高仪器的精度保持性和仪器的使用寿命。*3.现代精密仪器设计的原则答：为了减少仪器误差,保证仪器精度,在设计时应考虑以下原则:1.从原理上提高精度的原则①误差平均原理。如采用多次重复测量,取平均误差,以提高测量精度。又如采用密珠滚珠导轨、静压导轨均化误差等。②位移量同步比较原理。即采用不同方法对同一量位移同步运动的方法进行比较的原理。③误差补偿原理。通过校正、补偿环节,使仪器中的系统误差减小或消除,从而提高仪器的精度。2.阿贝原则将仪器的读数刻线尺,安排在被测尺寸线的延长线上,即被测量与仪器作读数用的基准线应顺次排成一条直线。3.运动学设计原理空间体具有6个自由度,根据物体要求运动的方式,即要求的自由度数,确定施加的约束数。4.变形最小原则使仪器当受力、重力、热、内应力、振动等作用时变形最小。5.基面合一原则零件设计时,设计基准、加工基准、检验基准、装配基准要统一。6.最短传动链原则影响测量精度的测量链系统和传动效率的传动链最短,零件最少。7.精度匹配原则在分析精度的基础上,对机、光、电各部分精度分配恰当,对各部分提出不同的精度要求。8.仪器零部件的标准化、系列化、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.价值系数最优原则产品的功能与产品成本之比,反映了社会产品价值的高低。*4.现代精密仪器设计的程序答：具体的设计程序可归纳如下:(1)确定仪器任务:根据用户要求、国家发展要求、国内外市场需求来确定。(2)调查研究国内外同类产品、性能和特点技术指标。(3)对设计任务进行分析,制定设计任务书。(4)总体方案设计:在明确设计任务和深入调查之后,就可进行总体方案的构思和设计。总体设计包括:①实现功能的分析;②确定信号转换原理与流程;③确定有关机、光、电、算系统的配合并建立数学模型;④主要参数的确定;⑤技术经济的评价。总体设计是仪器设计的关键一步。在分析时,要画出示意草图,画出关键部件的结构草图,进行初步的精度试算和精度分配,进行方案论证和必要的模拟试验,以考查所拟的方案是否可行,确定最佳的方案之后,才可进行下一步具体技术设计。(5)技术设计。包括:①总体结构设计;②部件设计;③零件设计;④精度计算;⑤技术经济评价;⑥编写包括分析和计算的设计说明书。这一步应该包括机、电、光各部分的结构设计。(6)制造样机、样机鉴定:制造样机,进行产品试验,发现问题及时修改设计。样机鉴定,编写设计说明书、使用说明书、检定规程。根据试制和试验总结,修正设计,最后设计定型,并进行技术经济评价及市场情况分析。(7)批量投产。*5.精密仪器的产品设计有哪3种类型？答：其产品设计有以下3种类型:1.创新设计新产品设计根据市场需要进行创新性开发新产品。根据所开发产品的品种,拟定出新的方案原理进行设计。2.适应性设计已有的产品已不满足市场的需要,在保留原理方案的基础上,为适应市场的需要,往现代精密仪器设计往对系统、部件进行重新的设计。3.变型设计基本保留原产品的功能、方案原理和结构,只是改动尺寸大小或结构布局的设计,形成系列产品。*6.目前在仪器设计中采用三次设计应用较多,其三次设计可分为哪3个阶段？答：(1)系统设计由专业人员根据专业知识设计产品的结构和各元器件的中心值及其误差等级范围等,也就是通常的专业设计。这个阶段主要采用的是传统设计方法,即用传统的实验方式、经验设计公式以及设计者的经验。但从优化的角度看,无论是计算为主还是实验为主,其产品的参数均带有直接的性质,即由系统的输入、输出指标,根据系统的物理性能,直接设计系统的一组参数值,以符合指标要求,设计就告完成。因此,一般来说尚未考虑系统参数的优化问题。(2)参数设计这是一个新的设计技术,是设计一个高质量产品的最重要的阶段。其目的是从庞大的组合关系中找出最好的参数搭配关系,使质量最稳定可靠。其手法,从根本上来讲是用到了所谓非线性技术以及多种因素之间的搭配关系的优选技术。其结果一般改变了第一次设计的中心值,往往是较大地改变了第一次设计的各元器件的参数。通过第二次设计,往往可以使产品的质量从精度和稳定性上获得很大提高,有时甚至是非常大的提高。可以说不经过参数设计的产品,绝大多数情况下,不是质量最好的产品。此项技术,要反复应用较大型的正交表,一般要在计算机上完成。(3)允差设计找出对产品质量影响显著的重要元件,然后对其进行经济效益计算,最后定出高质量低成本的方案。一般也是在计算机上反复应用正交设计技术完成的。三次设计后,使产品的质量接近最佳平均值,工厂在生产时的质量接近正态分布。*7.阿贝原则的主要思想是什么？答：这项原则的表述是：要使量仪给出准确的测量结果,必须将被测件布置在基准元件沿运动方向的延长线上。因此,也可称作共线原则。8.误差平均原理的含义是什么?答：*9.总体设计前为什么要进行设计任务分析?设计任务分析应考虑哪些问题?答：在总体设计时,首先要作“设计任务分析”,也就是要详细了解设计任务的各种要求。这一工作的目的,是要弄清设计任务对仪器设计提出的各项指标,摘要写进设计任务书中,并且根据总体设计的基本原则,逐一地进行分析研究。通过设计任务分析,可以对任务有一个梗概的了解。应尽可能多地收集有关资料。经验总结及计算资料等,分析哪些是关键问题,哪些是次要问题,抓住影响全局性的关键问题,进行深入调查研究,比较多种方案,为总体设计打下基础。设计任务分析的内容应包括下列几项:1.使用要求精密仪器的使用要求,即是要求精密仪器在一定的工作范围内能有效地实现预期的功能,并在一定的使用期间内不丧失原有功能。对仪器的使用要求及其必须具备的功能一定要分析清楚,它是仪器设计的出发点和归宿。2.仪器精度(不确定度)精密仪器的精度是它的一项重要的技术指标,它是仪器设计中的一个很关键的问题。精密仪器及设备的精度一般可分为3类:①中等精度:直线位移精度为1μm～10μm,主轴回转精度1μm～10μm,圆分度精度为1″～10″。②高精度:直线位移精度为0.1μm～1μm,主轴回转精度为0.1μm～1μm,圆分度精度为0.2″～1″。③超高精度:直线位移精度为0.1μm,主轴回转精度为0.1μm,圆分度精度为0.1″。由于精度等级不同,在设计时无论是精密机械系统还是控制系统都有很大的差异,甚至导致实现的原理不同,价格差别很大。高精度的仪器或设备,在低精度场合使用,不经济;相反,又达不到使用的目的。所以精度必须与经济性相匹配。3.生产批量生产批量是由市场需要所决定的,同一种仪器不同的生产批量在设计时的结构不同,大批量生产的结构设计,应尽可能采用专用机床和专用工夹具,零件结构尽量简单,采用系列化、通用化、标准化、便于维修;而对单件小批量生产,则可采用通用机床加工,配作等,其毛坯成形应尽量少采用铸压件。4.生产效率对精密机械设备、微细加工设备来讲,生产效率是指在单位时间内它所加工的工件数量;对于计量、检测仪器来说,则是其单位时间内的检测效率。在设计时应根据所要求的仪器效率考虑仪器的自动化程度,如微机控制、自动上下料、自动传送工件、自动检测、自动定位、自动修正、自动打印结果等,或者只有其一部分自动功能,一部分半自动及手动等相互配合。5.工作环境工作环境如振动、温度、湿度、空气净化程度等对精密机械与仪器的使用有很大影响。由于仪器的使用要求及使用场合不同,在仪器设计时考虑外界条件影响的侧重点也有所不同。对在计量室内使用的仪器,一般都是高精度的仪器,设计时应尽量采取措施避免外界条件变化对它的精度影响,或者设计时有消除外界条件变化时对测量结果影响的修正环节;而在车间条件下使用的仪器,考虑的主要出发点则是防尘、防油、防腐等密封装置,至于其他环境条件,只要在允许的要求范围内变化时,保证仪器正常工作即可。有些高精度的仪器为了确保仪器的性能,还要考虑隔振、恒温、恒湿及净化等措施。6.安全保护当精密仪器在特殊环境下工作时,如高压、放射性物质、有毒气体等,则应采取特种防护装备,使操作人员的人身安全得到保证;同时使仪器本身得到保护,需要设计一些安全装置,如过载装置、互锁保险装置、行程限位等。10.精密