用O形橡胶密封圈解决光学仪器密封

郑公书馆298 2016-04-13

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　　摘　要　在光学仪器结构中使用O形橡胶密封圈,具有减少光学零部件压紧附加应力、紧固、防松、密封等功能; 据实际情况巧用它,可简化结构、提高标准化程度、减少工序、降低成本。论文介绍了几种应用型式及相应的设计参数。把O形橡胶密封圈应用于光学仪器设计中有一定的推广价值,尤其是文中推介的低、中倍显微物镜的简化结构很有希望能进一步发展成为光学仪器新的典型结构。

　　1　引言

　　笔者在设计一种医用光电仪器时,遇到复杂的多层精密紧固结构,数易其稿均达不到要求,当苦思不得要领之际,偶然想起把O形橡胶密封圈(下简称密封圈)引入设计,一下子竟然解决了困扰多时的难题。以后又尝试在多种光学仪器的结构中使用,效果不错。鉴于把O形密封圈用于光学仪器结构中,文献报导甚少 (查多种专业杂志仅得参考文献[1])鲜为人知,于是撰文介绍,以利推广与交流。

　　2　应用的结构形式

　　2·1　低、中倍显微物镜的简化结构

　　众所周知,圆形光学零件常用紧固方法有:滚边固紧、压圈固紧。作为光学仪器重要部件之一的显微物镜,为了便于装调和改善固紧结构的工艺性,传统的办法是:先用镜框(镜座)通过滚边固紧,构成独立的装配组件,然后再与镜简壳件相联,最后加压圈把全部组件固紧。有些设计还让某些组件能对光轴调中,以保证各组件处于部件中的正确位置。(图1a)这样做能保证物镜像质,是行之有效的典型结构。但这种传统结构亦有结构复杂、工序多、生产周期长、成本较高的缺点。如何改进?笔者分析了低、中倍显微光学系统,认为可以引入密封圈,以形成简化机构结构。因为最常用的低倍(3~4×,NA0·1~0·14)消色差物镜采用一个双胶合组;中倍(8~12×,NA0·2~0·4)消色物镜采用两个双胶合组,而低、中倍平视场消色差物镜则在这基础上加一厚弯月透镜,这些均为较简单的光学系统。况且这些显微物镜镜片直径相差不太悬殊,这就为我们采用简化机械结构创造了有利的前提。

　　某厂曾尝试对4×消色差物镜结构进行改进,不滚边形成组件,而直接利用压圈压紧双胶合组透镜,结果因像质不佳失败了。这是因为压圈压力直接而不一定均匀地作用于双胶合透镜组,产生较大的附加应力,使干涉环形状改变或增大其直径,从而影响像质。笔者设计的简化结构也是不滚边,不再形成组件而在双胶合透镜组与压圈之间加入密封圈,这样既减少了玻璃零件装配应力,保证成象质量,又起到缓冲垫及类似于弹性垫圈的防松作用。

　　多个透镜组可以在各光组间加入弹性隔圈(或在长间距中采用“刚性隔圈+弹性隔圈”的形式,弹性隔圈尺寸参数详见文献[1])。在镜简壳内形成 “透镜(组)+弹性隔圈+……+透镜(组)+密封圈+压圈”通用性的新结构。利用弹性隔圈、密封圈变形,改善由装配及温度变化所产生的附加应力,保证了像质。

　　上述这种简化结构除了一定程度上消除传统结构的缺点之外,还有一个突出优点是使物镜的径向尺寸缩小3~4mm。这对于同放大倍率镜片相对较大的某种物镜来说,是一个福音。笔者已把这一新结构用于无限远像距LPL10×长工作距离物镜的设计之中。(图1b)

　　1·透镜(组);2·镜座;3·隔圈;4·压圈;5·镜简壳;6·弹性隔圈;7·O形密封圈

　　2·2　紧固结构

　　2·2·1　复杂多层结构

　　如引言所述,笔者在设计某医用光电仪器时,碰到如(图2)所示的光路转折的精密机械结构,后来引入密封圈成功解决了这一棘手问题。

　　2·2·2　螺纹联接防松

　　光学仪器螺纹联接最常用的防松传统方法是在装配完毕后于螺纹副中配作紧定螺钉,直接锁住防松。而在某些结构中使用密封圈既能紧固又能防松(图3),起到“一箭双雕”的作用。其防松机理类似于弹性垫圈,利用增强了的摩擦力防松,从而简化了装配工艺。

　　2·3　光路定向转折结构

　　如(图4)那样的光路定向转折结构本来可以设计一个带螺纹棱镜罩加数个薄隔圈调节轴向量,使金属件的光线出射窗与光路定向转折一致,但装配工作量较大。若改用(图4)结构,装配方便多了。值得指出,这种结构也能起到减少装配应力和密封作用。

　　2·4　密封结构

　　使用传统的烃基密封蜡对光学仪器进行密封,不仅难于保证密封性能,仪器易生霉、生雾等缺点,且密封工艺繁琐、费时费力。文献[1]列举了成功运用的多种典型密封结构。其中光学零部件与金属零部件之间的密封结构与上述形式相仿,不赘;金属零部件相互之间的密封形式较多,如(图5)所示。其中(图 5a)是调校完毕后,用螺钉制紧卡紧环,限制内外管相互的轴向窜动和转动。(图5b)是当外管结构允许时,在外管端部开出弹性槽,制螺钉过孔,螺纹孔,用螺钉锁紧,限制内外管二者间的相对运动。(图5c)可用于物镜框,目镜筒和镜管之间的密封连接。

　　3　密封圈的选择及其结构的设计

　　3·1　光仪器用密封圈的选择

　　一般应选用两组低硬度橡胶密封圈。断面直径d0=1.9±0.08mm,Φ5/Φ2(公称外径/公称内径,下同)~Φ13/Φ10;断面直径 d0=2.4±0.09mm,Φ14/Φ10 ~Φ261Φ22mm;断面直径d0= 3. 1±0.1mm,Φ28/Φ23~Φ165/Φ160mm。

　　3·2　与光学零部件接触的密封圈要与光学零部件通光口径相匹配

　　对于与光学零件相接触的密封圈,初选时其内径比与之相配合的光学零部件的外径小1~2mm左右,进一步要注意其自然状态下的实际内径,特别要充分考虑其紧固后产生的变形量,变形后的内径必须略大于光学零部件的通光口径。这样既不防碍通光,又保证密封圈受压变形后与光学零部件有一定的接触面积,保证紧固与密封的可靠性。

　　据文献[4],断面直径d0=1.9±0.08mm的密封圈的实际内径(自然状态)d实=公称内径-(0·3±0.12)mm,最大形变后实际内径d变实=d实-1.2mm;断面直径d0=2.4±0.09mm的密封圈的实际　　内径(自然状态)d实=公称内径-(0.4±0.13)mm,最大形变后实际内径d变实=d实-1.6mm;断面直径d0=3.1±0.1mm的密封圈的实际内径(自然状态)d实=公称内径-(0.5±0.2)mm,最大形变后实际内径d变实=d实-1.7mm。

　　3·3　用于金属零部件间的沟槽型式尺寸

　　据文献[4]参照(图6)及下表选用。