2010测控仪器设计 第三章

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一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
(五)遵守阿贝原则的传动部件设计
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
讨论
• 测量孔径时遵守Abbe原则的困难
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
思考:
左图正确 设置为什 么是正确 的?
二、变形最小原则及措施
二、变形最小原则及措施
1890年阿贝提出一条指导性的 原则:
阿贝原则
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
Abbe原则:
•为使量仪能给出正确测量 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
•被测零件的尺寸线和仪器 中作为读数用的基准线 (刻线基准)应顺序排成 一条直线
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
举例1:游标卡尺
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
所有的仪器都遵守Abbe了吗? 没有!不适合Abbe原则的情况
• 外观尺寸过大
• 多自由度测量仪器
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
思考
• 一次误差和二次误差的几何意义 • 想一想你知道的符合Abbe原则的
测量器具、仪器或方法
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
Abbe原则的扩展
•标尺与被测量一条线 •若做不到,则应使导轨没有角运动 •应跟踪测量算出偏移加以补偿
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
(一)Eppenstein光学补偿方法
•用硬件来实现补偿:结构布局来实现误
差补偿
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
(一)Eppenstein光学补偿方法
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
定位元件等均属于测量链
三、测量链最短原则
典 型 仪 器
三、测量链最短原则
测量链中的元件误差对仪器精度的
影响最大,并且一般都是1:1影响到
测量结果
测量链各环节的精度要求应最高,
测量链环节的构件数目应最少,即
测量链最短原则
三、测量链最短原则
测量链最短,只能从原始设计上
加以保证,而不能采用补偿的办 法来实现
1 s tan
当s 30mm 1'时:1 0.009mm ,
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
举例2:Abbe比较仪
标准
被测
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
举例2:Abbe比较仪
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
举例2:Abbe比较仪
d 2 d d d (1 cos ) 2
高精度激光小角度测量法
补偿的实质 是使θ=0
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
测量符合Abbe原理 平面转角用补偿来消除 典型的光机电算一体化仪器
系统比较复杂
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
(三)以动态准直仪来检测导轨摆角误 差的电学补偿方法(实时补偿概念, 计数器直接补偿)
补偿的实质 是动态修正
R a a R RS
串联电阻后其电阻
'
温度系数降低
二、变形最小原则及措施(热)
2)在扩散电阻上并联电阻RP
并联电阻
二、变形最小原则及措施(热)
RRP R R RP
R1 at
R 1 at RP R1 at RP
桥臂2(并联):
•等效电阻 •等效温度系数
R20 RP R20 R20 RP
RP a2 a2 R20 RP
二、变形最小原则及措施(热)
K RP R20 1 K
R20 R30 RS K R10 R40
a4 a3 R10 R40 a1 a 4 a3 K 2a R R a 2a 2 2 20 30 2
的精度分配 • 测量链精度最高,依次递减
三、测量链最短原则
精 度 要 求
要 求 低
要 求 高
六、经济原则
六、经济原则
• 工艺决定成本 • 设计元件按照精度最低原则进行
• 增加调节环节、用光机电算进行补偿等都是有
效的降低精度的方法
• 标准和批量是减少成本的最佳方案
END:第二节 测控仪器设计原则
(一)减小力变形影响的技术措施
二、变形最小原则及措施(力)

一 米 激 光 测 长 机
测量步骤1
测量步骤2
+工件重量
பைடு நூலகம்
二、变形最小原则及措施(力)
1 3
二、变形最小原则及措施(力)
重量=测量头架+工件 变形 尾座轴线有5”倾角时的误差:
1 3 5 200 10 m 5m 5 2 10
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
(四)平直度测量过程中的阿贝误 差补偿
布莱恩:“平面度测量系统的工
作点应该位于垂直于滑块移动方
向的,并通过测量点的方向线上”
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
(四)平直度测量过程中的阿贝误 差补偿
布莱恩:“…若做不到在方向线
上,则应使导轨没有角运动”
针对三座标机等测量直线度

a
RP a R RP Rat
R RP Rat

RP a a R RP
a a
并联后同样也能降低电阻温度系数
二、变形最小原则及措施(热)
⑶串并联电阻补偿原理
二、变形最小原则及措施(热)
桥臂1(串联):
•等效电阻 •等效温度系数
R10 R10 RS R10 a1 a1 R10 RS
①采用恒温条件:减小温度变化量
②选择合适的材料:减小线膨胀的影响, 或选用线膨胀系数相反的材料在某 些敏感环节上进行补偿
二、变形最小原则及措施(热)
③采用补偿法:如测出被测件与标准件 的温度t1和t2,被测件与标准件的 线胀系数a1和a2,则温度误差的修 正公式为:
L L a1 t1 20 c a2 t2 20 c





式中,L为被测件的标准长度
二、变形最小原则及措施(热)
1. 丝杆动态测量仪对环境条件及
温度变化影响的补偿
• 温度丝杆波长 • 计算的补偿量在1m范围内 均匀 以
脉冲数进行补偿
二、变形最小原则及措施(热)
2. 扩散硅压力传感器零点温漂的
补偿
• 扩散硅压力传感器(传感+转换):
概述
总体设计考虑的主要问题:
①设计任务分析与创新点的构思 ②测控仪器若干设计原则的思考和讨论 ③测控仪器工作原理的选择和系统设计 ④测控系统主要结构参数与技术指标的确定
⑤测控仪器造型设计
第一节 设计任务分析与创新点的构思
一、设计任务分析与创新点的构思
一、设计任务分析
㈠ 参数特点 ㈡ 参数载体(测控对象) ㈢ 功能要求 ㈣ 使用条件 ㈤ 国外现状
第二点瞄准 第二点读数
2
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
参数计算误差:
d 2 d d d (1 cos ) 2
2
2
0.0003 7 2 20m m 9 10 (m m) 2
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
为什么Abbe比较仪的误差小?
比较两个误差公式:
三、测量链最短原则
放大指示链:是将感受的信号进
行放大,以便于观察处理和显示
放大指示链和辅助链两大环节,
它们对仪器精度的影响程度要低 于测量链
辅助链:游丝、辅助齿轮等
四、坐标基准统一原则
四、坐标基准统一原则
坐标系基准统一原则 :
• 设计、加工、测量基面统一
• 经济地获得规定的精度,避免附
消除误差的对应措施:
• 第一、第二条措施
• 尾座零位变化 Δ 1
• 固定角偶棱镜也是变化Δ 1 • 相互抵消
二、变形最小原则及措施(力)
2)、测量头架有倾角
• 由于第三条措施,符合Abbe原则 而忽略不计
3)、尾座有摆动
• 不能消除,但是d尽可能减小就是 针对这个设计的
二、变形最小原则及措施(力)
测控仪器设计
赵世平 黄玉波
续 一 续 二
续 三
续 四
续 五
第三章 测控仪器总体设计
第三章测控仪器总体设计
概述
第一节 设计任务分析与创新点的构思 第二节 测控仪器设计原则 第三节 测控仪器设计原理 第四节 工作原理选择和系统设计
第五节 测控系统主要结构参数与技术
指标的确定
第六节 测控仪器的造型设计
第三节 测控仪器设计原理
第三节 测控仪器设计原理
一、平均读数原理 二、比较测量原理
•桥路的各电阻和a值K值 •再将K值RP和RS •R P 和R S 值能够同时满足平衡方程,电桥总是 处在平衡的条件下,达到补偿温度漂移的目的
三、测量链最短原则
三、测量链最短原则
什么是测量链?
• 测量链的作用是感受被测量和标
准量的信号。因此凡是和感受被
测量和标准量有关的所有元件, 如被测件、标准件、感受元件、
1 s tan s
d 2 d d d (1 cos ) 2
2
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
误差和倾斜角成一次方关系,习惯
上称为一次误差
误差和倾斜角成二次访关系,习惯
上称为二次(微小)误差
遵守阿贝原则可消除一次误差,而
仅留有二次微小误差
变形最小原则:尽量避免在仪器
工作过程中,因受力变化或因温
度变化而引起的仪器结构变形或 仪器状态和参数的变化
二、变形最小原则及措施
• 仪器承重变化,引起仪器结构变
形而产生测量误差 • 温度变化引起仪器或传感器结构
参数变化,导致光电信号的零点
漂移及系统灵敏度变化
要求仪器变形要小
二、变形最小原则及措施
二、变形最小原则及措施(力)
①固定角隅棱镜与尾座固连在一起
②固定角隅棱镜的锥顶安放在尾杆的轴线
离底座导轨面等高的同一平面内 ③可动角隅棱镜的锥顶位于测量主轴的轴
心线上(符合阿贝原则)
④尽可能减小固定角隅棱镜和尾杆在水平 面内的距离d
二、变形最小原则及措施(力)
1
4
2
3
二、变形最小原则及措施(力)
高精度测长机
• 不符合Abbe原则 • 瞄准视场中出现相同 偏移 • 再次瞄准即在运动中 进 行 了 补 偿 ,
∵ΔL=S1S2,h=f误差自动
消失
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
(二)激光两坐标测量仪中监测导 轨转角与平移的光电补偿方法
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
•①扩散电阻的离散性很大,桥路各电阻 值不等,即R1≠R2≠R3≠R4
•②扩散电阻的各个电阻温度系数不等, 即a1≠a2≠a3≠a4 •③扩散电阻随温度非线性变化
二、变形最小原则及措施(热)
⑴桥路的平衡条件 (压力有关)
随力变化 而变化
二、变形最小原则及措施(热)
设计若能满足以下条件,则可消
加的误差
对于部件:设计、装配、测量基
面统一
四、坐标基准统一原则
四、坐标基准统一原则
X X Y R Y T Z Z
五、精度匹配原则
五、精度匹配原则
• 根据各部分对仪器精度影响程度的
不同来提出不同的精度要求和恰当
㈥ 国内现状
一、设计任务分析与创新点的构思
二、创新点的构思
• 三坐标测量机侧头的改进例子 • 体积缩小、Abbe误差减少
一、设计任务分析与创新点的构思
一、设计任务分析与创新点的构思
END:第一节 设计任务分析与创新点的构思
第二节 测控仪器设计原则
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展
对于直线尺寸测量仪器的设计,
2.光电光波比长仪消除力变形的
结构布局
二、变形最小原则及措施(力)
减少误差的措施 • 采用了工作台、床身、基座三层 结构
• 光电显微镜、固定参考镜和干涉 系统的分光镜:相对位置严格保 持不变
• 支撑床身的三个钢球支撑结构各 不相同
二、变形最小原则及措施
(二)减小热变形影响的技术措施
二、变形最小原则及措施(热)
除误差:
R10 R40 R20 R30
1 4 2 3
二、变形最小原则及措施(热)
⑵串、并联电阻对电阻温度系数
的影响
• 1)在电阻为R的扩散电阻上串联电
阻RS
二、变形最小原则及措施(热)
R' 1 at R1 at R R ' R RS
1)、尾座有倾角Δ θ:
• 对零时:
• 测量时: • 结果:
1 2ns d L1
2 2ns d 1 2nL1 1 L
2ns d L1 L
2 1 2nL
二、变形最小原则及措施(力)
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