测控仪器设计课程概要2

1、第三章第三章 测控仪器总体设计测控仪器总体设计 问题一、测控仪器设计原则问题一、测控仪器设计原则 在仪器设计长期实践的基础上,形成了一些带有普遍性的或在一定场合下带有普遍性的仪器设计所应遵循的基本原则与基本原理。这些设计原则与设计原理,作为仪器设计中的技术措施,在保证和提高仪器精度,改善仪器性能,以及在降低仪器成本等方面带来了良好的效果。 如何在仪器的总体方案中遵循或恰当地运用这些原则与原理,便是在仪器总体设计阶段应当突出考虑的一个内容。 共有六项设计原则：共有六项设计原则：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

2、六、经济原则1、阿贝、阿贝(Abbe)原则及其扩展原则及其扩展 阿贝原则定义：阿贝原则定义：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放在被测尺寸线的延长线上。或者说，被测零件的尺寸线和仪器的基准线（刻线尺）应顺序排成一条直线。 因此，遵守阿贝(Abbe)原则的仪器，应符合图3-1所示的安排。仪器的标准刻线尺与被测件的直径共线。举例说明阿贝原则举例说明阿贝原则 图31 遵守阿贝原则的测量1-导轨 2-指示器 3-标准线纹尺 4-被测件 5-工作台用游标卡尺测量工件的直径 用千分尺测量工件的直径 图3-3 三坐标测量机 1-测头的触球 2-被测工件 结论结论：许多线值测量系统的仪器，

3、很难做到使各个坐标方向或一个坐标方向上的各个平面内均能遵守阿贝原则。遵守阿贝原则的传动部件设计遵守阿贝原则的传动部件设计 阿贝原则虽然主要是针对几何量中大量程线值测量仪器总体布局设计的一条原则，但同样适合各类仪器传动部件的设计。图3-4 a）符合阿贝原则；而图3-4 b）不符合阿贝原则。图3-4 传动部件遵守阿贝原则的设计a）正确 b)不正确2、变形最小原则及减小变形影响的措施、变形最小原则及减小变形影响的措施变形最小原则定义变形最小原则定义：应尽量避免在仪器工作过程中，因受力变化或因受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。例如：仪器承重变化 仪器结构变形外界温度变化 仪器或传感

4、器结构参数变化，导致光电信号的零点漂移及系统灵敏度变化。2.1 减小力变形影响的技术措施减小力变形影响的技术措施要从总体设计上，或从具体的结构设计上，考虑减小或消除力变形的影响。 （1）一米激光测长机底座变形的补偿）一米激光测长机底座变形的补偿 如图3-5所示的一米激光测长机结构原理为：测量头架3由电动机和变速箱6通过闭合钢带7，电磁离合器8带动在导轨上移动。工件放在工作台4上，工作台也可沿导轨移动。固定角隅棱镜9与尾座5固结在一起。可动角隅棱镜12与测量头架3内的测量主轴11固结在一起，测量主轴可在测量头架内作5mm的轴向移动。装在干涉仪箱体2内的激光器13发出的激光束经反射镜后由分光镜14

5、分为两路：一路到固定角隅棱镜9；一路到可动角隅棱镜12。这两束光在返回后发生干涉。 图3-5一米激光测长机结构原理 1底座 2干涉仪箱体 3测量头架 4工作台 5尾座 6电动机和变速箱 7闭合钢带 8电磁离合器 9固定角隅棱镜 10尾杆 11测量主轴 12可动角隅棱镜 13激光器 14分光镜为了消除上述误差的影响,此台仪器在总体布局时,采取了以下措施: 固定角隅棱镜9与尾座5固结在一起; 固定角隅棱镜9的锥顶安放在尾杆10的轴线离底座导轨面等高的同一平面内; 可动角隅棱镜12的锥顶位于测量主轴11的轴心线上(以便符合阿贝原则); 尽可能减小固定角隅棱镜9和尾杆10在水平面内的距离d。实践证明上

6、述结构布局可使因重力变形引起的误差大为缩小。3 3、坐标系统一原则、坐标系统一原则对零部件设计来说，对零部件设计来说，这条原则是指：在设计零件时，应该使零件的设计基面、工艺基面和测量基面一致起来，符合这个原则，才能使工艺上或测量上能够较经济地获得规定的精度要求而避免附加的误差。图37 顶尖支承法测径向圆心晃动 V形支承法测径向圆心晃动总结共有六项设计原则：总结共有六项设计原则：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 以上六条基本原则是众多科技工作者在多年的设计实践中总结出的理论成果，这些原则经过了长期

7、实践的检验，并为大多数仪器设计者所公认。问题二问题二 测控仪器设计原理测控仪器设计原理一、平均读数原理一、平均读数原理 二、比较测量原理二、比较测量原理 三、补偿原理三、补偿原理第四章第四章 精密机械系统的设计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。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 微位移机构及设计问题一问题一 仪器的支承件设计仪器的支承件设计支承件的支承件的结构设计内容结构设计内容表4-1 横截面积相同时不同断面形状惯性矩的比较表4-1-1各种肋

8、条(板)的形状及其优缺点问题二问题二 仪器的导轨及设计仪器的导轨及设计 1、导轨的功用与分类、导轨的功用与分类 导轨的功用：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。 动导轨上有工作台或拖板（滑板）、头架、尾座及其它夹持部件、测量装置等。静导轨一般与仪器基座、立柱、横梁等支承件连接在一起或者做成一体。 导轨种类：导轨种类： 1）滑动摩擦导轨滑动摩擦导轨 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）静压导轨静压导轨 两导轨面间有压力油或压缩空气

9、，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。图4-31 开式液体静压导轨工作原理1动导轨 2静导轨 3节流器 4精滤油器5液压泵 6溢流阀 7滤油器 8油箱问题三问题三 主轴系统及设计主轴系统及设计 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。1、主轴系统设计的基本要求、主轴系统设计的基本要求（一）

10、主轴回转精度（一）主轴回转精度 包括：径向误差运动、轴向误差运动、倾角误差运动及端面误差运动。包括：径向误差运动、轴向误差运动、倾角误差运动及端面误差运动。Rsine2、液体静压轴承轴系及设计、液体静压轴承轴系及设计 液体静压轴承轴系是由压力油将轴系浮起进行工作的轴承。它有如下特点： 1）在液体压力油作用下将主轴浮起，在轴和轴套之间形成油膜，因此形成液体摩擦，摩擦力极小，几乎无磨损，寿命长，转动灵活，消耗功率尘。 2）与气体静压轴系相比刚度更高，承载能力大，因此常用于大型或重型仪器上，在机床上应用比较广泛。 3）回转精度较高，可达0.05m。由于油液分子的平均作用，使轴系回转精度可高于零件加工

11、精度。 4）抗振性好于气体静压轴承。 5）需要一套高质量的供油系统，由于油温变化后会造成回转中心热漂移，因而还需油温控制系统配套使用。因此不仅系统复杂化而且成本也较高。 液体静压轴承的工作原理与液体静压导轨基本相同，见图4-74，它在一个轴承面内开有四个对称油腔，每个油腔之间被宽度为b2，深度为Z2的轴向回油槽隔开，轴套与主轴间间隙为h0。 从油泵打出的油液，经溢流阀之后，压力调节为Ps，再经四个节流器进入四个油腔，油腔中的压力油将主轴浮起，油液经轴承间隙及回油槽回至油池。 由于轴承间隙h0很小，形成很大的油阻，使油腔中保持静压力pr。当主轴上有负载时，在径向力作用下，下间隙由h0变为h下，若

12、h下h0，上油腔油阻减小，从而使p上减小，下油腔压力p下增加以反抗外载荷，于是便产生一个与载荷方向相反的压力差p=p上p下,来支承载荷W，从而维持轴系的平衡。图474 圆度仪用液体静压轴承轴系原理图 1-滤油网 2-液压泵 3-溢流阀 4-精滤油器 5-节流器 6-轴承3、液体动压轴承轴系、液体动压轴承轴系液体动压轴承轴系有如下特点：1）回转精度高，可达0.025m。2）承载能力较大，这种轴系的承载能力是在主轴旋转后产生的，即主轴旋转时有较大承载能力。3）刚性较好。4）动态情况下无磨损，寿命长。5）制造使用和维修都比较方便，结构比液体静压简单，不需要油泵站。6）起动时主轴和轴承是刚性接触，有磨

13、损，低速大载荷油膜难以建立。7）主轴只能向油楔减小方向转动，不能反转。 见图4-76，是三油楔动压轴承原理图，由于主轴和轴承相对运动，使两者之间的润滑油形成油楔。转动时油楔从宽到窄而产生油动压，油动压的升高而将主轴浮起，避免主轴与轴套直接接触。当主轴相对轴承转动速度不同时，油膜厚度改变，对轴提供不同的力，用以支承负载。而当主轴相对轴套转速为O时，则油动压为O，此时主轴与轴承为刚性接触，即为静止状态。动压轴承获得油动压的条件是： 1）在结构上，轴承必须有斜楔。主轴只有向斜楔减小方向转动时，才会产生油动压，若主轴转动速度高，则油膜加厚。不允许向斜楔增大方向转动，这时没有油动压，主轴与轴承刚性接触，

14、而产生磨损。 2）轴系在转动之前必须加有一定粘度的润滑油，进行充分润滑。润滑油不能随便代替，必须用圆度仪主轴专用油。图476 油楔动压轴承工作原理图问题四问题四 伺服机械系统设计伺服机械系统设计 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。 1、伺服系统的分类、伺服系统的分类2、伺服驱动装置、伺服驱动装置常用的驱动装置有：常用的驱动装置有： 步进电机步进电机 它用电脉冲控制，每输入一个脉冲，电机就移进一步，可以

15、改变脉冲频率在很大范围内调节转速，可以点动，也可以连续动，可正转也可反转，停机时有自锁能力，它的步距角和转速不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境影响，仅与脉冲频率有关。 步距误差不累积，一般在15以内。步进电机运行时会出现超调或振荡，要注意低频时振动对工作台运动的影响，突然起动时有滞后。 直流电机直流电机 运动平稳，改变驱动电压可以改变转速，也能换向，控制方便，驱动平稳，噪声小，但不能自锁，控制精度不如步进电机。 同步电机同步电机 同步电机一般用于同步控制的场合。 压电陶瓷驱动器压电陶瓷驱动器 压电陶瓷驱动是近年来应用越来越广泛的驱动器。它分辨力高，可达纳米级，控制简单，但驱动范围较小。此

16、外该驱动无摩擦、不发热，但有滞后和漂移现象。问题五问题五 微位移机构及设计微位移机构及设计 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。1、常用的微位移机构、常用的微位移机构BiABKxxKK图482 丝杠及弹性缩小工作台图483 电磁驱动的微工作台(1) (1) 指令冗余指令冗余 在关键地方人为插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重写称为指令冗余。 通常是在双字节指令和三字节指令后插入两个字节以上的NOP。 这样即使乱飞程序飞

17、到操作数上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被当作操作数执行，程序自动纳入正轨。 此外，对系统流向起重要作用的指令如RET、 RETI、LCALL、LJMP、JC等指令之前插入两条NOP，也可将乱飞程序纳入正轨，确保这些重要指令的执行。提高软件可靠性的措施(2) (2) 软件陷阱软件陷阱 当乱飞程序进入非程序区，冗余指令便无法起作用。通过软件陷阱，拦截乱飞程序，将其引向指定位置，再进行出错处理。软件陷阱是指用来将捕获的乱飞程序引向复位入口地址的指令。 通常在非程序区填入绝对跳转指令作为软件陷阱。 陷阱位置的安排，通常是在程序中未使用的地址空间、用户程序区各模块之间的空余单元、中断服务程序中、地址空间的最后一条，当乱飞程序落到此处，即可自动入轨。 考虑到程序存贮器的容量，软件陷阱一般1K空间有2-3个就可以进行有效拦截。 提高软件可靠性的措施(3) (3) 软件软件“看门狗看门狗”技术技术 “看门狗”技术可由硬件实现，也可由软件实现。在工业应用中，严重的干扰有时会破坏中断方式控制字，关闭中断。则系统无法定时“喂狗”，硬件看门狗电路失效。而软件看门狗可有效地解决这类问题。(4) (4) 容错设计容错设计 对于软件失效后果特别严重的场合，可采用容错设计方法。常用的方法