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1、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,第二章 精密仪器总体设计,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。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。,第二章 精密仪器总体设计,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
2、 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,技术先进性对比,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；,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。,经济效益分析,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,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。,一、仪器设计方法,系统工程 有限元(FE
3、M)价值工程 优化设计 可靠性设计 计算机辅助设计(CAD),设计方法与理论,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。,信息获取信息处理信息数据给定,系统工程的工作过程,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,系统输入,结构集合,参数集合,最优设计参数,系统设计参数设计允差设计,三个阶段,(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
4、）。,(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。,(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。,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,(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
5、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,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,破坏性非破坏性,试验方法,！,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。,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
6、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。,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。,(2)适应性设计科研工作 有仪器参考。特点保留原仪器
7、原理方案 个别零部件重新设计。,(3)变型设计通常在工厂 如型、型、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,新产品设计试制过程,计划,任务分析,决策,总体设计,任 务 书方案设计结构设计,零部件设计,技术文档,说明书总体报告,组成原理方案比较设 计 图实现方法存在难点解决方法,系统/市场/股票分析员,新产品设计试制进程,新产品设计四
8、阶段：(1)关键技术分析由试验获取设计数据，同时验 证理论是否可行；光刻机机械、光点、掩膜等(2)模拟试验装置设计与试制 转台机械、电控等；(3)样机设计与试制；(4)定型设计与试制。,2.2 设计任务分析,目的 了解设计任务各种要求，收集资料；分析设计的关键，分清主次；设计方案比较；提出设计技术指标。,内容 使用要求 精度 批量 生产效率 工作环境 安全保护,1.使用要求,2.2 设计任务分析,（1）一定范围内有效地实现预期功能要求仪器本身角度（2）搞清楚使用对象“用户是上帝”操作者角度（3）提出各项设计技术指标“仪器设计出发点和归宿”设计者角度,2.精度仪器设计的关键,可分三类：中 高 超
9、高,由精度要求，合理选择方案,精度/经济性 匹配,3.批量决定于市场需要,批量不同方案不同、加工方法也应有所不同 单件小批多采用通用机床，尽量少采用铸件；批量 专用机床、夹具、铸、锻件；零部件系列化、通用化、标准化 提高效率、降低成本。,4.生产效率单位时间加工（测量、检测）工件数,效率的确定应考虑与自动化相关联。,室外环境差 如：搅拌机；注意：防尘、防油、防腐等 室内条件好 如：高精度仪器（超净室、隔音、防震等）；地理位置经纬仪，注意：“南热/北冷”影响。,6.安全保护,仪器首先是安全，特别是人身安全！,不同仪器，应采取不同措施（1）用壳保护，如：高压、放射性、有毒气体等；（2）操作安全接地
10、；（3）仪器本身安全，如：过载保护、限位、停电保护等转台。,5.工作环境,工作环境不同，仪器结构差异也很大。振动、温度、湿度、净化度、天气等,2.3 主要参数与技术指标,通常用户只能提出使用要求：例如用户提出要测64K集成电路的仪器。这不能作仪器设计起始数据，应经设计者“翻译”成正式的仪器设计要求。64K 线宽2.5m 仪器精度1 m,一、精密机械设备与仪器的技术指标,（1）工作性能加工（测量）对象尺寸范围、运动参 数以及自动化程度等（2）精度精确度、分辨率、灵敏度、重复精度等（3）效率如生产（检测）效率（4）可靠性平均故障间隔时间（MTBF）（5）维修性平均修理时间（MTTR）（6）安全性1
11、-P，P为故障概率（7）外形尺寸、重量,二、确定设计参数与指标的方法,1.根据设备的用途,用户提出的是使用要求，设计者应根据用户使用要求转换成设计工作所需的指标。依据经验、试验、统计、专用或者通用。,3.根据加工（测量）的精度要求确定主要参数和技术指标,（1）参数本身对精度影响设计时取不同参数对仪器产生不同精度。,光学测头杠杆比(l2/l1)确定：,l1光学杠杆长度；l2机械杠杆长度；l3显微工作尺寸；,（2）力变形对仪器精度影响 某些参数由于受力变形对精度影响很大,三坐标测量机受力变形对精度影响,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。,悬臂式变形大 精度0
12、.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,悬臂式横臂变形及其对测量精度影响,举例,A点变形及转角测头自重、横梁自重与 立柱弯曲,同理，可得B点变形及转角,结论,（1）变形引起的垂直方向测量误差 13.43mm,（2）不符合阿贝原则引起测量误差 21.1mm 2=S(A-B)(假定S=1000mm),4.根据仪器的薄弱环节,仪器特点：精度高、承载小、速度较低；很少强度校核;刚度、变形、振动、精度为主要考虑因素；弹性变形、摩擦、振动与低速爬行 突出问题；,设计中，应着重关键和薄弱环节加以解决。,5.根据标准化、系列化,精密仪器设计中各种参量应参阅有关手册
13、，尽量采用标准系列。,6.根据可靠性与成本要求,精密仪器设计应结合必要性和可能性提出可靠性的合理指标，使用户获得最大性价比的仪器。,2.4 总体方案制定,总体方案制定是在 设计任务分析 确定主要参数及技术指标 的基础之上进行的。,总体方案内容：工作原理、方案分析和比较；绘制系统简图 总体布局、精度分配；总装配图绘制、造型与装饰设计；编写总体报告。,2.4 总体方案制定,一、基本设计原则,阿贝原则 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 粗精分开原则 外界环境影响最小原则 系列化、通用化和标准化原则 结构工艺性良好原则 可靠安全、维修操作方便原则 造型与装饰宜人原则 价值系数
14、最优原则,1.阿贝（Abbe）原则,举例,线纹尺测量的三种方式,1一阶误差（First-order Error）2二阶误差（Second-order Error）,遵守阿贝原则可提高精密仪器的精度，但做到遵守阿贝原则是比较困难的。因此，应考虑补偿措施。,（）结构补偿,（）补偿措施,提高导轨精度；减少读数线与被测线的距离 a；,爱彭斯坦（Epstein）原理；直接补偿；布莱恩原则。,（1）爱彭斯坦（Epstein）原理利用各种机构，使可能产生的误差相互抵消或者消弱，或者引进新的误差，以减小某些误差的影响。,举例,测长机测点原理,M2,误差补偿原理,（2）直接补偿采用光栅、激光定位等仪器，根据其测
15、得的值直接对仪器的阿贝误差进行补偿。,（3）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的路程位于同一直线上。若以上不可能，则必须做到：导轨没有角运动。计算出角运动产生的位移，进行补偿。,满足以上三个条件之一“广义阿贝原则”,两坐标测量机,举例,（a）Z向干涉仪1的轴线延长线通过测端17的中心符合阿贝原则；（b）Y向干涉仪不过测端中心，但通过误差补偿符合广义阿贝原则。,2.运动学设计原则,空间物体的自由度和约束的关系：S6Q其中S自由度，Q约束。,运动学设计原则根据运动方式（S）来确定约束数（Q）,一个平面上最多3个约束；一条直线上最多2个约束；约束点尽量离得远；约束应是点接触；约束面
16、应垂直欲限制自由度的方向。,约束布置：,满足运动学设计原则的优点,最少接触点 作用力预先计算而可控 避免过大的力引起变形；点接触 定位精确可靠；降低对加工精度要求，磨损后可修正；拆卸后可准确复位。,举例,符合运动学设计原则的导轨与轴系,不足,理想的点是不存在；受力变形后，接触点 面；点接触易磨损；,半运动学设计将点接触适当扩大为有限面积，运动学原则不变。,举例,符合半运动学设计原则的设计,3.变形最小原则,变形（不可避免）,温度受力,最小变形,（3）提高系统刚度,措施,（1）合理安排布局,（2）避免经过变形环节,刻尺装置,举例,典型实例光电光波比长仪工作台,为了减小变形影响，工作台设计中采用工
17、作台、床身、基座三层结构。,4 平面球支承5 圆锥球窝支承6 V型球窝支承,（1）符合变形最小原则工作台移动重量始终过三支点作用在基座上，仅力大小变化，而无方向和位置变化。运动力通过底座下三支点（对应）直接作用地基，基座变形最小。,优点,（2）符合阿贝原则保证激光转角、光电显微镜、干涉仪的显微镜均固定在与基座相联构件上，精度不受工作台变动影响。（3）符合定位原则无另加限制，避免不良约束造成内应力；温度变化自由伸缩不受约束，无内应力。能自动定位，无附加力，为自动定位设计；抗振性差。,photoelectric interferometric comparator,4.基面合一原则,减小基面不一造
18、成误差,合一,定位基面加工基面使用基面,举例,阿基米德螺旋线分化板,安装与使用的基面球窝 1、分划板 2、球窝 7 主轴 球窝为加工基准，与使用基准重合 外圆为加工基准，与使用基准不重合,5.最短传动链原则,主传动链辅助传动链,传动链,传动链越短越好；设计结构越简单，性能越稳定，精度易保证。,6.粗精分离原则,高速度 与 高精度 大行程 与 高精度,仪器设计矛盾,！,举例,阿贝原则运动学原则变形最小原则基面合一原则最短传动链原则粗精分开原则,设计原则排序,7.其它原则,外界环境影响最小原则 系列化、通用化和标准化原则 工作可靠、安全、维修与操作方便原则 结构工艺性良好原则 造型与装饰宜人原则
19、价值系数最优原则,二、总体方案制定内容,工作原理的设计 基准器件的选择 运动方式选取 结构方案的选择 摩擦与变形的考虑 系统简图的绘制 总体布局的考虑 精度分配 造型与修饰 总体设计报告,主要内容,1.工作原理设计总体设计的关键,创造性原理不一定全是发明新理论，可将已有理论，只要前人没有用过，应用到新仪器设计中，既为发明或独创。,设计方法理论：误差平均原理；位移同步比较原理；误差补偿原理,（1）误差平均原理采取一定方法，将仪器或部件误差均化以提高精度。,举例,双读数头系统,消除偏心误差,莫尔条纹,二进制码盘,（2）位移同步比较原理当相应的位移作同步运动过程中，分别测出位移量，由其特定关系进行比
20、较实现测量和控制。,举例,丝杠动态测量仪,采用两套测量系统圆光栅系统测量转角激光干涉系统测量位移,结构简单，测量链短；精度高，反映动态精度；,特点,（3）误差补偿原理 应用最广的设计原理，特别是微机的应用提供了补偿的条件，主要包括调整、校正、补偿等。,2.基准器件选择,3.运动方式选择,将设计原理具体化决定器件的效率、控制方式、结构及精度。,间歇运动机构简单、受静摩擦力影响大 效率低、控制简单连续运动效率高、精度高、无定位误差,运动方式,联机脱机,控制方式,4.结构方案设计,方案选择原则：保证精度、工作稳定可靠、结构尽量简单；加工、装调、维修方便；尽量遵守设计原则、符合运动学设计原则；成本低。
21、,5.摩擦及局部变形的考虑,摩擦机械设计中的重要问题。,静、动摩擦系数之差局部变形,高精度障碍,解决摩擦问题途径,保持摩擦力恒定（理想状态）,不同材料的组合（钢铜）选择不同类型导轨（滑动、滚动、静液压、气浮）采取结构措施,减小摩擦系数,6.系统简图的绘制,在上述基础上绘制：光机电液气系统简图（或运动简图）传动系统 液压系统 光学系统 电气系统,符号要正确查手册,！,7.总体布局,各部件的相对位置合理（工作台、基准元件、瞄准系统、传送工件、传动系统）各部件相对关系正确（机械、光学、电控关系）操作维修方便；（制作工艺、设备重量、精度要求等）安全措施。,8.总体精度分配,难低易高,应按难易分配,避免
22、精度平均分配,！,光、机、电,系统误差偶然误差,归类,分析,计算、比较,修改补偿,9.造型与装饰,造型,外形美观大方（避免过度凸出）结构匀称（长/宽=黄金分割 8:5）安全稳定（避免头重脚轻）,装饰,色调 经济美观,新颖和谐国家民族爱好/禁忌,10.总体设计报告,文字通顺 重点实出 图文并茂 深入浅出,解放思想、大胆创新 例子 在于启发发，避免不分情况搬用 掌握了解时代信息和动向,总体设计是一个认识 实践 再认识的过程，是经验不断积累的过程。需要经过反复 最终圆满完成。,！,本章小结,设计方法概述 3 种设计类型；4 个设计阶段；6 种设计方法 设计任务分析 6 项设计任务 设计参数与指标 7 项指标；6 个方法 总体方案制定 12 个设计原则；10 项设计内容,第二章 总体设计,
