1、教教 师师:王智宏王智宏专专 业业:测控技术与仪器测控技术与仪器 性质：必修（性质：必修（4848学时，包括学时，包括1010学时的学时的3 3个实验）个实验）特点：侧重于特点：侧重于光、机、电光、机、电、算系统的原理。、算系统的原理。任务：任务：掌握精密仪器的基本工作原理、主要技掌握精密仪器的基本工作原理、主要技术和设计方法，培养综合运用所学知识与技术和设计方法，培养综合运用所学知识与技术进行光机电一体化仪器设计的能力。术进行光机电一体化仪器设计的能力。课程概况课程概况要求及考核要求及考核 2个本：笔记（个本：笔记（+课上练习）课上练习）作业（作业（+习题）习题）成绩（成绩（100）：）：1
2、、平时：、平时：20 2、实验：、实验：30 3、期末考试：、期末考试：50（侧重分析、设计）（侧重分析、设计）知识点知识点1、8大功能部件大功能部件2、精度分析、精度分析3、精度设计、精度设计4、阿贝原则、阿贝原则5、最小变形原则、最小变形原则6、8步总体设计步总体设计7、机械运动简图、机械运动简图8、传动比、传动比/系数系数9、机械结构分析、机械结构分析10、步进电机控制及细分原理、步进电机控制及细分原理11、开环伺服系统设计、开环伺服系统设计12、光栅、透镜方程、光栅、透镜方程13、显微镜、望远镜原理、显微镜、望远镜原理14、光栅扫描分光原理、光栅扫描分光原理15、激光干涉测长仪、激光干
3、涉测长仪仪器机构仪器机构1、比长仪、比长仪2、立式光学计、立式光学计3、球径仪（平板测微器）、球径仪（平板测微器）4、爱彭斯坦、爱彭斯坦1m测长机测长机5、激光干涉测长机、激光干涉测长机6、杠杆齿轮测微器、杠杆齿轮测微器7、光栅扫描机构、光栅扫描机构8、小型压力机、小型压力机9、杠杆式位移缩小工作台、杠杆式位移缩小工作台10、丝杠、丝杠-弹簧缩小工作台弹簧缩小工作台11、测量显微镜、测量显微镜12、精密工作台、精密工作台第一章第一章 精密仪器概论精密仪器概论 了解精密仪器特点、内容、分类、设计要求及仪器的组成结构。1-1 概述概述1-2 精密仪器的重要性和展望精密仪器的重要性和展望1-3 精密
4、仪器的设计要求和流程精密仪器的设计要求和流程1-4 精密精密仪器仪器结构组成结构组成 解决问题解决问题1、为何是、为何是“精密精密”？2、发展过程？、发展过程？3、关键技术？、关键技术？4、结构？、结构？相关技术展望相关技术展望精密仪器设计要求和流程精密仪器设计要求和流程光机电光机电精密仪器研究的技术内容精密仪器研究的技术内容技术技术作用作用1机械机械机械系统，不仅是仪器各部分的机械系统，不仅是仪器各部分的支撑支撑，而且对保证仪器，而且对保证仪器的的测量测量精度、精度、定位定位精度和精度和运动运动精度起着关键作用。精密精度起着关键作用。精密仪器的测量控制对象也通常为机械结构的运动量。仪器的测量
5、控制对象也通常为机械结构的运动量。2电子电子 实现信号的实现信号的转换、传输、放大转换、传输、放大。包括：。包括：测量电路：信号的转换。测量电路：信号的转换。计算机控制：信号的处理分析，并在此基础上的自动计算机控制：信号的处理分析，并在此基础上的自动控制（发出控制指令）。控制（发出控制指令）。伺服驱动，是电子与机械部分的接口，按控制指令的伺服驱动，是电子与机械部分的接口，按控制指令的要求去控制被控对象实现预定的动作。要求去控制被控对象实现预定的动作。3光学光学 利用各种光学原理，实现对被测量的利用各种光学原理，实现对被测量的转换、放大、投影、转换、放大、投影、显示、传输显示、传输。3、关键技术
6、？、关键技术？精密仪器八大功能部件精密仪器八大功能部件部件部件1基准部件基准部件 2感受转换感受转换3转换、放大传输转换、放大传输 4瞄准、读数瞄准、读数 5数据处理数据处理 6显示、记录显示、记录 7驱动控制驱动控制 8机械结构机械结构 工作工作台台被测件被测件 瞄准显瞄准显微镜微镜 支支架架读数显读数显微镜微镜线纹线纹尺尺 第二章第二章 仪器的精度理论仪器的精度理论 教学要求教学要求：了解精度理论的基本概念、掌握精度分析和精度设计的步骤和方法。仪器的精度理论仪器的精度理论是研究仪器精度的重要理论依据理论依据，它包括两大内容：1、精度分析 2、精度设计教学内容教学内容2-1 精度理论的基本概
7、念精度理论的基本概念 2-2 误差的处理和评定误差的处理和评定 2-3*仪器的精度分析仪器的精度分析 2-4*仪器的精度设计仪器的精度设计精度分析精度分析 总体误差总体误差误差误差i来来 源源影影 响响合合 成成精度设计精度设计 误差误差i总体误差总体误差分分 析析分分 配配调补校调补校仪器的精度分析仪器的精度分析 总体误差总体误差误差误差i来来 源源影影 响响合合 成成三个问题：三个问题：一、有哪些误差来源？一、有哪些误差来源？二、如何进行误差的传递分析计算？二、如何进行误差的传递分析计算？三、如何进行误差的综合？三、如何进行误差的综合？精度分析精度分析误差的来源误差的来源1、原理误差、原理
8、误差 2、制造误差、制造误差 3、使用误差、使用误差 4个问题：个问题：1、如何确定？、如何确定？2、如何产生？、如何产生？3、是何性质？、是何性质？4、如何避免、如何避免/消除消除/减小？减小？仪器的存在过程仪器的存在过程设计设计 制造制造使用使用微分法、几何法微分法、几何法作用线与瞬时臂方法数字逼近法、矢量法经验估算法、实验测试法局部误差的计算局部误差的计算误差传递函数误差传递函数三、三、仪器误差的综仪器误差的综合合将局部误差合成为仪器总误差。误差的性质：性质：已定系统误差已定系统误差 e1 1i 未未定系统误差定系统误差 e2i 随机误差随机误差i i miniiiiiieakttete
9、U11222122)()(miike11miiieatet122)(nii12miieae12精度设计精度设计总误差的合理分配总误差的合理分配一、分析一、分析二、二、分配分配三、三、调整调整四、补偿四、补偿五、校验五、校验 误差计算、评定误差计算、评定误差分配误差分配评价、调整、重分评价、调整、重分调整参数、校数据调整参数、校数据误差合成、评价误差合成、评价 误差误差i总体误差总体误差随机误差随机误差总系统误差总系统误差随机误差随机误差系系+随随系系+随随精度分析精度分析第三章第三章 精密仪器总体设计精密仪器总体设计 教学要求教学要求：了解精密仪器设计的基本原则，掌握精密仪器的设计原理和总体设
10、计内容，熟悉精密仪器的总体设计过程。教学内容教学内容3-1 总体设计的相关知识3-2 总体设计内容 3-3 总体设计举例 二、设计原则二、设计原则 1、阿贝原则阿贝原则*2、最小变形原则、最小变形原则*3、测量链最短原则、测量链最短原则4、坐标系基准统一原则、坐标系基准统一原则5、精度匹配原则、精度匹配原则6、经济原则、经济原则 要求：要求：6个原则的理解个原则的理解三、设计原理三、设计原理1、平均读数原理、平均读数原理2、比较测量原理、比较测量原理3、补偿原理、补偿原理要求：要求：3个原理的应用举例个原理的应用举例1m测长机测长机头座、尾座、刻尺面，构成测量光路头座、尾座、刻尺面，构成测量光
11、路 头座头座100100mm刻尺刻尺光源光源透镜透镜N2反射镜反射镜M2反射镜反射镜M1透镜透镜N1读数显微镜读数显微镜双线分划板双线分划板（09）光学计管光学计管尾尾座座 举例：1m激光测长机底座底座干涉仪厢体干涉仪厢体测量头架测量头架工作台工作台尾座尾座电机与变速箱电机与变速箱闭合钢带闭合钢带电磁离合器电磁离合器固定角隅棱镜固定角隅棱镜尾杆尾杆测量主轴测量主轴 可动角隅棱镜可动角隅棱镜激光器激光器分光器分光器h主要结构方案主要结构方案第二节第二节 总体设计内容总体设计内容1 1、工作原理的设计、工作原理的设计2 2、系统设计、系统设计3 3、主要参数和技术指标的确定、主要参数和技术指标的确
12、定4 4、系统简图的绘制、系统简图的绘制5 5、总体布局的考虑、总体布局的考虑6 6、总体精度的分配、总体精度的分配7 7、造型设计、造型设计8 8、总体设计报告、总体设计报告1 1、工作原理的设计、工作原理的设计2 2、系统设计、系统设计3 3、主要参数和技术指标的确定、主要参数和技术指标的确定4 4、系统简图的绘制、系统简图的绘制5 5、总体布局的考虑、总体布局的考虑6 6、总体精度的分配、总体精度的分配7 7、造型设计、造型设计8 8、总体设计报告、总体设计报告标准器标准器 信号转换与传输信号转换与传输 数据处理数据处理 显示存储显示存储 运动及控制运动及控制 机械机械 （瞄准读数）（瞄
13、准读数）二、二、系统设计系统设计 仪器主要结构方案的确定仪器主要结构方案的确定 （1 1）标准器（基准器）的选择）标准器（基准器）的选择 （2 2）信号转换与传输原理（或方式）的选择）信号转换与传输原理（或方式）的选择 （3 3）数据处理装置选择）数据处理装置选择 （4 4）显示装置选择）显示装置选择 （5 5）运动方式选择）运动方式选择 （6 6）控制方式选择）控制方式选择 1、基准部件、基准部件 2、感受转换部件、感受转换部件3、转换、放大传输、转换、放大传输部件部件 4、瞄准、读数部件、瞄准、读数部件5、数据处理部件、数据处理部件 6、显示、记录部件、显示、记录部件7、驱动控制部件、驱动
14、控制部件8、机械结构部件、机械结构部件 了解精密仪器常用的机械机构(传动机构、导向机构、执行机构)的作用、组成、特点及设计方法。掌握精密仪器常用的传动机构、导向机构、执行机构的结构分析方法。机械系统机械系统 原动机部分原动机部分 执行部分执行部分 传动部分传动部分 操纵控制部分操纵控制部分利用利用力学原理力学原理，由，由零部件组装成零部件组装成，可以，可以运转运转，用来，用来代替代替人的劳动人的劳动、作、作能量变换能量变换或或产生有用功产生有用功的装置。的装置。组成组成第一节第一节 机械传动机构机械传动机构1 1、基本概念、基本概念 2 2、齿轮传动副、齿轮传动副3 3、螺旋传动副、螺旋传动副
15、4 4、连杆机构、连杆机构5 5、凸轮机构、凸轮机构6 6、分析举例、分析举例传动比传动比/传动系数传动系数运动简图的绘制运动简图的绘制机械传动结构分析举例机械传动结构分析举例1 5 4 3 2 7 6 第二节第二节 导向机构导向机构1、精密导轨的作用和构成、精密导轨的作用和构成 2、精密导轨的类型、精密导轨的类型第三节第三节 精密执行机构精密执行机构1、精密仪器执行机构的组成及常用部件、精密仪器执行机构的组成及常用部件 2、执行机构结构分析、执行机构结构分析 实验一实验一1、用测量显微镜测量电路板过孔的直径尺寸，并给出测量结果（DD）。2、分析测量显微镜的结构及功能，给出该仪器的性能指标，画
16、出系统的结构布局图。3、分析测量显微镜的误差来源及其对测量结果的影响。4、找出测量显微镜中包括的机械传动机构，分析各自的传动比/系数，画出结构简图。5、找出测量显微镜中的导向机构，分析其结构类型。6、设计一针对小孔直径尺寸自动测量的测量显微镜的结构，画出系统框图、结构布局图。7、画一个部件（三个零件以上）的机械装配图。第五章第五章 光学系统光学系统5.1 基本理论基本理论5.2 典型光学元件典型光学元件5.3 典型光学系统典型光学系统几何光学：光线、成像几何光学：光线、成像物理光学：干涉、衍射物理光学：干涉、衍射反射镜、平面镜、平板、棱镜反射镜、平面镜、平板、棱镜*透镜、光栅透镜、光栅眼睛眼睛
17、*显微镜、望远镜显微镜、望远镜透镜透镜高斯公式：高斯公式：1lflfkd)sin(sin光栅方程：光栅方程：6.3 闭环伺服控制系统设计设计数据的计算设计数据的计算细分细分1、直线式步进电机原理、直线式步进电机原理/磁悬浮列车的运磁悬浮列车的运行原理行原理2、磁悬浮列车运行状态控制：、磁悬浮列车运行状态控制：位移、速度、方向、定位位移、速度、方向、定位3、磁悬浮列车运行控制系统设计、磁悬浮列车运行控制系统设计 原理、系统框图原理、系统框图1、直流直流/交流伺服电机原理，主要参数交流伺服电机原理，主要参数2、直流直流/交流（伺服）电机运行状态控制：交流（伺服）电机运行状态控制：转角、速度、方向、
18、定位转角、速度、方向、定位3、直流直流/交流电机运行控制系统设计交流电机运行控制系统设计实验二 精密工作台控制系统设计1、目的及要求、目的及要求 掌握精密仪器控制系统的设计方法，利用单片机掌握精密仪器控制系统的设计方法，利用单片机软、硬件系统通过四相步进电动机实现精密软、硬件系统通过四相步进电动机实现精密工作台位工作台位移、速度移、速度（满足电机的加、减速特性）、方向、定位（满足电机的加、减速特性）、方向、定位的控制。的控制。硬件完成控制电路板，包括硬件完成控制电路板，包括CPU、功放、按钮、功放、按钮、LED显示。软件可采用汇编或显示。软件可采用汇编或C实现。实现。系统参数计算2设备（1）精
19、密工作台）精密工作台DZH50 P4 04：步进电机步进电机:丝杠螺母副：导程丝杠螺母副：导程4mm。（2）单片机开发系统。）单片机开发系统。步进电机指标A型号：型号：57BYGH210相数：相数：2相相线圈：线圈：4V,2.4A,1.6步距角：步距角：1.8/0.9接线方式：接线方式：A、B、红、绿、黄红、绿、黄、蓝蓝B3系统要求开环伺服系统，开环伺服系统，执行元件为步进电动机，执行元件为步进电动机，传动机构为丝杠螺母副。传动机构为丝杠螺母副。工作台脉冲当量：工作台脉冲当量：=0.01mm/脉冲；脉冲；最大运动速度最大运动速度=1.2m/min；定位精度定位精度=0.01mm；空载启动时间空载启动时间=25ms。=0.001 mm/脉冲脉冲第七章第七章 精密仪器设计实例精密仪器设计实例7.1*近红外光谱仪器设计近红外光谱仪器设计7.2 激光干涉测长仪设计激光干涉测长仪设计光栅分光原理光栅分光原理2sin)sin(sinadk常数2cos2da1 5 4 3 2 7 6 光栅分光扫描原理光栅分光扫描原理1-螺杆 2-螺母 3-销 4-滑槽 5-摆杆 6-轴 7-光栅AOOBaasinAOOBsinAOB
