《測(cè)控儀器設(shè)計(jì)(第2版)》課后習(xí)題答案_浦昭邦_王寶光

1、1.1. 測(cè)控儀器的概念是什么？測(cè)控儀器則是利用測(cè)量和控制的理論，采用機(jī)、電、光各種計(jì)量測(cè)試原理及控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的一種范圍廣泛的測(cè)量?jī)x器。1.2. 為什么說(shuō)測(cè)控儀器的發(fā)展與科學(xué)技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)?儀器儀表的用途和重要性 遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門，深入到人民生活的各個(gè)角落，儀器儀表中的計(jì)量測(cè)試儀器與控制儀器統(tǒng)稱為測(cè)控儀器，可以說(shuō)測(cè)控儀器的水平是科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。儀器儀表的用途:在機(jī)械制造業(yè)中：對(duì)產(chǎn)品的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)性能測(cè)試；加工過(guò)程的控制與監(jiān)測(cè)；設(shè)備運(yùn)行中的故障診斷等。在電力、化工、石油工業(yè)中：對(duì)壓力、流量、溫度、成分、尺寸等參數(shù)的檢測(cè)和控制；對(duì)壓力容器泄漏和裂紋的檢測(cè)等。在航天、航空工業(yè)

2、中：對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、振動(dòng)、噪聲、動(dòng)力特性、噴油壓力、管道流量的測(cè)量；對(duì)構(gòu)件的應(yīng)力、剛度、強(qiáng)度的測(cè)量；對(duì)控制系統(tǒng)的電流、電壓、絕緣強(qiáng)度的測(cè)量等。1.3. 現(xiàn)代測(cè)控儀器技術(shù)包含哪些內(nèi)容？發(fā)展趨勢(shì) : 高精度與高可靠性、高效率、智能化、多樣化與多維化 （1）高精度與高可靠性隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)測(cè)控儀器的精度提出更高的要求，如幾何量nm精度測(cè)量，力學(xué)量的mg精度測(cè)量等。同時(shí)對(duì)儀器的可靠性要求也日益增高，尤其是航空、航天用的測(cè)控儀器，其可靠性尤為重要。 （2）高效率 大批量產(chǎn)品生產(chǎn)節(jié)奏，要求測(cè)量?jī)x器具有高效率，因此非接觸測(cè)量、在線檢測(cè)、自適應(yīng)控制、模糊控制、操作與控制的自動(dòng)化、多點(diǎn)檢測(cè)、機(jī)光電算一

3、體化是必然的趨勢(shì)。（3）高智能化 在信息拾取與轉(zhuǎn)換、信息測(cè)量、判斷和處理及控制方面大量采用微處理器和微計(jì)算機(jī)，顯示與控制系統(tǒng)向三維形象化發(fā)展，操作向自動(dòng)化發(fā)展，并且具有多種人工智能從學(xué)習(xí)機(jī)向人工智能機(jī)發(fā)展是必然的趨勢(shì)。（4）多維化、多功能化（5）開發(fā)新原理 （6）動(dòng)態(tài)測(cè)量 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)： (1)程式性 強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與銷售的一體化。 (2)創(chuàng)造性 突出人的創(chuàng)造性，開發(fā)創(chuàng)新性產(chǎn)品。 (3)系統(tǒng)性 用系統(tǒng)工程思想處理技術(shù)系統(tǒng)問(wèn)題。力求系統(tǒng)整體最優(yōu)，同時(shí)要考慮人-機(jī)-環(huán)境的大系統(tǒng)關(guān)系。 (4)優(yōu)化性 通過(guò)優(yōu)化理論及技術(shù)，以獲得功能全、性能良好、成本低、性能價(jià)格比高的產(chǎn)品。 (5)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

4、 計(jì)算機(jī)將更全面地引入設(shè)計(jì)全過(guò)程，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)不僅用于計(jì)算和繪圖，在信息儲(chǔ)存、評(píng)價(jià)決策、動(dòng)態(tài)模擬、人工智能等方面將發(fā)揮更大作用。1.4. 測(cè)控儀器由哪幾部分組成？各部分功能是什么？工作原理： Z向運(yùn)動(dòng)具有自動(dòng)調(diào)焦功能，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)CCD攝像器件攝取圖像進(jìn)行分析，用調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)來(lái)判斷調(diào)焦質(zhì)量。被檢測(cè)的印刷線路板或IC芯片的瞄準(zhǔn)用可變焦的光學(xué)顯微鏡和CCD攝像器件來(lái)完成。攝像機(jī)的輸出經(jīng)圖像卡送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理實(shí)現(xiàn)精密定位和圖像識(shí)別與計(jì)算，并給出被檢測(cè)件的尺寸值、誤差值及缺陷狀況。按功能將儀器分成以下幾個(gè)組成部分：1 基準(zhǔn)部件 5 信息處理與運(yùn)算裝置 2 傳感器與感受轉(zhuǎn)換部件 6 顯示部件 3

5、 放大部件 7 驅(qū)動(dòng)控制器部件 4 瞄準(zhǔn)部件 8 機(jī)械結(jié)構(gòu)部件基準(zhǔn)部件 測(cè)量的過(guò)程是一個(gè)被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量比較的過(guò)程，因此，儀器中要有與被測(cè)量相比較的標(biāo)準(zhǔn)量，標(biāo)準(zhǔn)量與其相應(yīng)的裝置一起，稱為儀器的基準(zhǔn)部件。 有的儀器中無(wú)標(biāo)準(zhǔn)器而是用校準(zhǔn)的方法將標(biāo)準(zhǔn)量復(fù)現(xiàn)到儀器中。標(biāo)準(zhǔn)量的精度對(duì)儀器的測(cè)量精度影響很大，在大多數(shù)情況下是11，在儀器設(shè)計(jì)時(shí)必須予以重視。 傳感器與感受轉(zhuǎn)換部件 測(cè)控儀器中的傳感器是儀器的感受轉(zhuǎn)換部件，它的作用是感受被測(cè)量，拾取原始信號(hào)并將它轉(zhuǎn)換為易于放大或處理的信號(hào)。放大部件分類實(shí)例名稱機(jī)械式放大部件齒輪放大，杠桿放大，彈性及剛度放大等機(jī)械系統(tǒng) 光學(xué)式放大部件 光準(zhǔn)直式、顯微鏡式、投影放大

6、、攝影放大式、莫爾條紋、光干涉等 光學(xué)系統(tǒng) 電子放大部件 前置放大、功率放大等 電子信息處理系統(tǒng) 光電放大部件 光電管放大、倍增管放大等 光電系統(tǒng) 瞄準(zhǔn)部件 用來(lái)確定被測(cè)量的位置(或零位），要求瞄準(zhǔn)的重復(fù)性精度要好。信息處理與運(yùn)算裝置 數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算部件主要用于數(shù)據(jù)加工、處理、運(yùn)算和校正等?？梢岳糜布娐?、單片機(jī)或微機(jī)來(lái)完成。顯示部件 顯示部件是用指針與表盤、記錄器、數(shù)字顯示器、打印機(jī)、監(jiān)視器等將測(cè)量結(jié)果顯示出來(lái)。驅(qū)動(dòng)控制器部件 驅(qū)動(dòng)控制部件用來(lái)驅(qū)動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)部件，在測(cè)控儀器中常用步進(jìn)電機(jī)、交直流伺服電機(jī)、力矩電機(jī)、測(cè)速電機(jī)、壓電陶瓷等實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)?？刂埔话阌糜?jì)算機(jī)或單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這時(shí)要將

7、一個(gè)控制接口卡插入到計(jì)算機(jī)的插槽中。 機(jī)械結(jié)構(gòu)部件 儀器中的機(jī)械結(jié)構(gòu)部件用于對(duì)被測(cè)件、標(biāo)準(zhǔn)器、傳感器的定位，支承和運(yùn)動(dòng),如導(dǎo)軌、軸系、基座、支架、微調(diào)、鎖緊、限位保護(hù)等機(jī)構(gòu)。所有的零部件還要裝到儀器的基座或支架上,這些都是測(cè)控儀器必不可少的部件，其精度對(duì)儀器精度影響起決定作用。1.5. 寫出下列成組名詞術(shù)語(yǔ)的概念并分清其差異：分度值與分辨力；示值范圍與測(cè)量范圍；靈敏度與鑒別力（靈敏閥）；儀器的準(zhǔn)確度，示值誤差，重復(fù)性誤差；視差，估讀誤差，讀數(shù)誤差。分度值在計(jì)量器具的刻度標(biāo)尺上，最小格所代表的被測(cè)尺寸的數(shù)值叫做分度值，分度值又稱刻度值。分辨力(resolution) 顯示裝置能有效辨別的最小示值

8、。對(duì)于數(shù)字式儀器，分辨力是指儀器顯示的最末一位數(shù)字間隔代表的被測(cè)量值。對(duì)模擬式儀器，分辨力就是分度值。分辨力是與儀器的精度密切相關(guān)的。要提高儀器精度必須有足夠的分辨力來(lái)保證；反過(guò)來(lái)儀器的分辨力必須與儀器精度相適應(yīng),不考慮儀器精度而一味的追求高分辨力是不可取的。示值誤差(error of indication) 測(cè)量?jī)x器的示值與對(duì)應(yīng)輸入量的真值之差。由于真值不能確定，實(shí)際上用的是約定真值，即常用某量的多次測(cè)量結(jié)果來(lái)作為約定真值。測(cè)量?jī)x器的示值誤差，包含有儀器的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差，因此用測(cè)量的方法確定儀器示值誤差時(shí)，同一個(gè)值測(cè)量次數(shù)一般不要超過(guò)三次。示值誤差越小，表明儀器的準(zhǔn)確度越高。測(cè)量范圍(m

9、easuring range) 測(cè)量?jī)x器誤差允許范圍內(nèi)的被測(cè)量值。測(cè)量范圍包含示值范圍還包含儀器的調(diào)節(jié)范圍。如光學(xué)計(jì)的示值范圍為±0.1mm，但其懸臂可沿立柱調(diào)節(jié)180mm，在該范圍內(nèi)仍可保證儀器的測(cè)量精度，則其測(cè)量范圍為180±0.1mm。又如千分尺的測(cè)量范圍有025mm，2550mm，5075mm等規(guī)格，但其示值范圍均為25mm。靈敏度(sensitivity) 測(cè)量?jī)x器響應(yīng)(輸出)的變化除以對(duì)應(yīng)的激勵(lì)(輸入)的變化。若輸入激勵(lì)量為X，相應(yīng)輸出是Y，則靈敏度表示為： S=YX 儀器的輸出量與輸入量的關(guān)系可以用曲線來(lái)表示，稱為特性曲線，特性曲線有線性的也有非線性的，非線性

10、特性用線性特性來(lái)代替時(shí)帶來(lái)的誤差，稱為非線性誤差。特性曲線的斜率即為靈敏度。 靈敏度的量綱可以是相同的，也可以是不相同的，如電感傳感器的輸入量是位移，而輸出量是電壓，其靈敏度的量綱為V/mm；而齒輪傳動(dòng)的百分表其輸入量是位移，輸出量也是位移，在這樣情況下，靈敏度又稱為放大比。 靈敏度是儀器對(duì)被測(cè)量變化的反映能力。鑒別力(閾)(discrimination) 使測(cè)量?jī)x器產(chǎn)生未察覺(jué)的響應(yīng)變化的最大激勵(lì)變化，這種激勵(lì)變化應(yīng)是緩慢而單調(diào)地進(jìn)行。它表示儀器感受微小量的敏感程度。儀器的鑒別力可能與儀器的內(nèi)部或外部噪聲有關(guān)，也可能與摩擦有關(guān)或與激勵(lì)值有關(guān)。測(cè)量?jī)x器的準(zhǔn)確度(accuracy of measu

11、ring instrument) 測(cè)量?jī)x器的準(zhǔn)確度是一個(gè)定性的概念，它是指測(cè)量?jī)x器輸出接近于真值的響應(yīng)的能力。符合一定的計(jì)量要求，使誤差保持在規(guī)定極限以內(nèi)的測(cè)量?jī)x器的等級(jí)或級(jí)別稱為測(cè)量?jī)x器的準(zhǔn)確度等級(jí)，如零級(jí)、一級(jí)、二級(jí)等。 測(cè)量?jī)x器的示值誤差(error of indication) 測(cè)量?jī)x器的示值與對(duì)應(yīng)輸入量的真值之差。由于真值不能確定，實(shí)際上用的是約定真值，即常用某量的多次測(cè)量結(jié)果來(lái)作為約定真值。測(cè)量?jī)x器的示值誤差，包含有儀器的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差，因此用測(cè)量的方法確定儀器示值誤差時(shí)，同一個(gè)值測(cè)量次數(shù)一般不要超過(guò)三次。示值誤差越小，表明儀器的準(zhǔn)確度越高。視差(parallax error)

12、 當(dāng)指示器與標(biāo)尺表面不在同一平面時(shí)，觀測(cè)者偏離正確觀察方向進(jìn)行讀數(shù)和瞄準(zhǔn)所引起的誤差。估讀誤差(interpolation error) 觀測(cè)者估讀指示器位于兩相鄰標(biāo)尺標(biāo)記間的相對(duì)位置而引起的誤差，有時(shí)也稱為內(nèi)插誤差。讀數(shù)誤差(reading error) 由于觀測(cè)者對(duì)計(jì)量器具示值讀數(shù)不準(zhǔn)確所引起的誤差，它包括視差和估讀誤差。1.6. 對(duì)測(cè)控儀器的設(shè)計(jì)要求有哪些？(1)精度要求 精度是測(cè)控儀器的生命，精度本身只是一種定性的概念。為表征一臺(tái)儀器的性能和達(dá)到的水平，應(yīng)有一些精度指標(biāo)要求，如靜態(tài)測(cè)量的示值誤差、重復(fù)性誤差、復(fù)現(xiàn)性、穩(wěn)定性、回程誤差、靈敏度、鑒別力、線性度等，動(dòng)態(tài)測(cè)量的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)誤差、瞬

13、態(tài)響應(yīng)誤差等。這些精度指標(biāo)不是每一臺(tái)儀器都必須全部滿足，而是根據(jù)不同的測(cè)量對(duì)象和不同的測(cè)量要求，選用最能反映該儀器精度的一些指標(biāo)組合來(lái)表示。儀器的精度應(yīng)根據(jù)被測(cè)對(duì)象的要求來(lái)確定，當(dāng)儀器總誤差占測(cè)量總誤差比重較小時(shí)，常采用1/3原則，即儀器總誤差應(yīng)小于或等于被測(cè)參數(shù)總誤差的1/3；若儀器總誤差占測(cè)量總誤差的主導(dǎo)部分時(shí)，可允許儀器總誤差小于或等于被測(cè)參數(shù)總誤差的1/2。 為了保證儀器的精度，儀器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵守一些重要的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)原理，如阿貝原則、變形最小原則、測(cè)量鏈最短原則、精度匹配原則、誤差平均作用原理、補(bǔ)償原理、差動(dòng)比較原理等。(2)檢測(cè)效率要求 一般情況下儀器的檢測(cè)效率應(yīng)與生產(chǎn)效率相適應(yīng)。

14、在自動(dòng)化生產(chǎn)情況下，檢測(cè)效率應(yīng)適合生產(chǎn)線節(jié)拍的要求。提高檢測(cè)效率不僅有經(jīng)濟(jì)上的效益，有時(shí)對(duì)提高檢測(cè)精度也有一定作用，因?yàn)榭s短了測(cè)量時(shí)間可減少環(huán)境變化對(duì)測(cè)量的影響。同時(shí)還可以節(jié)省人力，消除人的主觀誤差，提高測(cè)量的可靠性。(3)可靠性要求 一臺(tái)測(cè)量?jī)x器或一套自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，無(wú)論在原理上如何先進(jìn)，在功能上如何全面，在精度上如何高，若可靠性差，故障頻繁，不能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，則該儀器或系統(tǒng)就無(wú)使用價(jià)值。因此對(duì)儀器的可靠性要求是十分必要的。可靠性要求，就是要求設(shè)備在一定時(shí)間、一定條件下不出故障地發(fā)揮其功能的概率要高?？煽啃砸罂捎煽煽啃栽O(shè)計(jì)來(lái)保證。(4)經(jīng)濟(jì)性要求 儀器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用各種先進(jìn)技術(shù)，以獲得最佳經(jīng)

15、濟(jì)效果。盲目追求復(fù)雜、高級(jí)的方案，不僅會(huì)造成儀器成本的急劇增加，有時(shí)甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)。因此儀器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量選擇最經(jīng)濟(jì)的方案，即技術(shù)先進(jìn)、零部件少、工藝簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高、裝調(diào)方便，這樣在市場(chǎng)上才有競(jìng)爭(zhēng)力。 同時(shí)還要考慮儀器的功能，具有較好的功能與產(chǎn)品成本比，即價(jià)值系數(shù)高。 (5)使用條件要求 使用條件不同，儀器的設(shè)計(jì)也不同。如在室外使用的儀器儀表應(yīng)適應(yīng)寬范圍的溫度、濕度變化，以及抗振和耐鹽霧；在車間使用除了防振外，電磁干擾，尤其是強(qiáng)電設(shè)備起動(dòng)的干擾應(yīng)重點(diǎn)防范；在易燃易爆場(chǎng)合下工作的儀器儀表則要求防爆和阻燃；在線測(cè)量與離線測(cè)量，連續(xù)工作與間歇工作其條件都有不同，在設(shè)計(jì)儀器時(shí)應(yīng)慎重考慮，以滿足不同

16、使用條件的要求。(6)造型要求 儀器的外觀設(shè)計(jì)極為重要，優(yōu)美的造型、柔和的色澤是人們選擇產(chǎn)品的考慮因素之一，有利于銷售，同時(shí)也會(huì)使操作者加倍愛(ài)護(hù)和保養(yǎng)儀器，延長(zhǎng)使用壽命，提高工作效率。 2.1.說(shuō)明分析儀器誤差的微分法，幾何法，作用線與瞬時(shí)臂法和數(shù)學(xué)逼近法各適用在什么情況下，為什么？微分法 若能列出儀器全部或局部的作用方程，那么，當(dāng)源誤差為各特性或結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差時(shí)，可以用對(duì)作用原理方程求全微分的方法來(lái)求各源誤差對(duì)儀器精度的影響。微分法的優(yōu)點(diǎn)是具有簡(jiǎn)單、快速，但其局限性在于對(duì)于不能列入儀器作用方程的源誤差，不能用微分法求其對(duì)儀器精度產(chǎn)生的影響，例如儀器中經(jīng)常遇到的測(cè)桿間隙、度盤的安裝偏心等，因?yàn)榇?/p>

17、類源誤差通常產(chǎn)生于裝配調(diào)整環(huán)節(jié)，與儀器作用方程無(wú)關(guān)。幾何法 能畫出機(jī)構(gòu)某一瞬時(shí)作用原理圖，按比例放大地畫出源誤差與局部誤差之間的關(guān)系，依據(jù)其中的幾何關(guān)系寫出局部誤差表達(dá)式。幾何法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、直觀，適合于求解機(jī)構(gòu)中未能列入作用方程的源誤差所引起的局部誤差，但在應(yīng)用于分析復(fù)雜機(jī)構(gòu)運(yùn)行誤差時(shí)較為困難。作用線與瞬時(shí)臂法 基于機(jī)構(gòu)傳遞位移的機(jī)理來(lái)研究源誤差在機(jī)構(gòu)傳遞位移的過(guò)程中如何傳遞到輸出。因此，作用線與瞬時(shí)臂法首先要研究的是機(jī)構(gòu)傳遞位移的規(guī)律數(shù)學(xué)逼近法 評(píng)定儀器實(shí)際輸出與輸入關(guān)系方法：測(cè)量（標(biāo)定或校準(zhǔn)）測(cè)出在一些離散點(diǎn)上儀器輸出與輸入關(guān)系的對(duì)應(yīng)值，應(yīng)用數(shù)值逼近理論，依據(jù)儀器特性離散標(biāo)定數(shù)據(jù)，以一些

18、特定的函數(shù)（曲線或公式）去逼近儀器特性，并以此作為儀器實(shí)際特性，再將其與儀器理想特性比較即可求得儀器誤差中的系統(tǒng)誤差分量。常用代數(shù)多項(xiàng)式或樣條函數(shù)，結(jié)合最小二乘原理來(lái)逼近儀器的實(shí)際特性。2.2.什么是原理誤差，原始誤差，瞬時(shí)臂誤差，作用誤差？原理誤差 儀器設(shè)計(jì)中采用了近似的理論、近似的數(shù)學(xué)模型、近似的機(jī)構(gòu)和近似的測(cè)量控制電路所引起的誤差。它只與儀器的設(shè)計(jì)有關(guān)，而與制造和使用無(wú)關(guān)。原始誤差 由機(jī)床、夾具、刀具和工件組成的機(jī)械加工工藝系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱工藝系統(tǒng))會(huì)有各種各樣的誤差產(chǎn)生，這些誤差在各種不同的具體工作條件下都會(huì)以各種不同的方式(或擴(kuò)大、或縮小)反映為工件的加工誤差。 能轉(zhuǎn)換成瞬時(shí)臂誤差的源誤差

19、多發(fā)生在轉(zhuǎn)動(dòng)件上；而既不能換成瞬時(shí)臂誤差，其方向又不與作用線方向一致的源誤差多發(fā)生在平動(dòng)件上。2.3.誤差的分類及表示方法按誤差的數(shù)學(xué)性質(zhì)分1）隨機(jī)誤差 是由大量的獨(dú)立微小因素的綜合影響所造成的，其數(shù)值的大小和方向沒(méi)有一定的規(guī)律，但就其總體而言，服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，大多數(shù)隨機(jī)誤差服從正態(tài)分布。2）系統(tǒng)誤差 由一些穩(wěn)定的誤差因素的影響所造成，其數(shù)值的大小的方向在測(cè)量過(guò)程中恒定不變或按一定的規(guī)律變化。3）粗大誤差 粗大誤差指超出規(guī)定條件所產(chǎn)生的誤差，一般是由于疏忽或錯(cuò)誤所引起，在測(cè)量值中一旦出現(xiàn)這種誤差，應(yīng)予以剔除。按被測(cè)參數(shù)的時(shí)間特性分 1）靜態(tài)參數(shù)誤差2）動(dòng)態(tài)參數(shù)誤差按誤差間的關(guān)系分 1）獨(dú)立誤差2

20、）非獨(dú)立誤差絕對(duì)誤差 ：被測(cè)量測(cè)得值 x 與其真值(或相對(duì)真值) x0 之差 特點(diǎn)：有量綱、能反映出誤差的大小和方向。相對(duì)誤差 ：絕對(duì)誤差與被測(cè)量真值的比值 特點(diǎn)：無(wú)量綱2.4誤差的來(lái)源與性質(zhì)原理誤差 儀器設(shè)計(jì)中采用了近似的理論、近似的數(shù)學(xué)模型、近似的機(jī)構(gòu)和近似的測(cè)量控制電路所引起的誤差。它只與儀器的設(shè)計(jì)有關(guān)，而與制造和使用無(wú)關(guān)。（1）采用近似的理論和原理進(jìn)行設(shè)計(jì)是為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)化制造工藝、簡(jiǎn)化算法和降低成本 。 （2）原理誤差屬于系統(tǒng)誤差，使儀器的準(zhǔn)確度下降，應(yīng)該設(shè)法減小或消除。（3）方法： 采用更為精確的、符合實(shí)際的理論和公式進(jìn)行設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算 。 研究原理誤差的規(guī)律，采取技術(shù)措施避免原

21、理誤差。 采用誤差補(bǔ)償措施 。 制造誤差產(chǎn)生于制造、支配以及調(diào)整中的不完善所引起的誤差。 主要由儀器的零件、元件、部件和其他各個(gè)環(huán)節(jié)在尺寸、形狀、相互位置以及其他參量等方面的制造及裝調(diào)的不完善所引起的誤差。 運(yùn)行誤差儀器在使用過(guò)程中所產(chǎn)生的誤差。如力變形誤差、磨損和間隙造成的誤差，溫度變形引起的誤差，材料的內(nèi)摩擦所引起的彈性滯后和彈性后效，以及振動(dòng)和干擾等 。（一）力變形誤差 （二）測(cè)量力 （三）應(yīng)力變形（四）磨損 （五）間隙與空程 （六）溫度（七）振動(dòng)與干擾（八）干擾與環(huán)境波動(dòng)引起的誤差3.1.測(cè)控儀器的發(fā)展趨勢(shì)可以概括為那幾個(gè)方面，其中高效率，高智能化的是指那些內(nèi)容？高精度與高可靠性、高效

22、率、智能化、多樣化與多維化 （1）高精度與高可靠性隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)測(cè)控儀器的精度提出更高的要求，如幾何量nm精度測(cè)量，力學(xué)量的mg精度測(cè)量等。同時(shí)對(duì)儀器的可靠性要求也日益增高，尤其是航空、航天用的測(cè)控儀器，其可靠性尤為重要。 （2）高效率 大批量產(chǎn)品生產(chǎn)節(jié)奏，要求測(cè)量?jī)x器具有高效率，因此非接觸測(cè)量、在線檢測(cè)、自適應(yīng)控制、模糊控制、操作與控制的自動(dòng)化、多點(diǎn)檢測(cè)、機(jī)光電算一體化是必然的趨勢(shì)。（3）高智能化 在信息拾取與轉(zhuǎn)換、信息測(cè)量、判斷和處理及控制方面大量采用微處理器和微計(jì)算機(jī)，顯示與控制系統(tǒng)向三維形象化發(fā)展，操作向自動(dòng)化發(fā)展，并且具有多種人工智能從學(xué)習(xí)機(jī)向人工智能機(jī)發(fā)展是必然的趨勢(shì)。（4

23、）多維化、多功能化（5）開發(fā)新原理 （6）動(dòng)態(tài)測(cè)量3.2. 歸納測(cè)控儀器的設(shè)計(jì)流程測(cè)控儀器總體設(shè)計(jì)，是指在進(jìn)行儀器具體設(shè)計(jì)以前，從儀器自身的功能、技術(shù)指標(biāo)、檢測(cè)與控制系統(tǒng)框架及儀器應(yīng)用的環(huán)境和條件等總體角度出發(fā)，對(duì)儀器設(shè)計(jì)中的全局問(wèn)題進(jìn)行全面的設(shè)想和規(guī)劃。要考慮的主要問(wèn)題有：1.設(shè)計(jì)任務(wù)分析2.創(chuàng)新性構(gòu)思 （所能達(dá)到的新功能，所實(shí)現(xiàn)的新方法，所反映出的新技術(shù)，新理論等）3.測(cè)控儀器若干設(shè)計(jì)原則的考慮4.測(cè)控儀器若干設(shè)計(jì)原理的斟酌5.測(cè)控儀器工作原理的選擇和系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.測(cè)控系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)的確定7.儀器總體的造型規(guī)劃3.3測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)的六項(xiàng)基本原則是什么？共有六項(xiàng)設(shè)計(jì)原則：一、阿貝(A

24、bbe)原則及其擴(kuò)展阿貝原則定義：為使量?jī)x能給出正確的測(cè)量結(jié)果,必須將儀器的讀數(shù)刻線尺安放在被測(cè)尺寸線的延長(zhǎng)線上。或者說(shuō)，被測(cè)零件的尺寸線和儀器的基準(zhǔn)線（刻線尺）應(yīng)順序排成一條直線。二、變形最小原則及減小變形影響的措施變形最小原則定義：應(yīng)盡量避免在儀器工作過(guò)程中，因受力變化或因受溫度變化而引起的儀器結(jié)構(gòu)變形或儀器狀態(tài)和參數(shù)的變化。三、測(cè)量鏈最短原則測(cè)量鏈定義：儀器中直接感受標(biāo)準(zhǔn)量和被測(cè)量的有關(guān)元件，如被測(cè)件、標(biāo)準(zhǔn)件、感受元件、定位元件等均屬于測(cè)量鏈。在精密測(cè)量?jī)x器中，根據(jù)各環(huán)節(jié)對(duì)儀器精度影響程度的不同，可將儀器中的結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)區(qū)分為測(cè)量鏈、放大指示鏈和輔助鏈三類。測(cè)量鏈的誤差對(duì)儀器精度的影響最大，

25、一般都是1:1影響測(cè)量結(jié)果。因此，對(duì)測(cè)量鏈各環(huán)節(jié)的精度要求應(yīng)最高。因此測(cè)量鏈最短原則顯然指一臺(tái)儀器中測(cè)量鏈環(huán)節(jié)的構(gòu)件數(shù)目應(yīng)最少，即測(cè)量鏈應(yīng)最短。因此，測(cè)量鏈最短原則作為一條設(shè)計(jì)原則要求設(shè)計(jì)者予以遵守。四、坐標(biāo)系統(tǒng)一原則在設(shè)計(jì)零件時(shí)，應(yīng)該使零件的設(shè)計(jì)基面、工藝基面和測(cè)量基面一致起來(lái)，符合這個(gè)原則，才能使工藝上或測(cè)量上能夠較經(jīng)濟(jì)地獲得規(guī)定的精度要求而避免附加的誤差。五、精度匹配原則在對(duì)儀器進(jìn)行精度分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)儀器中各部分各環(huán)節(jié)對(duì)儀器精度影響程度的不同，分別對(duì)各部分各環(huán)節(jié)提出不同的精度要求和恰當(dāng)?shù)木确峙洌@就是精度匹配原則。六、經(jīng)濟(jì)原則經(jīng)濟(jì)原則 經(jīng)濟(jì)原則是一切工作都要遵守的一條基本而重要的原

26、則。1）工藝性。2）合理的精度要求。3）合理選材。4）合理的調(diào)整環(huán)節(jié)。5）提高儀器壽命。3.4.測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)的基本原理有哪些？一、平均讀數(shù)原理在計(jì)量學(xué)中，利用多次讀數(shù)取其平均值，能夠提高讀數(shù)精度，即稱之為平均讀數(shù)原理。二、比較測(cè)量原理差動(dòng)比較測(cè)量原理一）位移量同步比較測(cè)量原理 位移量同步比較原理主要應(yīng)用于復(fù)合參數(shù)的測(cè)量：漸開線齒形誤差，齒輪切向綜合誤差，螺旋線誤差，凸輪型面誤差的測(cè)量特點(diǎn)：這類復(fù)合參數(shù)一般都是由線位移和角位移，或角位移和角位移以一定關(guān)系作相互運(yùn)動(dòng)而成。它們的測(cè)量過(guò)程，實(shí)際上是相應(yīng)的位移量之間的同步比較過(guò)程，故在設(shè)計(jì)這類參數(shù)的測(cè)量?jī)x器中，形成了一種位移量同步比較的測(cè)量原理。這一原

27、理的特點(diǎn)是符合按被測(cè)參數(shù)定義進(jìn)行測(cè)量的基本原則。二）差動(dòng)比較測(cè)量原理1電學(xué)量差動(dòng)比較測(cè)量 電學(xué)量差動(dòng)比較測(cè)量可以大大減小共模信號(hào)的影響，從而可以提高測(cè)量精度和靈敏度，并可以改善儀器的線性度。2光學(xué)量差動(dòng)比較測(cè)量三）零位比較測(cè)量原理三、補(bǔ)償原理 補(bǔ)償原理是儀器設(shè)計(jì)中一條內(nèi)容廣泛而意義重大的設(shè)計(jì)原理。如果在設(shè)計(jì)中，采用包括補(bǔ)償、調(diào)整、校正環(huán)節(jié)等技術(shù)措施，則往往能在提高儀器精度和改善儀器性能方面收到良好的效果。補(bǔ)償原理的核心包括：1補(bǔ)償環(huán)節(jié)的選擇 為了取得比較明顯的補(bǔ)償效果，補(bǔ)償環(huán)節(jié)應(yīng)選擇在儀器結(jié)構(gòu)、工藝、精度上的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)環(huán)境條件及外界干擾敏感的環(huán)節(jié)上。2補(bǔ)償方法的確定 有光電方法、軟件方法、電

28、學(xué)方法、標(biāo)準(zhǔn)器比較的方法等。3補(bǔ)償要求的分析 根據(jù)不同的補(bǔ)償對(duì)象，有不同的補(bǔ)償要求： 例如，對(duì)于導(dǎo)軌直線度偏差的補(bǔ)償，必須要對(duì)整個(gè)行程范圍進(jìn)行連續(xù)逐點(diǎn)的補(bǔ)償；而對(duì)儀器示值的校正，一般可要求校正幾個(gè)特征點(diǎn)，如首尾兩點(diǎn)，或中間選幾點(diǎn)，達(dá)到選定的特征點(diǎn)保證儀器示值精確即可。4綜合補(bǔ)償（最佳調(diào)整原理）的實(shí)施 優(yōu)點(diǎn)：綜合補(bǔ)償方法具有簡(jiǎn)單、易行、補(bǔ)償效果好的特點(diǎn)。 涵義：該方法不必研究?jī)x器產(chǎn)生的誤差來(lái)自哪個(gè)或哪些環(huán)節(jié)，但通過(guò)對(duì)某個(gè)環(huán)節(jié)的調(diào)整后，便起到了綜合補(bǔ)償?shù)男Ч?.5.阿貝誤差產(chǎn)生的本質(zhì)原因是什么？分析三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量某一工件時(shí)，哪個(gè)坐標(biāo)方向上的各個(gè)平面內(nèi)均能遵守阿貝原理阿貝原則定義：為使量?jī)x能給出

29、正確的測(cè)量結(jié)果,必須將儀器的讀數(shù)刻線尺安放在被測(cè)尺寸線的延長(zhǎng)線上。或者說(shuō)，被測(cè)零件的尺寸線和儀器的基準(zhǔn)線（刻線尺）應(yīng)順序排成一條直線。導(dǎo)軌間隙造成運(yùn)動(dòng)中的擺角由于標(biāo)準(zhǔn)刻線尺與被測(cè)件的直徑不共線而帶來(lái)測(cè)量誤差 導(dǎo)軌間隙造成運(yùn)動(dòng)中的擺角由于標(biāo)準(zhǔn)刻線尺與被測(cè)件的直徑共線誤差微小到可以忽略不計(jì) 圖3-3所示的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，或其它有線值測(cè)量系統(tǒng)的儀器。很難作到使各個(gè)坐標(biāo)方向或一個(gè)坐標(biāo)方向上的各個(gè)平面內(nèi)均能遵守阿貝原則。 如圖3-3所示的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其測(cè)量點(diǎn)的軌跡是測(cè)頭1的行程所構(gòu)成的尺寸線，而儀器讀數(shù)線分別在圖示的X、Y與Z直線位置處，顯然，在圖示情況下測(cè)量時(shí)，X與Y坐標(biāo)方向均不遵守阿貝原則。 其中圖

30、3-3 a)為XZ平面，測(cè)頭1在該平面內(nèi)的行程所構(gòu)成的尺寸線與Z方向讀數(shù)線共線，但與X方向讀數(shù)線相距為L(zhǎng)，在該平面內(nèi)不符合阿貝原則。 其中圖3-3 b)為YZ平面，測(cè)頭1在該平面內(nèi)的行程所構(gòu)成的尺寸線與Z方向讀數(shù)線共線，但與Y方向讀數(shù)線相距為L(zhǎng)，在該平面內(nèi)不符合阿貝原則。 3.6舉例說(shuō)明減小阿貝誤差的方法愛(ài)彭斯坦（Eppenstein）光學(xué)補(bǔ)償方法主要被應(yīng)用于高精度測(cè)長(zhǎng)機(jī)的讀數(shù)系統(tǒng)中。激光兩坐標(biāo)測(cè)量?jī)x中監(jiān)測(cè)導(dǎo)軌轉(zhuǎn)角與平移的光電補(bǔ)償方法3以動(dòng)態(tài)準(zhǔn)直儀為標(biāo)準(zhǔn)器的電學(xué)補(bǔ)償方法4標(biāo)準(zhǔn)器工作點(diǎn)與被測(cè)點(diǎn)共線的平直度測(cè)量系統(tǒng)5遵守阿貝原則的傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)例 測(cè)長(zhǎng)機(jī)原理圖。 刻尺面位于焦距f相同的兩個(gè)透鏡N1，

31、N2的焦面上。M2，N2與尾座聯(lián)為一體，M1，N1與頭座聯(lián)為一體。刻尺由裝在尾座內(nèi)的光源照明。對(duì)零時(shí)，設(shè)0刻線成象在s1點(diǎn)。測(cè)量時(shí)，尾座向左移動(dòng)。當(dāng)導(dǎo)軌平直時(shí)，設(shè)相應(yīng)于被測(cè)長(zhǎng)度讀數(shù)值的刻線0亦成象在s1處時(shí)不產(chǎn)生誤差?，F(xiàn)假設(shè)由于導(dǎo)軌直線度的影響，使尾座產(chǎn)生傾角，則在測(cè)量線方向上，測(cè)端因傾斜而向左挪動(dòng) L=h tan ，如無(wú)補(bǔ)償措施，則此值即為阿貝誤差。但這時(shí)與尾座聯(lián)為一體的M2，N2也隨之傾斜角，這樣，刻線0通過(guò)M2，N2及M1，N1便成象到s2點(diǎn)，則S2點(diǎn)相對(duì)于S1點(diǎn)在刻尺面上也有一挪動(dòng)量 s1 s2 = f tan 為了補(bǔ)償阿貝誤差，頭座需向左移動(dòng)靠緊工件 L=h tan 為使讀數(shù)正確，

32、S1S也需等于向左移動(dòng) s1 s2 = f tan=L=h tan即h=f 于是，由尾座傾斜而帶來(lái)的阿貝誤差，由于在儀器中設(shè)置了上述光學(xué)系統(tǒng)，在讀數(shù)時(shí)自動(dòng)消失了，即達(dá)到了補(bǔ)償?shù)哪康摹＿@種補(bǔ)償原理被稱為愛(ài)彭斯坦光學(xué)補(bǔ)償原理，是通過(guò)結(jié)構(gòu)布局隨機(jī)補(bǔ)償阿貝誤差的方法。 3.7絲桿動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x對(duì)環(huán)境變化產(chǎn)生的測(cè)量誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)南葲Q條件是什么？1)如絲杠動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x，由于溫度的影響，被測(cè)絲杠將伸長(zhǎng)或縮短，此外，當(dāng)環(huán)境溫度、氣壓、濕度偏離標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)，激光波長(zhǎng)也將發(fā)生變化，這些都將帶來(lái)測(cè)量誤差。因此，可以采用在激光一路信號(hào)中增減脈沖數(shù)的辦法來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆桨?。在補(bǔ)償時(shí)， 先測(cè)出環(huán)境的溫度、氣壓和濕度， 再計(jì)算出每米

33、需累積補(bǔ)償量 ，再計(jì)算每米補(bǔ)償量的脈沖數(shù)，1m長(zhǎng)度內(nèi)的激光脈沖數(shù)為 ，則每隔 脈沖，對(duì)激光一路增減一個(gè)脈沖信號(hào)。 7. 零位比較測(cè)量原理與利用儀器指示測(cè)量絕對(duì)值的方法相比，優(yōu)點(diǎn)是什么?1)在2和4之間沒(méi)有放入具有偏光性質(zhì)的被測(cè)物3,則檢偏器輸出的光通量為零;2)在2和4之間放入被測(cè)物3, 引起偏振面旋轉(zhuǎn)。使檢偏器有光通量輸出，使指示表的指針偏離零位。3)通過(guò)讀數(shù)裝置5轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器直至指示表示值再次為零，此時(shí)，檢偏器的轉(zhuǎn)角等于被測(cè)物引起的偏振面轉(zhuǎn)角。 測(cè)量方法的誤差分析:當(dāng)重新調(diào)整使表指示為零時(shí)，則必須使被測(cè)量與補(bǔ)償量相平衡。因此它的測(cè)量精度僅取決于指零表的零位漂移，而讀數(shù)裝置的非線性誤差及光通量

34、的不穩(wěn)定對(duì)測(cè)量精度的影響大大減小1平行光光源 2起偏器 3被測(cè)物 4檢偏器 5讀數(shù)裝置 6光電檢測(cè)器 7放大器 8指示表3.9.綜合補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是什么？試舉例說(shuō)明綜合補(bǔ)償（最佳調(diào)整原理）的實(shí)施 優(yōu)點(diǎn)：綜合補(bǔ)償方法具有簡(jiǎn)單、易行、補(bǔ)償效果好的特點(diǎn)。 涵義：該方法不必研究?jī)x器產(chǎn)生的誤差來(lái)自哪個(gè)或哪些環(huán)節(jié)，但通過(guò)對(duì)某個(gè)環(huán)節(jié)的調(diào)整后，便起到了綜合補(bǔ)償?shù)男Ч?.8造型設(shè)計(jì)的要點(diǎn)包括哪些造型設(shè)計(jì)是總體設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的問(wèn)題，造型設(shè)計(jì)是與設(shè)備的功能、結(jié)構(gòu)、材料、工藝、視覺(jué)感受與市場(chǎng)關(guān)系緊密相關(guān)的重要設(shè)計(jì)工作。造型設(shè)計(jì)也是具有實(shí)用功能的設(shè)計(jì)，造型中所采用結(jié)構(gòu)、材料和工藝要符合經(jīng)濟(jì)原則。 造型設(shè)計(jì)還要使產(chǎn)品的外形

35、、色彩和表面特征符合美學(xué)原則，以適應(yīng)人們的時(shí)尚要求，并從式樣、形態(tài)、風(fēng)格、氣氛上體現(xiàn)時(shí)代的特點(diǎn)。外形輪廓應(yīng)給人以美的享受，使用戶喜愛(ài)它，使操作者珍愛(ài)它，加倍保護(hù)它。 下面主要從造型設(shè)計(jì)中如何依據(jù)科學(xué)技術(shù)原理和依據(jù)美學(xué)原則的兩個(gè)方面進(jìn)行探討。一、外形設(shè)計(jì)（一）外形比例的選擇 一臺(tái)儀器的零部件組合必須勻稱諧調(diào)，在尺寸上要符合一定的比例關(guān)系，這是達(dá)到符合美學(xué)原則的前提條件。（二）外形的均衡與穩(wěn)定 均衡與穩(wěn)定是自然界物體美感的基本規(guī)律，凡是美的形象必然給人以各部分形體間平衡、安定的視覺(jué)感。（1）均衡，均衡是指儀器的整體各部分輕重對(duì)稱，相對(duì)和協(xié)。獲得形體均衡的方法是以支承面的中點(diǎn)為對(duì)稱軸線，使形體兩邊的

36、重量矩大致相等。并以圖形、色彩等視覺(jué)重量感來(lái)彌補(bǔ)實(shí)際較輕的一邊。從而取得較好的視覺(jué)平衡，產(chǎn)生最強(qiáng)的靜態(tài)美、條理美，但又產(chǎn)生心理上的莊重、嚴(yán)肅的感覺(jué)。（2）穩(wěn)定，對(duì)一臺(tái)儀器而言，其下部分應(yīng)大而重，而上面的部分小而輕，從而使儀器自身重心較低，也給人以穩(wěn)定感。除此之外，還有利用色彩對(duì)比的方法，增強(qiáng)下部色彩的濃度，以達(dá)到增加下部重量感的效果。（三）外形的風(fēng)格 在藝術(shù)造型中，統(tǒng)一與差別，整體和個(gè)性是辯證的統(tǒng)一。在外形設(shè)計(jì)中，要充分考慮到各零部件的功能和結(jié)構(gòu)具有統(tǒng)一性和差別的因素。（四）外形形體的過(guò)渡（五）表面裝飾處理二、人機(jī)工程 所謂人機(jī)工程是指所設(shè)計(jì)的儀器設(shè)備要達(dá)到機(jī)器人環(huán)境的協(xié)調(diào)統(tǒng)一,使儀器設(shè)備適合

37、人的生理和心理要求,從而達(dá)到工作環(huán)境舒適安全、操作準(zhǔn)確、省力、輕便,減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了工作效率的目的。人機(jī)工程包括以下幾方面： （1）人體尺度 在儀器總體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮操作人員的身高、體重等與人體有關(guān)的數(shù)據(jù)，以便達(dá)到上述要求。（2）視角要求 儀器設(shè)備的顯示和讀數(shù)部件對(duì)人的視覺(jué)影響最大。（3）作用力要求 作用力要求指人在操作時(shí)，需使用的作用力的大小和作用點(diǎn)相對(duì)于操作者的位置。對(duì)于精密測(cè)控儀器而言，由于操作的對(duì)象是按鈕，按動(dòng)按鈕無(wú)需很大的作用力，因此，按鈕的位置需按視角要求的位置和操作者容易達(dá)到的位置來(lái)設(shè)計(jì)。（4）工作環(huán)境和安全設(shè)計(jì) 工作環(huán)境應(yīng)最大限度地減小噪音，工作的時(shí)序、操作的難易、故障的

38、排除應(yīng)有利于減輕操作者的精神緊張狀況，盡量減輕人的體力和腦力消耗；在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)有直接安全技術(shù)措施和間接安全技術(shù)措施。4.1、何謂導(dǎo)向精度？導(dǎo)軌設(shè)計(jì)有哪些要求？舉出四種導(dǎo)軌組合，并說(shuō)明其特點(diǎn)。導(dǎo)向精度 動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)軌跡的準(zhǔn)確度，直線度。 1）導(dǎo)軌的幾何精度導(dǎo)軌的幾何精度包括導(dǎo)軌在垂直平面內(nèi)與水平面內(nèi)的直線度，導(dǎo)軌面間的平行度和導(dǎo)軌間的垂直度。 2）接觸精度指動(dòng)靜導(dǎo)軌之間的微觀不平度，它將影響導(dǎo)軌的接觸變形。因此要求接觸積大于80%。為此，要有粗糙度指標(biāo)。 對(duì)滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌、動(dòng)導(dǎo)軌 ；靜導(dǎo)軌=0.10.4 對(duì)滾動(dòng)摩擦導(dǎo)軌 3）實(shí)際上因?qū)к壱鸬恼`差是很復(fù)雜的。以單軸方向?qū)к墳槔浩浯嬖谂[（Raw）誤

39、差、俯仰 (Pitch) 誤差和偏轉(zhuǎn)(Roll)誤差，此外還有兩維平行度(Straightness)誤差、線性（Linear）誤差。 1）滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌 兩導(dǎo)軌面間直接接觸形成滑動(dòng)摩擦。 2）滾動(dòng)導(dǎo)軌 動(dòng)靜導(dǎo)軌面間有滾動(dòng)體，形成滾動(dòng)摩擦。 3）靜壓導(dǎo)軌 兩導(dǎo)軌面間有壓力油或壓縮空氣，由靜壓力使動(dòng)導(dǎo)軌浮起形成液體或氣體摩擦。 4）彈性摩擦導(dǎo)軌 利用材料彈性變形，使運(yùn)動(dòng)件做精密微小位移。這種導(dǎo)軌僅有彈性材料內(nèi)分子間的內(nèi)摩擦。4.2、基座與支承件的基本要求是什么？1) 支承件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求基座立柱 結(jié)構(gòu)尺寸較大， 結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜， 要承受外載荷及其變化，受熱變形影響較大。 A要具有足夠的剛度，力變

40、形要小 B穩(wěn)定性好，內(nèi)應(yīng)力變形小 C熱變形要小 D良好的抗振性相應(yīng)措施A剛度設(shè)計(jì)常采用的方法有模擬試驗(yàn)法（仿真試驗(yàn)）、量綱分析法和有限元分析法。有限元分析已有成熟的分析軟件可借用。采用正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是保證支承件剛度的重要手段。 B對(duì)鑄造的基座和立柱要進(jìn)行時(shí)效處理，以消除內(nèi)應(yīng)力，減少應(yīng)力變形。時(shí)效處理的方法有兩種，即自然時(shí)效和人工時(shí)效。 C嚴(yán)格控制工作環(huán)境溫度, 控制儀器內(nèi)的熱源, 采取溫度補(bǔ)償措施 D在滿足剛性要求情況下，盡量減輕重量，以提高固有頻率，防止共振；如合理地選擇截面形狀和尺寸，合理地布置肋板或隔板以提高靜剛度；減小內(nèi)部振源的振動(dòng)影響，如采用氣體、液體靜壓導(dǎo)軌或軸系；對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的

41、振動(dòng)加隔離措施；對(duì)運(yùn)動(dòng)件進(jìn)行充分潤(rùn)滑以增加阻尼等；采用減振或隔振設(shè)計(jì)，如彈簧隔振、橡膠隔振、氣墊隔振等。 2) 支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容剛度設(shè)計(jì) 1)有限元分析法： 此分析法是一種將數(shù)學(xué)、力學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的對(duì)支承件剛度和動(dòng)特性進(jìn)行分析的一種方法；2)仿真分析法： 對(duì)結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的支承件，可采用模型仿真，雖然花費(fèi)些物力和時(shí)間，但得出的結(jié)果與實(shí)際比較接近。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1）正確選擇截面形狀與外形結(jié)構(gòu)：構(gòu)件受壓時(shí)變形量與截面積大小有關(guān)；受彎、扭時(shí)，變形量與截面形狀有關(guān)。參閱表4-1橫截面積相同時(shí)不同斷面形狀慣性矩的比較進(jìn)行設(shè)計(jì)2）合理地選擇和布置加強(qiáng)肋，以增加剛度，參閱表4-1-1所示各種肋條(板)的

42、形狀及其優(yōu)缺點(diǎn)3）正確的結(jié)構(gòu)布局，減小力變形4）良好的結(jié)構(gòu)工藝性，減小應(yīng)力變形5）合理地選擇材料 通常要求基座及支承件的材料具有較高的強(qiáng)度和剛度、耐磨性以及良好的鑄造、焊接以及機(jī)械加工的工藝性參閱表4-1-2 支承件常用材料性能及改善措施6)基座與支承件的壁厚、肋板、肋條厚度設(shè)計(jì)可參閱表4-24.3、什么是主軸的回轉(zhuǎn)精度？主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求是什么？主軸回轉(zhuǎn)精度 包括：徑向、軸向、傾角、端面誤差運(yùn)動(dòng)。徑向誤差運(yùn)動(dòng)包括傾角運(yùn)動(dòng)和純徑向運(yùn)動(dòng)之和。徑向跳動(dòng)包括徑向誤差運(yùn)動(dòng)及偏心和圓度誤差端面誤差運(yùn)動(dòng)軸向誤差運(yùn)動(dòng)端面跳動(dòng)-端面誤差運(yùn)動(dòng)及端面與軸線的垂直度、平行度。主軸回轉(zhuǎn)精度 定義：指旋轉(zhuǎn)體回轉(zhuǎn)軸線

43、相對(duì)于其軸線平均線的位置變動(dòng)?；疽?A主軸回轉(zhuǎn)精度造成回轉(zhuǎn)誤差的原因 是主軸和軸承的尺寸誤差、形狀誤差、裝配誤差及剛度、潤(rùn)滑、阻尼等因素綜合作用的結(jié)果。B主軸剛度 提高主軸剛度的措施：加大主軸直徑，但導(dǎo)致機(jī)構(gòu)尺寸加大。一般D取錐孔大端直徑的1.52倍合理選擇支撐跨距縮短主軸懸伸長(zhǎng)度a / l0=1/21/4提高軸承剛度 C主軸系統(tǒng)振動(dòng) 引起原因：傳動(dòng)軸與主軸連接方式不好；主軸上的零部件不平衡。因此，不能采用剛性連接的方法。一般采用彈性元件連接，以力偶的方式傳遞D主軸系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性減小力變形 主軸設(shè)計(jì)應(yīng)形狀簡(jiǎn)單，避免產(chǎn)生應(yīng)力變形。主軸上的緊固件盡量少，以減小夾緊應(yīng)力產(chǎn)生變形。必要時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)有凸

44、肩。E壽命4.4、提高主軸系統(tǒng)的剛度有幾種方法？加大主軸直徑，但導(dǎo)致機(jī)構(gòu)尺寸加大。一般D取錐孔大端直徑的1.52倍合理選擇支撐跨距縮短主軸懸伸長(zhǎng)度a / l0=1/21/4提高軸承剛度 4.5、密珠軸系有何特點(diǎn)？1密珠軸承軸系的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu) 密集的滾珠近似于多頭螺旋排列，每個(gè)滾珠公轉(zhuǎn)時(shí)有自己滾道，互不重復(fù)。滾珠裝配時(shí)過(guò)盈，相當(dāng)于預(yù)加載荷，起到消除間隙，減小幾何形狀誤差。這種軸系成本低，使用方便，壽命長(zhǎng)，精度高，但承載能力不大。2密珠軸承設(shè)計(jì)要點(diǎn)滾珠的密集度：適當(dāng)提高滾珠密集度，即增加滾珠數(shù)量，可以使主軸的“飄移”有所改善，所以，提高滾珠的密集度是有好處的。但過(guò)多的增加不僅使結(jié)構(gòu)尺寸增大，而且摩擦

45、力矩隨之增大，影響主軸運(yùn)動(dòng)的靈活性。一般根據(jù)受力情況按公式（4-47）、式（4-50）計(jì)算，再考慮結(jié)構(gòu)的可能性和過(guò)盈量確定滾珠數(shù)量。滾珠的排列方式：排列方式必須滿足每個(gè)滾珠的滾道互不重疊，并在直徑方向上滾珠的配置成對(duì)稱的原則。過(guò)盈量的確定過(guò)盈量能補(bǔ)償軸承零件的加工誤差，提高軸系的回轉(zhuǎn)精度和剛度。過(guò)盈量過(guò)小則不能消除軸承間隙，回轉(zhuǎn)精度和剛度均下降；過(guò)盈量太大，則摩擦力矩增大，軸系轉(zhuǎn)動(dòng)的靈活性降低，主軸、軸套、滾珠的磨損加快，還容易引起軸、套和滾珠的塑性變形，破壞原有幾何形狀的正確性，同樣會(huì)引起回轉(zhuǎn)精度下降。4.6、液體動(dòng)壓滑動(dòng)軸系獲得液體摩擦的條件是什么？使用時(shí)應(yīng)注意什么？動(dòng)壓軸承獲得油動(dòng)壓的條

46、件是： 1）在結(jié)構(gòu)上，軸承必須有斜楔。主軸只有向斜楔減小方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生油動(dòng)壓，若主軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度高，則油膜加厚。因此為保證主軸有高的回轉(zhuǎn)精度，轉(zhuǎn)速應(yīng)均勻。不允許向斜楔增大方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)沒(méi)有油動(dòng)壓，主軸與軸承剛性接觸，而產(chǎn)生磨損。 2）軸系在轉(zhuǎn)動(dòng)之前必須加有一定粘度的潤(rùn)滑油，進(jìn)行充分潤(rùn)滑。潤(rùn)滑油不能隨便代替，必須用圓度儀主軸專用油。4.7、氣體靜壓導(dǎo)軌有哪些類型？各有何特點(diǎn)？閉式平面導(dǎo)軌型 導(dǎo)軌精度高，剛性大，承載能力也大，最適于作精密機(jī)械的長(zhǎng)行程導(dǎo)軌。經(jīng)過(guò)研磨，使導(dǎo)軌面的精度和導(dǎo)軌與工作臺(tái)之間的間隙達(dá)到所需要的數(shù)值 。閉式圓柱或矩形導(dǎo)軌型 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件的精度可由機(jī)械加工保證。隨著工作臺(tái)的移

47、動(dòng)，導(dǎo)向圓軸可能產(chǎn)生撓度，故不適用做長(zhǎng)導(dǎo)軌，可用于高精度、高穩(wěn)定性的短行程工作臺(tái)的導(dǎo)軌。開式重量平衡型 這是工作臺(tái)重量（包括負(fù)載）與空氣靜壓相平衡保持一定間隙的一種形式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零件加工也比較容易。但剛度小，承載能力低，可用于負(fù)載變動(dòng)小的精密儀器和測(cè)量?jī)x器。 開式真空吸附平衡型 其結(jié)構(gòu)與重量平衡型相同。由真空泵的真空壓力來(lái)限制工作臺(tái)的浮起量，因此，可以減少工作臺(tái)浮起間隙量，甚至可以減少到1m，故可提高剛度。常在微細(xì)加工設(shè)備中應(yīng)用。如250CC型圖形發(fā)生器X向?qū)к?，就是用氣墊中心真空吸附加載的，在氣墊外環(huán)有氣浮平衡以保持間隙。 4.8、什么是微位移技術(shù)？柔性鉸鏈有何特點(diǎn)？微位移技術(shù)是一行程小

48、、分辨力和精度都很高的技術(shù)，其精度要達(dá)到亞微米和納米級(jí)。通常把應(yīng)用微位移技術(shù)的系統(tǒng)稱為微系統(tǒng)，它由微位移機(jī)構(gòu)、精密檢測(cè)裝置和控制裝置三部分組成。柔性鉸鏈用于繞軸作復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的有限角位移，它的特點(diǎn)是：無(wú)機(jī)械摩擦、無(wú)間隙、運(yùn)動(dòng)靈敏度高。利用柔性鉸鏈原理研制的角度微調(diào)裝置，在3的角度范圍內(nèi)，達(dá)到了10-7（°）的穩(wěn)定分辨率。近年來(lái)，柔性鉸鏈又在精密微位移工作臺(tái)中得到了實(shí)用，并被廣泛地用于陀螺儀、加速度儀、精密天平等儀器儀表中。柔性鉸鏈有很多種結(jié)構(gòu)，最普通的形式是繞一個(gè)軸彈性彎曲，這種彈性變形是可逆的。4.9、采用柔性鉸鏈的微動(dòng)工作臺(tái)與其它方案相比有何優(yōu)點(diǎn)？（一）設(shè)計(jì)要求 1）微動(dòng)工作臺(tái)的支承

49、或?qū)к壐睉?yīng)無(wú)機(jī)械摩擦、無(wú)間隙。 2）具有高的位移分辨率及高的定位精度和重復(fù)性精度。 3）具有高的幾何精度，工作臺(tái)移動(dòng)時(shí)直線度誤差要小，即顛擺、扭擺、滾擺誤差小，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好。 4）微動(dòng)工作臺(tái)應(yīng)具有較高的固有頻率，以確保工作臺(tái)具有良好的動(dòng)態(tài)特性和抗干擾能力。 5）工作臺(tái)最好采用直接驅(qū)動(dòng)，即無(wú)傳動(dòng)環(huán)節(jié)，這不僅剛性好，固有頻率高，而且減少了誤差環(huán)節(jié)。 6）系統(tǒng)響應(yīng)速度要快，便于控制。（二）精密微動(dòng)工作臺(tái)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題 （1）導(dǎo)軌形式的選擇 在微動(dòng)工作臺(tái)微位移范圍內(nèi)，要求工作臺(tái)有較高的位移分辨率，又要求響應(yīng)特性好。因此要求導(dǎo)軌副導(dǎo)向精度高?；瑒?dòng)摩擦導(dǎo)軌摩擦力不是常數(shù)，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差較大，有爬行現(xiàn)象

50、，運(yùn)動(dòng)均勻性不好。 滾動(dòng)摩擦導(dǎo)軌雖然摩擦力較小，但由于滾動(dòng)體的尺寸一致性誤差、滾動(dòng)體與導(dǎo)軌的形狀誤差會(huì)使?jié)L動(dòng)體與導(dǎo)軌面間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，使摩擦力在較大范圍內(nèi)變動(dòng)，即動(dòng)、靜摩擦力也有一定差別，也有爬行現(xiàn)象產(chǎn)生，但運(yùn)動(dòng)靈活性好于滑動(dòng)導(dǎo)軌。 彈性導(dǎo)軌，包括平行片簧導(dǎo)軌和柔性支承導(dǎo)軌，它們無(wú)機(jī)械摩擦，無(wú)磨損，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差很小，幾乎無(wú)爬行，又無(wú)間隙，不發(fā)熱，可達(dá)到很高的分辨率，是高精度微動(dòng)工作臺(tái)常用的導(dǎo)軌形式，但它們行程小，只適合用于微位移。 空氣靜壓導(dǎo)軌，這種導(dǎo)軌導(dǎo)向精度高，無(wú)機(jī)械摩擦、無(wú)磨損、無(wú)爬行，又具有減震作用，但成本較高。 在要求既要大行程，又要高精度微位移情況下，可采用粗、細(xì)位移相結(jié)合的方

51、法。大行程時(shí)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以機(jī)械減速機(jī)構(gòu)推動(dòng)工作臺(tái)在空氣靜壓導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，而微位移時(shí)用壓電器件推動(dòng)工作臺(tái)以彈性導(dǎo)軌導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)。（2）微動(dòng)工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng) 微工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)可采用如下方法： 電機(jī)驅(qū)動(dòng)與機(jī)械位移縮小裝置(杠桿傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、絲杠傳動(dòng)、楔塊傳動(dòng)、摩擦傳動(dòng))相結(jié)合，這是一種常規(guī)方法，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、定位精度低于0.1m。適于大行程，中等精度微位移場(chǎng)合。 電熱式和電磁式機(jī)構(gòu)較簡(jiǎn)單，但伴隨發(fā)熱，易受電磁干擾，難以達(dá)到高精度，一般為0.1m左右，行程較大，可達(dá)數(shù)百微米。 壓電和電致伸縮器驅(qū)動(dòng)不存在發(fā)熱問(wèn)題，穩(wěn)定性和重復(fù)性都很好，分辨力可達(dá)納米級(jí)，驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的定位精度可達(dá)0.01m。但行程小，一般為幾

52、十微米。 （3）微動(dòng)工作臺(tái)的控制 微動(dòng)工作臺(tái)的控制有開環(huán)控制和閉環(huán)控制，并配有適當(dāng)?shù)恼`差校正和速度校正系統(tǒng)。對(duì)于閉環(huán)控制還要有精密檢測(cè)裝置。用微機(jī)進(jìn)行控制具有速度快、準(zhǔn)確、靈活、便于實(shí)現(xiàn)精密微工作臺(tái)與整機(jī)的統(tǒng)一控制等優(yōu)點(diǎn)，是目前發(fā)展的主要方向。4.10、微驅(qū)動(dòng)技術(shù)有哪些方法？一壓電及電致伸縮器件 壓電器件和電致伸縮器件是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型微位移器件，它結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，位移分辨力高，控制簡(jiǎn)單，不發(fā)熱，抗干擾性強(qiáng)，因而是理想的微位移器件，分辨力可達(dá)到0.001m，定位精度可達(dá)到正負(fù)0.01m二在微位移器件中壓電及電致伸縮器是應(yīng)用逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)工作的壓電微位移器件是用逆壓電效應(yīng)工作的，

53、廣泛用于激光穩(wěn)頻、精密微動(dòng)及進(jìn)給等。對(duì)壓電器件要求其具有壓電靈敏度高、行程大、線性好、穩(wěn)定性好和重復(fù)性好等。電磁驅(qū)動(dòng)器是用電磁力來(lái)驅(qū)動(dòng)微工作臺(tái)。微工作臺(tái)可用平行片簧導(dǎo)軌導(dǎo)向，也可用金屬絲懸掛導(dǎo)向。原理見(jiàn)圖4-96。通過(guò)改變電磁鐵線圈的電流來(lái)控制電磁鐵的吸引力，克服彈簧的作用力，達(dá)到控制工作臺(tái)微位移的目的。電磁微驅(qū)動(dòng)器方法簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)范圍大，但線圈通電流后易發(fā)熱，易受電磁干擾。4.11、試述壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)在機(jī)理上有何不同？ 簡(jiǎn)單說(shuō)壓電效應(yīng)分正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)）和逆壓電效應(yīng)（電致收縮效應(yīng)）。前者是機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽笳呤请娔苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。具體說(shuō)：當(dāng)某些物質(zhì)沿其某一方向被施加壓力或拉力時(shí)，

54、會(huì)發(fā)生變形，此時(shí)這種材料的兩個(gè)表面將產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)去掉外力后，它又重新回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象叫壓電效應(yīng)。有時(shí)，也把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)或順壓電效應(yīng)。反之，在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場(chǎng)后，該物質(zhì)的變形隨之消失，這種電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，稱為逆壓電效應(yīng)或電致收縮效應(yīng)。4.12、試總結(jié)各種微位移機(jī)構(gòu)的原理及特點(diǎn)。1、柔性支承一壓電器件驅(qū)動(dòng)的微位移機(jī)構(gòu) 這種機(jī)構(gòu)是一種新型微位移機(jī)構(gòu)，微移動(dòng)工作臺(tái)被安裝在柔性支承上；壓電元件在電壓驅(qū)動(dòng)下可精密伸長(zhǎng)與縮短，并推動(dòng)柔性支承與工作臺(tái)一起位移。由于柔性支承無(wú)間隙、無(wú)摩擦、不發(fā)熱，而壓電驅(qū)動(dòng)精度高

55、、無(wú)噪聲、不受溫度和電磁場(chǎng)影響、體積小、不老化，因而很容易實(shí)現(xiàn)0.l0.001m的微位移。 2、平行片簧導(dǎo)軌一電壓器件驅(qū)動(dòng)的微位移機(jī)構(gòu) 微工作臺(tái)由平行片簧導(dǎo)向，壓電器件驅(qū)動(dòng)，無(wú)間隙，無(wú)摩擦。微位移時(shí)片簧產(chǎn)生的彈性變形，即為工作臺(tái)的微位移。這種微位移機(jī)構(gòu)可以達(dá)到O.Olm的位移分辨力，方法簡(jiǎn)便，精度高，是常用的微位移機(jī)構(gòu)。 3、滾動(dòng)導(dǎo)軌一壓電器件驅(qū)動(dòng) 滾動(dòng)導(dǎo)軌是精密儀器中常用的導(dǎo)軌形式，它具有運(yùn)動(dòng)靈活、行程大、結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、精度較高等優(yōu)點(diǎn)。用壓電器件驅(qū)動(dòng)，可以得到高的位移分辨力。這種組合的微動(dòng)工作臺(tái)，易于實(shí)現(xiàn)大行程及微位移的結(jié)合。 4、平行片簧導(dǎo)軌一步進(jìn)電機(jī)及機(jī)械式位移縮小機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng) 微位移機(jī)構(gòu)用平行片簧導(dǎo)軌，驅(qū)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)，為獲得微位移，需將步進(jìn)電機(jī)的輸出用機(jī)械式位移機(jī)構(gòu)縮小，如用精密螺旋傳動(dòng)、彈性傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、楔塊傳動(dòng)等。5、平行彈簧導(dǎo)軌一電磁位移器驅(qū)動(dòng) 為克服絲杠螺母機(jī)構(gòu)的摩擦和間隙，可采用電磁驅(qū)動(dòng)的彈簧導(dǎo)軌微動(dòng)工作臺(tái)，其原理見(jiàn)圖4-92。微動(dòng)工作臺(tái)用平行片簧導(dǎo)向，在工作臺(tái)端部固定著強(qiáng)磁體，如坡莫合