测控仪器设计课程概要2

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
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。
名称 回转轴 的误差 运动 定义： 指旋转 体回转 轴线相 对于其 造成回转误差的原因
要求
图示
是主轴和轴承的尺寸误差、形状误差、装配误差及刚 度、润滑、阻尼等因素综合作用的结果。 1）例如滑动摩擦轴系存在主轴安装偏心和晃动，由于偏 心的存在（若间隙为△，偏心为e，则e=△/2)，主轴回 转中心不再是O点，而是在以e为半径的圆周上，如图450所示。当主轴转过θ角时，回转中心由O变为O′，这 时带来的回转误差
图d与图b为三角形肋， 不仅刚度较好，工艺也较 简单
图f、图g、图h则铸造工 艺比较复杂，而且铸造泥 芯很多，但刚度很好。
问题二
导轨的功用：
仪器的导轨及设计
1、导轨的功用与分类
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。
问题三 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
（一）主轴回转精度
2、变形最小原则及减小变形影响的措施
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 外界温度变化 统灵敏度变化。 仪器结构变形 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
2.1 减小力变形影响的技术措施
承受外载荷
及其变化， 受热变形影 响较大。
基座 立柱
补偿措施
在满足刚性要求情况下，尽量减轻重量，以提高固有 频率，防止共振；如合理地选择截面形状和尺寸，合 理地布置肋板或隔板以提高静刚度；减小内部振源的 振动影响，如采用气体、液体静压导轨或轴系；对驱 动电动机的振动加隔离措施；对运动件进行充分润滑 以增加阻尼等；采用减振或隔振设计，如弹簧隔振、 橡胶隔振、气垫隔振等。

e sin R
图4-50
轴系偏心
轴线平
均线的 位置变 动。
（4-35）
图4—51 滑动轴承中的油膜
式中，R为主轴上安装度盘的刻划半径；e为主轴在轴 套中的回转偏心 2）还由于油膜的作用导致双周晃动，即每转动2周，误
差重复一次。如图4-51所示
3）滚动摩擦轴系由于滚珠轴线的速度是主轴转动线速度 的1/2。如图4-52所示
支承件的结构设计内容
名称 刚度设计
1)有限元分析法： 此分析法 是一种将数学、力学与计算 机技术相结合的对支承件刚 度和动特性进行分析的一种 方法；
结构设计
1）正确选择截面形状与外形结构：构件受压时变 形量与截面积大小有关；受弯、扭时，变形量与 截面形状有关。参阅表4-1横截面积相同时不同断 面形状惯性矩的比较进行设计 2）合理地选择和布置加强肋，以增加刚度，参阅 表4-1-1所示各种肋条(板)的形状及其优缺点 3）正确的结构布局，减小力变形 4）良好的结构工艺性，减小应力变形 5）合理地选择材料 通常要求基座及支承件的材 料具有较高的强度和刚度、耐磨性以及良好的铸 造、焊接以及机械加工的工艺性参阅表4-1-2 支承 件常用材料性能及改善措施 6)基座与支承件的壁厚、肋板、肋条厚度设计可参 阅表4-2
图4—52 滚动轴承主轴漂移
引起原因：传动轴与主轴连接方式不好；主轴
上的零部件不平衡。因此，不能采用刚性连接 的方法。 一般采用弹性元件连接，以力偶的方式传递。
如：
主 轴 系 统 振 动
①用橡胶传动，吸振性好，但有空程，见图 4-56。 ②波纹管传动，吸振性好，无空程，有一定的 传动力矩，见图4-57。 ③精密仪器的主轴也可由转速可调的直流电动 机或力矩电动机直接带动。因减小了产生振动 的中间环节，同时电动机转子与定子是非刚性 接触，所以振动很小，而且主轴旋转平衡。如 高精度圆度仪的主轴回转精度可达0.05μm。 图4—57 波纹管连接传动 图4—56 橡胶连接传动
图3-3 三坐标测量机 1-测头的触球 2-被测工件
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
1一驱动轴 2一橡胶连接块 3一主轴
滚动摩擦轴系优于滑动轴系 合理选择推力支撑位置 主 a) 推力支撑位置在后径向轴承的两侧。受 轴 热后主轴向前伸长，影响轴向精度。 系 b) 推力支撑位置在前后径向轴承的外侧， 统 装配方便，受热伸长会影响轴向间隙。 的 c) 推力支撑位置在前径向轴承的两侧，避免 热 了主轴受热向前伸长，刚性较高，但主轴悬 稳 伸部分增加。 定 d) 推力支撑位置在前径向轴承的内侧，是 性 较好的布置。 减小热源的影响
图4—58 主轴推力轴承布置 Nhomakorabea减 小 力 变 形
主轴设计应形状简单，避免产生应力变形。 主轴上的紧固件尽量少，以减小夹紧应力产
生变形。必要时应设计有凸肩。
a)没有凸肩 b)有凸肩。
图4—59 带轴肩的主轴结构
寿 选材、热处理和良好的润滑。 命
2、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0.05μm。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。
基座 立柱
2)仿真分析法： 对结构形状 复杂的支承件，可采用模型 仿真，虽然花费些物力和时 间，但得出的结果与实际比 较接近。
表4-1 横截面积相同时不同断面形状惯性矩的比较
实心圆形 实心方形 空心圆形 空心方形 空心矩形
断面形状
抗弯惯性矩 （相对值） 抗扭惯性矩 （相对值）
1
1.04
5.04
3.21
名称
结构特点
结构尺寸较 大， 结构比 较复杂， 要
设计要求
要具有足够 的刚度，力 变形要小 稳定性好， 内应力变形 小 热变形要小 良好的抗振 性
相应措施
刚度设计常采用的方法有模拟试验法（仿真试验）、 量纲分析法和有限元分析法。有限元分析已有成熟的 分析软件可借用。采用正确的结构设计也是保证支承 件刚度的重要手段。 对铸造的基座和立柱要进行时效处理，以消除内应力， 减少应力变形。时效处理的方法有两种，即自然时效 和人工时效。 严格控制工作环境温度, 控制仪器内的热源, 采取温度
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 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
导轨种类：
1）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 动静导轨面间有滚动体，形成滚动摩擦。
3）静压导轨 两导轨面间有压力油或压缩空气，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 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
第三章 测控仪器总体设计
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。
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实践的检验，并为大多数仪器设计者所 公认。
问题二 测控仪器设计原理
d。
实践证明上述结构布局可使因重力变形引起的误差大为缩小。
3、坐标系统一原则
对零部件设计来说，这条原则是指：在设计零件时，应该