第9章-仪器常用装置

第九章仪器常用装置

9.1概述仪器常用装置包括有微动装置、锁紧装置、示数装置和隔振器等

微动装置是精密仪器中使某一部件在一定范围内，产生平稳和微量移动的装置。9.2微动装置当前随着科学技术的迅速发展，尤其是在微电子、生物、材料等学科中高科技的要求，对于制造及加工工艺的需求已日益提高，仪器的精度及灵敏度要求要越来越高。可靠的微位移装置用来解决此类的问题需求，然而普通的机械式的位移装置如：螺旋、螺旋斜面、齿轮杠杆、蜗轮与凸轮等微动装置已远远不能适应上述要求，近年来机电式的微位移装置如压电陶瓷式、电磁式等微动装置也日益发展起来，并大量应用于各种精密测试机定位装置中。9.2微动装置9.2.1、设计时应满足的基本要求1)应有足够的灵敏度，使微动装置的最小位移量能满足精密机械的使用要求。2)传动灵活、平稳，无空回产生。3)工作可靠，调整好的位置应保持稳定。4)若微动装置包括在仪器的读数系统中，则要求微动手轮的转动角度与直线微动（或角度微动）的位移量成正比。5)微动手轮应布置得当，操作方便。6)要有良好的工艺性，并经久耐用。根据微动装置的机理可分为两类——机械式：螺旋、螺旋斜面、齿轮杠杆、蜗轮与凸轮等微动装置机电式：压电陶瓷、电磁式、电热伸缩式9.2.2、常用机械式微动装置1.螺旋微动装置图9.1万能工具显微镜微动装置结构简单，制造较方便，应用广泛

最小微动量Smin

Δφ——人手的灵敏度，即人手轻微旋转手轮一下，手轮的最小转角。在良好的工作条件下，当手轮的直径为φ15~φ60mm时，Δφ为1º~1/4º。手轮的直径大，灵敏度也高些。9.2微动装置螺旋微动装置的改进一压力弹簧用来消除空回

9.2微动装置差动螺旋装置1优点：提高灵敏度螺杆1A、B两段螺纹的螺距分别为P1、P2螺旋微动装置的改进二提高灵敏度减小轴向尺寸9.2微动装置差动螺旋装置2零件2的外螺纹和内螺纹的螺距分别为P1、P2

2.螺旋—斜面微动装置当螺杆1转动时，可使标准斜面推动工作台6移动，其运动关系为：实例1：

2.螺旋—斜面微动装置螺旋测微器移动距离时，被检测微计2的测杆位移量为S´=

精度要求较高

9.2微动装置若使tanα=1/50，微分筒转动一格，使测微螺杆轴向位移0.01mm

则：S´=0.01mm×1/50=0.0002mm

要求S´与α严格成正比例的关系，因此对α和斜面精度要求高。实例2：

3.螺旋—杠杆微动装置9.2微动装置3.螺旋—杠杆微动装置设摆动杆臂长L=102mm，测微螺杆的螺距P=0.3mm，试计算读数手轮的分度值。解：螺杆转动一圈时，沿轴向移动一个螺距P=0.3mm，则摆动杆9对原始位置偏转α角α≈10′即读数套筒的分度值为10′

将读数手轮一周分为60格，由于读数手轮转动一圈时为10′，因而在转动一格时将等于10″。读数手轮的分度值就为10″。

微动装置的全读数，等于读数手轮的整转数加上读数手轮转动的分度值。

9.2微动装置4.齿轮—杠杆微动装置

用于显微镜工作台的轴向微动，以实现高倍率物镜的精确调焦。原动部分是带有小齿轮（z1）的手柄轴1，转动手柄时，通过三级齿轮减速，带动扇形齿轮（z6）的微小转动，再通过杠杆机构将扇形齿轮的微小转动，变为工作台2的上下微动。工作台内的压缩弹簧所产生的推力，可用以消除齿轮副的间隙所产生的空回误差。9.2微动装置5.摩擦微动装置万能测长仪中，应用摩擦微动装置移动刻度标尺，使其能精确对准零刻度点。轴2与测量轴1之间产生摩擦力，使测量轴1移动，实现刻度标尺的微动，达到精确调整零位的目的补：机械式微位移机构在精密仪器中的应用1-马达2-丝杆3-螺母4-滑槽5-滑轮6-球心转轴7-被测元件8-工作台当马达转动时，使球面7绕球心6转动，其每个采样点的转角：由上式可见，当R=25mm时，转角a约为0.001°。一般步进电机直接驱动不能达到如此小的转角，而利用上述的微动机构却可以达到如此小的转角，它具有较大的传动比，其原理如下：当马达1驱动丝杆转动，该丝杆螺母系统是以丝杆2固定并转动，螺母3移动的传动机构。螺母3在滑槽4中移动，螺母上装有滑轮5，滑槽与转轴为一体，因而当滑轮5在滑槽4中的运功时，带动工作台8绕转轴中心点转动，样品7置于工作台上，使样品的球心与转轴重合，就可以进行球面扫描。转轴至丝杆的中心距离为L，被测球面的半径为R，取R小于L，其杠杆缩小比为R/L，当马达转角

时丝杆移动量x,则可得到采样长度l为：该机构的传动比为：，式中

为扫描时球面转角

，当

转

时，即x=t,取L=45mm,t=0.75mm。可得i约为377。该机构结构简单，紧凑，在加工装调中只要丝杆加工精度保证，轴定中性好，测量时就比较稳定、可靠，可以满足超光滑表面粗糙度测试的要求。9.3锁紧装置1、设计时应满足的基本要求（1）锁紧时，被锁部件的正确位置不被破坏。（2）锁紧后的工作过程中，被锁部件不会产生微动走位现象。（3）锁紧力应均匀，大小可以调节。（4）结构简单，操作方便，制造修理容易。2、常用锁紧装置径向受力锁紧装置：顶紧式

夹紧式

三点自位均匀收缩式轴向受力锁紧装置：经纬仪横轴锁紧结构

1）径向受力的锁紧装置原理：拧紧锁紧螺钉1，通过垫块2压紧轴3，从而把支架4锁紧在轴3上。垫块2的作用是为了避免锁紧螺钉损伤轴3的表面。优点：结构简单，制造容易

缺点：被锁紧的零件单面受力。被锁紧件的轴线会微量移动。当中间轴为薄壁筒时，易造成筒的变形。不能用于要求锁紧定位精度较高的地方。

顶紧式锁紧

1）径向受力的锁紧装置原理：当拧紧锁紧螺母1时，带有开口的支架2夹紧轴3，实现锁紧的目的。优点：结构简单，制造容易；锁紧力比较均匀地分布在整个圆周上，不会引起被锁紧件变形。缺点：存在间隙，锁紧时，被锁紧件会产生不大的相对转动。不能用于要求锁紧定位精度较高的地方。

夹紧式锁紧

1）径向受力的锁紧装置原理：旋紧锁紧手轮5时，通过螺钉4顶紧锁块。由于锁紧环是浮动的，因此当螺钉4前进时，锁紧环在相反的方向上带动另外两块锁紧块同时压向薄壁套3，三个位置上的锁紧块均匀地压缩薄壁套，使它产生径向收缩，将主轴锁紧。三点自位均匀收缩锁紧装置

优点：锁紧摩擦力矩均匀地分布在主轴上，同时，三个夹紧点均匀自位、同步地向心收缩，因而能避免锁紧时的主轴微转现象和单面受力改变主轴回转轴线的现象。应用：这种锁紧装置性能稳定，能符合1″光学分度头的精度要求。

光学经纬仪：它的主要功能是测量纵、横轴线（中心线）以及垂直度的控制测量等轴向受力锁紧装置

光学经纬仪上用来把横轴1和横轴固定微动板5紧固在一起的轴向受力锁紧装置。锁紧时，转动手柄7，螺杆8被旋入固定螺母6，并用其末端顶推横轴固定轴柄4向左移动，使轴柄4压向摩擦板3。同时，与螺母联接在一起的固定微动板5向右移动，从而推动涨圈2也压向摩擦板3，这两个作用的结果，把摩擦板3和固定微动板5紧固在一起，从而实现锁紧横轴1的目的。从以上例子来看，轴向受力锁紧装置一般要比径向受力锁紧装置更为合理，这是因为制动盘所受的锁紧力式中是均匀的，而且是轴向对称的，没有不良的侧压力和微动产生，因而能较好地避免改变轴向回转轴向的位置。但轴向受力的结构，往往要比径向受力复杂些，工艺要求也较高。在轴向受力锁紧装置中，还可采用凸轮、锲块、弹簧、液压和电磁等其它方法。主轴上的制动盘7位于两锁紧片簧8之间，锁紧时，转动手轮1，使螺杆2旋入壳体10内，推动活塞4向上运动。壳体内油路收压后产生压力，将推动壳体内两边活塞6和9作相对移动，并压向两片簧8，从而使制动盘在两片簧间被牢牢夹紧。9.4

示数装置仪器中的示数装置是用来引入给定数据，指示仪器的工作状态或工作结果的。如照相机所设定的曝光时间和光圈大小、电影摄影机选定的摄影均可由示数装置来指示。实验室计量仪器和大地测量仪器一般是由示数装置来显示仪器的测量结果；带标尺的双目望远镜在观察不同距离的物体时亦可在目镜中突出物体的不同距离。因此示数装置时一个极重要的部分，甚至是最关键的部分，它的工作质量直接放映了整个仪器的工作质量，所以合理的选择和设计示数装置成为光学仪器机构设计极重要的内容。示数装置按示数性质，可分为三类：即1）指示被测量瞬时变化值的示数装置2）反映被测量连续变化的示数装置3）指示被测量累积值的示数装置示数装置按工作原理课分为：机械式、光学机械式、电子式或包括光、机、电三部分的示数装置。仪表显示仪表是一种应用最广的信息显示装置，它在生产过程中起着重要作用，仪表显示的好坏直接影响工作效率。1．仪表的种类（1）按仪表的功能分类

①读数用仪表。其刻度指示各种状态参数的具体数值，供操作者读取数值之用。如高度表、时速表、煤气表等。

②检查用仪表。使用时一般不是为了获取正确数值，而是检查仪表的指示是否偏离正常位置，

当偏离时要及时调节。

③追踪用仪表。

追踪操纵是动态控制系统中最常见的操纵方式之一，目的是通过手动控制，使机器系统按照人所要求的动态过程或者按照客观环境的某种动态过程去工作。如追踪和瞄准运动中的目标就是一种追踪工作。追踪用仪表应当显示追踪的目标和实际状态与目标之间的差距及变化趋势。

④调节用仪表。

主要用于指示操纵调节的量值，而不是指示机器系统的状态。如收音机上的调频显示装置就是这类仪表。(2)按照仪表指示方式分类

①指针刻度式仪表。它是用模拟量显示机器有关参数和状态。其特点是显示的信息直观、形象，使人对模拟量在全量程范围内所处的位置一目了然，并能明显显示出偏差量，特别适合于监控作业。这类仪表又可分为指针运动式和指针固定式两种，后者也称刻度移动式仪表。它在用于检查、追踪、调节方面不如前者。应用：汽车上的油量表、氧气瓶上的压力表。

②数字式仪表。它是直接用数码来显示有关参数或工作状态的显示装置。常用的有数码显示屏、数字计数器、数码管及液晶数码显示器等。其特点是简单、准确，便于认读，不易产生视觉疲劳。适用于需要计数或读取数值的信息显示，如里程表、电表等。2．仪表类型的选择在设计和选择仪表时，必须明确仪表的功能，并分析哪些功能最重要，依此确定适合的仪表显示方式，可参见下图：不同类型仪表使用建议仪表刻度盘形状与误读率返回比较项目模拟显示仪表数字显示仪表指针活动式指针固定式数量信息中：指针活动时读数困难中：刻度移动时读数困难好：能读出精确数值，速度快、差错少质量信息好：易判定指针位置，不需读出数值和刻度就能迅速发现指针的变动趋势差：未读出数值和刻度时，难以确定变化方向和大小差：必须读出数字，否则难以得知变化的方向和大小调节性能好：指针运动与调节活动有简单而直接的关系，便于调节和控制中：调节运动方向不明显，指针的变动难控制，快速调节时不易读数好：数字调节的监测结果精确，数字调节与调节运动无直接关系，快速调节时难以读数监控性能好：能很快确定指针位置,并进行监控，指针与调节监控制活动关系最简单中：指针无变化有利监控，但指针与调节监控活动的关系不明显差：不便按变化的趋势进行监控一般性能中：占用面积大，照明可设在控制台上，刻度的长短有限，尤其在使用多指针显示时认读性差中：占用面积小，仪表需局部照明，只在很小一段范围内认读，认读性好好：占用面积小，照明面积也是最小，表盘的大小只受字符的限制综合性能可靠性高稳定性好易于显示信号的变化趋向易于判断信号值与额定值之差精度高认读速度快无差补误差过载能力强易与计算机联用局限性显示速度较慢易受冲击和振动的影响环境因素影响较大过载能力差质量控制困难显示易跳动或失效干扰因素多需内附或外附电源元件或焊件存在失效问题发展趋势提高精度与速度采用模拟与数字混合型显示仪表提高可靠性采用智能化显示仪表表5—1显示仪表的功能特点

仪表的刻度盘设计

(1)刻度线高度刻度线分为长刻度线、中刻度线和短刻度线，其高度与视距有关。伍德森提出的视距与刻度线高度的关系如表所示。表1视距与刻度线最佳高度(2)刻度线间距假设最大视距为L(mm)时，各刻度线的最小尺寸可由下列各式求出。①长刻度线高度L／90mm④刻度线宽度L／5000mm②中刻度线高度L／125mm⑤短刻度线间距L／600mm③短刻度线高度L／200mm⑥长刻度线间距PL／50mm伍德森建议：各刻度线的间距应在1.143mm以上。长刻度线宽度应在0.89mm以上，中刻度线宽度应在0.76mm以上，短刻度线宽度在0.64mm以上。短刻度线宽度至少为刻度间距的25％。汽车驾驶仪表距离大约700mm①长刻度线高度L／90mm700/90=8②中刻度线高度L／125mm6.5③短刻度线高度L／200mm3.5④刻度线宽度L／5000mm0.14⑤短刻度线间距L／600mm1.1⑥长刻度线间距PL／50mm14(3)刻度标数进级和递增方向刻度盘的数字进级方法和递增方向，对提高判读效率、减少误读有重要作用。数字进级方法可参考美国海军研究结果，如表2所示。一般应采用表中“优”的进级法，在不得已的情况下才使用“可”，绝对禁止使用“差”的进级法。

数字递增方向的一般原则是：①顺时针方向为增加；②从左向右的方向为增加；③从下向上的方向为增加。表2刻度标数进级法(4)字符形状和大小

仪表刻度盘的汉字、字母和数字等统称为字符。字符的形状、大小等影响判读的效果。字符的形状应简明、醒目、易读，多用直角与尖角形，以突出各个字符的形状特征，避免相互混淆。汉字推荐采用宋体或黑体。不宜采用草体、小写字母相关字体字符。字符的大小应根据视距而定。一般使用的字符高度可参考表3，也可根据下式求得：

H=L/200式中：H——字符高度(cm)L——视距(cm)。字符的其他尺寸可根据高度(H)确定，见图。表3字符高度与视距（5）刻度直径圆形仪表的刻度直径与视距和刻度数有关。视距较远或刻度数较多，则必须适当加大仪表直径。默雷尔推荐的圆形仪表最佳直径，如图所示。图中D为仪表刻度直径，I为最大刻度数，仪表最小直径为2.5cm。当视距为6m，刻度数为300时，从图中可查到仪表直径D应为128.6cm。(6)刻度标数为了更好地认读仪表，仪表刻度必须标有数字。

原则：

①指针运动式仪表标数应直排，指针固定(刻度盘移动)式仪表标数则应辐射状布置；②最小刻度可不标，最大刻度必须标；③指