1、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 1、总体设计的前提条件 2、设计原则、设计原则 3、设计原理二、设计原则二、设计原则 （1 1）阿贝原则 （2 2）变形最小原则）变形最小原则 （3 3）其它原则）其它原则 （二）变形最小原则（二）变形最小原则 1、原则2、减少力变形影响的技术措施 举例：1m激光测长机3、减少热变形影响的技术措施 举例：扩散电阻电桥零点漂移的补偿 1
2、变形最小变形最小原则原则 在仪器工作过程中，应尽量避免因受力力或因温度温度变化而引起的仪器结构变形或仪器状态和参数的变化，并使之对仪器精度的影响最小。变形包括：力变形力变形。如：仪器承重（测量力）。温度变形温度变形。如：温度变化引起仪器或传感器结构参数变化，导致光电信号的零漂及系统灵敏度的变化。变形是客观存在的，应采取必要的措施减少其对仪器精度的影响。2减少力变形影响的技术措施减少力变形影响的技术措施（1）提高受力件的刚度，提高受力件的刚度，选择选择合理的截面积合理的截面积。（2）合理布局合理布局，避免经过变形环节。，避免经过变形环节。（3）采用采用调整装置调整装置或或预变形法预变形法。（4）
3、采用采用补偿法补偿法和和结构设计结构设计。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光路光路激光器2个反射镜分光镜14，分为两路：测量光路测量光路：可动角隅棱镜12返回，光程=2(分光镜14棱镜12距离)；参考光路参考光路：反射镜固定角隅棱镜9 反射镜分光镜，光程=2(反射镜棱镜9+反射镜分光镜距离)(2n(s+d)。11)(2Ldsn对零对零测量测量)()(212LLdsn测量测量a.对零：移
4、动头架3使测量主轴11在一定作用力下与尾杆10接触。此时，两路光程差:b.读数：移动头架3，将工件放在工作台上，并夹在尾杆与头架主轴之间。此时两路光程差:则读数为测量时干涉条纹相对于对零的变化数m，即：11)(2Ldsn)()(212LLdsn nLm2)(21nmL2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问题：问题：1m1m激光测长仪激光测长仪1 1、是否符合阿贝原则？、是否符合阿贝原则？
5、2 2、基准部件是什么？提供、基准部件是什么？提供的标准量是什么？的标准量是什么？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XXYZha b b OO底座受力变形的影响底座受力变形的影响 由于对零和测量时底座受力不同，而产生不同的变形量，从而产生测量误差。a.尾座5因变形变化，绕Y 轴转动（即与Z轴夹角）。b.尾座绕Z轴转动（即与Y轴夹角）c.尾座绕X轴转动（与Z轴夹角）d.测量头架在垂直平面内产
6、生倾斜。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XXYZha b b OO减少力变形的影响措施减少力变形的影响措施底座底座1、棱镜与尾座固接，且其锥顶（参考光路的光轴）与尾杆轴线在一个水平面内，即具有相同的Z坐标值h。2、测量头架的测量主轴与棱镜的锥顶（测量光路的光轴）共线3、减少d 值减少力变形的影响措施减少力变形的影响措施 1）棱镜9与尾座固接，且其锥顶（参考光路的光轴）与尾杆10轴线在一个水平面内，即具有相同
7、的Z坐标值h。2）测量头架的测量主轴与棱镜12的锥顶（测量光路的光轴）共线。3）减少d 值。a.尾座绕尾座绕Y 轴的转角轴的转角 尾座测量主轴相对于零位的变动量a=h sin，则测量光路长度 。由于固定棱镜固定棱镜9 9与尾座固结与尾座固结，且Z坐标值相同坐标值相同，棱镜9相对零位也有相同的变动量a，则：参考光路长 而二路光程差 不变。由于仪器采取了结构布局的补偿措施，消除了力变形引起的测量误差。)(21LLnaadsn)(221)()(2LLdsn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
8、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XXYZha OOa.尾座绕尾座绕Y 轴的转角轴的转角 尾座测量主轴相对于零位的变动量a=h sin，则测量光路长度 。由于固定棱镜固定棱镜9 9与尾座固结与尾座固结，且Z坐标值相同坐标值相同，棱镜9相对零位也有相同的变动量a，则：参考光路长 而二路光程差 不变。由于仪器采取了结构布局的补偿措施，消除了力变形引起的测量误差。)(21LLnaadsn)(221)()(2LLdsnb.尾座绕尾座绕Z轴转动轴转动棱镜9相对尾座测量主轴x 向的变动量：此时测量光路光程不变，参考光路光程的变化为2nb，则两光路光程变化量:为一次
9、误差，不可忽略，但可通过减少减少d 值值，减少该项变形而引起的误差。dbndnb222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XXYZha b b OOc.尾座绕尾座绕X轴转动轴转动 棱镜9相对尾座测量主轴绕x轴变动量：。此时参考光路光程未变，则测量光路光程相对无变形时的变化为：dt则两光路光程差变化量：222sin22)cos(2nsnsssnsdst222snd(0,d,h)(0,0,h)其中:为二次误差可忽略
10、。d，s，便于减少该项变形而引起的测量误差。d.测量头架在垂直平面内产生倾斜测量头架在垂直平面内产生倾斜 由于测量头架的测量主轴与棱镜12的锥顶（测量光路的光轴）共线，符合阿贝原则，无一次误差，只有二次误差，可忽略。底座受力变形的影响底座受力变形的影响 由于对零和测量时底座受力不同，而产生不同的变形量，从而产生测量误差。a.尾座5因变形变化，绕Y 轴转动（即与Z轴夹角）消除。b.尾座绕Z轴转动（即与Y轴夹角）一次。c.尾座绕X轴转动（与Z轴夹角）二次。d.测量头架在垂直平面内产生倾斜二次。ndnb222光电光波比长仪消除力变形的结构布局光电光波比长仪消除力变形的结构布局三层结构形式的设计三层结
11、构形式的设计1-工作台工作台 2-床身床身 3-基座基座 4-V型槽支撑面型槽支撑面 5-平支撑面板平支撑面板 6-圆锥形球窝支撑面圆锥形球窝支撑面3减少热变形影响的技术措施减少热变形影响的技术措施tL1t2t（1）采用恒温条件，减少温度变化量。（2）选用合适的材料，减少线膨胀的影响。如选用线胀系数相反的材料在某些敏感环节补偿热变形误差。（3）利用温度误差修正值进行补偿。如测出被测件与标准件的温度 、以及二者线胀系数 、，则 ，对测量值进行修正。12)20()20(2211ttLL例：扩散电阻电桥零点漂移的补偿例：扩散电阻电桥零点漂移的补偿练习 （三）其它原则（三）其它原则1、测量链最短原则测
12、量链最短原则2、坐标系基准统一原则坐标系基准统一原则3、精度匹配原则精度匹配原则4、经济原则经济原则 三、设计原理三、设计原理1、平均读数原理2、比较测量原理3、补偿原理1、平均读数原理、平均读数原理误差平均原理 采用多次重复测量，如多测头，多次重复分度，多次重复暴光取得平均值，以提高精度的方法，测量仪器通常利用这一原理来设计仪器的读数系统，又称之为平均读数原理。2、比较测量原理、比较测量原理1）被测量与标准量进行比较2）差动比较3）零位比较差动电桥差动电桥I0Ii双端差动电路双端差动电路I0Ii差动式电感传感器原理差动式电感传感器原理202SL 光学双通道差动法测量透射率光学双通道差动法测量透射率
