摘　要:为研究出更合理的光学显微镜机械结构设计原理及相关规范,基于人机工程学的设计理念,参阅我国光学显微镜的相关规范,对金相显微镜的机械结构———载物台、调焦装置、物镜转换器等的设计进行了分析。从安全可靠和舒适经济的角度,提出了适合金相显微镜机械结构的人性化设计方法和原则。该设计原则和机械结构设计尺寸的计算公式具有普遍适用性。

　　0　引　言

　　光学显微镜的机械结构是显微镜的重要组成部分,这种机械结构不仅对光学系统起着固定和保护作用,而且起着重要的调节作用,如果没有良好的机械结构,任何高性能的光学系统都不能发挥它的作用[1]。光学显微镜的机械结构主要包括物镜转换器、载物台及调焦机构等。设计时,不仅要考虑结构的稳定、可靠,还要使其适合人体功能,这就要求设计者在众多的约束条件中寻求平衡点,如空间布置的限制与舒适性要求的矛盾等。本文以金相显微镜为例,应用人机工程学的设计理念,对显微镜的相关规范中的机械结构设计进行分析研究,针对具体的机械装置为设计人员的合理设计提供科学的指导依据。

　　1　中国成年男性人体尺寸

　　人机工程学是20世纪70年代初迅速发展起来的一门新兴学科,它从人的生理和心理出发,研究人-机-环境的相互关系和相互作用规律,并使人-机系统工作效能达到最佳。在光学显微镜机械结构设计中应用人机工程学,就是以人为中心来指导镜架结构的设计和改造,使作业在效率、安全和舒适等几个方面的特性得以提高,即设计一个最佳的人-机-环境系统。

　　人机工程学设计基本原理[2]为:既要达到适合体型矮小的使用者尺寸,也要达到适合体型高大的使用者尺寸。为使设计满足上述原理,必须合理选用百分位数。百分位数是一种位置指标、一个界值,以符号PK表示。一个百分位数将群体或样本的全部观测值分为两部分,有的观测值小于等于它,则有(100-K)%的观测值大于它。称用百分位数表示的人体尺寸为人体尺寸百分位数[3]。

　　通常,百分位数选用原则[2]是:在不涉及使用者的健康和安全时,选用适当偏离极端百分位的第5百分位和第95百分位作为界限值较为适宜;当身体尺寸在界限值以外的人使用下会危害其健康或增加事故危险时,则尺寸界限应扩大到第1百分位和第99百分位。本文根据需要多以第95百分位数为设计依据。

　　显微镜的操作人员均为18~60岁的成年人(以男性为例)。表1参照文献[4],列出了中国成年男性人体部分尺寸。

　　2　机械结构设计

　　2.1　规范的相关内容

　　对于显微镜的机械结构设计,国家并没有明确的相关标准,并且因为不同的功能要求,显微镜也分为很多种,如生物显微镜、金相显微镜等。设计人员通常根据显微镜的光学系统对其进行机械结构的设计。图1给出了正置金相显微镜的组成[5]。

　　2.2　载物台设计

　　载物台是用来放置金属试样的,分为方形移动台和圆形旋转台,根据金相显微镜的功能与用途大多采用方形移动台的形式,试样移动范围在30mm×76mm和50mm×76mm。载物台宜人性设计的主要标准是载物台与工作面的高度B1及载物台与人体的水平距离B2,而这些标准是通过人体在坐姿状态下手摆放金属试样的最佳活动范围来衡量的。即肘关节以工作面为支撑面,人体前手臂的最佳活动范围[6],所以

　　式中a1为前手臂长,mm;α1为肘关节绕Y轴向Z轴方向的最佳旋转角度(如图2),取0°~135°[7];y1为着衣修正量,取20mm[8];y2为身体活动的基本余量,取50~100mm[8]。

　　则载物台距工作面的合理高度为

　　式中α2为肘关节绕Y轴向X轴方向的最佳旋转角度(如图2),取0°~135°[7]。

　　可得载物台距人体的水平距离为

　　由以上分析可知:当有空间布置限制时,载物台距工作面的高度下限与载物台距人体水平距离的下限一致,一般取335mm。

　　另外,载物台的长度和宽度尺寸的选择应在不影响整机美观的前提下尽量大一些,以获得更宽裕的操作空间,同时,在不影响显微镜光路设计及整体结构设计的同时,可适当设计载物台的移动范围,使其成为载物台的横向分割线,以增强产品的整体稳定感。

　　2.3　调焦机构设计

　　观察人员在应用显微镜进行观察时,可通过调焦机构方便的调节,观察到清晰的物像。调焦机构是显微镜控制系统中的重要组成部分,它包括上下移动机构和粗微动机构。因此,合理的对调焦机构进行宜人性设计,使人体在最舒适、最省力、最安全的状态下进行操作,需要从以下几个方面着手:

　　2.3.1　调焦旋钮的位置

　　在正常状态下,应把显微镜放在工作台上,人体在坐姿状态下进行观察(如图2)。由于受工作台高度、座椅高度等因素的影响,不可能给出调焦旋钮的具体位置,因此我们根据操作要求将人体上身的活动关节简化为7个,自由度为13个,这13个自由度分别是肩关节绕人体3坐标轴的旋转;肘关节绕1坐标轴的旋转;腕关节绕2坐标轴的旋转;髋关节绕1坐标轴的旋转。运用运动学正解的方法,在matlab环境下自己编制C++辅助进行计算,得出了在以座椅中立位置为参考点时,人体前手臂的舒适域,如表2[9]。

　　为了适应大多数人体尺寸,我们以第95百分位的数据(相对于基坐标系的原点)为准,确定出调焦旋钮适合人体尺寸的舒适范围,从而确定出调焦旋钮的位置范围。

　　2.3.2　调焦旋钮的形态和尺度

　　旋钮的形态指旋钮的截面形状,对于着力抓握,旋钮与手掌的接触面积越大,则压应力越小,因此圆形截面旋钮较好。同时,为了防止手与旋钮之间的相对滑动,增加调焦时的稳定性,可以在旋钮表面刻制螺纹以增加摩擦。

　　调焦旋钮直径的大小取决于手的尺寸。直径大可以增加扭矩,但太大会减小握力,降低灵活性与作业速度,并使指端骨弯曲增加,长时间操作则导致指端疲劳。调焦旋钮是为了确定对焦清晰的精确位置而设计的,其旋钮直径应为D=50mm,允许范围为d=35~75mm,旋钮厚度为h=20~50mm[10]。

　　2.3.3　调焦旋钮的扭矩M

　　调焦旋钮所需的操作力的设计要适中,太大会使操作者旋转不动旋钮或旋转时易引起疲劳,太小会使操作者感到不安全,因为很可能无意识的碰到调焦旋钮而发生物镜头与试样碰撞的意外。为了避免上述情况的发生,操作力的适宜范围应为F=12~18N[10],由此导出

　　为了达到上述要求,可使载物台的上下移动机构采用滚柱摩擦的结构形式,这可以在避免使用较大操作力的同时使载物台的升降稳定。同时,调焦机构存在摩擦、弹性、粘性和惯性等阻力是必要的,这可以产生“操纵直接感觉”,使操作连贯,减少振动或过载造成的干扰,保证操作控制的准确性。因此显微镜调焦机构的触摸表面都有齿槽等来增加摩擦力。

　　2.4　物镜转换器设计

　　物镜转换器是快速更换物镜的机械装置,分为内定位和外定位两种类型,转换器的好坏直接影响像的质量。从人机工程学的角度看,内定位型物镜转换器不仅可以减轻操作时对操作者产生的压迫感,而且会增大载物台上的操作空间,使操作者能够更快速简便地对试样进行操作,因此,其更符合设计的心理学和生理学。在高级金相显微镜中,应使转换器的孔数为5孔或5孔以上,使操作者拥有更多的选择。

　　3　结　论

　　本文应用人机工程学设计方法,对显微镜机械结构的设计进行了有益的探讨,提出了适合金相显微镜机械结构的设计原则。文中的设计原则和尺寸计算公式具有普遍适用性。应该看到,近年来随着中国人体质的增强,中国成年人的身高总体呈增长趋势,因此,文中来源于GB10000-1988的中国成年人人体尺寸略显落后。当新的、有效的、可靠的中国成年男性人体尺寸数据出台后,根据本文提供的相关计算公式和设计原理,重新核算相关机械结构的设计尺寸,即可获得适合当前中国国情的金相显微镜机械结构的最佳功能尺寸。

　　参考文献:

　　[1]萧泽新.工程光学设计(第2版)[M].北京:电子工业出版社,2008.2—6.

　　[2]周美玉.工业设计应用人类工程学[M].北京:中国轻工业出版社,2001. 8—31.

　　[3] GB /T 12985—1991,在产品设计中应用人体尺寸百分位数的通则[S].

　　[4] GB 10000—1988,中国成年人身体尺寸[S].

　　[5]上海市机械制造工艺研究所.金相分析技术[M].上海:上海科学技术文献出版社,1987.

　　[6]郭伏,钱省三.人因工程学[M].北京:机械工业出版社,2006.265—294.

　　[7]袁修干,庄达民,张兴娟.人机工程计算机仿真[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005. 31—101.

　　[8]国家技术监督局.用于机械安全的人类工效学设计[Z].北京:中国标准出版社,2002.

　　[9] Jiang X K, Xiao Z X, Zhang J. Research and application of er-gonomics to optical microscope[J]. Proceedings of SPIE, 2008,6624:0M—5.

　　[10]丁玉兰.人因工程学[M].上海:上海交通大学出版社,2004.145—154.

　　收稿日期:2008-05-08　　　　　E-mail:jxk2008@yahoo.cn; gjd@guet.edu.cn

　　作者简介:姜雪山昆(1983-),男,满族,辽宁人,桂林电子科技大学硕士研究生,从事精密仪器、人机工程方面的研究。

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