现代精密仪器设计第二章_总体设计
精密仪器课程设计教程
精密仪器课程设计教程一、教学目标本课程的教学目标是让学生掌握精密仪器的基础知识，包括仪器的结构、原理、性能及应用。
具体分为以下三个方面：1.知识目标：学生能够理解精密仪器的基本概念、分类和特点；掌握精密仪器的原理、结构和性能；了解精密仪器在各个领域的应用。
2.技能目标：学生能够运用所学知识对精密仪器进行分析和解决实际问题；具备操作和使用精密仪器的基本技能；能够阅读和理解精密仪器的说明书和技术参数。
3.情感态度价值观目标：培养学生对精密仪器的兴趣和好奇心，提高学生对科学技术的敬畏之心；培养学生团结协作、勇于创新的的精神，增强社会责任感和使命感。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括以下几个部分：1.精密仪器的基本概念和分类：介绍精密仪器的定义、特点和分类，让学生了解精密仪器在科学研究和生产中的应用。
2.精密仪器的原理：讲解各种精密仪器的工作原理，包括光学、机械、电子等原理，使学生掌握精密仪器的核心技术。
3.精密仪器的结构与性能：分析不同类型精密仪器的结构特点和性能指标，让学生了解精密仪器的设计和应用。
4.精密仪器的操作与维护：教授学生如何正确操作和使用精密仪器，以及如何进行日常维护和故障排除。
5.精密仪器在各个领域的应用：介绍精密仪器在生物、化学、物理、医学等领域的具体应用案例，拓宽学生的视野。
三、教学方法为了提高教学效果，本课程将采用多种教学方法相结合的方式，包括：1.讲授法：教师通过讲解精密仪器的基本概念、原理和应用，使学生掌握相关知识。
2.案例分析法：教师通过分析具体的精密仪器应用案例，引导学生学会将理论知识应用于实际问题。
3.实验法：学生亲自动手进行实验，观察和分析实验现象，加深对精密仪器原理和操作的理解。
4.讨论法：学生分组讨论，分享学习心得和疑问，互相启发，共同提高。
四、教学资源为了支持教学内容的传授和教学方法的实施，我们将准备以下教学资源：1.教材：选择权威、实用的精密仪器教材，为学生提供系统的学习材料。
精密仪器总体设计ppt课件
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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
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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：
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。
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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 合时宜的加入一些厂家达不到的加工要求。
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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
成设计工作所需要的技术指标。
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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
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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：
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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
3
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。
4
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、
现代精密仪器设计第二章_总体设计
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(3)允差设计
目的—— 找出对系统性能影响大的重要元件，分析计算； 找出高质量、低成本的合理设计方案。
三次设计后：产品质量
最佳平均值
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质量正态分布
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3.可靠性设计
可靠性——是在规定时间和条件下，完成规定功能的概率。 用可靠度、失效率、寿命、维修度及有效性等表征。
—— 产品分析、设计、试验、统计和管理
三坐标测量机受力变形对精度影响
悬臂式——变形大 精度<0.01mm/m
桥式、龙门式——刚性好 主轴式——适于小型测量机 卧轴式——适于中型及精密测量机
机型分析——不同结构形式受力不同， 变形对精度影响也不同，故应根据设计 精度选型。
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举例 悬臂式横臂变形及其对测量精度影响
（ 1） 测 头 自 重 P A点y变A 形p 及转3角pE —l1 3I—1 ，测头 A自p 重 、 横2 p梁E l1自2I 1 重与 立柱弯曲
问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的 互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推 导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。 这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。 由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能 适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
市场前景广阔：~1994年生产1400台，2.8亿。
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(2)适应性设计——科研工作 有仪器参考。
特点——保留原仪器原理方案 个别零部件重新设计。
(3)变型设计——通常在工厂 如Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型等。
特点——原产品比较好 改动尺寸或布局。
精密仪器设计
精密仪器设计根据仪器中各部件的功能，仪器组成分为几个基本组成部分：1、基准部件基准部件是仪器的重要组成部分，是决定仪器精度的主要环节。
基准器的形式很多，如量块、精密测量丝杆、线纹尺和度盘、多面棱体，多面分度盘、光栅盘（尺）、磁栅尺（盘），感应同步器及光波等。
对复杂参数，还有渐开线样板、表面粗糙度样板一级标准的圆运动、渐开线运动和齿轮啮合运动等标准件和标准运动。
此外还有标准硬度块、标准频率计、标准是结案、标准照度、流量标准、色度标准、激光参数标准、温度标准、标准测力计、称重标准等。
2、感受转换部件感受转换部件的作用是感受被测量，拾取原始信号。
接触式感受部件一般指各种机械式测头；非接触式有分为几种：如气动非接触测头、CCD、光学探头、红外线、涡流测头、拾音器等。
在测量某些参数时，感受转换部件的作用显得特别重要，其精度直接影响整个测量系统精度。
例如小孔表面粗糙度测量，其主要问题是如何感受小孔的表面不平度。
再如检查表面缺陷，由于原始信号的规律不易掌握，所以首先也是遇到拾取原始信号上的困难。
如果原始信号无法拾取，当然谈不上对信号的进一步处理。
3、转换放大部件转换放大部件的作用是将感受转换来的微小信号，通过各种原理（如光、机、电、气）进行进一步的转换和放大，成为可使观察者直接接收的信息，提供显示或进一步加工处理的信号。
在绝对测量的条件下，对于感受基准量的部分来说，其中的转换放大部件或是一套测微读数装置或是对摩尔条纹或光波干涉条纹等的细分装置及相应的电路。
4、瞄准部件瞄准部件的主要要求是指零准确，一般不作读数用，故不要求确定的灵敏度。
瞄准显微镜虽然具有对被测量原始信号的感受转换和放大作用，但由于它在这里主要对被测量起瞄准作用，所以把这类部件统称为瞄准部件。
在具体测量中，读数部分和瞄准部分优势可以互换而不是绝对的，如测微仪主要用于读数，但亦可作为瞄准部件。
5、处理与计算部件包括数据加工和处理、校正、计算等6、显示部件显示测量结果：指针表盘、记录器、数字显示器、打印机、荧光屏图像显示器等7、驱动控制部件包括驱动测头移动或驱动工作台实现测量运动，将测量出的误差量用驱动控制系统实现误差补偿等。
精密仪器零件设计
未来发展趋势预测
智能化与自动化
随着人工智能和自动化技术的不断发展，未来精密仪器零件设计将更加注重智能化和自动 化。通过引入先进的算法和软件工具，实现设计过程的自动化和智能化，提高设计效率和 准确性。
微型化与集成化
随着微电子技术和纳米技术的不断进步，未来精密仪器零件将趋向于微型化和集成化。通 过减小零件尺寸和提高集成度，可以实现更高的性能和更小的体积，满足不断增长的市场 需求。
精密仪器零件设计
目录
• 设计概述与目标 • 零件类型与功能分析 • 材料选择与性能评估 • 结构设计方法与技巧 • 制造工艺与质量控制策略 • 仿真分析与实验验证方法 • 总结回顾与未来展望
01
设计概述与目标
设计背景与意义
精密仪器在现代科技、工业、医疗等领域中占据重要地位，其性能直接影响到整体 设备的运行精度和稳定性。
实施精益生产
通过精益生产理念和方法，减少浪费、降低 成本、提高生产效率。
加强供应链管理
优化供应商选择和管理，确保原材料和零部 件的质量稳定可靠，降低采购成本。
持续改进质量管理体系
不断完善质量管理体系，提高全员质量意识， 确保产品质量的持续稳定和提升。
06
仿真分析与实验验证方法
仿真分析在零件设计中的应用
由于精密仪器长时间运转，零件需要具有 良好的耐磨性，以保证仪器的稳定性和使 用寿命。
耐腐蚀性要求
可靠性要求
精密仪器可能处于恶劣的工作环境中，因 此零件需要具有良好的耐腐蚀性，以防止 生锈和损坏。
精密仪器对零件的可靠性要求很高，需要保 证在长时间使用过程中不出现故障或失效。
关键性能指标确定
01
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03
微型齿轮
通过精密加工和热处理技术，制造出高精度、高强度的微型齿轮。
现代精密仪器设计第一章_概述
实验等领域中，成为纳米科学研究的基本工具。
AFM的原理： 当原子间距离减小到一定程度以后，原子间的作 用力将迅速上升。因此，由显微探针受力的大小就 可以直接换算出样品表面的高度，从而获得样品表 面形貌的信息
AFM 原子力显微镜
现代仪器仪表分6大类：
工业自动化仪表与控制系统——指工业，特别是流程产业生产过程中应
基因测量仪器问世，使世界基因研究计划提前6年完成。
(3)国防装备－“战斗力“
——1991年海湾战争美国精密制导炸弹和导弹占8%，12年后伊拉克战 提高90%以上, 靠一系列先进仪器仪表系统装备实现。 ——1994年美国国防部成立了“自动测试系统执行局”，统一海路空 测试技术，保证立体作战有效实施。现代武器装备无一不配备先 进的测量控制仪器仪表。
计量仪器
计量院
大尺寸、微尺寸、角度、热、光等
物理量 导出量，如速度、加速度等
举例
工具显微镜、电感(电容)测微仪、表面形貌仪、 光电光波比较仪、压力计、原子钟、色度计、
电子隧道加速度计等。
自准直仪 ：常用于测量导轨的直线度、平板的平面度(这时称为平面度测 量仪)等，也可借助于转向棱镜附件测量垂直度等。光电自准直仪多应用 于航空航天、船舶、军工等要求精密度极高的行业，例如机械加工工业的 质量保证（平直度、平面度、垂直度、平行度等）、计量检定行业中角度 测试标准 、棱镜角度定位及监控、光学元件的测试及安装精度控制等等
用于RNA样品自动质量控制分析
Gene Logic公司设计制造的生物芯片可以从待检样品中分离出DNA或
RNA，并对其进行荧光标记
清华大学生物系程京教授、长江学者 南洋理工大学和国防医学院
——借生物芯片进行血液检验有突破
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。
第三章 现代仪器总体设计(6学时)
瞄准的工作原理：移动工作台，使被测孔壁的 一侧与杠杆触球相接触，一直到双线分划板上 的双刻线像对中主显微镜中分划板上的米字线 为止。这时，由主刻尺上读下第一个读数x1, 之后，移动工作台，使孔壁另一侧与触球接触， 同样，在主刻尺上读到第二个读数x2,于是， 可得到孔径D=x1-x2+d，其中，d是触球的直径。
岗位职责三工作总结项目运维项目实施银青高速视频监控东毛隧道停车场项目全面实施ip设置贵州独平高速项目全面实施监控室机柜布线四心得体会在这段时间的学习过程中我对部门很多产品从零学起刚到公司的时候感觉压力很大经过这些时间的认真学习和实际操作调整心态现已完全能融入公司的各项岗位职责和管理制度中
第三章 现代仪器总体设计
L A φ φ A1 δ2 δ1 测量线
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S
S’’ φ
仪器是一个复杂的系统，涉及机、电、光、磁、液、 气、计算机、信号处理等多种学科，仪器总体设计 是复杂而重要的，是必不可少的一个环节。 仪器总体设计主要考虑以下问题： 1.设计任务书 2.信号转换及传输方式 3.精度设计 4.技术指标确定 5.结构参数 6.可靠性、实用性、经济性、外观造型等 7.总体方案确定
以线纹尺测量为例讲解阿贝原则
B M1 M1' S y
x M2 M2' W T (a) z
B
B
B
M1
S
M1'
M2
W
M2'
T (b)
M1
M2
S M1' W M2'
T (c)
图中共有三种测量方式，一是并联方式（图 （a））；二是串联方式（图（b））；三是横向移 动式（图（c））。 问题：三种测量方式哪种产生的测量误差最小？（也 即精度最高意义下的最佳设计方案） 要搞清这个问题首先应该清楚三种方案的测量原理。 （1）.测量原理 图（a）采用并联方式，标准尺S与被测尺W安装 在 x-y平面内，瞄准用显微镜M1与计数显微镜M2都 刚性地固定在悬壁支架B上，并与x-y平面垂直。工 作时，先用M1,M2瞄准，后移动工作台（或支架）， 再对准测量，两次读数之差即被 测尺寸。
现代精密仪器设计自力更生知识点无法打印
△壹第一章仪器是认识世界的工具，是信息的源头，是人们用来对物质实体机器属性进行观察、监视、测定、验证、记录、传输、变换、显示、分析处理与控制的各种器具与系统的总称。
1、仪器及检测技术已成为促进当代生产的主流环节，仪器整体发展水平是国家综合国力的重要标志之一2、先进的科学仪器设备是知识创新和技术创新的前提3、仪器是信息的源头技术仪器的组成分为以下几个基本组成部分：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8、机械结构部件精密仪器设计的指导思想：1、精度（不确定度）（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）2、经济性3、效率4、可靠性5、寿命6、造型精密仪器的设计程序：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5、技术设计6、制造样机、样机鉴定7、批量投产。
△壹第二章设计方法：创新设计、适应性设计、变形设计设计任务：1、使用要求2、仪器精度（不确定度）（中等精度：直线位移精度为1um～10um，主轴回转精度1um～10um，圆分度精度为1’’-10’’3、生产批量（由市场需要所决定的）4、生产效率5、工作环境6、安全保护确定主要参数与技术指标：1、根据设备的用途确定主要参数.技术指标2、根据测量（加工）对象的主要尺寸确定3、根据测量（加工）精度确定4、根据设备或仪器中的薄弱环节确定5、根据系列化要求确定6、根据产品可靠性与成本的要求确定基本设计原则：1、阿贝原则：“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，阿贝原则可以消除一阶误差，提高了精度2、运动学设计原则：根据物体要求运动的方式（即要求自由度）按上式确定施加的约束数。
同一平面（或线）上的约束点应尽量离开得远些3、变形最小原则：合理安排布置、避免经过变形环节、提高系统的刚度4、基面合一原则：总体设计时，安排布置要尽量用基面合一原则，即应使定位基面尽量与使用基面和加工基面相一致，这样可减小由于基面不一致所带来的误差5、最短传动链原则6、粗精分离原则7、外界环境影响最小原则8、系列化、通用化和标准化原则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12、价值系数最优原则总体方案设计内容：1、工作原理的设计：（1）误差平均原理（误差平均原理是指采用多次重复测量，如多测头、多次重复分度、多次重复曝光等，取得平均误差，以提高精度的方法）（2）位移量同步比较原理（3）误差补偿原理2、基准器件的选择3、运动方式的选取4、主要结构方案的选择5、摩擦及局部变形的考虑6、系统简图的绘制7、总体布局的考虑8、总体精度的分配9、造型与装饰10、总体设计报告仪器的优化设计中，采用三次设计较多：1、系统设计2、参数设计3、允差设计△壹第三章误差定义：当对某物理量进行测量时，所得的数值与标称值之间的差称为误差；标准仪器的测定值可视为真值，称作相对真值；残余误差：P58公式误差的分类：（按误差的性质区分）随机误差、系统误差、粗大误差误差的表示方法：1、绝对误差，即测得值工与被测量真值x0（或相对真值）之差。
现代精密仪器设计考试重点 概念
4. 精密仪器设计的指导思想
（一）精度（不确定度）
（二）经济性
（三）效率
（四）可靠性
（五）寿命
（六）造型
5. 精密仪器设计的程序 如下
（一）根据用户要求、国家发展要求、国内外市场需求等来确定仪器任务
（二）调查研究国内外同类产品的性能和特点等技术指标
（三）对设计任务进行分析，制定设计任务书。
（四）进行总体方案设计。在明确设计任务和深入调查之后，就可以进行总体方案的构
第三章 仪器精度设计与分析
1.与误差有关的概念 （1）理论真值(即名义值)：设计时给定的或是用数学物理公式计算的给定值，如零件
的名义尺寸等。 （2）约定真值：世界各国公认的一些几何量和物理量的最高标准的量值，如作为公制
长度的基准 米 （3）相对真值：如果标准仪器的误差比一般仪器误差小一个数量级，则标准仪器的测
在产品设计师，可靠性通常包括以下内容： （1）失效模式、后果及致命度分析。 （2）可靠性预计及可考靠度分配。 （3）结构、飘移及兼容设计。 （4）安全与维修设计等。 4.可靠性试验 目的：1）发现产品在设计、材料、工艺等方面的缺陷，为改进设计提供依据；
2）提供可靠性数据，为工作状态、维修成本等古迹提供参考。 产品可靠性试验分为破坏性试验和非破坏性试验，主要有寿命实验、可靠性增长试验和 可靠性鉴定试验等。 习题：总体设计前为什么要进行设计任务分析？设计任务分析应该考虑哪些问题？
1.对基座和支承件的主要技术要求： a 刚性 b 抗震性 c 稳定性（时效处理包括自然失效处理与人工时效处理两种）d 热变性
2.导轨的基本要求： A 导向精度；b 刚度；c 耐磨度；d 运动平稳性。
3.主轴系统设计的基本要求： A 回转精度 b 系统刚度 c 系统震动 d 系统温升 e 轴承的耐磨性 f 结构合理性
2 精密仪器总体设计
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。
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。
2.2 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。
2.4 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。
2.4 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
2.2 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
精密仪器设计
③ 主轴系统的振动 ④ 主轴系统的热变形 ⑤ 主轴系统的耐磨性 ⑥ 主轴结构设计的合理性 主轴回转精度： 1）一般把主轴实际回转轴线对理想回转轴线位置的偏移量定义为主轴回转误差。 2）主轴回转误差由轴向窜动误差、径向晃动误差及角运动误差三部分组成。分别表征 轴系的轴向回转精度、径向回转精度和定向精度； 3）主轴的轴向窜动误差又称为轴向偏摆，是主轴回转误差的轴向分量，以主轴几何轴线 的纯轴向窜动量表示。 4）主轴角运动误差是主轴几何轴线对理想轴线的纯角度偏摆量，一般又称为主轴的定 向精度。
1、 精密仪器的基本组成：
基准部件 感受转化部件 转化放大部件 瞄准部件 处理与计算部件 显示部件 驱动部件 机械结构部件 2、 现代精密仪器设计原则：
1．从原理上提高精度的原则 （1） 误差平均原理 （2） 位移量同步比较原理： （3） 误差分离与外偿原理
2. 阿贝原则 3. 运动学设计原理 4. 最小变形原则、功能分离原则 5. 基面统一原则 6. 最短测量链原则 7. 精度匹配原则 8. 仪器零件的标准化、系统化、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 3、 被测参数的精度要求: 中等精度：直线位移、回转精度 1-10um，分度精度：1"-10" 高精度：直线位移、回转精度 0.1-1um，分度精度：0.2"-1" 超高精度：直线位移、回转精度 <0.1um，分度精度：< 0.1" 4、 阿贝原则定义：被测零件的尺寸线和量仪中作为读数用的基准线应顺序排成一条直线。 游标卡尺、螺旋测微仪 5、不服从阿贝原则的比长仪：
限的比值 。（引用误差是一种相对误差） 19、电表的最大允许误差：
精密仪器设计课程设计
精密仪器设计课程设计一、教学目标本课程的教学目标是使学生掌握精密仪器设计的基本原理和方法，培养学生对精密仪器的创新设计和实际操作能力。
具体目标如下：1.知识目标：使学生了解精密仪器的基本概念、结构、工作原理和设计方法，掌握相关数学模型和算法。
2.技能目标：培养学生具备精密仪器设计的基本技能，包括方案设计、参数优化、结构设计等，并能运用相关软件进行实际操作。
3.情感态度价值观目标：培养学生对精密仪器行业的兴趣和责任感，提高学生创新意识和团队协作能力。
二、教学内容根据课程目标，教学内容主要包括以下几个部分：1.精密仪器的基本概念、分类和应用领域。
2.精密仪器的结构、工作原理和性能指标。
3.精密仪器设计的基本方法和流程。
4.精密仪器设计的数学模型和算法。
5.精密仪器设计软件的使用和操作。
6.精密仪器设计实例分析和实践。
三、教学方法为了实现课程目标，我们将采用以下教学方法：1.讲授法：讲解精密仪器的基本概念、原理和设计方法。
2.案例分析法：分析精密仪器设计实例，让学生了解实际设计过程。
3.实验法：让学生动手操作精密仪器设计软件，进行实际设计实践。
4.讨论法：分组讨论设计问题，培养学生的团队协作能力和创新意识。
四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，我们将准备以下教学资源：1.教材：选用权威、实用的精密仪器设计教材作为主要教学资源。
2.参考书：提供相关领域的参考书籍，丰富学生的知识体系。
3.多媒体资料：制作精美的课件、视频等多媒体资料，提高学生的学习兴趣。
4.实验设备：配置相应的计算机设备和软件，确保学生能够进行实际操作。
五、教学评估为了全面、客观地评估学生的学习成果，我们将采用以下评估方式：1.平时表现：通过课堂参与、提问、讨论等环节，评估学生的学习态度和课堂表现。
2.作业：布置适量的作业，评估学生对知识的掌握和应用能力。
3.考试：设置期中考试和期末考试，评估学生的知识水平和综合运用能力。
4.设计实践：学生进行精密仪器设计实践，评估学生的设计能力和创新能力。
第二章 光电仪器总体设计
中 心 调 焦 测 距 望 远 镜
光学成像原理
望远镜根据物镜的种 类可以分为： 1. 折射望远镜：物镜由
透镜或透镜组组成。 施 密 特 采用抛物面镜作为 原理由两个凸透镜望 主镜，光进入镜筒 构成。由于两者之 远 的底端，然后折回 间可方便的安装分 镜 开口处的第二反射
2. 反射式望远镜：除主
照相机结构图
照相机包括镜头和瞄准系 统两大部分，其主要结构有： 镜头、取景器、快门和光圈、 输片计数机构、机身。
照相机光路原理图
光学成像原理
数码相机使用电荷耦 合器CCD/CMOS元 件接收，直接光信号 转变为电信号，通过 信号处理后记录于存 储卡上。
数码相机
数码相机有液晶屏， 拍照的时候可以“即 拍即得”，并可随时 对照片进行查看、删 改处理。
望远镜
观鸟用双筒望远镜
军用望远镜
望远镜一般包括： 1.镜身组：是望远镜的主 体，分左、右镜身。 2.物镜组：由透镜、物镜 筒等组成。 3.目镜组：由透镜、目镜 框、视度手轮等组成。 4.分划板：可对被观察的 已知目标的方向、高低夹 角及视距进行测量。 5.连接轴：是望远镜左、 右镜身的连接件。 6.护盖和背带：为了保护 物镜和目镜透镜。
2.2 信号转换原理的选择
电磁量仪
磁栅 感应同步器 电容传感器 电感 涡流
气动量仪
测量范围：0.02～0.25mm 示值误差：（0.2～1）m
光电仪器中的能量或信号的转换形式是基于光 学原理，采用光电转换技术实现对目标信息的 探测及提取。
光学成像原理
特点：示值误差为0.5～1m；性能稳定、耐用。
3. 折反射望远镜：物镜
是由折射镜和反射镜组 合而成。
级的望远镜都采用 望远镜里先通过折射，再经过反射， 成像是一个倒像， 此种结构。但这种 然后才成像。施密特望远镜光力强， 倒像并不影响天文 结构成像是倒立的， 可见范围大，成像的质量也比较好， 观测，因此牛顿反 所以要在中间增加 因而特别适用于进行流星、慧星、人 射望远镜是天文学 正像系统。 造卫星等的巡视观测，也常用于大面 使用的最佳选择。 积造相和天文科普活动。
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设计方法（决策、技术）
企业/产品成败
设计科学与设计方法学是一门新兴学科！ 设计科学是设计领域中逻辑关系的综合。
找出最佳方案
从 经验设计 科学设计
保证设计质量 减小设计冒险度
从事创造性设计
设计方法与理论—— 系统工程 有限元(FEM) 价值工程 优化设计 可靠性设计 计算机辅助设计(CAD)
可靠性计划各阶段流程图
4.计算机辅助设计（CAD）
应用领域广泛——输入、设计、计算、绘图、缩放、识别等。
人——机合作
最大限度发挥 人与机的功能
创造性——人来完成
（机器无法代替）
常规性——机器完成
有限元……（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的
问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的 互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推 导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。 这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。 由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能 适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
确定可靠性特征量；发现设计、材料、工艺的缺陷；提供可靠性 数据以备后用
破坏性
试验方法
非破坏性
！
产品复杂度不同，试验条件、抽样方法、数据处理及统计方法不
同需要特别声明。
(4) 可靠性评定
点估计法
统计方法
区间估计法
(5)可靠性管理
管理工作与技术规范等均属可靠性管理工作。
仪表工业——技术高、品种多、材料新、工艺新，可靠找出对系统性能影响大的重要元件，分析计算； 找出高质量、低成本的合理设计方案。
三次设计后：产品质量
最佳平均值
质量正态分布
3.可靠性设计
可靠性——是在规定时间和条件下，完成规定功能的概率。 用可靠度、失效率、寿命、维修度及有效性等表征。
—— 产品分析、设计、试验、统计和管理
系统输入
结构集合 参数集合
最优设计参数
三个阶段
系统设计 参数设计 允差设计
(1)系统设计 专业技术人员按设计产品机构和各元器件中心值及误差进行设计； 主要采用传统设计方法——试验方法、经验公式和设计者经验； 只要设计达到要求，即结束（未考虑优化问题）。
(2)参数设计——新的设计技术 目的——庞大组合关系中找出最好参数搭配关系，使质量最稳定可靠。 方法——利用非线性技术以及多种因素搭配关系的优选技术。 结果——改变第一次设计的中心值，提高精度和稳定性。 手段——应用正交表，在计算机上完成。
二、新产品设计试制过程
1.产品设计三种类型
创新性设计； 适应性设计； 变型设计
(1)创新性设计——开发新产品 市场需要 拟定设计原理、方案 特点——要进行理论探讨、试验，有类似仪器参考。
！ 原始创新
1982年， IBM发明了扫描隧道显微镜（STM）－观察到原子在物质表面排列， 被认为80年代世界10大科技成果，1986年获得诺贝尔物理奖。
总体设计对设计师要求很高： 既要赶超世界水平、又要符合中国国情； 技术上先进、经济上合理； 使用方便、维修简便。
实例：XWY-1型动物纤维细度测量仪
先进性—— 精密机械－显微镜－数字CCD－计算机 边缘提取、角点链码、亚像素定位
经济性—— 专业光源 普通光源
实用性—— 自动测量、显示与打印输出
1986年，美国发明原子力显微镜（AFM）达到原子级分辨率。 市场前景广阔：~1994年生产1400台，2.8亿。
(2)适应性设计——科研工作 有仪器参考。
特点——保留原仪器原理方案 个别零部件重新设计。
(3)变型设计——通常在工厂 如Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型等。
特点——原产品比较好 改动尺寸或布局。
✓创新设计 －－创新性开发新产品 ✓适应性设计
(1) 可靠性分析——可靠性基础内容之一。
不同角度分析、建立数学模型、逻辑图、分析各部件原理关系等。
(2) 可靠性设计
可行性研究——达到目标众多途径与手段中选最优一种，工程决策 可靠性设计——失效形式、后果与致命度 可靠性预计与分配。 结构、漂移及兼容改进 安全与维修设计
(3)可靠性试验
仪器已销售到张家港、内蒙、宁夏、新疆等单位，检测速度较国 内常规检测方法快100倍以上，且降低检测人员技术要求，为检测部 门节约大量人力。
指导思想——
原理正确 技术先进 实践可行 经济合理 产品竞争力 (效率、寿命、造型)
总体设计不合理
竞争中被淘汰
§ 2.1 设计方法概述
一、仪器设计方法
设计意义、作用和影响评估，从——产品质量；经济价值；进程速度 三个方面体现。
1.系统工程设计
系统——按一定秩序分布的各元素的总体。 工程——产生一定效能的方法。
系统工程的工作过程
信息获取 信息处理 信息数据给定
产 品 设 计 应 用 系 统 工 程 的 工 作 流 程
2.优化设计
优化设计内容比较丰富，只介绍 三次设计技术 目的——将优化技术应用到设计过程中，以获得比较合理 设计参数
技术先进性对比
性能参数
测量范围 测量速度 测量重复性 相对误差 长期测量稳定性
XWY－1
OFDA100
4～300m
3～300m
最大可达 130根/s 20s～50s内2000～5000根
小于0.15m
小于0.22m
小于0.6%
无
小于0.15m
无
经济效益分析
与国外同类仪器相比，价格大幅度降低，每台仪器价格仅相当于 进口仪器（约50万元人民币）1/3；
－－在保留原理方案的基础上，在系统部件重新设计
✓变型设计
－－在原产品的功能、方案原理和结构基础上，改变 尺寸大小和结构布局，系列化。
2.新产品的设计试制
原则——
技术先进、结构简单 容易加工制造 使用操作维修方便 安全、美观 性价比好等
精密仪器设计
Design of Precision Instrument
第三讲
本章内容：
§ 2.1 设计方法概述 § 2.2 设计任务分析 § 2.3 主要参数指标 § 2.4 总体方案制定
意义——总体设计是战略性、方向性、把握全局性的设计。 仪器功能与性能成败的关键。
标准—— 先进性——原理、结构（世界竞争）； 经济性——加工和装配，性能和价格比； 实用性——操作方便，适合中国国情。