測控儀器設計(第2版)課后習題答案_浦昭邦_王寶光(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 它將影響導軌的接觸變形。因此要求接觸積大于80%。為此，要有粗糙度指標。 對滑動摩擦導軌、動導軌 ；靜導軌=— 對滾動摩擦導軌 3）實際上因導軌引起的誤差是很復雜的。以單軸方向導軌為例：其存在扭擺（Raw）誤差、俯仰 (Pitch) 誤差和偏轉(Roll)誤差，此外還有兩維平行度(Straightness)誤差、線性（Linear）誤差。 1）滑動摩擦導軌 兩導軌面間直接接觸形成滑動摩擦。 2）滾動導軌 動靜導軌面間有滾動體，形成滾動摩擦。 3）靜壓導軌 兩導軌面間有壓力油或壓縮空氣，由靜壓力使動導軌浮起形成液體或氣體摩擦。 4）彈性摩擦導軌 利用材料彈性變形，使運動件做精密微小位移。這種導軌僅有彈性材料內分子間的內摩擦。、基座與支承件的基本要求是什么？1) 支承件的結構特點和設計要求基座立柱 結構尺寸較大， 結構比較復雜， 要承受外載荷及其變化，受熱變形影響較大。 A要具有足夠的剛度，力變形要小 B穩定性好，內應力變形小 C熱變形要小 D良好的抗振性相應措施A剛度設計常采用的方法有模擬試驗法（仿真試驗）、量綱分析法和有限元分析法。有限元分析已有成熟的分析軟件可借用。采用正確的結構設計也是保證支承件剛度的重要手段。 B對鑄造的基座和立柱要進行時效處理，以消除內應力，減少應力變形。時效處理的方法有兩種，即自然時效和人工時效。 C嚴格控制工作環境溫度, 控制儀器內的熱源, 采取溫度補償措施 D在滿足剛性要求情況下，盡量減輕重量，以提高固有頻率，防止共振；如合理地選擇截面形狀和尺寸，合理地布置肋板或隔板以提高靜剛度；減小內部振源的振動影響，如采用氣體、液體靜壓導軌或軸系；對驅動電動機的振動加隔離措施；對運動件進行充分潤滑以增加阻尼等；采用減振或隔振設計，如彈簧隔振、橡膠隔振、氣墊隔振等。 2) 支承件的結構設計內容剛度設計 1)有限元分析法： 此分析法是一種將數學、力學與計算機技術相結合的對支承件剛度和動特性進行分析的一種方法；2)仿真分析法： 對結構形狀復雜的支承件，可采用模型仿真，雖然花費些物力和時間，但得出的結果與實際比較接近。結構設計 1）正確選擇截面形狀與外形結構：構件受壓時變形量與截面積大小有關；受彎、扭時，變形量與截面形狀有關。參閱表41橫截面積相同時不同斷面形狀慣性矩的比較進行設計2）合理地選擇和布置加強肋，以增加剛度，參閱表411所示各種肋條(板)的形狀及其優缺點3）正確的結構布局，減小力變形4）良好的結構工藝性，減小應力變形5）合理地選擇材料 通常要求基座及支承件的材料具有較高的強度和剛度、耐磨性以及良好的鑄造、焊接以及機械加工的工藝性參閱表412 支承件常用材料性能及改善措施6)基座與支承件的壁厚、肋板、肋條厚度設計可參閱表4什么是主軸的回轉精度？主軸系統設計的基本要求是什么？主軸回轉精度 包括：徑向、軸向、傾角、端面誤差運動。①徑向誤差運動—包括傾角運動和純徑向運動之和。②徑向跳動—包括徑向誤差運動及偏心和圓度誤差③端面誤差運動—軸向誤差運動④端面跳動端面誤差運動及端面與軸線的垂直度、平行度。主軸回轉精度 定義：指旋轉體回轉軸線相對于其軸線平均線的位置變動。基本要求 A主軸回轉精度造成回轉誤差的原因 是主軸和軸承的尺寸誤差、形狀誤差、裝配誤差及剛度、潤滑、阻尼等因素綜合作用的結果。B主軸剛度 提高主軸剛度的措施：①加大主軸直徑，但導致機構尺寸加大。—2倍②合理選擇支撐跨距③縮短主軸懸伸長度a / l0=1/2—1/4④提高軸承剛度 C主軸系統振動 引起原因：傳動軸與主軸連接方式不好；主軸上的零部件不平衡。因此，不能采用剛性連接的方法。一般采用彈性元件連接，以力偶的方式傳遞D主軸系統的熱穩定性減小力變形 主軸設計應形狀簡單，避免產生應力變形。主軸上的緊固件盡量少，以減小夾緊應力產生變形。必要時應設計有凸肩。E壽命、提高主軸系統的剛度有幾種方法？①加大主軸直徑，但導致機構尺寸加大。—2倍②合理選擇支撐跨距③縮短主軸懸伸長度a / l0=1/2—1/4④提高軸承剛度 、密珠軸系有何特點？1．密珠軸承軸系的特點及結構 密集的滾珠近似于多頭螺旋排列，每個滾珠公轉時有自己滾道，互不重復。滾珠裝配時過盈，相當于預加載荷，起到消除間隙，減小幾何形狀誤差。這種軸系成本低，使用方便，壽命長，精度高，但承載能力不大。2．密珠軸承設計要點滾珠的密集度：適當提高滾珠密集度，即增加滾珠數量，可以使主軸的“飄移”有所改善，所以，提高滾珠的密集度是有好處的。但過多的增加不僅使結構尺寸增大，而且摩擦力矩隨之增大，影響主軸運動的靈活性。一般根據受力情況按公式（447）、式（450）計算，再考慮結構的可能性和過盈量確定滾珠數量。滾珠的排列方式：排列方式必須滿足每個滾珠的滾道互不重疊，并在直徑方向上滾珠的配置成對稱的原則。過盈量的確定過盈量能補償軸承零件的加工誤差，提高軸系的回轉精度和剛度。過盈量過小則不能消除軸承間隙，回轉精度和剛度均下降；過盈量太大，則摩擦力矩增大，軸系轉動的靈活性降低，主軸、軸套、滾珠的磨損加快，還容易引起軸、套和滾珠的塑性變形，破壞原有幾何形狀的正確性，同樣會引起回轉精度下降。、液體動壓滑動軸系獲得液體摩擦的條件是什么？使用時應注意什么？動壓軸承獲得油動壓的條件是： 1）在結構上，軸承必須有斜楔。主軸只有向斜楔減小方向轉動時，才會產生油動壓，若主軸轉動速度高，則油膜加厚。因此為保證主軸有高的回轉精度，轉速應均勻。不允許向斜楔增大方向轉動，這時沒有油動壓，主軸與軸承剛性接觸，而產生磨損。 2）軸系在轉動之前必須加有一定粘度的潤滑油，進行充分潤滑。潤滑油不能隨便代替，必須用圓度儀主軸專用油。、氣體靜壓導軌有哪些類型？各有何特點？閉式平面導軌型 導軌精度高，剛性大，承載能力也大，最適于作精密機械的長行程導軌。經過研磨，使導軌面的精度和導軌與工作臺之間的間隙達到所需要的數值 。閉式圓柱或矩形導軌型 結構簡單，零件的精度可由機械加工保證。隨著工作臺的移動，導向圓軸可能產生撓度，故不適用做長導軌，可用于高精度、高穩定性的短行程工作臺的導軌。開式重量平衡型 這是工作臺重量（包括負載）與空氣靜壓相平衡保持一定間隙的一種形式，其結構簡單、零件加工也比較容易。但剛度小，承載能力低，可用于負載變動小的精密儀器和測量儀器。 開式真空吸附平衡型 其結構與重量平衡型相同。由真空泵的真空壓力來限制工作臺的浮起量，因此，可以減少工作臺浮起間隙量，甚至可以減少到1μm，故可提高剛度。常在微細加工設備中應用。如250CC型圖形發生器X向導軌，就是用氣墊中心真空吸附加載的，在氣墊外環有氣浮平衡以保持間隙。 、什么是微位移技術？柔性鉸鏈有何特點？微位移技術是一行程小、分辨力和精度都很高的技術，其精度要達到亞微米和納米級。通常把應用微位移技術的系統稱為微系統，它由微位移機構、精密檢測裝置和控制裝置三部分組成。柔性鉸鏈用于繞軸作復雜運動的有限角位移，它的特點是：無機械摩擦、無間隙、運動靈敏度高。利用柔性鉸鏈原理研制的角度微調裝置，在3′的角度范圍內，達到了107（176。）的穩定分辨率。近年來，柔性鉸鏈又在精密微位移工作臺中得到了實用，并被廣泛地用于陀螺儀、加速度儀、精密天平等儀器儀表中。柔性鉸鏈有很多種結構，最普通的形式是繞一個軸彈性彎曲，這種彈性變形是可逆的。、采用柔性鉸鏈的微動工作臺與其它方案相比有何優點？（一）設計要求 1）微動工作臺的支承或導軌副應無機械摩擦、無間隙。 2）具有高的位移分辨率及高的定位精度和重復性精度。 3）具有高的幾何精度，工作臺移動時直線度誤差要小，即顛擺、扭擺、滾擺誤差小，運動穩定性好。 4）微動工作臺應具有較高的固有頻率，以確保工作臺具有良好的動態特性和抗干擾能力。 5）工作臺最好采用直接驅動，即無傳動環節，這不僅剛性好，固有頻率高，而且減少了誤差環節。 6）系統響應速度要快，便于控制。（二）精密微動工作臺設計中的幾個問題 （1）導軌形式的選擇 在微動工作臺微位移范圍內，要求工作臺有較高的位移分辨率，又要求響應特性好。因此要求導軌副導向精度高。▼滑動摩擦導軌摩擦力不是常數，動、靜摩擦系數差較大，有爬行現象，運動均勻性不好。 ▼滾動摩擦導軌雖然摩擦力較小，但由于滾動體的尺寸一致性誤差、滾動體與導軌的形狀誤差會使滾動體與導軌面間產生相對滑動，使摩擦力在較大范圍內變動，即動、靜摩擦力也有一定差別，也有爬行現象產生，但運動靈活性好于滑動導軌。 ▼彈性導軌，包括平行片簧導軌和柔性支承導軌，它們無機械摩擦，無磨損，動、靜摩擦系數差很小，幾乎無爬行，又無間隙，不發熱，可達到很高的分辨率，是高精度微動工作臺常用的導軌形式，但它們行程小，只適合用于微位移。 ▼空氣靜壓導軌，這種導軌導向精度高，無機械摩擦、無磨損、無爬行，又具有減震作用，但成本較高。 ▼在要求既要大行程，又要高精度微位移情況下，可采用粗、細位移相結合的方法。大行程時用步進電動機以機械減速機構推動工作臺在空氣靜壓導軌上運動，而微位移時用壓電器件推動工作臺以彈性導軌導向運動。（2）微動工作臺的驅動 微工作臺的驅動可采用如下方法： ▼電機驅動與機械位移縮小裝置(杠桿傳動、齒輪傳動、絲杠傳動、楔塊傳動、摩擦傳動)相結合，這是一種常規方法，但結構復雜、體積大、。適于大行程，中等精度微位移場合。 ▼電熱式和電磁式機構較簡單，但伴隨發熱，易受電磁干擾，難以達到高精度，行程較大，可達數百微米。 ▼壓電和電致伸縮器驅動不存在發熱問題，穩定性和重復性都很好，分辨力可達納米級。但行程小，一般為幾十微米。 （3）微動工作臺的控制 微動工作臺的控制有開環控制和閉環控制，并配有適當的誤差校正和速度校正系統。對于閉環控制還要有精密檢測裝置。用微機進行控制具有速度快、準確、靈活、便于實現精密微工作臺與整機的統一控制等優點，是目前發展的主要方向。、微驅動技術有哪些方法？一．壓電及電致伸縮器件 壓電器件和電致伸縮器件是近年來發展起來的新型微位移器件，它結構緊湊，體積小，位移分辨力高，控制簡單，不發熱，抗干擾性強，因而是理想的微位移器件，二．在微位移器件中壓電及電致伸縮器是應用逆壓電效應或電致伸縮效應工作的壓電微位移器件是用逆壓電效應工作的，廣泛用于激光穩頻、精密微動及進給等。對壓電器件要求其具有壓電靈敏度高、行程大、線性好、穩定性好和重復性好等。電磁驅動器是用電磁力來驅動微工作臺。微工作臺可用平行片簧導軌導向，也可用金屬絲懸掛導向。原理見圖496。通過改變電磁鐵線圈的電流來控制電磁鐵的吸引力，克服彈簧的作用力，達到控制工作臺微位移的目的。電磁微驅動器方法簡單，驅動范圍大，但線圈通電流后易發熱，易受電磁干擾。、試述壓電效應和電致伸縮效應在機理上有何不同？ 簡單說壓電效應分正壓電效應（順壓電效應）和逆壓電效應（電致收縮效應）。前者是機械能轉變為電能，后者是電能轉變為機械能。具體說：當某些物質沿其某一方向被施加壓力或拉力時，會發生變形，此時這種材料的兩個表面將產生符號相反的電荷；當去掉外力后，它又重新回到不帶電狀態，這種現象叫壓電效應。有時，也把這種機械能轉變為電能的現象稱為正壓電效應或順壓電效應。反之，在某些物質的極化方向上施加電場，它會產生機械變形，當去掉外加電場后，該物質的變形隨之消失，這種電能轉變為機械能的現象，稱為逆壓電效應或電致收縮效應。、試總結各種微位移機構的原理及特點。柔性支承一壓電器件驅動的微位移機構 這種機構是一種新型微位移機構，微移動工作臺被安裝在柔性支承上；壓電元件在電壓驅動下可精密伸長與縮短，并推動柔性支承與工作臺一起位移。由于柔性支承無間隙、無摩擦、不發熱，而壓電驅動精度高、無噪聲、不受溫度和電磁場影響、體積小、不老化，～。 平行片簧導軌一電壓器件驅動的微位移機構 微工作臺由平行片簧導向，壓電器件驅動，無間隙，無摩擦。微位移時片簧產生的彈性變形，即為工作臺的微位移。，方法簡便，精度高，是常用的微位移機構。 滾動導軌一壓電器件驅動 滾動導軌是精密儀器中常用的導軌形式，它具有運動靈活、行程大、結構較簡單、精度較高等優點。用壓電器件驅動，可以得到高的位移分辨力。這種組合的微動工作臺，易于實現大行程及微位移的結合。 平行片簧導軌一步進電機及機械式位移縮小機構驅動 微位移機構用平行片簧導軌，驅動采用步進電機，為獲得微位移，需將步進電機的輸出用機械式位移機構縮小，如用精密螺旋傳動、彈性傳動、齒輪傳動、楔塊傳動等。平行彈簧導軌一電磁位移器驅動 為克服絲杠螺母機構的摩擦和間隙，可采用電磁驅動的彈簧導軌微動工作臺，其原理見圖492。微動工作臺用平行片簧導向，在工作臺端部固定著強磁體，如坡莫合金制成的小片，與坡莫合金小片相隔適當的間隙裝有電磁鐵，通過電磁鐵的吸力與上述平行片簧導軌的反力平衡，進行移動工作臺的定位。氣浮導軌一步進電機及摩擦傳動 彈性導軌是為解決高分辨力而采用的，但行程小。為解決大行程和亞微米分辨力的矛盾，可采用氣浮導軌。氣浮導軌精度高，極靈敏，無摩擦，無磨損，運動平穩。摩擦傳動無振動，運動平穩，縮小比大，定位精度可達177。圖493是用于分步重復照相機上的氣浮導軌—步進電機及摩擦傳動工作臺。二維XY雙向微位移工作臺 由于常用的壓電和電致伸縮傳感器本身的最大伸長量為8～25μm，不能滿足寬范圍微位移工作臺的要求，故常采用一級或兩級杠桿放大機構，以達到寬范圍的位移。 X、Y雙向微位移部分，互相垂直地設計在同一整體結構平面內，其中X向微位移部分，剛性地嵌套在Y向微位移部分工作臺之內，即內層為X向工作臺，外層為Y向工作臺。通過二級杠桿放大機構驅動，可以實現無爬行、無蠕動、無轉角的大范圍移動。[51] 測控電路一般由哪幾部分組成？各有什么作用