精密仪器总复习题第三版(包括答案)

2012《精密机械与仪器》总复习：
1.中等精度、高精度、超高精度的区分；【精密机械设计，8页】
答：精度又称为精确度，是指准确的程度。

精度的高低是用误差的大小来衡量的，误差小则精度高，误差大则精度低。

1）中等精度：1um～10um主轴回转精度1 um～10 um圆分度精度1’’~10’’。

2）高精度:0. 1 um～1 um主轴回转精度0.1 um～1 um圆分度精度0.2’’~1’’。

3) 超高精度：直线度小于0.1 um，主轴回转精度小于0.1 um，圆分度精度小于0.1’’.
2.力变形对精度的影响，要求那几种机床受力对精度的影响，影响最大的是悬臂梁。

答：机床制造误差对工件加工精度影响较大的有：主轴回转误差、导轨误差、传动链误差。

3.能计算某个部件的自由度；
分析：自由度分为构件自由度（构件具有独立运动参数的数目）和机构自有度（机构具有独立运动参数的数目）
4.三球支撑系统。

具体见【现代精密仪器设计，45页，例2-8】
5.制造、安装、运行和原理误差在精密机械与仪器中的程度；
答：在仪器的各种误差源中，制造误差数值最大，运行误差次之。

但在仪器测量误差中运行误差将是主要的。

6.XY工作台的部件，以及电控XY工作台微动系统的原理和分析；
答：x-y工作台系统基本上是由工作台滑板、直线移动导轨、传动机构、驱动电机、控制装置和位移检测器等组成。

由于工作台使用的情况不同，因而对性能的要求也各异。

一般的静态和动态性能要求包括有如下一些内容。

（1）静态性能
①工作台的几何精度包括x-y工作台的导轨在水平面内的直线性、垂直平面内的直线性、x方向与y方向的垂直度、x-y 方向的反向间隙和反向精度以及工作台面与运动平面间的不平行性；
②系统的静刚度工作台传动系统受重力、摩擦力或其他外力的作用而产生相应的变形，其比值称为静刚度；
③工作台的定位精度和重复定位精度。

（2）动态性能
①工作台系统的振动特性和固有频率；
②速度与加速度特性；
③负载特性；
④系统稳定性等。

7.滑动导轨、滚动导轨、静压导轨的特点。

答：导轨主要由运动件和承导件两部分组成。

滑动导轨是由支承件和运动件直接接触的导轨。

优点是结构简单、制造容易、接触刚度大。

缺点是摩擦阻力大，磨损快、动静摩擦系数差别大，易产生爬行。

滚动摩擦导轨是在两导轨面之间放入滚珠、滚柱、滚针等滚动体，使导轨运动处于滚动摩擦状态。

由于滚动摩擦阻力小，是工作台移动灵敏，低速运送时不易产生爬行。

工作台起动和运行消耗的功率小，滚动导轨磨损小，保持精度持久性好。

故在仪器中广泛应用。

气静压导轨油以下优点：
①运动精度高：由于提高了导轨面得直线性和平行度，可以减小支承的间隙。

②无发热现象：不会像液体静压导轨那样因静压油引发热，也没有热变形。

③摩擦与振动小：由于导轨之间不接触故没有摩擦，气体粘性极小，可以认为是无摩擦，故使用寿命长。

没有振动和爬行现象，可以进行微细的送进和精确地定位。

④使用环境：由于使用经过过滤的压缩空气（去尘、去水、去油、去湿），故导轨内不会浸入灰尘和液体。

另外由于不使用润滑油，故不会污染环境。

气浮导轨可用于很宽广的湿度范围。

除以上优点外，还有下列缺点：
①承载能力低，因气模的压力，即使在静压情况下，也只有0.3MPa左右（气源压力为0.5MPa左右）。

②刚度低，在重载荷下，不宜使用。

③需要一套高质量的气源.
④对振动的衰减性差，仅为油的1/1000，如果设计不当，可能出现自激振荡等不稳定问题。

⑤由于气模厚度很小，安装不准确，产生变形影响精度。

使用条件要求苛刻，费用高。

8.传动的作用、传动比计算、传动比分配。

传动的作用：
（1）改变速度的大小：增速、减速、调速；
（2）改变运动的方向：顺时针、逆时针、空间变向；
（3）改变运动的方式：转——转，转——移，转——间歇，转——摆动。

在精密机械中所采用的机械传动装置，按传动的用途可分为以下3种：
（1）力（功率）传动。

主要用来传递动力，改变力或力矩的大小。

对它的要求主要是应保证足够的强度。

（2）示数（测量）传动。

主要用来传递运动，包括传递数据或进行读数。

对它的要求主要是保证必需的精度。

（3）一般传动。

只作一般传动或驱动用，对强度和精度均无严格要求。

对这类传动可按结构条件或类比法设计。

传动比计算、传动比分配如下PPT所示：
9.摩擦轮传动的特点；【精密机械设计，71—73页】
答：摩擦轮传动是利用主动轮与从动轮在直接接触产生的摩擦力来传递运动和动力的。

其传动的优点：
（1）由于摩擦轮表面为光滑圆柱，故传动平稳，工作时无噪声或噪声小。

如果在轮面上再覆盖上一层橡胶则传动更平稳，这对大多数精密机械设备来说极为重要。

（2）结构简单，制造使用均比较方便。

（3）传动形式可以多种多样，故使用范围广泛。

（4）超载时可自动打滑，故可防止重要零件受损坏。

（5）采取相应措施后，传动比在不停机的情况下可实现平稳或无级地改变，因此几乎所有机械式的无级变速器都是以摩擦传动为基础的。

传动的缺点：
（1）需要增加压紧装置（如弹簧等）以产生所需要的压紧力。

（2）由于压紧力一般比较大，故摩擦轮在接触点处将产生弹性形变，使实际传动比不能保持理论值，从而影响传动精度，故在设计时应该采取相应措施，减小压紧力。

（3）传动效率低，工作表面易被磨损，且易发热，不宜传递大的力矩，故摩擦轮传动主要使用在传动要求平稳、低速、轻载等场合，且多用于高精度。

10.皮带传动带的受力分析和带选型特点；
皮带传动的特点：带传动是一种摩擦传动，它结构简单，传递平稳，噪音小，不需要润滑，过载时能打滑。

11. 齿轮传动中齿轮选用的一般标准；
答：（1）使用要求。

从给定的已知条件中分析出最主要的要求，并根据这个主要要求，参照已给定的总传动比、传递功率、传动速度、各传动轴相互位置的关系等，初步选定传动的类型。

（2）工艺条件。

如生产厂的工艺水平、设备条件和生产批量等，尽量达到工艺合理。

（3）先进性和经济性等方6面的问题。

（4）参考已有的或类似传动的经验选型。

12. 涡轮蜗杆传动特点；
（1）传动平稳，振动、冲击和噪声均很小。

这是由于蜗杆的轮齿是连续螺旋齿的缘故。

（2）能获得较大的单级传动比，故结构紧凑。

在传递动力时，传动比一般为8~100，常用范围为15~50。

在分度机构中，传动比可达几百，甚至到1000。

这时需采用导程角很小的单头蜗杆，但传动效率很低。

（3）当蜗杆的导程角γ小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性。

（4）由于啮合轮齿间的相对滑动速度较高，使得摩擦耗损较大，因而传动效率较低。

此外，在传动中易出现发热和温升过高的现象，磨损也较严重，故常需用耐磨材料（如锡青铜等）来制作蜗轮，因而成本较高。

13. 螺杆螺母传动的几种类型；
螺旋传动是利用螺杆和螺母的相对运动来传递运动和动力的一种机构，将螺旋运动变为直线运动。

答：根据螺旋传动在机械中的作用，分为：（1）传力螺旋；（2）示数测量螺旋传动；（3）一般传动螺旋
按接触面的摩擦性质分为滑动螺旋传动、滚动螺旋传动、静压螺旋传动，目前应用最多的是滑动螺旋传动。

14. 杠杆传动中正弦、正切机构的简图、传动系数；
杠杆传动在精密仪器中的主要作用：
（1）用以改变位移的性质，即把线位移转换为角位移或者相反；
（2）用于传动放大，即把主动件的微小位移放大为从动件所需要的位移；
（3）获得线性刻度（等分刻度），即利用杠杆传动的非线性来补偿敏感元件的非线性，从而使示数装置获得线性刻线；
正弦机构
摆杆的长度为a ，当摆杆由0α(00=α)，转到时α，推杆的位移s 。

正弦机构的传动系数：ααcos 1a ds d i ==
)sin (sin 0αα-=a s
（1）正弦机构的传动系数不是一个常数，而是变量，而其传动特性是非线性的；
（2）只有当0=α时，传动系数为一常数（a i /10==α），因此，当正弦机构在0=α附近的很小角度范围内工作
时，其传动特性可近似认为是线性的。

正弦机构的相对传动系数为：
αααcos 10===i i
i ，式中i 为某一瞬时的传动系数。

正切机构
设摆杆回转中心到推杆的距离为a ，当摆杆由0α （00=α）转到α时，推杆的位移为：)(0ααtg tg a s -= 当推杆为主动件时，正切机构的传动系数为：
αα2cos 1a ds d i ==
由此可知：（1）正切机构的传动系数不是一个常数，而是变量，因而其传动特性是非线性的；（2）只有当0=α时，传动系数为一常数（
a i /10==α），因此，当正切机构在0=α附近的很小范围内工作时，其传动特性可近似地认为是
线性的。

正切机构的相对传动系数为：
ααα20cos ===i i
i
15. 瞄准精度的几种方式，最高精度的方式。

高精度角度标定：
16. 阿贝误差及其补偿方法；阿贝误差的计算
答：阿贝原则：要使量仪给出准备的结果，必须将被测量部件布置在基准原件沿运动方向的延长线上，也就是共线原则。

不满足阿贝原则下的补偿措施：
①首先在结构上采取措施，从设计及工艺上提高导轨的运动精度，减小因为导轨运动不直线性带来的倾角。

从结构布置上，尽量使得读数线（线纹尺、光栅尺、激光等）和被测量的测量线靠近得近些，减少两者之间的相隔距离。

②爱彭斯坦（Epenstein ）准则（间接补偿）
Epenstein 原理是：利用各种机构，使得可能产生的误差相互抵消或削弱，或故意引入新的误差，以减小某些误差的影响。

③直接补偿。

在光栅、激光等信号转换原理的数字计量仪器中，可采用直接补偿。

补偿原理是：由自动校准仪直接得到的与导轨不直线性成比例的输出电压，通过128进位计数器及比较线路，用干涉条文的脉冲当量数相平衡，并将此脉冲当量数加到计数器计算机进行误差补偿，在整个测量过程中，补偿是自动连续进行的。

④布莱恩原则：位移测量系统工作点的路程应和被测位移作用点位于同一直线上，不可能时，必须使得传送位移的导轨没有角运动，或者必须算出角运动产生的位移，然后用补偿机构给予补偿。

第一条为广义Abbe 原则。

17. 分辨率、重复精度、再现精度；
分辨率与精确度紧密相关，提高仪器的分辨率能提高测量的精确度。

但有时又是完全独立不相关的。

仪器的分辨率低，一定达不到高精度；但是仪器的分辨率高，也不一定达到高精度；只有相应的分辨率（通常这个分辨率应取仪器精度的1/3～1/10，视仪器精度高低而定）才能达到要求的精度。

衡量仪器精度的指标通常有两种：重复精度和复现精度。

（1）复现精度
它是用与标准量(真值或约定值)的偏差来表示。

如双频激光干涉仪的侧量精度为 )105(32.072L -⨯+±µm。

它是与标准米尺的偏差，并随测量长度L 而改变。

测量长度愈长，误差就愈大。

(2) 重复精度
有些仪器在使用时只要求其在多次测量中的重复精度。

如ZFJ 型自动分步重复照相机的精度指标为重复定位精度士1µm。

由此可见，复现精度是要求仪器的精确度高，而重复精度则是要求仪器的精密度高。

18.摩擦分类；
摩擦的定义：两个解除表面作相对运动或有相对运动趋势时，将会有阻止其产生相对运动的现象发生，这种现象称为摩擦。

答：摩擦分类：内摩擦和外摩擦。

外摩擦分为静摩擦和动摩擦。

动摩擦又分为摩擦副和表面润滑状态。

摩擦副由滑动摩擦和滚动摩擦构成。

19.磨损分类；
答：粘着磨损；磨粒磨损；疲劳磨损；腐蚀磨损
20.斜齿轮传动受力分析；
受力分析的目的：计算齿轮的强度；设计轴及选择轴承的依据。

受力类型：工作力；附加动载荷；摩擦力。

斜齿圆柱齿轮受力如下图所示：
21.齿轮的基本参数；
22.齿轮失效形式；
答：（1）轮齿折断和弯曲塑性变形；（2）齿面点蚀；（3）齿面磨损；（4）齿面胶合；（5）齿面塑性变形。

防止失效的措施：
1、对于静载荷折断：限制过载和冲击；
2、疲劳折断：增大齿根的过渡圆角，降低表面粗糙度、减轻表面的损伤，采用表面强化的措施；
3、齿面的失效：
（1）提高表面的硬度；
（2）降低表面的粗超度；
（3）采用高粘度的润滑剂+耐添加剂，保证清洁；
（4）采用变位齿轮；
（5）降低相对滑动速度；
（6）保证配对齿轮具有一定的硬度差。

（HB小-HB大=30~50）
23.螺距误差和累积误差。

答：螺距的实际值与理论值之差称为螺距误差。

按使用要求可分为单个螺距误差（即周期误差）和螺距累积误差（即累积误差）
螺距累积误差是指在螺纹与全长范围内任意两同侧螺纹面间实际距离对公称尺寸的偏差的最大代数差，它与螺纹产度有关，螺纹产度越长往往螺距累积误差越大。

24.调焦方式及图像处理的自动调焦分析。