Принципы нанометрологии (Раздаточные материалы от преподавателя), страница 14

PDF-файл Принципы нанометрологии (Раздаточные материалы от преподавателя), страница 14 Метрология, стандартизация и сертификация (МСиС) (13066): Другое - 11 семестр (3 семестр магистратуры)Принципы нанометрологии (Раздаточные материалы от преподавателя) - PDF, страница 14 (13066) - СтудИзба2017-12-21СтудИзба

Описание файла

Файл "Принципы нанометрологии" внутри архива находится в следующих папках: Раздаточные материалы от преподавателя, 3 Материалы. PDF-файл из архива "Раздаточные материалы от преподавателя", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "метрология, стандартизация и сертификация (мсис)" из 11 семестр (3 семестр магистратуры), которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "остальное", в предмете "метрологическое обеспечение инновационных технологий" в общих файлах.

Просмотр PDF-файла онлайн

Текст 14 страницы из PDF

Introductions to many of the precision designand metrology concepts discussed in this chapter are given elsewhere [2–4].The rest of the chapter follows the design considerations of [5] and is by nomeans exhaustive.CONTENTSGeometricalconsiderationsKinematic designDynamicsThe Abbe PrincipleElastic compressionForce loopsMaterialsSymmetryVibration isolationReferences1In chapter 2 we discussed the difference between precision and accuracy. Whenreferring to measurement instrumentation the term precision is most often used, but thecorrect expression should probably be accurate and precision measurementinstrumentation.Fundamental Principles of Engineering NanometrologyCopyright Ó 2010 by Elsevier Inc.

All rights reserved.3536C H A P T ER 3 : Precision measurement instrumentation – some design principles3.1 Geometrical considerationsMost precision measuring instrument designs involve parts that are formedfrom simple geometrical elements such as cubes, cylinders, tubes, beams,spheres and boxes to support loads in the system. Surfaces that are usedfor moving elements are often formed from flats and cylinders.

In practice,however, deviations from these ideal shapes and structures occur due toform and surface texture error caused by the machining processes used tomanufacture the parts. The environment in which an instrument ishoused also affects geometry, for example, vibration, temperature gradientsand ageing can cause undesirable dimensional changes. Other factors thatcan affect the geometry of an instrument include: the effects of theconnections between different parts, loading of the structure by the weightof the parts, stiffness and other material properties. The above deviationsfrom ideal geometry cause the various parts that make up an instrument tointeract in a way that is very difficult to predict in practice.

Also, to reiterate the point made in the previous section, of great importance on theMNT scale is the effect of the measuring probe on the part being measuredand the measuring result.3.2 Kinematic designJames Clark Maxwell (1890) was one of the first scientists to rigorouslyconsider kinematic design. He stated that:The pieces of our instruments are solid, but not rigid. If a solid piece isconstrained in more than six ways it will be subject to internal stress,and will become strained or distorted, and this in a manner which,without the most micromechanical measurements, it would beimpossible to specify.These sentences capture, essentially, the main concepts of kinematicdesign. Kinematics is a branch of mechanics that deals with relationshipsbetween the position, velocity and acceleration of a body.

Kinematic designaims to impart the required movements on a body by means of constraints [6].A rigid body possesses six degrees of freedom in motion - three linear andthree rotational. In Cartesian coordinates the degrees of freedom are in the x,y and z directions plus rotations about each of the axes. A constraint is thatwhich prevents minimally motion in just one of the degrees of freedom.There are two lemmas of kinematic design [3]:Kinematic design-any unconstrained rigid body has six degrees of freedom;-the number of contact points between any two perfectly rigid bodies isequal to the number of constraints.This means thatNumber of constraints þ remaining number of degrees of freedom ¼ 6:There are often many assumptions applied when carrying out kinematicdesign. Real bodies are not perfectly rigid and will experience both elastic andpossibly plastic deformations under a load.

Such deformations will excludeperfect point contacts and cause unwanted motions. For this reason it isoften important to choose with care the materials, shapes and surface textureof a given part. Despite this, kinematic design is an extremely importantconcept that the designer must master. Two examples of kinematic designwill be considered here – the Kelvin clamp and a single degree of freedommotion system. These are, essentially, the only two kinematic designs usedon the majority of MNT measuring instruments.3.2.1 The Kelvin clampsThe Type I and Type II Kelvin clamps are examples of fully constrainedsystems, i.e. ones with six constraints. When designed properly these clampsare very effective where accurate re-positioning is required and are stable towithin nanometres [7].Both clamps have a top-plate (on which, for example, the object to bemeasured is placed) that has three rigid spheres spaced on a diameter.

Thethree spheres then contact on a flat and in a vee and a trihedral hole, as inFigure 3.1a, or in three vee-grooves, as in Figure 3.1b. In the Type II clamp itis easy to see where the six points of contact, i.e. constraints are – two in eachvee-groove. In the Type I clamp one contact point is on the flat, two more arein the vee-groove and the final three are in the trihedral hole. The Type Iclamp has the advantage of a well-defined translational location based on theposition of the trihedral hole, but it is more difficult to manufacture. Atrihedral hole is produced by pressing three spheres together in a flatbottomed hole (the contacting sphere will then touch at a common tangent)or by complex angled machining techniques.

For miniature structures ananisotropic etchant can be used on a single crystalline material [8]. The TypeII clamp is more symmetrical and less influenced by thermal variations. Notethat the symmetrical groove pattern confers its own advantages but is nota kinematic requirement; any set of grooves will do provided that they are notall parallel.3738C H A P T ER 3 : Precision measurement instrumentation – some design principlesFIGURE 3.1 (a) A Type I Kelvin clamp, (b) a Type II Kelvin clamp.3.2.2 A single degree of freedom motion deviceThere are many methods for producing single degree of freedom motion (seefor example [9]). One method that directly uses the idea of single pointcontacts is the prismatic slideway [3].

The contact points are distributed ontwo non-parallel flat surfaces as shown in Figure 3.2. In practice the sphereswould be attached to the carriage. The degrees of freedom in the system canbe deduced by considering the loading necessary to keep all five spheres incontact. Firstly, the three-point support could be positioned onto the horizontal plane, resulting in a linear constraint in the z axis and rotaryconstraints about the x and y axes. A carriage placed on this plane is free toslide in the x direction until either of the two remaining spheres contacts thevertical face.

The x axis linear degree of freedom is then constrained. Furtherhorizontal force would cause the carriage to rotate until the fifth spherecomes into contact, removing the rotary degree of freedom about the z axis.This gives a single degree of freedom linear motion along the y axis.3.3 DynamicsMost precision instruments used for MNT metrology involve some form ofmoving part. This is especially true of surface texture measuring instrumentsand CMMs. Motion usually requires some form of guideway, this being twoor more elements that move relative to each other with fixed degrees offreedom.

For accurate positioning, the play and the friction between the partsin the guideway must be reduced (unless the friction characteristics are beingused to impart damping on the guideway). To avoid sticking and slipping ofDynamicsFIGURE 3.2 A single degree of freedom motion device.the guideway the friction should normally be minimised and kept ata constant value even when there are velocity or acceleration changes. It isalso important that a guideway has a smooth motion profile to avoid highaccelerations and forces.The symmetry of a dynamic system plays an important role.

Witha rotating part the unbalance and mass moment of inertia must bereduced. A linear guideway should be driven through an axis that minimizes any angular motion in its travel (its axis of reaction). Stiffness isanother important factor; there must be a trade-off between minimizingthe forces on a guideway and maximizing its stiffness.

As with themetrology frame the environment in which the instrument is housedaffects its dynamic characteristics.Guideways can be produced using many techniques, but the most popularthree are:-flexures – usually used only over a small range owing to the elasticlimit and parasitic motion [3,10,11];3940C H A P T ER 3 : Precision measurement instrumentation – some design principles-dry or roller-bearing linear slideways – as used on surface profilemeasuring instruments, for example [12];-hydrostatic bearings (air bearings) [4].Many of the most advanced guideways use active feedback control systems[13,14].3.4 The Abbe PrincipleThe Abbe Principle was first described by Ernst Abbe (1890) of Zeiss andstates:If errors of parallax are to be avoided, the measuring system mustbe placed co-axially (in line with) the line in which displacement(giving length) is to be measured on the work-piece.Abbe error occurs when the measuring point of interest is displacedlaterally from the actual measuring scale location (reference line or axis ofmeasurement), and when angular errors exist in the positioning system.Abbe error causes the measured displacement to appear longer or shorterthan the true position, depending on the angular offset.

Свежие статьи
Популярно сейчас
Почему делать на заказ в разы дороже, чем купить готовую учебную работу на СтудИзбе? Наши учебные работы продаются каждый год, тогда как большинство заказов выполняются с нуля. Найдите подходящий учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
5259
Авторов
на СтудИзбе
420
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее