測控儀器設(shè)計課程概要2

1、第三章第三章 測控儀器總體設(shè)計測控儀器總體設(shè)計 問題一、測控儀器設(shè)計原則問題一、測控儀器設(shè)計原則 在儀器設(shè)計長期實踐的基礎(chǔ)上,形成了一些帶有普遍性的或在一定場合下帶有普遍性的儀器設(shè)計所應(yīng)遵循的基本原則與基本原理。這些設(shè)計原則與設(shè)計原理,作為儀器設(shè)計中的技術(shù)措施,在保證和提高儀器精度,改善儀器性能,以及在降低儀器成本等方面帶來了良好的效果。 如何在儀器的總體方案中遵循或恰當(dāng)?shù)剡\用這些原則與原理,便是在儀器總體設(shè)計階段應(yīng)當(dāng)突出考慮的一個內(nèi)容。 共有六項設(shè)計原則：共有六項設(shè)計原則：一、阿貝(Abbe)原則及其擴展二、變形最小原則及減小變形影響的措施三、測量鏈最短原則四、坐標(biāo)系統(tǒng)一原則五、精度匹配原則

2、六、經(jīng)濟原則1、阿貝、阿貝(Abbe)原則及其擴展原則及其擴展 阿貝原則定義：阿貝原則定義：為使量儀能給出正確的測量結(jié)果,必須將儀器的讀數(shù)刻線尺安放在被測尺寸線的延長線上?；蛘哒f，被測零件的尺寸線和儀器的基準(zhǔn)線（刻線尺）應(yīng)順序排成一條直線。 因此，遵守阿貝(Abbe)原則的儀器，應(yīng)符合圖3-1所示的安排。儀器的標(biāo)準(zhǔn)刻線尺與被測件的直徑共線。舉例說明阿貝原則舉例說明阿貝原則 圖31 遵守阿貝原則的測量1-導(dǎo)軌 2-指示器 3-標(biāo)準(zhǔn)線紋尺 4-被測件 5-工作臺用游標(biāo)卡尺測量工件的直徑 用千分尺測量工件的直徑 圖3-3 三坐標(biāo)測量機 1-測頭的觸球 2-被測工件 結(jié)論結(jié)論：許多線值測量系統(tǒng)的儀器，

3、很難做到使各個坐標(biāo)方向或一個坐標(biāo)方向上的各個平面內(nèi)均能遵守阿貝原則。遵守阿貝原則的傳動部件設(shè)計遵守阿貝原則的傳動部件設(shè)計 阿貝原則雖然主要是針對幾何量中大量程線值測量儀器總體布局設(shè)計的一條原則，但同樣適合各類儀器傳動部件的設(shè)計。圖3-4 a）符合阿貝原則；而圖3-4 b）不符合阿貝原則。圖3-4 傳動部件遵守阿貝原則的設(shè)計a）正確 b)不正確2、變形最小原則及減小變形影響的措施、變形最小原則及減小變形影響的措施變形最小原則定義變形最小原則定義：應(yīng)盡量避免在儀器工作過程中，因受力變化或因受溫度變化而引起的儀器結(jié)構(gòu)變形或儀器狀態(tài)和參數(shù)的變化。例如：儀器承重變化 儀器結(jié)構(gòu)變形外界溫度變化 儀器或傳感

4、器結(jié)構(gòu)參數(shù)變化，導(dǎo)致光電信號的零點漂移及系統(tǒng)靈敏度變化。2.1 減小力變形影響的技術(shù)措施減小力變形影響的技術(shù)措施要從總體設(shè)計上，或從具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，考慮減小或消除力變形的影響。 （1）一米激光測長機底座變形的補償）一米激光測長機底座變形的補償 如圖3-5所示的一米激光測長機結(jié)構(gòu)原理為：測量頭架3由電動機和變速箱6通過閉合鋼帶7，電磁離合器8帶動在導(dǎo)軌上移動。工件放在工作臺4上，工作臺也可沿導(dǎo)軌移動。固定角隅棱鏡9與尾座5固結(jié)在一起?？蓜咏怯缋忡R12與測量頭架3內(nèi)的測量主軸11固結(jié)在一起，測量主軸可在測量頭架內(nèi)作5mm的軸向移動。裝在干涉儀箱體2內(nèi)的激光器13發(fā)出的激光束經(jīng)反射鏡后由分光鏡14

5、分為兩路：一路到固定角隅棱鏡9；一路到可動角隅棱鏡12。這兩束光在返回后發(fā)生干涉。 圖3-5一米激光測長機結(jié)構(gòu)原理 1底座 2干涉儀箱體 3測量頭架 4工作臺 5尾座 6電動機和變速箱 7閉合鋼帶 8電磁離合器 9固定角隅棱鏡 10尾桿 11測量主軸 12可動角隅棱鏡 13激光器 14分光鏡為了消除上述誤差的影響,此臺儀器在總體布局時,采取了以下措施: 固定角隅棱鏡9與尾座5固結(jié)在一起; 固定角隅棱鏡9的錐頂安放在尾桿10的軸線離底座導(dǎo)軌面等高的同一平面內(nèi); 可動角隅棱鏡12的錐頂位于測量主軸11的軸心線上(以便符合阿貝原則); 盡可能減小固定角隅棱鏡9和尾桿10在水平面內(nèi)的距離d。實踐證明上

6、述結(jié)構(gòu)布局可使因重力變形引起的誤差大為縮小。3 3、坐標(biāo)系統(tǒng)一原則、坐標(biāo)系統(tǒng)一原則對零部件設(shè)計來說，對零部件設(shè)計來說，這條原則是指：在設(shè)計零件時，應(yīng)該使零件的設(shè)計基面、工藝基面和測量基面一致起來，符合這個原則，才能使工藝上或測量上能夠較經(jīng)濟地獲得規(guī)定的精度要求而避免附加的誤差。圖37 頂尖支承法測徑向圓心晃動 V形支承法測徑向圓心晃動總結(jié)共有六項設(shè)計原則：總結(jié)共有六項設(shè)計原則：一、阿貝(Abbe)原則及其擴展二、變形最小原則及減小變形影響的措施三、測量鏈最短原則四、坐標(biāo)系統(tǒng)一原則五、精度匹配原則六、經(jīng)濟原則 以上六條基本原則是眾多科技工作者在多年的設(shè)計實踐中總結(jié)出的理論成果，這些原則經(jīng)過了長期

7、實踐的檢驗，并為大多數(shù)儀器設(shè)計者所公認。問題二問題二 測控儀器設(shè)計原理測控儀器設(shè)計原理一、平均讀數(shù)原理一、平均讀數(shù)原理 二、比較測量原理二、比較測量原理 三、補償原理三、補償原理第四章第四章 精密機械系統(tǒng)的設(shè)計精密機械系統(tǒng)的設(shè)計 在測控儀器中，精密機械系統(tǒng)對保證儀器的測量精度、定位精度和運動精度起著關(guān)鍵的作用。本章共分為五節(jié)： 第一節(jié) 儀器的支承件設(shè)計第二節(jié) 儀器的導(dǎo)軌及設(shè)計第三節(jié) 主軸系統(tǒng)及設(shè)計第四節(jié) 伺服機械系統(tǒng)設(shè)計第五節(jié) 微位移機構(gòu)及設(shè)計問題一問題一 儀器的支承件設(shè)計儀器的支承件設(shè)計支承件的支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容表4-1 橫截面積相同時不同斷面形狀慣性矩的比較表4-1-1各種肋

8、條(板)的形狀及其優(yōu)缺點問題二問題二 儀器的導(dǎo)軌及設(shè)計儀器的導(dǎo)軌及設(shè)計 1、導(dǎo)軌的功用與分類、導(dǎo)軌的功用與分類 導(dǎo)軌的功用：導(dǎo)軌的功用： 導(dǎo)軌是穩(wěn)定和靈活傳遞直線運動的部件，起著確保運動精度及部件間相互位置精度的作用。其由運動導(dǎo)軌（動導(dǎo)軌）和支承導(dǎo)軌（靜導(dǎo)軌）組成。 動導(dǎo)軌上有工作臺或拖板（滑板）、頭架、尾座及其它夾持部件、測量裝置等。靜導(dǎo)軌一般與儀器基座、立柱、橫梁等支承件連接在一起或者做成一體。 導(dǎo)軌種類：導(dǎo)軌種類： 1）滑動摩擦導(dǎo)軌滑動摩擦導(dǎo)軌 兩導(dǎo)軌面間直接接觸形成滑動摩擦。 2）滾動導(dǎo)軌滾動導(dǎo)軌 動靜導(dǎo)軌面間有滾動體，形成滾動摩擦。 3）靜壓導(dǎo)軌靜壓導(dǎo)軌 兩導(dǎo)軌面間有壓力油或壓縮空氣

9、，由靜壓力使動導(dǎo)軌浮起形成液體或氣體摩擦。 4）彈性摩擦導(dǎo)軌彈性摩擦導(dǎo)軌 利用材料彈性變形，使運動件做精密微小位移。這種導(dǎo)軌僅有彈性材料內(nèi)分子間的內(nèi)摩擦。圖4-31 開式液體靜壓導(dǎo)軌工作原理1動導(dǎo)軌 2靜導(dǎo)軌 3節(jié)流器 4精濾油器5液壓泵 6溢流閥 7濾油器 8油箱問題三問題三 主軸系統(tǒng)及設(shè)計主軸系統(tǒng)及設(shè)計 在測控儀器中，主軸系統(tǒng)由主軸、軸承及安裝在主軸上的傳動件或分度元件組成。 凡作回轉(zhuǎn)運動的儀器中都必須有主軸系統(tǒng)。因此主軸系統(tǒng)是測控儀器或精密機械的關(guān)鍵部件。 在測控儀器中主軸系統(tǒng)的作用是作精密旋轉(zhuǎn)運動，分度運動或進行精度分度、測角等。1、主軸系統(tǒng)設(shè)計的基本要求、主軸系統(tǒng)設(shè)計的基本要求（一）

10、主軸回轉(zhuǎn)精度（一）主軸回轉(zhuǎn)精度 包括：徑向誤差運動、軸向誤差運動、傾角誤差運動及端面誤差運動。包括：徑向誤差運動、軸向誤差運動、傾角誤差運動及端面誤差運動。Rsine2、液體靜壓軸承軸系及設(shè)計、液體靜壓軸承軸系及設(shè)計 液體靜壓軸承軸系是由壓力油將軸系浮起進行工作的軸承。它有如下特點： 1）在液體壓力油作用下將主軸浮起，在軸和軸套之間形成油膜，因此形成液體摩擦，摩擦力極小，幾乎無磨損，壽命長，轉(zhuǎn)動靈活，消耗功率塵。 2）與氣體靜壓軸系相比剛度更高，承載能力大，因此常用于大型或重型儀器上，在機床上應(yīng)用比較廣泛。 3）回轉(zhuǎn)精度較高，可達0.05m。由于油液分子的平均作用，使軸系回轉(zhuǎn)精度可高于零件加工

11、精度。 4）抗振性好于氣體靜壓軸承。 5）需要一套高質(zhì)量的供油系統(tǒng)，由于油溫變化后會造成回轉(zhuǎn)中心熱漂移，因而還需油溫控制系統(tǒng)配套使用。因此不僅系統(tǒng)復(fù)雜化而且成本也較高。 液體靜壓軸承的工作原理與液體靜壓導(dǎo)軌基本相同，見圖4-74，它在一個軸承面內(nèi)開有四個對稱油腔，每個油腔之間被寬度為b2，深度為Z2的軸向回油槽隔開，軸套與主軸間間隙為h0。 從油泵打出的油液，經(jīng)溢流閥之后，壓力調(diào)節(jié)為Ps，再經(jīng)四個節(jié)流器進入四個油腔，油腔中的壓力油將主軸浮起，油液經(jīng)軸承間隙及回油槽回至油池。 由于軸承間隙h0很小，形成很大的油阻，使油腔中保持靜壓力pr。當(dāng)主軸上有負載時，在徑向力作用下，下間隙由h0變?yōu)閔下，若

12、h下h0，上油腔油阻減小，從而使p上減小，下油腔壓力p下增加以反抗外載荷，于是便產(chǎn)生一個與載荷方向相反的壓力差p=p上p下,來支承載荷W，從而維持軸系的平衡。圖474 圓度儀用液體靜壓軸承軸系原理圖 1-濾油網(wǎng) 2-液壓泵 3-溢流閥 4-精濾油器 5-節(jié)流器 6-軸承3、液體動壓軸承軸系、液體動壓軸承軸系液體動壓軸承軸系有如下特點：1）回轉(zhuǎn)精度高，可達0.025m。2）承載能力較大，這種軸系的承載能力是在主軸旋轉(zhuǎn)后產(chǎn)生的，即主軸旋轉(zhuǎn)時有較大承載能力。3）剛性較好。4）動態(tài)情況下無磨損，壽命長。5）制造使用和維修都比較方便，結(jié)構(gòu)比液體靜壓簡單，不需要油泵站。6）起動時主軸和軸承是剛性接觸，有磨

13、損，低速大載荷油膜難以建立。7）主軸只能向油楔減小方向轉(zhuǎn)動，不能反轉(zhuǎn)。 見圖4-76，是三油楔動壓軸承原理圖，由于主軸和軸承相對運動，使兩者之間的潤滑油形成油楔。轉(zhuǎn)動時油楔從寬到窄而產(chǎn)生油動壓，油動壓的升高而將主軸浮起，避免主軸與軸套直接接觸。當(dāng)主軸相對軸承轉(zhuǎn)動速度不同時，油膜厚度改變，對軸提供不同的力，用以支承負載。而當(dāng)主軸相對軸套轉(zhuǎn)速為O時，則油動壓為O，此時主軸與軸承為剛性接觸，即為靜止?fàn)顟B(tài)。動壓軸承獲得油動壓的條件是： 1）在結(jié)構(gòu)上，軸承必須有斜楔。主軸只有向斜楔減小方向轉(zhuǎn)動時，才會產(chǎn)生油動壓，若主軸轉(zhuǎn)動速度高，則油膜加厚。不允許向斜楔增大方向轉(zhuǎn)動，這時沒有油動壓，主軸與軸承剛性接觸，

14、而產(chǎn)生磨損。 2）軸系在轉(zhuǎn)動之前必須加有一定粘度的潤滑油，進行充分潤滑。潤滑油不能隨便代替，必須用圓度儀主軸專用油。圖476 油楔動壓軸承工作原理圖問題四問題四 伺服機械系統(tǒng)設(shè)計伺服機械系統(tǒng)設(shè)計 在進行點、線、面或空間曲面測量和精密定位時，精密機械系統(tǒng)需要作各種運動，如直線運動、回轉(zhuǎn)運動、曲線運動、空間運動等。這些運動需要驅(qū)動裝置、傳動裝置和控制裝置構(gòu)成一個伺服系統(tǒng)來達到各種精密運動的目的。運動的控制往往要用計算機來完成。 1、伺服系統(tǒng)的分類、伺服系統(tǒng)的分類2、伺服驅(qū)動裝置、伺服驅(qū)動裝置常用的驅(qū)動裝置有：常用的驅(qū)動裝置有： 步進電機步進電機 它用電脈沖控制，每輸入一個脈沖，電機就移進一步，可以

15、改變脈沖頻率在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，可以點動，也可以連續(xù)動，可正轉(zhuǎn)也可反轉(zhuǎn)，停機時有自鎖能力，它的步距角和轉(zhuǎn)速不受電壓波動和負載變化的影響，也不受環(huán)境影響，僅與脈沖頻率有關(guān)。 步距誤差不累積，一般在15以內(nèi)。步進電機運行時會出現(xiàn)超調(diào)或振蕩，要注意低頻時振動對工作臺運動的影響，突然起動時有滯后。 直流電機直流電機 運動平穩(wěn)，改變驅(qū)動電壓可以改變轉(zhuǎn)速，也能換向，控制方便，驅(qū)動平穩(wěn)，噪聲小，但不能自鎖，控制精度不如步進電機。 同步電機同步電機 同步電機一般用于同步控制的場合。 壓電陶瓷驅(qū)動器壓電陶瓷驅(qū)動器 壓電陶瓷驅(qū)動是近年來應(yīng)用越來越廣泛的驅(qū)動器。它分辨力高，可達納米級，控制簡單，但驅(qū)動范圍較小。此

16、外該驅(qū)動無摩擦、不發(fā)熱，但有滯后和漂移現(xiàn)象。問題五問題五 微位移機構(gòu)及設(shè)計微位移機構(gòu)及設(shè)計 微位移技術(shù)是一行程小、分辨力和精度都很高的技術(shù)，其精度要達到亞微米和納米級。通常把應(yīng)用微位移技術(shù)的系統(tǒng)稱為微系統(tǒng)，它由微位移機構(gòu)、精密檢測裝置和控制裝置三部分組成。本節(jié)主要討論微位移機構(gòu)及其驅(qū)動原理及設(shè)計問題。1、常用的微位移機構(gòu)、常用的微位移機構(gòu)BiABKxxKK圖482 絲杠及彈性縮小工作臺圖483 電磁驅(qū)動的微工作臺(1) (1) 指令冗余指令冗余 在關(guān)鍵地方人為插入一些單字節(jié)指令，或?qū)⒂行巫止?jié)指令重寫稱為指令冗余。 通常是在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令后插入兩個字節(jié)以上的NOP。 這樣即使亂飛程序飛

17、到操作數(shù)上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被當(dāng)作操作數(shù)執(zhí)行，程序自動納入正軌。 此外，對系統(tǒng)流向起重要作用的指令如RET、 RETI、LCALL、LJMP、JC等指令之前插入兩條NOP，也可將亂飛程序納入正軌，確保這些重要指令的執(zhí)行。提高軟件可靠性的措施(2) (2) 軟件陷阱軟件陷阱 當(dāng)亂飛程序進入非程序區(qū)，冗余指令便無法起作用。通過軟件陷阱，攔截亂飛程序，將其引向指定位置，再進行出錯處理。軟件陷阱是指用來將捕獲的亂飛程序引向復(fù)位入口地址的指令。 通常在非程序區(qū)填入絕對跳轉(zhuǎn)指令作為軟件陷阱。 陷阱位置的安排，通常是在程序中未使用的地址空間、用戶程序區(qū)各模塊之間的空余單元、中斷服務(wù)程序中、地址空間的最后一條，當(dāng)亂飛程序落到此處，即可自動入軌。 考慮到程序存貯器的容量，軟件陷阱一般1K空間有2-3個就可以進行有效攔截。 提高軟件可靠性的措施(3) (3) 軟件軟件“看門狗看門狗”技術(shù)技術(shù) “看門狗”技術(shù)可由硬件實現(xiàn)，也可由軟件實現(xiàn)。在工業(yè)應(yīng)用中，嚴(yán)重的干擾有時會破壞中斷方式控制字，關(guān)閉中斷。則系統(tǒng)無法定時“喂狗”，硬件看門狗電路失效。而軟件看門狗可有效地解決這類問題。(4) (4) 容錯設(shè)計容錯設(shè)計 對于軟件失效后果特別嚴(yán)重的場合，可采用容錯設(shè)計方法。常用的方法