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現(xiàn)代儀器總體設(shè)計(jì)學(xué)時(shí)第1頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日主要內(nèi)容了解儀器設(shè)計(jì)整體流程設(shè)計(jì)任務(wù)分析儀器結(jié)構(gòu)參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)確定儀器設(shè)計(jì)若干原則第2頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日一臺(tái)儀器往往是解決某項(xiàng)工程中的一個(gè)環(huán)節(jié),因此儀器的總體設(shè)計(jì)者首先應(yīng)了解儀器在該工程項(xiàng)目中的地位和所起的作用。儀器作為一個(gè)產(chǎn)品,其市場(chǎng)定位要準(zhǔn)確,特點(diǎn)要突出。儀器總體設(shè)計(jì)就是根據(jù)儀器要解決的工程問題(或客戶要求)、市場(chǎng)定位和現(xiàn)有的技術(shù)水平,為用戶提供性能先進(jìn)、功能合理、經(jīng)濟(jì)可靠、美觀實(shí)用、操作方便和高效率的測(cè)試手段和平臺(tái)。3.1概述第3頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日儀器是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),涉及機(jī)、電、光、磁、液、氣、計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理等多種學(xué)科,儀器總體設(shè)計(jì)是復(fù)雜而重要的,是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。儀器總體設(shè)計(jì)主要考慮以下問題:1.設(shè)計(jì)任務(wù)書2.信號(hào)轉(zhuǎn)換及傳輸方式3.精度設(shè)計(jì)4.技術(shù)指標(biāo)確定5.結(jié)構(gòu)參數(shù)6.可靠性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性、外觀造型等7.總體方案確定第4頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日儀器設(shè)計(jì)完整過(guò)程流程:第5頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日儀器的應(yīng)用場(chǎng)合不同,比如,有專用儀器、通用化和系列化儀器產(chǎn)品,還有新設(shè)計(jì)開發(fā)的儀器產(chǎn)品。因此,對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)分析的側(cè)重點(diǎn)有所不同。通常設(shè)計(jì)任務(wù)分析涉及以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。1.明確儀器在系統(tǒng)中的地位測(cè)量、控制工作原理精度測(cè)量范圍接口方式工作環(huán)境其它3.2設(shè)計(jì)任務(wù)分析第6頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日2.使用要求由使用環(huán)境或用戶提出3.了解被測(cè)參數(shù)的特點(diǎn)被測(cè)參數(shù)定義,如長(zhǎng)度、角度等精度要求(關(guān)鍵),比如,中等精度、高精度及超高精度,會(huì)導(dǎo)致原理、結(jié)構(gòu)、成本等的巨大差異。通常,儀器的精度應(yīng)為被測(cè)參數(shù)精度的1/3,對(duì)于高精度儀器,其設(shè)計(jì)精度也可為被測(cè)參數(shù)精度的1/2-1/10.被測(cè)參數(shù)的數(shù)值范圍。一般儀器的測(cè)量范圍應(yīng)大于被測(cè)參數(shù)的范圍,但不要超過(guò)太多。第7頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日被測(cè)參數(shù)的性質(zhì)。比如,單參數(shù)、復(fù)合參數(shù)、直接測(cè)量、間接測(cè)量等被測(cè)參數(shù)的狀態(tài)。比如,瞬態(tài)、穩(wěn)定、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)等。4.了解被測(cè)參數(shù)載體特點(diǎn)指實(shí)測(cè)對(duì)象,比如,各種機(jī)械零件、電氣元件、設(shè)備、各種信號(hào)5.了解儀器其它要求操作方式、承載能力、外形、尺寸、重量、工作環(huán)境應(yīng)力水平等。6.專利文獻(xiàn)、國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)品。第8頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日3.3儀器結(jié)構(gòu)參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)確定儀器結(jié)構(gòu)參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)反映儀器的概貌特點(diǎn)、性能和功用的具體參數(shù)。它是設(shè)計(jì)儀器的基本依據(jù),也是檢驗(yàn)儀器產(chǎn)品質(zhì)量的依據(jù)。儀器的結(jié)構(gòu)參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)是根據(jù)儀器的功能、精度要求、測(cè)量范圍、使用要求和使用條件以及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定等諸多因素來(lái)確定的。第9頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日不同的儀器有不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)。比如,體積、重量、尺寸、精度、測(cè)量范圍、頻率響應(yīng)、靈敏度、信噪比、可靠性、故障率等等。參數(shù)及指標(biāo)不能隨意增減,技術(shù)等級(jí)不能隨意更改。要有科學(xué)依據(jù)。第10頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日1.確定方法(1).根據(jù)設(shè)備用途確定主要參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)一般來(lái)講,一臺(tái)儀器設(shè)備,只要能夠滿足其使用要求就可以了。從儀器科學(xué)技術(shù)的角度講,高、精、尖是不斷追求的目標(biāo)。從市場(chǎng)的角度講,應(yīng)適應(yīng)市場(chǎng)的需求。技術(shù)指標(biāo)的提高一般伴隨著經(jīng)濟(jì)成本的提高和研制周期的增加。第11頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日對(duì)于用戶提出的儀器設(shè)計(jì)指標(biāo),要根據(jù)此轉(zhuǎn)換成設(shè)計(jì)者的參數(shù)和指標(biāo)。對(duì)于創(chuàng)新型的新儀器研制,其指標(biāo)要根據(jù)使用場(chǎng)合、使用環(huán)境及市場(chǎng)調(diào)研來(lái)確定。第12頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日(2).根據(jù)測(cè)量(加工)對(duì)象的主要尺寸確定主要參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)例1.微細(xì)加工中,分步相機(jī)或光刻機(jī)x、y軸行程確定。17型臺(tái)式紫外深層光刻機(jī)Quintel4000光刻機(jī)系列
第13頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日等離子刻蝕光刻機(jī)
3分步重復(fù)投影光刻機(jī)第14頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日確定精密工作臺(tái)的行程,如加工直徑200mm的硅片,工作臺(tái)和行程應(yīng)大于此值,一般選為205-210mm第15頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日例2.工具顯微鏡主顯微鏡工作距離的確定,由測(cè)量范圍決定。工作距離應(yīng)大于測(cè)量工件的直徑。第16頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日萬(wàn)能工具顯微鏡(簡(jiǎn)稱萬(wàn)工顯,見右圖),是長(zhǎng)度計(jì)量部門最常見的光學(xué)儀器之一??捎糜跍y(cè)量工件長(zhǎng)度、角度、分度及形狀和位置誤差。測(cè)量可按直角坐標(biāo),也可按極坐標(biāo)進(jìn)行??蓽y(cè)量柱形、塊形零件、螺紋、齒輪、錐體及曲線樣板,也可測(cè)量切削刀具,如:滾刀、銑刀及絲錐等。萬(wàn)能工具顯微鏡是各種制造工業(yè)上不可缺少的計(jì)量?jī)x器。
萬(wàn)能工具顯微鏡有多種附件,利用這些附件可以擴(kuò)大其使用范圍。最常用的附件有:螺紋目鏡、雙象目鏡、靈敏杠桿、測(cè)量刀、光學(xué)分度臺(tái)、光學(xué)分度頭及調(diào)焦棒等。
萬(wàn)能工具顯微鏡與大型工具顯微鏡、小型工具顯微鏡組成系列儀器。它們的測(cè)量范圍各有不同第17頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日(3)根據(jù)測(cè)量(加工)精度確定主要參數(shù)例1.自動(dòng)分步重復(fù)光刻機(jī)工作臺(tái)的定位精度。加工線寬為2um-3um,其套刻的位置誤差允許是線寬的1/2-1/5,那么,工作臺(tái)的定位精度應(yīng)為±0.5um-±0.25um第18頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日例2.靈敏杠桿杠桿比的確定圖1為萬(wàn)能工具顯微鏡接觸瞄準(zhǔn)系統(tǒng)——光學(xué)靈敏杠桿的工作原理示意圖。由照明光源1照亮的分劃板2上的三對(duì)雙刻線,經(jīng)透鏡3后由與測(cè)桿相連的反射鏡4反射,再經(jīng)物鏡5放大,最后成像在測(cè)角目鏡分劃板6上。反射鏡4隨測(cè)桿擺動(dòng)時(shí),三組雙刻線的象隨之左右移動(dòng)。僅當(dāng)測(cè)桿中心線與顯微鏡光軸重合時(shí),雙刻線的象位于米字分劃板的中心位置。第19頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日瞄準(zhǔn)的工作原理:移動(dòng)工作臺(tái),使被測(cè)孔壁的一側(cè)與杠桿觸球相接觸,一直到雙線分劃板上的雙刻線像對(duì)中主顯微鏡中分劃板上的米字線為止。這時(shí),由主刻尺上讀下第一個(gè)讀數(shù)x1,之后,移動(dòng)工作臺(tái),使孔壁另一側(cè)與觸球接觸,同樣,在主刻尺上讀到第二個(gè)讀數(shù)x2,于是,可得到孔徑D=x1-x2+d,其中,d是觸球的直徑。第20頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日在設(shè)計(jì)靈敏杠桿時(shí),首先要求確定光學(xué)杠桿長(zhǎng)度L1,機(jī)械杠桿長(zhǎng)度L2以及尺寸L3的數(shù)值,然后才能進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)。對(duì)靈敏杠桿的主要要求是有一定的瞄準(zhǔn)精度,現(xiàn)以瞄準(zhǔn)精度為出發(fā)點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)L1,L2,L3的尺寸。結(jié)構(gòu)原理圖如下。第21頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日第22頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日設(shè)測(cè)球0點(diǎn)有S的位移,機(jī)械杠桿及反射鏡隨之?dāng)[過(guò)角,反射鏡由I-I擺到II-II,雙刻線在I-I位置成像在001上,當(dāng)擺到II-II位置時(shí),成像在a’點(diǎn)上,a’c光線對(duì)光軸的夾角是2,a’點(diǎn)到光軸的距離為y,則所以,第23頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日為了分辨雙線對(duì)米字線的偏離,對(duì)y值有一定的數(shù)值要求。根據(jù)分辨的最小y值,就可求得瞄準(zhǔn)誤差S。設(shè)雙線對(duì)米字線的瞄準(zhǔn)精度對(duì)應(yīng)的能分辨的最小y值為ymin,則,瞄準(zhǔn)誤差為:可見,瞄準(zhǔn)精度與L2,L1的比值有關(guān)。這個(gè)比值稱為靈敏杠桿的杠桿比。然后,結(jié)合測(cè)量范圍、顯微鏡的工作距離及結(jié)構(gòu)布局的大小來(lái)確定L1,L2,L3.第24頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日例:L1+L3=80,取L1=40,L2=70,則瞄準(zhǔn)誤差為取ymin=0.2um第25頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日(4)根據(jù)設(shè)備與儀器中的薄弱環(huán)節(jié)確定主要參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)如:變形、振動(dòng)、測(cè)量速度、承載、動(dòng)態(tài)特性等來(lái)設(shè)計(jì)指標(biāo)。(5)根據(jù)系列化指標(biāo)來(lái)確定主要參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)(6)根據(jù)產(chǎn)品可靠性與成本的要求來(lái)確定主要參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)第26頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日3.4儀器設(shè)計(jì)若干原則及原理
在儀器的設(shè)計(jì)中,一些設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)原則可有效地提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。一.若干設(shè)計(jì)原則1.阿貝原則及其擴(kuò)展重要原則,盡量遵守。古典阿貝原則,阿貝于1890年提出,它是一項(xiàng)測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)的指導(dǎo)性原則,表述如下:
要使量?jī)x給出準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果,必須將被測(cè)件布置在基準(zhǔn)元件沿運(yùn)動(dòng)方向的延長(zhǎng)線上。有時(shí),也稱共線原則。下面詳細(xì)說(shuō)明這一原則。第27頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日以線紋尺測(cè)量為例講解阿貝原則第28頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日
圖中共有三種測(cè)量方式,一是并聯(lián)方式(圖(a));二是串聯(lián)方式(圖(b));三是橫向移動(dòng)式(圖(c))。問題:三種測(cè)量方式哪種產(chǎn)生的測(cè)量誤差最小?(也即精度最高意義下的最佳設(shè)計(jì)方案)要搞清這個(gè)問題首先應(yīng)該清楚三種方案的測(cè)量原理。(1).測(cè)量原理圖(a)采用并聯(lián)方式,標(biāo)準(zhǔn)尺S與被測(cè)尺W安裝在x-y平面內(nèi),瞄準(zhǔn)用顯微鏡M1與計(jì)數(shù)顯微鏡M2都剛性地固定在懸壁支架B上,并與x-y平面垂直。工作時(shí),先用M1,M2瞄準(zhǔn),后移動(dòng)工作臺(tái)(或支架),再對(duì)準(zhǔn)測(cè)量,兩次讀數(shù)之差即被測(cè)尺寸。第29頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日?qǐng)D(b)采用串聯(lián)方式,被測(cè)尺在標(biāo)準(zhǔn)尺的延長(zhǎng)線上。圖(c)是橫向移動(dòng)方式。(2).產(chǎn)生測(cè)量誤差原因由于導(dǎo)軌不可能作到完全理想,所以總有一些非測(cè)量運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生??僧a(chǎn)生6個(gè)運(yùn)動(dòng)分量,分別在6個(gè)自由度上和。圖(a)的并聯(lián)方式中,三個(gè)移動(dòng)對(duì)顯微鏡作用相同,因此對(duì)測(cè)量結(jié)果沒有影響。繞X軸和Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差,繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。誤差的大小為:是S與W間的距離是轉(zhuǎn)動(dòng)的角度第30頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日第31頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日
圖(b)是串聯(lián)方式,三個(gè)移動(dòng)產(chǎn)生的效果是相同的,不會(huì)造成測(cè)量誤差。繞X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生誤差。繞Z軸和Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的誤差分別為:其中現(xiàn)顯微鏡間的距離總的誤差為:第32頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日第33頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日第34頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日串聯(lián)方式產(chǎn)生的誤差是二階小量,小于并聯(lián)方式產(chǎn)生的誤差(一階小量),所以圖(b)所示的方法產(chǎn)生的測(cè)量誤差小。圖(c)橫向移動(dòng)方式也是產(chǎn)生二階誤差。綜上所述,遵守阿貝原則可減小誤差,提高測(cè)量精度。但是,阿貝原則也有一定的缺點(diǎn),如尺寸增大等。所以,如果不能嚴(yán)格遵守阿貝原則,可采用一些措施平提高測(cè)量的精度。(1)結(jié)構(gòu)上采取措施從設(shè)計(jì)及工藝上提高導(dǎo)軌的精度,減小在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)的不直線性帶來(lái)的轉(zhuǎn)動(dòng)。盡量使讀數(shù)線與被測(cè)參量的測(cè)量線離的近一點(diǎn)。第35頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日(2)補(bǔ)償措施愛彭斯坦(Epenstein)原理采用誤差補(bǔ)償原理,利用各種機(jī)構(gòu),使可能產(chǎn)生的誤差相互抵消或消弱,或者故意引進(jìn)新的誤差,以減小某些誤差的影響。第36頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日測(cè)長(zhǎng)機(jī)第37頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日這種測(cè)長(zhǎng)儀并不嚴(yán)格遵守阿貝原則,即被測(cè)件與刻劃板不在一條直線上,運(yùn)用棱鏡和透鏡補(bǔ)償原理而達(dá)到了較高的測(cè)量精度。使測(cè)量誤差達(dá)到了二階誤差。第38頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日由于間隙等原因造成尾架傾斜,測(cè)頭由A移到A1,由此產(chǎn)生的測(cè)量誤差為:H-為測(cè)件與刻尺間距離φ-為傾角L-為尾架到測(cè)頭距離第39頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日由于應(yīng)用棱鏡透鏡補(bǔ)償原理,使測(cè)點(diǎn)的像由S‘變到S’‘,其移動(dòng)方向與測(cè)點(diǎn)移動(dòng)方向相反,設(shè)其量為:故儀器實(shí)際誤差為:可見,儀器是二階微量誤差,利用此原理對(duì)誤差補(bǔ)償取得了好的效果。第40頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日iii.布萊恩原則阿貝原則的推廣。位移測(cè)量系統(tǒng)工作點(diǎn)的路程應(yīng)和被測(cè)位移作用點(diǎn)的路程位于同一條直線上;不可能時(shí),必須使傳送位移的導(dǎo)軌沒有角運(yùn)動(dòng);或者必須算出角運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的位移,然后用補(bǔ)償機(jī)構(gòu)給予補(bǔ)償。布萊恩原則與阿貝原則并列為兩個(gè)最基本的設(shè)計(jì)原則和測(cè)量原則。第41頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日上移動(dòng)橋式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)YXB-643
第42頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日第43頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日第44頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日2.運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)原則運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)的目的也是為了盡可能地提高儀器測(cè)量的精度。儀器中被測(cè)物體與測(cè)點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)一般是通過(guò)導(dǎo)軌與軸系來(lái)實(shí)現(xiàn)的??臻g物體具有6個(gè)自由度。自由度可以通過(guò)約束來(lái)加以限制,實(shí)際的自由度為:實(shí)際自由度=6-約束數(shù)第45頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)原則是根據(jù)物體的運(yùn)動(dòng)方式,確定約束數(shù)。對(duì)約束的按排是平面最多3個(gè),直線最多2個(gè)。約束盡量采用點(diǎn)接觸,且約束點(diǎn)應(yīng)盡量相距遠(yuǎn)一點(diǎn)(同一平面或直線上)。約束面應(yīng)垂直于欲限制的自由度的方向。理想的點(diǎn)接觸是不存在的。有時(shí)根據(jù)實(shí)際情況也采用半運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)原則,即有限平面接觸。點(diǎn)接觸的好處:(1)便于控制受力、接觸點(diǎn)位置,定位精度高。(2)工作表面的工藝情況對(duì)約束影響小。(3)便于拆卸及復(fù)位。第46頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日3.變形最小原則及減少變形影響的措施在儀器的工作過(guò)程中,無(wú)論是受力引起的變形還是溫度變化或其它原因引起的變形都是無(wú)法避免的。其結(jié)果都將引起儀器測(cè)量誤差,因此在儀器的設(shè)計(jì)中應(yīng)各項(xiàng)措施,使變形為最小,以減小或消除由于變形給儀器帶來(lái)的誤差。具體措施:(1)減少力變形影響。分析可能的受力,畫出結(jié)構(gòu)受力圖,分析受力大小及產(chǎn)生的變形。可在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝上進(jìn)行直接補(bǔ)償。也可利用光路和電路進(jìn)行間接補(bǔ)償。第47頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日(2)減小熱變形影響溫度對(duì)測(cè)量?jī)x器精度會(huì)產(chǎn)生影響,必須加以考慮。一般性措施:盡量采用恒溫條件;選擇合適材料,以減少線膨脹影響;采用補(bǔ)償措施減少其影響。第48頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日4.測(cè)量鏈最短原則所謂測(cè)量鏈可以認(rèn)為是為了得到被測(cè)物體的測(cè)量值而所需的中間環(huán)節(jié)。這個(gè)環(huán)節(jié)愈少(或愈短)愈好。精密設(shè)備的總體布局,盡量采用最短測(cè)量鏈。有時(shí)也稱傳動(dòng)鏈。精密機(jī)械與儀器的傳動(dòng)鏈有主輔之分。主要測(cè)量鏈對(duì)儀器設(shè)備的總體精度和其它性能起主要作用。因此,在總體布局時(shí)要使主傳動(dòng)鏈愈短愈好,這樣它的結(jié)構(gòu)愈簡(jiǎn)單,性能就愈穩(wěn)定可靠,精度就愈容易保證。在需要為某些用途而增加機(jī)構(gòu)時(shí),宜加在輔助傳動(dòng)鏈上。第49頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日
例如:老式工具顯微鏡中工作臺(tái)的移動(dòng)是通過(guò)測(cè)得千分螺桿的移動(dòng)量及加量塊的值得到的。這種方法測(cè)量鏈較長(zhǎng),影響精度。現(xiàn)在采用直接測(cè)量工作臺(tái)移動(dòng)量的方法,使得測(cè)量鏈變短。如通過(guò)線紋尺,光柵,激光干涉儀等。第50頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日5.基面統(tǒng)一原則在儀器總體設(shè)計(jì)與零部件設(shè)計(jì)加工時(shí),要盡量用基面統(tǒng)一原則。所謂基面統(tǒng)一原則是指,應(yīng)使定位基準(zhǔn)盡量與使用基面和加工基面相一致,從而減少由于基面不一致帶來(lái)的誤差。設(shè)計(jì)基面:零件工作圖上標(biāo)注尺寸的基準(zhǔn)面。工藝基面:用它定位、加工其它工作面。裝配基面:以它為基準(zhǔn),確定零件間的相互位置。第51頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日例1.某投影儀反射鏡機(jī)構(gòu)A面為裝配基面。反射鏡坐的B,C面應(yīng)以A為基準(zhǔn)進(jìn)行加工。尺寸標(biāo)注以L1和L2標(biāo)出,若以L1和L3標(biāo)出,加工誤差會(huì)增加一倍。第52頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日例2.基面合一第53頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日6.粗精分離原則這也是總體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的一個(gè)原則。粗精分開有利于提高儀器的精度,同時(shí)使設(shè)計(jì)方案較易實(shí)現(xiàn)。例如:精密工作臺(tái)的設(shè)計(jì)定位精度:±0.1um,運(yùn)動(dòng)速度:V>30mm/s。問題:運(yùn)動(dòng)速度高,慣性大,定位精度較難保證。解決方法:粗精分離。具體講,就是高速時(shí),采用低精度,低速時(shí)采用高精度。分兩步走實(shí)現(xiàn)精度和速度要求。實(shí)現(xiàn)過(guò)程:設(shè)計(jì)時(shí)采用大行程粗精度工作臺(tái),在粗動(dòng)工作臺(tái)上加微動(dòng)工作臺(tái)。粗動(dòng)工作臺(tái)可用±5um的精度,而微動(dòng)工作臺(tái)再在5um的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)±0.1um精度。再比如:調(diào)焦系統(tǒng)第54頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日7.外界環(huán)境影響最小原則主要指溫度、振動(dòng)及電磁等的影響。第55頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日8.系列化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化原則現(xiàn)代工業(yè)化一般是按專業(yè)化協(xié)作原則進(jìn)行生產(chǎn)的。因此,在儀器的設(shè)計(jì)中要盡量地使產(chǎn)品及其零部件標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化。設(shè)計(jì)中要正確運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。不僅有利于零部件的互換性和加工工藝性,還可以減少設(shè)計(jì)工作量,縮短加工周期,提高設(shè)計(jì)和加工質(zhì)量,減少加工品種,便于組織生產(chǎn)和降低成本,提高生產(chǎn)效率。嘗試積木化生產(chǎn),建立功能模塊,使接口標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化第56頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日9.可靠性設(shè)計(jì)原則可靠性是指產(chǎn)品在一定的時(shí)間和一定的條件下,不出故障并發(fā)揮其功能的概率。還可用平均壽命、故障率、失效率或有效性等表示。一臺(tái)儀器,無(wú)論工作原理如何先進(jìn),精度多么高,如果沒有高的可靠性,不能長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作,是沒有價(jià)值的??煽啃灾笜?biāo)俞來(lái)俞重要,后面的章節(jié)將詳解。第57頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日10.其它設(shè)計(jì)原則工藝性問題總體設(shè)計(jì)的任務(wù)是選擇合理的設(shè)計(jì)方案,工藝問題不可忽略。工藝問題主要指保證產(chǎn)品或零部件性能條件下的可加工性、易實(shí)現(xiàn)性、低成本性、提高生產(chǎn)效率性及大批量可生產(chǎn)性等。造型設(shè)計(jì)這也是總體設(shè)計(jì)中一個(gè)不可忽略的問題。一般可從兩個(gè)方面來(lái)考慮。一是造型要求,二是裝飾要求。造型要求:外形輪廓應(yīng)盡量采用直線和光滑曲線組成。結(jié)構(gòu)勻稱,長(zhǎng)和寬的比例多采用黃金分割。長(zhǎng)+寬/長(zhǎng)=長(zhǎng)/寬,接近8/5.穩(wěn)定而安全。 第58頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日裝飾要求:色彩格調(diào)、噴涂工藝、光線、計(jì)數(shù)方便等。應(yīng)盡量做到美觀大方。裝飾好可提高工作效率。經(jīng)濟(jì)性原則經(jīng)濟(jì)性是衡量一件產(chǎn)品的社會(huì)價(jià)值的綜合性指標(biāo)。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者應(yīng)努力用最低的總成本可靠地去實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能。一個(gè)完美的設(shè)計(jì)應(yīng)是各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)的最佳匹配,所以,各項(xiàng)指標(biāo)要綜合考慮,經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)應(yīng)貫穿在產(chǎn)品的各個(gè)環(huán)節(jié)。第59頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日二.若干設(shè)計(jì)原理工作原理設(shè)計(jì)是總體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,合理地應(yīng)用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)原理,并融入自己的創(chuàng)造性設(shè)計(jì),使整體設(shè)計(jì)更加完善。1.平均讀數(shù)原理在精密儀器設(shè)計(jì)中,單個(gè)計(jì)數(shù)裝置獲取的參數(shù)可能存在不可避免的誤差,應(yīng)采用多次計(jì)數(shù)或多個(gè)計(jì)數(shù)頭來(lái)減小或避免誤差。
第60頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日例:圓分度測(cè)量。采用光學(xué)分度頭?;驹?/p>
圓分度測(cè)量系統(tǒng)如下圖所示。被測(cè)度盤2與標(biāo)準(zhǔn)度盤1同軸安裝,它們可繞共同的回轉(zhuǎn)中心O作同步轉(zhuǎn)動(dòng)或相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),讀數(shù)頭3、4分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)度盤進(jìn)行細(xì)分讀數(shù),瞄準(zhǔn)顯微鏡5實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)度盤的瞄準(zhǔn)。測(cè)量時(shí),首先相對(duì)移動(dòng)兩度盤,使瞄準(zhǔn)顯微鏡瞄準(zhǔn)被測(cè)度盤的“0”刻線時(shí)讀數(shù)4的讀數(shù)為0,并設(shè)定此時(shí)主軸回轉(zhuǎn)角度為0。當(dāng)主軸回轉(zhuǎn)角度為θ時(shí),瞄準(zhǔn)顯微鏡瞄準(zhǔn)被測(cè)度盤的θi刻線,讀數(shù)頭4、3的讀數(shù)分別為ai,bi,在圓周上測(cè)得N組數(shù)據(jù)(θi,ai,bi)(i=0,1,2,…,N-1)。第61頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日
1.標(biāo)準(zhǔn)度盤2.被測(cè)度盤3,4.讀數(shù)頭5.瞄準(zhǔn)顯微鏡第62頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日?qǐng)A分度測(cè)量系統(tǒng)存在三種主要誤差:標(biāo)準(zhǔn)度盤的刻劃誤差、主軸晃動(dòng)誤差和度盤的安裝偏心誤差,它們均會(huì)引起讀數(shù)頭的讀數(shù)誤差。單個(gè)計(jì)數(shù)頭時(shí),由于軸系晃動(dòng)或度盤安裝偏心,會(huì)帶來(lái)誤差,如下圖示。第63頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日(a)(b)(a)存在偏心;(b)紅色為偏心后轉(zhuǎn)動(dòng)角度,蘭色為無(wú)偏心時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。二者差異就是引入的誤差。第64頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日可以算得單個(gè)計(jì)數(shù)頭時(shí),產(chǎn)生的角度偏差為:e為偏心量,R半徑,
為轉(zhuǎn)動(dòng)角度當(dāng)在相對(duì)稱的位置安放兩個(gè)計(jì)數(shù)頭時(shí),這個(gè)誤差一正一負(fù),將計(jì)數(shù)平均后,誤差會(huì)自動(dòng)消失。同樣,由于晃動(dòng)而引起的誤差也可以消失。第65頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日在儀器上安置N個(gè)計(jì)數(shù)頭,可以消除誤差,但一般只采用兩個(gè)計(jì)數(shù)頭,一方面是工藝問題,一方面是成本問題。另一個(gè)原因是安裝多個(gè)計(jì)數(shù)頭后,仍不能消除所有的誤差,可參考有關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)。第66頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日2.差動(dòng)比較測(cè)量原理差動(dòng)比較測(cè)量可以減少共模信號(hào)的影響,提高測(cè)量精度和靈敏度,并可改善儀器的線性度。在非電量電測(cè)中應(yīng)用較多。傳感器采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。如差動(dòng)電容,差動(dòng)電感傳感器。在電路中采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。如差動(dòng)電橋。第67頁(yè),共73頁(yè),2023年,2月20日,星期日3.誤差補(bǔ)償原理誤差補(bǔ)償原理是儀器設(shè)計(jì)中廣泛采用重要設(shè)計(jì)原理。如果采用巧妙的補(bǔ)償方法,可以起到非常好的效果。補(bǔ)償原理的范圍非常廣泛,它幾乎包羅了精密儀器設(shè)計(jì)中的所有有關(guān)調(diào)整、校正補(bǔ)償?shù)热績(jī)?nèi)容,現(xiàn)代結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)的補(bǔ)償措施更加廣泛。如:材料補(bǔ)償結(jié)構(gòu)補(bǔ)償(機(jī)械、光學(xué))傳感器補(bǔ)償電路補(bǔ)償反饋補(bǔ)償差動(dòng)補(bǔ)償軟件補(bǔ)償
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