【文章內(nèi)容簡介】 定場合下帶有普遍性的儀器設(shè)計所遵循的基本準(zhǔn)則與基本原理。 這些設(shè)計原則和設(shè)計原理，根據(jù)不同儀器設(shè)計的具體情況，作為儀器設(shè)計中的技術(shù)措施，在保證和提高儀器精度，改善儀器性能，以及在降低儀器成本等方面帶來了良好的效果。因此，在儀器的總體設(shè)計中，要特別注意的一個重要內(nèi)容就是具體考慮各設(shè)計原則和設(shè)計原理在儀器設(shè)計中應(yīng)如何實現(xiàn)以及采用何種具體措施實現(xiàn)。 阿貝原則 對于線值尺寸測量儀器的設(shè)計，阿貝提出了一條具有指導(dǎo)性的原則，原則指出：為使量儀能正確 給出測量結(jié)果，必須將儀器的讀數(shù)刻線尺安放在被測尺寸線的延長線上。就是說，被測零件的尺寸線和儀器中作為讀數(shù)用的基準(zhǔn)線（刻線基準(zhǔn)）應(yīng)順序排成一條直線。 但在實際設(shè)計中，完全遵守阿貝原則會造成： 測控技術(shù)及儀器專業(yè) 專業(yè)綜合課程設(shè)計 11 1)儀器外廓尺寸過大； 2)多自由度測量儀器很難在所有方向上都遵守阿貝原則； 儀器設(shè)計者在大量的實際工作中進(jìn)一步擴展了阿貝原則的定義。阿貝原則的擴展包含了三重意思，即： 1)標(biāo)尺與被測量一條線； 2)若做不到，則應(yīng)使導(dǎo)軌沒有角運動； 3)若導(dǎo)軌存在角運動，則應(yīng)跟蹤測量算出偏移量加以補償； 遵守這三條中的任意一條，就遵守了 阿貝原則。 在本次設(shè)計中，測頭在 X 方向采用了數(shù)據(jù)采集機構(gòu)，不符合阿貝原則，在設(shè)計過程中應(yīng)盡量減少測頭的延伸長度 以 保證傳遞機構(gòu)的運動精度 ，并考慮是否需要進(jìn)行阿貝誤差補償。 測頭在 Y 方向上，標(biāo)尺光柵和測量線在一條直線上，運動導(dǎo)軌為 雙 V 形滾珠導(dǎo)軌，運動的靈敏度較高，導(dǎo)軌的角運動極小，因此可認(rèn)為是符合阿貝誤差的。而指示光柵和標(biāo)尺光柵的距離又很接近，其誤差可忽略不計 。 變形最小原則 變形最小原則是指盡量避免在儀器工作過程中，因受力變化或因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，并使之對儀器精度 的影響最小。 在儀器工作過程中，無論是受力引起的變形，或是溫度變化或其它原因引起的變形，都是無法避免的。例如：儀器承重變化，引起儀器結(jié)構(gòu)變形而產(chǎn)生測量誤差；溫度變化引起儀器或傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)變化，導(dǎo)致光電信號的零點漂移及系統(tǒng)靈敏度變化。為此，需要著重考慮變形最小原則。 測量鏈最短原則 測量鏈最短原則是指構(gòu)成儀器測量環(huán)節(jié)的構(gòu)件數(shù)目應(yīng)最少。在儀器的整體結(jié)構(gòu)中，凡是直接與感受標(biāo)準(zhǔn)量和被測量信息的有關(guān)元件均屬測量鏈。這類元件對儀器精度影響最大，一般都是 1:1 影響到測量結(jié)果，因此設(shè)計時應(yīng)盡量減少測量鏈環(huán)節(jié)以 提高儀器精度。 測量鏈最短原則，一般只能從原始設(shè)計上加以保證，不能采用補償?shù)姆椒▉韺崿F(xiàn)。如采用電子式位移同步比較原理的儀器可以大大縮短測量鏈，使儀器的精度及其它方面的功能得到大幅度提高。 本設(shè)計中采用了電子式位移同步比較原理，可以大大縮短測量鏈，使儀器的精度及其它方面的功能得到大幅度的提高。測量時，使觸頭和被測齒輪的齒面接觸。在測量過程中，電感傳感器采集觸頭在 X 方向上的微位移信號，光柵傳感器采集導(dǎo)軌運動方向信號，兩路信號同時送入計算機進(jìn)行分析。這就是位移量同步比較原理。 坐標(biāo)基準(zhǔn)統(tǒng)一原則 坐標(biāo)系 基準(zhǔn)統(tǒng)一原則是對儀器群體之間的位置關(guān)系，相互倚賴關(guān)系來說，或主要是針對儀器中的零件設(shè)計及部件裝配要求來說。對零部件設(shè)計來說，這條原則是指：在設(shè)測控技術(shù)及儀器專業(yè) 專業(yè)綜合課程設(shè)計 12 計零件時，應(yīng)該使零件的設(shè)計基面、工藝基面和測量基面一致起來，符合這個原則，才能使工藝上或測量上能夠比較經(jīng)濟地獲得規(guī)定的精度要求而避免附加的誤差。對于部件裝配，則要求設(shè)計基面、裝配基面和測量基面一致。 在本設(shè)計中，標(biāo)準(zhǔn)漸開線的數(shù)學(xué)模型、測量頭的移動、定位球的定位精度等相關(guān)計算最后通過坐標(biāo)變換統(tǒng)一到 XOY 中，從而避免了附加誤差。 精度匹配原則 精度匹配原則是在 對儀器精度分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)儀器中各部分環(huán)節(jié)對儀器精度的影響程度不同，分別對各部分環(huán)節(jié)提出不同的精度要求和恰當(dāng)?shù)木确峙洹? 本次設(shè)計中機械子系統(tǒng)部分誤差權(quán)重較大，光電子系統(tǒng)次之，軟件子系統(tǒng)誤差權(quán)重最小。具體精度分配在精度分析中有詳細(xì)闡述。 經(jīng)濟原則 經(jīng)濟原則在儀器設(shè)計中應(yīng)從以下幾個方面考慮工藝性： 1)合理的精度要求； 2)提高儀器壽命； 3)盡量使用標(biāo)準(zhǔn)件和標(biāo)準(zhǔn)化模塊； 4)合理的調(diào)整環(huán)節(jié)，設(shè)計合理的調(diào)整環(huán)節(jié)，往往可以降低儀器零部件的精度要求，以便降低成本的目的； 5)合理選材。 合理選材是儀 器設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)之一，從減小磨損、減小熱變形、減小力變形、提高剛度及滿足許多物理性能上來說，都離不開材料性能。而不同的材料，其成本差價很大，因此合理選材至關(guān)重要。 測控儀器若干設(shè)計原理討論 平均讀數(shù)原理 在計量學(xué)中，利用多次讀數(shù)取其平均值，通常可以提高讀數(shù)精度。利用這一原理來設(shè)計儀器的讀數(shù)系統(tǒng)，即稱之為平均讀數(shù)原理。這種儀器的每一個讀數(shù)值實際上是由多個讀數(shù)的平均值構(gòu)成，所以精度很高。 比較測量原理 比較測量原理廣泛地應(yīng)用于各種物理量的測量。在電信號的測量中，比較電橋 和比較放大是比較測量的基本形式。它可以消除共模信號的影響，有利于提高測量精度。在光電法測量儀器中雙通道差動比較測量可以有效地減小光源光通量變化的影響。比較測量原理尤其適用于幾何量參數(shù)測量，如漸開線齒形誤差、齒輪切向綜合誤差、螺旋線誤差、凸輪型誤差等的測量。 ① 位移量同步比較 ② 差動比較測量 ③ 零位比較測量 補償原理 測控技術(shù)及儀器專業(yè) 專業(yè)綜合課程設(shè)計 13 儀器精度不可能只依靠加工精度來保證。如果在設(shè)計過程中，恰當(dāng)?shù)牟捎冒ㄑa償、調(diào)整、校正 環(huán)節(jié)等技術(shù)措施，能在提高儀器精度和改善儀器性能方面收到良好的效果。 大型齒輪漸開線齒形誤差在位檢測的主要方法 齒形誤差的主要測量方法有：直角坐標(biāo)法、極坐標(biāo)法原理、標(biāo)準(zhǔn)漸開線法、直線基準(zhǔn)法、標(biāo)準(zhǔn)圓弧法 (會田氏法 )、單面嚙合整體測量法。 直角坐標(biāo)法 直角 坐標(biāo)法是指將被測齒形上的若干點的實際坐標(biāo)與理論坐標(biāo)進(jìn)行比較，計算得出齒形誤差。根據(jù)測量過程中采用的漸開線坐標(biāo)形式，坐標(biāo)法可以分為直角坐標(biāo)法與極坐標(biāo)法。 直角坐標(biāo)法測量漸開線齒形的原理是把被測齒形置于給定的直角坐標(biāo)系中，把測量得到的齒形各點的直 角坐標(biāo)值與其理論坐標(biāo)比較，經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得齒形誤差。這種方法的控制與數(shù)據(jù)處理軟件均比較復(fù)雜，測量精度難以提高。 極坐標(biāo)法的漸開線齒形測量儀，其工作臺在旋轉(zhuǎn)的同時，測頭按漸開線極坐標(biāo)方程()rr?? 沿徑向移動，同時測量實際齒形偏差。此方法測量齒形，不需要切向運動機構(gòu)，可以簡化齒輪測量中心的機械結(jié)構(gòu)，但數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，兩軸位移非線性，對徑向測量系統(tǒng)的精度及測頭相對于齒輪軸線的位置精度要求較高，僅適合中等精度齒形的測量。 標(biāo)準(zhǔn)漸開線法 將被測齒形與儀器產(chǎn)生的理論漸 開線軌跡進(jìn)行比較，從而求出齒形誤差的方法稱為標(biāo)準(zhǔn)漸開線法。用一直尺與基圓盤相切，當(dāng)基圓盤旋轉(zhuǎn)，直尺沿切線方向做無滑動的移動時，直尺與基圓盤的切點相應(yīng)移動，使直尺上的點 A 相對于基圓盤上的點 A? 形成理論漸開線軌跡。若測微儀的測端相對于切點，當(dāng)被測齒形與測端接觸時，就可以使實際齒形與理論漸開線軌跡進(jìn)行比較，從而測得誤差 ff? 。在大齒輪的測量中，理論漸開線軌跡不容易復(fù)現(xiàn)，常用一些簡單的幾何型線，如圓弧和直線來代替理論漸開線作為替代標(biāo)準(zhǔn)。 直線基準(zhǔn)法 測量的基本原理是利用測量頭的直線運動軌跡去逼近齒輪漸開線。如圖 1 所示，測量頭 A 沿 Y 軸方向作直線運動，而且始終保持與齒面接觸。當(dāng)測量頭 A 沿 Y 軸方向做直線運動時，它在 X 軸方向的變化量可以由測微傳感器反映出來。 測控技術(shù)及儀器專業(yè) 專業(yè)綜合課程設(shè)計 14 圖 1 直線基準(zhǔn)法 假設(shè)在齒形工作范圍內(nèi)齒面上任意一點 iM 處的采樣值為 i? ，則 i ? 既包括了齒形誤差信息量 iX? ，又包括 了測量頭的直線運動軌跡與漸開線之間的原理誤差 i? 即iii XX ???? 。 大型齒輪漸開線齒形誤差在位檢測系統(tǒng)工作原理的選擇 直線基準(zhǔn)法的基本原理 我們選擇直線基準(zhǔn)法作為設(shè)計原理，應(yīng)屬于展成法范圍，其原理是利用 測量頭的直線運動軌跡去逼近齒輪漸開線 。在齒形工作范圍內(nèi)，用直線作基準(zhǔn)在位檢測大齒輪漸開線誤差是完全可行的。 選擇直線基準(zhǔn)法主要考慮到以下三點： 1)大型齒輪漸開線輪廓接近直線，在測量范圍內(nèi)原理誤差不大，有利于實現(xiàn)測量原理。 2)隨著齒數(shù)和模數(shù)增大，其原理誤差變化不大，故該測量原理適用范圍廣，具有現(xiàn)實意義。 3)運用該方法易于實現(xiàn)在線測量 ，并且有利于提高大型齒輪在位測量的精度。 測量的基本原理是利用測量頭的直線運動軌跡去逼近齒形漸開線，如圖 1 所示 ： 在齒形工作范圍內(nèi)的齒面上的任意一點 iM ，有 ： 11i xx? ?? ? (1) 式中， ?ix 為齒形誤差信息， ix 為測量頭的直線運動軌跡與漸開線之間的理論誤差。 坐標(biāo)系的建立 為了研究方便，建立三個坐標(biāo)系 ： ? ?1 1 1 1 1,?? O x y z： 其原點 1O 為被測齒輪的軸心，其 1y 軸為 1O 點的漸開線發(fā)生點的連線 ； ? ?2 2 2 2 2,?? O x y z：其原點 2O 為齒廓上的某點（暫定為分度圓上的點），其 2y 軸為在該點處齒廓的切線； 測控技術(shù)及儀器專業(yè) 專業(yè)綜合課程設(shè)計 15 ? ?,?? O x y z ：其原點 O 為通過測量頭球心 A（ A 點位于 2x 軸上）同 2y 軸平行的直線與被測齒中線的交點，顯然 y 軸平行于 2y 軸 ，三坐標(biāo)系的建立如圖 2 所示。 ti? ti? L Rb O1 N y x y1 x1 y2 Mi i? O2 圖 2 三坐標(biāo)系的建立 理論漸開線數(shù)學(xué)模型 測量頭在齒廓上滾動，其軌跡就是理論漸開線齒形的等距漸開線，如圖 3 所示 ， iM點為測量頭與齒輪的接觸點，故 ： 2 1 se c ( )2 bA O d ?? (2) 式中 d 為測量頭直徑， b? 為基圓螺旋角。 圖 3 漸開線生成線 測控技術(shù)及儀器專業(yè) 專業(yè)綜合課程設(shè)計 16 bkM N AN R ??? (3) bbR c o s R s i nk k kx O B P M ? ? ?? ? ? ? (4) bbM 39。= R s i n R c o sk k ky B N N ? ? ?? ? ? (5) 因此在 1 1 1xOy 坐標(biāo)系中，漸開線上任意一點 Mi 的徑矢 1()xR ： 1()( s in ( ) c o s ( ) )( c o s ( ) s in ( ) )0b t i t i t ixb t i t i t iRRR? ? ?? ? ?????????? (6) bR 為基圓半徑， ti? 為齒廓上 iM 處的端面齒形展開角， ti? 為展角， ti? 為壓力角。 坐標(biāo)系變換： 圖 4 直角坐標(biāo)系變換 由 X39。Y39。 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為 XY 坐標(biāo)系時 ： 39。 si nx=x39。 cosy??? (7) si n 39。39。 c osyyx ???? (8) 如若兩坐標(biāo)的原點不同，則需在上式轉(zhuǎn)換后，加上偏移向量 A1， 即式： jiRR izMA??????（ ） （ ） (9) zM 為變換矩陣， iA 為偏移向量。其中 zM?? 一般為下式： c o s ( ) s in ( ) 0s in ( ) c o s ( ) 00 0 1zM???