二、设计原则 1、 阿贝原则* 2、最小变形原则* 3、测量链最短原则 4、坐标系基准统一原则 5、精度匹配原则 6、经济原则 要求： 6个原则的理解 三、设计原理 1、平均读数原理 2、比较测量原理 3、补偿原理 要求： 3个原理的应用举例 1m测长机 头座、尾座、刻尺面，构成测量光路 头座 100mm刻尺 光源 透镜N2 反射镜M2 反射镜M1 透镜N1 读数显微镜 双线） 光学计管 尾座 举例：1m激光测长机 底座 干涉仪厢体 测量头架 工作台 尾座 电机与变速箱 闭合钢带 电磁离合器 固定角隅棱镜 尾杆 测量主轴 可动角隅棱镜 激光器 分光器 h ——主要结构方案 第二节 总体设计内容 1、工作原理的设计 2、系统设计 3、主要参数和技术指标的确定 4、系统简图的绘制 5、总体布局的考虑 6、总体精度的分配 7、造型设计 8、总体设计报告 1、工作原理的设计 2、系统设计 3、主要参数和技术指标的确定 4、系统简图的绘制 5、总体布局的考虑 6、总体精度的分配 7、造型设计 8、总体设计报告 ——标准器 信号转换与传输 数据处理 显示存储 运动及控制 机械 （瞄准读数） 二、系统设计 ——仪器主要结构方案的确定 （1）标准器（基准器）的选择 （2）信号转换与传输原理（或方式）的选择 （3）数据处理装置选择 （4）显示装置选择 （5）运动方式选择 （6）控制方式选择 1、基准部件 2、感受转换部件 3、转换、放大传输部件 4、瞄准、读数部件 5、数据处理部件 6、显示、记录部件 7、驱动控制部件 8、机械结构部件 第四章 精密仪器机械系统的设计 了解精密仪器常用的机械机构(传动机构、导向机构、执行机构)的作用、组成、特点及设计方法。掌握精密仪器常用的传动机构、导向机构、执行机构的结构分析方法。 机械系统 原动机部分 执行部分 传动部分 操纵控制部分 利用力学原理，由零部件组装成，可以运转，用来代替人的劳动、作能量变换或产生有用功的装置。 组成 第一节 机械传动机构 1、基本概念 2、齿轮传动副 3、螺旋传动副 4、连杆机构 5、凸轮机构 6、分析举例 传动比/传动系数 运动简图的绘制 机械传动结构分析举例 第二节 导向机构 1、精密导轨的作用和构成 2、精密导轨的类型 第三节 精密执行机构 1、精密仪器执行机构的组成及常用部件 2、执行机构结构分析 实验一 1、用测量显微镜测量电路板过孔的直径尺寸，并给出测量结果（D±ΔD）。 2、分析测量显微镜的结构及功能，给出该仪器的性能指标，画出系统的结构布局图。 3、分析测量显微镜的误差来源及其对测量结果的影响。 4、找出测量显微镜中包括的机械传动机构，分析各自的传动比/系数，画出结构简图。 5、找出测量显微镜中的导向机构，分析其结构类型。 6、设计一针对小孔直径尺寸自动测量的测量显微镜的结构，画出系统框图、结构布局图。 7、画一个部件（三个零件以上）的机械装配图。 * 重点：精密仪器的设计要求和功能结构 难点：分析精密仪器的结构功能 * 教学要求：复习已学过的知识：测量误差的基本概念和处理方法；掌握精密仪器误差分析的方法。 重点：误差的处理和评定，精密仪器不同类型误差的分析和计算；精密仪器误差分析。 难点：精密仪器误差分析的方法（微分和几何法）。 * 仪器误差的传递分析计算方法，根据源误差的具体情况，采用不同的方法：微分法、几何法、作用线与瞬时臂方法、数字逼近法、矢量法、经验估算法、实验测试法等。 * 重点：6个设计原则和3个设计原理。 难点：阿贝、最小变形原则的分析和应用。 * * * 光源、透镜N2、反射镜M2 头座内：N1透镜、M2反射镜、读数显微镜。 ①对零位——将尾架13沿机身床面向右放于分划板14的零刻线上面，将头架向左移到刻线尺的零刻线上面，通过微调螺钉调整头架，使显微镜3的视场内两个零线使左、右两测头接触合适，并从光学计管2中也对准零线，这时表示仪器的零位已经调好。 * * 重点：基本光学定理、各光学元件及系统的成像原理。 难点：近视眼和远视眼的分析 * * 永磁式直流伺服电机控制方式：电枢电压——PWM波控制：正脉宽大于负脉宽，输出正电压；正脉宽小于负脉宽，输出负电压；正脉宽等于负脉宽，输出0。 PWM波的频率（切换频率）来自晶振，通常高于1000Hz，远高于直流电机的频带，因此PWM波的交流分量将被电机的低通滤波作用所衰减掉。 切换频率的选择：几百到几万Hz。 1、使电机轴产生微振，以克服静摩擦，改善运行特性，但其最大角位移不应大于允许的角位置误差。 2、足够大，使电枢感抗足够大，减小电机内的高频功耗和交流分量的影响。 3、高于系统内任意部件的谐振频率，以防产生共振。 * 相干光束干涉的极大值条件：光程差=kλ（k=1） Φ‘-φ=θ * 思考：分光系统与扫描机构的连接装配关系，画出空间结构关系 * 性质：必修（48学时，包括10学时的3个实验） 特点：侧重于光、机、电、算系统的原理。 任务：掌握精密仪器的基本工作原理、主要技术和设计方法，培养综合运用所学知识与技术进行光机电一体化仪器设计的能力。 课程概况 要求及考核 2个本：笔记（+课上练习） 作业（+习题） 成绩（100）： 1、平时：20 2、实验：30 3、期末考试：50（侧重分析、设计） 知识点 1、8大功能部件 2、精度分析 3、精度设计 4、阿贝原则 5、最小变形原则 6、8步总体设计 7、机械运动简图 8、传动比/系数 9、机械结构分析 10、步进电机控制及细分原理 11、开环伺服系统设计 12、光栅、透镜方程 13、显微镜、望远镜原理 14、光栅扫描分光原理 15、激光干涉测长仪 仪器机构 1、比长仪 2、立式光学计 3、球径仪（平板测微器） 4、爱彭斯坦1m测长机 5、激光干涉测长机 6、杠杆齿轮测微器 7、光栅扫描机构 8、小型压力机 9、杠杆式位移缩小工作台 10、丝杠-弹簧缩小工作台 11、测量显微镜 12、精密工作台 第一章 精密仪器概论 了解精密仪器特点、内容、分类、设计要求及仪器的组成结构。 1-1 概述 1-2 精密仪器的重要性和展望 1-3 精密仪器的设计要求和流程 1-4 精密仪器结构组成 解决问题 1、为何是“精密”？ 2、发展过程？ 3、关键技术？ 4、结构？ 相关技术展望 精密仪器设计要求和流程 光机电——精密仪器研究的技术内容 技术 作用 1 机械 机械系统，不仅是仪器各部分的支撑，而且对保证仪器的测量精度、定位精度和运动精度起着关键作用。精密仪器的测量控制对象也通常为机械结构的运动量。 2 电子 实现信号的转换、传输、放大。包括： ①测量电路：信号的转换。 ②计算机控制：信号的处理分析，并在此基础上的自动控制（发出控制指令）。 ③伺服驱动，是电子与机械部分的接口，按控制指令的要求去控制被控对象实现预定的动作。 3 光学 利用各种光学原理，实现对被测量的转换、放大、投影、显示、传输。 3、关键技术？ 精密仪器八大功能部件 部件 1 基准部件 2 感受转换 3 转换、放大传输 4 瞄准、读数 5 数据处理 6 显示、记录 7 驱动控制 8 机械结构 工作台 被测件 瞄准显微镜 支架 读数显微镜 线纹尺 第二章 仪器的精度理论 教学要求：了解精度理论的基本概念、掌握精度分析和精度设计的步骤和方法。 仪器的精度理论是研究仪器精度的重要理论依据，它包括两大内容： 1、精度分析 2、精度设计 教学内容 2-1 精度理论的基本概念 2-2 误差的处理和评定 2-3 * 仪器的精度分析 2-4 * 仪器的精度设计 精度分析 总体误差 误差i 来 源 影 响 合 成 精度设计 误差i 总体误差 分 析 分 配 调补校 第三节 仪器的精度分析 总体误差 误差i 来 源 影 响 合 成 三个问题： 一、有哪些误差来源？ 二、如何进行误差的传递分析计算？ 三、如何进行误差的综合？ 精度分析——误差的来源 1、原理误差 2、制造误差 3、使用误差 4个问题： 1、如何确定？ 2、如何产生？ 3、是何性质？ 4、如何避免/消除/减小？ 仪器的存在过程 设计—— 制造—— 使用—— 二、误差的传递分析计算方法 微分法、几何法 作用线与瞬时臂方法 数字逼近法、矢量法 经验估算法、实验测试法 局部误差的计算 误差传递函数 三、仪器误差的综合 ——将局部误差合成为仪器总误差。 误差的性质：已定系统误差 e1i 未定系统误差 e2i 随机误差δi 精度设计——总误差的合理分配 一、分析 二、分配 三、调整 四、补偿 五、校验 ——误差计算、评定 ——误差分配 ——评价、调整、重分 ——调整参数、校数据 ——误差合成、评价 误差i 总体误差 随机误差 总系统误差 随机误差 系+随 系+随 精度分析 第三章 精密仪器总体设计 教学要求：了解精密仪器设计的基本原则，掌握精密仪器的设计原理和总体设计内容，熟悉精密仪器的总体设计过程。 教学内容 3-1 总体设计的相关知识 3-2 总体设计内容 3-3 总体设计举例 * 重点：精密仪器的设计要求和功能结构 难点：分析精密仪器的结构功能 * 教学要求：复习已学过的知识：测量误差的基本概念和处理方法；掌握精密仪器误差分析的方法。 重点：误差的处理和评定，精密仪器不同类型误差的分析和计算；精密仪器误差分析。 难点：精密仪器误差分析的方法（微分和几何法）。 * 仪器误差的传递分析计算方法，根据源误差的具体情况，采用不同的方法：微分法、几何法、作用线与瞬时臂方法、数字逼近法、矢量法、经验估算法、实验测试法等。 * 重点：6个设计原则和3个设计原理。 难点：阿贝、最小变形原则的分析和应用。 * * * 光源、透镜N2、反射镜M2 头座内：N1透镜、M2反射镜、读数显微镜。 ①对零位——将尾架13沿机身床面向右放于分划板14的零刻线上面，将头架向左移到刻线尺的零刻线上面，通过微调螺钉调整头架，使显微镜3的视场内两个零线使左、右两测头接触合适，并从光学计管2中也对准零线，这时表示仪器的零位已经调好。 * * 重点：基本光学定理、各光学元件及系统的成像原理。 难点：近视眼和远视眼的分析 * * 永磁式直流伺服电机控制方式：电枢电压——PWM波控制：正脉宽大于负脉宽，输出正电压；正脉宽小于负脉宽，输出负电压；正脉宽等于负脉宽，输出0。 PWM波的频率（切换频率）来自晶振，通常高于1000Hz，远高于直流电机的频带，因此PWM波的交流分量将被电机的低通滤波作用所衰减掉。 切换频率的选择：几百到几万Hz。 1、使电机轴产生微振，以克服静摩擦，改善运行特性，但其最大角位移不应大于允许的角位置误差。 2、足够大，使电枢感抗足够大，减小电机内的高频功耗和交流分量的影响。 3、高于系统内任意部件的谐振频率，以防产生共振。 * 相干光束干涉的极大值条件：光程差=kλ（k=1） Φ‘-φ=θ * 思考：分光系统与扫描机构的连接装配关系，画出空间结构关系 *

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