论文部分内容阅读
[摘 要]综合验光仪，属二类医疗器械，强检计量器具。新一代的电动综合验光仪不仅体积小巧，且验光过程更加快速准确，方便了验光师。电动综合验光仪，是光机电一体化设备，精密机械运动部件较多，结构复杂，本文以上海雄博精密仪器股份有限公司自主研发的VT-300型电动综合验光仪为例，分析一下综合验光仪的机械结构。
[关键詞]功能需求；结构设计；容错设计
中图分类号：TH 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）11-0015-02
引言
随着社会进入电子信息化时代，电脑手机已成为生活必需品。这些电子产品给我们的工作生活带来了巨大方便的同时也给我们的眼睛造成了很大的负担，尤其对儿童和青少年人群更是如此。因此近几年配镜需求迅猛增长，再加之现代社会提倡效率和用户体验，所以对配镜过程和设备也提出了更高的要求。本文以上海雄博公司自主研发的VT-300型电动综合验光仪为例，分析一下综合验光仪的机械结构。
1 电动综合验光仪的现状及优势
综合验光仪，顾名思义乃是具有综合功能的验光设备，在科技先进的国家流行使用已有近百年的历史，经过不断改进更新，已形成较为完善统一的模式。我国的视光技术发展滞缓，从人工插片发展到视网膜检影或电脑自动验光结合人工插片，已经历了漫长的时日。与以往手动综合验光仪相比，新一代的电动综合验光仪不仅体积小巧，外形美观，而且配镜效率和准确性也大大提高，极大改善了顾客的配镜体验，因而正受到越来越多的眼睛店的青睐。
它具有以下优点：①操作特别方便，节约检测时间；②患者更舒适，以前的试镜架，多片镜片叠加重量过重，配戴不舒适；③镜片不容易变脏，一般的综合验光仪在视孔前有一个可移动的滑盖，能保护镜片；④柱镜轴向可以从验光仪上直接读出，非常精确；⑤额外误差减少；⑥交叉圆柱透镜和旋转棱镜可根据需要置于视孔前，操作极其方便；⑦柱镜轴向手轮调节设定后，改变圆柱镜焦度无须再考虑轴向变动，验光师不必在每次改变柱镜度数时重新确定柱镜的轴向。
2 电动综合验光仪机械结构
电动综合验光仪的工艺原理与手动综合验光仪相同，主要为机械齿轮联动，通过键盘上的命令键或调节手轮发出的指令接通相应电路，操控电机耦合置入或切换视孔的验光试片、功能辅镜和视力表的测试视标。
2.1 功能需求
综合验光仪的验光原理是：通过改变视窗内的透镜组合，校正人眼的曲光不正，以达到要求的校正效果。为实现验光功能，综合验光仪机械结构需要具备至少三个功能：旋转装有透镜组的齿轮盘实现不同配镜的组合；横向移动齿轮盘以便和被验光者的瞳距吻合。此功能为使不同瞳距的人，都能让透镜组的光心对准瞳孔；同时可测量瞳距；绕Z轴（竖直方向）齿轮盘以便根据不同的瞳距调节到最佳的视角。
2.2 结构设计
根据以上三点功能需求可以把电动综合验光仪分为两部分：视盘组模块；视盘组移动机构（英文名称PositionDriver，简称PD）。总体结构图如下所示：
2.2.1 视盘组模块
视盘组模块的作用是组合各种度数和种类的配镜，可分为2部分：电机模块和视盘组。
（1）视盘数量和直径的确定
由于镜片的合理直径为20mm，而每层盘需要留出一个孔位不装镜片，根据各类镜片数量可以确定一个视盘最多可设置12个镜片孔位，再结合视盘的结构强度可以确定视盘合理的直径为120mm。视盘组由6层视盘组成，为使视盘组结构紧凑，需要再加2个传动齿轮在轴向方向以1比1的传动比分别传动棱镜盘靠里一侧的传动齿轮和散光盘轴位传动齿轮。为实现这一目的，设计了两种空心轴，通过在空心轴两端固定齿数一样的齿轮实现齿轮啮合位置的调整。
（2）齿轮模数的确定
由于视盘转动时所需的扭矩很小，而选用的齿轮材料能充分满足此种条件下的强度要求，因此选择较小的齿轮模数0.5可使齿轮运行平稳噪音小。
（3）电机模块
电机模块的作用是驱动6个视盘和3个传动齿轮，因此一个视盘组需要9个电机。由于视盘组和棱镜需要精确控制，根据光学理论计算，视盘的最小转动角度必须小于等于0.03°，棱镜的最小转动角度必须小于等于0.015°。而选用的步进电机步距角为1.8°，考虑到步进电机失步情况的发生，所以电机的实际步距角为3.6°，因此视盘和电机齿轮的传动比要大于等于120才能满足要求，而棱镜传动齿轮和电机的传动比应大于等于240才能满足要求；视盘组模块由电机模块和视盘组组合而成；左右2个视盘组模块成对称布置。
2.2.2 PD模块
PD模块的作用是水平移动和绕Z轴转动视盘组模块，根据这2个要求设计出如下所示的结构：
（1）两种运动的实现
通过移动块内的螺母和丝杆配合完成水平移动，通过偏心轴的转动带动视盘组连接部件运动使它绕转动轴往复转动，而电机的绕X轴运动通过蜗轮蜗杆传动转化为偏心轴的绕Z轴运动。
（2）偏心轴的设计
由于视盘组连接部件绕转动轴转动的最大角度由偏心轴的偏心距和偏心轴和转动轴沿水平方向的垂直距离决定，由于连接有转动轴的移动块可以沿水平方向左右移动，因此视盘组连接部件的最大转动角度随移动块的移动而有所变化，当移动块到达左右2个极限位置时，视盘组连接部件则达到最大转动角度和最小转动角度。通过计算和仿真确定偏心轴的偏心距为2.5mm时，视盘组连接部件的转动角度能满足要求6.5°。
（3）视盘组连接部件的设计
视盘组连接部件一端连接有视盘组模块，另一端连接到转动轴，由于悬臂较长，视盘组连接部件和转动轴会发生变形。根据仿真和计算可得出A点在竖直方向的位移不能超过0.3mm，因此需对视盘组连接部件进行有限元分析，以判断视盘组连接部件结构是否设计合理。由仿真结果可知A点在竖直方向的位移为0.1096mm，符合设计要求。 （4）电机的选用
由于在移动块内采用自润滑轴承和导向光杆配合，因此使得移动块水平移动时的阻尼很小，即带动丝杆转动所需的扭矩也很小，经实际测试，带动丝杆转动所需的最小扭矩为0.01NM，若丝杆齿轮和电机齿轮的传动比为2.5，则所需电机的最小扭矩为0.01/2.5。因此主要考虑使偏心轴转动所需的最小扭矩。經实际测试，偏心轴带动视盘组转动所需的扭矩最大为0.5NM，综合考虑电机大小和所需最小输出扭矩后确定电机最小输出扭矩为0.01NM，蜗轮蜗杆传动比为20，蜗杆轴齿轮和电机齿轮的传动比为2.5。
（5）容错设计
由于制造和装配误差不可避免，因此在设计过程中需要通过合理的结构设计消化掉这些误差。PD模块中移动块的设计就很好的运用了这一设计理念。为方便描述将其称为（轴1和轴2）轴1和轴2的作用是支撑和导向移动块，由于这种轴套配合对同轴度要求很高，因此在保证轴1和移动块符合同轴度要求后，轴2和移动块的同轴度就很难达到要求，因此轴2和左右固定架配合处设计成可调配合，即轴2在竖直方向右正负0.15mm的调节空间，以便保证轴2和移动块符合同轴度要求。
结束语
随着社会的快速发展，人们对生活品质的要求也在不断提高，对各种产品都提出了更高的要求。因此只有不断进行技术创新才能使产品更加集成化，智能化，跟上时代前进的步伐。这就要求我们一定要了解综合验光仪的优点和不足以及仪器的使用和保养，只有这样我们才能更好地使用综合验光仪，极大地发挥综合验光仪的优势。
参考文献
[1] 齐备.综合验光仪的原理和操作方法[J].上海科学技术出版社.2009
[2] 黄炳南.综合验光仪的使用介绍[J].中国眼镜科技杂志.2011（09）：137-139.
[4] 瞿小妹.综合验光仪的使用介绍[J].2007（01）：35～36.
[5] 李雪香.全自动综合验光仪显示操作系统的设计[J].电子元器件应用.2011（01）：33-35.
[6] 徐康.综合验光、自动验光及像差仪测量屈光度的矢量分析[J].复旦学报：医学版.2007（5）：714-717.
[7] 张玉娟.OrbscanⅡ、电脑验光仪、综合验光测量散光的对比观察[J].临床眼科杂志2010（01）：67-69.
[关键詞]功能需求；结构设计；容错设计
中图分类号：TH 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）11-0015-02
引言
随着社会进入电子信息化时代，电脑手机已成为生活必需品。这些电子产品给我们的工作生活带来了巨大方便的同时也给我们的眼睛造成了很大的负担，尤其对儿童和青少年人群更是如此。因此近几年配镜需求迅猛增长，再加之现代社会提倡效率和用户体验，所以对配镜过程和设备也提出了更高的要求。本文以上海雄博公司自主研发的VT-300型电动综合验光仪为例，分析一下综合验光仪的机械结构。
1 电动综合验光仪的现状及优势
综合验光仪，顾名思义乃是具有综合功能的验光设备，在科技先进的国家流行使用已有近百年的历史，经过不断改进更新，已形成较为完善统一的模式。我国的视光技术发展滞缓，从人工插片发展到视网膜检影或电脑自动验光结合人工插片，已经历了漫长的时日。与以往手动综合验光仪相比，新一代的电动综合验光仪不仅体积小巧，外形美观，而且配镜效率和准确性也大大提高，极大改善了顾客的配镜体验，因而正受到越来越多的眼睛店的青睐。
它具有以下优点：①操作特别方便，节约检测时间；②患者更舒适，以前的试镜架，多片镜片叠加重量过重，配戴不舒适；③镜片不容易变脏，一般的综合验光仪在视孔前有一个可移动的滑盖，能保护镜片；④柱镜轴向可以从验光仪上直接读出，非常精确；⑤额外误差减少；⑥交叉圆柱透镜和旋转棱镜可根据需要置于视孔前，操作极其方便；⑦柱镜轴向手轮调节设定后，改变圆柱镜焦度无须再考虑轴向变动，验光师不必在每次改变柱镜度数时重新确定柱镜的轴向。
2 电动综合验光仪机械结构
电动综合验光仪的工艺原理与手动综合验光仪相同，主要为机械齿轮联动，通过键盘上的命令键或调节手轮发出的指令接通相应电路，操控电机耦合置入或切换视孔的验光试片、功能辅镜和视力表的测试视标。
2.1 功能需求
综合验光仪的验光原理是：通过改变视窗内的透镜组合，校正人眼的曲光不正，以达到要求的校正效果。为实现验光功能，综合验光仪机械结构需要具备至少三个功能：旋转装有透镜组的齿轮盘实现不同配镜的组合；横向移动齿轮盘以便和被验光者的瞳距吻合。此功能为使不同瞳距的人，都能让透镜组的光心对准瞳孔；同时可测量瞳距；绕Z轴（竖直方向）齿轮盘以便根据不同的瞳距调节到最佳的视角。
2.2 结构设计
根据以上三点功能需求可以把电动综合验光仪分为两部分：视盘组模块；视盘组移动机构（英文名称PositionDriver，简称PD）。总体结构图如下所示：
2.2.1 视盘组模块
视盘组模块的作用是组合各种度数和种类的配镜，可分为2部分：电机模块和视盘组。
（1）视盘数量和直径的确定
由于镜片的合理直径为20mm，而每层盘需要留出一个孔位不装镜片，根据各类镜片数量可以确定一个视盘最多可设置12个镜片孔位，再结合视盘的结构强度可以确定视盘合理的直径为120mm。视盘组由6层视盘组成，为使视盘组结构紧凑，需要再加2个传动齿轮在轴向方向以1比1的传动比分别传动棱镜盘靠里一侧的传动齿轮和散光盘轴位传动齿轮。为实现这一目的，设计了两种空心轴，通过在空心轴两端固定齿数一样的齿轮实现齿轮啮合位置的调整。
（2）齿轮模数的确定
由于视盘转动时所需的扭矩很小，而选用的齿轮材料能充分满足此种条件下的强度要求，因此选择较小的齿轮模数0.5可使齿轮运行平稳噪音小。
（3）电机模块
电机模块的作用是驱动6个视盘和3个传动齿轮，因此一个视盘组需要9个电机。由于视盘组和棱镜需要精确控制，根据光学理论计算，视盘的最小转动角度必须小于等于0.03°，棱镜的最小转动角度必须小于等于0.015°。而选用的步进电机步距角为1.8°，考虑到步进电机失步情况的发生，所以电机的实际步距角为3.6°，因此视盘和电机齿轮的传动比要大于等于120才能满足要求，而棱镜传动齿轮和电机的传动比应大于等于240才能满足要求；视盘组模块由电机模块和视盘组组合而成；左右2个视盘组模块成对称布置。
2.2.2 PD模块
PD模块的作用是水平移动和绕Z轴转动视盘组模块，根据这2个要求设计出如下所示的结构：
（1）两种运动的实现
通过移动块内的螺母和丝杆配合完成水平移动，通过偏心轴的转动带动视盘组连接部件运动使它绕转动轴往复转动，而电机的绕X轴运动通过蜗轮蜗杆传动转化为偏心轴的绕Z轴运动。
（2）偏心轴的设计
由于视盘组连接部件绕转动轴转动的最大角度由偏心轴的偏心距和偏心轴和转动轴沿水平方向的垂直距离决定，由于连接有转动轴的移动块可以沿水平方向左右移动，因此视盘组连接部件的最大转动角度随移动块的移动而有所变化，当移动块到达左右2个极限位置时，视盘组连接部件则达到最大转动角度和最小转动角度。通过计算和仿真确定偏心轴的偏心距为2.5mm时，视盘组连接部件的转动角度能满足要求6.5°。
（3）视盘组连接部件的设计
视盘组连接部件一端连接有视盘组模块，另一端连接到转动轴，由于悬臂较长，视盘组连接部件和转动轴会发生变形。根据仿真和计算可得出A点在竖直方向的位移不能超过0.3mm，因此需对视盘组连接部件进行有限元分析，以判断视盘组连接部件结构是否设计合理。由仿真结果可知A点在竖直方向的位移为0.1096mm，符合设计要求。 （4）电机的选用
由于在移动块内采用自润滑轴承和导向光杆配合，因此使得移动块水平移动时的阻尼很小，即带动丝杆转动所需的扭矩也很小，经实际测试，带动丝杆转动所需的最小扭矩为0.01NM，若丝杆齿轮和电机齿轮的传动比为2.5，则所需电机的最小扭矩为0.01/2.5。因此主要考虑使偏心轴转动所需的最小扭矩。經实际测试，偏心轴带动视盘组转动所需的扭矩最大为0.5NM，综合考虑电机大小和所需最小输出扭矩后确定电机最小输出扭矩为0.01NM，蜗轮蜗杆传动比为20，蜗杆轴齿轮和电机齿轮的传动比为2.5。
（5）容错设计
由于制造和装配误差不可避免，因此在设计过程中需要通过合理的结构设计消化掉这些误差。PD模块中移动块的设计就很好的运用了这一设计理念。为方便描述将其称为（轴1和轴2）轴1和轴2的作用是支撑和导向移动块，由于这种轴套配合对同轴度要求很高，因此在保证轴1和移动块符合同轴度要求后，轴2和移动块的同轴度就很难达到要求，因此轴2和左右固定架配合处设计成可调配合，即轴2在竖直方向右正负0.15mm的调节空间，以便保证轴2和移动块符合同轴度要求。
结束语
随着社会的快速发展，人们对生活品质的要求也在不断提高，对各种产品都提出了更高的要求。因此只有不断进行技术创新才能使产品更加集成化，智能化，跟上时代前进的步伐。这就要求我们一定要了解综合验光仪的优点和不足以及仪器的使用和保养，只有这样我们才能更好地使用综合验光仪，极大地发挥综合验光仪的优势。
参考文献
[1] 齐备.综合验光仪的原理和操作方法[J].上海科学技术出版社.2009
[2] 黄炳南.综合验光仪的使用介绍[J].中国眼镜科技杂志.2011（09）：137-139.
[4] 瞿小妹.综合验光仪的使用介绍[J].2007（01）：35～36.
[5] 李雪香.全自动综合验光仪显示操作系统的设计[J].电子元器件应用.2011（01）：33-35.
[6] 徐康.综合验光、自动验光及像差仪测量屈光度的矢量分析[J].复旦学报：医学版.2007（5）：714-717.
[7] 张玉娟.OrbscanⅡ、电脑验光仪、综合验光测量散光的对比观察[J].临床眼科杂志2010（01）：67-69.