精密仪器设计总体设计
高精密单轴伺服转台结构设计
该转台不同于普通一维转台，考虑到安装多个光栅传感器的需求，在结构设计时需要在轴向和径向方向预留出安装空间，同时在精密加工时需要保证轴系和光栅传感器转接件的同轴度等形位公差，以及轴系的轴向和径向的回转精度。转台台体设计采用常见的圆形回转体外壳设计方式，外壳和底座采用优质铝合金整体加工而成，外壳内部是空心结构，轴承、盖板等元件直接装在转台台体内部，转台三维结构示意图。本套转台的结构形式是一维单轴回转体转台，采用GCr15轴承钢材料进行精密机械轴系的加工，通过精密加工保证轴与外壳安装面椭圆度及其滑动配合间隙，轴系添加仪表油保证其灵活转动。轴系设计要求转台承载能力为3kg，由于该转台用于轴系设计及精度验证，因此转台转角范围是±360°，没有机械限位。为了使转台结构紧凑，考虑到后期可能进行的多光栅传感器安装，因此在轴向设计中预留一定光栅传感器安装余量。
3光电转台总体设计
3.1光电转台的结构形式选择
精密双轴光电转台结构形式一般为T/U/O形，U形转台负载安装于U形框架中间，整体尺寸较紧凑，负载惯量小，反应速度快，精度易保证，但存在对负载外形尺寸有严格限制的缺点。O形转台把负载完全安装于球罩内，整体外形尺寸大、质量大，结构加工工艺较复杂，可维护性较差，其优点在于密封性好、气动外形能够减小风阻。T形转台一般多个负载的两端安装，俯仰轴系尺寸较集中，但由于负载离转动轴较远，转动惯量较大。综合比较，地面静止安装一般会选用U形转台。
在轴系设计过程中，为保证各重要尺寸和相关零件配合的形位公差，考虑实际加工中工序的复杂性和加工精度，因此将轴承套、轴承间挡块等零部件的设计集成在转台外壳中，在节省空间的同时还减小了台体质量，并且在实际加工过程中进行一次性加工保证各端面间的平行度等公差，避免传统设计方法中轴承套、轴承压盖等零部件与台体分离的问题，减小后期装调难度。
车载精密仪器的电源设计
２ 总体 设 计
２ Ｖ车 载 电源接 人 车 载 仪 器后 ， 先 经 电源 滤 ４ 首 波器滤 波 ， 然后 经 ＤＣ —ＤＣ电 源 盒 为仪 器 的 电气 部
件供 电 。 电源滤 波器 的作 用是 将仪 器与 车上其 他设 备 电 源 进行 电磁 隔 离 ， 止 电源 间 的 串扰 。 电源 滤 波 器 防 按 照 电磁兼 容性 的要 求定 制 ， 考 虑到 额定 电压 、 要 额 定 电流 、 作温 度 范 围 、 止 频率 、 入 损 耗 （ 工 截 插 共模 ／ 差模） 等指标 。滤波 器 的原理 图如 图 １ 示 。 所
４ 性 能 设 计 及 环 境 适 应 性 设 计
悯 — 一 ＿ １ ＝ Ｔ 上 Ｊ Ｉ
图 １ 电 源滤 波器 原 理 图
车 载 精 密 仪 器 不 但 要 满 足 整 机 电 气 性 能 指 标 的
要求 ， 要满 足 高低 温 、 还 电磁 兼 容 、 冲击 振 动 等环 境 适 应性 要求 ， 具体 设计 方案 如下 。 （） １ 降额 设计 电源 系统 采 取 了 降额 设 计 ， 功率 定 制 使其 实 际
３ ＤＣ—Ｄ Ｃ模 块 选择
际 峰值 功率为 额定 功率 的 ６ 左 右 ， 样 减 小 了 电 Ｏ 这
应力 ， 而达 到降低 基本 故 障率 ， 从 提高使 用稳 定性 的
目的 。
（ ） 纹波 设计 ２低
作 者简 介 ：杜 立 ，男 ，１ ７ ９ ２年 出生 ，硕 士 ， 事 分 析 仪 器 的研 制 检 验 工 作 。 从
ｊｎ ０ ０ ５ ｉ ｇ １ ０ ９ ，Ｃｈ ｎ ｉ ａ；２ Ｂｅｊ ｎ ｉ ｅ ｎ ｔｕ ｎ ｃ ｎ ｌ ｇ ． ． ｉｉ ｇ Ｂｅｆ ｎ Ｉ ｓｒ ｍｅ ｔＴｅｈ ｏ ｏ ｙ Ｃｏ ，Ｌｔ ｄ，Ｂｅｊｎ ０ ０ ５，Ｃ ｉ ａ ｉｉ ｇ １ ０ ９ ｈｎ ）
(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。
高精度自动化测量仪器的设计与实现
高精度自动化测量仪器的设计与实现在当今科技飞速发展的时代，高精度自动化测量仪器在各个领域中发挥着至关重要的作用。
从工业生产中的质量控制，到科学研究中的数据采集，再到航空航天等高端领域的精密测量，都离不开高精度自动化测量仪器的支持。
本文将详细探讨高精度自动化测量仪器的设计与实现。
一、高精度自动化测量仪器的需求分析在设计高精度自动化测量仪器之前，首先需要对其应用场景和需求进行深入分析。
不同的领域和任务对测量仪器的精度、速度、量程、稳定性等方面都有着不同的要求。
例如，在工业生产中，对于零部件的尺寸测量，可能需要达到微米级甚至纳米级的精度，同时能够快速完成大量样本的测量，以提高生产效率。
而在科学研究中，对于一些物理量的测量，如微弱电流、微小位移等，可能更注重测量的灵敏度和分辨率，以及对复杂环境的适应能力。
此外，还需要考虑测量仪器的使用便捷性、可维护性和成本等因素。
只有充分了解这些需求，才能为后续的设计工作提供明确的方向。
二、高精度自动化测量仪器的关键技术（一）传感器技术传感器是测量仪器的核心部件，其性能直接决定了测量的精度和可靠性。
目前，常用的高精度传感器包括激光位移传感器、电容传感器、电感传感器等。
这些传感器具有高分辨率、高灵敏度和良好的线性度等优点。
同时，为了进一步提高传感器的性能，还需要采用先进的制造工艺和材料，如微纳加工技术、新型敏感材料等。
此外，多传感器融合技术也是提高测量精度和可靠性的有效手段，通过将不同类型的传感器组合使用，可以充分发挥各自的优势，弥补单一传感器的不足。
（二）数据采集与处理技术高精度测量往往会产生大量的数据，如何快速、准确地采集和处理这些数据是一个关键问题。
数据采集系统需要具备高速采样、高精度模数转换和强大的数据传输能力。
在数据处理方面，采用数字滤波、误差补偿、信号分析等算法，可以有效地去除噪声、提高测量精度和稳定性。
同时，利用人工智能和机器学习技术，对测量数据进行智能分析和预测，也能够为测量过程提供更好的支持。
CNC齿轮测量中心总体设计和软件设计
图1 ·3 6 ·
分组成 (数控系统及计算机软件略) 。机械部分由切 向 ( T 轴) ③、轴向 ( Z 轴) ④和径向 ( R 轴) ⑤三个方 向的直线导轨和一个回转主轴 (θ轴) ②组成 。四个 坐标轴分别由各自的伺服电机驱动 ,通过数控系统 实现四轴联动 。三个直线导轨上分别装有长光栅 , 主轴上同轴安装有一个圆光栅 ,用来实时测量各轴 的位置 。工件安装在主轴上 ,随主轴一起转动 。测 头 (微位移传感器) ⑥安装在 R 轴滑台上 。
71 在规程的征求意见的过程中 , 有的人反映 “首次检定”“、后续检定”“、使用中检验”的概念不清
楚 。现解释如下 : 首次检定的目的是为了确定新生产的计量器具
其计量性能 ,是否符合其批准时规定的要求 。 后续检定的目的是为了确定计量器具自上次检
定 ,并在有效期内使用后 ,其计量性能是否符合所规 定的要求 。后续检定包括有效期内的检定 、周期检 定以及修理后的检定 。经安装及修理后对计量器具 计量性能有重大影响时 ,其后续检定原则上须按首 次检定进行 。
31 软件结构图 (程序代码略) CNC 齿 轮 测 量 中 心 的 软 件 开 发 采 用 面 向 对 象的 VC + + 程序设 计 语 言 , 软 件 结 构 如 图 3 所 示 。 硬件输入输出接口模块的功能是与数控系统通
讯 ,基本控制与信号处理模块库包含了运动控制 、数 据采集 、各种滤波算法 、动态补偿及设备状态的监测 与控制等模块 ,由各种测量模块调用 。其中部分功 能已经做成标准函数向用户开放 ,用户可根据需要 自行编写专用测量程序 。针对齿轮测量中心大小规 格的不同 ,测量功能的增减等硬件配置的变化 ,由硬 件配置文件来存放相应的技术参数 。测量模块作成 标准的程序模板 ,根据不同被测工件的要求 ,设计人 机界面和测量控制程序 。
数字式球径仪总体
数字式球径仪总体设计报告院系：电子信息学院2011年12月28日武汉大学摘要：光学球面曲率半径的精密测量，对高质量球面样板、光学系统的质量控制等方面具有重要意义。
本文根据自参考剪切千涉技术，采用球面补偿自准直原理，并结合微机技术提出了一种新型数字式激光干涉球径仪。
详细介绍了该球径仪的测量原理、结构及精度分析。
关键字：曲率半径激光干涉数字式微机系统精度分析目录引言 (4)一、设计任务 (5)§1.1 设计的目的要求 (5)§1.2 设计的背景意义 (5)§1.3 测量技术现状 (6)二、球径仪工作原理 (7)§2.1 自参考激光剪切干涉球径仪 (8)§2.2 球径仪的数字化 (12)三、系统的总体设计 (12)§3.1 系统框图 (12)§3.2 系统各部分电路设计 (13)四、系统精度分析与提高 (14)§4.1 系统精度分析 (14)§4.2 各项误差来源 (14)§4.3 系统精度提高 (15)五、设计总结 (16)§5.1 设计系统总结 (16)§5.2 设计心得体会 (16)参考文献 (18)引言光学球面曲率半径的测量是光学测试领域的重要课题之一。
根据不同的原理和要求，人们已相继提出了许多测量方法和技术，如自准直望远镜方法、自准直显微镜方法、球面干涉仪方法、刀口阴影方法及平板剪切干涉方法等。
而这些有的是间接测量，需要将测量值带入公式进行计算，求出曲率半径，基本都是人为读数，其精度受测量人员、光线等诸多因素的影响。
本设计将充分利用自参考激光剪切干涉技术和球面补偿自准直原理以及微机系统，基于计算机技术和传感器技术理论实现球径仪数字化。
该球径仪结构简单，测试方便，精度高，同时还具有多功能优点(亦可方便地用于透镜焦距的测量)，因此，可望在光学球面及透镜参数分析测试等领域获得广泛应用。
光学仪器总体设计-长春光机所研究生教材
§1 概述1.1 课程的目的与要求1)通过《光学仪器总体设计》课程学习，掌握光、机、电、算技术结合的仪器总体设计的有关主要基础理论知识。
2)初步掌握仪器总体设计和系统设计的方法。
3)初步具有正确地估算和分析仪器精度的能力。
1.2 仪器在机械过程中的位置机械工程在发展过程中形成了能量、信息和材料三大技术领域。
按系统工程的观点，可以认为这三大技术领域又对应着以下三大技术系统：1)仪器—以信息流、信息变换为主的技术系统。
如：测量仪器、控制仪器、电影机和照相机、计算仪器、天文仪器、导航仪器等。
2)机械—以能量、能量变换为主的技术系统。
如：液压机械、发动机、运输工具、农业机械、纺织机械、包装机械、制冷机械、建筑机械等。
3)器械—以材料流、材料变换为主的技术系统。
如：锅炉、冷凝器、热交换器、冷却器、过滤器、离心机等。
这三大技术系统之间的相互关系，可以由图1.1来说明。
图 1.1机械工程三大技术系统1.3 仪器的分类1)按产品分类(产品管理部门用):工业自动化仪表与装置、电工仪器仪表、分析仪器仪表、光学仪器、材料试验机、气象海洋仪器、照相机械、电影机械、生物医疗仪器、无线电电子测量仪器、航空仪表、船用导航仪表、地震仪器、汽车仪表、拖拉机仪表、轴承测试仪表。
2)从计量测试功能分:a)计量仪器，如：长度计量仪器、时间频率计量仪器、力学计量仪器、电磁计量仪器、标准物质计量仪器(各种气体分析、有机分析、无机分析)、以及各种导出量仪器(速度、加速度等)。
b)非计量仪器，如：观察仪器、测绘仪器、跟踪测量仪器、定位定向仪器、监示仪器、记录仪器、计算仪器、调节仪器(控制仪)、各种调节器和自动调节装置。
1.4 本课程主要内容随着科学技术的发展，现代仪器向着综合化方向发展，光机电算技术的综合、计量与非计量的综合。
特别是原来只是机械制造或物理(光学)学科中的二、三级学科的光学仪器发展成了目前一级学科的光学工程。
本课程试图以笔者多年从事研究和研制的以下三种属于光学工程的典型的光学仪器讲解光学仪器总体设计。
使用PLC作为复杂自动精密仪器的核心计算机的设计方法
使用PLC作为复杂自动精密仪器的核心计算机的设计方法PLC (Programmable Logic Controller)，即可编程逻辑控制器，是一种电子计算机，常用于工业自动化控制系统中。
PLC具有可编程性和可扩展性的特点，因此可以作为复杂自动精密仪器的核心计算机来进行设计。
在设计过程中，需要考虑以下几个方面：1.系统功能需求：首先要清楚自动精密仪器的功能需求，包括对输入数据的采集、处理和输出的控制等。
可以绘制功能框图，明确各功能模块之间的关系，有助于确定所需的输入输出接口。
2.系统硬件选择：PLC作为核心计算机，需要选择适合的PLC型号和配套的输入输出模块，以满足自动精密仪器的硬件要求。
同时，还需考虑其他硬件设备，如传感器、执行器、通信设备等的选择和接口。
3. 编程设计：PLC的编程是实现自动精密仪器功能的关键。
编程语言可以选择Ladder Diagram（梯形图）、Structured Text（结构化文本）等。
在编程设计时，需要根据功能需求，将系统划分为各个子功能模块，并编写相应的程序逻辑。
还需要设计错误处理机制，以增加系统的鲁棒性。
4.通信接口设计：对于复杂自动精密仪器，可能需要与其他设备或上位机进行通信，以实现数据传输和控制指令的传递。
因此，需要设计相应的通信接口模块，并与其他设备保持良好的通信连接。
5.可靠性和安全性：在设计过程中，需要考虑系统的可靠性和安全性。
可以通过使用冗余设备、备份电源等方式来提高系统的可靠性，并采取相应的措施来保证系统的安全性。
6.软件测试和调试：在设计完成后，需要对系统进行软件测试和调试，确保功能正常运行。
可以通过模拟输入信号、观察输出信号、监测系统运行状态等方式进行测试和调试，及时发现和修复错误。
总体来说，将PLC作为复杂自动精密仪器的核心计算机，可以实现对系统功能的灵活编程和控制，提高自动化程度和精度。
但在设计过程中需要充分考虑系统的硬件和软件要求，进行合理的功能划分和编程设计，从而实现高性能、可靠性和安全性的自动化控制系统。
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二、创新设计方法的训练
1） 学习，掌握创造学理论的基本思想，掌握创新思维规律，面对来自于自 然界生存压力、社会发展需求压力、经济竞争压力、个人工作压力及自我责任心， 事业心的主客观强大压力，激发出积极、主动创造精神。 2）摸索创新设计的方法和技巧
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
新方法的创新研究。对比来自测量 原理 图示光学投影式刀具预调仪
计算机视觉型刀具预调仪
工作 过程
将刀尖到影屏上，采用目视瞄准定
使用CCD摄像机采集被测刀具图像，测量时， 计算机影屏上的十字线自动跟踪刀具切削点， 当刀尖稳定在测量区域后，即已完成测量
优缺 点
光学投影光路的加工及调整复杂， 由人眼控制刀尖对准十字线的微细 调整过程，要求二维光栅数字系统 的导轨必须具备微调机构，增加了 机构设计的难度；而且人眼目视瞄 准的精度低，工作效率差。
了解国内外同类产品的原理和技术水平 了解国内加工工艺水平及关键元器件的销售情况
设计任务
的分析
第二节
创新性设计
创新是对原设计的继承和发展，我们对现有仪器的原理、功能、特点了解的愈 多，掌握的愈深入，愈容易发现现有仪器的缺陷，从而找到进一步完善和发展的途 径。就测控仪器的总体设计而言,创新设计将体现在:仪器设计所实现的原理、所达 到的功能、所反映出的新方法和新技术等方面。
M 增大，则锁紧力矩增大；③采用锥形压紧端面（锥角 2 <180°）， 愈小，
愈大，则锁紧力矩增大；④采用摩擦系数 大的材料，则锁紧力矩增大。 这种系统分析的方法，使研究更具科学性，减少盲目性。
第三节
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。
举例子说明：采用系统分析方法解决防止螺纹松动的结构措施。
举例如下:
1）数控加工机床所必备的刀具预调仪（仪器原理上的创新） 2）齿轮全自动误差测量仪（仪器功能上的创新） 解决了齿轮测量参数多、测量仪器复杂、测量精度不高的难题。使一台仪器实现 了多台仪器和量具才能达到的测量功能，体现了设计者在仪器功能上的创新成就。 3）开关（新技术和新方法的创新） 机械式开关是最早的通断控制形式，但其反映的频率低，定位精度差，结构复 杂，惯性大，寿命短。随着科技的发展，人们开发出触摸式、感应式、声控式、光 控式、红外线式等多种新的开关。这些新的开关设计反映出设计者对各种新技术和
了解被测控参数的特点 1）了解精度、数值范围（一维、二维、量值范围）、量值性质 （单值、多值）、测量状态（动态、静态）等要求； 2） 按国家标准严格的定义确定仪器工作原理 了解测控参数载体的特点 机械与光学载体居多。要考虑载体的大小、形状、材料、 重量、状态等 了解仪器的功能要求 是静态还是动态、开环还是闭环、一维还是多维、单一参数 还是复合参数、检测效率、测量范围、承载能力、操作方式、 显示方式、自动诊断、自动保护等。 了解仪器的使用条件 室内还是室外、在线还是脱机、间断还是连续、环境状况。
第一节
设计任务分析
测控仪器的设计任务一般有三种情况：
1）设计者根据用户专门的需要，针对特定的测控对象，被测参数
或工作特性来设计专用的仪器。 2）设计者根据目前市场需求，设计开发通用产品和系列产品。在
这种情况下，设计者应对市场需求作广泛的调研，以确定适当的仪
器技术指标，达到以最少的产品系列和较全的仪器功能来覆盖最大 的社会需求。 3）设计者超前预测，设计出先进的新型产品，进行开发性设计。 以上不同情况，对设计任务的分析，其侧重考虑的内容和方面是 不同的。通常，设计任务的分析包括以下内容：
为螺母锥形压紧端面锥角之半，通常压紧为平面时 900 ； D M 为螺母压紧
G arctanG 为螺纹摩擦角； d 2为螺纹中径； 式中， F 为螺钉锁紧力； 为螺纹升角；
端面的平均直径。 防止螺纹松动的结构措施，它可以从四个方面考虑：①采用细牙螺纹，使 螺纹升角 减小，则锁紧力矩增大；②采用大牙形角螺纹，使 增大，可使 G
消除了操作者的人为误差，实现了自动化、 数字化、微米级的测量精度。
结论
这种由光学投影式瞄准原理发展为利用计算机视觉系统进行瞄准的创新，开创了 新一代刀具预调仪的发展，也为生产厂家带来了较大的经济利润和社会效益。
一、创新设计思维能力的培养
突破“思维定势”的束缚。人们往往习惯于从已有的经验和知识中，从考虑 某类问题获得成功的思维模式中寻求解题方案，这就是所说的思维定势。要 克服心理上的惯性，从思维定势的框框中解脱出来，善于从新的技术领域中 接受有用的事物，提出新原理、创造新模式、贡献新方法，闯出新局面。 敢于标新立异。创新思维的特点不仅是要突破“思维定势”的束缚，而且要 敢于标新立异，即敢于提出与前人甚至多数人不同的见解，敢于对似乎完美 的现实事物提出怀疑，寻找更合理的解法。 善于从不同角度思考问题，探索多种解法，设想多个可供选择的方案，这样， 成功的几率必然成倍增长。我们称这种思维方法为多向思维或扩散思维。
螺钉锁紧力矩公式为
D d M L F 2 tan G M M 2 2
G /cos / 2 为螺纹间摩擦系数； M / sin 为螺母压紧端面时的摩擦系数； 为螺钉、螺母、被连接件（或垫圈）材料的摩擦系数； 为螺纹牙形角；
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。
本章共分为七节
第一节 设计任务分析 第二节 创新性设计 第三节 测控仪器设计原则 第四节 测控仪器设计原理 第五节 测控仪器工作原理的选择和系统设计 第六节 测控仪器主要结构参数与技术指标的确定 第七节 测控仪器的造型设计