第一章 仪器是认识世界的工具，是信息的源头，是人们用来对物质实体机器属性进行观察、监视、 测定、验证、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。1、仪 器及检测技术已成为促进当代生产的主流环节，仪器整体发展水平是国家综合国力的重要标 志之一 2、先进的科学仪器设备是知识创新和技术创新的前提 3、仪器是信息的源头技术 仪器的组成分为以下几个基本组成部分：1、基准部件 2、感受转换部件 3、转换放大部件 4、 瞄准部件 5、处理与计算部件 6、显示部件 7、驱动控制部件 8、机械结构部件 指导思想：1、精度（不确定度）（一般仪器的测量误差取被测件公差的 1/3，有时取被测件 公差的 1/5 或 1/10）2、经济性 3、效率 4、可靠性 5、寿命 6、造型 设计程序：1、确定仪器任务：根据用户要求、国家发展要求、国内外市场需求来确定 2、 调查研究国内外同类产品、性能和特点技术指标 3、对设计任务进行分析，制定设计任务书 4、总体方案设计 5、技术设计 6、制造样机、样机鉴定 7、批量投产。 第二章 设计方法：创新设计、适应性设计、变形设计 设计任务：1、使用要求 2、仪器精度（不确定度）（中等精度：直线um， 主轴回转精度 1um～10um，圆分度精度为 1”-10” 3、生产批量（生产批量是由市场需要所 决定的）4、生产效率 5、工作环境 6、安全保护 确定主要参数与技术指标：1．根据设备的用途确定主要参数和技术指标 2．根据测量（加 工）对象的主要尺寸确定 3．根据测量（加工）精度确定 4．根据设备或仪器中的薄弱环节 确定 5．根据系列化要求确定 6．根据产品可靠性与成本的要求确定 基本设计原则：1．阿贝原则：“要使量仪给出准确的测量结果，必须将被测件布置在基准元 件沿运动方向的延长线上。”因此，也可称作共线原则，遵守阿贝原则可以消除一阶误差， 提高了仪器的精度 2.运动学设计原则：空间物体具有 6 个自由度，可以用 6 个适当配置的 约束加以限制。自由度 S 与约束 Q 有如下关系：S=6-Q，所谓运动学设计原则是根据物体要 求运动的方式（即要求自由度）按上式确定施加的约束数。同一平面（或线）上的约束点应 尽量离开得远些 3．变形最小原则：合理安排布置、避免经过变形环节、提高系统的刚度 4．基 面合一原则：总体设计时，安排布置要尽量用基面合一原则，即应使定位基面尽量与使用基 面和加工基面相一致，这样可减小由于基面不一致所带来的误差 5．最短传动链原则 6．粗 精分离原则 7．外界环境影响最小原则 8．系列化、通用化和标准化原则 9．工作可靠、安 全、维修与操作方便原则 10．结构工艺性良好原则 11．造型与装饰宜人原则 12.价值系数 最优原则 总体方案设计内容：1、工作原理的设计：（1）误差平均原理（误差平均原理是指采用多次 重复测量，如多测头、多次重复分度、多次重复曝光等，取得平均误差，以提高精度的方法） （2）位移量同步比较原理（3）误差补偿原理 2、基准器件的选择 3、运动方式的选取 4、 主要结构方案的选择 5、摩擦及局部变形的考虑 6、系统简图的绘制 7、总体布局的考虑 8、 总体精度的分配 9、造型与装饰 10、总体设计报告 仪器的优化设计中，采用三次设计较多：1、系统设计 2、参数设计 3、允差设计 第三章 误差定义：当对某物理量进行测量时，所得的数值与标称值之间的差称为误差；标准仪器的 测定值可视为真值，称作相对线 公式 误差的分类：（按误差的性质区分）随机误差、系统误差、粗大误差 误差的表示方法：1、绝对误差，即测得值工与被测量线（或相对真值）之差。绝对误 差具有量纲，能反映出误差的大小和方向，但不能反映出测量的精细程度。2、相对误差， 绝对误差与被测量真值的比值称为相对误差。相对误差无量纲，但它能反映测量工作的精细

　　程度。 通常把精度区分为：①准确度：它反映了系统误差的大小②精密度：它反映了随机误差的大 小③精确度：它反映了系统误差和随机误差两者的综合 随机误差的评定尺度：1、均方根误差σ 2、算术平均误差λ P61 公式！ 仪器误差的来源与分析：1、原理误差：理论误差、方案误差、机构原理误差（仪器结构有 时也存在着原理误差，即实际机构的作用方程与理论方程有差别，因而产生机构原理误差）、 零件原理误差 2、制造误差 3、运行误差：自重变形引起的误差、应力变形引起的误差、 接触变形引起的误差、间隙与空程引起的误差、温度引起的误差、振动引起的误差 误差的计算分析方法：1、误差独立作用原理（一个误差源仅使仪器产生一定的误差；仪器 误差是其误差源的线性函数，与其他误差源无关，这就是误差独立作用原理。）2、微分法 3、 几何法 4、逐步投影法 5、作用线与瞬时臂法（仪器机构传递运动可分为推力传动和摩擦传 动两种形式。推力传动的作用线是零件接触处的公法线，摩擦传动的作用线是零件接触处的 公切线） 随机误差的合成：P77 公式 σ= 系统误差的合成：1、已定系统误差的合成（代数和法）2、未定系统误差的合成（绝对和法， 方和根法）P78 不同性质误差的合成：1、已定系统误差和随机误差的台成 2、随机误差与已定系统误差， 未定系统误差的合成 P79 第四章 导轨副：导轨是一个部件，其作用有两个：一个是导向，即保证运动机构在特定方向上在一 定精度下运动；另一个是支承，即要有足够的强度和刚度保证在重力及相关载荷作用下系统 的运动精度不变，相关零部件的相对位置不变。导轨一般称为导轨副，主要由支承件和运动 件构成。 导轨副种类：1、滑动摩擦导轨（滑动导轨是由支承件和运动件直接接触的导轨）2、滚动摩 擦导轨 3、液体静压导轨 4、空气静压导轨 导轨副基本要求：导向精度高，刚度大，耐磨性好，精度保持性好，运动灵活而平稳，结构 简单，工艺性好。1、导向精度：所谓导向精度就是指导轨运动轨迹的精确度 2、刚度：自 身变形，局部变形，接触变形 3、耐磨性：导轨耐磨性与摩擦性质、导轨材料、加工工艺方 法以及受力情况有关。提高耐磨性：(1)降低导轨面的比压。(2)保证良好的防护与润滑。 (3)正确选择导轨的材料及热处理工艺。(4)合理选择加工方法。 主轴系统是有回转运动要求的精密仪器或精密机械的关键部件，由主轴、轴承和和安装在主 轴上的传动件等组成。 主轴的作用有：①带动被测零件或仪器进行精密分度和作精确旋转运动或分度运动；②实现 相关零件的轴向和径向精确定位；③对轴上零件进行支承 主轴设计基本要求：1、回转精度 2、系统刚度 3、系统振动（影响主轴系统振动的因素很多， 如皮带传动时的单像受力、电机轴与主轴连接方式不好、主轴上零件存在不平衡质量等）4、 系统温升 5、轴承的耐磨性 6、结构合理性 主轴的类型：1、滚动摩擦轴系 2、滑动摩擦轴系 3、液体动压轴承轴系 4、液体静压轴承轴 系 5、气体静压轴系 第六章 光学系统从本质上讲是一种传递信息的工具，其目标就是观察的标本或欲测试的零件，此即 信息源，给出的是物体空间位置的信息。 光学系统特点： ①由于信息加载于光渡，故是一种非接触和非破坏测量，还可以进行远距 离测量以及危险、恶劣环境中测量。②光波传播速度快，可进行实时测量和控制，例如可在

　　生产线上进行自动测量、自动识别、可以十预和控制生产。③测量精度高。如激光的稳频精 度已达到 1×10-7 以上，干涉测量的精度可达到 1/100 波长。④具有很高的空间分辨率。⑤ 可进行图像处理技术。 光学系统基本上分为三类：①照相系统；②显微系统；③望远系统 光源的选择：1、光谱能量分布特性 2、光度特性 3、光面形状与尺寸 光学系统基本参数的确定：1、光孔转接原则（对于由两个以上基本光学系统组成的复杂光 学系统，前组基本光学系统的光瞳应与后组基本光学系统的光瞳统一）2、物像空间不变式 原则（J 称为物像空间不变量，或拉格朗日不变量）。 显微系统基本参数的确定：1、总放大率的确定及倍率分配 2、数值孔径的确定 P153 公式 第七章 微位移机构是指：1、行程小（毫米级）2、灵敏度 3、精度高（亚微米，纳微米级）的机构Βιβλιοθήκη Baidu 微位移机构组成：（或称微动工作台）由微位器和导轨两部分组成，根据导轨形式和驱动方 式可分成五类：①柔性支承，压电或电致伸缩微位器驱动②滚动导轨，压电陶瓷或电致伸缩 微位移器驱动③滑动导轨，机械式驱动④平行弹性导轨，机械式或电磁、压电、电致伸缩微 位移器驱动⑤气浮导轨，伺服电机或直线电机驱动。 应用（精度补偿）：目前精密工作台的运动速度，一般在 20mm/s -50mm/s，最高的可达 100 mm/s 以上，而精度则要求达到 0.1um 以下。 柔性铰链用于绕轴作复杂运动的有限角位移，它有很多种结构，最普通的形式是绕一个轴弹 性弯曲，这种弹性变形是可逆的。特点是：无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高。 柔性铰链分为：1、单轴柔性铰链 2、双轴柔性铰链。 致动材料：1、压电晶体：压电晶体常用的材料是锆钛酸铅和钛酸钡。由钛酸铅和锆酸铅组 成的多晶固溶体，全名称为锆钛酸铅压电陶瓷，代号 PZT(P-铅；Z-锫；T-钛)，其特点是： ①灵敏度高，可达 1. 4-17nm/(V．cm)，输出功率大；②机电耦合系数大，故机电换能效率 高；③机械品质因数高，几百到几千；④材料性能稳定，老化性能在 5 年内小于 0.2%；⑤ 居里温度很高，可达 300℃，可作高温压电元件，它的使用温度范围在- 40℃～300℃之间 2、电致伸缩材料：电致伸缩材料最早是 PMN 铌镁酸铅系 理想的精密微动工作台，应满足下列要求：①微动工作台的支承或导轨副应无机械摩擦和 无间隙，使其具有较高的位移分辨率，以保证高的定位精度和重复精度，同时还应满足工作 行程；②微动工作台应具有较高的几何精度，即颠摆、滚摆和摇摆误差要小，适应具有较高 的精度稳定性；③微动工作台应具有较高的固有频率，以确保微动台有良好的动态特性和抗 干扰能力，即最好采用直接驱动的方式，无传动环节；④微动系统要便于控制，而且响应速 度快。 第八章 闭环伺服系统：这种系统的特点是在工作台上装有位置检测装置，可以随时测量工作台的实 际位移，进而将测定值反馈到数字控制装置中的比较器中与指令信号进行比较，并用比较后 的差值进行控制，因此能校正传动链内由于电器、刚度、间隙、惯性、摩擦及制造精度所形 成的各种误差，从而提高系统运动精度。 半闭环系统的精度介于闭环系统和开环系统之间，用于要求不太高的情况下。 闭环伺服系统按指令和反馈比较方式的不同，大致可分为：1、脉冲比较闭环系统 2、相位 比较闭环系统 3、幅值比较闭环系统。 第九章 球形测头能测高度、槽宽、孔径和轮廓形状。 光学法：（非接触式瞄准方法）是利用光学原理进行瞄准的。 光学法根据原理不同分为：对线法、重合法、双像重合法、互补色法、反射法、光学点位法