精密儀器設計

DesignofPrecisionInstrument第三講編輯ppt本章內(nèi)容：

§2.1

設計方法概述§2.2

設計任務分析§2.3

主要參數(shù)指標§2.4

總體方案制定第二章精密儀器總體設計編輯ppt意義——總體設計是戰(zhàn)略性、方向性、把握全局性的設計。儀器功能與性能成敗的關鍵。標準—— 先進性——原理、結構（世界競爭）； 經(jīng)濟性——加工和裝配，性能和價格比； 實用性——操作方便，適合中國國情?？傮w設計對設計師要求很高：

既要趕超世界水平、又要符合中國國情；

技術上先進、經(jīng)濟上合理；

使用方便、維修簡便。第二章精密儀器總體設計編輯ppt實例：XWY-1型動物纖維細度測量儀先進性——精密機械－顯微鏡－數(shù)字CCD－計算機邊緣提取、角點鏈碼、亞像素定位經(jīng)濟性——專業(yè)光源普通光源實用性——自動測量、顯示與打印輸出編輯ppt性能參數(shù)XWY－1OFDA100測量范圍4～300m3～300m測量速度最大可達130根/s20s～50s內(nèi)2000～5000根測量重復性小于0.15m小于0.22m相對誤差小于0.6%無長期測量穩(wěn)定性小于0.15m無技術先進性對比與國外同類儀器相比，價格大幅度降低，每臺儀器價格僅相當于進口儀器（約50萬元人民幣）1/3；儀器已銷售到張家港、內(nèi)蒙、寧夏、新疆等單位，檢測速度較國內(nèi)常規(guī)檢測方法快100倍以上，且降低檢測人員技術要求，為檢測部門節(jié)約大量人力。經(jīng)濟效益分析編輯ppt指導思想——

原理正確

技術先進

實踐可行

經(jīng)濟合理

產(chǎn)品競爭力(效率、壽命、造型)總體設計不合理競爭中被淘汰編輯ppt

§2.1設計方法概述設計意義、作用和影響評估，從——產(chǎn)品質(zhì)量；經(jīng)濟價值；進程速度三個方面體現(xiàn)。設計科學與設計方法學是一門新興學科！設計科學是設計領域中邏輯關系的綜合。找出最佳方案保證設計質(zhì)量減小設計冒險度從事創(chuàng)造性設計從經(jīng)驗設計

科學設計

設計方法（決策、技術）企業(yè)/產(chǎn)品成敗一、儀器設計方法編輯ppt系統(tǒng)工程有限元(FEM)

價值工程優(yōu)化設計可靠性設計

計算機輔助設計(CAD)設計方法與理論——1.系統(tǒng)工程設計系統(tǒng)——按一定秩序分布的各元素的總體。工程——產(chǎn)生一定效能的方法。信息獲取信息處理信息數(shù)據(jù)給定系統(tǒng)工程的工作過程編輯ppt

產(chǎn)品設計應用系統(tǒng)工程的工作流程編輯ppt2.優(yōu)化設計

優(yōu)化設計內(nèi)容比較豐富，只介紹三次設計技術目的——將優(yōu)化技術應用到設計過程中，以獲得比較合理設計參數(shù)系統(tǒng)輸入結構集合參數(shù)集合最優(yōu)設計參數(shù)系統(tǒng)設計參數(shù)設計允差設計三個階段編輯ppt(1)系統(tǒng)設計專業(yè)技術人員按設計產(chǎn)品機構和各元器件中心值及誤差進行設計；主要采用傳統(tǒng)設計方法——試驗方法、經(jīng)驗公式和設計者經(jīng)驗；只要設計達到要求，即結束（未考慮優(yōu)化問題）。(2)參數(shù)設計——新的設計技術目的——龐大組合關系中找出最好參數(shù)搭配關系，使質(zhì)量最穩(wěn)定可靠。方法——利用非線性技術以及多種因素搭配關系的優(yōu)選技術。結果——改變第一次設計的中心值，提高精度和穩(wěn)定性。手段——應用正交表，在計算機上完成。編輯ppt(3)允差設計目的——找出對系統(tǒng)性能影響大的重要元件，分析計算；

找出高質(zhì)量、低成本的合理設計方案。最佳平均值三次設計后：產(chǎn)品質(zhì)量質(zhì)量正態(tài)分布編輯ppt3.可靠性設計可靠性——是在規(guī)定時間和條件下，完成規(guī)定功能的概率。用可靠度、失效率、壽命、維修度及有效性等表征。——產(chǎn)品分析、設計、試驗、統(tǒng)計和管理

(1)可靠性分析——可靠性基礎內(nèi)容之一。不同角度分析、建立數(shù)學模型、邏輯圖、分析各部件原理關系等。(2)可靠性設計可行性研究——達到目標眾多途徑與手段中選最優(yōu)一種，工程決策可靠性設計——失效形式、后果與致命度可靠性預計與分配。結構、漂移及兼容改進安全與維修設計編輯ppt(3)可靠性試驗確定可靠性特征量；發(fā)現(xiàn)設計、材料、工藝的缺陷；提供可靠性數(shù)據(jù)以備后用破壞性非破壞性試驗方法！產(chǎn)品復雜度不同，試驗條件、抽樣方法、數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計方法不同需要特別聲明。(4)可靠性評定(5)可靠性管理管理工作與技術規(guī)范等均屬可靠性管理工作。點估計法區(qū)間估計法統(tǒng)計方法儀表工業(yè)——技術高、品種多、材料新、工藝新，可靠性尤為重要編輯ppt可靠性計劃各階段流程圖編輯ppt4.計算機輔助設計（CAD）應用領域廣泛——輸入、設計、計算、繪圖、縮放、識別等。人——機合作最大限度發(fā)揮人與機的功能創(chuàng)造性——人來完成

（機器無法代替）常規(guī)性——機器完成有限元……（FEA，F(xiàn)initeElementAnalysis）的基本概念是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的(較簡單的）近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件(如結構的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。編輯ppt二、新產(chǎn)品設計試制過程

1.產(chǎn)品設計三種類型

創(chuàng)新性設計；適應性設計；變型設計

1982年，IBM發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（STM）－觀察到原子在物質(zhì)表面排列，被認為80年代世界10大科技成果，1986年獲得諾貝爾物理獎。

1986年，美國發(fā)明原子力顯微鏡（AFM）達到原子級分辨率。市場前景廣闊：~1994年生產(chǎn)1400臺，2.8億。原始創(chuàng)新！(1)創(chuàng)新性設計——開發(fā)新產(chǎn)品市場需要

擬定設計原理、方案

特點——要進行理論探討、試驗，有類似儀器參考。

編輯ppt(2)適應性設計——科研工作有儀器參考。

特點——保留原儀器原理方案個別零部件重新設計。(3)變型設計——通常在工廠如Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型等。

特點——原產(chǎn)品比較好改動尺寸或布局。創(chuàng)新設計－－創(chuàng)新性開發(fā)新產(chǎn)品適應性設計－－在保留原理方案的基礎上，在系統(tǒng)部件重新設計變型設計－－在原產(chǎn)品的功能、方案原理和結構基礎上，改變尺寸大小和結構布局，系列化。編輯ppt2.新產(chǎn)品的設計試制

原則——技術先進、結構簡單容易加工制造使用操作維修方便安全、美觀性價比好等編輯ppt新產(chǎn)品設計試制過程

計劃任務分析決策總體設計任務書方案設計結構設計零部件設計技術文檔說明書總體報告組成原理方案比較設計圖實現(xiàn)方法存在難點解決方法試制成本評估研制報告鑒定（文件）批量生產(chǎn)[系統(tǒng)/市場/股票分析員]編輯ppt新產(chǎn)品設計試制進程編輯ppt新產(chǎn)品設計四階段：(1)關鍵技術分析——由試驗獲取設計數(shù)據(jù)，同時驗證理論是否可行；[光刻機－機械、光點、掩膜等](2)模擬試驗裝置設計與試制[轉臺－機械、電控等]；(3)樣機設計與試制；(4)定型設計與試制?？傮w設計——是一個反復設計的過程，要經(jīng)過理論實踐理論再實踐反復過程，不可能一次完成。！編輯ppt

§2.2設計任務分析目的——了解設計任務各種要求，收集資料；

分析設計的關鍵，分清主次；設計方案比較；提出設計技術指標。內(nèi)容——使用要求精度

批量生產(chǎn)效率工作環(huán)境安全保護編輯ppt1.使用要求

§2.2設計任務分析（1）一定范圍內(nèi)有效地實現(xiàn)預期功能要求——儀器本身角度（2）搞清楚使用對象

“用戶是上帝”——操作者角度（3）提出各項設計技術指標“儀器設計出發(fā)點和歸宿”——設計者角度X－Y－Z三自由度三坐標測量機X－Y兩自由度萬能工具顯微鏡一個方向移動阿貝測量儀自由度儀器類型不同使用要求，其方案結構不相同編輯ppt2.精度——儀器設計的關鍵精度直線位移精度主軸回轉精度圓分度精度中1－10μm1—10μm1—10"高0.1－1μm0.1－1μm0.2—1"超高<0.1μm<0.1μm<0.2"可分三類：中

高

超高精度要求不同，方案差異很大，甚至原理不同，價格差距懸殊。！編輯ppt由精度要求，合理選擇方案——精度/經(jīng)濟性

匹配高精度方案低精度方案低精度儀器高精度儀器不經(jīng)濟達不到要求╳編輯ppt3.批量——決定于市場需要批量不同——方案不同、加工方法也應有所不同單件小批——多采用通用機床，盡量少采用鑄件；批量——專用機床、夾具、鑄、鍛件；零部件系列化、通用化、標準化

提高效率、降低成本。4.生產(chǎn)效率——單位時間加工（測量、檢測）工件數(shù)效率的確定應考慮與自動化相關聯(lián)。編輯ppt室外——環(huán)境差如：攪拌機；注意：防塵、防油、防腐等室內(nèi)——條件好如：高精度儀器（超凈室、隔音、防震等）；

地理位置——經(jīng)緯儀，注意：“南熱/北冷”影響。6.安全保護儀器首先是安全，特別是人身安全！不同儀器，應采取不同措施——（1）用殼保護，如：高壓、放射性、有毒氣體等；（2）操作安全——接地；（3）儀器本身安全，如：過載保護、限位、停電保護等[轉臺]。5.工作環(huán)境工作環(huán)境不同，儀器結構差異也很大?！駝?、溫度、濕度、凈化度、天氣等編輯ppt

§2.3主要參數(shù)與技術指標通常用戶——只能提出使用要求：

例如——用戶提出要測64K集成電路的儀器。這不能作儀器設計起始數(shù)據(jù)，應經(jīng)設計者“翻譯”成正式的儀器設計要求。64K線寬2.5μm儀器精度<1μm編輯ppt一、精密機械設備與儀器的技術指標

（1）工作性能——加工（測量）對象尺寸范圍、運動參數(shù)以及自動化程度等（2）精度——精確度、分辨率、靈敏度、重復精度等（3）效率——如生產(chǎn)（檢測）效率（4）可靠性——平均故障間隔時間（MTBF）（5）維修性——平均修理時間（MTTR）（6）安全性——1-P，P為故障概率（7）外形尺寸、重量性/價最佳性能——追求高指標價值——追求高利潤設計者編輯ppt二、確定設計參數(shù)與指標的方法

1.根據(jù)設備的用途用戶提出的是使用要求，設計者應根據(jù)用戶使用要求轉換成設計工作所需的指標。依據(jù)——經(jīng)驗、試驗、統(tǒng)計、專用或者通用。2.根據(jù)加工（測量）對象的主要尺寸根據(jù)加工（測量）對象主要尺寸確定儀器的主要指標。（1）微細加工設備

硅片＝3′′4′′5′′行程>?75?100?1251英寸=25.4mm（2）三坐標測量機主孔

工件<600mm小型600—2m中型>2m大型編輯pptS>Rmax（3）顯微鏡工作距編輯ppt3.根據(jù)加工（測量）的精度要求確定主要參數(shù)和技術指標（1）參數(shù)本身對精度影響——設計時取不同參數(shù)對儀器產(chǎn)生不同精度。光學測頭杠桿比(l2/l1)確定：

l1——光學杠桿長度；

l2——機械杠桿長度；

l3——顯微工作尺寸；編輯ppt編輯ppt（2）力變形對儀器精度影響

——某些參數(shù)由于受力變形對精度影響很大三坐標測量機受力變形對精度影響機型分析——不同結構形式受力不同，變形對精度影響也不同，故應根據(jù)設計精度選型。懸臂式——變形大

精度<0.01mm/m橋式、龍門式——剛性好主軸式——適于小型測量機臥軸式——適于中型及精密測量機編輯ppt懸臂式橫臂變形及其對測量精度影響舉例A點變形及轉角——測頭自重、橫梁自重與立柱彎曲編輯ppt同理，可得B點變形及轉角結論——（1）變形引起的垂直方向測量誤差Δ1＝3.43mm（2）不符合阿貝原則引起測量誤差Δ2＝1.1mm

Δ2=S(θA-θB)(假定S=1000mm)參數(shù)設計不合理對儀器精度影響很大，因此設計過程要考慮選型，正確選擇參數(shù)，并采取結構措施（本例：空心、反變形、卸載等）。！編輯ppt4.根據(jù)儀器的薄弱環(huán)節(jié)儀器特點：精度高、承載小、速度較低；很少強度校核;剛度、變形、振動、精度為主要考慮因素；彈性變形、摩擦、振動與低速爬行突出問題；設計中，應著重關鍵和薄弱環(huán)節(jié)加以解決。5.根據(jù)標準化、系列化精密儀器設計中各種參量應參閱有關手冊，盡量采用標準系列。6.根據(jù)可靠性與成本要求精密儀器設計應結合必要性和可能性提出可靠性的合理指標，使用戶獲得最大性價比的儀器。編輯ppt

§2.4總體方案制定

總體方案制定是在設計任務分析

確定主要參數(shù)及技術指標

的基礎之上進行的?？傮w方案內(nèi)容：工作原理、方案分析和比較；繪制系統(tǒng)簡圖總體布局、精度分配；總裝配圖繪制、造型與裝飾設計；編寫總體報告。編輯ppt

§2.4總體方案制定一、基本設計原則

阿貝原則

運動學設計原則

變形最小原則

基面合一原則

最短傳動鏈原則

粗精分開原則

外界環(huán)境影響最小原則 系列化、通用化和標準化原則

結構工藝性良好原則

可靠安全、維修操作方便原則

造型與裝飾宜人原則 價值系數(shù)最優(yōu)原則編輯ppt1.阿貝（Abbe）原則

1890年，Abbe提出一項量儀設計的指導性原則——“要使量儀給出準確的測量結果，必須將被測件布置在基準元件沿運動方向的延長線上”?！簿€原則舉例線紋尺測量的三種方式編輯pptδ1——一階誤差（First-orderError）δ2——二階誤差（Second-orderError）結論——遵守阿貝原則可以消除一階誤差。！編輯ppt遵守阿貝原則可提高精密儀器的精度，但做到遵守阿貝原則是比較困難的。因此，應考慮補償措施。（Ⅰ）結構補償（Ⅱ）補償措施提高導軌精度[φ

↓]；減少讀數(shù)線與被測線的距離[a

↓]；愛彭斯坦（Epstein）原理；直接補償；布萊恩原則。編輯ppt（1）愛彭斯坦（Epstein）原理——利用各種機構，使可能產(chǎn)生的誤差相互抵消或者消弱，或者引進新的誤差，以減小某些誤差的影響。舉例測長機——測點原理M2結論——儀器為二次誤差！特點——違背阿貝原理；透鏡補償阿貝誤差；——誤差補償原理編輯ppt編輯ppt（2）直接補償——采用光柵、激光定位等儀器，根據(jù)其測得的值直接對儀器的阿貝誤差進行補償。編輯ppt（3）布萊恩原則——位移測量系統(tǒng)工作點的路程應和被測位移作用點的路程位于同一直線上。若以上不可能，則必須做到：

導軌沒有角運動。

計算出角運動產(chǎn)生的位移，進行補償。滿足以上三個條件之一——“廣義阿貝原則”兩坐標測量機舉例（a）Z向干涉儀1的軸線延長線通過測端17的中心——符合阿貝原則；（b）Y向干涉儀不過測端中心，但通過誤差補償——符合廣義阿貝原則。編輯ppt2.運動學設計原則空間物體的自由度和約束的關系：

S＝6－Q其中S－自由度，Q－約束。運動學設計原則——根據(jù)運動方式（S）來確定約束數(shù)（Q）一個平面上最多3個約束；一條直線上最多2個約束；約束點盡量離得遠；約束應是點接觸；約束面應垂直欲限制自由度的方向。約束布置：編輯ppt滿足運動學設計原則的優(yōu)點——最少接觸點作用力預先計算而可控避免過大的力引起變形；點接觸定位精確可靠；降低對加工精度要求，磨損后可修正；拆卸后可準確復位。舉例符合運動學設計原則的導軌與軸系編輯ppt不足——理想的點是不存在；受力變形后，接觸點面；點接觸易磨損；半運動學設計——將點接觸適當擴大為有限面積，運動學原則不變。舉例符合半運動學設計原則的設計編輯ppt3.變形最小原則變形（不可避免）溫度受力

┇最小變形（3）

提高系統(tǒng)剛度措施——（1）合理安排布局（2）

避免經(jīng)過變形環(huán)節(jié)刻尺裝置編輯ppt舉例典型實例——光電光波比長儀工作臺為了減小變形影響，工作臺設計中采用工作臺、床身、基座三層結構。4－平面球支承5－圓錐球窩支承6－

V型球窩支承（1）符合變形最小原則——工作臺移動重量始終過三支點作用在基座上，僅力大小變化，而無方向和位置變化。運動力通過底座下三支點（對應）直接作用地基，基座變形最小。優(yōu)點——（2）符合阿貝原則——保證激光轉角、光電顯微鏡、干涉儀的顯微鏡均固定在與基座相聯(lián)構件上，精度不受工作臺變動影響。（3）符合定位原則——無另加限制，避免不良約束造成內(nèi)應力；溫度變化自由伸縮不受約束，無內(nèi)應力。能自動定位，無附加力，為自動定位設計；抗振性差。photoelectricinterferometriccomparator編輯ppt4.基面合一原則減小基面不一造成誤差合一定位基面加工基面使用基面舉例阿基米德螺旋線分化板安裝與使用的基面——球窩1、分劃板2、球窩7主軸球窩——為加工基準，與使用基準重合外圓——為加工基準，與使用基準不重合編輯ppt5.最短傳動鏈原則主傳動鏈輔助傳動鏈傳動鏈傳動鏈——越短越好；設計結構——越簡單，性能越穩(wěn)定，精度易保證。舉例新/舊工具顯微鏡的比較工作臺千分螺桿讀數(shù)線紋尺、光柵、激光干涉儀編輯ppt6.粗精分離原則高速度與高精度大行程與高精度儀器設計矛盾——！舉例編輯ppt阿貝原則運動學原則變形最小原則基面合一原則最短傳動鏈原則粗精分開原則設計原則排序7.其它原則

外界環(huán)境影響最小原則

系列化、通用化和標準化原則

工作可靠、安全、維修與操作方便原則

結構工藝性良好原則

造型與裝飾宜人原則

價值系數(shù)最優(yōu)原則編輯ppt二、總體方案制定內(nèi)容

工作原理的設計基準器件的選擇運動方式選取結構方案的選擇摩擦與變形的考慮系統(tǒng)簡圖的繪制總體布局的考慮精度分配造型與修飾總體設計報告主要內(nèi)容——編輯ppt1.工作原理設計——總體設計的關鍵創(chuàng)造性原理——不一定全是發(fā)明新理論，可將已有理論，只要前人沒有用過，應用到新儀器設計中，既為發(fā)明或獨創(chuàng)。設計方法理論：

誤差平均原理；

位移同步比較原理；

誤差補償原理（1）誤差平均原理——采取一定方法，將儀器或部件誤差均化以提高精度。舉例雙讀數(shù)頭系統(tǒng)消除偏心誤差莫爾條紋編輯ppt二進制碼盤編輯ppt編輯ppt編輯ppt編輯ppt編輯ppt（2）位移同步比較原理——當相應的位移作同步運動過程中，分別測出位移量，由其特定關系進行比較實現(xiàn)測量和控制。舉例絲杠動態(tài)測量儀采用兩套測量系統(tǒng)圓光柵系統(tǒng)——測量轉角激光干涉系統(tǒng)——測量位移結構簡單，測量鏈短；精度高，反映動態(tài)精度；特點編輯ppt（3）誤差補償原理——應用最廣的設計原理，特別是微機的應用提供了補償?shù)臈l件，主要包括調(diào)整、校正、補償?shù)?。編輯ppt2.基準器件選擇種類傳統(tǒng)——標尺、絲杠、蝸輪、度盤近代——激光、光柵、碼尺應用原理測量方法結構精度抗干擾應用激光光電相對復雜最高差一般光柵光電相對較復雜高強較方便磁柵磁電相對簡單較低強很方便碼盤光電絕對較復雜較高很強方便感應同步器磁電絕對較簡單中高強方便標尺光電相對簡單中高很強方便機械元件機械相對簡單低強方便編輯ppt3.運動方式選擇將設計原理具體化決定器件的效率、控制方式、結構及精度。間歇運動——機構簡單、受靜摩