2 精密仪器总体设计

2.3 主要参数与技术指标 ——内容
例如：三坐标测量机的参数与性能指标
主要型号 测量行程（mm) 全机尺寸（mm) 机台厚度（mm) 机台承重（kg) 机台重量（kg) 测量精度（μm) CMF594 500×900×400 1670×1050×2240 230 600 1200 3+L/300
2.1 设计方法概述 ——新产品设计试制过程 3.设计类型——变型设计
只改动尺寸大小或结构布局，形成系列产品。
2.1 设计方法概述 ——新产品设计试制过程 4.技术文件 • 设计任务书； • 光学、电器、气动、液压等原理图，机械运动简 图；
• 总装配图、部件装配图、明细表；
• 总体设计报告（包括方案分析比较、设计原理、 总体布局、精度分析等）；
③ 扩散电阻随温度的非线性变化。
所以在组成测量桥路时，将产生各不相同的零点温度 漂移和灵敏度漂移
2.4 总体方案的制定 ——基本设计原则
温度补偿电路
说明：即使有温度变化，桥路也处于一个平衡状态。
2.4 总体方案的制定 ——基本设计原则
4.基面合一原则
即设计面、工艺面（加工面、装配面）、测量面一致。
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。
2.4 总体方案的制定 ——基本设计原则
两种符合运动学设计的滑动导轨
2.4 总体方案的制定 ——基本设计原则
符合运动学设计的轴系
2.4 总体方案的制定 ——基本设计原则
2.3 主要参数与技术指标 ——确定方法
3.根据测量（加工）精度确定主要参数和技术指标
2.3 主要参数与技术指标 ——确定方法
3.根据测量（加工）精度确定主要参数和技术指标
2.3 主要参数与技术指标 ——确定方法
4.根据设备或仪器中的薄弱环节确定主要参数和技 术指标。 5.根据系列化要求确定主要参数和技术指标。
如：工业机器人根据作业任务的需求，形成系列 化产品。
2.3 主要参数与技术指标 ——确定方法
6.根据产品可靠性与成本的要求确定主要参数和技 术指标
2.4 总体方案的制定 ——基本设计原则
1.阿贝原则
1890年，阿贝对量仪设计提出了一个指 导性原则：
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装在被测尺 寸的延长线上，即被测零件的尺寸线和 量仪中作为读数用的基准线应顺序ຫໍສະໝຸດ Baidu成 一条直线。
根据尾架的移动距离计
算工件长度。
2.4 总体方案的制定 ——基本设计原则
误差源：尾架倾斜误差
l l l1 H 2 H l 2
1 2
1 2
2.4 总体方案的制定 ——基本设计原则
2）直接补偿 例：气缸与中体滑道同轴度找正
关键检测仪器：激光自动准直仪
2.4 总体方案的制定 ——基本设计原则
2.4 总体方案的制定 ——基本设计原则 例：扩散硅压力传感器零点温漂的补偿
扩散硅压力传感器是在硅材料的基片上，用集成电路 的工艺制成扩散电阻并组成桥路。可直接将压力转换为电 信号，比贴式应变计好很多。但由于采用了半导体材料和 扩散技术，不可避免的会产生：
① 扩散电阻的离散性很大，桥路各电阻值不等； ② 扩散电阻的各个电阻温度系数不相同。
2.3 主要参数与技术指标 ——确定方法
2.根据测量（加工）对象的主要尺寸确定主要参 数和技术指标
2.3 主要参数与技术指标 ——确定方法
3.根据测量（加工）精度确定主要参数和技术指标 例：光学灵敏杠杆
瞄准误差：
2.3 主要参数与技术指标 ——确定方法
3.根据测量（加工）精度确定主要参数和技术指标 例：三坐标测量机
2.4 总体方案的制定 ——基本设计原则 例：两坐标测量机
Z 方向：干涉仪 1 的轴线通过 测端的中心，符合阿贝原理； Y方向：通过干涉仪 7、9测量 转动角误差，用压电晶体 16 消除角误差，符合布莱恩原理。
2.4 总体方案的制定 ——基本设计原则
2.运动学设计原则
任何空间物体均具有 6 个自由度，且自由度和 约束有这样的关系：
第2章 精密仪器总体设计
1
设计方法概述
2
设计任务分析
3
主要参数与技术指标
4
总体方案的制定
2.1 设计方法概述 ——新产品设计试制过程 1.设计类型——创新设计
采用新的方案原理。
2.1 设计方法概述 ——新产品设计试制过程 2.设计类型——适应性设计
iphone1
iphone5
对系统、部件进行重新的设计。
串联式
2 2' 2'' l 2 1 3 2 5 a( ) 3 15 a 并联式的误差是角度的一次项；串联式的误差是角度的 二次项，由于角度很小，故误差较小。
2.4 总体方案的制定 ——基本设计原则
减小或消除阿贝误差的措施
① 结构上措施 从设计及工艺上提高导轨的运动精度，减小 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。
2.2 设计任务分析 2.仪器精度（不确定度） ① 仪器精度是一项重要的技术指标。 ② 精度要求不同，导致实现的原理不同，价格差别 很大。
2.2 设计任务分析 3.生产批量 生产批量由市场决定，应该根据生产批量大小设 计相应的产品结构。 大批量：尽量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、标准化的 零件。 小批量：采用通用机床加工，毛坯尽量少采用铸 压件。
2.2 设计任务分析 6.安全保护
特殊环境：高压、放射性物质、有毒气体；
功能要求：过载装置、互锁保险装置、行程限位。
2.2 设计任务分析
7*.被测参数的特点
被测参数的定义，被测参数的精度要求，被测 参数的数字范围，被测参数的性质（单值参数、复 合参数），被测参数的状态（瞬态量、稳态量、动 态量、静态量）等等。
3）布赖恩准则（广义的阿贝原则）
1979年，加州大学的布莱恩对阿贝原则进行了修正:
① 位移测量系统工作点的路程和被测位移作用点的路程位于同
一条直线上； ②不可能时，必须使传递位移的导轨没有角运动； ③或必须算出角运动产生的位移。然后用补偿机构给予补偿。
他认为阿贝当时提出阿贝原则时是根据单坐标测量而提 出的，但对于双坐标和三坐标测量应有新的叙述原理。于是 提出了上述原理。
2.4 总体方案的制定 ——基本设计原则 5.最短传动链原则 6.精粗分离原则 7.外界环境影响最小原则
8.系列化、通用化、标准化原则
9.工作可靠、安全、维修与操作方便原则
10.结构工艺性良好原则
11.造型与装饰宜人原则、价值系数最优原则 12.价值系数最优原则
2.4 总体方案的制定 ——若干设计原理
2.4 总体方案的制定 ——基本设计原则
例：测长机底座变形及自动补偿
② 9和10的轴线离底座导轨面 同一高度； ③ 可动角棱镜 12 的锥顶位于 测量主轴11的轴线上； ④ 尽可能减小 9 和 10 的水平 距离。
① 固定角棱镜 9 和尾座 5 固接；
2.4 总体方案的制定 ——基本设计原则
例：光电光波比长仪
因导轨运动不直性带来的倾角。从结构布置上，
2.4 总体方案的制定 ——基本设计原则
② 补偿措施
1）爱膨斯坦（Epstein）原理
利用各种机构，使可能产生的误差相互抵
消或削弱，或者故意引进新的误差，以减小某 些误差的影响。
2.4 总体方案的制定 ——基本设计原则
例：测长机
头架固定。 移动尾架使工件夹紧。
• 经济成本评价。
2.1 设计方法概述 ——新产品设计试制过程 5.新产品设计试制过程
• 计划阶段；
• 总体设计阶段； • 零部件设计阶段； • 技术文件编制阶段； • 样机试制及实验阶段；
• 投产阶段。
2.1 设计方法概述 ——新产品设计试制过程 6.设计方法理论 • 系统工程理论 • 优化设计理论 • 可靠性设计理论
半运动学设计的滑动导轨与轴系
2.4 总体方案的制定 ——基本设计原则
重型平台的支撑 既符合运动学设计，又可避免因自重造成变形。
2.4 总体方案的制定 ——基本设计原则
3.变形最小原则
仪器在工作中，受到力的变化、温度的变化 或其他原因而引起的仪器的变形或仪器状态或参
数的变化，是不可避免的，这都会带来仪器的误
在精密仪器设计的长期实践中，形成了一些带
有普遍性的或者在一定场合下带有普遍性的设计原 则和设计原理。在进行仪器设计过程中遵循和适当 运用这些原则和原理会使得设计的仪器更可靠，风 险更低。
2.3 主要参数与技术指标 ——内容
参数：精度参数、尺寸参数、运动参数、动力参 数 指标：是用来说明一台精密仪器性能和功用的具 体数据，它既是设计的基本依据、又是检验成品 质量的基本依据。
软件
控制系统 驱动系统 使用环境 保修期
3D-DMIS
双计算机式集成控制系统 DC直流伺服电机，齿形带传 动 电源供给：110V～ 220V±10% 50/60HZ 1年
2.3 主要参数与技术指标 ——确定方法
1.根据设备的用途确定主要参数和技术指标
设计者常常需要将使用者的使用要求转换
成设计工作所需要的技术指标。
合时宜的加入一些厂家达不到的加工要求。
2.2 设计任务分析 10*.信号转换原理选择 这是进行仪器设计总体考虑时，首先遇到的问 题，即进行信息的获取方式及传输方式的选择。
比如同类传感器：电感型的线性好、抗干扰能
力强；电容型的灵敏度高、动态性能好但是抗干扰 能力差等等。
2.2 设计任务分析 11*.提高仪器精度的技术措施，即仪器的若干设计原 则和设计原理
• 计算机辅助设计
2.2 设计任务分析
设计任务分析，即详细了解设计任务的各 种要求，弄清楚设计任务对仪器设计提出的各
项指标，并且根据总体设计的基本原则，逐一 地进行分析研究。
2.2 设计任务分析 1.使用要求 要求精密仪器在一定的工作范围内能有效的 实现预期的功能，并在一定的使用期内不丧失原 有功能。
2.4 总体方案的制定 ——基本设计原则
M1：瞄准显微镜 M2：读数显微镜 S: 标准件 W： 测量件
测量过程：先用 M1 ， M2 瞄准，后移动工 作台或支架，再对 准测量，读数之差 即为被测尺寸。
2.4 总体方案的制定 ——基本设计原则
误差分析：考虑支架的平移与转动（位姿）误差
并联式 1 a tan
差。所以设计时，就应该考虑变形问题： ①设计时使仪器变形最小
②设计时加入补偿元素，使仪器的变形量得到补偿。
2.4 总体方案的制定 ——基本设计原则
减小变形的主要措施：
①合理安排布置
②避免经过变形环节
③提高系统刚度
④减小热变形的影响
… …
2.4 总体方案的制定 ——基本设计原则
例：刻尺装置
支座 3 与镜筒 2 之间的误差较大，而镜筒 1 与镜筒 2 之 间的误差较小，因此（b）优于（a）。
S=6-Q
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。
2.4 总体方案的制定 ——基本设计原则 符合运动学设计的优点： ① 每个元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。
① 平均读数原理
误差源：度盘中心位置误差。 A、B两个读数头读数的平均值可以消除误差。
2.4 总体方案的制定 ——若干设计原理
② 位移量同步比较原则
同时测量转动角度与移动距离，其比值出现变化 时，说明丝杆有问题。
2.2 设计任务分析 4.生产效率
自动化程度越高生产效率越高，但是有可能
提高生产成本。
2.2 设计任务分析 5.工作环境 仪器在什么条件下使用？ 在室外、室内、计 量环境；在线测量、离线测量；间断工作、连续 工作；仪器的工作环境（工作温度的变动范围、 湿度、振动情况、灰尘和污垢情况、外界干扰等 等）。 • 防尘、防油、防腐； • 隔振、恒温、恒湿。
2.2 设计任务分析 8*.国际国内市场
了解国内外同类产品的类型、原理、技术水平、 特点、价格、市场占有率、市场反应。 通过查找资料、收集产品样本、现场调查等途 径对国外同类产品进行深入了解和分析。
2.2 设计任务分析
9*.仪器制造厂家的有关情况
设计能力和加工水平完全不是一回事，不能光
埋头设计，忽略了企业的加工能力，在设计时，不