《測控儀器設(shè)計第2版》課后習題答案浦昭邦王寶光

1、1.1. 測控儀器的概念是什么？測控儀器則是利用測量和控制的理論，采用機、電、光各種計量測試原理及控制系統(tǒng)與計算機相結(jié)合的一種范圍廣泛的測量儀器。1.2. 為什么說測控儀器的發(fā)展與科學技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)?儀器儀表的用途和重要性 遍及國民經(jīng)濟各個部門，深入到人民生活的各個角落，儀器儀表中的計量測試儀器與控制儀器統(tǒng)稱為測控儀器，可以說測控儀器的水平是科學技術(shù)現(xiàn)代化的重要標志。儀器儀表的用途:在機械制造業(yè)中：對產(chǎn)品的靜態(tài)與動態(tài)性能測試；加工過程的控制與監(jiān)測；設(shè)備運行中的故障診斷等。在電力、化工、石油工業(yè)中：對壓力、流量、溫度、成分、尺寸等參數(shù)的檢測和控制；對壓力容器泄漏和裂紋的檢測等。在航天、航空工業(yè)

2、中：對發(fā)動機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、振動、噪聲、動力特性、噴油壓力、管道流量的測量；對構(gòu)件的應(yīng)力、剛度、強度的測量；對控制系統(tǒng)的電流、電壓、絕緣強度的測量等。1.3. 現(xiàn)代測控儀器技術(shù)包含哪些內(nèi)容？發(fā)展趨勢 : 高精度與高可靠性、高效率、智能化、多樣化與多維化 （1）高精度與高可靠性隨著科學技術(shù)的發(fā)展，對測控儀器的精度提出更高的要求，如幾何量nm精度測量，力學量的mg精度測量等。同時對儀器的可靠性要求也日益增高，尤其是航空、航天用的測控儀器，其可靠性尤為重要。 （2）高效率 大批量產(chǎn)品生產(chǎn)節(jié)奏，要求測量儀器具有高效率，因此非接觸測量、在線檢測、自適應(yīng)控制、模糊控制、操作與控制的自動化、多點檢測、機光電算一

3、體化是必然的趨勢。（3）高智能化 在信息拾取與轉(zhuǎn)換、信息測量、判斷和處理及控制方面大量采用微處理器和微計算機，顯示與控制系統(tǒng)向三維形象化發(fā)展，操作向自動化發(fā)展，并且具有多種人工智能從學習機向人工智能機發(fā)展是必然的趨勢。（4）多維化、多功能化（5）開發(fā)新原理 （6）動態(tài)測量 現(xiàn)代設(shè)計方法的特點： (1)程式性 強調(diào)設(shè)計、生產(chǎn)與銷售的一體化。 (2)創(chuàng)造性 突出人的創(chuàng)造性，開發(fā)創(chuàng)新性產(chǎn)品。 (3)系統(tǒng)性 用系統(tǒng)工程思想處理技術(shù)系統(tǒng)問題。力求系統(tǒng)整體最優(yōu)，同時要考慮人-機-環(huán)境的大系統(tǒng)關(guān)系。 (4)優(yōu)化性 通過優(yōu)化理論及技術(shù)，以獲得功能全、性能良好、成本低、性能價格比高的產(chǎn)品。 (5)計算機輔助設(shè)計

4、 計算機將更全面地引入設(shè)計全過程，計算機輔助設(shè)計不僅用于計算和繪圖，在信息儲存、評價決策、動態(tài)模擬、人工智能等方面將發(fā)揮更大作用。1.4. 測控儀器由哪幾部分組成？各部分功能是什么？工作原理： Z向運動具有自動調(diào)焦功能，通過計算機對CCD攝像器件攝取圖像進行分析，用調(diào)焦評價函數(shù)來判斷調(diào)焦質(zhì)量。被檢測的印刷線路板或IC芯片的瞄準用可變焦的光學顯微鏡和CCD攝像器件來完成。攝像機的輸出經(jīng)圖像卡送到計算機進行圖像處理實現(xiàn)精密定位和圖像識別與計算，并給出被檢測件的尺寸值、誤差值及缺陷狀況。按功能將儀器分成以下幾個組成部分：1 基準部件 5 信息處理與運算裝置 2 傳感器與感受轉(zhuǎn)換部件 6 顯示部件 3

5、 放大部件 7 驅(qū)動控制器部件 4 瞄準部件 8 機械結(jié)構(gòu)部件基準部件 測量的過程是一個被測量與標準量比較的過程，因此，儀器中要有與被測量相比較的標準量，標準量與其相應(yīng)的裝置一起，稱為儀器的基準部件。 有的儀器中無標準器而是用校準的方法將標準量復(fù)現(xiàn)到儀器中。標準量的精度對儀器的測量精度影響很大，在大多數(shù)情況下是11，在儀器設(shè)計時必須予以重視。 傳感器與感受轉(zhuǎn)換部件 測控儀器中的傳感器是儀器的感受轉(zhuǎn)換部件，它的作用是感受被測量，拾取原始信號并將它轉(zhuǎn)換為易于放大或處理的信號。放大部件分類實例名稱機械式放大部件齒輪放大，杠桿放大，彈性及剛度放大等機械系統(tǒng) 光學式放大部件 光準直式、顯微鏡式、投影放大

6、、攝影放大式、莫爾條紋、光干涉等 光學系統(tǒng) 電子放大部件 前置放大、功率放大等 電子信息處理系統(tǒng) 光電放大部件 光電管放大、倍增管放大等 光電系統(tǒng) 瞄準部件 用來確定被測量的位置(或零位），要求瞄準的重復(fù)性精度要好。信息處理與運算裝置 數(shù)據(jù)處理與運算部件主要用于數(shù)據(jù)加工、處理、運算和校正等?？梢岳糜布娐贰纹瑱C或微機來完成。顯示部件 顯示部件是用指針與表盤、記錄器、數(shù)字顯示器、打印機、監(jiān)視器等將測量結(jié)果顯示出來。驅(qū)動控制器部件 驅(qū)動控制部件用來驅(qū)動測控系統(tǒng)中的運動部件，在測控儀器中常用步進電機、交直流伺服電機、力矩電機、測速電機、壓電陶瓷等實現(xiàn)驅(qū)動?？刂埔话阌糜嬎銠C或單片機來實現(xiàn)，這時要將

7、一個控制接口卡插入到計算機的插槽中。 機械結(jié)構(gòu)部件 儀器中的機械結(jié)構(gòu)部件用于對被測件、標準器、傳感器的定位，支承和運動,如導(dǎo)軌、軸系、基座、支架、微調(diào)、鎖緊、限位保護等機構(gòu)。所有的零部件還要裝到儀器的基座或支架上,這些都是測控儀器必不可少的部件，其精度對儀器精度影響起決定作用。1.5. 寫出下列成組名詞術(shù)語的概念并分清其差異：分度值與分辨力；示值范圍與測量范圍；靈敏度與鑒別力（靈敏閥）；儀器的準確度，示值誤差，重復(fù)性誤差；視差，估讀誤差，讀數(shù)誤差。分度值在計量器具的刻度標尺上，最小格所代表的被測尺寸的數(shù)值叫做分度值，分度值又稱刻度值。分辨力(resolution) 顯示裝置能有效辨別的最小示值

8、。對于數(shù)字式儀器，分辨力是指儀器顯示的最末一位數(shù)字間隔代表的被測量值。對模擬式儀器，分辨力就是分度值。分辨力是與儀器的精度密切相關(guān)的。要提高儀器精度必須有足夠的分辨力來保證；反過來儀器的分辨力必須與儀器精度相適應(yīng),不考慮儀器精度而一味的追求高分辨力是不可取的。示值誤差(error of indication) 測量儀器的示值與對應(yīng)輸入量的真值之差。由于真值不能確定，實際上用的是約定真值，即常用某量的多次測量結(jié)果來作為約定真值。測量儀器的示值誤差，包含有儀器的隨機誤差和系統(tǒng)誤差，因此用測量的方法確定儀器示值誤差時，同一個值測量次數(shù)一般不要超過三次。示值誤差越小，表明儀器的準確度越高。測量范圍(m

9、easuring range) 測量儀器誤差允許范圍內(nèi)的被測量值。測量范圍包含示值范圍還包含儀器的調(diào)節(jié)范圍。如光學計的示值范圍為±0.1mm，但其懸臂可沿立柱調(diào)節(jié)180mm，在該范圍內(nèi)仍可保證儀器的測量精度，則其測量范圍為180±0.1mm。又如千分尺的測量范圍有025mm，2550mm，5075mm等規(guī)格，但其示值范圍均為25mm。靈敏度(sensitivity) 測量儀器響應(yīng)(輸出)的變化除以對應(yīng)的激勵(輸入)的變化。若輸入激勵量為X，相應(yīng)輸出是Y，則靈敏度表示為： S=YX 儀器的輸出量與輸入量的關(guān)系可以用曲線來表示，稱為特性曲線，特性曲線有線性的也有非線性的，非線性

10、特性用線性特性來代替時帶來的誤差，稱為非線性誤差。特性曲線的斜率即為靈敏度。 靈敏度的量綱可以是相同的，也可以是不相同的，如電感傳感器的輸入量是位移，而輸出量是電壓，其靈敏度的量綱為V/mm；而齒輪傳動的百分表其輸入量是位移，輸出量也是位移，在這樣情況下，靈敏度又稱為放大比。 靈敏度是儀器對被測量變化的反映能力。鑒別力(閾)(discrimination) 使測量儀器產(chǎn)生未察覺的響應(yīng)變化的最大激勵變化，這種激勵變化應(yīng)是緩慢而單調(diào)地進行。它表示儀器感受微小量的敏感程度。儀器的鑒別力可能與儀器的內(nèi)部或外部噪聲有關(guān)，也可能與摩擦有關(guān)或與激勵值有關(guān)。測量儀器的準確度(accuracy of measu

11、ring instrument) 測量儀器的準確度是一個定性的概念，它是指測量儀器輸出接近于真值的響應(yīng)的能力。符合一定的計量要求，使誤差保持在規(guī)定極限以內(nèi)的測量儀器的等級或級別稱為測量儀器的準確度等級，如零級、一級、二級等。 測量儀器的示值誤差(error of indication) 測量儀器的示值與對應(yīng)輸入量的真值之差。由于真值不能確定，實際上用的是約定真值，即常用某量的多次測量結(jié)果來作為約定真值。測量儀器的示值誤差，包含有儀器的隨機誤差和系統(tǒng)誤差，因此用測量的方法確定儀器示值誤差時，同一個值測量次數(shù)一般不要超過三次。示值誤差越小，表明儀器的準確度越高。視差(parallax error)

12、 當指示器與標尺表面不在同一平面時，觀測者偏離正確觀察方向進行讀數(shù)和瞄準所引起的誤差。估讀誤差(interpolation error) 觀測者估讀指示器位于兩相鄰標尺標記間的相對位置而引起的誤差，有時也稱為內(nèi)插誤差。讀數(shù)誤差(reading error) 由于觀測者對計量器具示值讀數(shù)不準確所引起的誤差，它包括視差和估讀誤差。1.6. 對測控儀器的設(shè)計要求有哪些？(1)精度要求 精度是測控儀器的生命，精度本身只是一種定性的概念。為表征一臺儀器的性能和達到的水平，應(yīng)有一些精度指標要求，如靜態(tài)測量的示值誤差、重復(fù)性誤差、復(fù)現(xiàn)性、穩(wěn)定性、回程誤差、靈敏度、鑒別力、線性度等，動態(tài)測量的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)誤差、瞬

13、態(tài)響應(yīng)誤差等。這些精度指標不是每一臺儀器都必須全部滿足，而是根據(jù)不同的測量對象和不同的測量要求，選用最能反映該儀器精度的一些指標組合來表示。儀器的精度應(yīng)根據(jù)被測對象的要求來確定，當儀器總誤差占測量總誤差比重較小時，常采用1/3原則，即儀器總誤差應(yīng)小于或等于被測參數(shù)總誤差的1/3；若儀器總誤差占測量總誤差的主導(dǎo)部分時，可允許儀器總誤差小于或等于被測參數(shù)總誤差的1/2。 為了保證儀器的精度，儀器設(shè)計時應(yīng)遵守一些重要的設(shè)計原則和設(shè)計原理，如阿貝原則、變形最小原則、測量鏈最短原則、精度匹配原則、誤差平均作用原理、補償原理、差動比較原理等。(2)檢測效率要求 一般情況下儀器的檢測效率應(yīng)與生產(chǎn)效率相適應(yīng)。

14、在自動化生產(chǎn)情況下，檢測效率應(yīng)適合生產(chǎn)線節(jié)拍的要求。提高檢測效率不僅有經(jīng)濟上的效益，有時對提高檢測精度也有一定作用，因為縮短了測量時間可減少環(huán)境變化對測量的影響。同時還可以節(jié)省人力，消除人的主觀誤差，提高測量的可靠性。(3)可靠性要求 一臺測量儀器或一套自動測量系統(tǒng)，無論在原理上如何先進，在功能上如何全面，在精度上如何高，若可靠性差，故障頻繁，不能長時間穩(wěn)定工作，則該儀器或系統(tǒng)就無使用價值。因此對儀器的可靠性要求是十分必要的?？煽啃砸螅褪且笤O(shè)備在一定時間、一定條件下不出故障地發(fā)揮其功能的概率要高?？煽啃砸罂捎煽煽啃栽O(shè)計來保證。(4)經(jīng)濟性要求 儀器設(shè)計時應(yīng)采用各種先進技術(shù)，以獲得最佳經(jīng)

15、濟效果。盲目追求復(fù)雜、高級的方案，不僅會造成儀器成本的急劇增加，有時甚至無法實現(xiàn)。因此儀器設(shè)計時應(yīng)盡量選擇最經(jīng)濟的方案，即技術(shù)先進、零部件少、工藝簡單、成本低、可靠性高、裝調(diào)方便，這樣在市場上才有競爭力。 同時還要考慮儀器的功能，具有較好的功能與產(chǎn)品成本比，即價值系數(shù)高。 (5)使用條件要求 使用條件不同，儀器的設(shè)計也不同。如在室外使用的儀器儀表應(yīng)適應(yīng)寬范圍的溫度、濕度變化，以及抗振和耐鹽霧；在車間使用除了防振外，電磁干擾，尤其是強電設(shè)備起動的干擾應(yīng)重點防范；在易燃易爆場合下工作的儀器儀表則要求防爆和阻燃；在線測量與離線測量，連續(xù)工作與間歇工作其條件都有不同，在設(shè)計儀器時應(yīng)慎重考慮，以滿足不同

16、使用條件的要求。(6)造型要求 儀器的外觀設(shè)計極為重要，優(yōu)美的造型、柔和的色澤是人們選擇產(chǎn)品的考慮因素之一，有利于銷售，同時也會使操作者加倍愛護和保養(yǎng)儀器，延長使用壽命，提高工作效率。 2.1.說明分析儀器誤差的微分法，幾何法，作用線與瞬時臂法和數(shù)學逼近法各適用在什么情況下，為什么？微分法 若能列出儀器全部或局部的作用方程，那么，當源誤差為各特性或結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差時，可以用對作用原理方程求全微分的方法來求各源誤差對儀器精度的影響。微分法的優(yōu)點是具有簡單、快速，但其局限性在于對于不能列入儀器作用方程的源誤差，不能用微分法求其對儀器精度產(chǎn)生的影響，例如儀器中經(jīng)常遇到的測桿間隙、度盤的安裝偏心等，因為此

17、類源誤差通常產(chǎn)生于裝配調(diào)整環(huán)節(jié)，與儀器作用方程無關(guān)。幾何法 能畫出機構(gòu)某一瞬時作用原理圖，按比例放大地畫出源誤差與局部誤差之間的關(guān)系，依據(jù)其中的幾何關(guān)系寫出局部誤差表達式。幾何法的優(yōu)點是簡單、直觀，適合于求解機構(gòu)中未能列入作用方程的源誤差所引起的局部誤差，但在應(yīng)用于分析復(fù)雜機構(gòu)運行誤差時較為困難。作用線與瞬時臂法 基于機構(gòu)傳遞位移的機理來研究源誤差在機構(gòu)傳遞位移的過程中如何傳遞到輸出。因此，作用線與瞬時臂法首先要研究的是機構(gòu)傳遞位移的規(guī)律數(shù)學逼近法 評定儀器實際輸出與輸入關(guān)系方法：測量（標定或校準）測出在一些離散點上儀器輸出與輸入關(guān)系的對應(yīng)值，應(yīng)用數(shù)值逼近理論，依據(jù)儀器特性離散標定數(shù)據(jù)，以一些

18、特定的函數(shù)（曲線或公式）去逼近儀器特性，并以此作為儀器實際特性，再將其與儀器理想特性比較即可求得儀器誤差中的系統(tǒng)誤差分量。常用代數(shù)多項式或樣條函數(shù)，結(jié)合最小二乘原理來逼近儀器的實際特性。2.2.什么是原理誤差，原始誤差，瞬時臂誤差，作用誤差？原理誤差 儀器設(shè)計中采用了近似的理論、近似的數(shù)學模型、近似的機構(gòu)和近似的測量控制電路所引起的誤差。它只與儀器的設(shè)計有關(guān)，而與制造和使用無關(guān)。原始誤差 由機床、夾具、刀具和工件組成的機械加工工藝系統(tǒng)(簡稱工藝系統(tǒng))會有各種各樣的誤差產(chǎn)生，這些誤差在各種不同的具體工作條件下都會以各種不同的方式(或擴大、或縮小)反映為工件的加工誤差。 能轉(zhuǎn)換成瞬時臂誤差的源誤差

19、多發(fā)生在轉(zhuǎn)動件上；而既不能換成瞬時臂誤差，其方向又不與作用線方向一致的源誤差多發(fā)生在平動件上。2.3.誤差的分類及表示方法按誤差的數(shù)學性質(zhì)分1）隨機誤差 是由大量的獨立微小因素的綜合影響所造成的，其數(shù)值的大小和方向沒有一定的規(guī)律，但就其總體而言，服從統(tǒng)計規(guī)律，大多數(shù)隨機誤差服從正態(tài)分布。2）系統(tǒng)誤差 由一些穩(wěn)定的誤差因素的影響所造成，其數(shù)值的大小的方向在測量過程中恒定不變或按一定的規(guī)律變化。3）粗大誤差 粗大誤差指超出規(guī)定條件所產(chǎn)生的誤差，一般是由于疏忽或錯誤所引起，在測量值中一旦出現(xiàn)這種誤差，應(yīng)予以剔除。按被測參數(shù)的時間特性分 1）靜態(tài)參數(shù)誤差2）動態(tài)參數(shù)誤差按誤差間的關(guān)系分 1）獨立誤差2

20、）非獨立誤差絕對誤差 ：被測量測得值 x 與其真值(或相對真值) x0 之差 特點：有量綱、能反映出誤差的大小和方向。相對誤差 ：絕對誤差與被測量真值的比值 特點：無量綱2.4誤差的來源與性質(zhì)原理誤差 儀器設(shè)計中采用了近似的理論、近似的數(shù)學模型、近似的機構(gòu)和近似的測量控制電路所引起的誤差。它只與儀器的設(shè)計有關(guān)，而與制造和使用無關(guān)。（1）采用近似的理論和原理進行設(shè)計是為了簡化設(shè)計、簡化制造工藝、簡化算法和降低成本 。 （2）原理誤差屬于系統(tǒng)誤差，使儀器的準確度下降，應(yīng)該設(shè)法減小或消除。（3）方法： 采用更為精確的、符合實際的理論和公式進行設(shè)計和參數(shù)計算 。 研究原理誤差的規(guī)律，采取技術(shù)措施避免原

21、理誤差。 采用誤差補償措施 。 制造誤差產(chǎn)生于制造、支配以及調(diào)整中的不完善所引起的誤差。 主要由儀器的零件、元件、部件和其他各個環(huán)節(jié)在尺寸、形狀、相互位置以及其他參量等方面的制造及裝調(diào)的不完善所引起的誤差。 運行誤差儀器在使用過程中所產(chǎn)生的誤差。如力變形誤差、磨損和間隙造成的誤差，溫度變形引起的誤差，材料的內(nèi)摩擦所引起的彈性滯后和彈性后效，以及振動和干擾等 。（一）力變形誤差 （二）測量力 （三）應(yīng)力變形（四）磨損 （五）間隙與空程 （六）溫度（七）振動與干擾（八）干擾與環(huán)境波動引起的誤差3.1.測控儀器的發(fā)展趨勢可以概括為那幾個方面，其中高效率，高智能化的是指那些內(nèi)容？高精度與高可靠性、高效

22、率、智能化、多樣化與多維化 （1）高精度與高可靠性隨著科學技術(shù)的發(fā)展，對測控儀器的精度提出更高的要求，如幾何量nm精度測量，力學量的mg精度測量等。同時對儀器的可靠性要求也日益增高，尤其是航空、航天用的測控儀器，其可靠性尤為重要。 （2）高效率 大批量產(chǎn)品生產(chǎn)節(jié)奏，要求測量儀器具有高效率，因此非接觸測量、在線檢測、自適應(yīng)控制、模糊控制、操作與控制的自動化、多點檢測、機光電算一體化是必然的趨勢。（3）高智能化 在信息拾取與轉(zhuǎn)換、信息測量、判斷和處理及控制方面大量采用微處理器和微計算機，顯示與控制系統(tǒng)向三維形象化發(fā)展，操作向自動化發(fā)展，并且具有多種人工智能從學習機向人工智能機發(fā)展是必然的趨勢。（4

23、）多維化、多功能化（5）開發(fā)新原理 （6）動態(tài)測量3.2. 歸納測控儀器的設(shè)計流程測控儀器總體設(shè)計，是指在進行儀器具體設(shè)計以前，從儀器自身的功能、技術(shù)指標、檢測與控制系統(tǒng)框架及儀器應(yīng)用的環(huán)境和條件等總體角度出發(fā)，對儀器設(shè)計中的全局問題進行全面的設(shè)想和規(guī)劃。要考慮的主要問題有：1.設(shè)計任務(wù)分析2.創(chuàng)新性構(gòu)思 （所能達到的新功能，所實現(xiàn)的新方法，所反映出的新技術(shù)，新理論等）3.測控儀器若干設(shè)計原則的考慮4.測控儀器若干設(shè)計原理的斟酌5.測控儀器工作原理的選擇和系統(tǒng)設(shè)計6.測控系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與技術(shù)指標的確定7.儀器總體的造型規(guī)劃3.3測量儀器設(shè)計的六項基本原則是什么？共有六項設(shè)計原則：一、阿貝(A

24、bbe)原則及其擴展阿貝原則定義：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線（刻線尺）應(yīng)順序排成一條直線。二、變形最小原則及減小變形影響的措施變形最小原則定義：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。三、測量鏈最短原則測量鏈定義：儀器中直接感受標準量和被測量的有關(guān)元件，如被測件、標準件、感受元件、定位元件等均屬于測量鏈。在精密測量儀器中，根據(jù)各環(huán)節(jié)對儀器精度影響程度的不同，可將儀器中的結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)區(qū)分為測量鏈、放大指示鏈和輔助鏈三類。測量鏈的誤差對儀器精度的影響最大，

25、一般都是1:1影響測量結(jié)果。因此，對測量鏈各環(huán)節(jié)的精度要求應(yīng)最高。因此測量鏈最短原則顯然指一臺儀器中測量鏈環(huán)節(jié)的構(gòu)件數(shù)目應(yīng)最少，即測量鏈應(yīng)最短。因此，測量鏈最短原則作為一條設(shè)計原則要求設(shè)計者予以遵守。四、坐標系統(tǒng)一原則在設(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。五、精度匹配原則在對儀器進行精度分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)儀器中各部分各環(huán)節(jié)對儀器精度影響程度的不同，分別對各部分各環(huán)節(jié)提出不同的精度要求和恰當?shù)木确峙?，這就是精度匹配原則。六、經(jīng)濟原則經(jīng)濟原則 經(jīng)濟原則是一切工作都要遵守的一條基本而重要的原

26、則。1）工藝性。2）合理的精度要求。3）合理選材。4）合理的調(diào)整環(huán)節(jié)。5）提高儀器壽命。3.4.測量儀器設(shè)計的基本原理有哪些？一、平均讀數(shù)原理在計量學中，利用多次讀數(shù)取其平均值，能夠提高讀數(shù)精度，即稱之為平均讀數(shù)原理。二、比較測量原理差動比較測量原理一）位移量同步比較測量原理 位移量同步比較原理主要應(yīng)用于復(fù)合參數(shù)的測量：漸開線齒形誤差，齒輪切向綜合誤差，螺旋線誤差，凸輪型面誤差的測量特點：這類復(fù)合參數(shù)一般都是由線位移和角位移，或角位移和角位移以一定關(guān)系作相互運動而成。它們的測量過程，實際上是相應(yīng)的位移量之間的同步比較過程，故在設(shè)計這類參數(shù)的測量儀器中，形成了一種位移量同步比較的測量原理。這一原

27、理的特點是符合按被測參數(shù)定義進行測量的基本原則。二）差動比較測量原理1電學量差動比較測量 電學量差動比較測量可以大大減小共模信號的影響，從而可以提高測量精度和靈敏度，并可以改善儀器的線性度。2光學量差動比較測量三）零位比較測量原理三、補償原理 補償原理是儀器設(shè)計中一條內(nèi)容廣泛而意義重大的設(shè)計原理。如果在設(shè)計中，采用包括補償、調(diào)整、校正環(huán)節(jié)等技術(shù)措施，則往往能在提高儀器精度和改善儀器性能方面收到良好的效果。補償原理的核心包括：1補償環(huán)節(jié)的選擇 為了取得比較明顯的補償效果，補償環(huán)節(jié)應(yīng)選擇在儀器結(jié)構(gòu)、工藝、精度上的薄弱環(huán)節(jié)，對環(huán)境條件及外界干擾敏感的環(huán)節(jié)上。2補償方法的確定 有光電方法、軟件方法、電

28、學方法、標準器比較的方法等。3補償要求的分析 根據(jù)不同的補償對象，有不同的補償要求： 例如，對于導(dǎo)軌直線度偏差的補償，必須要對整個行程范圍進行連續(xù)逐點的補償；而對儀器示值的校正，一般可要求校正幾個特征點，如首尾兩點，或中間選幾點，達到選定的特征點保證儀器示值精確即可。4綜合補償（最佳調(diào)整原理）的實施 優(yōu)點：綜合補償方法具有簡單、易行、補償效果好的特點。 涵義：該方法不必研究儀器產(chǎn)生的誤差來自哪個或哪些環(huán)節(jié)，但通過對某個環(huán)節(jié)的調(diào)整后，便起到了綜合補償?shù)男Ч?.5.阿貝誤差產(chǎn)生的本質(zhì)原因是什么？分析三坐標測量機測量某一工件時，哪個坐標方向上的各個平面內(nèi)均能遵守阿貝原理阿貝原則定義：為使量儀能給出

29、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線（刻線尺）應(yīng)順序排成一條直線。導(dǎo)軌間隙造成運動中的擺角由于標準刻線尺與被測件的直徑不共線而帶來測量誤差 導(dǎo)軌間隙造成運動中的擺角由于標準刻線尺與被測件的直徑共線誤差微小到可以忽略不計 圖3-3所示的三坐標測量機，或其它有線值測量系統(tǒng)的儀器。很難作到使各個坐標方向或一個坐標方向上的各個平面內(nèi)均能遵守阿貝原則。 如圖3-3所示的三坐標測量機，其測量點的軌跡是測頭1的行程所構(gòu)成的尺寸線，而儀器讀數(shù)線分別在圖示的X、Y與Z直線位置處，顯然，在圖示情況下測量時，X與Y坐標方向均不遵守阿貝原則。 其中圖

30、3-3 a)為XZ平面，測頭1在該平面內(nèi)的行程所構(gòu)成的尺寸線與Z方向讀數(shù)線共線，但與X方向讀數(shù)線相距為L，在該平面內(nèi)不符合阿貝原則。 其中圖3-3 b)為YZ平面，測頭1在該平面內(nèi)的行程所構(gòu)成的尺寸線與Z方向讀數(shù)線共線，但與Y方向讀數(shù)線相距為L，在該平面內(nèi)不符合阿貝原則。 3.6舉例說明減小阿貝誤差的方法愛彭斯坦（Eppenstein）光學補償方法主要被應(yīng)用于高精度測長機的讀數(shù)系統(tǒng)中。激光兩坐標測量儀中監(jiān)測導(dǎo)軌轉(zhuǎn)角與平移的光電補償方法3以動態(tài)準直儀為標準器的電學補償方法4標準器工作點與被測點共線的平直度測量系統(tǒng)5遵守阿貝原則的傳動部件設(shè)計例 測長機原理圖。 刻尺面位于焦距f相同的兩個透鏡N1，

31、N2的焦面上。M2，N2與尾座聯(lián)為一體，M1，N1與頭座聯(lián)為一體?？坛哂裳b在尾座內(nèi)的光源照明。對零時，設(shè)0刻線成象在s1點。測量時，尾座向左移動。當導(dǎo)軌平直時，設(shè)相應(yīng)于被測長度讀數(shù)值的刻線0亦成象在s1處時不產(chǎn)生誤差。現(xiàn)假設(shè)由于導(dǎo)軌直線度的影響，使尾座產(chǎn)生傾角，則在測量線方向上，測端因傾斜而向左挪動 L=h tan ，如無補償措施，則此值即為阿貝誤差。但這時與尾座聯(lián)為一體的M2，N2也隨之傾斜角，這樣，刻線0通過M2，N2及M1，N1便成象到s2點，則S2點相對于S1點在刻尺面上也有一挪動量 s1 s2 = f tan 為了補償阿貝誤差，頭座需向左移動靠緊工件 L=h tan 為使讀數(shù)正確，

32、S1S也需等于向左移動 s1 s2 = f tan=L=h tan即h=f 于是，由尾座傾斜而帶來的阿貝誤差，由于在儀器中設(shè)置了上述光學系統(tǒng)，在讀數(shù)時自動消失了，即達到了補償?shù)哪康?。這種補償原理被稱為愛彭斯坦光學補償原理，是通過結(jié)構(gòu)布局隨機補償阿貝誤差的方法。 3.7絲桿動態(tài)測量儀對環(huán)境變化產(chǎn)生的測量誤差進行補償?shù)南葲Q條件是什么？1)如絲杠動態(tài)測量儀，由于溫度的影響，被測絲杠將伸長或縮短，此外，當環(huán)境溫度、氣壓、濕度偏離標準狀態(tài)時，激光波長也將發(fā)生變化，這些都將帶來測量誤差。因此，可以采用在激光一路信號中增減脈沖數(shù)的辦法來進行補償?shù)姆桨?。在補償時， 先測出環(huán)境的溫度、氣壓和濕度， 再計算出每米

33、需累積補償量 ，再計算每米補償量的脈沖數(shù)，1m長度內(nèi)的激光脈沖數(shù)為 ，則每隔 脈沖，對激光一路增減一個脈沖信號。 7. 零位比較測量原理與利用儀器指示測量絕對值的方法相比，優(yōu)點是什么?1)在2和4之間沒有放入具有偏光性質(zhì)的被測物3,則檢偏器輸出的光通量為零;2)在2和4之間放入被測物3, 引起偏振面旋轉(zhuǎn)。使檢偏器有光通量輸出，使指示表的指針偏離零位。3)通過讀數(shù)裝置5轉(zhuǎn)動檢偏器直至指示表示值再次為零，此時，檢偏器的轉(zhuǎn)角等于被測物引起的偏振面轉(zhuǎn)角。 測量方法的誤差分析:當重新調(diào)整使表指示為零時，則必須使被測量與補償量相平衡。因此它的測量精度僅取決于指零表的零位漂移，而讀數(shù)裝置的非線性誤差及光通量

34、的不穩(wěn)定對測量精度的影響大大減小1平行光光源 2起偏器 3被測物 4檢偏器 5讀數(shù)裝置 6光電檢測器 7放大器 8指示表3.9.綜合補償?shù)膬?yōu)點是什么？試舉例說明綜合補償（最佳調(diào)整原理）的實施 優(yōu)點：綜合補償方法具有簡單、易行、補償效果好的特點。 涵義：該方法不必研究儀器產(chǎn)生的誤差來自哪個或哪些環(huán)節(jié)，但通過對某個環(huán)節(jié)的調(diào)整后，便起到了綜合補償?shù)男Ч?.8造型設(shè)計的要點包括哪些造型設(shè)計是總體設(shè)計中一個重要的問題，造型設(shè)計是與設(shè)備的功能、結(jié)構(gòu)、材料、工藝、視覺感受與市場關(guān)系緊密相關(guān)的重要設(shè)計工作。造型設(shè)計也是具有實用功能的設(shè)計，造型中所采用結(jié)構(gòu)、材料和工藝要符合經(jīng)濟原則。 造型設(shè)計還要使產(chǎn)品的外形

35、、色彩和表面特征符合美學原則，以適應(yīng)人們的時尚要求，并從式樣、形態(tài)、風格、氣氛上體現(xiàn)時代的特點。外形輪廓應(yīng)給人以美的享受，使用戶喜愛它，使操作者珍愛它，加倍保護它。 下面主要從造型設(shè)計中如何依據(jù)科學技術(shù)原理和依據(jù)美學原則的兩個方面進行探討。一、外形設(shè)計（一）外形比例的選擇 一臺儀器的零部件組合必須勻稱諧調(diào)，在尺寸上要符合一定的比例關(guān)系，這是達到符合美學原則的前提條件。（二）外形的均衡與穩(wěn)定 均衡與穩(wěn)定是自然界物體美感的基本規(guī)律，凡是美的形象必然給人以各部分形體間平衡、安定的視覺感。（1）均衡，均衡是指儀器的整體各部分輕重對稱，相對和協(xié)。獲得形體均衡的方法是以支承面的中點為對稱軸線，使形體兩邊的

36、重量矩大致相等。并以圖形、色彩等視覺重量感來彌補實際較輕的一邊。從而取得較好的視覺平衡，產(chǎn)生最強的靜態(tài)美、條理美，但又產(chǎn)生心理上的莊重、嚴肅的感覺。（2）穩(wěn)定，對一臺儀器而言，其下部分應(yīng)大而重，而上面的部分小而輕，從而使儀器自身重心較低，也給人以穩(wěn)定感。除此之外，還有利用色彩對比的方法，增強下部色彩的濃度，以達到增加下部重量感的效果。（三）外形的風格 在藝術(shù)造型中，統(tǒng)一與差別，整體和個性是辯證的統(tǒng)一。在外形設(shè)計中，要充分考慮到各零部件的功能和結(jié)構(gòu)具有統(tǒng)一性和差別的因素。（四）外形形體的過渡（五）表面裝飾處理二、人機工程 所謂人機工程是指所設(shè)計的儀器設(shè)備要達到機器人環(huán)境的協(xié)調(diào)統(tǒng)一,使儀器設(shè)備適合

37、人的生理和心理要求,從而達到工作環(huán)境舒適安全、操作準確、省力、輕便,減輕了勞動強度,提高了工作效率的目的。人機工程包括以下幾方面： （1）人體尺度 在儀器總體設(shè)計時，應(yīng)考慮操作人員的身高、體重等與人體有關(guān)的數(shù)據(jù)，以便達到上述要求。（2）視角要求 儀器設(shè)備的顯示和讀數(shù)部件對人的視覺影響最大。（3）作用力要求 作用力要求指人在操作時，需使用的作用力的大小和作用點相對于操作者的位置。對于精密測控儀器而言，由于操作的對象是按鈕，按動按鈕無需很大的作用力，因此，按鈕的位置需按視角要求的位置和操作者容易達到的位置來設(shè)計。（4）工作環(huán)境和安全設(shè)計 工作環(huán)境應(yīng)最大限度地減小噪音，工作的時序、操作的難易、故障的

38、排除應(yīng)有利于減輕操作者的精神緊張狀況，盡量減輕人的體力和腦力消耗；在設(shè)計時，應(yīng)有直接安全技術(shù)措施和間接安全技術(shù)措施。4.1、何謂導(dǎo)向精度？導(dǎo)軌設(shè)計有哪些要求？舉出四種導(dǎo)軌組合，并說明其特點。導(dǎo)向精度 動導(dǎo)軌運動軌跡的準確度，直線度。 1）導(dǎo)軌的幾何精度導(dǎo)軌的幾何精度包括導(dǎo)軌在垂直平面內(nèi)與水平面內(nèi)的直線度，導(dǎo)軌面間的平行度和導(dǎo)軌間的垂直度。 2）接觸精度指動靜導(dǎo)軌之間的微觀不平度，它將影響導(dǎo)軌的接觸變形。因此要求接觸積大于80%。為此，要有粗糙度指標。 對滑動摩擦導(dǎo)軌、動導(dǎo)軌 ；靜導(dǎo)軌=0.10.4 對滾動摩擦導(dǎo)軌 3）實際上因?qū)к壱鸬恼`差是很復(fù)雜的。以單軸方向?qū)к墳槔浩浯嬖谂[（Raw）誤

39、差、俯仰 (Pitch) 誤差和偏轉(zhuǎn)(Roll)誤差，此外還有兩維平行度(Straightness)誤差、線性（Linear）誤差。 1）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 動靜導(dǎo)軌面間有滾動體，形成滾動摩擦。 3）靜壓導(dǎo)軌 兩導(dǎo)軌面間有壓力油或壓縮空氣，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 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。4.2、基座與支承件的基本要求是什么？1) 支承件的結(jié)構(gòu)特點和設(shè)計要求基座立柱 結(jié)構(gòu)尺寸較大， 結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜， 要承受外載荷及其變化，受熱變形影響較大。 A要具有足夠的剛度，力變

40、形要小 B穩(wěn)定性好，內(nèi)應(yīng)力變形小 C熱變形要小 D良好的抗振性相應(yīng)措施A剛度設(shè)計常采用的方法有模擬試驗法（仿真試驗）、量綱分析法和有限元分析法。有限元分析已有成熟的分析軟件可借用。采用正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計也是保證支承件剛度的重要手段。 B對鑄造的基座和立柱要進行時效處理，以消除內(nèi)應(yīng)力，減少應(yīng)力變形。時效處理的方法有兩種，即自然時效和人工時效。 C嚴格控制工作環(huán)境溫度, 控制儀器內(nèi)的熱源, 采取溫度補償措施 D在滿足剛性要求情況下，盡量減輕重量，以提高固有頻率，防止共振；如合理地選擇截面形狀和尺寸，合理地布置肋板或隔板以提高靜剛度；減小內(nèi)部振源的振動影響，如采用氣體、液體靜壓導(dǎo)軌或軸系；對驅(qū)動電動機的

41、振動加隔離措施；對運動件進行充分潤滑以增加阻尼等；采用減振或隔振設(shè)計，如彈簧隔振、橡膠隔振、氣墊隔振等。 2) 支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容剛度設(shè)計 1)有限元分析法： 此分析法是一種將數(shù)學、力學與計算機技術(shù)相結(jié)合的對支承件剛度和動特性進行分析的一種方法；2)仿真分析法： 對結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的支承件，可采用模型仿真，雖然花費些物力和時間，但得出的結(jié)果與實際比較接近。結(jié)構(gòu)設(shè)計 1）正確選擇截面形狀與外形結(jié)構(gòu)：構(gòu)件受壓時變形量與截面積大小有關(guān)；受彎、扭時，變形量與截面形狀有關(guān)。參閱表4-1橫截面積相同時不同斷面形狀慣性矩的比較進行設(shè)計2）合理地選擇和布置加強肋，以增加剛度，參閱表4-1-1所示各種肋條(板)的

42、形狀及其優(yōu)缺點3）正確的結(jié)構(gòu)布局，減小力變形4）良好的結(jié)構(gòu)工藝性，減小應(yīng)力變形5）合理地選擇材料 通常要求基座及支承件的材料具有較高的強度和剛度、耐磨性以及良好的鑄造、焊接以及機械加工的工藝性參閱表4-1-2 支承件常用材料性能及改善措施6)基座與支承件的壁厚、肋板、肋條厚度設(shè)計可參閱表4-24.3、什么是主軸的回轉(zhuǎn)精度？主軸系統(tǒng)設(shè)計的基本要求是什么？主軸回轉(zhuǎn)精度 包括：徑向、軸向、傾角、端面誤差運動。徑向誤差運動包括傾角運動和純徑向運動之和。徑向跳動包括徑向誤差運動及偏心和圓度誤差端面誤差運動軸向誤差運動端面跳動-端面誤差運動及端面與軸線的垂直度、平行度。主軸回轉(zhuǎn)精度 定義：指旋轉(zhuǎn)體回轉(zhuǎn)軸線

43、相對于其軸線平均線的位置變動?；疽?A主軸回轉(zhuǎn)精度造成回轉(zhuǎn)誤差的原因 是主軸和軸承的尺寸誤差、形狀誤差、裝配誤差及剛度、潤滑、阻尼等因素綜合作用的結(jié)果。B主軸剛度 提高主軸剛度的措施：加大主軸直徑，但導(dǎo)致機構(gòu)尺寸加大。一般D取錐孔大端直徑的1.52倍合理選擇支撐跨距縮短主軸懸伸長度a / l0=1/21/4提高軸承剛度 C主軸系統(tǒng)振動 引起原因：傳動軸與主軸連接方式不好；主軸上的零部件不平衡。因此，不能采用剛性連接的方法。一般采用彈性元件連接，以力偶的方式傳遞D主軸系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性減小力變形 主軸設(shè)計應(yīng)形狀簡單，避免產(chǎn)生應(yīng)力變形。主軸上的緊固件盡量少，以減小夾緊應(yīng)力產(chǎn)生變形。必要時應(yīng)設(shè)計有凸

44、肩。E壽命4.4、提高主軸系統(tǒng)的剛度有幾種方法？加大主軸直徑，但導(dǎo)致機構(gòu)尺寸加大。一般D取錐孔大端直徑的1.52倍合理選擇支撐跨距縮短主軸懸伸長度a / l0=1/21/4提高軸承剛度 4.5、密珠軸系有何特點？1密珠軸承軸系的特點及結(jié)構(gòu) 密集的滾珠近似于多頭螺旋排列，每個滾珠公轉(zhuǎn)時有自己滾道，互不重復(fù)。滾珠裝配時過盈，相當于預(yù)加載荷，起到消除間隙，減小幾何形狀誤差。這種軸系成本低，使用方便，壽命長，精度高，但承載能力不大。2密珠軸承設(shè)計要點滾珠的密集度：適當提高滾珠密集度，即增加滾珠數(shù)量，可以使主軸的“飄移”有所改善，所以，提高滾珠的密集度是有好處的。但過多的增加不僅使結(jié)構(gòu)尺寸增大，而且摩擦

45、力矩隨之增大，影響主軸運動的靈活性。一般根據(jù)受力情況按公式（4-47）、式（4-50）計算，再考慮結(jié)構(gòu)的可能性和過盈量確定滾珠數(shù)量。滾珠的排列方式：排列方式必須滿足每個滾珠的滾道互不重疊，并在直徑方向上滾珠的配置成對稱的原則。過盈量的確定過盈量能補償軸承零件的加工誤差，提高軸系的回轉(zhuǎn)精度和剛度。過盈量過小則不能消除軸承間隙，回轉(zhuǎn)精度和剛度均下降；過盈量太大，則摩擦力矩增大，軸系轉(zhuǎn)動的靈活性降低，主軸、軸套、滾珠的磨損加快，還容易引起軸、套和滾珠的塑性變形，破壞原有幾何形狀的正確性，同樣會引起回轉(zhuǎn)精度下降。4.6、液體動壓滑動軸系獲得液體摩擦的條件是什么？使用時應(yīng)注意什么？動壓軸承獲得油動壓的條

46、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。因此為保證主軸有高的回轉(zhuǎn)精度，轉(zhuǎn)速應(yīng)均勻。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，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。4.7、氣體靜壓導(dǎo)軌有哪些類型？各有何特點？閉式平面導(dǎo)軌型 導(dǎo)軌精度高，剛性大，承載能力也大，最適于作精密機械的長行程導(dǎo)軌。經(jīng)過研磨，使導(dǎo)軌面的精度和導(dǎo)軌與工作臺之間的間隙達到所需要的數(shù)值 。閉式圓柱或矩形導(dǎo)軌型 結(jié)構(gòu)簡單，零件的精度可由機械加工保證。隨著工作臺的移

47、動，導(dǎo)向圓軸可能產(chǎn)生撓度，故不適用做長導(dǎo)軌，可用于高精度、高穩(wěn)定性的短行程工作臺的導(dǎo)軌。開式重量平衡型 這是工作臺重量（包括負載）與空氣靜壓相平衡保持一定間隙的一種形式，其結(jié)構(gòu)簡單、零件加工也比較容易。但剛度小，承載能力低，可用于負載變動小的精密儀器和測量儀器。 開式真空吸附平衡型 其結(jié)構(gòu)與重量平衡型相同。由真空泵的真空壓力來限制工作臺的浮起量，因此，可以減少工作臺浮起間隙量，甚至可以減少到1m，故可提高剛度。常在微細加工設(shè)備中應(yīng)用。如250CC型圖形發(fā)生器X向?qū)к?，就是用氣墊中心真空吸附加載的，在氣墊外環(huán)有氣浮平衡以保持間隙。 4.8、什么是微位移技術(shù)？柔性鉸鏈有何特點？微位移技術(shù)是一行程小

48、、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。柔性鉸鏈用于繞軸作復(fù)雜運動的有限角位移，它的特點是：無機械摩擦、無間隙、運動靈敏度高。利用柔性鉸鏈原理研制的角度微調(diào)裝置，在3的角度范圍內(nèi)，達到了10-7（°）的穩(wěn)定分辨率。近年來，柔性鉸鏈又在精密微位移工作臺中得到了實用，并被廣泛地用于陀螺儀、加速度儀、精密天平等儀器儀表中。柔性鉸鏈有很多種結(jié)構(gòu)，最普通的形式是繞一個軸彈性彎曲，這種彈性變形是可逆的。4.9、采用柔性鉸鏈的微動工作臺與其它方案相比有何優(yōu)點？（一）設(shè)計要求 1）微動工作臺的支承

49、或?qū)к壐睉?yīng)無機械摩擦、無間隙。 2）具有高的位移分辨率及高的定位精度和重復(fù)性精度。 3）具有高的幾何精度，工作臺移動時直線度誤差要小，即顛擺、扭擺、滾擺誤差小，運動穩(wěn)定性好。 4）微動工作臺應(yīng)具有較高的固有頻率，以確保工作臺具有良好的動態(tài)特性和抗干擾能力。 5）工作臺最好采用直接驅(qū)動，即無傳動環(huán)節(jié)，這不僅剛性好，固有頻率高，而且減少了誤差環(huán)節(jié)。 6）系統(tǒng)響應(yīng)速度要快，便于控制。（二）精密微動工作臺設(shè)計中的幾個問題 （1）導(dǎo)軌形式的選擇 在微動工作臺微位移范圍內(nèi)，要求工作臺有較高的位移分辨率，又要求響應(yīng)特性好。因此要求導(dǎo)軌副導(dǎo)向精度高。滑動摩擦導(dǎo)軌摩擦力不是常數(shù)，動、靜摩擦系數(shù)差較大，有爬行現(xiàn)象

50、，運動均勻性不好。 滾動摩擦導(dǎo)軌雖然摩擦力較小，但由于滾動體的尺寸一致性誤差、滾動體與導(dǎo)軌的形狀誤差會使?jié)L動體與導(dǎo)軌面間產(chǎn)生相對滑動，使摩擦力在較大范圍內(nèi)變動，即動、靜摩擦力也有一定差別，也有爬行現(xiàn)象產(chǎn)生，但運動靈活性好于滑動導(dǎo)軌。 彈性導(dǎo)軌，包括平行片簧導(dǎo)軌和柔性支承導(dǎo)軌，它們無機械摩擦，無磨損，動、靜摩擦系數(shù)差很小，幾乎無爬行，又無間隙，不發(fā)熱，可達到很高的分辨率，是高精度微動工作臺常用的導(dǎo)軌形式，但它們行程小，只適合用于微位移。 空氣靜壓導(dǎo)軌，這種導(dǎo)軌導(dǎo)向精度高，無機械摩擦、無磨損、無爬行，又具有減震作用，但成本較高。 在要求既要大行程，又要高精度微位移情況下，可采用粗、細位移相結(jié)合的方

51、法。大行程時用步進電動機以機械減速機構(gòu)推動工作臺在空氣靜壓導(dǎo)軌上運動，而微位移時用壓電器件推動工作臺以彈性導(dǎo)軌導(dǎo)向運動。（2）微動工作臺的驅(qū)動 微工作臺的驅(qū)動可采用如下方法： 電機驅(qū)動與機械位移縮小裝置(杠桿傳動、齒輪傳動、絲杠傳動、楔塊傳動、摩擦傳動)相結(jié)合，這是一種常規(guī)方法，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、定位精度低于0.1m。適于大行程，中等精度微位移場合。 電熱式和電磁式機構(gòu)較簡單，但伴隨發(fā)熱，易受電磁干擾，難以達到高精度，一般為0.1m左右，行程較大，可達數(shù)百微米。 壓電和電致伸縮器驅(qū)動不存在發(fā)熱問題，穩(wěn)定性和重復(fù)性都很好，分辨力可達納米級，驅(qū)動工作臺的定位精度可達0.01m。但行程小，一般為幾

52、十微米。 （3）微動工作臺的控制 微動工作臺的控制有開環(huán)控制和閉環(huán)控制，并配有適當?shù)恼`差校正和速度校正系統(tǒng)。對于閉環(huán)控制還要有精密檢測裝置。用微機進行控制具有速度快、準確、靈活、便于實現(xiàn)精密微工作臺與整機的統(tǒng)一控制等優(yōu)點，是目前發(fā)展的主要方向。4.10、微驅(qū)動技術(shù)有哪些方法？一壓電及電致伸縮器件 壓電器件和電致伸縮器件是近年來發(fā)展起來的新型微位移器件，它結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，位移分辨力高，控制簡單，不發(fā)熱，抗干擾性強，因而是理想的微位移器件，分辨力可達到0.001m，定位精度可達到正負0.01m二在微位移器件中壓電及電致伸縮器是應(yīng)用逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)工作的壓電微位移器件是用逆壓電效應(yīng)工作的，

53、廣泛用于激光穩(wěn)頻、精密微動及進給等。對壓電器件要求其具有壓電靈敏度高、行程大、線性好、穩(wěn)定性好和重復(fù)性好等。電磁驅(qū)動器是用電磁力來驅(qū)動微工作臺。微工作臺可用平行片簧導(dǎo)軌導(dǎo)向，也可用金屬絲懸掛導(dǎo)向。原理見圖4-96。通過改變電磁鐵線圈的電流來控制電磁鐵的吸引力，克服彈簧的作用力，達到控制工作臺微位移的目的。電磁微驅(qū)動器方法簡單，驅(qū)動范圍大，但線圈通電流后易發(fā)熱，易受電磁干擾。4.11、試述壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)在機理上有何不同？ 簡單說壓電效應(yīng)分正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)）和逆壓電效應(yīng)（電致收縮效應(yīng)）。前者是機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，后者是電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。具體說：當某些物質(zhì)沿其某一方向被施加壓力或拉力時，

54、會發(fā)生變形，此時這種材料的兩個表面將產(chǎn)生符號相反的電荷；當去掉外力后，它又重新回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象叫壓電效應(yīng)。有時，也把這種機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)或順壓電效應(yīng)。反之，在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場，它會產(chǎn)生機械變形，當去掉外加電場后，該物質(zhì)的變形隨之消失，這種電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象，稱為逆壓電效應(yīng)或電致收縮效應(yīng)。4.12、試總結(jié)各種微位移機構(gòu)的原理及特點。1、柔性支承一壓電器件驅(qū)動的微位移機構(gòu) 這種機構(gòu)是一種新型微位移機構(gòu)，微移動工作臺被安裝在柔性支承上；壓電元件在電壓驅(qū)動下可精密伸長與縮短，并推動柔性支承與工作臺一起位移。由于柔性支承無間隙、無摩擦、不發(fā)熱，而壓電驅(qū)動精度高

55、、無噪聲、不受溫度和電磁場影響、體積小、不老化，因而很容易實現(xiàn)0.l0.001m的微位移。 2、平行片簧導(dǎo)軌一電壓器件驅(qū)動的微位移機構(gòu) 微工作臺由平行片簧導(dǎo)向，壓電器件驅(qū)動，無間隙，無摩擦。微位移時片簧產(chǎn)生的彈性變形，即為工作臺的微位移。這種微位移機構(gòu)可以達到O.Olm的位移分辨力，方法簡便，精度高，是常用的微位移機構(gòu)。 3、滾動導(dǎo)軌一壓電器件驅(qū)動 滾動導(dǎo)軌是精密儀器中常用的導(dǎo)軌形式，它具有運動靈活、行程大、結(jié)構(gòu)較簡單、精度較高等優(yōu)點。用壓電器件驅(qū)動，可以得到高的位移分辨力。這種組合的微動工作臺，易于實現(xiàn)大行程及微位移的結(jié)合。 4、平行片簧導(dǎo)軌一步進電機及機械式位移縮小機構(gòu)驅(qū)動 微位移機構(gòu)用平行片簧導(dǎo)軌，驅(qū)動采用步進電機，為獲得微位移，需將步進電機的輸出用機械式位移機構(gòu)縮小，如用精密螺旋傳動、彈性傳動、齒輪傳動、楔塊傳動等。5、平行彈簧導(dǎo)軌一電磁位移器驅(qū)動 為克服絲杠螺母機構(gòu)的摩擦和間隙，可采用電磁驅(qū)動的彈簧導(dǎo)軌微動工作臺，其原理見圖4-92。微動