现代精密仪器设计第三章仪器精度理论ppt课件.ppt

精 密 仪 器 设 计 Design of Precision Instrument,本章内容：3.1 精度基本概念 3.2 仪器误差来源与分析 3.3 仪器误差计算 3.4 精度设计与误差分配,第三章 仪器精度理论,3.1 精度理论基本概念,一、误差（Error）,误差定义及分类这里重点介绍仪器设计中误差理论常用概念与表示方法。,！,1.绝对误差:测得值与被测量真值之差,特点 有大小、方向和量纲；不反映精细程度。,2.相对误差,3.极限误差（精确度）：误差的极限范围,特点 有大小、方向、无量纲；反映精细程度。,特点 有大小、量纲和范围；反映精确度。,二、仪器精度,精度（Accuracy）与误差概念相反；精度高、低用误差来衡量。误差大，精度低；误差小，精度高,精度,准确度系统误差大小的反映；精密度随机误差大小的反映；精确度系统随机 的综合；,1.复现精度（再现精度）,用与标准量（真值或约定值）的偏差来表示的绝对精度，反映仪器精确度。,不同方法、不同地点、不同时间、不同仪器,2.重复精度,同一测量方法和测试条件下，相隔不太长时间，多次测量的结果，反映仪器精密度。,复现精度 重复精度：原因是测定复现精度时所 包含的随机变化因素多于测定重复精度。,3.灵敏度（Sensitivity）输出值与输入值的变化量之比（脉冲量）。,4.分辨率（Resolution）仪器设计中最重要的指标,仪器能够感受、识别或探测的输入量的最小值。,分辨率、精密度、精确度三者关系,！,提高仪器精密度，须相应提高其分辨率；提高仪器分辨率，能够提高仪器精确度（不完全相关）；分辨率一般为仪器精度的 1/3 1/5。,高精度仪器 低分辨率，达不到；低精度仪器 高分辨率，不合理。,3.2 仪器误差的来源,（1）为了获得所需求的仪器精度，必须对影响精度各项因素及误差来源分析并加以控制，以减少对仪器精度影响。（2）影响仪器精度因素较多，应学会从众多因素中找出主要因素。具体问题，具体分析,原理误差 制造误差 运行误差,误差来源,一、原理误差,光机电系统的理论误差、方案误差、机构简化误差、零件原理误差等。,1.理论误差设计中采用理论不完善，或者采用近似理论所致。,自准直仪,举例,理论方程：,由于刻划问题，近似成线性：,2.方案误差采取不同方案造成的误差。,大地测量,2.方案误差采取不同方案造成的误差。,大地测量,3.机构简化误差用简单机构代替复杂机构造成的原理误差。,y=f(x)此函数关系近似为过O点的直线，并用直线代替。例如螺旋机构：,造成原理误差yi,单一化机构多元函数,举例,举例,4.零件原理误差,采用凸轮机构实现：h=f()的运动规律 为减少磨损，将从动杆端设计成半径为 r 的圆球。由此引起的误差：,二、制造误差,零件设计时都有公差（没有公差的零件是不能加工的），从而造成制作中的误差。,遵守基面合一原则,设计基面：零件工作图上注尺寸的基准面工艺基面：加工时，用它定位去加工其他面装配基面：确定零件间相互位置的基准,减少误差,三、运行误差,运行过程中产生仪器内部（内应力、老化）、磨损、外界环境变化（温度、压力、振动）、间隙与空程等。,1.变形误差,(1)原因,反作用力 自重 摩擦力,之一：受力,弹性效应弹性滞后、弹性后效,！,一切材料均有上述现象，只不过大小不同,之二：内摩擦,具体分析有时不可忽略！,(2)变形与载荷性质有关,结论同样载荷、同样零件，拉压变形最小。,(3)接触变形仪器支承点接触 变形最大 对仪器影响最大 措施如：滑动导轨 应进行热处理,(4)自重变形与支点有关，应正确合理选择支点。,梁的支承变形,变形最小（贝塞点）：,右端为零（艾里点）：,中间挠度为零：,中间与C、D等高：,2.磨损与摩擦有密切关系,措施不同材料配合，如轴采用钢；轴套采用铜。,(1)与粗糙度关系,(2)金相结构越接近，磨损越严重,(3)润滑润滑好，磨损降低,跑合磨合,磨损曲线,磨损量,3.间隙与空程引起的误差,在仪器中，间隙与空程是普遍存在的。（a）齿轮传动中的间隙与回差；（b）螺旋转动的空程；（c）轴的间隙；（d）导轨的间隙;,4.温度变化引起的误差,（a）光学系统折射率变化、象抖动等；（b）双频激光干涉仪波长的变化；（c）零件受热变形；,5.振动客观存在的,（a）工件或刻尺抖动仪器对不准；（b）零件抖动；（c）产生内应力；（d）共振；,防止措施,（a）单向运转；（b）提高刚度；（c）降低摩擦；（d）柔性铰链（Flexure hinge）,防止措施,（a）避免间歇；（b）调整自振频率；（c）防振地基、垫；（d）柔性环节（波纹管）,3.3 仪器误差计算,一、误差独立作用原理,仪器输出和零部件参数关系的表达式,零部件有误差时：,其误差为,当,，而,同理,由qi引起的误差,实际输出,结论,（1）一个误差源仅使仪器产生一定的误差；（2）仪器误差是其误差源的线性函数，与其它误差源无关；（3）精度分析时可单独逐个进行分析；,二、微分法,列出仪器作用方程，对方程全微分，求出各因素对仪器误差影响,仪器精度分析常用方法,接触式光学球径仪,R被测样板曲率半径,r 测环半径,h 矢高,a 测环钢珠半径,球径仪测量原理,球径仪是用来测量球面曲率半径的一种仪器 接触式球径仪的测量原理如图所示：假如已知球缺的底圆半径r和矢高，那么球缺的球面半径就可以求出下式 R=r2/2h+h/2，球径仪的测量有环口形和钢球形两种。由于环口形是线接触，容易磨损。改进后的环口由三个已知半径的P的钢球 组成，则 R=r2/2h+h/2 p 正负号的取法：计算凸球面时 取负号，计算凹球面对取正号。,三、几何法,利用几何图形找出误差源造成的误差，求出误差的数值与方向,举例,传动方程：,制造/装配误差,说明：,（1）优点简单、直观；（2）缺点在复杂机构中应用困难；,四、逐步投影法,将主动件原始误差投影到中间构件上，然后再投影到下一个构件上，依次逐步投影，直到从动件，求出机构的位置误差。,举例,主动件 中间件 中间件 从动件,平行四边形机构,要求：AD严格作平移运动，AB CD，1：1,若：ABCD，则,造成转角误差,投影,从动件CD转动力臂,从动件的转角误差：,说明：,（1）从研究原始误差传递着手，比微分法直观；（2）适于分析空间机构；,五、作用线与瞬时臂法,瞬时臂法研究机构传递运动过程及公式，分析误差如何随运动的传递过程而传到示值上去，从而造成示值误差。,机构传递运动规律 原始误差的传递方程式,1.机构传递运动过程及公式,仪器机构传递运动可分为推力传动和摩擦传动两种形式。力和运动都是通过作用线传递，推力传动的作用线是零件接触处的公法线，摩擦力传动的作用线是零件接触处的公切线。,推力传动杠杆、凸轮、齿轮、螺旋等摩擦力传动摩擦轮、带传动等,！,摩擦力传动“打滑”（Ratio不严格）精密仪器多采用推力传动,推力公法线,摩擦力公切线,为了求出机构原始误差造成的示值误差，首先列出运动传递的基本公式,r0主动件回转中心到作用线垂直距离（瞬时臂）l 作用线；dl从动件沿作用线的微小位移；d主动件微小转角；,由上式可以推导出各种机构的传动方程。,举例,（1）圆盘直尺摩擦机构,（2）齿轮传动机构,2.原始误差沿作用线传递的基本公式,步骤,（a）找出各机构运动副上的作用线；（b）求出每个作用线上各个原始误差的作用误差；作用误差原始误差换算到作用线方向上的折合值。（c）求出机构的总误差。,求每个作用线上各原始误差的作用误差有三种情况：,(1)原始误差可以换算成瞬时臂R0误差,(2)原始误差方向与作用线方向相同,(3)原始误差不能换算成瞬时臂误差，且与作用线方向不重合,1)原始误差可以换算成瞬时臂误差,2)原始误差方向与作用线方向相同,如齿形误差（齿形误差就是实际齿轮轮廓和理论轮廓之间的偏差）、度盘、刻尺间的刻划误差以及与杠杆接触的测杆平面不平度等，这些误差方向与作用线方向一致，可以不换算，直接与其它误差相加。,3)原始误差不能换算成瞬时臂误差，且与作用线方向不重合,此时，只能根据几何关系，将原始误差换算到作用线上。,：,实际机构传递运动公式,+,=,=,+,=,=,j,j,j,j,d,j,j,j,d,j,j,0,0,0,0,0,0,0,0,0,d,d,r,d,r,L,d,d,r,d,r,l,d,r,r,3.作用误差向示值误差的传递,1）把每个运动副上各原始误差的作用误差（Fi）换算到示值误差作用线N上；F1n、F2n、F(n-1)n、Fnn 2）乘相应作用线之间的传动比，相加，可得总误差。Fn=F1n i1n+F2n i2n+F(n-1)n i(n-1)n+Fnn,作用线 瞬时臂 传动比 综合 误差总值,六、仪器误差的综合,1.随机误差的合成,2.系统误差的合成,3.系统总误差,举例,仪器误差合成亚微米微位移工作台精度分析,1.工作原理 清华学报,V28,No.5,1988,行程：10m；分辨率：0.01 m,2.影响精度的因素,（1）柔性铰链加工位置误差对工作台几何精度影响,（2）量子误差,数字式测量装置固有的随机误差由于测量装置不能分辩非单脉冲当量以内的误差。,！,（3）激光波长误差,（4）阿贝误差,（5）激光干涉仪光线准直误差,（6）结构死程误差（间区误差）,（7）大气条件对测量精度的影响,（8）机械振动,3.精度综合,（1）定位精度量子和阿贝误差,（2）重复精度量子误差,仪器误差分析与综合举例,主要利用量块与零件相比较的方法，来测量物体外形的微差尺寸，是测量精密零件的常用测量器具。主要技术参数：型号：LG1总放大倍数：约1000倍分度值：0.001mm示值范围：0.1mm测量范围：最大长度180mm仪器的最大不确定度：0.00025mm示值稳定性：0.0001mm测量的最大不确定度：（0.5L/100）m,工作原理：利用光学杠杆的放大原理，将微小的位移量转换为光学影象的移动。,立式光学比较仪工作原理图,立式光学比较仪结构图,3.4 精度设计与误差分配,精密仪器精度设计内容：,研究与分配已知允许误差将误差合理地分配到光、机、电各个部件。,合理指各光、机、电部件的难易程度，不能均分；同时设计过程中，应根据实际情况进行调查，最后落实到零件加工的公差与技术要求。,研究“误差补偿”技术措施以尽可能地扩大允许误差的范围。,一般精密仪器的精度都很高，设计是比较困难的。误差补偿是一种有效方法，使仪器设计进行比较顺利，而不是靠无限地提高零部件本身精度。,！,一、仪器精度的制定依据,1.使用要求和使用场合（即 精度指标与总技术条件）,精密仪器是为用户服务，应把用户要求作为仪器精度制定主要依据。一般是根据被测对象的精度确定。仪器精度1/31/10 被测精度 1/31/10应根据使用场合来确定。由于影响精度因素较多，要对使用场合中使用条件，如环境、测试人员等进行研究以确定具体的精度。灵敏度、分辨率1/31/5 仪器精度,2.实验结果,3.现有的技术水平、条件与实践经验,对有些仪器在精度设计前，最好进行模拟实验；根据模拟实验结果，来确定仪器的精度。,二、仪器精度分配,1.精度分配依据,仪器的精度指标和总技术条件；仪器工作原理光机电系统图、装配图，找出各部分误差源总数及可能采取的补偿措施；工厂生产条件（加工、生产、检测）、技术水平、产品使用条件；国家、部门、行业有关公差标准；经济性,2.精度分配方法,仪器总误差系统误差随机误差,1）系统误差,特点影响较大、数目较少、多为已知 算出原理系统误差，根据工艺水平给出原理误差的公差值，再算出局部系统误差，便可合成总的系统误差。,对系统误差评价（a）总系统误差 仪器允许误差不合理，重新设计；（b）总系统误差 1/3 仪器误差；（c）补偿措施消除或减少系统误差；,2）随机误差,特点数目较多、未知，多采用均方根方法综合 随机总误差仪器总误差s 系统总误差e,等作用原则各零部件误差相等地作用于总误差,不等作用原则,随机误差分配方法,3.公差调整,等作用原则，没有考虑各零部件的实际情况不精确，应通过公差调整达到合理。,公差评定等级,经济公差极限在通用设备上，采用最经济加工方法所达到的精度；生产公差极限在通用设备上，采用特殊工艺装备，不考虑效率因素进行加工所能达到的精度；技术公差极限在特殊设备上以及良好的条件下所达到的精度。,公差调整方法先系统，误差大，易调整；后随机公差调整目标（a）多数在经济公差极限内；少数在生产公差极限内；极个别在技术公差极限内；（b）系统误差公差等价比随机误差高；补偿措施少而经济效果显著。,4.误差补偿,1）误差值补偿法直接减小误差源,分级补偿将补偿的部分分成若干级分别补偿，如加调整垫 连续补偿如导轨镶条，可用以连续调整间隙；自动补偿如误差校正板。,2）误差传递系数补偿法,选择最佳工作区如正弦、正切机构采用小角度；改变误差传递系数改变螺距P，可调整误差传递系数；综合补偿利用光、机、电等技术手段抵消某些误差。,