《测控仪器设计》(第3章)课件.ppt

1、2 总体设计的时机？总体设计的时机？总体设计的出发点？总体设计的出发点？总体设计考虑的主要问题？总体设计考虑的主要问题？仪器具体设计之前仪器具体设计之前仪器功能、技术指标、测控系统逻辑、应用环境和条件仪器功能、技术指标、测控系统逻辑、应用环境和条件设计任务分析、设计原则的考虑、设计原理、工作原理设计任务分析、设计原则的考虑、设计原理、工作原理选择与系统设计、主要结构参数与技术指标的确定、造选择与系统设计、主要结构参数与技术指标的确定、造型设计型设计3 经济指标与技术指标经济指标与技术指标 精度与可靠性指标是测控仪器设计的核心精度与可靠性指标是测控仪器设计的核心问题问题 创新设计与总体设计的关系

2、创新设计与总体设计的关系4目的：明确设计任务对仪器设计提出的要求和限制。目的：明确设计任务对仪器设计提出的要求和限制。按照设计任务的来源：按照设计任务的来源：1.1.用户需要，特定的测控对象用户需要，特定的测控对象/参数特性，专用仪器参数特性，专用仪器2.2.市场需求，通用产品和系列产品市场需求，通用产品和系列产品3.3.需求预测，新型仪器，开发性设计需求预测，新型仪器，开发性设计5 了解被测控参数的特点了解被测控参数的特点 了解测控参数的载体特点了解测控参数的载体特点 了解仪器的功能要求了解仪器的功能要求 了解仪器的使用条件了解仪器的使用条件 了解国内外同类产品的类型、原理、技术水平和了解国

3、内外同类产品的类型、原理、技术水平和特点特点 了解国内有关方面加工工艺水平及关键元器件的了解国内有关方面加工工艺水平及关键元器件的销售情况销售情况 了解设计任务所需的资金、完成设计所需要的设了解设计任务所需的资金、完成设计所需要的设计条件以及设计时间要求计条件以及设计时间要求6 分清主要问题与次要问题 审定设计任务中提出的各项技术指标的合理性 仪器功能扩展的设计余地7 创新点的构思创新点的构思 就总体设计而言就总体设计而言,创新包括创新包括:1.1.在仪器的设计理论上在仪器的设计理论上,2.2.在所实现的原理上在所实现的原理上,3.3.在所达到的功能上在所达到的功能上,4.4.在所反映的出的新

4、方法、新技术的创新在所反映的出的新方法、新技术的创新第二节第二节 创新性设计创新性设计8三坐标测量头在结构设计方法（设计理论）上的创新三坐标测量头在结构设计方法（设计理论）上的创新 图3-1为德国Opton三层楼式测微测头测头ZYX1)其X、Y、Z三个测量方向串联，因此造成体积大，重量超载2)测量时阿贝误差大 ZX9 创新：三维套装式测微测头 其X、Y、Z三个测量方向套装叠合在一个方框中，因此，体积小，重量轻，测量中减小了阿贝误差的影响YXZZ-片簧导轨X-片簧导轨p13101垂直制动螺旋；2测微轮；3读数显微镜的目镜管；4垂直微动螺旋；5度盘影像变换钮；6水平微动螺旋；7水平制动螺旋；8三角

5、基座；9垂直度盘符合水准器反射棱镜；10瞄准器；11垂直度盘水准器改正螺旋；12望远镜调焦环；13度盘照明反光镜；14望远镜的目镜管；15照准部的水准器；16圆盒水准器；17照准部与基座的连接螺旋；18垂直度盘水准器；19垂直度盘水准器微动螺旋；20水平度盘变换螺旋；21水平度盘变换螺旋保险钮；22物镜内镀银面；23十字丝照明反光镜；24照准部水准器改正螺旋；25光学对点器；26脚螺旋蔡司蔡司010经纬仪经纬仪11威特T3经纬仪威特T2经纬仪12激光扫描跟踪仪在工作原理上的创新 在总体设计理论上采用建立主坐标系，进行坐标转换的方法，实现基准溯源；通过动态标定步骤，实现将三维测量发展到六维测量；

6、从仅能进行轮廓测量扩展到点位测量两个功能。1台跟踪仪代替2台电子经纬仪HP激光干涉仪角隅棱镜光靶13PZT微动扫描机构微动扫描机构14 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.15 1890年年,阿贝对测量仪器设计提出了一条指导性阿贝对测量仪器设计提出了一条指导性原则。人们将这条原则称为阿原则。人

7、们将这条原则称为阿(Abbe)原则原则.阿贝原则定义：为使量仪能给出正确的测量结果阿贝原则定义：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。准线（刻线尺）应顺序排成一条直线。因此，遵守阿贝因此，遵守阿贝(Abbe)原则的仪器，应符合图原则的仪器，应符合图3-5所示的安排。仪器的标准刻线尺与被测件的所示的安排。仪器的标准刻线尺与被测件的直径共线。直径共线。指示器导轨标准线纹尺被测件工作台16 它的读数刻线尺和被

8、测件的尺寸线不在一条线上，它的读数刻线尺和被测件的尺寸线不在一条线上，故不符合阿贝原则。故不符合阿贝原则。17Stg1测量时，活动量爪在尺架（导轨）上移动，由于导轨之间测量时，活动量爪在尺架（导轨）上移动，由于导轨之间存在间隙，使活动量爪发生倾斜角存在间隙，使活动量爪发生倾斜角而带来测量误差，其值为而带来测量误差，其值为 设设S=30毫米，毫米，则引起的误差为，则引起的误差为)13(S1mm009.00003.0301182.图图3-6 b 为用阿贝比长仪测量线纹尺的刻线间隔为用阿贝比长仪测量线纹尺的刻线间隔 19 被测尺寸线被测尺寸线W和仪器基准线和仪器基准线S在同一条直线上，在同一条直线上

9、，故符合阿贝原则。故符合阿贝原则。如果由于导轨误差，基准读数显微镜和测量使读如果由于导轨误差，基准读数显微镜和测量使读数显微镜支架在图示平面内产生的转动，使基准数显微镜支架在图示平面内产生的转动，使基准读数显微镜的第二次瞄准位置由读数显微镜的第二次瞄准位置由M2移到移到M2，此时带来的测量误差为：此时带来的测量误差为：2/)cos1(2dddd因为：（因为：（1-cos）=2sin2/2设设d 被测线纹长度，且被测线纹长度，且d=20mm，=1，则引起的误差为：则引起的误差为：=20(0.0003)2/2=910-7 mm20 被测件的尺寸线和千分尺的读数线在一条线上，被测件的尺寸线和千分尺的

10、读数线在一条线上，故符合阿贝原则。故符合阿贝原则。如果由于安装等原因，测微丝杆轴线的移动方向如果由于安装等原因，测微丝杆轴线的移动方向与尺寸线方向有一夹角与尺寸线方向有一夹角 ，则此时带来测量误差，则此时带来测量误差为为 设设d=20毫米，毫米，则引起的误差为则引起的误差为即误差微小到可以忽略不计的程度。即误差微小到可以忽略不计的程度。1mmL72105.44/0003.020)23(4/2dLLR21 公式（公式（3-1）中误差和倾角）中误差和倾角成一次方关系，习成一次方关系，习惯上称为惯上称为一次误差一次误差；公式（公式（3-2）中误差和倾角）中误差和倾角成二次方关系，习成二次方关系，习惯

11、上称为惯上称为二次微小误差二次微小误差。由此看出，由此看出，遵守阿贝原则可消除一次误差，而仅遵守阿贝原则可消除一次误差，而仅仅保留有二次微小误差。仅保留有二次微小误差。2223 可见，阿贝原则在量仪设计中的意义重大。该原可见，阿贝原则在量仪设计中的意义重大。该原则至今一直被公认为是量仪设计中最基本的原则则至今一直被公认为是量仪设计中最基本的原则之一。在一般的设计情况下应尽量遵守。之一。在一般的设计情况下应尽量遵守。但在实际的设计工作中，有些情况不能保证阿贝但在实际的设计工作中，有些情况不能保证阿贝原则的实施，其原因有二：原则的实施，其原因有二：1）遵守阿贝原则一般造成仪器外廓尺寸过）遵守阿贝原

12、则一般造成仪器外廓尺寸过大，特别是对线值测量范围大的仪器，情况更为大，特别是对线值测量范围大的仪器，情况更为严重。严重。2）多自由度测量仪器，如图）多自由度测量仪器，如图3-7所示的三所示的三坐标测量机，或其它有线值测量系统的仪器。很坐标测量机，或其它有线值测量系统的仪器。很难作到使各个坐标方向或一个坐标方向上的各个难作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。平面内均能遵守阿贝原则。24 这样，仪器的设计者在大量的实际工作中进一步这样，仪器的设计者在大量的实际工作中进一步扩展了阿贝原则的定义。布莱恩（扩展了阿贝原则的定义。布莱恩（J.B.Bryan）建议，扩展了的阿贝原则

13、应表达为如下叙述方法。建议，扩展了的阿贝原则应表达为如下叙述方法。位移测量系统工作点的路程应和被测位移作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一条直线上。如果这不可能，那用点的路程位于一条直线上。如果这不可能，那么或者必须使传送位移的导轨没有角运动，或者么或者必须使传送位移的导轨没有角运动，或者必须用实际角运动的数据计算偏移的影响必须用实际角运动的数据计算偏移的影响。根据这一叙述，扩展的阿贝原则应包含三重意思，根据这一叙述，扩展的阿贝原则应包含三重意思，即：即：1）标尺与被测量一条线；或）标尺与被测量一条线；或 2）导轨没有角运动；或）导轨没有角运动；或 3）算出偏移加以补偿。）

14、算出偏移加以补偿。遵守了这三条中的一条，即遵守了阿贝原则。遵守了这三条中的一条，即遵守了阿贝原则。25 阿贝误差的补偿：动态跟踪测量补偿、定点测量阿贝误差的补偿：动态跟踪测量补偿、定点测量补偿。补偿。动态跟踪测量是随机补偿测量误差的方法。动态动态跟踪测量是随机补偿测量误差的方法。动态跟踪补偿的方法是将监测系统与仪器主体固定为跟踪补偿的方法是将监测系统与仪器主体固定为一体，一旦经过统调，定标，则补偿的精度稳定。一体，一旦经过统调，定标，则补偿的精度稳定。另一种方法，是采用标准器具，对仪器进行定点另一种方法，是采用标准器具，对仪器进行定点测量、修正的方法。这种方法的最大缺点是：仪测量、修正的方法。

15、这种方法的最大缺点是：仪器某标定点的定标条件与被测件在此标定点上的器某标定点的定标条件与被测件在此标定点上的被测条件都应完全一样，否则将造成更大的测量被测条件都应完全一样，否则将造成更大的测量误差。误差。26 测长机测长机27光线自光源15，经聚光镜，滤光片、反射镜后照亮了分划板14。由于分划板位于物镜组11的焦平面上，故光线通过分划板14后，经直角棱镜12和物镜组11后便形成平行光束，经过同样焦距的物镜组9和棱镜8后，使分划板14成象于刻线尺7上(因刻线尺7亦放置在物镜组9的焦平面上)。通过读数显微镜3进行读数。小于0.1mm的读数由光学计管2完成。图中6是机身，在它的床面上镶有刻线尺7和分

16、划板14。刻线尺7上从0到100mm内共有刻线1000条故每格为0.1mm；分划板14共有10块，每块相距100mm，在每一块上面刻着两条刻线和0，1，2，9之间的一个数字，分别代表每一块分划板距刻线尺7零刻线的距离的分米数值。28 爱彭斯坦的光学补偿方爱彭斯坦的光学补偿方法被应用于高精度测长法被应用于高精度测长机的读数系统中。图机的读数系统中。图3-8为测长机原理图。为测长机原理图。刻尺面位于焦距刻尺面位于焦距f相同的相同的两个透镜两个透镜N1，N2的焦的焦面上。面上。M2，N2与尾座与尾座联为一体，联为一体，M1，N1与与头座联为一体。刻尺由头座联为一体。刻尺由装在尾座内的光源照明。装在尾

17、座内的光源照明。对零时，设对零时，设0刻线成象刻线成象在在s1点。测量时，尾座点。测量时，尾座向左移动。当导轨平直向左移动。当导轨平直时，设相应于被测长度时，设相应于被测长度读数值的刻线读数值的刻线0亦成象亦成象在在s1处时不产生误差。处时不产生误差。29以光电转换方法监测导轨转角以光电转换方法监测导轨转角与平移来实现阿贝误差的补偿。与平移来实现阿贝误差的补偿。如图如图3-9所示，为了补偿的需所示，为了补偿的需要，仪器采用双层工作台。下要，仪器采用双层工作台。下层工作台层工作台2经滚柱在底座经滚柱在底座1的导的导轨上作纵向移动，上工作台轨上作纵向移动，上工作台3通通过三个滚珠轴承过三个滚珠轴承

18、4支承在下工作支承在下工作台上。上工作台台上。上工作台型框板的前型框板的前后面各有两个孔眼。左面两个后面各有两个孔眼。左面两个孔眼里装有弹性顶块孔眼里装有弹性顶块5，把上工，把上工作台往左拉，右面两个孔眼里作台往左拉，右面两个孔眼里装有压电陶瓷组合体装有压电陶瓷组合体6，7，顶，顶在下工作台上。利用压电陶瓷在下工作台上。利用压电陶瓷的电场的电场-压变效应，使上工作台压变效应，使上工作台相对于下工作台有小的位移或相对于下工作台有小的位移或转角。转角。仪器设计有两套测量系统对仪器设计有两套测量系统对上工作台移动过程中在水平面上工作台移动过程中在水平面内的平移和转角进行测量并进内的平移和转角进行测量

19、并进行校正，以补偿阿贝误差。行校正，以补偿阿贝误差。30上工作台移动过程中上工作台移动过程中在水平面内的转角测在水平面内的转角测量及校正原理如图量及校正原理如图3-10所示。这里采用所示。这里采用了激光小角度测量法。了激光小角度测量法。在上工作台的左部装在上工作台的左部装了一对角隅棱镜。若了一对角隅棱镜。若上工作台移动过程中上工作台移动过程中产生转动，角隅棱镜产生转动，角隅棱镜3相对于角隅棱镜相对于角隅棱镜8的光程差将有增大或的光程差将有增大或缩小。这样根据测得缩小。这样根据测得的偏差值的正负方向，的偏差值的正负方向，通过电子线路，使压通过电子线路，使压电陶瓷电陶瓷5作相应的伸作相应的伸长或缩

20、短，以补偿上长或缩短，以补偿上工作台在移动过程中工作台在移动过程中产生的转角。产生的转角。31 在三坐标测量机上配制标准直尺和测微表，即可作直线度在三坐标测量机上配制标准直尺和测微表，即可作直线度测量。对于这一直线度测量系统，布莱恩提出了一条如何测量。对于这一直线度测量系统，布莱恩提出了一条如何遵守阿贝原则的结构布局。布莱恩说：遵守阿贝原则的结构布局。布莱恩说：平直度测量系统的工作点应当位于垂直于滑块移动方向平直度测量系统的工作点应当位于垂直于滑块移动方向的，并通过被测的平直度的测量点的方向线上。如果这不的，并通过被测的平直度的测量点的方向线上。如果这不可能，那么，或者必须使传送平直度的导轨没

21、有角运动，可能，那么，或者必须使传送平直度的导轨没有角运动，或者必须用角运动的数据计算偏移的影响或者必须用角运动的数据计算偏移的影响。32图图3-12 平直度测量系统平直度测量系统的结构布局的结构布局1、7、9.激光干涉仪激光干涉仪8.激光器激光器2.激光光路激光光路 3.测量框架测量框架 4.Z轴滑块轴滑块5、12.标准直尺标准直尺 6、15.测微表测微表10.仪器底座仪器底座 11.测量框架测量框架13.隔振支承隔振支承14.Y轴滑块轴滑块.16.压电晶体压电晶体 17.测端测端 平直度测量系统的工作点平直度测量系统的工作点应当位于垂直于滑块移动方应当位于垂直于滑块移动方向的，并通过被测的

22、平直度向的，并通过被测的平直度的测量点的方向线上。如果的测量点的方向线上。如果这不可能，那么，或者必须这不可能，那么，或者必须使传送平直度的导轨没有角使传送平直度的导轨没有角运动，或者必须用角运动的运动，或者必须用角运动的数据计算偏移的影响数据计算偏移的影响33 以图以图3-12来说明。图中测微表来说明。图中测微表6和标准直尺和标准直尺5，以及测微表，以及测微表15和和标准直尺标准直尺12即为平直度测量系即为平直度测量系统。测端统。测端17即为即为Z向被测的平直向被测的平直度的测量点。度的测量点。由于仪器导轨的直线度误差，由于仪器导轨的直线度误差，Z向滑块移动时，可能有向滑块移动时，可能有Y向

23、的平向的平移或在移或在Y-Z平面内的倾斜，为了平面内的倾斜，为了补偿导轨倾斜引起的测量误差，补偿导轨倾斜引起的测量误差，布莱恩提出如上所述的结构布局。布莱恩提出如上所述的结构布局。即测端即测端17与测微表与测微表6的测端应按的测端应按图图3-13a）所示的布置方可。）所示的布置方可。如若布置为如图如若布置为如图3-13b）所示的）所示的A1点或点或A2点，则不符合上面提点，则不符合上面提到的原则，起不到补偿的作用到的原则，起不到补偿的作用.34 阿贝原则虽然主要是针对阿贝原则虽然主要是针对几何量中大量程线值测量几何量中大量程线值测量仪器总体布局设计的一条仪器总体布局设计的一条原则，但同样适合各

24、类仪原则，但同样适合各类仪器传动部件的设计。器传动部件的设计。如图如图3-14所示。图所示。图a）中，）中，测杆与传动杠杆的接触点测杆与传动杠杆的接触点位于测杆位移的方向线上，位于测杆位移的方向线上，符合阿贝原则；而图符合阿贝原则；而图b）则不符合阿贝原则。可见，则不符合阿贝原则。可见，仪器中类似这些环节的设仪器中类似这些环节的设计，也应注意遵守阿贝原计，也应注意遵守阿贝原则。则。35 变形最小原则指得是：应尽量避免在仪器工作过变形最小原则指得是：应尽量避免在仪器工作过程中，因受力变化或因温度变化而引起的仪器结程中，因受力变化或因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。构变形或仪器

25、状态和参数的变化。例如仪器承重变化，引起仪器结构变形而产生测例如仪器承重变化，引起仪器结构变形而产生测量误差；又如温度变化引起仪器或传感器结构参量误差；又如温度变化引起仪器或传感器结构参数变化，导致光电信号的零点漂移及系统灵敏度数变化，导致光电信号的零点漂移及系统灵敏度变化。因此，要求仪器变形要小。变化。因此，要求仪器变形要小。减小力变形影响及温度变形影响的技术措施减小力变形影响及温度变形影响的技术措施 36 由于力变形使仪器相关部件相对位置发生由于力变形使仪器相关部件相对位置发生变化而带来的仪器误差。因此，要从总体变化而带来的仪器误差。因此，要从总体设计上，或从具体的结构设计上，来考虑设计上

26、，或从具体的结构设计上，来考虑减小或消除力变形的影响。减小或消除力变形的影响。37 如图如图3-15所示。所示。测量头架测量头架3由电动机和变速由电动机和变速箱箱6通过闭合钢带通过闭合钢带7，电磁，电磁离合器离合器8带动在导轨上移动。带动在导轨上移动。工件放在工作台工件放在工作台4上，工作上，工作台也可沿导轨移动。台也可沿导轨移动。固定角隅棱镜固定角隅棱镜9与尾座与尾座5固固结在一起。可动角隅棱镜结在一起。可动角隅棱镜12与测量头架与测量头架3内的测量内的测量主轴主轴11固结在一起，测量固结在一起，测量主轴可在测量头架内作主轴可在测量头架内作5mm的轴向移动。的轴向移动。装在干涉箱装在干涉箱2

27、内的激光器内的激光器13发出的激光束经反射镜发出的激光束经反射镜后由分光镜后由分光镜14分为两路：分为两路：一路到固定角隅棱镜一路到固定角隅棱镜9；一；一路到可动角隅棱镜路到可动角隅棱镜12。这。这两束光在返回后发生干涉。两束光在返回后发生干涉。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38 工作时，先移动测量头架工作时，先移动测量头架3,使测量主轴使测量主轴11在一在一定测力作用下与尾杆定测力作用下与尾杆10接触接触,仪器对零仪器对

28、零;测量时测量时,移移开测量头架开测量头架,放上工件放上工件,这时底座上既增加了重量这时底座上既增加了重量,又改变了测量头架及工作台在底座上的位置又改变了测量头架及工作台在底座上的位置,底底座就产生新的重力变形。座就产生新的重力变形。如果在测量位置上如果在测量位置上,尾座轴线相对于导轨面在垂直尾座轴线相对于导轨面在垂直平面内发生平面内发生5倾斜角的零位变化倾斜角的零位变化(当然当然,这里倾斜这里倾斜角的零位变化既包含底座产生新的重力变形的影角的零位变化既包含底座产生新的重力变形的影响响,也包含测量头架移动时导轨直线度的影响也包含测量头架移动时导轨直线度的影响),尾尾座中心高为座中心高为200m

29、m,则此时引起的零位变动量则此时引起的零位变动量为为 =5 200mm=5m如果其它条件不变如果其它条件不变,则则5m的零位变动量就是由重的零位变动量就是由重力变形等原因造成的仪器误差。力变形等原因造成的仪器误差。5102139 为了消除上述误差的影响为了消除上述误差的影响,此台仪器在总体布局时此台仪器在总体布局时,采取了采取了以下措施以下措施:9与与5固结固结9的锥顶与的锥顶与10同平面同平面12的锥顶位置符合阿贝原则的锥顶位置符合阿贝原则减小减小d401)尾座尾座5因变形变化在垂直平面内有倾角因变形变化在垂直平面内有倾角。如图如图316所示。所示。其中其中h为尾杆轴线离底座导轨面的距离为尾

30、杆轴线离底座导轨面的距离测量头架测量头架3对零时的位置对零时的位置41)33()(211LdSn 位置位置II为测量头架在测量时的位置。设此时尾座有倾角为测量头架在测量时的位置。设此时尾座有倾角，由此而引起的由此而引起的尾杆零位变动量尾杆零位变动量为为（见图（见图316a），其中），其中h为尾杆轴线离底座导轨面的距离。为尾杆轴线离底座导轨面的距离。h1此时，测量光束一路，由测量角隅棱镜到分光镜之间的距离为此时，测量光束一路，由测量角隅棱镜到分光镜之间的距离为（L11 L），其中），其中L为被测零件长度。为被测零件长度。42由于仪器布局满足上述、两个条件，故固定角隅棱镜由于仪器布局满足上述、两个

31、条件，故固定角隅棱镜的位置也有一个和尾杆方向相同、大小相等的零位变动量。的位置也有一个和尾杆方向相同、大小相等的零位变动量。参考光束一路，由固定角遇棱镜到分光镜的距离为参考光束一路，由固定角遇棱镜到分光镜的距离为(Sd)1。在测量时，两种相干光束的光程差为。在测量时，两种相干光束的光程差为)43()(2)(2)(211112LLdSnLLdSn式（式（34）减去式（）减去式（33），就得到测量时和对零时两个），就得到测量时和对零时两个光程差的变化量为光程差的变化量为 即光程差的变化的正好正比于被长度即光程差的变化的正好正比于被长度L，也即尾杆的零位变动量，也即尾杆的零位变动量已由参考镜的零位变

32、动量所补偿。而如果条件、中有一条不已由参考镜的零位变动量所补偿。而如果条件、中有一条不满足，则就会引起测量误差。满足，则就会引起测量误差。)53(212nL固定角隅棱镜固定角隅棱镜9与尾座与尾座5固结在一起固结在一起;固定角隅棱镜的锥顶安放在尾杆固定角隅棱镜的锥顶安放在尾杆10的轴线离底座导轨面等高的同一平面内的轴线离底座导轨面等高的同一平面内;43 2 2）测量头架在垂直平面内产生倾斜。这时，测量头架在垂直平面内产生倾斜。这时，由于总体布局满足条件，符合阿贝原则，故只由于总体布局满足条件，符合阿贝原则，故只引起二次方微小误差，可以忽略。引起二次方微小误差，可以忽略。3 3）尾座在水平面内产生

33、摆角。这时，因不符尾座在水平面内产生摆角。这时，因不符合阿贝原则，故误差不能补偿，但总体布局的条合阿贝原则，故误差不能补偿，但总体布局的条件就是针对这一点考虑的。件就是针对这一点考虑的。d d值越小，引起的误值越小，引起的误差也越小。差也越小。强调说明：前已指出，仪器总体布局满足条件、强调说明：前已指出，仪器总体布局满足条件、之后，不仅可以补偿重力变形变化的影响，、之后，不仅可以补偿重力变形变化的影响，同时也可补偿因导轨不直在垂直平面内引起倾角同时也可补偿因导轨不直在垂直平面内引起倾角变化的影响。变化的影响。可动角隅棱镜可动角隅棱镜12的锥顶位于测量主轴的锥顶位于测量主轴11的轴心线上的轴心线

34、上(以便符合阿贝原则以便符合阿贝原则);44图3-13三层结构形式的设计1-工作台2-床身3-基座4-V形槽支承面 5-平支承面板6-圆锥形球窝支承面45 在光电光波比长仪中，为了减小力变形的影响，对仪器布在光电光波比长仪中，为了减小力变形的影响，对仪器布局及设计作了如下考虑：局及设计作了如下考虑：第一，采用了工作台、床身、基座三层结构的形式，如图第一，采用了工作台、床身、基座三层结构的形式，如图3 31717所示。工作台所示。工作台1 1在床身在床身2 2上移动（滚动导轨），床身上移动（滚动导轨），床身2 2通过三个钢球支承在基座通过三个钢球支承在基座3 3上，基座则用三个支点支在地上，基座

35、则用三个支点支在地基上。钢球支承和基座支点位置上重合。这样，工作时，基上。钢球支承和基座支点位置上重合。这样，工作时，无论工作台无论工作台1 1怎样移动，工作台怎样移动，工作台1 1及床身及床身2 2的重量始终通过的重量始终通过三个球支承作用在基座上，即基座受到的三个垂直力只有三个球支承作用在基座上，即基座受到的三个垂直力只有大小的变化，而无方向和位置的变化，而且这三个力又通大小的变化，而无方向和位置的变化，而且这三个力又通过基座底下的三个相对应的支点直接作用在地基上。因此，过基座底下的三个相对应的支点直接作用在地基上。因此，在工作过程中，基座变形基本稳定不变。在工作过程中，基座变形基本稳定不

36、变。46 第二，在光电光波比长仪中，光电显微镜、固定参考镜和第二，在光电光波比长仪中，光电显微镜、固定参考镜和干涉系统的分光镜三者之间的相对位置，要求严格保持不干涉系统的分光镜三者之间的相对位置，要求严格保持不变。在这台仪器中，布局上把这三者都装在与基座相连的变。在这台仪器中，布局上把这三者都装在与基座相连的构件上。这样，在检定线纹尺过程中，因基座变形稳定不构件上。这样，在检定线纹尺过程中，因基座变形稳定不变，故这三者之间相对位置也保持稳定不变。从而保证了变，故这三者之间相对位置也保持稳定不变。从而保证了测量精度。测量精度。47 第三，前面提到，床身第三，前面提到，床身2 2是通过三个钢球支承

37、在基座是通过三个钢球支承在基座3 3上的。上的。这三个钢球的支承，其支承座结构各不相同。如图这三个钢球的支承，其支承座结构各不相同。如图3 31717所示，一个支承座是平支承面所示，一个支承座是平支承面5 5（布置在后面），前面两（布置在后面），前面两边的两个，其中一个是圆锥形球窝支承面边的两个，其中一个是圆锥形球窝支承面6 6，另一个是，另一个是V V形形槽支承面槽支承面4 4。V V形槽的方向与基座纵方向相平行。采用这种形槽的方向与基座纵方向相平行。采用这种支承座结构后，床身一经放到基座上，就符合定位原则。支承座结构后，床身一经放到基座上，就符合定位原则。这时，床身在纵向、横向及转角方向均

38、无需再加诸如螺钉、这时，床身在纵向、横向及转角方向均无需再加诸如螺钉、夹板等的限制，避免产生不良的约束所带来的附加内应力。夹板等的限制，避免产生不良的约束所带来的附加内应力。此外，如果温度有所变化，这种结构也并不限制床身相对此外，如果温度有所变化，这种结构也并不限制床身相对于基座的自由伸缩，所以也不会因热变形而带来内应力。于基座的自由伸缩，所以也不会因热变形而带来内应力。这种设计，既能自动定位，又无附加内应力，在有些资料这种设计，既能自动定位，又无附加内应力，在有些资料中，把它称之为中，把它称之为无附加内应力的自动定位设计无附加内应力的自动定位设计，作为一种，作为一种设计原理，在仪器设计中应用

39、很广。设计原理，在仪器设计中应用很广。48 在条件许可情况下，可使仪器或传感器在工作环境温度在条件许可情况下，可使仪器或传感器在工作环境温度保持恒定的条件下工作，而对于温度变化范围较大，或温保持恒定的条件下工作，而对于温度变化范围较大，或温度的变化范围虽不大，但其引起的误差不被允许时，则一度的变化范围虽不大，但其引起的误差不被允许时，则一般都要采取相应的措施，以减小温度变化对仪器和传感器般都要采取相应的措施，以减小温度变化对仪器和传感器精度的影响，下面举例说明。精度的影响，下面举例说明。丝杠动态测量仪（其传动原理如图所示）丝杠动态测量仪（其传动原理如图所示）检查丝杠的单扣螺距误差、在一定长度及

40、全长上的螺距检查丝杠的单扣螺距误差、在一定长度及全长上的螺距累积误差以及丝杠的周期误差。累积误差以及丝杠的周期误差。4950 用圆光栅作测量转角的角度标准，用激光波长作测量线位用圆光栅作测量转角的角度标准，用激光波长作测量线位移的长度标准。利用同步测量角位移和线位移，把两路信移的长度标准。利用同步测量角位移和线位移，把两路信号通过比相，或通过比较两路信号的脉冲个数，而实现对号通过比相，或通过比较两路信号的脉冲个数，而实现对丝杠参数的检验。丝杠参数的检验。仪器在工作过程中，由于温度的影响，被测丝杠将伸长可仪器在工作过程中，由于温度的影响，被测丝杠将伸长可缩短，此外，当环境温度、气压、湿度偏离标准

41、状态时，缩短，此外，当环境温度、气压、湿度偏离标准状态时，激光波长也将发生变化，这些都将带来测量误差。激光波长也将发生变化，这些都将带来测量误差。下面介绍的补偿方案，是假定在测量过程中，环境的温度、下面介绍的补偿方案，是假定在测量过程中，环境的温度、气压和湿度虽偏离了标准状态，但不再变化。因此，这些气压和湿度虽偏离了标准状态，但不再变化。因此，这些因素引起的误差，可看作是与测量长度成线性关系的系统因素引起的误差，可看作是与测量长度成线性关系的系统误差，在全长上的误差是线性累加的。根据这样的考虑，误差，在全长上的误差是线性累加的。根据这样的考虑，因此，可以采用在激光一路信号中增减脉冲数的办法来进

42、因此，可以采用在激光一路信号中增减脉冲数的办法来进行补偿的方案。行补偿的方案。51在补偿时，在补偿时，先测出环境的温度、气压和湿度，先测出环境的温度、气压和湿度，计算得每米累积补偿量为计算得每米累积补偿量为5m5m。工作台每移动半个波长，激光一路发出一个脉冲，所工作台每移动半个波长，激光一路发出一个脉冲，所以以5m5m相当于相当于5m/5m/（/2/2）=N1=N1个脉冲，个脉冲，N1N1个脉冲数需个脉冲数需要在要在1m1m长度内给以均匀补偿。长度内给以均匀补偿。1m1m长度内的激光脉冲数为长度内的激光脉冲数为M1M110001000，000m/000m/（2 2）。）。因此，每隔因此，每隔

43、M1/N1=2M1/N1=210105 5激光脉冲时，对激光信号增激光脉冲时，对激光信号增减一个信号。减一个信号。52 测量链：仪器中直接感受标准量和被测量的有关元件，如测量链：仪器中直接感受标准量和被测量的有关元件，如被测件、标准件、感受元件、定位元件等均属于测量链。被测件、标准件、感受元件、定位元件等均属于测量链。在精密测量仪器中，根据各环节对仪器精度影响程度的不在精密测量仪器中，根据各环节对仪器精度影响程度的不同，可将仪器中的结构环节区分为测量链、放大指示链和同，可将仪器中的结构环节区分为测量链、放大指示链和辅助链三类。辅助链三类。测量链的误差对仪器精度的影响最大，一般都是测量链的误差对

44、仪器精度的影响最大，一般都是1:1影响影响测量结果。因此，对测量链各环节的精度要求应最高。测量结果。因此，对测量链各环节的精度要求应最高。因此测量链最短原则显然指一台仪器中测量链环节的构件因此测量链最短原则显然指一台仪器中测量链环节的构件数目应最少，即测量链应最短。因此，敏感链最短原则作数目应最少，即测量链应最短。因此，敏感链最短原则作为一条设计原则要求设计者予以遵守。为一条设计原则要求设计者予以遵守。53 以上几条设计原则，一般都是从某台仪器总体出发考虑以上几条设计原则，一般都是从某台仪器总体出发考虑的。而坐标系统一原则的。而坐标系统一原则,则是对仪器群体之间的位置关系则是对仪器群体之间的位

45、置关系,相互依赖关系来说的相互依赖关系来说的,或主要是针对仪器中的零件设计及或主要是针对仪器中的零件设计及部件装配要求来说的。部件装配要求来说的。对零部件设计来说，这条原则是指：在设计零件时，应该对零部件设计来说，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。的精度要求而避免附加的误差。例如，图例如，图318及及3-19所示的零件，如何使设计基准、所示的零件，如何使设计基准、测量基准

46、和工艺基准重合测量基准和工艺基准重合.54图3-18顶尖支承法测径向圆心跳动图 3-19 V形支承法测径向圆心跳动55 对仪器群体之间的位置关系对仪器群体之间的位置关系,相互依赖关系来说相互依赖关系来说,这条原则这条原则是指：设计某台仪器时，应考虑到该仪器的坐标系统在主是指：设计某台仪器时，应考虑到该仪器的坐标系统在主坐标系统中的转换关系与实现转换的方法。现代测控系统坐标系统中的转换关系与实现转换的方法。现代测控系统的发展，除了仪器本身向动态、多自由度、闭环控制方向的发展，除了仪器本身向动态、多自由度、闭环控制方向发展外，还需要多个仪器的配合工作。发展外，还需要多个仪器的配合工作。例如，图例如

47、，图324中所示的汽车白身整体误差的检测项目，中所示的汽车白身整体误差的检测项目，应用了多个坐标系统来完成测量要求。应用了多个坐标系统来完成测量要求。5657数控加工设备用刀具预调仪1-工作台 2-X向导轨 3-被测刀具 4-计算机监视器5-CCD摄像头 6-Z向导轨 7-Z向滑架 8-光源58 精度分析，按影响程度，提出不同的精度精度分析，按影响程度，提出不同的精度要求、精度分配。要求、精度分配。系统误差分配系统误差分配 完成原理及方案设计之后进行。完成原理及方案设计之后进行。计算原理性的系统误差计算原理性的系统误差找出系统性源误差找出系统性源误差给出该环给出该环节的具体系统误差值节的具体系

48、统误差值局部系统误差局部系统误差合成总系统误差合成总系统误差 系系1/3 1/3 S S,可认为初步分配合理。可认为初步分配合理。59 随机误差分配随机误差分配 随机误差和未定系统误差分配同时进行。随机误差和未定系统误差分配同时进行。=S S-k k 根据等作用原则与加权作用原则分配总随机误差。根据等作用原则与加权作用原则分配总随机误差。1.1.等作用原则：每个源误差所产生的局部误差是相等的，等作用原则：每个源误差所产生的局部误差是相等的，对仪器总精度的影响相同。对仪器总精度的影响相同。2.2.加权作用原则：影响不同、误差控制的难易程度不同。加权作用原则：影响不同、误差控制的难易程度不同。综合

49、权综合权A Ai i难易程度，难易程度，mnpiimniiiiiApA1260 误差调整误差调整 结构、工艺与经济性分析，从实际出发结构、工艺与经济性分析，从实际出发经济公差、经济公差、生产公差、技术公差生产公差、技术公差。误差调整步骤：误差调整步骤：1.1.评价已制定的各环节误差的允许值，确定调整对象。评价已制定的各环节误差的允许值，确定调整对象。2.2.把低于经济公差极限的误差项目提高到经济公差极限上，把低于经济公差极限的误差项目提高到经济公差极限上，从从中剔除，得到新的中剔除，得到新的。3.3.按等作用原则再分配，反复调整按等作用原则再分配，反复调整多数误差在经济误差多数误差在经济误差极

50、限范围之内、少数影响大的提升到生产公差内，对于个极限范围之内、少数影响大的提升到生产公差内，对于个别超出技术公差的误差环节实行误差补偿。别超出技术公差的误差环节实行误差补偿。误差调整成功的标记：误差调整成功的标记：多数在经济误差、少数在生产误差、个别在技术公差多数在经济误差、少数在生产误差、个别在技术公差内，系统误差值小于随机误差，补偿措施少。内，系统误差值小于随机误差，补偿措施少。61 经济原则是一切工作都要遵守的一条基本而重要的原则。经济原则是一切工作都要遵守的一条基本而重要的原则。经济原则反映到测控仪器的设计之中，可从以下几方面来经济原则反映到测控仪器的设计之中，可从以下几方面来考虑：考