精密仪器总体设计ppt课件.ppt

1 第2章精密仪器总体设计 1 设计方法概述 2 设计任务分析 主要参数与技术指标 总体方案的制定 3 4 2 2 1设计方法概述 新产品设计试制过程 1 设计类型 创新设计 采用新的方案原理 3 2 1设计方法概述 新产品设计试制过程 2 设计类型 适应性设计 iphone1 iphone5 对系统 部件进行重新的设计 4 2 1设计方法概述 新产品设计试制过程 3 设计类型 变型设计 只改动尺寸大小或结构布局 形成系列产品 5 2 1设计方法概述 新产品设计试制过程 4 技术文件设计任务书 光学 电器 气动 液压等原理图 机械运动简图 总装配图 部件装配图 明细表 总体设计报告 包括方案分析比较 设计原理 总体布局 精度分析等 经济成本评价 6 2 1设计方法概述 新产品设计试制过程 5 新产品设计试制过程计划阶段 总体设计阶段 零部件设计阶段 技术文件编制阶段 样机试制及实验阶段 投产阶段 7 2 1设计方法概述 新产品设计试制过程 6 设计方法理论系统工程理论优化设计理论可靠性设计理论计算机辅助设计 8 2 2设计任务分析 设计任务分析 即详细了解设计任务的各种要求 弄清楚设计任务对仪器设计提出的各项指标 并且根据总体设计的基本原则 逐一地进行分析研究 9 2 2设计任务分析 1 使用要求要求精密仪器在一定的工作范围内能有效的实现预期的功能 并在一定的使用期内不丧失原有功能 10 2 2设计任务分析 2 仪器精度 不确定度 仪器精度是一项重要的技术指标 精度要求不同 导致实现的原理不同 价格差别很大 11 2 2设计任务分析 3 生产批量生产批量由市场决定 应该根据生产批量大小设计相应的产品结构 大批量 尽量采用专用机床和专用工夹具 零件结构尽量简单 采用系列化 通用化 标准化的零件 小批量 采用通用机床加工 毛坯尽量少采用铸压件 12 2 2设计任务分析 4 生产效率自动化程度越高生产效率越高 但是有可能提高生产成本 13 2 2设计任务分析 5 工作环境仪器在什么条件下使用 在室外 室内 计量环境 在线测量 离线测量 间断工作 连续工作 仪器的工作环境 工作温度的变动范围 湿度 振动情况 灰尘和污垢情况 外界干扰等等 防尘 防油 防腐 隔振 恒温 恒湿 14 2 2设计任务分析 6 安全保护特殊环境 高压 放射性物质 有毒气体 功能要求 过载装置 互锁保险装置 行程限位 15 2 2设计任务分析 7 被测参数的特点被测参数的定义 被测参数的精度要求 被测参数的数字范围 被测参数的性质 单值参数 复合参数 被测参数的状态 瞬态量 稳态量 动态量 静态量 等等 16 8 国际国内市场了解国内外同类产品的类型 原理 技术水平 特点 价格 市场占有率 市场反应 通过查找资料 收集产品样本 现场调查等途径对国外同类产品进行深入了解和分析 2 2设计任务分析 17 9 仪器制造厂家的有关情况设计能力和加工水平完全不是一回事 不能光埋头设计 忽略了企业的加工能力 在设计时 不合时宜的加入一些厂家达不到的加工要求 2 2设计任务分析 18 10 信号转换原理选择这是进行仪器设计总体考虑时 首先遇到的问题 即进行信息的获取方式及传输方式的选择 比如同类传感器 电感型的线性好 抗干扰能力强 电容型的灵敏度高 动态性能好但是抗干扰能力差等等 2 2设计任务分析 19 11 提高仪器精度的技术措施 即仪器的若干设计原则和设计原理在精密仪器设计的长期实践中 形成了一些带有普遍性的或者在一定场合下带有普遍性的设计原则和设计原理 在进行仪器设计过程中遵循和适当运用这些原则和原理会使得设计的仪器更可靠 风险更低 2 2设计任务分析 20 2 3主要参数与技术指标 内容 参数 精度参数 尺寸参数 运动参数 动力参数指标 是用来说明一台精密仪器性能和功用的具体数据 它既是设计的基本依据 又是检验成品质量的基本依据 21 2 3主要参数与技术指标 内容 例如 三坐标测量机的参数与性能指标 22 2 3主要参数与技术指标 确定方法 1 根据设备的用途确定主要参数和技术指标设计者常常需要将使用者的使用要求转换成设计工作所需要的技术指标 23 2 3主要参数与技术指标 确定方法 2 根据测量 加工 对象的主要尺寸确定主要参数和技术指标 24 2 3主要参数与技术指标 确定方法 3 根据测量 加工 精度确定主要参数和技术指标 例 光学灵敏杠杆 瞄准误差 25 2 3主要参数与技术指标 确定方法 3 根据测量 加工 精度确定主要参数和技术指标 例 三坐标测量机 26 2 3主要参数与技术指标 确定方法 3 根据测量 加工 精度确定主要参数和技术指标 27 2 3主要参数与技术指标 确定方法 3 根据测量 加工 精度确定主要参数和技术指标 28 2 3主要参数与技术指标 确定方法 4 根据设备或仪器中的薄弱环节确定主要参数和技术指标 5 根据系列化要求确定主要参数和技术指标 如 工业机器人根据作业任务的需求 形成系列化产品 29 2 3主要参数与技术指标 确定方法 6 根据产品可靠性与成本的要求确定主要参数和技术指标 1890年 阿贝对量仪设计提出了一个指导性原则 为使量仪能给出正确的测量结果 必须将仪器的读数刻线尺安装在被测尺寸的延长线上 即被测零件的尺寸线和量仪中作为读数用的基准线应顺序排成一条直线 1 阿贝原则 2 4总体方案的制定 基本设计原则 2 4总体方案的制定 基本设计原则 M1 瞄准显微镜M2 读数显微镜S 标准件W 测量件 测量过程 先用M1 M2瞄准 后移动工作台或支架 再对准测量 读数之差即为被测尺寸 2 4总体方案的制定 基本设计原则 误差分析 考虑支架的平移与转动 位姿 误差 并联式 串联式 并联式的误差是角度的一次项 串联式的误差是角度的二次项 由于角度很小 故误差较小 33 减小或消除阿贝误差的措施结构上措施从设计及工艺上提高导轨的运动精度 减小因导轨运动不直性带来的倾角 从结构布置上 尽量使读数线 线纹尺 光栅尺 激光等 和被测参数的测量线靠近 减小两者间的间距 2 4总体方案的制定 基本设计原则 补偿措施1 爱膨斯坦 Epstein 原理利用各种机构 使可能产生的误差相互抵消或削弱 或者故意引进新的误差 以减小某些误差的影响 2 4总体方案的制定 基本设计原则 35 2 4总体方案的制定 基本设计原则 例 测长机 头架固定 移动尾架使工件夹紧 根据尾架的移动距离计算工件长度 36 2 4总体方案的制定 基本设计原则 误差源 尾架倾斜误差 37 2 直接补偿 2 4总体方案的制定 基本设计原则 例 气缸与中体滑道同轴度找正 关键检测仪器 激光自动准直仪 38 3 布赖恩准则 广义的阿贝原则 1979年 加州大学的布莱恩对阿贝原则进行了修正 位移测量系统工作点的路程和被测位移作用点的路程位于同一条直线上 不可能时 必须使传递位移的导轨没有角运动 或必须算出角运动产生的位移 然后用补偿机构给予补偿 他认为阿贝当时提出阿贝原则时是根据单坐标测量而提出的 但对于双坐标和三坐标测量应有新的叙述原理 于是提出了上述原理 2 4总体方案的制定 基本设计原则 39 2 4总体方案的制定 基本设计原则 例 两坐标测量机 Z方向 干涉仪1的轴线通过测端的中心 符合阿贝原理 Y方向 通过干涉仪7 9测量转动角误差 用压电晶体16消除角误差 符合布莱恩原理 40 2 运动学设计原则 任何空间物体均具有6个自由度 且自由度和约束有这样的关系 S 6 Q 一个平面最多安置3个约束 一条直线最多安置两个约束 且约束应该是点接触 且同一平面上的约束点应该尽量离开一些 2 4总体方案的制定 基本设计原则 41 每个元件是用最少的接触点来约束的 每个接触点的位置不变 这样作用在物体上的力可以预先计算 并得以控制 工作表面的磨损及尺寸加工精度对约束的影响很小 用大公差可以达到高精度 降低了对加工精度的要求 如果结构要求拆卸 则拆卸后能方便而精确地复位 2 4总体方案的制定 基本设计原则 符合运动学设计的优点 42 2 4总体方案的制定 基本设计原则 两种符合运动学设计的滑动导轨 43 2 4总体方案的制定 基本设计原则 符合运动学设计的轴系 44 2 4总体方案的制定 基本设计原则 半运动学设计的滑动导轨与轴系 45 2 4总体方案的制定 基本设计原则 重型平台的支撑 既符合运动学设计 又可避免因自重造成变形 46 3 变形最小原则 仪器在工作中 受到力的变化 温度的变化或其他原因而引起的仪器的变形或仪器状态或参数的变化 是不可避免的 这都会带来仪器的误差 所以设计时 就应该考虑变形问题 设计时使仪器变形最小设计时加入补偿元素 使仪器的变形量得到补偿 2 4总体方案的制定 基本设计原则 47 减小变形的主要措施 合理安排布置 避免经过变形环节 提高系统刚度 减小热变形的影响 2 4总体方案的制定 基本设计原则 48 2 4总体方案的制定 基本设计原则 例 刻尺装置 支座3与镜筒2之间的误差较大 而镜筒1与镜筒2之间的误差较小 因此 b 优于 a 49 2 4总体方案的制定 基本设计原则 例 测长机底座变形及自动补偿 固定角棱镜9和尾座5固接 9和10的轴线离底座导轨面同一高度 可动角棱镜12的锥顶位于测量主轴11的轴线上 尽可能减小9和10的水平距离 50 2 4总体方案的制定 基本设计原则 例 光电光波比长仪 51 例 扩散硅压力传感器零点温漂的补偿扩散硅压力传感器是在硅材料的基片上 用集成电路的工艺制成扩散电阻并组成桥路 可直接将压力转换为电信号 比贴式应变计好很多 但由于采用了半导体材料和扩散技术 不可避免的会产生 扩散电阻的离散性很大 桥路各电阻值不等 扩散电阻的各个电阻温度系数不相同 扩散电阻随温度的非线性变化 所以在组成测量桥路时 将产生各不相同的零点温度漂移和灵敏度漂移 2 4总体方案的制定 基本设计原则 52 2 4总体方案的制定 基本设计原则 说明 即使有温度变化 桥路也处于一个平衡状态 温度补偿电路 53 4 基面合一原则 即设计面 工艺面 加工面 装配面 测量面一致 2 4总体方案的制定 基本设计原则 54 5 最短传动链原则6 精粗分离原则7 外界环境影响最小原则8 系列化 通用化 标准化原则9 工作可靠 安全 维修与操作方便原则10 结构工艺性良好原则11 造型与装饰宜人原则 价值系数最优原则12 价值系数最优原则 2 4总体方案的制定 基本设计原则 55 平均读数原理 2 4总体方案的制定 若干设计原理 误差源 度盘中心位置误差 A B两个读数头读数的平均值可以消除误差 56 位移量同步比较原则 2 4总体方案的制定 若干设计原理 同时测量转动角度与移动距离 其比值出现变化时 说明丝杆有问题 57 补偿原理补偿原理是仪器设计中一条内容广泛而意义重大的设计原理 仪器精度 不可能只依靠加工精度来保证 而如果在设计中 巧妙地采用包括补偿 调整 校正环节等技术措施 则能在提高仪器的精度和改善仪器性能方面收到良好的效果 2 4总体方案的制定 若干设计原理 58 补偿设计时主要注意 补偿环节补偿方法补偿要求综合补偿 2 4总体方案的制定 若干设计原理 5