精密仪器习题库.docx
- 文档编号:16176917
- 上传时间:2023-07-11
- 格式:DOCX
- 页数:16
- 大小:304.36KB
精密仪器习题库.docx
《精密仪器习题库.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《精密仪器习题库.docx(16页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
精密仪器习题库
第一章
1、仪器的类型有几种?
测量仪器、控制仪器、计算仪器
2、从计量测试仪器可分为几种?
(1)几何量计量仪器2)热工量计量仪器3)机械量计量仪器(4)时间频率计量仪器(5)电磁计量仪器6)无线电参数测量仪器7)光学与声学参数测量仪器8)电离辐射计量仪器
3、按仪器中各部件的功能,仪器由以下几个基本部分组成?
1基准部件2传感器与感受转换部件3放大部件4瞄准部件5信息处理与运算装置6显示部件7驱动控制器部件8机械结构部件
4、对精密仪器的设计要求有哪些?
(1)精度要求
(2)检测效率要求(3)可靠性要求(4)经济性要求(5)使用条件要求(6)造型要求
第二章
1、仪器设计的基本原则有哪些?
一、阿贝(Abbe)原则及其扩展、二、变形最小原则及减小变形影响的措施、三、测量链最短原则、四、基面合一原则、五、精度匹配原则、六、经济原则
2、基面合一原则要求三个基面合一这三个基面分别是?
设计基面、工艺基面、装配基面。
3、阿贝误差产生的本质原因是什么?
分析三坐标测量机测量某一工件时,哪个坐标方向上的各个平面内均能遵守阿贝原理
阿贝原则定义:
为使量仪能给出正确的测量结果,必须将仪器的读数刻线尺安放在被测尺寸线的延长线上。
或者说,被测零件的尺寸线和仪器的基准线(刻线尺)应顺序排成一条直线。
导轨间隙造成运动中的摆角由于标准刻线尺与被测件的直径不共线而带来测量误差
导轨间隙造成运动中的摆角由于标准刻线尺与被测件的直径共线误差微小到可以忽略不计
图3-3所示的三坐标测量机,或其它有线值测量系统的仪器。
很难作到使各个坐标方向或一个坐标方向上的各个平面内均能遵守阿贝原则。
如图3-3所示的三坐标测量机,其测量点的轨迹是测头1的行程所构成的尺寸线,而仪器读数线分别在图示的X、Y与Z直线位置处,显然,在图示情况下测量时,X与Y坐标方向均不遵守阿贝原则。
其中图3-3a)为XZ平面,测头1在该平面内的行程所构成的尺寸线与Z方向读数线共线,但与X方向读数线相距为L,在该平面内不符合阿贝原则。
其中图3-3b)为YZ平面,测头1在该平面内的行程所构成的尺寸线与Z方向读数线共线,但与Y方向读数线相距为L,在该平面内不符合阿贝原则。
4.举例说明应采取何种技术措施减少阿贝误差。
5.设计者从哪些方面考虑才能实现最小变形的原则?
第三章
1、说明分析仪器误差的微分法、几何法、作用线与瞬时臂法各适用在什么情况下,为什么?
微分法若能列出仪器全部或局部的作用方程,那么,当源误差为各特性或结构参数误差时,可以用对作用原理方程求全微分的方法来求各源误差对仪器精度的影响。
微分法的优点是具有简单快速,但其局限性在于对于不能列入仪器作用方程的源误差,不能用微分法求其对仪器精度产生的影响,例如仪器中经常遇到的测杆间隙、度盘的安装偏心等,因为此类源误差通常产生于装配调整环节,与仪器作用方程无关。
几何法能画出机构某一瞬时作用原理图,按比例放大地画出源误差与局部误差之间的关系,依据其中的几何关系写出局部误差表达式。
几何法的优点是简单、直观,适合于求解机构中未能列入作用方程的源误差所引起的局部误差,但在应用于分析复杂机构运行误差时较为困难。
作用线与瞬时臂法基于机构传递位移的机理来研究源误差在机构传递位移的过程中如何传递到输出。
因此,作用线与瞬时臂法首先要研究的是机构传递位移的规律
2、误差的来源与性质
原理误差仪器设计中采用了近似的理论、近似的数学模型、近似的机构和近似的测量控制电路所引起的误差。
它只与仪器的设计有关,而与制造和使用无关。
(1采用近似的理论和原理进行设计是为了简化设计、简化制造工艺、简化算法和降低成本。
(2)原理误差属于系统误差,使仪器的准确度下降,应该设法减小或消除。
(3)方法:
1.采用更为精确的、符合实际的理论和公式进行设计和参数计算2.研究原理误差的规律,采取技术措施避免原理误差。
3.采用误差补偿措施。
制造误差产生于制造、支配以及调整中的不完善所引起的误差。
主要由仪器的零件、元件、部件和其他各个环节在尺寸、形状、相互位置以及其他参量等方面的制造及装调的不完善所引起的误差。
运行误差仪器在使用过程中所产生的误差。
如力变形误差、磨损和间隙造成的误差,温度变形引起的误差,材料的内摩擦所引起的弹性滞后和弹性后效,以及振动和干扰等。
(一)力变形误差
(二)测量力(三)应力变形(四)磨损(五)间隙与空程
(六)温度(七)振动与干扰(八)干扰与环境波动引起的误差
3、误差的特点有:
误差是客观存在的、误差是不确定的、误差真值未知。
4、按误差的数学特征,误差可分为随机误差、系统误差和粗大误差
5、仪器动态精度指标有哪些?
动态偏移误差、动态重复性误差、频率响应精度
6、一个液体温度计的工作原理是利用腔内液体的热膨胀效应,使液柱随温度变化而上升或下降。
请写出它的系统方程的K和τ的表达式和推导过程(假设温度在空间内分布均匀)其中x0:
液柱离参考位置的距离,Ttf:
容器内流体的温度,;Kex:
温度计内流体和玻璃热膨胀系数差值,Vb:
温度计腔体体积,Ac:
毛细管横截面积,U:
容器壁的热传导系数,Ab:
容器壁的热传导面积,ρ:
容器内的流体密度,C:
容器壁的流体热容量
7、二维X-Y双向微位移工作台由于常用的压电和电致伸缩传感器本身的最大伸长量为8~25μm,不能满足宽范围微位移工作台的要求,故常采用一级或两级杠杆放大机构,以达到宽范围的位移。
X、Y双向微位移部分,互相垂直地设计在同一整体结构平面内,其中X向微位移部分,刚性地嵌套在Y向微位移部分工作台之内,即内层为X向工作台,外层为Y向工作台。
通过二级杠杆放大机构驱动,可以实现无爬行、无蠕动、无转角的大范围移动。
7、写出弹簧秤的传递函数中的K,ωn和ξ的具体表达式和推导过程。
其中Ks:
弹簧弹性常数,B:
粘滞系数。
激光投影测量仪如下图所示,试分析其原理误差。
在设计中近似地认为在与光轴垂直方向上激光光束的扫描速度是均匀的,即:
被测工件的直径
激光扫描光束距透镜光轴距离为±x的位置与时间的关系式:
在±x位置上,激光光束在与光轴垂直方向上的扫描速度为:
结论可见实际激光扫描速度v0随着光束离光轴的距离x的不同而变化,且离光轴垂直距离越大,扫描速度越高这就使得该仪器的测得值总是小于被测直径的实际值,从而引起了原理误差。
被测工件直径
原理误差
8、误差分析计算步骤
第一步:
确定误差来源、第二步:
分析每个误差源对仪器精度的影响、第三步:
精度传递和累加
9、激光干涉仪的误差分析
激光干涉仪的工作原理:
微分法的应用
由于表头安装偏心引起的读数误差
O-回转中心O’-几何中心E-偏心距α-主轴的旋转角Δα-读数误差
读数误差
正弦定理
螺旋机构的误差分析
钟表式千分表的齿轮齿条存在哪些源误差?
存在齿轮的安装偏心误差、齿轮周节误差、齿形误差、齿条齿形误差等。
何谓导向精度?
导轨设计有哪些要求?
举出四种导轨组合,并说明其特点。
导向精度动导轨运动轨迹的准确度,直线度。
1)导轨的几何精度—导轨的几何精度包括导轨在垂直平面内与水平面内的直线度,导轨面间的平行度和导轨间的垂直度。
2)接触精度—指动静导轨之间的微观不平度,它将影响导轨的接触变形。
因此要求接触积大于80%。
为此,要有粗糙度指标。
对滑动摩擦导轨、动导轨Ra=0.2-0.8um;
静导轨=0.1—0.4对滚动摩擦导轨Ra<=0.2um
3)实际上因导轨引起的误差是很复杂的。
以单轴方向导轨为例:
其存在扭摆(Raw)误差、俯仰(Pitch)误差和偏转(Roll)误差,此外还有两维平行度(Straightness)误差、线性(Linear)误差。
1)滑动摩擦导轨两导轨面间直接接触形成滑动摩擦。
2滚动导轨动静导轨面间有滚动体,形成滚动摩擦。
3静压导轨两导轨面间有压力油或压缩空气,由静压力使动导轨浮起形成液体或气体摩擦。
4弹性摩擦导轨利用材料弹性变形,使运动件做精密微小位移。
这种导轨仅有弹性材料内分子间的内摩擦。
4.2、基座与支承件的基本要求是什么?
1)支承件的结构特点和设计要求
基座立柱结构尺寸较大,结构比较复杂,要承受外载荷及其变化,受热变形影响较大。
A要具有足够的刚度,力变形要小B稳定性好内应力变形小C热变形要小D良好的抗振性
相应措施
A刚度设计常采用的方法有模拟试验法(仿真试验)量纲分析法和有限元分析法。
有限元分析已有成熟的分析软件可借用。
采用正确的结构设计也是保证支承件刚度的重要手段
B对铸造的基座和立柱要进行时效处理,以消除内应力,减少应力变形。
时效处理的方法有两种,即自然时效和人工时效。
C严格控制工作环境温度,控制仪器内的热源,采取温度补偿措施
D在满足刚性要求情况下,尽量减轻重量,以提高固有频率,防止共振;如合理地选择截面形状和尺寸,合理地布置肋板或隔板以提高静刚度;减小内部振源的振动影响,如采用气体、液体静压导轨或轴系;对驱动电动机的振动加隔离措施;对运动件进行充分润滑以增加阻尼等;采用减振或隔振设计,如弹簧隔振、橡胶隔振、气垫隔振等。
2)支承件的结构设计内容
刚度设计
1)有限元分析法:
此分析法是一种将数学、力学与计算机技术相结合的对支承件刚度和动特性进行分析的一种方法;
2)仿真分析法:
对结构形状复杂的支承件,可采用模型仿真,虽然花费些物力和时间,但得出的结果与实际比较接近。
结构设计
1)正确选择截面形状与外形结构:
构件受压时变形量与截面积大小有关;受弯、扭时,变形量与截面形状有关。
参阅表4-1横截面积相同时不同断面形状惯性矩的比较进行设计
2)合理地选择和布置加强肋,以增加刚度,参阅表4-1-1所示各种肋条(板)的形状及其优缺点3)正确的结构布局,减小力变形4)良好的结构工艺性,减小应力变形5)合理地选择材料通常要求基座及支承件的材料具有较高的强度和刚度、耐磨性以及良好的铸造、焊接以及机械加工的工艺性参阅表4-1-2支承件常用材料性能及改善措施6)基座与支承件的壁厚、肋板、肋条厚度设计可参阅表4-2
4.4、提高主轴系统的刚度有几种方法?
①加大主轴直径,但导致机构尺寸加大。
一般D取锥孔大端直径的1.5—2倍
②合理选择支撑跨距③缩短主轴悬伸长度a/l0=1/2—1/4④提高轴承刚度
4.8、什么是微位移技术?
柔性铰链有何特点?
微位移技术是一行程小分辨力和精度都很高的技术,其精度要达到亚微米和纳米级。
通常把应用微位移技术的系统称为微系统,它由微位移机构、精密检测装置和控制装置三部分组成。
柔性铰链用于绕轴作复杂运动的有限角位移,它的特点是:
无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高。
利用柔性铰链原理研制的角度微调装置,在3′的角度范围内,达到了10-7(°)的稳定分辨率。
近年来,柔性铰链又在精密微位移工作台中得到了实用,并被广泛地用于陀螺仪、加速度仪、精密天平等仪器仪表中。
柔性铰链有很多种结构,最普通的形式是绕一个轴弹性弯曲,这种弹性变形是可逆的。
4.9、采用柔性铰链的微动工作台与其它方案相比有何优点?
(一)设计要求
1)微动工作台的支承或导轨副应无机械摩擦、无间隙。
2)具有高的位移分辨率及高的定位精度和重复性精度。
3)具有高的几何精度,工作台移动时直线度误差要小,即颠摆、扭摆、滚摆误差小,运动稳定性好。
4)微动工作台应具有较高的固有频率,以确保工作台具有良好的动态特性和抗干扰能力。
5)工作台最好采用直接驱动,即无传动环节,这不仅刚性好,固有频率高,而且减少了误差环节。
6)系统响应速度要快,便于控制。
(二)精密微动工作台设计中的几个问题
(1)导轨形式的选择在微动工作台微位移范围内,要求工作台有较高的位移分辨率,又要求响应特性好。
因此要求导轨副导向精度高。
▼滑动摩擦导轨摩擦力不是常数,动、静摩擦系数差较大,有爬行现象,运动均匀性不好。
▼滚动摩擦导轨虽然摩擦力较小,但由于滚动体的尺寸一致性误差、滚动体与导轨的形状误差会使滚动体与导轨面间产生相对滑动,使摩擦力在较大范围内变动,即动、静摩擦力也有一定差别,也有爬行现象产生,但运动灵活性好于滑动导轨。
▼弹性导轨,包括平行片簧导轨和柔性支承导轨,它们无机械摩擦,无磨损,动、静摩擦系数差很小,几乎无爬行,又无间隙,不发热,可达到很高的分辨率,是高精度微动工作台常用的导轨形式,但它们行程小,只适合用于微位移。
▼空气静压导轨,这种导轨导向精度高,无机械摩擦、无磨损、无爬行,又具有减震作用,但成本较高。
▼在要求既要大行程,又要高精度微位移情况下,可采用粗、细位移相结合的方法。
大行程时用步进电动机以机械减速机构推动工作台在空气静压导轨上运动,而微位移时用压电器件推动工作台以弹性导轨导向运动。
(2)微动工作台的驱动微工作台的驱动可采用如下方法:
▼电机驱动与机械位移缩小装置(杠杆传动、齿轮传动、丝杠传动、楔块传动、摩擦传动)相结合,这是一种常规方法,但结构复杂、体积大、定位精度低于0.1μm。
适于大行程,中等精度微位移场合。
▼电热式和电磁式机构较简单,但伴随发热,易受电磁干扰,难以达到高精度,一般为0.1μm左右,行程较大,可达数百微米。
▼压电和电致伸缩器驱动不存在发热问题,稳定性和重复性都很好,分辨力可达纳米级,驱动工作台的定位精度可达0.01μm。
但行程小,一般为几十微米。
(3)微动工作台的控制微动工作台的控制有开环控制和闭环控制,并配有适当的误差校正和速度校正系统。
对于闭环控制还要有精密检测装置。
用微机进行控制具有速度快、准确、灵活、便于实现精密微工作台与整机的统一控制等优点,是目前发展的主要方向。
4.11、试述压电效应和电致伸缩效应在机理上有何不同?
简单说压电效应分正压电效应(顺压电效应)和逆压电效应(电致收缩效应)。
前者是机械能转变为电能,后者是电能转变为机械能。
具体说:
当某些物质沿其某一方向被施加压力或拉力时,会发生变形,此时这种材料的两个表面将产生符号相反的电荷;当去掉外力后,它又重新回到不带电状态,这种现象叫压电效应。
有时,也把这种机械能转变为电能的现象称为正压电效应或顺压电效应。
反之,在某些物质的极化方向上施加电场,它会产生机械变形,当去掉外加电场后,该物质的变形随之消失,这种电能转变为机械能的现象,称为逆压电效应或电致收缩效应。
4.12、试总结各种微位移机构的原理及特点。
1、柔性支承一压电器件驱动的微位移机构这种机构是一种新型微位移机构,微移动工作台被安装在柔性支承上;压电元件在电压驱动下可精密伸长与缩短,并推动柔性支承与工作台一起位移。
由于柔性支承无间隙、无摩擦、不发热,而压电驱动精度高、无噪声、不受温度和电磁场影响、体积小、不老化,因而很容易实现0.l~0.001μm的微位移。
2、平行片簧导轨一电压器件驱动的微位移机构微工作台由平行片簧导向,压电器件驱动,无间隙,无摩擦。
微位移时片簧产生的弹性变形,即为工作台的微位移。
这种微位移机构可以达到O.Olμm的位移分辨力,方法简便,精度高,是常用的微位移机构。
3、滚动导轨一压电器件驱动滚动导轨是精密仪器中常用的导轨形式,它具有运动灵活、行程大、结构较简单、精度较高等优点。
用压电器件驱动,可以得到高的位移分辨力。
这种组合的微动工作台,易于实现大行程及微位移的结合。
4、平行片簧导轨一步进电机及机械式位移缩小机构驱动微位移机构用平行片簧导轨,驱动采用步进电机,为获得微位移,需将步进电机的输出用机械式位移机构缩小,如用精密螺旋传动、弹性传动、齿轮传动、楔块传动等。
5、平行弹簧导轨一电磁位移器驱动为克服丝杠螺母机构的摩擦和间隙,可采用电磁驱动的弹簧导轨微动工作台,其原理见图4-92。
微动工作台用平行片簧导向,在工作台端部固定着强磁体,如坡莫合金制成的小片,与坡莫合金小片相隔适当的间隙装有电磁铁,通过电磁铁的吸力与上述平行片簧导轨的反力平衡,进行移动工作台的定位。
6、气浮导轨一步进电机及摩擦传动弹性导轨是为解决高分辨力而采用的,但行程小。
为解决大行程和亚微米分辨力的矛盾,可采用气浮导轨。
气浮导轨精度高,极灵敏,无摩擦,无磨损,运动平稳。
摩擦传动无振动,运动平稳,缩小比大,定位精度可达±O.1μm。
图4-93是用于分步重复照相机上的气浮导轨—步进电机及摩擦传动工作台。
7、二维X-Y双向微位移工作台由于常用的压电和电致伸缩传感器本身的最大伸长量为8~25μm,不能满足宽范围微位移工作台的要求,故常采用一级或两级杠杆放大机构,以达到宽范围的位移。
X、Y双向微位移部分,互相垂直地设计在同一整体结构平面内,其中X向微位移部分,刚性地嵌套在Y向微位移部分工作台之内,即内层为X向工作台,外层为Y向工作台。
通过二级杠杆放大机构驱动,可以实现无爬行、无蠕动、无转角的大范围移动。
精密机械伺服系统的设计要求和技术指标是什么?
开环系统的主要误差源有哪些?
用什么方法进行误差校正?
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 精密仪器 习题