经典：现代精密仪器设计第二章-总体设计精密仪器设计DesignofPrecisionInstrument第三讲本章内容：§2.1设计方法概述§2.2设计任务分析§2.3主要参数指标§2.4总体方案制定意义——总体设计是战略性、方向性、把握全局性的设计。仪器功能与性能成败的关键。标准——先进性——原理、结构（世界竞争）；经济性——加工和装配，性能和价格比；实用性——操作方便，适合中国国情。总体设计对设计师要求很高：既要赶超世界水平、又要符合中国国情；技术上先进、经济上合理；使用方便、维修简便。实例：XWY-1型动物纤维细度测量仪先进性——精密...

　　精密仪器设计DesignofPrecisionInstrument第三讲本章内容：§2.1设计方法概述§2.2设计任务分析§2.3主要参数指标§2.4总体

　　制定意义——总体设计是战略性、方向性、把握全局性的设计。仪器功能与性能成败的关键。

　　——先进性——原理、结构（世界竞争）；经济性——加工和装配，性能和价格比；实用性——操作方便，适合中国国情。总体设计对设计师要求很高：既要赶超世界水平、又要符合中国国情；技术上先进、经济上合理；使用方便、维修简便。实例：XWY-1型动物纤维细度测量仪先进性——精密机械－显微镜－数字CCD－计算机边缘提取、角点链码、亚像素定位经济性——专业光源普通光源实用性——自动测量、显示与打印输出技术先进性对比与国外同类仪器相比，价格大幅度降低，每台仪器价格仅相当于进口仪器（约50万元人民币）1/3；仪器已销售到张家港、内蒙、宁夏、新疆等单位，检测速度较国内常规检测方法快100倍以上，且降低检测人员技术要求，为检测部门节约大量人力。经济效益分析性能参数XWY－1OFDA100测量范围4～300m3～300m测量速度最大可达130根/s20s～50s内2000～5000根测量重复性小于0.15m小于0.22m相对误差小于0.6%无长期测量稳定性小于0.15m无指导思想——原理正确技术先进实践可行经济合理产品竞争力(效率、寿命、造型)总体设计不合理竞争中被淘汰§2.1设计方法概述设计意义、作用和影响评估，从——产品质量；经济价值；进程速度三个方面体现。一、仪器设计方法系统工程有限元(FEM)价值工程优化设计可靠性设计计算机辅助设计(CAD)设计方法与理论——1.系统工程设计系统——按一定秩序分布的各元素的总体。工程——产生一定效能的方法。信息获取信息处理信息数据给定系统工程的工作过程产品设计应用系统工程的工作流程2.优化设计优化设计内容比较丰富，只介绍三次设计技术目的——将优化技术应用到设计过程中，以获得比较合理设计参数系统输入结构集合参数集合最优设计参数系统设计参数设计允差设计三个阶段(1)系统设计专业技术人员按设计产品机构和各元器件中心值及误差进行设计；主要采用传统设计方法——试验方法、

　　公式和设计者经验；只要设计达到要求，即结束（未考虑优化问题）。(2)参数设计——新的设计技术目的——庞大组合关系中找出最好参数搭配关系，使质量最稳定可靠。方法——利用非线性技术以及多种因素搭配关系的优选技术。结果——改变第一次设计的中心值，提高精度和稳定性。手段——应用正交表，在计算机上完成。(3)允差设计目的——找出对系统性能影响大的重要元件，分析计算；找出高质量、低成本的合理设计方案。3.可靠性设计可靠性——是在规定时间和条件下，完成规定功能的概率。用可靠度、失效率、寿命、维修度及有效性等表征。——产品分析、设计、试验、统计和管理(1)可靠性分析——可靠性基础内容之一。不同角度分析、建立数学模型、逻辑图、分析各部件原理关系等。(2)可靠性设计可行性研究——达到目标众多途径与手段中选最优一种，工程决策可靠性设计——失效形式、后果与致命度可靠性预计与分配。结构、漂移及兼容改进安全与维修设计(3)可靠性试验确定可靠性特征量；发现设计、材料、工艺的缺陷；提供可靠性数据以备后用破坏性非破坏性试验方法！产品复杂度不同，试验条件、抽样方法、数据处理及统计方法不同需要特别声明。可靠性

　　各阶段流程图4.计算机辅助设计（CAD）应用领域广泛——输入、设计、计算、绘图、缩放、识别等。人——机合作最大限度发挥人与机的功能创造性——人来完成（机器无法代替）常规性——机器完成有限元……（FEA，FiniteElementAnalysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。二、新产品设计试制过程1.产品设计三种类型创新性设计；适应性设计；变型设计(1)创新性设计——开发新产品市场需要拟定设计原理、方案特点——要进行理论探讨、试验，有类似仪器参考。(2)适应性设计——科研工作有仪器参考。特点——保留原仪器原理方案个别零部件重新设计。(3)变型设计——通常在工厂如Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型等。特点——原产品比较好改动尺寸或布局。创新设计－－创新性开发新产品适应性设计－－在保留原理方案的基础上，在系统部件重新设计变型设计－－在原产品的功能、方案原理和结构基础上，改变尺寸大小和结构布局，系列化。2.新产品的设计试制原则——技术先进、结构简单容易加工制造使用操作维修方便安全、美观性价比好等新产品设计试制过程计划任务分析决策总体设计任务书方案设计结构设计零部件设计技术文档说明书总体报告组成原理方案比较设计图实现方法存在难点解决方法[系统/市场/股票分析员]新产品设计试制进程新产品设计四阶段：(1)关键技术分析——由试验获取设计数据，同时验证理论是否可行；[光刻机－机械、光点、掩膜等](2)模拟试验装置设计与试制[转台－机械、电控等]；(3)样机设计与试制；(4)定型设计与试制。§2.2设计任务分析目的——了解设计任务各种要求，收集资料；分析设计的关键，分清主次；设计方案比较；提出设计技术指标。内容——使用要求精度批量生产效率工作环境安全保护1.使用要求§2.2设计任务分析（1）一定范围内有效地实现预期功能要求——仪器本身角度（2）搞清楚使用对象“用户是上帝”——操作者角度（3）提出各项设计技术指标“仪器设计出发点和归宿”——设计者角度2.精度——仪器设计的关键可分三类：中高超高精度直线位移精度主轴回转精度圆分度精度中1－10µm1—10µm1—10高0.1－1µm0.1－1µm0.2—1超高

　　，尽量采用标准系列。6.根据可靠性与成本要求精密仪器设计应结合必要性和可能性提出可靠性的合理指标，使用户获得最大性价比的仪器。§2.4总体方案制定总体方案制定是在设计任务分析确定主要参数及技术指标的基础之上进行的。总体方案内容：工作原理、方案分析和比较；绘制系统简图总体布局、精度分配；总装配图绘制、造型与装饰设计；编写总体报告。§2.4总体方案制定一、基本设计原则阿贝原则运动学设计原则变形最小原则基面合一原则最短传动链原则粗精分开原则外界环境影响最小原则系列化、通用化和标准化原则结构工艺性良好原则可靠安全、维修操作方便原则造型与装饰宜人原则价值系数最优原则1.阿贝（Abbe）原则举例线——一阶误差（First-orderError）δ2——二阶误差（Second-orderError）遵守阿贝原则可提高精密仪器的精度，但做到遵守阿贝原则是比较困难的。因此，应考虑补偿措施。（Ⅰ）结构补偿（Ⅱ）补偿措施提高导轨精度[φ↓]；减少读数线与被测线的距离[a↓]；爱彭斯坦（Epstein）原理；直接补偿；布莱恩原则。（1）爱彭斯坦（Epstein）原理——利用各种机构，使可能产生的误差相互抵消或者消弱，或者引进新的误差，以减小某些误差的影响。举例测长机——测点原理M2——误差补偿原理（2）直接补偿——采用光栅、激光定位等仪器，根据其测得的值直接对仪器的阿贝误差进行补偿。（3）布莱恩原则——位移测量系统工作点的路程应和被测位移作用点的路程位于同一直线上。若以上不可能，则必须做到：导轨没有角运动。计算出角运动产生的位移，进行补偿。满足以上三个条件之一——“广义阿贝原则”两坐标测量机举例（a）Z向干涉仪1的轴线的中心——符合阿贝原则；（b）Y向干涉仪不过测端中心，但通过误差补偿——符合广义阿贝原则。2.运动学设计原则空间物体的自由度和约束的关系：S＝6－Q其中S－自由度，Q－约束。运动学设计原则——根据运动方式（S）来确定约束数（Q）一个平面上最多3个约束；一条直线个约束；约束点尽量离得远；约束应是点接触；约束面应垂直欲限制自由度的方向。约束布置：满足运动学设计原则的优点——最少接触点作用力预先计算而可控避免过大的力引起变形；点接触定位精确可靠；降低对加工精度要求，磨损后可修正；拆卸后可准确复位。举例符合运动学设计原则的导轨与轴系不足——理想的点是不存在；受力变形后，接触点面；点接触易磨损；半运动学设计——将点接触适当扩大为有限面积，运动学原则不变。举例符合半运动学设计原则的设计3.变形最小原则变形（不可避免）温度受力┇最小变形（3）提高系统刚度措施——（1）合理安排布局（2）避免经过变形环节刻尺装置举例典型实例——光电光波比长仪工作台为了减小变形影响，工作台设计中采用工作台、床身、基座三层结构。4－平面球支承5－圆锥球窝支承6－V型球窝支承（1）符合变形最小原则——工作台移动重量始终过三支点作用在基座上，仅力大小变化，而无方向和位置变化。运动力通过底座下三支点（对应）直接作用地基，基座变形最小。优点——（2）符合阿贝原则——保证激光转角、光电显微镜、干涉仪的显微镜均固定在与基座相联构件上，精度不受工作台变动影响。（3）符合定位原则——无另加限制，避免不良约束造成内应力；温度变化自由伸缩不受约束，无内应力。能自动定位，无附加力，为自动定位设计；抗振性差。photoelectricinterferometriccomparator4.基面合一原则减小基面不一造成误差合一定位基面加工基面使用基面举例阿基米德螺旋线分化板安装与使用的基面——球窝1、分划板2、球窝7主轴球窝——为加工基准，与使用基准重合外圆——为加工基准，与使用基准不重合5.最短传动链原则主传动链辅助传动链传动链传动链——越短越好；设计结构——越简单，性能越稳定，精度易保证。6.粗精分离原则高速度与高精度大行程与高精度仪器设计矛盾——！举例阿贝原则运动学原则变形最小原则基面合一原则最短传动链原则粗精分开原则设计原则排序7.其它原则外界环境影响最小原则系列化、通用化和标准化原则工作可靠、安全、维修与操作方便原则结构工艺性良好原则造型与装饰宜人原则价值系数最优原则二、总体方案制定内容工作原理的设计基准器件的选择运动方式选取结构方案的选择摩擦与变形的考虑系统简图的绘制总体布局的考虑精度分配造型与修饰总体设计报告主要内容——1.工作原理设计——总体设计的关键创造性原理——不一定全是发明新理论，可将已有理论，只要前人没有用过，应用到新仪器设计中，既为发明或独创。设计方法理论：误差平均原理；位移同步比较原理；误差补偿原理（1）误差平均原理——采取一定方法，将仪器或部件误差均化以提高精度。举例双读数头系统消除偏心误差莫尔条纹二进制码盘（2）位移同步比较原理——当相应的位移作同步运动过程中，分别测出位移量，由其特定关系进行比较实现测量和控制。举例丝杠动态测量仪采用两套测量系统圆光栅系统——测量转角激光干涉系统——测量位移结构简单，测量链短；精度高，反映动态精度；特点（3）误差补偿原理——应用最广的设计原理，特别是微机的应用提供了补偿的条件，主要包括调整、校正、补偿等。2.基准器件选择应用原理测量方法结构精度抗干扰应用激光光电相对复杂最高差一般光栅光电相对较复杂高强较方便磁栅磁电相对简单较低强很方便码盘光电绝对较复杂较高很强方便感应同步器磁电绝对较简单中高强方便标尺光电相对简单中高很强方便机械元件机械相对简单低强方便3.运动方式选择将设计原理具体化决定器件的效率、控制方式、结构及精度。间歇运动——机构简单、受静摩擦力影响大效率低、控制简单连续运动——效率高、精度高、无定位误差运动方式联机脱机控制方式4.结构方案设计方案选择原则：保证精度、工作稳定可靠、结构尽量简单；加工、装调、维修方便；尽量遵守设计原则、符合运动学设计原则；成本低。5.摩擦及局部变形的考虑摩擦——机械设计中的重要问题。静、动摩擦系数之差局部变形高精度障碍解决摩擦问题途径—保持摩擦力恒定（理想状态）不同材料的组合（钢—铜）选择不同类型导轨（滑动、滚动、静液压、气浮）采取结构措施减小摩擦系数6.系统简图的绘制在上述基础上绘制：光－机－电－液－气系统简图（或运动简图）传动系统液压系统光学系统电气系统符号要正确——查手册！7.总体布局各部件的相对位置合理（工作台、基准元件、瞄准系统、传送工件、传动系统）各部件相对关系正确（机械、光学、电控关系）操作维修方便；（制作工艺、设备重量、精度要求等）安全措施。8.总体精度分配难——低易——高应按难易分配避免——精度平均分配！光、机、电系统误差偶然误差归类分析计算、比较修改补偿9.造型与装饰造型——外形美观大方（避免过度凸出）结构匀称（长/宽=黄金分割8:5）安全稳定（避免头重脚轻）装饰——色调经济美观新颖和谐国家民族爱好/禁忌10.总体设计报告文字通顺重点实出图文并茂深入浅出解放思想、大胆创新例子——在于启发发，避免不分情况搬用掌握了解时代信息和动向总体设计是一个认识实践再认识的过程，是经验不断积累的过程。需要经过反复最终圆满完成。！本章小结——设计方法概述——3种设计类型；4个设计阶段；6种设计方法设计任务分析——6项设计任务设计参数与指标——7项指标；6个方法总体方案制定——12个设计原则；10项设计内容个人观点供参考，欢迎讨论个人观点供参考，欢迎讨论

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