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测控仪器设计复习.ppt

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第一章 测控仪器设计概论• 第一节 测控仪器的概念和组成• 第二节 测控仪器及其设计的发展状况与趋势 • 第三节 测量仪器通用术语及定义• 第四节 对测控仪器设计的要求和设计程序• • 习 题靳仿窘纤综炕芽郁林穗锄沾孩倪杖合播榆豆卧真彪遥讣码幢卯蹬胞沉汐闹测控仪器设计复习测控仪器设计复习第一节 测控仪器的概念和组成一、测控仪器的概念按照系统工程学的观点 ,生产过程中有三大技术系统 :★ 以能量到能量变换为主的能量流系统如锅炉 , 冷凝器 , 热交换器 , 发动机等★ 以材料到材料变换为主的材料流系统如机床 , 农业机械 , 纺织机械 , 液压机械等★ 以信息获取到测量、变换、控制、处理、显示等为主的信息流系统 ,如仪器仪表、计算机、通信装置、自动控制系统等。眶胳梁滩挟依债礁隙樊缉昨韵沙啡雾杆魁腥掖铲玖浑埋瑞圃阅航咏御梢芭测控仪器设计复习测控仪器设计复习测控仪器的概念• 在现代计量测试仪器中,测量与控制已经密不可分,测控仪器则是利用测量和控制的理论,采用机、电、光各种计量测试原理及控制系统与计算机相结合的一种范围广泛的测量仪器。• 本课程的要求:• ① 掌握机、电、光、计算机技术相结合的仪器总体设计的基础理论知识; • ② 学会如何从设计任务出发,进行总体设计的方法;• ③ 具有进行仪器精度设计的能力。• 本门课程力求使学生在测控仪器设计中具有勇于探索、有创新思维的设计能力。 骏赐吐聊傀裁梯涩标抢业羽藩诚碰圃正侄漱垂勘辐减欠疏择锗虐豆晦葫淹测控仪器设计复习测控仪器设计复习测控仪器的组成二、• 测控仪器种类繁多,其组成多种多样,但可按其各部分的功能来分成• 若干组成部分。 • 测控仪器组成以 图 1—1 “微电子产品视觉检测仪 ” 为例说明。 • 仪器组成:• 支承底座、精密工作台、 X、 Y二维运动导轨、立柱、显微镜及 CCD摄像• 器件、光栅系统、精密驱动系统、光源。• 1 基准部件 5 信息处理与运算装置 • 2 传感器与感受转换部件 6 显示部件 • 3 放大部件 7 驱动控制器部件 • 4 瞄准部件 8 机械结构部件• 姥伶是陇示蔗丙呕鸟验奏裙马睬趟咨姐碾嘛聘简奋惋床獭登揣裸员获渐降测控仪器设计复习测控仪器设计复习第二节 测控仪器及其设计的发展状况与趋势• 一、发展趋势 :• 高精度与高可靠性、高效率、智能化、多样化与多维化。( 1)高精度与高可靠性 随着科学技术的发展,对测控仪器的精度提出更高的要求,如几何量 nm精度测量,力学量的 mg精度测量等。同时对仪器的可靠性要求也日益增高,尤其是航空、航天用的测控仪器,其可靠性尤为重要。 ( 2)高效率 大批量产品生产节奏,要求测量仪器具有高效率,因此非接触测量、在线检测、自适应控制、模糊控制、操作与控制的自动化、多点检测、机光电算一体化是必然的趋势。纪纠络锈蛔卢狞内唆算阶竞闺壹陪怨披脊秒忘飞匆攘氟枢端聚渔胆侈右地测控仪器设计复习测控仪器设计复习二、发展概况 — 现代设计方法二、• 现代设计方法的特点:• (1)程式性 强调设计、生产与销售的一体化。• (2)创造性 突出人的创造性,开发创新性产品。• (3)系统性 用系统工程思想处理技术系统问题。力求系统整体最• 优,同时要考虑人 -机 -环境的大系统关系。• (4)优化性 通过优化理论及技术,以获得功能全、性能良好、成本• 低、性能价格比高的产品。• (5)计算机辅助设计 计算机将更全面地引入设计全过程,计算机辅助• 设计不仅用于计算和绘图,在信息储存、评价决策、动态模拟、人工• 智能等方面将发挥更大作用。蚀钦使吊典孽骂属洒审盘增持灯栓尺挥移诬黄殴架逮杭赖阐雍贝秽茅村辅测控仪器设计复习测控仪器设计复习第三节 测量仪器通用术语及定义 • 仪器的技术指标是用来说明一台仪器的性能和作用的,主要技术指标既作为设计依据,也用来考核所设计的仪器是否成功。• 作为测量仪器还必须要有规范的语言,称之为测量仪器的术语。本节叙述的有关测量仪器的术语是根据 JJFl001—1998 全国法制计量技术委员会颁布的 “通用计量术语及定义 ”来说明的。神萨赘袋啥胶逗些伙姿艾巍幂穿冻豁捕案坷集厂睫臻保遗谢玩惭迟晾叮惺测控仪器设计复习测控仪器设计复习第四节 对测控仪器设计的要求和设计程序 • 一、设计要求 • 二、测控仪器的设计程序第一章 复 习 题 忠给赫铁娘窥汐蹭迁硅傀簿废蛾誉拽呼倘努尉损西惊厅佩桐夕阐脉伍盔惨测控仪器设计复习测控仪器设计复习第二章 仪器精度理论• 意义:精度分析和精度设计是仪器设计的重要内涵•内容:仪器误差来源与特性误差计算与评定误差传递及相互作用的规律误差合成与分配原则和方法对仪器精度的测试过程第一节 仪器精度理论中的若干基本概念第二节 仪器误差的来源与性质第三节 仪器误差的分析第四节 仪器误差的综合第五节 仪器误差的分析合成举例第六节 仪器精度设计揖琐垒锻槛吃巩吱纬拱呼撼焰州君澡戏菠漓启聘误孜途锗俺缩蝴毕尺艘蠢测控仪器设计复习测控仪器设计复习第一节 仪器精度理论中的若干基本概念第二节 仪器误差的来源与性质 设计生产使用原理误差制造误差运行误差捉锡橱墅闪取磁缚拜蒜揍臭转磅汪福瞪舆顽耿挨评还演荤胜讶竞跪褒蚤圭测控仪器设计复习测控仪器设计复习第三节 仪器误差分析 任务:寻找影响仪器精度的误差根源及其规律;计算误差及其对仪器总精度的影响程度;目的:正确地选择仪器设计方案;合理地确定结构和技术参数;为设置误差补偿环节提供依据。底意恼枪泪所舵蠕郝三贡峰糙吏透扯想枫慨典镀犬腿承杭讨倒披凯若碘谋测控仪器设计复习测控仪器设计复习一、微分法二、几何法三、作用线与瞬时臂法四、数学逼近法翘的捧极铬酗匹综啮人庞秤憾焦墓峭沂乒轰置仲痉菱览迭径钵搔抠淳痞曲测控仪器设计复习测控仪器设计复习第四节 仪器误差的综合 二、系统误差的综合在仪器设计、制造、测试验收的各个环节都需要进行精度评估,就离不开仪器误差的综合。由于仪器源误差很多、性质又各不相同,因此仪器误差综合方法也各不相同。根据仪器误差性质的不同,仪器误差可按下述方法综合。一、随机误差的综合三、仪器总体误差的合成第五节 仪器误差分析合成举例 伎肢面侩止螟佛匙瑶凑恿漓行舆绒霄捌袁图哑亲豁倾矣囊弥栅颤园箭忆方测控仪器设计复习测控仪器设计复习第六节 仪器精度设计仪器精度设计是仪器精度综合的反问题,其根本任务是将给定的仪器总误差合理地分配到仪器的各个组成部件上,为正确设计仪器的各个组成部件结构以及制定零部件的公差和技术要求提供依据。对于一些对仪器精度影响较大的环节给予较严的精度指标;对于那些对仪器精度影响较小的环节给予较宽松的精度指标,在满足仪器总精度要求的前提下使制造成本降致最小。一、仪器精度指标的确定二、误差分配方法第二章 复 习 题 轮躁渣延朵志藏俯闪旦抖作靳分醉乞魁荆溪仍所来茬岳沾叫屁捣蛆咙虾萍测控仪器设计复习测控仪器设计复习第三章 测控仪器总体设计测控仪器总体设计,是指在进行仪器具体设计以前,从仪器自身的功能、技术指标、检测与控制系统框架及仪器应用的环境和条件等总体角度出发,对仪器设计中的全局问题进行全面的设想和规划。要考虑的主要问题有:1.设计任务分析2.创新性构思 (所能达到的新功能,所实现的新方法,所反映出的新技术,新理论等)3.测控仪器若干设计原则的考虑4.测控仪器若干设计原理的斟酌5.测控仪器工作原理的选择和系统设计6.测控系统主要结构参数与技术指标的确定7.仪器总体的造型规划丢冤共加唾赖虚宰彬乳磨痪熏琉受吻楷秉秧宠皂嘻述李瘪睁书犀匈公退营测控仪器设计复习测控仪器设计复习第一节 设计任务分析第二节 创新性设计第三节 测控仪器设计原则 第四节 测控仪器设计原理第五节 测控仪器工作原理的选择和系统设计第六节 测控仪器主要结构参数与技术指标的确定第七节 测控仪器的造型设计仪器总体设计的最终评估,是以其所能达到的经济指标与技术指标来衡量,精度与可靠性指标是测控仪器设计的核心问题。 本章共分为七节选厌网偷务毅焕声粟须笋污谨斗驱八者颠虫倡村峨鸳淹纸拉嫂例捍巾涡申测控仪器设计复习测控仪器设计复习第一节 设计任务分析第二节 创新性设计第三节 测控仪器设计原则六项设计原则:一、阿贝 (Abbe)原则及其扩展二、变形最小原则及减小变形影响的措施三、测量链最短原则四、坐标系统一原则五、精度匹配原则六、经济原则亚馅庚寅拟他铁毯斥换企酗寒荔阑节趁中欢蝴撂鳃朗唤魔艇嘎耕蛆溅渠品测控仪器设计复习测控仪器设计复习第四节 测控仪器设计原理一、 平均读数原理 二、 比较测量原理 三、 补偿原理第五节 测控仪器工作原理的选择和系统设计第六节 测控仪器主要结构参数与技术指标的确定第三章 复 习 题 晶依按嘴揽血厚令耀纠藕挎谍粤哟克悦抢弃唤丑术默随囊竿鹊拴谁发卉状测控仪器设计复习测控仪器设计复习第四章 精密机械系统的设计在测控仪器中,精密机械系统对保证仪器的测量精度、定位精度和运动精度起着关键的作用。随着精密测量与控制技术的飞速发展,对测控仪器中的精密机械系统的功能和精度要求也越来越高。如对基座的变形要控制在亚微米量级;对工作台的定位精度和传动精度要求能达到0.1μm;对导轨的直线度要求达到 0.1μm/m;主轴的回转精度要求达到 0.01μm等。本章在精密机械设计基础上,重点对系统精度和性能影响较大的机械结构进行研究,如:基座、导轨、轴系及伺服系统进行等。本章共分为五节: 第一节 仪器的支承件设计第二节 仪器的导轨及设计第三节 主轴系统及设计第四节 伺服机械系统设计第五节 微位移机构及设计掌扶憨滚效哼认福话蚜镑厌市适魏八允肢贞律唤试郑虏园汰熊涪菩归另涤测控仪器设计复习测控仪器设计复习第一节 仪器的支承件设计仪器中的支承件包括基座、立柱、机柜、机箱等。它起着联接和支承仪器的机、光、电等各部分零件和部件的作用。基座和立柱的力变形和温度变形将直接影响测量精度。支承件的结构特点和设计要求;横截面积相同时不同断面形状惯性矩的比较;各种肋条 (板 )的形状及其优缺点;支承件常用材料性能及改善措施;基座与支承件的壁厚、肋板、肋条厚度。察伪奴逞似测夯梯蓖刨乞珊郭派柒疤东掳杭呻泊疗蒲位县旺挥撞断仲妻筑测控仪器设计复习测控仪器设计复习第二节 仪器的导轨及设计 一、导轨的功用与分类导轨的功用:导轨是稳定和灵活传递直线运动的部件,起着确保运动精度及部件间相互位置精度的作用。其由运动导轨(动导轨)和支承导轨(静导轨)组成。导轨种类:1)滑动摩擦导轨 两导轨面间直接接触形成滑动摩擦。2)滚动导轨 动静导轨面间有滚动体,形成滚动摩擦。3)静压导轨 两导轨面间有压力油或压缩空气,由静压力使动导轨浮起形成液体或气体摩擦。4)弹性摩擦导轨 利用材料弹性变形,使运动件做精密微小位移。这种导轨仅有弹性材料内分子间的内摩擦。抠暖姓垮彦帕粮啼泛墅芝粉岛拌渐谷股胞字碌涪丛败析戏兰啊甭丽痹袍侩测控仪器设计复习测控仪器设计复习二、导轨设计的基本要求三、导轨设计应遵守的原理和准则 四、滑动摩擦导轨及设计滑动导轨是支承件和运动件直接接触的导轨。优点是结构简单、制造容易、接触刚度大。缺点是摩擦阻力大、磨损快,动、静摩擦系数差别大,低速度时,易产生爬行。毛础圭拓猩矽蛰任莫转声栏哭脓泅守衫濒喷胜妙弥供灵挥彼珊墩恬蓉粪棒测控仪器设计复习测控仪器设计复习五、滚动摩擦导轨及设计滚动摩擦导轨是在两导轨面之间放入滚珠、滚柱、滚针等滚动体,使导轨运动处于滚动摩擦状态。由于滚动摩擦阻力小,使工作台移动灵敏,低速移动时也不易产生爬行。工作台起动和运行消耗的功率小,滚动导轨磨损小,保持精度持久性好,故在仪器中广泛应用。 但是,这种导轨是点或线接触,故抗振性差,接触应力大。在设计这种导轨时,对导轨的直线度和滚动体的尺寸精度要求高。导轨对脏物比较敏感,要很好的防护,其结构比滑动导轨复杂,制造困难,成本高。伟钾清昼六软琉谆龟韦业至肺丰掸杨匈些巷吨羌扳柿瘩铱救渣坝更阔藕嚷测控仪器设计复习测控仪器设计复习六、静压导轨及设计要点 ▼ 静压导轨定义:静压导轨是在动导轨与静导轨之间,因液体压力油或气体静压力而使动导轨及工作台浮起,两导轨之间工作面不接触,而形成完全的液体或气体摩擦。根据导轨面间产生静压力的介质不同而分为液体静压导轨和空气静压导轨。▼ 静压导轨的特点:1)静压导轨的导轨面间摩擦是液体分子或气体分子摩擦,因而摩擦系数极低( 0.0005),故没有爬行,不产生磨损,寿命长,驱动功率小。2)精度高,静压导轨是根据弹性平均原理设计的,因液体或气体分子的弹性平均作用而使导轨运动精度提高。3)导轨的承载能力较大,刚度好。液体静压导轨因压力油粘性远大于气体静压导轨的空气粘度,因而液体静压导轨刚性好于气体静压导轨。4)导轨工作面充满压力油或压缩空气,而有吸振作用,抗振性好。5) 静压导轨的缺点是结构复杂,调整费事,成本较高。需要一套严格过滤的供油或供气设备。酬梆宾呐瘸伦父孙纠许躺燥枪屿困本兽若胶喧悬秀氖晋恢痛另蔬野洪变钟测控仪器设计复习测控仪器设计复习提高气浮导轨性能的方法 为提高空气静压导轨的刚度和承载能力,可采用以下几种方法:1)结构上采用闭式导轨,闭式导轨的工作面由两个相对安装的止推轴承构成,它的刚度一般为单面导轨的两倍,呈线性承载特性,稳定性好,运动精度高。2)增加供气压力,增加供气压力可提高气膜的刚度。3)减小浮起间隙,加大封闭力,在一定范围内气浮导轨的刚度随气膜厚度的减小而增大。4) 载荷补偿,在导轨内或供气回路中,安装载荷补偿机构,使气浮导轨在载荷发生变化时,浮起量变化很小,从而使刚度增大。5)提高阻尼力增加刚度,如采用粉末冶金多孔材料节流器,用大面积微孔节流代替小孔节流,使静压导轨刚度提高;采用气、液双向润滑液,因润滑面含有油层,而增加滑动阻尼,使导轨运动方向的刚度增加;采用半气浮导轨,使导轨面有部分接触,保持恒定的库伦摩擦力,又有适当的阻力,提高了承载力和刚度。懂栽呻茅捏板鹊辑征酿斤因谤北哎冤昂拍烹枷草俗绪草循血番咐护陪慰惩测控仪器设计复习测控仪器设计复习七、设计时导轨选择要点(一)导轨形式的选择在设计仪器时,其导轨形式的选择是非常重要的一个环节,导轨的选择不仅决定了仪器的精度指标是否达到设计要求,同时也决定了仪器的成本高低;选择导轨形式时,要考虑的因素很多,如导向精度、运动平稳性、承载能力(刚度)、耐磨性、使用环境、安装形式、各向静力矩、运动速度、行程大小、成本等因素。由于每种形式的导轨各有其特点,所以在选择时要综合考虑。表 4-4为各种导轨的比对。特性导轨 名称 导 向精度运 动 平 稳性 承 载 能力 耐磨性 使用 环 境 成本滑 动导轨 较 高 较 好 大 差 要求不高 低滚动导轨 高 较 好 较 低 较 好 要求 较 高 较 高液体静 压导轨高 好 较 大 好 要求高 高空气静 压导轨高 好 较 低 好 要求高 高表 4-4 各种导轨的比对嘱土所钱龋吾导波优紧讽芋泊诚官嚏频若枫瞩陪冒居服资雅撞画榜煌雪英测控仪器设计复习测控仪器设计复习第三节 主轴系统及设计在测控仪器中,主轴系统由主轴、轴承及安装在主轴上的传动件或分度元件组成。凡作回转运动的仪器中都必须有主轴系统。因此主轴系统是测控仪器或精密机械的关键部件。在测控仪器中主轴系统的作用是作精密旋转运动,分度运动或进行精度分度、测角等。一、主轴系统设计的基本要求(一)主轴回转精度包括:径向、轴向、倾角、端面误差运动。① 径向误差运动 — 包括倾角运动和纯径向运动之和。② 径向跳动 — 包括径向误差运动及偏心和圆度误差③ 端面误差运动 — 轴向误差运动④ 端面跳动 --端面误差运动及端面与轴线的垂直度、平行度。迹带拾颖朗轿藉难蔼拈侠温障恿老彩型铱拦巾禽衷译谢介骆乾裹鸿装挥硒测控仪器设计复习测控仪器设计复习七、设计时轴系选择要点仪器中的轴系是用以支承仪器可动部分围绕某一轴线作精确的回转运动进行测量,它是仪器的关键部件之一。其形式的选择是非常重要的一个环节,轴系的选择不仅决定了仪器的测量精度指标是否达到设计要求,同时也决定了仪器的成本高低;选择轴系形式时,要考虑的因素很多,如回转精度、转动灵活性、承载能力(刚度)、寿命、结构工艺性、使用环境、成本等因素。由于各种形式轴系各有其特点,所以在选择时要综合考虑。各种轴系的比对见表 4-6。表 4-6 轴系的比对特性导轨 名称 回 转 精度转动 灵活性 承 载 能力 耐磨性 使用 环 境 成本滑 动轴 系 较 高 较 差 大 差 要求 较 低 低滚动轴 系 高 较 好 较 大 较 好 要求 较 高 较 高液体静 压轴 系 高 好 大 好 要求高 高气体静 压轴 系 高 好 较 大 好 要求高 高旷蜀页磋镶翻镜漠速败本裔刽厕函钮窑耳碟拉梳煮斋扦吼冕怒莹饼三此蜜测控仪器设计复习测控仪器设计复习第四节 伺服机械系统设计在进行点、线、面或空间曲面测量和精密定位时,精密机械系统需要作各种运动,如直线运动、回转运动、曲线运动、空间运动等。这些运动需要驱动装置、传动装置和控制装置构成一个伺服系统来达到各种精密运动的目的。运动的控制往往要用计算机来完成。一、伺服系统的分类二、伺服驱动装置三、机械传动装置伺服系统中的机械传动装置有齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、丝杠传动、弹性传动、摩擦传动等。传动装置的作用是传递转速和转矩,要求能使工作台灵敏、准确、稳定地跟踪指令,实现精确移动。懂豪舱版肤至烬苇唬咳署逆旦援缴按咐屉夜邹焰妮队庭刮拴钵挚妊符审黎测控仪器设计复习测控仪器设计复习第五节 微位移机构及设计微位移技术是一行程小、分辨力和精度都很高的技术,其精度要达到亚微米和纳米级。通常把应用微位移技术的系统称为微系统,它由微位移机构、精密检测装置和控制装置三部分组成。本节主要讨论微位移机构及其驱动原理及设计问题。一、常用的微位移机构二、微驱动器件 三、柔性铰链柔性铰链用于绕轴作复杂运动的有限角位移,它的特点是:无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高。利用柔性铰链原理研制的角度微调装置,在 3′的角度范围内,达到了 10-7( °)的稳定分辨率。近年来,柔性铰链又在精密微位移工作台中得到了实用,并被广泛地用于陀螺仪、加速度仪、精密天平等仪器仪表中。柔性铰链有很多种结构,最普通的形式是绕一个轴弹性弯曲,这种弹性变形是可逆的。诣耽胡护便区襟瀑掘责枉董科防玻柄芥吻夸匣皋擦拢足重汝种胞娶审嚣住测控仪器设计复习测控仪器设计复习
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