精密儀器設計Design

of

PrecisionInstrument本章內容：§

2.1§

2.2§

2.3§

2.4設計方法概述設計任務分析設計參數指標總體方案制定意義——總體設計是戰略性、方向性、把握全局性的設計。儀器功能與性能成敗的關鍵。標準——

先進性——原理、結構（世界競爭）；

經濟性——加工和裝配，性能和價格比；

實用性——操作方便，適合中國國情。總體設計對設計師要求很高：

既要趕超世界水平、又要符合中國國情；

技術上先進、經濟上合理；

使用方便、維修簡便。指導思想——

原理正確

技術先進

實踐可行

經濟合理

產品競爭力(效率、壽命、造型)總體不合理競爭中被淘汰！設計方法概述保證設計質量

減小設計冒險度從事創造性設計從實踐設計科學設計設計意義、作用和影響評估，從——產品質量；經濟價值；進程速度三個方面體現。設計方法（決策、技術） 企業/產品成敗設計方法學——設計領域中邏輯關系的綜合,一門新興學科。找出最佳方案§

2.1一、儀器設計方法

系統工程

有限元(FEM)價值工程

優化設計

可靠性設計計算機輔助設計(CAD)設計方法——1.系統工程設計系統——按一定秩序分布的各元素的總體。工程——產生一定效能的方法。信息獲取信息處理信息應用目的能量流能量流信息流信息流材料流材料流三大流互相轉換產品設計應用系統工程的工作流程2.優化設計優化設計內容比較豐富，只介紹三次設計技術目的——將優化技術應用到設計過程中，以獲得比較合理設計參數系統輸入系統輸入結構集合結構集合參數集合參數集合最優設計參數最優設計參數系統設計參數設計允差設計三個階段(1)系統設計

專業技術人員按設計產品機構和各元器件中心值及誤差進行設計；

主要采用傳統設計方法——試驗方法、經驗公式和設計者經驗；

只要設計達到要求，即結束（未考慮優化問題）。(2)參數設計——新的設計技術目的——龐大組合關系中找出最好參數搭配關系，使質量最穩定可靠。方法——利用非線性技術以及多種因素搭配關系的優選技術。結果——改變第一次設計的中心值，提高精度和穩定性。手段——應用正交表，在計算機上完成。(3)允差設計目的——

找出對系統性能影響大的重要元件，分析計算；

找出高質量、低成本的合理設計方案。最佳平均值三次設計后：產品質量質量正態分布！3.可靠性設計可靠性——是在規定時間和條件下，完成規定功能的概率。用可靠度、失效率、壽命、維修度及有效性等表征。————產品分析、設計、試驗、統計和管理————可靠性分析——可靠性基礎內容之一。不同角度分析、建立數學模型、邏輯圖、分析各部件原理關系等。可靠性設計

可行性研究——達到目標眾多途徑與手段中選最優一種，工程決策

可靠性設計——失效形式、后果與致命度

可靠性預計與分配。

結構、漂移及兼容改進

安全與維修設計(3)可靠性試驗確定可靠性特征量；發現設計、材料、工藝的缺陷；提供可靠性數據以備后用破壞性

非破壞性試驗方法！產品復雜度不同，試驗條件、抽樣方法、數據處理及統計方法不同需要特別聲明。(4)可靠性評定點估計法

區間估計法統計方法(5)可靠性管理管理工作與技術規范等均屬可靠性管理工作。儀表工業——技術高、品種多、材料新、工藝新，可靠性尤為重要可靠性計劃各階段流程圖4.計算機輔助設計（CAD）應用領域廣泛——輸入、設計、計算、繪圖、縮放、識別等。人——機合作最大限度發揮人與機的功能創造性——人來完成（機器無法代替）常規性——機器完成有限元……二、新產品設計試制過程1.產品設計三種類型(1)創新性設計——開發新產品

市場需要

擬定設計原理、方案特點——要進行理論探討、試驗，有類似儀器參考。(2)適應性設計——科研工作有儀器參考。特點——保留原儀器原理方案個別零部件重新設計。(3)變型設計——通常在工廠 如Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型等。特點——原產品比較好

改動尺寸或布局。2.新產品的設計試制原則——

技術先進、結構簡單

容易加工制造

使用操作維修方便

安全、美觀

性價比好等新產品設計試制進程§

2.1設計方法概述新產品設計四階段：關鍵技術分析——由試驗獲取設計數據，同時驗證理論是否可行；[光刻機－機械、光點、掩膜等]模擬試驗裝置設計與試制[轉臺－機械、電控等]；樣機設計與試制；

(4)定型設計與試制。總體設計——是一個反復設計的過程，要經過理論

實踐

理論

再實踐反復過程，不可能一次完成。！§

2.2設計任務分析目的——

了解設計任務各種要求，收集資料；

分析設計的關鍵，分清主次；

設計方案比較；

提出設計技術指標。內容——

使用要求

批量

工作環境

精度

生產效率

安全保護§

2.2設計任務分析儀器類型自由度阿貝測量儀一個方向移動萬用工顯微鏡X－Y兩自由度三坐標測量機X－Y－Z三自由度1.使用要求一定范圍內有效地實現預期功能要求——儀器本身角度搞清楚使用對象“用戶是上帝”——操作者角度提出各項設計技術指標“儀器設計出發點和歸宿”——設計者角度不同使用要求，其方案結構不相同2.精度——儀器設計的關鍵精度直線旋轉分度中1－10μm1—10

μm1—10"高0.1－1μm0.1－1μm0.2—1

"超高<

0.1μm<

0.1

μm<

0.2

"可分三類：中

高

超高精度要求不同，方案差異很大，甚至原理不同，價格差距懸殊。！3.批量——決定于市場需要批量不同——方案不同、加工方法也應有所不同

單件小批——多采用通用機床，盡量少采用鑄件；

批量——專用機床、夾具、鑄、鍛件；零部件系列化、通用化、標準化提高效率、降低成本。4.生產效率——單位時間加工（測量、檢測）工件數效率的確定應考慮與自動化相關聯。如：SLIC——采用專用設備、自動化與智能化，其目的是盡量減少人干預，提高生產效率。6.安全保護儀器首先是安全，特別是人身安全！不同儀器，應采取不同措施——用殼保護，如：高壓、放射性、有毒氣體等；操作安全——接地；儀器本身安全，如：過載保護、限位、停電保護等[轉臺]。5.工作環境工作環境不同，儀器結構差異也很大。——振動、溫度、濕度、凈化度、天氣等

室外——環境差如：攪拌機；注意：防塵、防油、防腐等

室內——條件好如：高精度儀器（超凈室、隔音、防震等）；

地理位置——經緯儀，注意：“南熱/北冷”影響。一、設計參數與技術指標工作性能——加工（測量）對象尺寸范圍、運動參數 以及自動化程度等精度——精確度、分辨率、靈敏度、重復精度等效率——如生產（檢測）效率可靠性——平均故障間隔時間（MTBF）維修性——平均修理時間（MTTR）安全性——1-P，P為故障概率外形尺寸、重量設計者性能——追求高指標性/價最佳價值——追求高利潤§

2.3設計參數與指標二、確定設計參數與指標的方法1.根據設備的用途用戶提出的是使用要求，設計者應根據用戶使用要求轉換成設計工作所需的指標。依據——經驗、試驗、統計、專用或者通用。2.根據加工（測量）對象的主要尺寸根據加工（測量）對象主要尺寸確定儀器的主要指標。（1）微細加工設備′′硅片

＝

3′′

4

′′

5行程

>

?75?100?125（2）三坐標測量機主孔工件

<

600mm600—2m>

2m小型中型大型3.根據加工（測量）的精度要求（1）參數本身對精度影響——設計時取不同參數對儀器產生不同精度。光測頭杠桿比(l2/l1)確定：l1——光學杠桿長度；

l2——機械杠桿長度；

l3——顯微工作尺寸；l2側頭O

fi

O'，產生位移量D1反射角q，光線反射2qy

=

l1

·

2qq＝D

/

l2\

y

?

2l1Dmin2l12l1y=

0.2l2則，瞄準誤差D＝

l2

ymin=

a

250

＝

0.00005

·

250

?

0.4mmTa

30若：瞄準精度a

?

10（''

0.00005

弧度），Ta

=

303l3太小顯微光路結構困難。\

l1

?

fi

l

fl可見：D與l1、l2有關（1）l1

?

fi

D

fl

l1＋l3＝ffi

測量瞄準困難。fi

D

fl（2）l2

fll2太小（2）力變形對儀器精度影響——某些參數由于受力變形對精度影響很大三坐標測量機受力變形對精度影響機型分析——不同結構形式受力不同，變形對精度影響也不同，故應根據設計精度選型。

懸臂式——變形大精度<0.01mm/m

橋式、龍門式——剛性好

主軸式——適于小型測量機

臥軸式——適于中型及精密測量機4.根據儀器的薄弱環節儀器特點：

精度高、承載小、速度較低；

很少強度校核;

剛度、變形、振動、精度為主要考慮因素；

低速的爬行；設計中，應著重關鍵和薄弱環節加以解決。5.根據標準化、系列化精密儀器設計中各種參量應參閱有關手冊，盡量采用標準系列。6.根據可靠性與成本要求精密儀器設計應結合必要性和可能性提出可靠性的合理指標，使用戶獲得最大性價比的儀器。總體方案制定§

2.4設計任務分析確定主要參數及技術指標總體方案制定總體方案內容：

工作原理、方案分析和比較；

系統簡圖、總體布局；

精度分配、造型與裝飾；

總體報告。§

2.4總體方案制定一、基本設計原則

運動學設計原則

基面合一原則

粗精分開原則

阿貝原則

變形最小原則

最短傳動鏈原則

外界環境影響最小原則

系列化、通用化和標準化原則

結構工藝性良好原則

可靠安全、維修操作方便原則

造型與裝飾宜人原則

價值系數最優原則1.阿貝（Abbe）原則1890年，Abbe提出一項量儀設計的指導性原則——“要使量儀給出準確的測量結果，必須將被測件布置在基準元件沿運動方向的延長線上”。——共線原則舉例線紋尺測量的三種方式2''22212jd2

=

d

'

+d

'

=

cj

22

2繞Y軸轉動，d

?

c繞Z軸轉動，d

'

=

c(1-

cosj

)?

1

cj

2I

)

圖a中繞Z軸轉動，d1

=atgj

?ajII

)

圖b中21

cj

2

—二階微量、aj

—一階微量III

)

圖c中繞Z和Y軸轉動：d3

=

bj

2j

—微量、j

2

—二階微量、δ1——一階誤差（First-order

Error）δ2——二階誤差（Second-order

Error）結論——遵守阿貝原則可以消除一階誤差。！2.運動學設計原則空間物體的自由度和約束的關系：S＝6－Q其中S－自由度，Q－約束。運動學設計原則——根據運動方式（S）來確定約束數（Q）約束布置：

一個平面上最多3個；

一條直線上最多2個；

約束點盡量離得遠；

約束應是點接觸；

約束面應垂直欲限制自由度的方向。優點——

最少接觸點

預先計算而可控避免過大的力引起變形；

點接觸

定位精確可靠；

降低對加工精度要求，磨損后可修正；

拆卸后可準確復位。舉例符合運動學設計原則的導軌與軸系不足——

理想的點是不存在；

受力變形后，接觸點

面；

點接觸易磨損；半運動學設計——將點接觸適當擴大為有限面積，運動學原則不變。舉例符合半運動學設計原則的設計3.變形最小原則變形（不可避免）溫度受力┇最小變形措施——合理安排布局避免經過變形環節提高系統剛度舉例

典型實例——光電光波比長儀工作臺為了減小變形影響，工作臺設計中采用工作臺、床身、基座三層結構。4－平面球支承5－圓錐球窩支承6－V型球窩支承優點——（1）符合變形最小原則——工作臺移動重量始終過三支點作用在基座上，僅力大小變化，而無方向和位置變化。運動力通過底座下三支點（對應）直接作用地基，基座變形最小。符合阿貝原則——保證激光轉角、光電顯微鏡、干涉儀的顯微鏡均固定在與基座相聯構件上，精度不受工作臺變動影響。符合定位原則——無另加限制，避免不良約束造成內應力；溫度變化自由伸縮不受約束，無內應力。能自動定位，無附加力，為自動定位設計；抗振性差。photoelectric

interferometric

comparator4.基面合一原則減小基面不一造成誤差合一定位基面加工基面使用基面安裝與使用的基面——球窩

球窩——為加工基準，與使用基準重合

外圓——為加工基準，與使用基準不重合5.最短傳動鏈原則主傳動鏈傳動鏈輔助傳動鏈傳動鏈——越短越好；設計結構——越簡單，性能越穩定，精度易保證。6.粗精分離原則

高速度與高精度

大行程與高精度儀器設計矛盾——！舉例阿貝原則運動學原則

變形最小原則基面合一原則最短傳動鏈原則粗精分開原則阿貝原則運動學原則

變形最小原則基面合一原則最短傳動鏈原則粗精分開原則設計原則排序7.其它原則

外界環境影響最小原則

系列化、通用化和標準化原則

工作可靠、安全、維修與操作方便原則

結構工藝性良好原則

造型與裝飾宜人原則

價值系數最優原則§

2.4總體方案制定二、總體方案制定內容主要內容——

工作原理

基準器件

運動方式

結構方案

摩擦與變形

系統簡圖

總體布局

精度分配

造型與修飾

總體報告1.工作原理設計——總體設計的關鍵1=

-Dq2

=Re

sinqR創造性原理——不一定全是發明新理論，可將已有理論，只要前人沒有用過，應用到新儀器設計中，既為發明或獨創。設計方法理論：

誤差平均原理；

位移同步比較原理；

誤差補償原理（1）誤差平均原理——采取一定方法，將儀器或部件誤差均化以提高精度。舉例

雙讀數頭系統Dq

=

e

sinqRe

sin(q

+180

o

)Dq＝Dq1＋Dq2＝0消除偏心誤差（2）位移同步比較原理——當相應的位移作同步運動過程中，分別測出位移量，由其特定關系進行比較實現測量和控制。舉例絲杠動態測量儀fi

測出Dq采用兩套測量系統光柵系統——測量轉角激光干涉系統——測量位移光柵Dq

fi

莫爾條紋絲杠轉Dq位移Dl

fi

激光干涉儀

fi

記數測出Dl（1）無誤差fi

輸出為0；（2）有誤差fi

繪出曲線2p

fi

轉換fi

比較t

Dl

=

DqDq

結構簡單，測量鏈短；

精度高，反映動態精度；特點（3）誤差補償原理——應用最廣的設計原理，特別是微機的應用提供了補償的條件，主要包括調整、校正、補償等。2.基準器件選擇種類傳統——標尺、絲杠、蝸輪、度盤近代——激光、光柵、碼尺應用原理測量方法結構精度抗干擾應用激光光電相對復雜最高差一般光柵光電相對較復雜高強較方便磁柵磁電相對簡單較低強很方便碼盤光電絕對較復雜較高很強方便感應同步器磁電絕對較簡單中高強方便標尺光電相對簡單中高很強方便機械元件機械相對簡單低強方便3.運動方式選擇將設計原理具體化決定器件的效率、控制方式、結構及精度。運動方式間歇運動——機構簡單、受靜摩擦力影響大效率低、控制簡單連續運動——效率高、精度高、無定位誤差聯機脫機控制方式4.結構方案設計方案選擇原則：

保證精度、工作穩定可靠、結構盡量簡單；

加工、裝調、維修方便；

盡量遵守設計原則、符合運動學設計原則；

成本低。5.摩擦及局部