精密机械与仪器总复习.docx

精密机械与仪器总复习.docx

《精密机械与仪器总复习.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《精密机械与仪器总复习.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

精密机械与仪器总复习

精密机械与仪器总复习

精密机械部分

1、摩擦轮传动

1传动在精密机械中的作用

传递运动:

增速、减速或改变运动的方向。

传递动力:

力或力矩

所有的机械设备都离不开传动

按传动的用途可分为：

（1）力（功率）传动：

（2）示数（测量）传动（3）一般传动。

2.传动起的作用

改变速度的大小：

增速、减速、调速。

改变运动的方向：

顺时针、逆时针、空间变向。

改变运动的方式：

转－－转，转－－移，转－－间歇，转－－摆动。

3、摩擦轮传动的基本原理

摩擦轮传动是利用主动轮与从动轮在直接接触处所产生的摩擦力来传递运动和动力。

4、摩擦轮传动的优缺点（重点）

摩擦轮传动的主要优点

（1）摩擦轮表面光滑传动平稳，传动噪音小

（2）结构简单，制造使用比较方便

（3）传动形式多种多样，适用范围广泛

（4）超载时自动打滑，可防止重要零件损坏

（5）制作无级变速器，平稳无级地改变传动速比

摩擦轮传动的缺点及其特殊要求

（1）需要增加压紧装置（如弹簧等）以产生所需要的压紧力；

（2）弹性变形，传动比变化。

由于压紧力一般比较大，摩擦轮在接触点处将产生弹性变形，使实际传动比不能保持理论值，从而影响传动精度，故在设计时应该采取相应措施，减小压紧力；

（3）传动效率较低，工作表面易被磨损，且易发热，不宜传递大的力矩，故摩擦轮传动常用在传动要求平稳、低速、轻载等场合，且多用于高速级。

二、挠性传动

挠性传动是依靠挠性连接件：

绳子、链、皮带、齿形带等等，间接地将主动轮上的运动和动力传递给从动轮。

这种传动的轮间中心距比较大，而且可以根据需要进行调节。

1、靠摩擦传动的挠性传动

这类传动有：

皮带、弹簧带和绳传动等，依靠挠性传动件与两轮之间的

摩擦力来传递运动和动力。

这类传动的结构简单、传动平稳，且挠性传动件具有缓冲和减振作用。

它的缺点是存在相对滑动，传动比不够准确

2、靠啮合传动的挠性传动

这类有齿形带传动、齿孔带传动和链传动等，依靠挠性传动件上的牙齿

与两轮上的轮齿相互啮合来传递运动和动力，传动比较准确，能避免打滑。

但链传动由于瞬时传动比变化，不能用作精密传动。

3、拖动式挠性传动

这类主要是钢带传动和钢丝传动等，挠性传动件的两端，直接固定在主动件和从动件上，当主动件运动时便拖动从动件随之运动。

它传递运动最准确，但只适用于转角小于360°的传动。

4、皮带传动（重点）

特点：

带传动是一种摩擦传动，它结构简单，传递平稳，噪音小，不需润滑，

过载时能打滑。

分类：

圆带、平带、V带、多锲带、同步带

应用：

常用在传递中心距较大的场合，一般场合下传递的功率<50kW，传动比常用<5。

最大受力位置：

进入小圆时

形状分类：

还有开口传动，交叉传动，半交叉传动。

5、皮带传动的失效形式和设计准则

失效方式：

打滑、磨损、带的疲劳折断

设计准则：

在传递规定的功率时不打滑、具有一定的疲劳强度和寿命

3、齿轮传动（重点中的重点）

1、功能和特点

功能：

变速、准确地传递运动。

齿轮传动是典型的啮合传动，由主动轮推动从动轮来传递任意两轮之间的运动和动力；实现空间、平面的回转运动传递实现回转运动与直线运动的交换。

特点：

齿轮传动的主要参数

模数m、压力角α、传动比i，齿数比u，中心距a，齿宽系数ψd=b/d1等。

精密齿轮传动多为小模数，m≤1.5mm，

精密齿轮要求准确的传递运动

1）采用小模数齿轮，

2）保证传递精度：

控制传递精度和回差

工作可靠、寿命长。

传动比稳定，单级最大传动比为8。

线速度较高，40~150m/s，最高可达300m/s。

加工精度较高，安装也较复杂，造价较高。

2、齿轮传动的类型

①按齿廓曲线分类：

渐开线啮合，摆线啮合，圆弧啮合。

渐开线啮合应用最广。

②按两轴线相互位置分类：

为平行轴圆柱直齿轮和斜齿轮传动，相交轴圆锥直齿轮传动，相错轴螺旋齿轮和蜗杆传动。

③按传动的级数可分类：

为单级传动和多级传动。

其中多级传动又包括由圆柱直齿轮所组成的精密齿轮传动链，渐开线行星传动，摆线针轮传动和谐波齿轮

传动等。

④按齿轮传动的工作条件分类：

闭式传动；开式传动；闭式传动；开式传动

⑤按传动的用途分类：

为力（功率）传动：

足够的强度示数（测量）传动：

保证必须的精度。

一般传动：

对强度和精度要求不够严格

⑥按使用场合分类：

精密齿轮传动：

一般精密机械与仪器中，小功率伺服传动：

用在自动控制系统中。

最常用的齿轮传动是渐开线圆柱直齿齿轮传动

分类：

开式传动：

无防尘罩或机壳，齿轮完全暴露在外，适用于低速传动。

闭式传动：

安装在箱体内，润滑条件好，适用于重要的传动场合。

半开式：

有简单的防护装置，有时大齿轮浸油润滑。

3、齿轮的失效形式、原因、现象、改善措施（重点）

①轮齿折断和弯曲塑性变形

现象：

折断发生在齿根处，轮齿弯曲塑性变形

原因：

齿根弯曲应力大；齿根应力集中

措施：

材料及热处理，增大模数，增大齿根圆角半径，消除刀痕：

喷丸、滚压处理；增大轴及支承刚度。

②齿面点蚀

原因：

轮齿在节圆附近接触应力的变化，表面产生裂纹。

在润滑油的作用下，裂纹加大，会出现接触疲劳产生麻点。

措施：

提高材料的硬度；提高齿面光洁度；提高润滑油的粘度

③齿面磨损

原因：

相对滑动

措施：

加强润滑；开式改闭式传动

④齿面胶合

原因：

高速重载；散热不良；滑动速度大；润滑油膜被破坏，齿面粘连后撕脱

措施：

适当选择齿轮材料，变位，降低齿高；抗胶合能力强的润滑油；材料的硬度及配对

⑤齿面塑性变形

原因：

重载，齿面软

措施：

提高材料的硬度，减小接触应力，改善润滑

防止失效的措施

①、对于静载荷折断：

限制过载和冲击

②、疲劳折断：

增大齿根的过渡圆角，降低表面粗糙度、减轻表面的损伤，采用表面强化的措施。

③、齿面的失效：

⑴提高表面的硬度；

⑵降低表面的粗糙度；

⑶采用高粘度的润滑剂+耐压添加剂，保证清洁

⑷采用变位齿轮；

⑸降低相对滑动速度；

⑹保证配对齿轮具有一定的硬度差。

（HB小-HB大=30~50）

4、齿轮的设计计算准则

开式传动：

按保证齿根弯曲疲劳强度进行计算，考虑磨损的影响适当增大模数（10～15%）

闭式传动：

硬齿面：

按保证齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度进行计算。

软齿面：

齿面接触疲劳强度和弯曲疲劳强度进行计算。

5、轮齿的受力分析

受力分析的目的:

计算齿轮的强度；设计轴及选择轴承的依据

受力分析的几点假设

①、齿轮传递的扭矩恒定，没有冲击和振动。

②、全部载荷由一对轮齿承担，把沿齿宽方向的分布载荷简化为齿宽中点上的集中应力。

③、工作时，主动轮的齿根拨动从动轮齿顶开始，到主动轮齿顶离开从动轮的齿根结束。

6、斜齿圆柱齿轮的受力分析

力的方向

圆周力：

主动轮与转向相反；从动轮与转向相同

径向力：

指向圆心

轴向力：

可用左、右手判断。

主动轮左（右）旋，采用左（右）手握住轴线，使四指方向为齿轮转向，则拇指方向即为轴向力方向。

四、蜗杆传动

特点：

传动比大、传动平稳、可自锁、传动效率低

蜗杆传动的受力分析：

效率：

λ一般在15°到30°

五、杠杆传动

1、杠杆传动的类型、特点和应用

杠杆传动的类型：

常用的有曲柄滑块机构，正弦机构和正切机构等。

杠杆传动是由若干个“杆”状构件用低副（回转副或移动副）联结而成的传动机构。

其优点是：

①机构中所有的运动副都是低副，故组成运动副的元件表面全是圆柱面或平面，因而加工、安装和调整都比较方便，故可获得较高的精度。

②组成运动副的元件间的接触都是面接触，它所承受的单位压力较小，故磨损较小，可靠性较好；

杠杆传动的缺点是：

在相互接触的构件之间存在着间隙，容易使仪器产生误差，特别是在速度较高时还会产生冲击。

杠杆传动在精密仪器中的主要作用是：

①用以改变位移的性质，即把线位移转换为角位移或者相反；

②用于传动放大，即把主动件的微小位移放大为从动件所需要的位移；

③获得线性刻度（等分刻度），即利用杠杆传动的非线性来补偿敏感元件的非线性，从而使示数装置获得线性刻线。

2、正弦机构和正切机构

正弦机构推杆的工作面为一平面，摆杆的工作面为一球面。

而正切机构则相反，推杆工作端是一球面，摆杆工作面为一平面。

正弦机构的传动系数不是一个常数，而是变量，因而其传动特性是非线性的

六、螺旋传动

1、螺旋传动的类型

按用途分类：

⑴传力螺旋、⑵测量螺旋、⑶一般传动螺旋

按性质分类根据接触表面的摩擦性质可分为滑动螺旋传动；滚动螺旋传动；新型螺旋传动，如静压螺旋传动及谐波螺旋传动等。

目前应用最多的是滑动螺旋传动。

2、滑动螺旋传动的特点

⑴降速传动比大

⑵传动精度高，结构简单、紧凑；

⑶牵引力大：

根据功率在一定的条件下降速增矩的原则，给螺杆一个很小的扭矩便可以得到较大的轴向牵引力。

⑷能自锁；

⑸效率低、易磨损、低速存在爬行，不适于高速大功率传动。

效率=30%——60%

3、传动形式的选择

滑动螺旋传动：

⑴螺母固定螺杆转动并移动

螺母本身起着支承作用，可消除螺杆轴承的附加轴向窜动，结构比较简单，可获得较高的传动精度。

缺点是轴向结构尺寸较大，刚性较差。

因此适于行程比较小的情况（一般行程小于25mm）

⑵螺杆转动螺母移动

结构简紧凑，螺杆刚性好，适于工作行程较大的情况，但传动精度低于前一种形式。

例：

机床工作台的运动。

⑶螺母转动螺杆移动

这种传动形式需要限制螺杆的转动和螺母的移动，结构比较复杂，所占轴向空间较大，因此较小应用。

⑷螺杆固定螺母转动并移动

结构简单、紧凑，但在多数场合使用不便，因此应用较少。

（5）差动螺旋差动

补充

弹性滑动：

摩擦轮传动工作时，由于材料的弹性变形，在两轮接触处会产生弹性滑动、打滑。

由于表层金属的弹性变形，引起主动轮与从动轮表面在接触区内产生相对滑动，故称为弹性滑动。

打滑Ff＝Ft，Ff：

接触面的摩擦力之合，Ft：

作用在从动轮上的圆周阻力，当Ft＞Ff时在两轮表面上产生滑动现象，称打滑。

1、皮带传动带的受力分析

工作前：

带以一定的张紧力安装在带轮上，带受初拉力F0

工作时：

由于带与轮的摩擦，形成紧边和松边。

皮带的弹性滑动

原因：

带的弹性、松边与紧边拉力差

定义：

由于带的弹性而产生的带与带轮之间的相对滑动称为弹性滑动。

弹性滑动的特点：

不可避免的

弹性滑动的后果：

速度损失、效率降低、带的磨损

减小弹性滑动的措施：

选用弹性模量大的带材料

皮带的打滑

产生的原因：

外载荷增加，使得

造成的后果:

带的磨损急剧增加、从动轮的转速急剧下降，直至传动失效。

打滑的特点:

可以避免的

提高带传动的措施

“提高摩擦系数；“增加包角--张紧装置“；尽量使带传动在最佳速度下工作；“采用新型带传动；“采用高强度带材料；

齿形带传动的特点

这种传动的优点是：

１）齿形带与带轮间靠啮合传动，无相对滑动，传动比准确，传动精度较高，可做到同步传动；

２）齿形带是经过特殊制造的，强度高、厚度小、重量轻，故可用于高速传动，Vmax可达50m/S；

３）不靠摩擦传动，故小带轮的包角a1和直径D1均可小些；因而单级传动比可达到10；

４）齿形带无需特别张紧，故作用在轴和轴承等上面的载荷均较小，传动效率较高，0.9~0.98：

5）不需润滑，减少润滑污染和节省能量

这种传动的主要缺点是：

齿形带和带轮的制造较复杂，安装精度要求较高，因而成本较高。

齿形带传动的应用

主要用在对传动比要求比较准确的小型精密机械与仪器中，例如电影机械，电子计算机的外围设备、医疗器械、录音机、各种精密测试设备等

蜗杆传动自锁条件

蜗轮蜗杆传动中发生自锁的条件是蜗杆的展开螺旋角小于蜗轮蜗杆接触的摩擦角。

精密仪器部分

1.仪器的功能

要以某种预先知道的精度，完成某项工作。

该工作能以某种方式满足一种功能的需要。

也就是说：

仪器是以约定的精度完成某项功能的若干机械、电路、光路、电磁路等部件的一种系统。

2精密机械系统的组成

1）基准部件：

基准部件是系统总最重要最核心的部分。

该部件觉得了系统的总体精度、重复精度等参数。

基准部件的选择是仪器设计的基础和前提。

2）感受转换部件：

各种传感器；传感器有速度、位移、加速度、声音、光度、颜色、功率、力等。

3）转换放大部件：

严格说是传感系统的一部分，将弱信号放大为可以处理的信号，也将模拟信号转换为数字信号的部分。

4）瞄准部件：

瞄准部件要求是指零准确，一般不做放大作用。

5）处理与计算部分：

常常用单片机、DSP、计算机来实现，是进行信号处理的部分。

6）显示部分：

记录仪、显示器等。

7）驱动控制部分：

运动控制卡、伺服电机、步进电机、控制电路，以及和次相关的电路、信号部分。

8）机械结构部分：

仪器上所有完成运动、控制、和动作的执行器总称。

3、仪器精度（不确定度）：

分为3类（掌握）

1）中等精度：

直线度1～10um，主轴回转精度1～10um，圆分度精度1’’~10’’。

2）高精度:

直线度0.1～1um，主轴回转精度0.1～1um圆分度精度0.2’’~1’’。

3）超高精度：

直线度小于0.1um，主轴回转精度小于0.1um，圆分度精度小于0.1’’.

4、衡量可靠性的参数：

MTBF：

平均故障间隔时间：

两次故障之间的正确工作时间长度：

A：

平均有效度，A=MTBF/（MTBF+MTTR）

MTTR:

产品平均修理时间。

产品不能正常工作的时间。

对一种产品来说，可以用试验的对MTBF作出估计，设某一产品连续试验共运行为Tz时间，期间发生了n次故障，得到其故障间隔平均时间为：

MTBF＝T/n。

5总体方案确定（重点）

基本设计原则

1）阿贝（Abbe）原则：

古典的阿贝原则是：

要使量仪给出准备的测量结果，必须将被测部件布置在基准原件沿运动方向的延长线上。

也就是共线原则。

以例子4说明阿贝原则：

线纹尺的测量过程分析

线纹尺的第一种工作方式：

并联式

线纹尺的第二种工作方式：

串联式

可见，遵守Abbe原则，（上述例子中的并联方法）可以消除一阶误差，提高了仪器的精度。

但使得仪器的结构增大，带来一系列新问题。

由于结构限制，在设计是要严格做到遵守阿贝原则往往很困难，设计时可以考虑减少或消除误差影响的措施

6、不满足阿贝原则下的补偿措施

①首先在结构上采取措施，从设计及工艺上提高导轨的运动精度，减小因为导轨运动不直线性带来的倾角。

从结构布置上，尽量使得读数线（线纹尺、光栅尺、激光等）和被测量的测量线靠近得近些，减少两者之间的相隔距离。

②爱彭斯坦（Epenstein）准则。

（间接补偿）Epenstein原理是：

利用各种机构，使得可能产生的误差相互抵消或削弱，或故意引入新的误差，以减小某些误差的影响。

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位于同一直线上，不可能时，必须使得传送位移的导轨没有角运动，或者必须算出角运动产生的位移，然后用补偿机构给予补偿。

第一条为广义Abbe原则。

布莱恩原则和阿贝原则并列为两个最基本的测量原则和设计原则。

7、运动学设计原则

设空间有6个自由度，自由度S与约束Q的关系为：

S＝6－Q

运动学设计原则：

根据物体运动的方式（自由度要求）按照上述关系确定施加的约束数。

对约束的安排为：

1个平面最多3个约束，1条直线上最多2个约束。

约束为点接触。

并且在同一平面（直线）上的约束点应该尽量离开远些，约束面垂直与约束点。

8、满足运动学设计原则的设计具有的优点

①每个元件是靠最小接触点来约束，触点位置不变，作用在物体上力可知可解，机构可正常工作，定位准确可靠；

②工作表面的粗糙度、磨损和尺寸对约束影响很小，用大公差可以提高精度，降低加工精度，实现精度补偿；

③容易拆卸，重复定位精度高。

9、符合运动学设计的零部件

滑动导轨2，自由度为2.轴系1，自由度为2

轴系2，自由度为2

10、半运动学设计原则

纯粹的点接触是不可能，因此在实际当中实际上是面接触。

若将约束处适当地扩大为一个有限面积，运动学原则不变，称为半运动学设计。

光电系统

1、瞄准的概念

指标之物体与被瞄准物体或其轮廓重合的程度

2、瞄准精度的几种方式

机械、光学、电学、光电、气动。

最高精度的方式是光电。

单实线重合、单线线端对准、虚线对实线、双线线端对准、双线对称跨单线（精度最高）

3、光电探测器的分类

真空光电器件：

光电管、光电倍增管、真空摄像管、变像管、像增强管。

固体光电器件：

光敏电阻、光电池、光电二极管、光电三极管、光电耦合器、光中断器、位置传感器（PSD）、自扫描光电二极管阵列（SSPD）、光电耦合器件（CCD）、半导体晶体管（CMOS）。

4、CCD（光电耦合器件）主要的技术参数

组成：

上层的聚光镜片、中层的色彩网络、下层的感应电子线路矩阵。

参数：

集成度、功耗、读出方式、灵敏度与动态范围、填充系数、价格。

5、LED光源的特点

超低能耗、超长寿命、响应时间短、工作电压低、、视觉照感特点、自选颜色、绿色环保、适用性强、安装简单。

6、投影仪器光路工作原理（P156）

将照明后的被测对象（或其中间对象）经投影物镜放大后成像于屏上进行测量。

7、物像不变原则（仅概念）

8、基于图像处理的自动对焦算法（2种，离焦和对焦距。

）

微位移

1、微位移技术在精密机械与仪器中的4个应用

①、精度补偿、②、微进给、③、微调、④、微执行机构

2.决定单个柔性铰链的性能的2个参数：

半径和厚度

单轴柔性铰链（圆形、矩形）、双轴柔性铰链。

3、机电耦合效应

电致伸缩和压电效应统称为机电耦合效应。

电致伸缩：

电解质在电场作用下，由于感应极化作用而引起应变，应变与电场方向无关，应变大小与电场平方成正比

压电效应：

电解质在机械应力作用下产生的电极化，电极化的大小于应力成正比，方向随应力的方向而改变。

在微位移器件中我们用的是逆压电效应。

4.电磁致动公式的推导（P199）

5.尺蠖式压电机构的运动方式

6.几种常见的微动装置（斜面/差动螺旋等）

①螺旋微动装置：

结构简单，制造较方便，应用广泛

②差动螺旋

③螺旋—杠杆

④螺旋—斜面