【外接手机的体视显微镜机械系统设计分析案例3900字】

外接手机的体视显微镜机械系统设计分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u5524外接手机的体视显微镜机械系统设计分析案例 1301461.1双胶合镜片固定机械件设计方案 2299931.2反射直角棱镜固定机械件设计方案 455871.3反射镜固定机械件设计方案 469481.4目镜组固定机械件设计方案 5188031.5镜座的机械组合设计方案 6264161.6机械结构材料种类及选择 6106681.7粘合剂材料种类及选择 7光学仪器的光学机械系统设计涉及多学科领域，设计前应明确特定设备的具体要求、使用目的、光路构型和组成、物理特性及光学系统应用环境，综合以上考虑选择合适的材料设计机械结构。本章以4.3mm手机标准镜头对应一侧光路为例，详细地描述了外接手机的体视显微镜头机械结构的设计过程，整个设计过程在三维机械设计软件SOLIDWORKS中进行，本章机械系统设计依照流程图3-1展开，其中包括对单个双胶合物镜片的固定、反射系统的设计（棱镜及反射镜系统）、目镜组中三个镜片的固定、分隔及各个分立机械元件的组合。图3-1机械系统设计流程双胶合镜片固定机械件设计方案最简单的单个透镜固定方法是用弹簧固定，在安装环上固定三个角度间隔120°的弹簧夹，弹簧夹与透镜边缘相接触，这种固定方式易于使透镜同心，但是弹簧边缘与透镜接触的轴向位置和形状不受控制，透镜调准后很容易发生偏心；另一种适合于小透镜（如显微物镜、内窥镜和短焦距照相物镜）装配的固定方式是滚边镜座安装，首先把透镜放置在镜座上，然后压紧镜座缘使镜座缘与透镜边缘相切，这种固定方法便宜，安装紧凑，但是此方法为永久性安装，希望采取非破坏方式取出透镜很困难；适合于凸表面及带有平面倒角的凹表面镜面的安装方法是卡环安装，首先在镜座内加工出一个槽，安装时将镜座加热，依次放入透镜和限制透镜移动的止动槽，这样足够冷却的卡环能很容易的滑入与透镜相接触，当温度稳定下来后就可以实现径向过盈配合；最常见的球形透镜的是用一个带螺纹的压圈固定在镜座上，施加在压圈上的扭矩通过螺纹转换为轴向力，进而使透镜被同轴的固定在镜座上。图3-2单镜片固定方式：（a）弹簧固定；（b）滚边镜座固定；（c）压环固定；（d）压圈固定在确定了透镜的安装固定方法之后，结合透镜直径给定镜筒内直径及适当的公差，保证透镜与镜筒内径在工作温度下有一定的径向间隔；此外，镜筒厚度也应考虑到透镜重量、材料硬度密度及承重问题。为了解决透镜固定后应力集中的问题，保护透镜不受损坏，应该合理设计光机界面的交界处形状，目前工业界常用的光机界面类型主要有尖角界面、相切界面、超环面界面和球形界面四种，总结如表3-1所示。表3-1光机界面接触类型光机界面类型物理解释适用透镜面优势尖角界面机械零件与透镜表面相交处磨光成具有0.05mm数量级半径的圆角；凸面镜；凹面镜；使用广泛；加工难度低；相切界面与球面镜表面接触的机械元件面被磨成与球形透镜相切的锥形面；凸面镜；使用广泛；接触应力较小；超环面界面与球面镜表面接触的机械元件面被磨成与球形透镜相切的超环面；凸面镜；凹面镜；接触应力最小；适用于无法使用相切界面的凹面镜；球形界面与球面镜表面接触的机械元件面被磨成与球形透镜完全接触的球面；凸面镜；凹面镜；大预载力作用下有较小的接触应力；能经受高加速载荷且有利于热传输；根据上文分析，本文利用压圈固定方法对双胶合物镜进行固定，在光机界面处倒半径为0.05mm的圆角，形成尖角界面接触。设计步骤如下：首先根据双胶合物镜外径给定镜座内直径，根据ZEMAX中透镜通光口径给出卡口槽深度；然后根据经验值，设定镜座厚度为3mm；一般压圈与镜座的固定方式为螺纹固定，但考虑到未来样机制作时3D打印机不能打印螺纹结构，更换螺纹固定为四个对称圆形通孔固定方式，保证二者同轴且不会发生轴向移动。装配两个零件过程中，压圈与前透镜接触面与镜座与后透镜接触面之间间距由下式确定：上式中各个符号物理表示如图3-3所示，设计出的物镜机械支撑件剖面图如图3-4所示。与胶合物镜接触的镜筒内壁直径与双胶合物镜直径相等，通过给定镜筒内径正公差（+0.02mm~+0.05mm）保证透镜可以安装进镜筒且能被完全固定住。压圈中与透镜相接触的面应被加工为尖角界面，以保护物镜受损。图3-3光机接触面间距计算原理图3-4物镜机械支撑件剖面图反射直角棱镜固定机械件设计方案直角棱镜在光路中的作用是使光路发生90°折转，直角棱镜的固定是用一个圆柱形镜座粘结在其三角形侧面，圆形粘结区域与直角棱镜侧面相切。粘结剂可以选择环氧树脂、聚氨酯橡胶粘合剂和氰基丙烯酸盐粘合剂等的结构胶。直角棱角的粘结固定三视图如下所示。根据优化后反射镜直径确定直角棱镜尺寸为10*10*10（单位毫米），进而确定圆形粘结区域直径，所设计的直角棱镜支撑件侧视图如图3-6所示。在固定直角棱镜时应首先将其粘结在方形截面底座上，待二者固定牢后再用结构胶粘结到物镜棱镜支撑件上，这样的设计有利于确定棱镜与物镜最后一个面的距离。图3-5直角棱镜粘结固定三视图图3-6直角棱镜固定侧视图反射镜固定机械件设计方案大多数反射镜都是实心的基板，圆形反射镜形状是正圆柱体，矩形反射镜形状为矩形平行六面体，特殊的平面折转反射镜还有椭圆形的。固定常见反射镜采取的常用办法是使用若干个弹簧夹或实体压板将一块平面反射镜安装在一块研磨平整的共面衬垫上，这种设计有效地约束了一种平动和两种倾斜，但是这种方式机械结构较为复杂，安装步骤繁琐，适用于机械尺寸稍大的装配体。圆形、矩形或是非对称反射镜也可以像透镜一样安装，使用螺纹压圈夹持固定住。考虑到显微镜体结构较小，且反射镜固定在镜座内部，本设计在外部采用结构胶粘结固定法，机械结构图如3-7所示，其中右图为反射镜固定机械件的立体侧视图，左图为剖面图。安装时，放入与椭圆形反射镜槽口大小相等的椭圆形反射镜，再用椭型压圈压入槽口固定反射镜，在压圈与结构胶粘合固定。图3-7反射镜固定机械件结构图目镜组固定机械件设计方案在多透镜组件的设计中，透镜都是安装在同一个镜座或镜筒中的，依次使用隔圈保证光学元件之间的正确位置，各元件紧靠在镜座或隔圈边缘，最后使用一个螺纹压圈将所有零件固定到位。隔圈是一个带有矩形截面的薄圆环，厚度根据3.1小结中的公式计算，隔圈与透镜表面的边缘接触面应处理成合适切面。一般压圈是一个带有矩形截面、圆柱侧面带有螺纹结构的圆环，但考虑到3D打印机不能打印螺纹结构，设计压圈与镜座用四个对称圆柱形通孔固定，保证二者之间的同轴度。目镜组机械装配体剖面视图如图3-8所示。图3-8目镜组机械装配体剖面视图镜座的机械组合设计方案为了保证反射镜面与目镜组中第一个镜片距离的精确性，需要在物镜前另加一个套筒结构[18]，套筒结构的内半径应与物镜筒的外半径相等，二者用对称的四个轴对称的圆柱形通孔固定；同样，棱镜的柱形支撑件与反射镜支撑件也以这种方法固定起来；物镜支撑件和棱镜支撑件焊接在一起，形成中空的垂直型结构；反射镜支撑机械件与目镜支撑壳体之间需要通过一锥形筒连接，锥形筒长度由ZEMAX中优化好的数据确定；另外反射镜支撑件与物镜棱镜支撑件和锥形管道之间通过直槽口固定，以保证整个系统能沿光路光轴移动，方便后续调整装配。整个装配体的部分剖面图如图3-9所示。图3-9装配体剖面图结构机械结构材料种类及选择在《光机系统设计》一书中详细地介绍了用于制作光学仪器镜座、压圈、镜筒等机械零件的选材性质及适用条件，如铝、铍、铜及相应合金，现总结如下：铝合金具有质轻、易于加工、价格低廉等优良性质，其常用于制作机械零件的壳体，一些常用的机械铝合金性质及用途总结如表3-2所示；铍金属质轻、刚度高且化学性质稳定，但其质脆、有毒性，常用于制作光学扫描器和反射镜等光学元件；铜合金具有优良的导电、导热性能，常用于制作弹簧、装配机器用的螺钉及固定机械装置的螺栓，一些常用机械铜合金性质及用途总结如表3-3所示。表3-2机械铝材料性质及用途铝合金型号性质主要用途铝合金1100强度低；耐腐蚀；可锻模；旋转零件和深冲压成型零件铝合金2024强度高；不耐腐蚀；不易焊接；可机加性好；铝合金6061强度中等；外壳稳定性；可机加性好；铜焊铝合金7075强度高；耐腐蚀；可机加性好；不易焊接；铝合金356强度中等；可机加性好；普通光学仪器设计表3-3机械铜材料性质及用途铜合金型号性质主要用途铜合金C10100纯度高；传导能力强；高辐射率反射镜；电子管；铜合金C17200强度高；可机加性好；可焊接；弹簧；线夹；垫圈及电子设备；铜合金C360免切割黄铜；带螺纹产品；软焊；铜焊；铜合金C260冷加工性强；可机加性好；焊接性差；深冲压外壳；钣金工冲压；GlidcopTM铜合金弥散性强；纯度高；同步加速器；冷却式反射镜；在调研各种材料的物理性质、机械强度和化学性质后，选定型号铝合金356作为制作整个机械件的镜座壳体；选用铜合金C360为物镜和目镜压圈及固定钉的机械零件材料。粘合剂材料种类及选择在光学仪器中，广泛使用的粘合剂分为两种：一是用于粘合固定折射表面的光学胶，这种胶水常用于双胶合透镜和光纤端面的连接；二是用于将光学零件固定到机械零件上的结构胶。本课题的机械设计中直角反射棱镜定需要用到结构胶固定在机械件上，接下来主要分析三种光机应用中常用的结构胶材料的性质。环氧树脂作为做常用的一类粘合材料，具有高粘合性和显著的热性能，这类粘合剂可以配置成多种物质状态，以满足不同应用条件，其中液状和膏状胶是最为常用的两种。一般这类粘合剂在室温下即可固化，但是若控制其在高温条件下凝固，它将会有更好的热性能和力学特性。该类粘合剂对于包括玻璃或塑料在内的光学零件之间的胶合非常有效。聚氨酯橡胶粘