精密儀器設(shè)計Design

of

PrecisionInstrument本章內(nèi)容：§

2.1§

2.2§

2.3§

2.4設(shè)計方法概述設(shè)計任務(wù)分析設(shè)計參數(shù)指標總體方案制定意義——總體設(shè)計是戰(zhàn)略性、方向性、把握全局性的設(shè)計。儀器功能與性能成敗的關(guān)鍵。標準——

先進性——原理、結(jié)構(gòu)（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(shè)計對設(shè)計師要求很高：

既要趕超世界水平、又要符合中國國情；

技術(shù)上先進、經(jīng)濟上合理；

使用方便、維修簡便。指導(dǎo)思想——

原理正確

技術(shù)先進

實踐可行

經(jīng)濟合理

產(chǎn)品競爭力(效率、壽命、造型)總體不合理競爭中被淘汰！設(shè)計方法概述保證設(shè)計質(zhì)量

減小設(shè)計冒險度從事創(chuàng)造性設(shè)計從實踐設(shè)計科學(xué)設(shè)計設(shè)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(shè)計方法（決策、技術(shù)） 企業(yè)/產(chǎn)品成敗設(shè)計方法學(xué)——設(shè)計領(lǐng)域中邏輯關(guān)系的綜合,一門新興學(xué)科。找出最佳方案§

2.1一、儀器設(shè)計方法

系統(tǒng)工程

有限元(FEM)價值工程

優(yōu)化設(shè)計

可靠性設(shè)計計算機輔助設(shè)計(CAD)設(shè)計方法——1.系統(tǒng)工程設(shè)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應(yīng)用目的能量流能量流信息流信息流材料流材料流三大流互相轉(zhuǎn)換產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)工程的工作流程2.優(yōu)化設(shè)計優(yōu)化設(shè)計內(nèi)容比較豐富，只介紹三次設(shè)計技術(shù)目的——將優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計過程中，以獲得比較合理設(shè)計參數(shù)系統(tǒng)輸入系統(tǒng)輸入結(jié)構(gòu)集合結(jié)構(gòu)集合參數(shù)集合參數(shù)集合最優(yōu)設(shè)計參數(shù)最優(yōu)設(shè)計參數(shù)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)設(shè)計允差設(shè)計三個階段(1)系統(tǒng)設(shè)計

專業(yè)技術(shù)人員按設(shè)計產(chǎn)品機構(gòu)和各元器件中心值及誤差進行設(shè)計；

主要采用傳統(tǒng)設(shè)計方法——試驗方法、經(jīng)驗公式和設(shè)計者經(jīng)驗；

只要設(shè)計達到要求，即結(jié)束（未考慮優(yōu)化問題）。(2)參數(shù)設(shè)計——新的設(shè)計技術(shù)目的——龐大組合關(guān)系中找出最好參數(shù)搭配關(guān)系，使質(zhì)量最穩(wěn)定可靠。方法——利用非線性技術(shù)以及多種因素搭配關(guān)系的優(yōu)選技術(shù)。結(jié)果——改變第一次設(shè)計的中心值，提高精度和穩(wěn)定性。手段——應(yīng)用正交表，在計算機上完成。(3)允差設(shè)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(shè)計方案。最佳平均值三次設(shè)計后：產(chǎn)品質(zhì)量質(zhì)量正態(tài)分布！3.可靠性設(shè)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?！a(chǎn)品分析、設(shè)計、試驗、統(tǒng)計和管理————可靠性分析——可靠性基礎(chǔ)內(nèi)容之一。不同角度分析、建立數(shù)學(xué)模型、邏輯圖、分析各部件原理關(guān)系等?？煽啃栽O(shè)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(shè)計——失效形式、后果與致命度

可靠性預(yù)計與分配。

結(jié)構(gòu)、漂移及兼容改進

安全與維修設(shè)計(3)可靠性試驗確定可靠性特征量；發(fā)現(xiàn)設(shè)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(fù)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)可靠性評定點估計法

區(qū)間估計法統(tǒng)計方法(5)可靠性管理管理工作與技術(shù)規(guī)范等均屬可靠性管理工作。儀表工業(yè)——技術(shù)高、品種多、材料新、工藝新，可靠性尤為重要可靠性計劃各階段流程圖4.計算機輔助設(shè)計（CAD）應(yīng)用領(lǐng)域廣泛——輸入、設(shè)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……二、新產(chǎn)品設(shè)計試制過程1.產(chǎn)品設(shè)計三種類型(1)創(chuàng)新性設(shè)計——開發(fā)新產(chǎn)品

市場需要

擬定設(shè)計原理、方案特點——要進行理論探討、試驗，有類似儀器參考。(2)適應(yīng)性設(shè)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(shè)計。(3)變型設(shè)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。2.新產(chǎn)品的設(shè)計試制原則——

技術(shù)先進、結(jié)構(gòu)簡單

容易加工制造

使用操作維修方便

安全、美觀

性價比好等新產(chǎn)品設(shè)計試制進程§

2.1設(shè)計方法概述新產(chǎn)品設(shè)計四階段：關(guān)鍵技術(shù)分析——由試驗獲取設(shè)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]模擬試驗裝置設(shè)計與試制[轉(zhuǎn)臺－機械、電控等]；樣機設(shè)計與試制；

(4)定型設(shè)計與試制。總體設(shè)計——是一個反復(fù)設(shè)計的過程，要經(jīng)過理論

實踐

理論

再實踐反復(fù)過程，不可能一次完成。！§

2.2設(shè)計任務(wù)分析目的——

了解設(shè)計任務(wù)各種要求，收集資料；

分析設(shè)計的關(guān)鍵，分清主次；

設(shè)計方案比較；

提出設(shè)計技術(shù)指標。內(nèi)容——

使用要求

批量

工作環(huán)境

精度

生產(chǎn)效率

安全保護§

2.2設(shè)計任務(wù)分析儀器類型自由度阿貝測量儀一個方向移動萬用工顯微鏡X－Y兩自由度三坐標測量機X－Y－Z三自由度1.使用要求一定范圍內(nèi)有效地實現(xiàn)預(yù)期功能要求——儀器本身角度搞清楚使用對象“用戶是上帝”——操作者角度提出各項設(shè)計技術(shù)指標“儀器設(shè)計出發(fā)點和歸宿”——設(shè)計者角度不同使用要求，其方案結(jié)構(gòu)不相同2.精度——儀器設(shè)計的關(guān)鍵精度直線旋轉(zhuǎn)分度中1－10μm1—10

μm1—10"高0.1－1μm0.1－1μm0.2—1

"超高<

0.1μm<

0.1

μm<

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。！3.批量——決定于市場需要批量不同——方案不同、加工方法也應(yīng)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(yīng)考慮與自動化相關(guān)聯(lián)。如：SLIC——采用專用設(shè)備、自動化與智能化，其目的是盡量減少人干預(yù)，提高生產(chǎn)效率。6.安全保護儀器首先是安全，特別是人身安全！不同儀器，應(yīng)采取不同措施——用殼保護，如：高壓、放射性、有毒氣體等；操作安全——接地；儀器本身安全，如：過載保護、限位、停電保護等[轉(zhuǎn)臺]。5.工作環(huán)境工作環(huán)境不同，儀器結(jié)構(gòu)差異也很大。——振動、溫度、濕度、凈化度、天氣等

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。一、設(shè)計參數(shù)與技術(shù)指標工作性能——加工（測量）對象尺寸范圍、運動參數(shù) 以及自動化程度等精度——精確度、分辨率、靈敏度、重復(fù)精度等效率——如生產(chǎn)（檢測）效率可靠性——平均故障間隔時間（MTBF）維修性——平均修理時間（MTTR）安全性——1-P，P為故障概率外形尺寸、重量設(shè)計者性能——追求高指標性/價最佳價值——追求高利潤§

2.3設(shè)計參數(shù)與指標二、確定設(shè)計參數(shù)與指標的方法1.根據(jù)設(shè)備的用途用戶提出的是使用要求，設(shè)計者應(yīng)根據(jù)用戶使用要求轉(zhuǎn)換成設(shè)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(shè)備′′硅片

＝

3′′

4

′′

5行程

>

?75?100?125（2）三坐標測量機主孔工件

<

600mm600—2m>

2m小型中型大型3.根據(jù)加工（測量）的精度要求（1）參數(shù)本身對精度影響——設(shè)計時取不同參數(shù)對儀器產(chǎn)生不同精度。光測頭杠桿比(l2/l1)確定：l1——光學(xué)杠桿長度；

l2——機械杠桿長度；

l3——顯微工作尺寸；l2側(cè)頭O

fi

O'，產(chǎn)生位移量D1反射角q，光線反射2qy

=

l1

·

2qq＝D

/

l2\

y

?

2l1Dmin2l12l1y=

0.2l2則，瞄準誤差D＝

l2

ymin=

a

250

＝

0.00005

·

250

?

0.4mmTa

30若：瞄準精度a

?

10（''

0.00005

弧度），Ta

=

303l3太小顯微光路結(jié)構(gòu)困難。\

l1

?

fi

l

fl可見：D與l1、l2有關(guān)（1）l1

?

fi

D

fl

l1＋l3＝ffi

測量瞄準困難。fi

D

fl（2）l2

fll2太?。?）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(jié)構(gòu)形式受力不同，變形對精度影響也不同，故應(yīng)根據(jù)設(shè)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4.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；

低速的爬行；設(shè)計中，應(yīng)著重關(guān)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(shè)計中各種參量應(yīng)參閱有關(guān)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(shè)計應(yīng)結(jié)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?？傮w方案制定§

2.4設(shè)計任務(wù)分析確定主要參數(shù)及技術(shù)指標總體方案制定總體方案內(nèi)容：

工作原理、方案分析和比較；

系統(tǒng)簡圖、總體布局；

精度分配、造型與裝飾；

總體報告。§

2.4總體方案制定一、基本設(shè)計原則

運動學(xué)設(shè)計原則

基面合一原則

粗精分開原則

阿貝原則

變形最小原則

最短傳動鏈原則

外界環(huán)境影響最小原則

系列化、通用化和標準化原則

結(jié)構(gòu)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1.阿貝（Abbe）原則1890年，Abbe提出一項量儀設(shè)計的指導(dǎo)性原則——“要使量儀給出準確的測量結(jié)果，必須將被測件布置在基準元件沿運動方向的延長線上”。——共線原則舉例線紋尺測量的三種方式2''22212jd2

=

d

'

+d

'

=

cj

22

2繞Y軸轉(zhuǎn)動，d

?

c繞Z軸轉(zhuǎn)動，d

'

=

c(1-

cosj

)?

1

cj

2I

)

圖a中繞Z軸轉(zhuǎn)動，d1

=atgj

?ajII

)

圖b中21

cj

2

—二階微量、aj

—一階微量III

)

圖c中繞Z和Y軸轉(zhuǎn)動：d3

=

bj

2j

—微量、j

2

—二階微量、δ1——一階誤差（First-order

Error）δ2——二階誤差（Second-order

Error）結(jié)論——遵守阿貝原則可以消除一階誤差。！2.運動學(xué)設(shè)計原則空間物體的自由度和約束的關(guān)系：S＝6－Q其中S－自由度，Q－約束。運動學(xué)設(shè)計原則——根據(jù)運動方式（S）來確定約束數(shù)（Q）約束布置：

一個平面上最多3個；

一條直線上最多2個；

約束點盡量離得遠；

約束應(yīng)是點接觸；

約束面應(yīng)垂直欲限制自由度的方向。優(yōu)點——

最少接觸點

預(yù)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(fù)位。舉例符合運動學(xué)設(shè)計原則的導(dǎo)軌與軸系不足——

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(xué)設(shè)計——將點接觸適當擴大為有限面積，運動學(xué)原則不變。舉例符合半運動學(xué)設(shè)計原則的設(shè)計3.變形最小原則變形（不可避免）溫度受力┇最小變形措施——合理安排布局避免經(jīng)過變形環(huán)節(jié)提高系統(tǒng)剛度舉例

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(shè)計中采用工作臺、床身、基座三層結(jié)構(gòu)。4－平面球支承5－圓錐球窩支承6－V型球窩支承優(yōu)點——（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(yīng)）直接作用地基，基座變形最小。符合阿貝原則——保證激光轉(zhuǎn)角、光電顯微鏡、干涉儀的顯微鏡均固定在與基座相聯(lián)構(gòu)件上，精度不受工作臺變動影響。符合定位原則——無另加限制，避免不良約束造成內(nèi)應(yīng)力；溫度變化自由伸縮不受約束，無內(nèi)應(yīng)力。能自動定位，無附加力，為自動定位設(shè)計；抗振性差。photoelectric

interferometric

comparator4.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安裝與使用的基面——球窩

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5.最短傳動鏈原則主傳動鏈傳動鏈輔助傳動鏈傳動鏈——越短越好；設(shè)計結(jié)構(gòu)——越簡單，性能越穩(wěn)定，精度易保證。6.粗精分離原則

高速度與高精度

大行程與高精度儀器設(shè)計矛盾——！舉例阿貝原則運動學(xué)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阿貝原則運動學(xué)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(shè)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(jié)構(gòu)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§

2.4總體方案制定二、總體方案制定內(nèi)容主要內(nèi)容——

工作原理

基準器件

運動方式

結(jié)構(gòu)方案

摩擦與變形

系統(tǒng)簡圖

總體布局

精度分配

造型與修飾

總體報告1.工作原理設(shè)計——總體設(shè)計的關(guān)鍵1=

-Dq2

=Re

sinqR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(yīng)用到新儀器設(shè)計中，既為發(fā)明或獨創(chuàng)。設(shè)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)Dq

=

e

sinqRe

sin(q

+180

o

)Dq＝Dq1＋Dq2＝0消除偏心誤差（2）位移同步比較原理——當相應(yīng)的位移作同步運動過程中，分別測出位移量，由其特定關(guān)系進行比較實現(xiàn)測量和控制。舉例絲杠動態(tài)測量儀fi

測出Dq采用兩套測量系統(tǒng)光柵系統(tǒng)——測量轉(zhuǎn)角激光干涉系統(tǒng)——測量位移光柵Dq

fi

莫爾條紋絲杠轉(zhuǎn)Dq位移Dl

fi

激光干涉儀

fi

記數(shù)測出Dl（1）無誤差fi

輸出為0；（2）有誤差fi

繪出曲線2p

fi

轉(zhuǎn)換fi

比較t

Dl

=

DqDq

結(jié)構(gòu)簡單，測量鏈短；

精度高，反映動態(tài)精度；特點（3）誤差補償原理——應(yīng)用最廣的設(shè)計原理，特別是微機的應(yīng)用提供了補償?shù)臈l件，主要包括調(diào)整、校正、補償?shù)取?.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(yīng)用原理測量方法結(jié)構(gòu)精度抗干擾應(yīng)用激光光電相對復(fù)雜最高差一般光柵光電相對較復(fù)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(fù)雜較高很強方便感應(yīng)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3.運動方式選擇將設(shè)計原理具體化決定器件的效率、控制方式、結(jié)構(gòu)及精度。運動方式間歇運動——機構(gòu)簡單、受靜摩擦力影響大效率低、控制簡單連續(xù)運動——效率高、精度高、無定位誤差聯(lián)機脫機控制方式4.結(jié)構(gòu)方案設(shè)計方案選擇原則：

保證精度、工作穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)盡量簡單；

加工、裝調(diào)、維修方便；

盡量遵守設(shè)計原則、符合運動學(xué)設(shè)計原則；

成本低。5.摩擦及局部