测控仪器设计(4).共38页
测控仪器设计课件第4章
保证仪器的测量精度、定位精度、运动精度
对基座的变形要控制在亚微米量级； 对工作台的定位精度和传动精度要求能达到0.1µm； 对导轨的直线度要求达到0.1µm/m； 主轴的回转精度要求达到0.01µm等。
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
1）稳定性好，花岗石经过了几百万年的天 然时效处理，内应力早已消除，几乎不变 形，稳定性极好。2）加工简便，采用研 磨、抛光会得到很高的精度和好的表面粗糙 度，加工工艺简便，其耐磨性比铸铁高5～ 10倍。 3）温度稳定性好，导热系数和线膨 胀系数均很小，在室内温度缓慢变化情况 下，产生的变形比钢小得多，约为铸铁的 1／2。4）吸振性好，内阻尼系数比钢大15 倍，不传递振动。 5）不导电，不磁化，抗 电磁影响性能好。6）维护保养方便，能抵 抗酸碱气体和溶液腐蚀，不用涂任何防锈油 脂。7）价格便宜。
弹性平均效应原 理
导轨设计应遵守的 原理和原则
定义
图示 图4—14
导向导轨与压紧导 在仪器中为保证导轨运动的直线性常用导轨的一面作为 导向面，另一面作压紧面，即导向和压紧分开，保证通 轨分立原则 过压紧力使导向面可靠接触，保证导向精度。
图4—14 导轨布置图 a）双V形导轨导向与压紧 b）万工显导轨布置图
主要内容
1）减少的办法有：①采用刚度设计，如有限元法；②结构设计，如设计加强 肋；③补偿措施，如用螺钉或其它方法反变形。 2）局部变形发生在载荷集中的地方，如立柱与导轨接触部分。 3）接触变形是由于微观不平度造成实际接触面积仅是名义接触面积的很小一 部分。为了减少接触变形，可采用预加载荷的办法增加接触刚度，对于固定不 动的接触面，预加载荷一般大于活动件及其上部件的重力与外载荷的和；对于 活动的接触面，预加载荷一般等于活动件及其上工件的重力和 。 ①滑动摩擦导轨与导轨面间的比压有关， 一般要求比压不大于0.04。 可采用 卸荷结构导轨。降低比压（导轨接触面部分单位面积上承受载荷的大小）。 ②良好的防护与润滑，也可增加耐磨性。 ③从导轨副的配合上选择，使静导轨硬度为动导轨硬度的1.1—1.2倍。 常用以 下不同硬度材料配合：铸铁—铸铁导轨、铸铁—淬硬铸铁导轨、铸铁—淬硬钢 导轨、铜合金—钢导轨、塑料导轨（聚四氟乙烯）—铸铁导轨，有较好的抗振 性和耐磨性，且温度适应性广（-200～+280℃），摩擦系数小。 ④从材料和热处理工艺上选择 ▼HT200～HT400铸铁高频淬火，淬火后硬度可达48～53HRC； ▼ “镶钢导轨”耐磨性比铸铁导轨高5～10倍。40Cr、T8、T10、GCrl5、 20Cr、20CrMnTi ▼镶塑料导轨具有摩擦系数小、耐磨性好、工艺简单、成本低等优点。对于润 滑不良或无法润滑的垂直导轨以及要求重复定位精度高，微进给移动无爬行 现象的情况下采用此种导轨最为适当
《测控仪器设计(第)》课后习题答案浦昭邦王宝光
封面作者：Pan Hongliang仅供个人学习测控仪器则是利用测量和控制的理论，采用机、电、光各种计量测试原理及控制系统与计算机相结合的一种范围广泛的测量仪器。
仪器仪表的用途和重要性—遍及国民经济各个部门，深入到人民生活的各个角落，仪器仪表中的计量测试仪器与控制仪器统称为测控仪器，可以说测控仪器的水平是科学技术现代化的重要标志。
仪器仪表的用途:在机械制造业中：对产品的静态与动态性能测试；加工过程的控制与监测；设备运行中的故障诊断等。
在电力、化工、石油工业中：对压力、流量、温度、成分、尺寸等参数的检测和控制；对压力容器泄漏和裂纹的检测等。
在航天、航空工业中：对发动机转速、转矩、振动、噪声、动力特性、喷油压力、管道流量的测量；对构件的应力、刚度、强度的测量；对控制系统的电流、电压、绝缘强度的测量等。
发展趋势:高精度与高可靠性、高效率、智能化、多样化与多维化（1）高精度与高可靠性随着科学技术的发展，对测控仪器的精度提出更高的要求，如几何量nm精度测量，力学量的mg精度测量等。
同时对仪器的可靠性要求也日益增高，尤其是航空、航天用的测控仪器，其可靠性尤为重要。
（2）高效率大批量产品生产节奏，要求测量仪器具有高效率，因此非接触测量、在线检测、自适应控制、模糊控制、操作与控制的自动化、多点检测、机光电算一体化是必然的趋势。
（3）高智能化在信息拾取与转换、信息测量、判断和处理及控制方面大量采用微处理器和微计算机，显示与控制系统向三维形象化发展，操作向自动化发展，并且具有多种人工智能从学习机向人工智能机发展是必然的趋势。
（4）多维化、多功能化（5）开发新原理（6）动态测量现代设计方法的特点：(1)程式性强调设计、生产与销售的一体化。
(2)创造性突出人的创造性，开发创新性产品。
(3)系统性用系统工程思想处理技术系统问题。
力求系统整体最优，同时要考虑人-机-环境的大系统关系。
(4)优化性通过优化理论及技术，以获得功能全、性能良好、成本低、性能价格比高的产品。
测控仪器设计课件第3章(4.5.6.7节)
由此可知位移量同步比较测量原理的定义是：对复合参数进行测量的近代方法 是先分别用激光装置或光栅装置等测出它们各自的位移量，然后再根据它们之间 存在的特定关系由计算机系统直接进行运算比较而实现测量。
图3-24是采用电子式位移量同步比较原理所设计的万能齿轮整体误差测量机的 原理图。
图3—24 万能齿轮整体误差测量机原理图
图3—32 平行光管测量原理简图
图3—33 正切杠杆三条特性曲线
平行光管是一种能产生平行光束的仪器，是装校调整光学仪器的重要 工具之一，也是光学量度的重要仪器。当配用不同的分划板时，可用 来测量透镜或透镜组的焦距、分辨率等。 D550电子平行光管采用高分辨率电子目镜系统将分划板图像清晰成像 于CCD光敏面上，图像通过USB线传输至电脑显示器，通过专用图像 采集软件可实现分划板图像的放大显示、保存、及图像再处理。
由上述两个公式可以看出，差动式电感传 感器的灵敏度比非差动式提高一倍。
2．光学量差动比较测量
图3—27 双通道差动法 透过率 测量原理
1-辐射光 2-反射镜 3-透镜 4-汇聚透镜 5-光电元件 6-差动放大器 7-指示表
辐射光源1借助反射镜2和透镜3分别沿着标准通道I和测量通道II并行输送， 实现被测样品与标准台样品比较，以差值指示。因此，降低共模信号的影响，还 可消除杂散光的干扰。
三、补偿原理
补偿原理是仪器设计中一条内容广泛而意义重大的设计原理。如果在设计中， 采用包括补偿、调整、校正环节等技术措施，则往往能在提高仪器精度和改善仪 器性能方面收到良好的效果。
1．补偿环节的选择 为了取得比较明显的补偿效果，补偿环节应选择在仪器结构、工艺、精度上的薄弱环 节，对环境条件及外界干扰敏感的环节上。 2．补偿方法的确定 有光电方法、软件方法、电学方法、标准器比较的方法等。 3．补偿要求的分析 根据不同的补偿对象，有不同的补偿要求： 例如，对于导轨直线度偏差的补偿，必须要对整个行程范围进行连续逐点的补偿；而 对仪器示值的校正，一般可要求校正几个特征点，如首尾两点，或中间选几点，达到选 定的特征点保证仪器示值精确即可。 4．综合补偿（最佳调整原理）的实施 优点：综合补偿方法具有简单、易行、补偿效果好的特点。
测控仪器设计课件(第四次课)
l
分度圆
o2
图2—19 齿轮传动
例2-6 测杆与导套之间的配合间隙所引起的作用误差 测杆与导套为摩擦传动作用副，专用线为导套中心先，
由于两着之间存在间隙使测杆倾斜 h ，引起的作
用误差可按几何关系折算为
F s(1 cos ) s
2
2
总结
大体上可以按照上面所述三种情况来计算一对 运动副作用误差。通常，能转换成瞬时臂误差的源
1．源误差可以转换成瞬时臂误差时的作用误差计算
设一对运动副的理论瞬时 臂是 r0 ( ) ，若运动副中存在一源误差直接表现为瞬时臂误差 r0 ( ) ，那么位移沿作用 线传递的基本公式为
dl [r0 ( ) r0 ( )]d
由瞬时臂误差
r0 ( ) 而引起的作用线上的附加位移(作用误差)为
（一）机构传递位移的基本公式
• 推力传动 传递位移时一对运动副之间的相互作用力为推力
•
摩擦力传动 传递位移时一对运动副之间的相互作用力为摩擦力
作用线 为一对运动副之间瞬时作用力的方向线
• 推力传动，其作用线是两构件接触区的公法线
•
摩擦力传动，其作用线是两构件接触区的公切线
如图2-17
位移沿作用线传递的基本公式为
arctan( r0 / R)
图2—21 小模数渐开线齿形检查仪
1—被测齿轮 2—基圆盘 3—主拖板 4—传动丝杠 5—斜尺 6—主导轨
7—手柄 8—测量拖板 9—测杆 10—测微仪 11—测量导轨 12—推力弹簧
测量拖板的位移距离为
s Ltan L r0 R r0
上式表明：测量拖板水平位移与基圆盘的转角位移之间的位移关系形成的是 一种以r0为基圆半径的标准渐开线。当被测齿形的展开长度有误差时，测微仪输
测控仪器课程设计
一、课程设计任务：1、目的和要求：利用CCD图像传感器进行尺寸测量是CCD应用最广泛的领域之一。
本课程设计旨在从仪器总体设计思想出发，应用线阵CCD作为传感器，设计一套钢管外径测量系统。
CCD简介：CCD图像传感器可直接将光学信号转换为数字电信号，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。
其特点是：1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。
因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把CCD器件作为光电接收器。
CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类，线阵CCD通常将CCD内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。
所需相数由CCD芯片内部结构决定，结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。
线阵CCD有单沟道和双沟道之分，其光敏区是MOS电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。
它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像。
而线阵CCD就是本课程设计所要采用的传感器件。
2、主要内容：①、分析研究基于CCD的尺寸测量的工作原理②、基于工作原理确定系统总体方案③、进行全系统的总体设计并进行精度分析④、完成总体设计报告3、钢管直径测量系统的技术要求：以线阵CCD图像传感器为核心的钢管外径测量系统可以用于控制钢管生产线，对钢管外径进行实时监测，并根据测量结果对钢管生产过程进行控制，以提高产品的合格率。
测量系统的主要技术指标为：测量范围60~100mm测量分辨率0.01mm测量精度0.05mm二、系统的工作原理：钢管直径测量系统的原理框图如（图1）所示。
整个系统由照明光学系统、被测钢管夹持系统、成像物镜、光电图像传感器检测系统和计算机测量控制系统等部分组成。
(完整word版)测控仪器设计总结
测控仪器的概念测控仪器则是利用测量和控制的理论，采用机、电、光各种计量测试原理及控制系统与计算机相结合的一种范围广泛的测量仪器。
按功能将仪器分成以下几个组成部分：1 基准部件2 传感器与感受转换部件 3 放大部件 4 瞄准部件 5 信息处理与运算装置 6 显示部件7 驱动控制器部件8 机械结构部件测控仪器的设计要求(1)精度要求(2)检测效率要求3)可靠性要求(4)经济性要求(5)使用条件要求(6)造型要求微分法几何法能画出机构某一瞬时作用原理图，按比例放大地画出源误差与局部误差之间的关系，依据其中的几何关系写出局部误差表达式。
优点是简单、直观，适合于求解机构中未能列入作用方程的源误差所引起的局部误差，但在应用于分析复杂机构运行误差时较为困难。
作用线与瞬时臂法基于机构传递位移的机理来研究源误差在机构传递位移的过程中如何传递到输出。
数学逼近法原理误差仪器设计中采用了近似的理论、近似的数学模型、近似的机构和近似的测量控制电路所引起的误差。
它只与仪器的设计有关，而与制造和使用无关。
原始误差由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工工艺系统会有各种各样的误差产生，这些误差在各种不同的具体工作条件下都会以各种不同的方式(或扩大、或缩小)反映为工件的加工误差。
误差的分类及表示方法按误差的数学性质分1）随机误差2）系统误差3）粗大误差按被测参数的时间特性分1）静态参数误差2）动态参数误差按误差间的关系分1）独立误差2）非独立误差误差的来源与性质原理误差仪器设计中采用了近似的理论、近似的数学模型、近似的机构和近似的测量控制电路所引起的误差。
它只与仪器的设计有关，而与制造和使用无关。
制造误差,运行误差:仪器在使用过程中所产生的误差。
（一）力变形误差（二）测量力（三）应力变形（四）磨损（五）间隙与空程（六）温度（七）振动与干扰（八）干扰与环境波动引起的误差3.2. 归纳测控仪器的设计流程测控仪器总体设计，是指在进行仪器具体设计以前，从仪器自身的功能、技术指标、检测与控制系统框架及仪器应用的环境和条件等总体角度出发，对仪器设计中的全局问题进行全面的设想和规划。
测控仪器设计
(6)制造样机、样机鉴定。 (7)批量投产。
2 测控仪器总体设计
总体设计是一个战略性的工作，它的优劣直接影响到测控仪器 的性能和使用，如果总体设计不合理，很可能制造出后不久就被淘 汰，缺乏竞争力。 总体设计是创造性的工作，特别是现代测控仪器，是光、机、 电、液、气、计算机技术的综合。 在进行总体设计时，要充分运用科学原理和设计理论，在充分 调查研究掌握大量第一手资料的基础上，重视科学实验，做到理论 和实践紧密结合，尽力使总体设计在原理上正确、实践上可行、经 济上合理，使产品具有竞争力。
1、仪器分类：
A. 从计量测试角度可将仪器分为计量测试仪器、计算仪器和控 制仪器，把计量测试仪器与控制仪器及装置统称为测控仪器。 （1）计量仪器：它是用仪器将被测量取出并与计量标准进行比 较，准确地表示被测量的真实数值。分为： 长度计量仪器 时间频率计量仪器 力学（机械量）计量仪器 热工计量仪器 电磁计量仪器 光学声学计量仪器 电离辐射计量仪器 标准物质计量仪器
现代设计方法 ：
①系统工程 ②优化设计
③可靠性设计
④计算机辅助设计 ⑤价值工程 ⑥有限元分析 ⑦创造性设计
⑧虚拟仪器技术
② 优化设计——三次设计技术
任何产品，均可以看成一个系统。一个系统的输入输出指标提出之 后，系统的优化问题便由下列两个集合中挑选最佳元素：一个是系统的 结构集合；另一个是系统的参数集合。
③、测控仪器若干设计原理的讨论； ④、测控仪器工作原理的选择和系统设计；
⑤、测控系统主要结构参数与技术指标的确定；
⑥、测控仪器造型设计。
2.1 设计方法概述
第3章《测控仪器设计》2013（哈工大）
第三章测控仪器总体设计总体设计是战略性的、方向性的、全局性具体是指在进行仪器具体设计以前，从仪器自身的功能、技术指标、检测与控制系统框架及仪器应用的环境和条件等总体角度出发，对仪器设计中的全局问题进行全面的设想和规划。
仪器总体设计的最终评估，是以其所能达到的经济指标与技术指标来衡量，精度与可靠性指标是测控仪器设计的核心问题。
总体设计要考虑哪些主要问题？总体设计要考虑的主要问题有：1.设计任务分析2.创新性构思（所能达到的新功能，所实现的新方法，所反映出的新技术，新理论等）3.测控仪器若干设计原则的考虑4.测控仪器若干设计原理的斟酌5.测控仪器工作原理的选择和系统设计6.测控系统主要结构参数与技术指标的确定7.仪器总体的造型规划第一节设计任务分析与创新性设计一、设计任务分析了解被测控参数的特点了解测控参数载体(测控对象)的特点了解仪器的使用条件了解仪器的功能要求了解仪器国内外同类产品或相关产品的类型、原理、技术水平及特点了解加工工艺水平及关键元器件销售情况二、创新点的构思CCD摄像机采集被测刀具图像，将刀尖到影屏上，采用目视测量时，计算机影屏上的十字线自动创新设计的诀窍在于①充分依靠现代网络信息资源有针对性的检索相关资料，补充掌握不足的信息来达到创新构思。
②在设计的整个过程中采用集多人智慧，互相启发来寻求解决问题的途径；也可通过有针对性、有系统地提问来激发智慧，寻找解决办法③通过对现有产品的观察，优缺点分析，或采用数学建模，或采用系统分析及形态学矩阵的理论分析方法寻求各种解决办法。
第二节测控仪器设计原则一、阿贝原则（Abbe law）及其扩展对线值尺寸测量仪器所提出指导性原则表述：为使量仪能给出正确测量结果，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。
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。
举例说明阿贝原则图3—1 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-工作台导轨间隙造成运动中的摆角，由于标准刻线尺与被测件的直径不共线而带来测量误差误差和倾角φ成一次方关系，习惯上称为一次误差用千分尺测量工件的直径。