现代精密仪器设计第二章-总体设计.ppt

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1、精精 密密 仪仪 器器 设设 计计 Design of Precision Instrument第三讲第三讲本章内容：本章内容：2.1 设计方法概述设计方法概述 2.2 设计任务分析设计任务分析 2.3 主要参数指标主要参数指标 2.4 总体方案制定总体方案制定意义总体设计是战略性、方向性、把握全局性的设计。总体设计是战略性、方向性、把握全局性的设计。仪器功能与性能成败的关键。仪器功能与性能成败的关键。标准 先进性先进性原理、结构（世界竞争）；原理、结构（世界竞争）；经济性经济性加工和装配，性能和价格比；加工和装配，性能和价格比；实用性实用性操作方便，适合中国国情。操作方便，适合中国国情。总体

2、设计对设计师要求很高：总体设计对设计师要求很高：既要赶超世界水平、又要符合中国国情；既要赶超世界水平、又要符合中国国情；技术上先进、经济上合理；技术上先进、经济上合理；使用方便、维修简便。使用方便、维修简便。实例：实例：XWY-1型动物纤维细度测量仪型动物纤维细度测量仪先进性先进性 精密机械显微镜数字精密机械显微镜数字CCDCCD计算机计算机 边缘提取、角点链码、亚像素定位边缘提取、角点链码、亚像素定位 经济性经济性 专业光源专业光源 普通光源普通光源实用性实用性 自动测量、显示与打印输出自动测量、显示与打印输出性能参数性能参数XWY1OFDA100测量范围4300m3300m测量速度最大可达

3、 130根/s20s50s内20005000根测量重复性小于0.15m小于0.22m相对误差小于0.6%无长期测量稳定性小于0.15m无技术先进性对比技术先进性对比 与国外同类仪器相比，价格大幅度降低，每台仪器价格仅相当于进与国外同类仪器相比，价格大幅度降低，每台仪器价格仅相当于进口仪器（约口仪器（约5050万元人民币）万元人民币）1/31/3；仪器已销售到张家港、内蒙、宁夏、新疆等单位，检测速度较国内仪器已销售到张家港、内蒙、宁夏、新疆等单位，检测速度较国内常规检测方法快常规检测方法快100100倍以上，且降低检测人员技术要求，为检测部门倍以上，且降低检测人员技术要求，为检测部门节约大量人力

4、。节约大量人力。经济效益分析经济效益分析指导思想 原理正确原理正确 技术先进技术先进 实践可行实践可行 经济合理经济合理 产品竞争力产品竞争力(效率、寿命、造型)总体设计不合理总体设计不合理竞争中被淘汰竞争中被淘汰 2.1 设计方法概述设计方法概述 设计意义、作用和影响评估，从设计意义、作用和影响评估，从产品质量；经济价值；进程速度产品质量；经济价值；进程速度三个方面体现。三个方面体现。设计科学与设计方法学设计科学与设计方法学是一门新兴学科！是一门新兴学科！设计科学是设计领域中逻辑关系的综合。设计科学是设计领域中逻辑关系的综合。找出最佳方案保证设计质量减小设计冒险度从事创造性设计从从 经验设计

5、经验设计 科学设计科学设计 设计方法（决策、技术）企业/产品成败一、仪器设计方法一、仪器设计方法 系统工程系统工程 有限元有限元(FEM)价值工程价值工程 优化设计优化设计 可靠性设计可靠性设计 计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD)设计方法与理论设计方法与理论1.系统工程设计系统按一定秩序分布的各元素的总体。按一定秩序分布的各元素的总体。工程产生一定效能的方法。产生一定效能的方法。信息获取信息处理信息数据给定系统工程的工作过程系统工程的工作过程 产产品品设设计计应应用用系系统统工工程程的的工工作作流流程程2.优化设计 优化设计内容比较丰富，只介绍优化设计内容比较丰富，只介绍 三次设计技术三次

6、设计技术目的目的将优化技术应用到设计过程中，以获得比较合理将优化技术应用到设计过程中，以获得比较合理 设计参数设计参数系统输入系统输入系统输入系统输入结构集合结构集合结构集合结构集合参数集合参数集合参数集合参数集合最优设计参数最优设计参数最优设计参数最优设计参数系统设计参数设计允差设计三个阶段三个阶段(1)(1)系统设计系统设计 专业技术人员按设计产品机构和各元器件中心值及误差进行设计；专业技术人员按设计产品机构和各元器件中心值及误差进行设计；主要采用传统设计方法主要采用传统设计方法试验方法、经验公式和设计者经验；试验方法、经验公式和设计者经验；只要设计达到要求，即结束（未考虑优化问题）。只要

7、设计达到要求，即结束（未考虑优化问题）。(2)(2)参数设计参数设计新的设计技术新的设计技术目的目的庞大组合关系中找出最好参数搭配关系，使质量最稳定可靠。庞大组合关系中找出最好参数搭配关系，使质量最稳定可靠。方法方法利用非线性技术以及多种因素搭配关系的优选技术。利用非线性技术以及多种因素搭配关系的优选技术。结果结果改变第一次设计的中心值，提高精度和稳定性。改变第一次设计的中心值，提高精度和稳定性。手段手段应用正交表，在计算机上完成。应用正交表，在计算机上完成。(3)(3)允差设计允差设计目的目的 找出对系统性能影响大的重要元件，分析计算；找出对系统性能影响大的重要元件，分析计算；找出高质量、低

8、成本的合理设计方案。找出高质量、低成本的合理设计方案。最佳平均值三次设计后三次设计后：产品质量质量正态分布3.可靠性设计可靠性可靠性是是在规定时间和条件下，完成规定功能的概率。在规定时间和条件下，完成规定功能的概率。用用可靠度、失效率、寿命、维修度及有效性可靠度、失效率、寿命、维修度及有效性等表征。等表征。产品分析、设计、试验、统计和管理产品分析、设计、试验、统计和管理(1)(1)可靠性分析可靠性分析可靠性基础内容之一。可靠性基础内容之一。不同角度分析、建立数学模型、逻辑图、分析各部件原理关系等。不同角度分析、建立数学模型、逻辑图、分析各部件原理关系等。(2)(2)可靠性设计可靠性设计 可行性

9、研究可行性研究达到目标众多途径与手段中选最优一种，工程决策达到目标众多途径与手段中选最优一种，工程决策 可靠性设计可靠性设计失效形式、后果与致命度失效形式、后果与致命度 可靠性预计与分配。可靠性预计与分配。结构、漂移及兼容改进结构、漂移及兼容改进 安全与维修设计安全与维修设计(3)(3)可靠性试验可靠性试验 确定可靠性特征量；发现设计、材料、工艺的缺陷；提供可靠性确定可靠性特征量；发现设计、材料、工艺的缺陷；提供可靠性数据以备后用数据以备后用破坏性非破坏性试验方法试验方法！产品复杂度不同，试验条件、抽样方法、数据处理及统计方法不产品复杂度不同，试验条件、抽样方法、数据处理及统计方法不同需要特别

10、声明。同需要特别声明。(4)(4)可靠性评定可靠性评定(5)(5)可靠性管理可靠性管理 管理工作与技术规范等均属可靠性管理工作。管理工作与技术规范等均属可靠性管理工作。点估计法区间估计法统计方法统计方法仪表工业仪表工业技术高、品种多、材料新、工艺新，可靠性尤为重要技术高、品种多、材料新、工艺新，可靠性尤为重要可靠性计划各阶段流程图可靠性计划各阶段流程图可靠性计划各阶段流程图可靠性计划各阶段流程图4.计算机辅助设计（CAD）应用领域广泛应用领域广泛输入、设计、计算、绘图、缩放、识别等。输入、设计、计算、绘图、缩放、识别等。人人机合作机合作最大限度发挥最大限度发挥人与机的功能人与机的功能 创造性人

11、来完成人来完成 （机器无法代替）（机器无法代替）常规性机器完成机器完成有限元（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。二、新产品设计试制过程二、新产品设计试制过程1.产品设计三种类型 创新性设

12、计；适应性设计；变型设计 1982年，年，IBM发明了扫描隧道显微镜（发明了扫描隧道显微镜（STM）观察到原子在物质表面排列，观察到原子在物质表面排列，被认为被认为80年代世界年代世界10大科技成果，大科技成果，1986年获得诺贝尔物理奖。年获得诺贝尔物理奖。1986年，美国发明原子力显微镜（年，美国发明原子力显微镜（AFM）达到原子级分辨率。达到原子级分辨率。市场前景广阔：市场前景广阔：1994年生产年生产1400台，台，2.8亿。亿。原始创新！(1)(1)创新性设计创新性设计开发新产品开发新产品 市场需要市场需要 拟定设计原理、方案拟定设计原理、方案 特点要进行理论探讨、试验，有类似仪器参

13、考。要进行理论探讨、试验，有类似仪器参考。(2)(2)适应性设计适应性设计科研工作科研工作 有仪器参考。有仪器参考。特点特点保留原仪器原理方案保留原仪器原理方案 个别零部件重新设计。个别零部件重新设计。(3)(3)变型设计变型设计通常在工厂通常在工厂 如如型、型、型、型、型型等。等。特点特点原产品比较好原产品比较好 改动尺寸或布局。改动尺寸或布局。创新设计创新设计创新性开发新产品适应性设计适应性设计在保留原理方案的基础上，在系统部件重新设计变型设计变型设计在原产品的功能、方案原理和结构基础上，改变尺寸大小和结构布局，系列化。2.新产品的设计试制 原则原则 技术先进、结构简单技术先进、结构简单

14、容易加工制造容易加工制造 使用操作维修方便使用操作维修方便 安全、美观安全、美观 性价比好等性价比好等新产品设计试制过程 计划计划任务分析任务分析决策决策总体设计总体设计任任 务务 书书方案设计方案设计结构设计结构设计零部件设计零部件设计技术文档技术文档说明书说明书总体报告总体报告组成原理组成原理方案比较方案比较设设 计计 图图实现方法实现方法存在难点存在难点解决方法解决方法试制试制成本评估成本评估研制报告研制报告鉴定（文件）鉴定（文件）批量生产批量生产系统系统/市场市场/股票分析员股票分析员新新新新产产产产品品品品设设设设计计计计试试试试制制制制进进进进程程程程新产品设计四阶段：新产品设计四

15、阶段：(1)(1)关键关键技术分析技术分析由试验获取设计数据，同时验由试验获取设计数据，同时验 证理论是证理论是否可行；否可行；光刻机机械、光点、掩膜等光刻机机械、光点、掩膜等 (2)(2)模拟试验装置设计与试制模拟试验装置设计与试制 转台机械、电控等转台机械、电控等；(3)(3)样机设计与试制；样机设计与试制；(4)(4)定型设计与试制。定型设计与试制。总体设计总体设计是一个反复设计的过程，要经过是一个反复设计的过程，要经过 理论理论 实践实践 理论理论 再实践再实践 反复过程，不可能一次完成。反复过程，不可能一次完成。！2.2 设计任务分析设计任务分析目的目的 了解设计任务各种要求，收集资

16、料；了解设计任务各种要求，收集资料；分析设计的关键，分清主次；分析设计的关键，分清主次；设计方案比较设计方案比较；提出设计技术指标。提出设计技术指标。内容内容 使用要求使用要求 精度精度 批量批量 生产效率生产效率 工作环境工作环境 安全保护安全保护 1.使用要求 2.2 设计任务分析设计任务分析（1 1）一定范围内有效地实现预期功能要求一定范围内有效地实现预期功能要求仪器本身角度（2 2）搞清楚使用对象搞清楚使用对象“用户是上帝”操作者角度（3 3）提出各项设计技术指标提出各项设计技术指标“仪器设计出发点和归宿仪器设计出发点和归宿”设计者角度XYZ三自由度三坐标测量机XY两自由度万能工具显微

17、镜一个方向移动阿贝测量仪自由度仪器类型 不同使用要求，其方案结构不相同2.精度仪器设计的关键精度直线位移精度主轴回转精度圆分度精度中110m110 m110高0.11m0.11m0.21 超高 0.1m 0.1 m 0.2 可分三类可分三类：中中 高高 超高超高 精度要求不同，方案差异很大，甚至原理不同，价格差距悬殊。精度要求不同，方案差异很大，甚至原理不同，价格差距悬殊。！由精度要求，合理选择方案由精度要求，合理选择方案精度/经济性 匹配高精度方案高精度方案低精度方案低精度方案低精度仪器低精度仪器高精度仪器高精度仪器不经济不经济达不到要求达不到要求 3.批量决定于市场需要决定于市场需要批量不

18、同批量不同方案不同、加工方法也应有所不同方案不同、加工方法也应有所不同 单件小批单件小批多采用通用机床，尽量少采用铸件；多采用通用机床，尽量少采用铸件；批量批量 专用机床、夹具、铸、锻件；专用机床、夹具、铸、锻件；零部件系列化、通用化、标准化零部件系列化、通用化、标准化 提高效率、降低成本。提高效率、降低成本。4.生产效率单位时间加工（测量、检测）工件数单位时间加工（测量、检测）工件数效率的确定应考虑与自动化相关联。效率的确定应考虑与自动化相关联。室外室外环境差环境差 如：搅拌机；注意：防尘、防油、防腐等如：搅拌机；注意：防尘、防油、防腐等 室内室内条件好条件好 如：高精度仪器（超净室、隔音、

19、防震等）；如：高精度仪器（超净室、隔音、防震等）；地理位置地理位置经纬仪，注意：经纬仪，注意：“南热南热/北冷北冷”影响。影响。6.安全保护 仪器首先是安全，特别是人身安全！仪器首先是安全，特别是人身安全！不同仪器，应采取不同措施不同仪器，应采取不同措施（1 1）用壳保护，如：高压、放射性、有毒气体等；用壳保护，如：高压、放射性、有毒气体等；（2 2）操作安全操作安全接地；接地；（3 3）仪器本身安全，如：过载保护、限位、停电保护等仪器本身安全，如：过载保护、限位、停电保护等转台转台。5.工作环境工作环境不同，仪器结构差异也很大。工作环境不同，仪器结构差异也很大。振动、温度、湿度、净化度、天气

20、等振动、温度、湿度、净化度、天气等 2.3 主要参数与技术指标主要参数与技术指标通常用户通常用户只能提出使用要求：只能提出使用要求：例如例如用户提出要测用户提出要测64K集成电路的仪器。集成电路的仪器。这不能作仪器设计起始数据，应经设计者这不能作仪器设计起始数据，应经设计者“翻译翻译”成正式的仪成正式的仪器设计要求。器设计要求。64K 线宽线宽2.5m 仪器精度仪器精度 75 100 125 1英寸英寸=25.4mm（2）三坐标测量机主孔）三坐标测量机主孔 工件工件 2m 大型大型SRmax（3）显微镜工作距）显微镜工作距3.根据加工（测量）的精度要求确定主要参数和技术指标（1 1）参数本身对

21、精度影响参数本身对精度影响设计时取不同参数对仪器产生不同精度。设计时取不同参数对仪器产生不同精度。光学测头杠杆比光学测头杠杆比(l2/l1)确定：确定：l1光学杠杆长度；l2机械杠杆长度；l3显微工作尺寸；（2 2）力变形对仪器精度影响力变形对仪器精度影响 某些参数由于受力变形对精度影响很大某些参数由于受力变形对精度影响很大三坐标测量机受力变形对精度影响三坐标测量机受力变形对精度影响机型分析不同结构形式受力不同，不同结构形式受力不同，变形对精度影响也不同，故应根据设计变形对精度影响也不同，故应根据设计精度选型。精度选型。悬臂式悬臂式变形大变形大 精度精度0.01mm/m 桥式、龙门式桥式、龙门

22、式刚性好刚性好 主轴式主轴式适于小型测量机适于小型测量机 卧轴式卧轴式适于中型及精密测量机适于中型及精密测量机 悬臂式横臂变形及其对测量精度影响举例A点变形及转角点变形及转角测头自重、横梁自重与测头自重、横梁自重与 立柱弯曲立柱弯曲同理，可得同理，可得B点变形及转角点变形及转角结论结论（1）变形引起的垂直方向测量误差）变形引起的垂直方向测量误差 13.43mm（2）不符合阿贝原则引起测量误差）不符合阿贝原则引起测量误差 21.1mm 2=S(A-B)(假定S=1000mm)参数设计不合理对仪器精度影响很大，因此设计过程要考虑选型，正确参数设计不合理对仪器精度影响很大，因此设计过程要考虑选型，正

23、确选择参数，并采取结构措施（本例：空心、反变形、卸载等）。选择参数，并采取结构措施（本例：空心、反变形、卸载等）。！4.根据仪器的薄弱环节仪器特点：精度高、承载小、速度较低；精度高、承载小、速度较低；很少很少强度校核强度校核;刚度、变形、振动、精度为主要考虑因素；刚度、变形、振动、精度为主要考虑因素；弹性变形、摩擦、振动与弹性变形、摩擦、振动与低速爬行低速爬行 突出问题；突出问题；设计中，应着重关键和薄弱环节加以解决。设计中，应着重关键和薄弱环节加以解决。5.根据标准化、系列化精密仪器设计中各种参量应参阅有关手册，尽量采用标准系列。精密仪器设计中各种参量应参阅有关手册，尽量采用标准系列。6.根

24、据可靠性与成本要求 精密仪器设计应结合必要性和可能性提出可靠性的合理指标，精密仪器设计应结合必要性和可能性提出可靠性的合理指标，使用户获得最大性价比的仪器。使用户获得最大性价比的仪器。2.4 总体方案制定总体方案制定 总体方案制定是在总体方案制定是在 设计任务分析设计任务分析 确定主要参数及技术指标确定主要参数及技术指标 的基础之上进行的。的基础之上进行的。总体方案内容：工作原理、方案分析和比较；工作原理、方案分析和比较；绘制绘制系统简图系统简图 总体布局、精度分配；总体布局、精度分配；总装配图绘制、造型与装饰设计；总装配图绘制、造型与装饰设计；编写编写总体报告。总体报告。2.4 总体方案制定

25、总体方案制定一、基本设计原则一、基本设计原则 阿贝原则阿贝原则 运动学设计原则运动学设计原则 变形最小原则变形最小原则 基面合一原则基面合一原则 最短传动链原则最短传动链原则 粗精分开原则粗精分开原则 外界环境影响最小原则外界环境影响最小原则 系列化、通用化和标准化原则系列化、通用化和标准化原则 结构工艺性良好原则结构工艺性良好原则 可靠安全、维修操作方便原则可靠安全、维修操作方便原则 造型与装饰宜人原则造型与装饰宜人原则 价值系数最优原则价值系数最优原则1.阿贝（Abbe）原则 1890年，年，Abbe提出一项量仪设计的指导性原则提出一项量仪设计的指导性原则“要使量仪给出要使量仪给出准确的测

26、量结果，必须将被测件布置在基准元件沿运动方向的延长线上准确的测量结果，必须将被测件布置在基准元件沿运动方向的延长线上”。共线原则举例 线纹尺测量的三种方式1一阶误差（一阶误差（First-order Error）2二阶误差（二阶误差（Second-order Error）结论遵守阿贝原则可以消除一阶误差。遵守阿贝原则可以消除一阶误差。！遵守阿贝原则可提高精密仪器的精度，但做到遵守阿贝原则是比较困难遵守阿贝原则可提高精密仪器的精度，但做到遵守阿贝原则是比较困难的。因此，应考虑补偿措施。的。因此，应考虑补偿措施。（）结构补偿结构补偿（）补偿措施补偿措施 提高导轨精度提高导轨精度 ；减少读数线与被测

27、线的距离减少读数线与被测线的距离 a ；爱彭斯坦（爱彭斯坦（Epstein）原理；原理；直接补偿；直接补偿；布莱恩原则。布莱恩原则。（1 1）爱彭斯坦（爱彭斯坦（Epstein）原理原理利用各种机构，使可能产生的误差相互抵消利用各种机构，使可能产生的误差相互抵消或者消弱，或者引进新的误差，以减小某些误差的影响。或者消弱，或者引进新的误差，以减小某些误差的影响。举例 测长机测点原理M2结论结论仪器为二次误差仪器为二次误差！特点特点 违背阿贝原理违背阿贝原理；透镜补偿阿贝误差透镜补偿阿贝误差；误差补偿原理（2 2）直接补偿直接补偿采用光栅、激光定位等仪器，根据其测得的值直接对采用光栅、激光定位等仪

28、器，根据其测得的值直接对仪器的阿贝误差进行补偿。仪器的阿贝误差进行补偿。（3 3）布莱恩原则布莱恩原则位移测量系统工作点的路程应和被测位移作用点的位移测量系统工作点的路程应和被测位移作用点的路程位于同一直线上。若以上不可能，则必须做到路程位于同一直线上。若以上不可能，则必须做到：导轨没有角运动。导轨没有角运动。计算出角运动产生的位移，进行补偿。计算出角运动产生的位移，进行补偿。满足以上三个条件之一“广义阿贝原则”两坐标测量机举例（a a）Z向干涉仪向干涉仪1的轴线延长线通过测端的轴线延长线通过测端17的中心的中心符合阿贝原则；符合阿贝原则；（b b）Y向干涉仪不过测端中心，但通过误向干涉仪不过

29、测端中心，但通过误差补偿差补偿符合广义阿贝原则。符合广义阿贝原则。2.运动学设计原则空间物体的自由度和约束的关系：空间物体的自由度和约束的关系：S6Q其中其中S自由度，自由度，Q约束。约束。运动学设计原则根据运动方式（根据运动方式（S）来确定约束数（来确定约束数（Q）一个平面上最多一个平面上最多3个约束；个约束；一条直线上最多一条直线上最多2个约束；个约束；约束点尽量离得远；约束点尽量离得远；约束应是点接触；约束应是点接触；约束面应垂直欲限制自由度的方向。约束面应垂直欲限制自由度的方向。约束布置：满足运动学设计原则的优点满足运动学设计原则的优点 最少接触点最少接触点 作用力预先计算而可控作用力

30、预先计算而可控 避免过大的力引起变形；避免过大的力引起变形；点接触点接触 定位精确可靠；定位精确可靠；降低对加工精度要求，磨损后可修正；降低对加工精度要求，磨损后可修正；拆卸后可准确复位。拆卸后可准确复位。举例符合运动学设计原则的导轨与轴系不足不足 理想的点是不存在理想的点是不存在；受力变形后，接触点受力变形后，接触点 面；面；点接触易磨损点接触易磨损；半运动学设计将点接触适当扩大为有限面积，运动学原则不变将点接触适当扩大为有限面积，运动学原则不变。举例符合半运动学设计原则的设计3.变形最小原则 变形（不可避免）（不可避免）温度受力 最小变形（3 3）提高系统刚度提高系统刚度措施（1 1）合理

31、安排布局合理安排布局（2 2）避免经过变形环节避免经过变形环节刻尺装置刻尺装置举例典型实例光电光波比长仪工作台 为了减小变形影响，工作台设计中采用为了减小变形影响，工作台设计中采用工作台、床身、基座三层结构。工作台、床身、基座三层结构。4 平面球支承平面球支承5 圆锥球窝支承圆锥球窝支承6 V型球窝支承型球窝支承（1 1）符合变形最小原则符合变形最小原则工作台移动重量始终过工作台移动重量始终过三支点作用在基座上，仅力大小变化，而无方向三支点作用在基座上，仅力大小变化，而无方向和位置变化。运动力通过底座下三支点（对应）和位置变化。运动力通过底座下三支点（对应）直接作用地基，基座变形最小。直接作用

32、地基，基座变形最小。优点优点（2 2）符合阿贝原则符合阿贝原则保证激光转角、光电显微镜、干涉仪的显微镜均固定在与保证激光转角、光电显微镜、干涉仪的显微镜均固定在与基座相联构件上，精度不受工作台变动影响。基座相联构件上，精度不受工作台变动影响。（3 3）符合定位原则符合定位原则无另加限制，避免不良约束造成内应力；温度变化自由伸无另加限制，避免不良约束造成内应力；温度变化自由伸缩不受约束，无内应力。能自动定位，无附加力，为自动定位设计；抗振性差。缩不受约束，无内应力。能自动定位，无附加力，为自动定位设计；抗振性差。photoelectric interferometric comparator4.

33、基面合一原则减小基面不一造成误差 合一定位基面加工基面使用基面举例阿基米德螺旋线分化板安装与使用的基面安装与使用的基面球窝球窝 1、分划板、分划板 2、球窝、球窝 7 主轴主轴 球窝球窝为加工基准，与使用基准重合为加工基准，与使用基准重合 外圆外圆为加工基准，与使用基准不重合为加工基准，与使用基准不重合5.最短传动链原则主传动链辅助传动链传动链传动链传动链越短越好；越短越好；设计结构设计结构越简单，性能越稳定，精度易保证。越简单，性能越稳定，精度易保证。举例新/旧工具显微镜的比较工作台 千分螺杆读数读数 线纹尺、光栅、激光干涉仪6.粗精分离原则 高速度高速度 与与 高精度高精度 大行程大行程

34、与与 高精度高精度仪器设计矛盾！举例阿贝原则运动学原则变形最小原则基面合一原则最短传动链原则粗精分开原则设设计计原原则则排排序序7.其它原则 外界环境影响最小原则外界环境影响最小原则 系列化、通用化和标准化原则系列化、通用化和标准化原则 工作可靠、安全、维修与操作方便原则工作可靠、安全、维修与操作方便原则 结构工艺性良好原则结构工艺性良好原则 造型与装饰宜人原则造型与装饰宜人原则 价值系数最优原则价值系数最优原则二、总体方案制定内容二、总体方案制定内容 工作原理的设计工作原理的设计 基准器件的选择基准器件的选择 运动方式选取运动方式选取 结构方案的选择结构方案的选择 摩擦与变形的考虑摩擦与变形

35、的考虑 系统简图的绘制系统简图的绘制 总体布局的考虑总体布局的考虑 精度分配精度分配 造型与修饰造型与修饰 总体设计报告总体设计报告主要内容 1.工作原理设计总体设计的关键总体设计的关键创造性原理不一定全是发明新理论，可将已有理论，只要前人没有不一定全是发明新理论，可将已有理论，只要前人没有用过，应用到新仪器设计中，既为发明或独创。用过，应用到新仪器设计中，既为发明或独创。设计方法理论：设计方法理论：误差平均原理；误差平均原理；位移同步比较原理；位移同步比较原理；误差补偿原理误差补偿原理（1 1）误差平均原理误差平均原理采取一定方法，将仪器或部件误差均化以提高精度。采取一定方法，将仪器或部件误

36、差均化以提高精度。举例双读数头系统消除偏心误差消除偏心误差莫尔条纹二进制码盘（2 2）位移同步比较原理位移同步比较原理当相应的位移作同步运动过程中，分别测出位移量，当相应的位移作同步运动过程中，分别测出位移量，由其特定关系进行比较实现测量和控制。由其特定关系进行比较实现测量和控制。举例丝杠动态测量仪采用两套测量系统采用两套测量系统圆圆光栅系统光栅系统测量转角测量转角激光干涉系统激光干涉系统测量位移测量位移 结构简单，测量链短；结构简单，测量链短；精度高，反映动态精度；精度高，反映动态精度；特点（3 3）误差补偿原理误差补偿原理 应用最广的设计原理，特别是微机的应用提供了补偿的条件，应用最广的设

37、计原理，特别是微机的应用提供了补偿的条件，主要包括调整、校正、补偿等。主要包括调整、校正、补偿等。2.基准器件选择种类种类传统标尺、丝杠、蜗轮、度盘近代激光、光栅、码尺应用原理测量方法 结 构精 度抗干扰 应 用激光光电相对复杂最高差一般光栅光电相对较复杂高强较方便磁栅磁电相对简单较低强很方便码盘光电绝对较复杂较高很强方便感应同步器磁电绝对较简单中高强方便标尺光电相对简单中高很强方便机械元件机械相对简单低强方便3.运动方式选择将设计原理具体化将设计原理具体化决定器件的效率、控制方式、结构及精度。决定器件的效率、控制方式、结构及精度。间歇运动机构简单、受静摩擦力影响大 效率低、控制简单连续运动效

38、率高、精度高、无定位误差运动方式运动方式联机脱机控制方式控制方式4.结构方案设计方案选择原则：保证精度、工作稳定可靠、结构尽量简单；保证精度、工作稳定可靠、结构尽量简单；加工、装调、维修方便；加工、装调、维修方便；尽量遵守设计原则、符合运动学设计原则；尽量遵守设计原则、符合运动学设计原则；成本低。成本低。5.摩擦及局部变形的考虑摩擦机械设计中的重要问题。机械设计中的重要问题。静、动摩擦系数之差局部变形高精度障碍高精度障碍解决摩擦问题途径 保持摩擦力恒定（理想状态）保持摩擦力恒定（理想状态）不同材料的组合 （钢（钢铜）铜）选择不同类型导轨 （滑动、滚动、静液压、气浮）（滑动、滚动、静液压、气浮）

39、采取结构措施 减小摩擦系数减小摩擦系数6.系统简图的绘制在上述基础上绘制：光机电液气系统简图（或运动简图）在上述基础上绘制：光机电液气系统简图（或运动简图）传动系统传动系统 液压系统液压系统 光学系统光学系统 电气系统电气系统符号要正确查手册查手册！7.总体布局 各部件的相对位置合理各部件的相对位置合理 （工作台、基准元件、瞄准系统、传送工件、传动系统）（工作台、基准元件、瞄准系统、传送工件、传动系统）各部件相对关系正确各部件相对关系正确 （机械、光学、电控关系）（机械、光学、电控关系）操作维修方便；操作维修方便；（制作工艺、设备重量、精度要求等）（制作工艺、设备重量、精度要求等）安全措施。安

40、全措施。8.总体精度分配难低易高应按难易分配应按难易分配避免避免精度平均分配精度平均分配！光、机、电光、机、电系统误差偶然误差归类归类分析分析计算、比较计算、比较修改补偿9.造型与装饰造型造型 外形美观大方外形美观大方 （避免过度凸出）（避免过度凸出）结构匀称结构匀称 （长（长/宽宽=黄金分割黄金分割 8:5）安全稳定（避免头重脚轻）安全稳定（避免头重脚轻）装饰装饰 色调色调 经济美观经济美观新颖和谐新颖和谐国家民族国家民族爱好爱好/禁忌禁忌10.总体设计报告 文字通顺文字通顺 重点实出重点实出 图文并茂图文并茂 深入浅出深入浅出 解放思想、大胆创新解放思想、大胆创新 例子例子 在于启发发，避免不分情况搬用在于启发发，避免不分情况搬用 掌握了解时代信息和动向掌握了解时代信息和动向 总体设计是一个认识总体设计是一个认识 实践实践 再认识的过程，是经验不断积累的过程。再认识的过程，是经验不断积累的过程。需要经过反复需要经过反复 最终圆满完成。最终圆满完成。！本章小结本章小结 设计方法概述设计方法概述 3 种设计类型；种设计类型；4 个设计阶段；个设计阶段；6 种设计方法种设计方法 设计任务分析设计任务分析 6 项设计任务项设计任务 设计参数与指标设计参数与指标 7 项指标；项指标；6 个方法个方法 总体方案制定总体方案制定 12 个设计原则；个设计原则；10 项设计内容项设计内容