光检基本原则.pptx

3)3)根据光源、探测器特性和总体要求根据光源、探测器特性和总体要求根据光源、探测器特性和总体要求根据光源、探测器特性和总体要求设计与之匹配设计与之匹配设计与之匹配设计与之匹配的光学系统的光学系统的光学系统的光学系统（照明系统和光电变换光学系统）。（照明系统和光电变换光学系统）。（照明系统和光电变换光学系统）。（照明系统和光电变换光学系统）。其中包括光学元件材料的其中包括光学元件材料的其中包括光学元件材料的其中包括光学元件材料的 选取，膜系设计等。选取，膜系设计等。选取，膜系设计等。选取，膜系设计等。光源光源目标目标光学系统光学系统探测器探测器2.精度匹配精度匹配 在光电系统的精度设计中，光、机、电各部分的精在光电系统的精度设计中，光、机、电各部分的精度一般应该和系统总精度相匹配，而系统总精度也应与度一般应该和系统总精度相匹配，而系统总精度也应与使用要求相适应，无限制的提高系统的总精度不仅对检使用要求相适应，无限制的提高系统的总精度不仅对检测无益，而且还会导致成本提高，稳定性下降。根据实测无益，而且还会导致成本提高，稳定性下降。根据实际设计经验，拟出以下几条作为设计时参考：际设计经验，拟出以下几条作为设计时参考：1）测量系统的总精度值可根据被测工件的公）测量系统的总精度值可根据被测工件的公差值和同一尺寸被测量的次数或成品筛选的差值和同一尺寸被测量的次数或成品筛选的合格率要求确定。合格率要求确定。一般为：测量系统总精度应为被测工件的公一般为：测量系统总精度应为被测工件的公差值的差值的1/21/10；2).仪器的分辨率（或最小脉冲当量）一般取仪仪器的分辨率（或最小脉冲当量）一般取仪器总精度的器总精度的1/21/5；3).在精度设计时，仪器的总系统误差一般为仪在精度设计时，仪器的总系统误差一般为仪器总误差的器总误差的1/3。例：被测件的公差例：被测件的公差=|0.01-(-0.01)|=0.02mm 则光电检测系统则光电检测系统总精度总精度=(1/21/10)0.02=0.010.002mm仪器的总系统误差仪器的总系统误差=(0.010.002)1/3 mm二阿贝比较原则二阿贝比较原则二阿贝比较原则二阿贝比较原则三运动学原则三运动学原则三运动学原则三运动学原则 原动件数目等于自由度数，按自由度确定约束数。原动件数目等于自由度数，按自由度确定约束数。原动件数目等于自由度数，按自由度确定约束数。原动件数目等于自由度数，按自由度确定约束数。四统一基面原则（设计、工艺、测量基准统一）四统一基面原则（设计、工艺、测量基准统一）四统一基面原则（设计、工艺、测量基准统一）四统一基面原则（设计、工艺、测量基准统一）五最小变形原则五最小变形原则五最小变形原则五最小变形原则使仪器变形小（刚度大、热稳定性好），补偿变形。使仪器变形小（刚度大、热稳定性好），补偿变形。使仪器变形小（刚度大、热稳定性好），补偿变形。使仪器变形小（刚度大、热稳定性好），补偿变形。六经济原则六经济原则六经济原则六经济原则 社会价值社会价值社会价值社会价值V=F/CV=F/C F F：产品功能；：产品功能；：产品功能；：产品功能；C C：成本。：成本。：成本。：成本。要求：功能多、成本低，则价值高。要求：功能多、成本低，则价值高。要求：功能多、成本低，则价值高。要求：功能多、成本低，则价值高。七系列化原则七系列化原则七系列化原则七系列化原则八通用化原则八通用化原则八通用化原则八通用化原则九标准化原则九标准化原则九标准化原则九标准化原则2-1 阿贝比较原则阿贝比较原则 万能工具显微镜万能工具显微镜是一种长度、角度测量仪器，是一种长度、角度测量仪器，精度可以达到精度可以达到1m。测量的结构型式为被测件与标准。测量的结构型式为被测件与标准件并联式。下图为实物图。件并联式。下图为实物图。一结构型式对测量误差的影响一结构型式对测量误差的影响 1.并联型式并联型式（一）导轨无误差（一）导轨无误差（一）导轨无误差（一）导轨无误差,则没影响则没影响则没影响则没影响瞄准显微镜瞄准显微镜M1M2悬臂支架悬臂支架XYZa标准件标准件被测件被测件图图1 并联型式并联型式（二）导轨有误差时（二）导轨有误差时:.悬臂支架沿悬臂支架沿X,Y,Z轴平移轴平移,两个显微镜作同两个显微镜作同样运动样运动,则对测量无影响。则对测量无影响。(导轨有间隙的导轨有间隙的情况情况).悬臂支架悬臂支架 绕绕X、Z轴转动轴转动,则对测量无影响。则对测量无影响。(绕绕X轴转动轴转动,离焦离焦,不影响测量不影响测量;绕绕Z轴转动轴转动,显微镜在显微镜在X方向移动量相同方向移动量相同,不影响测量不影响测量).绕绕Y轴转动轴转动,对测量有影响对测量有影响YXZM1M2M1M21标准件轴线标准件轴线被测件轴线被测件轴线YXZM1M2M1M2标准件轴线标准件轴线被测件轴线被测件轴线1=atg =a(+1/33+2/155+)a (一阶误差一阶误差,即阿贝误差即阿贝误差)例例:令令a=100mm =10 秒化弧度系数秒化弧度系数:=2062652105则则1=a10/=5m 2.2.串联型式串联型式串联型式串联型式 (缺点缺点缺点缺点:体积大体积大体积大体积大)阿贝比长仪也是一种高精度测量长度仪器，精度阿贝比长仪也是一种高精度测量长度仪器，精度阿贝比长仪也是一种高精度测量长度仪器，精度阿贝比长仪也是一种高精度测量长度仪器，精度为为为为1m。测量的结构型式为被测件与标准件并联式。测量的结构型式为被测件与标准件并联式。下图为实物图。下图为实物图。图图1 窜联型式窜联型式被测件被测件标准件标准件M1M2XYZC图图2 串联型式串联型式M1.悬臂支架沿悬臂支架沿X,Y,Z轴平移轴平移,两个显微镜作同样运动两个显微镜作同样运动,则则 对测量无影响。对测量无影响。(导轨有间隙的情况导轨有间隙的情况).悬臂支架绕悬臂支架绕X轴转动轴转动,显微镜离焦显微镜离焦,不影响测量。不影响测量。.绕绕Y轴转动轴转动,对测量有影响对测量有影响2=CCcos =C(1 cos)=C1(12/2！+4/4！)C2/2cM2M1M2XZ2.绕绕绕绕Z Z轴转动轴转动轴转动轴转动,对测量有影响对测量有影响对测量有影响对测量有影响 2 2=OH=OHC C =C/cos =C/cosC C =C(sec =C(sec1)1)=C(1+=C(1+2 2/2/2！+1)1)C C2 2/2/2串联型式绕串联型式绕串联型式绕串联型式绕Y,ZY,Z轴转动引起的总误差：轴转动引起的总误差：轴转动引起的总误差：轴转动引起的总误差：2 2=2 2+2 2=C=C2 2,为二阶误差。为二阶误差。为二阶误差。为二阶误差。瞄准瞄准cM2M1M1ZYHc2瞄准瞄准XO在在在在 很小时很小时很小时很小时,2 2比比比比 1 1小很多小很多小很多小很多(见表见表见表见表21)21)。表表2-1 2-1 不同不同 角时并联与串联安装的误差比角时并联与串联安装的误差比3.3.横向移动式横向移动式横向移动式横向移动式 绕绕绕绕Y,ZY,Z轴转动的测误差轴转动的测误差轴转动的测误差轴转动的测误差(类似于类似于类似于类似于 2 2)Y Y=Z Z=C=C2 2/2/2对固定长度测量方便对固定长度测量方便对固定长度测量方便对固定长度测量方便,属于二阶误差属于二阶误差属于二阶误差属于二阶误差,远小于远小于远小于远小于 1 1 。5522113030101011303010101 1 1 1/2 22.32.35.75.711.511.5 2323696968868813301330416041604000040000HC工件M2M1XYZ标准件瞄准显微镜M1,M2二、导轨不直度与测量误差的关系二、导轨不直度与测量误差的关系二、导轨不直度与测量误差的关系二、导轨不直度与测量误差的关系已知已知已知已知:导轨全长的角误差导轨全长的角误差导轨全长的角误差导轨全长的角误差(秒秒秒秒),),水平、垂直方向分水平、垂直方向分水平、垂直方向分水平、垂直方向分别绘出计算别绘出计算别绘出计算别绘出计算;导轨全长导轨全长导轨全长导轨全长L;L;测量长度测量长度测量长度测量长度;=50mm;L=200mm=50mm;L=200mm。求求求求:测量长度内导轨角误差测量长度内导轨角误差测量长度内导轨角误差测量长度内导轨角误差 解解解解:导轨不直度误差视为半径导轨不直度误差视为半径导轨不直度误差视为半径导轨不直度误差视为半径为为为为R R的圆弧。正比关系的圆弧。正比关系的圆弧。正比关系的圆弧。正比关系 则则则则阿贝误差则阿贝误差则阿贝误差则阿贝误差则 (23)(23)式式式式L全长R式中式中式中式中:a:a为测量轴线到基准轴线的距离。为测量轴线到基准轴线的距离。为测量轴线到基准轴线的距离。为测量轴线到基准轴线的距离。为秒化弧度系数为秒化弧度系数为秒化弧度系数为秒化弧度系数,=210,=2105 5,附录附录附录附录:导轨不直度测量导轨不直度测量导轨不直度测量导轨不直度测量:导轨不直度原因导轨不直度原因导轨不直度原因导轨不直度原因:应力应力应力应力(时效时效时效时效)变形变形变形变形(重力重力重力重力)导轨不直度误差视为半径为导轨不直度误差视为半径为导轨不直度误差视为半径为导轨不直度误差视为半径为R R的圆弧的圆弧的圆弧的圆弧,其测量方其测量方其测量方其测量方法是用自准直仪测量法是用自准直仪测量法是用自准直仪测量法是用自准直仪测量,反射镜每在一个位置反射镜每在一个位置反射镜每在一个位置反射镜每在一个位置,就在自就在自就在自就在自准直仪上读数准直仪上读数准直仪上读数准直仪上读数x xi i,即为所测即为所测即为所测即为所测 i i。2NN反射镜反射镜望远镜望远镜R原理原理原理原理:刻普勒望远系统刻普勒望远系统刻普勒望远系统刻普勒望远系统,物镜与目镜的公共焦面上设物镜与目镜的公共焦面上设物镜与目镜的公共焦面上设物镜与目镜的公共焦面上设置有十字线分划板置有十字线分划板置有十字线分划板置有十字线分划板,上面的十字线经物镜、反射镜上面的十字线经物镜、反射镜上面的十字线经物镜、反射镜上面的十字线经物镜、反射镜,再返回物镜成实像在公共焦面上再返回物镜成实像在公共焦面上再返回物镜成实像在公共焦面上再返回物镜成实像在公共焦面上,物、像之间垂直物、像之间垂直物、像之间垂直物、像之间垂直距离为距离为距离为距离为x xi i,x xi i=f=f1 1tg2ftg2f1 122不直度不直度i=(秒秒)应光应光应光应光图图图图1436 P4091436 P409xi2f1-f2目镜目镜L2物镜物镜L1视场光栏视场光栏三三.结论结论结论结论1.1.只有当导轨存在不直度误差只有当导轨存在不直度误差只有当导轨存在不直度误差只有当导轨存在不直度误差,且标准件与被测件轴线不重合且标准件与被测件轴线不重合且标准件与被测件轴线不重合且标准件与被测件轴线不重合 才产生阿贝误差才产生阿贝误差才产生阿贝误差才产生阿贝误差(一阶误差一阶误差一阶误差一阶误差)。2.2.阿贝误差按垂直面、水平面分别计算。阿贝误差按垂直面、水平面分别计算。阿贝误差按垂直面、水平面分别计算。阿贝误差按垂直面、水平面分别计算。3.3.在违反阿贝原则时在违反阿贝原则时在违反阿贝原则时在违反阿贝原则时,测量长度为测量长度为测量长度为测量长度为 的工件所引起的阿贝误差的工件所引起的阿贝误差的工件所引起的阿贝误差的工件所引起的阿贝误差 是总阿贝误差的是总阿贝误差的是总阿贝误差的是总阿贝误差的/L /L 。4.4.为避免产生阿贝误差为避免产生阿贝误差为避免产生阿贝误差为避免产生阿贝误差,在测量长度时在测量长度时在测量长度时在测量长度时,标准件轴线应安置在标准件轴线应安置在标准件轴线应安置在标准件轴线应安置在被测件轴线的沿长线上被测件轴线的沿长线上被测件轴线的沿长线上被测件轴线的沿长线上阿贝原则。阿贝原则。阿贝原则。阿贝原则。(要串联要串联要串联要串联,不要并不要并不要并不要并联联联联)。5.5.满足阿贝原则的系统满足阿贝原则的系统满足阿贝原则的系统满足阿贝原则的系统,结构庞大。结构庞大。结构庞大。结构庞大。问题：问题：问题：问题：能否找到一种既采用并联，体积小（长度短），又没能否找到一种既采用并联，体积小（长度短），又没能否找到一种既采用并联，体积小（长度短），又没能否找到一种既采用并联，体积小（长度短），又没有阿贝误差的系统？有阿贝误差的系统？有阿贝误差的系统？有阿贝误差的系统？答案是肯定的：误差补偿。见答案是肯定的：误差补偿。见答案是肯定的：误差补偿。见答案是肯定的：误差补偿。见“艾宾斯坦原理艾宾斯坦原理艾宾斯坦原理艾宾斯坦原理”四四四四.艾宾斯坦原理艾宾斯坦原理艾宾斯坦原理艾宾斯坦原理棱镜、透镜原理棱镜、透镜原理棱镜、透镜原理棱镜、透镜原理 这种仪器解决用较短的工作台这种仪器解决用较短的工作台这种仪器解决用较短的工作台这种仪器解决用较短的工作台(标准件与被测件标准件与被测件标准件与被测件标准件与被测件并联并联并联并联)，在测量长度时不产生阿贝误差。，在测量长度时不产生阿贝误差。，在测量长度时不产生阿贝误差。，在测量长度时不产生阿贝误差。如下图，投影测长机就是这一原理的例子。如下图，投影测长机就是这一原理的例子。如下图，投影测长机就是这一原理的例子。如下图，投影测长机就是这一原理的例子。测长机主要组成部分测长机主要组成部分1.底座底座 2.头座微动装置头座微动装置 3.测量头座组测量头座组 4.万能工作台万能工作台 5.V型支架组型支架组 6.测量尾座测量尾座5（床身）（床身）6（毫米刻尺）（毫米刻尺）4（头架）（头架）3（读数显微镜）（读数显微镜）2（光学计）（光学计）1（被测件）被测件）7（分米分划板）（分米分划板）图图2-6 测长机示意图测长机示意图8（尾架）（尾架）1002001000900800(一一一一).).导轨制造误差导轨制造误差导轨制造误差导轨制造误差 转变为测量位置的阿贝误差转变为测量位置的阿贝误差转变为测量位置的阿贝误差转变为测量位置的阿贝误差:1 1=CD=CD =DB+C B=DB+C B =(Hsin+cos)=(Hsin+cos)=Hsin=Hsin2sin2sin2 2(/2)(/2)H2/2lH12S(透镜焦点透镜焦点)S(透镜透镜2焦点焦点)S测量轴线测量轴线刻尺分划面（标准轴线）刻尺分划面（标准轴线）AA工件长工件长aBDHSSf0100透镜透镜1透镜透镜22CB(二二二二).).棱镜、透镜原理棱镜、透镜原理棱镜、透镜原理棱镜、透镜原理(艾宾斯坦原理艾宾斯坦原理艾宾斯坦原理艾宾斯坦原理)消除阿贝误差消除阿贝误差消除阿贝误差消除阿贝误差 分米双刻线在头座毫米分划板上的分米双刻线在头座毫米分划板上的分米双刻线在头座毫米分划板上的分米双刻线在头座毫米分划板上的SS像从右移到像从右移到像从右移到像从右移到S S(使读数减小使读数减小使读数减小使读数减小)S SS=S=2 2=ftgf=ftgf实际测量误差实际测量误差实际测量误差实际测量误差:=1 1 2 2 =H =H 2 2/2/2ff =(H =(Hf)f)2 2/2/2设计中取设计中取设计中取设计中取H=f,H=f,则则则则 =2 2/2/2 因此因此因此因此,按艾宾斯坦原理设计的测长机消除了阿贝误差按艾宾斯坦原理设计的测长机消除了阿贝误差按艾宾斯坦原理设计的测长机消除了阿贝误差按艾宾斯坦原理设计的测长机消除了阿贝误差(一阶误差一阶误差一阶误差一阶误差),),而且而且而且而且,体积小。体积小。体积小。体积小。例例例例:测长机技术参数为测长机技术参数为测长机技术参数为测长机技术参数为:H=1801 mm;f=1801 mm;15H=1801 mm;f=1801 mm;15 (一米测一米测一米测一米测长机长机长机长机);=205 mm);=205 mm按艾宾斯坦原理设计的误差按艾宾斯坦原理设计的误差按艾宾斯坦原理设计的误差按艾宾斯坦原理设计的误差(只计尾座倾斜只计尾座倾斜只计尾座倾斜只计尾座倾斜)若没有补偿若没有补偿若没有补偿若没有补偿,则极限阿贝误差则极限阿贝误差则极限阿贝误差则极限阿贝误差:1 1=H=H 2 2/2/2 =0.0135 mm =0.0135 mm =13.5m =13.5m可见误差补偿大大降低了仪器测量的系统误差可见误差补偿大大降低了仪器测量的系统误差可见误差补偿大大降低了仪器测量的系统误差可见误差补偿大大降低了仪器测量的系统误差,提高提高提高提高了测量精度。了测量精度。了测量精度。了测量精度。尾尾尾尾 座座座座 头头头头 座座座座 综合测量误差综合测量误差综合测量误差综合测量误差 0 0 0 0 0 0表2-1 综合考虑头、尾座运动在测量过程中可能产生的误差注：注：1.1.表中假设头尾座运动直线性相同为表中假设头尾座运动直线性相同为。作业：作业：P15 3，4题题