精密仪器设计基础2012-2讲解

分辨率 重复性(2S)
测量系统 显示单元 测量体移动速
度 环境温度 环境湿度 重量
0.001mm/0.0001mm/0.00001mm 0.05µm
超高精度玻璃光栅测量系统 液晶显示屏、标准DELL电脑
400mm/秒
+10℃至+40℃ 20-80% 80kg
第二章 精密仪器设计方法
2.3.2 确定方法
第二章 精密仪器设计方法
例 测长机：以线纹尺的刻度作为已知长度，利用机 械测头进行接触测量的光学长度测量工具
第二章 精密仪器设计方法
爱彭斯坦光学系统
第二章 精密仪器设计方法
尾架倾斜产生的测量误差
l H sin (l l cos) H 1 l 2
2
令高度H与物镜焦距f相等
第二章 精密

a
tan

a(

13
3
)
1 a
第二章 精密仪器设计方法
串联式
绕z轴转动引起的误差
' 2

c(1 cos)

2
c[1 (1
4

)]
24
' 2

1 c 2
2
第二章 精密仪器设计方法
遵守阿贝原则的传动 部件设计 阿贝原则同样适合各 类仪器传动部件的设 计。
第二章 精密仪器设计方法
解决方法：
合理安排布局 避免经过变形环节 提高系统的刚度
第二章 精密仪器设计方法
四、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。
基准：用来确定生产对象上几何要素间的几何关系所依 据的那些点、线、面。
第二章 精密仪器设计方法
图3—18 顶尖支承法测径向圆心晃动
工作表面磨损及尺寸加工精度对约束影响小 拆卸后能方便精确的复位
第二章 精密仪器设计方法
运动学设计原则的局限：
点接触容易变形 不耐磨 稳定性差
半运动学设计：若将点约束适当地扩大为 有限大的面积约束，而运动学设计原则不 变。
第二章 精密仪器设计方法
三、变形最小原则 应尽量避免在仪器工作过程中，因受力 变化或因受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。
误差补偿原理：仪器的精度不可能完全靠加工来 保证，巧妙的补偿可以取得较好的效果。
第二章 精密仪器设计方法
二、方案的选择
基准器件的选择
传统的基准器件：线纹尺 角度测量：激光干涉仪，光栅，感应同步器 码盘
第二章 精密仪器设计方法
二、方案的选择
运动方式的选择 主要结构方案的选择 摩擦及局部变形的考虑
l1 f H
l

l
l1


1 l 2
2
第二章 精密仪器设计方法
(2)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)
第二章 精密仪器设计方法
（3）布莱恩原则：更具普遍意义的阿贝原则 位移测量系统工作点的路程应和被测位移作用点 的路程位于同一条直线上；不可能时，必须使传 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。
传动部件遵守阿贝原则的设计
a）正确
b)不正确
第二章 精密仪器设计方法
例：机械测微仪
测量杆与传动杠杆的接触点 被置于测量杆位移的方向线上 符合阿贝原则
第二章 精密仪器设计方法
不适合Abbe原则的情况
外观尺寸过大 多自由度测量仪器
第二章 精密仪器设计方法
（1）爱彭斯坦原理 用硬件来实现补偿：结构布局来实现误差 补偿
尺寸等 反映设备精度：加工精度、测量精度 反映设备自动化程度：手动—半自动—自动 反映工作效率：生产率和检验效率 …
第二章 精密仪器设计方法
型号
光栅尺长度( 测量范围)
LABC-P500 0-550mm
测量不确定度
≤0.15+(L(mm)/2000)µm（全量程保证 精度，以上精度无需采用温度补偿）
图3—19 V形支承法测径向圆心晃动
第二章 精密仪器设计方法
例如，图3－18所示的零件，两个直径d1及d2的设计基面及 工艺基面均为中心线OO。在测量时，若用顶尖支承进行， 则测量基准和设计基准、工艺基准重合，此时能真正地反 映d2的圆柱度等加工误差。但若以d1的外圆柱面为测量基准 时，则d1的形状误差也就反映到测量结果中，带来附加的 测量误差。
第二章 精密仪器设计方法
一、阿贝原则(共线原则)： 要使量仪给出准确地测量 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。
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。
第二章 精密仪器设计方法
测量时，活动量爪在尺架（导 轨）上移动，由于导轨之间存 在间隙，使活动量爪发生倾斜 角而带来测量误差，其值为
有哪些？ 如何确定？（6）
第二章 精密仪器设计方法
总体方案的制定 基本设计原则
阿贝原则（布莱恩原则），运动学设计原则，变形 最小原则，基面合一原则，最短传动链原则，粗精 分离原则等。
第二章 精密仪器设计方法
阿贝原则：
第二章 精密仪器设计方法
粗精分离：
第二章 精密仪器设计方法
2.4.2 总体方案制定的内容 一、工作原理的设计
根据设备的用途 通用：考虑加工和测量多种类型的工件， 因此其加工和测量的范围尽可能的广 专用：为某一特定工序或工件设计，其加 工和测量的范围就小
第二章 精密仪器设计方法
根据测量（加工）对象的主要尺寸
第二章 精密仪器设计方法
根据测量（加工）精度
根据参数本身对仪器精度的影响
例 自动分步重复光刻机 64k随机存储器,光刻线条宽度为2-3μm。套刻的 位置误差允许线宽是1/2-1/5 μm ，工作台的定 位精度为0.5-0.25 μm。
使用的影响。 6、安全保护：人身保护和设备保护
2第.3二主章要精参数密与仪技器术设指计标方法
2.3.1 内容 主要参数：能够基本反映该设备的概貌
和特点的一些项目 精度参数：
测量设备：测量精度
尺寸参数：
测量设备：测量范围
第二章 精密仪器设计方法
2.3.1 内容 主要参数：
运动参数：工作台的运动速度 动力参数：电机功率和扭矩以及光源功率 结构参数：整机及主要部件的主要尺寸参数
第二章 精密仪器设计方法
五、传动链最短原则
传动链：对于测量来 说，是被测量和标准 量的信号传递的链条。
第二章 精密仪器设计方法
粗精分离原则：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的精 度分配。测量链精度最高，依次递减
外界环境影响最小原则：主要是温度和振 动的影响
系列化、通用化、标准化原则：可以缩短 设计、生产周期、提高产品质量、降低成 本、维修方便
第二章 精密仪器设计方法
李元龙
第二章 精密仪器设计方法
2.1 设计方法概述
• 创新设计：指充分发挥设计者的创造力,利用人 类已有的相关科技成果开发新产品
• 适应性设计：是在总的方案原理基本保持不变 的情况下，对现有产品进行局部更改。
• 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。
第二章 精密仪器设计方法
两点决定一条直线
4个自由度，2个约束
第二章 精密仪器设计方法
三点决定一个平面
3个自由度，3个约束
第二章 精密仪器设计方法
运动设计原则： 根据物体要求运 动的方式（即要 求自由度）确定 施加的约束数。
第二章 精密仪器设计方法
满足运动学设计要求的优点：
每个元件是用最少的接触点来约束的，定位 准确，力可以预先计算，可避免材料变形影 响机构的工作性能
1 s tan
当s 30mm， 1'时
1 0.009mm
误差和倾角φ成一次方关系， 习惯上称为一次误差
不符合阿贝原则
第二章 精密仪器设计方法
例：如果由于安装等原因，测 微丝杆轴线的移动方向与尺 寸线方向有一夹角，则此时 带来测量误差为
2 d tan tan
当d 30mm， 1'时
2 0.0000025mm
误差和倾角φ成二次方关系 ，习惯上称为二次微小误差
符合阿贝原则
第二章 精密仪器设计方法
例：线纹尺计量
S——标准件 W——被测件 T——工作台 B——悬臂支架 M1——瞄准用显微镜 M2——读数用显微镜
第二章 精密仪器设计方法
阿贝比较仪
布莱恩原则和阿贝原则并列为两个最基本的设计和测量原则
第二章 精密仪器设计方法
二、运动学设计原则
自由度数：确定一物体 在空间位置所需要的独 立坐标数。
自由度S与约束Q的关系:
S 6Q
第二章 精密仪器设计方法
运动与约束
6个自由度，0个约束
第二章 精密仪器设计方法
运动与约束
5个自由度，1个约束
GPS接收机：测地型和导航型
第二章 精密仪器设计方法
2、仪器精度 例：
测地型GPS接收机：5mm 导航型GPS接收机：25m
第二章 精密仪器设计方法
3、生产批量:大批量生产时尽可能采用专用机 床和专用工夹具;单件小批量生产时,则可采 用通用机床加工,其毛坯成形应尽量少采用 铸压件.
4、生产效率:单位时间内的检测效率。 5、工作环境:指如振动、温度、湿度等对仪器
第二章 精密仪器设计方法
根据力变形对仪器精度的影响
例 三坐标测量机 三坐标测量机选型
第二章 精密仪器设计方法
根据设备或仪器中的薄弱环节 根据系列化要求 根据产品可靠性与成本的要求
2第.4二总章体精方案密的仪制器定设计方法
2.4.1 基本设计原则
一、阿贝原则(共线原则)： 阿贝（1840年1月23日－ 1905年1月14日）德国物理 学家、光学家、企业家。
第二章 精密仪器设计方法
新产品设计试制过程
计划
总体设计
设计任务书
方案设计 总体结构设计
零、部件设计
技术文件编制
样机试制及实验
投产
机第翼二前章梁精在设密计仪过器程设中计的方演法变
概念设计 仅仅是一个从翼根到
翼梢的平面！
总体设计
初步设计 表示出梁的截面变化
详细设计
专注于每一个细节 尺寸与参数 4
误差平均原理 如采用多次重复测量，取平 均值
第二章 精密仪器设计方法
位移量同步比较原理： 主要针对复合参数的测 量，复合参数一般都是 由线位移和角位移，或 角位移和角位移以一定 关系作相互运动而成。 它们的测量过程，实际 上是相应的位移量之间 的同步比较过程。
§3-3 三、补偿原理
第二章 精密仪器设计方法
第二章 精密仪器设计方法
（决定的费用）
（消耗的费用）
5
第二章 精密仪器设计方法
新产品设计试制过程
总体设计
设计任务书 设确 编 计定 写 任主 任 务要 务 分参 要 析数 求
及细 指目 标单
方案设计
分 设选 为 对
解 计出 各 各
总 实可 组 方
功 现行 合 案
能 分的 作 进
为 工原 出 行
第二章 精密仪器设计方法
三、系统简图的绘制
总体布局的考虑 总体精度的分配 造型与装饰
四、总体设计报告
第二章 精密仪器设计方法
颜色传感器
工作原理：各种颜色是由不同比例的三原色 (红、绿、蓝)混合而成的。通常所看到的物 体颜色，实际上是物体表面吸收了照射到它 上面的白光(日光)中的一部分有色成分，而 反射出的另一部分有色光在人眼中的反应。
第二章 精密仪器设计方法
结构工艺性良好原则：工艺决定成本
第二章 精密仪器设计方法
工作可靠、安全、维修与操作方便原则 造型与装饰宜人原则 价值系数最优原则：性价比最高
第二章 精密仪器设计方法
内容回顾
设计任务分析
使用要求，精度等级，生产批量，生产效率， 工作环境，安全保护
确定主要参数及技术指标
分 能理 相 评
功
组应价
能
合方
案
总体结构设计
绘 对绘
制 总
总制 体改
体 结进
结 构
构总 进体
草 行结
图
评构 价图
第二章 精密仪器设计方法
2.2设计任务分析 设计任务分析主要内容
1、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。
第二章 精密仪器设计方法
第二章 精密仪器设计方法
例：测长仪
第二章 精密仪器设计方法
精度参数：0.00001mm 尺寸参数：960*390*450mm 运动参数: 400mm/秒
第二章 精密仪器设计方法
技术指标：用来说明一台精密仪器性能和功
用的具体数据，他既是设计的基本依据，又是 检验成品质量的基本依据 反映设计工作性能:功能、工作对象范围与