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第四章第一节仪器的支承件设计一、基座与立柱等支承件的结构特点和设计要求（一）结构特点1）结构尺寸较大2）结构比较复杂（二）设计要求1）具有足够的刚度，力变形要小2）稳定性好，内应力变形小3）热变形要小4）有良好的抗振性1. 减小热变形措施:（1）严格控制工作环境温度（2）控制仪器内的热源（3）采取温度补偿措施2. 提高仪器抗振性措施：（1）减轻重量，提高固有频率（2）合理的结构设计，提高静刚度（3）减小内部振源影响（4）采取隔振措施二、基座与立柱等支承件的结构设计(一)刚度设计：（1）有限元分析法（2）仿真分析法(二)基座与支承件的结构设计：（1）正确选择截面形状与外形结构（2）合理地选择和布置加强肋增加刚度（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）合理地选择材料花岗石具有许多优点：1）稳定性好2）加工简便3）温度稳定性好，导热系数和线膨胀系数均很小4）吸振性好5）不导电，不磁化，抗电磁影响性能好6）维护保养方便7）价格便宜第二节仪器的导轨及设计一、导轨的功用与分类1.导轨的基本功用：传递精密直线运动2.按导轨面间摩擦性质可分为：滑动摩擦导轨、滚动导轨、静压导轨、弹性摩擦导轨二、导轨部件设计的基本要求（一）导向精度动导轨运动轨迹的准确度导轨直线度取决于：导轨面的几何精度、接触精度、导轨和基座的刚度、导轨油膜刚度及导轨与基座的热变形等（二）导轨运动的平稳性爬行： 低速运动时，导轨运动的驱动指令是均匀的而与动导轨相连的工作台却出现一慢一快、一跳一停的现象爬行原因：1）导轨间的静、动摩擦系数差值较大 2）动摩擦系数随速度变化 3）系统刚度差临界速度（三）刚度要求自重变形局部变形接触变形（四）耐磨性要求 与摩擦性质、导轨材料、表面处理工艺、加工工艺和受力情况有关三、导轨设计应遵守的原理和准则（一）运动学原理（二）弹性平均效应原理（三）导向导轨与压紧导轨分立原则四、滑动摩擦导轨及设计滑动导轨是支承件和运动件直接接触的导轨。
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。
测控仪器的分类：1. 几何量计量仪器2. 热工量计量仪器3. 机械量计量仪器4. 时间频率计量仪器5. 电磁量计量仪器6. 无线电参数测量仪器7. 光学与声学量测量仪器8. 电离辐射计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。
现代设计方法的特点：(1)程式性(2)创造性(3)系统性(4)优化性(5)计算机辅助设计设计要求：(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)造型要求设计程序：(1)确定设计任务(2)设计任务分析，制定设计任务书(3)调查研究，详细占有资料(4)总体方案设计(5)技术设计(6)制造样机(7)产品鉴定或验收(8)设计定型后进行小批量生产误差的分类：按误差的数学性质分1）随机误差是由大量的独立微小因素的综合影响所造成的，其数值的大小和方向没有一定的规律，但就其总体而言，服从统计规律，大多数随机误差服从正态分布。
2）系统误差由一些稳定的误差因素的影响所造成，其数值的大小的方向在测量过程中恒定不变或按一定的规律变化。
3）粗大误差粗大误差指超出规定条件所产生的误差，一般是由于疏忽或错误所引起，在测量值中一旦出现这种误差，应予以剔除。
按被测参数的时间特性分1）静态参数误差不随时间而变化或随时间而缓慢变化的被测参数称为静态参数，测定静态参数所产生的误差2）动态参数误差随时间而变化或时间的函数的被测参数称为动态参数，测定动态参数所产生的误差按误差间的关系分1）独立误差彼此相互独立，互不相关，互不影响的误差2）非独立误差（或相关误差）一种误差的出现与其他的误差相关联，这种彼此相关的误差绝对误差：被测量测得值x 与其真值(或相对真值) xo 之差△=x-xo特点：有量纲、能反映出误差的大小和方向。
精密仪器设计知识点在设计精密仪器时，需要掌握一些关键的知识点，以确保其性能和可靠性。
以下是一些重要的设计知识点，涵盖了各个方面。
一、精确定位和定位系统1. 仪器定位的基本原理：包括物理定位和相对定位。
2. 定位系统的设计要求：高精度、稳定性、可靠性。
3. 定位误差的补偿方法：使用传感器和反馈控制系统进行闭环控制。
二、材料选择与物性分析1.材料的选择原则：考虑机械性能、热稳定性、化学稳定性、电磁性能等因素。
2.材料的物性分析方法：应用材料测试仪器进行材料特性测试，如拉伸试验、热膨胀系数测试等。
三、仪器热处理1.热处理的目的：提高材料的硬度、强度和耐磨性。
2.常用的热处理方法：淬火、回火、退火等。
四、结构设计1. 结构设计原则：考虑整体刚度、减震和抗振性能、重量等因素。
2. 结构优化方法：使用有限元分析软件进行结构强度和刚度的优化设计。
五、精密传动系统1. 传动系统的选择：根据精密仪器的要求选择合适的传动方式，如齿轮传动、皮带传动等。
2. 传动系统的设计要点：确保传动精度、传动效率和噪音等指标符合要求。
六、控制系统1. 控制系统选择：根据精密仪器的特点选择合适的控制方式，如PID控制、模糊控制等。
2. 控制系统的设计要求：稳定性、响应速度、抗干扰能力等。
七、精密测量技术1. 测量传感器的选择：根据要测量的物理量和精度要求选择合适的传感器。
2. 测量误差的分析：根据测量系统的误差来源进行分析，采取相应的补偿方法。
八、噪声抑制与干扰消除1. 噪声来源的分析：包括环境噪声和系统内部噪声的来源分析。
2. 噪声抑制与干扰消除方法：采用滤波器、屏蔽措施、信号处理算法等。
九、安全保护系统设计1. 安全保护系统的设计原则：考虑使用者的人身安全和设备的正常运行。
2. 常见的安全保护系统设计：包括过载保护、温度保护、电流保护等。
综上所述，精密仪器设计知识点涉及定位系统、材料选择与物性分析、热处理、结构设计、精密传动系统、控制系统、精密测量技术、噪声抑制与干扰消除以及安全保护系统设计等方面。
精密仪器设计根据仪器中各部件的功能，仪器组成分为几个基本组成部分：1、基准部件基准部件是仪器的重要组成部分，是决定仪器精度的主要环节。
基准器的形式很多，如量块、精密测量丝杆、线纹尺和度盘、多面棱体，多面分度盘、光栅盘（尺）、磁栅尺（盘），感应同步器及光波等。
对复杂参数，还有渐开线样板、表面粗糙度样板一级标准的圆运动、渐开线运动和齿轮啮合运动等标准件和标准运动。
此外还有标准硬度块、标准频率计、标准是结案、标准照度、流量标准、色度标准、激光参数标准、温度标准、标准测力计、称重标准等。
2、感受转换部件感受转换部件的作用是感受被测量，拾取原始信号。
接触式感受部件一般指各种机械式测头；非接触式有分为几种：如气动非接触测头、CCD、光学探头、红外线、涡流测头、拾音器等。
在测量某些参数时，感受转换部件的作用显得特别重要，其精度直接影响整个测量系统精度。
例如小孔表面粗糙度测量，其主要问题是如何感受小孔的表面不平度。
再如检查表面缺陷，由于原始信号的规律不易掌握，所以首先也是遇到拾取原始信号上的困难。
如果原始信号无法拾取，当然谈不上对信号的进一步处理。
3、转换放大部件转换放大部件的作用是将感受转换来的微小信号，通过各种原理（如光、机、电、气）进行进一步的转换和放大，成为可使观察者直接接收的信息，提供显示或进一步加工处理的信号。
在绝对测量的条件下，对于感受基准量的部分来说，其中的转换放大部件或是一套测微读数装置或是对摩尔条纹或光波干涉条纹等的细分装置及相应的电路。
4、瞄准部件瞄准部件的主要要求是指零准确，一般不作读数用，故不要求确定的灵敏度。
瞄准显微镜虽然具有对被测量原始信号的感受转换和放大作用，但由于它在这里主要对被测量起瞄准作用，所以把这类部件统称为瞄准部件。
在具体测量中，读数部分和瞄准部分优势可以互换而不是绝对的，如测微仪主要用于读数，但亦可作为瞄准部件。
5、处理与计算部件包括数据加工和处理、校正、计算等6、显示部件显示测量结果：指针表盘、记录器、数字显示器、打印机、荧光屏图像显示器等7、驱动控制部件包括驱动测头移动或驱动工作台实现测量运动，将测量出的误差量用驱动控制系统实现误差补偿等。
第一章
仪器的定义:人们用来对物质（自然界）实体及其属性进行观察、监视、测定、记录、传输、变换、显示、分析处理与控制的各种器具与系统的总称。
现代精密仪器
具有多种功能的高科技系统设备
消除感官错觉的最好方式为量测、计数及称量。
经由这些行为人可以摆脱感官之控制。
转换放大部件：将感受转换来的微小信号通过各种原理进行转换和放大，成为观察者直接接收的信息。
瞄准部件
处理与计算部件
仪器的基本组成
显示部件：作用是显示测量结果
驱动控制部件
机械结构部件：基座和支架、导轨和工作台等
设计的指导思想
精度、效率、可靠性、寿命、造型
三、设计程序
总体方案设计、实现功能的分析、确定信号转换原理与流程、确定有关机、光、电、算系统的配合并建立数学模型、主要参数的确定、技术经济的评价
技术设计、总体结构设计、部件设计、零件设计、精度计算、技术经济评价、编写包括分析和计算的设计说明书
作业：
1-1 举例说明仪器的发展史
1-2 举例说明什么是精密仪器以及它的基本组成
第二章。
控器是利用量和控制的理，采纳机、、光各样量原理及控制系与算机相合的一种范宽泛的量器。
控器的分： 1.几何量量器 2.工量量器 3.机械量量器 4.率量器 5.磁量量器 6.无参数量器7.光学与声学量量器8.离射量器按功能将器分红以下几个成部分：1基准零件2感器与感觉零件3放大零件4对准零件5信息理与运算装置6示零件7控制器零件8机械构零件展：高精度与高靠谱性、高效率、智能化、多化与多化。
代方法的特色：(1)程式性(2)造性(3)系性(4)化性(5)算机助要求：(1)精度要求(2)效率要求(3)靠谱性要求(4)性要求(5)使用条件要求(6)造型要求程序：(1)确立任(2)任剖析，拟订任(3)研究，据有料(4)体方案(5)技(6)制造机(7)品定或收(8)定型后行小批量生差的分：按差的数学性分1）随机差是由大批的独立细小要素的合影响所造成的，其数的大小和方向没有必定的律，但就其体而言，听从律，大部分随机差听从正散布。
2）系差由一些定的差要素的影响所造成，其数的大小的方向在量程中恒定不或按必定的律化。
3）粗大差粗大差指高出定条件所生的差，一般是因为大意或所惹起，在量中一旦出种差，予以剔除。
按被参数的特征分1）静参数差不随而化或随而慢化的被参数称静参数，定静参数所生的差2）参数差随而化或的函数的被参数称参数，定参数所生的差按差的关系分1）独立差相互互相独立，互不有关，互不影响的差2）非独立差（或有关差）一种差的出与其余的差有关，种相互有关的差差：被量得 x与其真(或相真)xo之差△=x-xo特色：有量、能反应出差的大小和方向。
相差：差与被量真的比δ=△/xo特色：无量量差：某物理量行量，所得的数xi与其真xo之的差△i=xi-xo i=1,2,3,⋯n正确度系差大小的反，表征量果定地靠近真的程度精细度随机差大小的反，表征量果的一致性或差的分别性正确度系差和随机差二者的合反，表征量果与真之的一致程度原理差器中采纳了近似的理、近似的数学模型、近似的机构和近似的量控制路所惹起的差。
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。
测控仪器的分类：1. 几何量计量仪器2. 热工量计量仪器3. 机械量计量仪器4. 时间频率计量仪器5. 电磁量计量仪器6. 无线电参数测量仪器7. 光学与声学量测量仪器8. 电离辐射计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。
现代设计方法的特点：(1)程式性(2)创造性(3)系统性(4)优化性(5)计算机辅助设计设计要求：(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)造型要求设计程序：(1)确定设计任务(2)设计任务分析，制定设计任务书(3)调查研究，详细占有资料(4)总体方案设计(5)技术设计(6)制造样机(7)产品鉴定或验收(8)设计定型后进行小批量生产误差的分类：按误差的数学性质分1）随机误差是由大量的独立微小因素的综合影响所造成的，其数值的大小和方向没有一定的规律，但就其总体而言，服从统计规律，大多数随机误差服从正态分布。
2）系统误差由一些稳定的误差因素的影响所造成，其数值的大小的方向在测量过程中恒定不变或按一定的规律变化。
3）粗大误差粗大误差指超出规定条件所产生的误差，一般是由于疏忽或错误所引起，在测量值中一旦出现这种误差，应予以剔除。
按被测参数的时间特性分1）静态参数误差不随时间而变化或随时间而缓慢变化的被测参数称为静态参数，测定静态参数所产生的误差2）动态参数误差随时间而变化或时间的函数的被测参数称为动态参数，测定动态参数所产生的误差按误差间的关系分1）独立误差彼此相互独立，互不相关，互不影响的误差2）非独立误差（或相关误差）一种误差的出现与其他的误差相关联，这种彼此相关的误差绝对误差：被测量测得值x 与其真值(或相对真值) xo 之差△=x-xo特点：有量纲、能反映出误差的大小和方向。
相对误差：绝对误差与被测量真值的比值δ=△/xo特点：无量纲测量误差：对某物理量进行测量，所测得的数值xi与其真值xo之间的差△i=xi-xo i=1,2,3,…n正确度系统误差大小的反应，表征测量结果稳定地接近真值的程度精密度随机误差大小的反应，表征测量结果的一致性或误差的分散性准确度系统误差和随机误差两者的综合反应，表征测量结果与真值之间的一致程度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。
减小或消除原理误差影响的方法：1）采用更为精确的、符合实际的理论和公式进行设计和参数计算。
2）研究原理误差的规律，采取技术措施避免原理误差。
3）采用误差补偿措施。
制造误差产生于制造、支配以及调整中的不完善所引起的误差。
主要由仪器的零件、元件、部件和其他各个环节在尺寸、形状、相互位置以及其他参量等方面的制造及装调的不完善所引起的误差。
减小或制造原理误差影响的方法：制造过程中1）提高加工精度2）装配精度设计过程中1）合理地分配误差和确定制造公差2）正确应用仪器设计原理和设计原则3）合理地确定仪器的结构参数4）合理的结构工艺性5）设置适当的调整好补偿环节运行误差仪器在使用过程中所产生的误差。
如力变形误差、磨损和间隙造成的误差，温度变形引起的误差，材料的内摩擦所引起的弹性滞后和弹性后效，以及振动和干扰等。
（一）力变形为了减小力变形，在设计过程中要着重提高仪器结构件的刚度，合理选择支点的位置和材料，适当采用卸荷装置，使重力引起的变形达到最小（二）测量力变形在设计中应尽量减小测量力同时确保测量力在测量过程中的恒定（三）应力变形结构件在加工和装配过程中形成的内应力的释放所引发的变形同样影响仪器精度（四）磨损磨损使零件产生尺寸、形状、位置误差，配合间隙增加，降低仪器的工作精度的稳定性仪器误差分析步骤：1）寻找仪器误差源，找出影响仪器精度的各项误差2）计算分析各个源误差对仪器精度的影响3）精度综合误差独立作用原理：一个源误差仅使仪器产生一个局部误差，局部误差是源误差的线性函数，与其他源误差无关；仪器总误差是局部误差的综合基座与立柱结构特点：结构尺寸较大，结构比较复杂，要承受外载荷及其变化，受热变形影响较大。
设计要求：1）要具有足够的刚度，力变形要小2）稳定性好，内应力变形小3）热变形要小4）良好的抗振性刚度设计：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；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。
结构设计：1）正确选择截面形状与外形结构2）合理地选择和布置加强肋，以增加刚度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6) 基座与支承件的壁厚、肋板、肋条厚度导轨的功用：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。
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。
导向精度 动导轨运动轨迹的准确度，直线度运动的平稳性 指导轨低速运行时的爬行。
表现为忽快忽慢刚度要求 1)自重变形2)局部变形3)接触变形运动学原理 把动导轨视为有确定运动的刚体，设计是不允许有多余的自由度和多余的约束，即只保留确定运动方向的自由度。
弹性平均效应原理如滚动导轨，是在动导轨与静导轨之间加上滚动体组成的。
如果滚动体个数很多，那么这些滚动体尺寸不可能完全一致，当导轨装配施加预载荷时，少数偏大的滚动体因受力而产生弹性变形，因而工作台的运动误差，将因导轨副的弹性平均效应而得到平均，从而提高其承载能力和导向精度导向导轨与压紧导轨分立原则 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，保证通过压紧力使导向面可靠接触，保证导向精度。
滑动摩擦导轨的组合形式：1）V 形和平面组合导轨2）双V 形组合导轨3）双矩形组合导轨4）燕尾组合导轨5）双圆柱导轨滚动摩擦导轨的结构形式及其特点：滚动导轨按不同的滚动体可分为滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨、滚动轴承导轨1、双V 型滚珠导轨 优点：运动灵敏，能承受不大的倾覆力矩缺点：承载能力小，容易压出沟槽2、双圆弧滚珠导轨 优点：接触面积大，承载能力强，寿命长缺点：摩擦力大于 V 型滚珠导轨，形状复杂，加工困难，不易达到高精度。
属过定位 。
3、4圆柱棒滚道的滚珠导轨 优点：运动精度和运动的灵活性比较高，维修方便，圆柱磨损后，只需转个方位，仍保持原精度缺点：承载力小，属过定位4、V 型——平面滚珠导轨 优点：既保证了确定的运动，又没有过定位。
加工与装配方便。
受热变形也不会影响精度缺点：左右滚珠的运动速度不等， Vn>Vm ，必须使用单独的隔离架。
5、V 形滚柱导轨 优点：承载能力大，耐磨性好，对导轨面的局部缺陷不敏感缺点：对 、 的差值要求较严 6、平面滚动导轨（滚珠或滚柱） 优点：形状简单，加工容易。
7、滚动轴承导轨 优点：摩擦力矩小，运动灵活，承载能力大，调整方便。
常用的微位移机构：1、柔性支承——压电器件驱动的微位移机构2、平行片簧导轨——电压器件驱动的微位移机构3、滚动导轨——压电器件驱动4、平行片簧导轨——步进电机及机械式位移缩小机构驱动5、平行弹簧导轨——电磁位移器驱动6、气浮导轨——步进电机及摩擦传动7、二维X -Y 双向微位移工作台精密微动工作台设计要点：（一）设计要求1）微动工作台的支承或导轨副应无机械摩擦、无间隙。
2）具有高的位移分辨率及高的定位精度和重复性精度。
3）具有高的几何精度，工作台移动时直线度误差要小，即颠摆、扭摆、滚摆误差小，运动稳定性好。
4）微动工作台应具有较高的固有频率，以确保工作台具有良好的动态特性和抗干扰能力。
5）工作台最好采用直接驱动，即无传动环节，这不仅刚性好，固有频率高，而且减少了误差环节。
（二）精密微动工作台设计中的几个问题（1）导轨形式的选择（2）微动工作台的驱动（3）微动工作台的控制测量电路是信息流的输入通道，其作用是将传感器输出的测量信号进行调理、转换、或者运算等。
控制电路是信息流的输出通道，其作用是根据中央处理系统发出的命令，对被控参数实行控制。
中央处理系统同时连接着测量电路和控制电路，即连接着信息流的输入通道和输出通道，因此它是整个电路与软件系统的中心，同时也是整个测控仪器的神经中枢。
抗干扰能力：直接影响仪器测量和控制的稳定性和可靠性，信噪比S/N 越高，表示抗干扰能力越强稳定性：测控电路的稳定性主要体现在零点稳定性、放大倍数（灵敏度）稳定性、线性度稳定性、输入输出阻抗稳定性等几个方面 量程与分辨率：量程越大，分辨率越低；反之，分辨率越高，量程越小。
量程与分辨率是两个相互矛盾而又相互制约的指标。
对于测量电路系统，当这两个指标无法同时满足时，通常采用量程自动切换技术来解决这一矛盾输入与输出阻抗：电路系统对输入阻抗和输出阻抗的要求随采用传感器和控制器的不同而有所不同，通常要求输入阻抗与传感器的输出1φ2φ阻抗相匹配，从而使得输出信噪比达到最大值信噪比：衡量系统抗干扰能力的技术指标，以有用信号强度与噪音信号强度之间的比率来表示，简称信噪比，通常以S/N表示。
量化误差：当输入量的变化小于数字电路的一个最小数字所对应的被测量值时，数字系统将没有变化，这一误差称为量化误差。
非线性误差：主要是由传感器、测量电路或控制电路的非线性引起并共同作用的。
温度漂移：将导致被测量和被控量的渐变，同时使电路元器件的特性参数发生变化，使静态工作点偏离原始位置，从而使得测量值和控制值产生偏差频率特性：在动态测试情况下，输出信号幅度和相位随输入信号的频率变化而变化的特性，即幅频和相频特性。
响应速度：对于测量电路和控制电路而言，响应速度主要是指电子电路对输入信号的阶跃响应特性和相位频率特性。
对于计算机系统及其接口等硬件系统而言，响应速度主要是指数据传输率，即带宽。
对于软件系统而言，响应速度主要是指软件的运行速度和指令的执行时间。
总线化准则(1) 内部总线用于系统内部连接芯片与芯片、芯片与微处理器的元件级总线(2) 系统总线用于联接模板与模板的板级总线(3) 外部总线用于联接系统与系统之间交换信息与数据的通讯总线优点：采用标准化的通用总线，可大大简化系统的软硬件设计，使系统结构清晰明了，易于扩充和升级，兼容性强，可互换和通用。
