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《现代精密仪器设计》总复习
一、基本概念题：
*1.现代精密仪器的基本组成
答：
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
*2.现代精密仪器设计的指导思想
答：
1.精度
对于测量仪器,首要的是精度（不确定度）。
根据不同的仪器及不同的测量条件,选用
相应的静态或动态精度特性指标。
仪器精度取值要合理。
不分对象地要求仪器精度愈高
愈好,实际上是完全不必要的。
应该根据实际中被测对象的精度要求来确定仪器精度,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。
对仪器零件
精度的要求也应合理,不应要求仪器所有零件都高精度,而只应对仪器中直接参与测量的
那些零部件,即测量链中的关键零件规定严格的精度要求。
同时还应采取补偿措施,提高
整体精度。
2.经济性
设计仪器时,不应盲目地追求复杂、高级的方案,如能采用某种最简单的方案便能满
足所提出的功能要求,则此方案便是最经济的设计方案。
因为采用最简单的方案意味着
零部件少、元件少、可靠性高、成本低等。
一般说来,简单方案比较经济,但也不能一概而
论,还必须和被测件批量的大小、要求的效率、测量误差所造成的损失、零件公差带及尺寸
分布情况等综合考虑。
如大批生产时,往往自动测量比手工测量更为经济,在精度或效率
要求较高时,简单方案便不能满足要求,必须由简到繁选用相应的方案。
在技术设计阶段
中,还应注意提高“三化”程度和工艺性,使零件制造也符合经济性的要求。
仪器生产大部
分是小批量、多品种,因而在组织设计与生产时,要灵活迅速地采用各种先进技术,争取最
大经济效益。
在考虑仪器经济性时,不应仅限于仪器的制造成本,还应考虑仪器的使用成本,即除
仪器原价外,还有使用期间的保养费、工时费、备件费、运转费（动力及辅料费）、停工损失
费、管理费、培养费等。
必须综合考虑后,才能看出真正的经济效益,从而做出选用方案的
正确决策。
3.效率
一般情况下,测量或检验效率应与生产制造效率相适应。
实际上,测量效率通常比生
产效率低。
在这种情况下,则应尽量考虑采用自动化或半自动化测量方案。
若工艺稳定,
则可采用统计检验方案。
在自动化生产线上,整个过程是按严格的节拍进行的。
此时测
量速度必须与生产节拍相吻合。
因此,仪器的操作方式要适合生产测量的需要。
提高测
量速度,不仅提高了生产率,有时也可以起到提高精度的作用。
因为生产效率提高,会缩
短测量时间而减少温度变化对降低测量精度的影响。
采用自动化测量不仅可以缩短时间,提高生产率,而且可以提高测量精度,节省人力,
消除人为误差,避免重复单调的劳动操作,减少费用,还便于远距离显示及反馈,避免辐射
影响等,这是测量技术发展的主要方向之一。
4.可靠性
可靠性是指一种产品在一定时间内和一定条件下,不出故障地发挥其规定功能的概
率。
可靠性指标除了用完成规定功能的成功概率表示外,还可以用平均故障间隔时间或
称产品平均寿命、故障率或称失效率、有效性、平均保养间隔时间或平均寿命等来表示。
一台仪器或一套自动测量系统,无论在原理上如何先进,在功能上如何全面,在精度
上如何高级,假若可靠性差,故障频繁,不能长时期地稳定工作,则该仪器或系统就没有使
用价值。
因此,随着现代化仪器及测量系统的发展,可靠性要求愈来愈重要,与此相应,可
靠性的评价便不能像过去那样仅停留在定性的概念性分析上,而应该科学地进行定量
计算。
5.寿命
在设计中应注意考虑提高寿命的方法,如结构中尽量减少磨损件,用分子内摩擦元件
代替外摩擦元件;选用适当的材料及热处理、化学处理方法;规定合理的使用操作规程、
维护保养方法、包装搬运要求及使用环境条件等等。
6.造型
仪器的外观设计亦极为重要。
总体结构的安装、部件间的造型、细部的美化等,都必
须认真考虑,同时便于使用。
最好经过美工人员的专门设计,使产品造型优美、色泽柔和、
美观大方、外廓整齐、细部精致。
总之要使人们感到是一台现代精密仪器,必须小心维护,
细致操作,从而提高仪器的精度保持性和仪器的使用寿命。
*3.现代精密仪器设计的原则
答：
为了减少仪器误差,保证仪器精度,在设计时应考虑以下原则:
1.从原理上提高精度的原则
①误差平均原理。
如采用多次重复测量,取平均误差,以提高测量精度。
又如采用
密珠滚珠导轨、静压导轨均化误差等。
②位移量同步比较原理。
即采用不同方法对同一量位移同步运动的方法进行比较
的原理。
③误差补偿原理。
通过校正、补偿环节,使仪器中的系统误差减小或消除,从而提高
仪器的精度。
2.阿贝原则
将仪器的读数刻线尺,安排在被测尺寸线的延长线上,即被测量与仪器作读数用的基
准线应顺次排成一条直线。
3.运动学设计原理
空间体具有6个自由度,根据物体要求运动的方式,即要求的自由度数,确定施加的
约束数。
4.变形最小原则
使仪器当受力、重力、热、内应力、振动等作用时变形最小。
5.基面合一原则
零件设计时,设计基准、加工基准、检验基准、装配基准要统一。
6.最短传动链原则
影响测量精度的测量链系统和传动效率的传动链最短,零件最少。
7.精度匹配原则
在分析精度的基础上,对机、光、电各部分精度分配恰当,对各部分提出不同的精度
要求。
8.仪器零部件的标准化、系列化、通用化原则
9.仪器可靠性、安全、维修与操作方便原则
10.结构工艺性好原则
11.造型与装饰宜人原则
12.价值系数最优原则
产品的功能与产品成本之比,反映了社会产品价值的高低。
*4.现代精密仪器设计的程序
答：
具体的设计程序可归纳如下:
（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:
在明确设计任务和深入调查之后,就可进行总体方案的构思和
设计。
总体设计包括:
①实现功能的分析;
②确定信号转换原理与流程;
③确定有关机、光、电、算系统的配合并建立数学模型;
④主要参数的确定;
⑤技术经济的评价。
总体设计是仪器设计的关键一步。
在分析时,要画出示意草图,画出关键部件的结构
草图,进行初步的精度试算和精度分配,进行方案论证和必要的模拟试验,以考查所拟的
方案是否可行,确定最佳的方案之后,才可进行下一步具体技术设计。
（5）技术设计。
包括:
①总体结构设计;
②部件设计;
③零件设计;
④精度计算;
⑤技术经济评价;
⑥编写包括分析和计算的设计说明书。
这一步应该包括机、电、光各部分的结构
设计。
（6）制造样机、样机鉴定:
制造样机,进行产品试验,发现问题及时修改设计。
样机
鉴定,编写设计说明书、使用说明书、检定规程。
根据试制和试验总结,修正设计,最后设
计定型,并进行技术经济评价及市场情况分析。
（7）批量投产。
*5.精密仪器的产品设计有哪3种类型？
答：
其产品设计有以下3种类型:
1.创新设计
新产品设计根据市场需要进行创新性开发新产品。
根据所开发产品的品种,拟定出
新的方案原理进行设计。
2.适应性设计
已有的产品已不满足市场的需要,在保留原理方案的基础上,为适应市场的需要,往
现代精密仪器设计
往对系统、部件进行重新的设计。
3.变型设计
基本保留原产品的功能、方案原理和结构,只是改动尺寸大小或结构布局的设计,形
成系列产品。
*6.目前在仪器设计中采用三次设计应用较多,其三次设计可分为哪3个阶段？
答：
（1）系统设计
由专业人员根据专业知识设计产品的结构和各元器件的中心值及其误差等级范围等,也就是通常的专业设计。
这个阶段主要采用的是传统设计方法,即用传统的实验方
式、经验设计公式以及设计者的经验。
但从优化的角度看,无论是计算为主还是实验为
主,其产品的参数均带有直接的性质,即由系统的输入、输出指标,根据系统的物理性能,
直接设计系统的一组参数值,以符合指标要求,设计就告完成。
因此,一般来说尚未考虑
系统参数的优化问题。
（2）参数设计
这是一个新的设计技术,是设计一个高质量产品的最重要的阶段。
其目的是从庞大
的组合关系中找出最好的参数搭配关系,使质量最稳定可靠。
其手法,从根本上来讲是用
到了所谓非线性技术以及多种因素之间的搭配关系的优选技术。
其结果一般改变了第一
次设计的中心值,往往是较大地改变了第一次设计的各元器件的参数。
通过第二次设计,
往往可以使产品的质量从精度和稳定性上获得很大提高,有时甚至是非常大的提高。
可
以说不经过参数设计的产品,绝大多数情况下,不是质量最好的产品。
此项技术,要反复
应用较大型的正交表,一般要在计算机上完成。
（3）允差设计
找出对产品质量影响显著的重要元件,然后对其进行经济效益计算,最后定出高质量
低成本的方案。
一般也是在计算机上反复应用正交设计技术完成的。
三次设计后,使产品的质量接近最佳平均值,工厂在生产时的质量接近正态分布。
*7.阿贝原则的主要思想是什么？
答：
这项原则的表述是：
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。
8.误差平均原理的含义是什么?
答：
*9.总体设计前为什么要进行设计任务分析?
设计任务分析应考虑哪些问题?
答：
在总体设计时,首先要作“设计任务分析”,也就是要详细了解设计任务的各种要求。
这一工作的目的,是要弄清设计任务对仪器设计提出的各项指标,摘要写进设计任务书
中,并且根据总体设计的基本原则,逐一地进行分析研究。
通过设计任务分析,可以对任务有一个梗概的了解。
应尽可能多地收集有关资料。
经验总结及计算资料等,分析哪些是关键问题,哪些是次要问题,抓住影响全局性的关键
问题,进行深入调查研究,比较多种方案,为总体设计打下基础。
设计任务分析的内容应包括下列几项:
1.使用要求
精密仪器的使用要求,即是要求精密仪器在一定的工作范围内能有效地实现预期的
功能,并在一定的使用期间内不丧失原有功能。
对仪器的使用要求及其必须具备的功能
一定要分析清楚,它是仪器设计的出发点和归宿。
2.仪器精度（不确定度）
精密仪器的精度是它的一项重要的技术指标,它是仪器设计中的一个很关键的问题。
精密仪器及设备的精度一般可分为3类:
①中等精度:
直线位移精度为1μm～10μm,主轴回转精度1μm～10μm,圆分度精度
为1″～10″。
②高精度:
直线位移精度为0.1μm～1μm,主轴回转精度为0.1μm～1μm,圆分度精
度为0.2″～1″。
③超高精度:
直线位移精度为<0.1μm,主轴回转精度为<0.1μm,圆分度精度
为<0.1″。
由于精度等级不同,在设计时无论是精密机械系统还是控制系统都有很大的差异,甚
至导致实现的原理不同,价格差别很大。
高精度的仪器或设备,在低精度场合使用,不经
济;相反,又达不到使用的目的。
所以精度必须与经济性相匹配。
3.生产批量
生产批量是由市场需要所决定的,同一种仪器不同的生产批量在设计时的结构不同,
大批量生产的结构设计,应尽可能采用专用机床和专用工夹具,零件结构尽量简单,采用
系列化、通用化、标准化、便于维修;而对单件小批量生产,则可采用通用机床加工,配作
等,其毛坯成形应尽量少采用铸压件。
4.生产效率
对精密机械设备、微细加工设备来讲,生产效率是指在单位时间内它所加工的工件数
量;对于计量、检测仪器来说,则是其单位时间内的检测效率。
在设计时应根据所要求的
仪器效率考虑仪器的自动化程度,如微机控制、自动上下料、自动传送工件、自动检测、自
动定位、自动修正、自动打印结果等,或者只有其一部分自动功能,一部分半自动及手动等
相互配合。
5.工作环境
工作环境如振动、温度、湿度、空气净化程度等对精密机械与仪器的使用有很大影响。
由于仪器的使用要求及使用场合不同,在仪器设计时考虑外界条件影响的侧重点也有所
不同。
对在计量室内使用的仪器,一般都是高精度的仪器,设计时应尽量采取措施避免外
界条件变化对它的精度影响,或者设计时有消除外界条件变化时对测量结果影响的修正
环节;而在车间条件下使用的仪器,考虑的主要出发点则是防尘、防油、防腐等密封装置,
至于其他环境条件,只要在允许的要求范围内变化时,保证仪器正常工作即可。
有些高精
度的仪器为了确保仪器的性能,还要考虑隔振、恒温、恒湿及净化等措施。
6.安全保护
当精密仪器在特殊环境下工作时,如高压、放射性物质、有毒气体等,则应采取特种防
护装备,使操作人员的人身安全得到保证;同时使仪器本身得到保护,需要设计一些安全
装置,如过载装置、互锁保险装置、行程限位等。
10.精密仪器技术指标的作用,精密仪器的技术指标分哪几个方面?
答：
*11.说明确定精密仪器主要参数及技术指标的方法。
答：
（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主要参数和技术指标
（3）.根据测量（加工）精度确定主要参数和技术指标
（4）.根据设备或仪器中的薄弱环节确定主要参数和技术指标
（5）.根据系列化要求确定主要参数和技术指标
（6）.根据产品可靠性与成本的要求确定主要参数和技术指标
*12.精密仪器设计时应遵守哪些设计原则?
答：
13.设计者从哪些方面考虑才能实现最小变形的原则?
答：
14.精密仪器在造型和装饰方面应考虑哪些要求?
答：
15.试分析分辨力（分辨率）与精度的关系,如何确定仪器的分辨率?
答：
16.何谓动态精度?
接触式测量系统主要动态指标有哪些?
非接触式测量系统主
要动态误差有哪些?
如何计算?
答：
17.基座与支承件的基本要求是什么?
基座的支点布置在什么地方合适、立柱位置
布置在基座什么位置上合适?
答：
18.主轴系统设计的基本要求是什么?
答：
19.设计导轨有什么要求?
在仪器中（如放在恒温室和超净车间）哪些因素是主
要的?
答：
*20.精密仪器设计时其精度一般有中等精度、高精度、超高精度的区分，都在什么范围？
答：
精度又称为精确度，是指准确的程度。
精度的高低是用误差的大小来衡量的，误差小则精度高，误差大则精度低。
1）中等精度：
1um～10um主轴回转精度1 um～10 um圆分度精度1’’~10’’。
2）高精度:
0. 1 um～1 um主轴回转精度0.1 um～1 um圆分度精度0.2’’~1’’。
3） 超高精度：
直线度小于0.1 um，主轴回转精度小于0.1 um，圆分度精度小于0.1’’.
*21.力变形对精度的影响，要求那几种机床受力对精度的影响，影响最大的是悬臂梁。
答：
机床制造误差对工件加工精度影响较大的有：
主轴回转误差、导轨误差、传动链误差。
22.能计算某个部件的自由度；
分析：
自由度分为构件自由度（构件具有独立运动参数的数目）和机构自有度（机构具有独立运动参数的数目）
*23. 制造、安装、运行和原理误差在精密机械与仪器中的程度；
答：
在仪器的各种误差源中，制造误差数值最大，运行误差次之。
但在仪器测量误差中运行误差将是主要的。
具体见【现代精密仪器设计，45页，例2-8】
24. XY工作台的部件，以及电控XY工作台微动系统的原理和分析；
答：
x-y工作台系统基本上是由工作台滑板、直线移动导轨、传动机构、驱动电机、控制装置和位移检测器等组成。
由于工作台使用的情况不同，因而对性能的要求也各异。
一般的静态和动态性能要求包括有如下一些内容。
（1）静态性能
①工作台的几何精度包括x-y工作台的导轨在水平面内的直线性、垂直平面内的直线性、x方向与y方向的垂直度、x-y方向的反向间隙和反向精度以及工作台面与运动平面间的不平行性；
②系统的静刚度工作台传动系统受重力、摩擦力或其他外力的作用而产生相应的变形，其比值称为静刚度；
③工作台的定位精度和重复定位精度。
（2）动态性能
①工作台系统的振动特性和固有频率；
②速度与加速度特性；
③负载特性；
④系统稳定性等。
*25. 滑动导轨、滚动导轨、静压导轨的特点。
答：
导轨主要由运动件和承导件两部分组成。
滑动导轨是由支承件和运动件直接接触的导轨。
优点是结构简单、制造容易、接触刚度大。
缺点是摩擦阻力大，磨损快、动静摩擦系数差别大，易产生爬行。
滚动摩擦导轨是在两导轨面之间放入滚珠、滚柱、滚针等滚动体，使导轨运动处于滚动摩擦状态。
由于滚动摩擦阻力小，是工作台移动灵敏，低速运送时不易产生爬行。
工作台起动和运行消耗的功率小，滚动导轨磨损小，保持精度持久性好。
故在仪器中广泛应用。
气静压导轨油以下优点：
1运动精度高：
由于提高了导轨面得直线性和平行度，可以减小支承的间隙。
2无发热现象：
不会像液体静压导轨那样因静压油引发热，也没有热变形。
③摩擦与振动小：
由于导轨之间不接触故没有摩擦，气体粘性极小，可以认为是无摩擦，故使用寿命长。
没有振动和爬行现象，可以进行微细的送进和精确地定位。
3使用环境：
由于使用经过过滤的压缩空气（去尘、去水、去油、去湿），故导轨内不会浸入灰尘和液体。
另外由于不使用润滑油，故不会污染环境。
气浮导轨可用于很宽广的湿度范围。
除以上优点外，还有下列缺点：
1承载能力低，因气模的压力，即使在静压情况下，也只有0.3MPa左右（气源压力为0.5MPa左右）。
2刚度低，在重载荷下，不宜使用。
③需要一套高质量的气源.
④对振动的衰减性差，仅为油的1/1000，如果设计不当，可能出现自激振荡等不稳定问题。
⑤由于气模厚度很小，安装不准确，产生变形影响精度。
使用条件要求苛刻，费用高。
26. 传动的作用、传动比计算、传动比分配。
传动的作用：
答：
（1）改变速度的大小：
增速、减速、调速；
（2）改变运动的方向：
顺时针、逆时针、空间变向；
（3）改变运动的方式：
转——转，转——移，转——间歇，转——摆动。
在精密机械中所采用的机械传动装置，按传动的用途可分为以下3种：
（1）力（功率）传动。
主要用来传递动力，改变力或力矩的大小。
对它的要求主要是应保证足够的强度。
（2）示数（测量）传动。
主要用来传递运动，包括传递数据或进行读数。
对它的要求主要是保证必需的精度。
（3）一般传动。
只作一般传动或驱动用，对强度和精度均无严格要求。
对这类传动可按结构条件或类比法设计。
二、说明题：
*
1.试说明如题图所示是否符合阿贝原则。
*2.说明屏蔽的分类及特点。
*3.试说明常用线性拟合方法都有哪些？
答：
常用线性拟合方法有：
①理论拟合；②端点连线平移拟合；
③端点连线拟合；④过零旋转拟合；
⑤最小二乘拟合；⑥最小包容拟合
*4.试说明信息融合系统的结构有哪三种？
答：
根据数据处理方法的不同，信息融合系统的结构有三种:
分布式、集中式和混合式。
1）分布式：
先对各个独立传感器所获得的原始数据进行局部处理，然后再将结果送入信息融合中心进行智能优化组合来获得最终的结果。
分布式对通信带宽的需求低、计算速度快、可靠性和延续性好，但跟踪的精度却远没有集中式高;分布式的融合结构又可以分为带反馈的分布式融合结构和不带反馈的分布式融合结构。
2）集中式：
集中式将各传感器获得的原始数据直接送至中央处理器进行融合处理，可以实现实时融合，其数据处理的精度高，算法灵活，缺点是对处理器的要求高，可靠性较低，数据量大，故难于实现;
3）混合式：
混合式多传感器信息融合框架中，部分传感器采用集中式融合方式，剩余的传感器采用分布式融合方式。
混合式融合框架具有较强的适应能力，兼顾了集中式融合和分布式的优点，稳定性强。
混合式融合方式的结构比前两种融合方式的结构复杂，这样就加大了通信和计算上的代价。
*5.论述并说明现代精密仪器设计的基本原则都涵盖哪些方面？
答：
为了减少仪器误差,保证仪器精度,在设计时应考虑以下原则:
1.从原理上提高精度的原则
①误差平均原理。
如采用多次重复测量,取平均误差,以提高测量精度。
又如采用
密珠滚珠导轨、静压导轨均化误差等。
②位移量同步比较原理。
即采用不同方法对同一量位移同步运动的方法进行比较
的原理。
③误差补偿原理。
通过校正、补偿环节,使仪器中的系统误差减小或消除,从而提高
仪器的精度。
2.阿贝原则
将仪器的读数刻线尺,安排在被测尺寸线的延长线上,即被测量与仪器作读数用的基
准线应顺次排成一条直线。
3.运动学设计原理
空间体具有6个自由度,根据物体要求运动的方式,即要求的自由度数,确定施加的
约束数。
4.变形最小原则
使仪器当受力、重力、热、内应力、振动等作用时变形最小。
5.基面合一原则
零件设计时,设计基准、加工基准、检验基准、装配基准要统一。
6.最短传动链原则
影响测量精度的测量链系统和传动效率的传动链最短,零件最少。
7.精度匹配原则
在分析精度的基础上,对机、光、电各部分精度分配恰当,对各部分提出不同的精度
要求。
8.仪器零部件的标准化、系列化、通用化原则
9.仪器可靠性、安全、维修与操作方便原则
10.结构工艺性好原则
11.造型与装饰宜人原则
12.价值系数最优原则
产品的功能与产品成本之比,反映了社会产品价值的高低。
*6.精密仪器的产品设计有哪3种类型？
答：
其产品设计有以下3种类型:
1.创新设计
新产品设计根据市场需要进行创新性开发新产品。
根据所开发产品的品种,拟定出
新的方案原理进行设计。
2.适应性设计
已有的产品已不满足市场的需要,在保留原理方案的基础上,为适应市场的需要,往
现代精密仪器设计
往对系统、部件进行重新的设计。
3.变型设计
基本保留原产品的功能、方案原理和结构,只是改动尺寸大小或结构布局的设计,形
成系列产品。
*7．测控仪器在总体设计方案中要考虑哪些主要问题？
答：
⑴设计任务分析⑵创新性设计⑶测控仪器若干设计原则的考虑⑷测控仪器若干设计原理的讨论⑸测控仪器工作原理的选择和系统设计⑹测控系统重要结构参数与技术指标的确定⑺仪器总体的造型设计。
*8.阿贝误差的补偿方法有哪些？
答：
可采用动态跟踪测量补偿与定点测量补偿法。
*9.屏蔽的结构形式都有哪些？
答：
①屏蔽罩②屏蔽栅网③隔舱④导电涂料⑤屏蔽铜箔。
*10.精密仪器的信号转换与传输原理的选择都包括哪些？
答：
⑴按传感器转换功能不同，可选择位置检测或数值检测⑵按传感器对原始信号感受方向不同，可选择机械式、非接触式和直接引入式⑶按传感器转换放大原理不同，可选择机械式、光学式、光电式、电学式或气动式等。
*11.论述并说明现代精密仪器设计的程序包括那几个方面？
答：
具体的设计程序可归纳如下:
（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:
在明确设计任务和深入调查之后,就可进行总体方案的构思和设计。
总体设计包括:
①实现功能的分析;
②确定信号转换原理与流程;
③确定有关机、光、电、算系统的配合并建立数学模型;
④主要参数的确定
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