第九章儀器常用裝置

9.1概述儀器常用裝置包括有微動裝置、鎖緊裝置、示數裝置和隔振器等

微動裝置是精密儀器中使某一部件在一定范圍內，產生平穩和微量移動的裝置。9.2微動裝置當前隨著科學技術的迅速發展，尤其是在微電子、生物、材料等學科中高科技的要求，對于制造及加工工藝的需求已日益提高，儀器的精度及靈敏度要求要越來越高。可靠的微位移裝置用來解決此類的問題需求，然而普通的機械式的位移裝置如：螺旋、螺旋斜面、齒輪杠桿、蝸輪與凸輪等微動裝置已遠遠不能適應上述要求，近年來機電式的微位移裝置如壓電陶瓷式、電磁式等微動裝置也日益發展起來，并大量應用于各種精密測試機定位裝置中。9.2微動裝置9.2.1、設計時應滿足的基本要求1)應有足夠的靈敏度，使微動裝置的最小位移量能滿足精密機械的使用要求。2)傳動靈活、平穩，無空回產生。3)工作可靠，調整好的位置應保持穩定。4)若微動裝置包括在儀器的讀數系統中，則要求微動手輪的轉動角度與直線微動（或角度微動）的位移量成正比。5)微動手輪應布置得當，操作方便。6)要有良好的工藝性，并經久耐用。根據微動裝置的機理可分為兩類——機械式：螺旋、螺旋斜面、齒輪杠桿、蝸輪與凸輪等微動裝置機電式：壓電陶瓷、電磁式、電熱伸縮式9.2.2、常用機械式微動裝置1.螺旋微動裝置圖9.1萬能工具顯微鏡微動裝置結構簡單，制造較方便，應用廣泛

最小微動量Smin

Δφ——人手的靈敏度，即人手輕微旋轉手輪一下，手輪的最小轉角。在良好的工作條件下，當手輪的直徑為φ15~φ60mm時，Δφ為1o~1/4o。手輪的直徑大，靈敏度也高些。9.2微動裝置螺旋微動裝置的改進一壓力彈簧用來消除空回

9.2微動裝置差動螺旋裝置1優點：提高靈敏度螺桿1A、B兩段螺紋的螺距分別為P1、P2螺旋微動裝置的改進二提高靈敏度減小軸向尺寸9.2微動裝置差動螺旋裝置2零件2的外螺紋和內螺紋的螺距分別為P1、P2

2.螺旋—斜面微動裝置當螺桿1轉動時，可使標準斜面推動工作臺6移動，其運動關系為：實例1：

2.螺旋—斜面微動裝置螺旋測微器移動距離時，被檢測微計2的測桿位移量為S′=

精度要求較高

9.2微動裝置若使tanα=1/50，微分筒轉動一格，使測微螺桿軸向位移0.01mm

則：S′=0.01mm×1/50=0.0002mm

要求S′與α嚴格成正比例的關系，因此對α和斜面精度要求高。實例2：

3.螺旋—杠桿微動裝置9.2微動裝置3.螺旋—杠桿微動裝置設擺動桿臂長L=102mm，測微螺桿的螺距P=0.3mm，試計算讀數手輪的分度值。解：螺桿轉動一圈時，沿軸向移動一個螺距P=0.3mm，則擺動桿9對原始位置偏轉α角α≈10′即讀數套筒的分度值為10′

將讀數手輪一周分為60格，由于讀數手輪轉動一圈時為10′，因而在轉動一格時將等于10″。讀數手輪的分度值就為10″。

微動裝置的全讀數，等于讀數手輪的整轉數加上讀數手輪轉動的分度值。

9.2微動裝置4.齒輪—杠桿微動裝置

用于顯微鏡工作臺的軸向微動，以實現高倍率物鏡的精確調焦。原動部分是帶有小齒輪（z1）的手柄軸1，轉動手柄時，通過三級齒輪減速，帶動扇形齒輪（z6）的微小轉動，再通過杠桿機構將扇形齒輪的微小轉動，變為工作臺2的上下微動。工作臺內的壓縮彈簧所產生的推力，可用以消除齒輪副的間隙所產生的空回誤差。9.2微動裝置5.摩擦微動裝置萬能測長儀中，應用摩擦微動裝置移動刻度標尺，使其能精確對準零刻度點。軸2與測量軸1之間產生摩擦力，使測量軸1移動，實現刻度標尺的微動，達到精確調整零位的目的補：機械式微位移機構在精密儀器中的應用1-馬達2-絲桿3-螺母4-滑槽5-滑輪6-球心轉軸7-被測元件8-工作臺當馬達轉動時，使球面7繞球心6轉動，其每個采樣點的轉角：由上式可見，當R=25mm時，轉角a約為0.001°。一般步進電機直接驅動不能達到如此小的轉角，而利用上述的微動機構卻可以達到如此小的轉角，它具有較大的傳動比，其原理如下：當馬達1驅動絲桿轉動，該絲桿螺母系統是以絲桿2固定并轉動，螺母3移動的傳動機構。螺母3在滑槽4中移動，螺母上裝有滑輪5，滑槽與轉軸為一體，因而當滑輪5在滑槽4中的運功時，帶動工作臺8繞轉軸中心點轉動，樣品7置于工作臺上，使樣品的球心與轉軸重合，就可以進行球面掃描。轉軸至絲桿的中心距離為L，被測球面的半徑為R，取R小于L，其杠桿縮小比為R/L，當馬達轉角

時絲桿移動量x,則可得到采樣長度l為：該機構的傳動比為：，式中

為掃描時球面轉角

，當

轉

時，即x=t,取L=45mm,t=0.75mm。可得i約為377。該機構結構簡單，緊湊，在加工裝調中只要絲桿加工精度保證，軸定中性好，測量時就比較穩定、可靠，可以滿足超光滑表面粗糙度測試的要求。9.3鎖緊裝置1、設計時應滿足的基本要求（1）鎖緊時，被鎖部件的正確位置不被破壞。（2）鎖緊后的工作過程中，被鎖部件不會產生微動走位現象。（3）鎖緊力應均勻，大小可以調節。（4）結構簡單，操作方便，制造修理容易。2、常用鎖緊裝置徑向受力鎖緊裝置：頂緊式

夾緊式

三點自位均勻收縮式軸向受力鎖緊裝置：經緯儀橫軸鎖緊結構

1）徑向受力的鎖緊裝置原理：擰緊鎖緊螺釘1，通過墊塊2壓緊軸3，從而把支架4鎖緊在軸3上。墊塊2的作用是為了避免鎖緊螺釘損傷軸3的表面。優點：結構簡單，制造容易

缺點：被鎖緊的零件單面受力。被鎖緊件的軸線會微量移動。當中間軸為薄壁筒時，易造成筒的變形。不能用于要求鎖緊定位精度較高的地方。

頂緊式鎖緊

1）徑向受力的鎖緊裝置原理：當擰緊鎖緊螺母1時，帶有開口的支架2夾緊軸3，實現鎖緊的目的。優點：結構簡單，制造容易；鎖緊力比較均勻地分布在整個圓周上，不會引起被鎖緊件變形。缺點：存在間隙，鎖緊時，被鎖緊件會產生不大的相對轉動。不能用于要求鎖緊定位精度較高的地方。

夾緊式鎖緊

1）徑向受力的鎖緊裝置原理：旋緊鎖緊手輪5時，通過螺釘4頂緊鎖塊。由于鎖緊環是浮動的，因此當螺釘4前進時，鎖緊環在相反的方向上帶動另外兩塊鎖緊塊同時壓向薄壁套3，三個位置上的鎖緊塊均勻地壓縮薄壁套，使它產生徑向收縮，將主軸鎖緊。三點自位均勻收縮鎖緊裝置

優點：鎖緊摩擦力矩均勻地分布在主軸上，同時，三個夾緊點均勻自位、同步地向心收縮，因而能避免鎖緊時的主軸微轉現象和單面受力改變主軸回轉軸線的現象。應用：這種鎖緊裝置性能穩定，能符合1″光學分度頭的精度要求。

光學經緯儀：它的主要功能是測量縱、橫軸線（中心線）以及垂直度的控制測量等軸向受力鎖緊裝置

光學經緯儀上用來把橫軸1和橫軸固定微動板5緊固在一起的軸向受力鎖緊裝置。鎖緊時，轉動手柄7，螺桿8被旋入固定螺母6，并用其末端頂推橫軸固定軸柄4向左移動，使軸柄4壓向摩擦板3。同時，與螺母聯接在一起的固定微動板5向右移動，從而推動漲圈2也壓向摩擦板3，這兩個作用的結果，把摩擦板3和固定微動板5緊固在一起，從而實現鎖緊橫軸1的目的。從以上例子來看，軸向受力鎖緊裝置一般要比徑向受力鎖緊裝置更為合理，這是因為制動盤所受的鎖緊力式中是均勻的，而且是軸向對稱的，沒有不良的側壓力和微動產生，因而能較好地避免改變軸向回轉軸向的位置。但軸向受力的結構，往往要比徑向受力復雜些，工藝要求也較高。在軸向受力鎖緊裝置中，還可采用凸輪、鍥塊、彈簧、液壓和電磁等其它方法。主軸上的制動盤7位于兩鎖緊片簧8之間，鎖緊時，轉動手輪1，使螺桿2旋入殼體10內，推動活塞4向上運動。殼體內油路收壓后產生壓力，將推動殼體內兩邊活塞6和9作相對移動，并壓向兩片簧8，從而使制動盤在兩片簧間被牢牢夾緊。9.4

示數裝置儀器中的示數裝置是用來引入給定數據，指示儀器的工作狀態或工作結果的。如照相機所設定的曝光時間和光圈大小、電影攝影機選定的攝影均可由示數裝置來指示。實驗室計量儀器和大地測量儀器一般是由示數裝置來顯示儀器的測量結果；帶標尺的雙目望遠鏡在觀察不同距離的物體時亦可在目鏡中突出物體的不同距離。因此示數裝置時一個極重要的部分，甚至是最關鍵的部分，它的工作質量直接放映了整個儀器的工作質量，所以合理的選擇和設計示數裝置成為光學儀器機構設計極重要的內容。示數裝置按示數性質，可分為三類：即1）指示被測量瞬時變化值的示數裝置2）反映被測量連續變化的示數裝置3）指示被測量累積值的示數裝置示數裝置按工作原理課分為：機械式、光學機械式、電子式或包括光、機、電三部分的示數裝置。儀表顯示儀表是一種應用最廣的信息顯示裝置，它在生產過程中起著重要作用，儀表顯示的好壞直接影響工作效率。1．儀表的種類（1）按儀表的功能分類

①讀數用儀表。其刻度指示各種狀態參數的具體數值，供操作者讀取數值之用。如高度表、時速表、煤氣表等。

②檢查用儀表。使用時一般不是為了獲取正確數值，而是檢查儀表的指示是否偏離正常位置，

當偏離時要及時調節。

③追蹤用儀表。

追蹤操縱是動態控制系統中最常見的操縱方式之一，目的是通過手動控制，使機器系統按照人所要求的動態過程或者按照客觀環境的某種動態過程去工作。如追蹤和瞄準運動中的目標就是一種追蹤工作。追蹤用儀表應當顯示追蹤的目標和實際狀態與目標之間的差距及變化趨勢。

④調節用儀表。

主要用于指示操縱調節的量值，而不是指示機器系統的狀態。如收音機上的調頻顯示裝置就是這類儀表。(2)按照儀表指示方式分類

①指針刻度式儀表。它是用模擬量顯示機器有關參數和狀態。其特點是顯示的信息直觀、形象，使人對模擬量在全量程范圍內所處的位置一目了然，并能明顯顯示出偏差量，特別適合于監控作業。這類儀表又可分為指針運動式和指針固定式兩種，后者也稱刻度移動式儀表。它在用于檢查、追蹤、調節方面不如前者。應用：汽車上的油量表、氧氣瓶上的壓力表。

②數字式儀表。它是直接用數碼來顯示有關參數或工作狀態的顯示裝置。常用的有數碼顯示屏、數字計數器、數碼管及液晶數碼顯示器等。其特點是簡單、準確，便于認讀，不易產生視覺疲勞。適用于需要計數或讀取數值的信息顯示，如里程表、電表等。2．儀表類型的選擇在設計和選擇儀表時，必須明確儀表的功能，并分析哪些功能最重要，依此確定適合的儀表顯示方式，可參見下圖：不同類型儀表使用建議儀表刻度盤形狀與誤讀率返回比較項目模擬顯示儀表數字顯示儀表指針活動式指針固定式數量信息中：指針活動時讀數困難中：刻度移動時讀數困難好：能讀出精確數值，速度快、差錯少質量信息好：易判定指針位置，不需讀出數值和刻度就能迅速發現指針的變動趨勢差：未讀出數值和刻度時，難以確定變化方向和大小差：必須讀出數字，否則難以得知變化的方向和大小調節性能好：指針運動與調節活動有簡單而直接的關系，便于調節和控制中：調節運動方向不明顯，指針的變動難控制，快速調節時不易讀數好：數字調節的監測結果精確，數字調節與調節運動無直接關系，快速調節時難以讀數監控性能好：能很快確定指針位置,并進行監控，指針與調節監控制活動關系最簡單中：指針無變化有利監控，但指針與調節監控活動的關系不明顯差：不便按變化的趨勢進行監控一般性能中：占用面積大，照明可設在控制臺上，刻度的長短有限，尤其在使用多指針顯示時認讀性差中：占用面積小，儀表需局部照明，只在很小一段范圍內認讀，認讀性好好：占用面積小，照明面積也是最小，表盤的大小只受字符的限制綜合性能可靠性高穩定性好易于顯示信號的變化趨向易于判斷信號值與額定值之差精度高認讀速度快無差補誤差過載能力強易與計算機聯用局限性顯示速度較慢易受沖擊和振動的影響環境因素影響較大過載能力差質量控制困難顯示易跳動或失效干擾因素多需內附或外附電源元件或焊件存在失效問題發展趨勢提高精度與速度采用模擬與數字混合型顯示儀表提高可靠性采用智能化顯示儀表表5—1顯示儀表的功能特點

儀表的刻度盤設計

(1)刻度線高度刻度線分為長刻度線、中刻度線和短刻度線，其高度與視距有關。伍德森提出的視距與刻度線高度的關系如表所示。表1視距與刻度線最佳高度(2)刻度線間距假設最大視距為L(mm)時，各刻度線的最小尺寸可由下列各式求出。①長刻度線高度L／90mm④刻度線寬度L／5000mm②中刻度線高度L／125mm⑤短刻度線間距L／600mm③短刻度線高度L／200mm⑥長刻度線間距PL／50mm伍德森建議：各刻度線的間距應在1.143mm以上。長刻度線寬度應在0.89mm以上，中刻度線寬度應在0.76mm以上，短刻度線寬度在0.64mm以上。短刻度線寬度至少為刻度間距的25％。汽車駕駛儀表距離大約700mm①長刻度線高度L／90mm700/90=8②中刻度線高度L／125mm6.5③短刻度線高度L／200mm3.5④刻度線寬度L／5000mm0.14⑤短刻度線間距L／600mm1.1⑥長刻度線間距PL／50mm14(3)刻度標數進級和遞增方向刻度盤的數字進級方法和遞增方向，對提高判讀效率、減少誤讀有重要作用。數字進級方法可參考美國海軍研究結果，如表2所示。一般應采用表中“優”的進級法，在不得已的情況下才使用“可”，絕對禁止使用“差”的進級法。

數字遞增方向的一般原則是：①順時針方向為增加；②從左向右的方向為增加；③從下向上的方向為增加。表2刻度標數進級法(4)字符形狀和大小

儀表刻度盤的漢字、字母和數字等統稱為字符。字符的形狀、大小等影響判讀的效果。字符的形狀應簡明、醒目、易讀，多用直角與尖角形，以突出各個字符的形狀特征，避免相互混淆。漢字推薦采用宋體或黑體。不宜采用草體、小寫字母相關字體字符。字符的大小應根據視距而定。一般使用的字符高度可參考表3，也可根據下式求得：

H=L/200式中：H——字符高度(cm)L——視距(cm)。字符的其他尺寸可根據高度(H)確定，見圖。表3字符高度與視距（5）刻度直徑圓形儀表的刻度直徑與視距和刻度數有關。視距較遠或刻度數較多，則必須適當加大儀表直徑。默雷爾推薦的圓形儀表最佳直徑，如圖所示。圖中D為儀表刻度直徑，I為最大刻度數，儀表最小直徑為2.5cm。當視距為6m，刻度數為300時，從圖中可查到儀表直徑D應為128.6cm。(6)刻度標數為了更好地認讀儀表，儀表刻度必須標有數字。

原則：

①指針運動式儀表標數應直排，指針固定(刻度盤移動)式儀表標數則應輻射狀布置；②最小刻度可不標，最大刻度必須標；③指