/
Автор: Латыев С.М.
Теги: оптические приборы и аппаратура физика оптика конструирование учебное пособие оптические приборы
ISBN: 5-7325-0563-6
Год: 2007
Текст
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ ВУЗОВ
m
с. М. Латыев
КОНСТРУИРОВАНИЕ
точных (ОПТИЧЕСКИХ)
ПРИБОРОВ
[ Lь ] ПОАYlТЕХНИКА
'11 ИЗДАТЕЛЬСТВО
Санкт..Петербурr 2007
УДК 681.7
ВВК 22.34
Л27
Издание выпущено при поддержке :Комитета по печати и взаимо
действию со средствами массовой ин(]юрмации Санкт Петербурrа
Латыев с. М.
Л27 Конструирование точных (оптических) приборов: Учебное
пособие. СПб.: Политехника, 2007. 579 с.: ил.
ISBN 5 7325 0563 6
Учебное пособие пuсвящено основам :конструирования еовременных точ
ных приборов, типичными представителями которых являются оптичес:кие
приборы, содержащие в своем составе механические, элеI,тронные и оптиче
с:кие <l>ункциональные устройства и элементы.
Специ<})и:ка конструирования таких приборов закл]очается в том, что их
показатели :качества, и в первую очередь показатели точности, технолоrич
ности и надежности, в существенной степени зависят от выполнения опреде
лепных методов, правил и принципов I\онструирования, способов и методов
параметричеСhоrо и точностноrо синтеза конструкций, знаний путей и при
емов повышения целевых показателей каче( тва при проеhтировании.
Учебное п()собие предназначено для студентов, маrиетрантов, аспиран
ТОВ и преподавателей высших учебных заведений приборостроительноrо
про<l>иля, а та:кже инженерно технических раБОТНИhОВ промышленности.
УДК 681.7
ББК 22.34
ISBN 5 7325..0563..6
@ Издательство Политехника , 2007
Предисловие
Создание новой техники, базирующееся на результатах
(l)ундаментальных и прикладных исследований, содержит
особый этаIr умственной деятельности, заключающийся в
разработке техническоrо проекта будущеrо изделия.
Задачами этоrо этапа являются:
выявление потребности общества в том или ином техниче
ском изделии (с учетом технико экономических характери
стик, расходов природных ресурсов, влияния на эколоrию и
т. п.);
поиск идей и способов инженерных решений;
разработка конкретной конструкции изделий с выпуском
необходимой технической документации.
Данную работу называют проектированием и (или) KOH
струированием изделия.
Проектирование и конструирование взаимосвязаны, дo
полняют дрyr друrа, выполняются, как правило, специа
листами одной проq)ессии ............ инженерами конструкторами,
имеют одну и ту же конечную цель разработку HOBoro из
делия, и поэтому часто весь процесс называют проектирова..
нием [1.1, 1.2] или конструированием [1.3].
Однако на практике и в литературе [1.4, 1.5, 1.6] суще
ствует и друrая точка зрения, cor ласно которой эти понятия
различают. Считают, что nроектирование предшествует
конструированию и заключается в выявлении потребности
общества в изделии, в поиске идей, (l)изических эф(ректов,
целесообразных методов и принципов действия, в синтезе
(l)ункциональных структур возможных вариантов.
Под конструированием понимают разработку KOHKpeTHO
ro варианта изделия на основе результатов проектирования,
при которой создается ero конструкция: устройство, состав,
взаимное расположение частей и элементов, способ их соеди
нения и взаимодействия с учетом используемых материалов,
технолоrии изrотовления и т. п.
В процессе конструирования выпускают чертежи сбороч
ных единиц и деталей, схемы, рассчитываЮт допуски на по
rрешности и технолоrию изrотовления и сборки деталей,
устанавливают технические условия на прибор, составляют
техническое описание, разрабатывают друrую KOHCTpYКTOP
скую документацию, необходимую для изrотовления и экс
плуатации изделия.
3
Существуют два мнения о взаимоподчиненности понятий
проектирования и конструирования. Соrласно одному из
них, проектирование итерационный процесс преобразо"
вания инq)ормации в целях получения. технических систем,
удовлетворяющих определенным человеческим потребно"
стям, а конструирование часть проектирования, заключа..
ющаяся в преобразовании инq)ормации в целях получения
rраq)ических моделей технических систем.
Соrласно друrому мнению [1.7], конструирование включа..
ет в себя проектирование (а не наоборот, как в первом случае),
так как под конструироваIШем ПОIШмается построение, со..
здание техническоrо объекта, а под проектироваIШем толь"
ко разработка ero замысла, поиск идей, предвидение и т. п.
Следует заметить, что, несмотря на существующие раз"
личия понятий проектирования и конструирования, не..
возможно найти четкую rраницу между этими процедура
ми проектно"конструкторской деятельности. Как на этапе
проектной работы существуют элементы конструирования
(например, разработка макетов для проверки физических
принципов действия, выбор и расчет некоторых звеньев си"
стемы), так и на этапе конструирования не обойтись без про"
ектных процедур (поиск вариантов используемых функци"
ональных устройств, конструкций, разработка и уточнение
схем, теоретическое и экспериментальное исследование ха..
рактеристик некоторых инженерных решений).
Данное учебное пособие посвящено основам конструи"
рования точных приборов, типичными представителями
которых в настоящее время являются оптические прибо"
ры, содержащие механические, электронные и оптические
q)ункциональные устройства и элементы.
Специсl)ика конструирования таких приборов заключает"
ся в том, что их показатели качества, и в первую очередь точ"
ность, надежность и технолоrичность, в существенной степе..
IШ зависят от выполнения определенных правил и принципов
конструирования, способов и методов сl)Уlffiциональноrо, па..
раметрическоrо и точностноrо синтеза конструкций, знания
путей повышения качества приборов при проектировании.
Несмотря на то что рассматриваемые вопросы иллюстри"
руются преимущественно на конструкциях оптических при"
боров, они в полной мере относятся и к конструированию
друrих видов точных приборов И машин.
В настоящее время известно достаточно MHoro публика"
ций по проектно"конструкторской деятельности. Вместе
4
с теМ следует отметить, что по прикладным вопросам KOH
структорской работы в области оптическоrо приборострое
ния литературы HeMHoro. Наиболее доступными являются
справочник конструктора оптико механических приборов
[1.8], учебники и учебные пособия по конструированию опти
ческих и оптико электронных приборов [1.6, 1.9, 1.10].
Рассмотреть все теоретические и практические аспек
ты конструирования оптических приборов в одной книrе,
естественно, невозможно, даже учитывая то" что студенты
и друrие читатели уже знакомы с такими необходимыми
основами и разд лами конструирования приборов и машин,
как «Допуски и посадки., «Сопротивление материалов.,
«Детали приборов., «Материаловедение и технолоrия KOH
струкционных материалов», «Теория машин и механиз
мов., «Теоретическая механика., «Оптическая техноло
rия., «Прикладная оптика. и др. Поэтому автор, опираясь
на материал, который изложен в вышеперечисленных учеб
никах и учебных пособиях, старался развить и дополнить
ero рассмотрением тех вопросов конструирования, которые
преимущественно связаны с показателями точности прибо
ров и их элементов.
Учебное пособие состоит из четырех частей. В первой ча
сти рассматриваются общие вопросы и принципы конструи
рования точных приборов и их элементов. Вторая часть по
священа синтезу и анализу точности приборов, понятиям И
способам достижения их надежности. В третьей части изуча
ются методы повышения и обеспечения 'качества приборов
при конструировании. Практические аспекты конструиро"
вания элементов оптических приборов отражены в четвер
той части.
Пособие написано на базе учебной дисциплины, читаемой
автором студентам оптических специальностей CaнKT Пе
тербурrскоrо rосударственноrо университета информацион
ных технолоrий, механики и Qптики (ИТМО), поставленной
в вузе более 50 лет назад известными конструкторами точ
ных механизмов и приборов С. Т. Цуккерманом и В. В. Ку ла
rиным, книrи которых [1.9,1.11] содержали теоретические
и практические основы конструкторской подrотовки CTyдeH
тов в области точноrо приборостроения в проmлые rоды.
Автор выражает признательность и блarодарность дoцeH
там кафедры « Компьютеризация и проектирование оптиче
ских приборов. ИТМО и. Н. Тимощук И r. В. EropoBY за пре
доставлеIШе материалов и помощь при подrотовке РУКОIШси.
5
Часть 1
принципыI КОНСТРУИРОВАНИЯ
точныIx ПРИБОРОВ И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Введение
Существует rромадное количество различных видов и
типов точных приборов. Например, только оптические при
боры класси(рицируются на rеодезические, спектральные,
измерительные, военные, космические, q)ото видеотехни
ческие, контрольно юстировочные, телекоммуникацион
ные, медицинские и т. д. Номенклатура подобных приборов
достиrает нескольких тысяч наименований. Нескольких
десятков тысяч наименований достиrает номенклатура BЫ
пускаемых промышленностью функциональных устройств
и элементов, используемых в точном приборостроении.
Конструктор, проектируя эту технику, должен учитывать
специq)ику конкретноrо объекта конструирования.
Однако подrотовка специалистов по проектно конструк
торской деятельности не может и не должна носить рецеп
турный характер и основываться на изучении специсрики
создания Toro или иноrо KOHKpeTHoro изделия или дюке
класса изделий. Поэтому представляется неоправданной
подrотовка конструкторов, например, только по rеодезиче
ским приборам, или по микроскопии, или по rироскопиче
ской технике.
Следует изучать методы, общие правила и принципы про
ектирования и конструирования, которые используются
при создании как всех технических изделий, так и их раз
личных видов и классов, объединенных общими целевыми
признаками. Это позволит подrотовить конструкторов mи
pOKoro профиля, в дальнейшем способных освоить специ(l)и
ку проектирования конкретных типов изделий «на рабочем
месте .
Методы проектирования и конструирования описывают
возможные пути и способы поиска идей и инженерных pe
шений проектно конструкторских задач (которые, как пра
вило, не зависят от вида создаваемой техники).
Под общими правилами конструирования понимают pe
комендации по решению тех или иных проектно конструк
торских задач для обеспечения требований, предъявляемых
6
как o всем техническим изделиям (например, их уни(])ика
ции, утилизации), так и к решению ряда задач, определяе
мых видом создаваемой техники (например, ее компоновки,
структуры).
П рипциnами конструирования являются такие правила и
конструктивные реmения, которые позволяют ДОСТИЧЬ тpe
буемых целевых q)ункций изделия (основных показателей
качества изделия).
Для всех точных приборов такими показателями качества
являются пока атели точностu, llадеЖ1-l0сти и техноJl,ОZUЧ
пости, поэтому в данной части учебноrо пособия преимуще
ственно излarаются принципы конструирования, влияющие
на эти показатели. Методам и общим правилам проектиро
ванин и конструирования уделяется меньшее внимание, так
как они рассмотрены в мноrочисленной литературе по про
ектированию приборов и основам техническоrо творчества
[1.l I.3, 1.10, I.13 I.15].
rлава 1
ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ
И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
ОПТИЧЕСКИХПРИБОРОВ
1.1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ
ОПТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ
1.1.1. ЭТАПЫ ПРОЕКТНО КОНСТРУКТОРСКОЙ РАБОТЫ
Соrласно rOCT 2.103 68 этапы проектно конструктор
ской работы и стадии разработки конструкторской ДOKY
Техничесн:ое
.задание
Техничес"ое
предложение
Эс"изнЪ/,й
про ен: п],
Техничес"ий
прое"т
r
I
KoppeKтиpoв
"а "OHcп py".
п opc"oй дo"y
ментации
Исnьtтание
оnытноzо
образца
и зеоп овле
ние OnЫ" HO
ео образца
Рабочий
пpoeKnt
Рис. 1.1. Этапы nрое"Пl,но "онстРУ"Пtорс"ой рабоп ы
7
ментации выполняются в последовательности, показанной
на рис. 1.1.
Рассмотрим вкратце содержани этапов и совокупность
разрабатываемой конструкторской документации (КД) при
менительно к оптическим приборам (ОП).
Техническое задаnие (ТЗ) документ, с KOToporo начи
нается разработка любоrо ОП, устанавливающий ero OCHOB
ное назначение, область применения, технические и техни
ко экономические показатели качества, состав, условия и
режимы эксплуатации, этапы и сроки выполнения работ.
ТЗ составляется орrанизацией заказчиком при возмож"
НОМ участии и cor ласовании с орrанизацией исполнителем.
Основные требования к ТЗ изложены в rOCT 15.001 73.
Техническое nредложеnuе совокупность кд, разраба
тываемой в целях выявления возможных вариантов Tex
нических решений и уточнения ТЗ, которая содержит:
технические и технико экономические обоснования целесо
образности разработки документации ОП на основе анализа
ТЗ и различных вариантов возможных решений; сравни
тельную оценку решений с учетом конструкторских и экс"
плуатационных особенностей разрабатываемоrо и аналоrич
Hыx существующих ОП, а также тенденций и перспектив их
развития; результаты проверки вариантов на патентоспособ
ность, патентной чистоты и конкурентоспособности; предва
рительную оценку технолоrичности вариантов конструкции,
соответствие их требованиям стандартизации, унификации,
техники безопасности и т. п.
На этом этапе выполняются расчеты, подтверждающие
работоспособность Toro или иноrо решения. Некоторые pe
шения проверяются путем экспериментальных исследова
ний на макетах.
Выпускаемая на этом этапе КД содержит (l)ункциональ
вые схемы возможных вариантов решений ОП, упрощенные
чертежи общеrо вида, ведомость техническоrо предложения,
патентный формуляр, пояснительную записку.
Объем работ по этому этапу отражен в rOCT 2.118 73.
Эскизный nроект совокупность КД, разрабатываемой
в целях получения принципиальных конструктивных реше
ний выбранноrо варианта оп. Он дает общее представление
о принципе работы и устройстве прибора, ero основных xa
рактеристиках. На этом этапе выполняются все необходи
мые расчеты ОП: параметрический, оптический, CBeTOTex
нический, точностной и др.
8
Выпускаемая КД содержит: основные схемы ОП (оптиче"
скю<>, кинематическую, электрическую); чертежи общеrо
вида (с возможными упрощениями) и наиболее важных сбо
рочных единиц, дающие представление о компоновке при
бора и взаимодействии ero частей; пояснительную записку
с результатами расчетов, сведениями о технико экономиче"
ских характеристиках оп, дополнительными результатами
патентных исследований и т. д.
Объем работ этоrо этапа отражен в rOCT 2.119 73.
Технuчес"uй nроект совокупность КД, которая содер"
жит окончательное техническое решение, дающее полное
представление о конструкции оп. На этом этапе: произво
дится более подробная разработка конструкции Bcero прибо
ра и ero составных частей; разрабатываются принципиаль
ные схемы, схемы соединений; составляется номенклатура
покупных изделий; соrласуются rабаритные, установочные
и присоединительные размеры; производится анализ Tex
нолоrичности; определяется технолоrическое обо,рудова
ние; разрабатывается необходимая оснастка; принимаются
решения о выборе средств контроля, монтаже, хранении и
транспортировке оп.
Выпускаемая КД: чертежи общеrо вида и сборочных еди
ниц, rабаритный чертеж, чертежи всех схем, ведомость по..
купных изделий, патентный формуляр, пояснительная за..
писка и др.
Объем работ этоrо этапа отражен в rOCT 2.120 73.
Рабочий nрое"т полный комплект КД дЛЯ изrотовле..
ния и эксплуатации оп. На этом этапе: выполняют чертежи
всех деталей конструкции прибора; разрабатывают требо..
вания и методику ero сборки, юстировки и испытания; со..
ставляют техническое описание и инструкцию по эксплуа"
тации прибора, ero формуляр и технический паспорт (в нем
содержатся сведения о хар теристиках ОП, результаты ero
испытания, состав комплекта, rарантии и т. п.); разрабаты
вают технолоrические процессы для изrотовления сложных
и ответственных деталей; составляют технические условия,
которые содержат требования, отсутствующие в чертежах,
но необходимые для изrотовления и отладки оп; составля
ют ведомости покупных изделий, марок и сортаментов ма..
териалов, запасных инструментов, принадлежностей и т. п.
В ответственных случаях для выявления возможных оmи..
бок в рабочих чертежах деталей производят так называемые
«контрольные сборки сборочные чертежи Bcero прибора
9
или ero основных узлов, которые выполнены по конкретным
размерам, считанным с рабочих чертежей сопряrаемых дe
талей.
После подrотовки и утверждения кд переходят к эта
пу изzотовлеnи,я и исnытаnия проектируемоrо прибора.
В случае., коrда планируется не единичное, а серийное ero
производство, изrотавливается опытный образец или опыт
ная партия приборов. Всесторонние испытания изrотовлен
ных образцов позволяют сделать заключение о соответствии
прибора ТЗ, выявить возможные недостатки проекта и устра
нить их путем корректировки или доработки кд.
Следует заметить, что не все из перечисленных этапов
обязательны для выполнения как самостоятельные, напри
мер, может быть исключен эскизный проект, объединены
технический и рабочий проекты.
Более подробно перечень работ, выполняемых на различ
ных этапах конструирования, изложен в соответствующих
rOCTax и в работе [1.6].
1.1.2. ПОКА3АТЕЛИ КАЧЕСТВА, ОБЕСПЕЧИВАЕМЫЕ
ПРИ КОНСТРУИРОВАНИИ ОПТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ
На всех этапах конструирования ОП конструктор должен
находить технические решения, обеспечивающие COOTBeT
ствие создаваемоrо прибора требованиям не только ТЗ, но и
требованиям, не отраженным в ТЗ, но выполнение которых
необходимо в любом техническом проекте. Речь идет о Tpe
бованиях, обеспечивающих создание качественноrо прибора
или любоrо друrоrо объекта проектирования.
В соответствии.с rOCT 22851 77, rOCT 15467 79 каче
ство,м прибора (продукции) называется совокупность свойств
прибора., обуславливающих ero приrодность удовлетворять
определенные потребности в соответствии с ero назначени
ем. Для объективной оценки качества прибора ero свойства
характеризуют количественно nок,азателями к,ачества.
Показатели качества характеризуют технико"экономиче
ские особенности прибора и классиq)ицируются по следую
ЩИМ основным rруппам.
Показа тел и н а з н а ч ени я характеризуют назна
чение, область применения, производительность; точность,
св-етосилу, разреmающую способность, дальность действия,
rабаритные размеры, массу и т. п.
10
Это наиболее мноrочисленная rруппа показателей каче
ства изделий. Для ОП существуют как общие показатели на..
значения (показатели точности функционирования, каче"
ства изображения, создаваемоrо оптическими системами),
так и частные (показатели, характеризующие параллель
ность визирных осей бинокулярных приборов, увеличение
микроскопов, светосилу фотоrрафических приборов, мощ
ность излучения лазерных приборов и Т. д.).
П О к а з а т е л и н а Д е ж н о с т и характеризуют безот
казностъ (свойство прибора сохранять работоспособность в
течение HeKoToporo времени или наработки без вынужден
ных перерывов), долzовечностъ (свойство прибора к дли
тельной эксплуатации с необходимыми перерывами для Tex
ническоrо обслуживания и ремонтов), peM01lтOпpUZOa1l0Cmb
(приспособленность прибора к предупреждению, обнару
жению и устранению отказов путем техническоrо обслужи
вания и ремонтов) и сохраllяемостъ (свойство прибора cp
хранять обусловленные показатели в течение и после срока
хранения и транспортировки).
П о к а з а т е л и т е х н о л о r и ч н о с т и характеризуют CTe
пень соответствия прибора и ero элементов оптимальным усло"
виям современноrо производства. Важнейшими технолоrиче..
скими показателями качества прибора являются, например,.
-коэффициеllт сборности (БЛОЧIl0сти), коэффициеllт исполъ..
зованuя рациОllалъJtЪLХ материалов, удельная трудоемкостъ.
Эр r о н о м ич е с к и е п о к а з а т е л и характеризуют
степень приспособленности прибора к взаимодействию
с человеком с позиции удобства работы, rиrиены, безопас
ности труда. Эрrономические показатели разделены на
zиzиеllические (уровень шума, амплитуда и частота вибра
ЦИЙ, уровень радиации, температура, степень заrазованно,
сти, токсичности и т. п.), антропометрические (размеры
и расположение экранов, индикаторов, рукояток, нarлаз
ников, налобников, qJOpMa сиденьев и т. п.), психофuзи
олоzические (диапазоны усилий на рукоятках, скорость
выполнения движений, уровень освещенности, цвет и яр
кость световых сиrналов, тембр и сила звуковых сиrналов
и т. д.), психолоzические (объем и интенсивность потока
информации, количество и частота выполняемых опера
ЦИЙ, количество и расположение контрольных, сиrналъ
ных, управляемых элементов и Т. д.).
Эс те т ич ес к и е п ок аз ате л и характеризуют внеш
НИЙ вид прибора, ero соответствие современному стилю, rap
11
моничность сочетания отдельных элементов прибора друr с
друrом, соответствие q)оРМЫ прибора ero назначению, каче
ство и совершенство отделки внешних элементов, поверх
ностей и упаковки, выразительность и качество надписей,
знаков, технической документации (проспекта, каталоrа,
инструкции, паспорта).
Показатели стандартизации и унифика
Ц и и характеризуют степень использования и примене
ния в данном приборе стандартизованных, уни(l)ициРо
ванных и заимствованных узлов и деталей. Чем больше
таких ,элементов будет в проектируемом приборе, тем
меньше затраты на их конструирование, технолоrиче
скую подrотовку производства, выше, как правило, Ha
дежность q)ункционирования, проще орrанизовать обслу
живание и ремонт.
П а т е н т н О П Р а в о в ы е п о к а з а т е л и характери
зуют степень новизны технических решений в приборе и
определяются патеnтоспособnостью и nатеnт1l0Й чи
стотой. Патентоспособным является решение, которое
может быть признано изобретением в одной или несколь
ких странах. Патентной чистотой обладают решения, не
попадающие под действие (не арушающие прав) друrих
патентов.
Э к о н о м и ч е с к и е п о к а з а т е л и характеризуют
уровень затрат на производство и эксплуатацию оп. Cpe
ди них выделяют nолnую себестоимость и оптовую цепу
прибора.
П ок аз а тели б е з оп ас н о с т и характеризуютстепень
защищенности людей и животных от опасноrо воздействия
приборов (защита от электрическоrо удара, электромarнит
ных полей, тепловоrо воздействия, радиации, оптических
излучений, шума, токсичных и rазовых выделений, вибра
ций и т. д.), а также самих приборов от климатических, Me
ханических, биолоrических и друrих воздействий на них.
Такими показателями, например, являются катеzория и
класс исполнений и эксплуатации.
Эколоrические показатели характеризуют степень Bpeд
Horo влияния на окружающую среду и ее заrрязнение при
изrотовлении, эксплуатации и утилизации приборов.
Следует обратить внимание на то, что именно при проекти
ровании и конструировании ОП (а не при ero изrотовлении,
эксплуа тации) закладываются потенциальные возможности
будущеrо прибора, возникает возможность наиболее эффек
12
тивно повысить все показатели ero качества по сравнению с
существующими техническими решениями (прототипом).
Например, потребительская стоимость приборов, экономич
ность их производства и экс луатации, как показали иссле
дованил [1.3], на 75 О/о определяются в ходе конструкторской
подrотовки производства.
1.1.3. СТРУКТУРА ОПТИЧЕскоrо ПРИ БОРА
Оптический irрибор предназначен для преобразования
ин(l)ормации от объекта наблюдения (обнаружения), измере
ния или управления. На рис. 1.2 показана обобщенная схема
q)ункционирования оп.
В оптических приборах происходит преобразование вида
у == f( х, Qi)' rде f (рункция преобразования; qi KOHCTPYK
тивные параметры прибора.
Преобразование входноrо сиrнала оп осуществляется ero
функциональными устройствами (ФУ), имеющими, как
правило, различные физические принципы. На рис. 1.3 [1.3]
изображен состав cOBpeMeHHoro ОП, oCHoBaнHoro на оптиче
ских, механических и электронных (электрических) фу и
их сочетании.
С системных позиций фу представляет собой подсистему
оп, которая работает автономно, но определенными OTHO
шениями связана с друrими подсистемами (например, для
передачи информации, энерrии, вещества).
В свою очередь, ФУ состоят 'из конструктивllЫХ узлов
(КУ) сборочных единиц, которые MorYT конструироваться
(а в дальнейшем и собираться) отдельно от друrих составных
частей ОП или Bcero прибора в целом и выполнять опреде
1
2
3
хо
х оп у
у == f(x, qi)
Рис. 1.2. Обобщеllная схема ФУIl"ционирования ОП:
1 обоект; 2 ОП; В наблюдатель; Ха информ.атив
ный пара.метр обоекта; Х информативный параметр
BXoдHOZO сиzнала; у информативный параметр выxoд
HOZO сиzнала.
13
м ехан.u ческие
./
Оп пluчес"ие
Э'лекпl,РО
механ.ичес"ие
Оп n/'и"o
механ.и ческие
эл.е"пlрон.н.ыle
и электричес"ие
Опn/,и ко элекпlрон.н.ЬLе
Рис. 1.3. Состав фун."цион.ал.ьн.ых успlройств пlОЧНОZО
при бора
ленную функцию в ОП только (в отличие от ФУ) совместно с
друrими составными частями.
В КУ (рис. 1.4) можно выделить соедUllеllUЯ деталей (СД)
элементарные сборочные единицы, которые/ состоят из
двух или нескольких деталей, находящихся в непосредствен
ном физическом контакте друr с друrом. Первичными эле..
ментами СД, а следовательно, и ОП простейших объектов
конструирования являются деталu (Д) конструктивные
элементыI, выполняемые из однородноrо материала (в резуль
тате ero обработки) без соединения с друrими конструктивны"
ми элементами (без применения сборочных операций).
Таким образом, структура ОП в целом может быть пред
ставлена в виде иерархических уровней перечисленных
выше составных частей (подсистем), связанных друr с дpy
rOM определенными соотношениями (связями) (рис. 1.4).
I оп KB
Рис. 1.4. Иерархи ческая cnl,py"тypa прибора
Методы и принципы конструирования элементов ОП раз"
личноrо уровня сложности имеют существенные различия,
поэтому их изучение обычно начинают с деталей, переходя
от простоrо к более сложному, и заканчивают ФУ.
14
1.2. ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ
1.2.1. ОБЩИЕ АСПЕКТЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ
в данном подразделе рассматриваются кратко лишь HeKO
торые общие, а также специ(l)ические вопросы конструиро
вания деталей, так как студентам (и прочим читателям) они,
как правило, в известной степени знакомы из друrих учеб
ных курсов и публикаций.
Как было сказано, детали являются простейшими объек
тами конструирования. Они представляют собой неделимые
однородные тела, состоящие из элементов (рормы (rеометри
Iеских поверхностей тел) и материала.
В каждой детали различают следующие структурные эле
менты (поверхности): рабочие (активные), базовые, соедини
тельные (свободные) и технолоrические.
Рабочие элементы (РЭ) (их называют также активными
или исполнительными поверхностями) не'посредственно BЫ
полняют заданные функции детали. Например, РЭ являются:
с(рерические поверхности линзы (рис 1.5, а); эвольвентная
поверхностьзубчатоrовенцаколеса(рис. 1.5, б); плоскаяици
линдрическая поверхности rнезда оправы линзы (рис. 1. 5, в).
Эти поверхности, как правило, тщательно обрабатываются,
и к ним предъявляются высокие требования: точность pac
положения, поrреmность q)оРМЫ, чистота поверхности, раз
меры и т. п.
Вазовые элементы (БЭ) обеспечивают координацию дe
тали (т. е. координацию ее РЭ) относительно друrих дeTa
лей и представляют собой поверхности, по которым деталь
сопряrается (соединяется) с базовой деталью (рис. 1.5).
Данные поверхности изrотавливаются также весьма тща
тельно.
Соединительные элементы (СЭ) (их называют часто
свободными) служат для обеС-печения материальной связи
между рабочими и базовыми элементами (рис. 1.5). К СЭ не
предъявляются высокие требования по тщательности и точ
ности изrотовления (за исключением требований к чистоте
поверхностей, коrда это обусловлено эстетическими показа
телями качества детали).
Технолоzические элементы (ТЭ) служат для обеспечения
технолоrическоrо процесса изrотовления и последующей
сборки детали (например, фаски, rалтели, выточки, цeH
тровые отверстия в валиках и т. п.). Для линзы (рис. 1.5, а)
15
а)
БЭ
б)
РЭ
в)
БЭ
РЭ
ТЗ
РЭ
СЭ
СЭ
Рис. 1.5. Cп py"тypHЪLe эл-ементъ{, деталей
ТЗ являются фаски, которые устраняют выколки, появля
ющиеся на кромках при ее шлифовке; для зубчатоrо колеса
(рис. 1.5, б) ТЭ является резьбовое отверстие под стопорный
винт для фиксации зубчатоrо колеса на валике при paCCBep
ливании отверстия ПОД штифт; в оправе линзы (рис. 1.5, в)
ТЭ является резьба (и канавка для выхода' резьбы) для за
крепления оправы (с линзой) в центрировочном патроне для
результативной обработки ее базовых поверхностей в размер
(см. рис. 1.42).
Следует отметить, что одни и те же поверхности (части
поверхностей) MorYT выполнять роль РЭ, БЭ и СЭ. Наибо
лее блаrоприятным считается вариант, коrда в конструкции
удается объединить РЭ и БЭ, минимизировать СЗ.
Конструирование детали заключается в выборе материа
ла, срормы ее поверхностей и определения ее размеров. Кроме
этоrо, конструкт,?р должен указать допустимые отклонения
характеристик материала, поrреmности изrотовления раз
меров и форм, тип покрытий, вид обработки, технические и
технолоrические условия и требования (например, азотиро
вание, просветление, старение и Т. п.).
В ы б о р м а т е р и а л а производится исходя из функ
циональноrо назначения детали, условий ее эксплуатации,
рациональной технолоrии изrотовления, стоимости и десри
цитности материала, требований эрrономики и эстетики.
Конструктор руководствуется при этом номенклатурой,
сортаментом и физико механическими свойствами KOH
струкционных материалов (табл. 1.1).
16
Таблица 1.1
ФUЗU1Со"механ,uчесхuе u техн,олоzuЧ,есхuе свойства матерuалов
Свойства
Характеристики
Электромаrнитные
Постоянные
Спектральные
П оляризацион.н.ые
Плотность
У пруrость
Твердость
Износостойкость
Прочн.осп ъ
Коэффициент линейноrо расширения
Теплопроводность
Теплоемкость
Термооптические постоянные
TepMocп oй"ocтb
flалетоопасность
Радиационная устойчивость
Коррозионная стойкость
Водоnоzлощае.мосп ь (влаrостойкость)
Удельное электрическое сопротивление
Коэрцитивная сила
Маrнитная проницаемость
Пробивн.ая эле"п ричес"ая nрочн.ость
Коэффициент трения скольжения
Коэффициент трения качения
Коэффuциент сцеплен.ия
Пластичность
Свариваемость
Моллируемость
Прессуемость
Tpyдoe.м"ocп b обрабопl,"U
Оптические
Механические
Тепловые
Химические, коррозион..
ные
Фрикционные
Технолоrические
Например, если конструируется линза, то ее материал
должен быть прозрачным для рабочеrо диапазона длин волн
света. Если линза будет эксплуатироваться в условиях TpO
пическоrо или MopcKoro клщмата, необходимо выбрать MaTe
риал, стойкий к воздействию влarи, rрибков, соли и дрyrих
вредных факторов. Исходя из условия минимизации массы,
возможности получения линзы литьем, она моrла бы быть
изrотовлена из орrаническоrо стекла (если это не влияет на
друrие показатели качества детали).
Естественно, что характеристики используемоrо материала
должны обеспечить необходимую точность размеров, форм и
шероховатость (чистоту) поверхностей детали при ее изrотов
лении, а также сохранение их стабильными в процессе дJШ
тельной эксплуатации при воздействии различных факторов.
17
Технолоrичными считаются материалы, которые леrко
обрабатываются резанием, шли{l)уются, штампуются, прес"
суются, свариваются, спекаются, имеют хорошие литейные
свойства. Общей современной тенденцией являются исполь..
зование таких материалов, из которых можно изrотавливать
детали производительными методами (например, литьем
под давлением, штамповкой, прессованием), а также широ"
кое применение пластмасс.
ПрlI выборе материала деталей, взаимодействующих с че..
ловеком как непосредственно, так и косвенно, учитываются
эрrономические показатели: rиrиенические, антропометри"
ческие и психоq)изиолоrические (уровень шума, амплитуда
и частота вибраций, температура, возможность получения
оптимальной q)оРМЫ, усилия, контраст, класс исполнения,
степень утилизации и т. п.). Например, такой перспектив"
ный для изrотовления космических зеркал материал, как
бериллий, обладающий для этоrо рядом очень хороших ха..
рактеристик, является весьма токсичным при обработке,
что оrраничивает ero использование.
Свойство материала обуславливает также достижение со..
ответствия q)оРМЫ внешних деталей их назначению, каче..
I \
ство И совершенство отделки, возможность нанесения деко"
ративных покрытий и друrие эстетические показатели.
\
В общем случае решение задачи по выбору lVlатериала
детали является мноrовариантным, так как требования к
точности, надежности, массе, прочности, жесткости, эконо"
мичности, эстетичности и др. вступают в противоречие друr
с друrом, которое приходится преодолевать, оптимизируя
выбор материала с помощью ранжирования значимости по..
казателей качества детали и свойств материала. Весьма часто
выбор материала производится с помощью расчета необхо"
димых значений He OTOpыx ero характеристик по требуе"
мым показателям качества (например, марок и оптическкх
констант стекла по допустимым аберрациям системы, моду"
ля упруrости материала валика по ero допустимым деформа"
циям, коэq)(рициента линейноrо расширения материала по
допустимым изменениям размеров детали при изменении
температуры и т. п.).
Конструктор должен постоянно следить за появлением
новых материалов, а также пытаться использовать нетради"
ционные (для ответственных деталей) материалы, которые
блаrодаря своим свойствам MorYT повысить показатели ка..
чества проектируемоrо изделия.
18
Например, изrотовление деталей осевых пар теодолитов
не из стали, а из алюминиевоrо сплава В95Т (который при
закаленном состоянии и твердом анодировании по прочно"
сти И твердости приближается к закаленной стали, хорошо
обрабатывается, стабилен во времени, имеет низкий коэ(р"
q)ициент трения в кинематической паре с таким же матери"
алом и хорошо удерживает смазочный материал) позволяет
снизить массу деталей и упростить их изrотовление и вза..
имную приrонку деталей. Использование титановоrо спла..
ва ВТ..1 при изrотовлении оправ некоторых оптических де"
талей позволяет избежать их температурных деq)ормаций
блаrодаря равенству (близости) коэ(l)q)ициентов линейноrо
расширения титана и мноrих марок оптическоrо стекла. Из"
rотовление направляющих трехкоординатных измеритель"
ных машин из rранита или керамики позволяет повысить
их технолоrичность и ряд потребительских свойств по cpaB
нению с вариантом, коrда направляющие изrотавливают из
стали или чуrуна. Наиболее типичным примером использо'"
вания новых и нетрадиционных материалов при констру"
ировании деталей являются зеркала космических телеско...
пов, которые в настоящее время изrотавливают в том числе
из таких материалов, как ситалл, карбид кремния, бороси"
ликат, композиты.
Важными (l)акторами, которые следует учитывать при
выборе материала, являются имеющийся ero сортамент и
условия поставки (прутки, полосы, трубы, листы, швелле..
ра, пластины, блоки, прессовки, их возможные размеры,
наибольшая масса заrотовок и т. д.), так как применение
сортамента и зarотовок, близких по (l)opMe и размерам кон'"
струируемой детали, позволяет существенно уменьшить
трудоемкость ее изrотовления.
Особенно внимательно нужно относиться к условиям по..
ставки оптических материало , так как для мноrих ero ви"
дов и номенклатуры имеются существенные оrраничения
в сортаменте и массе поставляемых заrотовок, что может не
позволить изrотовить из них детали требуемых размеров и
(рормы или привести к существенным затратам при их из..
rотовлении [1.16].
Требования к материалам оптических деталей инекото..
рые их характеристики и показатели :качества будут paCCMO
трены далее в r лаве 7.
В ы б о р Ф о.р м ы оrраничивающих деталь поверхностей
осуществляют исходя из их структуры (функциональноrо
19
назначения), технолоrичности, эстетических и эрrономи
ческих требований, конструктивной целесообразности.
Форма рабочих элементов типовых .деталей часто бывает
вполне определенной. Примерами MorYT служить с(l)ериче
ские поверхности линз, плоские поверхности преломляю
щих и отражающих rраней призм, эвольвентные поверхно"
сти зубьев зубчатоrо колеса, спиральный профиль кулачка
и т. п.
Рабочие элементы ориrинальных деталей выполняют
в виде специальных поверхностей, например параболиче
скими, эллиптическими, торическими и т. д.
Форма базовых, свободных и технолоrических элементов
обычно представляет собой типовые поверхности пло..
скость, цилиндр, конус, cq)epy для оптических.
Более технолоrичными являются типовые поверхности,
получаемые при обработке деталей на универсальном обору
довании типовым инструментом.
Специальные q)оРМЫ поверхностей получают, используя
q)асонный инструмент, специализированное оборудование,
оснастку, технолоrические процессы и контроль, что суще
ственно снижает их технолоrичность по сравнению с типо
выми поверхностями. Это обстоятельство может повлиять
на конструкцию не только детали, но и Bcero изделия. rraк,
при создании конструкции космическоrо зеркальноrо объ
ектива для q)отоrрафирования ядра кометы rаллея (мJежду
народный проект «Bera , 1986 r.) из двух разработанных
вариантов (один был разработан q)ранцузской лабораторией
космической астрономии в r. Марселе, дрyrой в ИТМО),
обеспечивающих одинаковое качество изображения, была
выбрана и изrотовлена конструкция ИТМО, так как она
основывалась на сферических зеркалах, а французская cxe
ма объектива базировалась на асq)ерических зеркальных по
верхностях.
Следует помнить, что точность q)оРМЫ поверхности сни
жается с увеличением ее протяженности, при дискретной
(зонной) обработке поверхности по сравнению с непрерыв
ной, при увеличении числа параметров, которые нужно BЫ
держать при обработке.
Форма поверхностей детали влияет на эрrономические
показатели, определяет их внешний вид, выразительность
элементов и композиции, связана с качеством и совершен
ством отделки. Например, от формы рукоятки управления
приводом прибора зависят чувствительность ее перемеще..
20
ния, максимальное развиваемое усилие, скорость выполне
ния операций управления.
Параметры ч>ормы MorYT быть получены эвристически,
расчетным путем, исходя из условий стандартизации и уни
q>икации, технолоrических возможностей производства
и т. п. (например, радиусы кривизны сферических поверхно"
стей линз определяют из аберрационноrо расчета и rOCTOB
на них, yrол конуса конической или дуrообразной поверх
ности центровоrо отверстия детали назначают исходя из
типа детали, ее массы, требований к точности обработки и
rOCT 14034 74).
О п р е Д е л е н и е раз м е р о в Д е т а л и производится
С учетом большоrо числа факторов, среди которых следует
выделить функциональную точность, параметрическую на
дежность, жесткость, компактность, эстетичность и эрrоно
мичность, технолоrичность, требования стандартизации и
униq>икации, массу и используемый сортамент материала.
Конструктор, руководствуясь вышеперечисленными фак
торами, выбирает или рассчитывает необходимые размеры
структурных элементов детали.
В наиболее ответственных случаях детали подверrаются
тщательному расчету (а иноrда и экспериментальным ис
следованиям) по математическим моделям, связывающим
ее размеры (и параметры q>ормы) с требуемыми показателя"
ми качества, компоновкой, условиями эксплуатации, про"
изводства и друrими оrраничениями. Как правило, это дета"
ли, определяющие точность функционирования, качество
создаваемоrо изображения, испытывающие значительные
статические, динамические, тепловые нarрузки (напри"
мер, детали астрономических, военных, космических при"
боров).
Для оптических деталей подобными расчетами (напри"
мер, rабаритно"аберрационным) определяют размеры и рас"
положение рабочих элементов.
Рассмотрим на упрощенном примере процесс расчета дли"
ны и диаметра валика фотоэлектрическоrо преобразователя
(датчика) уrловых перемещений (рис. 1.6).
Под действием вращающеrо момента М вр вал, а вместе
с ним и измерительный растр вращаются (BoKpyr оси Х),
модулируя световой поток, проходящ й через щели инди"
KaTopHoro растра, создавая на фотоприемнике переменное
электрическое напряжение, преобразуемое в счетные элек..
трические импульсы, являющиеся мерой уrла поворота.
, .
21
3
4
5
6
7
8
1
Мер
х
х
х
х
L t
Le
Рис. 1.6. Упрощенная схема 1СОНСПl,РУ1Сцuи преобразоваП1.еля:
1 вал; 2 Ulариковый nодUlиnllИК; В фотоnрие.мник;
4 индикаторный растр; 5 об-оектив; 6 Из.мерительный
растр; 7 конденсор; 8 источник света
Длина валика L B определяется r лавным образом paCCTO
янием между подшипниками L и размером рабочеrо обыч
но заданноrо в ТЗ) конца валика t: L B == L + t. От расстояния
между подшипниками зависят уrловые повороты растра BO
Kpyr осей Z, У(ДУдр) и, как следствие, торцевое биение ДХдр
рабочей дорожки растра, обусловленное радиальными бие"
ниями внутренних колец подшипников Др:
ДХдр RДУL\р 2Rдр1L,
rде R радиус рабочей дорожки растра.
Торцевое биение растра может привести к расфокусиров"
ке изображения ero штрихов и потере точности работы пре" ,
образователя, поэтому в лучшем случае оно не должно пре"
вышать ди(l>ракционной rлубины резкости проекционноrо
объектива Т д:
2
XДp < Т д == л/(2А ),
rде л рабочая длина волны; А апертура объектива.
Следовательно, расстояние между подшипниками и ис
комая длина Bcero валика зависят от класса точности при"
22
меняемых ПОДШИПНИКОВ И характеристик проекционноrо
объектива:
L == 4RA2 p/A.
Определим диаметр d в-алика. Он может быть найден из
условия, что под действием моментов вращения и сопротив
лени я Мс валик закрyt.Iивается на уrол <Px, не больший по
ловины допустимоrо упруrоrо MepTBoro хода L:
МС l I.l
<Px== оТ < 2'
р
rде l расстояние от растра до рабочеrо конца валика; G
модуль сдвиrа материала валика; J p == 1td 4 /32 полярный
момент инерции валика.
Отсюда
d == 4 64М с l
aп J.l, ·
Обычно момент сопротивления вращению в таких преоб
разователях мал (определяется r лавным образом силами Tpe
ния в подшипниках), поэтому значение d может получиться
небольшим, не обеспечивающим достаточной жесткости Ba
лику при ero изrотовлении.
Исходя из технолоrической жесткости валика ero диаметр
вычисляется из допустимоrо изrиба fиз, возникающеrо под
действием радиальной составляющей силы резания Р.
При закреплении валика в патроне токарно винторезноrо
станка возникает консольный изrиб (рис. 1.7, а)
PL 3
fиз == 3EJ ' \
rде Е модуль упруrости материала валика; J == 1td 4 /64
осевой момент инерции сечения.
а) L б)
Р
дf uз Р
J J
Патрон Резец Шлифовальный
"руе
Рис. 1. 7. Деформация вали"а при обрабопl,,,е
23
Диаметр валика может быть найден из выражения
4 21 ,3Р L. 3
d==
Е1С fиз ·
При обработке валика в центрах (рис. 1.7, б) ero изrиб
PL 3
f1l3 == 48EJ '
а искомый диаметр валика
1, 3Р L 3
Е1t fиз ·
Примерами влияния требований стандартизации и уни
(l)икации конструктивных параметров изделий на определе
ние размеров конструируемой детали MorYT служить rосты
и технические условия (ТУ) на ряды предпочтительных чи
сел (rOCT 8032 56), нормальных линейных размеров и yr лов
(rOCT 6636 69, rOCT 8908 81), диаметры и шarи резьб
(rOCT 8724 81), модули зубчатых колес (rOCT 9563 60),
подшипники (rOCT 34 78 79), приемники и ИСТQЧНИКИ опти
ческоrо излучения, двиrатели и т. д.
В существенной степени на определение размеров может
повлиять также сортамент выбранноrо материала де!I'али,
например наличие (или отсутствие) трубы из алюминиевоrо
сплава с подходящими размерами наружноrо и BHYTpeHHero
диаметров для изrотовления оправы под объектив.
Классическим примером влияния эстетических показате
лей на размеры детали может служить «золотое отношение ,
cor ласно которому отношение проq)иля ее длинной стороны
к проq)илю корот.кой должно соотноситься как 1,618 : 1.
Требуемые эрrономические показатели по\чувствительно
сти поворота opraHa управления (рукоятки) прибора и пре
одолеваемому моменту сопротивления определяют, напри r
мер, оптимальный размер ее диаметра [I.1 7].
Весьма важный аспект конструирования детали
это обеспечение технолоzичности ее конструкции
(rOCT 14.204 73), значимой характеристикой которой являет
си трудоемкость изrотовления и в дальнейшем сборки детали.
Трудоемкость изrотовления детали зависит от рациональ
ности выбранноrо материала и оптимальности ее форм и раз
меров для условий COBpeMeHHoro производства.
24
Трудоемкость сборки детали зависит от конструктивной
рациональности Q>OPM, размеров и взаимноrо расположения
ее поверхностей для осуществления сборки (особенно aвTO
матизированной сборки, о чем будет сказано в п. 1.3.9).
Вопросы технолоrичности конструкций изделий «< OT
работка конструкций на технолоrичность) с оrлас но
rOCT 14.201 73, rOCT 14.205 83 должны рассматриваться
на всех этапах проектно конструкторской работы и изучают"
ся в литературе по технолоrии машиностроения и приборо
строения, сборке и юстировке приборов [1.18 1.20], а также
по методам уменьшения издержек при создании и конструи
ровании продукции [1.21].
При конструировании деталей конструктор должен опре
делить способ термообработки, тип покрытий и смазочный
материал, которые оказывают существенное влияние на по
казатели их назначения и особенно надежности.
Блarодаря термообработке (закалке, отжиrу, старению)
улучшаются, например, характеристики прочности и TBep
дости, износостойкости, снижаются остаточные напряжения
(вызывающие их деформацию во времени), появляется воз
можность получения более точных поверхностей в деталях.
П окрытия деталей позволяют защитить их от коррозии
(налетоопасности, пятнаемости), улучшить их внешний вид,
уменьшить износостойкость, изменить некоторые xapaкTe
ристики (например, теплопроводность, электрическое со..
противление, коэффициент отражения).
Особенно широко приментотся покрытия оптических дe
талей: просветляющие, зеркальные, поляризующие, токопро
водящие, покрытия"фильтры, защитные и т. д. (см. п. 8.1.1).
Смазочные материалы (замазки) предназначены для
уменьшения трения и износа подвижных деталей, защитыI
от коррозии, борьбы с «осыпкой , rерметизации и влarо.. и
пылезащиты.
Вопросы термообработки, покрытий, смазки деталей точ"
ных приборов изложены в справочниках [1.8, 1.16, 1.22],
rOCTax и специальной литературе.
1.2.2. ПРИНЦИП СОВМЕСТНОЙ ОБРАБОТКИ РАБОЧИХ
И БАЗОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЕТАЛИ
Этот принцип заключается в предпочтительности кон"
струкции детали, пОЗ80ляющей осуществлять совместную
25
а) БЭ
БЭ
РЭ 1 "-
,J.
, ,
,
'
:'/
1
I ,
' ' РЭ 2
: '/ /
б)
РЭ 1
РЭ 2
Рис. 1.8. Конструкции оправы
технолоzuческую обработку (за одну установку) ее рабочих
и базовых элементов, так как в этом случае точность их вза
имноrо расположения будет выше.
На рис. 1.8 изображены варианты упрощенной KOHCTl1>YК
ции оправы линз объектива, в одном из которых оба рабочих
элемента (РЭ 1 , РЭ 2 ) не MorYT быть обработаны совместно с
базовым элементом (рис. 1.8, а), а в дрyrом такая возмож
ность существует (рис. 1.8, б). В первом случае поrрешность
расположения РЭ 2 относительно РЭ] и БЭ будет больше, а
следовательно, хуже центрировка линз и точность выдержи
вания воздушноrо промежутка, чем во втором варианте. Об
условлено это тем, что при перестановке (технолоrичес/ком
перебазировании). оправы в патроне станка возникают по
rрешности взаимноrо расположения ее РЭ и БЭ, обусловлен
ные изменением технолоrической и измерительных баз. (
На рис. 1.9 показаны старая и модернизированная
(рис. 1.9, б) конструкции объектива «rелиос 44 . Оправы 8 и
5 оптических компонентов объектива (рис. 1.9, а) не удовлет
воряют рассматриваемый принцип конструирования, поэто
му взаимная децентрировкакомпонентов 1 и 2, 3 и 4 больше,
чем в модернизированной конструкции, а для компенсации
поrрешностей воздушных промежутков варианта, показан
Horo на рис. 1.9, а, необходимо компенсационное кольцо 6.
Однако и в конструкции, показанной на рис. 1.9, б, принцип
26
а)
5
б)
Рис. 1.9. KOHcп PYKциu объектива
совместной обработки РЭ и БЭ не удовлетворяет корпусная
деталь 7, что может отрицательно сказаться на качестве цeH
трировки компонентами 1 , 2 с 3, 4.
1.2.3. ПРИНЦИП ТОЧНОСТНОЙ ТЕхнолоrичности ДЕТАЛЕЙ
Этот принцип заключается в учете ЭКО1l0мических фак
торов при назначении допусков на характеристики Maтe
риала детали и на поzрешн.ости ее изzотовления.
Конструктор должен помнить, что от допусков на деталь
в существенной степени зависит ее стоимость. Так, чем
выше качество используемоrо материала, тем она дороже.
Например, стоимость оптическоrо стекла первой катеrории
класса А по показателю преломления и средней дисперсии
в несколько раз больше, чем стекло той же марки пятой Ka
теrории класса r, а ero стоимость с учетом всех показателей
качества может отличаться на порядок.
На рис. 1.10 [1.9] изображен rрафик зависимости между
допуском 8q на точность изrотовления детали и затратами
по ero выполнению ZБq. На rрафике показана кривая, об
27
Zoq
разованная участками
равнобочных rипербол
.1 4, характеризующих
затраты на получение
допуска при обработ"
ке детали на различном
оборудовании с исполь..
зованием различноrо ин..
струмента, оснастки и
т. д. Узловые точки Э, П,
Т, образованные пересе"
бq чением соответствующих
кривых, являются rрани"
цами зон, характеризую"
щими llизкие, средние и
высокие затраты и со..
Рис. 1.10. 3ависиМОСn1-Ь стои.м.ОСn1-и Оn1- ответствующие им уров"
точностu при изеОnl,овлеllии деnl,алей ни пониженной, cpeд
ней и высокой точности
технолоrических процессов, называемые экономичеСКИlv.IИ,
производственными и техническими [1.8], [1.9].
Экономическому (пониженно.му) уровню точности (ЭУТ)
технолоrических процессов (допуск обозначается 8q соот"
u Э
ветствует точность, получаемая в сериином производстве
при изrотовлении деталей на автоматическом и ун:и!версаль"
ном оборудовании с помощью типовоrо инструмента, оснаст"
ки и приспособлений. Контроль производится средствами,
находящимися на рабочем месте (микрометры, индикаторы,
калибры, эталонные стекла). Для заводов оптической про"
мыmленности экономический уровень в среднем начинается
с 9 1 O"ro квалитетов точности.
П роизводств нному (среднему) уровню точности (ПУТ)
соответствует точность 8q , получаемая в серийном произ"
п u
водстве при изrотовлении деталеи также на автоматическом
и универсальном оборудовании, но с применением специаль"
ных инструмента, оснастки и технолоrических процессов
(например, при изrотовлении деталей: на шлиq)овальных
станках; с использованием алмазных резцов; разверток; кон..
дукторов; приспособлений для центрирования заrотовки; с
увеличением числа повторных циклов «< выхаживанием )
обработки поверхностей детали и т. п.). Контроль произво"
дится средствами, находящимися как на рабочем месте, так и
в отделе техническоrо контроля (ОТК) цеха. Производствен"
4
3
о Д
бq
т
бq
п
бq
э
28
ному уровню соответствуют в среднем допуски по 6 8 MY
квалитетам точности.
Техническому (высокому) уровню точности (Т"У'Т) COOT
ветствует предельно высокая точность 8q , которая может
т
быть достиrнута с помощью специальных (прецизионных)
оборудования, инструмента, технолоrических процессов и
условий производства. Например, для достижения точности
нанесения делений на штриховых лимбах (диаметром око..
ло 100 мм) с поrрешностью 1 2" используют прецизионные
делительные машины, производят стабилизацию темпера"
туры (до COTЫ долей rpaдyca), давления и влажности в рабо
\ чем помещении, осуществляют защиту от вибраций и друrие
мероприятия. Контроль деталей выполняют с привлечением
лабораторных средств (автоколлиматоров, микроскопов, ин
Tepq>epoMeTpoB). Техническому уровню соответствуют допу
ски ПО 4 5 MY квалитетам.
Более высокую точность изrотовления детали (зона Д)
можно получить ее доводкой, выполняемой на станках, или
слесарным способом вручную (шабрением, притиркой, раз"
вертыванием, прикаткой и т. п.), как правило, в процессе
сборки детали в узел (обычно этот процесс называют Tex
нолоrической компенсацией поrрешностей деталей). Левая
rраница этой зоны весьма неопределенна, так как в суще
ственной степени зависит от квалиq>икации рабочеrо, нали
чия необходимоrо оборудования, инструмента и контроль
ных средств.
Показанную на рис. 1.10 кривую можно аппроксимиро
вать rиперболической кривой, проходящей через узловые
точки Э, П, т и характеризующей зависимости между допу
ском и затратами на выполнение:
т
ZБq 2t + Z05q,
8q
(1.1)
rде Т коэ(l>(l>ициент для выражения допуска в единицах
стоимости; t > О показатель степени (обычно считают, что
t == 0,5 -7 1); ZОБq стоимость изrотовления (элемента) детали
по свободному допуску.
Таким образом, назначая высокие (жесткие) допуски на
поrрешности изrотовления деталей, конструктор должен OT
давать себе отчет, что это приведет к существенному их yдo
рожанию, поэтому такие допуски должны быть обоснованы
друrими факторами, связанными, например, с затратами на
29
Zoq
\
,
\
\
\
\
\
\
\
\
\
\
,
,
"'..
.........-... ......-
3
I
,
,/,/,//'
1
сборку, точностью q)ункциони
рования Bcero прибора и т. п.
Стоимость сборки деталей,
как известно [1.3], зависит от
поrрешностей их изrотовления
(рис. 1.11, кривая 2) и может
быть охарактеризована зависи..
мостью:
Z8q == R8 q 2r + R 08q , (1.2)
бq r де R коэq)(рициент для выра
жения допуска в единицах стои
мости; r> О показатель степе
ни; R 08q стоимость сборки при
отсутствии поrреmностей.
Такая зависимость обусловлена тем, что затраты на сбор"
ку растут с увеличением поrрешностей изrотовления дета
лей, так как «rрубые детали обычно требуют при сборке
дополнительных реrулировок, приrонок, юстировок (TPYДO
емкость которых rораздо больше), а также затрудняют ис
пользование средств автоматической сборки.
В общем случае конструктор, назначая допуски, дол
жен учитывать затраты на изrотовление и сборку деталей
(рис. 1.11, кривая 3), назначая, по возможности, допуски,
соответствующие экономическим уровням точности, изrо
товления и сборки. В дальнейшем будут рассмотрены He
которые проблемы, связанные с исследованием зависимо
стей 1 и 2 и учетом экономических (ракторов при расчете
допусков.
Рис. 1.11. Завuсимоспl,U Cпl,OU
Mocnl,U uзеОПl,овленuя u сбор"u
деПl,алей оп" Пl,очностu их изао.
товленuя
1.3. ПРИНЦlJПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ СОЕДИНЕНИЙ
Соединением деталей! в конструкторском смысле (как
элемента конструкции) называют конструкцию элементар
ной сборочной единицы, которая состоит из двух или He
скольких деталей, находящихся в непосредственном KOH
такте (сопряжении) друr с друrом.
Соединяемые детали образуют контактные пары, которые
классифицируют как: подвижные и неподвижные; замыка
lСоединением деталей в технолоrическом смысле (как сборочную опе..
рацию) называют сопряжение деталей путем их сочленения, свинчива..
ния, развальцовки, сварки и т. п.
30
а)
1
б)
r
....
" /
"
;Б l
l
/ ;
/
;" A 71
L t
2
le; fВT 1 3
lA
СВ
Ci'l
БЭСУ д ,,/
РЭ 2
БЭС
I
ll ,АВ
i B l
L .!
БЭС
РЭС "
РЭ 1
Рис. 1.12. Элементы, соеди нения деn/,алей
ющиеся q)ормой, силой и креплением; сопряrающиеся (коп..
тактирующие) по поверхности, по линии и по точке.
В соединении различают базовую и рабочую (присоединя"
емую) детали, а также базовые (ЕЭС) и рабочие (РЭС) элемен
ты (поверхности) соединения.
На рис. 1.12, а изображено соединение лимба 1 с валом 2.
Базовой деталью здесь является вал, а рабочей лимб, базо"
вым элементом соединения цапq)ы вала под подшипники,
рабочим элементом поверхность лимба, на которой Haнe
сены деления ero штрихов.
На рис. 1.12, б показано соединение линзы (рабочая
присоединяемая деталь 1) с оправой 2 (базовая деталь) с
помощью резьбовоrо кольца 3, которое является в соедине
нии вспомоrательной деталью, осуществляющей силовое
замыкание линзы на торцевую посадочную поверхность
оправы.
Показатели качества соединений подразделяются: на
экс плуатациОllllые (точность, надежность, износостой"
кость, несущая с'пособность и т. д.); КОllструктивные
(rабаритные размеры, масса, компактность и т. д.); тex
flолоzичеС1Сuе (технолоrичность сборки, юстировки и кон..
троля).
Конструируя соединения, в первую очередь стараются
достичь их точности (характеризуемой поrрешностью pac
положения РЭС относительно БЭС, рис. 1.12), надежности и
технолоrичности.
Рассмотрим принципы конструирования соединений, по
зволяющие обеспечить эти показатели, основанные на об
31
щих правилах и законах наложения материальных связей
деталей друr на друrа в соединении.
1.3.1. ПРИНЦИП СОВМЕЩЕНИЯ
РАБОЧИХ ЭЛЕМЕНТОВ В СОЕДИНЕНИИ
При конструировании соединений предпочтительной
является конструкция, позволяющая осуществлять KOH
такт соnряzаемыx деталей по их рабочим элементам.
В этом случае происходит объединение рабочеrо и базовоrо
элементов при соединяемой детали, уменьшается размерная
цепь и повышается точность расположения РЭС относитель
но БЭС.
Например, в случае расположения штрихов лимба на
поверхности r (см. рис. 1.12, а) принцип выполняться не
будет, так как рабочий элемент (поверхность Д) базовой
детали (валика) не совмещен с рабочим элементом присоеди
няемой детали. В случае же расположения штрихов лимба
на поверхности В, по которой происходит сопряжение л:и:м
ба с поверхностью Д валика, принцип соблюдается, и можно
утверждать, что точность расположения РЭС относительно
БЭС (цапq) валика) будет выше, чем в первом случае.
Деталь 1 будет технолоrичней, так как не нужно Bыдep
живать строrий допуск на ее клиновидность по сравнению с
первым вариантом.
а)
б)
1
2
2
1
БЭ 1
БЭС
(БЭ 2 )
"" БЭС
(БЭ 2 )
Рис. 1.13. Соединение зеркала с оправой
32
На рис. 1.13 изображена конструкция соединения зер
кала 1 с кронштейном 2. Конструкция, изображенная на
рис. 1.13, б, позволяет точнее ориентировать отражающую
поверхность зеркала (РЭС) относительно основания KpOH
штейна (БЭС) и не требует жесткоrо допуска на клиновид
ность зеркала по сравнению с конструкцией, изображенной
на рис. 1.13, а.
1.3.2. принцир ОТСУТСТВИЯ ИЗБыточноrо БАЗИРОВАНИЯ
В СОЕДИНЕНИИ ДЕТАЛЕЙ (СТАТИЧЕСКАЯ ОПРЕДЕЛЕННОСТЬ
I
СОЕДИНЕНИЙ)
Придание материальным телам определенноrо и cTporo
фиксированноrо положения в пространстве называют бази
рованием. При базировании происходит отнятие лишних
степеней свободы присоединяемой детали относительно ба
зовой в их соединении.
Базирование называют uзбыточным, коrда лишние CTe
пени свободы присоединяемой детали отняты более одноrо
раза, т. е. коrда для отнятия лишней степени свободы Ha
ложена более чем одна связь. Соотношение между оставши
мися степенями свободы n и числом наложенных связей т
должно быть n + т == 6.
Для выявления избыточных (или недостаточных) связей
в соединении используют q)ормулу Ddtf ["'1,3)"'1
k==5
q == n + "LPkK 6,
k==l
(1.3)
rде P k класс элементарной пары контакта, который опре
деляет число степеней свободы, отнимаемых парой (напри
мер, при контакте по точке P 1 == 1; при контакте по линии
р 2 == 2; при контакте по плоскости Р 3 == 3; при контакте по ци
линдрической поверхности Р 4 == 4; при контакте KOHYC KO
нус, винт rайка Р 5 == 5, в табл. 1.2 приведены классы ряда
элементарных контактных пар); К число пар данноrо
класса.
Если q равно нулю, то базирование в соединении правиль
ное; если q меньше нуля, то у присоединяемой детали OCTa
ются излишние степени свободы; если q больше нуля, то это
означает, что в соединении существует избыточность бази
рования.
33
Контакт
сопряrаемых
поверхностей
деталей
По точке
По линии; двум
точкам; кольце
вой линии
Класс пары
(число oт
нимаемых
степеней
свободы)
Р ...- ,
1
P2 2
КЛ,ассы" эл,емеnтарnы"x xonтaxтnbl"x пар
Сочетания <рорм поверхностей де1'алей в соединениях
т аблu ца 1.2
Сфера цилиндр Сфера сфера
'z
Сфера плоскость Цилиндр цилиндр
Z.
7
Цилиндр пло Сфера призма
скость
Сфера цилиндр Цилиндр цилиндр
P2(Z, <ру)
Z
х
..
Р 2 (У, Z)
Р 2 (У, Z)
По плоскости; Рз Плоскость пло.. Сфера конус Плоскость
кольцевой ли.. скость три сферы
нии; cqJepe; трем .Z Z'
точкам
,У , r ·
...
Х '
Р З (Zt <PYt <Рх)
"- ,
I "
Р з (Х, У, Z) Р3(Х' У, Z)
По цилиндру; Р 4' (. ! Цилиндр цилиндр Цилиндр призма Плоскость плос.. Сфера сфера + ци"
двум линиям; Z' кость + плоскость линдр плоскость
плоскости и сфера Z.
точке; сфере t Z'
цилиндру и пло.. Х
скости . ф
Х
у X
Р 4(У' Z, <ру, <pz) р 4(У' Z, <ру, <pz) р 4(У' Z, <Рх, <ру) Р 4(Х' у, Z, <РУ)
ПО нескольким Р 5 .::- Плоскость пло" Плоскость Винтовая линия Конус конус
повеРХНОСТЯМ t скость + цилиндр плоскость + винтовая линия
винтовой линии, цилиндр призма призма (резьбовое соедине"
конусу Z Z' ние)
pZ)f/ / .... . Z.
Х
.......
Р5(У' Z, <Рх, <PYt <pz) Р5(У' Z, х, <ру, <pz)
Р5(Х' У, Z, <Рх, <ру) Р5(У' Z, Х, <рУ, <Pz)
CI.:>
Избыточное базирование может привести к неопределен"
ности положения рабочих элементов соединения относитель"
но базовых, возникновению дефор аций деталей, услож"
нению их сборки (т. е. такое соотношение не будет точным,
надежным и технолоrичным).
Например, для соединения ползуна 1 (рис. 1.14, а), пере"
мещающеrося вдоль оси с направляющими цилиндрически"
ми стержнями 2 и 3 получаем
q == 1 +4 . 2 6 == 3.
Эта конструкция имеет избыточное базирование (три из..
быточные связи), в результате чеrо из..за поrрешностей из..
rотовления деталей (поrрешностей межосевых расстояний,
непараллельности отверстий в ползуне и осей валов) MorYT
произойти деq)ормация ползуна и ero заклинивание при дви"
жении, особенно в случае колебания температуры. Избежать
этоrо можно либо за счет больших зазоров в направляющих,
что приведет к потере точности, либо за счет тщательной ре" ,
rулировки цилиндров, что существенно повысит трудоем"
кость сборки соединения. Конструкция ползуна, изображен..
ная на рис. 1.14, б, свободна от этих недостатков:
q == 1 + 4 . 1 + 1 . 1 6 == о.
в некоторых случаях нарушение принципа можно видеть
невооруженным rлазом по дублированию сопряжений де"
талей (базовых элементов), отнимающих одни и те же степе..
а)
2
б)
z
Р4 3
I
I
I
Z Х Z ХI
у! rrf'
у I
I
I
Рис. 1.14. Соединение ползуна с направляющими
36
а)
2
ни свободы у присоединяемой детали относительно базовой
(рис. 1.15, а, в).
Устранить неопределенность базирования можно либо из
менив конструкцию сопряжения деталей (рис. 1.15, б), либо
осуществив совместную технолоrическую обработку COOT
ветствующих поверхностей сопряrаемых деталей (размера
н кронmтейна1 и основания 2нарис. 1.15, в).
В тех конструкциях соединения, в которых сопряжение
деталей осутцествляется одновременно по двум поверхно
стям (рис. 1.16), теоретической неопределенности базирова
ния в реальной конструкции можно избежать, управляя co
ответствующими размерами сопряrаемых поверхностей или
допусками на их поrреmности.
На рис. 1.16, а изображена конструкция соединения опра
вы объектива с тубусом, имеющая центрировочный поясок
в)
Дубл.ь по Z, <Рх, <ру
б)
Рис.l.15.ДуБЛl.lрование в сопряжении деnl,алей
а)
б)
t
,
!
J
L«D
Дубль по
Х, У, <Рх, <ру
"
v
,
Дубль по
<рх,<ру
Рис. 1.16. Сопряжение деталей в соединении по двум nоверхностям.
37
и резьбу для фокусировки объектива. Чтобы не возникало
избыточности базирования в этих сопряжениях, необходи"
мо посадку резьбы ПрОИ3БОДИТЬ с r"арантированно большим
зазором по сравнению с зазором посадки цилиндричеСRоrо
пояска.
На рис. 1.16, б представлено соединение вала с подшип"
ником, в котором наклоны вала BOKpyr осей Х, У отняты
сопряжением ero с подшипником и ПО плоской, и по цилин"
дрической поверхностям. Реальное дублирование может
возникнуть здесь из..за равенства соответствующих баз (D, L)
поверхностей, оrраничивающих повороты (см. п. 1.3.6). Для
устранения реальноrо избыточноrо базирования в подобном
соединении следует ero конструкцию изменить так, чтобы
одна из баз была бы MHoro меньше друrой (рис. 1.16, в, z).
в ряде случаев проверка соединения на избыточность ба"
зирования требует тщательноrо анализа, поскольку ero ре"
зультат не так очевиден, как в рассмотренных примерах.
На рис. 1.17 показана типовая конструкция соединения
(крепления) плоско"выпуклой линзы с оправой с помощью
резьбовоrо кольца. Если q)ормально подойти к определению
\
класса элементарных пар контакта в этом соединении, мы
должны записать, что: контакт сq)ерической поверхности
линзы с буртиком оправы (рис. 1.17, а) является парой тре"
тьеrо класса (Р 3) и отнимает смещение линзы по осям Х, У, z;
посадка линзы в оправу по цилиндрической поверхности
является парой четвертоrо класса (Р 4) и отнимает у линзы
Р2 (Х, У) Р 4 (Х, У, <Рх, <ру)
Р3 (Z, <Рх, <ру)
а)
Рз(Z,Х, У) Р 4(Х' У, <Рх,<Ру) Р2(<РХ,<РУ)
б)
D
п
Рис. 1.17. Крепление линзы в оправе реаьбовым "ольцом
38
смещения по осям Х, у и повороты BOKpyr этих осей <Рх, <ру;
резьбовое кольцо, замыкающее линзу на буртик о-правы (по
оси Z), воздействуя на плоскую поверхность линзы, отнима
ет у нее повороты BOKpyr двух осей <Рх, <ру.
Поворот линзы BOKpyr оси Z(<pz) этими контактными па
рами не отнимается (он отнимается силами трения), поэтому
соrласно q)ормуле (1,3) получаем:
q == 1 + 3 . 1 + 4 . 1 + 2 . 1 6 == 4.
Аналоrичный результат мы получим и для конструкции
соединения, изображенноrо на рис. 1.1 7, б, r де линза резьбо
БЫМ кольцом поджимается со стороны сферической поверх
ности.
Таким образом, q)ормальное проведение анализа этоrо
соединения на избыточность базирования показывает, что
конструкция имеет якобы четыре избыточные связи и, сле
довательно, является плохой, нежизнеспособной. Однако
практика показывает, что это не так.
Рассмотрим соединение еще раз, более тщательно.
Начнем с контакта сq)ерической поверхности линзы
с кромкой оправы (либо резьбовоrо кольца), образованной
торцевой опорной поверхностью и отверстием диаметром D
(рис. 1.18). Как видно из рис. 1.18, со стороны кромки на
линзу действует сила реакции N (обусловленная силой под
жима F со стороны резьбовоrо кольца), которая имеет co
ставляющую Т, сдвиrающую линзу вдоль оси Х (до момента,
коrда линза коснется противоположной стороны кромки),
коrда эта составляющая больше составляющей Т' силы Tpe
ния F Tp между линзой, кольцом и оправой.
Таким образом, этот контакт, оrраничивая смещение лин
зы вдоль оси Z, отнимает перемеще
вие линзы по осям Х, У, (т. е. ocy
ществляет ее центрировку) только
при выполнении условия а > 2р
(р yroл трения), т. е. приближеШIО: D
D
2R > 2/! ::::: 0,3, (1.4)
rде R радиус линзы; Jl коэффи
циент трения скольжения материа
Лов оправы и линзы.
Коrда это соотношение не BЫ
Полняется, в сопряжении отни
FD л
т F тp
Рис. 1.18. CaMoцeHтpи
ров"а линзь" в оправе
39
маются смещение вдоль оси Z и повороты BOKpyr осей
Х, у (<Рх, <ру).
Рассмотрим сопряжение линзы по посадочному цилин
дру диаметром D л с отверстием оправы. Как известно, эта
посадка должна быть с rарантированным зазором. Поэто
МУ при выполнении условия (1.4) линза не контактирует с
оправой (рис. 1.18) по цилиндрической поверхности диа"
метром D л , и это сопряжение не должно учитываться при
определении избыточности базирования в соединении. Co
пряжение цлоской поверхности линзы с резьбовым коль..
цом, как было сказано, оrраничивает повороты линзы (во"
Kpyr центра кривизны сферической поверхности) по осям
Х, У.
Следовательно, данное соединение является статически
определенным:
q == 1 +3 . 1 + 2 . 1 6 == о.
Коrда условие (1.4) не выполняется, смещения линзы
вдоль осей Х, у оrраничиваются ее сопряжением с оправой
по посадочному цилиндру, а смещение вдоль оси Z торце"
вой кромкой оправы.
Сложнее обстоит дело с анализом оrраничения поворо"
тов. Повороты BOKpyr осей Х, у оrраничиваются и торцевой
кромкой оправы, и цилиндрической поверхностью поса..
дочноrо отверстия и, вроде бы, резьбовым кольцом. Одна"
ко из..за Toro, что база торцевой кромки, оrраничивающая
повороты, MHoro больше соответствующей базы (длины)
I
цилиндрическои поверхности линзы, а также вследствие
Toro, что усилия, развиваемые резьбовым кольцом, не при"
водят к развороту линзы, следует считать, что в реальной
конструкции именно торцевая кромка будет определять
уrловое положение линзы.
Таким образом, при невыполнении условия (1.4) соедине
ние не будет иметь избыточноrо базирования, однако роль
поверхностей оправы в оrраничении подвижности линзы
будет иной. "Указанное обстоятельство приводит к тому, что
требования (допуски) к параметрам оправы линзы, резьбово"
му кольцу и линзе соединения на рис. 1.1 7 будут раз н ы м и
в зависимости от условия (1.4).
Например, при выполнении условия (1.4) в соединении,
показанном на рис. 1.17, а, отверстие оправы диаметром D
должно быть соосно С базовой осью Br оправы, а в соедине"
нии, показанном на рис. 1.17, б, этой соосности не требуется,
40
а)
б)
Цш
Наllра ленuя 1.'350
llере.меll енuя резца
Рис. 1.19. Требования 11: оправе при выnолн-ении условия са.моцен-пtрuров"u
ЛUН-ЗЪ/.
но зато требуется соосность резьбовоrо отверстия М. Допуск
на центрировку самой линзы может быть более широким
(свободным) по сравнению со случаем, коrда условие (1.4) не
выполняется. Перпендикулярность торцевой по'верхности
резьбовоrо кольца к ero резьбовой поверхности будет иметь
жесткий допуск в случае выполнения условия (1.4) и широ"
кий в случае ero невыполнения.
Анализ данноrо соединения на избыточность базирова"
ния заставляет конструктора обратить внимание на такие
«мелочи , которые часто выпадают из ero поля зрения. Так,
опорная кромка буртика оправы не должна иметь rpaTa и за..
усениц, поэтому направления движения резца ,.'tолжны быть
от кромки в «тело детали (рис. 1.19, а, б) при ее обраб,отке.
В случае, коrда для уменьшения де(l)ормации кромки апра"
вы и линзы при закреплении последней кромку выполняют
под уrлом 1350 либо под уrлом, касательным к сq)ерической
поверхности линзы (рис. 1.19, б, в), необходимо обеспечить
расположение вершины конической поверхности кромки на
базовой оси оправы. . .
1.3.3. ПРИНЦИП rЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПРЕДЕЛЕННОСТИ
КОНТАКТА ПАР В СОЕДИНЕНИИ
Этот принцип заключается в определенностu положенuя
и формы контакта сопряzаемых поверхностей деталей.
Реальные поверхности деталей имеют макро" и микропо"
rрешности формы поверхностей. В результате детали кон..
41
а)
3
)
)
\
/
\
I
б)
F
Рис. 1.20. Сопряжение .зер"ала с оправой
тактируют друr с друrом не по линиям и поверхностям, а по
пятнам (площадкам) неопределенной (рормы, размеры и по
ложения которых в сопряжении также неопределенны.
Эта неопределенность снижает точность расположения
присоединяемой детали и несущую способность базовой дe
тали. Наибольшее влияние на точность оказывает не9преде
ленность расположения пятен контакта.
На рис. 1.20, а изображено соединение зеркала 1 с опра
вой 2 с помощью трех уrольников. Из за поrрешностей фор"
мы сопряrаемых поверхностей зеркала и оправы их контакт
будет происходить не по плоскости, а по трем площадкам 3,
расположение и форма которых MorYT быть произвольными
в пределах сопряrаемых поверхностей. В результате возни
z
б)
у
а)
Х.
у
в
дС
z
z
х
в)
Х
у
I
C
C
Рис. 1.21. Соnряженu.е осей с nодшипни"ами
42
кает объемная деформация зеркала под F
действием сил F со стороны уrольников и ......
реакции R со стороны оправы, приводя
щая к порче качества изображения.
Соединение, изображеIПIоенарис.1.20, б,
обладает определенностью расположения
площадок контакта блarодаря специаль
ным выборкам (либо прокладкам) на опра
ве. Здесь возникает только контактная
деформация зеркала в пределах контакти
рующих зон,.. не приводящая к ухудшению
качества изображения.
Неопределенность расположения и фор
мы контакта цилиндрической оси Bpa Рис. 1.22. Сопряжение
щения с подшипником (рис. 1.21, а) не менис"а с оnрав.ой
позволяет определить базу В между элементами поверхно
сти, оrраничивающими ее наклоны BOKpyr координатных
осей Х, У, требует тщательной обработки всей поверхности
и отсутствия бочкообразности. Выборка на поверхности оси
(рис. 1.21, б, 8) приводит К соблюдению рассматриваемо
ro принципа и позволяет избежать упомянутые HeДOCTaT
ки конструкции соединения.' По этим причинам осущест
вляют также выборки на протяженных поверхностях
ползунов или направляющих поступа тельноrо движения
(см. рис. 1.26). Выборки на торцевой опорной поверхности
оправы под линзу (рис. 1.22) позволяют соблюсти также
принцип силовоrо замыкания этоrо соединения, изложен
ный в следующем парarра(l>е.
1
1.3.4. ПРИНЦИП силовоrо ЗАМЫКАНИЯ
Силовое замыкание соединений следует осуществлять
так, чтобы линия действия замыкающей силы проходила
через зону (площадку) контакта сопряzаемых пoвepXHO
стей. Тоrда сила и возникающая реакция не образуют изrи
бающеrо момента, действующеrо на присоединяемую и базо
вые детали.
Примерами выполнения этоrо принципа MorYT служить
рассмотренное крепление зеркала (см. рис. 1.20, б), а также
известный способ крепления тонкой линзы, которая опира
ется на три выступа оправы с помощью резьбовоrо и упру
roro кольца, имеющеrо три выступа, которые расположены
43
против выступов оправы (см. рис. 1.22), посредством направ
ляющей шпонки (винта) 1 .
Коrда соединение передает усилие (кронштейны, зубча
тые и (l>рикционные пары, мУ(l>ты и т. п.) или требуется pac
пределение сил (разrрузка зеркал, опор вращения и т. п.),
следует руководствоваться принципами передачи сил (пря
Mozo и KopoтKozo пути, соzласоваНIlЪLХ деформаций, Н;OMпeH
F
F
F
Рис. 1.23. Распределение массы детали на опорные п оч"и
Ar
1А
Рис. 1.24. Рааеруз"а ,М,ассы. зер"ала на 18 опор:
1 опоры; 2 разzрузочная плоu адка; 3 сферический шарнир
44
сации силы, определенноzо распределения сил), изложенны
МИ в работе [1.3].
Например, на рис. 1.23 показаны схемы минимизации дe
(l)оРмации детали под действием силы F (например, массы)
при установке ее на несколько точек опоры [1.3].
На рис. 1.24 изображена конструкция разrрузки зеркала
телескопа, позволяющая минимизирова ть деформации зер
кала блаrодаря равномерному распределению ero массы на
18 опор.
1.3.5. ПРИНЦИП оrРАНИЧЕНИЯ СМЕЩЕНИЙ
в СОЕДИНЕНИИ ДЕТАЛЕЙ
Соrласно этому принципу поверхности, оzраничиваюu ие
смещение nрuсоедuняе:мой детали относительно базовой,
следует расnолаzать nерпендикулярно к направлению ozpa
ничиваемоzо смещенuя.
В этом случае более точно обеспечивается расположение
рабочих элементов соединения относительно базовых, более
блarоприятным будет силовой режим в соединении (связан
ный с деформациями деталей, их износом), технолоrичнее
будут детали.
На рис. 1.25 изображены два варианта оrраничения CMe
щения штока 1 вдоль оси У деталью 2. На рис. 1.25, а по
верхность детали 2, оrраничивающая смещение штока, pac
положена перпендикулярно, а на рис. 1.25, б под уrлом
900 а к оси У.
В результате для первоrо варианта поrреmность распо
ложения штока вдоль оси У из за поrреmности дq (напри
мер, шероховатости) детали 2 будет равна самой поrреm
ности: дУ дq дq; а во втором варианте она будет больше:
АУдq дq/соsа .
а)
2
б)
l
1
2
1
"*
1""'" '1
o
o
с
l' , " , " " '1
Рис. 1.25.КОllстрУ1Сции оераllиченuя смещений што"а
45
C C
Z
у
Ь
//
В В
Рис. 1.26. Тиnовы.е направляющие поспtупаrпелъноео движения
Реакция R со стороны детали 2 на замыкающую силу 8
в первом варианте равна (без учета сил трения) самой силе:
R 8; а во втором варианте она больше: R 8 jcos а (т. е. боль
ше будет износ деталей). Кроме этоrо, появляется составля
ющая сила Т == 8 tg а , которая может привести к изrибу и по
вороту (относительно оси Х) штока в зазоре направляющих.
При изrотовлении в первом варианте необходимо обеспе
чить параметр l, в то время как во втором случае обеспечива
ются параметры l и а.
Таким образом, на этом элементарном примере можно
убедиться в том, что соблюдение принципа оrраничения CMe
щения деталей в соединениях позволяет повысить точность,
надежность и технолоrичность конструкции.
Следовательно, цилиндрические направляющие Bpa
щательноrо движения предпочтительнее конических
(см. рис. 1.21, в), а направляющие поступательноrо движе
ния Т образноrо типа лучше направляющих типа « ласточкин
XВOCT (рис. 1.26).
Точность кулачковоrо механизма 1 с меньшим уrлом дaB
ления 1 будет выше, чем у механизма 2 с большим уrлом
давления 2 (рис. 1.27).
Поrрешность передачи движения винтовым механизмом
с остроуrольной резьбой больше, чем при трапециевидной
2 1
С ' . ' /
1 1
]! j
/ / / / / / / / / / / /
Рис. 1.27. Плос"ие "улач"и
у
46
а)
в)
б)
300
Рис. 1.28. Винтповые механизмы.
резьбе и ленточной (рис. 1.28, a в), либо, коrда винт выпол
нен с трапециевидной резьбой, а rайка с прямоyrольной лен
точной (рис. 1.28, z).
На рис. 1.29, а изображена часть конструкции объектива,
воздушный промежуток d между линзами KOToporo Bыдep
живается с помощью промежуточноrо кольца размером l.
Из за нарушения принципа оrраничения смещений на по
rрешность воздymноrо промежутка d будет влиять не толь
ко поrрешность размера l кольца l, но и поrрешность диа
метров кольца D 1 и D 2 .
Например,
D 1 ( 1 1 )
!J.d6. D l T( R 1 + R 2 дп,
rде R 1 , R 2 радиусы сq>ерических поверхностей линз.
Кроме этоrо, данное соединение может быть критично к
изменениям температуры при различных коэq>фициентах
а)
l
.....
q
C\I
q
d
б)
C\I
q
.....
q
d
l
Рис. 1.29. Объе"nl,ивы
47
z
у
х
/ / /
, , / / // // 2
Рис. 1.30. Узел nодвuжной "apeпt"u
линейноrо расширения материалов линз и кольца, приво
дящих к разности изменений соответствующих диаметров
кольца и линз, обуславливающих появление деq>ормаций и
децентрировок оптических компонентов.
'Устранение указанных недостатков достиrается в HeKO
торых конструкциях путем выполнения линз с так называ
емым П образным буртиком (рис. 1.29, б), что позволяет co
блюсти принцип оrраничения смещений.
Нарушение рассматриваемоrо принципа приводит, Ha
пример, к тому, что при фиксации положения подвижной
каретки 1 , несущей проекционную систему универсальноrо
измерительноrо микроскопа 'УИМ 23, винтом 2 происходит
значительное ее смещение вдоль оси Х (рис. 1.30). Более пра
вильно для направляющих типа « ласточкин хвост осущест
влять q)иксацию в направлении оси У, дЛЯ KOToporo принцип
оrраничения смещений соблюдается.
1.3.6. ПРИНЦИП ОrPАНИЧЕНИЯ ПОВОРОТОВ
.
Соrласно этому принципу связи, накладываемые базовой
деталью на присоедuняемую, должны располаzаться на воз
можно большем базисе. Тоrда поrрешность уrловоrо положе
ния присоединяемой детали при прочих равных условиях
будет наименьшей.
На рис. 1.31 изображены схемы конструкций соединения
вала 1 с подшипниками 2 для поворота зеркала BOKpyr оси
У. Вариант, показанный на рис. 1.31, а, уступает варианту,
изображенному на рис. 1.31, б, так как база Bl между под
шипниками, оrраничивающая возможные повороты вала
относительно осей Z, Х (например, из за биений p BHYTpeH
48
а)
в
1
L
б)
В 2
z
х у
", ,
у
Рис. 1.31. Осевая система зер"ала
них колец подшипников <Pzx 2 p/B), меньше базы В 2 при
одном И том же rабаритном размере L конструкции.
Рассмотрим вариант крепления мениска в оправе резьбо
вым кольцом, опирающимся на сферическую поверхность
мениска (рис. 1.32, а), и вариант, rде контакт резьбовоrо
кольца происходит с плоской фаской мениска (рис. 1.32, 6).
Очевидно, что при малых расстояниях Ь между центрами
кривизны сq)ерических поверхностей линзы С 1 , С 2 ее пово
рот относительно осей Х, У в первом варианте будет опреде
ляться rлавным образом зазором f}.C в посадке, в пределах
KOToporo возможен разворот <Pzx C/(B2 cosy).
во втором случае повороты мениска относительно осей Х,
у из за возможных де(l)ек
ТОВ (биений, перекосов) а)
опорных торцов деталей
At будут меньше блarодаря
большой базе В, оrраничи
u
вающеи указанные пово .
роты, И тому, что обычно Ь
!1t « C; <Pyx 2 t/ В). С 1
В случаях, коrда в соеди б)
нении деталей их ПОБОрОТЫ
отнимаются сопряжением
по нескольким поверхно
стям, необходимо, для ис
ключения избыточности
реальных связей, COOTBeT
в
Рис. 1.32. Менис" в оправе
CJ
<]
q
z
49
ствующие базисы выполнять существенно разными по разме
рам (см. рис. 1.16, 1.26).
1.3.7. ПРИНЦИП ОrPАНИЧЕНИЯ пРодольноrо
и ПОПЕРЕчноrо ВЫЛЕТОВ РАБОЧИХ ЭЛЕМЕНТОВ
«Вылетом рабочеrо элемента называют расстояние меж
ду ним и центром ero возможноrо поворота в соединении.
Суть принципа заключается в оzранuченuu продолъноzо или
nоnеречноzо (иноrда Toro и друrоrо) вылетов, что позволяет
уменьшить нежелательные (опасные) линейные смещения
РЭС вдоль координатных осей при возникновении поворота
рабочей детали относительно базовых элементов С,оединения
из за поrрешностей ч)ормы сопряrаемых поверхностей, дe
формаций, зазоров и т. п.
На рис. 1.33, а изображена конструкция соединения опра
вы объектива с тубусом, rде узловая точка объектива, пред
ставляющая РЭС, имеет продольный вылет L относительно
центра поворота СА оправы из за поrрешностей сопряrаемых
поверхностей А. В результате возникает смещение (дeцeH
трировка) узловой точки вдоль осей Х, У, пропорциональ
ное вылету L при наклонах оправы на yrол l1у:
MfJ.y, I1У fJ.y Ll1y.
Б
(БЭС)
Рис. 1.33. Сопряжение оправ линзовь/,х cиcп e.м с "орnусной детал.ью
а)
РЭС
z
б)
50
в)
х
ЕI п in
Сопряжение оправы с тубусом по поверхности Б
(рис. 1.33, б) позволяет избавиться от L, так как здесь узло
вая точка объектива и центр возможноrо поворота СВ лежат
в одной плоскости (совпадают), что не вызывает децентри
ровки объектива при наклонах оправы.
Базирование оправы линзы (рис. 1.33, в) в кронштейне,
устанавливаемом на рейтере, приводит к тому, что узло
вая точка линзы (РЭС) имеет поперечный Н и может иметь
продольный L вылеты относительно возможноrо центра
поворота оправы с. В результате при повороте оправы на
yrол ду РЭС имеет смещение (рас(рокусировку) вдоль оси Z
( Zду н y) и децентрировку вдоль оси Х ( дy L y). Штри
ховой линией на этом рисунке изображена конструкция
кронштейна, позволяющая оrраничить вылет L.
На рис. 1.34 показаны конструкции соединения прямозу
боrо колеса с валом. Вылет Н для прямозубоrо колеса не опа
сен, так как при водит к смещению РЭС вдоль образующих
зубьев при наклоне на yrол y (для косозубоrо и коническо
ro колес этот вылет будет опасным). Продольный же вылет
L при возникновении y создает радиальное биение зубча
Toro венца, поэтому должен быть оrраничен (т. е. вариант
конструкции на рис. 1.34, а предпочтительнее варианта на
рис. 1.34, б).
Отверстие 1 под препарат (или сетку, фотоприемник) в
ползуне (рис. 1.35), перемещающемся вдоль оси У, выпол
нено с учетом рассматриваемоrо принципа, а отверстие 2
с нарушением ero. Поэтому при возникновении поворотов
ползуна BOKpyr осей Х, У, Z на некоторый yrол <p РЭС, име
ющий продольный L и два поперечных Нх, Hz вылета, бу
а)
б)
РЭС
х
С
Рис. 1.34. Соединения зубчатых "олес с валом
1
А
хl
2
Нх
Рис. 1.35. Расположение рабочих оП'/'оерсП'/'uй на подвижной' "apeпl,,,e
(ползуне)
дет иметь линейные смещения вдоль соответствующих осей,
пропорциональные вылетам:
Удq>х == Hz <px;
Uдч>z == L <pz;
LlZДq>х == L <px;
8У Дq>z == Н х 8<pz;
U Д<Ру == Н Z <py;
LlZ Дq>у == Н х <py.
1.3.8. УЧЕТ ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ СОЕДИНЯЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ
Этот принцип заключается в обеспечении отсутствия
вОЗJ-пожных деформаций и cм.eu eHий сопряzаеJ}1.ЫХ деталей
в соединении при отклонении температуры от номиналъ
HOZO значения.
Чаще Bcero указанные десl)екты возникают из..за разности
коэффициентов. линейноrо расширения материалов базо"
вой и присоединяемой деталей. Для соблюдения принципа
следует обеспечить возможность относительноrо изменения
размеров деталей (при отклонении температуры) без нару"
тения их взаимноrо базирования блarодаря выбору соот"
ветствующих зазоров в посадке, упрyrому силовому замы..
канию, целенаправленному подбору материалов и размеров
деталей, применяя термокомпенсаторы [1.17].
Рассмотрим типовое соединение линзы с оправой с помо"
щью резьбовоrо кольца (рис. 1.36, а).
В:оrда коэффициенты линейноrо расширения материалов
оправы (Х,1 и линзы (Х,2 различны, отклонение температуры от но..
52
минальноrо значения ПРИВОДИТ к изменению диаметров D лин
зы И оправы; диаметров Do, D K ; размера t. Это может вызвать
либо деформацию линзы (и оправы), либо смещение линзы в
зазоре. Например, коrда посадка линзы в оправу по диаметру
D обеспечивает необходиМый температурный зазор, деформа
ция или зазор возникают из за несоответствия изменений Do
и t линзы и оправы. ПРУЖИШIое кольцо, помещенное между
линзой и резьбовым кольцом (рис. 1.36,6), позволяет избежать
указанных недостатков (при достаточном температурном зазо
ре в посадке), так как компенсирует осевое изменение размеров
линзы и оправы, а также изменение диаметров Do, D K .
В некоторых случаях для уменьmе1ШЯ влияния изменения
температуры на качество соединения оправы с линзой послед
нюю ВЫПОJШяют с П образным буртиком (см. рис. 1.29, 6).
Показаннаянарис. 1.36, в конструкция крепления сетки
1 в оправе 2 и корпусе 3 выполнена с учетом рассматривае
Moro принципа. Здесь коэфс})ициент аl а2 (незначительное
отличие коэффициентов компенсируется упруrими свой
ствами rерметика, которым зафиксирована сетка в оправе),
а влияние значительноrо отличия а2 от аз компенсируется
базированием оправы в корпусе по конической (или сфери
ческой) поверхности и упруrому силовому замыканию co
единения посредством пружинноrо и резьбовоrо колец.
Следует заметить, что упруrие свойства эластичных Ma
териалов, используемых для крепления оптических деталей
(rерметики, Норакрил 65), часто не позволяют йзбежать дe
формации сопряrаемых деталей при перепаде температур в
случае существенноrо отличия коэффициентов линейноrо
расширения материалов деталей.
а)
а2
аl
t
б)
в) аз
2
3
с
t
Рис. 1.36. Крепление Onnl,U чес"их деталей в оправах
53
,
/ /2
JI,
, /' 3
4
1
а2
Рис. 1.37. Крепление "одовоео дис"а
На рис. 1.37 показана конструкция крепления KOДOBO
ro диска 2 на оправе 1 с помощью rерметика 3, вводимоrо в
зазор между диском и оправой. Температурные испытания
этоrо соединения показали, что для отсутствия деформаций
диска необходимо выполнить в оправе пазы 4, создающие
упрyrие участки соответствующих элементов оправы.
На рис. 1.38, а изображена конструкция соединения yr ло
Boro металло стеклянноrо отражателя 1 с базовоя деталью 2,
которые выполнены из материалов, имеющих различные KO
эффициенты линейноrо расширения аl, а2. При отклонении
температуры изменяется yrол у отражателя, что приводит
к отклонению пучка лучей на 8a T' так как жесткое винто
mти(ртовое соединение деталей 1 и 2 приводит К их деформа"
ции. Конструкция, изображенная на рис. 1.38, б, позволяет
избежать этоrо дефекта, так как блarодаря бобовидным па..
зам отражателя, расположенным вдоль осей Х, У, и упрyrим
шайбам 3, имеется возможность взаимноrо перемещения со..
ответствующих элементов деталей 1 и 2.
а) 1 (аl) 2(а2)
б) 3
1Lt
Рис. 1.38. Крепления отражателя" валу
54
а)
2
3
ь
а
Рис. 1.39. Крепления оnп ичес1СUХ деп алей в оправах
с п epM01COMпeHcaп opa.м.и
Для обеспечения рассматриваемоrо принципа в HeKOTO
рых соединениях должны быть предусмотрены TepMOKOM
пенсаторы. Например, при закреплении линз и зеркал боль
ших диаметров, работающих при значительных перепадах
температуры, между ними и оправами устанавливают Tep
мокомпенсаторы [1.1 7].
Расчет термокомпенсатора (рис. 1.39, а) производится на
основании зависимости:
2L K a K I1t == D o a o l1t D л а л 8t,
rде L K размер компенсатора; по диаметр оправы; D л
диаметр линзы; a lo а о , ал коэq)фициенты линейноrо pac
ширения материалов компенсатора, оправы и линзы COOT
ветственно; I1t изменение температуры.
Так как Do == D л + 2L K , то
L K == D л (а о ал) / [2(а к а о )].
(1.5)
Чтобы не возникали температурные деформации ди(ррак
ционной решетки 1 , за(рикСированной в оправе 2 юстировоч
ными винтами 3 (рис. 1.39, б), необходимо, чтобы ширина
Ь решетки, размер паза а оправы и коэq)фициенты линейно
ro расширения оправы а о , решетки ар и винтов ав, причем
ар < а о < а в либо а в < а о < ар, подчинялись соотношениям,
аналоrичным выражению (1.5):
а == Ь [1 + (а о ар) / (а в а о )];
а == Ь (ар ав) / (а о ав).
55
1.3.9. ТОЧНОСТНАЯ ТЕхнолоrичность СОЕДИНЕНИЙ
в процессе сборки детали соединяются путем сочленения,
свинчивания, завальцовки, склейки и т. п.
Технолоrичность соединения определяется трудоемкос"
тью сборки, трудоемкостью контроля качества сборки, уров"
нем необходимой квалификации персонала.
Наиболее технолоrичными являются соединения, ко..
торые MorYT быть собраны с использованием автоматиче..
cKoro оборудования и промышленных роботов. Поэтому
конструктор должен руководствоваться не только рассмо"
тренными общими принципами конструирования соедине"
ний (выполнение которых, как правило, повышает их тех..
нолоrичность), но и частными правилами, касающимися
автоматизации сборочных операций. Эти правила изложе..
ны, например, в работах [1.3, 1.21, 1.23, 1.24] и заключают"
ся: в обеспечении полной взаимозаменяемости деталей;
стремлении к симметрии OmHOCumeJlbHO наибольшеzо
числа осей; инимизации числа соединительных элемен
тов; исключении oaHoepeMeHHOZO начала KOHтaKтиpoвa
ния соnряzаемых деталей по нескольким поверхностям;
осуществлении центрирования с помощью вращательно
симметричных деталей; предотвращении "инематиче
с"и сложноzо движения рабочей детали в положение для
сбор"и с базовой и т. д.
Одно из основных требований к качеству соединений
точность расположения их рабочих элементов относительно
базовых (см. рис. 1.12). Оно достиrается блаrодаря точному
изrотовлению соответствующих элементов сопряrаемых де"
талей, а также с помощью их доводок и реrулировок (юсти"
ровок) в соединении. Получаемую при этом точность со..
единений можно отнести к rруппам пониженной, средней
и высокой точн:ости, которые по соответствующей трудо"
емкости их достижения аналоrично точности изrотовления
деталей (см. п.1.2.3) называют часто экономичес"им, nроиз
водственным и техничес"им уровнями точности сборки
деталей.
Экономичес"ому уровню соответствует точность, дости"
rаемая при сборке деталей без последующих приrонок и
реrулировок. Точность расположения рабочих элементов
соединения относительно базовых при этом определяется
поrреmностями изrотовления и сборки соответствующих
элементов сопряrаемых деталей.
56
На рис. 1.40 в качестве примера этоrо уровня сборки по
казаны соединения плоско выпуклой линзы С оправой и
призматических направляющих типа «ласточкин XBOCT
С ползуном С обеспечением для последнеrо определенной
прямолинейности хода относительно баз А и Б. Неперпен
дику лярность плоской поверхности линзы к базовой оси АВ
оправы и отклонение центра кривизны поверхности r от АВ
зависят, например, от биения опорноrо торца Д оправы, He
соосности оси посадочноrо отверстия оправы под линзу и оси
АВ, децентрировки самой линзы, неравномерности де(l)ор
маций кромки оправы при завальцовке. Прямолинейность
хода ползуна в вертикальной и rоризонтальной плоскостях
будет определяться поrрешностями посадочных размеров и
(рормы сопряrаемых поверхностей деталей 1 и 2.
Проuзводственному уровню соответствует точность, дo
стиrаемая при сборке с применением приrонки, реrулировки
и универсальноrо оборудования и инструмента, и контролем
на качественном уровне либо простейшими контрольными
и измерительными средствами (индикаторами, калибрами,
уровнями, шаблонами и т. п.). '
Точность соединения тоrда будет выше, так как часть по
rрешностей деталей компенсируется. Естественно, TpyдoeM
кость этой сборки будет выше.
Например, для повышения точности paccMOTpeHHoro co
единения линзы с оправой при ее завальцовке (рис. 1.41, а)
используют источник света 1 (лампу), биение отраженноrо
изображения KOToporo от плоской поверхности линзы при
вращении цанrи 2 станка будет указывать на неперпендику
лярность этой поверхности к оси цилиндра А. Механик, соз
давая инструментом для завальцовки силу Р, деформирует
C r
{"
1
Рис. 1.40. Сбор"а соединения бе.з реzулирово" положения
де П'/,алеи
57
а)
2
Рис. 1.41. Сбор"а соединен.ий с nростейшими реzул.иРО6"а.м.и пол.оже
ния депlалей
соответствующую часть кромки оправы так, чтобы поворо
том линзы BOKpyr центра кривизны С r сферической поверх
ности установить плоскую поверхность перпендикулярно к
оси вращения шпинделя станка (т. е. и оси А). Заметим, что
возможная децентрировка С r относительно оси АВ при этом
не устраняется.
Повышение же точности прямолинейности хода ползуна
в направляющих типа «ласточкин XBOCT (рис. 1.41, б) MO
жет быть достиrнуто реrулировкой одной из салазок (план"
ки, щеки 1), что требует выполнения конструкции направ
ляющих полуоткрытоrо, а не rлухоrо (как на рис. 1.40, б)
типа. Контроль качества реrулировки и достиrнутой пря
молинейности хода ползуна может быть осуществлен, на
пример, с помощью лекальной линейки 3 и индикаторов
2 при возвратно поступательном движении ползуна в Ha
правляющих.
Техническому уровню соответствует точность, достиrае"
мая при сборке с приrонками, реrулировками и доводками
и контроле с помощью прецизионных средств (автоколли
маторов, микроскопов, интерферометров и т. д.), а также
обеспечением соответствующих условий производства (CTa
билизации температуры, защиты от вибраций, чистоты pa
бочих мест и т. п.).
Например, наиболее высокую точность центрирования
линз относительно своих оправ можно достиrнуть путем pe
rулировок положения линз (сдвиrом, разворотом, наклоном
[Т. 1 7]) либо осуществляя результативную обработку оправ
58
l'
;il
1.
I
01
Q
1
6;J
1
Рис. 1.42. Сборка соединения с nрецuзионной реzулuров"ой положения
линзъt и реаулътаnl,ивной обрабоnl,"ОЙ onpaBbt
от оптической оси линзы. Результативная обработка оправы
(изrотовленной с припуском) в размер производится после
сборки с линзой на токарном станке со специальным ( «пла
вающим.) патроном, позволяющим совместить оптическую
ось линзы с осью шпинделя станка (рис. 1.42).
Перемещая винтами часть патрона 2 перпендикулярно к
оси О. 02 шпинделя станка, на котором закреплена часть
патрона 1, приводят центр кривизны С r сq)ерической по
верхности линзы на эту ось, наблюдая за биением центра
кривизны в автокол
лимационную центри
ровочную трубу 7 За
белина (юс 13).
Затем, поворачи
вая часть патрона 3
BOKpyr центра Сп ero
сферы, (расположен
Horo на оси 01 02'
устанавливают пло
скую поверхность пер
пендикулярно к оси
mпинделя (либо BЫBO
дЯТ центр второй по
верхности линзы на
Рис. 1.43. Сбор"а соединения с nрецизион
эту ось, если поверх ной реzулиров"ой путем притирки nолзуна
ность не плоская). и направляющих
2
r
1
59
Таблица 1.3
Уровн,и тоЧ,н,ости сборхи
Уровни Характеристика Контраль точно Поrрешность
точности сбuрки сти сборки линейная, уrловая,
сборки "
мкм . . .
Экономический Без реrулировок Без контроля 10 50 30 120
На качествен-
Производствен" С приrонками ном уровне, с 5 10 5 30
ный и реrулировками использованием
простых средств
С приrонками, С использовани"
Технический реrулировками, ем прецизион" 0,1 5 1 5
доводками ных средств
Чтобы не сбивалась установка центра C r , он должен нахо..
диться в одной плоскости с центром Сп. Это осуществляет
ся с помощью сменных переходников 4. После совмещения
оптической оси линзы с осью шпинделя станка базовые
поверхности А и Б оправы 5 подрезаются резцом 6 в номи
нальный размер. При этом компенсируется децентрировка
линзы, обусловленная биением опорноrо торца оправы, He
соосностью посадочноrо отверстия под линзу и базовоrо ци-
линдра, смещением линзы в зазоре посадки и собственным
эксцентриситетом.
Остаточная децентрировка линзы относительно базовой оси
оправы невелика (по сравнению с экономическим и производ
ственным уровнями точности сборки) и определяется биением
ШIШнделя станка, деформацией патрона и поrрешностью со..
вмещения оптической оси линзы с осью шпинделя станка.
Более высокую точность прямолинеЙНости и плавно..
сти хода ползуна в направлтощих ТШIа «ласточкин хвост.
можно достичь после реryлировки планки 1 (рис. 1.41, 6),
совместной притиркой ползуна и направляющих либо
притиркой на планшайбе с наждаком (или шабровкой) по..
верхностей В, r ползуна и направляющих, которые выпол
. няются для этоrо открытоrо типа (рис. 1.43), а контроль пря"
молинейности хода проверять с помощью автоколлиматора 1
и зеркала 2, установленноrо на ползуне. Трудоемкость сбор
ки здесь будет еще выше.
Для cOBpeMeHHoro уровня приборостроения ориентиро"
вочные значения достиrаемой точности расположения эле..
ментов соединения относительно базовых, соответствующие
экономическому, производственному и техническому уров-
ням точности сборки, представлены в/табл. 1.3.
60
1.4. ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ УЗЛОВ
И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ОПТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ
Узлы и q>ункциональные устройства (ФУ) представляют
собой более сложные, чем соединения, сборочные единицы,
состоящие из большеrо числа деталей и элементов, которые
MorYT выполнить совместно с друrими составными частями
ОП (или самостоятельно) определенную (l>Ункцию. Это, на..
пример, объективы, окуляры, механизмы, сканирующие
устройства, устройства крепления источников и приемни"
ков излучения, затворы, диафраrмы, столики, датчики и
т. п. В узлах и фу целесообразно различать рабочие (испол"
нительные), базовые (несущие) и эталонные (образцовые)
детали и рабочие (РЭУ), базовые (БЭУ) и эталонные (ЭЭУ)
элементы.
Основные показатели качества узлов и фу точность
(расположения РЭУ относительно БЭУ и ЭЭУ) передачи и
riреобразования информации, качество создаваемоrо изобра"
жения, надежность и технолоrичность.
Рассматриваемые в следующих разделах принципы за..
ключаются в общих правилах конструирования ме аниче"
ских и оптических ФУ прибора, позволяющих оптимизи"
ровать их структуру, внутренние связи и взаимодействие
элементов в целях повышения упомянутых показателей ка..
чества создаваемых ФУ.
1.4.1. ПРИНЦИП АББЕ
По этому принципу, называемому также принципом
исключения компараторной поrрещности, эталонный
элемент устройства должеll быть расположеll СООС1l0 с
рабочим элементом (или измеряемым объектом). В этом
случае уменьшается поrрешность взаимноrо линейноrо
расположения эталонноrо и рабочеrо элементов при воз..
никновении поворотов деталей из..за технолоrических или
эксплуатационных поrрешностей (зазоров, поrрешностей
(l>ормы контактирующих поверхностей, деформаций, бие"
пий и т. п.).
На рис. 1.44 показан классический пример, давший вто"
рое название принципу с поперечным (рис. 1.44, а) и про"
дольным (рис. 1.44, б) компараторами. На каретке, переме"
щаемой вдоль оси У, установлены эталонная Э и поверяемая
61
П шкалы, взаимное положение штрихов которых измеряет
ся с помощью отсчетных микроскопов М 1, М 2.
В поперечном компараторе, из"за.поворотов каретки ( q>z)
BOKpyr оси Z, обусловленных поrрешностями направляю
щих, возникает значительная поrрешность измерения Yl
первоrо порядка малости, пропорциональная расстоянию Н
между шкалами (рис. 1.44, в):
Yl == Hsin q>z H q>z.
Чтобы исключить поrреmность первоrо порядка, Аббе
предложил расположить талонную и поверяемую шкалы co
осно, преобразовав компаратор в продольный (компаратор
Аббе). В этом случае поrреrnность измерения из за поворотов
каретки будет лишь BToporo порядка малости (рис. 1.44, z):
Y2 == L L' == L2sin 2 ( q>/2) L( q>2/2).
Рассмотрим типовые примеры на соблюдение и на
рушение этоrо принципа в некоторых устройствах оп.
На рис. 1.45 изображена измерительная пиноль 1 длиноиз
мерительной машины, перемещающаяся в шарикоподшип
никовых направляющих 2. Эталонным элементом пиноли
является измерительный растр (дифракционная решетка) 3,
который установлен для соблюдения принципа Аббе соосно
с наконечником (РЭ"У), контактирующим с измеряемым
объектом. Если бы растр был установлен так, как показано
""""""""""""
""""""""""""
а)
i( н
б)
4 (
М 1 Х
.....
Д<Рz
........,
в) /11 е)
, ,
1 I
, ,
н v
.
11
, ,
I I L'
i'l ДУ2/ 2
L
ДУl
Рис. 1.44. Ko.м.napaп opы
62
штриховой линией (на верхней поверхности пиноли), то из
за неизбежных поворотов пиноли при ее движении вдоль оси
у возникала бы зна"чительная поrрешность измерения.
С явным нарушением принципа Аббе выполнена KOHC
трукция оку лярноrо микррметра типаМОВО (rOCT 786 5 7 7),
схема KOToporo изображена на рис. 1.46.
Перемещение у марки подвижной сетки осуществляется
rайкой 5 при повороте винта 6 и связано с поворотом лимба
зависимостью
у == Z3 k p х,
Z4 21t
rде Z4, Z3 числа зубьев соответствующих колес; k и р чис
ло заходов и шаr резьбы винтовоrо механизма; х уrол по
ворота точной шкалы.
При движении сетки из за поrрешностей направляющих
происходит ее ПОБОрОТ BOKpyr ОСИ Z( <Pz), что вызывает поrреш"
насть расположения марки сетки относительно изображения
объекта набтодения и rайки отсчетноrо винтовоrо механиз
ма, так как объект набтодения (марка) и эталонный винтовой
механизм (rайка) расположены несоосно (имеется вылет Н):
уд<рz Н <Pz.
На рис. 1.47 изображены схемы конструкций фотоэлек
трическоrо индикатора перемещений, используемоrо в He
которых случаях вместо широко известноrо механическоrо
индикатора часовоrо типа.
Перемещение измерительной пиноли 1, контактирующей
сферическим (или плоским) рабочим элементом (РЭ'У) с по
веряемым объектом, определяется с помощью JШнейноrо
позиционно чувствительноrо приемник а 3 (например, типа
«Мультискан ), на котором светодиодом 2 создается световая
1
t.I'
Рис. 1.45. Узел uзмерuп елъной nuнолu
63
у
.. .
7'?7'7
1
х(
2
""
У :c
7
н
1..............
4
Рис. 1.46. О"улярный микрометр:
1 подвижная сетка с .маркой в виде БU Ulтрuха u "ocozo креста,
а также zрубой Ulкалой; 2 точная шкала ( ли.мб); 3 и 4 цилиндриче
ское и цuлиндро "оническое колеса; 5 zайка; 6 ви нт; 7 llpYJlt.:UHa
зона. При смещении световой зоны по приемнику снимаемое с
Hera электрическое напряжение изменяется по соотношению
и == (Uo/Lo)X,
rде Lo == 18 мм длина чувствительной площадки приемни
ка; U о опорное напряжение; х смещение световой зоны
(служит мерой искомоrо перемещения пинали).
а)
YLx
z
u
u
Рис. 1.47. ИзмеРUnl,елъные nиноли инди"аторов
64
1
Рис. 1.48. М а.ши на для конn рол.я nоzрешносn ей шаzов BUHnl,OB
о)
c.n
Конструкция, показанная на рис. 1.47, а, выполнена с
нарушением принципа Аббе, так как позиционный прием
ник, являющийся эталонным элементом устройства (ЭЭ"У),
установлен несоосно с рабочим элементом пиноли. Поэто
му повороты <p пиноли BOKpyr оси Z, возникающие при ее
Z u
движении, приведут к дополнительному смещению световои
зоны по приемнику на величину
Yf1q>z Hl <PZ'
т. е. вызовут поrреrnность измерения первоrо порядка.
Во втором и третьем вариантах конструкции
(рис. 1.47, б, в), rде принцип Аббе соблюден, эти дефекты
приведут к поrреrnности измерения BToporo порядка мало
сти. .
Расположение эталонноrо элемента устройства соосно с
рабочим элементом, являясь необходимым условием соблю
дения принципа Аббе, не всеrда достаточно для исключения
поrрешности измерения первоrо порядка малости при воз
никновении поворотов элементов [1.25]. И наоборот, извест
ны конструктивные решения, выполненные с нарушением
принципа Аббе, но не вызывающие поrрешностей измере
ния при поворотах элементов блаrодаря взаимокомпенсации
составляющих этой поrрешности.
Примерами MorYT служить оптические отсчетные устрой
ства длиноизмерительных машин, разработанные Эппен
штейном (принцип Эппенштейна) [1.3] и конструкторами
фирмы ломо (а. с. М 504442).
Разработанный на лома проект длиноизмерительной ма
шины (реализован (рирмой «Карл Цейсс ) имеет отсчетное
устройство, основанное на лазерном интерq)ерометре и си
стеме зеркал, закрепленных на измерительной (подвижной)
каретке мamИНЬ1 (рис. 1.48).
Конструкция устройства не соответствует принципу
Аббе, так как измеряемый объект (винт) 7 и элементы
эталонной измерительной системы 1 6 IIe расположены
на одной оси. Однако блаrодаря симметричному располо
жению зеркал 2 5 относительно оси пиноли здесь проис
ходит взаимокомпенсация поrрешностей расположения
зеркал относительно отражающей триппель призмы 6
и интерферометра 1 при поворотах каретки, т. е. не воз
никает поrрешность первоrо порядка малости измерения
расстояний.
66
1.4.2. ПРИНЦИП КРАтчАйШЕЙ ЦЕПИ ПРЕОБРА30ВАНИЯ
Так же, как и кратчайшая размерная цепь (позволяющая
получить более высокую точность размера замЫКaIOщеrо
звена), кратчайшая цепь nреобразованuя, содержащая Mи
llимальное число nреобразователей, позволяет получить
более высокую точность функционирования устройства
блаzодаря меньшему числу источников поzрешностей.
Сравним, например, теодолит и стереотрубу, функцио
нальные схемы которых изображены на рис. 1.49.
rоризонтальные yr лы на местности измеряются теодоли
том (рис. 1.49, а) при наведении зрительной трубы 1 на объ
ект наблюдения (рейку) ее разворотом BOKpyr вертикальной
оси 2 с помощью лимба 3 и индекса (отсчетной системы) 4.
Измерения rоризонтальных уrлов стереотрубой (рис. 1.49, б)
осуществляются наведением зрительных труб 1 на объект их
разворотом BOKpyr вертикальной оси 2 с помощью отсчетной
червячной передачи 3, 4 и лимба 5 с индексом 6.
Теодолит, содержащий Bcero одну кинематическую пару
(осевую систему), существенно превосходит по точности (по
rрешность измерения yr лов точными и rрубыми теодолита
ми: y == 2 + 30") стереотрубу, кинематическая цепь которой
содержит две осевые системы и отсчетную червячную пере
дачу. Точность стереотруб не превосходит одной двух ми
нут И обуславливается rлавным образом кинематической
поrрешностью червячной передачи. Типовыми примерами
MorYT служить также известные конструкции окулярных
микрометров (рис. 1.50).
На рис. 1.50, а, б изображены функциональная схема и
вид поля зрения 06ычноrо винтовоrо окулярноrо микро
а)
1
б)
1
3
Рис. 1.49. Фун"ционалъные схемы теодолита (а) и стереотрубы (б)
67
метра. Оператор, наблюдая в окуляр 1, совмещает с изо
бражением объекта наблюдения марку (косой крест или
би штрих) подвижной сетки 3, перемещая ее с помощью
отсчетноrо винтовоrо механизма 4 6. Отсчет q)ормирует"
ся с помощью точной 6 и rрубой 2 шкал. Точность работы
окулярноrо микрометра в существенной степени зависит
от поrреmности винтовоrо механизма и обычно не превос
ходит (8 + 10)Jl.
В спиральном окулярном микрометре (рис. 1.50, в, z) из
мерения производят при совмещении изображения с маркой
(в виде двойной би спирали) сетки 3 путем ее разворота с по
мощью зубчатой передачи 4,5.
Блаrодаря тому что точная шкала расположена на самой
сетке 3 (см. поле зрения окуляра), инс]}ормационная цепь
уменьшается и поrреmность зубчатой передачи не влияет на
точность измерений, достиrаемой примерно (5 + 6) L.
Более высокую точность измерений можно получить
с помощью фотоэлектрическоrо окулярноrо микроме
тра, схема и вид поля зрения KOToporo изображены на
а)
6
x
у
в)
x
4
с::::.!..:>
У
д)
8
"" И
.... и '" 2
7 .".'",.
..... "'" "'"', "...
А
1 .
i .."
.'
. :" ,
..........
у
б)
е)
е)
5
Рис. 1.50. Фун"ционалъные схемы о"ул.ярныхx Mи"pOMe
тров
68
рис. 1.50, д, е. 3десьвинтовой механизм 3,4 также являет"
ся только приводом перемещения сетки 2 с маркой и изме..
рительным растром, находящимся в оптическом сопряже"
НИИ с индикаторным растром 7. При перемещении сетки
происходит модуляция CBeToBoro потока, проходящеrо от
источника света 5 через конденсор 6, измерительный и ин..
дика торный растры на (ротоприемники 8, сиrналы СКОТО"
рых позволяют определить искомое перемещение марки
сетки. Инq)ормационная цепь преобразования по сравне"
нию с винтовым окулярным микрометром (рис. 1.50, а)
здесь также у'меньшена.
1.4.3. ПРИНЦИП НАИБОЛЬШИХ МАСШТАБОВ ПРЕОБРА30ВАНИЯ
Соrласно этому принципу функциональные элементы,
осуществляющие наибольшuй масштаб nреобразованuя,
следует ставить в конце (для устройств, работающих на
редукцию) либо в начале (для устройств, работающих на
мультипликацию) цепи элементарных nреобразователей,
а также необходимо соотносить масштаб nреобразованuя
с nоzрешностями элементов. В этом случае суммарная по..
rрешность устройства будет ниже.
На рис. 1.51 показаны две схемы OTc eTHЫX приборов
yrлоизмерительной бабки (стола). Оба привода состоят из
одинаковых червячных 1,2 и зубчатых 3, 4 пар, но перестав"
ленных местами. Червячные пары имеют передаточные от"
ношения i} == 1 : 120, зубчатые i 2 == 1 : 3. Выходная коорди"
ната у связана с входной х соотношением
. . 1
y==l}l2 Х == 360 х.
Максимальную поrреmность yrла поворота ведомоrо зве..
на привода, изображенноrо на рис. 1.51, а, определим из вы..
ражения
8У2 8уз 8У4
8Y ax == 8Уl + 120 + 120 + 360 '
rде 8у}, 8У2, 8уз, 8У4 кинематические поrрешности чер"
вячноrо колеса, червяка, зубчатоrо колеса 3 и 4 соответ"
Ственно.
Максимальная поrрешность друrоrо привода (рис. 1.51, б)
Из"за этих причин
69
а)
4
4
2
1
2
J[
J[
J[
Рис. 1.51. Кинеnl,ичес"uе схемы nриводов
б i1Y4 i1Yl i1Y2
/).Утах i1уз + 3 + 3 + 360 ·
Если для упрощения анализа примем, что i1Yl i1Y2 i1уз
i1Y4, получим
i1yC:na x
(j
Y Пlах
1
1,6 ·
Таким образом, привод, в котором элементарный преоб
разователь, имеющий наибольший масштаб преобразова
ния, установлен в конце цепи преобразования, обладает точ
ностью работы примерно в 1,6 раза выше, чем привод, rде
рассматриваемый принцип не выполняется.
Проанализируем кинематический привод поворота дис"
перrирующей кварцевой призмы 6 спектроq)отометра СФ..16
(рис. 1.52). Уrол у поворота призмы, установленной на столе
7, связан с yrлом х поворота задающеrо устройства (шкалы,
шаrовоrо двиrателя, уrловоrо датчика и т. п.) 1 прибора за..
висимостью
у == arCsin t : ) :)t ) x ,
rде Zl, Z2 числа зубьев зубчатых колес 3 и 2; К, Р число
заходов и шаr резьбы винтовоrо механизма 4; R длина ры"
чarа 5; l перемещение rайки винтовоrо механизма.
Конструктор, руководствуясь заданным значением
Уl 50, значением х > 3600 (обусловленным характеристи"
ками задающеrо устройства), определяет конструктивные
параметры зубчатоrо, винтовоrо и рычажноrо механизмов.
При этом возникает вопрос оптимальноrо перераспределе"
ния масштаба преобразования передачи (х/у) между этими
70
механизмами, так как м"ожно, например, создать большую
редукцию на зубчатой передаче (малое отношение Zl/Z2) и
винтовой (малое значение Р), уменьшив редукцию рычаж"
ной (уменьшив R), но можно поступить и наоборот.
Так как поrрешности зубчатоrо и винтовоrо механизмов
передаются на поrрешность yr ла поворота призмы !:iy через
рычажный механизм обратно пропорционально длине ero
рычаrа l/ R, то для достижения более высокой точности ра"
боты Bcero привода выrодно иметь длину рычаrа в рамках
заданных rабаритных размеров как можно больше. Данное
обстоятельст о обусловливает уменьшение масштаба преоб"
разования зубчатой передачи и винтовой в пользу рычаж"
ной, что соответствует рассматриваемому принципу кон..
струирования.
Аналоrичное решение рассмотрено далее в п. 5.2
(см. рис. 5.4), rде изменение соотношения длин плеч рыча"
rOB устройства отклонения пучка лучей в соответствии с рас"
сматриваемым принципом позволило существенно повысить
точность и теХБолоrичность этоrо устройства.
Вместе с тем при соблюдении данноrо принципа следует
учитывать также соотношение между масштабом преобра"
зования и возможными поrрешностями элементов функ
циональных устройств. Рассмотрим в качестве примера
конструкцию выпускаемоrо промышленностью индикато"
ра часовоrо типа, схема KOToporo изображена на рис. 1.53.
В индикаторе перемещение измерительноrо штока 2 преоб..
R
(360 мм)
2 (Z2)
] [
1
X
Рис. 1.52. Фун."ционалъная схема спе"трофоп ометра
71
разуется в поворот стрелки 11 точной шкалы 12 с помощью
двух элементарных преобразователей: реечноrо и зубчатоrо.
Вначале движение измерительно;rо штока с рейкой 4 пре
образуется в поворот триба ZI (6) с закрепленным на ero оси
7 зубчатым колесом Z2 (8), а затем поворот колеса Z2 преоб
разуется в поворот триба Z3 (1 О) с закрепленной на ero оси 9
стрелкой. (На рис. 1.53: 1 объект измерения; 3 пружи
на, развивающая мерительное усилие; 5 направляющая
измерительноrо штока; 13 зубчатое колесо для отсчета по
rрубой шкале 15; 14 спиральная пружина.)
Функция (закон функционирования), связывающая пере
мещение измерительноrо штока у и поворот стрелки х инди
катора, имеет вид:
rде т модуль зацепления зубчатой рейки и триба (ZI);
ZI ZЗ числа зубьев соответствующих колес.
Исходя из конструктивных, точностных И технолоrиче
ских условий и числа зубьев колес серийноrо индикатора,
выпускаемоrо отече
ственной промышлен
ностью, выбраны сле
дующими (о числовом
значении модуля за
цепления будет изло
жено далее в п. 3.1.2):
ZI == 16, Z2 == 100, Z3 == 10.
Так как индикатор
работает на мульти
пликацию движения
от штока к стрелке, то,
казалось бы, надо зуб
чатый триб с наимень
шим числом зубьев
(z == 10) поставить в Ha
чале цепи преобразова
ния(т. е. в зацепление
с зубчатой рейкой), а
второй триб (с z == 16)
в конце цепи. Однако,
Рис. 1.53. Фун"циональная схема иHди"a как известно, изrото
тора часовоzо типа вить С высокой точ
у==
тZl
2
Z3
Х,
Z2
5
"iJl
4
у!
I
7 8 (Z2) 9
2
1
72
ностью триб с малым числом зубьев (менее 14) невозможно,
поэтому он будет иметь кинематическую поrрешность в He
сколько раз большую, чем второй триб. Так как передаточ
ная (рункция (коэффициент влияния) поrрешности триба, за
цепленноrо с рейкой, на точность (поrрешность) измерения
равна единице, а поrрешность BToporo триба (на оси KOToporo
установлена стрелка) имеет коэфq)ициент влияния, равный
отношению ZЗ/Z2, то, учитывая вышесказанное, более пра
вильным для получения меньшей суммарной поrрешности
измерения будет зацепление зубчатой рейки с трибом, имею
щим существенно меньшую собственную поrрешность (т. е. с
трибом с z == 16, а не с трибом с z ==10).
1.4.4. ПРИНЦИП ОТСУТСТВИЯ ИЗБЫТОЧНЫХ СВЯЗЕЙ
И МЕСТНЫХ ПОДВИЖНОСТЕЙ В МЕХАНИЗМАХ ПРИБОРОВ
и збыточные связи в механизмах приборов приводят "
объемным деформациям звеньев, увеличению трепия в "и
нематичес"их парах, затрудняют сбор"у и реzулиров"у
механизмов. В результате ухудшается точ:ность, надежность
и технолоrичность сборки последних. Местные подвижно...
стu менее опасны и обусловлены дополнительной рабочей
подвижностью не"оторых звеньев. Наличие избыточных
связей и местных подвижностей в механизмах можно опре"
делить на основании анализа их 'структуры [1.8], используя
выражение, аналоrичное выражению (1.3):
К==5
п + L РкК 600 == q,
К==l
(1.6)
rде п число ведущих звеньев механизма; Р к класс кине..
матической пары; К число пар данноrо класса; 00 число
подвижных звеньев.
Проанализируем выполнение принципа для винтовоrо
механизма, изображенноrо на рис. 1.54, а. Соединение вин
та с подшипником представляет собой пару пятоrо класса,
соединение винта с rайкой и rайки с направляющими типа
«ласточкин XBOCT также пары пятоrо класса. В результа
те из выражения (1.6) получим
q == 1 + 5 . 3 6 . 2 == + 4.
Следовательно, механизм имеет четыре избыточные свя"
зи. Для соблюдения принципа следует изменить, напри"
73
х
A A
а)
""
" "
"', " "-
", ','"" "'-"
"'" " ',,-
б)
РБ
A A
Рl
х
Рис. 1.54. ВUНnl,О8ые м-ехани.зм-ы
мер, конструкцию направляющих r3Йки, как по к аз ан о
на рис. 1.54, б, превратив ее в пару первоrо класса (отнять
только разворот BOKpyr оси винта х), тоrда
q == 1 + 5 . 2 + 1 · 1 6 . 2 == о.
На рис. 1.55 изображена схема параллелоrрамноrо Mexa
низма. Если все ero шарниры выполнить в виде пар пятоrо
класса (конструкция Ia), то
q == 1 + 5 . 4 6 . 3 == +3.
Р5
Р5 (Р4' Р:з)
[а '
р,
:J
I
[ (а, б, в) I
Iб + ::::l
[8 ,
,
Рис. 1 Д5. Шарниры nараллелоzраммноzо механ.изма
74
Такой механизм будет иметь де(рормации и проблемы при
сборке. Выполнив соединение шатуна с кривошипом и ко..
ромы слом В виде сферических шарниров (т. е. пар третьеrо
класса, конструкция 16), получим
q == 1 + 5 . 2 + 3 . 2 6.3 == 1.
Это означает, что одно из звеньев, а именно шатун, име--
ет местную подвижность возможность разворота BOKpyr
собственной оси. Данное обстоятельство не приводит к воз..
никновению деформации или усложнению сборки паралле"
лоrрамма, однако требует, например, точноrо изrотовления
сфер сферических наконечников.
Выполнив соединение шатуна с кривошипом в виде пары
третьеrо, а с коромыслом четвертоrо класса (конструкция
1в), получаем
q == 1 + 5 . 2 + 4 . 1 + 3 . 1 6 . 3 == О',
т. е. конструкцию без избыточных связей и местных по..
движностей.
Весьма интересно сравнить два типовых привода, тир'око
используемых в приборостроении: червячный (рис. 1.56, а)
и червячно зубчатый (рис. 1.56, 6).
Если соединения осей вращения червяка и червячноrо
колеса представляют собой кинематические пары пятоrо
класса, то, учитывая, что сопряжение червяка с червяч"
ным колесом представляет собой пару третьеrо' класса,
имеем
q == 1 + 5 .2 + 3 . 1 6 . 2 == +2.
L.J
11
ZL: б)
-... .... ... -
х
р.
P5 (J
L...J
11 JY 11 JY
rI
а)
х(
РБ
Рис.l.56. Червячный привод
РБ
75
Эти избыточные связи приводят к известным на практи"
ке необходимым реrулировкам или прикаткам данноrо ме..
ханизма при сборке, если требуется получить высокие точ"
ность, чувствительность и плавность ero работы.
Сопряжение червяка с косозубым колесом создает пару
первоrо класса, поэтому для ПрИ:ВQда, изображенноrо на
рис. 1.56, б, имеем
q == 1 + 5 .2+1 . 1 6 . 2 == о.
Этот результат подтверждает известное в практике пре"
имущество подобноrо механизма по сравнению с обычным
червячным при создании приводов, обладающих высокими
плавностью и чувствительностью движения. Например, при
создании срирмой ЛОМО mестиметровоrо телескопа привод
e:ro наведения был основан именно на таком механизме.
1.4.5. ПРИНЦИП НЕОБХОДИМОСТИ ЮСТИРОВКИ
ОПТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
При КОllструироваllии оптических ФУllкциОllалъпых
устройств следует nроверятъ llеобходимостъ их юстиров
ки и nредусматриватъ в конструкции вОЗМОЖ1l0стъ ее вы
nолпепия.
Данное правило вызвано специ(рикой оптических ФУ,
заключающейся в том, что обычно подавляющее боль"
шинство из них не может непосредственно после сборки
обеспечить необходимые показатели качества (связанные
с изображением). Требуется проведение дополнительных
мероприятий по устранению и компенсации тех или иных
поrреmностей путем подвижек, реrулировок, деформа"
ций, дополнительной обработки деталей, воздействия на
их свойства или результат функционирования и т. п. для
получения устройства, q)ункционирующеrо с заданными
характеристиками, т. е. требуется то, что принято на..
зывать юстировкой!.
Обусловлено данное обстоятельство тем, что даже незначи"
тельные отклонения характеристик материалов оптических
1 На практике и в отечественной литературе термин . юстировка,. обыч"
но применяется к оптическим приборам и узлам, термин . реrулировка,.
к электромеханическим устройствам и механизмам; термин . настрой..
ка,. к электронным приборам и устройствам. В немецкой литературе
термин .юстировка,. применяется ко всем видам приборов и устройств.
76
2
3
l t.дl
"
, \. , "" '"
", " , " " .... " "-
''\., "\." ",," ',.' '- ", "
"\.
S ' + А С"
F F
дz
Рис. 1.57. Телескопическая п руб1Са
деталей от их номинальноrо значения (в третьем, четвертом
и даже пятом знаках после запятой), поrрешности изrотов
ления их размеров, формы, расположения приводят к порче
качества изображения, создаваемоrо оптической системой,
неправильной ero ориентации и дрyrим дефектам.
Рассмотрим элементарный пример, аналоrичный npиве
денному в работе [1.20].
На рис. 1.57 изображена конструкция телескопической
трубки, в которой склеенный объектив строит изображение
на сетке (П3С приемнике). Из за поrрешности заднеrо Bep
шинноrо фокальноrо отрезка S' F объектива 1 , поrрешности
расстояния l между опорными торцами трубки 2 изображе
ние, строящееся объективом в фокальной плоскости, будет
располarаться на расстоянии Z от плоскости сетки (чув
ствительной площадки приемника) 3.
В лучшем случае допуск на Z не должен превышатъ ди"
q)ракционной rлубины резкости объектива Т д :
А
/j,z < Т д :;: 2А,2 '
rде А рабочая длина волны излучения; А' задняя апер
тура объектива.
Для светосильных объективов этот допуск равен обычно
нескольким микронам, для не светосильных нескольким
десяткам микрон. Например, для объектива с фокусным
расстоянием {' == 100 мм и световым диаметром 20 мм при
А == 0,55 мкм получаем
0,55
I1z < 2 = 27,5 мкм.
2 . 0,1
77
Выполнить такой допуск не представляется возможным,
так как даже если будет точно выдержан отрезок l, то обе
спечить поrрешность вершинноrо. q)OKYCHoro расстояния
с такой точностью практически нельзя. Известно, что в ce
рийном производстве поrрешность q)OKYCHbIX расстояний
объективов достиrает (0,5 + 1)1' (%).
В нашем случае I' S'F (0,5 + 1)100 О/О == 0,5 1 мм, т. е.
в 20 40 раз может превышать допустимое значение. Следова
тельно, в конструкции телескопической трубки необходимо
предусмотреть возможность юстировки расстояния между
объективом и сеткой (приемником) для совмещения плоско
сти изображения с плоскостью сетки (с помощью ступенча
тыIx компенсаторов, реrулировочных устройств и т. п. [1.17]).
Рассмотрим возможность обеспечения параллельности
между собой осей пучков лучей, выходящих из окуляров
бинокля (рис. 1.58, а). Непараллельность осей возникает, в
частности, из за неравенства увеличений (r 1 #- r 2) в трубках
бинокля и непараллельности оптических осей трубок 8.
Из за неравенства увеличений непараллельность осей
a == аl а2 == со (r 1 r 2 ) == со r.
Допуск на непараллельность пучков лучей (исходя из фи
зиолоrии зрительноrо аппарата чеJiовека) не должен превы
тать в вертикальной плоскости 15' (в rоризонтальной пло
скости он шире и достиrает 40' при конверrенции осей и 20'
при ИХ диверrенции).
Определим допуск на относительную разность увеличе
ний в трубках:
r
r
a
cor
a
15'
== 1 % ,
250
СО ОК
а) б) Р
r 1
1
{' об тах
об no..t
{'
Рис. 1.58. Конструкция биНОILЛЯ
78
r де Ф, ФОК половина yr ла поля зрения объектива и окуляра
соответственно (в нашем примере ФОК == 250).
Увеличение в трубках, как известно, равно отношению
q)окусных расстояний объективов и окуляров:
r {' об 1 . r {' об 2
l { ' , 2 { ' ·
ОК 1 ОК 2
Учитывая, что поrреmность q)OKycHoro расстояния объек
тива в серийном производстве достиrает O,5 1 О/о, а окуляра
2 3 % , максимальное вероятное значение разности увеличе
пий трубок может достичь значений:
' ._ - - - - ---- - - - - - -
dr == i rN + r 2 == 1 '06 2+ OK 2+ lоб 2+ 'ок 2 3 4,5 %.
r V(r 1 ) (r 2 ) v(t061J (foKIJ (1062J иоК2]
Компенсировать эту поrреmность можно юстировкой
фокусноrо расстояния одноrо из окуляров либо, что более
рационально, учитывая крупносерийность производства
биноклей, селекцией объективов и окуляров по фокусным
расстояниям, комплектуя их таким образом, чтобы разность
увеличений в трубках не превышала допустимоrо значения.
Для этоrо поля рассеяния срокусных расстояний объ
ективов и окуляров относительно их номинальных зна
чений {'об. НОМ' {'ОК. НОМ разбивают на несколько диапазонов
(rрупп), а затем, измеряя (l)актическое значение их фокус
ных расстояний, осуществляют комплектовку по rруппам
(рис. 1.58, б). Число комплектовочных rрупп будет зависеть
от размера поля рассеяния, определяемоrо максимальными
{'об тах' {'ОК тах и минимальными {'об min' {'ок rnin значениями
поrреmностей фокусных расстояний.
Непараллельность оптических осей трубок 8 приводит к
непараллельности осей пучков лучей:
a ==. 8(r 1).
Для бинокля, имеющеrо увеличение, например, 6 Х (крат),
получаем допуск
8 == 15' / 5 Х == 3'.
Такой допуск, учитывая, что он будет обусловлен поrреm
ностями расточек отверстий под объективы и окуляры, за
зорами в посадках, децентрировками самих объективов и
оку ляров И друrими факторами, выдержать весьма сложно.
Если же трубки бинокля имеют шарнир для раздвижки OKY
79
ляров по базе rлаз наблюдателя (ось шарнира, в свою оче..
редь, должна быть параллельна оси поворотной трубки), то
обеспечить допуск практически невозможно, и следует пред"
усмотреть юстировку параллельности rеометрических осей
трубок и шарнира [1.1 7].
Как правило, требуется юстировка неподвижных и по..
движных зеркально"призменных систем (3ПС) приборов,
установленных в сходящемся ходе лучей, а также подвиж"
ных 3ПС, установленных в параллельном пучке, что будет
показано далее на примерах в п. 10.5.
Следует подчеркнуть то обстоятельство, что юстировка
является весьма трудоемким процессом, выполняется высо"
коквалис})ицированными рабочими, требует использования
специальной оснастки, инструмента, прецизионных средств
контроля. Поэтому к юстировке следует прибеrать только в
случаях, коrда она действительно необходима для достиже"
ния требуемых показателей качества либо доказана ее эко"
номическая целесообразность.
Методика определения необходимоrо числа юстируемых
параметров (компенсаторов), диапазона и чувствительности
юстировки, а также способы и устройства юстировки типо..
вых узлов изложены в литературе [1.17,1.20].
rлава 2
ОБЩИЕ принципы, ПРАВИЛА
И МЕТОДЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ
2.1. ПРIПIЦИП УНИФИКАЦИИ КОНСТРУКЦИЙ ИЗДЕЛИЙ
Унификацией называют приведение к оптимальному
единообразию форм и объектов человеческой деятельности.
Это понятие универсально и относится к любым орrаниза"
ционным, научным, проектно"конструкторским, техно..
лоrическим, экономическим общественно"социальным и
друrим формам деятельности и их результатам (изделиям,
постройкам, деталям, материалам, технолоrическим про"
цессам, методам исследований и расчетов, формам пред"
ставления результатов, законам, правилам, порядку их
принятия И т. п.).
Что касается техники, то понятие унификации опреде"
ляется (соrласно rOCT 23945.0 80) следующим образом:
80
«Униq)икация изделий приведение изделий к единообра"
зию на основе установления рациональноrо числа их разно"
видностей .
Так как изделием назыаетсяя любой предмет или на..
бор предметов производства, подлежащих изrотовлению на
предприятии, то унифицированными комплексами, прибо"
рами, узлами, деталями следует называть такие, которые
созданы на базе существующеrо ранее HeKoToporo множества
разных исполнений путем приведения их к рациональному
числу единообразных исполнений.
Суть принципа УНи(l)икации конструкций изделий за..
ключается в оzраничении мноzообразия возможных част
ных (индивидуальных) решений на всех этапах пpoeKтHO
конструкторской деятельности рамками общих свойств и
признаков, приводящих изделие к единой системе типовых
конструкцuй.
Под единой системой типовых конструкций следует по..
нимать оrраниченное число (rруппу) конструкций изделий,
применяемых в определенной области и выполняющих оди"
наковую или разные функции, но имеющих однозначную
функциональную и конструктивную совместимость изделий
и их элементов по принципам построения, структуре, источ"
никам и номиналам питания, размерам, материалам, техно..
лоrии изrотовления, сборки, контроля, обслуживания, ре"
монтов и т. д.
Единая система создается исходя из принципа: «Целое со..
стоит из частей, на которое оно может быть разложено и из
которых может быть снова собрано [1.3].
Новое качество достиrается заменой, добавлением, изъ..
ятием, перестановкой составных частей, которые должны
иметь «открытую Q)OPMY., т. е. обладать свойствами совме..
стимости.
Различают следующие ме'rОДЫ унификации конструкций:
индивидуальный, базовый и arреrатно"модульный, которые
фактически являются соответствующими методами проек"
тирования.
Индивидуальный метод унификации (ero называют так..
же методом заимствования, моноблочным, пассивным ме..
тодом) основывается на использовании в конструкции ранее
созданных (заимствованных) решений, нормализованных и
типовых устройств, элементов, деталей, а также на соответ"
ствии конструктивных решений требованиям и рекоменда"
ЦИям существующих стандартов, норм и условий.
81
Например, соответствие размеров и cl)opM конструируе
мых ориrинальных деталей ряду предпочтительных чисел,
yrлов, уклонов, конусностей, параметрам типовых q)OpM.
Фаски, канавки, центровые отверстия, риq)ления, шерохо
ватость, допуски на поrреmности размеров и ч)орм, xapaкTe
рис тики материалов деталей, их покрытия, термообработка
и т. д. должны соответствовать типовым рекомендациям и
стандартам.
В конструкции желательно создавать как можно больше
одинаковых узлов, деталей или их элементов (одинаковых
материалов, размеров, Q)OPM поверхностей), что облеrчает
использование метода rрупповой технолоrии производства
[1.19], существенно повышающей ЭСРQ)ективность изrотовле
ния изделий, особенно для условий их мелкосерийноrо про
изводства.
Соединительные и инсрормационно энерrетические YCT
ройства создаваемой конструкции должны обеспечить ее co
вместимость с дрyrими изделиями.
Этот метод унификации используется обычно при co
здании конструкций индивидуальных (ориrинальных) и
уникальных приборов и их составных частей, изrотавли
ваемых в единичном, опытном или мелкосерийном произ
водствах для решения частных технических задач, а также
для улучшения тех или иных характеристик существую
щих прототипов (аналоrов). Примерами MorYT служить
уникальные образцы техники [космические корабли, теле..
скопы; специализированное технолоrическое оборудова
ние, оснастка, контрольно юстировочные приспособления;
модернизированные серийные приборы, имеющие более
высокие сравнительные характеристики (по мощности,
точности, надежности, производительности, rабаритно
массовые и т. п.)].
Разработка пионерских (принципиально новых) прибо
ров, основанных на новых физических принципах, измене
нии схем и конструкций, использовании новых элементов,
материалов и т. п. [1.17, 1.26], также требует применения
индивидуальноrо метода унификации. Причем для перспек
тивных приборов (таких, например, какими были в свое
время пионерские образцы персональных компьютеров, ви
деокамер и маrнитофонов, копировальные аппараты, факсы
и т. п.) должна проводиться так называемая опережающая
унuфuкацuя, основанная на научно.техническом проrнози
ровании тенденций будущеrо развития этих приборов, их
82
составны}\ частей, изменений, технико"экономических ха..
рактеристик, методов производства, обслуживания, ремон"
та и т. п.
Индивидуальный метод уни(рикации используется так..
же при разработке моноблочных изделий простой конструк"
ции, не требующей разбивки ее на (рункциональные блоки и
узлы, а также сверхминиатюрных, не позволяющих произ"
водить их из блоков [1.3] (стимуляторы сердца, медицинские
зонды и т. п.).
Базовый метод унификации является активной (l)ормой
УНи(l)икации и заключается в создании модиq)икаций или
униq)ицированноrо ряда изделий на основе конструкции ба"
зовоrо изделия.
В модиq)икациях или унифицированных рядах использу"
ются единое (l)ункциональное и конструктивное решение и
общие для .всех основные части и элементы. Например, несу"
щие устройс тва ( корпуса, штативы, СТОЙКИ, столы и т. д.), со..
единительные устройства (электрические разъемы, муфты,
замки, шарниры и т. д.), энерrетическо"ин(рормационные
устройства (блоки питания, индикации, пульты, клавиатура
и т. д.), защитные устройства (кожуха, экраны, термостаты
и т. д.), (рункциональные устройства (измерительные, осве..
тительные, наводящие, реrистрирующие и т. д.).
Примерами базовоrо метода униq)икации конструкций
MorYT служить униq)ицированные ряды электродвиrателей,
реле, зубчатых редукторов, осциллоrра(l)ов, теодолитов, мо"
дификации станков, автомобилей, бытовой техники (пыле"
сосов, стиральных машин, холодильников) и т. п.
Хорошо известен, например, q)aKT создания автомобиль"
ным заводом в r. Тольятти семейства из порядка десяти мо"
дификаций автомобилей «Лада. на основе базовой модели
«Фиат..124.. Фирмой «Карл Цейсс. разработано несколько
унифицированных рядов микроскопов « Mikroval. (J ena ..
med, Jenalumar, Jenapol) [1.3, 1.27], позволяющих путем
комбинации узлов и элементов конструктивноrо ряда по..
лучать микроскопы не только с различными увеличением,
полем, апертурой, но и для наблюдения в проходящем и от..
раженном свете, поляризационные, интерференционные,
флюоресцентные, (l)отометрические и др.
Конструкторами фирмы ЛОМО создан унифицирован..
вый ряд вертикальных и rоризонтальных длиномеров, спек..
тральных приборов, q)отоаппаратов, медицинских приборов,
имеющих в своей основе соответствующие базовые модели.
83
Аzреzатflо модулън.ый метод унификации (ero называют
также функционально блочным, блочно модульным) явля
ется наиболее проrрессивным, позволяющим проектировать
и изrотавливать изделие (их комплексы и ряды) из функци
ональных модулей (блоков).
Функциональный модуль представляет собой aвTOHOM
ное конструктивное устройство, унисl)ицированное по ero
сl)ункции, параметрам, rеометрии, материалам, обладающее
совместимостью необходимых свойств и параметров (ин
q)ормационных, энерrетических, конструктивных, эксплуа
тационных) с друrими модулями.
Синтез (и изменение) общей q)ункции изделия, обеспе
чение ero параметров и показателей качества достиrаются
комбинацией модулей, присоединением новых, их изъятием
и заменой. Ориrинальные детали, узлы и ФУНКЦ1'Iональные
устрой<?тва при arреrатно-модульном проектировании при
меняются только в случаях, коrда этоrо требует специфика
изделия либо пионерское решение.
Модули в зависимости от выполняемых задач подразде
ляются: на несущие, управляющие, исполнительные (преоб-
разовательные), соединительные, обеспечивающие, KOMMY
никационные и др.
Arреrатно модульный метод унификации и проектиро
вания широко используется при создании электроизмери
тельных приборов, аудио видеоаппаратуры, вычислитель-
ной техники, телефонных станций, а также друrих изделий,
основанных на унисрицированных и стандартизованных
функциональных модулях и элементах микроэлектроники и
электротехни-ки (микросхемы, интеrральные схемы, микро
процессоры, блоки питания, управления, коммуникации,
индикации и т. д.). I
Типичным пр мером таких изделий MorYT служить IBM
совместимые персональные компьютеры, унификация KO
торых охватывает принципы орrанизации, архитектуры,
интерq)ейсы, микропроцессорную элементную базу, нако-
пители, перисрерийные устройства (дисплей, клавиатуру,
принтер, манипулятор, rрасl)опостроитель, модем и т. д.).
В машиностроении и приборостроении аrреrатно-модуль
ный метод применяется в меньшей степени, что обусловле
но разнообразием назначения и решаемых задач, различием
q)изических принципов и энерrоносителей в межвидовых
изделиях, использованием q)ункциональных устройств и
узлов с различными физическими принципами действия в
84
однотипных изделиях, затрудняющих их совместимость.
В настоящее время чаще используются индивидуальный и
базовый методы униq>икации, однако тенденции развития
конструктивных решений изделий этих отраслей промыш"
ленности связаны с arреrатно"модульным проектированием.
Чаще Bcero этот метод используется при создании однотип"
ных изделий одноrо q>ункциональноrо назначения: станков,
роботов, автомобилей, строительных машин. Что касается
точных приборов, то все передовые q>ирмы, их производя"
щие, приме яют аrреrатно"модульную уни(рикацию отдель"
ных видов приборов либо используют унифицированные
аrреrаты и модули. Некоторые фирмы специализируются на
производстве таких arperaToB и модулей. Например, фирма
«хайденхейн. (ФРr) специализируется на выпуске q>OTO
электрических преобразователей (датчиков) линейных и
yrловых перемещений различных модификаций. Корпора
ции «Oriel., «Ealing. (США) производят столы, оптические
скамьи, рейтера, оправы, оптические узлы и элементы, из
которых можно смонтировать лабораторные исследователь
ские или учебные установки, макеты приборов и т. п.
На рис. 2.1 показана схема arреrатно модульной униq>и
кации лабораторных микроскопов серии «Микрам. [1.28],
позволяющая создать 12 различных микроскопов (биоло
rических, поляризационных, Ин(l>ракрасных и др.) комби"
нацией аrреrатных узлов (модулей). Здесь циq>рами обозна
чены возможные варианты модулей, буквами следующие
их виды: Н насадки окулярные; Т тубусы промежуточ"
ные; У устройства для установки и осветители отраженно
ro света; С столики предметные; К конденсоры; Л ме..
ханизмы конденсоров, откидные линзы; О осветительные
устройства; Ш штативы.
Исходя из практики точноrо riриборостроения, следует от"
метить, что при создании конструкций приборов чаще всеео
используется смешанный метод унификации, включающий
в себя элементы индивидуальноzо, базовоzо и аерееатно"мо"
дульноzо методов.
Уровень унификации обычно определяется коэффициен..
тами применяемости Кор и повторяемости К п :
п по N r N
К ор == п 100 %; Ко == N r 100 %,
rде по количество типоразмеров ориrинальных составных
частей; n общее количество типоразмеров составных ча..
85
00
ф Палам С111 Палам C112 П алан Р 111 Памм Р112 Палан Р113 Пала.м. Л211 Палан Р311 Палан Р312
--.16 6 5 4 1..J:
2 1 r- .J
1 2 З l З l З 1 9 1 9
3 I I ? 2
3 .J . 3 4 3 . 3 3 3 3 3 3 ,.............. 2
. 1 Jt::::1 5 1 .... 1 5 1 4 2 2
о 3 .J. ' !!!!101 @ ..... 3 '4 J.J
.J ---- 1 .J 1 4 .... ; 4 .. 3
1 1 1 1
F 210 68 Of. 344 91 % 279 98% 881 86 % 486 96 % 668 92Yo 85З 97 % 610 99'?о
'ч' 84-4 376 300 444 610 60З 362 512
Биола.м Л211 Биолан Л 212 Биолам Л218 IIнфран ЛС211
6
2 , 4 10
1 :
1
3
2 5 2
. 4 о 3 ...
I 2 2
624 815 % 600 85% 660 6 '7. 600 8% 480 86 . 4БО 85 %
726 900 586 610 568 510
(j DdJ1, c;? Ь
1 2 б О 1 <=> 8 а 9 10
3 О 1 2 3 4
4 @ W cr'77' с; ,? cff
(f rF
Ь i@' 1 !f L? Q q=.9
2 1 ----f I ш О C:J ..r c:r=r
1 2 U 3
@ o :) з
3 4 {,
H I
T I
л
°1
Рис. 2.1. Схе,м,а унифu ацuи ,м,и pOCKonoв
стей, вклю ающее ориrинальные унифицированные, HopMa
лизованные, стандартные и покупные; N L общее количе
ство составных частей (деталей); N количество одинако
вых частей (деталей), используемых в изделии повторно.
Основные цели униq>икации:
сокращение сроков проектирования, подrотовки произ
водства, изrотовлени:я, проведения техническоrо обслужи
вания и ремонтов изделий;
повышение экономической э(l>фективности создания и
эксплуатацик изделий за счет снижения затрат пр:и: проек
тировании и специализации производства, техническоrо об
служивания и ремонтов;
повышение показателей качества (надежности, техноло
rичности и др.), взаимозаменяемости изделий и их COCTaв
ных частей;
рациональное оrраничение номенклатуры и объемов BЫ
пуска продукции при обеспечении функциональной и коли
чественной ее потребностей.
Развитие базовоrо и особенно аrреrатно модульноrо Me
тодов унификации изделий в точном приборостроении в Ha
стоящее время привели к революционным изменениям не
только конструирования, но и производства приборов. OT
пала необходимость, как это было ранее, конструировать
и создавать все детали и элементы прибора (от заклепок до
оптики и электроники) полностью на одном предприятии.
Более выrодным, не только с позиции экономики, но и дpy
rих вышеперечисленных q>aKTopoB, стало создание их на
основе униq>ицированных устройств и модулей, производи
мых специализированными q>ирмами. В результате стали
дробить, уменьшать, сокращать номенклатуру видов изrо
тавливаемых при боров даже такие rиrанты промышленно
сти, с именами которых связана история мировоrо точно
ro приборостроения, как q>ирмы «Карл Цейсс , «Лейтц ,
ломо.
Весьма Har лядным примером сказанноrо является ситуа
ция с производством трехкоординатных измерительных Ma
шин. В восьмидесятых rодах прошлоrо века в основном их
производили только около пяти известных мировых фирм,
так как только они моrли справиться с мноrочисленными
проблемами и задачами создания этой сложной и точной
техники. В настоящее время, блarодаря появлению специа
лизированных фирм, которые поставляют для этих машин
направляющие (из rранита, керамики, металла), преоб
87
разователи перемещений «l)отоэлектрические, емкостные,
индуктивные), ПрИБОДЫ (электрические, rидравлические,
пневматические), проrраммный .продукт, контроллеры,
управляющие микропроцессорные системы и т. д., суще
ствует уже несколько десятков (рирм, создающих разно
образные трехкоординатные машины.
2.2. КОМПОНОВКА КОНСТРУКЦИЙ
Компоновкой называют поиск и разработку рациональ"
Horo размещения элементов конструкции в заданном про
странстве.
Именно в процессе компоновки создается конструкция
будущеrо прибора, не только находится целесообразное вза
имное расположение ero модулей, устройств и узлов, но и
определяются с учетом материалов оптимальные размеры и
формы поверхностей деталей, отвечающие технико эконо
мическим требованиям задания и условиям производства.
Так как от объема прибора зависит в известной степени ero
масса, занимаемая им площадь помещений, транспортные
расходы и т. п., то общей тенденцией является стремление к
уменьшению rабаритных размеров конструкции при компо..
новке (т. е. к компактности конструкции).
Компоновка конструкции сложный творческий про"
цесс, наименее формализованный этап проектно конструк
торской деятельности, требующий от конструктора наряду
со знаниями и опытом широкой эрудиции, воображения,
интуиции, способности к эвристическому и ассоциативному
мышлению.
Вместе с тем существенную помощь при компоновке ока..
зывает системный подход, основанный на базовом и arperaT"
но модульном методах проектирования (уни(];>икации), Kor
да конструкция прибора создается исходя из базовой модели
комбинацией (I)Ункциональных модулей и уни(l)ицирован
ных элементов.
При компоновке прибора, создаваемоrо при индивиду
альнам проектировании, также целесообразно разбивать
прибор на функциональные составные части: несущие (ба"
зовые), преобразова тельные (рабочие), коммуникационные
(соединительные), вспомоrа тельные.
Осуществляя компоновку, следует идти от общеrо к част
ному.
88
Пер вый ш а r. В начале определяют, будет ли прибор
моноблочным, коrда все ero составные части располarаются
в одном корпусе, либо он будет состоять из нескольких са..
мостоятельных частей (КQРПУСОВ), связанных определенным
образом друr с друrом.
Решение этоrо вопроса зависит от назначения прибора,
ero характеристик, условий эксплуатации, уровня униq>ика"
ЦИИ, достижений и развития техники и друrих q>aкTopoB.
Например, одни из первых моделей персональных ком"
пьютеров (в частности «Commodore ) имели конструкцию,
в которой прdцессор, монитор и клавиатура располarались
в одном корпусе. Дальнейшее развитие персональных ком..
пьютеров по пути блочно" МОДУ льной Уни(l)икации привело
к ТОМУ, что процессор, монитор и клавиатура стали вы"
полняться в самостоятельных корпусах, как автономные
q>ункциональные блоки, соединенные друr с друrом с по..
мощью унифицированных разъемов и кабелей. Необходи"
мость создания переносных компактных компьютеров и
современные достижения техники снова делают актуаль"
ной моноблочную конструкцию персональноrо компьютера
«<Notebook. ).
Еще одним примером MorYT служить конструкции авто..
коллиматоров. Визуальные автоколлиматоры выполняются,
как правило, моноблочными, rде в основании 1 (рис. 2.2, а)
находятся наводящие и фиксирующие устройства, а оптико..
механические элементы, узлы подсветки, питания и индика"
ции расположены в трубе 2 (автоколлиматор М..1).
Фотоэлектрические автоколлиматоры, наоборот, как
правило, содержат кроме оптико"механическоrо блока 1
(рис. 2.2, б) автономный блок питания и реrистрации 2, со..
единенный с ним с помощью разъемов и кабелей, а иноrда и
автономный блок подсветки 3, соединенный с оптико"элек"
тронным блоком оптически.м жrутом. Тенденции же раз"
вития современных фотоэлектрических автоколлиматоров,
а)
2
1
б)
1
3
O
Рис. 2.2. Комnонов"и авп о"оллиматоров
89
основанных на позиционно чувствительных приемниках,
микросхемах и микропроцессорах, жидкокристаллических
индикаторах, позволяют ожидать появления ero моноблоч"
ной конструкции.
В т о рой ш а r. Заключается в эскизной компоновке
общей конструкции моноблока (или aBToHoMHoro устрой"
ства) и ero основных элементов без детализации принятоrо
решения.
Эскизную компоновку следует начинать с решения вопро
са, какой будет несущая (базовая) часть конструкции и каким
способом будут сопряrаться с ней сl)ункциональные устрой
ства (блоки) и элементы изделия. Например, несущей частью
конструкции MorYT служить рама, стол, стойка, шкасl>, шас..
си, штатив, кронштейн, труба и т. д., а q)ункциональные бло
ки (модули), узлы И элементы MorYT устанавливаться путем
выдвиrания, нанизывания, накрытием [1.3, 1.6].
2
1
4
Б
6
Рис. 2.3. Комnонов"а верп uкал.ъноzо дл.uномера
90
На рис. 2.3 изображена компоновка оптико механическо
ro блока вертикальноrо длиномера (ИЗВ 4), несущими эле
ментами KOToporo являются основание и кронштейн 1 ; на ero
плоской поверхности монтируются корпус 2 измерительной
пиноли 3, кронштейн привода 4, узел датчика перемещений
с электронными платами 5 и друrие функциональные узлы и
элементы, накрываемые затем кожухом 6.
Подобным образом, только на rоризонтальном столе,
осуществляется компоновка ряда спектральных приборов.
На рис. 2.4 изображена конструкция ультрасриолетовоrо
BaKYYMHoro звездноrо видеоспектрофотометра [1.29]. Здесь
на нижнем столе (плате) 1 размещены все узлы и элементы
оптической схемы: узел сферическоrо зеркала 2 (KaмepHoro
объектива), привод 3 сканирующеrо плоскоrо зеркала 4, ще
левой коллиматор 5, дифракционная решетка 6. На верхней
плате 7 установлены противосолнечная бленда 8, тепловой
радиатор 9, электронные блоки 1 О и друrие узлы прибора,
обеспечивающие функционирование видеоспектрометра.
При таком способе компоновки можно получить стабиль
ную конструкцию и осуществить леrкий доступ ко всем эле
1
7
6
3
Рис. 2.4. Комnонов"а звездноео сnе"трофотометра
91
ментам прибора, сняв защитный кожух. Однако элементы
оптической системы, смонтированные в кронштейнах, Tpe
бую т при сборке на платах, как правило, более трудоемкой
их юстировки по сравнению с тем, коrда они монтируются в
трубе (см. рис. 2.2) нанизыванием узлов.
Так как оптические приборы содержат функциональные
устройства с различными сризическими принципами дей
ствия (оптические, механические, электронные), которые
должны располarаться в едином корпусе и быть защищены
от внешних воздействий (посторонних засветок, механиче
cKoro контакта, заrрязнений, влarи и т. п.), то часто Hecy
щим элементом является коробчатый корпус, получаемый
литьем из металлических или пластмассовых материалов.
Примерами MorYT служить хорошо известные всем KOH
струкции (ротоаппаратов, видеокамер. На рис. 2.5 изо
бражена компоновка автоматизированноrо сферометра
изс 11, несущим элементом KOToporo является литой KO
робчатый корпус 1. В нем смонтированы узлы привода 2
движения измерительной пиноли 3 с датчиком линейных
перемещений, основанном на отражательной измеритель
ной 4 и прозрачной индикаторной 5 решетках с электрон
ными платами предварительной обработки электрических
сиrналов.
Командно реrистрационные устройства ОП выполняют
ся, как правило, в виде автономных блоков по принципу
блочно модульной конструкции. На рис. 2.6 изображен по
добный автономный блок с несущим элементом стойкой, в
которую вдвиrаются q)ункциональные блоки (модули) 1 7.
Т р е т и й ш а r. Определив несущую часть конструкции,
продолжают эскизную компоновку узлов и основных дета
лей моноблока: оптических (объективы, призмы, растры
и т. п.), приводов .(двиrатели, зубчатые колеса, винтовые
пары, рычаrи, направляющие движения и т. п.), источников
И приемников излучения.
Второстепенные узлы, элементы и вспомоrа тельные дe
тали на этом этапе подробно MorYT не разрабатываться. OT
дельные q)ункциональные устройства, особенно унифици
ров анны е (электронные блоки, платы, редукторы, датчики
и т. д.), MorYT изображаться в конструкции в виде «куби
KOB , сопряrаемых с несущими частями конструкции.
Удобнее Bcero компоновку вести в масштабе 1 : 1 (если
объект конструирования не является сверхминиатюрным
или, наоборот, слишком большим).
92
Одно из основных правил компоновки не останавли
ваться на одном (шаблонном или первом, пришедшим в ro
лову) варианте конструкции, а попытаться разработать или
отыскать несколько вариантов решения. Для дальнейшеrо
анализа вариантов чаще Bcero достаточно иметь упрощен
ные их эскизы (наброски от руки), выполненные в одной
двух проекциях.
Всесторонний анализ найденных решений позволит BЫ
брать наиболее рациональный и приступить К ero детальной
проработке и расчетам.
3алоr успешной компоновки учет технолоrичности из
rотовления и сборки деталей; удобство юстировки, обслужи
вания и ремонта объекта конструирования.
Осуществляя компоновку, следует применять индивиду
альный метод унисрикации конструкции (см. п. 2.1), макси
мально используя стандартизованные, униq>ицированные
и заимствованные из ранее спроектированных при боров
(рункциональные устройства, узлы, детали и элементы. Это
позволит ускорить конструирование, облеrчить изrотовле
ние и повысить надежность. При этом также выполняется
условие конструктивной преемственности использование
предшествующеrо опыта оптической промышленности, точ
Horo приборостроения и машиностроения путем введения в
разработку рациональных, проверенных на практике идей,
конструктивных решений и технолоrий.
Осуществляя компоновку конструкций, целесообразно:
1) искточатъ возможное вредное влияние отдельных функ
циональных устройств и элементов на дрyrие (вследствие ви
браций, температурноrо излучения, нarрузок и т. п.);
2) производить рациональное членение конструкций на
составные части (q>ункциональные устройства, узлы), обе
спечивающие параллельность сборки и независимость юсти
ровки и контроля;
3) сочетать компактность конструкции с удобствами сбор
ки, юстировки, техническоrо обслуживания и ремонта ОП и
ero узлов в процессе изrотовления и эксплуатации прибора;
4) шире использовать принцип конструктивной инверсии
и совмещения функций элементов ОП;
5) используя в качестве компоновочных элементов зер
кально призменные системы, располаrать их, по возмож
ности, В параллельном ходе лучей с небольшими апертура
ми; не «разрывать компоновочным элементом автономную
q)ункциональную систему (например, объектив, окуляр).
93
1
Е
:::;;
""'"
ь
I::I;
.....f'
t. .! 'т'1\. '\, " т1
I" f'. '\ [, "'.Ь
I'/////////////////. 1 :1 II V \ rI
/ b h </ .... "" / \.. uo. [1
" ",. v ;r-. .1.
/ \.. '\ r
i J N .; /.д 'f\ I.'
/ I т , t/l': ! /
/ ...... T .A " . "' ",J! J." '\ I
/ j $= .L \
:L g)L. r ""1 / :S: ""
1 /' I . ==t } / /:\)."" "" "" " "1\..
I. В :; n t 3i в r
IL . Kf/ \ I I
"' ; I 11 ,f :: .... ,
"/ / a.. I II""""'"
V I l\ I 'н... I.......... .v -" , -Т
V: V 2.. '.t V ....... А
V . ' .. . r ' \'r. '.. 't'-- · fe
/ ,, ' I ' t t ' " 1 ... 1),. ...
/.1 1 I ' I I , "
'т J I .. < .. =01
: I ,, 11 .
..... I '" ".
/ 1" " / . .
" ,Л ·
.
,,\ \ \ i\. /I " 5
L. '" "\. \.'t , L\: \ r-. ><.
V/1 i r2f /",
1:8 . I .., I Щ i'a..d / I " 4
@ A К>
. -..
о: --"...... 11...... I ', I 3
I ---- 2
.L - t>-I 't ;:: 1
V' i!' 1, + \...........L:' /
<2// / / / / / / / / / / / / / / / / / / / /1 r / / / / / / //
..
r\
'\
r\
r\
J\
, '"
.
Рис. 2.5. Комnонов"а
94
r"
в в (noeepnyпtO)
262,5*
........1
I
i
i" + if '
r t I I
;I I
I t
j + Jl
сферомеmра
95
Рассмотрим примеры
некоторых указанных
правил и приемов.
На рис. 2.7, а изобра
женаконструкция(ком
поновка) узла зубчатых
колес 1, 2, заштифто
ванных на валу 4. Heдo
статками конструкции
следует считать OTHO
сительно большой rаба
ритный размер L} колес
вдоль оси вала, необ
ходимость двух штиф
тов (и двух резьбовых отверстий под стопорные винты) для
крепления колес и в случае, если колеса изrотавливаются из
прутка, большой расход материала (зона 3).
В конструкции рис. 2.7, б, rде зубчатое колесо 1 совмещает
функции колеса и вала для напресованноrо на Hero зубчатоrо
колеса 2, L 2 < L}. "Уменьшено до одноrо количество штиq)тов и
отверстий под стопорный винт, однако расход материала в за
rOToBKe под зубчатое колесо 1 остается достаточно большим.
Вариант (рис. 2.7, в), rде используется принцип KOH
структивной инверсии! между зубчатыми колесами 1 и 2 (по
сравнению с предыдущей конструкцией), расход материала
существенно уменьшен.
На рис. 2.8, а показан Cl)parMeHT конструкции узла кача
ния рычarа 1 сканирующеrо устройства BOKpyr оси У. pы
чаr поворачивается BOKpyr вала 4, застопоренноrо винтом
3 в кронштейне 5 между шайбами 2. Размер L} определяет
1
2
3
4
6
7
5
о
о
о
о
о
о
о
о о
о
o
o
o
o
o
o
o
Рис. 2.6. Комnонов"а "oMaHaHo pelU
сп рациОННОlО ycп poй cп вa
а) 3 1 шfi 3 б) в)
1\ '
I
.
!
I I
I
. I
I . I
L 1
4
Рис. 2.7. Комnонов"и зубчатых "оле с
1 Под конструктивной инверсией понимают перестановку, обращение или
перераспределение роли и функций деталей, узлов, их элементов для улуч"
тения свойств конструкции без изменения ее общей целевой функции.
96
а) 1 2 3
4
5 б) 1 2
4
5
....
z. Z'
I I
I t
I I
I I
I I
I I
Рис. 2.8. Консп рукпLl.lвная инверсия
3
возможные (нежелательные) наклоны рычаrа относительно
осей Z и Х из за зазора ь.с в кинематической паре:
t1C
b.<pz х L ·
, ]
Блarодаря использованию ПРИIЩИпа инверсии (рис. 2.8,6),
коrда рычаr стопорится винтом 3 на валу и вращается вместе
с валом 4 в кронштейне 5, удается (в тех же самых rабарит
ных размерах) увеличить базу, оrраничивающую нежела
тельные наклоны рычаrа до размера L 2 > L 1.
Для уменьшения rабаритноrо размера L 1 в конструкции
крепления мениска резьбовым и упруrим кольцами в оправе
(рис. 2.9, а) можно, инвертируя резьбу с внутренней на Ha
ружную поверхности резьбовоrо кольца и оправы, уменьшить
rабаритный размер до L 2 < L 1 (так как t з < t 1 , рис. 2.9, 6).
а)
t 1 t 2
L 1
б)
в)
t 2 t 1
L:з
z)
L4
Рис. 2.9. Узел крепления менис"а в оправе
t:з t 2
L 2
97
а) 1
2
3
/// ,,//;,
б)
4
5
. /
d d
/ ,,1 / ;'
Рис. 2.10. Констру"тивная инверсия эл.емеllп ов объе"тива
Однако такое конструктивное решение несколько услож
няет резьбовое кольцо, поэтому, инвертируя положение резь
бовоrо и упрyrоrо колец (рис. 2.9, в), можно получить L3 < L 1 .
Показанная на рис. 2.9, z конструкция крепления мениска
завальцовкой позволяет оправе (блаrодаря упруrому бурти
ку) совмещать в себе (рункции также резьбовоrо и упруrоrо
колец, вследствие чеrо можно получить L4 < L3.
Еще один пример компоновки с использованием прин
ципа инверсии для упрощения конструкции корпуса теле
объектива показан на рис. 2.10. В первоначальном варианте
(рис. 2.10, а) изменение воздушноrо промежутка d между
подвижным положительным 2 и неподвижным отрицатель
а)
б)
8
6 7
5
1
3
Рис. 2.11. КОМnОIl0в"и уzлоизмерип елъной zолов"и
98
ным 3 компонентами телеобъектива достиrалось вращением
оправы положительноrо компонента, сопряrаемоrо с корпу"
сом по резьбе. Так как диаметр оправы компонента 2 идиа"
метр компонента 3 существенно различаются, конструкция
корпуса 1 получилась сложной и нетехнолоrичной.
Второй вариант конструкции телеобъектива (рис. 2.1 О, 6),
rде перемещается по резьбе оправа 4 отрицательноrо ком"
понента (относительно неподвижноrо положительноrо), по..
зволяет упростить конструкцию корпуса 5, создает возмож"
ность изrОТQВИТЬ ero из стандартной трубы, сократить расход
материала.
На рис. 2.11 показаны два варианта компоновки фик"
сирующей уrлоизмерительной rоловки, содержащей зер"
кальный полиrон 1, положительный 2 и отрицательный
4 компоненты телеобъектива, компоновочное зеркало 3,
светоделительную призму"куб 5, щелевую диафрarму 6,
освещаемую конденсором и источником излучения 7 , на..
ходящуюся в фокусе телеобъектива; позиционно"чувстви"
тельный (или обычный, но со щелью"анализатором) прием..
ник излучения 8.
В первом варианте (рис. 2.11, а) компоновочное зер"
кало установлено между компонентами телеобъектива в
сходящемся пучке лу"
чей. Поэтому требуется а)
тщательная юстиров"
ка зеркала, так как ero
смещение вдоль оси Z и
повороты BOKpyr осей Х
и У вызовут децентри"
ровку и порчу качества
изображения.
Во втором варианте
(рис. 2.11, б) зеркало ус" .
тановлено в параллельном
ходе лучей, поэтому пере" б)
"tшсленныIe поrpemности
ero расположения не при"
ведут к децентрировке
объектива, порче качества
изображения и необходи"
мости юстировки.
Компонуя оптиче..
Рис. 2.12. Комnонов"и "онстру"ции
скую схему прибора, ча.. nризмами
1
2
3
Z'
Х'
1
2 ..'f. у
<
r..
I .
l'
: :-: --:: ::- _--:. -
---- L'
....--
Х'
99
сто используют зеркально призменные системы (3ПС). При
этом целесообразно учитывать свойства этих систем, позво
ляющие упростить юстировку при .сборке и выполнить KOH
струкцию более устойчивой к разъюстировкам в процесс е
эксплуатации.
На рис. 2.12, а показана схема компоновки объектива 1 и
фотоприемника 3 с помощью прямоуrольной призмы 2. Для
центрировки и q)окусировки изображения на фотоприемник
призму юстируют. Если сместить ее по оси Z (или в друrом
произвольном направлении), то появляется смещение изо
бражения по приемнику вдоль оси Х' и вдоль оси Z', т. е.
юстировка является зависимой. Кроме этоrо, при такой по
движке возможны повороты призмы BOKpyr оси У, которые
вызовут смещение и наклон изображения.
Компоновка конструкции с помощью пента призмы
(рис. 2.12, б) более предпочтительна, так как, сдвиrая ее
вдоль оси Х, добиваются центрировки изображения (ero
смещения вдоль оси Х'), а сдвиrом вдоль оси Z ero фоку
сировки (смещения вдоль оси Z'). Кроме этоrо, возможный
поворот пентапризмы BOKpyr оси У не приведет к смещению
изображения. Такая юстировка будет менее трудоемкой, так
как является независимой.
2.3. МЕТОДЫ ФУНКЦИОНАлъноrо и ПАР АМЕТРИЧЕскоrо
СИНТЕЗА КОНСТРУКЦИЙ
Как было уже показано, проектно конструкторская дея
тельность состоит из ряда последовательных этапов: опреде
ления потребности общества в приборе; формулировке цели
и техническоrо задания на прибор; поиске идей и концепции
ero общей функции; разработке структуры и технических
принципов; выпуске технической документации на прибор,
необходимой и достаточной для ero изrотовления и эксплу
атации.
Основные задачи этоrо процесса: синтез концепции прибо
ра, структурный синтез, параметрический синтез, точност
ной синтез выполняются на основе BcecTopoHHero анализа
принимаемых решений.
Так как повышение качества создаваемоrо прибора по
сравнению с аналоrами (или первоначальным решением)
наиболее эф(рективно достиrается при использовании HO
вых (ризических эффектов и принципов функционирования,
100
чрезвычайно важным аспектом творческоrо процесс а явля
ется поиск идей, которые закладываются в концепцию при
бора и ero q)ункциональные устройства.
В мноrочисленной литературе, посвященной проектиро
ванию приборов и основам техническоrо творчества [1.l I.3,
1.6, 1.12, 1.14, 1.15], подробно рассматриваются методы и
правила поиска идей' решения инженерных задач.
Они позволяют повысить эффективность как индивиду
альной творческой работы конструктора, так и творческой
деятельности,коллектива разработчиков.
Эффективность индивидуальной работы конструктора
повышается с помощью синектических и морфолоrических
приемов (методов), позволяющих перейти от творчества по
методу «проб и ошибок. к более упорядоченному процессу
поисковоrо проектирования.
Метод «проб и ошибок. основывается на знаниях и лич
ном опыте конструктора, ero интуиции, воображении, фан
тазии, изобретательности. Решение задачи заключается при
этом в поиске и переборе вариантов, их анализе и оценке с
позиции отыскания оптимальноrо решения.
Э(рфективность этоrо процесс а повышается с помощью
приемов, которые пробуждают потенциальные творческие
возможности конструктора, активизируют ero ассоциатив
ное мышление, систематизируют процесс поиска аналоrий и
критериев оценки идей.
Сиllектический прием (метод) направляет спонтанную
деятельность мозrа и нервной системы конструктора в pyc
ло упорядоченнрrо процесса, заключающеrося в описании
проблемы, определении цели, поиске аналоrий (в данной и
друrих областях техники природе), выработке новых идей
на базе аналоrий, разработке и анализе возможноrо решения
поставленной задачи.
Морфолоzuческuй метод rеверирования идей заключа
ется в комбинаторике альтернативных вариантов решений
с учетом весовых коэ(рфициентов показателей качества (Ha
пример, точности, надежности, технолоrичности, стоимо
сти, массы, безопасности, производительности, KOHKypeH
тоспособности и т. п.), представляемых в виде матрицы или
таблицы [1.9,1.15,1.17].
Наиболее известным методом rенерирования идей кол
лективом разработчиков является мозzовой штурм (M03Z0
вая атака). Суть ero в том, что проблема решается в про
цессе свободноrо высказывания как можно большеrо числа
101
идей участниками творческой rруппы в процессе встречи
(ceaнca) подrотовленной и проводимой по специальным
правилам.
Практически метод реализуется в три этапа: подrотовка,
проведение и оценка.
Подzотовка заключается в q)ормулировке проблемы (цe
лей и условий), а также в формировании творческой rруппы.
fруппа состоит обычно из 5 1 О человек, в которую включа
ЮТ не только конструкторов (ядро rруппы), но и друrих спе
циалистов (технолоrов, менеджеров, психолоrов, рабочих,
библиотекарей, техников), привлекаемых временно. rлубо
кие профессиональные знания от всех участников не требу
ются, rлавное, чтобы было больше ориrинально мыслящих
людей.
Проведенuе осуществляется под руководством ведущеrо,
направляющеrо обсуждение в русло выработки как можно
большеrо числа разнообразных (q)антастических) идей, их
развития, дополнения, комбинирования и сочетания в CBO
бодной И непринужденной атмосфере.
Критика идей, скептицизм, требования их объяснений
или подтверждений на этом этапе cTporo запрещены.
Оценка высказанных идей ВПрОБОДИТСЯ после встреч. Они
систематизируются, ранжируются, развиваются, явно пло
хие отбрасываются. Результаты оценки, как правило, об
суждаются с участниками встреч.
Практика использования метода мозrовоrо штурма для pe
шения разнообразных проектных задач показывает, что в про
цессе ero проведения стимулируются возможности подсозна
ния JПOдей, возникает «цепная реакция идей , приводящая к
ин:теллектуальному взрыву и появлению новых решений.
Модификациями метода мозrовоrо штурма являются [1.3]:
«Метод 635 , rде участники обсуждения (шесть человек)
развивают идеи, представляемые друr друrу в письменном
виде (по три предложения), а также «Дельфийский Meтoд ,
rде используется письменный опрос мнений экспертов раз
личных специальностей по рассматриваемой проблеме или
частной задаче.
После отыскания идей по концепции прибора и ero q)YHK
циональных устройств разрабатывают структуру прибора,
устанавливают масштаб и общую функцию преобразования
сиrнала (информации) прибором, распределяют функцию
преобразования между структурными устройствами и опре
деля ют схемные конструктивные параметры.
102
Одним из первых и важнейших аспектов перечисленных
проектных процедур является составление общей функции
преобразования сиrнала или, иначе, закона функциониро"
ванин прибора. Для этоrо разрабатывается функциональная
схема прибора, позволяющая пояснить принцип (конце-п"
цию) функционирования, состав структурных (РУНК:Ц:И:О"
нальных устройств" участвующих в преобразовании си:rна..
ла, ввести схемные конструктивные параметры и определить
общий закон функционирования.
Закон q)ункционирования связывает и Hq)орма тивный па..
раметр выходноrо сиrнала прибора у (см. рис. 1.2) со cxeMHЫ
ми конструктивными параметрами ero элементов q, участвую
щими в преобразовании информативноrо параметра входноrо
сиrнала х: у == f(x, q). Этот закон позволяет определить числен..
ные значения конструктивных параметров структурных эле..
ментов (т. е. осуществить параметрический синтез прибора).
Для вывода общеrо закона функционирования прибора
или сложноrо функциональноrо устройства необход.ИМО вы..
явить ero элементарные преобразователи, ДЛЯ которых их
законы функционирования, как правило, известны либо вы..
водятся аналитически на основе их свойств, физических за..
конов и т. п.
Например, если элементарным преобразователем сиrнала
является качающееся плоское зеркало (рис. 2.13, а), на ко..
торое падает луч АО, то на основании закона отражения еве..
та (уrлы падения 0)1, 0)2 И отражения (01" 0)2' равны и лежат
по р зные стороны от нормалей к поверхности N 1, N 2) мож
но связать yrол отклонения у отраженноrо луча от первона
чальноrо положения ОА' к новому направлению ОА" с уrлом
поворота зеркала х зависимостью у == 2х.
а)
х
б)
F'
'-- у
:::: =: А
{'
Рис. 2.13. Преобразование nуч"а лучей nлос"им зер"алом и объе"тивом
103
Смещение у точки изображения в фокальной плоскости
объектива (рис. 2.13, б) телескопической системы из q)OKY
са F' в новое положение А при отклОнении паДaIOщеrо пучка
лучей на уrол х от первоначальноrо направления находится
из треуrольника ОАР' , построенноrо на основе законов reo
метрической оптики (лучи параллельноrо пучка собирают
ся в фокальной плоскости, луч, проходящий через узловую
точку О, не изменяет своеrо'направления): у == f'tgx.
3аконфункционирования зубчатой передачи (рис. 2.14, а),
состоящей из ведущеrо 1 и ведомоrо 2 зубчатых колес, BЫ
водится на основании известноrо свойства эвольвентноrо
зацепления: зубчатые колеса перекатываются своими Ha
чальными окружностями дрyr по друrу без скольжения. Сле"
довательно, Дyrа Раначальной окружности ведущеrо колеса
равна дyrе Р а' ведомоrо колеса, т. е. xrl == yr2, rде х, у
yrлы поворота ведущеrо и ведомоrо колес; rl, r2 радиусы
начальных окружностей колес.
Так как для некорреrированных и некоторых корреrиро
ванных зацеплений начальные и делительные окружности
совпадают, а радиус делительной окружности rd == тz/2 (rде
т модуль зацепления, z число зубьев), то можно запи
сать закон передачи движения от ведущеrо к ведомому коле
су в следующем виде:
Zl
У == Z2 X .
Закон преобразования движения винтовыми механизма
ми (рис. 2.14, б) выводится исходя из известноrо свойства
винтовоrо соединения: при повороте винта на один оборот
(2п) в rайке он перемещается вдоль оси на значение хода
а)
б)
х)
.JL..
А
kp
в)
О
х D В
-тс
Рис. 2.14. Преобрааование движения зубчатым и BиHтOBbtM механизмами
104
(произведение шarа р винтовой линии на число заходов k
резьбы kp. Из подобия треуrольников (рис. 2.14, в) ОАВ и
OCD можно записать отноmение перемещения у винта (или
rайки) при повороте ero на некоторый уrол х в следующем
виде:
kp
у == 2п Х .
В некоторых случаях закон функционирования элемен
TapHoro преобразователя выводится более сложным обра
зом. На рис. 2.15 изображен кривошипно кулисный Mexa
низм с кривошипом длиной R и расстоянием между опорами
вращения А.
Чтобы связать уrол поворота кривошипа х с уrлом каче
ния кулисы у, необходимо ввести систему координат UОУ и
спроектировать звенья замкнутоrо треуrольника ОАВ на оси
и и V, сумма которых, как известно, равна нулю:
LП рV == R cos х + АВ cos у А == о;
LП рU == Rsinx ABsiny == о.
Выразив из этих уравнений siny и cosy, а затем поделив одно
выражение на дрyrое, получим (сократив неизвестноеАВ)
t Rsinx t [ Rsinx J
g у == А R cos х · откуда у == атс g LA R cos х)'
В приложении П1 представлены законы <l)ункционирова
ния некоторых элементарных преобразователей, ИСПОJIЬЗУ
емых в конструкциях точных оптических и механических
приборов [1.6, 1.9, 1.17].
Выведем в качестве примера закон функционирования про
cToro оптико",механическоrо автоколлиматора и определим
значения ero конструктив
:ныIx параметров (рис. 2.16).
Функциональная схема
автоколлиматора содержит
следующие элементы: aBTO и
коллимационное зеркало 1,
объектив 2, светоделитель
ную призму ку6 3,марку 4,
конденсор 5, источник CBe
та 6, подвижную сетку 7,
точную шкалу 8, винтовой
А
Рис. 2.15. Крuвошиnно кулисный
механuзм
105
\
1 О (n l ) 11 (' ОК)
1
8 (n т )
Рис. 2.164 Фун"циональная схема авто"оллимап ора
механизм 9, сетку с rрубой шкалой 1 О, окуляр 11 , пружину
12.
Ав околлиматор работает следующим образом. Подсвечен
ная источником света и конденсором марка 4 проецируется
призмой кубом и объективом в бесконечность. Отраженный
пучок света от зеркала 1 собирается объективом в плоскости
подвижной сетки, rде строится автоколлимационное изобра
жение марки, наблюдаемое оператором через окуляр.
При повороте зеркала на искомый уrол у изображение
марки смещается на величину l от первоначальноrо поло
жения. Оператор, вращая шкалу 8, перемещает с помощью
винтовоrо механизма сетку 7 до совмещения ее с маркой и
снимает отсчет по точной и rрубой шкалам. Элементарными
преобразователями здесь являются:
1) зеркало 1 с законом преобразования f3 == 2у;
2) объектив с функцией l == {' tg В; k
3) винтовой механизм с законом движения l == 2 X;
4) шкальное отсчетное устройство с функцией преобра
2п
зования х == n,
n т
106
rде n т число делений точной шкалы, n число делений
(отсчет), устанавливаемый на шкале.
Применив последовательно законы элементарных преоб
разователей, получаем искомый закон q)ункционирования
автоколлиматора:
1 1 l 1 kp 1 kpn
У == 2 == 2 arctg 7' == 2 arctg {' 2п х == 2 arctg {' п т == А,.п,
rдеА т переменная цена деления точной шкалы.
Максимальное число делений определяется из выражения
Утах
птах == А == п т п r ,
т
rде Утах максимальный измеряемый yrол поворота зерка
ла; п r число делений сетки с rрубой шкалой.
В связи с тем что yrол поворота у зеркала, как правило,.
мал (не превосходит нескольких десятков yrловых минут),
то закон (рункционирования линеаризуют. Это позволяет
выполнить шкалу автокаллиматора линейной (с постоянной
ценой деленияА т ) и упростить юстировку нулевоrо отсчета:
1 kp 1 kpn
Уп == 2 {'2тt X == 2 {'п т ==Атп. (2.1)
Определим теперь схемные конструктивные параметры.
При этом необходимо исходить из:
· требований техническоrо задания (ТЗ) к показателям
назначения (диапазону измерений, точности, rабаритным
размерам, массе...) автоколлиматора;
· требований к надежности и технолоrичности ero KOH
струкции;
· условий эксплуатации;
· учета требований и рекомендаций rOCT, нормалей, ИН
струкций к характеристикам и параметрам (размерам, фор
ме и т. п.) элементов;
· конструктивной преемственности (унификации);
· учета показателей эрrономики и эстетики.
Допустим, что в ТЗ на автоколлиматор указано что ОН
должен производить измерения yrлов поворота зеркала в
диапазоне у == + 20' с предельной поrрешностью (точностью)
I1Yvd < 5".
Эксплуатация осуществляется в лабораторных условиях
при отклонении температуры от номинальной на + 5 ОС. rаба
ритные размеры автоколлиматора не более 400хl00хl00 мм.
107
Увеличение зрительной трубы не менее 10 Х , удаление зер
кала от объектива не более 200 мм.
Параметрический синтез начнем с параметров, входящих
в выражение (2.1), определение значений которых менее
мноrофакторная задача.
Выбираем число заходов k резьбы винта, равное 1
(т. е. k == 1), исходя из Toro, что однозаходная резьба являет
ся более точной, чем мноrозаходная.
Задаем шar резьбы р, выбранный из нормализованноrо
ряда (0,5 мм, 0,75 мм, 1 мм), равный 1 мм (т. е. р == 1 мм), что
отвечает рекомендациям преемственности для конструкций
унифицированных окулярных микрометров, технолоrично
сти и необходимой чувствительности движения.
Выбираем цену деления точной шкалы А т == 5" исходя из
эрrономических рекомендаций выбора цены делений отсчет
ных шкал из ряда 1.10 n , 2.10 n , 5.10n, rде п ноль или целое
положительное или отрицательное число, а также исходя из
необходимой точности работы автоколлиматора (А,. не долж
но быть MHoro больше или MHoro меньше I1Yvd).
Находим максимальное число делений шкалы:
Утп + 20'
Птах == А == 5'" == + 240 делении.
т
Определяем число делений точной и rрубой шкал исходя
из rабаритных размеров, эрrономики и эстетики KOHCTPYK
ции. Все 480 делений невозможно нанести только на бара
бане точной шкалы. Так как Птах == n т n r , то наиболее опти"
мальным вариантом будет n т == 60, n r == + 4. В этом случае
цена деления rрубой шкалы Ar == 20'/4 == 5'. Максимальное
значение уrла поворота шкалы х == + 41t.
Так как условия работы автоколлиматора лабораторные,
то расстояние между делениями точной шкалы d можно
выбрать в диапазоне от 1 до 1,5 мм. При 1,5 мм диаметр
шкалы
D == 60.1,5 == 28 6
ш 7t ' мм.
Из выражения (2.1) определяем последний искомый
конструктивный параметр, входящий в закон функцио
нирования:
kpn 1 1.240
" == 2уn т 2 20'.2,9.10 4.60 ::= 343,6 ММ.
108
Так как у:ееличение трубы должно быть не менее 1 ОХ, то
фокусное расстояние окуляра
{ ' {'об 34 3 (r 250 '"w 7 Х )
OK 10Х ; мм OK { ' '"W ·
, ок
Данные конструктивные параметры объектива и окуля
ра позволяют вписаться в требуемые rабаритные размеры
автоколлиматора (при необходимости сокращения rаба
ритных размеров можно использовать телеобъектив либо
скомпоновать ристему с помощью зеркально призменных
элементов) .
Конструктивные параметры, не входящие в закон функ
ционирования, определяются при дальнейшем синтезе KOH
струкции.
Например, световой диаметр объектива рассчитывается
исходя из необходимой разрешающей способности, светоси
лы и удаления автоколлимационноrо зеркала (виньетирова
ния пучка лучей), сжатие пружины и развиваемое ею уси
лие исходя из диапазона перемещения подвижной сетки,
ее массы и сил трения в направляющих движения.
В целом параметрический синтез является мноrофактор
ной задачей. Полнота учета факторов и оптимальное разре"
тение противоречий между ними существенно влияют на
качество прибора.
2.4. РАЗБОРКА И УТИЛИЗАЦИЯ ИЗДЕJШЙ
Все изделия рано или поздно перестают использоваться
по прямому назначению. Это происходит вследствие: поте
ри изделием работоспособности при выработке техническоrо
ресурса, коrда невозможны ero дальнейшая эксплуатация и
восстановление после отказа;. нецелесообразности BOCCTaHOB
ления по экономическим соображениям, соображениям тех"
ники безопасности; невозможности обеспечения требуемых '
показателей. Дрyrой причиной является то, что приборы и
машины морально устаревают. Они сохраняют свою рабо
тоспособность, но существенно уступают по своим xapaк
теристикам, в первую очередь, по показателям назначения
(:количество выполняемых функций, производительность,
точность, быстродействие, сервис, rабаритныIe размеры), а
также дизайну новым и модифицированным приборам и ма
шин подобноrо назначения.
109
Например, новое поколение IBM совместимых пере о..
нальных компьютеров, телевизоров, бытовой техники вы..
тесняет из употребления работоспоеобные, но более старые
модели.
Из оптических приборов можно назвать универсальный
измерительный микроскоп УИМ..29 (ДИП..2), который,
блarодаря фотоэлектрической системе отсчета координат
и наличию РС в ero составе, позволил в 3 4 раза повысить
производительность измерений и сутцественно уменыпить
количество деталей OCHoBHoro производства [1.1 7] по сравне"
нию с ero старой моделью УИМ..23.
Автоматизированный сферометр И3С..12, конструкция
KOToporo показана на рис. 2.5, позволяет не только повысить
производительность измерений радиусов кривизны стекол,
но и в несколько раз повысить точность измерений [1.26] по
сравнению с e o оптико"механической моделью И3С"7.
Поэтому возникает пробле а утилизации изделий. Ути"
лизация (лат. utilis полезный) обуславливает такую пере"
работку изделия, которая должна принести пользу владель"
цу изделия, ero производителю, обществу в целом блаrодаря
экономии природных ресурсов, улучшению эколоrии.
3атраты на демонтаж изделия, транспортировку элемен..
тов, переработку материалов окупаются при рациональной
подrотовке утилизации. Более эффективно ее можно осу"
ществлять в том случае, коrда о ней думают уже на стадии
проектирования. Важнейшими вопросами, которые необхо"
димо при этом решать, являются:
· определение места утилизации (на q)ирме производите"
ля изделия, q)ирме потребителя, фирме, занимающейся ути"
лизацией);
· определение оптимальной rлубины демонтажа устрой"
ства (на arperaTbl, модули, (рункциональные устройства,
узлы, детали);
· определение частей и элементов устройства, которьtе
MorYT быть использованы повторно, материалы которых мо"
rYT быть переработаны, а также которые не подлежат утили"
зации;
· разработка конструкции, рациональной с позиции раз"
борки;
· выбор материалов, подверженных утилизации, а так..
же наносящих наименьший вред окружающей среде при не..
возможности утилизации;
110
..
Свалка (хранилиlце) ..---------------- --------
I
отходов I
I
I
I
Природные Тазы Сожжение I
...
ресурсы ...
l
Произ Проuзвод Произ Эксnлуа Отрабо
водство ..... ство r+ водство ......... Пl,ация ........ Пl,анные
сырья Maтepиa приборов приборов приборы
,. лов
t .. t t 1
I I I
Функцио- Демон-
П ерера- П OBnl,0pHOe Ремонт нальные
.... устрой- таж
ботка исnользова приборов
ние ства, узлы, (разборка) ...'
детали
t t I
Рис. 2.17. Блок-схема УПl,илизации изделий
· разработка инструкции по демонтажу и утилизации
изделия.
Естественно, что более подробно вопросы утилизации pe
шаются для сложных изделий, которые производятся Macco
во или крупными сериями (телеq)онные аппараты и друrие
средства связи, компьютеры, аудиотехника, множительная
техника и т. п.). В этом случае орrанизовать централизован
ную утилизацию леrче, и она является более полной и эконо
мически э(рфективной.
Точные приборы и машины производятся не такими боль
шими сериями и не так быстро обновляются, как ynомяну
тые выше, однако мноrие фирмы, производящие прецизи
онную технику, а также уНиверситеты весьма плодотворно
работают над теоретическими и практическими вопросами
утилизации [1.30].
На рис. 2.17 показана блок схема, которая иллюстрирует
возможную участь отработавших приборов и соответствует
концепции, изложенной в работе [1.30]. Нежелательными
вариантами являются сожжение и захоронение приборов на
свалке отходов, так как это приводит к уничтожению pecyp
сов, захламлению и зarрязнению окружающей среды. Раз
борка прибора с последующей сортировкой на элементы, KO
торые MorYT быть использованы для ремонта действующих
111
экземпляров, для повторноrо использования (после необхо
димой подrотовки) в изrотавливаемых приборах, а также
переработки для производства материалов и сырья пред
почтительный вариант.
Список литературы
1.1. Хилл п. Наука и искусство проектирования. М.: Мир, 1973.
262 с.
1.2. Уайлд д. Оптимальное проектирование. М.: Мир, 1981.
272 с.
1.3. Краузе В. Конструирование приборов. В 2 x ч. М.: Машино
строение, 1987. ч. 1. 384 с.; Ч.2. 376 с.
1.4. Дитрих я. Проектирование и конструирование. Системный под"
ход. М.: Мир, 1981. 454 с.
1.5. ТаленсЯ.Ф. Работа конструктора. л.: Машиностроение, 1987.
256 с.
1.6. Проектирование оптико"электронных приборов / Под ред.
ю. r. Якушенкова. М.:Лоrос,2000. 488с.
1.7. Моляко В. А. Психолоrия конструкторской деятельности. М.:
Машиностроение, 1983. 134 с.
1.8. Справочник конструктора оптико"механических приборов / Под
ред. В. А. Па н ова л.: Машиностроение, 1980. 742 с.
1.9. Кулаrин В. В. Основы конструирования оптических приборов.
л.: Машиностроение, 1982. 312 с.
1.10. Плотников В. С., Варфоломеев д. Н., Пустовалов В. Е. Расчет и
конструирование оптико"механических приборов. М.: Машинострое"
ние, 1983. 256 с.
1.11. Цуккерман с. Т. Точные механизмы. М.: Оборонrиз, 1941.
304 с.
1.12. Половинкин А. Н. Основы инженерноrо творчества. М.: Ма"
шиностроение, 1988. 362 с.
1.13. Джонс Дж. К. Методы проектирования. Пер. с анrл. 2 e изд.
М.: Мир, 1986. 326 с.
1.14. Алътmуллер r. с. Творчество как точная наука М.: Радио.
1979. 176 с.
1.15. Алътmуллер r. с. Найти идею. Введение в теорию изобретатель..
ских задач. 2"е изд. Новосибирск: Наука, 1991. 225 с.
1.16. Справочник технолоrа оптика / Под ред. М. А. Окатова.
СПб, Политехника, 2004. 679 с.
1.17. Латыев с. М. ICомпесация поrрешностей в оптических приборах.
л.: Машиностроение, 1985. 248 с.
1.18. rаврилов А. Н. Основы технолоrии приборостроения. М.:
Быст. шк., 1976. 328 с.
1.19. Митрофанов с. п. rрупповая технолоrия маmиностроительноrо
производства. В 2 x т. 3 e изд. л.: Машиностроение, 1983. Т. 1.
407 с.; Т. 2. 376 с.
1.20. Поrарев r. В. IOcтировка оптических приборов. л.: Машино
строение, 1982. 238 с.
1.21. Ehrlenspiel К., Kiewert А, Lindenmann U. Kostengiinstig Entwic..
keln und Konstruiren / / Springer"Verlag. 1998.
1.22. Справочник конструктора точноrо приборостроения / Под ред.
К. Н. Я вл е н с к о r о. л.: Машиностроение, 1989. 792 с.
112
1.23. rибкие производственные системы сборки / Под. ред. А. и. Фе
Д о т о в а. л.: Машиностроение, 1989. 359 с.
1.24. Programmable Assembly / / Edited Ьу Professor
w. В. Heginbot]lam. Berlin, Heidelberg, Springer Verlag, 1984.
1.25. Дич л. 3., Латы ев с. М. О поrрешности Аббе в преобразователях
линейных перемещений на дифракционных решетках. В сб.: Оптик.
электрон. методы и средства в контрол. измер. технике. М.: МДНТП,
1991. С. 24 30.
1.26. Latyew s. М., RU:kawitzin N. N., Ditsch L. S. Еrhбhllng der Qllalitat
vonMeBgeraten dllrch rechnerische korrekturder Fehler / / Feingeratetechnik.
1988. N 10. S. 448 450.
1.27. Beyer Н., Riesenberg Н. Handbuch der Mikroskopie VEB Verlag Te
hnik. Berlin, 1987. 488 s.
1.28. Зверев В. А., Раrузив Р. М. Унификация и аrреrатирование в
оптическом приборостроении / / Оптик. мех. пром стъ. 1979. М 2.
1.29. Видеоспектрометрические комплексы космическоrо базирова
ния для исследования Земли и планет Солнечной системы / к. н. ч и
к о в, В. Н. К р а с а в Ц е в, А. М. С а н Д а к о в, В. В. r у д / / Оптич.
журн. 1995. М 8.
1.30. Krause W., Rohrs G. Recycling Herallsforderllng fiir die Konstrt1k
tion. 38 IWK. TU Ilmenau, Tagt1ngsband. 1993.
Ч а с т ь 11
основыI ТЕОРИИ ТОЧНОСТИ ПРИБОРОВ
И ЭЛЕМЕНТОВ
Введение
Точность и надежность приборов и их составных частей
являются одними из основных показателей качества изде
лий приборо и машиностроения. Показатели точности и Ha
дежности изделия закладываются во время ero проектирова
ния (конструирования) и обеспечиваются при изrотовлении
и эксплуатации.
Поэтому на всех этапах проектно конструкторской дея
тельности, от поиска идей и физических эффектов, которые
будут положены в основу изделия, до выпуска рабочих черте
жей ero деталей и разработки инструкций по эксплуатации,
поверке и ремонту, необходимо учитывать факторы, влияю
щие на эти показатели, и знать методы их оценки (расчета).
Точность отражает степень приближения действитель
ных характеристик функционирования (свойств) и параме
тров изделия к их номинальному значению.
Теория точности содержит учение о методах синтеза и
анализа точности изделий и их элементов в связи с наличи
ем допущений и поrрешностей при проектировании, изrо
товлении и эксплуатации.
rлавными задачами точностноzо синтеза являются
оптимизация принципа q)ункционирования, схем, KOHCTPYK
ций и конструктивных параметров, а также расчет допусков
на элементы приб9ра, исходя из требований техническоrо
задания (ТЗ) к ero точности с учетом условий эксплуатации
(влияющих факторов), условий производства, стоимости,
требований соответствующих rOCTOB и т. п.
Задачи точностноzо анализа заключаются в определе
нии (расчете) количественных оценок (показателей) точ
ности прибора при выбранных на предшествующих этапах
проектирования принципе (рункционирования прибора, ero
схемах, конструктивных параметрах, допусках на элементы
и с учетом известных влияющих факторов.
Теории точности приборов и их основных частей, а TaK
же исследованию отдельных вопросов точности посвящено
rромадное количество отечественных и зарубежных публи
114
каций. Из за.оrраниченных рамок учебноrо пособия назовем
лишь некоторые.
Основоположниками теории точности в нашей стране яв
ляются Н. r. Бруевич и Н. А. Бородачев, работы которых
[11.1 11.5] по линейной и нелинейной теории и методам pac
чета точности механизмов, устройств, размерных и кинема
тических цепей, а также по исследованию точности (поrреm
ностей) производства стали уже классикой.
Наиболее мноrочисленна литература по оценке поrрешно
стей измерени и теории точности измерительных приборов
и устройств [11.6 II.ll]. Расчету допусков размеров, точности
размерных, кинематических и электрических цепей, механиз
мов посвящен ряд rOCTOB, моноrрафий и справочников [11.12
11.1 7]. Основы теории и расчет точности оптических приборов,
их устройств И элементов, методы повышения точности и KOM
пенсации поrрешностей изложены в работах [11.18 11.24].
Ссылки на некоторые ориrинальные источники будут
приведены в учебном пособии при рассмотрении KOHKpeT
ных вопросов теории точности.
Несмотря на мноrочисленность исследований и публика
ций в данной области (а возможно, блаrодаря этому), в Ha
стоящее время нет единства в системе основных понятий,
определений, классификаций задач по расчету точности и
методов их решения [11.17]. Это обстоятельство затрудняет
взаимопроникновение идей и методов решения задач теории
точности в различные области техники, а также ее изучение
и подrотовку специалистов.
Надежность отражает свойство изделия выполнять за
данные функции, сохраняя свои эксплуатационные показа
тели в заданных пределах в течение требуемоrо промежутка
времени или требуемой наработки.
Основам теории надежности приборов и устройств, oco
бенно автоматики, радиоэлектроники, вычислительной и
телевизионной техники, электротехники, посвящено MHoro
работ, например [II.25 II.32]. В то же время фундаменталь
ные исследования по надежности оптических приборов фак
тически отсутствуют [11.33].
Поэтому понятия и некоторые положения надежности,
рекомендации по ее повышению иллюстрируются в учебном
пособии преимущественно на примерах конструкций опти
ческих приборов.
Понятия «точность И «надежность для прецизионных
приборов тесно связаны, так как и надежность, и точность
115
зависят от структуры приборов, конструкций, дефектов и
поrреmностей изrотовления, воздействия влияющих (paкTO
ров. Существует также понятие тО1&ностная надежность
свойство изделия сохранять показатели точности в течение
необходимоrо промежутка времени или наработки.
Вопросы точности имеют чрезвычайно важное значение
именно для оптических приборов, так как (рактически ни
один из них не обходится без юстировки, основанной на
устранении или компенсации поrреmностей в процессе
(или после) их сборки [11.19, 11.34, 11.35]. Доказательство
необходимости юстировки узлов или Bcero прибора в целом
для достижения тех или иных показателей качества, опре
деление требований к юстировке и разработка методики ее
выполнения должны основываться на математических MO
делях, связывающих показатели качества и поrреmности
устройств (с учетом вида и характеристик этих поrреmно
стей).
В данном разделе учебноrо пособия излаrаются основы
теории точности приборов, содержащей понятия и опре
деления, классиq)икацию поrреmностей, обзор способов
нахождения передаточных функций, методы анализа и
синтеза точности, которые рассматриваются с позиций
обобщения накопленноrо опыта и исследований автора в
данной области.
Конструкторы (разработчики), а также специалисты,
эксплуатирующие точные приборы, занимающиеся их про-
изводством, менеджментом и маркетинrом, должны обла
дать соответствующей подrотовкой и квалификацией в об
ласти основ теории точности и надежности приборов и их
элементов.
rлава 3
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТОЧНОСТИ ПРИБОРОВ
И ЭЛЕМЕНТОВ
Точность функционирования, как было упомянуто
выше, является одной из основных характеристик каче
ства любоrо точноrо прибора, в том числе и оп:rическоrо
(ОП). Обеспечение требуемой точности проектируемоrо
прибора требует от конструктора знания источников по
rреmностей работы ОП, умения определять их влияние на
116
точность, навыков расчета точности прибора и ero функци
ональных устройств.
От Toro, насколько правильно будут решены вопросы
выявления и учета поrреmностей, назначения допусков,
зависят показатели качества изображения, создаваемоrо
оптической системой прибора, ero технолоrичность и Ha
дежность.
3.1 t РАЗНОВИДНОСТИ поrРЕШНОСТЕЙ,
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Оптический прибор предназначен для преобразования
инq)ормации от объекта измерения, управления или наблю
дения (обнаружения) в целях получения данных о ero reo
метрических параметрах, пространственном положении,
энерrетическом состоянии и друrих физических величинах,
отражающих в количественном и качественном соотноюе
ниях искомые свойства и состояния объекта.
В обобщенном случае схему функционирования ОП мож
но представить в виде, показанном на рис. 3.1, rде XOi, Xi'
Yi i e инq)ормативные параметры объекта, входноrо и BЫ
ходноrо сиrналов соответственно; qi i..й схемный (KOH
структивный) параметр прибора; fi функция, связываю
щая Xi и Yi; ФУ1' ФУ2' ..., фуn функциональные устройства
прибора; q'j влияющие факторы; f'i функция, связыва..
ющая Yi с XOi.
Процесс функционирования ОП, как, впрочем, и каждоrо
прибора, сопровождается поrрешностями (потерей инфор
I
I
! XOt
L
...
I
I
I
I
I
I
: xOi == {'i(Yi) I
'
ХЁ
ФУl
q'j V
- ! с
ФУ2 --
.... ....... ... ..
Yt
q'j I
3
{t:l
q'j 1
1
УЁ == fi( Х Ё , qд
Рис. 3.1. Схема фун"ционирования оnтичес1СОZО прибора:
1 OO?JeKm наблюдения; 2 оптический прибор; 3 оператор (ycтpoй
ство управления, реzулирования)
117
мации), которые характеризуют точность результата <l)YHK
ционирования, т. е. точность измерения, управления или об
наружения, осуществляемоrо прибором.
В общем случае поrреmность результата функциониро
вания прибора обусловлена потерей ин(рормации, возника
ющей до преобразования входноrо сиrнала в приборе, непо
средственно в процессе преобразования и при реrистрации
(обработке) результатов.
поrРЕШНОСТИ ТОЧНЫХ
(ОПТИЧЕСКИХ)ПРИБОРОВ
I
МЕТОДИЧЕСКИЕ
I
Доnущепия:
. в м-етоде фун циониро
вания;
· в Оnl,ношении обое та;
. в отношении сиzнала;
. в Оnl,ношении анала.
Нз-за дисхретnости:
. иам-ерений;
. /СваНnl,ования.
Поzрешн,ости pezucmpa-
ции:
. наведения;
. считывания; .
. настрой/Си и вывер/Си;
. обработ/Си реЗУЛЬnl,аnl,ов.
I
1-------
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ
Теоретичесхие:
. допущения в фун ции nреобразова
ния сиzнал.а;
· о/Сруzления параметров;
. /СонстрУ"nl,ивные допущения.
т ехполоzи чесхие:
· от/Слонения xapa/Cnl,epucmu"
маnl,ериалов;
· nЬzрешности размеров;
· nоzрешности формы;
· nоереШНОСnl,и расположения дeтa
лей при иЗZОnl,овлении и сбор/Се;
· nоzреШНОСnl,и параметров и xapa/C
nl,epucnl,U" nо/Суnных элем-ентов и
УСnl,ройств.
Эхсnлуатациоппые:
· изм-енения xapa тepиcти/C Maтe
риалов;
· изменение разм-еров;
· изм-енение форм-ы;
· изм-енение расположения деталей,
изменение пapaMenl,poe и xapa/Cтepи
сти" элем-еНnl,ов и устройств из за
наzрузо/С, сил трения, от"лонения
тем-nературы, излучения, MaZHum
ных полей, llеСnl,абильностu исn'/,оч
ни"ов питания.
Рис. 3.2. П оzреШНОСnl,и оnтичес/Сих приборов
118
Поrрешности из..за потери информации до преобразова"
ния ее в приборе, а также при реrистрации и обработке, на..
зывают обычно методическими поrрешностями.
Поrрешности, обусловленные потерей ин(l)оРмации в
оптических, механических, электронных и друrих Ф"У при"
бора, осуществляющих преобразование инс]}ормативноrо
параметра входноrо сиrнала в инq)ормативный параметр вы..
ходноrо сиrнала, называют инструментальными (аппара"
турными, приборными).
Основные причины и источники методических и инстру"
ментальных поrрешностей представлены на рис. 3.2.
3.1.1. МЕТОДИЧЕСКИЕ поrРЕШНОСТИ
Методические поrрешности обусловлены ошибочностью
или недостаточностью разработки принятой теории метода
функционирования прибора в целом, допущениями вотно..
шении объекта, сиrнала или канала прохождения сиrнала,
неправильной ориентировкой прибора относительно объек"
та, дискретностью представления информации и т. п.
Методические поrрешности, связанные с допущениями,
особенно характерны для измерительных приборов, прин"
цип действия которых основан на косвенных методах изме..
рения.
Например, в функции, заложенной в основу работы
импульсных светодальномеров (рис. 3.3), D == ctj2n [rде
D дистанция до объекта; с скорость света в вакууме;
t время прохождения излучения до объекта и обратно (из
меряемыu параметр); n показатель преломления среды],
предполarается, что показатель преломления среды на трас"
D
(п)
МJ
Dah
Светодальномер
Рис. 3.3. Схема работы светодальномера
119
се измерения постоянен и равен неко"
торому конкретному значению.
При реальных измерениях значе..
ние этоrо параметра известно только
приблизительно, к тому же он изме..
няется на различных участках трассы,
что приводит к методической поrреш"
ности измерения дистанции:
МJ An == C Aп == )Aп. (3.1)
К методическим поrрешностям из..
мерения дистанции будут относиться
также поrрешности, обусловленные
наклоном y и неровностями (шероховатостью) h формы
поверхности объекта.
Простым, но весьма Har лядным примером возникновения
методических поrреmностей может служить поrрешность,
возникающая в измерительной схеме контроля диаметров
d цилиндров 3 в призматической опоре 2 с помощью инди"
катара часовоrо типа 1 (рис. 3.4). Отклонение диаметров d
от номинальноrо значения контролируется относительным
способом по отклонению стрелки индикатора от нулевоrо
значения, HacTpoeHHoro по эталонному цилиндру. Однако
из..за базирования контролируемых цилиндров в призме воз..
никает методическая поrреIПНОСТЬ измерения отклонения
диаметров:
J3 '\
Ри с. 3.4. И змериnl,ель-
ная схема оftтроля ци-
л-индров
1 ) !1d
Ad p == l sin t j 1 2"'
rде р уrол призмы.
Если, кроме Toro, и температура контролируемо"
ro цилиндра отличается от номинальноrо значения
(ТО == 20 ОС) на некоторую величину T, то дополнительно
возникает методическая поrреmность измерения из.. за изме..
нения температуры:
Аd ш == .1 (r3) + O'5 ) da Т,
l2SШ2"
120
(3.2)
\
\
2
ыl
<1
.............
.. .. .. ..
,
1 r 1
н
Рефра"ция
Рис. 3.5. Схема работы нивелира
rде а коэффициент линейноrо расширения материала ци"
линдра.
В том случае, коrда в основу функционирования прибо"
ра, например нивелира 1 (рис. 3.5), положено допущение о
прямолинейном распространении пучка лучей от прибора до
объекта (рейки 2), к методической поrрешности следует от"
нести поrрешность m измерения высоты из за рефракции
воздушных слоев, приводящих к искривлению линии визи..
рования.
Друrими причинами, при водящими к возникновению
методической поrрешности оптическоrо прибора, являются
квантование сuzнала и дискретность uзмеренuй.
На рис. 3.6, а изображен rрафик поrрешности от MepTBoro
хода червячной передачи (рис. 3.6, б), измеренной с помо"
щью оптическоrо кинематомера через один rрадус поворота
у ведомоrо звена (примерно две точки контроля на зуб ведо"
Moro колеса). Если такую передачу контролировать в оrрани
ченном числе точек (дискретно), например в четырех"пяти,
как это иноrда делается на практике, то может возникнуть
большая методическая поrрешность, представляющая собой
разность между истинным L\llи тах 1 И полученным при такой
дискретности измерений L\f.lo тах значениями максимальной
поrрешности:
L\f.lM == f.lи тах L\f.lo тах.
(3.3)
Рассмотрим методическую поrрешность, вызванную
квантованием аналоrовоrо сиrнала для цифровоrо ero пред
lистинное значение измеряемой величины известно всеrда только
приблизительно. В данном примере в качестве истинноrо значения мак..
симальной поrрешности от MepTBoro хода принято значение, полученное
при контроле передачи через один rpaдyc.
121
а)
ДJ.!
б)
4'
::t
<]
. . . . .
о
Е:
....
:r
<:]
Точ"и "онтроля / 3600 У
Рис. 3.6. rрафu" Mepп вoeo хода (а) червячной передачи (б)
ставления, на примере работы q)отоэлектрическоrо датчика
линейных перемещений (рис. 3.7, а). При перемещении из
мерительноrо растра 2 возникает модуляция cBeToBoro пото
ка, проходящеrо от светодиода 1 через индикаторный растр
3 (находящийся в оптическом сопряжении с растром 2) на
фотодиоды 4.
Квадратурный синус косинусный аналоrовый сиrнал с
фотоприемников (рис. 3.7, б) преобразуется электронной
схемой в последовательность счетных электрических им
пульсов, вырабатываемых через 1/4 периода деления изме
рительноrо растра (1/4 периода муаровой полосы) и поступа
ющих на входы реверсивноrо счетчика импульсов.
Потеря информации, возникшая из за дискретности OT
счета, может быть отнесена к методической поrреmности.
К методическим часто относят поrрешности выверки при
бора перед началом работы, наведения на объект, считыва
нuя и обработки результатов, так как они зависят от субъ
ективных ошибок и оrраниченных психофизиолоrических
возможностей оператора, ошибок и допущений в системах
б) ...
И'+
I
! / .Jt..
I i ""
I I "-
И 1 r I
т
а)
1 .
И2
/4T
ИЗ ,
Счетны,е импульсы, \
.. У ( sin l
У
Рис. 3.7. Схема работы, фотоэле"тричес"оео дапtчи"а линейны.Х
nеремещений
122
обработки ИPIсрормации. Рассмотрим их на примере работы
теодолита (рис. 3.8, а).
В идеальном случае вертикальная ось вращения 3 Teo
долита должна быть отвесна и направлена по оси Z прямо
yrольной или сферической системы координат xyz. rори
зонтальная ось вращения 2 зрительной трубы 1 должна быть
перпендикулярна к вертикальной оси и направлена по оси
х. Визирная ось зрительной трубы должна быть перпенди
кулярна к rоризонтальной оси и совпадать с осью У.
В этом случ е визирная ось при наведении на объект на
блюдения по высоте должна отклоняться в плоскости мери
диана (след ее траектории на сфере дуrа меридиана), а при
наведении по rоризонту образовывать поверхность Kpyro
Boro конуса BOKpyr отвеса в точке стояния [след траектории
на сфере широтный Kpyr (параллель)].
Вследствие поrреmностей ориентирования теодолита на
местности (а также инструментальных поrреmностей) возни
кают уводы ero визирной линии по вертикали и rоризонту,
приводящие к поrреmностям измерения вертикальных i и ro
ризонталъных <Р уrлов (координат) объекта наблюдения Т.
Если, например, вертикальная ось не выставлена отвесно
и наклонена относительно оси Z на некоторый yrол f).т, то
возникают следующие поrреmности измерения вертикаль
ных и rоризонтальных уrлов [11.21, 11.35]:
f).<Pi\т == sin( <р <pт)tg if).т;
f).ii\m == cos( <р <pт)f).т,
rде <Рm yrол между плоскостью начальноrо меридиана и
плоскостью наклона вертикальной оси теодолита.
а)
Т Ч Z
\ I
\
х
(3.4)
б)
в)
Рис. 3.8. Фун"циональная схема пtеодолита
и вид полей зрения
123
в процессе измерения оператор совмещает изображение
объекта (делений рейки) с перекр стием сетки (рис. 3.8, б)
и производит считывание вертикальных и rоризонтальных
yrлов в поле зрения отсчетноrо микроскопа (рис. 3.8, в).
При этом из за оrраниченной остроты зрения операто
ра и субъективных оценок долей деления шкал возникают
поrреmности наведения и считывания, которые приводят к
поrрешности измерения вертикальных и rоризонтальных
yrлов теодолита.
В современных теодолитах с q)отоэлектрическими дaT
чиками rоризонтальных и вертикальных yrлов поворота
зрительной трубы роль поrреmности считывания иrрает по
rреmность квантования.
Так как поrреmности наведения при бора на объект, по
rрешности считывания по шкалам, квантования аналоrо
Boro сиrнала зависят не только от природы возникновения,
но и от конструктивных параметров и характеристик при
бора [увеличения зрительной трубы, качества изображения,
вида и размеров марок, цены деления шкал, разрядности ис
пользуемоrо аналоrо цифровоrо преобразователя (АЦП) или
электронноrо интерполятора], то эти поrрешности иноrда
выделяют в отдельный вид [11.18] либо относят к инструмен
тальным поrрешностям [11.10].
Отличительной особенностью методических поrреmно
стей является то, что они обязательно связаны с результатом
функционирования прибора (измерения, управления, обна
ружения объекта) и определяются путем создания MaTeMa
тической модели или имитационным моделированием MeTO
да и объекта, а не MorYT быть найдены только исследованием
caMoro прибора.
3.1.2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ ПОrPЕШНОСТИ
Инструментальные поrреmности подразделяются на Teo
ретические, технолоrические и эксплуатационные.
Теоретические поrрешности. Обусловлены тремя вида
ми допущений: структурными допущениями в законе
функционирования прибора, в функции f i , связывающей
информативные параметры входноrо Xi и выходноrо Yi сиr
налов (см. рис. 3.1);
параметрическими допущениями в значениях KOH
структивных параметров qi;
124
конструктивными допущениями в конструкциях выс"
тих кинематических пар.
Теоретические поzрешностu nepBozo вида (структурные,
схемные) возникают при замене точной функции преобразо"
вания сиrнала приближенной зависимостью. Чаще Bcero это
происходит, коrда вместо нелинейной q)ункции пользуются
ее линейным приближением.
Например, точная зависимость, связывающая yrол пово"
рота у автоколлимационноrо зеркала 1 (рис. 3.9) с перемеще"
нием l изображения марки 5 в фокальной плоскости автокол..
лиматора (2 7), rде установлен позиционно"чувствительный
приемник (или шкала) 4, имеет вид:
N
1 l L
У == arct g == пА == lA
т 2 f п,
n==1
rде f (l)OKycHoe расстояние объектива 2; N число импуль"
сов (п) (уровней, делеlШЙ ткалыI и т. п.), вырабатыIаемыЪIx !1РИ"
емником при перемещеlШИ изображеН!lЯ на величину l; А п
перемеffilая цена импульса (шкалыI;; А «цена положения.
изображеlШЯ на приемнике (уровня сиrнала, rрадуировки...).
Так как измеряемые yr лы поворота зеркала невелики
(обычно от единиц до нескольких десятков yrловых минут),
(3.5)
у
........,
., ..
"
4
1
4
'/
I
I
1
"У
4
у l
{'
..
\ ............ '"";>-: '''''
\ . .,....."'" . ......
\
--- I
\ I
\ J
.\ f o
\ ,
\ I
\ I ' "-
JL 5
......... """ 6
""",,--
,
''''..........
"....,... 7
Рис. 3.9. Авто"оллиматор:
1 зер"ало; 2 об-ъе"тив; 3 светоделительная пластина; 4 при.
емни" (ш"ала); 5 сет"а; 6 конденсор; 7 источник света
125
то закон сl)ункционирования линеаризуют. Это позволя..
ет выполнить цену импульса (дел ния шкалы) постоянной
и упростить юстировку нулевоrо положения приемника
(см. п. 2.3, а также [11.36]):
1 l
УП==2:,==NА,
(3.6)
rдеА постоянная цена импульса (деления шкалы).
в результате возникает теоретическая поrрешность изме
рения yrлов поворота зеркала автоколлиматором:
1 l 11 4з
l1ут Ут Уп 2:arctg, "2, зУ ·
(3.7)
На рис. 3.10 представлена часть схемы оптическоrо сле..
дящеrо устройства, смещающеrо изображение по щелевой
диафраrме 5 с помощью плоскопараллельной пластинки 4,
наклоняемой посредством привода, содержащеrо рычаr 3,
винтовой механизм 2 и шкалу (шаrовый двиrатель, датчик
yrла поворота винта х) 1.
Точная зависимость, связывающая смещение изображе"
ния У и уrол поворота винта х:
( COS а ) . kp
УТ == 1 .J 2 · 2 dsшarсtg 2 Н х,
п Sln а 1t
(3.8)
/4 t
. ,/ /
............................. ' 7' /
.............. ........................... " i r
/ t= , ' (@
. ,,' . . ...............,..... ::. L
1/.......
f i .... ..,... ...,...
У
I
/ I
1..., I
I
.J
.'
н
d
v\ r
/.(
I t-- . \
3 \2 \k,p
Рис. 3.10. Следящее устройство
\
)х
".
1
126
rде d ТО!lщина пластины; k и р число заходов и шаr
резьбы винтовоrо механизма; Н длина рычаrа; а yrол
падения oceBoro луча cBeToBoro пучка на входную rрань пла--
стинки (yrол поворота пластинки); п показатель прелом--
ления материала (стекла) пластинки.
Приближенная зависимость, основанная на линеариза--
ции законов q)ункционирования пластинки и TaHreHcHoro
рычаrа, учитывающая малость yrла а, имеет вид:
п 1 kp
Уп == п d 2тсН х. (3.9)
Если эта зависимость будет положена в основу работы сле--
дящеrо устройства, то возникает теоретическая поrрешность
f).YT == Ут Уп (вывод срормулы для ее расчета см. в п. 3.4).
Теоретичес"ие поzреШflости Bmopozo вида (пapaMeтpи
чес"ие) обусловлены окруrлениями конструктивных пара--
метров до значений, нормируемых стандартами, и окрyrле--
ниями иррациональных параметров.
Оптикам хорошо известно правило, соrласно которому
необходимо при расчетах радиусов кривизны поверхностей
оптических деталей OKpyr лять полученные значения до
ближайших радиусов по rOCT 1807 75. Естественно, что в
результате этоrо несколько изменяются исходные (или ис--
комые) характеристики оптических систем.
Классическим примером возникновения подобной теорети--
ческой поrрешности является конструкция рассмотренноrо ра--
нее (п. 1.4.3) индикатора часовоrо типа, схема Koтoporo изобра --
жена на рис. 3.11. Здесь при перемещении у измерительноrо
штока 1 с рейкой пово--
рачивается триб Zl, зуб--
чатое колесо Z2, закре--
пленное на оси триба, и
триб Zз, на оси KOТOpOro
насажена стрет<а 2; по--
ворот последней на yrол
х позволяет сформиро--
вать отсчет по шкале 3.
Функция, связы--
вающая перемеще--
ние штока У и поворот
стрелки хиндикатора
(закон функциониро--
вания), имеет вид:
а I ty ;
Рис. 3.11. Стрелочный инди"атор
1
127
У == (т; ( :) x,
rде т модуль зацепления зубчатой рейки и триба ZI; Zl, Z2,
Z3 числа зубьев соответствующих колес.
При расчете конструктивных параметров исходят из Toro,
что Утах == 10 мм, шкала имеет 100 делений, цена деления
шкалы 0,01 мм. Следовательно, при У == 1 мм стрелка должна
совершить целый оборот (т. е. х == 2п). Для выполнения этоrо
условия рассчитывают один из конструктивных параметров
(модуль зацепления т), задавая значения друrих конструк"
тивных параметров (числа зубьев колес).
Исходя из конструктивных, точностных И технолоrиче..
ских условий, числа зубьев колес серийноrо индикатора,
выпускаемоrо промышленностью, выбраны следующими:
Zl == 16, Z2 == 100, Z3 == 10.
Выразив значение модуля из (3.10) и подставив соответ"
ствующие значения входящих параметров, получим расчет"
ное (иррациональное) значение модуля:
2YZ2 2.1.100
т р == Zl Z З Х == 16.10.2п ...0,19894... мм.
(3.1 О)
Если OKpyr лить это значение до ближайшеrо стандартноrо
(по rOCT 9563 60), то значение модуля будет те := 0,2 мм.
Разность между расчетным значением модуля и ero стан..
дартным значением определяется:
11т == те т р == 0,2 0,19894... 0,00106.
Поrрешность измерения у из..за окруrления модуля, на
полном диапазоне измерений:
ZI Z З Х У 10
f:.Y!J.m == 2z 2 f:.m == т f:.m == 0,2 0,00106::::: 53 МКМ.
ЭТО в несколько раз больше, чем допуск на всю суммарную
поrреmность раБотыI индикатора. Поэтому разработчик вы..
нужден пойти на нарушение требований стандарта и исполь..
зовать специальный модуль т == 0,199 мм. Теоретическая
поrреmность измерения при этом остается, но будет суще"
ственно уменьшена (так как дт == т mр == 0,199 0,19894
0,00006 мм):
10
I1Y m == 0,1990,00006 3 мкм.
128
/777/7
2
Подобная теоретическая
поrрешность возникает в ма
лоrабаритном преобразова
теле линейных перемещений
(рис. 3.12). Закон функцио
нирования преобразователя
имеет вид:
у
1
/
/7777/
fflZ
У == Т Х ,
(3.11 )
Рис. 3.12. Преобразовател.ь линей
ньtх nеремещений:
1 рейка; 2 Ulестерня; 3 уzловой
фотоэлектрический датчик накаnли
ваЮll еzо типа
rде У перемещение рейки;
т модуль зацепления; z число зубьев шестерни; Х
yrол поворота вала датчика.
Преобразователь спроектирован из условия, что при пе
ремещении У рейки на 40 мм шестерня, содержащая 16 зу
бьев, делает один оборот. Следовательно, исходя из <l>OPMY
лы (3.11) модуль зацепления
2.40
т == 16.2п == 0,7957747...
Если окруrлить это значение до стандартноrо модуля, paв
Horo 0,8 мм, то возникает теоретическая поrрешность
ZX У
f).YT == Tf).m == т f).т,
достиrающая на диапазоне движения 40 мм значения, paB
Horo примерно 200 мкм.
Такая поrрешность недопустима, поэтому стандартное
значение модуля принять нельзя. Реализовать же на прак
тике иррациональное значение модуля, полученное исходя
из сl>оРмулы (3.11), невозможно, поэтому в преобразователе
принят нестандартный модуль т == О, 796 мм, окруrленный
от расчетноrо на значение,. равное примерно 0,00023 мм.
Теоретическая поrрешность от TaKoro oKpyr ления достиrает
12 мкм в диапазоне перемещения рейки 40 мм.
Теоретические nоzрешпости тpembezo вида (KoпcтPYK
тивпые) обычно возникают при конструировании высших
кинематических пар кулачковых и рычажных механизмов.
На рис. 3.13, а [11.18] изображена исходная cxe
ма кулачковоrо механизма, в котором толкатель 1
контактирует с поверхностью кулачка 2 в точке Ао.
При переходе от схемы к реальной конструкции KO
нец толкателя будет представлять собой cq>epy или ролик
129
а)
б)
А I
1''1
У
2
1.
/
;r---'"'/
в)
I
I
I
\
\
........... ;
Рис. 3.13. Кулач-ковые механизмы
(рис. 3.13, б) и контактировать с расчетным про(l)илем KY
лачка в точке А. В результате возникает теоретическая по
rреmность положения толкателя:
/1ут == r o 1) ,
rде r радиус сq)еры или ролика; yrол давления.
Поrреmность функционирования, возникающая из за за
мены идеализированной кинематической пары кулачок
толкатель реальной парой,
l1ут.ф == r o; T со; ;}
rде T и H текущее и начальное значения yrла давления.
Поrреmность срункционирования будет отсутствовать в
случаях, коrда уrол давления постоянен либо коrда про
(риль кулачка скорректирован с учетом KOHKpeTHoro зна
чения радиуса сферы толкателя. Расчет координат Teope
тическоrо 1 и эквидистантноrо 2 проq)илей (рис. 3.13, в),
использование инструмента при изrотовлении профиля
кулачка «(ррезы, шли(l)овальноrо Kpyra) с радиусом, paB
ным радиусу сq>еры или ролика толкателя, позволяет из
бежать возникновения конструктивной теоретической по
rреmности.
На рис. 3.14, а изображена исходная схема рычажноrо
механизма, в котором рычar 1 поворачивается при переме
щении толкателя 2.
Реальная конструкция толкателя будет иметь наконеч
ник в виде сферы или ролика с радиусом r (рис. 3.14, б). По
этому при перемещении толкателя на величину х точка ero
контакта с рычаrом будет находиться в положении А', а не в
130
а)
'o
х
н 1:
l1li(
Рис. 3.14. Рыча.жны.е механизмы
расчетном положении А'о. В результате возникает теорети
ческая поrрешность положения рычarа
l1ут JJ (l cosy).
Поrрешность уrла поворота рычаrа будет выражаться
сl)ОРМУЛОЙ
l1ут.ф JJ (COSYT COSYH)'
Если выполнить рычаr с выборкой, равной радиусу ccpe
ры толкателя (рис. 3.14, в), то теоретическая поrрешность не
возникает, несмотря на смещение точки контакта.
Технолоrические поrрешности. Возникают в процессе изrо
товлеIШЯ и сборки элементов ОП и MorYT быть следующими:
отклонения от расчетных значений характеристик
материалов деталей (например, показателя преломления и
средней дисперсии стекла, модуля упрyrости, коэффициен
та линейноrо расширения);
nоzрешности размеров и форм деталей, возникающие
при их изrотовлении (например, поrрешности радиусов кри
визны и формы рабочих поверхностей линз, клиновидности
призм, поrрешности деления шкал, поrрешности форм по
верхностей направляющих);
поzрешности расположения и деформации деталей, воз
никающие при их сборке (например, децентрировки и дe
q)ормации линз, перекосы шкал, поrрешности значений воз
душных промежутков).
К технолоrическим поrрешностям часто относят поrреш
ности параметров и характеристик покупных (стандартизо
ванных, унифицированных) элементов и блоков (подшип
ников, приемников, шarовых двиrателей, датчиков, АЦП
131
и т. п.), так как их поrрешности обусловлены комплексны..
ми десl)ектами изrотовления.
Однако если значения этих поrрешностей известны (па"
спортизованы) и MorYT быть приписаны конкретным значе..
ниям инс})ормативноrо параметра выходноrо сиrнала Yi при"
бора, то их относят к теоретическим поrрешностям.
Технолоrические поrрешности это один из самых
мноrочисленных и наиболее сильно влияющих на точность
функционирования и качество изображения ОП источников
поrрешностей.
Эксплуатационные поrрешности. Возникают из..за воз..
действия на ОП внешних и внутренних влияющих факторов:
наrрузок, вибраций, сил трения, температуры, давления,
влажности, радиационноrо излучения, электромarнитных
полей, нестабильности источников питания и т. д.
Влияние этих q)aкTOpOB приводит: к изменению харак"
теристик материалов (например, показателя преломления
стекла при изменении температуры); изменению размеров,
срормы и положения деталей (например, радиусов и сl)ормы
кривизны поверхностей, диаметров линз, длин плеч рыча"
rOB, значений воздушных промежутков между оптически..
ми деталями, положения осей в подшипниках); изменению
характеристик и параметров покупных изделий (например,
чувствительности приемников, излучательной способности
источников излучения).
Особенностью инструментальных поrреmностей является
то, что они MorYT быть измерены (исследованы) и занесены в
паспорт прибора (устройства).
3.1.3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОЧНОСТИ
ПРИБОРОВ И УСТРОЙСТВ
Количественными характеристиками точности приборов
являются значения их поrрешностей.
Из изложенноrо выше следует, что необходимо различать
поrрешность результата функционирования прибора (по"
rрешность измерения, управления, реrулирования, обнару..
жения) и поrрешность caмoro прибора (инструментальную
поrрешность функционирования прибора).
Поrреmность результата функционирования прибораl1Ур, ф
обусловлена методическими l1ум и инструментальными l1уин
поrрешностями:
132
ДУР. Ф == ДУм + ДУИН.
Инструментальная поrрешность функДJfОНИроВания
прибора обусловлена поrрешностями ero q)ункционалъных
устройств и возникает из за теоретических YTeop' техноло
rических 8Утехн И эксплуатационных 8уэ поrрешностей:
8Уин == 8Утеор + 8Утехн + 8уэ.
Заметим, что результат функционирования прибора свя
зав с объект ом (информативным napaMempOJlit объекта),
а работа прибора или функциональноrо устройства с пре
образованием входноrо сиrнала (информативным napaMe
тром BXOaHOZO сиzнала) (см. рис. 3.1).
Рассмотрим некоторые понятия и определения поrрешно
стей, которые MorYT быть использованы для характеристик
точности прибора и ero функциональных устройств.
В настоящее время вопросы понятий, терминолоrии,
определений и нормирования характеристик точности
разработаны более менее cTporo и подробно для метроло
rии и средств измерений (rOCT 16263 70, rOCT 8.009 72,
rOCT 8.001 80, rOCT 8.401 80, rOCT 8.009 84 ОСТ Р ИСО
5725 1 2002), а также для механизмов [11.11,11.18]. Для
друrих видов точных приборов И устройств унифицирован"
ная система понятий и определений отсутствует.
Опираясь на унифицированные и некоторые используе
мые в вышеупомянутой литературе понятия, сq)ормулируем
определения характеристик точности результатов и инстру
ментальной точности q)ункционирования для обобщенноrо
вида приборов и устройств.
П оzрешностью результата функционированuя прибора
будем называть разность между i M информативным параме
тром объекта, полученным в результате функционирования
прибора, и ero истинным значением:
8XiO == х' iO XiO == f'(Yi) XiO, (3.12)
rде X'iO i й информативный параметр объекта, характери
зующий в количественном и качественном отношениях ис
комы е свойства и состояния объекта, полученный с помощью
прибора; Yi i й информативный параметр выходноrо сиr
нала прибора, соответствующий значению информативноrо
параметра объекта XiO; " функция, связывающая Yi с X'iO.
Поrрешность результата функционирования может быть
приведена к выходному информативному параметру при
133
бора (поrрешность результата по выходу) и определена как
разность между значением i ro инсрормативноrо параметра
выходноrо сиrнала прибора Yi 1 и еrо'расчетным (номиналь
ным) значением YiO, соответствующих одному и тому же ин
формативному параметру объекта XiO:
Yip. ф == Yi YiO. (3.13)
Так как на практике обычно принято относить поrреmно
сти к «BЫXOДY приборов И устройств, то последующие опре
деления будем рассматривать применительно к выходному
сиrналу (параметру).
Процесс q)ункционирования мноrих приборов (изме
рительных, управления) требует определения изменений
информативноrо параметра объекта (например, rраниц
измеряемой величины, диапазона реrулирования и т. п.,
определяемых разностью значений информативных пара
метров объекта, соответствующих rраницам измерения или
реrулирования).
В этом случае характеристикой точности процесса cl)YHK
ционирования является nоzрешность результата пpoцec
са функционирования разность между изменением i ro
информативноrо параметра выходноrо сиrнала прибора Yi и
и ero расчетным (номинальным) изменением Yi и О, COOTBeT
ствующих одному и тому же изменению i ro инсl>ормативно
ro параметра объекта Xi и О:
Y ip. п. Ф == У i и У i и о.
(3.14)
в ряде случаев (автоматическое реrулирование, прицели
вание) характеристика точности должна отражать в первую
очередьстабильность,повторяемость,сходимость,т.е.бли
зость друr к друrу результатов повторноrо функционирова
ния прибора по одному и тому же объекту, выполняемому в
одинаковых условиях.
Такой характеристикой может служить поrреmность ста
бильности(повторяеМОСТИ,воспроизводимости)результатов
функционирования разность значений i x инcI)орматив
ных параметров выходноrо сиrнала прибора, соответствую
щих одному и тому же значению i ro информативноrо пара
метра объекта, при повторных циклах функционирования:
Yiksp==Yik Yis, (3.15)
lэто значение часто называют действительным (реальным) информа
тивным параметром.
134
rде Yi k, И Yi S значения информативноrо параметра BЫXOД
Horo сиrнала при k M И S M циклах повторноrо q)ункциони"
рования.
Аналоrичными поrрешностями характеризуется инстру
ментальная точность прибора или устройства.
Инструмеnталъnая nоzрешnостъ прибора (ycтpoй
ства) разность между (действительным) значением i"ro
информативноrо параметра выходноrо сиrнала прибора
(устройства) и ero расчетным значением, соответствующих
i"MY информативному параметру входноrо сиrнала Xi:
д.Уi == Yi Yi о. (3.16)
Иnструмеnталъnая nоzрешностъ nроцесса фуnкциони
рованuя прибора (устройства) разность между (действи..
тельным) изменением i ro параметра выходноrо сиrнала
прибора (устройства) и ero расчетным (номинальным) из..
менением, соответствующими одному и тому же изменению
i ro информативноrо параметра входноrо сиrнала Xi и:
8Уiп.ф==Уiи УiиО. (3.17)
Иnструмеnталъная nоzрешnостъ стабuлъности (noвтo
ряемостu, восnроuзводимости) прибора (устройства)
разность значений i x информативных параметров выходно"
ro сиrнала прибора (устройства), соответствующих одному и
тому же значению i"ro параметра входноrо сиrнала при по
вторных циклах функционирования:
8Yi k s == Yi k Yi в. (3.18)
Перечисленные выше понятия и определения хорошо со..
rласуются с используемыми характеристиками точности
механизмов: поrрешностью положения, поrрешностью пе..
ремещения и поrрешностью воспроизводимости (MepTBoro
хода) [11.18].
Инq)ормативным параметром входноrо сиrнала механиз..
ма является положение (координата) ведущеrо звена, а ин
формативным параметром выходноrо сиrнала положение
ведомоrо звена, поэтому упомянутые характеристики имеют
следующие определения.
П оzрешностъю положения механизма называется раз
ность между действительным У и расчетным (номинальным,
идеальным) Уо положениями (координатами) ведомоrо звена
механизма, соответствующими одному и тому же положе
нию ведущеrо звена:
135
t1y == У Уо.
(3.19)
п оzрешн-остью nеремещен-ия механ-изма называется раз"
ность между действительным Р и расчетным РО перемещени"
ями ведомоrо звена механизма, соответствующими одному и
тому же перемещению ведущеrо звена:
I1Р == р Ро.
(3.20)
Поzрешн-остью воспроизводимости (стабильности, no
вторяем.ости) м-еханизма называется разность положений
ведомоrо звена механизма, соответствующих одному и тому
же положению ведущеrо звена при повторных циклах дви"
жения:
t1Yks == Yk Ув' (3.21)
rде Yk и Ув положения ведомоrо звена механизма при k"M и
S"M циклах повторноrо движения.
Так как основной причиной поrреmности воспроизводи"
мости (в нашем понимании нестаб.ильности работы) меха..
низмов является мертвый ход, то на практике используют
также следующие характеристики.
Мертвый ход холостое (т. е. не передаваемое на ведо"
мое звено) движение ведущеrо звена механизма, возникаю..
щее в момент реверсирования движения: M. х == Х х', rде х и
х' положения ведущеrо звена при прямом и обратном на..
правлениях движения, соответствующие одному и тому же
положению ведомоrо звена.
П оzрешность от MepтBozo хода разность положений
ведомоrо звена механизма, соответствующих одному и тому
же положению ведущеrо звена, при прямом У и обратном У'
направлениях движения:
Дll == У у'.
(3.22)
Понятия «мертвый ход» и «поrреmность от MepTBoro
хода» являются частными случаями понятия «поrреmность
стабильности (воспроизводимости)>> механизма.
Как следует из выmеизложенноrо, характеристики точ"
ности результата (рункционирования прибора, ero инстру"
ментальная точность и точность q)ункциональных устройств
базируются на трех исходных понятиях: nоzрешн-ость pe
зультата функцион-ирования (nрибора, устройства), no
zрешн-ость nроцесса фун-кционирования и nоzрешность cтa
биЛЬ1l0сти (nовторяем-ости, восnроизводим-ости).
136
Эти попятия взаимосвязаны, дополняют дрyr друrа и ис..
пользуются для более полноrо отражения точности q)ункци"
онирования приборов и устройств. Для иллюстрации ска..
занноrо рассмотрим рис. 3.15.
Здесь изображены rрасрики зависимости значений инqюр"
мативноrо параметра выходноrо сиrнала прибора (устрой"
ства) У от значений инq)ормативноrо параметра объекта хо
(входноrо сиrнала х).
Для упрощения записи индекс «i. при информативных
параметрах и поrрешностях здесь и в дальнейшем опускаем.
Индекс «р., указывающий, что поrрешность относится к
результату функционирования, также опускаем. Различать
же, характеризуется ли поrрешность результата сl)ункци"
онирования или только инструментальная составляющая,
будем по тому, учтены или не учтены методические по:rреш"
ности.
Из"за методических и инструментальных поrреmно"
стей rрафики действительных значений информативноrо
параметра выходноrо сиrнала отличаются от rpасрика еро
расчетных Уо значений. Причем, в общем случае, rрафик
действительных значений у, полученный при увеличении
инсl)ормативноrо параметра объекта, смещен относительно
rрафика у', полученноrо при уменьшении этоrо параметра,
что обусловлено влиянием MepTBoro хода подвижных систем
У
8 Yl ks(8Jll)
...."... ........
:::
--.
.....
<1
,.. I
I
I
I
'
I
I
I
.....
;:: <::>
i
..... s.......
.....
...
....
's
.....
ХО2
(Х2)
Уо
У
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
(х)
ХО рев
(Х рев }
Рu с. 3.15. Fрафи"и изменений информативноzо пapaMeп pa выходноео
сuzнала
137
прибора, систематической составляющей поrрешности HaBe
дения, rистерезисными явлениями и т. п.
При повторных циклах срункционирования прибора дей
ствительные значения у и у' претерпевают рассеяние из за
дестабилизирующих факторов (колебания сил трения, ви
браций, турбулентности воздушных слоев, нестабильности
пороrов срабатывания дискриминаторов, шумов в прием
никах), поэтому их rрас})ики оrраничены пунктирными ли
ниями.
Разность между действительным и расчетным значени
ими инсрормативноrо параметра выходноrо сиrнала xapaк
теризует поrрешность результата функционирования (или
инструментальную поrрешность) прибора для KOHKpeTHoro
значения ХО (х).
Например, для значения ХОl она равна Yl (или y' 1), для
значения ХО2 равна Y2 ( y' 2).
Так как процесс функционирования некоторых приборов,
например, процесс измерения, предполarает наличие интер-
вала, определяющеrо rраницы измеряемой величины (т. е.
rраницы Хо или х), то результат измерения (cI)ункционирова
ния) определяется разностью значений выходных информа
тивных параметров, соответствующих этим rраницам. Ha
пример, если хо изменяется от ХОl дО ХО2, то
уп. Ф == У2 У} == (УО2 + Y2) (УОl + Yl) == Уо п. ф + уп. ф.
Поrреmность измерения (функционирования) прибора
при этом:
Уп. ф == Y2 Yl. (3.23)
В случае, коrда функционирование (измерение) произ
водится от HeKoToporo начальноrо значения (сl>изическо
ro или метролоrическоrо нуля), поrреmность процесса
функционирования равна разности поrреmностей прибо
ра в положении, определяющем конец измеряемоrо ин
тервала (текущее положение), и в начальном (нулевом)
положении:
уп. Ф == YT YH. (2.24)
Следовательно, в общем случае поrреmность процесса
функционирования, характеризующая точность измерения,
управления, преобразования и т. д., равна алrебраической
разности поrреmностей прибора (устройства), соответствую
щих rраницам интервала функционирования.
138
Поrрешность стабильности (воспроизводимости) xapaK
теризует стабильность ero работы при повторных циклах
q)ункционирования по одному и тому же информативному
параметру объекта (входноrо сиrнала). Например, для ХОl:
Ylk s == (УОl + Ylk) (УОl + ДУlв) == Ylk Yls' (3.25)
rде Ylk и YlB поrреmности прибора в точке ХОl при п M И
S M циклах q)ункционирования.
Эта поrреmность также равна разности поrрешностей
прибора (при еро повторных циклах функционирования) и
содержит в общем случае систематическую y и случайную
8v составляющие.
Таким образом, можно заключить, что понятие nоzреш
ность прибора используется для характеристики точности
значения инq)ормативноrо параметра выходноrо сиrнала
прибора или ero функциональноrо устройства (например,
точности координаты визирноrо луча, точности расположе
ния замЫКaIOщеrо звена размерной цепи, точности положе
ния ведомоrо звена механизма и т. п.), а также ДЛЯ расчетов
значений поrрешности процесса сl)ункционирования и по
rрешности стабильности (воспроизводимости) прибора.
Поrрешность процесса срункционирования характеризует
точность измерения, управления, перемещения и т. п., ocy
ществляемых прибором или ero q)ункциональными устрой
ствами.
Поrреmность стабильности (воспроизводимости) xapaкTe
ризует стабильность работы прибора и ero срункциональных
устройств и является по сути случайной составляющей «по
rрешности прибора .
3.2. КЛАССИФИКАЦИЯ поrРЕШНОСТЕЙ
Рассмотрим классисрикацию поrреmностей в зависимости
от их причинно следственной структуры и свойств.
3.2.1. ПРИЧИННО СЛЕДСТВЕННАЯ СТРУКТУРА поrРЕШНОСТЕЙ
Структура поrрешностей прибора (устройства) приведена
на рис. 3.16.
Источники перечисленных в п. 3.1 видов поrрешностей
называют первuчнымu nоzрешностям.и и факторами. Они
139
Первuчные
nоерешносп u
(факп оры )
Часп ичные
nоzрешносп и
( вл.ияние )
CymmaP1-lая nоzрешносп ь
( xapaKп epи cп иKa,
показап ель качесп ва)
Рис. 3.16. Причuнно следсп венная cп PY1Cп ypa nоерешносп ей прибора
представляют собой: отклонения от номинальных значений
конструктивных параметров и характеристик деталей (раз"
меров, (l)ормы, расположения, характеристик материалов) и
сборочных единиц1 дq; изменения влияющих q)aкTOpOB дq';
отклонение от расчетноrо значения функции преобразова..
ния сиrнала дf; отклонения информативноrо параметра сиr"
вала, поступающеrо на вход прибора, от ero номинальноrо
начения ДХ из..за методических допущений:
дq == q qo;
I == 1 10;
дq' == q' q' о;
ДХ == Х Хо,
rде q и qo действительное и номинальное значения кон"
структивных параметров; q' и q' о действительное и номи"
нальное значения влияющих сракторов; lи 10 действитель"
ная и номинальная функции, связывающие информативные
параметры у и Х выходноrо и входноrо сиrналов соответ"
ственно; х и ХО действительное и номинальное значения
инсрормативноrо параметра входноrо сиrнала.
Заметим, что первичные факторы дq' приводят к измене..
нию конструктивных параметров и характеристик деталей и
сборочных единиц, т. е. они оказывают влияние на точность
прибора через q. При этом один первичный q)aкTOp (напри"
мер, изменение температуры) может действовать на измене..
ние как одноrо, так и нескольких конструктивных параме"
тров и характеристик одновременно.
Каждая отдельная первичная поrреmность и с})актор
влияют на точность прибора. Это влияние (т. е. единичное
действие первичной поrреmности или фактора на инс})орма"
lПоrpешности конструктивных параметров и характеристик сбороч..
Hыx единиц являются комплексными, обусловленными первичными по"
rрешностями изrотовления и сборки входящих в них деталей и элементов.
.обычно в качестве комплексных первичных поrрешностей принимают
поrрешности (стандартизованных) покупных изделий (например, шари"
коподшипников, фотоприемников) и поrрешности унифицированных
сборочных единиц, нормируемых комплексным показателем точности
(например, поrрешностью фокусноrо расстояния объектива, кинематиче"
ской поrрешностью или мертвым ходом редуктора, предельной поrреш"
ностью преобразователя движения и т. п.).
140
тивный параметр выходноrо сиrнала, а стало быть, и на ха..
рактеристику точности) называется частичной (частной)
nоzрешностью (частичным влиянием) и обозначается tJ.Y6.q,
tJ.y 6.q', tJ.y 6.{' tJ.y 6.х.
Частичная поrреmность (в общем случае) равна произведе"
пию первичной поrреmности tJ.q на некоторую функцию Aq:
tJ.y 6.q == Aq tJ.q .
Эта q)ункция, связывающая частичную поrреmность
с первичной поrреmностью или Q)aKTOpOM, может быть в
общем виде как линейной, так и нелинейной и называется
передаточной функцией (коэффициентом влияния) nервич
ной nоzрешности (фактора).
Частичные поrреmности, суммируясь, образуют CYMMap
ную nоzрешность прибора (устройства) y'E.
В общем случае можно считать, что суммарная поrреш
ность (показатель качества) равна алrебраической сумме ча
стичных поrреmностей (более подробно см. в п. 3.3, 3.6):
n
y'F.. == L tJ.y 6.qi'
i
rде n число частичных поrреmностей.
В зависимости от вида прибора или устройства значение
суммарной поrрешности или ее производных (поrреmность
(рункционирования, поrреmность стабильности) xapaкTe
ризует точность результата (рункционирования или инстру
ментальную поrреmность.
3.2.2. СВОЙСТВА поrРЕШНОСТЕЙ
в зависимости от свойств. первичные, частичные и сум"
марная поrреmности клаССИQ)ИЦИруются по различным
rруппам, представленным на рис. 3.17.
По природе возникновения, результату действия и xa
рактеру проявления nоzрешности MorYT быть объединены в
следующие rруппы:
1) случайные и неслучайные по природе возникновения;
2) случайные и неслучайные по результату действия на
точность;
3) случайные и неслучайные по характеру проявления
при повторных циклах функционирования прибора (устрой
ства).
141
П о природе
возни"но
вения,nО
ре.зультату
деUСПl,вия и
хара"теру
nроявле-н-ия
I
· CUCnl,eMa
ти чес"ие
( неслучай
ные)
· Случайные
По «Ha
nравл.ени Ю»
I
· С"аляр
пые
· Be тop
ные
По nер-
вuчному
значению
величины
. П ОСПl,оянJt ые
· Пере/rtенные
реzулярные
· Переменные
Jtереzулярные
· СмешанJtые
ТI о xapa"nl,e
ру вляния на
Пl,ОЧНОСПl,Ь
.Аддитивные
. Мулътиnли
"аПl,ивные
· СПl,еnенные
· Периодиче
с"ие
· Комбиниро
ванньtе
Рис. 3.17. Классифи ация nоzрешJtОСПl,ей
П о c"o
pOCnl,HOMY
режиму
I
. cnl,anl,U
чес"ие
.ДиHa
мичес ие
Случайными по природе возникновения являются пер
вичные поrрешности и q)акторы, которые претерпевают
рассеяние при появлении и не MorYT быть заранее определе
ны однозначно по своим параметрам (значению величины,
интенсивности, частоте появления, для некоторых из них
по знаку величины, направлению, и т. п.). К ним относят:
все поrреmности технолоrическоrо характера (поrрешности
фокусных расстояний и децентрировки линз, поrреmности
уrлов призм, эксцентриситеты шкал и лимбов, отклонение
свойств материалов и т. п.); эксплуатационные поrреm
ности, обусловленные действием случайных факторов (по
rрешности из за влияния сил трения, вибраций, турбулент
ности атмосq)еры, нестационарных температурных полей,
шумов приемников и т. п.); методические поrрешности,
значения которых непредсказуемы (поrрешности HaBeдe
ния, квантования, выверки, допущения в отношении объ
екта и т. п.).
Некоторые из случайных первичных поrрешностей MorYT
иметь систематическую (неСJtучайную) составJtяюu ую.
Например, поrрешность диаметра линзы (рис. 3.18, а) Be
личина случайная, однако, претерпевая рассеяние в поле
допуска, эта поrрешность имеет один знак (минус), опреде
ляемый односторонним полем допуска. Систематическая co
ставляющая (рис. 3.18, б) определяется координатой середи
ны поля допуска с:
tJ.oq == O,5(tJ.QB + tJ.QH)'
142
(3.26)
а)
б)
А Р(дq)
qN
...
1
I
"с ::: I
Q!
<1 <j I
I I I
I
I
d -J: дd
доq
.. ...
/ '\... дq ...
5 0 (дq) I '\
I \
ё(дq) I \
a M\
. .
ИсnравимЬ/,й
бра"
о
в)
Р(дq)
А L
qJ:l ... дq
..........
""'
I \
I
I
I
I
I
l О
...
Дq
5q 5q дqв
.... ..
дq
...
дq1l
...
Дq
...
+дq
а
... ...
5q . Б
.. ... L
Рис. 3.18. П оzрешносn и диaMen pa и nl,олщиныl линаы:
/j,q == /j,qH /j,qB; 8q == (/j,qH /j,qB)/2; /j,oq == (/j,qH + /j,qB)/2;
/j,q == /j,oCJ + а == /j,oCJ + a q 8q == c q 8q: Kq == а( /j,q )/ао( /j,q) коэффициент,
учитываЮll,ии вид закона рассеяния проzрешности.
rде qB И qH верхние и нижние предельные отклонения
поля допуска.
Так как при изrотовлении линзы стремятся избежать
неисправимоrо брака, то действительное поле рассеяния
cr( q) часто бывает несколько смещено относительно поля
допуска и исходноrо рассеяния О'о(дq) (за которое обычно
при ним аетс я рассеяние, подчиняющееся закону raycca) на
величину а. Таким образом, центр rруппирования М дей"
ствительноrо рассеяния не совпадает с центром поля допу"
ска С, и среднее (неслучайное) значение первичной поrреш"
но с т и
q = oq + а.
( 3. 27)
Значение а зависит от метода обработки линз (автомати
ческий, пробных про ходов), а также закона рассеяния по
rреmности [11.5]:
а == (О 0,2)дq.
143
При расчетах пользуются относительным значением а, KOTO
рое называется относительным коэq)ф циентом асимметрии:
a q == a/8q,
rде 8q половина поля допуска,
8q == 0,5(L\qB L\qH).
(3.28)
(3.29)
Тоrда
L\q ==8 o q+a q 8q. (3.30)
Еще более удобно для записи систематической составля
ющей случайной (первичной) поrреmности пользоваться
так называемым приведенным коэффициентом асимметрии
поля допуска [11.18]:
C q == 8q/8q = l1oq/8q + a q . (3.31)
в этом случае
8С] == C q 8q. (3.32)
Коrда задается симметричный допуск на параметр детали
(расстояние между отверстиями, уrловые размеры, толщины
линз и пластин, дJшны рычarов и т. п.) либо происходит сим
метричное рассеяние значений поrрешности или влияющеrо
Q)aKTOpa, систематическая составляющая отсутствует (C q == О)
или определяется только смещением центра действительноrо
поля рассеяния от номинала (C q == a q ). Примером этоrо явля
ется поrреmность толщины линзы (рис. 3.18, в), среднее зна
чение которой несколько больше номинала из за стремления
оптика иметь возможность удалить случайную царапину,
иметь запас для подrонки радиуса под пробное стекло и т. п.
Типовые законы рассеяния случайных поrреmностей, их
коэффициенты асимметрии a q и коэ(l)Q)ициенты относитель
Horo рассеяния Kq, учитывающие вид закона рассеяния и
расположение поля рассеяния относительно rраниц поля дo
пуска [Kq == cr(l1q)/cro(8q) == 3cr(L\q)/8q, rде cr(l1q), cro(8q) cpeд
нее квадратическое отклонение действительноrо закона pac
сеяния и рассеяния по rayccy], представлены в табл. 3.1.
Н еслучаUНЪLми по природе возникновения являются по
rрешности, которые не претерпевают рассеЯНйе при появле
нии и MorYT быть заранее и однозначно определены по своим
параметрам.
К ним относятся: некоторые методические поrрешности
(см. рис. 3.4), теоретические поrрешности (см. п. 3.1.2), HeKO
144
Табл-u ца 3.1
Типовые закон..ы, рассеян..ия nоzрешн..остей
Тип Вид кривой Kq Примечания
распределения распределения fJ. q
Закон raycca · {( х) О 1 cr среднее
с полем рассеяния квадратическое
:t3a, совпадающим +-- - отклонение;
t . oLи 1
с полем допуска 8q половина
+ -Бi[ "" -8q поля допуска
Закон raycca · {( х) ll} /ll2
С полем рассеяния, IТ\ о 1,21 0,07
I ' , f
симметрично вы.. :}1,? r , О 1,26 0,17
ходящим за поле ... . >- t h О 1,44 0,26
I ".' о '1... 1
. « : - - - I .,....
допуска 8-q "-8cj" I Х О 1,55 0,44
Закон raycca if( х) 30' / 8q
с полем рассеяния, ,30' /' I ' 30', О 0,6 0,6
расположенным i4._ - .----....... о 0,7 0,7
: 'т' :
симметрично вну" ,,/' i О 0,8 0,8
I , ,
1 -. ..". о ш - - i.
три поля допуска *--.- - .-'Х О 0,9 0,9
8q I 8q
Закон raycca if(x) ll} /ll2
J .
с полем рассеяния, / ' 0,25 1,17 0,26
) /1' /
односторонне вы.. h 1 1 j ,/ I 0,31 1,18 0,44
ходящим за поле ,,' /I/! М _.... h 2 0,40 1,20 0,80
' J / .
-- I . - о '; --- =-4 -....
допуска .- Dcj--. х 0,47 1,21 1
Закон равной веро" tf( х) О 1,73
+_] I l
ятности I ,. - - -- 1
,
V///
I ' А'
!iqO 8 ' x
....
Композиция за.. . . 1/3a
:f(x)
конов raycca ирав" '/, 1/ , О 1,10 0,667
ной вероятности ' О 1,19 1,0
i / l'
'=L.L - О... - -- .. ,+ О 1,38 2,0
' 4 . .. -....! Х
: 8q 8q I О 1,49 3,0
Закон Релея .
if{x)
o 28 1,14
,
I . ,
M 9 / '_.
L. . .. х
. 8q бq
Закон Симпсона О 1,22
./
,/'. '1 .'
,..... ....-r ,-
8q I 8q , "х
... .1.. - - . .
Закон модуля ( o 38 1,27 а смещение
,
нормальноrо рас" 0,46 1,22 от нуля моды
сеяния 0,50 1,20 исходноrо рас"
сеяния
X
145
торые эксплуатационные поrреmности, обусловленные дей
ствием систематических влияющих Q)aRTOPOB (например,
деформации от известных сил, температурные изменения
конструктивных параметров от стационарных температур
ных полей).
По ре зу ль тату действия на точность при
б о р а поrреmности подразделяются на случайnые и nеслу
чайnые с позиции расчета точности и с позиции юстировки
(компенсации поrреmностей) прибора.
Расчеты суммарной поrрешности, характеризующей точ
ность прибора, а также допусков на обусловливающие ее
первичные поrрешности, производят по разным правилам
для случайных и систематических поrрешностей.
Так как точностные расчеты выполняют на COOTBeTCTBY
ющих этапах проектирования прибора (т. е. коrда прибор и
ero элементы еще не изrотовлены и их технолоrические по
rреmности неизвестны), то все поrрешности, случайные по
природе возникновения, относят к случайным по результату
действия на точность. Неслучайные по природе возникнове
ния поrреmности относят к систематическим по результату
действия на точность.
3аметим, что деформации от известных сил и температур
ные поrрешности параметров относят полностью к система
тическим поrреmностям условно, так как они имеют случай
ную составляющую, обусловленную влиянием на результат
некоторых случайных технолоrических (ракторов.
Например, уrол скручивания валика под действием He
KOToporo момента может быть рассчитан заранее по извест
ному моменту сил, диаметру валика, модулю сдвиrа MaTe
риала и длине скручиваемоrо участка. Реальный же уrол
скручивания может отличаться от рассчитанноrо из за слу
чайных поrрешностей изrотовления диаметра и отклонений
характеристик материала от расчетных. Рассчитанное зна
чение зазора между оправой и линзой при заданном изме
нении температуры может отличаться от действительноrо
из за поrрешностей изrотовления их диаметров и отклоне
ний коэффициентов линейноrо расширения материалов от
расчетных.
Однако так как рассчитанные значения таких эксплуата
ционных поrреmностей мало отличаются от действительных
значений (мала случайная составляющая) и обусловлены
неслучайными влияющими (ракторами, то эти поrреmности
принято относить к систематическим.
146
ВJстировкой устраняется или компенсируется действие
инструментальных систематических поrрешностей. Влияние
же случайных поrрешностей и (l)aKTOpOB может быть yмeHЬ
шено ци(рровой (алrоритмической) коррекцией, адаптив
ными компенсаторами, работающими в реальном масштабе
времени, а также орrанизационно техническими мероприя
тиями [11.19].
ВJстировку прибора (компенсацию систематических по
rреmностей) осуществляют в процессе и после ero сборки,
коrда технолеrические поrрешности уже известны и явля
ются для KOHKpeTHoro экземпляра систематическими, таки
ми же, как и неслучайные по природе возникновения.
Эксплуатационные поrрешности, обусловленные BHYTpeH
ними и внешними случаЙНыми факторами, а также непред
сказуемые методические поrрешности относят к случайным
поrрешностям.
По характеру проявления в процессе эксплуата
ции прибора поrрешность принято относить к случайным,
если при повторных циклах функционирования по одному
и тому же объекту (повторные измерения, наведения на объ
ект и т. п.) ее значение претерпевает рассеяние.
Если же значение поrрешности при повторных циклах
функционирования не изменяется (или изменяется по из
вестному во времени закону так называемая «проrресси
рующая поrрешность), то ее относят к систематическим.
Присутствие случайных поrрешностей в приборе или
устройстве леrко обнаруживается по разбросу ero показаний
(рассеиванию результатов ). Систематические поrрешности
выявляются труднее путем аттестации по образцовым Me
рам или эталонным сиrналам, поэтому для измерительных
приборов они считаются более опасными.
Из изложенноrо следует, что некоторые поrрешности OT
носят к случайным и'по природе возникновения, и по pe
зультату действия на точность, и по характеру проявления.
Это, например, поrрешности наведения, квантования, шумы
приемников, влияние сил трения, вибрации, (рлюктуация
температуры, турбулентность атмосферы.
Неслучайные по природе возникновения поrpешности яв
лтотся неслучайными и по результату действия на точность
и по характеру проявления. Это, например, теоретические по
rpеmности, эксплуатациОIПIые поrреmности, обусловленныIe
действием неслучайных влияющих (l)aкTopoB, некоторые пред
сказуемые методические поrрешности (см. п. 3.1.1. рис. 3.4).
147
Технолоrические поrрешности, случайные по природе
возникновения, относят к случайны}.\1 при расчетах точно
сти, но К систематическим при юстировке. По характеру
проявления во время эксплуатации их также считают систе
матическими. Например, поrреmность (PoKycHoro расстоя
ния объектива автоколлиматора (см. рис. 3.9) и эксцентри
ситет растра (кодовоrо диска) yrлоизмерительноrо прибора
(см. рис. 3.33) являются по природе возникновения и вли,
янию на точность случайными поrрешностями, так как
конкретные значения их величин и знаки поrрешностей
претерпевают рассеяние при появлении и заранее (на этапе
проектирования) неизвестны. !\оrда же объектив и растр бу
дут изrотовлены, то эти поrрешности и их влияние на точ
ность будут известны и не будут претерпевать рассеяние при
повторных циклах q)ункционирования прибора (т. е. станут
систематическими поrреmностями).
Ряд методических поzрешnостей, являющихся случай
ными по природе возникновения и относимых к случайным
при расчетах точности, оказывают систематическое влия
ние на результат при повторных циклах функционирования
прибора. Например, поrреmность настройки (выверки) при
бора (см. рис. 3.8), допущения относительно объекта.
По н а п р а в л е н и ю первичныIe поrрешности и факторы
подразделяются на скалярные и векторные. Скалярпая nоzреш
nость характеризуется только значением веJШЧИНЫ, направле
ние отсчета которой вполне определеШIО. Это поrреmности
размеров деталей, деформации от сил тяжести, температурные
изменения размеров, поrреmности наведения, квантования
и др. Векторпая поzрешnостъ характеризуется и значением
величины, и направлением. Направление векторных поrpеш"
настей неопределеШIО и заранее неизвестно. Это, например, дe
центрировки ЛШlз, эксцентриситетыI лимбов, торцевые биеlШЯ
шкал, перекосы направляющих, деq)ормации поверхностей
от произвольно направле1ШЫХ сил, смещения из за вибраций,
турбулентность и рефракция воздушных слоев.
По з н а чению величины первичные поrрешности и
факторы подразделяются на постоянные, переменные pery
лярные, переменные нереrулярные и смешанные.
ПостОЯllflОЙ является первичная nоzреШflостъ, которая
может быть охарактеризована одним числовым значением.
К ним относятся, например, поrрешность q)OKycHoro paCCTO
яния объектива, поrрешностъ толщины линзы, поrреmность
yr ла призмы, поrреmность длины рычarа, де(рормация от по
148
стоянной нarрузки, отклонения оптических констант стекла
от ero номинальных значений.
Переменной реzулярной первичной nоzрешностью являет
ся такая, которая характеризуется изменяющимся по pery
лярному закону переменным значением. Примерами MorYT
служить следующие поrрешности: выпуклость и BorHYTocTb
поверхностей деталеЙ; овальность, orpaHKa, бочкообраз
ность, седлообразность профиля поперечноrо и продольно
ro сечений детали; деформации от реrулярно изменяющих
ся сил «<rнутие. телескопа под действием силы тяжести в
случае изменения yrла места; упрyrая деформация измери
тельноrо наконечника пиноли сферометра из за изменения
мерительноrо усилия); поrрешности размеров деталей и при"
ращения показателей преломления стекол при реrулярном
изменении температуры; теоретические поrрешности.
Переменной нереzулярной первичной nоzрешностью яв
ляется такая, которая характеризуется нереrулярно из
меняющимся переменным значением. Это, например:
шероховатость поверхностей деталей; биения колец шари"
коподшипников; шумы приемников; поrрешности наведе"
ния и квантования; эксплуатационные поrрешности, обу..
словленные действием случайных факторов.
К смешанным относят первичные поrреmности, которые
характеризуются значениями, имеющими постоянную или
переменную реrулярную и переменную нереrулярную co
ставляющие. Это, например: поrреmность деления круrовых
и линейных шкал; поrрешность шarа штрихов дифракцион
ных решеток и растров; кинематические поrрешности зуб..
чатых колес; поrрешности mara винтов; поrреmности функ"
циональных устройств (механизмов, редукторов, датчиков и
преобразователей движения и т. п.).
По характеру влияния на точность частичные
и суммарная поrреmности подразделяются на аддитивные,
мультипликативные, степенные, периодические и комби"
нированные. Это определяется видом rра(l>ика зависимости
значения поrреmности от выодноrоo информативноrо пара
метра у прибора (рис. 3.19).
Вид изменения (rрафик) частичной и суммарной поrреm
ностей зависит не только от значения первичной поrреmности
(поrрешностей), но и от вида связывающих их передаточных
функций.
Аддитивные частичныIe и суммарная nоzрешностu имеют
постоянное значение, не зависящее от у: ду == const. Примером
149
Ду
может служить поrpеш..
ность от сбоя шкалы прибо"
ра, поrpeшность ero вывер"
ки (кривая 1, рис. 3.19).
М ультиnликативные
nоzрешности (их называ..
ют также накопленными
поrрешностями) изменя..
ются пропорционально у:
y == ky. Примерами MorYT
служить: поrрешность из"
мерения yr ла наклона зер"
кала автоколлиматором
(рис. 3.9) из..за поrрешности фокусноrо расстояния объекти"
ва; расфокусировка на краю поля из..за разворота светодели"
тельноrо зеркала BOKpyr оси, перпендикулярной к плоскости
падения луча (кривая 2, рис. 3.19).
Степенные nоzрешности имеют вид: y == kym (кривая 3,
рис. 3.19).
Такой характер проявления имеют обычно теоретические
поrрешности, аберрации оптической системы (кома идис"
торсия из..за децентрировок линз).
Периодические nоzрешности изменяются в функции у по
периодическому закону, например: l1у == asinky (кривая 4,
рис. 3.19).
Типичными примерами являются поrрешность yr лоизме..
рительноrо прибора, обусловленная эксцентриситетом ero
лимба, и наклон изображения из..за поrрешности установки
плоскоrо зеркала в сходящемся пучке лучей.
Некоторые поrреmности имеют комбинированный харак"
тер. Как правило, это поrрешности, обусловлеlпIыIe смешанны..
ми первичными поrрешностями, например частичная поrpеш"
ность измерения размеров окулярным винтовым микрометром
из..за поrреmности mara винта (кривая 5, рис. 3.19).
По в л и я н и ю с к о р о с т и (Р у н к Ц и о н и р о в а н и я
прибора (устройства) на значение поrреmности они подраз"
деляются на статические и динамические. Поrрешности, не
зависящие от скорости, называются статическими. Поrреш..
ности, зависящие от скорости, называют динамическими.
Под динамической поrрешностью понимается та часть по..
rрешности, которая добавляется к статической поrреmности
в так называемом неустановивmемся режиме (рункциониро"
ванин.
о
у
Рис. 3.19. Влияние nоерешносп еи
на п очносп ь
150
3.3. основныЕ ПОЛОЖЕНИЯ ЛИНЕЙНОЙ ТЕОРИИ ТОЧНОСТИ
Действительное и номинальное значения информатив"
Horo параметра выходноrо сиrнала прибора в общем случае
можно записать в следующем виде:
у == 1 ( Х, q i' q' j) ; у О == 1 О ( Хо, q iO, q' jO), ( 3 . 33)
rде lи 10 действительная и номинальная функции, связы"
вающие у и х; Х и ХО действительное значение ин(рорматив"
Horo параметра входноrо сиrнала и значение инq>ормативноrо
параметра объекта; qi и qiO действительное и номинальное
значения конструктивных параметров; q'j и q'jO действи"
тельное и номинальное значения влияющих q>aкTopoB.
Разность между этими (рункциями соrласно (3.13) пред"
ставляет собой поrрешность результата (l>ункционирования
прибора, которая может быть записана в следующем виде:
i1y == I(х, qi' q'j) 10(Хо, qiO, q'jo). (3.34)
Разложив действительную функцию в степенной ряд Тей..
лора и, оrраничиваясь линейными членами разложения, по..
лучим:
f:.y == f(xo. qю. q'jo) + ( а дУ1 f:.x + t (a ay . ) qi +
С Х)о i q" О
1 ( 3L ) , ,
+ aq'j о f:.q j fo(xo. qю. q jO), (3.35)
rде (см. выше) i1x == Х ХО отклонение информативноrо пара"
метра входноrосиrналаотеrономинальноrо значения (методи"
ческая поrрешность); q == q qO первичная поrрешность кон..
структивноrо параметра; i1q' == q' q' О изменение влитощеrо
фактора (первичный фактор); t J o' (; J o' (::Jo частные
производ:ные, являющиеся передаточными (рункциями (ко"
эффициентами влияния) первичных поrрешностей и вычис"
ленные для номинальноrо значения функции (т. е. без учета
первичных поrрешностей и факторов); n число первичных
поrрешностей конструктивных параметров; l число влияю..
щих факторов.
Разность между первым и последним членами выражения
(3.35) предст ляет собой теоретическую инструментальную
поrрешность:
151
Yд! == f(xo, QiO, q'jO) fo(xo, qiO, q'jO).
Так как Llx может быть обусловлена действием не одноrо,
а например, нескольких допущений (первичных методиче
ских поrрешностей), Y Д! действием нескольких разно
родных первичных теоретических поrрешностей, а q' дей
ствует на точность прибора через 8q, то выражение (3.35)
запишем в виде
т t ay ) <Р n ( д У )
i1Yr == L д i1Xi + L Y t+ L д . i1qi +
i х О i i ql, О
Р ( д У ) l ( a q . )
+ q'.
aqj о aq'j о J'
(3.36)
rде n число первичных поrреmностей конструктивных
параметров; l число влияющих q>aкTopoB; т число пер"
вичных методических поrрешностей; <р число первичных
теоретических поrрешностей; р число параметров, на KO
торые воздействуют влияющие ч>акторы.
Из выражения (3.36) следует, что суммарная поrрешность
прибора (i1Yr), обусловленная действием первичных поrреш
ностей, может быть найдена взаимонезависимым суммиро
ванием их частичных поrрешностей.
Эта взаимонезависимость влияния поrреmностей обуслов
лена тем, что при разложении действительной функции преоб
разования в ряд Тейлора были отброшены смешанные произ
водные и производные BToporo и более высоких порядков. Так
как значение первичных поrрешностей невелико, а действие
первичных q>aктopoB приводит к небольшому изменению зна
чений конструктивных параметров прибора, то производные
высших порядков и смешанные производные оказывают, как
правило, незна'tШтельное ВJШяние на точность прибора и не
учитываются линейной теорией точности.
Таким образом, линейная теория точности основана на
двух следующих основополarающих условиях.
1. Линейная зависимости между частичной и первичной
поrрешностями. Например, частичная поrрешность, обу
словленная первичной поrрешностью конструктивноrо па
раметра, определяется зависимостью вида
ily 8q == ( ) 0 ilq == Aqilq, (3.37)
rде q O, а q == qO + q qO.
152
В общем случае передаточная q>ункция (коэq>фициент вли
яния) первичной поrреmности Aq может носить нелинейный
характер, поэтому линейность связи между 8у q и 8q нужно
понимать в смысле учета только первой производной.
2. Принцип взаимонезависимости (принцип суперпози
ции) действия поrреmностей:
т. n.р, <р
i1Yr == L 8Yi.
i
(3.38)
в связи с тем что поrреmности q>ункционирования при
бора и стабильности (воспроизводимости) рассчитываются
через поrрешности прибора [(см. выражения (3.24), (3.25)],
в рамках линейной теории точности для них также справед
ливы линейная зависимость от первичных поrрешностей и
принцип взаимонезависимости.
Частичные поrрешности процесса функционирования
и стабильности (воспроизводимости) в общем случае MorYT
быть записаны в следующем виде:
Уп. ф == (Aq q)T (А q i1q)и;
Yks == (Aq q)k (A q 8q)s.
(3.39)
(3.40)
в зависимости от Toro, изменяются V либо остаются неиз
менными С значения Aq и t1q на rраницах интервала функ
ционирования (т. е. в текущем положении относительно Ha
чальноrо или при повторных циклах q>ункционирования),
выражения (3.39) и (3.40) принимают значения, представ
ленные в табл. 3.2.
Из этих выражений следует, что в случае постоянства зна
чений Aq и q поrреmности процесса q>ункционирования и
стабильности (воспроизводимости) не возникают, несмотря
на наличие первичной поrрешности прибора.
Линейная теория точности дает хорошее практическое
приближение (в большинстве случаев с точностью до зна
чений высших по
рядков малости) Таблица 3.2
результатов к Teope Поzрешности nроцесса фунхционирования
и стабильности
тическим, которые
рассчитывают с по
мощью нелинейной
теории точности,
учитывающей вза
имозависимость по
rреmностей [11.2].
Aq дq ДУп.ф ДУks
С С О О
С V A q (i1qT i1qH) A q (i1qk i1qs)
v с (AqT AqH)i1q (Aqk Aqs)i1q
V V (A q i1q)T (A q i1q)H (A q i1q)k (Aqt1q)s
153
3.4. МЕТОДЫ НАХОЖДЕНИЯ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ФУНКЦИЙ
ПЕРВИ"t.ШЫХ поrРЕЩНОСТЕЙ
Для получения расчетных формул рассмотренных выше
характеристик точности приборов необходимо найти пере"
даточные q)ункции (коэ(рфициенты влияния) первичных по..
rрешностей. Для этих целей обычно используют аналитиче..
ские и rраq)оаналитические методы. К ним относятся: метод
ди(l)(реренцирования (l)Ункции преобразования (функции,
связывающей информативный параметр входноrо сиrнала
или объекта с информативным параметром выходноrо сиr"
нала прибора); метод разложения q)ункции преобразования
в ряд; векторный и матричный методы; метод кватернион"
Horo и винтовоrо исчисления; rеометрический метод; метод
преобразования исходной схемы; метод плана малых пере"
мещений и др.
Рассмотрим на примерах некоторые наиболее часто при
меняемые методы.
3.4.1. МЕТОД РАЗЛОЖЕНИЯ ФУНКЦИИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
В СТЕПЕННОЙ РЯД
Этот метод наиболее часто применяют для нахождения Te
оретических поrрешностей устройств, возникающих вслед"
ствие замены точных нелинейных функций преобразования
сиrнала их приближенным значением (см. п. 3.1.2), а Taк
же остаточных значений теоретических поrрешностей при
их компенсации изменением конструктивных параметров
[11.19].
Этим методом найдена, например, теоретическая
поrреmность измерения уrлов автоколлиматором
(см. рис. 3.9).
Найдем теоретическую поrреmность следящеrо устрой..
ства (см. рис. 3.10), обусловленную заменой точноrо (нели
нейноrо) закона функционирования (3.8) ero линейным при
ближением (3.9) с помощью разложения функций COS, sin и
arctg в степенной ряд, оrраничиваясь в разложении членами
BToporo и третьеrо порядка малости:
( cos а ) . kpx
!!J.YT == Ут Уп == 1 .J 2 . 2 d sш arctg 2 Н
n Sln а 1t
154
1 ! ( kPX \?
п 1 d kpx == 1 2 2пН) d [ kPX ! ( kpx ) 3 ]
п 2пН '/ 1 ( kPX ) 2 2пН 2 2пН
. п 2 2пН
п 1 d kpx == ( п2 1 п 1 ) d ( k P X ) 3
п 2пН 2п 3 2п 2пН . (3.41)
Поrрешность процесса q>ункционирования из..за теорети"
ческой ошибки .определяется выражением
!!.Уп. ф == ( п;:з 1 п 2 1 ) d ( 2;Н У(Х; x ),
rде Х Т и ХН текущее и начальное значения инСl>ормативноrо
параметра Х.
3.4.2. МЕТОД ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЯ
ФУНКЦИИ ПРЕОБРА30ВАНИЯ
Этот метод основан на том, что сl>Ункция преобразования
поочередно диq>среренцируется по входящим в нее параме"
трам, имеющим первичные поrрешности.
Функцию преобразования (3.9), связывающую поворот
Х шкалы датчика yrла со смещением у изображения, поло..
женную в основу работы оптическоrо следящеrо устройства
(см. рис. 3.10), запишем в виде
У (п l)dkp х == (п l)dkp N ==AN,
пН2п nHN'E
(3.42)
rде N yrол поворота винта в делениях шкалы (счетных им..
пульсах, квантах и т. п. для датчика), N'E число делений
шкалы; А цена деления шкалы.
На поrpешность работыI будут, в частности, влиять первич"
ные поrpешности толщиныI пластины дd, плеча рычarа Ыf, по..
казателя преломления дп, деления шкалы !1N А, оценки доли
деления шкалы при отсчитывании !1N о (поrрешность кванто..
вания). Их передаточные функции Moryт быть найдены дифсре"
реIЩИрованием СРУИКЦИИ (3.42) по соответствующим параме"
трам:
(п 1)kpx у
удd == пН2п d == d d;
155
(п l)dkpx ыl Ыl.
t1yЫl nн 2 2п . н '
(3.43)
dkpx [ nt1n (n l)t1n ] У .
!!J.YAn Н2тс п 2 (п l)п !!J.n,
(n l)dkp
l1yыv == HN ЫV A ==АдN А ; t1yЫl ==AЫV o .
А п r о
Поrрешности процесса функционирования (измерения) и
стабильности (воспроизводимости) микрометра, вызванные
этими первичными поrреmностями, в соответствии с (3.39),
(3.40) MorYT быть представлены как:
А Ут Ун A d
tiУп. ф d == d ti;
ДУkSДl] == о;
l1уп. фдН ==
(Ут Ун)
Н
Ыl; ДУksЫI == о;
11 Ут ун 11
Уп. ф n == (п l)d n;
I1Yks n == о;
I1уп. фAN А == A(ЫV Ат ЫV Ан);
f).Уп. фAN о ==A(ЫV OT ЫV OH );
ДУkSЫV А == о;
ДУksЫl о ==A(ЫV Ok ЫVOs).
Метод диф(реренцирования функции преобразования яв
ляется наиболее простым, однако имеются оrраничения при
ero применении Этот метод нельзя использовать для Ha
хождения передаточных q>ункций поrреmностей нулевых
параметров (перекосов, зазоров, поrрешностей форм, экс
центриситетов, де(рормаций и т. п.). Неприменим он также
для случая, коrда в q>ункции преобразования устройства
отсутствуют конструктивные параметры, от поrрешностей
которых ищутся передаточные q>ункции (например, для па
раллелоrраммноrо механизма).
С известными оrраничеIШЯМИ он должен использоваться
в случае нахождения передаточной q>ункции от первичных
поrрешностей, значения величин которых носят перемен
ный и смешаШIЫЙ характер. Так, передаточная q>ункция по
156
rрешности mara винта p оптическоrо следящеrо устройства,
найденная дифференцированием (3.42), д.Уо.р == JLд.р, пра
р
вильна только для так называемой накопленной составляю"
щей поrреmности шаrа винта PH' для местной Hepery лярной
поrреmности шаrа PM это выражение неверно. Так как по..
rрешность mara винта приводит к поrреmности перемеще"
ния конца винта lдр P, то передаточная q)ункция этой со..
ставляющей поrрешности определяется по формуле
(п l)d
i1удРм == пН PM.
3.4.3. rЕОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД
Этот метод основан на rеометрическом сопоставлении
реальноrо элемента и номинальноrо (идеальноrо) элемента
прибора, отличающихся друr от дрyrа рассматриваемой пер"
вичной поrрешностью. Процесс нахождения передаточной
q)ункции этим методом состоит из двух этапов: rра(l)ическоrо
построения, выявляющеrо первичную поrрешность, и ана..
литическоrо решения полученной rеометрической (l)иrуры.
найдем, например, для оптическоrо следящеrо устрой"
ства передаточную (l)ункцию эксцентриситета i1e сфериче"
cKoro конца винта (шарика) относительно о и ero враще"
ния. Для этоrо изобразим в произвольном положении рычar
устройства (рис. 3.20),
опирающийся на ша..
рик, расположенный в
номинальном положе"
нии (показан тонкими
линиями), и на шарик,
сдвинутый относитель..
но номинальноrо поло..
жения на эксцентриси"
тет e по оси u.
Как видно из рисун"
ка, эксцентриситет ша..
рика приводит к допол"
нительному повороту
рычarа в данном теку" Рис. 3.20.
щем положении на уrол
LfLЧJ
\ I
..
и.
А
н
v
\ "
" I
ДL I j },...
. · i "-с
, '1
I
, .-
Вл.ияние э"сцентрuсиnl,ета
конца BUHnl,a
157
в
//// ДУ 11/
С
Уо У
I
{о
.
Рис. 3.21. Влияние поzреШНОСПl,и фО"УСНО20 расстоя
ния обое"Пl,uва
i1а де == и e/H, rде i1L де смещение конца винта из номи"
нальноrо положения С в реальное положение В, соответству"
ющее при ращению а на величину i1a e. Из треуrольникаАВС
, находим и e i1ea .
Так как эксцентриситет шарика является векторной по..
rрешностью (шарик описывает окружность при вращении
винта), то интересующая нас проекция эксцентриситета на
ось И i1e == sineile, rде е направление вектора эксцентри"
ситета (начало отсчета от оси, перпендикулярной к оси И),
i1e значение эксцентриситета.
Окончательно поrрешность оптическоrо следящеrо устрой"
ства из..за эксцентриситета конца винта
(п 1) (п l)dsinekpx п.
I1Ум == п dl1aAe == пН2тсН I1е == Н sшGl1ео.
Поrреmность процесса срункционирования и стабильно"
сти устройства при этом определяются, соответственно:
[(YT sin8 T) (YHsineH)]i1eo
l1уп. фАе == Н ; I1Yks6e == о.
Из рис. 3.21 (из треуrольникаАВС) с помощью rеометри"
ческоrо метода можно найти передаточную сl>Ункцию по..
rрешности фокусноrо расстояния f).f' объектива зрительной
трубы на поrрешность расположения f).Y f изображения:
8У Д! == tg (J) f).f'.
к достоинствам rеометрическоrо метода относятся на..
rлядность и возможность применения ero для нахождения
передаточных функций поrрешностей нулевых параметров,
что будет проиллюстрировано в п. 3.5.
Оrраничением метода является невозможность внекото..
рых случаях аналитическоrо решения полученной reoMe..
трической фиrуры.
158
3.4.4. МЕТОД .ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИСХОДНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА
:к: этому методу обычно обращаются в случае, коrда метод
ди(l)(l)еренцирования применить невозможно из за OTCYT
ствия конструктивных параметров в (I)Ункции преобразова
ния сиrнала, а также в случае, коrда rеометрический метод
не позволяет найти аналитическоrо реrпения полученной
rеометрической фиrуры. Суть метода заключается в таком
преобразовании исходной схемы устройства, которое позво
ляет конструктивные параметры, являющиеся источниками
поrрешностей, ввести в (рункцию преобразования сиrнала.
Для преобразованноrо устройства передаточные q)ункции
поrреmности находят методом ди(р(реренцирования и затем
осуществляют переход к исходной схеме.
Предположим, что требуется найти передаточные функ
пии поrрешностей длины кривошипа ll и длины шатуна l2
r )раллелоrрамма на поrрешность отклонения у луча визир
Horo устройства (рис. 3.22). Так как у параллелоrраммноrо
механизма II == lз; l2 == l4, то Уl == х; И (рункция преобразова
ния сиrнала визирным устройством поэтому будет иметь вид
у == 2Yl == 2х, rде Уl уrол поворота коромысла (yrол поворо
та зеркала визира); х yrол поворота кривошипа.
Преобразуем параллелоrрамм в шарнирный четырехзвен
ник (показан штриховыми линиями) с конструктивными па
раметрами ll, l'2, l'з, l4, . Спроецировав замкнутый контур
четырехзвенника на ось V, получаем следующее уравнение:
. , ll sinx + l2COS l4
SШУl == [3 - (3.44)
Решив выражение (3.44) относительно у} [либо прямо диф
q)еренцируя (3.44)], находим
методом диq>ференцирования и
(l>Ункции преобразования по
конструктивным параметрам
II и l2, соответствующие q>op"
мулы для поrрешностей поло
жения коромысла:
, sin х l
.1 У == .1 ·
1дl1 l'з cos у' 1,
,
12
14
, cos Ы'
ДУIЫ 2 [3 cos У! 2-
(3.45)
/ ,// "" У
'А
. А'
Ао о
Рис. 3.22. Привод зер"ал.а визирно
ео УСnl,роuства
159
ДУ l
1 ....
<з
-s.
....
<J
О
-э.
...
.
У2п
у
..
У2т
У ф 2
Рис. 3.23. rрафи" nоерешностu вuзuрноzо ycтpoucпtea
Осуществляя обратный переход от четырехзвенника па
раллелоrрамму (для KOToporo х == yi; Р == о; l3 == lз), получаем:
1 1
11 У 1 L\l == l tg У 1 111 1 ; y 1 L\l == l I1l2 ·
1 3 2 зСОS У 1
Окончательно для визирноrо устройства поrрешности OT
клонения луча запишутся в виде:
2
!::.Уп. ФЫ 1 == l3 (tg YIT tg YIH)1'::.ll;
2 ( 1 1 )
!::.Уп. ФЫ 2 == l3 COS YIT COS YIH !::.l2; !::.УkSЫ1,Ы2 == О,
(3.46)
( 3.4 7)
rде УIт' УIн текущее и начальное положения коромысла
параллелоrрамма.
Из выражений (3.47) следует, что визирное устройс.тво
будет работать точнее в случае, коrда начальное положение
параллелоrрамма Хн == УIн == О (кривошип перпендикулярен
к стойке). Например, поrреmность процесса q>ункциониро
вания устройства из за поrрешности кривошипа I1Yl п. фL\ l l В
случае, коrда начальное положение кривошипа перпенди
кулярно к стойке, будет существенно меньше поrрешности
процесса q>ункционирования I1У2п. фд1t' коrда начальное по
ложение кривошипа равно I1Y2H при одинаковых рабочих
диапазонах функционирования УФ1 == Уф2 (рис. 3.23).
3.4.5. МЕТОД ПЛАНА МАЛЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
Данный метод основан на построении планов скоростей и
малых перемещений элементов анализируемоrо устройства
вследствие тех или иных первичных поrрешностей.
160
Рассмотрим .порядок
нахождения переда
точных функций этим
методом на примере
описанных выше пер
вичных поrрешностей
визирноrо устройства
(см. рис. 3.22).
Поrрешность длины
кривошипа ll прцводит
к тому, чтошарнирВпа
раллелоrрамма переме
стится в направлении
АВ, а шарнир С по дуrе окружности радиусом l3. Постро
им план скоростей, позволяющий найти связь между пере
мещением шарниров В и С параллелоrрамма (рис. 3.24, а).
3дe ь из полюса Р откладываются вектор V в скорости шар
ни.'f В (параллелъный АВ) и вектор V c скорости шарнира
С (перпендикулярный к СD) Концы вектора замыкает BeK
тор относительной скорости V CB (перпендикулярный к ВС).
Из треуrольника скоростей находим V С == V в tg У 1.
Далее от плана скоростей переходим к плану перемеще
ний. Для этоrо выбираем такой малый отрезок времени t, в
течение KOToporo шарнир В, двиrаясь со скоростью V B , пере
местится на величину ll. Тоrда шарнир С за тот же период
переместится на величину Sc == Vc t == Y B tgY1 8t ;::::: ll tgYl.
Уrловая поrрешность положения коромысла:
SC 1
ДУIЫ 1 == l3 == l3 tg УI Ы l' (3.48)
Из плана скоростей, изображеШIоrо на рис. 3.24, б, после
u
перехода к плану малыIx перемещении аналоrично находим
yrловую поrрешность коромысла, обусловленную поrpешнос
ТЬЮ ДJIШIы шатуна l2:
а)
б)
V CB
У2
Р.
(>(4&
z)
V CB
Рис. 3.24. П л.ань/, с"ороспtей u nеремеще-
нuй
1
Y li\ 1 2 == l l2.
зсоs У 1
(3.49)
Выражения (3.48), (3.49) идентичны соответствующим
формулам (3.46), полученным методом преобразования ис
ходной схемы устройства. Связь между поrрешностью OT
клонения луча визирным устройством и первичными по
rрешностями устанавливается формулами (3.47).
161
3.4.6. ВЕКТОРНО..МАТРИЧНЫЙ МЕТОД
Наиболее широкое распростране:Etие векторно"матричный
метод получил при нахождении передаточных q)ункций по
rрешностей зеркально призменных систем и поrрешностей
yr ломерных оптических приборов [11.19, 11.35]. Найдем этим
методом влияние коллимационной поrрешности зеркала ви
зирноrо устройства (см. рис. 3.22).
Коллимационная поrрешность K неперпендикуляр
ность нормали отражающей поверхности зеркала к собствен
ной оси качания при водит к тому, что при качании зеркала
ero нормаль описывает не плоскость начальноrо меридиана,
а поверхность конуса. Траектория следа нормали на сфере
будет отстоять от начальноrо меридиана на величину М,
а след визирной линии будет проходить через зенит и OTCTO
ять от надира на величину 2М. ДЛЯ определения поrреш
ности визирования вертикальных и rоризонтальных yr лов
найдем направление орта отраженноrо луча, паДaIOщеrо на
зеркало под уrлом Е, в случае, коrда зеркало имеет колли..
мационную поrреш ность ля этоrо введем прямоyrольную
систему координат Х , Y , Z местности, вертикальная ocь o"
торой со впадает с визирной осью (ортом падающеrо лучаА о ),
а ось Х с осью качания зеркала (рис. 3.25, а).
Запишем орт N направления нормали зеркала повернуто"
ro из исходноrо положе ния N o на yrол tJ( (рис. 3.25, б), а за..
тем BOKpyr оси качания Х на уrол Е:
N == 8;1 SK 1 N o ==
О )[ COSM О SinM )[ О )
sin Е О 1 О О,
COSE sinM О cos K 1
== [ 0 0 1 c Е
sin Е
(3.50)
rде 8;1 транспонированная матрица введения yrла пово"
рота зеркала; 8K 1 транспони ро ванная матрица введения
коллимационной поrрешности, N o орт направления HOp
мали зеркала в исходном положении при отсутствии колли
мационной поrрешности.
Последовательным перемножением матриц из выраже"
ния(3.50)получаем:
[ sintJ( )
N == sinE costJ( ·
cos Е cos tJ(
(3.51)
162
а) Z
б)
у
х
Z t 1- Zn
П
1
I
Zn
" .7
...,
, I
'
х
х n
. ..
I Ao
у
I
Д.../
J I
N t.N o
I
Рис. 3.25. Расположение зер"ала визирноzо ycп poйcтвa
Орт направления А' отраженноrо луча находи м , исполь
зуя матрицу действия плоскоrо зеркала М' на орт Ао направ
лени я падающеrо луча:
[ 1 2Ni 2NyNx
А ' ==М 'А о == 2NxNy 1 2Nf
2NxNz 2NyNz
== [ Z:Z: J .
1 2N
Подстановкой в (3.52) проекций орта нормали из (3.51)
получаем
2N zN х J[ O J
2NzNy О ==
1 2N 1
(3.52)
[ 2cos с: cos fll( sin tV( )
А ' == 2cos с: cos 2 fll( sin Е .
1 . 2cos2 с: cos 2 tV(
(3.53)
Из выражения (3.53) следует, что коллимационная по
rреmность вызывает поrреmность визирования rОРИЗ0нталь
ных yr лов 8М( первоrо порядка, а вертикальных iдк BTO
poro порядка малости:
8 АК == 2cos с: cos fll( sin fll( 2cos с: М;
iAК == 1 2cos 2 c:cOS 2 fll( (1 2cos 2 c:)
82
2COS2c: K2 М . (3.54)
2
163
3.5. СПЕЦИФИКА ОПРЕДЕJШНИЯ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ФУНКЦИЙ
НЕКОТОРЫХ пЕрвичных поrРЕШНОСТЕЙ
Рассмотрим влияние некоторых типовых первичных по
rрешностей на точность функционирования устройств.
3.5.1. ВЛИЯНИЕ ВЕКТОРНЫХ поrРЕШНОСТЕЙ
Определение передаточных (l)ункций векторных поrреш
ностей удобно выполнять путем разложения вектора направ
ления поrрешности на скалярные составляющие. Особенно
выrодно осуществлять это разложение так, чтобы одна из co
ставляющих не оказывала влияние на точность устройства.
Рассмотрим классический пример нахождения влияния
эксцентриситета крyrовой шкалы (лимба) на точность изме
рения уrлов (рис. 3.26, а). Эксцентриситет e несовпаде
ние оси вращения 01 с центром делений штрихов 02 приводит
К появлению поrрешности положения лимба. Расположим в
точке О} начало системы координат и, V, причем ось KOOp
динат Vнаправим через отсчетный индекс. Тоrда скалярная
составляющая вектора эксцентриситета по оси V (проекции
VДе) не приводит к поrрешности отсчета по лимбу. Поrреш
ность отсчета возникает только от составляющей вектора
эксцентриситета по оси И:
u Де 1.
!1ум == R == R sш Э!1е.
(3.55)
...... .....
../ "
...... /'
.
'.. 900, 1'800 2700 /3600
" " '/ ./'/
1 r 1 ' /7
" ......... //
" ...... .",
2 o... \
'е н == 1800 1 8н == 450 е 1l == 900
Рис. 3.26. Поерешность измерения уzл.ов из за эксцентриситеп а лимба
б) t дуn . ф
I
а)
"
"
\
\
)
I
+2
8 == 00 е 1l == 2250 е н == 2700
( / /
7
+1
164
rде R рабочий радиус лимба; е направление эксцентри
ситета (уrол между осью Vи вектором e).
В результате поrрешность измерения уrла поворота ли:м
ба запишется в виде
1
!1уп. фАе == R (sin ОТ sin Он)!1е ==
== [sin(y + он) sin Он]!1е. (3.56)
rде у уrол поворота лимба от начальноrо до текущеrо по
ложения.
Как следует из выражения (3.56), характер поrреmно"
сти измерения уrла зависит от начальноrо направления
вектора' эксцентриситета лимба. Это обстоятельство ил..
люстрируется для случая, коrда измерение производит
ся ОТ нулевоrо штриха rрафиками, изображенными на
рис. 3.26, б.
Из rрафиков видно, что только в частном случае, коrда
е н == о или 8 н == 1800, поrрешность представляет собой синусо"
иду. В остальных случаях rрафики поrрешности измерения
Yrла заключены между функциями (cos<p 1) и (1 cos<p).
В качестве BToporo примера векторной поrреmности рас"
смотрим влияние радиальноrо биения зубчатоrо венца коле
са на точность передачи движения от рейки (рис. 3.27).
Радиальное биение зубчатоrо венца обусловлено несовпа..
дением оси вращения колеса О с осью зубчатоrо венца 02, ко..
торое обозначим вектором /).е и направим под прои3вольныM
yr лом е к линии, соединяю
щей ось вращения и полюс за..
цепления Р. Разложим вектор
по осям и и v прямоуrольной
системы координат, начало
которой совпадает с осью вра
щения колеса, а ось и парал"
лельна линии зацепления
n n. Как видно из рисунка,
скалярная составляющая
вектора эксцентриситета по
оси V не приводит к допол"
нительному повороту колеса.
Составляющая по оси и вы..
зывает yr ловую поrрешность
положения колеса, равную
v
8е
\ .........8 02
\ \....
\ \, \
(о \ \ . U
\ 8 V e .."...,.....,..".
п+O e
,y
Рис. 3.27. Вл.ияние радиал.ьноzо
биения зубчаnl,ОZО венца "оле са
реечной передачи
165
8U Ае sin(a+8)
Д У == == e
Ае rO rcosa '
(3.57)
I'де ro и r радиусы основной и делительной окружности KO '
леса; а уrол зацепления.
Поrpеmностъ yr ла поворота колеса
!1уп ф6е == 1 [sin(y + а. + он) sin(a. + Он)]!1е, (3.58)
. r соэ а
rде у уrол ПОБорота колеса; 8 н начальное направление
вектора эксцентриситета колеса.
3.5.2. ВЛИЯНИЕ ЗАЗОРОВ В КИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАРАХ
Процесс определения влияния зазоров в кинематических
парах осуществляется в два этапа: 1) определение направле
ния и значения возможноrо смещения в зазоре подвижной
детали кинематической пары; 2) вывод формулы, связываю
щей поrрешность устройства с найденным смещением.
Рассмотрим влияние зазоров в направляющих толкателя
и в опоре вращения кулачка кулачковоrо механизма, ис
пользуемоrо для фокусировки объектива (рис. 3.28, а). Для
а)
.I
I
I
!
I
!
i
t
..
\
М вр \
б)
!L
Рис. 3.28. П оzрешности из аа зазоров в наnравляю
щих "ул.ач"овоzо механизма
166
определения направления возможноrо смещения подвиж
ной детали следует найти направления сил, действующих на
эту деталь. На толкатель действует сила Q постоянноrо Ha
правления, обусловленная замыкающей силой со стороны
пружины, весом смещаемоrо элемента и силами трения BHa
правляющих.
Действие силыI Q' при водит к возникновению силы peaк
ции R со стороны кулачка на толкатель. Составляющая этой
реакции Т приводит к опрокидыванию толкателя в пределах
зазора LlCl направляющих на уrол y == Сl/В,rде В база
направляющих. Точка контакта толкателя с поверхностью
кулачка из положения Ао переместится в положение А 1. Воз
никает поrрешностъ положения толкателя y Де
1
(L р )tg
УЛСl В Cl' (3.59)
rде L расстояние от оси вращения кулачка до центра базы
направляющих толкателя; р радиус вектор кулачка;
yrол давления.
Поrрешность перемещения линзы (без учета косинусной
поrрешности из за наклона толкателя) будет определяться
по формуле
1
уп. ФДС 1 == B [(L PT)tg T (L PH)tg H]ilCl' (3.60)
rде T' H' Рт' Рн текущее и начальное значения уrладавле
ния и радиус вектора кулачка соответственно.
В данном рассмотрении не была учтена сила трения в co
пряжении толкателя и кулачка. Для случая трения сколь
жения сила трения, направленная по касательной ( ) к по
верхности кулачка, F Tp == RfTP' rде fTP коэффициент трения.
При вращении кулачка против часовой стрелки сила трения
не изменяет значения ily c , найденноrо соrласно выраже
1
нию (3.59). При реверсировании движения сила трения меня
етнаправление на противоположное, что можетпривести киз
менению знака ily и, следовательно, к изменению знака ily Ас .
Знак ily изменится на противоположный при условиk
е == FTpcos > т == Rsin , т. е. при fTP == tg Ртр > tg , rде Ртр
yrол трения. Следовательно, в случае, коrда уrол трения CTa
новится больше уrла давления, происходит скачкообразное
изменение положения толкателя кулачковоrо механизма.
Одному и тому же положению кулачка соответствуют раз
ные положения толкателя, т. е. возникает поrреmность CTa
167
биJIЪНОСТИ (воспроизводимости) Yks из за зазора в направ
ляющих толкателя: !1Уltз == 2 y fJ.c .
1
Для определения влияния зазор C 2 в опоре вращения
кулачка наЙДем направление силы реакции со стороны под
шипника Rr, на цапфу. Это направление определится из усло
вия, что сила реакции RE. и суммарная сила Pr (обусловленная
действием силы Р со стороны толкателя на кулачок, весом
кулачка, силой трения F Tp ) образуют реактивный момент,
уравновешивающий вращающий момент М ВР. Направление
смещения центра цапфы в зазоре подшипника противопо
ложно направлению Rr" а смещение равно, без учета смазки,
половине зазора: SC == O,5 C2 (рис. 3.28, б).
Поrрешность положения цапфы по оси У, а следователь
но, и поrрешностъ положения толкателя и линзы из за за
зора будут определяться выражением
YAC2 == O,5cosa c2' (3.61)
rде а уrол между осью и реакцией Rr, т. е. направление
смещения.
Сама по себе эта поrрешность не опасна, так как леrко
компенсируется при юстировке устройства. Однако при по
вороте кулачка изменяется yrол давления, что приводит к
изменению yrла а и появлению поrрешности процесса функ
ционирования
Уп. фfJ. С 2 == O,5(cosa T cosaH) c2. (3.62)
Учтем теперь силы трения, действующие в подшипнике.
При вращении цапфы по часовой стрелке возникающая в
точ е контакта А сила трения F TP сместит цапq)у навстречу
движению. Направление силы реакции изменится на yrол
трения Ртр, точка контакта переместится в положение А',
центр цапфы перейдет в положение О' 1.
Поrрешностъ положения цапфы с учетом силы трения
YfJ.c2 == O,5cos(a + PTp) C2' (3.63)
rде знак при yrле трения определяется направлением враще
ния цапфы.
Исходя из (3.63) поrрешность стабильности (воспроиз
водимости), возникающая при реверсировании движения
из за смещения цапфы в зазоре под действием силы трения
в подшипнике
YksfJ.c2 == sinasinPTp C2 sinafTp c2. (3.64)
168
3.5.3. ВЛИЯНИЕ поrРЕШНОСТЕЙ НАВЕДЕНИЯ
И СЧИТЫВАНИЯ
Функционирование мноrих оптических при боров связано
либо с операциями совмещения изображения с маркой сетки
и последующеrо снят я отсчета по шкалам, либо с автома..
тическим формированием отсчета с помощью cooтвeTCTBY
ющих датчиков. Вследствие оrраниченной ocтpo'Fы зрения,
параллакса и друrих причин оператор не может абсолютно
правильно расположить (совместить) изображение относи"
тельно марки и оценить на rлаз расстояние от штриха шка..
лы до индекса, т. е. определить долю деления шкалы. Возни"
кают так называемые поrреmности наведения (совмещения)
и считывания, которые оказывают сильное влияние на точ..
ность работы приборов.
На рис. 3.29, а изображен штрих шкалы, который дол"
жен быть совмещен с индексом. Из"за оrраниченной остроты
зрения штрих шкалы относительно индекса оператор 1И!ОQКет
расположить с поrрешностью в пределах некотоIЮТО: поля
?ассеяния 20у, определяемоrо из выражения
оу == loy" == lkcr".5.10 6, (3.65)
rде оу, оу" половина вероятноrо поля рассеяния (подчиня"
ющеrося закону raycca либо композиции законов raycca и
равной вероятности [11.19]) положения штриха в линеЙНой
и yrловой мере соответственно; l расстояние от опера то..
ра до наблюдаемых марок (обычно равное расстоянию н,ан"
лучmеrо видения 250 мм); k коэффициент, учитывающИЙ
I
I
l I
Бу+ l '
f "' 4-
, 2Бу
б)
а)
Р(бу)
в)
l
r)
t 1
4""""""
\ {1
\
f
Рис. 3.29. Возни"новение nоерешностей наведения
169
доверительную вероятность рассеяния (например, для ДOBe
рительной вероятностир == 0,68 k == , дляр == 0,95 k == 2, для
р == 0,997 k == 3); а" среднеквадратичное значение поrреш
ности совмещения в уrловой мере (в среднем это значение
равно для нониальноrо совмещения 1 o 15", при совмеще
нии штриха с би mтрихом 6 8" и при наложении марок
30 60").
В 'случае, коrда наблюдение производится через окуляр
(лупу) (рис. 3.29, 6), поrрешность совмещения марок суще
ственво .уменьшается:
Бу == f' окпа" .5.1 o 6 == 250kcr". 5.1 o 6 /r 01{' (3.66)
rде f' ОК фокусное расстояние окуляра; r ОК увеличение
окуляра.
Исходя из (3.66) можно получить выражения, опреде
ляющие поrрешности работы для отсчетноrо микроскопа
и зрительной трубы, обусловленные поrреmностью HaBe
дении.
Для отсчетноrо микроскопа поrрешность положения на
блюдаемоrо объекта определяется выражением
оу == о;' == 250kcr" 5.1: 6 , (3.67)
rде увеличение микрообъектива; r видимое увеличе
вие микроскопа; Бу' поrреmность совмещения в плоско
сти окуляра.
Для зрительной трубы поrреmность положения объекта в
yr ловой И линейной мерах
kcr" Lkcr". 5.1 0 6
оу" == т; оу == r ' (3.68)
т т
rде r T увеличение зрительной трубы; L расстояние от
входноrо зрачка трубы до объекта наблюдения.
Поrрешности функционирования и стабильности (BOC
производимости) из за поrреmности совмещения марок, об
u u
условленнои .оrраниченнои остротои зрения оператора, co
ответственно
Буф == бут бун; (jYks == (jYk (jys,
(3.69)
rде бут, Бун поrреmности совмещения в текущем и началь
ном положениях диапазона функционирования; (jYk, (jys
поrpеmн@сти совмещения при k M И B M циклах повторноrо
ФУНКЦИОНИ:.РОВ8Ния.
170
Если марка и шкала находятся не в одной плоскости,. то
при поперечном сдвиrе зрачка rлаза оператора наблюда"
етс,я nараллакс поперечный сдвиr наблюдаемых ма.рок
друr относительно дрyrа. Возникает поrрешность наведения
из..за параллакса (рис. 3.29, в):,
YДP == /).pt/l, (3.70)
rде p расстояние между шкалой и маркой (продольный
параллакс); t сдвиr r лаза оператора.
При наблюдении через окуляр или лупу (рис. 3.29, е):
pt ptr ОК
/),УАр == "ОК 250 · (3.71)
Для отсчетноrо микроскопа поrрешность положения :на..
блюдаемоrо объекта из..за параллакса изображения и мар:ки
шкалы примет вид
ptrOK
YAp ==
250fЗ ·
(3:. 72)
Для зрительной трубы:
" ptr ок206265 . А У == L ptr ок ,
/),У == 250/' об ' Ll 250/' об
rде {' об фокусное расстояние объектива.
Наибольший сдвиr rлаза оператора определяется раз"
мером выходноrо зрачка прибора d'. При d' > d з . r' rде
d з . r зрачок rлаза (при хорошей освещенности равНЫЙ 1
2 мм), возможное смещение rлаза оператора равно- (;)1,5d',.
следовательно, rлавный луч, проходящий через центр сече..
ния пучка, сдвиrается на величину [11.35] t max == (d l 1)/2.
При d' < d з . r наибольший сдвиr rлавноrо луча t max == 1/4d'.
Таким образом, в измерительных оптических приборю{' чем
больше выходной зрачок, тем параллакс более опасен и тре"
бует обязательной ero юстировки.
Поrpeшности процесса функционирования и стабильности
из..за параллакса находят по выражениям, аналоrичным (.3.69)'.
Поrрешность снятия отсчетов по шкале возникает в случае,
Ko дa оператор оценивает на rлаз долю ее деления. И:оrреш..
ность такой оценки обусловлена оrраничеlШЫМИ психоq>изио"
лоrическими возможностями оператора, а также'параллаксом
штрихов шкалы и индекса. Даже при отсутствии параллакса
точность rлазомерной оценки весьма невысока. У тренирован"
ных операторов она, как правило, не преВОСХ0ДИТ O,1 ,05
(3. 73)
171
деления шкалы. Поэтому в случае, коrда необходимо снимать
отсчетыI с точностью до 0,1 деления и выше, применяются спе
циальные устройства нониусы, микрометры и т. п.
Как известно, поrрешность считывания по шкалам зави"
сит от интервала между делениями, освещенности, контра"
ста, толщины штрихов шкалы и содержит как систематиче"
скую, так и случайную составляющую.
Систематическая составляющая поrрешности оценки
доли деления постоянна для каждоrо оператора (но различ"
на для разных операторов) и заключается в том, что в зави..
си:мости от психики он приписывает отсчету всеrда большее,
либо, наоборот, меньшее значение, чем имеется на самом
деле. Значение этой поrрешности переменно и зависит от
значения оцениваемой доли интервала.
При расчетах поrрешность считывания целиком относят
к случайным (так как систематические поrрешности опера"
торов различны и заранее неизвестны). Наибольшее значе..
ине поrрешности отсчета находится по следующей формуле:
Ycmax == 0,5A п,
rдеА цена деления; п == 1; 0,5; 0,25; 0,2; 0,1 оценива"
емая на rлаз доля деления шкалы (при п, равной 0,2; 0,1,
формула справедлива только для хорошо тренированных
операторов). Расчет поrрешности считывания из..за парал"
лакса производят по формуле, аналоrичной (3. 70):
Yc == A pt/ln,
rде n интервал деления.
При автоматическом q)ормировании отсчета с помощью
датчиков поrрешность квантования приводит к невозмож"
насти оценки доли интервала между квантами (аналоrично
поrреmности считывания). случайная поrрешность отсчета
u
подчиняется закону равнои вероятности и может достиrать
значения «цены деления. А кванта п: Ycmax ==Ап.
Поrpешности процесса функционирования и стабильно..
сти (воспроизводимости) подчиняются закону Симпсона и
определяются выржениями,, аналоrичными (3.69):
Уп. ф == YCT YCH; 8,Ycks == Yck Ycs'
rде l:1YcT' YCH' 8,Yck, Ycs поrрешности считывания (кван"
тования) в конце и начале интервала функционирования и
при повторных k"M И S"M циклах функционирования соот"
ветственно.
172
'3.5.4. ВЛИЯНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ ЭЛЕМЕНТОВ
в точных приборах действующие силы и моменты, как
правило, невелики. Поэтому расчеты для оценки влияния
деформаций на точностные характеристики устройств обыч
но выполняют в случаях, коrда имеют место контактные
деформации высших кинематических пар конструктивных
элементов, консольный изrиб деталей и кручение валов.
Рассмотрим на элементарных примерах влияние подоб
ных деформаций на точность функционирования устройств.
Контактная деформация высших кинематических пар.
На рис. 3.30 изображена кинематическая схема окулярноrо
микрометра. Перемещение У ползуна связано с конструктив
ными параметрами винтовоrо механизма и уrлом поворота х
винта следующей зависимостью:
kp
У == 2л х,
rде k и р число заходов и шаr резьбы винтовоrо механизма.
Из за контактной деформации ! сферическоrо конца
винта и плоской поверхности ползуна возникает поrреш
ность положения сетки, равная этой деформации, которая
находится по формулам rерца:
p2 ( 1 1 ) 2
YAf== f 0,8 , (3.74)
r Е 1 Е 2
rдер действующая сила (определяется весом ползуна, си ,
лой пружины И силами трения в направляющих); r ради"
ус сферическоrо конца винта; Е 1 и Е 2 модули упруrости
материалов ползуна и винта.
В случае, коrда происходит контакт стали по стали, упру"
rая деформация может быть рассчитана по следующей упро"
щенной формуле:
.J!. fJ.f
fP2
t!.f 0,4 7'
@ (Jx
/ /77777 \2 '1
Рис. 3.30. Схем-а о"улярноzо м-и"ром-етра:
1 отсчетный винтовой .механизм; 2 nол
зун с сет"ой; 3 пружина
rде р подставляется в
ньютонах; r в милли..
метрах, а значение дe
формации получается в
микрометрах.
173
Поrрешность положения сетки из за контактной дe(pop
мации сама по себе не опасна и леrко компенсируется при
сборке юстировкой начальноrо отсчета. Однако в процессе
работы возникает изменение действующей силы (из за пе
peMeHHoro значения силы пружины, нестабильности силы
трения и изменения ее знака при изменении направления
движения ползуна), что приводит к изменению деформации
и появлению поrрешностей процесса функционирования и
стабильности (воспроизводимости), выражения для которых
соrласно (3.24) и (3.25) будут иметь вид:
8,Уп. фАf == 8,у AfT 8,у AfH == 8,/T 8,1 н;
I1YksAf == 8,У Afk 8,У Afs == 8,l k 818'
rде 8YAfT' 8,YAfH' 8,YAfk' 8,YAfs' 8,IT' 81 н , 8,l k , 8,ls поrрешности
положения сетки 8,У и деформации 8,/, соответствующие rpa
ницам диапазона функционирования и циклам повторноrо
функционирования.
Контактная деформация контролируемой на сферометре
линзы, возникающая в трех точках шаровых опор (фрarмент
функциональной схемы сферометра изображен на рис. 3.31),
обусловлена весом линзы и может существеlШО влиять на точ
насть контроля радиусов кривизны [111.37].
Контроль радиуса сферы R поверяемой линзы 3 произво
дится путем измерения стрет<и проrиба у поверхности изме
рительной пинолью 1 с последующим вычислением радиуса
микропроцессором по формуле
D 2 у
R == 8у +2 + r, (3. 75)
1
rде D диаметр
опорноrо кольца 2;
r радиус шаровой
опоры (для воrнутой
поверхности знак
« + », для выпуклой
»).
Контактная дe
формация в точках
опоры линзы 8f л , об
условленная весом
линзы Р определя
Рис. 3.31. Фраzмент сферомеmра: '
измерительная nиноль; 2 опорное кольцо; ется из следующеrо
3 поверяемая линза выражения:
3
р'
174
f == о 8255 3 N 2 ( R + r )( l L 1 J.l ) 2 ( 3.76 )
Д л' rR Е ш Ел '
rде N == (Р Q) / (3cosa) == P'cosa сила нормальноrо давле
ния на опору; а yrол давления; Q мерительное УСИJШе IIИ
ноли; Е ш , Ел , Jlш' J.lл модули упрyrости И коэффициенты Пу
ассона материалов опорных шаров и линзы соответственно.
Поrреmность измерения стрелки проrиба из за KOHTaкT
ной деформации определяется выражением
y А' == ! cos а.
Поrреmность измерения радиуса кривизны из за KOHTaKT
ной деформации при этом
дR м == ( : + 0,5 )ДУМ'
Консольный изrиб. Рассмотрим влияние консольно
ro изrиба fи кулисы кривошипно кулисноrо механизма
(рис. 3.32) под действием силы движения (сопротивления) F
.):а точность перемещения кулисы.
Закон передачи движения от кривошипа к кулисе имеет
вид:
у == Rsinx.
Поrрешность положения кулисы из за fи
F l3 F(R cos х)3
ДУМ и == дfи == 3EJ 3EJ '
rде R длина кривошипа; Е модуль упруrости материала
кулисы; J осевой момент инерции кулисы; для цилиндри
ческоrо сечения диаметром d
тtd 4
J == 64 ·
дfи
Поrрешность процесса
функционирования (пере
мещения кулисы) соrласно
(3.24) запишется в виде:
FT(Rcos х т )3
Y х
п. фАf и 3EJ
F H(RcoSXH)3
х Рис. 3.32. К р ивошипно к у лисн.ый Mexa
3EJ · низм
F
l
V 11 р If
//Т/77
У
175
@::
..
-.
М вр
l
Рис. 3.33. Фотоэле"n ричес"ий уtловой даnl,чи"
Поrреmность стабильности (ynруrий мертвый ход) в COOT
ветствии с (3.25) будет записана:
(RCOSX)3
dYksAf =:: 3EJ (F k Fs).
Кручение валов. На рис. 3.33 изображена упрощенная
схема фотоэлектрическоrо преобразователя уrловоrо дви
жения.
Поворот вала 1 с закрепленныIM на нем растром 2 преобра
зуется фотоэлектрической отсчетной системой в серию счет"
Hыx электрических импульсов.
Под действием моментов движения и сопротивления вал 1
будет скручиваться на некоторый уrол dq>CK' который может
быть рассчитан по известной формуле:
М B p l
dq>CK GJ '
rде М вр момен.т вращения (сопротивления); l paCCTO
яние от рабочеrо (измерительноrо) конца вала до растра;
G модуль сдвиrа материала вала; J =:: 1td 4 /32 полярный
момент инерции вала диаметром d.
Скручивание вала будет приводить к поrреmностям изме
рения и стабильности, выраженным в соответствии с (3.24) и
(3.25) в следующем виде:
Y == Ll(n Y == (n Дln
П. фА<рск 't'CK; ksA<PCK 't'CK k 't'CK8.
Упрyrий мертвый ход, возникающий при реверсивном дви
жении, будет равен удвоенному значению скручивания вала:
ДJ..l.Л<РСК == 2д<рск.
176
3.5.5. ВЛИЯНИЕ ПЕРВИЧНЫХ ПОrPЕШНОСТЕЙ
И ФАКТОРОВ НА поrРЕШНОСТИ ФОКУСНЫХ РАССТОЯНИЙ
ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Поrрешности фокусных расстояний объективов, окуляров
и друrих силовых ЭЛ,ементов оптических систем приводят к
поrрешностям функционирования приборов, вызывают pac
фокусировку, параллакс, непараллельность визирных осей
бинокулярных при боров И друrие деq)екты.
Поrреmности фокусных расстояний возникают из за пер
вичных поrрешностей изrотовления и сборки деталей, по
rрешностей показателей преломления их материалов, OT
клонения температуры от номинальноrо значения.
Рассмотрим влияние указанных первичных поrрешно
стей на фокусное расстояние простейmих силовых оптиче
ских элементов (рис. 3.34). '
Оптическая сила одиночной линзы, находящейся в возду
хе (рис. 3.34, а), определяется выражением:
1 ( 1 1 ) d(n 1)2
Ф== ==(п 1) + .
f rl r2 nrlr2
Влияние каждой первичной поrрешности линзы на ее фо
кусное расстояние находят дифференцированием выраже
ния для оптической силы по параметру , являющемуся ис
точником поrреmности:
а)
/'n 1(f3A, а, V 1 )
в)
r2
...... /
.
D
..,,
nl( 1' V 1 ) n2(У2, У 2 )
\
/
<( :--.,
Z
d
б)
:. "\-.
i./ '
z)
fl(F 1)
'"
f 2 (F 2 )
!.
d э
Рис. 3.34. Опти чес"ие элементы
177
[ 1 1 d(n2 1) ] {'
fJ.f!J.n == f,2ДФ!J.п == {'2 2 fJ.n дn;
rl r2 n rlr2 . n 1
2 2 [ n 1 d(n 1)2 ] {,2(n 1)
fJ.f T == ' ДФм == f 2 + 2 Дl.1 2 L\ r 1;
1 1 rl nrl r2 rl (3. 77)
[ n 1 d(n 1)2 ] f'2(n 1)
дf!J.r == f2fJ.ф!J.r == (2 2 + 2 дr2 2 дr2;
2 2 r2 nrlr2 r2
f'2(n 1)2
fJ.f!J.d == f,2fJ.Ф!J.d == fJ.d,
nrlr2
rде Ф оптическая сила линзы; n, rl, r2, d, д.n, д. r l' д. r 2,
д.d конструктивные параметры линзы (показатель пре
ломления материала, радиусы кривизны рабочих поверх
ностей, толщина по оси) и их поrреmности соответственно.
Так как допуски на поrреmности радиусов кривизны
задаются числом колец Ньютона (как отступление от эта
лонных радиусов пробных стекол), то учитывая зависи
мость между радиусом, световым диаметром линзы D и
стрелкой проrиба h D 2 j(8r), можно записать следующее
выражение:
{,2(n 1)8 r 1 2 {,2(n 1)4л.
д.f' и == д.f' N == I 2 2 ' М == 1.. 2 N 1 2, (3. 78)
1,2 1,2 r1,2 D D'
r де л. длина волны света при контроле по пробному CTe
клу; М == ('Aj2)N значение стрелки проrиба между по
u u u
веряемои и эталоннои поверхностью, заданнои в кольцах
Ньютона N.
ДЛЯ одиночноrо сферическоrо зеркала с наружным OTpa
жением (рис. 3.34, б) фокусное расстояние равно половине
радиуса, поэтому 1Jыражение поrреmности фокусноrо pac
стояния примет вид
, д.r f' 4f' r'Л. 8f,2 r 'Л.
д.f r==2==7д.r D 2 N D 2 N. (3.79)
Для склейки из двух тонких линз (рис. 3.34, в), учитывая
условие ахр6матизации vlfl == V2f'2 (Уl' У2 коэффициенты
дисперсий стекол) и слабое влияние поrреmностей радиусов
кривизны склеиваемых поверхностей, получим
1 У2
Ф Э == f ' == Ф 1 + Ф2 == Фl(1 );
э Уl
178
fэ "'"
( f' Фl ) 2 0n12 + [ f' ФIV2 ] 2Оn22 +
nl 1 (п2 1)Уl
+[ f' (;> 1) ]2or12+[ f' (;:2 1) JOr4 2 . (3.80)
Оптическая сила двух линз или системы линз, состоящей
из двух компонентов, расположенных на расстоянии d э друr
от друrа (рис. 3.34, z),
Ф Э == Фl + Ф 2 ФI Ф 2 d э.
Поrрешность расстояния d э или ero изменение на величи
ну 8,d э приводят к поrрешности или изменению фокусноrо
расстояния системы на величину
8,f'эм' == fэ28,Фэм == fэ 2Ф I Ф 28,d э . (3.81)
э э
Отклонение температуры от номиналъноrо значения (за KOТO
рое при:нимают 20 ОС) приводит К изменению радиусов кривиз
ны, показателей преломления стекол, толщин JШНЗ и воздym
НbIX промежутков между ними. Для отдельной тонкой линзы
(пренебреrая изменением ее толщины) изменение фокусноrо
расстояния опредеJШМ из выражения, найде:нноrо дифферен
цированием приведе:нной вьпnе формулыI для силы линзы по
изменяющимся из за отклонения температуры параметрам:
I1f' == f,28,ф == f'2 [ /)"nt,.t Ф (n 1) ( 8,r 1A t 8,r 2A t )] ==
At At n 1 r1 2 r2 2
== f'2 [ Рл./)"t Ф (n l)a ( J.. ) 8,t ] ==
n 1 rl r2
== f'2 [( Рл. а ) Ф8,t ] == f,2VФ8,t== f'V8,tJ (3.82)
n l' t t
rде 8,nAt == Рл.8,t изменение показателя преломления MaTe
риала стекла линзы при изменении температуры на 8,t (Рл.
температурное приращение показателя преломления для
длины волны светал.); rl,2At == rl,2a t изменение радиусов
кривизны поверхности при изменении температуры (а
коэф(рициент линейноrо расширения материала линзы);
V t == Рл. 1 а термооптическая постоянная материала.
п
Для склейки из двух линз будем иметь:
179
f' э t == f' э 2(Фl V 1t + Ф2V2t) t, (3.83)
rде f э фокусное расстояние склейки; Фl' Ф2 силы ком..
понентов; V 1t , V 2t термооптические постоянные материа"
лов компонентов.
Для зеркала
8f I1t == ral1t /2 == f' al1t,
rде а коэффициент линейноrо расширения материала зер"
кала.
3.6. ВИДЫ И МЕТОДЫ РАСЧЕТОВ ТОЧНОСТИ
ПРИБОРОВ И ЭЛЕМЕНТОВ
Как было сказано выше, rлавными задачами точ,1l0ст1l0
80 синтеза проектируемых изделий являются оптимизация
принципа функционирования, схем, конструктивных пара"
метров и расчет допусков на первичные поrреmности исходя
из требований техническоrо задания (ТЗ) к точности с уче"
том условИЙ производства, эксплуатации, требований соот"
ветствующих rOCTOB, стоимости и Т. д.
Задачи точностноrо анализа заключаются в оп еделении
количественных оценок точности (суммарной поrрешно"
сти) проектируемоrо устройства при выбранных в ПрGцессе
ero проектирования принципе функционирования, схемах,
конструктивных параметрах, допусках на элементы с уче"
том известных влияющих факторов.
На рис. 3.35 пред ставлены схемы синтеза и анализа точ"
ности изделий, rде I1Yvd допустимое значение суммарной
поrрешности (точность) изделия из ТЗ, 8Yr суммарная по..
rреmность изделия. .
В связи с этим расчеты, выполняемые для целей точност"
Horo синтеза изделий, принято называть nрое"тными (их на..
зывают также прямой задачей точности), а расчеты для целей
анализа nроверочftыми (или обратной задачей точности).
Существует значительное количество различных методов
проектных и проверочных расчетов точности изделий, об..
ладающих теми или иными преимуществами либо недостат"
ками по сравнению друr с дрyrом [11.15, 11.17, 11.39, 11.40];
некоторые из них будут рассмотрены ниже.
В целом следует заметить, что использование только тради"
цио:нных проектных методов, плохо поддaIOЩИХСЯ q)ормали"
180
а)
Вл-ияющие фа"торы
Условия производспtва
f1q}
f1q2
f1y vd
м епtоды синтеза
CтaHдapп ь!' . Cп oиMocп ъ
f1Qn
б)
Аналоzи Cп aHдapп ы
f1ql
Onып f1q2
м eп oды
анализа
ДУЕ.
< f1y vd
CтoиMocп ъ
Действителъность (влияющие фа"торы, возможности nро-
изводсп ва, xapa"п epиcти1Cи унифицированных и cп aHдap
пtиаованных устройств и эл-ементов и пр.)
Рис. 3.35. Синтез (а) и анализ (б) точности изделий
зации из за значительноrо числа факторов (конструктивных,
технолоrических, экономических и др.), которые необходимо
ytШтывать при расчетах, или только проверочных методов, не
позволяющих оптимизировать параметры и допуски (задавае
мые обычно по аналоrии с прототипом или на основании oIIыIаa
разработчика), обычно приводит к неоптимальной конструк"
ции проектируемоrо изделия с позиции точности [11.39].
Целесообразно задачи синтеза и анализа точности изделий
при проектировании решать с применением комбинированно"
ro метода, ocHoBaнHoro на совместном примене:нии взаимосвя
занных дрyr с друrом проектных и проверочных расчетов.
3.6.1. КОМБИНИРОВАННЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА ТОЧНОСТИ
Этот метод основан на том, что первоначальный синтез
допусков на первичные поrрешности осуществляют с помо"
ЩЬЮ одноrо из известных методов проектноrо расчета, затем
выполняют корректировку допусков, а управление коррек"
тировкой производят с помощью проверочноrо расчета.
Расчет носит итерационный характер и состоит из четы
рех этапов (рис. 3.36).
181
На э т а п е 1 определяют начальные значения допусков,
используя один из проектных методов:
На э т а п е 1 1 , анализируя результаты расчета, принима
ют одно из следующих решений:
а) допуски технолоrически невыолнимыы или допустимые
значения влияющих факторов, а также поrрешностей покyn
ных изделий превосходят их фактические значения, Tpe
буется вернуться на предшествующие этапы проектирования
в целях изменения проекта (изменени.f.[ конструктивных па
раметров, характеристик покупных изделий, введения KOM
пенсаторов, изменения схемы, конструкции или физическо
ro принципа функционирования) [11.19];
б) допуски выполнимы, однако необходима корректиров
ка их значений, осуществляется переход к этапу KoppeK
тировки;
в) допуски на первичные поrреmности приемлемы (TeXHO
лоrически ВЫПОЛНИМЫ, не превосходят их фактических зна
чений, экономически обоснованы, обеспечивают заданную
Предшествующие
этапы
про ехтиро ваН,ия
п ервоначал.ьный
синтеа допУС1Сов
Проверочнъ/,й
расчет
(аналиа
точност-и)
Анали.з
реаультатов
Koppe"ти
ров"а
Последующие этапы,
про ехтиро ваН,ия
м етодь"
. Равных доnус"ов
· Соответствия "оэффициентам
влияния
. Учета э"оном-ичес"их фа"торов
. Друеие
· м ax min
· Квадратичес"оzо сум-м-ирования
· Ренча
· Вероятностный
· Монте Карл.о
. Друеие
Учет
111
· rОСТов
· Условий проиаводства
· Ком-nенсаторов
· Стоим-ости
. Друеих фа"торов
Рис. 3.36. Расчет доnус"ов и точности устройств при прое"тировании
("ом-бинированный м-етод)
182
точность q)ункционирования прибора) возможен переход
к последующим этапам проектирования.
На этапе III корректировку допусков выполняют с тем,
чтобы окруrлить их до значений, соответствующих бли
жайшему квалитету точности или до действительных
значений используемых стандартизованных и унифици
рованных (покупных) элементов и устройств, учесть дей
ствия компенсаторов, условия производства (например,
расширяя допуск на трудновыполнимые поrрешности и
ужесточая er(} на леrко выполнимые), экономические и
друrие факторы, которые не моrли быть учтены на этапе 1
расчета.
Рациональное выполнение этоrо этапа в значительной
мере зависит от опыта конструктора. Для более целенаправ
ленной корректировки следует руководствоваться коэq)q)и
циентами влияния поrрешностей, а также ориентироваться
на уровни точности технолоrических процессов изrотовле..
ния и сборки деталей (см. п. 1.2.3 и п. 1.3.9).
На э т а п е 1 V выполняют проверочный расчет с тем,
чтобы оценить качество корректировки, получить значения
суммарной поrрешности и принять решение об окончании
расчета. Достоверность результатов проверочноrо расчета
в существенной мере зависит от используемоrо метода.
Рассмотрим более подробно некоторые методы, которые
MorYT быть использованы при выполнении 1 и IV этапов
расчета.
3.6.2. МЕТОДЫ ПРОЕктноrо РАСЧЕТА ДОПУСКОВ
Первоначальный синтез допусков на первичные поrреш"
ности и значения влияющих факторов может быть осуществ"
лен различными проектнымй методами [11.15,11.17], три из
которых получили наибольшее распространение при расчете
точности функциональных устройств оптических при боров
[11.39, 11.40] и представлены в табл. 3.3.
Метод равных допусков основан на том, что CYМMap
ный допуск на точность функционирования устройства или
прибора I1Yvd вначале распределяют между частичными по
rрешностями (влияниями), причем это распределение ocy
ществляют пропорционально передаточным функциям
(коэффициентам влияния) первичных поrреmностей и фак"
торов [11.15, 11.41, 11.42]:
183
Aq 2
8.Yvd == 8.Yv(l n 1 + 8.Yv(l n -+: ... + 8.Yvd п п
LA qi LA qi LA qfl
i i i
в этом случае допуски на первичные поrрешности и q)aк
торы получаются одинаковыми. Для случайных первичных
поrреmностей, подчиняющихся центрированному закону
raycca, имеем:
Ь. у v(l
8q == 8q} == 8q2 == 8qn == tA i ·
1
В общем случае, при наличии систематических составля
ющих случайных поrреmностей и отличии их закона рассея"
ния от нормальноrо (raycca), формула имеет вид
(3.84)
бq ==
ь.у vd
(3.85)
n n
LAq.C q + LA .K .
t .. t i 1 l
Метод равных допусков можно применять только для oд
нородных первичных поrреmностей, передаточные функции
которых имеют одинаковую размерность (например, при
расчете допусков на центрировку линз объектива, исходя из
допустимоrо значения комы). Он обладает тем д стаТ !!I.J..
что в случае сильноrо влияния одной или нескольких пер
вичных поrрешностей устройства расчетный допуск на все
поrрешности получается жестким. Для технолоrических по..
rреmностей это означает, что требуемая точность устройства
(суммарный допуск) достиrается за счет точноrо изroтовле"
ния всех деталей. .
Экономически это, как правило, неоправданно, тем более
что часто значения допусков в некоторых случаях получают
с,я невыполнимыми.
М етод соответствия доnус"ов "оэффициентам влияния
основан на том, что суммарный допуск распределяется рав"
нозначно между частичныIии поrреmностями (ВЛИЯlШями):
Аql б q} ==Аq2 б q2 == ... ==AQnoqn,.
Для первичных случайных поrреmностей, не имеющих
систематических составляющих и распределенных по зако
ну raycca, получим
184
Методы npoexmnozo расчета доnусхов
Расчетная формула
Метод
Равных
допусков
Соответствия
коэффициентам
влияния
Учета
экономических
факторов
Zбq
I .
>'
8q == 8ql == 8qn ==
ДУvd
n
Aq.Cq. +
i 1
Табл.ица 3.3
n
" А 2 к 2
L.J qt qt
t
oq. == /1Yvd .
l Aqi(C qi + Kqt)A o '
Ао nс + О, 5n l + o,25nl + n2
A 8q == l1Yvd;
i i
n Т.
min[ZDqt] == p ;
i uqi
при р == 1, Т == 1 (изrотовление деталей):
oq. == /1Yv(1 .
l .I Aq i:Aq. '
t t 1
прир == 0,5; Т == 1
8q i ==
11 у v(l
A2/3 А 2 / 3
qi qt
t
1
. А 2 8 q == 8 У ·
L.J qt l vd,
t
n
min[ZБq,] == T i 8qr P ' ;
i
прир' == 0,5; Т' == 1 (сборка деталей)
8qi==
ДУvd
A:I
(ТЗ.З.1)
.
,
(ТЗ.З.2)
185
8 . == 6.Yvd
qz Aqi-{n.'
в общем случае допуск [11.18]
(,q. == !1Yvd (3.86)
z Aqi(Cqi + Кqi)Л-О '
rде Л-О коэффициент, учитывающий количество и вид дей
ствующих поrреmностей (влияний).
Приближенное значение этоrо коэффициента может быть
вычислено по следующей формул е [11.19]:
Л-О == nс + О, 5n l + O,25nl + n2, (3.87)
rде nс число систематических частичных поrреmностей;
nl и n2 числа случайных частичных поrреmностей, имею
щих и не имеющих соответственно систематических COCTaB
ляющих.
Допуски на первичные поrреmности (и влияющие факто
ры) здесь получаются разными, в зависимости от значения
передаточной функции (коэq)фициента влияния) первич
ной поrреrпности. Такой способ первоначальноrо расчета
допусков более рационален, так как применим для разно
родных поrреmностей и учитывает степень влияния каж
дой поrреmности и Q)aKTopa. Недостатком этоrо метода, как
и предыдущеrо, является то, что рассчитанные допуски на
технолоrические первичные поrреmности получены без уче
та экономических факторов.
М етод учета экономических факторов (при расчете дo
пусков) основан на условии обеспечения заданной точности
прибора (устройства) при минимизации затрат.
Так как при изrотовлении деталей затраты Z(8q) на BЫ
полнение допусков (см. п. 1.2.3) увеличиваются с повыmе
ни ем точности, т. е. с ужесточением допусков (см. рисунок
в табл. 3.3, кривая 1), то выражение для расчета допусков
находится из системы:
n 2 2
LAqi 8q i == 6.Yvd;
i
(3.88)
n Т.
L (, ;р ; == min,
i qi
rде T i коэффициент пропорциональности для выражения
допуска в единицах стоимости; р > о показатель степени.
186
При решении этой системы с помощью неопределенных MHO
жителей Лarранжа и условий (T i == 1, р == 1) получим [11.15]
ДУvd
8q i == ·
AqitAqi
1
(3.89)
При допущении менее сильной зависимости стоимости
изrотовления деталей от допусков (р == 0,5) получаем соrлас
но [11.43]:
(jqi ДУVd . (3.90)
А2/з .l А 2 / 3
,qi .V qi
l
Этот способ распределения cYMMapHoro допуска учиты
вает только затраты, связанные с изrотовлением деталей.
Затраты на сборку деталей не учитываются. Однако стои
мость сборки деталей особенно при автоматизации сбороч
ных процессов зависит от поrрешностей их изrотовления
(см. рисунок в табл. 3.3, кривая 2) и уменьшается с повыше
нием точности (при ужесточении допусков). Если учитывать
только затратыI на сборку, то допуски на первичные поrреш
ности MorYT быть найдены исходя из решения системы, aнa
лоrичной вышерассмотренной:
n 2
LAqibq == ДУvd;
i
n ,
" Т' . 8 q 2p == min
l. ,
. l
l
(3.91)
rде Т' коэффициент для выражения допуска в единицах
стоимости, р' показатель степени, учитывающий зависи
мость между стоимостью сборки деталей и поrреmностью
их изrотовления. Решение системы можно осуществить Me
тодом неопределенных множителей Лаrранжа. Положив
р' == 0,5, T'i == 1, т. е. при условии пропорциональноrо влия
ния поrрешностей на стоимость сборки, получаем функцию
Ф f T'/)q + L [ fA:.Oq Д У d ] == min,
i t l
rде L неопределенный множитель Лаrранжа.
Дифференцируя эту функцию по L и 8qi, получаем систе
му уравнений:
187
8Ф , 2 .
aOqi Т j + 2LAqjoqj . О,
БФ n
aL == AqiOqi LlYvd == О,
откуда
n n [ Т ' ] 2
2 2 2 i 2
LA q . 8Q i LAq. 2 -Yvd
.1 .1 2LA
l qi
и далее
[ Т' . ] 2 1/2
А 2 1
n qi 2LA 2
L == L qi ·
t Д у 2
vd
Следовательно, допуски определяются по формуле
Т'.
1
oqj == 2LA 2
qi n 2 [ Т'. ] 2
2А: LA qi 2A
t qi
Окончательно формула для расчета допусков примет вид
oqj== A:i '
Как видно из rраq)ика (см. рисунок в табл. 3.3, кривая 3),
имеется оптимальная зона допусков на поrрешности изrо
товления деталей, учитывающая затраты и на изrотовление,
и на сборку. Если исходить из суммарных затрат, то анали
тическое выражение для расчета допусков может быть полу
чено при решении следующей системы уравнений:
п 2
LAq; 8Q; == I1Yvd;
t
I1Yvd Т' i
(3.92)
L n Т. L n 2
1 + Т' i 8 Q l 'P' == min.
t 8Q P i
(3.93)
188
Недостатком способов расчета, учитывающих экономиче
ские q)акторы, является то, что они MorYT быть применимы
только для технолоrических поrрешностей, причем имею
щих одинаковую размерность передаточных коэq)q)ициентов.
Следует заметить, что (рормулы для расчета допусков не
учитывают наличие систематических составляющих слу
чайных поrрешностей' и отличие законов рассеяния от нор"
мальноrо (т. е. справедливы лишь для поrреmностей, подчи
няющихся центрированному закону raycca).
Кроме Toro, следует отметить отсутствие современных ис..
следований зависимости стоимости изrотовления и особенно
сборки деталей при условии широкоrо использования aBTO
матизированноrо оборудования и r АП rибких автомати..
зированных производств (т. е. следует признать, что кривые
на рисунке в табл. 3.3 носят качественный характер).
В связи с этим методику расчета допусков в общем случае
целесообразн'О осН,овывать н,а втором методе, zae допуски пo
лучаются различН,ыми и зависят от стеnеН,и влияН,ия каж
дой nоzрешН,ости и фактора, а экоН,омическую стороН,у вo
nроса можН,о учитывать с помощью экоН,омическuх уровн'ей
точН,ости техН,олоzических процессов (см. пп. 1.2.3 и 1.3.9)
н,а этапе корректировки допусков.
Перечисленные методы первоначальноrо расчета допу
сков основываются на линейной теории точности, что накла
дывает следующие условия на возможность их применения:
значения поrреmностей достаточно малы; значения поrреm
ностей в степени 2 и выше (высших порядков малости) прене
брежимо малы; первичные поrреmности взаимонез8ВИСИМЫ.
3.6.3. МЕТОДЫ ПРОВЕРочноrо РАСЧЕТА ТОЧНОСТИ
Проверочный расчет позволяет получить значение cyм
марной поrреmности yr" характеризующей точность проек
тируемоrо устройства, и оценить правильность назначения
допусков на первичные поrреmности (т. е. управлять KoppeK
тировкой допусков, добиваясь условия, чтобы Yl. < Yvd ).
Проверочный расчет может быть выполнен на основе как
линейной, так и нелинейной теории точности. Расчеты pe
зу льтирующей поrреmности в рамках указанных теорий MO
rYT проводиться без учета и с учетом случайноrо характера
технолоrических и друrих поrреmностей, для чеrо использу
ются вероятностные и статистические методы.
189
с учетом случайноrо характера ряда первичных поrреш
ностей в рамках линейной теории точности выражение (3.36)
можно записать в следующем виде [11.18,11.19]:
п с пl
ду}: == дусr, + oyl. == LАqiдqi + LAqiCqiOqi +
i i
1 2....r2 2 1 2 2.... 2
+ LAqiKqiOQi + LAqi K qi 8Qi ,
i
(3.94)
rде ДУСl. систематическая составляющая суммарной по
rреmности устройства, обусловленная действием неслучай..
ных первичных поrреmностей и факторов, а также систе
матическими составляющими случайных поrреmностей;
8yr, случайная составляющая суммарной поrреmности
устройства, обусловленная действием случайных поrреmно
стей и ч)акторов.
Так как передаточная функция (коэфq)ициент влия
ния) Aq первичной поrреmности может содержать кроме
неслучайной Ас также и случайную Av составляющую (на
пример, для векторных поrреmностей) Aq == AcAv, то неслу
чайное (систематическое) значение частной поrреmности
определится
Д УА qi ==АсМ(Аv)Д Q ==A c M(A v )C q 8Q ==Ac C p 8q,
rде M(Av) математическое ожидание случайной COCTaB
ляющей передаточной (рункции первичной поrреmности;
С р == M(Av)C q коэффициент, учитывающий систематиче
скую составляющую частичной поrреmности.
Для векторных первичных поrреmностей
1 2п
M(Av) == 2 fAvdQ,
1t о
rде Q направление вектора поrреmности, изменяющееся в
пределах от 00 ДО 2п.
Отклонение действительноrо закона рассеяния частичной
поrреmности от закона raycca учитывается коэq)фициентом
Кр [11.18]:
Кр == (j2(Av)(K + 9C ) + M2(Av)K ,
rде (j2(Av) среднее квадратическое отклонение случайной
составляющей передаточной функции первичной поrреmно
сти; для векторных поrреmностей:
190
1 2п
(j2(Av) == 2 fA dQ.
1t о
в связи с вышеизложенным в общем случае выражение
(3.94) может быть записано в следующем виде:
п
l1yl.. == !A qi l1qi + LAcCp;Oqi +
i i
+ r К;/)q + f К;iоq .
i i
(3.95)
Наибольшее распространение на практике получили сле
дующие методы проверочноrо расчета (рис. 3.36): max min,
квадратическоrо суммирования, Ренча, вероятностный,
Монте Карло. Существенное различие указанных методов
состоит в способах вычисления результирующей поrрешно
сти l1yl..' являющейся следствием действия случайных пер
вичных поrрешностей [второе и третье слarаемые выраже
ния (3.95), q)ормулы табл. 3.4).
При расчете по методу max min случайным поrрешностям
присваиваются предельные значения допусков, полученные
на основе первоначальноrо расчета и корректировки, а pe
зультат их действия находят алrебраическим суммировани
ем при самом неблаrоприятном их сочетании:
n
l1yl.. == L (A qi 8q i)max.
(3.96)
Этот метод расчета дает значительно завышенное значе
ние l1yl.. по отношению к тому, что получается на практи
ке при назначенных допусках на первичные поrрешности.
Особенно это проявляется при большом числе случайных
поrрешностей, так как вероятность Toro, что все эти по
rрешности при м У т предельные значения, причем в худшую
сторону, ничтожна. При коррек тировке допусков данный
метод проверки приведет к неоправданному ужесточению их
значений.
Результирующую поrрешность по MPmo i}Jj KBaap.aтUlke..
СКО80 суммирования определяют по следующей формуле:
n
l1yl.. == L (A qi 8qi)2.
i
(3.97)
в большинстве случаев этот метод дает заниженное значе
ние l1yl.. по сравнению с практическим результатом, так как
191
Таблица 3.4
Методы, nроверо'Ч,н,оzо рас'Ч,ета точн,ости
Метод Расчетная <ромула
n
Max min Y'E == (A qi 8q i)max
i
r n
Квадратическоrо l:1y'L == , (А qi 8qд 2
суммирования
( Лli8qi)mах , n
Ренча Y'E == \ L (A qi 8qi)2
i
nl nl+n2
Вероятностный l:1y'L == LAc} C pi 8qi + \ L (.Ас} К рt 8qд 2
i i
Монте..Карло Yl.j == f(x, qд fo(x, qo)
Для векторных поrрешностей:
1 2п
С р == M(Av)C q ; М(А у ) == 2"" JAydQ;
1t о
Кр == (J2(Av)(K + 9C ) + M2(Ay)K ;
1 2п q
а2(Ау) == 2"" JA dQ; с == == oq / 8q + а
1t о q 8q q
здесь не учитываются систематические составляющие слу"
чайных поrреmностей и вид закона рассеяния. При коррек"
тировке допусков данный метод приведет к излишнему рас"
ширению их значения. В частном случае, коrда первичные
поrрешности и факторы не имеют систематических состав"
ляющих (центры полей рассеяния совпадают с номиналом) и
их рассеяние подчиняется закону raycca, метод квадратиче"
cKoro суммирования позволяет получить значение l1у'Е' близ"
кое к практическому (т. е. правильный результат).
Расчет по методу РенчаIII.44, 11.45] устраняет завышен..
ность и заниженностъ значений Yl.' полученных при ис"
пользовании первых двух методов, так как позволяет найти
результат как среднее rеометрическое между алrебраиче"
ским суммированием по методу max..min и квадратическим
суммированием:
n n
l:1y'L == ( (Aqi8qi)max (Аqi8qд2.
(3.98)
192
Расчет по. методике Ренча дает удовлетворительный ре"
зультат, коrда все случайные первичные поrрешности и
факторы подчиняются нормальному закону рассеяния и
имеют систематические составляющие, равные половине их
поля рассеяния. При наличии большоrо числа случайных
поrреmностей, не имеющих или имеющих незначительные
систематические составляющие, этот метод дает существен"
но завышенный результат l1yr.. Поэтому ero применение в
подобных случаях, например для расчета показателей каче..
ства изображен;и:я оптических систем (и корректировки до"
пусков на первичные поrреmности, влияющие на качество
изображения), неоправданно.
Вероятностный метод позволяет получить (по сравне"
нию с рассмотренными выше) более правильный результат
l1yr., так как он основан на правилах суммирования случай..;
ных величин и учитывает наличие систематических состав..
ляющих случайных поrрешностей и вид закона рассеяния
последних:
nl nl +n2
l1yr. == LAqiCPioqi + L (A qi K pi OQi)2.
i i
(3.99)
Однако вероятностный метод, как и все предыдущие,
основывается на линейной теории точности, что наклады"
вает упомянутыIe (см. п. 3.6.2) оrраничения ero применимо"
сти.
Теоретически наиболее точный результат позволяют по"
лучить методы статистическоrо моделирования, например
метод МО1lте Карло [11.46, 11.47]. Вычисление результи"
рующеи поrрешности, обусловленной действием случайных
поrреmностей, методом Монте" Карло состоит в следующем.
Моделируются случайные значения первичных поrреш"
ностей, распределенных в поле их допуска по заданному
закону и с заданными вероя['ностными характеристиками.
Перейдя от случайноrо сочетания поrреmностей к случайно"
му сочетанию действительных параметров прибора, находят
j..ю реализацию (пробу) результирующей поrреmности:
I1Yr.j == f(x, Qi)j fo(xo, QiO). (3.100)
После получения достаточноrо числа(обычно не менее не..
скольких сотен) таких реализаций (т. е. статистически про"
моделировав возможные варианты изrотовления устройства
и изменения ero характеристик из..за действия случайных
влияющих факторов) выполняют статистическую обработку
193
результатов моделирования и определяют необходимые ха..
рактеристики точности.
При использовании этоrо метода следует учесть, что точ"
ность результата зависит от создания математически адек"
ватной модели действия первичных поrреmностей и (l)aK"
торов, а также от соответствия заданных (теоретических)
законов и характеристик рассеяния поrрешностей их дей"
ствительным (практическим) значениям. Поэтому данный
метод целесообразно применять в наиболее ответственных
случаях на заключительной стадии расчета точности при до"
статочно хорошо изученных моделях и первичных поrреш"
ностях.
Следует заметить, что в настоящее время весьма актуаль"
ным является экспериментальное исследование действи"
тельных законов рассеяния и характеристик технолоrиче..
ских первичных поrрешностей ОП, зависимостей между
допусками и стоимостью изrотовления и сборки деталей в
условиях cOBpeMeHHoro производства.
Рассмотрим на простом примере результаты расчета сум"
марной случайной поrрешности указанными методами.
Пусть требуется найти максимальное (или минимальное)
значение зазора (с доверительной вероятностью 0,997) в по..
садке линзы в оправу /1с и максимальное значение децентри"
ровки /1е центра кривизны поверхности А относительно базо"
вой оси оправы Br (рис. 3.37, а).
Значение зазора зависит от случайных поrрешностей диа"
метров линзы и оправы, законы рассеяния которых обычно
подчиняются закону raycca. Допустим, что практические
предельные рассеяния (доверительная вероятность равна
0,997) этих поrрешностей совпадают с rраницами поля до"
пуска (рис. 3.37, б).
Тоrда при расчете зазора принимаем: Aq == 1, Kq == 1,
C q == /1ol1i[ /8q.
Децентрировка поверхности А обусловлена следующими
поrреmностями:
смещением линзы в зазоре посадки 88 == I1с/2;
децентрировкой самой линзы (децентрировкой центра
кривизны поверхности А относительно оси цилиндрической
поверхности линзы) 8с л == 5 мкм;
смещением центра кривизны поверхности А относитель..
но базовой оси из..за неперпендикулярности (торцевоrо би"
ения) поверхности L оправы относительно оси Br (/1Уl)
8C Yl Rf1Yl == 10 мкм;
194
а)
[!]
б)
I
С R.,..
'-с А........................
C\J r........
tS}
8qo 20i 8qJl: 8qJl 72
.. 8qoтax 8qJlтnax
Рис. 3.37. П оzрешносп'/,и узла "реnления линзы
смещением центра кривизны поверхности А из за неп р
пендику лярности поверхности L линзы к оси ее цилиндриче
ской поверхности ( Y2) 8СА у R Y2 == 10 мкм;
2 Н
децеНТРИРОВRОЙ посадочноrо отверстия (025 199) в оправе
относительно оси Br ЬоС == 5 мкм.
При расчете децентрировки все перечисленные выше пер
вичные поrрешности считаем векторными случайными Be
личинами, модули которых распределены по закону Релея,
а направления по закону равной вероятности в интервале
от 00 ДО 2тс, поэтому для частичных поrрешностей принима
емСр==О,К р == 1,А с == 1.
Результаты расчета представлены в табл. 3.5.
Из таблицы видно, что при расчете зазора, коrда дей
ствуют Bcero две поrреmности, ero значения, полученные
различными методами, MorYT существенно различаться.
Наибольшее отклонение от ожидаемоrо на практике зна
чения, за которое принимаем результат расчета по методу
Монте..Карло, имеют методы max..min и квадратическоrо
суммирования.
При расчете децентрировки поверхности А, являющейся
результатом действия шести первичных поrрешностей, на..
блюдается еще большее различие результатов.
Таким образом, видно, что достоверность результата про"
верочноrо расчета и качество управления корректировкой
допусков в сутцественной мере зависят от используемоrо
метода. Считается, что вероятностный метод является наи..
более точным в рамках линейной теории точности и peKO
мендуется при выполнении проверочноrо расчета « ручным.
(неавтоматизированным) способом.
195
Таблица 3.5
Результатьt расчета суммарной nоzрешности
.
Квадратиче Метод Вероят MeTOД
Рассчитываемая величина MaX Min cKoro CYM Репча ностный Moнтe
мирования метод Карло
Максимальный зазор 124 88,8 104,9 108,7 108,4
в посадке дс, мкм
Максимальное значение 92 47 66 56 55,6
децентрировки де ,мкм
В работах [11.39], п. 6.6 и прил. П2 П5 рассмотрены при
меры расчета допусков и точности устройств комбинирован..
ным методом.
Проблемным вопросом точностноrо анализа и синтеза
является полнота учета всех первичных поrреmностей и
факторов, влияющих на показатели точности при боров и
устройств. Иноrда тщательно выполненные расчеты с ис
пользованием математическоrо, проrраммноrо и компью..
TepHoro обеспечения, как rоворится, «летят насмарку. из..за
Toro, что не были учтены (выявлены) те или иные поrреm
ность либо q>aкTop.
Вначале, как правило, выявляют методические поrреm
ности прибора, обусловленные косвенным методом ero рабо
ты, допущениями относительноrо объекта, поrреmностями
выверки и т. д. (см. рис. 3.2).
Для полноты выявления инструментальных первичных
поrреmностей рекомендуется представить прибор в виде
элементарных преобразователей входноrо сиrнала (объ..
ективы, приемники, модуляторы, механизмы и т. д.), для
которых их первичные поrреmности обычно известны, а
также проанализировать возможные поrреmности пере
дачи информации с одноrо элементарноrо преобразователя
на друrой (поrреmности соединительных элементов).
В случаях, коrда возникают затруднения при выявле
нии первичных поrреmностей, следует определить, какие
отклонения характеристик и конструктивных параметров
устройств и элементов, технолоrических и эксплуатаци
онных характеристик материалов, поrреmности размеров,
формы, расположения деталей влияют на преобразование
сиrнала. Это можно выполнить, например, с помощью Ma
триц влияния [11.18].
Исследование и составление банка данных вида и характе"
ристик поrреmностей типовых функциональных устройств,
196
в том числе унифицированных и стандартизованных, явля
ются, наряду с вышеупомянутой необходимостью исследо
вания действительных законов рассеяния технолоrических
первичных поrрешностей, также весьма актуальными про
блемами при создании прецизионных приборов.
3.7. РАСЧЕТ КОМПЕНСАТОРОВ поrРЕШНОСТЕй
Спецификой всех прецизионных приборов и функцио
нальныx устройств, особенно оптических, является то, что
ДЛЯ получения требуемых точности, надежности, качества
изображения, а иноrда и для повышения технолоrичности
используют компенсаторы поrреmностей [11.19].
Компенсаторы поrрешностей, с помощью которых yдaeT
ся повысить качество прибора, являются в некотором роде
ero «лишними. системами. Они требуют изrотовления, pe
rулировки или применения специальных мероприятий, Ha
пример орrанизационно технических, которые ПРИБОДЯТ к
дополнительным затратам при производстве приборов. По
этому В случаях, коrда без компенсаторов поrрешностей не
обойтись, стремятся минимизироватъ их число и оптимизи"
ровать их параметры.
Расчет компенсаторов осуществляют на этапе проекти"
рования прибора при выполнении точностныIx (аберрацион
Hы,, юстировочных) расчетов.
основныIии ero задачами являются:
определение необходимоrо количества компенсаторов для
обеспечения требуемоrо качества прибора,
расчет диапазона работы компенсатора,
расчет требуемой точности (чувствительности) работы
компенсатора.
Число компенсаторов, требования к диапазону и чувстви
тельности их работы, рациональный метод компенсации и
способ ero выполнения зависят от количества, вида и степе
ни влияния первичных поrреmностей, а также от заданных
значений показателей качества проектируемоrо прибора.
Поэтому расчет компенсаторов представляет собой сложную,
мноrофакторную задачу, решение которой должно OCHOBЫ
ваться на математических и дрyrих моделях, учитывающих
взаимосвязь этих факторов.
Теоретические основы расчета компенсаторов, рациональ
ные методы компенсации тех или иных поrреmностей под
197
робно изложены в работе [11.19]. Некоторые аспекты теории
и примеры компенсации поrреmностеii будут рассмотрены в
третьей части данноrо пособия.
'Упрощенная методика расчета компенсаторов поrреш
ностей, которая может использоваться для юстировочных
расчетов и которая основана на приведенном выше проект
ном методе первоначальноrо синтеза допусков в COOTBeT
ствии с их коэФ(I)ициентами влия ия, представлена далее
в п. б.6.
Более тщательно расчет компенсаторов поrрешностей MO
жет быть выполнен с помощью paccMoTpeHHoro выше комби
нированноrо метода расчета точности, коrда число и xapaкTe
ристики компенсаторов, полученные упрощенным методом,
уточняются проверочным расчетом действия компенсаторов
и скорректированных допусков.
Примеры расчета допусков и компенсаторов поrреmно
стей приведены в приложениях П2 П5.
В заключение данной rлавы следует отметить некоторые
тенденции и факторы, влияющие на точность приборов и ее
расчет.
1. Наблюдается тенденция упрощения конструкций пре
цизионных приборов блаrодаря:
· использованию новых материалов, обладающих луч
шими и стабильными характеристиками;
· появлению более высококачественных и мноrо(рункци
ональных элементов и устройств, например, подшипников,
источников и приемников излучения, датчиков, преобразо
вателей, двиrателей и т. д.;
· замене относительно сложных оптико механических и
электромеханических функциональных устройств прибора
конструктивно более простыми электронными и микропро
цессорными функциональными устройствами.
Данное обстоятельство уменьшает количество источников
и значение первичных поrрешностей в современных прибо
рах.
2. Широкое применение базовой и блочно модульной
унификации конструкций при проектировании COBpeMeH
ных приборов (см. п. 2.1) позволяет не только повысить ряд
показателей ero качества, сократить сроки проектирования,
обеспечить экономическую эффективность и т. п., но и суще
ственно упростить расчет суммарной поrрешности, так как
значения поrрешностей (иноrда также их подробные xapaK
теристики для конкретных экземпляров) унифицированных
198
элементов и устройств даны в их технических паспортах или
описаниях 1 .
3. Использование в составе современных оптических и
друrих точных приборов микропроцессорной техники и пер
сональных компьютеров позволяет помимо автоматизации
процесса их q)ункцио ирования осуществлять цифровую
(алrоритмическую) коррекцию частичных или суммарной
поrреmностей, что, как известно [11.37, 11.38, I1.48 II.50],
существенно повышает их точностные характеристики.
4. Использование в процесс е проектировaIШЯ КОМIIЬютер
ной техники и систем (САПР), специальныIx nporpaмM для
точностноrо анализа и СШIтеза позволяет оптимизировать па
раметры и характеристики элементов и устройств прибора с
позиции точности, ускорить и облеrчить процесс вычислеНИЙ.
В связи с вышеизложенным можно утверждать, что в Ha
стоящее время точностной анализ и синтез при боров превра
щается из искусства, которым хорошо владел относительно
узкий Kpyr специалистов, в обычный этап проектирования,
доступный каждому конструктору.
rлава 4
ПОНЯТИЕ О НАДЕЖНОСТИ ПРИБОРОВ
И ЕЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Как было сказано ранее, надежность является одним из
основных показателей качества приборов и дрyrих изделий
приборо и машиностроения. Она ВJШяет на рынок изделий, их
конкурентоспособность, стоимость, затраты на транспортиро
вание и хранение, обслуживание, безопасность, эколоrию, pac
ходование природных ресурсов и т. П., а также оказывает мощ
ное воздействие на развитие науки и техники в плане создания
новых более надежных материалов, элементов и устройств.
Теория надежности приборов, машин, систем и их элемен
тов изложена в мноrочисленной литературе и обычно пре
1 Обычно изrотовитель унифицированных устройств дает в паспорте
предельное вероятное значение их поrрешности (или класс точности), что
не всеrда является достаточным для достоверности точностноrо расчета
проектируемоrо прибора. Поэтому представляется необходимым прове"
дение соответствующей политики, направленной на обязательное предо"
ставление изrотовителем подробных данных (rрафиков для системати"
ческих, законов рассеяния и числовых характеристик для случайных)
о поrрешностях унифицированных устройств.
199
подается студентам в специальных курсах учебных дисци
плин. В данном учебном пособии рассматриваются лишь те
аспекты надежности, знать KoTopыIe необходимо KOHCTPYK
тору при проектировании точных приборов.
Надежность оптических приборов достаточно высока, так
как ОlШ, как правило, содержат небольшое коJШЧество подвиж
ных элементов, работают с малыми нarрузками в относительно
блarоприятных условиях и режимах по сравнеlШЮ, например,
с машинами. Однако обеспечение и повыmе1Ше их надежности
невозможно без проведе1ШЯ специальных мероприятий на эта
пах проектирования, изrотовле1ШЯ и эксплуатации. Прежде
чем обсуждать эти мероприятия, следует рассмотреть OCHOB
ныIe понятия и показатели надежности издезшй.
4.1. ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
в литературе и в стандартах ряда стран [11.51] под 1tадеж
ностью техническоrо изделия понимают ero свойство выпол
нять заданные функции с сохранением эксплуатационных
показателей в установленных пределах (т. е. работоспособ
ность), соответствующих заданным режимам и условиям
использования, техническоrо обслуживания, хранения и
транспортирования в течение требуемоrо промежутка Bpe
мени или требуемой наработки.
Под наработкой понимают объем или продолжительность
работы изделия, которые измеряются в единицах времени,
длины, массы, количестве повторных циклов функциони
рования и т. д. Например: наработка выключателей, реле
измеряется .в числе IЦIклов включения выключения, Hapa
ботка двиrателей и покрышек автомобиля в километрах,
наработка источников и приемников излучения, аккумуля
торов в часах работы.
Надежность изделия обусловливается ero безотказностью,
ремонтоприrодностью, долrовечностью и сохраняемостью.
Безотказность свойство изделия сохранять работоспо
собное состояние в течение заданноrо времени или наработ
ки без вынужденных перерывов. Непрерывное сохранение
работоспособности в течение заданноrо времени не исключа
ет некоторых профилактических мероприятий по ее поддер
жанию (осмотр, чистка, смазка, контроль, тестирование).
Безотказность особенно важна для приборов, вынужденный
перерыв (отказ) в работе которых связан с опасностью для
200
жизни людей или большими экономическими и эколоrиче..
скими потерями, например для медицинских операционных
микроскопов, авиационных приборов, студийных телевизи"
онных камер и космических телескопов, приборов контроля
и управления работой атомных электростанций и т. п.
Безотказность KOHKpeTHoro прибора измеряется длитель
ностью или объемом выполненной работы до первоrо OTKa
за. После отказа работоспособность прибора, как правило,
может быть восстановлена 1. Обнаружение причин отказа и
последующее восстановление зависят от конструкции при"
бора, характера отказа и связаны с показателями ремонто"
приrодности.
Ремонтоnриеодность свойство изделия, заключающее"
ся в ero приспособленности к предупреждению, обнаруже"
нию и устранению отказов, а также поддержанию работо
способности путем техническоrо обслуживания и ремонтов.
Ремонтоприrодность характеризуется затратами времени и
средств на восстановление изделия после отказа и поддержа
ние ero в работоспособном состоянии.
Ремонтоприrодность прибора закладывается на этапе раз"
работки ero конструкции (особенно при компоновке), обе"
спечивающей доступность к м'алонадежным элементам, кон..
тролеприrодность, леrкозаменяемость, удобство и просто ту
(рациональность) обслуживания и ремонта.
Долzовечность свойство изделия сохранять работоспо
собность до наступления предельноrо состояния, т. е. способ..
ность к длительной эксплуатации при проведении необходи"
Moro техническоrо обслуживания и ремонтов.
Предельное состоянuе состояние, при котором даль"
нейшее использование изделия по назначению невозмож"
но, недопустимо или нецелесообразно. Данное состояние
наступает в случаях: коrда после отказа прибора ero невоз"
можно восстановить либо 'невозможно достичь требуемых
показателей качества (например, точности); коrда безопас"
ность эксплуатации прибора ухудшается до недопустимых
пределов; коrда восстановление изделия после отказа эко"
номически нецелесообразно либо ero дальнейшая эксплуа"
тация экономически не эффективна, так как он морально
устарел и не обеспечивает необходимых производительно'
1 Существуют изделия (приборы) принципиально не восстанавливаемые
после отказа, например приборы спутников связи, ряд унифицированных
электронных блоков, узлов автомо6илей фильтры и друrие изделия OДHO
KpaTHoro использования.
201
сти работы, сервиса, энерrоемкости, rабаритных размеров
и т. п.
Рассмотрим в качестве примера ситуацию, сложившу
юся с универсальными измерительными микроскопами
УИМ 21, УИМ 23, УИМ 29 (ДИП 2), которые используют
ся для измерения размеров объектов (деталей) на предпри
ятиях России. При отказе микроскопа УИМ 21, требующем
замены основных элементов фирмой производителем, ero
восстановление практически невозможно, так как микро
скоп и ero элементы сняты с производства более 30 лет Ha
зад. При отказе микроскопа УИМ 23 (имеющеrо проекцию
отсчета на экран), который также снят с производства бо
лее 1 О лет назад, восстановление ero еще возможно, так как
элементы к нему поставляются фирмой производителем,
но часто экономически нецелесообразно, поскольку более
современный автоматизированный измерительный микро
скоп ДИП 2 обладает производительностью работы в 3 4
раза большей [11.19]. При серьезном выходе из строя ДИП 2
также следует рассмотреть вопрос о целесообразности ero
восстановления либо замене на трехкоординатную измери
тельную машину, обладающую рядом существенных пре
имуществ [11.52].
Хорошей иллюстрацией сокращения долrовечности при
боров из за их моральноrо устаревания являются rrакие быто
вые приборы, как телевизоры, любительские видеокамеры,
мобильные теле(роны, персональные компьютеры (замена
которых чаще Bcero происходит при появлении новых, более
совершенных моделей, а не по причине их отказа).
Долrовечность изделий характеризуется техническим pe
СУРСОМ наработкой до предельноrо состояния.
Заметим, что для невосстанавливаемых объектов значе
ния понятий долrовечности и безотказности совпадают.
Сохраняемость свойство изделия сохранять значения
показателей безотказности, ремонтоприrодности и долrо
вечности (т. е. эксплуатационные показатели) в течение и
после хранения и транспортирования.
Подавляющее большинство приборов поступает к потре
бителю, пройдя стадии хранения (на (l)ирме изrотовителе,
на складах, в мarазинах) и транспортировки (автомобиль
ным, железнодорожным, воздушным и водным транспор
том), во время которых прибор подверrается различным
воздействиям: механическим нarрузкам (статическим и
динамическим), климатическим (осадки, температура, дaB
202
ление, влажность и запыленность воздуха), биолоrическим
(микроорrанизмы, насекомые, rрызуны), радиационным и
химическим. В результате эксплуатационные показатели и
характеристики приборов MorYT ухудшиться или же изме..
пится вероятность их появления.
Наиболее эффективные методы повышения сохраняемо
сти связаны с правильной конструкцией упаковки [11.29],
консервацией, применением специальных защитных по..
крытий, профилактическим обслуживанием при хранении,
а также с повышением культуры работы транспортных и
складских служб.
Одним из важнейших понятий надежности является по..
нятие отказа.
Отказом называют неисправность, без устранения кото"
рой невозможно дальнейшее выполнение изделием всех или
хотя бы одной из ero основных функций, т. е. нарушение ра"
ботоспособноrо состояния изделия 1 .
Отказы классифицируются по ряду признаков на следую"
щие виды (рис. 4.1).
Попри чинам возникновения:
ПроектnО""Оllстру"торскuмu причинами отказов яв"
ляются ошибки, заложенные в концепцию, структуру или
конструкцию элементов прибора [например: физический
принцип работы и структура прибора не соrласованы сусло"
виями ero эксплуатации (наличие электромarнитных полей,
динамических нarрузок, климатических воздействий); не..
правильно выполнена компоновка (источник излучения на..
rpeBaeT эталонные элементы); неудачно выбран материал
деталей и неправильно рассчитаны допуски на поrрешности
их размеров (деформации или децентрировки оптических
деталей в оправах при колебаниях температуры)];
ТеХ1l0лоzuческuмu, или nроuзводствеllllЪLМU, причинами
отказов являются наРYIПения технолоrических процессов
изrотовления и сборки деталей, дефекты материалов и ком"
плектующих, а также отступления от инструкций и методик
юстировки, калибровки, аттестации и испытаний приборов
(например, расклейка деталей из..за Toro, что они не были
lЕсли возникла неисправность, не связанная с эксплуатационными по..
казателями, например царапины и небольшие вмятины на корпусе прибора,
отслоение краски, поломка фиксатора переносной рукоятки, переrорание
сиrнальной лампочки, утеря запасноrо элемента, коррозия неответствен"
ной детали и т. п., то это событие называют повреждением или дефектом,
приводящим прибор в неисправное состояние (но работоспособное), так как
он не будет соответствовать всем требованиям технической документации.
203
. п pe"mHo "OHcmpY"nl,opc"ue
............. Причины . Технолоzичес"ие (nроизвод
возникновения ственные)
. Эксплуатационные
Период . Эnl,аn nриработ"и
. Этап нормалъной работы
возни "новения . Эnl,ап Сnl,арения
Хара"тер . Внезапный
проя.вления · Постепенный
. Каnl,астрофический
Физичес"ий (тяжелый)
характер и no . Параметричес"ий
. Л ее"ий
следствия . Опасный
. Безопасный
Оnl,,,азы Cnl,eneHb . Полный (явный)
изделий влияния · Частичный (неявны.й)
(приборов)
. Устойчивый
Время · Временный
существования ( самоустраняющийся)
· П еремежающийся
Связъ между · Н езависимый
от"азами . Зависимый
.
. у Сnl,ран.имый
ВОЗМОЖНОСnl,и ( вОССnl,анавливаемый)
устранения . Неустрани.мый
(невосстанавливаемый)
. Замена элементов и блоков
Способ . Юстиров"а, реzулиров"а,
настрой"а
устранения · Очистка, смазка, тecтиpo
вание
Рис. 4.1. Виды, от"азов
204
обезжиреныI перед склейкой, или вследствие применения
клея с истекшим сроком использования);
Э"сnлуатаЦUОIlIlЫМU причинами отказов являются
ошибки операторов, эксплуатация приборов при недопусти"
мых условиях и режимах, износ и старение элементов.
По периоду возникновения:
От"азы этапа nрuработ"u отказы, возникающие в
начальный период эксплуатации изделия и обусловленные,
как правило, проектно"производственными ошибками и по..
rрешностями; поэтому их называют часто "О1lстру"торс"о"
теХll0лоzuч.ескuмu отказамu.
Отказы этапа 1l0рмаЛЪ1l0Й работы отказы, появляю"
щиеся после периода приработки (см. рис. 4.4, б);
От"азамu этапа стареllUЯ отказы, обусловленные
старением, износом и коррозией элементов.
По х а р а к т е р у про я в л е н и я:
ВllезаnllЫЙ от"аз отказ, который появляется внезапно
в результате резкоrо, скачкообразноrо изменения основных
параметров прибора под воздействием факторов, связанных
с внутренними дефектами ero элементов или с ошибками опе..
ратора, и который предвидеть и предупредить очень трудно;
u
чаще Bcero внезапные отказы происходят в начальныи пери"
од эксплуатации прибора [закон распределения случайноrо
времени работы прибора до наступления внезапноrо отка..
за на этом этапе обычно носит экспоненциальный характер
(рис. 4.2, а)];
постепенный отказ отказ, при котором на..
блюдается постепенное изменение параметров прибора в
результате eCTecTBeHHoro старения, износа, коррозии, за..
пыленности ero элементов [например: отказ по точности
вследствие износа направляющих подвижных функцио"
нальных систем прибора; заклинивание (или увеличение
моментов вращения) окудяров бинокля из..за заrустевания
смазочноrо материала; ухудшение контраста изображения
из..за старения трубки видикона телекамеры или трубки
а) {( t) б ) {( t)
t t
Рис. 4.2. За"оны распределения от"азов
205
монитора); так как параметры элементов при бора yxyд
шаются постепенно, то данный отк з можно предвидеть и
предупредить (например, проq)илактической заменой эле
ментов, срок эксплуатации которых приближается к пре
дельному)]; естественно, что постепенный отказ не может
произойти при испытаниях прибора или на этапе приработ
ки [закон распределения случайноrо времени работы при
бора до появления постепенноrо отказа обычно близок к
нормальному (рис. 4.2, 6)].
По сте пе н и вл ия ни Я и пос ле дс тв и ям:
П ОЛIlЫЙ отказ (явный) отказ, при возникновении KO
Toporo невозможно использовать прибор по прямому назна
чению до устранения причины отказа (например: переrорела
лампочка подсветки марки автоколлиматора; не взводится
затвор фотоаппарата);
частиЧIlЫЙ отказ (llеявный) отказ, связанный с yxyд
шением какой либо одной из характеристик прибора, при
котором возможно частичное использование изделия по
прямому назначению (например: невозможность включения
светофильтра для повышения контраста изображения; по
явление осыпки в поле зрения; возникновение bad ceKTopOB
на дисках компьютера).
По фи зическому характеру и последствиям:
Катастрофический отказ (тяжелый) отказ прибора,
приводящий к полному нарушению ero работоспособности,
устранение KOToporo связано с большими экономическими и
временными затратами [например: разрушение оптических
элементов; полная разъюстировка систем; поломки; дефор
мации, заклинивания подвижных частей прибора (винче
стера в компьютере); короткое замыкание в электросхемах
(системной плате)];
параметрическuй отказ отказ, при котором прибор
выполняет все свои основные q)ункции, но один ИЗ эксплу
атационных параметров (показателей) вышел за rраницу
допустимых значений [например: увеличился шум работы
прибора, появился разворот (расфокусировка) изображения,
ухудшилась точность функционирования]; часто параметри
чес кий отказ (особенно по точности) удается обнаружить не
сразу, что может привести к нежелательным последствиям
(например, к выпуску бракованной продукции);
леzкий отказ отказ, устранение KOToporo не связано со
,
значительными экономическими и временными затратами
и не требует привлечения ремонтных служб (например: за
206
мена предохранителей, источников излучения, элементов
питания, тестирование проrрамм после сбоя и т. п.);
опасnыlй отказ отказ, который связан с опасностью
для жизни или здоровья людей, а также с эколоrическими
катастРосl)ами;
безопасnый отказ отказ, который не связан с опаснос
тью для жизни или здоровья людей, а также с эколоrически
ми катастроq)ами.
По связи между отказами:
Н езавuсuмый отказ отказ, который не является при
чиной дрyrих отказов;
завUСUJlItый отказ отказ, который возникает из за дpy
rих отказов [например: уменьшение срока службы лампы
подсветки при подаче на нее напряжения выше поминаль
Horo из за сбоя реrулировки блока питания; заклинивание
rайки винтовоrо механизма при поломке оrраничителя вра
щения винта (двиrателя)].
По врем ен и с ущ е с тво в ан и я:
Устойчuвый отказ отказ, который устраняется только
в результате ремонта, реrулировки (тестирования) или заме
ны отказавших элементов и блоков прибора.
временный (самоустраnяющuйся) отказ отказ, caMO
произвольно устраняющийся, без вмешательства обслужи
вающеrо персонала, вслеДСТВ:fiе исчезновения вызвавшей
ero причины; возникает часто из за нарушения режимов или
условий работы (например: из за запотевания оптических
деталей; из за расфокусировки, обусловленной перепадом
температуры; потеря точности из за недопустимых внешних
вибраций прибора);
nеремежающuеся отказы (сбоu) внезапно повторя
ющиеся непродолжительные самоустраняющиеся отказы,
которые свидетельствуют о наличии ненормальности в эле
ментах прибора, nporpaмMa:x или режимах и условиях ero
работы (например: нарушение контакта лампочки подсвет
ки, обусловленное ослаблением крепления и вибрациями
прибора; поrрешность некоторых результатов измерений
из за вируса в памяти приборноrо компьютера).
По в о з м о ж н о с т и у с т р а н е п и я:
Устранuмый отказ отказ, который подлежит YCTpaнe
нию и может быть устранен;
пеустраnuмый отказ отказ, не подлежащий YCTpaнe
пию (невосстанавливаемые объекты) или не ПОДДaIOщийся
устранению.
207
По с п о с о б у у с т р а н е н и я:
заменой элементов и блоков (из входящих в комплект
прибора или приобретаемых);
юстировкой, реzулировкой или настройкой отказавшеrо
элемента или Bcero прибора;
орzанизациоnно"техnическими мероприятиями: очист"
кой, смазкой, тестированием «(лечением ).
4.2. ОСНОВНЪШ ЕдиничныIE ПОКА3А ТЕJШ
НАДЕЖНОСТИ ПРИБОРОВ
Единичные показатели надежности являются количе..
ственными характеристиками безотказности, ремонтопри..
rодности, долrовечности или сохраняемости приборов в опре"
деленных условиях [11.53]. Рассмотрим некоторые из этих
показа телей.
4.2.1. ПОКАЗАТЕЛИ БЕЗОТКАЗНОСТИ
Эти показатели являются количественными характери"
стиками законов распределения случайноrо времени без"
отказной работы прибора или случайноrо числа отказов за
определенное время или наработки.
Наиболее общей характеристикой случайноrо времени
работы (наработки) прибора до появления отказа является
вероятnость безотказной работы P(t) вероятность Toro,
что в заданный интервал времени (заданное число циклов
повторноrо функционирования) и при заданных режимах и
условиях эксплуат ии не произойдет отказа:
t 00
P(t) == 1 F(t) == 1 J f(t)dt == Jf(t)dt, (4.1)
:x: t
rде F(t) и f(t) интеrральная и дифференциальная (плот"
ность вероятности) функции распределения случайноrо вре"
мени (наработки) прибора до первоrо отказа.
Если функция распределения случайноrо значения вре"
мени t до первоrо отказа подчиняется экспоненциальному
закону F(t) == 1 е лt (этап приработки), то вероятность опре"
деЛИТС$! следующим выражением:
t
00
P(t) == 1 (1 е лt) == JАе лtdt == е лt == е
t
t cp
,
(4.2)
208
rде А == l/t cp параметр распределения; t cp среднее значе
ние времени (средняя наработка) работы прибора до отказа;
Ае л.t == f(t) плотность вероятности экспоненциальноrо pac
пределения.
Для нормальноrо закона распределения F(t) (этап CTape
ния) вероятность будет
и t cp )2
1 t 2
P(t) == 1 J е 2crt dt,
(j (" 2тt
(4.3)
rде C1 t среднее квадратическое отклонение случайноrо Bpe
мени (наработки) прибора до первоrо отказа.
Статистическая вероятность безотказной работы может
быть вычислена по формуле
т т
No L,пi No L,пi
P(t)== lim i==l t==l
L\t O N o N o
N O OO
т
1 L, пi/NO == 1 F(t), (4.4)
t==1
rде N о число приборов В начале эксплуатации (испытания);
пi число приборов, отказавших в i M интервале времени;
т == t/дt число интервалов; t время эксплуатации;
т
tJ.t продолжительность интервала времени; F(t)== L,ftJ,/N o
t==1
статистическая вероятность отказа прибора.
Чем больше N о и меньше дt, тем ближе статистическая Be
роятность безотказной работы к теоретической.
На рис. 4.3 показаны типичные изменения вероятности
безотказной работы 1 и вероятности отказа 2 прибора во
времени.
Друrим нормируемым показателем безотказности являет
ся сред1lее время безот"азно работы t cp (средняя наработка
до отказа) ожидаемое время исправной работы прибора до
появления первоrо отказа:
00 00 т N o
t cp == J tf(t)dt == fp(t)dt L,пitcPi/NO== L,tj/N o , (4.5)
о о . .
1 J
rде t cpi == (t i t i 1)/2; t; 1, t i значения времени в начале
и в конце i ro интервала; t j время работы (наработки) до
первоrо отказа j ro прибора.
Важными характеристиками безотказности являются
также частота и интенсивность отказов.
209
Частотои отказов (плотно
стью распределения времени
работы прибора до отказа) по
статистической инсрормации назы
t вают отношение числа приборов,
Рис. 4.3. rрафи"и измене отказавших в единицу времени
IlUЯ верояntНосnl,И отказа [n(ilt)j ilt) к числу приборов В начале
и безот"азной работы эксплуатации (испытания) N о при
условии, что отказавшие при боры
не восстанавливаются и не заменяются:
P(t)t f(t)
1
-h n(t + ilt) n(t) n(ilt) ( 4.6 )
,(t) NoM == NoM '
rде n(t) число приборов, отказавших за время t; n(ilt)
число приборов, отказавших в интервал времени ilt.
На рис. 4.4, а представлен статистический rрафик (rисто
rpaMMa) частоты отказов.
И nте1lсuв1l0стъю отказов л.( t) называют отношение числа
приборов, отказавших в единицу времени, к числу приборов,
работоспособных в данный момент (интервал) времени N t :
"А ( ) п(t + l\t) n(t) n(ilt) ( 4. 7 )
t ::::! N/Y>.t == N t М ·
Эта хара1\.теристика показывает, какая часть приборов по
отношению к среднему числу исправно работающих выходит
из строя из за отказов в единицу времени (обычно в час).
Типичная кривая изменения интенсивности отказов в
единицу времени, характерная для случая внезапных OTKa
зов, приведена на рис. 4.4, б. Здесь выделены три периода
интенсивности отказов: начальный период от to до t} (этап
приработки 1), второй период времени от t} до t 2 (этап HOp
мальной работы 2') и третий период после времени t 2 (этап
старения 3).
а)
f(t)
б)
...t
t
t o
t 1
t 2
Рис. 4.4. rрафи"и часntоты (а) и UHmeHCUBHocntu (б) оnt"азов
210
В начальном периоде интенсивность отказов приборов
выше, чем в нормальный период работы, что объясняется
проектно производственными ошибоками и поrрешностя
ми, дефектами материалов и покупных (уни(рицирован
ных) изделий. Продолжительность этоrо периода KOHCTPYK
торско технолоrическ х отказов зависит от типа прибора,
ero сложности, количества унифицированных элементов и
узлов, условий производства, условий эксплуатации и т. д.
Период нормальной работы характеризуется более BЫCO
кОй и стабильной надежностью. Интенсивность отказов здесь
постоянна и обусловлена эксплуатационными (l)акторами:
ошибками операторов, скачками напряжений в электриче
ской сети, ухудшением условий и режимов эксплуатации
(переrрузки, воздействие внешней среды) и т. д. Продолжи
тельность этоrо этапа различна для приборов, основанных
на разных (ризических принципах (электронных, оптико
механических, механических, электронно механических,
оптико электронных) и работающих в разных режимах и
условиях. Например, продолжительность этапа нормальной
работы механических приборов и узлов существенно меньше
подобноrо этапа работы электронных приборов [11.29].
Период старения характеризуется резким возрастанием
интенсивности отказов, что вызвано износом отдельных дe
талей, их коррозией, заrрязнением, старением материалов,
расходованием ресурса элементов и т. д. Продолжительность
данноrо этапа также зависит от вида приборов, их KOHCTPYK
ции, качества используемых материалов, условий и режи
мов эксплуатации, а также техническоrо обслуживания и
проq)илактических мероприятий.
На рис. 4.5 и рис. 4.6 приведены rрафики характери
стик безотказности для экспоненциальноrо и нормальноrо
соответственно законов распределения случайноrо BpeMe
ни (наработки) работы прибора между отказами. Заметим,
'С\')
,С\')
I
I ..
IC t t
t cp t cp t cp
Рис. 4.5. rрафu"u хара"теристи" надежносп u э"сnоненцuальнъ/'u за
"он расnределенuя времени нарабопl,"U nрuбора
P(t)+ f(t)t
- l' (t) "" 1 Л-t I
с\')
с:;
Л,( t ).
I
F(t)
1 -
Л, == l/t cp
t
t
211
1
1
0,5
0,5
t cp
t
f(t)
л'(t)
t
t
Рис. 4.6. rрафи и xapa тepucпl,U 1lадеЖ1l0Сnl,и нормаЛЬ1lЫЙ за О1l рас.
nределения времени 1lаработ и прибора
что интенсивность отказов при экспоненциальном распре
делении является постоянной величиной [соrласно (4.2)
л.(t) == f(t)/P(t) == l/t cp ]' а при нормальном распределении
монотонно возрастает в функции времени (наработки).
4.2.2. ПОКАЗАТЕЛИ РЕмонтоприrодности
Эти показатели характеризуют затраты времени и средств
на техническое обслуживание и ремонт прибора. В качестве
таковых используют, например, коэq)фициенты rотовности и
техническоrо использования 1 .
Коэффuцuеnт zoтOBпocтu характеризует потери време"
ни на восстановление прибора и равен вероятности Toro, что
прибор работоспособен в любой момент времени в промежут"
ках между плановым обслуживанием:
Kr == t cp /(Т в + t cp ), (4.8)
rде ТВ среднее время восстановления; t cp средняя нара"
ботка прибора на отказ.
Коэффuцuеnт техnuчес"оzо uсnользоваnuя 1 более полно
отражает потери времени из за ненадежности прибора:
КТ == tраб / (tраб + t peM + tобсл)' (4.9)
rде tраб суммарное время работы прибора за некоторый
период эксплуатации (например, за период до предельно"
ro состояния); t peM суммарное время, затраченное за этот
период на ремонты после отказов; tобсл суммарное время,
затраченное за этот период на техническое обслуживание и
проq)илактические мероприятия.
lэти показатели используются не только как единичные, но и как ком..
плексные показатели надежности.
212
:Кроме потерь времени ненадежность прибора приводит
к материальным затратам на ремонт и поддержание при
бора в работоспособном состоянии. Поэтому существуют
также экономические показатели ремонтоприrодности,
характеризующие стоимость ремонтов и техническоrо об
служивания прибора за определенный период эксплуата
ции. .
4..2.3. ПОКАЗАТЕЛИ СОХРАНЯЕМОСТИ
Показатели сохраняемости дают количественную xapaк
те:ристику способности прибора сохранять безотказность и
друrие показатели качества при хранении и транспортиров"
ке в определенных условиях. Такими показателями явля"
ются, например, коэффициент сохранения безотказности и
коэффициент сохраняемости [11.28].
Коэффициеnт сохранепия безотказности определяется
отноrпением вероятности безотказной работы HOBoro при"
бора в течение HeKoToporo времени (или наработки) to после
хранения и транспортировки Pl(t O ) к этой же вероятности до
хранения и транспортировки Po(t o ):
L == P1(to) .
с Po(t o )
(4.1 О)
Коэффициеnт сохраняемости определяется по следую"
щей формуле:
к == Ii Q'i QiДоп · (4.11)
с [==1 QOi Qiдоп
rде QOi и Q'i значения независимых показателей качества
прибора (например, точности, дальности действия, мощно"
сти и т. д.) ДО И после ero хранения и транспортирования;
Qiдоп предельно допустимое значение этих показателей.
4.2.4. ПОКА3АТЕЛИ долrОВЕЧНОСТИ
Долrовечность прибора характеризуется ero ресурсом
общим временем или объемом работы за весь срок службы до
момента, коrда потребуются ero списание из..за невозможно..
сти дальнейшей эксплуатации (предельное состояние) или
капитальный ремонт.
213
Долrовечность величина случайная, поэтому в каче..
стве показателей долrовечности MorYT быть использованы
средний ресурс R и rарантийный ресурс rj.
Для определения рассмотренных выше показателей
надежности необходимо знать распределение случайноrо
времени между отказами, которое подчиняется обычно за..
конам распределения raycca, экспоненциальному, Релея,
rамма"распределению, Вейбулла и их суперпозиции. Эти
законы распределения используются при вычислении тех
или иных показателей надежности в зависимости от типа
приборов (электронные, электромеханические, оптико..
механические, оптико"электронные и т. д.), периода экс"
плуатации прибора (этапы приработки, нормальной ра"
боты, старения), вида отказов (внезапный, постепенный,
катастрофический, зависимый и др.), условий эксплуата"
ции и т. д.
4.3. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПРИБОРОВ
Надежность прибора закладывается на этапах проектно"
конструкторской работы и обеспечивается в процессе ero
изrотовления и эксплуатации. Рассмотрим некоторые (l)aк..
торы, которые нужно учитывать, и мероприятия, которые
нужно выполнять для обеспечения и повышения показате..
лей надежности приборов.
4.3.1. ПРОЕКТНО КОНСТРУКТОРСКИЕ МЕРОПРИЯТИЯ
ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ
1. При поиске идей и разработке принципа функциониро"
вания прибора необходимо учитывать надежность тех физи"
ческих эффектов, которые будут заложены в основу ero ра"
боты. Например, при боры для измерения длин, основанные
на интерференции света (интеР(I)ерометры) и работающие
в цеховых условиях, будут менее надежны (из"за чувстви"
тельности к колебанию температуры, давлению и влажно..
сти воздуха, вибрациям и т. д.) по сравнению с оптико..элек"
тронными приборами, основанными на (ротоэлектрических
и телевизионных преобразователях (датчиках) линейных
перемещений и расстояний, которые менее чувствительны к
влияющим факторам.
214
2. При разработке структуры и конструкции прибора сле..
дует использовать как можно больше известных (заимство"
ванных) конструктивных решений, Уни(l)ицированных и
стандартизированных функциональных устройств, узлов и
элементов.
Использование заимствованных решений и унифициро"
ванных устройств повышает надежность прибора, так как
они проверены практикой и лучше отработаны в схемном,
конструктивном и технолоrическом отношениях.
3. Для ответственных элементов при бора необходимо ис..
пользовать высококачественные материалы и комплекту"
ющие изделия, которые обязательно должны выбираться
с учетом условий и режимов ero работы. Например, непра"
вильный выбор материалов прибора, работающеrо в тро"
пиках, существенно уменьшает срок ero службы (ресурс) и
может привести к катастрофическому отказу. Применение
пластмасс для ответственных деталей (линз, кулачков, зуб..
чатых колес и др.) или интенсивно работающих вспомоrа..
тельных элементов (переключателей, q)иксаторов и др.), как
правило, снижает надежность прибора, так как мноrие виды
полимеров подвержены старению во времени (т. е. измене..
нию структуры и химическоrо состава, сопровождающему"
ся изменением механических, физических и химических
свойств) под воздействием внешних q)aкTOpOB солнечноrо
света, температуры, кислорода, озона, влarи, ионизирую"
щих излучений, проникающей радиации, механических на..
пряжений, биолоrических и химических воздействий среды
и т. д.
Ответственные детали приборов должны подверrаться
необходимой термической обработке (закалка, отжиr, ста..
рение), покрытиям, смазке, консервирующей защите, что
существенно повышает показатели надежности Bcero прибо"
ра. Сочетания материалов деталей в соединениях не должны
образовывать rальванические пары.
4. Разрабатывая конструкцию прибора, необходимо со..
блюдать принципы конструирования, оказывающие влия"
ние на ero (l)ункциональную и точностную надежность [на..
пример, принцип отсутствия избыточноrо базирования в
соединениях деталей, принцип учета тепловых свойств со..
единяемых деталей, принцип кратчайшей цепи преобразо"
вания, принцип отсутствия избыточных связей в механиз..
мах и приводах и т. д. (см. рис. 1.14, 1.29, 1.36, 1.38, 1.54,
1.56)].
215
При определении размеров и посадок деталей следует учи
тывать условия жесткости, износоустойчивости, отсутствие
заклинивания, деформаций и т. п. Например, если измене
ние зазора C в посадке линзы в оправу ( см. рис. 3.37) при OT
клонении температуры t от номинальноrо значения будет
больше, чем минимальное значение этоrо зазора CO min при
номинальной температуре (20 ОС), то возможны деформация
линзы и отказ прибора. Это происходит при невыполнении
условия: C ""w COmin + (а} a2)D t > О, rде а} и а2 коэффи
циенты линейноrо расширенця материалов линзы и оправы;
D размер (диаметр) сопряrаемых деталей.
5. В конструкции прибора необходимо предусмотреть раз"
нообразные защитные устройства, которые можно подразде
лить на следующие rруппы:
устройства, предохраняющие прибор от аварийноrо
состояния при отказе Toro или иноrо элемента прибора,
ошибках оператора, колебании электрическоrо напряже
ния в сети и т. п. [например: автоматические выключатели
и плавкие предохранители в цепи питания; фрикционная
Myq)Ta (соединяющая двиrатель и винт) в винтовом приводе
движения измерительной пиноли, предохраняющая cropa
ние двиrателя при выходе из строя концевоrо выключате..
ля перемещения rайки и последующеrо стопорения ротора
(см. рис. 2.5); защитные колпачки и блокираторы случай..
Horo нажатия кнопок включения (выключения) прибора,
перехода на решение тестовых проrрамм ЭВМ; компьютер"
ные проrраммы защиты от несанкционированноrо доступа
в систему управления прибором или ошибок при вводе зна
чений параметров];
устройства, предотвращающие подключение низковольт
ных источников CB Ta, фотоприемников и друrоrо электро"
оборудования прибора в бытовую сеть либо к несоответству"
ющим rнездам электронных блоков [например, типичными
и частыми ошибками являются использование стандартной
вилки для подключения источника излучения (лампы под"
светки напряжением 6 8 Вт) к блоку питания, которую по
ошибке можно включить в бытовую сеть, а также несоблю..
дение полярности питающеrо напряжения некоторых при"
емников излучения, приводящее к выходу прибора из строя
или снижению пороrа ero чувствительности];
устройства, предотвращающие съем «несъемных. наруж
ных элементов без специальноrо инструмента и приспособле"
ний (окуляров, объективов, рукояток управления), а также
216
потерю «СFJ>емных. элементов и их крепежа (невыпадающие
винты, поддерживающие цепочки, маrнитные сl)иксаторы
крышек, кожухов, бленд, светофильтров);
устройства, предохраняющие наружные оптические дe
тали от механическоrо повреждения и заrрязнения, а также
исключающие возможность воздействия на opraнbI управле
ния и pery лирования посторонними предметами (защитные
кожухи, диафрarмы, экраны);
устройства, предотвращающие порчу прибора при xpaнe
нии и транспортировке от влияния влarи, rрызунов, плесе
ни и rрибков, тряски и вибрации (устройства вентиляции,
принудительноrо продува, осушки, амортизации, защитные
металлические сетки и т. п.).
6. Конструкция прибора должна обеспечивать доступ
ность всех ero компонентов, узлов и деталей для осмотра,
контроля, обслуживания, реrулировки или замены. 3aмe
на или реrулировка малонадежных элементов прибора не
должна приводить к разборке дрyrих узлов. Например, за
мена neperopeBmero источника освещения не должна быть
связана со съемом конденсора или разборкой части прибора
для доступа к нему.
7. В приборе должны быть предусмотрены световые и
звуковые индикаторы включения питания и техническо
ro состояния прибора, сиrнализирующие о разряде источ
ников энерrии, переrрузке, отказе двиrателей, переrреве
или переохлаждении, выходе из нормальноrо режима экс
плуатации, сбое проrраммы вычислений, превыmении дo
пустимой поrрешности измерений. Например, в автомати
зированном приборе для измере;ния концевых мер длины
АПМ 100 ([11.54], [11.48], см. также рис. 2.3) производится
алrоритмическая компенсация случайной поrрешности из
мерения из за вибраций, шумов и наводок в электрических
цепях путем статистической обработки результа тов измере
ния, при которой имеется возможность информировать опе
ратора (звуковой, световой или текстовой сиrналы на экра
не компьютера) о недопустимом увеличении поля рассеяния
случайной поrреmности.
8. Весьма эфсрективным приемом повышения надежности
приборов является резервирование, под которым понимается
использование дополнительных (дублирующих) элементов,
средств и возможностей в целях сохранения работоспособно
ro состояния прибора при отказе одноrо или нескольких ero
элементов.
217
Дублирование малонадежных элементов или устройст'В в
технических изделиях применяетс достаточно давно и под--
сказано самой природой, которая заложила дублирование,
например, важных opraнoB и чувств человека и животных.
Интересный эпизод связан с работой над повышением на--
дежности самолетов на заре их освоения в начале 20--ro века.
В это время большинство KaTaCTpO(l) самолетов было вызва--
но отказом MarHeTo двиrателя BHYTpeHHero сrорания так
называемым «исчезновением искры зажиrания. Пробле--
ма повышения надежности MarHeTo была решена юным
А. А. Микулиным, будущим академиком и известным кон"
струк тором авиационных двиrа телей.
Произошло все следующим образом [11.55]:
«Как--то раз Микулин встретил на улице orpOMHoro му--
жика с сильно подбитым, заплывшим и ничеrо не видев--
шим rлазом. В это время и пришла доrадка. Микулин сра--
зу бросился бежать в rостиницу к знаменитому авиатору
с. и. "Уточкину, rде между ними состоялся следующий раз--
rOBop:
"Y людей по два rлаза, подбейте левый правый будет
видеть.
Я никому не собираюсь подбивать r лаза, сказал
"Уточкин.
На вашей машине одно MarHeTo поставьте два!
Прекрасная мысль, сказал Уточкин. За каждый
блаrополучный показательный полет я буду платить тебе по
10 рублей.
Показательные полеты тоrда были платные. И Уточкин
сдержал свое слово, посылая после каждоrо полета денеж--
ные переводы .
Кратностью резервирования называют отношение числа
резервных элементов (изделий) к числу основных.
Различают резервирование следующих видов:
обu ее резервирование прибора (изделия) в целом;
раздельное поэлементное;
постоянное без перестройки структуры прибора в слу--
чае отказа ero элементов;
дuнамuческое с перестройкой структуры, в частности
замещением отказавших элементов резервными;
наzруженное rорячее, коrда резервные элементы нахо--
дятся в тех же условиях, что и основные (работающие);
облеzченное коrда резервные элементы до их подключе--
ния находятся в облеrченных условиях;
218
а)
б)
P1(t) P 2 (t) Pi(t) Pn(t)
Rl
в)
R 2
Рис. 4.7. П оследовател.ьное ( в смысле надежноспLU) соединение эле
ментов прибора
ненаzруж€нное холодное, при котором резервные эле
менты включаются в работу только после отказа основных;
смешанное комбинация вышеперечисленных видов.
Теоретически резервирование повышает надежность
приборов, так как переводит систему из последовательно
соединенных элементов (в смысле надежности, а не функ
циональной структуры) в систему с параллельным соеди
нением.
При последовательном соединении п элементов
(рис. 4.7, а) отказ системы наступает при отказе хотя бы
одноrо из них, поэтому вероятность безотказной работы си
стемы в течение времени t определяется (соrласно правилу
умножения вероятностей независимых событий) произведе
нием вероятностей безотказной работы п ее элементов:
n
Pr(t) == ПРi(t).
[==1
( 4.12)
Интенсивность отказов системы вычисляется по формуле
n
Ar(t) == L Ai(t).
i==1
( 4.13)
Среднее время безотказной работы
00 00 1
t cp == f РЕ( t)dt == f е л.i(t)t
о о Ar(t)
1
n
L Ai(t)
i
1
· (4.14)
n 1
L
i -== 1 t cpi
Для однотипных элементов, имеющих одинаковую Bepo
ятность безотказной работы всех элементов, например, при
последовательном включении п лампочек елочной rирлян
ды (рис. 4.7, б) соответственно имеем:
Pr(t) == Pn(t); АЕ == ПА;
t Еср ,
n
219
в)
'" 11 1 I ((J
С 1 С 2
Рис. 4.8. П араллельное (в смы.сл.е надежносп u)
соединение элементов прибора
б)
а)
- .......{(j
т. е. вероятность безотказной работы системы уменьшается
с увеличением числа последовательно соединенных элемен
тов, интенсивность отказов л'r в п раз больше интенсивности
отказов л одноrо элемента, а среднее время безотказной ра
боты в п раз меньше среднеrо времени безотказной работы
одноrо элемента.
Следовательно, при проектировании прибора необходимо
стремиться к возможно меньшему числу последовательно co
единенных элементов и повышению надежности элементов,
имеющих наиболее низкую вероятность безотказной работыI
(например, их резервированием).
Как уже было сказано, последовательность включения
элементов в смысле надежности не эквивалентна последо
вательности их включения в функциональном смысле (для
передачи информации, энерrии и т. п.). Например, система,
изображенная на рис. 4.7, в с параллельно включенными pe
зисторами R} и R 2 , выходит из строя при коротком замыка
нии одноrо из них.
Отказ системы при параллельном соединении элементов
(рис. 4.8, а) не во никает при отказе любоrо элемента и про
исходит только тоrда, коrда откажут все элементы.
Вероятность F r( t) отказа системы в течение времени t в
этом случае будет определена по формуле
п
Fr(t) == ПFi(t),
i==l
( 4.15)
rде Fi(t) вероятность отказа i..ro элемента.
Следовательно, вероятность безотказной работы системы
с параллельным соединением элементов исходя из (4.1)
n
Pr(t) == 1 Fr(t) == 1 ПFi(t).
i==l
( 4.16)
220
При равнонадежных элементах [например, для елочной
rирлянды с параллельным включением лампочек (рис. 4.8, б)
имеем:
F}2(t) == F ; P}2(t) == 1 F == 1 [1 p(t)]n.
Таким образом, резервирование является э(рс)}ективным
средством повышения надежности системы и особенно для
этапа приработки прибора (вблизи t == О), rде (рункция рас"
пределения случайноrо времени до первоrо отказа элементов
обычно подчйняется экспоненциальному закону, поэтому
(см. формулу 4.2)
PL(t) == 1 (1 е лt)п .
Еще раз заметим, что параллельность соединения элемен..
тов в смысле надежности не всеrда означает параллельность
их соединения в функциональной структуре. Например,
последовательное структурное соединение конденсаторов
(рис. 4.8, 8) является параллельным в смысле надежности
при коротком замыкании одноrо из них, коrда их общая ем..
кость не имеет значения (помехоподавляющий фильтр).
Примерами резервирования малонадежных элементов
и систем являются следующие: дублирование источника
освещения в медицинских операционных микроскопах;
дублирование телевизионных камер в студиях, космиче..
ских аппаратах; дублирование самих космических аппара"
тов при уникальных экспериментах (проект «Bera , проект
( Фобос ). Именно объектив второй межпланетной станции
«Bera..2. передал на Землю наиболее удачные снимки ядра
кометы rаллея в 1986 r.
9. Значительное количество отказов при эксплуатации
приборов обусловлено ошибками операторов, вызванных
оrраниченными психофиз олоrическими возможностями
человека, утомленностью, отступлением от привычных, сте..
реотипных движений и расположений индикаторов и т. П.,
поэтому при проектировании приборов необходимо обеспе"
чивать эрrономические показатели их качества. Эти пока..
затели характеризуют степень приспособленности прибора
к взаимодействию с человеком с позиции удобства работы,
rиrиены, безопасности труда (см. п. 1.1.2).
В приложении П6 представленыI некоторые психофизио..
лоrические данные человека, которые необходимо учитывать
при разработке конструкции и инструкции эксплуатации
прибора для обеспечения ero надежности. Так, для человека,
221
выполняющеrо операции включено, пуск, увелuченuе, YCKO
ре1lие, привычными являются движ ния opraнoB управления
и реrулирования вверх, от себя, вправо; оптимальный MO
мент сопротивления движению маховичка для совершения
точных поворотов 1 2 Н-см; разрешающая способность
rлаза (способность различать раздельно два предмета, распо
ложенных близко дрyr к друrу) 1'; число динамически из
меняющихся сиrналов, одновременно требующих внимания
оператора, не должно превышать трех четырех.
Специальные вопросы обеспечения надежности системы
«человек машина , .я:вляющиеся одной из важнейших за
дач инженерной психолоrии, рассмотрены, например, в pa
боте [11.56].
4.3.2. ТЕхнолоrиЧЕСКИЕ МЕРОПРИЯТИЯ
ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ
При производстве приборов необходимо обеспечивать
правильный выбор технолоrии производства, производить
контроль и испытания качества материалов и продукции,
соблюдать технолоrические режимы. Повысить надежность
приборов можно за счет проведения следующих мероприя
тий.
1. П рименение рациональных видов и режимов обработки
поверхностей деталей при технолоr:ической подrотовке про
изводства, позволяющих уменьшить шероховатость поверх
ностей, создать реrулярный микрорельеф, повысить микро
твердость (упрочнить) поверхностноrослоя, что увеличивает
износоустойчивость деталей, усталостную прочность, по
вышает коррозийную стойкость, уменьшает вероятность
заедания и схватыIания.. К таким видам технолоrической
обработки относятся, например, алмазное выrлаживание и
вибронакатывание поверхностей.
2. Контроль качества (т. е. с)}изико механических свойств)
материалов и параметров комплектующих изделий. Необхо
димость проведения этоrо мероприятия вызвана тем, что по
ставляемые материалы и комплектующие MorYT отличаться
по своим характеристикам и параметрам от запроектирован
ных (например, поrрешность датчиков может превосходить
допустимое значение, класс точности подшипников более
низкий, чем требуется, прочность материала может отли
чаться от требуемой и т. п.).
222
Весьма . интересным примером отказа по точности ДBYX
координатноrо измерительноrо прибора ДИП 2, производи
Moro (l)ирмой ЛОМО, явился отказ, возникший у нескольких
экземпляров этоrо прибора из за использования для заrото
вок отражательных ди(рракционных решеток стекла марки
К8 (а == 76.10 7 1/...0), отличающейся от рекомендованной
ЛК7 (а == 44.10 7 1/....0).
Отражающая ди(l)ракционная решетка используется в
этом приборе [11.19] как эталонный элемент датчика линей
ных перемещений каретки и закреплена в оправе юстиро
вочными винтами, как показано на рис. 1.39, б. Размеры
оправы, решетки и винтов с учетом коэфq)ициентов линей
Horo расширения а их материалов рассчитаны так, что при
отклонении температуры от номинальноrо значения не
должно возникать температурных де(рормаций и смещений
решетки. Поэтому, несмотря на то что свет через решетку не
проходит, замена материала ее заrотовки на дрyrой, имею
щий отличающийся от расчетноrо коэФ(I)ициент линейноrо
расширения, и привела к отказу прибора по точности при He
котором колебании температуры окружающей среды.
3. Обеспечение культуры производства: чистоты оборудо
вания и рабочеrо места, необходимых санитарных норм pa
боты, защиты от вибраций, температурных и маrнитных по
лей и т. д. Необходимость этоrо обусловлена тем, что данные
факторы производства оказывают существенное (а иноrда и
доминирующее) влияние на качество продукции.
Например, производство точных yrловых растров (с по
rрешностью Между штрихами не более 2" 3") требует не
только использования прецизионной делительной машины,
но и установку ее на индивидуальном (рундаменте, защиту
от вибраций, стабилизацию давления и температуры до co
тых долей rpaдyca. .
4. CTporoe соблюдение технолоrическоrо процесса, усло
вий и режимов изrотовления деталей и их сборки. Это Tpe
бование обусловлено тем, что нарушение технолоrических
процессов и условий может существенно снизить надеж
ность изделий.
Например, расклейки блоков линз или склеек их с опра
вами происходят обычно из за Toro, что детали перед склей
кой не были обезжирены или был использован клей с истек
тим сроком применения; изменение q)оРМЫ деталей (изrиб
валов, коробление оправ) с течением времени возникает из
за Toro, что не было проведено их искусственное старение;
223
появление остаточных напряжений в материалах (двойноrо
лучепреломления в стекле) деталей обусловлено излишне
интенсивными режимами их обработки.
5. Контроль по операциям при выпуске rотовой продук
ции. Контроль деталей, узлов, компонентов приборов позво
ляет своевременно выявлять и исключать брак и тем самым
повышать надежность прибора в целом.
Например, в измерительном устройстве дальномера, опи
санном в работе [11.19] (см. также п.5.2 и рис. 3.3 пособия),
обязательной индивидуальной проверки и паспортизации
требует местная поrрешность шarа микрометрическоrо вин
та, так как в дальнейшем эта поrрешность не компенсирует
ся и может привести к отбраковке Bcero устройства или сни
жению точностной надежности дальномера.
6. Проведение разнообразных испытаний приборов (Me
ханических, климатических, термобарических, электри
ческих, оптических и т. п.) лабораторных, стендовых,
полиrонных, а также приемосдаточных, периодических и
проверочных, которые позволяют выявить проектно кон
структорские ошибки, дефекты изrотовления и соответствие
прибора требованиям ТУ, в том числе и показателям надеж
ности.
Приемосдаточные испытания проводят в целях провер
ки каждоrо экземпляра прибора на соответствие ТУ , эталону
и конструкторской документации.
Периодические испытания производят для проверки co
ответствия произвольно выбранных приборов (прошедших
приемосдаточные испытания) \ требованиям технических
условий в течение установленнdrо времени, обычно не реже
одноrо раза в rод.
Типовые испытания проводят в целях оценки эффектив
ности изменения принципиальной схемы, конструкции,
технолоrии изrотовления, используемых материалов и KOM
плектующих, а также по рекламациям на приборы.
4.3.3. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ
ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ
Для увеличения надежности приборов во время их экс
плуатации необходимо учитывать следующие факторы, вли
яющие на надежность приборов, и обеспечивать COOTBeTCTBY
ющие условия эксплуатации:
224
1. Так как эксплуатация прибора внепредусмотренных
условиях и режимах является одним из основных источ
ников отказов, не следует располаrать приборы вблизи ис
точников радиации, вибраций, силовых установок и т. п.,
воздействующих на прибор посредством механических и
акустических полей. Режимы эксплуатации (временной,
скоростной, силовой и 'т. д.), условия и сроки обслуживания,
поверки должны соответствовать инструкции.
2. В связи с тем что интенсивность отказов наиболее BЫ
сока в начальный период эксплуатации, целесообразно по
сле хранения и транспортировки прибора, а также при ero
приобретении провести ero тестирование и проверку на всех
режимах работы (предпродажная подrотовка).
3. Целесообразно подключать при боры к сети электриче
cKoro питания через устройство стабилизации напряжения,
а также обеспечивать их заземление.
4. Работать с приборами, осуществлять их своевременное
обслуживание должен квалифицированный и OTBeTCTBeH
ный персонал, подrотовленный к работе с конкретными при
борами . Усовершенствование и повышение квалификации
персонала, ero переподrотовка, по возможности, должна
осуществляться на фирме производителе приборов или под
ее руководством.
5. Необходимо создание специализированных служб по
плановым проверкам, обслуживанию и ремонту приборов,
осуществлению консультативной помощи персоналу.
Список литературы
11.1. Бруевич Н. r. Точность механизмов. М.: rостехиздат, 1946.
354 с.
11.2. Бруевич Н. r., CepreeB В. и. Основы нелинейной теории точно-
сти и надежности устройств. М.:.Наука, 1976. 136 с.
11.3. Бородачев Н. А. Обоснование методики расчета допусков и
ошибок кинематических цепей. М.: Изд во АН СССР, 1943. ч. 1.
158 с.; 1946. ч. 2. 270 с.
11.4. Бородачев Н. А. Анализ качества и точности производства.
М.: Маmrиз, 1946. 252 с.
11.5. Бородачев Н. А. Основные вопросы теории точности производ
ства. М.: Изд воАН СССР, 1950. 416 с.
11.6. Иванцов А. и. Основы теории точности измерительных
устройств. М.: Изд-во стандартов, 1972. 212 с.
11.7. Розенберr В. я. Введение в теорию точности измерительных си
стем. М.: Сов. радио, 1975. 304 с.
11.8. Браславский д. А., Петров В. В. Точность измерительных
устройств. М.: Машиностроение, 1976. 312 с.
225
11.9. Коротков В. П., Тайц Б. А. Основы метролоrии и теории точно..
сти измерительных устройств. М.: Изд"во стандартов, 1978. 352 с.
11.10. НОВИЦКИЙ п. В., 30rраф Н. А. Оценка поrрешностей результа"
тов измерений. л.: Энерrоатомиздат, 1985. 248 с.
11.11. Рудзит я. А., Плуталов В. Н. Основы метролоrии, точность и на..
дежность в приборостроении. М.: Машиностроение, 1991. 304 с.
11.12. rOCT 16320 80. Цепи размерные. Расчет плоских цепей. М.:
Изд"во стандартов, 1982.
11.13. rOCT 21098 82. Цепи кинематические., Методы расчета точно..
сти. М.: Изд"во стандартов, 1983.
11.14. Быховский М. Л. Основы динамической точности электриче"
ских и механических цепей. М.: Изд"воАН СССР, 1958. 157 с.
11.15. Дунаев п. Ф., Леликов о. п. Расчет допусков размеров. М.:
Машиностроение, 1981. 190 с.
11.16. Справочник конструктора точноrо приборостроения / Под ред.
К. Н. Явленскоrо, Б. п. Тимофеева, Е. Е. Чаадаевой. л.:
Машиностроение, 1989. 792 с.
11.17. Расчет точности машин и приборов / В. п. Булатов,
и. r. Фридлендер, А. r. Баталов и др.; под общ. ред. В. п. Була..
това, и. r. Фридле ндера. СПб.: Политехника, 1993. 496с.
11.18. Кулаrин В. В. Основы конструирования оптических приборов.
л.: Машиностроение, 1982. 312 с.
11.19. Латыев С. М. Компенсация поrрешностей в оптических пр ибо"
рах. л.: Машиностроение, 1985. 248 с.
11.20. Плотников В. С. Расчет и конструирование оптико"механиче..
ских приборов. М.: Машиностроение, 1983. 256 с.
11.21. Плотников В. С. rеодезические приборы. М.: Недра, 1987.
397 с.
11.22. Проектирование оптико"электронных приборов / Под ред.
ю. r. я к уше н к о ва М.: Лоrос, 2000. 488 с.
11.23. Высокоточные yr ловые измерения. Под ред. ю. r. я к у"
ше н к о ва. М.: Машиностроение, 1987. 480 с.
11.24. Справочник конструктора оптико"механических приборов /
Под ред. В. А. П ан о в а. л.: Машиностроение, 1980. 742 С.
11.25. Проников А. С. Надежность машин. М.: Машиностроение,
1978. 590 с.
11.26. Надежность технических систем: Справ. / Под ред. М. А. У ша"
к о ва М.: Радио и связь, 1985. 608 с.
11.27. rаврилов А. Н. Основы технолоrии приборостроения. М.:
Высш. шк., 1976. 328 с.
11.28. Кемпинский М. М. Точность и надежность измерительных при"
боров. л.: Машинос.троение, 1972. 264 с.
11.29. Краузе В. Конструирование приборов. ч. 2. М.: Машино"
строение, 1987. 376 с.
11.30. Диллон Б., Синrх ч. Инженерные методы обеспечения надеж"
ности систем. М.: Мир, 1984. 208 с.
11.31. Цербст М. Контрольно"измерительная техника. М.: Энерrо"
атомиздат, 1989. 319 С.
11.32. Леонов А. Н., Дубровский Н. С. Основы технической эксплуа"
тации бытовой радиоэлектронной аппаратуры. М.: Леrкомбытиздат,
1991. 268 с.
11.33. Матвеев А. В. Вопросы теории надежности оптико"механиче..
ских приборов: Автореф. дис. канд. техн. наук. л.: rои им. С. и. Вави"
лова, 1969.
11.34. Hansen F., JHstierung. 2. AHfl. Berlin.: УЕВ Verlag Tehnik,
1967.
226
11.35. Поrарев r. В. Юстировка оптических приборов. л.: Машино
строение, 1982. 238 с.
11.36. Латыев с. М., EropoB r. В. Учебное пособие по выполнению Kyp
cOBoro проекта дисциплины «Конструирование оптических приборов .
л.: ЛИТМО, 1991. 78 с.
11.37. Дич Л. 3., Латыев с. М., Рукавицын Н. Н. Повышение точности
оптических приборов методом алrоритмической коррекции поrрешностей
/ / Оптик. мех. пром ть. 1987. N 12.
11.38. ДИЧ Л. 3., Латыев с. М., Рукавицин Н. Н. Алrоритмический
способ коррекции температурной поrрешности сферометра / / Оптик. мех.
пром ть. 1989. N 4.
11.39. латыIвB с. М., Татаринов А. Т. Расчет допусков на первичные по
rрешности оптических приборов. / / Оптик. мех. пром ть. 1987. М 4.
11.40. Latyew s. М., Tatarinov А. G. Toleranzsynthese bei der
Gerateentwicklung / / Feingeratetechnik. 1987. м 11.
11.41. Сухопаров с. А., Долинский и. М. Методика расчета допусков
на юстировку оптических систем с помощью передаточных коэффициен
тов / / Оптик. мех. пром ть. 1967. N 3.
11.42. Сухопаров с. А. Обобщенный метод точностноrо расчета KOH
струкций оптических приборов / / Изв. вузов. Приборостроение, 1985.
M6.
11.43. Вычислительная оптика: Справ. / Под ред. М. М. Р у с и н о
в а л.: Машиностроение, 1984. 424 с.
11.44. Grossman W. Feingeratetechnik. 1973. N 3.
11.45. Сокольский М. Н. Теоретические основы расчета допусков в
оптических приборах. л.: ЛИТМО, 1980.
11.46. Родионов с. А. Автоматизация проектирования оптических
систем. л.: Машиностроение, 1982. 270 с.
11.47. Кинематика, динамика и точность механизмов: Справ. / Под
ред. r. В. к рей н и н а. М.: Машиностроение, 1984.
11.48. Рукавицин Н. Н., Латыев с. М., ДИЧ Л. 3. Некоторые вопросы
обеспечения точности вертикальных длиномеров / / Изв. вузов. Приборо
строение. 1993. М 3.
11.49. Latyew s. М., Rukawitzin N. N., Ditch L. S. Erh6hung der
Qualitat von MeBgeraten durch rechnerische Korrektur der Fehler / /
Feingeratetechnik. 1988. N 10. s. 448 450.
11.50. Латыев с. М., Митрофанов с. с. Алrоритмическая компенса
ция систематических поrрешностей фотоэлектрических преобразовате
лей KpyroBblx перемещений / / Оптик. мех. пром ть. 1988. М 1.
11.51. rOCT 13377 75, rOCT 27.002 83, rOCT 27.002 89,
TGL 26096/01, DIN 40041, MIL М 38510 D.
11.52. ДИЧ Л. 3., Латыев с. М. О состоянии исследований и разработок
в области координатно измерительной техники / / Оптич. журн. 1994.
M9.
11.53. Нормируемые показатели надежности rOCT 23642 79.
11.54. латыIвB с. М., Рукавицин Н. Н., Дич Л. 3. Повышение качества
прибора для измерения концевых мер длины методом алrоритмической
коррекции поrрешностей. 34 IWK ТН Ilmenau. 1989. Heft 3.
11.55. Половинкин А. и. Основы ииженерноrо творчества. М.: Ma
шиностроение, 1988. 363 с.
11.56. Основы инженерной психолоrии. 2 e изд. / Под ред.
Б. Ф. Ломова,М.:Высш.шк.,1986. 448с.
11.57. латыIвB с. М., ДИЧ Л. 3., Кириков с. о. Примеиение фотопри
ем ника «мультискан в приборах для измерения rеометрических параме
тров / / Оптич. жури. 1995. N 8.
Ч а с т ь 111
мЕтодыI повыIЕнияя КАЧЕСТВА
ПРИБОРОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ
Введепuе
Качество прибора и ero подсистем определяется совокуп
ностью простых И сложных свойств: точностью, надежнос
тью, технолоrИЧНОСТБЮ и т. д. В процесс е проектирования,
на стадии анализа техническоrо решения производится про
верка соответствия расчетных показателей качества требо
ваниям техническоrо задания. Обычно возникает ситуация,
коrда первоначальное реrпение не является удовлетвори
тельным. В таком случае необходимо повыrпать показатели
качества проектируемоrо объекта за счет поиска друrих фи
зических принципов работы, схемных изменений, ужесто
чения допусков, применения новых технолоrических про"
цессов и пр.
Отметим, что наиболее эq)фективно качество объекта MO
жет быть повышено именно в процессе проектирования.
Отсюда следует необходимость изучения, исследования и
развития методов повышения качества приборов и их под
систем.
Повысить качество прибора, в том числе и оптическоrо
(ОП), можно технолоrическим, проектно конструкторским
или компенсационным методами. В данной части учебноrо
пособия рассматриваются все три метода, однако большее
внимание уделено компенсационному, так как он менее опи
сан в литературе и более тесно связан с вопросами практи"
ческоrо конструирования приборов и содержанием первых
двух частей учебноrо пособия.
r л ава 5
KOHCTPYKTOPCKO-ТЕхнолоrИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРИБОРОВ
5.1. ТЕхнолоrИЧЕСКИЙ МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА
Технолоzuческuu метод проектирования трЦДИЦИОН
ныIй прием повышения качества приборов (рис. 5.1). он OCHO
ван на том, ч о в новой моди<рикадии прибора:
используются обычные материалы, но с более высокими
показателями качества по сравнению с прототипом, особенно
для оптических деталей [например, стекло более высоких ка
теrорий и классов по ne' Ll(пF пс), оптической OДHOpOДНO
сти, двойному лучепреломлению, свильности и llYзырности),
либо используются новые нетрадИЦИОШIые материалы, об
ладающие существенными преимуществами (например, для
изrотовления космических зеркал используются такие пер
спективные материалы, как бериллий и карбид кремния);
применяются более высококачественные покупные (CTaн
дартизованные и унифицированные) элементы: приемники,
источники, шарикоподшипники, датчики, преобразователи
Методы
I I
Техн.олоzический П poe"тHO KOH Компенсационный
cmpy"nl,OPC"UU
I I I I
. И сnользова · Применение
ние вЬ('COKO . Оnтим-изация · Т ехнолоzи че реzулировочно
качесп венных nарам-етров ская "OMneHca юстировочных
м-атериалов и . Рациональное ция nоzрешно KOMneHcaтo
элем-енпtов nерерасnределе cп eй ров
· Ужесточение ние допусков . Орzанизацион . Прим-енение
допусков . Изм-енение но техническая функциОllал ь
на изzоп овд.ение конструкции ком-nенсация ных KOJ)tneHca
и с бор "у деталей . И.зм-енение поzрешносп ей пtOpoe
· Рациональное схемы . KOHcтpy"тив . Прим-енение
использование . Изм-енение ная Koм-пeHca настроечно
точностньf,Х nринциnа ФУll" ция nоzрешно выверочных
возм-ожностей ционирования стей KOMneHcaтo
оборудования ров
Рис. 5.1. Методы повышения качества приборов при nроектирован.ии
229
и Т. п. [например в приборах ночноrо видения использование
электронно оптических преобразователей BToporo и третьеrо
поколения (с микроканальными пластинками, фотокатодами
на основе арсенида rаллия или мноrощелочными) существен
НО повышает дальность наблюдения и дрyrие характеристи
ки этих при боров по сравнению с приборами, rде исполъзу
ются обычные ЭОПы (нулеворо и первоrо поколений)];
назначаются более жесткие допуски на размеры, форму и
положение деталей.
Естественно, что такой путь повышения качества приборов
связан со значительным удорожанием производства и поэто
му не может считаться оптимальным и достаточно эффектив"
НЫМ. К тому же развитие технолоrических возможностей OT
стает от предъявляемых требований к точности изrотовления
элементов и приборов, и простое ужесточение допусков на их
изrотовление и сборку чаще Bcero не дает желаемоrо резуль
тата. Однако неуклонное повышение качества технолоrиче
cKoro оборудования и технолоrических процессов, появление
новых КОНСТРУКЦИОШIых материалов и унифицированных
элементов с более хорошими характеристиками определяют
возрастающую перспективность данноrо метода.
Вместе с тем технолоrический метод повышения качества
прибора следует считать полезным и эффективным в смысле
более полноrо и правильноrо использования уже имеющих
ся технолоrических возможностей производства.
В качестве примера применения этоrо приема повышения
качества прибора сравним новую модификацию круrлоrо
поворотноrо стола CT 320 с серийно выпускаемым фирмой
ЛОМО столом СТ..24 (приспособление к универсальному из
мерительному микроскопу УИМ 24). При разработке этоrо
стола, используя новые материалы (ЦИАМ 10 5, фторлон),
высококачественные элементы (шары подшипников с по
rрешностью диаметров не более O,1 O,2 мкм) и, особенно,
технолоrические возможности оборудования, удалось повы
сить точность новой модификации по сравнению со старой
примерно в два раза. Суть рациональноrо использования точ
ностных возможностей оборудования при этом заключалась
в следующем. В уrлоизмерительном приборе с OДHOCTOpOH
ним отсчетом одной из основных поrрешностей, влияющей
на точность работы, является эксцентриситет лимба из за
зазора в посадке лимба в оправу, требующий весьма TPYДO
емкой центрировки последнеrо относительно оси вращения
по кольцевой риске или штрихам [111.1]. Для уменьшения
230
этой поrрешности раз
работчики предложили
(А. с. М 623709, СССР)
наносить деления на
лимб 1 , предварительно
закрепив ero на опра
ву 2, используя BНY
тренний диаметр опра
выI как базу (рис. 5.2).
Естественно, .. что диа
метры D 1 оправы, D 2 Ba
лика 5, BOKpyr Koтoporo
вращается стол 3, co
единенный с лимбом,
и D3 шаров 4 должны
быть изrотовлены с большой точностью (поrрешности диа
MeTpOBD 1 и D 2 были в пределах O,2 O,3 мкм) для тoro, Ч'rобы
после сборки узла лимба с валом не возникал эксцентриси
тет. При такой технолоrии деления штрихов зазор в посадке
лимба в оправу уже не будет оказывать влияния на точность
изм рения yrлов.
Подобное решение широко используется также для повы
шения точности центрировки линз в оправах, коrда послед
ние обрабатываются в номинальный размер от оптической
оси, совмещенной с осью шпинделя станка с помощью спе
u
циальноrо центрировочноrо патрона и автоколлимационнои
трубки (см. рис. 1.42). Менее известен, но также применяет
ся на практике способ повышения точности расположения
рабочих поверхностей зеркал, призм, клиньев относительно
базовых поверхностей их оправ результативной обработкой
базовых поверхностей [111.2, 111.3].
На рис. 5.3, а представлено приспособление 1, 4, 5 для
результативной обработки базовой поверхности оправы 3
зеркала (либо призмы) инструментом 2 (сррезой, резцом,
шлифовальным KpyroM) от оптической установочной базы,
задаваемой автоколлиматором 6. "
На рис. 5.3, б изображены первичные поrрешности элемен
тов узла зеркала (УI14)' а также значение и допуск на yrол y
между отражающей поверхностью зеркала и базой оправы.
На рис. 5.3, в представлено приспособление 1, 2 к TOKap
ному станку для подрезки базовоrо опорноrо торца оправы
клина 3 резцом 4 после установки поверхности клина пер
пендикулярно к оси шпинделя станка по автоколлимато
2
1
3'
Рис. 5.2. Уzлоизмерителъныu стол
231
232
а)
2
6
I
45/
/ / J :t
/ / 8
/
б)
3
:
oo 14
\ O
в)
\
\
\
\5
h
Рис. 5.3. Резулътативная обрабопuса базовых поверхностей узлов
ру 5. Измеряя с помощью индикатора расстояние h между
опорным торцом и рабочей поверхностью клина, можно дo
статочно точно выдержать требуемое ero значение.
Типичным примером рациональноrо использования ТОЧ
ностных возмощностей технолоrическоrо оборудования
является также ко струкция оправы объектива в которой
возможна совместная (за одну установку) техиолоrическа.и
обработка ее рабочих и базовых поверхностей позволяющая
повысить точность их взаимноrо расположения (СМ. п.. 1..2..2,
рис. 1.8, 1.9).
5.2. ПРОЕКТНО..КОНСТРУКТОРСКИЙ МЕТОД
ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА
Прое"тно н;онструкторс"ий метод является наиболее
эффективным и перспективным для повышения качества
приборов. Он основан на рациональном перераспределевии
допусков и параметров, изменении конструкции oFделъвыx
деталей и узлов, схемы, принципа функционировании пр/и
бора или ero функциональных устройств.
Рациональное перераспределение допусков. Метод позво
ляет существенно повысить технолоrичность прибора, а ино
rда и ero показатели назначения. Например, в объективах
допуски на центрировку отдельных линз часто на:шачают
одинаковыми и, как правило, довольно «жесткими.,. однако
децентрировка каждой линзы влияет на аберрации по р\аз
НОМУ, поэтому целесообразно расширить допуск на центри
ровку линз, которые влияют слабо, и сузить допуск на те,
которые влияют очень сильно.
Примером этоrо может служить перераепреде-ление ДО""
пуска на центрировку поверхностей объектива с перемен"
ным фокусным расстоянием «Лrат 14.. В этом объективе
(см. рис. табл. 5.1), содержащем 18 поверхностей только
децентрировка поверхностей трех последних линз (особенно
последней и предпоследней) существенно влияет на качество
изображения (кому). Значения коэффициентов влияния на
изменение поперечных аберраций при децентрировке по
верхностей на 0,01 мм при f' == 9 мм приведены в таол. 5.1.
Для получения требуемоrо качества изображения вначале'
были назначены жесткие и равные допуски на центрировку
всех элементов. Однако это не позволяло получить xopomero
качества всех изrотавливаемых объективов и соп:ровожда
233
Табл.ица 5.1
КОЭффU'fuеnты влuяnuя децеnтрировох nоверхnостей
Номер поверхности
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Коэф<рициент влияния
0,15.10 2
0,3.10 6
0,3.10 3
0,4.10 3
0,44.10 2
0,7.10 3
0,6.10 6
o 46.10 3
,
0,96.10 2
0,12.10 2
0,15 мкм/рад
0,15 мкм/рад
0,1.10
0,001 мкм/рад
0,44
o 39
,
0,16
0,57
лось низкой технолоrичностью. Перераспределение допуска
в сжорону ero существенноrо расширения (в соответствии с
кээффициентами влияния децентрировок поверхностей) на
все элементы (в том числе и на три последних), но с обеспе
чением возможности юстировки комы последних линз [111.1]
позволило получить требуемое качество изображения и по
вьтсить технолоrичность изделия.
ПовЬLшение качества изделия рациональным nepepacnpe
делением nараметРО8. Рассмотрим этот прием на примере
измерительноrо устройства отклонения пучка лучей лин
зовом компенсаторе (рис. 5.4). Устройство содержит афокаль
ную телескопическую систему 4, 5, отклоняющую пучок лу
чей на yrол у при перемещении положительноrо компонента
с П6lV.fОЩЬЮ двуплечеrо рычarа 3 и винтовоrо механизма 1 2.
'Уrол у/.связан следующей зависимостью с :конструктивны
ми параметрами устройства и уrлом х поворота винта (зада
'ЕаеМ{;)IТф, наприме:р, с помощью шarовоrо двиrателя):
у == r2 k px/(f'r 1 21t),
234
....:r"
.......
.......
---- у
I
.......
......,
{'
r2
х
/"\
.J
Рис. 5.4. Устройство от"лонения nуч"а луrчейJ
rде rl' r2 длины плеч рычаrа; k ир число заходов и mar'
резьбы винта; {' фокусное расстояние линзы 5.
В типовых узлах у 10'; rl == r2; k == 1; р == 1 мм, фокусные
расстояния линз устройства достиrают значенИЙ от несколь
ких до десяти метров.
Измерение параллактическоrо уrла должно производить
ся С поrреmностью не более O,2 O,3". Основными поrреm
ностями функционирования устройства являются П0rреm
ности, обусловленные: поrреmностью фокусноrо расс,тояии&
111' линзы, I1YAf' == yl1f' /f'; поrреmностью длин I1rl, 2 плеч
рычarа, IJ.YAr 1 2 == + ylJ. r l,2/ r l, 2; поrреmностью шаrа I1p винта,
IJ.УАр == r2 д р/(r 1 f'); поrреmностями формы опорных поверхно
стей I1h 1 , IJ.h 2 рычarов: I1YAh ' r 2 IJ.h 1 /(rl{')' IJ.YAh == IJ.h 2 /f'; oce
вым зазором IJ.co в винтовой 1 паре IJ.YAc == r2IJ.cO/(ft1f').
Е о u
сли точность функционирования устроиства оnpеде
лялась бы только поrрешностью 11{', то предельный Д0ПУСК
на эту первичную поrреmность в относительных единицах
IJ.{'/I' == l1y/y == 0,3"/10' == 0,05 0/0. Такой допуск технолоrи
чески выдержать невозможно. Следовательно, требуе'FСЯ
компенсация влияния этой поrрешности. Так как эта по
rреmность, а также IJ.У 6r , IJ.У Ar носят мультипликатИ'Вный xa
1 2
рактер, то реrулированием одноrо из плеч рычаrа можН(:) про
извести взаимокомпенсацию их влияния. Этой реrу.лировкой
235
компенсируется также влияние накопленной составляющей
поrреmности шarа винта [111.1]. Ме<;тная поrрешность шarа
винта при этом не компенсируется, что требует назначения
на нее жестких допусков и обязательной индивидуальной
проверки и паспортизации микрометрических винтов.
Однако из q)ормулы для l1у p следует, что ВЛИЯlШе поrреm
ности mara винта зависит от соотношения r2/ rl. Следователь"
НО, если выполнить эти параметры не равными дрyr дрyrу,
как в типовом узле, а например, принять rl == (2+3)r2' то влия
ниепоrpеmности шаrа винта (а также поrреmностей I1Со, hl)
:будет ослаблено в два три раза. Это позволит существенно ПQ
высить технолоrичность винтовой пары блarодаря расmире
:ЕШЮ допуска на поrрешность ее изrотовления и возможности
иерехода к выборочному контролю. Кроме этоrо, будет TaK
же уменьшено влияние поrреmности ввода уrла х marовым
двиrателем. Для обеспечения требуемых характеристик узла
изменение соотношений длин плеч рычаrа потребует измене
1ШЯ параметров винта: увеличения mara при том же значении
х либо числа ero оборотов (при неизменном значениир). YBe
личение длины винта, как известно, приводит к некоторому
росту накопленной составляющей' поrреmности ero mara.
Однако, во первых, этот рост незначителен, а BO BTOpЫX как
упомииалось, накоплеШIая составляющая компенсируется
реrулировкой размера одноrо из плеч рычarа.
Указанное перераспределение конструктивных параме
ТрОВ рыIarаa и винта может вызвать увеличение rабаритных
р,азмеров устройств, но ero леrко избежать рациональной
компоновкой конструкции.
Примером подобных решений, позволяющих существен-
но снизить влияние поrреmности mara винта на точность и
чувствительность перемещений, выполняемых с помощью
винторычажноrо iIривода, MorYT служить механизм TOH
кой фокусировки микроскопа типа «Винкель и наводящие
устройства теодолитов.
Еще одним примером рациональноrо перераспределения
параметров является изменение начальноrо положения кри
вошипа п-араллелоrраммноrо механизма визирноrо оптиче
cKoro устройства (см. рис. 3.22, 3.23), позволяющее суще-
ственно повысить точность ero q)ункционирования.
Измен-енни в конструкции прибора. Даже простые изме
нения моту" существенно повысить качество прибора. Клас
сическим примером является сравнение конструкций двух
компараторов (см.. рис. 1.44). Компаратор, в конструкции KO
236
Toporo соблюдается принцип Аббе, из за поворота стола q>z
обладает поrрешностью измерения I1Уl (например, из за по
rреmнQCТИ (рорм направляющих) BToporo порядка малости:
I1Уl == L2sin 2 (I1q>z/2) LI1<p /2,
а компаратор, конструкция KOToporo не удовлетворяет прин
ципу Аббе, имеет поrрешность первоrо порядка:
I1У2 == Hsinl1q>z HI1<pz.
На рис. 2. 11, б изображена схема измерительной aвTO
коллимационной rоловки, качество изображения в которой
MHoro лучше (следовательно, выше точность ее работы) бла
rодаря изменению конструкции по сравнению с прежним
вариантом (см. рис. 2.11, а). В старом варианте поrрешность
положения зеркала 3, расположенноrо между линзами теле
объектива, приводит к коме и друrим аберрациям. В новом
варианте поrрешность положения зеркала 3 (стоящеrо в
параллельном пучке лучей) никакоrо влияния на качество
изображения не оказывает, кроме этоrо, здесь существенно
снижена трудоемкость ero юстировки.
Друrим примером является сравнение конструкций OCHO
ваний rоризонтальных длиномеров ИКУ 2 и изr 4 (рис. 5.5).
В длиномере ИКУ 2 основание 1 является несущим элемен
том пинольной бабки 2, предметноrо стола 3 и измерительной
бабки 4. Под действием веса измеряемоrо объекта возникал
проrиб основания, ПРИВQДЯЩИЙ к поrреmности измерения до
1 мкм. В новой модификации (изr 4) применена разrрузка
основания 1 , несущеrо измерительные бабки от предметноrо
стола. Теперь проrиб нижнеrо 2 основания прибора под дей
ствием веса объекта мало сказывается на точности измере
ния (до 0,2 мкм при максимальной нarрузке).
Довольно часто изменен я в конструкции выполняют не
только для повышения показателей назначения, а для повы
шения ее технолоrичности. Например, в объективе «rели
а)
б)
3
1
Рис. 5.5. Основания длиномеров: а ИКУ 2; б изr 4
237
oc 44M. модернизированной конструкции (см. рис. 1.9, б)
компоненты 1, 2 и 3, 4 собираются rораздо проще, чем в ста..
рой (см. рис. 1.9, а), причем здесь воздушный промежуток
между вторым и третьим компонентами выполняется тех
нолоrически (не требуется кольцо 6). Блarодаря возможно..
сти технолоrической обработки посадочных поверхностей
оправ компонентов 1, 2 и 3, 4 за одну установку в модерни"
зированной конструкции повышается центрировка компо
нента 1 относительно 2 и 3 относительно 4. Вместе с тем
на примере этой конструкции можно показать, что возмож
но дальнейшее ее улучшение. Так, если обеспечить возмож
ность совместной технолоrической обработки поверхностей
корпуса 7 и для компонентов 1, 2 и 3, 4, то можно повысить
и центрируемость компонентов 1, 2 относительно 3, 4.
Изменение схемы устройства. Примерами повышения
качества блаrодаря изменению схемы устройства MorYT быть
спиральный и винтовой окулярные микрометры. Спираль
ный окулярный микрометр, обладая теми же техническими
возможностями, что и винтовой ( см. рис. 1.50), может иметь
поrрешность принципиально меньшую, блarодаря замене
поступательноrо движения подвижной сетки 3, осуществля
eMoro винтовым отсчетным механизмом 4 6, вращательным
движением сетки 3 со спиральной и круrовой шкалами. Ta
кое изменение схемы микрометра уменьшило длину отсчет
ной кинематическом цепи (коническая зубчатая передача 4,
5 является приводом и не вносит поrрешностей в результат
измерений), что привело к повышению ero точности.
На рис. 1.51 представлены схемы отсчетных приводов
двух при боров cTaporo (рис. 1.51, б) и HOBoro (рис. 1.51, а).
Оба привода состоят из одинаковых червячных и зубча
тых пар, но переставленных местами. Как было показано в
п. 1.4.3, это изменение схемы позволило повысить точность
работы модернизированноrо привода.
Заметим, что изменения в конструкции или схеме прибора,
связанные с соблюдением принципов конструирования ero
элементов и устройств, всеrда оказывают существенное поло..
жительное влияние на показатели точности, технолоrично
сти и надежности. Поэтому критический анализ аналоrа или
первоначальноrо решения надо начинать с поиска нарушений
соответствующих ПРИIЩИпов и правил конструирования.
Замена принципа функционирования прибора или ero
функциональных устройств. На основе этоrо способа можно
получить особенно заметное повышение качества прибора.
238
D
P:: в
Рис. 5.6. П аралла"тuчес"uй треуzолънu"
Примером может служить светодальномер, постепенно BЫ
тесняющий классические моноку лярные и стереоскопиче
ские оптические дальномеры, измеряющий дистанцию 60
лее точно и быстро.
ИзмереlШе дист81ЩИИ оптическими дальномерами основано
на решении параллактическоrо треyrоль:ни:ка, причем rлавной
причиной поrpеmности измерения дистанции является по
rpешность измереlШЯ параллактическоrо yrла Е (рис. 5.6).
ПоrpешнQCТЬ измерения дистанции D из за поrрешности из
мере:ния параллактическоrо yrла Е для дальномера с базой В
8DдE == B8E/E2 == D28E/B.
Поrрешность измерения паралла:ктическоrо yrла зависит
не только от технолоrических и эксплуатационных поrреm
ностей дальномера, но и от поrрешности, обусловленной
оrра:ниченной остротой зрения оператора. Эта поrреmность
оператора, например при стереоскопическом способе наблю
дения, составляет около 10". С учетом увеличения r дально
мера эта так называемая теоретическая ошибка дальномера
I1Е т == 1 о" /r.
Поrрешность измерения дистанции из за теоретической
ошибки дальномера достиrает существенных значений. Ha
пример, при D == 6000 м, В:::с 1 м, r ==10 Х
(6000)2.1 О". 5.1 0 6
fli)6.E T == 1.10 Х 180M.
Измерение дистанции светодальномером основано на из
мерении времени прохождения t излучения от дальномера
до объекта наблюдения и обратно:
D == ct/(2n),
rде с скорость распространения света в вакууме; n по
казатель преломления среды (воздуха).
239
rлавная поrрешность измерения дистанции возникает
из за поrрешности измерения времени t прохождения сиrна
ла. Современные способы позволяют измерять промежутки
времени с точностью около 10 lO с. Исходя из этоrо:
D сЫ 3.108(M/c).1.10 lO 15
11 6.t 2п 2.1 мм.
Как видно из расчетов, поrрешность измерения дистан
ции светодальномером (из за I1t) не зависит от дистанции и
значительно (на несколько порядков) меньше поrрешности
оптическоrо дальномера. По друrим показателям качества,
например производительности измерений, он также пре
восходит оптический дальномер, однако при определенных
условиях работы уступает ему в надежности.
Еще одним примером MorYT быть индикаторы линейных
перемещений, построенные по разным принципам функ
ционирования. В классическом индикаторе часовоrо типа
(рис. 5.7, а) перемещение измерительноrо стержня 1 преоб
разуется с помощью реечно зубчатой и зубчатых передач в
поворот стрелок 2,4 шкал (точной 3 и rрубой 5) индикатора,
по которым снимается отсчет искомоrо значения перемеще"
ния. Функция, связывающая перемещение стержня у и по
ворот стрелки х точной шкалы, имеет вид (СМ. п. 3.1.2)
тZlZЗ
у == 2 Х,
Z2
rде т модуль зацепления зубчатой рейки и триба; ZI ZЗ
числа зубьев соответствующих колес.
На рис. 5.7, б представлена схема (ротоэлектрическоrо ин
дикатора линейных перемещений [111.4], в котором переме
щение измерительноrо стержня 1 преобразуется с помощью
а)
2
\
,
б)
2 3
\ )(1
, I
\
t1 ' : <€U )
, -7 U2
в)
)[
2
и
Рис. 5.7. Фун"циональные схемы инди"аторов лuн.еиныхx
nеремещений
240
измерительноrо 2 и индикаторноrо 3 оптических растров
в аналоrовые электрические сиrналы с фотоприемников,
преобразуемые затем в счетные электрические импульсы
(см. пояснения к рис. 3.7). Функция, связывающая переме"
щение стержня с числом п импульсов, имеет вид
. у == (kT /4)п == Ап,
rде т период деления растров; k коэсрсрициент деления
интерполятора; А цена счетноrо импульса в линеЙНой
мере.
Данный индикатор позволил автоматизировать процесс из..
мерения, увеличить диапазон измерений, а также повысить
их точность по сравнению с индикатором часовоrо типа.
На рис. 5.7, в изображена схема новой модисрикации фото"
электрическоrо индикатора [111.5], в котором перемещение
измерительноrо стержня 1 преобразуется позиционно чув"
ствительным приемником 2 (например, типа «Мультискан»)
в аналоrовый электрический сиrнал (электрическое напря
жение, снимаемое с приемника). При перемещении стержня
на величину у смещается на такое же значение по чувстви"
тельной площадке приемника световая зона, создаваемая
светодиодом, что позволяет связать искомое перемещение с
измеряемым электрическим напряжением U следующей за..
висимостью:
у == (Lo/Uo)U,
rде Lo длина светочувствительной площадки приемника;
U о опорное напряжение, подаваемое на приемник.
Данный индикатор, обладая всеми преимуществами пре"
дыдущеrо, имеет более простую конструкцию и основан на
униq)ицированных элементах.
Повышение качества прибора не обязательно связано с
полной заменой принципа'еrо функционирования. Положи"
тельный эффект создается при изменении принципа функ"
ционирования ero основных преобразователей. Например,
замена визуальных оптических систем отсчета координат
перемещения стола и микроскопа в универсальном измери"
тельном микроскопе УИМ.. 23 на q)отоэлектрические системы
отсчета координат (микроскоп ДИП l) позволила повысить
производительность измерений в три"четыре раза, улуч"
шить комфорт работы с микроскопом, существенно умень"
шить количество деталей OCHoBHoro производства (в первую
очередь оптических).
241
На рис. 5.8 изображена схема отсчетной системы попе
речной каретки микроскопа УИМ 23. Она содержит освети
тельную систему 1 1 О, эталонную шкалу 11 , проекционную
систему 12 19 с оптическим микрометром 15, 16 и восковой
экран 20. Оптических элементов в схеме более 25.
Фотоэлектрический датчик линейных перемещений
(А. с. N 508672, СССР) содержит Bcero восемь оптических
деталей (рис. 5.9): источник света 1, конденсор 3, клин 5,
дифракционные решетки 6, 7 и четыре проекционные линзы
4, строящие изображение на фотоприемниках 2.
Следует, однако, заметить, что данный путь повышен я
качества приборов зависит от появления новых открытий,
изобретений, качественно новых элементов (основанных на
новых физических принципах) и технолоrий. Например,
практическая реализация идеи, заложенной в основу рабо
ты светодальномера, стала возможной только при появлении
мощных источников излучения (лазеров) и чувствительных
приемников [фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) и ла
винных фотодиодов ].
Теории и развитию данноrо способа повышения качества
объектов проектирования и конструирования, особенно pe
8
13 19
О ,AJf,-о:14 1 "', 2
9, 15 "'-р 100
o 17
6
1
-2
'е!
"-';<13
4 ..
: -"-/ /
5! д'
'сУ'
Рис. 5.8. Визуальная отсчетная система .ми"рос"оnа
242
l(СД) 2(ФЛ)
I
I \
\
I
\ : I '
I "I ;
I '"'1
,.1.,
...,'
t.-...J i
1,-, .1. _.. . t-
' \ ! I I
A
q
I
L 19,7
1..
3 4 5 6 7
i ! !
I I
/ I I
I I f
! I I
j ! I
! I Х
i i
I I
I I
I !
, I
!
I
i
I
I
. ....;
17,5
24,5
i
15
ВидА
Вид В
L
z у
ФП4
....,
Ш'Е!3
.......L... I
I
I I
I
t-
I
I
ФП2./
,/
{"
ФП3
Рис. 5.9. Фотоэле"тричес"ий nреобразовап ель линейных nеремещений:
ФП фотоприе.мник
шению изобретательских задач, поисковому проектирова
нию и методам инженерноrо творчества, посвящено большое
количество работ [111.6 111.12]. Практическое применение
метода следует начинать с критическоrо анализа прототипа
[111.12, 111.13], и в первую очередь с поиска более эффектив
Horo принципа функционирования и проверки соответствия
конструкции общим правидам (принципам) конструирова
ния [111.12, 111.14].
rлава 6
КОМПЕНСАЦИОННЫЙ МЕТОД
ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА
Компенсационный метод повышения качества точных
приборов широко используется на практике и может дать
существенные результаты. Он основан на применении спе
243
циальных технолоrических, орrанизационно"технических
и конструкторских приемов и УСТI?ОЙСТВ (компенсаторов) в
целях компенсации влияния поrрешностей, ухудшающих
показатели качества. Этот метод тесно связан как с техно..
лоrическим (в случае применения технолоrических методов
компенсации), так и с проектно"конструкторским (в случае
конструктивных методов компенсации) методами повыше..
ния качества приборов. Специсрика оптических приборов
такова, что практически ни один прибор не выпускается без
компенсаторов тех или иных поrрешностей.
Рассмотрим более подробно классиq)икацию методов ком..
пенсации поrрешностей на примере оптических приборов.
6.1. МЕТОДЫ КОМПЕНСАЦИИ поrРЕШНОСТЕЙ
в ОПТИЧЕСКИХ ПРИБОРАХ
Технолоrический метод компенсации. Заключается в до"
полнительной обработке деталей прибора, а также в реrули"
ровках и юстировках в процессе сборки в целях компенсации
отклонений характеристик материалов деталей и поrрешно"
стей их изrотовления и сборки.
Дополнительная обработка деталей производится, как
правило, в процессе их сборки в узлы и называется приrон"
кой, или доводкой. Доводочные операции осуществляются
на металлорежущих станках (установленных на специаль"
ном участке сборочноrо цеха) либо, что чаще, слесарным
способом (шабрением, притиркой, развертыванием, рету"
шированием и т. п.). Доводки бывают раздельные, коrда
каждая деталь подrоняется к эталону (например, с помощью
притиров), либо совместные, коrда подrоняются друr к дру"
ry сопряrаемые детали. Доводка деталей является трудоем"
ким процессом и требует высокой квалификации сборщика"
механика.
Реrулировки и юстировки осуществляются на заверша"
ющем этапе сборки прибора или ero узлов путем подвижек
деталей либо воздействием на элементы, влияющие на ка..
чество оп. Реrулировка и юстировка заключаются в вы..
явлении поrрешностей, подлежащих компенсации (кон"
троль), устранении (реrулировка"юстировка) и фиксации
результата.
Заметим, что при применении конструктивных методов
компенсации, как правило, не обойтись без реrулировок и
244
юстировок'таких компенсаторов (т. е. технолоrической KOM
пенсации), что указывает на некоторую условность класси
q)икаЦии этих методов. В связи с этим под технолоrической
компенсацией будем понимать только дополнительную об..
работку деталей.
Данный метод пр меняется, коrда требуется получить
высокую надежность компенсации, а также коrда друrие
методы использовать невозможно. В остальных случаях эко
номически выrоднее применять конструктивный или opra"
низационно технический методы компенсации.
Примером применения технолоrическоrо метода может
служить: доводка направляющих подвижных си;стем уни
версальноrо и биолоrическоrо микроскопов; подрезка оправ
линз в объективах для фокусировки, реrулировки фокус
Horo расстояния или компенсации сферических аберраций;
подрезка опорных торцов корпусов микро И (ротообъекти"
вов для обеспечения необходимоrо значения их «высоты.
и рабочих отрезков; притирка и прикатка ходовых винтов,
зубчатых колес приводов ОП и т. д.
Орrанизационно-технический метод компенсации. 3a
ключается, например, в селекции деталей, во введении по
правок, рандомизации поrрешностей, пересчете оптической
системы прибора на плавки стекол (пересчет для исправле
ния аберраций на фактические значения показателя пре
ломления и средней дисперсии конкретной партии стекла с
дальнейшей комплектацией деталей по толщинам и воздуш
ным промежуткам).
Селекция объективов и окуляров бинокля по значениям
их q)окусных расстояний применяется, например, для обе
спечения параллелъности осей пучков лучей, выходящих из
окуляров. Непараллелъность осей пучков возникает, в част
ности, из за неравенства увеличений в трубках бинокля, KO
торое вызвано поrрешностью (РОКУСНЫХ расстояний объек
тивов и окуляров при их изrотовлении (см. рис. 1.58).
При селекции поля рассеяния фокусных расстояlШЙ объек
тивов и окуляров разбивают на несколько диапазонов (rрупп),
а затем, измеряя (рактические значения их q)окусных рассто"
ЯНИЙ, осуществлтот комплектовку по rруппам так, чтобы
разность увеличений в трубках не превыmала 1 0/0.
Сортировка по rруппам может быть равномерной, опти"
мальвой равномерной и оптимальной неравномерной. Рас"
чет rраниц размерных rрупп в зависимости от поля рассея"
ния поrрешностей, требуемой точности сортировки, уровня
245
несобираемости может быть осуществлен по рекомендаци
ям, изложенным в работе [111.15].
Еще одним примером селективной сборки может служить
комплектация револьверных rоловок микрообъективами в
биолоrических микроскопах. Поrрешности изrотовления
и сборки револьверных rоловок и микрообъективов MorYT
привести к тому, что при переключении объективов изо
бражение предмета УЙдет из поля зрения. Компенсация He
блarоприятноrо сочетания поrрешностей осуществляется
подбором к револьверу TaKoro комплекта микрообъективов,
чтобы при любом сочетании rнезд револьвера и объективов
изображение предмета не смещалось более чем на допуск
(в том случае, коrда не удается подобрать объективы, приме
, няют технолоrическую компенсацию поrрешностей револь
вера).
Планируя компенсацию поrрешностей селекцией дeTa
лей, следует отдать предпочтение орrанизованной селекции
по сравнению с неорrанизованной. При Heopr ани зов анной
селекции (метод подбора) оптик или сборщик механик BЫ
бирает из партии деталей (узлов), поступающих на сборку,
такие, которые дают нужное сочетание дрyr с дрyrом, напри
мер, нужные посадку, толщину, длину, расположение и т. п.
Характерным примером неорrанизованной селекции явля
ется комплектация линз по толщине перед склейкой для
взаимокомпенсации поrрешностей их толщин. При орrани
зов анной селекции детали сортируют по rруппам размеров
до поступления на сборку [в механическом или оптическом
цехах, в отделе техническоrо контроля (ОТК)]. Эта сортиров
ка осуществляется с помощью специальных калибров, изме
рительных средств, сортировочных автоматов.
Орrанизованная селекция считается более перспективной
и технолоrичной, чем неорrанизованная (особенно при круп
носерийном и массовом производствах), так как последняя
более трудоемка, выполняет ее вручную квалифицирован
ный рабочий (сборщик механик), кроме этоrо, результат ce
лекции зависит от квалификации сборщика.
Несмотря на некоторые недостатки метода селекции (воз
можность незавершенноrо производства, дополнительные
затраты на сортировку, нарушение принципа полной взаи
мозаменяемости), данный метод позволяет компенсировать
неблаrоприятные сочетания поrрешностей изrотовления дe
талей, расширить допуски на точность изrотовления их раз
меров.
246
Весьма перспективным приемом повышения эффектив
ности метода селективной сборки являются оптимизация
разбиения полей рассеяния конструктивных параметров
элементов на rруппы (диапазоны) при их комплектации пе
ред сборкой и адаптивное управление технолоrическим про
цессом изrотовления (иноrда сборки) элементов, называемое
адаптивной и селективной сборкой [111.16]. Принципиаль
ная схема адаптивной и селективной сборки представлена на
рис. 6.1 [111.16].
В связи с широким использованием в составе приборов
микропроцессорной техники появилась возможность ocy
ществлять алrоритмическую коррекцию поrрешностей ОП
и зzотовление
деталей (узлов)
дМt, Д(Ji ( дqt ' (J6qi)
x i (1 :t 8хд
Измерение
<Р(хд
Корре"тиров"а
парамеnl,ров
Определение
еруnп допус"ов
........ Х.
1
к орре"nl,иров"а
сбор "и
Упорядочивание
Селе"тивная сбор"а
/
Движение информации
............... Движение материалов
(деrnалей,узлов)
Рис. 6.1. Схема адаптивно селе"nl,ивной сбор"и
247
путем введения поправок в результат их функционирования.
Особенно часто этот прием используется' для компенсации
систематических составляющих поrрешностей линейных
и уrловых сротоэлектрических датчиков, учета изменения
температуры и друrих влияющих факторов (см. п. 6.5).
ОрrанизациОlШо"технический метод может быть приме"
нен, например, для компенсации влияния поrрешности изrо..
товления лимба (KpyroBoro растра) yrлоизмерительноrо при"
бора типа теодолита (рис. 6.2, а). Поrрешность изrотовлеlШЯ
лимба, случайная по своей природе и носящая периодический
и нереrулярныIй характер, в конкретном yrлоизмерительном
приборе будет вызывать систематическую поrреmнQCТЬ при из..
мереlШИ HeKoToporo yrла q> (рис. 6.2, б). Для компенсации этой
поrрешности в результат измерения можно ввести поправку,
учитывающую поrрешностъ лимба на данном диапазоне, либо,
что иноrда выполняется, произвести повторные измерения
yr ла на различныIx участках лимба. Последний прием позво..
ляет перевести систематическую поrрешность лимба в случай"
ную (рандомизация поrрешностей), что обеспечит повыmеlШе
точности усредненноrо результата измереlШЯ, равное пример"
но значению корня квадратноrо из числа измереlШЙ.
Увеличение числа повторных измереlШЙ одной и ТОЙ же
величиныI позволяет, как известно, уменьшить случайную
поrрешность результата измерений. Это обстоятельство ис..
пользуют для компенсации поrрешностей наведения и считы"
вания (см. п. 3.5.3), обусловлеlШЫХ оrpаниченной остротой
а)
б)
Д<р
Д<Р2 Д<Рll
---f Дq>1
<р
<рn 3600
у
Рис. 6.2. Теодолит (а) и zрафu" nоzрешносп ей измерения уzла (б)
теодолип ом
248
зрения опер'атора, параллаксом, нестабильностью трения,
рефракциями БОЗДУШНЫХ слоев, вибрациями, шумами при
емников и т. п. Например, при наведении би штриха опти
ческоrо микрометра на изображения штриха проеКТ,ируемой
шкалы (что происходит при работе на компараторе, измери
тельном микроскопе, токоллиматоре, с rеодезическими и
дрyrими приборами) оператор вследствие оrраниченности
остроты зрения выполняет эту наводку с поrрешностью. Из
вестно, что средняя квадра тическая поrрешность совмещения
ау штриха с би'"штрихом равна примерно 6 8" (в линейной
мере 8 10 мкм). Следовательно, предельная вероятная по
rрешность положения изображения штриха шкалы <;>тноси
телъно би штриха при однократном наведении может достичь
значения: 8у' == 3а у == 18+24", в линейной мере 24 30 мкм.
Для микроскопа УИМ 23 (упрощенную схему отсчетной си
стемы Koтoporo см. на рис. 6.3) это приводит к предельной по
rрешности положения стола 1: 8уп == 8у' /Р 30/60 == 0,5 мкм,
rде р увеличение проекционной системы.
При мноrократных повторных совмещениях поrрешность
положения стола может быть уменьшена до зн ач ения КО:RНЯ
KBaдpaTHoro из числа повторных совмещений: 8у ==8у' /(P ),
rде n число повторных измерений.
В автоматизированных приборах, содержащих микро
процессорную технику, с помощью усреднения результатов
компенсируют влияние случайных поrрешностей на резуль
тат измерения (см. п. 6.5).
Для компенсации влияния некоторых поrрешностей при
меняются также чисто орrанизацио:нные методы. Например,
для компенсации поrрешности от мертвоrо хода рекоменду"
ется производить отсчетные перемещения подвижных систем
прибора всеrда с одной стороны. Подобным же методом можно
уменьшить ВJШяние рeq)ракций воздушных слоев, оказываю
1
ВидА
А
105
1111 " + 1111
.. У ,.
.,.".,.
'7"7'r
Рис. 6.3. Отсчетная система
249
щих существенное влияние на поrрешность q)ункционирова
ния yrлоизмерительных и дрyrих приборов (телескопы, Teo
долиты, нивелиры, автоколлиматоры и т. п.), В которых из за
рефракции происходят искривления визирных осей приборов,
приводящие к поrрешностям измерения, наведения и т. п.
Уменьшить влияние рефракции можно, изолировав B03
душный тракт от объекта до прибора (цеховые, лаборатор
ные приборы), устранив источник тепловоrо излучения на
пути оптическоrо пучка лучей, расположив прибор выше
над землей, работая в определенное время суток, коrда pe
фракция незначительна, и т. д.
К орrанизационно техническим методам компенсации
следует отнести и такие мероприятия, как создание в поме
щениях, в которых изrотавливают и эксплуатируют преци
зионные приборы и оборудование, постоянной температуры,
давления, влажности, а также устранение сквозняков, ви
браций, пыли и т. п.
Конструктивные методы компенсации. К таким MeTO
дам относится ввод в конструкцию специальных деталей и
устройств для компенсации поrрешностей, ухудшающих
качества ОП, облеrчения оборки, юстировки и выверки
прибора.
Конструктивные м е ТОДЪI компенсации осуществляются
с помощью ступенчатых компенсаторов, реrулировочных
устройств, механизмов силовоrо замыкания, малорасстраи
вающихся систем, устройств стабилизации и корректировки.
Ступенчатые "омnенсаторы это детали, изменением
размеров которых добиваются компенсации технолоrиче
ских и друrих поrрешностей приборов. Изменение размеров
компенсатора скачкообразное (неплавное), достиrается ero
заменой либо дополнительной технолоrической обработкой
(компенсационное кольцо 6 на рис. 1.9, а). На рис. 6.4, а
представлен компенсатор" (кольцо), заменой либо подрез
кой KOToporo добиваются фокусировки объектива.
На рис. 6.4, б компенсационная прокладка позволяет pe
rулировать зазор оси вращения, на рис. 6.4, в боковой за..
зор в зацеплении.
При проектировании этих компенсаторов следует опреде
лить их размер и чувствительность, с которой их надо из..
менять (подбором или обработкой). Размер определяется
расчетом поrрешности размерной цепи. Для первоrо приме
ра поrрешностями ll, l2 И S' F объектива. Чувствительность
определяется из допустимых показателей качества узла или
250
а)
,"
/
I 1lZ
l 17.11..
2 ..1
б)
в)
,
Рис. 6.4. И сnолъзование nростейших "ОНСnl,РУ"nl,uвных "oMneHcantOpoB
прибора. Для первоrо примера чувствительность определя
ется либо чувствительностью rлаза к продольным наводкам
О,2/аА,2 (rде а'А задняя числовая опертура объекти
ва), либо допустимым параллаксом у:
6.Z == f' K rv /t max '
rде f' ОК фокусное расстояние окуляра; t смещение rлаза;
r увеличение трубы.
Для BToporo примера чувствительность 6.l" определяется
исходя из допустимоrо значения MepTBoro хода 6. у :
mz6.v
Ы" == 4 tga. '
rде z число зубьев колеса; т модуль зацепления; а
yrол зацепления.
Реzулuрово-ч,ftые устройства в отличие от ступенчатых
компенсаторов позволяют плавно изменять размеры и поло
жения деталей и узлов, подвижкой которых обеспечивается
требуемое качество.
На рис. 6.5, а изображено устройство для плавноrо pery
лирования зазора в опоре; на рис. 6.5, б устройство для
б)
в)
\,,,
Рис. 6.5. Реzулировочные устройства узлов
251
фокусировки объектива и
реrулировки ero фокусно..
ro расстояния; на рис. 6.5,
в для pery лирования ro..
ризонтальной оси вращения
теодолита. У стройство для
крепления светодиода 1 с
фокусировкой и реrулиров"
кой направления излучения
представлено на рис. 9.98.
К pery JШровочным устрой"
ствам относятся и простые
конструктивныереrпения(без
введения дополнительных де"
талей), например соединение
оправы объектива с корпусом
по резьбе (см. рис. 1.16, а) для
обеспечения плавной фокуси..
Рис. 6.6. Узел дифра"ционной pe
шетJ1:и с реzулировочны,М,и успtрОй ровки, И сложные, состоящие
ства,М,и из нескольких деталей.
На рис. 6.6 изображена
конструкция оправы диq)ракционной реrпетки с реrулиро"
вочными устройствами, позволяющими осуществлять ее
разворот BOKpyr осей Х , у и Z (сферические концы реrули"
руемых опор контактируют соответственно с плоским, приз"
матическим и конусным подпятниками).
На рис. 6.7 изображена конструкция узла крепления че..
тырех q)отоприемников и индикаторноrо растра фотоэлек..
, i I
у
х
:z
B
Y f B..:=P
х Z
A A
rA
Рис. 6.7. Узел "реnления фотоnрие'м'нu"ов
252
а)
б)
х!
в)
J[ J[
J[ J[
Рис. 6.8. Ko.мneHcaп Opъt nоzрешносп ей на основе силовоzо заJWъt"ан.ия
трическоrо преобразователя перемещений (см. рис. 6.47).
Здесь разворотом эксцентричных втулок с сротоприемни1\.а"
ми и Bcero узла юстируют сдвиr фаз их сиrналов, а разворо"
тами оправы растра параллельность или номинальный
наклон ero штрихов к штрихам измерительноrо растра.
Силовое замыкание позволяет компенсировать поrреш..
насти изrотовления и сборки, а также некоторые эксплуата"
ционные q)акторы. Пример зубчатое зацепление с устра"
нением влияния боковоrо зазора (рис. 6.8, а); пружинный
подпятник (рис. 6.8, б), автоматически выбирающий зазоры,
предохраняющий оси от поломки в условиях тряски и вибра"
ции, компенсирующий температурные колебания размеров;
пружинное кольцо, компенсирующее возможное пережатие
объектива при сборке и колебания температуры в процессе
эксплуатации прибора (рис. 6.8, в).
Одним из эq)фективных методов компенсации поrреmно"
стей, ухудшающих качество ОП, является применение мало..
расстраивающихся систем, спроектированных так, что в них
происходит взаимокомпенсация поrреmностей [III.17 III.21].
Классическими примерами являются схемы биаксиаль"
ных коллиматоров оптических дальномеров (рис. 6.9). Сме"
щение одной из линз относительно друrой в первой схеме,
при сборке или эксплуатации приборов не приводит к не..
параллельности визирных осей коллиматора (рис. 6.9, а).
Во втором случае биаксиальный коллиматор не расстраи"
вается при смещении линз, наклоне зеркала, а также не
253
а) б)
: :
I ,
L.. !....1
Рис. 6.9. Биа"сuал.ьн-ьtе "оллuмап орьt
требует точноrо равенства фокусных расстояний объекти
вов (рис. 6.9, б).
На рис. 6.1 О представлена оптическая схема малорасстра ..
ивающеrося телевизионноrо дальномера [111.22].
Он состоит ИЗ двух инвариантных объективов 1 5, прямо
yrольной отражающей призмы 6, зеркальные поверхности
которой расположены на половине CPoKycHoro расстояния
объективов, и пентarональноrо зеркальноrо отражателя 7.
Инвариантность объектива достиrается блаrодаря тому, что
приемник изображения 2 (матрица П3С) наклеен на плоско
выпуклую линзу 3 так, что ero чувствительная площадка
совмещена с rлавной плоскостью объектива, rде также Ha
ходится фокальная плоскость объектива. Дальность до объ
екта вычисляется по формуле
D == Bf' /(а п + ал),
1
в
4
5
6
+
7
Рис. 6.10. М алорасстраивающuйся телевu.зионн-ъtй далъномер
254
rде В база дальномера; {' фокусное расстояние объекти
вов; а п , а л смещения изображений объекта соответственно
на матрицах первоrо и BToporo рабочих объективов.
UUирокое распространение получили также устройства
стабилизации и автоматической коррекции (коррекцион
ные устройства). .
Примером MorYT служить компенсаторы наклонов ни
велиров в так называемых нивелирах с самоустанавливаю
щейся линией визирования [111.23].
На рис. 6.11, а изображена схема нивелира «Кони 007
(фирмы «Карл Цейсс ). При наклоне данноrо нивелира на
yrол Е компенсационная призма 1, свободно подвешенная
на пластинке, стабилизирует в rоризонте линию визирова"
ния.Условиестабилизации:
S O,5f' об.
На рис. 6.11, б представлена схема нивелира"указателя,
заДaIOщеrо rоризонтальное направление лучу от лазера 1.
При наклонах этоrо прибора жидкость в кюветах 2 образует
два оптических клина с переменным значением преломля
ющеrо yrла е (в зависимости от наклона), отклоняющих ла..
зерный луч на yrлы 11 и 12 для создания rоризонтальноrо ero
положения в пространстве предметов.
UUироко используются в точном приборостроении также
системы автоматической коррекции поrреmностей, возни
кающих из за колебания температуры, технолоrических по
rреmностей и т. д.
а)
.
б)
s
.* .
2
...........
е
1
Е
Рис. 6.11. Нивелиръt с "омnенсаторами н.а"лонов
255
б) C>.Yk
а)
Рис. 6.12. Схема п е.м.nературной "омnенсации
/Ul
'а2
Например, температурная компенсация изменения по
казателя преломления дисперrирующей призмы осущест
вляется следующими способами (рис. 6.12): с помощью двух
стержней (рис. 6.12, а) с различными показателями линейно
ro расширения (автоколлимационная схема), разворачиваю
щими зеркало, либо (рис. 6.12, б) с помощью биметаллическо
ro рычarа, разворачивающеrо стол с призмой при колебании
температуры. "Условие компенсации:
l1y 6.t == Yk.
На рис. 6.13 изображена схема корректирующеrо устрой
ства для устранения влияния эксцентриситета ek червячно
ro (косозубоrо) колеса привода. Привод содержит червяк 1,
червячное (косозубое) колесо 2, кулачок (двойной эксцентрик)
3 с реrулируемыми направлением (от О до 3600) и эксцентриси"
тетом, рычажную пере"
3 дачу 4, направляющие
5 для вращательно"
ro и поступателъно
ro движеНИЙ червт<а,
4 пружину 6, предназна
чеШIyIO для силовоro
замыкания червт<а и
рычажной передачи на
1 эксцентр1Ш. При пово
ь porre червячноro коле
са поворачивается за..
. . креплеIПlЬШ на одной
с :ним оси эксцентрик,
сообщающИЙ через pы
Рис. 6.13. Корре"ционное устройство чер чar корректировочное
вячной передачи осевое перемещение
256
червяку. В результате червячное колесо доворачивается на
дополнительный (коррекционный) yrол <Pk по следующей
зависимости:
<Pk == (sin е sin eM) ekb j(ar),
rде е == <Р + ем текущие направления эксцентриситета;
<Р yrол поворота червячноrо колеса; е н начальное (при
<Р == О) направление эксцентриситета; а, Ь плечи рычarа;
r радиус делительной окружности червячноrо колеса.
При настройке коррекционноrо устройства добиваются,
чтобы 8q>k == 8q>L e что обеспечи.вается реrулировкой вели
чин ek иен.
На рис. 6.14 изображен экспериментальный rрафик кине
матической поrреmности 1 подобной передачи с червяком,
имеющим число заходов 1, модуль т == 1, и косозубым коле
сом с числом зубьев z == 150 при отключенном коррекционном
устройстве. Низкочастотная оставляющая 2 этой поrреш
ности, обусловленная эксцентриситетом косозубоrо колеса,
компенсируется коррекционным устройством, и суммарная
кинематическая поrрешность 3 после коррекции существен
но уменьшается.
В некоторых случаях подобные коррекционные устрой
ства представляют собой довольно сложные системы. При
мером такой системы, используемой для юстировки и
коррекции поrpemностей из за силовых и температурныIx дe
формаций, а также снижения влияния рефракции aTMO
сферы, может служить составной телескоп ACT 1200, YCTa
новленный в Крымской астрофизической обсерватории АН.
Конструктивные особенности телескопа и результаты ero ис
следований при работе в различных режимах опубликованы
3
2
1
о
1
Рис. 6.14. rрафики кинематичес"ой nоzрешности
257
в работе [111.24], здесь приводятся схема и принцип постро
ения системы управления коррекцией. элементов cocTaBHoro
r лавноrо зеркала.
rлавное зеркало телескопа выполнено из семи шестиrран
ных элементарных ссl)ерических зеркал 1 (рис. 6.15). Шесть
периферийных управляемых зеркал строят изображение
объекта, а центральное зеркало используется для контроля
как опорное (вид А). Система управления периq)ерийными
зеркалами обеспечивает два режима работы: 1) автоматиче
ской стабилизации их yr ловоrо положения для юстировки и
<tf
/ #:"
5 А
i"""""-' I \ I
." . _' .' I ." 15 \, \
....- i / . . '. у? \ 1 О
.;, - ...- ... \ J // .... F '
./' ....../ ---- ., - - : (j1?
; 1(f : .: . . " "
\3 2' ", 14
5=<
\
\
I \
Пr \\\ '\
'\ \ ,\ \\,',',
\ \ \ \ ":\",----
\1." , ) '\, .....
'\ . -
... :::--=:.
1
4
ВидА
.... ..
7 8
11 /
12
13
1195
о)
.
1'oooof
1'oooof
Рис. 6.15. Составной телес"оn
258
компенсации деq)ормаций; 2) адаптивноrо управления yrло
вым положением зеркал для компенсации кроме деформа
ций также искажений, вносимых турбулентным слоем aT
мосферы.
При работе в режиме автоматической стабилизации свет
от источника (Не Nе лазера) 1 О проходит через плоскую
вершину (расположенную в срокальной плоскости телескопа)
четырехrранной пирамиды 15, линзовый афокальный KOp
ректор полевых аберраций 2, вторичное зеркало 3, опорное
зеркало, трипиель призму 41 с компенсатором 5 поrрешно
стей изrотовления ее yr лов на края соседних периферийных
зеркал (штриховые зоны на видеА).
Отразившись от контролируемых зеркал, свет возвра
щается на вершину пирамиды. При наличии уrловоrо pac
cor ласования между опорным и периферийными зеркалами
возникает разность световых потоков от противоположных
rраней пирамиды, попадающих с помощью сl)ормирующей
оптики и световодов 7 на q)отоприемное устройство 8. Раз
ность сиrналов с фотоприемников через блок выработки сиr
нала рассоrласования 9, коммутатор 11 и друrие электрон"
ные блоки управляет приводами 6 пеРисl)ерийных зеркал.
Приводы разворачивают зеркала по двум координатам в по
ложения, при которых совмещаются энерrетические центры
q)ормируемых ими изображений.
Режим аД8Птивноrо управления осуществляется по изо
бражению звезды, построенному телескопом на вершине
пирам иды 14 с линзой Фабри. Эта линза q)ормирует изобра
жения входноrо зрачка телескопа на торцах световодов, KO
торые переносят их к q)отоприемному устройству 13 и блоку
рассоrласования 12. При смещении изображения звезды с
вершины пирамиды (из за ресрракций и турбулентности воз
душных слоев) возникает разность сиrналов с q)отоприемни
ков, управляющая приводами пеРисl)ерийных зеркал.
Использование в качестве исполнительноrо механиз
ма электромеханическоrо привода и большая масса зеркал
оrраничивают диапазон корректируемых частот. Поэтому в
телескопах и системах лазерной связи в качестве адаптив
ных элементов для компенсации влияния турбулентности
атмосq)еры используются, как правило, вторичные зеркала,
управляемые с частотой порядка килоrерц.
lдля получения информации 06 уrловом положении всех шести пе..
риферийных зеркал в конструкдии применяются три триппель призмы,
установленные напротив стыков соседних элементов.
259
7
2
И 1 3
И 2
ИЗ
И
...... :::.д..
4
Рис. 6.16. Адаппtивная система:
1 светоделительное зеркало; 2 адаптивное (zuбкое) зеfr
кало; 3 управляемый блок высоковольтноzо напря.ж:енuя; 4
ко.мпьютер;.5 усилитель; 6 - фотоnрие.мник; 7 обоектuв
Такое быстродействие изменения параметров обеспечива
ют так называемые rибкие, или адаптивные, зеркала, управ
ляемые пьезоэлектрическими приводами либо электроста
тическим полем.
Схема одной из таких систем [JII.25], используемой для
коррекции влияния турбулентности воздушной атмосферы,
изображена на рис. 6.16.
Коррекция искаженноrо турбулентностью атмосферы
волновоrо Q)pOHTa происходит здесь блarодаря управляемо
му «rибкому зеркалу, которое состоит из триппель призм,
установленных на пьезоэлектрических колонках. При по
даче электрическоrо напряжения на пьезоколонки они, из
меняя свой размер, перемещают триппель призмы, компен
сируя тем самым искажения волновоrо фронта. Управление
необходимым перемещением призм осуществляется KOM
пьютером с лоrическим устройством и анализатором сиrна
ла с (ротоприемника.
Все перечисленные методы компенсации (компенсато
ры) поrреmностей MorYT быть классифицированы несколько
иначе по их типам.
В зависимости от вида компенсируемых поrрешностей и
«MeCTa реrулировки (изменения параметров) компенсато
ры можно подразделить на реrулировочно юстировочные,
функциональные, настроечно выверочные.
260
Реzулuровdчnо юстuровочnые ко.мnеnсаторъ" предназна
чены для компенсации поrрешностей отдельных деталей и
размерных цепей. Их параметры изменяются при выполне
нии реrулировок и юстировок прибора. Типичными пред
ставителями компенсаторов этоrо типа являются кольца
для фокусировки объективов, прокладки для рerулировки
зазоров в кинематических парах доводка направляющих,
реrулировочные устройства для центрировки объективов и
зеркально призменных систем.
Фун"цuоnалъ1tые ко.мnеnсаторы предназначены для
компенсации переменных поrреmностей (рункциональныx
пре06разователей прибора. Их параметры изменяются при
эксплуатации оп. Примерами TaKoro типа компенсаторов
MorYT служить коррекционные устройства, температурные
компенсаторы, устройства стабилизации линии визирова
ния, оптические адапfJ1ивные компенсаторы, алrоритмиче
ская компенсация с помощью микроЭВМ.
Н астроечnо выверочnые "о.мnеnсаторы предназначе
Hы для компенсации поrрешностей ориентации прибора,
износа, расстройки. Параметры этих компенсаторов изме
няются в процессе настройки и выверки прибора. К KOM
пенсаторам данноrо типа относятся, например, устройства
для выверки оптических дальномеров по высоте и дально
сти, устройства выверки теодолита в полевых условиях для
u u u
устранения наклона вертикальнои, rоризонтальнои осеи Bpa
щения и коллимациоШiОЙ ошибки, реrУJШРОВО"tffiые устрой
ства, предназначенные для компенсации износа направляю
щих, компенсации изменения моментов и сил на рукоятках
управления, устройства калибровки преобразователей aвTO
матизированных оп.
6.1.1. ТЕХНИКО ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ОБОСНОВАНИЯ ВЫБОРА
МЕТОДА КОМIIEНСАЦИИ
При компенсации поrреmностей возникает вопрос выбо
ра метода и способа компенсации. От правильности ero pe
шения зависит эффективность данноrо метода обеспечения
показателей качества оп. Рассматривая компенсаторы как
подсистему прибора, следует их свойства также оценивать
некоторыми показателями качества. Ими MorYT быть пока
затели, характеризующие точность компенсатора, ero эконо
мичность (технолоrичность), надежность, пределы работы.
261
Кроме этоrо, при выборе Toro или иноrо метода компенсации
следует руководствоваться ВОЗМОЖ!lОСТЬЮ ero применения.
Возможность nрuмененuя обусловлена, с одной CTOpO
ны, видом И характером компенсируемой поrрешности, а с
друrой условиями производства. Например, невозможно
компенсировать поrрешности теоретические, эксплуа таци
онные (ре(рракцию воздуха, де(рормации) технолоrическим
методом, но можно конструктивным и орrанизационно
техническим. Если выбирается конструктивный компен
сатор, например для компенсации периодической поrреш
ности, то невозможен ступенчатый компенсатор, а следует
применить коррекционное устройство, создающее перио
дическую поrрешность (коррекцию) обратноrо знака. He
возможно орrанизовать компенсацию поrреmностей селек
цией деталей при единичном riроизводстве, ретуширование
объективов без наличия квалиq)ицированных специали
стов и т. п.
Точность компенсатора определяется остаточным значе
нием компенсируемой поrрешности либо остаточным зна
чением компенсируемоrо показателя качества. Например,
остаточное значение поrреmности Q)OKycHoro расстояния Te
леобъектива (компенсируемое подвижкой одноrо компонен
та относительно дрyrоrо) определяется в основном поrреш
ностью измерения ero фокусноrо расстояния.
Остаточное значение непараллельности выходных осей
пучков лучей бинокля, обусловленное разностью увеличе
ния трубок, определяется полями рассеяния значений фо
кусных расстояний объективов и окуляров в пределах своих
rрупп при селекции (см. рис. 1.58).
Оста точноезначениебоковоrозазорапарырейка зубчатое
колесо, компенсируемоrо ступенчатым компенсатором
прокладкой (см. рис. 6.4, б), будет определяться не только
возможностями изменения толщины прокладки, но rлав
ным образом эксцентриситетом колеса фактором, KOTO
рый не позволяет такой компенсацией полностью избавить
ся от боковоrо зазора. Если же применить для компенсации
разрезное колесо (см. рис. 6.8, а) или силовое замыкание, то
боковой зазор будет компенсирован полностью.
При алrоритмической коррекции систематических по
rрешностей с помощью поправок, вводимых микроЭВМ,
точность коррекции будет зависеть от точности выявления
этих поrрешностей и их аппроксимации теоретическими за
висимостями.
262
Экономичность (технолоzичность) компенсатора опре"
деляется затратами (rлавным образом трудовыми) на выпол"
нение той или иной компенсации. Иноrда экономичность
одноrо метода по отношению к друrим можно определить
достаточно просто (на качественном уровне). Например при
крупносериЙНом производстве приборов конструктивный
метод компенсации предпочтительнее технолоrическоrо.
Орrанизованная селекция деталей перед сборкой ЭКОНОМИЧ
нее неорrанизованной селекции, коrда ее делает квали(I)ици"
рованный рабочий.
Среди конструкторских методов компенсации следует
отдавать предпочтение тем, которые требуют MeHbmero ко..
личества юстировок. Например, компенсация зазоров в на..
правляющих с помощью силовоrо замыкания, как прави..
ло, технолоrичнее компенс.ации ИХ реrулировкой. В дрyrих
случаях экономичность Toro или иноrо метода компенсации
определить не просто, так как она за:аисит от болъmоrо коли"
чества факторов: серийности прибора, технолоrической осна..
щеlШОСТИ производства, квалификации рабочих, стоимости
и дефицитности материалов, конъюнктуры рынка и т. п.
Под надежностью компенсатора следует понимать ero
свойство сохранять работоспособность (т. е. заданныIe функ"
ции с параметрами, удовлетворяющими предъявленным
требованиям) в течение требуемоrо промежутка времени или
требуемой наработки прибора.
Надежность компенсатора обусловливается ero безотказ"
ностью (свойство сохранять работоспособность в течение не..
которой наработки без вынужденных перерывов), ремонто"
приrодностью (свойство к предупреждению, обнаружению и
устранению отказов путем проведения техническоrо обслу..
живания и ремонтов), сохраняемостью (свойство сохранять
параметры неизменными при определенных условиях и сро"
ках хранения и транСП9РТИРОВКИ прибора), долrовечностью
(способность к длительной эксплуатации при необходимом
техническом обслуживании).
Оценка надежности Toro или иноrо метода компенсации
часто является сложной задачей, так как по одним показа..
телям надежности следует отдать предпочтение одному ком"
пенсатору, а по друrим показателям дрyrому. Однако и
здесь некоторым компенсаторам можно отдать предпочтение
без вычислений их показателей надежности на основании
накопленноrо практическоrо опыта. Известно, например,
что компенсация поrрешностей неподвижных систем при"
263
бора (поrреmностей положения зеркал, призм, объективов
и т.. д.) дополнительной обработкой .деталей (припиловкой,
шабрением, доводкой) и использованием ступенчатых KOM
пенсаТОРОБ более надежна, чем реrулировочными устрой
ствами. И наоборот, для некоторых подвижных систем из за
наличия износа следует отдать предпочтение реrулировоч
ным устройствам (которые MorYT быть подналажены в про
цессе эксплуатации) по сравнению с технолоrическими Me
тодами компенсации.
Пределы работы компенсатора характеризуются значе
нием создаваемой им коррекции для компенсации макси
мально возможноrо значения поrрешности (поrрешностей)
либо ее (их) частичноrо влияния. Не всеrда пределов работы
компенсатора бывает достаточно для полной компенсации
поrрешностей. Например, если компенсировать непарал
лельность визирных осей бинокля только смещением объек"
тива или окуляра перпендикулярно к оптической оси труб
ки, то для полной компенсации максимально возможной
непараллельности объектив или окуляр придется смещать на
такой размер, что существенно ухудшит качество изображе
нии. Дрyrим примером может быть попытка компенсировать
только доводкой направляющих поступательноrо (или Bpa
щательноrо) движения кроме поrрешностей их формы также
поrрешностъ их размеров или расположения, которая может
достиrать значений до десятых долей миллиметра. подоБныIe
поrреmности компенсировать доводкой нецелесообразно.
Рассмотрим, как перечисленные выше критерии позво
ляют выбрать метод компенсации поrрешностей в спек
тральной щелевой диа(рраrме типа rои, изrотавливаемой
небольшими сериями. Кинематическая схема диафраrмы
изображена на рис. 4.1. Здесь при вращении барабанчи
ка х перемещается винт 1, воздействующий на ползун 2,
на котором закреплен плоский кулачок (клин) 3.
В результате перемещаются толкатели 4, непосредственно
связанные с ножами диафрarмы. Точностной анализ схемы,
выполненный в приложении 4, показывает, что для обеспе
чения заданных требований к точности раскрытия диафрar
мы, ее положению и форме (отсутствие клиновидности)
требуется компенсация: Кl зазора в паре винт rайка,
К2 зазора в направляющих ползуна, К 3 поrрешности
yrла клина, К4 поrрешности формы поверхности клина,
Кб зазора в направляющих ножей, кв непараллельно
сти кромок ножей.
264
Компенсация зазора в паре винт zайка возможна всеми
тремя методами: технолоrическим (притиркой винта и rайки);
орrанизационно техническим (введением поправок,. селекци.
ей винтов и raeK, односторонним отсчетныIM движением ВИН
та); конструктивным (реrулировочным устройством, силовым
замыканием). Все Me oды, за искточением селекции,. Moryт
обеспечить требуемую точность (остаточное значеlШе осе.вото
зазора 2 3 мкм). Селекция винтов и raeK вследствие больших
полей рассеяния поrрешностей их изrотовле:ЕШЯ, а такжеиз за
небольшой серии выпускаемых диафрarм может не позволить
получить требуемую точность компенсации. Заметим также',
что такой метод для на.шеrо случая был бы еще и неэкономи
чен из за большой незавершенности производства.
С позиции экономичности технолоrическая и орrанизаци
онно техническая компенсации уступают конструктивной.
Первая из за большой трудоемкости подrо:нки винта и r3Йки.
Введение поправОК и одностороннее отсjчетное движение npи
водят К неудобству и малой надежности при эксплуатации (ио
тере времени, ухудшению комфорта, ошибкам оператора).
Наиболее просто зазор в паре винт rайка можно БЫ JlО
бы компенсировать силовым замыканием, выполнив' пру
жину 5 такой, чтобы она не только замыкала ползун на винт,
но и выбирала бы зазор.
Такая компенсация, однако, была бы недостаточно Ha
дежна, так как непосредственно. на винт воздействуют ра
диальные и осевые силы, создаваемые рукой операто'ра (раз
личные по значению и знаку).
Для компенсации этих сил пришлось бы создавать очень
сильную пружину, что привело бы К увеличению износа
пары винт rайка и увеличению поrреmностей из за дефор
маций и сил трения, т. е. к потере ТОЧНQ'СТИ и надежности
устройства.
Таким образом, наиболее эq)фективной является Rомпен
сация с помощью pery лировочноrо устройства.. В типовой
конструкции щелевой диа(рраrмы зазор компенсир,уется с
помощью разрезной rайки (рис. 6.17).
Разрезная rайка 1 выполняется в виде цанrи, конусные
части которой обжимают ходовой винт 2 при завинчивании
реrулировочноrо кольца 3 в корпус 4.
Компенсация зазора в направляющих ползуна возможна
подrонкой ползуна и направляющих, селекцией деталей KOH
структивной реrулировкой зазора и силовым замыканием.
Отказавшись от технолоrической компенсации по экономи
265
ческим соображениям,
8; от селекции еще и из..
за недостаточной точ"
ности, останавливаем..
ся на конструктивных
методах компенсации.
Так как ползун нахо..
дится по сравнению с
винтом в более опреде"
ленном и стационар"
ном силовом режиме,
то применение силовоrо
замыкания для компен"
сации зазора достаточно
надежно. В данном слу"
чае определение наибо..
Рис. 6.17. Компенсация. зазора в паре
вин.пl, zайка лее выrодноrо варианта
реrулировочноrо устрой..
ства или варианта силовоrо замыкания должно быть основано
на их КОJШчественной оценке (т. е. показателях) экономично..
c . В типовой конструкции применяется комбинированное
решение силовое замыкание с элементами реrулировочно"
ro устройства (рис. 6.18).
Для компенсации зазора между направляющими 2 и пол"
зуном 1 последний изrотавливается с двумя сквозными про"
резями на концах. Механик при сборке этоrо узла слеrка
отrибает концы ползуна, работающие в соединении с неко"
торым подпружиниванием.
Поrрешность yr ла клина может быть компенсирована
доводкой, введением поправок в отсчет, реrулировочным
устройством, коррекционным устройством.
И оzреШ1l0стъ уtла KJlUlla приводит не только к поrрешно"
сти раскрытия щели, но и к смещению ее центра из..за нера"
венства уrлов клиньев. Это обстоятельство требует введения
не только постоянной поправки в отсчет на раскрытие щели
,(осуществить это было бы несложно), но и поправки, учиты"
вающей смещение, что не позволяет считать этот метод ком..
пенсации экономичным.
Применение коррекционноrо устройства также следу"
ет считать неэффективным из..за ero сложности. Сравнение
технолоrическоrо метода с реrулировочным устройством по..
казывает, что последнее в условиях серийноrо производства
более экономично, хотя менее надежно. Так как условия ра"
266
боты диаq)раrмы лабораторные, то надежность реrулировоч
Horo устройства достаточно высока.
В типовой конструкции поrрешность изrотовления yr лов
клиньев компенсируется разворотом клиньев 1 относитель
но ползуна 2 (рис. 6.19).
Для повышения н дежности после реrулировки клинья
можно зашти(ртовать.
Поzрешностъ формы nоверхности клuна из за перемен
Horo нереrулярноrо характера этой ошибки может быть KOM
пенсирована только технолоrическим методом. В типовой
конструкции эта поrреmность компенсируется доводкой
(полировкой) рабочей поверхности клина.
Компенсация зазора направляющих ножей аналоrично
компенсации зазора в направляющих ползуна может быть
осуществлена наиболее э(р(рективно силовым замыканием
либо реrулировочным устройством. Так как ножи переме
щаются в открытых Т образных направляющих, то в типо
ВОЙ конструкции компенсация зазора производится сило
вым замыканием ножей 1 на направляющие 2, 3 пружиной 4
(рис. 6.20).
Н еnараллелъностъ кромок ножей, возникающая из за
поrрешности прямоrо уrла а ножей (рис. 6.21), может быть
компенсирована технолоrи
A A
Рис. 6.18. Компенсация зазора
в направляющих типа «ласпlОЧ
"ин хвост»
A A
2
т
1
Рис. 6.19. Комnен.сация nоzреш
н-остей уzлов клиньев, ycтa
н-овленны,х на ползуне щелевой
дuафраемы
267
ческой доводкой, селекцией деталей, CTY
пенчатым компенсатором и реrулировоч"
ным устройством.
Технолоrическая компенсация и селек
ция деталей (ножей) экономически HeBЫ
rодна, последняя, кроме этоrо, не может
обеспечить требуемой точности (остаточ
ная клиновидность допускается не более
1 мкм). Экономически невыrодным OKa
зывается применение ступенчатоrо ком..
пенсатора, так как для обеспечения Tpe
буемой точности потребовалось бы очень
тщательное изменение ero размера. В ти
повой модели применяется реrулировка
параллельности рабочих кромок ножей разворотом одной из
направляющих 1 относительно дрyrой 2 (рис. 6.21).
Рассмотренный пример показал, что при выборе Toro или
иноrо метода компенсации возможны случаи, коrда по oд \
ним показателям предпочтение следует отдать одному виду
компенсаторов, а по друrим дрyrому. Для выбора опти
мальноl'О решения в этом случае и особенно, коrда показате
ли надежности, точности и экономичности компенсатора не
рассчитаны, а оцениваются на основании опыта и здравоrо
смысла, рекомендуется применять матрицу оптимизации
решений [111.8].
Матрица решений составляет
ся на основании весовых коэффи
циентов показателей качества и
баллов, которые получают пока
за тели Toro или иноrо компенса..
тора.
Весовой коэффициент, прини
мающий значение от О до 1, про
ставляется в зависимости от OT
u
носительнои важности критерия
и ero влияния на качество ОП,
исходя из технических условий и
техническоrо задания на прибор.
Сумма всех весовых коэффици"
ентов должна быть равна 1.
БаллыI проставляются по пока
зателям качества компенсатора на Рис. 6.21. Компенсация Heпa
основании их расчета либо исходя раллельностu "ромо" ножей
1
3
Ри.с. 6.20. KOMneHca
ц-ия аазора в 'Нanpaв
ЛЯЮlцих ножей
268
2
из накопленных практических данных, опыта или интуи
ции разработчика. Число баллов от О до, например, 10. Ми
нимальный балл О, что означает невозможность применения
либо невозможность обеспечения требуемоrо показателя.
Вариант, набравший наибольшую сумму баллов, считается
наиболее эс})фек тивным.
Результат анализа приведен в табл. 6.1, которая пред
ставляет матрицу решений для выбора компенсатора зазора
в паре винт rайка (первоrо компенсатора paccMoTpeHHoro
примера).
Возможность применения компенсатора целесообразно
оценивать двумя баллами: О (тоrда прочие показатели не
рассматриваются и вариант отбрасывается) и 10. Пределы
работы можно (но не обязательно) оценивать двумя такими
же баллами. Здесь балл О означает, что диапазон компенса
ции возможной поrрешности( ей) может быть недостаточным
и для полной компенсации потребуется применение допол
нительных мероприятий.
Таблица 6.1
Матрица решен,ий для вьr,бора хомnен,сатора
Показатели качества компенсаторов
Воз Точ Эконо Надеж Пределы Сумма
lvlетод мич баллов
МОЖ ность ность работы
Rомпенсации ность с учетом
ность
приме BecoBoro
нения Весовой коэф<рициент коэффици
ента
0,4 Ot 3 Ot 2 Ot 1
Технолоrический:
1) притирка 10 5 4 6 10 14t5
2) ретуширование О
Орrанизационно
технический: .
4) поправки 10 3 3 2 10 12t6
5) селекция 10 0 1 1 6 О 11,5 11,9
6) рандомизация О
7) одностороннее 10 4 6 3 10 14,4
движение
Конструктивный:
9) реrулировоч 10 8 8 8 10 18,2
ное устройство
10) силовое замы 10 6 10 5 10 17t4
кание
11) коррекцион" О
ное устройство
269
Естественно, что матрицу реmений для выбора компен"
саторов в виде подобной таблицы сортавляют только в от..
ветственных случаях. Однако на практике технико"эко"
номический выбор и анализ компенсаторов, как правило,
всеrда осуществляются с учетом вышеперечисленных кри"
териев.
В приложениях П3 П5 рассмотрены примеры то'чност"
ных расчетов некоторых типовых оптических приборов и
функциональных устройств с выбором и расчетами компен"
саторов их поrрешностей.
6.2. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ КОМПЕНСАЦИИ поrРЕШНОСТЕЙ
Представим компенсацию поrреmностей ОП или функци"
ональноrо узла (ФУ) в виде следующей структурной схемы
(рис. 6.22). Допущения относительно объекта измерения,
инструментальные поrрешности, поrреmности реrистра"
ции и поrрешности, возникающие из..за изменения влия"
ющих Q)aKTOpOB приводят к ухудшению качества прибора
(8У == У Уо).
В общем случае компенсатор в зависимости от поrреш"
ностей прибора, входноrо или выходноrо ин(рормативноrо
параметра, влияющих Q)aKTOpOB вырабатывает (при необхо"
димости с использованием вспомоrательной энерrии) кор"
рекционное воздействие, которое изменяет конструктивные
параметры прибора либо ero входной или выходной сиrнал,
так что устраняется (компенсируется) либо результат дей"
ствия поrреmности на тот или иной показатель качества,
либо сама поrрешность. Для выработки коррекционноrо
воздействия необходим управлявший сиrнал на компенса..
тор I1Z k , который создается с помощью системы сравнения.
Управлтощий сиrнал на компенсатор представляет со..
бой в общем виде электрическое, механическое и подобное
воздействие на параметры компенсатора, например: поворот
распорноrо резьбовоrо кольца между компонентами объекти"
ва для юстировки ero фокусноrо расстояния (см. рис. 6.5, б)
либо реrулировка опорноrо напряжения позиционно"чувстви"
тельноrо приемника в автоколлиматоре (см. приложение П2)
дЛЯ компенсации влияния поrрешности фокусноrо расстоя"
ния объектива.
В зависимости от способов получения управляющеrо сиr..
нала структурные схемы компенсации поrрешностей ОП
270
5
Вспо,м,оzапtелъная 4
энерzия
ДZКi
д onycп и,м,ыеe
значения
nоzрешностей
1
дхкi
'
I
I
I
х,'
l
ДУКi
l
дqКt I
J
I
I Yi
"
Дq;, дq';, ДУ;, ДY
ХOi
У; == [(х, qi' q/)
3
2
qi (q/)
И.з,м,ерuп елъное ,
въtчuсл ипtел.ъное,
эп алонное
ycтpoйcп вo
Рис. 6.22. Сп РУ1Сп урная схе,м,а 1Со,м,nенсацuu поzрешностей:
1 объект (наблюдения, из.мерения, управления); 2 оптич,еский прибор (ФУ);
3 измерительное, образцовое (эталонное), вычислительное устройство;
4 систе.масравненияпоzреUlности(ей) ипоказателей качества ОП (ФУ)сее (их)
допустимы:ми значения;ми; 5 ко:мпенсатор; х, У инфор:мативные пара:метры
BXOaHOZO и BblXOaHOZO сиzналов; q конструктивные пара.метры прибора (ФУ); q'
вЛUЯЮll,ие факторы (рефракция воздушных слоев, те:мпература, вибрации, номи-
налы источников электропитания и т. п.); f функция, связываЮlцая х и У; хо,
уо, qo, qo', {о расчетные (номинальные) значения перечисленных пара.метров;
,, управляющий сиzнал на компенсатор; дх" коррекция, вырабатываемая
компенсатором, поступаЮll ая на вход прибора; Ду" коррекция компенсатора, по--
давае.мая на выход прибора (т. е. коррекция иНфОр Lативноzо параметра BblXOaHOZO
сиzнала); дq" коррекция компенсатора, измеНЯЮlL ая пapa LempbL прибора
MorYT быть построены по схемам, аналоrичным компенса..
ции поrреmностей электроизмерительных приборов [111.26,
111.27]: схеме вспомоrательных измерений, схеме образцо"
вых сиrналов, схеме обратноrо преобразования. Наиболь
шее распространение в ОП получили первые две схемы
коррекции, их комбинация, а также схема циq)ровой (алrо"
ритмической) коррекции. .
Компенсация по схеме вспомоrателъных измерений. За..
ключается в том, ЧТО поrреmности параметров и изменения
влияющих факторов либо их частичные влияния измеряют
ся с помощью вспомоrательных измерительных устройств
(рис. 6.23) . Их роль выполняют обычно контрольно"измери"
тельные приборы и средства: измерительные микроскопы,
автоколлиматоры, приборы измерения линейных величин
(индикаторы, оптиметры, интерферометры и т. п.), фазоме"
тры, осциллоrра(ры, датчики температуры и давления, ле..
кальные линейки, пробные стекла и т. д.
271
Heп
Всnомоzап ельная
энерzuя
4
Доnусп uмы.е
значения
nоzрешносп ей
5
Компенсатор
ZKi =#; о
Да
1 X к;
r----------------
I
I
Х. I
1 I
Yki
..........--------....----.....--------1
дq к; I
I
,
I Yi
qi' q'i' Y;
ХО;
У; == [(х, qi' q;')
3
2
qi (q/)
Всnомоzател.ъное
измерительное
ycп poйcтвo
Рис. 6.23. Компенсация по схеме всnомоzап елъны.Х измерений:
с'м. обозначения к рис. 6.22
Измеренные значения поrреmностей поступают затем в си..
стему (устройство) сравнения, функцию Koтoporo выполняет,
например, при автоматизированной коррекции процессор,
а при неавтоматизированной оператор. В системе сравне"
ния заложена зависимость частичных показателей качества
(6.у Дq' 6.у дq') от первичных поrрешностей и факторов [6.у дq, дq' ==
== {(х, у, Qi, 6.Qi, 6.Qi')], а также допустимые значения первич"
ныIпоrрешностейй и факторов (6.qiO' 6.Q'iO) и ИХ влияний (6.Удq. ,
) u б 10
6.Удq'iО В виде численных значении, та лиц, rрафиков и пр.
На основании сравнения измеренных первичных поrреш..
ностей и факторов с их допустимыми значениями (либо
действительноrо и допустимоrо влияния поrрешностей) си..
стема сравнения вырабатывает при 6.qi > 6.QiO, 6.Удqt > 6. Удq ш
управляющий сиrнал на компенсатор(ы) 6.z K . Управляющии
сиrнал изменяет параметры компенсатора, в результате чеrо
он воздействует на параметры прибора 6.QK либо на информа
тивные параметры х, у ( XK' дук) в целях устранения самой
поrрешности или ее влияния на качество.
В некоторых случаях задачи вспомоrательноrо измери"
тельноrо устройства и системы сравнения выполняют сами
компенсаторы, например температурные компенсаторы рас"
272
(рокусировки И изменения диаметров линз и зеркал, пред"
ставляющие собой набор деталей из материалов со специаль"
но подобранными коэ(рфициентами линейноrо расширения
[111.1] (рис. 6.24).
Компенсация расq)окусировки дS из..за изменения темпе..
ратуры t1t достиrается осевым сдвиrом L 2 линзы 4 поршнем,
перемещение L 1 KOToporo обусловлено температурными из..
менениями объема жидкости и резервуара:
.!:.L == == Vo(P 3a) tK
l2 L 2 Ao(l + 2a t) S '
rде V o номинальный объем резервуара; р коэ(l)фициент
объемноrо расширения жидкости; Ао номинальное сече..
ние поршня; а коэq)фициент линейноrо расширения ма..
териала резервуара и портня; К коэq)фициент влияния
перемещения линзы на рас(l)окусировку.
По схеме вспомоrательных измерений происходит, на..
пример, компенсация поrреmностей в процессе юстировки
приборов реrулировочно-юстировочными компенсаторами
'при поузловой сборке или отдельных показателей ero каче..
ства (см рис. 6.4 6.6).
Из эксплуатационных q)aкTOpOB по такой схеме компен"
сируется, например, влияние перепада температуры, коrда
по измеренному ее значению вводят поправки в результат
1
L 2
4
I
I
I
. I
I
I
дS
II
Рис. 6.24. TeMпepaп YPHЫ.й OMпeHcaтop расфо"усиРО8"и обое"тива:
1 корпус объектива; 2 5 оправы оптических компонентов; 6 двуплечий
рычаz; 7 поршень; 8 резервуар с жидкостью; 9 за.мыкаюu ая nружина
273
(см. п. 6.5) либо изменяют некоторые конструктивные па
раметры прибора температурными компенсаторами [111.1,
111.5]. .
По данной схеме построена компенсация поrреmностей в
адаптивной оптике, rде по измеренным сиrналам с прием
ников (или де(l)ормации волновоrо (l)pOHTa), обусловленных
ре(l)ракцией и турбулентностью воздушных слоев, с помо
щью процессора управляются пере(l)ерийные зеркала COCTaB
Horo rлавноrо зеркала (см. рис. 6.15) либо адаптивное (rиб
кое) вторичное зеркало (см. р:и:с. 6.16).
Метод вспомоrательных измерений обладает следующи
ми особенностями:
1) корректируют не суммарный показатель качества (cyм
марную поrрешность) прибора, а только ero составляющие,
обусловленные отличием некоторых первичных, частичных
или комплексных поrреmностей от их номинальных значе
ний;
2) для измерения отклонения каждой поrрешности от
ее номинальноrо значения ( qi' q'i' Удq' УДq') необходи
МО иметь соответствующее вспомоrательное измерительное
устройство (ВИУ);
3) система сравнения должна содержать для корректируе"
мых поrреmностей их допустимые значения;
4) результат коррекции в существенной мере зависит от
качества ВИУ и оптимальной последовательности операций.
Компенсация по схеме образцовых сиrналов. Основана
на том, что на вход прибора «(рункциональноrо устройства)
подается образцовый сиrнал хо либо в состав системы KOp
рекции входит образцовый (эталонный) преобразователь
(рис. 6.25). Образцовый сиrнал позволяет получить номи
нальное значение Уо информативноrо параметра выходно"
ro сиrнала путем расчета по номинальной q)ункции при"
бора, а образцовый прямой преобразователь (эталонный
прибор) номинальным (эталонным) преобразованием
сиrнала.
Номинальное значение Уо поступает в систему сравнения,
rде вычисляется разность значения Уо и действительноrо ero
значения У, поступившеrо с выхода прибора: y == у Уо.
Система сравнения на основании сравнения y с ero допу
стимым значением Yo вырабатывает при y > Yo управля"
ющий сиrнал на компенсатор.
В качестве образцовоrо сиrнала используют: волновой
(рронт Эталонноrо источника cBeToBoro излучения; эталоны
274
5
Вспомоzаn ельная
энерzия
ZKi
Компен-сатор
1
XKi
YKi
... ...... ,
L>.q К; I
I
I
+Yi
т ео ре nl,И ч ее "ое
зн-ачение YiO
У; == f'i(X, Qi' qt')
д оп ycntUMoe
значение У"Е.ю
XOi
2
3
Обра.зцовое Ую
(эn алонное )
усntРОЙСnl,во
Рис. 6.25. Компенсация по схеме образцовых сuzналов:
С.М. обозначения к: рис. 6.22
yrловых И линейных величин (шкалы, концевые меры, при
змы, коллиматоры и т. п.); уrлы и расстояния между пред
метами, звездами, длины волн спектральных линий и т. п.
Образцовыми преобразователями MorYT быть эталонные
приборы, объективы, оптические микрометры, датчики, ис
точники и приемники оптическоrо излучения и т. п.
По схеме образцовых сиrналов обычно производятся
компенсация поrрешностей при окончательной юстировке
прибора или ero функциональных узлов, калибровка изме
рительных при боров по эталонным мерам, объектам и при
борам.
Наиболее типичным примером является компенсация
аберраций объективов из за технолоrических поrрешностей
ero элементов, коrда по ди(рракционному изображению точ
ки или изображению мирыI судят О наличии тех или иных
аберраций и устраняют их, воздействуя на определенные
компоненты (см. п. 6.6, п. 9.2.3).
По такой схеме работают некоторые автоматические KOM
пенсаторы rнутий и расфокусировки телескопов, основанные
на встроенных в них эталонных преобразователях [111.1].
Компенсация по схеме образцовых сиrналов обладает сле
дующими особенностями:
1) корректируется показатель качества (суммарная по..
rрешность) при бора (или узла), обусловленный действием
всех влияющих на Hero поrреmностей;
275
2) необходим образцовый информативный параметр вход"
Horo сиrнала (образцовый, эталонный сиrнал) хо либо образ"
цовый (эталонный) при бор (устройство, преобразователь),
позволяющие получить номинальное преобразование;
3) коррекция производится В дискретных точках диапазо"
на работы прибора, соответствующих значениям образцовоrо
сиrнала (например, для определенной ВОJШы света), либо мо"
ментах сравнения номинальноrо и реальноrо преобразования;
4) результат коррекции в существенной мере зависит от
качества образцовоrо сиrнала либо эталонноrо преобразо"
вателя.
Компенсация по схеме обратноrо преобразования. Такая
компенсация основана на сравнении инсl>ормативноrо пара"
метра входноrо сиrнала Х с ero номинальным значением Хн,
полученным с помощью преобразования информативноrо
параметра выходноrо сиrнала у образцовым обратным пре"
образователем ООП (рис. 6.26, а).
Входной сиrнал х и ero номинальное значение ХН посту"
пают в систему сравнения, rде их разность сравнивается с
ее допустимым значением. На основании этоrо сравнения
вырабатывается i1zl{. В образцовом обратном преобразова"
теле заложена номинальная функция обратноrо преобразо"
вания:
ХН == 10 l(у, QiO, q' iO).
Данная схема компенсации является разновидностью
схемы образцовых сиrналов.
Компенсация по схеме обратноrо преобразования имеет
следующие особенности:
1) корректируется показатель качества (суммарная по..
rреmность) прибора, обусловленный инструментальными
поrрешностями, П0rрешностями реrистрации и влияющими
факторами; поrрешности, обусловленные допущениями от..
носительно объекта и канала (т. е. «доприборные. ), учиты"
ваются только при наличии образцовоrо входноrо сиrнала хо
от caMoro объекта;
2) необходим образцовый обратный преобразователь
(ООП), от точности KOToporo существенно зависит точность
коррекции.
Во всех рассмотренных случаях коррекционное воздей"
ствие компенсатора может быть направлено как на параме"
тры прибора I1QK' так и на информативные параметры выход"
Horo и входноrо (редкий случай) сиrналов l1ук и I1Х К .
276
а) х У
1 2
3
ООП
Хн
I1QK,I1YK(X K )
5
1
б)
ХOi
Xi
Yt := {(х, Qi' Q/)
2
l1ук
Алzоритм
1Сорре"ции
Рис. 6.26. Компенсация по схемам обрапl,НОZО nреобрааованuя (а) и цuфро
вой (алzорит.мичес"ой) 1Сорре1Сции (б)
Компенсация по схеме цифровой (алrоритмичес:кой) :кор-
рекции. 3аключается в том, что входящие в систему KoppeK
ции вычислительное устройство (ВУ) 3 М,икропроцессор,
микроконтроллер, персональный компьютер вводят в pe
зулътат (рункционирования ОП поправки для компенсации
влияния поrреmностей (рис. 6.26, б). Эти поправки вычис
ляются по определенному алrоритму для текущеrо значения
информативноrо параметра выходноrо сиrнала. Алrоритм
закладывается в память ВУ на основе теоретическоrо aHa
лиза влияния тех или иных поrреmностей и факторов либо
результатов их измерений.
По такой схеме компенсируют, например, влияние Teope
тических поrреmностей, систематических технолоrических
и эксплуатационных поrреmностей, а также случайных по..
277
rреmностей путем усреднения результатов при повторных
циклах q)ункционирования по одному и тому же входному
сиrналу. Конкретные примеры цисl)Ровой коррекции по
rрешностей будут рассмотрены в п. 6.5.
Компенсация по схеме цисрровой (алrоритмической) KOp
рекции обладает следующими особенностями:
1) возможна коррекция как систематических, так и слу
чайных поrреmностей;
2) необходимо определение корректирующей q)ункции и
алrоритма коррекции поrреmностей;
3) точность коррекции в существенной степени зависит от
точности корректирующей сl)УНкции, оптимальности алrо
ритма и точности ero привязки к инсрормативному параме
тру выходноrо сиrнала.
Довольно часто компенсация поrрешностей ОП построе
на по смешанной схеме: при поузловой сборке применяется
схема вспомоrательных измерений, окончательная KoppeK
тировка осуществляется по схеме образцовых сиrналов, а
компенсацию теоретических и эксплуатационных поrреm
ностей выполняют по схеме цифровой (алrоритмической)
коррекции.
6.3. КОМПЕНСАЦИЯ СИСТЕМАТИЧЕСКИХ поrРЕШНОСТЕЙ
Систематические поrрешности, как известно, оказывают
наиболее сильное влияние на показатели качества прибо
ров. Эти поrрешности прибора целесообразно с точки зрения
их компенсации разделить на две rруппы: а) оказывающие
неслучайное влияние на качество всей партии приборов;
б) оказывающие неслучайное влияние на качество отдельно
ro экземпляра.
Компенсация влияния поrрешностей первой rруппы MO
жет быть осуществлена компенсатором, параметры KOTOpO
ro известны заранее и не требуют индивидуальной реrули
ровки (изменения) в различных экземплярах приборов, так
как значение поrреmности и ее влияние на качество прибо
ров одинаковы. Компенсация влияния поrрешности второй
rруппы требует реrулировки параметров компенсаторов в
каждом экземпляре прибора в зависимости от KOHKpeTHoro
значения поrреmности.
При компенсации поrреmностей как первой, так и второй
rруппы, задачами, решаемыми при проектировании компен
278
сатора являются: определение метода компенсации, расчет
параметров компенсатора и разработка методики практиче"
скай реализации (юстировки) параметров. Последняя зада"
ча при компенсации систематических поrреmностей второй
rруппы включает в себя методику измерения KOHKpeTHoro
значения поrрешностей.
Наиболее сложно'решать эти задачи в случае, коrда влия"
ние поrрешности носит степенной, периодический или ком..
бинированный характер.
Рассмотрим некоторые способы решения вышеперечис"
ленных задач при компенсации таких поrрешностей.
rрафоаналитический способ расчета параметров ком-
пенсатора. Способ основан на rрасроаналитическом сравне"
нии влияния компенсируемой поrреmности с результатом
коррекционноrо воздействия компенсатора. В качестве при"
мера рассмотрим компенсацию теоретической поrрешно"
сти механизма тонкой наводки (типа Мейера) микроскопа
(рис. 6.27, а).
Тубус (или стол) микроскопа перемещается на величину
У == + 1 мм с помощью зубчато рычажноrо механизма, имею..
щеrо следующие, интересующие нас, конструктивные пара"
метры: ro == 6,88 мм, а 80, l ==15 мм. Теоретический закон пе..
\ редачи движения: Ут == rosina + l(l cos ) rosin а + roa 4 /(8l).
Последнее слarаемое (учитывающее наклон шпильки) ока..
зывает ничтожное влияние на закон движения (ввиду мало..
сти уrла «а), поэтому Ут rosina. Так как уrол поворота
сектора мал, то в основу работы механизма положена при
ближенная зависимость: Уп roa. В результате возникает Te
оретическая поrрешность L\YT == Ут Уп roa 3 /6, достиrающая
в конце диапазона значения 0,0035 мм (рис. 6.27, б).
При допустимом значении суммарной поrреmности меха..
низма на всем диапазоне Yv{l == 5 мкм теоретическая поrреm
ность требует компенсации, так как имеется большое коли..
чество технолоrических поrреmностей, не позволяющих
получить необходимую точность ero работы.
Анализ конструкции механизма показывает, что наиболее
просто осуществить компенсацию изменением плеча рыча
ra, вводя коррекцию обратноrо знака. Однако теоретическая
поrреmность носит степеIIНОЙ характер, а поrреmность из за
изменения длины рычаrа мультипликативный (рис. 6.27, б).
Это означает, что возможна только частичная компенсация,
причем значение и знак недокомпенсации будут существен
но зависеть от значения L\r K .
279
а) А
у! '
б) l1у I1YAr
'>/] I
I1Ун.ки 1 : rOa(yn)
/' I
L
aтax I
aтa.'t а
в) I1Ун.к
roa
I1Ун.К«2
I1Ун,К«тах
е) l1у н,к
I1У н.к« 4
Рис. 6.27. Комnенсацuя теоретической nоерешностu механuзма точной
фо"усировки ми"роскоnа
Рассмотрим несК6ЛЬКО вариантов возможной компенсации.
В случае, коrда теоретическая поrреmность по1ШОСТЪЮ
компенсирована в КОlЩе диапазона движеlШЯ (рис. 6.27, б),
максимальное значение недо:компенсации YHKa.l И COOTBeT
ствующие ей значеlШЯ yrла al и r Kl находятся следующим
образом. Вначале определяют а}, приравняв нуто произво
дную от разности между теоретической (действительной) и
приближенной зависимостями: ДУнка.l == rcosa,} ro == О, OTKY
да cosa] == ro/r. Так как в КОlЩе диапазона движения YHK ==
== rsina max rOa,max == О, то ro/r== sinamax/a max . Следовательно:
cosa} == sina,max/a,max.
280
Разложив в степенной ряд правую и левую части этоrо BЫ
ражения, имеем:
al==a max /..J3.
Максимальное значение недокомпенсации (в точке аl):
YHKal == rsinal roCll == rOsinal/cosa} rOal ra13/3 ==
== (ro а 3 mах/ 6 )/2,6 == YT/2,6,
т. е. теоретичеекая поrрешность уменьшена в 2,6 раза. Kop
рекция плеча рычarа
r кl == r ro == ro (1/cos аl 1) == ro (1 cos al)/cos аl
rOa 2 1/2 == rOa 2 max /6.
Второй вариант возможной компенсации основан на Ta
кой коррекции ro, что YHKa В начале диапазона движения
2
равна по значению, но обратна по знаку ДУнка тах В конце это
ro рабочеrо диапазона (рис. 6.27, в). 'Уrол а2, соответствую
щий максимальной недокомпенсации, найдем, приравняв к
нулю производную от разности между Ут и Уп:
(ДУнка )' == rcos а2 ro == о, отсюда ro == rcosa2.
2
Так как значения недокомпенсации в начале и в конце
диапазона движения равны, то
rsina2 rOa2 == rsinamax + rOa max .
Преобразуя, имеем:
rO(a2 + а mах ) == r( sina 2 + sina n1ax ),
а с учетом предыдущеrо:
cosa2(a2 + а mах ).== sina2 + sina max .
Разложив функции синуса и косинуса в степенной ряд и
оrраничиваясь первыми двумя членами, получим:
(1 а22/2)(а2 + а mах ) == а2 а 3 2/6 +а mах a3nlax/6.
После преобразования этоrо выражения получаем ypaвHe
ние с одним неизвестным:
2а32 + 3а22аmах а 3 mах ==
== (а2 + а mах ) ( 2а2 2 + а2 а mах а 2 mах ) == о.
281
Решение этоrо уравнения дает:
а2 == О,5а mах :
Максимальная недокомпенсация:
t1Уика.2 == rsina2 rOa2 == rO(tga2 а2) rOa 3 2/3 ==
== ro а 3 n18x/ 24 == t1YT/ 4 .
Таким образом, теоретическая поrрешность уменьшилась
в четыре раза.
Следует, однако, заметить, что такое уменьшение поrреш
ности справедливо для случая, коrда измерения начинаются
от а == о. в случае произвольноrо выбора начала измерения
мы можем производить их из положения а2 и заканчивать,
например, в а mах (худший случай), тоrда LlYHKmax == roa 3 mах/2,
т. е. LlYT будет уменьшено в два раза.
Коррекция плеча рычаrа находится аналоrично способу,
рассмотренному выше:
Llr к2 ro а 2 2/2 == ro а 2 тах/ 8 .
Для yr ла аз недокомпенсация
LlУнка з == О, т. е. ro аз == rsin аз.
Откуда
аз cos а2 == sin аз.
Разложив в степенной ряд левую и правую части paвeH
ства, имеем:
аз (1 а22/2) == аз а 3 з/6.
Следовательно,
3а 2 2 == а2з,
таким образом
аз == 13 а2 == О,87а mах .
Третий вариант коррекции целесообразно применить для
случая, коrда точность работы Taкoro механизма нормирует
ся различно в начале и на всем диапазоне движения, напри
мер если более жесткий допуск задан при работе механизма
в диапазоне O O,l мм, а более широкий в конце диапазо
на. Тоrда коррекцию ro в случае, если измерения всеrда Ha
чинаются при а == о, нужно осуществлять так, чтобы LlYHKa
4
282
в начале диапазона было бы меньше, чем в конце диапазона
движения (например, во столько раз, во сколько допусти
мая поrрешность в начале диапазона меньше поrрешности
в конце диапазона движения: l1у НI{а 4 / y нка шах == y dH / y ([1{)
(рис. 6.27, z). Параметры а4, а5, rK4' YHKa , YHKa Haxo
4 шах
дятся аналоrично.
Заметим, что если в данном механизме осуществляется
компенсация только теоретической поrрешности, то pery
лировать длину плеча в каждом экземпляре не нужно, т. е.
коррекция может быть осуществлена исправлением размера
ro в чертеже детали на величину rl:.
Еще одним примером rрафоаналитическоrо способа pac
чета параметров компенсатора может служить алrоритмиче
ская коррекция поrрешностей измерения радиусов пробных
стекол автоматизированным cq)epOMeTpoM (ИЗС 11) из за
веса контролируемой детали, которая рассмотрена в п. 6.5.
Расчет параметров компенсаторов по способу наимень-
ших квадратов. Способ применяется при аппроксимации
экспериментальных данных для определения сl)ункциональ
ной зависимости приближающей функции, которая наи
лучшим образом описывает изменение интересующей нас
величины (т. е. позволяет нам выбрать, какая, например, из
прямых, экспонент или полиномов может описать искомую
зависимость). Способ наименьших квадратов может быть
применен также для расчета параметров компенсатора. Ha
пример, с ero помощью можно решить рассмотренную зада
чу по определению коррекции рычаrа тонкой сl)окУСИРОВКИ
микроскопа для уменьшения теоретической поrрешности.
Наиболее целесообразно этот метод использовать для опре
деления параметров компенсатора по экспериментальным
данным о компенсируемом суммарном показателе качества.
Например, если в первом примере сделать плечо рычаrа
ro реrулируемым, то, измерив суммарную поrрешность пере
мещения тубуса (стола) микроскопа, обусловленную всеми
систематическими поrрешностями (теоретической поrреm
ностью, поrрешностью изrотовления рычarа, кинематиче
ской поrрешностью зубчатоrо сектора, наклоном шпильки и
т. д.), можно по способу наименьших квадратов вычислить
необходимое значение I1r 1{ изменения ro для оптимальной
компенсации систематической поrрешности.
Рассмотрим применение способа наименьших квадратов
для определения параметров компенсатора в измерительном
устройстве отклонения пучка лучей (рис. 5.4).
283
а) б)
ДУ
J .,
I
О I
f У тах У
I
ДУм I
К
Рис. 6.28. И зм-ерителъная УСnl,ановка u поzрешносnl,Ъ измерения
Влияние некоторых первичных поrрешностей устройства
столь велико (см. п. 5.2), что в нем предусмотрена компенса"
ция их действия реrулировкой плеча rl. Оптимальное значе..
ние ero коррекции можно определить по методу наименьших
квадратов, измерив суммарную поrрешность устройства l1yr.
в функции уrла У (рис. 6.28, а).
Измерение производится на установке, схема которой
изображена на рис. 6.28, б.
Проверяемый узел устанавливается между коллиматор"
ной и зрительной трубами, предварительно выставленными
друr относительно друrа. Вращением вала винта (на который
устанавливают лимб для ввода yrлов х) добиваются нулевоrо
отсчета по окулярному микрометру 1 (т. е. в этом положении
У == о). Затем изменением х устанавливают расчетные значе..
ния yrла Уо на измерительном устройстве и с помощью оку"
лярноrо микрометра зрительной трубы измеряют ero дей"
ствительные значения:
Уо == 1/ " об,
rде l перемещение изображения; " об фокусное расстоя"
ние объектива зрительной трубы.
По результатам измерений рассчитывают значение I1rlK.
Так как I1Ук == yl1rlK/rl == ay, rде а ==l1rlK/rl, то задача заклю..
чается в том, чтобы подобрать такое а, чтобы сумма квадратов
отклонений экспериментальной зависимости от cr лаживаю..
щей прямой в узловых точках обращалась бы в минимум:
n
F == L (I1Yi aYi)2 == min,
i==l
aF n
т. е. д == 2 L (I1Yi aYi)Yi == о.
а t==l
284
Отсюда
п
LYi 8 Yi
i==1
а==
11
Ly 2 i
i==1
Следовательно:
8rlK == rl
n
L 8у i У i
i == 1
n
Ly 2 i
i == 1
Недокомпенсация
8YHKi == 8Yi ( 8r lK/ r )Yi.
В некоторых приборах и устройствах имеется аддитивная
составляющая суммарной поrреmности, в результате чеrо
поrрешность сrлаживается прямой, имеющей уравнение
вида 8у == ау + Ь.
В этом случае коэффициенты а, Ь находятся из следую"
щих уравнений [111.28]:
11 ппп ппп
n LYi 8 Yi LYiL8Yi Ly 2 iL8Yi LYiLYi 8 Yi
а == i==1 i==1 i==1 . Ь == i==1 i==1 i==1 i==1
n fy 2 i (fYiY' n fy 2 i (fYiY
i==1 i==1 i==1 i==1
Если суммарная поrрешность носит степенной или пери"
одический характер, соответствующие коэффициенты сrла..
живающей кривой находятся путем решения системы т
уравнений с т неизвестными:
n ( at )
[ДYl f(Yl, а, Ь, с, ..., т)] да 1 == о;
n . ( at )
[ДY2 f(Y2, а, Ь, с, ..., т)] дЬ 2 == о;
.
n · ( at )
[ДУi f(Yi, а, Ь, с, ..., т)] дт i == О.
Решить эту систему можно в том случае, если задать вид
сrлаживающей функции на основании характера рассчи"
танной или измеренной поrрешности. Блаrодаря наличию
в ЭВМ соответствующих стандартных проrрамм расчет ис..
комых коэФсl)ициентов не представляет трудностей. Кор..
285
рекционные устройства таких поrрешностей основаны на
кулачках или нелинейных механи?мах, воспроизводящих
сrлаживающую кривую [111.1]. Выполнение или реrулиров"
ка параметров компенсатора производятся в каждом экзем..
пляре прибора индивидуально.
В связи с широким использованием в ОП микропроцес"
сорной техники возникает возможность алrоритмической
компенсации систематических поrрешностей приборов пу"
тем автоматическоrо введения поправок в результат рабо"
ты оп. Для аппроксимации этих поrрешностей некоторой
зависимостью наряду с друrими может быть использован
и метод наименьших квадратов. Довольно часто ero приме"
няют для описания систематических поrреmностей ОП, со..
держащих сl)отоэлектрические преобразователи линейных
перемещений (ФЛП). ДЛЯ этоrо вначале производят измере"
ние поrрешности ФЛП с помощью эталонов или образцовоrо
преобразователя в некоторых (узловых) точках диапазона
работы. Затем методом наименьших квадратов описывают
систематическую составляющую поrреmности зависимос..
тью, связывающей поrрешность со значением перемещения
(координатой) подвижноrо элемента ФЛП от ero естествен..
Horo или искусственноrо нуля. Полученная зависимость по..
зволяет вычислить поправки для текущих значений пере"
мещений для любой точки отсчета, вырабатываемых ФЛП,
с помощью проrраммы, введенной в память микропроцессо
ра. Процесс и результат такой коррекции будет рассмотрен в
п. 6.5 на примере автоматизированноrо прибора для KOHTpO
ля концевых мер 3 5 ro разрядов (АПМ 100), разработанно
ro фирмой ЛОМа.
Необходимо заметить, что метод наименьших квадратов
не всеrда является предпочтительным по отношению к дpy
rим критериям со:rласия приближающей срункции и экспе
риментальных данных в узлах интерполяции. В некоторых
случаях более правильно пользоваться критерием «точноrо
совпадения в узловых точках., или « чебышевским прибли
жени ем (принципом минимакса). , при котором сводится к
минимуму максимальная поrрешность [111.29].
Весьма важными вопросами являются выбор аппроксими
рующей функции: кусочно линейной, полиномиальной (Ла
rранжа, Ньютона), сплайн cl)ункций [111.30] и т. П., а также
оптимизация выбора узлов. При этом нужно учитывать, что
с ростом степени интерполирующеrо полинома поrрешность
интерполяции, в общем, снижается, однако существенно
286
возрастает объем вычислительных операций и необходимой
выборки, что может сделать нежелательной использование
на практике сl)ункций высоких степеней.
Данные вопросы решают на практике в зависимости от
заданноrо предела допустимой поrрешности прибора, спек
тральноrо состава ero r;rоrрешностей, метролоrических воз
можностей производства и метода компенсации.
Расчет параметров компенсации с помощью rармоническо-
ro анализа поrрешностей. Данный способ расчета целесообраз
но использовать при компенсации систематических поrpеш
ностей ОП и ФУ, носящих периодическИЙ характер. Такой
характер имеют поrрешности, обусловленные эксцентриси
тетами и торцевыми биениями вращающихся элементов, по
rреmностями деления штрихов растров и кодовых дисков, ки
нематическими поrрешностями зубчатых передач и т. д.
Как известно [111.31], периодическая поrрешность l1у MO
жет быть выражена рядом Фурье, имеющим конечное число
членов разложения:
k
l1у == Ао + LAnsin(ny + \Vn),
n==1
(6.1)
rде Ао постоянная составляющая поrрешности; Аn
аМплитуда rармонической составляющей поrрешности;
n номер rармоники; \Vn начальная q)аза поrрешности;
у информативный параметр ОП (ФУ).
Задачей rармоническоrо анализа является выявление
спектральноrо состава суммарной поrрешности l1у с ампли
тудами, частотами и фазами по результатам ее измерения.
Эти данные необходимы для определения числа компенса
торов, расчета их параметров и точности результатов KOp
ректировки. Из за дискретности измерения l1у возникает
методическая поrрешность 118 выявления суммарной rapMo
нической кривой (см., например, рис. 3.6, а, rде S == JlM).
Соrласно теории rармоническоrо анализа S определяется
методической поrрешностью представления ее наивысшей
rармонической составляющей (т. е. rармоники с высшей
частотой) [111.32]. Следовательно, для определения необхо
димоrо числа N контролируемых положений ОП (ФУ) на ero
рабочем диапазоне нужно определить число точек контроля
у на полупериоде наивысшей rармоники n.
Наивысшей существенной rармоникой следует считать
такую, удвоенное значение амплитуды А п которой больше
или равно 88 (т. е. 2А п > S). Максимальная поrрешность
287
Aтax определения ее амплитуды в зависимости от числа
точек контроля у на ее полупериоде может быть найдена из
выражения [111.32]:
Aтax ==А п (1 cos1tj2y). (6.2)
Приняв условие S == 2М тах , и учитывая, что N == 2уп,
можно вывести после несложных преобразований (6.2) зави
симость, определяющую необходимое число точек контроля
оп в рабочем диапазоне:
N == пп . ( 6 3 )
arccos [(1 S /(2А п )] ·
rармонический анализ измеренной поrрешности y BЫ
полняется с помощью специальных приборов или ЭВМ
[111.31, 111.33].
Расчет параметров некоторых конструктивных способов
компенсации rаРМQнических составляющих поrрешностей
фу приборов рассмотрен в работе [111.1].
Пример алrоритмической коррекции rармонических co
ставляющих систематических поrрешностей фотоэлектри
ческих преобразователей круrовых перемещений, которая
может быть осуществлена путем введения поправок в циф
ровой код, рассмотрен в п. 6.5.
6.4. КОМПЕНСАЦИЯ сЛУЧАйНЫХ поrРЕШНОСТЕЙ
и ФАКТОРОВ
Некоторые поrрешности и факторы оказывают случайное
влияние на качество как партии, так и отдельноrо экземпляра
прибора. К таким поrрешностям относятся: турбулентность
воздушных слоев, нестабильность трения и нереrулярны:е
биения в кинематических парах, внутренняя и внешняя ви
брации, случайные составляющие поrрешности наведения и
снятия отсчетов, нестабильность источников питания, шумы
приемников и электронных устройств, нереrул.ярные изме
нения внешней среды (температуры, давления, влажности и
т. п.). Компенсировать сами поrрешности не представляется
возможным, поэтому стремятся уменьшить их влияние на
качество оп.
Компенсация влияния случайных поrреmностей и фак
торов основана на одном из свойств случайных величин,
использовании адаптивных компенсаторов, работающих в
288
реальном масштабе времени, применении орrанизационно
технических мероприятий.
Использование свойств случайных величин. ДЛЯ KOM
пенсации влияния случайных поrрешностей на точность
функционирования ОП используется известное свой
ство уменьшения вли.цния случайной поrреmности на
средний результат при увеличении числа повторных ци
клов функционирования (измерений, наводок и т. п.) или
числа реrистраций (опросов) показаний при неизмен
ном значении входноrо сиrнала. Суть метода в том, что
среднее значение выходноrо информативноrо параметра
п
у == L Yi/ n ' вычисленное по результатам повторных циклов,
i l
имеет среднее к вадратичное отклонение
ау == ( аl/n)2 + (а2/n)2 + ... + (аl/n)2 == aNn,
меньшее примерно на значение корня KBaдpaTHoro из числа
повторных циклов n, чем (J' отдельноrо измерения, наводки,
опроса и т. п.
Поэтому для уменьшения влияния случайных поrреш..
НОС'Еей на практике широко используется увеличение числа
измерений одной и той же величины. Примерами подобно"
ro рода компенсации являются повторные измерения уrла
между объектами с помощью теодолита, мноrократные по..
вторные наводки окулярноrо микрометра микроскопа на
края измеряемоrо объекта, повторные измерения превыше
ния высот нивелирования, мноrократный опрос и ycpeДHe
ние показаний автоматизированноrо прибора для контроля
концевых мер (АПМ 100, см. п. 6.5) при замыкании измери
тельной пиноли на контролиру мую меру и т. п.
В некоторых ОП, содержащих фотоэлектрические датчи
ки линейных и yrловых перемещений, результат повторных
измерений реrистрируется и обрабатывается с помощью ис
пользуемых в них микропроцессоров, что позволяет суще
ственно повысить экономическую эффективность данноrо
метода компенсации.
На этом свойстве основаны также некоторые коррекци
онные устройства ОП, например интеrрирующее устройство
авиационноrо секстанта [111.1].
Следует отметить, что, увеличивая число измерений, мы
можем уменьшить только влияние случайной поrрешности,
289
систематические же поrрешности остаются при этом неиз
менными.
Применение адаптивных компенсаторов. Параметры
адаптивных компенсаторов изменяются в реальном Mac
штабе времени в процессе функционирования прибора. Это
значит, что они должны позволять компенсировать вли
.нние случайной поrрешности (или фактора) со скоростью,
соизмеримой со скоростью изменения поrрешности. 3апаз
дывание изменения параметров компенсатора не должно
нарушать требуемой точности компенсации. Для этоrо (рис.
6.29) за время адаптации (коррекции) 8t K == t2 t 1 , в тече
ние KOToporo происходит измерение корректируемоrо вли
яния 8Yt либо самой поrрешности или фактора, выработка
1
управляющеrо сиrнала на компенсатор 8Z K и корректиров
ка параметров компенсатора, создающих 8ук (рис. 6.29),
изменение влияния поrрешности (q>aкTopa) не должно быть
больше максимально допустимоrо значения недокомпенса
ции (см. п. 6.1.1, 6.6.2):
8Yt 8ук < 8Ункmах.
2
Время адаптации компенсатора, работающеrо в автомати
чес ком режиме по одной из вышеперечисленных схем KOp
рекции (вспомоrательных измерений, образцовых сиrналов,
обратноrо преобразования, смешанной), в зависимости от
вида корректируемых поrрешностей и факторов изменяется
от нескольких часов до долей секунды.
Наиболее сложно компенсировать влияние случайных
поrрешностей и факторов, изменяющихся с большой CKO
ростью, например влияние турбулентности и рефракций воз
душных слоев. Известно
[111.34], что коррекция
атмосферной турбу лент
ности требует быстро
действия работы адап
тивных компенсаторов
t телескопов и оптиче
ских систем связи, paB
Horo примерно 0,01 с.
Создание таких систем
явилось сложной на
учно технической про
Рис. 6.29. Изменение случайной nоzреш блемой, приведшей к
ности 1 и коррекции 2 во времени появлению HOBoro пер
!1у
с\1
.:-
<J
<J
1
l!1t
1_ lC
I
,t 2
I
I
\ I
... ,.
, / (. YK)
/
!1ук
...... ......
290
Проzрамм
ная л.оzи а
управления
ФЭУ1
2
4
Рис. 6.30. Схема телес оnа с адаптивным OMneHcaтopOM
спективноrо направления в q>изике и технике адаптивной
оптики.
в настоящее время под адаптивной оптикой обычно по:ни
мается оптическая система, позволяющая блаrодаря актив
ному элементу (роль KOToporo выполняет чаще Bcero «rибкое
зеркало.) компенсировать ВJШя:ние турбулентности земной
атмосферы путем изменения формы ВОJПIовоrо фронта. В пер
спективе адаптивная оптика, а более правильно адаптив
ные компенсаторы оптических систем, MorYT быть исполь
зовавы для компенсации поrрешностей, обусловленных
вибрациями, перепадом температуры, нестабильностью Tpe
ния и биениями в кинематических парах механизмов Haвe
дения и т. п.
Рассмотрим схему и принцип работы экспериментально
ro телескопа с адаптивным компенсатором атмосферных ис
кажений [111.34, 111.35] (рис. 6.30).
Пучок лучей от звезды ИJШ наземноrо излучателя попада
ет на r лавное зеркало телескопа 1 , которое с помощью диarо
нальных зеркал 2 и 3 строит изображение перед проекцион
ным объективом 4. Объектив через светоделительное зеркало
5 передает изображение на щели, установленные во втором
фокусе перед фотоумножителями ФЭУl и ФЭУ2. Диаrональ
ное зеркало 2 установлено на пьезоэлектрических колонках,
позволяющих при подаче на них напряжения наклонять
зеркало для центрировки изображения относительно щели
анализатора. Управление зеркалом осуществляется фотоэ
лек тронными умножителями ФЭУ3иФЭУ 4, измеряющихсве
291
товой поток от двух половин щели. Диarональное зеркало 3,
являющееся основным устройством адаптивной системы, co
стоит из шести подвижных элементов (зеркал), перемещаю
щихся перпендикулярно к плоскости зеркала для коррекции
атмосферных искажений волновоrо Q)pOHTa. Перемещение
осуществляется пьезоэлектрическими цилиндрами на доли
длины волны света Bcero за 0,06 мс. Максимальное перемеще
ние (при подаче напряжения + 1000 В) составляет + 2,5 мкм.
Управление перемещением осуществляется ФЭУ2, анализи
рующим резкость изображения, и блоком npоrраммной ло
rики, последовательно задающим перемещение элементам
зеркала посредством команд блоку подачи различноrо напря
жения на пьезокерамику. Управляющее лоrическое устрой
ство обеспечивает поиск таких положений элементов зеркал,
которым соответствует максимальный сиrнал с ФЭУ2. Фото
электрический умножитель ФЭУl вместе со щелью переме
щается поперек изображения и используется для записи изо
бражения. На рис. 6.31 изображены результаты испытаний
этоrо телескопа по искусственной звезде (изображение лазер
Horo источника света, сформированное через 250 метровый
слой турбулентной атмосферы, рис. 6.31, а) и по естествен-
ной (изображение Сириуса, рис. 6.31, б).
Как видно из рисунков, применение адаптивноrо компен
сатора позволяет существенно улучшить резкость изображе
а)
Управление
аер алом
в лючено
б)
Управление
вы лючено
Управление
зер алом
в лючено
5 О 5 5 О 5
Уzловые ce YHды Уzловые ce YHдь/'
Рис. 6.31. Изображения источнu ов излучения, полученные с
помощью адаnтивноzо тел.ес оnа
292
ния звезд,' практически приближая ero к ди(l)ракционному
пределу качества изображения. Опыт использования отече..
cTBeHHoro астрономическоrо телескопа АСТ..1200 с cocтaв
ным r лавным зеркалом для компенсации искажений, вноси
мых турбулентным слоем атмосq)еры, опубликован в работе
[111.24] (схема и принцип работы системы коррекции этоrо
телескопа приведеныI в п. 6.1). К недостаткам адаптивных
телескопов [111.34] относятся: оrраничения, связанные с H
монохроматичностью излучения звезд, что мешает устра"
нить влияние реq>ракций воздушных слоев для широкоrо
диапазона длин волн, так как деформации на различных
длинах волн MorYT оказаться в данный момент времени раз"
личными; получение идеальноrо изображения на оси теле..
скопа, но не по всему полю зрения; оrраниченное быстродей"
ствие адаптивной системы.
П рименение орrанизационно-технических мероприятий.
Орrанизационно"технические мероприятия, позволяющие
уменьшить влияние случайных поrрешностей и факторов на
качество прибора заключаются, например, в создании таких
условий изrотовления и работы прибора, которые предотвра"
щают появление или уменьшают случайные поrрешности.
К ним можно отнести: создание термостатированных поме
щений, уменьшение циркуляций воздушных слоев, созда"
ние постоянноrо давления, влажности, виброзащиты и т. п.
,1 Фильтрация оптическоrо сиrнала и цифровая обработка
оптическоrо изображения. Метод повышает дальность дей"
ствия, распознавание изображения, улучшает качество изо..
бражения, создаваемоrо оптической системой, восстанавли..
вает детали объекта по ero искаженному изображению. Для
этоrо нужно иметь математические модели изображеIШЙ, дан"
ные об изменении оптической передаточной функции, уровне
отношения сиrнал шум для полученноrо изображения, фор
мировать признаки изображений и т. д. [III.36 III.39].
6.5. ЦИФРОВАЯ (АлrОРИТМИЧЕСКАЯ) КОРРЕКЦИЯ
поrРЕШНОСТЕЙ
в современных ОП широко используются микроЭВМ и
микропроцессорная техника, позволяющие автоматизиро"
вать процесс функционирования и повысить производитель"
ность их работы. Эта техника позволяет также осуществлять
коррекцию поrрешностей ОП алrоритмическим методом,
293
экономичность KOToporo часто MHoro выше, чем технолоrи
ческоrо и конструктивноrо методов компенсации. Суть это
ro метода заключается в том, что в память микропроцессора
(персональноrо компьютера РС) закладываются проrраммы,
по которым вычисляются поправки, вводимые в результат
функционирования ОП для компенсации влияния тех или
иных поrреmностей.
Алrоритмический метод может быть использован для
коррекции влияния как случайных, так и систематических
поrрешностей и факторов.
Влияние случайных поrрешностей обычно компенсируют
путем увеличения числа повторных измерений объекта или
числа реrистрации (опросов) показаний ОП при неизмен
ном значении информативноrо параметра входноrо сиrнала
с последующим вычислением среднеrо значения результата.
Этот результат, как было показано выше, имеет среднее KBa
дратичноеотклонение,меньшеепримерноназначениекорня
квадратноrо из числа повторных циклов (опросов), чем CTaH
дартное отклонение отдельноrо измерения или реrистрации.
Указанным приемом удается существенно уменьшить
влияние вибраций, шумов приемников, колебаний сил Tpe
ния, поrрешностей совмещения марки с изображением объ
екта наблюдения и т. п.
Наиболее эффективно с помощью алrоритмической коррек"
ции компенсируется влияние систематических поrрешностей
и факторов: допущений в законе функционирования ОП (Ha
пример, при замене неJШнейной функции ее JШнейным при
ближением, при окрyrлении конструктивных параметров);
деq>ормаций от известных сил; стационарноrо отклонения
температуры от номинальной; поrрешностей деления шкал
и т. д. При этом необходимо учесть, что некоторые из указан
ных поrрешностей. являются систематическими для партии
ОП, а дрyrие только для отдельноrо экземпляра. В первом
случае не требуется измерения поrрешностей в каждом экзем
пляре ОП и составления индивидуальной проrpаммы для их
коррекции, так как эти поrрешности одинаковы во всех при
борах. Во втором случае необходимо произвести измерения,
позволяющие описать конкретные значения систематических
составляющих поrрешностей ОП функциями, обратные зна
чения которых используются для вычисления поправок.
Рассмотрим на практических примерах применение этоrо
метода для коррекции поrрешностей ОП, предназначенных
для линейных и уrловых изменений.
294
D2
р
1118.5570 I
e2tIшrn
9
Рис. 6.32.Автоматuаuрованный сфером.етр:
1 измерительная nиноль; 2 кольцо (сменное) с тре],tя сферическими onopa
ми (шарами); 3 nроверяемаядеталь (пробное стекло); 4 8 nреобразователь
линейных nеремеи,ений, состоящий из отражающей 4 u nрозрачной 5 дифракцион
ных решеток, блока 6 из отклоняюu,еzо клина и линз, фотоnриеJytников 7 и cвeтo
диада 8; 9 микропроцессор серии K 580; 1 О nривод nиноли
Алrоритмическая коррекция поrрешностей автоматизи..
pOBaHHoro сферометра. Сферометр изс 11(12), разработан
вый (рирмой ЛОМО, предназначен для контроля радиусов
пробных стекол 2 3 классов. Схема прибора изображена на
рис. 6.32.
Контроль радиуса сферы R поверяемой детали произво
дитсл путем измерения стрелки проrиба у поверхности изме
рительной пинолью с последующим вычислением значения
радиуса микропроцессором по формуле:
R == D 2 /8y + у/2 + r == D 2 /(8nA) + nА/2 + r, (6.4)
295
rде D диаметр onopHoro кольца; r радиус сферической
опоры шара (для воrнутой поверхности знак плюс, для
выпуклой минус); n число электрических счетных им
пульсов, вырабатываемых преобразователем линейных пе
ремещений, А цена импульса (А == 0,1 мкм).
Техничес"ие данные сферометра
Контролируемый радиус, мм:
наименьший................................ ......................1 О
наибольший ............ .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ()()
Предел измерения стрелки проrиба, MM..................::t 15
Диаметр сменных колец, мм:
наименьший..................................................... .15
наибольший .................................................... 12 О
Максимальная масса контролируемой детали, Kr......... 3
Диапазон изменения значения измерительноrо
усилия, н .............................................................. О, 5 5
Предельное значение поrрешности (по результатам
испытания опытноrо образца), О/о ......................... ..... 0,012
Основными поrреmностями, влияющими на точность из
мерения, являются: 1) поrреmность диаметра опорноrо коль
ца; 2) поrрешность радиуса сферических опор; 3) контактная
деформация линзы и опор, обусловленная весом линзы Р;
4) контактная деq>ормация линзы и сферическоrо наконеч
ника пиноли ПОД действием мерительноrо усилия Q; 5) по
rрешность измерения стрелки проrиба; 6) влияние отклоне
ния температуры от номинальноrо значения.
Первые две поrрешности, являясь систематическими для
KOHKpeTHoro экземпляра опорноrо кольца, учитываются
блarодаря подстановке в формулу (6.4) действительных зна
чений параметров D и r на основании их аттестации, напри
мер по эталонной с{рере. Остаточная поrрешность измерения
этих параметров не оказывает доминирующеrо влияния на
точность контроля.
Контактные деформации в точках опоры линзы ! л и в
точке соприкосновения с наконечником пиноли ! н опреде
ляются из следующих выражений:
дf л == 0,82553 N 2 ( Rr r)(l ;: + 1 ;: y ;
дfн == 0, 8255 V Q2( R p )( 1 ; ; + 1; y ,
р н с
(6.5)
(6.6)
296
rде N == (р:' Q)/(3cosa) == Р' /cosa сила нормальноrо давле--
ния на опору; р радиус наконечника пиноли; Е ш , E Е н ,
Ilш' J.le' J.lH модули упрyrости И коэф(рициенты Пуассона
материалов опорных шаров, контролируемой детали и Haкo
нечника пиноли соответственно.
Поrреmность измерения стрелки проrиба из за указан
ных деформаций
I1y ! == tлсоsа 8tH. (6.7)
Эта поrрепtность, достиrающая значений от долей МИК:РО
на до 3 4 мкм, существенно влияет на точность контроля pa
диусов пробных стекол. Компенсация влияния дeq)ормаций,
систематических для партии приборов, может бытъосущест
влена двумя способами. Первый основан на расчете по фор
мулам (6.5) (6. 7) поrреmности измерения стрелки про:r:иба и
алrоритмической коррекции результатов контроля радиусов
путем введения поправок по (рормуле
( D2 1 )
AR K == 8у2 "2 Аум. (6.8)
Так как все параметры, за исключением Р, R, Ее, !lc' по
стоянны, то оператору перед контролем необходимо ввести
с пульта управления массу детали, номинальный радиус
пробноrо стекла (последний может вводиться и автоматиче
ски по результатам измерения) и марку стекла (Т. е. Ее и J.le).
Второй способ компенсации, не требующий ввода Ее и fle
основан на создании в приборе TaKoro мери тельноrо усилия Q
чтобы 11tH == I1tлсоsа. Расчет этоrо усилия производится ми
кропроцессором по формуле, полученной из (6.5) (б. 7) при
Е н , J.lH == Е ш Ilш' обеспечивающей указанное условие:
р
Q== .
( D/2 )
3COs 2 . 5 arcsin R :t r
(R + p)2r + 1
(В + r)p
(6.9)
Испытания опытноrо образца прибора показали, что бла
rодаря данной коррекции удается полностью избавиться ОТ-
влияния контактных деформаций контролируемой детали
на точность контроля ее радиуса.
Поrреmность измерения стрелки проrиба обусловлена по--
rреmностями преобразователя линейных перемещеНИЙ и Ha
правляющих пиноли. Она содержит систематическую и слу
чайную составляющие. Исследованиями установлено, что
297
при измерениях стрелки проrиба достиrается высокая BOC
производимость (стабильность) пок.азаний, что указывает
на малость случайной составляющей поrрешности. Так как
предельное значение рассеяния показаний не превосходило
цены счетноrо электрическоrо импульса (т. е. было менее
0,1 мкм), то алrоритмическая компенсация случайной co
ставляющей в данном случае не нужна.
Систематическую составляющую поrpешности можно an
npоксимироватъ полиномом вида: Yc == а + .ку + су2, коэф
q>ициентыI KOTOpOI'O а, к" с находятся, например, с помощью
метода наименьших квадратов.
В связи.с тем что эта составляющая обусловлена rлавным
образом отклонением периода ди,фракционных решеток (поз.
4., '5 на рис. 6 32) от номинальноrо значения и носит ЯВНО BЫ
раженнЬ'IЙ накопленн:ый (мулътипликативный) характер, а
также с учетом небольmоrо диапазона работы преобразова
теля проrраммой предусмотрена :коррекция только BTop.oro
члена полинома: YK == KY.
Вычисление коэффициента к производится на основании
индивидуальноrо измерения поrрешности каждоrо преобра
зователя по образцовой мере:
к == /L,
rде поrрemность преобразователя; L размер Mepы BBO
димый оператором в микропроцессор с пульта управления.
Эта коррекция позволяет уменьшить п.оrрешность из
мерения стрелки проrиба в несколько раз. Блаrодаря ал
rоритми'ческой коррекции поrрешности преобразователя
отпадает также необходимость ero юстировки [разворо
том отражательной дифракционной решетки BOKpyr оси Z
(см. рис. 1.39, б)] для получения расчетной цены счетноrо
электрическоrо импульса. Упрощается конструкция узла
решетки.
Поrрешностъ измерения при отклонении температуры t
от номинальноrо значения (20 ОС), при котором были произ
ведены калибровка и аттестация прибора, возникает rлав
ным образом из за изменения:
.диаметра опорноI'О кольца W At == D aK t;
цены счетноrо импульса преобразователя линейных пере
мещений из за изменения размеров дифракционных реше
ток M At == L A ap t;
радиусов сферических опор rAt == rаш t;
радиуса сферы контролируемой детали At == R a t.
298
Здесь а к , ар, а ш , а коэффициенты линейноrо расшире"
ния материалов соответствующих деталей; L A размер эле..
мента ди(l)ракционной решетки, соответствующий счетному
импульсу.
Результаты их влияния на точность измерения при стацио"
нарном изменении температуры можно найти диффере1ЩИрО"
ванием выражения (6.4) по соответствующим переменныI..
Частичная взаимокомпенсация влияния температуры
осуществлена в данном приборе соответствующим подбором
материалов деталей 2, 3 и 4 (рис. 6.32).
Однако такая компенсация кроме Toro, что она не явля"
ется полной (из"за невозможности cтpororo выполнения
требований к значениям коэффициентов а к , а, ар) имеет
тот недостаток, что не учитывает поrрешность f1r At (знак
которой изменяется не только при изменении знака темпе..
ратуры, но и при изменении знака контролируемой поверх"
ности), а также накладывает оrраничения на значение ко..
эффициента а (т. е. требует, чтобы контролируемые детали
были выполнены из одноrо материала). Все это при води Т к
тому, что прибор должен эксплуатироваться в помещени"
ях со стабильной температурой, а контролируемые детали
выстаиваться.
\Алrоритмическая коррекция влияния изменения темпе..
ратуры, планируемая в последующих моделях прибора, мо"
жет быть осуществлена путем введения поправок в резуль..
тат по формуле
[ D2 ( D2 У ) ] ,
дR кАt == 4у а к + 8у 2 ар + rа ш М} На.М 2 , (6.10)
rде f1t} и f1t 2 изменения температуры прибора и контро"
лируемой детали, вводимые автоматически или с пульта
управления.
Так как t2 может отличаться от f1t}, то f1t 2 И а целесообраз"
но вводить в прибор индивидуально с пульта управления.
Измерение температуры прибора часто представляет со..
бой непростую задачу, так как существует ее rpадиент от
элемента к элементу прибора. В этом случае представляется
целесообразным выполнять ответственные элементы при"
бора (особенно те, которые иrрают роль э-талонов линейных
или уrловых величин) из материалов с малыми значениями
коэффициента линейноrо расширения.
В сферометре такими элементами являются дифракци"
онные решетки 4, 5 и опорно,е кольцо 2 (рис. 6.32). Выпол"
299
нив решетки, например, из кварца, а кольцо из инвара,
можно получить конструкцию, более устойчивую к влия"
нию температуры, так как W At и M At будут малы [т. е. в
формуле (6.10) достаточно учитывать поправки только из..
за rAt и 8R At ].
Алrоритмическая коррекция поrрешностей автоматизи-
роваиноrо прибора для поверки концевых мер. Схема при"
бора (АПМ..100), разработанноrо q)ирмой ЛОМО, изображе..
на на рис. 6.33.
Прибор предназначен для автоматизированной поверки
наборов плоскопараллельных концевых мер длины абсолют"
HыM или относительным методом.
Технические дан Hbte прибора
Диапазон измерений, мм ................................ ....... ..o 100
Поrреmностъ измерений (L измеряемый размер, м), мкм:
абсолютным методом ...................................... 0,2 + 2L
относительным методом.................................. 0,1 + 1L
Дискретность отсчета, мкм ...... ... ..... ... ....................... 0,01
Измерительное усилие, Н .................................... 1, О :t 0,1
Производительность измерений, с/мера......... ............... ..45
Температура эксплуатации, ос.... .............................. 20 :t 1
в отличие от paccMoTpeHHoro выше cq)epOMeTpa в данном
приборе основными поrретностями являются: случайная
составляющая поrрешности измерений (из..за вибраций, ту"
МОВ в электрических целях, наводок и т. п.) И поrрешность
преобразователя.
;Компенсация случайной составляющей производится пу"
тем MHorOKpaTHoro опроса показаний преобразователя при
замыкании измерительноrо наконечника пиноли на объект,
записи результато в память ЭВМ и их статистической об..
работки. Частота опроса составляет примерно 100 rц, время
опроса около 1 c в результате чеrо реrистрируются 50 100
результатов. Статистическая обработка позволяет получить
из этой выборки с заранее оrраниченным размахом среднее
арифметическое значение результата измерения. Если раз"
мах показаний больше предельно допустимоrо значения, то
это свидетельствует о ненормальности условий работы (на"
пример, из..за больших вибраций) прибора и может приве"
сти к заметному вкладу случайной составляющей в суммар"
ную поrреmность. Для исключения этоrо такие результаты
не ДОЛЖНЫ использоваться для дальнейшей обработки (для
прибора АПМ..1 00 допустимый размах равен 0,1 мкм).
300
] [
/5
у!
i
I
/
3
1,
.--."..
..,
............
",,",,-
'.........
"',
/ / // // /// / / / /' / '; \ '
\
\
\12
б
7
/
!
H i/ i
I
I
I
I
I
I
I
I
I
J
ЦJ----
.. \
\
\
\8
9
110
I !
, I
4
О
C::J ЕЕЕВ
""
11,/
Рис. 6.33. Авпtоматиаированный прибор для поверки
концевых мер дл.ины:
1 объект иЗ'мерения (копцевая 'мера); 2 иЗ'мерительная
пиноль; 3 привод движения пиноли; 4 8 преобразова-
тель линейных пepeMeи eHий, состОЯll,ий из отражаЮll,ей 4
и прозрачной 5 дифракционных решеток, блока 6 из откло-
nЯЮll,еео клина и линз, фотоприе,Мников 7 и светодиода 8;
9 контроллер; 10 'микроЭВМ; 11 принтер; 12 при-
вод пере'меll,ения 'меры по двум координата'м
Экспериментальные исследования показали, что стати
стическая коррекция реЗJ<О (минимум в три пять раз) сни"
жает влияние вибраций и шум квантования измеряемой ве..
личины.
В связи с большим диапазоном и ВЫСОItой точностью из
мерений здесь также необходима более точная коррекция
301
систематической поrрешности преобразователя линейных
перемещений. Как показали исследования л. 3. Дича, пред
ставленные в диссертационной работе [111.40], преобразова
тель 4 8 (рис. 6.33), вырабатывающий два квадратурных
(sin cos) сиrнала с их последующей амплитудно (разовой
интерполяцией, позволяет получить (I)Ункцию преобразова
ния вида
L
N == J8(sin K .L)KdL + Ll M + Ll H + Ll B ,
о
(6.11 )
rде 8(...) дельта функция Дирака; к номинальная час
L
тота фотоэлектрическоrо сиrнала; Ll M == J8(sinLlKL) K dL
о
мультипликативная
составляющая
поrрешности;
H == 1 8Sin ( 1 1(, dL ) 1(, dL поrреmность нелинейности;
B == [e(L + n'А/2 + y) e(L + 'A )] внутриmа
rовая составляющая поrрешности 8(...) (I)Ункция Хеви
сайда; LlK и LlK постоянное и переменное отклонения ча
стоты сиrнала от номинала; n индекс суммирования;
Lly поrрешность сдвиrа фаз квадратурных сиrналов.
Как следует из (6.11), содержимое N счетчика импульсов,
с KOToporo снимается информация о перемещении пиноли, а
следовательно, и о размере контролируемой меры, отяrоще
но rлавным образом поrрешностями периода шarа дифрак
ционных решеток и юстировки сдвиrа фаз сиrналов с фото
приемников (см. рис. 6.47).
Анализ поrрешностей показывает, что при коррекции pe
зультатов измерениЙ должна быть выдержана определенная
иерархическая последовательность компенсации влияния
поrрешностей. Вначале следует компенсировать случайную
составляющую поrрешности (иначе трудно извлечь инфор
мацию о систематической составляющей, особенно в слу
чае, коrда они соизмеримы по значению величины). 3атем
компенсируют внутришarовую поrрешность преобразовате
ля, далее поrрешность, обусловленную ero нелинейной и
мультипликативной составляющими (такая последователь
ность учитывает их спектральный состав и позволяет yмeHЬ
шить число реперных точек при (рормировании массивов
данных). Наконец, производят коррекцию поrрешностей, не
302
............. -
Формирование
- .... маёсива Де.... ....
м ассив Де
L......... ....1
I
1
I
I
1
'- .
Ввод
данных о Де
Ввод данных
для Koppe"ти
ров"и Дn + ДЖ
ассив Дn +Дж
Ввод
данньtх о Де
Ввод данных
о Дn +Дж
Деформация
От"лонения
температуры
Начало
.... .... I
I
таn иСnl,ическая
1 .... ....обрабо т а.... ....
I
I
1
I
1
Опрос
nользоваnl,еля
Ввод данных
для Koppe"
ции Де
.... .... ..... .... I
Наведение 1
и статистиче 1
с"ая, обработка I
1
I Формирование
К оррекция Де 1..... маёсива Д; +Д ;' ....
I
I
Вьtчисление Дn +Дж :
_ .... .... ..... J
Наведение на объе"т
и статистическая об
аботка
Измерения
о БЬ е"та КоН тро Ля.....
Коррекциядn +Дж
Коррекция поzрешностей,
не связанных с работой
nреобразователя
Методические
nоеешности
Рис. 6.34.Алеоритм "оррекции nоzрешностей прибора
связанных с работой преобразователя (деформаций, откло
пения температуры, методических поrреmностей и т. п.).
Блок схема алrоритма коррекции приведена на рис. 6.34.
Поrрешности 8 и L\M + H измерялись с помощью эталон
Horo клина (L\8) и образцовых мер ( M + H).
303
Корректирующая функция может быть получена MeTO
дом наименьших квадра товлибокусочно линейной аппрок
симацией результатов дискретных (примерно в 10 точках)
измерений, дающей, как показала практика, приемлемую
точность интерполяции и нескомпенсированноrо остатка.
Нарис. 6.35 представленыrраq>ики поrрешностиприбора: на
рис. 6.35, а без коррекции поrрешности; на рис. 6.35, б
с конструктивной компенсацией поrрешности преобразо
вателя путем разворота отражательной ди(l>ракционной
решетки BOKpyr оси z; на рис. 6.35, в нескомпенсиро
ванный остаток поrрешности после алrоритмической KOp
рекции.
Как видно из rрафиков, алrоритмическая коррекция по
зволяет уменьшить поrреmность преобразователя почти на
два порядка, если не производить ero юстировку, и более чем
в три раза по сравнению со случаем, коrда она производится.
Упрощается также конструкция преобразователя блarода
ря исключению реrулировочноrо устройства для юстировки
номинальноrо значения цены счетноrо электрическоrо им
пульса разворотом реmетки.
а) !!"у, М"М
12
8
4
60 100 у, ММ
20 40 80
б) !!"у, М"М
0,2
0,1
у, ММ
0,1 60
O,2
o,3
в) !!"у, М "м
0,05
у, ММ
0,05
Рис. 6.35. rрафи"и nоzрешности прибора
304
Компенс ция поrрешности, вызванной отклонением TeM
пера туры от номинальноrо значения, производится в прибо"
ре по формуле
Lo == L + (ао ам)(Т 20)L,
(6.12)
rде Lo и L размеры меры при номинальной и действитель"
ной температуре Т окружающей среды; ао коэффициент
линейноrо расширения материала диq>ракционной решетки
преобразователя (или образцовой меры при относительном
методе измере ий); а м коэq>фициент линейноrо расшире
ния измеряемой меры.
Значение Т обычно известно (измерено) достаточно точ
но и вводится в память ЭВМ. Однако температура внутри
приборов (температура дифракционных решеток) может OT
личаться от Т, а ее измерение часто представляет собой не..
простую задачу, так как существует ее rрадиент от элемента
к элементу прибора.
В связи с этим представляется целесообразным, как упо"
миналось выше, выполнять ответственные элементы при
бора (особенно те, которые иrрают роль эталонов линейных
или уrловых величин) из материалов с малыми значениями
коэффициента линейноrо расширения. В нашем случае та..
кими элементами являются диq>ракционные решетки 4, 5
(см. рис. 6.33) преобразователя, которые можно изrотовить,
например, из кварца.
Температура контролируемой меры также может быть от..
личной от Т. Поэтому соrласно rOCT 8.306 78 меры должны
перед измерением предварительно отстаиваться (примерно
1 2 ч). Это необходимо для выравнивания температуры мер
и окружающей среды и часто снижает производительность
контроля. Отстаивание можно избежать, если точно знать
температуру детали в момент измерения (например, изме..
ряя ее термопарой), что, однако, не всеrда возможно.
Один из возможныIx способов определения температуры
меры (или друrой детали) может быть основан на измерении
скорости относительноrо изменения ее размеров при изме
нении температуры за некоторый фиксированный отрезок
времени, задаваемый, например, с помощью TaKToBoro reHe..
ратора микроЭВМ.
Известно, что на стадии реrулярноrо тепловоrо режима
темп охлаждения (или нarревания) детали остается неизмен
ным и пропорционален коэффициенту теплопередачи, пло
щади внешней поверхности (с учетом коэq>фициента формы)
305
и обратно пропорционален ее теплоемкости [111.41]. Скорость
остывания (HarpeBa), а следовательно, и размер меры линей
но зависят от ее текущей температурьi. Измерив размер L( t) И
скорость L'(t) изменения линейных размеров в момент BpeMe
ни t и зная темп т охлаждения (нarревания), можно опреде
лить размер меры при номинальной температуре:
Lo == L(t) L'(t)/т.
(6.13)
Для определения значений L'(t) и т достаточно получить
три отсчета размера меры, снятых через некоторый проме
жуток времени t' .
На рис. 6.36 изображены экспериментально полученные
зависимости изменения концевой меры с номинальным раз
мером 125 мм при ее остывании.
По оси ординат отложено удлинение l1L меры, вызванное
переrревом I1t, а по оси абсцисс время остывания. Измере
ния проводилисьдля начальных значенийпереrрева, равных:
10 ос (кривая 1); 5 ос (кривая 2); 2,5 ос (кривая 3). Скорость
охлаждения, вычисленная для начальноrо момента BpeMe
ни t == О, равна соответственно: 1 мкм/мин; 0,5 мкм/мин;
0,25 мкм/мин. Эмпири
ческиопределенноезначе
ние т для данноrо объек
та составляет 0,08 мин 1 .
Во всех случаях вычис
ления по формуле (6.13)
дают одно и то же зна
чение длины меры Lo ==
== 125 мм при темпера
туре окружающей среды
(19,6 ОС). Из рисунка
видно, что время полноrо
остывания меры COCTaв
ляет около 1 ч, тоrда как
для надежноrо определе
ния значения параметра
т достаточно примерно
2 мин. Применение ал
rоритмической KoppeK
ции в этом случае может
40 т, мин существенно повысить
Рис. 6.36. И з.менеllия температурной производительность из
nоерешностu "онцевой .меры мерений.
М,.м"м.
12,5
.
.
.
1 0,5 ·
.
.
.
.
'. 1
'./
.
.
2 е.
.. I е
5,0 е,
. .
" 1.
.
"'.. . '.
.. .
'. .
3. \.
" ..
-. ,.
. -..
... ,
.. '" ...
'- , .. '\".
.-. ..
....- -..,......
.......... ...,....,#... , ..,:.: ее..
..... ,
о
10
30
20
306
Алrоритмическая коррекция систематических поrреш..
ностей фотоэлектрических преобразователей KpyroBыx
перемещений (ФПКП). Данные устройства широко приме"
няются в изделиях приборостроения и машиностроения для
преобразования вращательноrо движения в цифровой код и
во MHoroM определяют функциональные возможности и об..
ласть использования изделий. Поэтому весьма актуальным
является повышение показателей качества ФПКП, особенно
их точности.
На рис. 6.37, а представлена конструкция ФПКП, в кото..
ром вращение ero вала 1 преобразуется с помощью измери"
тельноrо (подвижноrо) 4 и индикаторноrо (неподвижноrо) 2
растров, подсвеченных источником оптическоrо излучения 5
в переменное напряжение, снимаемое с фотоприемников 3
отсчетной системы
Для компенсации остаточноrо эксцентриситета растра и
поrреmностей деления ero штрихов в Ф ПКП применяются
четыре отсчетные системы, которые установлены диаме"
трально противоположно и включены по схеме, представ"
ленной на рис. 6.37, б.
rрафик поrрешности подобноrо ФПКП, проконтролиро"
BaHHoro с помощью эталонной 32..rранной призмы, показан
на рис. 6.38.
Экспериментальные исследования ряда ФПКП [111.42]
показали, что дЛЯ ФПКП низкой и средней точности ха..
рактерно преобладание систематической составляющей
поrрешности, обусловленной эксцентриситетом растра
(или кодовоrо диска), поrрешностью деления ero штрихов
и т. п., над ero случайной составляющей, обусловленной
нереrулярными биениями подшипников, шумами в элек..
тронном тракте, нестабильностью срабатывания дискри"
минаторов и т. д. В преЦИЗИОНJfЫХ ФПКП систематическая
составляющая поrрешности сравнима по значению с прак"
тическим предельным значением (доверительная вероят"
ность 0,997) случайной составляющей и равна 40 60 0/0
Полной поrрешности. На рис. 6.39 в качестве примера
представлен структурный состав полной поrреmности пар"
Тии из 50 прецизионных ФПКП, изrотовленных на одном
предприятии.
Из этих исследований можно заключить, что коррекция
СИс'rематической составляющей ФПКП позволит существен"
но повысить точность их работы. Для осуществления алrо..
РИтмической коррекции необходимо экспериментально вы..
307
с>
00
а)
ВО,ОО5Ю
в (0,055:t 0,005)
...... ....
...
'А 4 5
1
I.
A A
Увел.ичено
б)
r . t T 1 :
\:.2
j
@J I { ) !
\'- I I
r t
'-
т
Рис. 6.37. Фотоэле"трuчес ий nреобразовапl,елъ "pyzoBbtX nеремеlценuй
} 1
_ .. } 11
}III
ilY, ... ·
2
1
О
1
2
3
4
5
о
«>,...
I
Рис. 6.38. rрафи" nоzреШll0сп и nреобразовап еля
явить систематическую составляющую поrрешности Фпкп.
Это можно сделать с помощью широко применяемоrо на
практике метода сравнения с образцовой мноrоrранной при
змой либо с помощью специальноrо стенда [111.43].
пектральный состав rармонических составляющих из
меренной поrреmности выявляется с помощью rармониче
cKoro анализа, выполняемоrо на ЭВМ, причем число членов
!:J. "
Ynp-r.,. ..
5,0
4,5
4,0
3,5 . .
3,0
2,5
2,0 Н ом.ер
1 10 20 30 40 50 ПКП
ду С' . .. "
3,5
3,0
2,5
2,0 . . . . . .
1,5 Номер
1,0 1 10 20 30 40 50 ПКП
ДУv"" "
3,5
3,0
2,5
2,0 . . . .
1,5 Номер
1,0 1 10 20 30 40 50 ПКП
Рис. 6.39. Стру"турный состав nоzрешностей nреобра.зователеи:
AYпpt СУ'м'марная (полная) nozpeUlHocmb; Аус систематическая co
ставляющая nozpeUlHocmu; Ayv случайная составл.яЮll ая поzрешности;
1 3 средние значения соответствуюu,их nоzреШ1l0стей
309
разложения К определяется числом точек контроля N преоб
разователя: К == (N /2) 1.
Проведенные нами исследования показали, что, несмотря
на применение в прецизионных ФПКП двух или четырех
считывающих систем для компенсации влияния эксцентри
ситетов растров и кодовых дисков, поrрешности их деления,
поrрешностей осевой системы [111.1], наибольший вклад в
систематическую составляющую поrрешности датчиков из
выражения (6.1) вносят первая (период 2п), вторая (период п)
и четвертая (период п/2) rармоники (рис. 6.40). Это обуслов
лено недокомпенсацией (rлавным образом из за некачествен
ной юстировки ФПКП) первой и второй rармоник, а также
тем, что при применении четырех считывающих систем не
компенсируются 4, 8, 12 я и друrие rармоники, кратные че
тырем [111.1]. Следовательно, существенный эq>(рект повы
шения точности ФПКП может дать алrоритмическая KoppeK
ция уже данных трех rармоник, при этом для их выявления
не требуется орrанизация контроля 'ф ПКП в большом числе
рабочих точек.
Для коррекции более высоких rармоник необходимо
увеличение контролируемых положений ФПКП, так как
с увеличением номера rармоники (рис. 6.40) ее амплитуда
уменьшается постепенно, т. е. ряд, описываемый выраже
нием (6.1) имеет плохую сходимость. Необходимое число N
контролируемых положений ФПКП на обороте ero вала бу
дет определяться выражением, аналоrичным (6.3), при дo
пущении равенства методической поrрешности 118 половине
значения дискретности отсчета ФПКП:
N == nn
arccos(1 O,5h/A n ) ,
rде h < 2А п дискретность отсчета.
Анализ первичных поrрешностей Ф ПКП показывает, что
наивысшая существенная rармоника является результатом
поrрешности деления растра (кодовоrо диска), обусловлен
ной кинематической поrрешностью зубцовой частоты чер
вячноrо колеса делительной машины.
Для распространенной делительной машины TK 1000,
которая используется для этих целей, наивысшая суще
ственная rармоника 1 080 я, поэтому число контролируемых
положений может достиrать нескольких тысяч на обороте и
требует применения высокопроизводительных средств KOH
троля.
310
А "
n' ... 1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2 ..
0-,1
О
п
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1415
Рис. 6.40. rармонический сnектралъный СОСnl,ав nоzреш,
ностей
Вычисление поправок для текущих значений уrлов, BЫ
рабатываемых преобразователем, осуществляется по про
rpaмMe, введенной в микроЭВМ и содержащейся в комплек
сесФПКП.
На рис. 6.41 в качестве примера изображены rрафики по
rрешности прецизионноrо Ф ПКП, проконтролированноrо
е помощью образцовой 24 rранной призмы O ro разряда до
(кривая 1 ) и после (кривая 2) алrоритмической коррекции.
А А О - - - -
uYr., иу н,к' ...
2 1
\
1
2
\
1'\
. .
! .\
:-..
t
i
i Номер
' 4 ерани
'\J
о
i
!
I
I
I
I
- - -1 J J
Рис. 6.41. П оzрешностъ nреобразователя до и nо"сле алzо
ритмической коррекции
1
2
311
Как видно из rра(l)иков, точность ФПКП улучшена поч
ти в два раза. Описанный метод коррекции применяется в
ФПКП, имеющих q)иксированное начальное значение уrла.
Алrоритмическая коррекция поrрешностей цифрово-
ro индикатора. Фотоэлектрический цифровой индикатор,
разработанный в ИТМО, спроектирован по принципу Аббе
и основан на униq)ицированных устройствах: позиционно
чувствительном приемнике 3, источнике опорноrо напряже
ния 4, ци(рровом вольтметре АЦП 5 (рис. 6.42).
Позиционно чувствительный приемник (мультискан) [11
1.44] вырабатывает аналоrовый сиrнал (напряжение И) при
перемещении cBeToBoro пятна, создаваемоrо светодиодом 2,
установленным на измерительном стержне 1 индикатора.
Искомое перемещение стержня (центра cBeToBoro пятна)
L
у == и о U ==AN!:J.U, (6.14)
rде LCJ""""' длина светочувствительной площадки приемника;
U о опорное напряжение; А и N цена единицы и число
единиц младшеrо разряда и измеряемоrо напряжения и.
Определим требования к униq)ицированным устрой
ствам индикатора, необходимость компенсации поrреш
ностей юстировкой или цифровой коррекцией исходя
из следующих условий: диапазон измерений индикато
ром 0 15 мм; предельная поrрешность не более 10 мкм;
допустимое отклонение температуры от номинальной
+ 10 ос. Конструктивные параметры: L == 18 мм; и о == 9 В;
А == 2 MKMjMB; и == 1 мВ.
yt
/ . 1
I
. ., ,
i и
I о
I
I
и
В табл. 6.2 приведены
первичные поrрешности
q, а также общие выра
жения (Aq q) частичной
поrрешности единич
Horo влияния первич
ной поrрешности на точ
ность.
Первоначальные 8ql и
окончательные OQ2 значе
ния допусков рассчитаны
в соответствии с изложен
ным в п. 3.6 комбиниро
ванным методом по следу
ющей формуле:
] [
2
\
Рис. 6.42. Индикатор
312
Табл.ица 6.2
Поzрешnости ин,дихатора и их доnустимы..е зnачеnия
Первичная Обозна Aq 6-q C q Kq 8ql Бq2
поrрешность q чение
Нелинейностъ дп 1.дт О 1,00 2,17 8мкм
мультискана мкм (компенсация)
Нестабильность дS 1.дS О 1,00 2,17 0,5 мкм
мультискана мкм
Поrрешность дU о У о 1,22 1,3 1мВ
опорноrо напря" Uo мВ
жения U о
Поrрешность АU L U о 1,22 1,1 1мВ
квантования мВ
АЦП и
Поrрешность AL L L о 1,00 2,6 1мкм
длины мульти" мкм
скана L
Отклонение дt ( ау)дt 5,5 ос 10 ос
температуры от (компенсация)
u
номинальнои
Зазор в на.. дс У 2 1,00 1,00 960 61 мкм
правляющих 2в 2 C мкм (H9/ h 9 )
стержня
Прrрешность д}t у h 2 1,00 1,00 960 6,3 мкм
поверхности 2B2 мкм
направляющих
стержня
Непараллель.. ду у 2 0,72 1,14 0,012 1 ос
ность перемеще 'Y
ния стержня и 2
мультискана
При м е ч а н и е. Принятые обозначения: а. коэ{}>фициент, учитывающий
дрей(l) показаний приемника при отклонении температуры от номинальной;
В == 80 мм база направляющих измерительноrо стержня
Yvd
oq i ==
Aqi(C qi + кqi)ло '
rде Yv(l заданная (допустимая) суммарная поrреmность
индикатора; Aq передаточный коэсрфициент (функция)
влияния первичной поrреmности; C q и Kq коэсl)q)ици"
енты, учитывающие систематическую составляющую и
вид закона рассе яния случ айной первичной поrреmности;
ЛU == п с + О, 5n l + O,25nl + п2 коэффициент, учитывающий
число и вид действующих поrреmностей (п с число систе..
матических поrреmностей; пl и n2 число случайных по..
313
rрешностей с систематической составляющей и без нее), для
нашеrо примера Ао == 4,6.
Анализ полученных допусков oq} показывает, что 2, 5, 7,
8 и 9 я поrрешности оказывают слабое (а некоторые ни
чтожно малое) влияние на точность микрометра. Поrрешно
сти 3 я и 4..я оказывают очень сильное влияние на точность,
поэтому нужно стабилизировать источник опорноrо напря
жения (примерно до сотой процента) и использовать преци
зионный (13 разрядный) цифровой вольтметр.
Как показали исследования [111.45], для мультискана
характерен заметный дрейф показаний при отклонении
температуры от номинальной больше + 5 ос в режиме рабо
ты с постоянным (немодулированным) световым потоком
(рис. 6.43).Поэтому при работе в диапазоне отклонений
+ 10 ос необходимо компенсировать дрейф цифровым MeTO
дом, вводя в результат поправочный коэффициент.
При еще большем отклонении температуры, особенно
при ее уменьшении, усиливается влияние темновых токов,
а следовательно, увеличивается переменная нереrулярная
составляющая дрейфа. В этом случае целесообразен переход
на режим работы с модулированным световым потоком.
Наиболее сильное влияние на точность оказывает неJIИней
ность мультискана [отклонение от зависимости (6.14)], которая
носит сложный характер и содержит реrулярную (периодиче
скую, мультишmкативную, степеШIyIO) составляющую тr и
местную (нереryлярную) составлтощую тn (рис. 6.44, а).
ду, м"м
6'0
4'0
2'0
'о
2'O
4'O
6'O
8'O
I 1 6Ь 8'0 '"" /
..
':45 "..,.. ..,
\ ...... ',-.,. ....,. .....
r ..... ......... ......
;aМ..I Lr "'" ....
,....
.J.
4 6 8 1'0 \J.!2 I Р4
" 2(')
rv- ......
' 1'"8"
, ""
""" t1 1'\ t == 'O
... ..J' I
v
" \ r \
20 v ,
у,ММ
1'O'O
Рис. 6.43. Температурная nоzрешностъ (дрейф) no
"азаний nриемни"а
314
При изrGтовлении по обычной технолоrии нелинейность
мультискана составляет O,2 2,O % измеряемоrо диапазона
[111.44]. Новая технолоrия, по данным изrотовителя, по
зволяет снизить нелинейность примерно до О, 1 o, 2 0/0. Это
означает, что в любом случае необходима компенсация дaH
ной поrрешности.
Реrулярную (мультипликативную) составляющую нели
нейности можно уменьшить соответствующей pery лировкой
опорноrо напряжения I1YkfJ.U либо, что эффективнее, циq)ро"
вой коррекцией по аппроксимирующей q)ункции, например,
трехстепенным мноrочленом вида (рис. 6.44, б)
I1YfJ.т r == ао + alY;+ а2У;+ азу
Остаточная (некомпенсируемая) часть поrрешности BЫ
числяется как разность значений нелинейности и аппрокси
мирующей функции (рис. 6.44, б д).
При необходимости ПОJШой компенсации, ВКJllOчая и MecT
ную составляющую, вводится цифровая коррекция в виде по
иравок из массива измереlffiЫХ данных о нелинейности муль
) J..L,
а M1tMt 20
<ДУ
Ilyk
Дуд
20
О
.
,J
УТ А,/<7
,..:,;' :111 r
r .....
т У.I v 'У
"n
.
... 16,5
у, ММ
в) ,мJ,щ 2
ДУt
ДУkдт
о
"\
...... ! if'./
",'7" t-o.... ....... f I
./ '" ....1-- ....
r "" ....1-- ..... .......
'V rv If
20
О у, ММ 16
д ) J-t' t 20
М"М
Ilу
1\ /'
\, / 'fV V
"" \J
w\, r1 " ,)1
20
1,5
у, ММ 16,5
б) J..L, 20
м"мl
ДУt
20
1,5
у, ММ 16,5
е) J..L"
М"М/
20
.... ,., " '\. W /'
\ .. v 1"'-
20
Ilу
1,5 у, ММ 16,5
у, ,М,М............-.. 1 6
Рис. 6.44. П оzрешности nозиционно чувствипlелъноzо nрие'м'ни"а
315
тискана в диапазоне измерений. Остаточная поrpешность тоrда
будет определяться методической поrрешностью из за дискрет
насти контроля нелинейности, а также точностью привязки
корректировочноrо массива к реальному rра(l)ику. В пределе
функция остаточной поrpешнасти стремится к rpаq)ику неста..
бильности показанИЙ в диапазоне измерений (рис. 6.44, е).
Допустимое значение некомпенсируемой части нелиней..
ности
2 ,2
Y OCT т Y v(l Yl.. ,
rде yi 2 суммарная поrрешность микрометра, кроме не..
линейности, с окончательными значениями допусков OQ2
(см. табл. 6.2).
Суммарная поrрешность индикатора рассчитывается по
формуле
п 2
Yr. == LAqiCqiOQi +
i
11 1 + п 2
L A ik iOq ·
i
Результаты вычислений показывают, что для обеспече
ния требуемой точности индикатора остаточная нелиней..
ность мультискана после алrоритмической коррекции не
должна превышать 8 мкм.
Заметим, что оптимальность допусков на поrрешность
униq)ицированных устройств, способ компенсации нелиней
ности мультискана, а также пере распределение допусков
существенно зависят от соотношения требуемой точности и
затрат на ее обеспечение.
В заключение следует заметить, что алzоритмический
(цифровой) способ коррекции поzрешностей наряду с изме
нением физическоzо принципа функционирования ОП или
ezo узлов является наиболее эффективным и nepcneKтив
ным приемом повlilшеllия качества продукции.
6.6. ЮСТИРОВКА ОПТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ
Одним из специq)ических методов компенсации поrреш..
ностей точных приборов, включающим и технолоrические,
и орrанизационно технические, и конструктивные приемы,
является их юстировка.
Юстировкой называется процесс, выполняемый во время
или после сборки приборов и узлов, для достижения в них
необходимых технических характеристик (показателей ка..
316
чества) путем устранения или компенсации поrрешностей
(l)изическим воздействием на структурные элементы кон..
струкции.
На практике и в отечественной литературе термин «юсти"
pOBKa обычно применяют к оптическим приборам и узлам,
термин «реrулировка к механизмам и электромеханиче"
ским устройствам, термин «настройка к электронным
приборам и устройствам. В немецкоязычной литературе
термин «юстировка применяется ко всем видам приборов,
устройств и прецизионных машин.
Необходимость юстировки обусловливается тем, что ошиб..
ки при проектировании приборов и поrрешности их изrотов"
лени я (отклонения характеристик материалов, поrрешно"
сти размеров, форм, положения деталей, свойств покупных
элементов) обычно не позволяют получить непосредственно
после сборки необходимых показателей качества (в первую
очередь качества изображения и точности). Требуется про"
ведение дополнительных мероприятий по устранению или
компенсации тех или иных поrрешностей путем подвижек
деталей и элементов, их деq)ормаций, дополнительной обра..
ботки, воздействия на свойства или результат (I)Ункциони"
рования для обеспечения заданных характеристик прибора
или узла.\
При эксплуатации при боров иноrда также возникает не..
обходимость их юстировки из..за недопустимоrо ухудшения
их качества в результате необратимоrо действия эксплуата"
ционных поrрешностей и (l)aкTOpOB (износ и старение элемен"
тов, изменение их положений и характеристик из..за влияния
сил, вибраций, ударов, перепада температуры и т. п.).
Естественно, что юстировкой устраняются или компенси"
руются ВJШяния инструментальных (а не методических) по..
rреmностей, причем тех, которые являются для конкретноrо
прибора или устройства систематическими, а не случайными.
В процессе эксплуатации приборов применяются также
операции их вывер"и, настрой"и, калибров"и, представля"
ющие собой мероприятия по ориентации прибора в простран"
стве, обеспечению необходимых режимов работы, введению
поправок в цену деления (отсчет) и т. д., которые следует от"
личать от понятия «юстировка..
Процесс юстировки в общем случае заключается в следу"
ющем:
1) выявление поrреmностей прибора или ero устройств,
превосходящих допустимые значения;
317
2) выработка коррекционноrо юстировочноrо сиrнала на
исполнительное юстировочное YCTPO CTBO, осуществляющее
коррекцию;
3) воздействие юстировочным устройством на опреде
ленные структурные элементы прибора (функциональные
устройства, узлы, детали) или специально вводимые в KOH
струкцию компенсаторы в целях устранения недопустимых
отклонений характеристик устройства от требуемых значе
ний (исполнение коррекции);
4) (риксация юстируемых структурных элементов для Ha
дежноrо закрепления их положения, состояния, свойств, из
мененных в результате юстировки;
5) измерение требуемых технических характеристик при
бора или узла (контроль реЗУЛJ>татов юстировки).
6.6.1. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ЮСТИРОВКИ
Обобщенная структурная схема юстировки представлена
в табл. 6.3.
В общем случае исполнительное устройство воздействует
на структурные элементы так, что устраняются, уменьшают
ся либо сами поrрешности, либо результат действия поrреш
ностей на тот или иной показатель качества прибора. Для
выработки этоrо воздействия 8qk необходим управляющий
коррекционный сиrнал Zk на исполнительное устройство,
который вырабатывается системой сравнения 3.
В систему сравнения поступают номинальные значения
параметров или значения поrреmностей, полученные с по
мощью измерительных или эталонных устройств, а также
их номинальные или допустимые значения, известные из
теории и технических условий (ТУ) на об1>ект юстировки.
Если действительные значения поrреmностей или показате
лей качества больше их допустимых значений, то вырабаты
вается коррекционный сиrнал.
В зависимости от способа получения управляющеrо сиr
нала структурные схемы юстировки MorYT быть построены
по схемам, аналоrичным рассмотренным выше схемам KOM
пенсации поrрешностей: схеме вспомоrательных измерений
и схеме образцовых сиrналов.
Юстировка по схеме вспомоrательных измерений. Процесс
закточается в том, что поrрешности конструктивных параме
тров (первичные поrpешности), частичные поrрешности BЫ
318
Табл.ица 6.3
ЮстиРО8ха изделий
Юсп ировка эп о процесс, выnолняемыйй во время или nосл.е сборки машин, приборов, функциональных успtроиств,
узлов для достижения в них необходимых техничес"их харакп/,еристик (nо"азап/'ел.ей "а'чесп ва) nyп eM ycп paHe
н.ия или компенсации nоzрешносп ей физичес им воздейсп вием на cтpyKп ypHыe элеменп ы KOHcп py ции
Аспекты юстировки КонцеПЦИЯIОСТИРОВКИ Требования и схемы
Данность Поrрешности технических Ycп poйcп вo
(аксиома) систем (устройств) Xt .1 Yi == f(Xt, qt> I Yi == УiO 1: tJ.Yt . ,
rде ДУt поrрешность (показатель качества) устройства
Причины Поrрешности и ошибки ft, qt, > fiO, QiO действительные физические и rеометрические зна..
при проектировании, из" чения функций, конструктивных параметров больше их допусти"
rотовлении (сборке) и экс" мых значений
плуатации
Цель юстировки Достижение необходимых Требование: ДУi дейст::; УiO дон
u
показателеи качества
устройств
Мероприятия Функционально определен"
(по устранению вые структурные элементы Xi .... СЭ 1 ....... СЭ 2 ........ ... Yi
или компенсации конструкции изменяют фи" ....
,. ,
поrрешностей и зически так, чтобы исчезли
ошибок) недопустимые отклонения A '
характеристик устройства ДQki
от требуемых значений rде СЭ структурные элементы (детали, узлы и т. д.)
<.о
Аспек'lы[ IОСТИРОВКИ
Процесс
юстировки
КонцеПЦИЯIОСТИРОВКИ
Выявление недопустимых
поrрешностей, отклонений
характеристик устройства,
выработка коррекционноrо
юстировочноrо сиrнала,
исполнение коррекции,
контролъре улътатов
4
'rребоВ3.пия и схемы
Всnо,М,оzаПl,елъная 3
энерzuя
tJ.q kt
Teopenl,U чес uе
допУСПl,uмые
зн.ачен.uя
tJ.YiO, tJ.q;o,
УiO' ДУziO
Исnол.ниПl,ел.ь ДZk i
ное YCnl,pOUCn1,80
Хю
.
Yi
дqi, Ую, ДУ;
Xi
Yi == f(Xiqi, q i)
2
qi(q't>
и змеРUПl,ел ъное
ил U ЭПl,аJtонное
УСПl,роиСПl,БО
1
При м е ч а н и е. прин.s11'ыIe u60значения: 1 прибор, узел, машина и 'r. п. объек'r IОСТИрОВКИ; 2 измеРИ1'ель
ное или э'!'алонное УС'I'рОЙСТВО; 3 сис'rема сравнения поrрешностей (параметров) с их допустимыlии значени.нми: Х, у
ИН(l>uрма'rипные параме'rры входноro и ВЫХОДIIоrо сиrналов соответственно; q I{Оllструк'!'иппые параметры объеl'
та lос'rИРUВI{И; q' ВЛИЯJощие фак'rоры (сила трения, наrРУЗI,а, темпера1'ура, маrни'rные поля, вибрации и т. п.), KO
торые при JОСТИрОВI'е доллtны принимать иомииальиые значения; f <l>УНI{ЦИЯ, спязыпаlощая Х и У; {о, Хо, уо, qo,
qo' расче1'пые (номинальные) значения перечисленных параме1'рОВ; t1q, t1y и t1qo, t1yo деЙСТВИ1'ельные и допустимые зна
чения поrрешностей; t1z k коррекционный упраПЛЯIОЩИЙ сиrнал на исполпительное lостиропочное ус'rройство; 6.Qk
IОСТИРОВОЧПое воздеЙС1'вие на c'rPYКTypHbIe элементы, ИЗМСНЯlощее их конструктивные параМС1'РЫ, располо]н:ение или свойства;
4 исполнительное (IОСТИРОВОЧНое) устройство
ходных инс:()ормативных параметров измеряются с помощью
вспомоrательных измерительных устройств (рис. 6.45). Их
роль выполняют обычно контрольно измерительные приборы
и устройства: измерительные микроскопы, авТОКОЛJШматоры,
приборы измерения JШнейных веJШЧИН (индикаторы, оптиме
тры, интерферометры и т. п.), с})азометры, осциллоrрафы, ле
кальные линейки, пробные стекла и т. д.
Измеренные значения поступают затем в систему (устрой
ство) сравнения, функцию KOToporo выполняет, например,
при автоматизированной юстировке процессор, а при HeaB
томатизированной оператор.
В системе сравнения заложена зависимость поrреmно"
стей выходных информативных параметров (частичных по
казателей качества) от первичных поrреmностей и факторов
(i1Y!:!aq == fi(X' у, qь i1qд, а также допустимые значения пер"
ВИЧН IХ поrреmностей (i1qiO) и их частичных влияний (i1YiO)
в виде численных значений, таблиц, rрафиков.
На основании сравнения измеренных первичных поrреm..
ностей с их допустимыми значениями (либо действительноrо
и допустимоrо частичноrо влияния поrрешностей) система
сравнения вырабатывает при условиях i1qi > i1qiO, i1Yi > i1YiO
управляющий сиrнал i1Z k на исполнительное устройство.
Ilqkt
д ОnУСnl,и,МЬLе
значения
поерешностей
IlqiO,IlYiO
Вспо,Моеательная
энереия
4
Исполнительное
устройство
Х;
У;
Yi == fi(Xi' q;)
Ilqi,IlYi
2
1
qi
Вспомоеаnl,ельное
и.з,Мерительное
устройство
Рис. 6.45. Юстиров"а по схе'ме всnо,Моеател.ЬНЬLХ измерений:
обозначения с,м. в примечанuи табл. 6.3
321
Исполнительное (юстировочное) устройство (инструмент,
приспособление, привод) при необх<?димости с привлечени..
ем вспомоrательной энерrии воздействует на параметры или
свойства структурных элементов либо компенсаторов в целях
устранения самой поrрешности или ее влияния на качество.
По этой схеме происходит юстиров!<а элементов прибора
при поузловой сборке и отдельных показателей ero качес ва
(реrулировка сl)окусных расстояний объективов, их с})оку"
сировка, устранение наклона или биения изображения в
зеркально"призменных системах, доводка направляющих
поступательноrо и вращательноrо движения и т. д.). Типич..
ными примерами являются: юстировка формы отражающей
поверхности адаптивноrо зеркала по измеренным значени"
ям поrреmностей расположения составляющих элементар"
ных зеркал; юстировка равенства измеренных амплитуд
и номинальноrо сдвиrа q)аз сиrналов фотоприемников, со..
здающих квадратурный сиrнал в датчиках перемещения
(рис. 6.46, 6.47).
Коллинеарность и компланарность элементарных зеркал
(рис. 6.46) обеспечиваются их совместной полировкой после
приклеивания (с последующим нанесением зеркальноrо по..
крытия) и контроля С помощью пробноrо стекла или интер"
ферометра либо параллельность с помощью юстировочных
винтов 4 и контролем по автоколлиматору, а расположение
1, ,
,
I (1 2
( ) ! I I 1 1 I : I
I I r I I I I ! I ! I 3
I
I I I ! I I : I ! : I
I ! , I ! I j I I I I I I :
I I ! I .1 I ! I I i
! I ! l ) I I J I I
I f I I I 4,
1 , " I t ......' 1" '" t..
5 . -
О :: . О ,/ '; О / О ,' -, О ' '; О -
.. ... '" \, / / ,\. ,(
/ / '
/' ..../ ... ........
, ,
/
Рис. 6.46. Адаптивное зер ало:
1 отдельное элементарное зеркало; 2 цилиндр из пьезокерамики; 3
основание; 4 юстировочный винт; 5 электрод
322
в одной плоскости подачей посредством электрода 5 Ha
пряжения смещения на пьезокерамику, изменяющеrо раз
мер (высоту) цилиндра с контролем по пробному стеклу или
интерq)ерометру.
Датчик (преобразователь) линейных перемещений пред
ставлен на рис. 6.47, а.
,g
111I
" . p ' :> .. , -. 1/4 g1 1111
, @.' ..... ", . . C
p "it' , "" ..;,., I
/>t . . < ">: ' -. V .ф П 2 1/2 g; 11I
4/ ' ' "':; ' ,-,:а. iJФп 4 3 ,Цl III
ФП1 ' :J: ,"' / 1 .
Ф П 2 ' .' .>..{J 5
ФП5'
а)
6 I ...
;-
б) И ФП1 t
И V1 ;
И с '
1 . .
и ФП2 l
иv?t
И с ::
.....
I
И ФПЗ i
И VЗ1
Исзf
t
И ФП4
И ·
V4
И с4 !
..
И'i,
g период pacnl,pa
( 'масштаб)
..... ..
t
и ФПl == И С 1 + И v 1 sinrot
1t
И ФП2 == И С? + И V 2 sin (rot )
... 2
И ФПЗ == и сз + Иvзsin(rot п)
3
И ФП4 == И С4 + И v4 siп(rot п)
2
ФПl ФП3
,
' , ;
\f! . --o И ФПl,З == 2U V1 . зsinо)t
" ' '{ UФП2.4 2UV2.48iпО)t
l ФП2 ФП4
\
Счетные и'мnУЛЬСЫ
00
t
Фа.зовый сдвие
Рис. 6.47. Образование эле"nl,ричес"их сиеналов в ФОnl,оэле"тричес"о'м
nреобразователе nере'мещений:
1 источник оnтическоzо излучения; 2 конденсор; 3 измерительный растр;
4 индикаторный растр; 5 фотоприемники; 6 растры начала отсчета
323
Юстировка равенства амплитуд сиrналов с q)отоприем"
ников (рис. 6.47, б), контролируемая с помощью вольтме..
тра или осциллоrраq)а, достиrается реrулировкой сопро"
тивлений в их цепи или pery ли ров кой потоков излучений
(диафраrмированием), падающих на их чувствительные
площадки. Юстировка номинальноrо сдвиrа q)аз сиrналов,
контролируемая сl)азометром, осуществляется смещением
приемников или сдвиrом соответствующих rрупп штрихов
индикаторноrо растра.
Способ юстировки по схеме вспомоrательных измерений
обладает следующими особенностями:
1) юстируется не суммарный показатель качества прибо..
ра, а только ero составляющие, обусловленные отличием не..
которых первичных, частичных или комплексных поrреш"
ностей от их номинальноrо значения;
2) для измерения отклонения каждой поrреmности от ее
номинальноrо значения необходимо иметь соответствующее
вспомоrательное измерительное устройство (ВИ"У);
3) система сравнения должна содержать для компенсиру"
емых поrрешностей их допустимые значения;
4) результат юстировки в существенной степени зависит от
качества ВИУ и оптимальной последовательности операций.
Юстировка по схеме образцовых сиrналов. Способ осно"
ван на том, что на вход прибора (сl)ункциональноrо устрой..
ства) подается образцовый сиrнал Хо, либо входной сиrнал
подается также на образцовый прибор (рис. 6.48).
Образцовый сиrнал позволяет получить теоретическое (но"
минальное) значение YiO инсl)ормативноrо сиrнала путем pac
чета по номинальной срункции прибора, а образцовый прибор
или устройство номинальным преобразованием сиrнала.
Номинальное значение поступает в систему сравнения,
rде вычисляется разность значения YiO и действительноrо ero
значения Yi, поступивmеrо с выхода прибора:
i1Y'Li == Yi YiO.
Система сравнения на основании сравнения i1Y'Li с ero до"
пустимым значением ДУ'LiО вырабатывает при i1Y'Li > ДУ'LiО
управляющий сиrнал i1Z ki на исполнительное устройство.
В качестве образцовоrо сиrнала используются, например,
волновой фронт эталонноrо источника cBeToBoro излучения,
эталоны yrловых и линейных величин (шкалы, призмы,
коллиматоры и т. д.), уrлы и расстояния между предметами,
звездами, длина волн спектральных линий и т. п.
324
4
Вспомоzап ельная
эн.ереия
и спОЛRип ельное
ycп poйcтвo
Ilz ki
ХО
Yi
т еореп ичесн:ое
значение Ую
Ilqkt
Х.
1
У; == fi(Xt, qд
Допуспtuмое
аначен.ие llу'Е.Ю
2
1
Образцовое YiO
(эталонное)
ycп poйcп вo
Рис. 6.48. Юсп иров"а по схеме образцовых сиеналов:
с'м. обозначения в примечании табл. 6.3
Образцовыми преобразователями MorYT быть образцовые
(эталонные) приборы, датчики, объективы и т. д.
По этой схеме обычно производится окончательная юсти
ровка ПРИQора или ero (I)Ункциональных устройств. Типич
ным при мер ом является компенсация комы объектива из за
децентрировки линз, коrда по дифракционному изображе
нию точки (или миры) судят о наличии недопустимой комы
и устраняют ее смещением (или разворотом) определенной
линзы объектива (см. рис. 9.36).
По такой схеме юстируют также цену отсчета автоколли
матора 2: ero показания сравнивают с эталонным автоколли..
матором 1 (рис. 6.49, а) либо задавая эталонные (с помощью
репетитора 1 3) yrлы поворота автоколлимационному зер
.
калу 3 (рис. 6.49, б), либо используя отражатель 1 с двумя
зеркалами, развернутыми на эталонный уrол Уо дрyr относи
тельно друrа (рис. 6.49, в).
Юстировка по схеме образцовых сиrналов обладает следу
ющими особенностями:
1) юстируется показатель качества (суммарная поrреm
ность) прибора или устройства, обусловленный влиянием
всех действующих на Hero поrреmностей;
2) необходим образцовый сиrнал Хо, либо образцовый
прибор (устройство), позволяющие получить номинальное
значение выходноrо сиrнала YiO;
325
а)
1
y
2
б)
1
2
3
4
\
\
5
6
lto
R AI A A
2U о{' 8
и Уо
Lo LoI1(
в)
1 ' ! 2
И О
.
d
у
Рис. 6.49. Юстировка авто"оллиматоров:
а с помощью эталонноzо авто"оллиматора:
1 эталоннй астоколлu.матор; 2 юстируемый автоколлиматор;
б с помощью репетитора:
1 концевая мера длинь(; 2 винторычажный механизм; .3 зеркало; 4 юсти-
руемый автоколлиматор: 5 марка; 6 фотоnрие.lftник;
в этал.онноео уела:
1 эталонный клин,. 2 . . юстируемый автоколлиматор
3) юстировка производится в дискретных точках диапа"
зона работы прибора, соответствующих значениям образ"
цовоrо сиrнала (например, для определенной длины волны
света, KOHKpeTHoro значения уrла, дистанции и т. д.), либо
в моментах сравнения показаний юстируемоrо и эталонноrо
приборов (устройств);
4) результат юстировки в существенной степени зависит
от качества образцовоrо сиrнала или эталонноrо прибора.
326
6.6.2. ЮСТИРОВОЧНЫЕ РАСЧЕТЫ
Юстировка является весьма трудоемким процессом. Она
выполняется высококвалисl)ицИРОВанными рабочими,. требу..
ет использования специальной оснастки, инструмента, преци"
зионных средств КОН'J.1IOля. Поэтому к ней следует прибеrать
только в случае, коrда она действительно необходима для до"
стижения требуемых показателей качества либо коrда доказа"
на ее экономическая эффективность блarодаря расширению
допусков на riоrрешности изrотовления деталей, что обычно
бывает при единичном и меJШосерийном производствах.
Юстировка при бора и ero узлов должна предусматривать"
ел на этапе их проектирования, а не тоrда (как это случает"
ся), коrда при бор изrотовлен и юстировку трудно, а иноrда и
невозможно выполнить. Поэтому на соответствующем этапе
проектирования выполняют расчеты, доказывающие необ..
ходимость юстировки для получения Toro или иноrо ПОlliа"
затеян качества, устанавливают требования к результатам
юстировки (точность юстировки), а также диапазон и чув"
ствительность воздействия на структурные элементы кон..
струкции (диапазон и чувствительность pery лировки), кото..
рые определяют требования к исполнительному устройству.
От правидьноrо определения необходимоrо числа юстиру"
емых параметров, требований к точности юстировки, диапа"
зону и чувствительности реryлировок, рациональной методи"
ки выполнения зависит эсрфективность юстировки прибора.
Число юстируемых параметров, требования к диапазону
и чувствительности их реrулировки, методика выполнения
юстировки зависят от количества, вида и степени влияния
первичных поrреmностей, а также от заданных значений по..
казателей качества на проектируемый прибор. Юстировоч"
ные расчеты поэтому предс,!авляют собой сложную, MHoro..
факторную задачу, решение которой должно основываться
на моделях, учитывающих взаимосвязь этих сракторов.
Рассмотрим один из методов расчета, основанный на рас"
смотренном в п. 3.6.2 проектном расчете допусков на пер"
вичные поrреmности при бора в соответствии с их коэффици"
ентами влияния:
I1Yvd I1Yvd I1Yvd
Oqci == А л. ; OQli == А (С К )л. ; OQ2i == А К л. ' (6.15)
/).qt О ci pi + pi о ci pi О
rде 8qc, 8ql, 8q2 допуски на систематические, случайные,
имеющие систематические составляющие, и случайные, не
327
имеющие систематических составляющих первичные по
rрешности соответственно; Yv(l допустимое значение cyм
марной поrрешности (показателя качества) проектируемоrо
объекта (дано в ТЗ); AAq. == McAv передаточная функция (KO
эфq)ициент) влиянияпервичнойпоrреmности (АсиА v неслу
чайная и случайная части переда точной функции); К р и С р
вероятностные коэq)фициенты, учитывающие вид закона
рассеяния случайной поrреmности и асимметрию поля pac
сеяния (наличие систематической составляющей) COOTBeT
ственно; Ао коэq)фициент, учитывающий количество и вид
действующих поrреmностей.
Передаточные коэфq)ициенты влияния первичных по
rрешностей находят методом дифференцирования функций
преобразования, rеометрическим, векторно матричным или
друrими методами.
Значения коэq)q)ициентов Кр и С р приводятся В справоч
ной литературе. Для предварительноrо расчета допусков и
выявления поrрешностей, требующих юстировки (или дpy
rих видов компенсации), можно воспользоваться прибли
женным значением этих коэq)фициентов, принимая Кр 1,
С р о для случайных частичных поrреmностей, имею
щих симметричное ( + ) рассеяние относительно номинала, и
Kp 1, Cp 1 для поrреmностей, имеющих одностороннее
рассеяние относительн<;> номинала.
Значение коэq)фициента Ао также может быть рассч.итано
по приближенной зависимости
Ао nс + О, 5n l + o,25nl + n2', (6.16)
rде nс число систематических частичных поrреmностей;
nl, n2 число случ,айных частичных поrреmностей, имею
щих и не имеющих соответственно систематические COCTaв
ляющие.
Сравнивая полученные допуски с техническими возмож
настями производства, а для эксплуатационных и теорети
ческих поrреmностей с их действительными значениями,
определяют « экономические уровни точности. полученных
допусков и возможность их выполнения. Определение ypOB
ня точности технолоrических процессов или возможную He
обходимость компенсации поrреmностей юстировкой либо
друrими мероприятиями осуществляют с помощью относи
тельноrо коэq)фициента влияния поrреmности:
Ai OT == 18qРi/8qЗi I , (6.1 7)
328
rде 8qp; расчетное, полученное по формулам (6.15), значе
иие допуска; 8qз( значение допуска, задаваемое исходя из
технолоrическоrо уровня точности (экономичеекоrо, произ
водственноrо или техническоrо) либо дейс.твительноrо 3Ha
чения эксплуатационной или теоретической поrрешности.
При 1 < Ai oT < 3 анализируемая поrреmность не нарушает
требуемой точности (качества) работы устройства, Т. е. прcr
ходит задаваемый или расчетный допуск.
Если /ч от < 1 необходимо ужесточить допуск, переходя на
более высокие уровни точности, либо (если все резервы ис
черпаны) рассмотреть возможность компенсации поrреm
ности юстировкой (или дрyrими методами, в зависимости от
вида поrреmности, экономических q>aкTopoB и T д.).
Значение лi от > 3 означает, что поrрешность оказывает
очень слабое, возможно ничтожное, влияние на точность
устройства и из дальнейшеrо рассмотрения может быть ис
ключена.
Критерием ничтожноrо влияния поrреmности являет
ся условие,. что их исключение не изменит cYMMapaoro по'"
казателя качества (суммарной поrреmн0СТИ) более чем
на 5 10 0/0.
Исключив ничтожно малые поrрешности, уточняют зна
чения коэсрфициента ЛО, допусков 8q и л/)Т (которые обозна
чаются л' о, 8q', л' i OT ).
Выявив поrрешности, требующие компенсации (Т.. е о ., по
rреmности с л'i от < 1), выбирают тот или иной способ (KOM
пенсатор) для устранения влияния одной или нескольких
u
поrреmностеи.
При этом учитывают значение и характер влияния п()
rреmности (случайное, неслучайное, аддитивное, мульти
пликативное, периодическое, степенное. и т. п.)-, условия
производства (серийность, наличие необходимоrо оборудо
вания, квалификацию рабочих и т. п.) И особенности экс
плуатации прибора. Эти факторы позволяют выбрать метод
компенсации и определить требования к ero точности,. диа,
пазону и чувствительности реrулировок.
Естественно, что вначале выбирают способ устранения
или компенсации наиболее сильно влияющей поrреmности,
а также такой, который позволяет компенсировать не одну,
а несколько поrреmностей сразу.
Точность юстировки характеризуется остаточным значе
ни ем компенсируемой поrреmности или ее (их) влиянием,
т.е.недокомпенсацией:
329
I1qHK == I1q I1qK; l1унк == I1YAq Аqдqк, (6.18)
rде I1qK' Аqдqк коррекционные воздействия на первичную
поrреmность или частичное (суммарное) их влияние.
Максимально допустимое значение недокомпенсации
определяется из следующеrо условия:
AqHI\ mах == I1Уvd/(Л- о Аq); l1унк Пlах == ДУv(Z/Л-О, (6.19)
при этом влияние компенсируемой поrрешности уменьшае
'ся до значения, не наруmающеrо требуемое качество.
НеД0компенсация, удовлетворяющая условию
8qHK min < I1Уvd/(А q Л- н ); 8унк min < 8Уv(I/л. н , (6.20)
означает, что влияние данной поrрешности можно считать
полностью компенсированным. Здесь Л-н 3Л-' о коэфq>ициент
ничтожности влияния поrреmностей (значения Л-н более точно
вычисляются по зависимостям, выведенным в работе [111.1]).
Так как при юстировке воздействуют на элементы при
бора, то связь между коррекционным сиrналом на исполни
тельное устройство и изменением юстируемоrо показателя
качества выражается следующей зависимостью:
I1Yki == (8y/8qi)(8qi/ 8Z kj) 8Z kj == АqiАzjДZkj == Aki Zkj, (6.21)
rде A zj и Aki передаточная функция (коэq>q>ициент) вли
яния коррекционноrо управляющеrо сиrнала на параметр
CTpYКTypHoro элемента и на информативный параметр BЫ
ходноrо сиrнала соответственно.
Коррекция должна быть такой, чтобы выполнялись усло
вия (6.19) или (6.20).
Отсюда можно определить требования к чувствительно
сти исполнительноrо устройства Aki (A zj ) при известном ми
нимальном значении управляющеrо сиrнала I1Z kj min' которое
может быть создано, либо требования к I1Zkj п1iп при извест"
ном значенииА ki :
Aki min == I1Уvd/(Л-оI1Zkjmiп);
Zkjmin == I1Уvd/(Л- о А ki );
А' ki miп == Yvd/ (Л-нI1Zkjmiп);
Z'kjmin == I1Уvd/(Л- н А ki ). (6.22)
Диапазон работы исполнительноrо устройства при KOM
пенсации подной поrреmности определяется ее максималъ"
ным значением, поэтому
ДZkjmах == Удqi/Аki'
(6.23)
330
при компенсации нескольких поrрешностей их максималь
ным суммарным значением. Например, при компенсации п
технолоrических поrрешностей (случайных по природе):
: dyiqi
Zkjmax · (6.24)
, Aki
Действие исполнительноrо устройства приводит к TQMY,
что компенсируемое влияние одной поrреmности (сама по
rрешность): ..
1) уменьшено до значения, не наруmающеrо требуемоrо
качества устройства (Ан> А нк > А' о);
2) полностью устранено (А нк > Ан); здесь А нк == ДУVlt/ YHK.
в первом случае значение коэффициента А' о' которое Te
перь обозначим АБК, остается неизменным, т. е. А"о == АБК,
а во втором случае уменьшается.
Условие А нк < А' о обычно указывает на неправИЛЬН0СТЬ BЫ
бора способа компенс'ации или недостаточную чувствитель
ность исполнительноrо устройства.
Если компенсируется влияние сразу нескольких п пcr
rрешностей, то возможны следующие случаи:
1) при условии, что суммарное значение недокомпенса
ции имеет оэ(рфициент влияния AHKr > Ан все эти поrреш
ности исключаются из расчета AI);
2) при условии Ан > AHKr > А' о эти поrрешности заменяются
одной, не нарушающей требуемоrо качества, а из расчета AI)
исключается п 1 поrрешность;
3) при условии AHKr < А' о из формулы для расчета AI) также
исключается п 1 поrреmность, но остаточное значение He
докомпенсации влияет так сильно, что требуемоrо качества
не получить (т. е. возможно потребуется компенсировать ее
влияние юстировкой друrих параметров).
После Toro как исполн:ительным устройством В0здейство
вали на какой то структурный элемент (первый компен
са тор), выявляют, остались или нет дрyrие поrрешности,
у которых A T lк < 1 (A T lк рассчитывают по (рормуле (6.1 7) с
учетом изменившеrося значения 8qp из за действия первоrо
коменсатора). Если такие имеются, то необходима юстиров
ка параметров друrоrо CTPYKTypHoro элемента (второпо KOM
пенсатора).
Окончательное число юстировок (компенсаторов) К для
обеспечения конкретноrо показателя качества определяется
из условия, что не осталось поrреmностей, у которых Af kK < 1.
331
Так как изложенная методика учитывает число юстиро
вок, обеспечивающих только какой то один показатель Ka
чества (например, точность q>ункци.онирования, рас(l>окУСИ
ровку, разворот изображения, кому и т. д.), то общее число
юстировок (компенсаторов), обеспечивающих соответствие
прибора требованиям ТЗ, находится суммированием их чис
ла по всем показателям качества.
Весьма часто не требуется проводить тщательных pac
че"1'ОВ для доказательства необходимой юстировки Toro или
иноrо частноrо показателя качества, так как априори из
в.естно, что ero невозможно достичь. В этом случае определя
ют требования к чувствительности и диапазону юстировки,
разрабатыIаютT оптимальную методику ее выполнения.
Методы юстировки типовых приборов И функциональных
устройств обычно изучаются в специальных курсах учебных
ди'сциплин и изложены в ряде учебных пособий и публика--
ций [111.46, 111.47]. Следует однако заметить, что методи
ки юстировки современных приборов и функциональных
устройств обычно держатся фирмами производителями этой
техники в секрете.
Так как возможность юстировки изделий закладывается
на этапе их конструирования, то юстировка некоторых типо
Bыx функциональных устройств ОП будет рассмотрена нами
далее при изучении их конструкций (см. rлаву 9).
Список литературы
111.1. Латыев с. М. Компенсация поrрешностей в оптических прибо
рах. л.: Машиностроение t 1985. 248 с.
111.2. Брусков А. М., Брусков В. М. Конструирование зеркально при"
зменных оптико механических узлов. М.: Машиностроение t 1987.
139 с.
111.3. Бурбаев А. М. Результативная обработка баз узлов и ее место в
сборке оптических приборов / / Тр. ЛИТМО. Вып. 90. Конструирование
и пр во оптич. приборов. л.: ЛИТМО, 1977. 88 с.
111.4. Букреев и. H.t fудков В. М., ЮДИН и. и. Оптоэлектронный циф
ровоймикрометр / / Электрон. пром сть. Вып. 4 5, 1985. с. 142 143.
111.5. Латыев с. М., EropoB r. В., Нонниr Р. К вопросу обеспечения по
казателей качества точных приборов при конструировании / / Изв. вузов.
Приборостроение. 2000. М 1 2.
111.6. ПОЛОВИНКИН А. и. Основы инженерноrо творчества. .,..... М.: Ma
шиностроение, 1988. 362 с.
111.7. Уайлд д. Оптимальное проектирование. Пер. с анrл. / Под
ред.В.Т. Арrаче'Ва. М.:МИРt1981. 272с.
IП.8. ХИЛЛ п. Наука и искусство проектирования. М.: Мир, 1973.
262 с.
332
111.9. Дитрих я. Проектирование и конструирование. Системный под
ход. М.: МИРt 1981. 454 с.
111.10. Джоне Дж. К. методыI проектирования. М.: МИРt 1986. 327 с.
111.11. Хубка В. Теория технических систем. М.: Мир, 1987. 208 с.
111.12. Конструирование приборов / Под ред. В. К Р а узе. ч. 1; ч. 2.
М.: Машиностроение t 1987. 384 с.; 376с.
111.13. Hansen F. Konstnlctionswissenschaft. Grl1ndlage t1nd Methoden
/ / УЕВ vт. Berlin t 1974.
111.14. Кулаrин В. В. Основы конструирования оптических приборов.
л.: Машиностроение, 1982. 312 с.
111.15. Сумин В. В. и др. Методы селективной сборки / / Оптико-мех.
пром-сть. 1985. N!! 4.
111.16. Zocher К.-Р., Kosub S., Gбrsсh D. Toleranzgrt1ppenoptimierl1ng
fiir die Adaptive t1nd Selektive Montage / / 441WK TU Ilmenat1. Band 3.
1999.
111.17. Сухопаров с. А. Пространственно инвариантные схемы оптиче-
ских приборов / / Изв. вузов. Приборостроение. 1982. М 11.
111.18. Петров Б. Н., Викторов В. А., Лункин Б. В., Совлуков А. с. Прин-
цип инвариантности в измерительной технике / М.: Наука, 1976. 244 с.
111.19. Соломатин В. А., Шилин В. А. Фазовые оптико-электронные
преобразователи. М.: Машиностроение, 1986. 144 с.
111.20. Алиев Р. А. Принцип инвариантности и ero применение для
проектирования промышленных систем управления. М.: Энерrоатом
издат, 1985. 128 с.
111.21. Туз ю. М. Структурные методы повышения точности измери-
тельных устройств. Киев: Вищ. шк., 1976. 256 с.
111.22. Сухопаров С. А., fОРЛУJIIRина Н. Н. Автоматический теле-
визионный измерительный модуль / / Оптич. журн. 1994. М 9.
С. 85 88.
111.23. Кочетов Р. Т. Нивелиры с самоустанавливающейся линией ви-
зирования. М.: Недра, 1969. 128 с.
111.24. Устинов Н. Д. и др. Астрономический телескоп АСТ-1200 с co
ставным rлавным зеркалом / / Оптико-мех. пром-сть. 1985. М 11.
111.25. Takuso Sato and oth. Appl. Opt. 1982. 21. N 10.
Р. 1778 1784.
111.26. Алиев Т. М., Сейделъ А. Р. Автоматическая коррекция поrреш-
ностей цифровых измерительных устройств. М.: Энерrия, 1975. 216 с.
111.27. 3емелъман М. А. Автоматическая коррекция поrрешностей из
мерительных устройств. М., Изд-во стандартов, 1972. 199 с.
111.28. 3ейделъ А. Н. Элементарные оценки ошибок измерений. л.:
Наука, 1968. 97 с.
111.29. Хемминr Р. 3. Численные методы / Пер. с анrл. М.: Наука,
1972. 400 с. .
111.30.3авъялов ю. С., Квасов Б. П., Мирошниченко В. л. Методы
сплайн-функций. М.: Наука, 1980. 352 с.
111.31. Серебренвиков М. f., Первозванный А. А. Выявление скрытых
периодичностей. М.: Наука, 1965. 244 с.
111.32. Карташева А. Н. Достоверность измерений и критерии качества
испытаний приборов. М.: rоскомиздат, 1967. 160 с.
111.33. Форсайт Дж., Малъколъм М., Моулер К. Машинные методы ма-
тематических вычислений / Пер. с анrл. М.: Мир, 1980. 277 с.
111.34. Адаптивная оптика / Пер. с анrл. / Под ред. Э. А. В и т р и-
ч е н к о. М.: Мир, 1980. 456 с.
111.35. Buffington А. and oth. / / 1. Opt. Sok. Ат. 1977. 67.
Р. 304 305.
111.36. Авиационные системы информации оптическоrо диапазона /
Под ред. л. 3. К р и к у н о ва. М.: Машиностроение t 1985. 264 с.
333
111.37. Мироmников М. М. Теоретические основы оптико"электронных
приборов. л. t Машиностроение, 1983. 696 с.
111.38. Ярославский л. п. Введение в цифровую обработку изображе"
ний. М.: Сов. радио, 1979. 312 с.
111.39. Методы компьютерной обработки изображений / Под ред.
В. А. С ой фе р а. М.: ФизмаТЛИТ t 2003. 781 с.
111.40. Дич л. 3. Алrоритмическая коррекция поrрешностей в оптиче..
ских приборах для линейных измерений: Автореф. л.: ЛИТМО, 1989.
20 с.
111.41. Дульнев r. Н. Тепло.. и массообмен в радиоэлектронной аппара"
туре. М.: Высш. шк., 1984.
111.42. Митрофанов с. с., ПетровВ. П., НевероваИ. В. Исследование точ"
ности преобразователей KpyroBыx перемещений / / Оптико"мех. пром"сть.
1986. М 10.
111.43. Митрофанов с. с. Автоматизация методов и средств измери..
тельноrо контроля преобразователей круrовых перемещений: Автореф.
л.: ЛИТМО, 1985. 15 с.
111.44. Латыев с. М., ДИЧ Л. 3., Кириков с. о. hрименение сротопри"
емника «мультискан» В приборах для измерения rеометрических параме"
тров / / Оптич. жури. 1995. N!! 8.
111.45. Kirikov В., Nonnig R. Untersl1chl1ngen аm Eotosensor M111tiskan
/ / Postervortrag, TU Ilmenal1, IWK, 1996.
111.46. Поrарев r. В. Юстировка оптических приборов. л.: Машино"
строение. 1982. 237 с.
111.47. Поrарев r. В., Киселев Н. r. Оптические юстировочные задачи.
л.: Машиностроение, 1989. 260 с.
Часть IV
КОНСТРУИРОВАНИЕ
типовыIx ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
И сБорочныIx ЕДИНИЦ
ОПТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ
Введеnие
Структура точноrо прибора состоит из функциональных
устройств (блоков, модулей), основанных на оптических,
механических, электронных физических принципах работы
и их сочетании. Функциональные устройства, в свою оче
редь, содержат конструктивные узлы, соединения деталей
(элементарные сборочные единицы) и детали.
При разработке конструкций таких приборов необходимо
знать не только принципы, правила и методы их конструи
рования, но и существующие типовые конструктивные pe
шения (конструкции) деталей, сборок и q>ункциональных
устройств.
Наиболее специфическими элементами точных приборов
являются оптические, поэтому в данной части учебноrо посо
бия будут преимущественно рассмотрены практические вопро
сы конструирования 'некоторых оптических деталей, способы
их крепления в оправах, конструкции и схемы ряда типовых
функциональных устройств и методы их юстировки.
rлава 7
ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ
ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
Оптические детали (т. е. детали, непосредственно взаимо
действующие с оптическим излучением) изrотавливают из
оптических и llеоптических материалов.
Показатели и методы контроля качества, технолоrия про
изводства оптических материалов, из которых изrотавлива
ется подавляющее большинство оптических деталей, под
робно излarаются в курсе учебной дисциплины «Оптические
материалы и технолоrии .
335
Некоторые аспекты выбора оптических материалов и рас"
чета требований к показателям качества, способы и средства
измерения их характеристик излаrаются также в учебных
дисциплинах «Основы оптики , «Прикладная оптика ,
«Оптические измерения и ряде дрyrих.
Виды и характеристики неоптических материалов, ис..
пользуемых для изrотовления некоторых оптических дета"
лей, изучаются в дисциплине «Конструкционные материа"
лы (материаловедение) .
В данном разделе учебноrо пособия приведены лишь
краткие сведения о характеристиках оптических и друrих
материалов оптических деталей, нормируемые требования
к оптическому стеклу и рекомендации цо выбору ero пока..
зателей качества. Более подробные сведения о материалах
оптических деталей изложены в справочниках [IV .1..... IV. 3],
специальной литературе и соответствующих стандартах.
7.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
к оптическим материалам относят материалы, прозрач"
ные для оптическоro диапазона электромarнитных волн (све"
та), которые используются для изroтовле:ния оптических эле..
ментов (деталей), работающих в ультраq>иолетовой, видимой и
инфракрасной областях спектра. Оптические материалы явля..
ются оптическими средами, к которым относят также оптиче..
ские пленки, воздух, жидкости, rазы, оптические клеи, БОСК,
лак и прочие вещества, пропускающие оптическое излучеlШе.
Оптические материалы (rOCT 23136.....93) подразделяются
на оптические стекла, оптические ситаллы, оптические
кристаллы, оптическую керамику, оптические полимеры.
Оптические стекла, блаrодаря ряду положительных
оптических, технолоrических и эксплуатационных свойств
и характеристик являются наиболее типичными и распро"
страненными материалами, используемыми для ИЗJ10товле..
ния оптических деталей.
Оптические стекла подразделяются на бесцветные
(rOCT 3514.....76, rOCT 3514.....94), цветные (rOCT 9411.....81,
rOCT9411.....91), кварцевые (rOCT 15130.....79, rOCT 15130.....86),
орrанические (оптические полимеры) (rOCT 15809.....70),
с особыми свойствами.
В свою очередь, стекла с особыми свойствами делят
на светорассеивающие (молочные МС), ди(рq>узно рассе"
336
ивающие · проходящий и отраженный свет; фотохромные
ФХС, которые обратимо изменяют свою прозрачность в за..
висимости от интенсивности падающеrо cBeToBoro потока;
paдиaциOHHo cтoй""иe, сохраняющие оптические свойства
под действием радиационноrо излучения; оnтичес""ие лю
мuнесцирующие rлс, имеющие узкие полосы люминисцен"
ции (используемые для изrотовления активных элементов
лазеров); инфракрасные бескислородные ИКС, прозрачные в
ИК..области спектра (1 17 мкм).
Стекла с особыми свойствами поставляются в соответ"
ствии с отраслевыми стандартами.
Заметим, что некоторые оптические детали MorYT быть
изrотовлены также и из дрyrих материалов (неоптических).
Например: зеркала иноrда изrотавливают из медных и алю..
миниевых сплавов, коррозионно"стойкой стали, титана,
бериллия, карбида кремния, композитов; подложки диф"
ракционных решеток из фторопласта, полиэтилена, алю..
миниевых сплавов; растры, экраны, модуляторы, шкалы,
поляроиды, рассеиватели из металлов, пленок, тканей, а
также с использованием жидкостных и rазовых оптических
сред, люминосl)ора, воска и т. п.
М атериалы, используемые для изzотовления оnтиче
ских деталей, должны обладать рядом свойств, nозволяю
щих получить высокую точность и чистоту рабочих (no
лированных) поверхностей, сохранять свои свойства U
характеристики в теченuе длительноzо времени при воз
МОЖНОМ воздействии внешних факторов (механических,
климатических, лучевых, хuмичес""их, бактериолоzиче
ских и т. n. ).
При необходимости оптические материалы должны об..
ладать способностью изменять параметры оптической среды
или световой волны при взаимодействии со световым пота..
ком или дрyrим видом ;злектромarнитноrо поля (например,
rенерировать KorepeHTHoe излучение, изменять светопропу"
скание, вращать плоскость поляризации и т. д.).
Выбор материала оптической детали осуществляют исхо..
дя из ее функциональноrо назначения и требуемых показа..
телей качества с учетом условий эксплуатации, рациональ"
ной технолоrии изrотовления и т. Д., а также руководствуясь
характеристиками и показателями качества материалов, их
номенклатурой, сортаментом, условиями и формами постав"
ки в соответствии с нормативными документами (rостами,
ОСТами, каталоrами).
337
Свойства и показатели качества материалов, использу
емых для изrотовления оптических. деталей, подразделя
ются на механические, термические (термооптические),
химические, специальные, технолоrические и оптические
rOCT 13659 78 (табл. 7.1).
Механические свойства. К механическим характеристи
кам материалов относятся плотность, упруrость, прочность,
твердость, удельная жесткость, q>отоупрyrость.
Плотностъ (р, Kr/M 3 ) отношение массы материала к
ero объему определяет массу заrотовки и оптической детали,
ее возможный проrиб под собственным весом, давление на
опорные поверхности и т. п.
Как правило, конструктор в подавляющем больmин
стве случаев стремится применять леrкие материалы: алю
миний и сплавы на ero основе (р 2,75-103 Kr/,M 3 ), титан
(р 4,5.103 Kr/M 3 ), бериллий (р 1,85.103 Kr/M ), кремний
(р 2,3.103 Kr/M 3 ), ситалл (р 2,5.103 Kr/M 3 ), оптическую
керамику (р 2,5.103 Kr/M 3 ), кварц (р 2,2 .103 Kr/M 3 ).
yпpyzocтb материала позволяет определять деформацию
деталей при обработке, креплении, от воздействия внешних
q>aкTopoB и характеризуется стандартными параметрами:
модулем yпpyzocmи Е (Па); модулем caeиza G (Па); коэффи
циентом Пуассона Il.
Наилучшими считаются материалы, обладающие макси
мальными упруrими характеристиками.
Прочностъ способность выдерживать наrрузки без раз
рушеIШЯ, характеризуется значеIШЯМИ предельных напряже
пий (j (Па) на сжатие, растяжеIШе, изrиб. Заметим, что опти
ческое стекло (наиболее часто используемое для изrотовлепия
оптических деталей), обладая сравIШтельно высокой прочнос
тью на сжатие cr == (5 + 10) 107 Па, имеет значения предельноrо
напряжения на растяжеIШе в 15 20 раз хуже, чем на сжатие.
Стекло является хрупким материалом, практически не
обладающим пластическими свойствами и плохо сопротив
ляется действию ударных и изrибающих сил. Ударная (ди
намuческая) прочность стекла и дрyrих оптических матери
алов значительно ниже статической прочности. Царапины,
выколки и трещины приводят к появлению значительных
напряжений в материале даже при относительно небольших
иаrрузках и MorYT вызвать разрушение или скол детали при
ее обработке, закреплении и эксплуатации.
При механической обработке оптических материалов в
поверхностном слое возникает трещиноватый слой (микро
338
Таблица 7.1
Свойства и nохазатели ха'Ч,ества материалов, исnользуемы.x для из..
zотовлен,ия оnти'Ч,есхих деталей
Свойства
Механические
Термические
(термооптические)
Химические
Специальные
Технолоrические
Оптические
Показатель
Плотность р
УпруrостьЕ, , G
Прочность cr
Твердость Нот, НУ
Удельная жесткость Е / р
Фотоупруrость
Друrие
Температурный коэфсрициент линейноrо расшире..
нияа
Удельная теплоемкость С
Теплопроводность А
Температуропроводностьq
Термостойкость
Температурная стабильность а/А
Термооптические постоянные Vл.t, УVл.t, Rл.t
Вязкость 11
Температура спекания t сп
Друrие
Налетоопасность А(с), В(у), В(д), r(дд)
Пятнаемость (1, 11, 111, IV, У, Уl)
Коррозионная стойкость
Друrие
Лучевая(оптическая)прочность
Радиационная устойчивость
Люминесценция
Токсичность
Диэлектрическая проницаемость
Коэрцитивное поле
Друrие
Прессуемость
Моллируемость
Трудоемкость обработки
Друrие
Показатель преломления nе
Средняя дисперсия Пр' --- nС', коэффициент средней
дисперсии У е
l' Отклонение показателя преломления дп е V
атк лоненйе е:днеи 'дисперсийД'{nF nс,) '1'
-1 Оптическая о доор одность 7 т
I1 0каз те ЛЪQ.с ла б л еiIИii "А V
ВO!!Hoe л JiРеDоМ-,ir ени ( "
r ссвильность f'
, IIV ЗЫ DН9СТА '...
Спектральные характеристики
Поляризационные характеристики
Друrие
339
трещины rрифсрита), который иrрает роль концентраторов
напряжения. Поэтому обработка оптдческих деталей спосо
бом rлубокоrо шлиq>ования и полирования существенно по
вышает прочностные свойства оптических материалов.
Твердость способность материала сопротивляться BHe
дрению в Hero друrоrо, более твердоrо тела. Подразделяют на
микротвердость и твердость по сошлифовыванию. Заметим,
что высокая твердость сказывается отрицательно при mли
фовке оптических деталей (увеличивает трудоемкость про
цесса) и положительно при их полировке, так как позволяет
получить более точные поверхности.
Микротвердость характеризуют отношением нarрузки к
площади отпечатка при вдавливании: алмазн/ой пирамиды
(по Виккерсу HV); алмазноrо ромбовидноrо наконечника (по
Кнопу ИК) для контроля оптических материалов; алмаз
Horo конуса или стальноrо шарика (по Роквеллу HRC и по
Бринеллю ИВ) для контроля металлов, а также шириной
царапины, образующейся на поверхности материала (CTeK
ла) при царапании иrлой (с радиусом закруrления 2 мкм)
или трехrранной пирамидой Бирбаума.
Твердостью по сошлифовыванuю характеризуют сопротив
леIШе ряда оптических материалов разрymеIШЮ свободным об
разивом (т. е. скорость износа материала при шлифовке). Она
определяется относительным значеIШем ИВ твердости различ
ных оптических материалов по сравнению с твердостью CTeK
ла К8 (твердость KOToporo принимается за единицу) и равна OT
ношению сошлифоваШIоrо объема стекла марки К8 к объему
дашrоrо материала, сошлифованноrо в тех же условиях.
Например, наибольшей твердостью по сошлифовыванию
обладают ситаллы, кварцевое стекло ИВ == 1,5 + 1,9, а наи
меньшей q>ос(l>атные кроны, тяжелые флинтыI, ин(l>ракрас
ные бескислородньiе стекла, ряд кристаллов (ИВ == 0,1 + 0,5).
Для более полноrо ознакомления с различными аспек
тами прочности оптических материалов рекомендуем обра...
титься к работе [IV.4].
Удельная жесткость способность материала сопротив'"
ляться деформации, определяется отношением ero модуля
упрyrости к плотности Ejp (м) и позволяет оценить стабиль
ность q>ормы поверхностей оптических деталей при изrотов
лени и и эксплуатации.
Наилучшей удельной жесткостью обладают такие MaTe
риалы, как бериллий (Ejp == 15,1.106 м), карбид кремния
(Ejp == 13.106 м), ситалл (Ejp== 3,7.106 м), плавленый кварц
340
(Ejp == 3,2.106 м), что обуславливает их использование для
изrотовления космических зеркал ([IV.5] и п. 7.4).
Фотоуnруzость свойство оптическоrо материала, за
ключающееся в изменении ero показателя преломления при
приложении к нему нarрузок сжатия или растяжения. При
этом материал переходит из изотропноrо в анизотропное co
стояние и возникает двойное лучепреломление лучей света,
которое исчезает при снятии приложенноrо напряжения.
Фотоупруrость материала (стекла) характеризуется q)OTO
упруrими постоянными С 1 и С 2 , выражающими приращение
показателей преломления в направлениях вдоль и перпен
дикулярно к действию напряжения, paвHoro 105 Па, а также
оптическим коэфq)ициентом напряжения В == С 1 С 2 .
Термические и термооптические свойства. Рассмотрим
основные термические и термооптические характеристики
материалов оптических деталей ( см. табл. 7.1).
Температурный "оэффициент линейноzо расширения
материала а., 1jOC) характеризует изменение линейных
размеров и объема детали при отклонении температуры от
номинальноrо значения (20 ОС). Он учитывается при разра
ботке конструкций крепления оптических деталей [IV.б],
определении возможности соединять оптические детали
приклеиванием или оптическим контактом, осуществлять
остекловывание» металлических деталей [IV.5], при pac
чете температурных расфокусировок, термоаберраций, Tep
мопоrреmностей [IV. 7], влияет на длительность отстаивания
деталей при их обработке и ряд друrих свойств и характери
стик проектируемых изделий.
Значения а. для используемых материалов существенно
различаются. Наименьшим а. обладают, например, плавле
ный кварц (а. 0,55 .10 6 1jOC), ситалл (а. 0,15 .10 6 1jOC),
карбид кремния (а. 2,5 .10 6 1jOC), инвар (а. 0,5
1,5 .10 61jOC), наибольшим' алюминий (a. 24 .10 61jOC),
медь (а. 16,5 .10 6 1jOC).
Удельная теплоем"ость С [джj(кr'ОС)] количество Te
плоты, требуемое для нarревания единицы массы материала
на 1 ОС.
Теnлопроводпость л [BTj(M' ОС)] характеризует способ
ность материала передавать тепло от нarретых участков к
менее нarретым.
Темnературоnроводность q == лjСр (м 2 jc) определяет CKO
рость изменения температуры материала при HeCTaндapT
ных тепловых режимах.
341
Температурная стабильность материала а/А (м/Вт) ха--
рактеризует термодеq)ормадию детfl.ЛИ при медленно меня--
ющихся тепловых потоках (квазистационарный тепловой
режим).
Термические характеристики С, л., а, q, а/л) являются
важными при выборе материалов оптических деталей, ра--
ботающих при перепаде температур (например, зеркал теле--
скопов), а также определении режимов отжиrа и обработки
зarотовок [IV.5, IV.8, IV.9].
Термостой"ость способность оптических материалов
выдерживать без разрушения резкие перепады температу--
ры. Показателем термостойкости является наибольшая раз--
ность температуры, которую образец материала выдержива
ет без разрушения.
Одним из способов определения термостойкости оптиче
ских материалов является сброс нarретых в специальной
печи образцов в воду комнатной температуры [IV.4]. Термо..
стойкость оптических материалов является важной xapaк
теристикой для охлаждаемых активных элементов лазеров,
при определении условий проrрева деталей, при нанесении
покрытий, для обеспечения стойкости оптических элемен
тов в случае «тепловых yдapOB .
Теплостойкими являются, например, такие оптические
материалы, как кварц, лейкосап(рир, специальные термо"
стойкие стекла (например, ЛК5), ситаллы, оптическая кера"
мика. Наименее термостойки, например, мноrосвинцовые
селикатные стекла и фтор(росфатные стекла (типа ОКl).
Термоопти-ч,ес"ие постоянные Vл.t, Wл.t, Rл.t учитывают
изменение показателя преломления оптическоrо матери
ала, вклад термических изменений rеометрических раз
меров и (ротоупруrих напряжений при отклонении тем"
пературы на характеристики и аберрации оптических
элементов:
Vл.t == Рл.t 1 ; Wл.t == Рл.t + аАпл. 1);
nл.
С 1 + С 2
Rл.t == аt(nл. 1)J.! at E 2 '
rде Рл.t температурное приращение показателя преломле"
ния для длины волны света л; n')... показатель преломления;
at коэффициент линейноrо расширения материала; J.!
коэq)фициент поперечной деформации; Е модуль упрyrо"
сти; С 1 И С 2 фотоупрyrие постоянныI..
342
ТеРМООriтическая постоянная Vл.t используется обычно
для расчета расфокусировки оптической системы [IV.1 О]
при стационарном изменении температуры.
Сумма термооптических постоянных W л.t + Rл.t является
критерием атермальности оптических материалов (стекол) и
характеризует термо олновые аберрации также и в услови
ях HepaBHoMepHoro распределения температуры.
Вязкость материала 11 (Па.с) характеризует свойство Ma
териала сопротивляться перемещению одной из ero частей
относительно" дрyrой, коrда он находится в жидком (rазо
образном) состоянии, а также необратимо поrлощать энер
rию при пластическом деформировании твердых тел. Вяз
кость материала изменяется в зависимости от температуры.
Наиболее важна эта характеристика для варки и rорячеrо
формообразования зarотовок из стекла, поэтому в каталоrе
оптических стекол приведены температ ы, при которых
вязкость стекла равна 107, 109, 1012 И 10 3,5 Па.с, COOTBeT
ственно для моллирования, спекания и отжиrа.
Температура сnе"ания t сп (ОС) температура, при KOTO
рой происходит термическое спекание двух образцов опти
ческоrо материала (стекол) размерами 20 х 20 х 10 мм, уло
женных друr на друrа полированными поверхностями и
нarреваемых со скоростью 2 ОС/мин. Температура спекания,
например, стекла К8 720 ос, стекла ТФ7 459 ос.
Эта характеристика оптическоrо материала используется:
,
при определении температурно временноrо режима изrотов
ления стекло металлических зеркал; спекании ( «остекловы
вании ) металлических оснований зеркал со стеклянными
пластинами; изrотовлении волоконно оптических элемен
тов; изrотовлении кювет и Т. д.
Химические свойства. УстоЙЧивость материалов к хими
ческому и электрохимическому воздействию окружающей
среды определяется их химИческими свойствами.
Оптические материалы характеризуются налетоопастнос
тью и пятнаемостью.
Налетоопастность характеризует устоЙЧивость оптичес
Koro материала к воздействию влажной атмосферы. У стой
чивость определяется при выдержке заrотовок в течении
1 20 ч при температуре 50 ос для силикатных и 60 ос для He
силикатных стекол и относительной влажности 85 О/О .
По устоЙЧивости к действию влажной атмосферы, напри
мер, силикатные (и несиликатные) стекла подразделяются
на четыре rруппы: А (с) устоЙЧивые стекла, на полирован
343
ной поверхности которых не образуется кanельно rиrроско
пическоrо налета после 20 часово выдержки; Б (у) CTeK
ла, на которых налет образуется за 5 20 ч (промежуточные
стекла); В (д), r (дд) налетоопасные стекла, на которых на
лет появляется при выдержке от 2 до 5 ч и выдержке менее
2 ч соответственно. Детали, изrотовленные из стекол rруппыI
В(д) и r(дд) следует сразу же после их обработки покрыватъ
защитными пленками.
Пятнае.мостъ характеризует устоЙЧИвость оптическоrо Ma
териала к слабокислым водным растворам и дистиллирован
ной воде. УстоЙЧИвость определяется временем, за которое CBe
жепоJШРОВанн:ая поверхность зarотовки, помещеlШая в 0,1 Н
раствора уксусной кислоты ИJШ дистиллированной воды, при
температуре 50 ос приобретет в отраженном свете q)иолетовую
окраску (снижеlШе коэффициента отражеIШЯ на 0,4 0/0).
По устоЙЧивости к пятнаемости, например, силикатное и
несиликатное стекла делятся на шесть rрупп:
1) непятнающиеся время выдержки в кислотной cpe
де, необходимое для снижения коэq)фициента отражения на
0,4 % , более 5 ч;
2) промежуточные время выдержки 1 5 ч;
3) слабопятнающиеся время выдержки 0,25 ч;
4) пятнающиеся время выдержки менее 0,25 ч;
5) нестоЙКие время выдержки в дистиллированной
воде O,25 1 ч;
6) нестойкие время выдержки в воде менее 0,25 ч.
В оптических приборах рекомендуется применять стекла
первых трех rрупп устоЙЧивости к кислоте, детали из стекол
4 б и rрупп требуют защиты.
Неоптические материалы характеризуются "оррозионной
стой"остью.
Химическая и Злектрохимическая коррозия приводятк раз"
рymеIШЮ материалов и ухудшению их свойств. В зависимости
от климатических зон и районов работы прибора (например,
трОImЧеский, морской, жаркий влажныI,, холодный и т. д.),
места установки прибора (на открытом воздухе, под крышей"
в закрытом помещении), вида и степени КОРРОЗИОШIой нarруз
ки (концентрация и вид примесей химических peareHToB в aT
мосфере, плесень, иней, СОJШечные лучи, роса и Т. д.) условия
эксплуатации подразделяют на четыре rруппы: Л леrкие,
С средние, Ж жесткие, аж очень жесткие.
С учетом этих условий эксплуатации и друrих факторов
(работа в вакууме, функциональное назначение детали,
344
технолоrи'я изrотовления) конструктор выбирает материа
лы, определяет допустимые и недопустимые контакты (co
единения) между деталями, назначает класс шероховатости
поверхностей (влияющий на степень и скорость коррозии),
подбирает вид защитных покрытий для обеспечения KOppO
зийной стойкости изделия [IV.1, IV .11].
Заметим, что только относительно небольшое количество
металлов и сплавов является коррозионно стойкими и может
применяться без защитных покрытий, например коррози
онно стоийкйе марки стали (хромоникелевые, хромистые),
бронзы, латуни, титановые сплавы. Детали, выполненные из
дрyrих металлов и сплавов, защищают от коррозии специаль
ными покрытиями (анодно окисныIи,, химическими окис
ными, химическими фосфатными, цинковыми, кадмиевыми,
никелевыми, хромовыми и др.), которые выбирают исходя из
u u
материалов, назначения и условии эксплуатации деталеи.
Специальные свойства. Лучевая (оnтичес"ая) nрочность
характеризует прочность оптических материалов, работаю
щих с лазерным излучением. Она важна для материалов Ta
ких деталей, как активные элементы твердотельных лазеров
(например, рубиновых, из неодимовоrо стекла), а также pe
зонаторы, окна, линзы, зеркала, призмы, установленные в
пучках лазерноrо излучения.
Различают три вида лучевой прочности оптических MaTe
риалов: mepMoyпpyzoe растрес"ивание, разрушение вслед
ствие разоzрева инородных в"лючений и пробой в поле cвe
товой волны (явление самофокусировки [IV.4]).
ДЛЯ повышения лучевой прочности рекомендуется BЫ
полнять рабочие поверхности оптических деталей методом
rлубокой шлифовки и полировки, использовать оптические
материалы, обладающие наибольшей микротвердостью (по
Кнопу), при производстве материалов следует удалять ино
родные включения высокотемпературным центрифyrирова
нием их расплавов [IV.4].
Радиационная устойчивость характеризует способность
оптическоrо материала сохранять оптические свойства под
действием ионизирующеrо излучения. Например, больmин
ство обычных оптических стекол под действием радиации
(raмMa и rамма нейтронноrо излучения) окрamиваетс,н (TeM
неет), поэтому в этих случаях необходимо использовать специ
альные радиационно стойкие стекла, кристаллы и керамику.
Люминесцентные хара"теристи"и важны для матери"
алов оптических деталей и оптических сред, используемых
345
для rенерации лазерноrо излучения (твердотельные, rазо..
вые, жидкостные активные элемеНТ I лазеров), преобразова"
ния электрических полей, лучистой и друrих видов энерrии
в оптическое излучение (например, свечение люминосроров,
экранов из люминесцентной оптической керамики :КОЛ1).
То"сичность материалов и оптических сред необходимо
учитывать как при их выборе, так и при орrанизации про"
изводства деталей оптических элементов. Например, не..
которые марки стекла (ИКС), кристаллов (таллий, цезий),
оптические клеи (ОК"50П) токсичны и требуют соблюдения
техники безопасности во время технолоrическоrо процесса.
Из неоптических материалов весьма токсичным в процесс е
обработки является такой перспективный материал для кос..
мических зеркал, как бериллий [IV. 9].
Диэле"тричес"ая nроnицаемость и "оэрцитивное поле
являются электромarнитными характеристиками, на..
пример, таких материалов, как электрическая керамика
КЭОI0, используемая для электрических управляемых за..
творов и светоq)ильтров.
Технолоrические свойства. К технолоrическим свой..
ствам материалов и оптических сред относятся такие, кото..
рые определяют возможность применения проrрессивных
технолоrических процессов и затраты времени и средств для
изrотовления и сборки оптических зarотовок и деталей. К
ним относятся, например, nрессуемость, моллируемость,
возможnость использования литья, штамповки, определя"
ющие возможность получения зarотовок деталей производи"
тельными методами формообразования.
Трудоем"ость обработ"и материала определяется ero
микротвердостью (например, лейкосапq)ир АI 2 О з , из кото"
poro изrотавливаются защитные стекла и обтекатели при"
боров уф и ИК"диапазона, работающие в тяжелых усло"
виях эксплуатации, уступает по твердости только алмазу),
относительной твердостью по соmлифовыванию (например,
стекло ФК14 имеет 0,2 HS, стекло ТБФ4 1, 7 HS, а ситалл
СО21 1,9 HS), физико"химическими свойствами иструк"
турой (например, 'плохо обрабатывающийся резанием сплав
инвар, а также бериллий, требующий мноrократных стаби"
лизирующих термоциклических воздействий, для снятия
остаточных напряжений после черновой и чистовой механи..
ческих обработок).
Типичным примером оптических сред, влияющих на тру"
доемкость технолоrических процессов, MorYT служить опти"
346
ческие клеи, одни из которых требуют при склеивании дe
талей обеспечения повышенной температуры (в термостате)
и времени выдержки ДО 5 6 суток (акриловый клей), а дpy
rие (ОК 72ФТ15) имеют продолжительность склеивания при
комнатной температуре не более одних суток.
7.2. ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ
И НОРМИРУЕМЪШ ПОКА3АТЕJШ КАЧЕСТВА
ОПТИЧЕскоrо СТЕКЛА
ОДНОЙ из rлавных характеристик оптическоrо материала
является nоказатель преломления n л отношение скорости
распространения света длиной волны А в вакууме к скорости
распространения в материале. Для бесцветноrо оптическоrо
стекла основное значение этоrо показателя установлено для
длины волны 546,07 мм спектральной линии е ртути и обо
значается nе.
Значения показателя преломления для разных длин волн
света различны и обуславливают дисперсионные свойства
материала, которые, например, для оптическоrо стекла xa
рактеризуются значением средней дисперсии nF' nС' (раз
ностью показателей преломления стекла для длин волн
479,99 и 643,85 нм спектральных линий F' и С' кадмия).
В каталоrах оптическоrо стекла приведены также значения
коэффициента средней дисперсии (число Аббе):
У е == (n е l)/(nF' nС').
К спектральным характеристикам материалов относят
ся nоказателъ nоzлощения (ослабления) а. л или nо"азателъ
оnтичес"ой плотности D л , спектральные кривые "оэффи
циента nроnускания t л .
поляризациоIшыIe характеристики материалов наиболее
важны для элементов лазерной теХ1ШКИ и деталей поляризаци
ОШIЫХ и спектральных приборов. К IШм относятся: постоянная
Верде V, определяющая yrол поворота плоскости поляризации
cBeТOBoro луча в мarнитном поле; двойное лучепреломление,
определяемое показателями преломления для обыкновеШlоrо
ПО и необыкновеlПIоrо nе лучей, поляризованныIx в двух взаим.
но перпендикулярных направлениях; дихроизм различное
поrлощение обыкновеIшыIx и необыкновеIшыIx лучей.
Нормируемые показатели качества материалов paCCMO
трим на основе бесцветноrо оптическоrо стекла наиболее
347
Таблица 7.2
Kamezopuu и хлассьf, одnородnости партии заzотовох бесцветnоzо
оnти'Ч,есхоzо стехла по nохазате1tю nрелоМ,леnия
Катеroрия П редельное OT Класс OДHOpOДHO Наибольшая разность
по показате :клонение пока за
сти по по:казате ПОRа3ателей преломления
лю преломле теля преломления лю преломления А1lе' 1 o 4
пия Ыпe.l0 4
1 2 А 0,2
2 3 Б 0,5
3 5 В 1,0
4 10 r в пределах катеrории,
5 20 указанной при заказе
типичноrо и распространенноrо материала, используемоrо
для изrотовления оптических деталей (см. rOCT 3514 94 Е,
rOCT 23136 93).
Качество оптическоrо бесцветноrо стекла per ламентиру
ется следующими показателями: отклонением показателя
преломления от установленноrо (номинальноrо) значения
для каждой марки; отклонением коэq)q)ициента дисперсии
(или отклонением средней дисперсии) от установленноrо
значения; оптической неоднородностью; двойным лучепре
ломлением; показателем ослабления; бессвильностью; пу
зырностью.
По от"лонению nо"азателя преломления от номиналь
Horo значения установлены пять катеrорий и четъrре класса
(по однородности партии зarотовок стекла) по показателю
преломления (табл. 7.2).
По от"лонению "оэффициента дисперсии (отклонению
средней дисперсии) установлены пять катеrорий и два клас
са (для партии зarотовок) однородности по отклонению KO
э(l)фициента дисперсии (отклонению средней дисперсии)
(табл. 7.3). .
Таблица 7.3
Kamezopuu и хлассьf, одnородnости партии заzотовох бесцветnоzо
оnти'Ч,есхоzо стехла по средней дисперсии
Катеrория П редельное отклоне Класс OДHOpOД Наибольшая разность
по средней ние средней дисперсии ности по средней средних дисперсий
дисперсии bl(llF' 1lc,).10 5 дисперсии bl(nF' nс') .10 5
1 2 В 1,0
2 3 r в пределах KaTero..
3 5 рии, указанной при
4 10 заказе
5 20
348
Таблица 7.4
Kamezopиu бесцветnоzо оnтическоzо стекла по оптической oдnopoд
nости
Катеrория оптической однородности Отношение уrлов <Р/<Ро, не более
1 1,0
2 1,0
3 1,1
4 1,2
5 1,5
При м е ч а н и е. Ди<рракционное изображение точечной миры, должно
состоять из круrло..rо пятна, окруженноrо концентричными кольцами, и не
должно иметь разрывов, хвостов и заметноrо на rлаз отклонения от Kpyra.
Как видно из таблиц, отклонение показателя преломле
ния марки стекла и относительное отклонение коэффици
ента дисперсии (отклонение средней дисперсии) в партии
заrотовок (определяемых классом) существенно меньше OT
клонений, определяемых катеrорией, чем пользуются для
перерасчета оптической системы на плавки стекол (т. е. ocy
ществляют перерасчет системы по уточненным значениям
оптических констант стекла поставленной партии зarотовок
[IV .1 О, IV .12]).
По оnтuческой однородности (для зarотовок из оптиче
cKoro стекла диаметром ИЛИ наибольшей стороной не более
150 мм), которая характеризует постоянство показателя пре
лом лени я в любой точке объема стекла, установлены пять
катеrорий, определяемых отношением <Р/<Ро разреmающей
способности коллиматорной установки с зarотовкой стекла
и без нее (табл. 7.4). Для первой катеrории проверяется Taк
же качество диq)ракционноrо изображения точечной миры,
которое должно быть на уровне теоретическоrо.
Для заrотовок оптическоrо стекла размером более
150 мм устанавливают пять катеrорий по оптической OДHOpOД
ности (табл. 7.5), характеризуемых сочетанием параметров в
длинах волн А == 0,55 мкм К Ф (обусловленноrо HeOДHopOДHOC
тью показателя преломления, возникающеrо в процессе OT
жиrа стекла), М (06условленноrо асимметричным относитель
но оси зarотовки расположением неоднородностей ПОRaзателя
преломления, возникающем в процессе отжиrа стекла) и Кх (обус
ловлеIПIоrо неоднородностью ПОRaзателя преломления, возника
ющеrо в процессе варки и раздеJШИ стекломассы), раССЩfтывае
мых по rOCT 3514 94 Е.
Двойное лучеnреломленuе характеризуется разностью хода
двух лучей (при А == 0,55 мкм), на которые разделяется падаю"
349
Таблица 7.5
Kamezopuu оптической од-н,ородnости по К ф , дк и КХ
Катеrория
оптиче
СRОЙ ()ДHO
родности
1 До 0,25* До 0,15* Не допускаются свили, обнаружива
(включ.) (включ.) ющие двулучепреломление, и потоки
свилей. Допускаются одиночные свили
на расстоянии св. 50 мм дpyr от друrа
общей длиной не более одноrо диаметра
(диаrонали)заrотовки
К ф
11
Св. 0,25
до 0,70
111
Св. 0,70
до 1,50
Св. 1,50
до 3,00
IV
V
Св. 3,00
дк
Св. 0,15
до 0,35
СВ. 0,35
до 0,80
Св. 0,80
до 1,50
Св.1,50
Кх
Не допускаются свили, обнаружива
ющие двулучепреломление. Допуска
ются одиночные I свили на расстоянии
св. 30 мм друr от друrа общей длиной не
более двух диаметров (диаrоналей) заrо
товки и потоки свилей общей площадью
не более 1 О % площади заrотовки
Не допускаются свили, обнаружива
ющие двулучепреломление. Допуска
ются одиночные свили на расстоянии
св. 20 мм друr от друrа общей длиной не
более ДВУХ диаметров (диаrоналей) заrо
товки и потоки свилей общей площадью
не более 50 % площади заrотовки
Не допускаются очень rрубые одиноч
ные свили и потоки свилей, обнаружи..
вающие двулучепреломление СВ. 30 нм,
расположенные в центральной трети
толщины заrотовки, и СВ. 10 нм при
расположении их В крайних третях за
rотовки
* Для заrОТОВОR деталей интер(}>еренционных приборов К Ф и дК до 0,10.
щий луч под воздействием напряжений в стекле (при прохож"
дени и ero в направлении наибольшеrо размера заrотовки).
По двойному лучепреломлению установлены шесть KaTero
рий при трех значениях коэ(рq)ициентов оптическоrо напря"
жения (табл. 7.6).
Заметим, что полное отсутствие напряжений (двойноrо
лучепреломления) в заrотовках стекла затрудняет получе"
ние точных поверхностей и вызывает увеличение де(l)орма"
ций из..за воздействия собственной массы детали и при ее за..
креплении. Это обстоятельство учитывается, например, при
выборе катеrорий стекла по двойному лучепреломлению для
зеркал с наружным отражением.
350
т абл-u ца 7.6
Kamezopиu оnтuЧ,есхоzо бесцветн..оzо сmехла по двУЛУч'еnреломлен..ию
Двулучепреломление, нм/см,
Ка Ter() не более, при оптическом
рия коэ<р<рициенте напряжения Примечание
стеRла B.l0 12, Па l
до 2,0 св. 2,0 до 2, св. 2,8
1 1,5 2 3
2 4 6 8
3 7 10 13 В заrотовках деталей поляризаци"
онных приборов при просмотре
в поляризованном свете в рабочем
направлении не должны обнаружи..
ваться просветленные участки
4 10 15 20
5 35 50 65
6 80 80 80 Для кристаллов и поликристалли"
ческих материалов
Под nоказателем ослабления света J.lA понимается вели
чина, обратная расстоянию, на котором параллельный пучок
излучения от источника А ослабляется в десять раз в резуль
тате совместноrо действия поrлощения и рассеяния в стекле.
В каталоrах оптическоrо бесцветноrо стекла приведены
также значения коэффициента nроnускания tA стекла в
толщине заrотовки 1 см (отношение cBeToBoro потока, про
шедшеrо, к падающему), а также значения коэффициента
BHympeHHezo nроnускания 'сы слоя стекла толщиной 10 см
(для источника А), соответствующеrо наибольшим значени
ям показателя ослабления.
Таблица 7.7
Kamezopuu бесцветн..оzо оnтuЧ,есхоzо сmехла u хоэффuцuен..т nроnу"
схан..ия по nохазателю ослаблен..uя
Показатель ослаб Коэ(}хрициент пропу Коэ(}хрициент BНYTpeH
Катеrория ления скания стекла в слое Hero пропускания
1 1 см, tA для толщины 10 см tlA,
J.t.A' см не менее
1 0,0002 0,0004 0,9995 0,9990 0,991
2 0,0005 0,0009 О , 999 0 , 998 0,980
3 0,OO10 0,0017 0,998 0,996 0,962
4 0,OO18 O,OO25 .O.996 0,994 0,944
5 0,0026 0,0035 0,994 0,992 0,925
6 0,0036 0,0045 0,992 0,990 0,902
7 0,0046 0,0065 0,990 0,985 0,861
8 0,0066 0,0130 0,985 0,970 0,741
351
Таблица 7.8
Kaтezopиu и хлассы, бесцветн..оzо оnтuЧ,есхоzо стехла по бессвильн..остu
Бесцветное стекло в за"
roтoBKax диаметром или
с наибольшей стороной
св. 500 мм; цветное стекло
и стекло с особыми оптиче"
скими свойствами в заrо..
товках любых размеров
Число направлений просмотра
Катеrория
Характеристика
бессвильности
1
Не допускаются свили, обнару"
живаемые при просмотре на уста..
новках, rрадуированных по кон..
трольному образцу l..й катеrории
по rOCT 3521 69 или по образцу
сравнения для ИК..области
Не допускаются свили, обнару"
живаемые при просмотре на уста"
новках, rрадуированных по кон"
трольному образцу 2..й катеrории
по rOCT 3521 69 или по образцу
сравнения для ИК..области
Не допускаются видимые в про"
ходящем свете потоки свилей;
допускаются одиночные и узло"
вые свили
2
3
3а
Не допускаются видимые в про"
ходящем свете потоки свилей,
одиночные и узловые свили, иска"
жающие рассматриваемый через
стекло объект, заданный техни..
ческими требованиями на стекло
зarотовки
Допускаются свили, оставшиеся
после перемешивания по уста"
новленному технолоrическому
режиму для стекла конкретной
марки
4
Класс
А
Б
Два взаимно перпендикулярных
Одно
Преимущественная область
применения
Оптическое стекло всех ти"
пов в заrотовках диаметром
или с наибольшей стороной
не более 500 мм
Бесцветное стекло в за..
roтoBKax диаметром или
с наибольшей стороной
св. 500 мм; цветное стекло
и стекло с особыми оптиче"
скими свойствами в заrо"
товках любых размеров
Оптическое стекло всех
типов в заrотовках любых
размеров для деталей на"
блюдательных приборов
При м е ч а н и е. В бесцветном и цветном стеhле, заказанном по l..й
и 2 й катеrориям, допускаются узловые свили длиной не более 1 О мм и в количе
стве не более 10 на lKr.
По показателю ослабления и коэфq)ициентам пропуска
ния установлено восемь катеrорий (табл. 7.7).
По бессвилъ1tостu (наJШЧие прозрачных включений, отли
чающихся по показателю прел.омления от окружающей массы
стекла) установлены пять катеrорий и два класса (табл. 7.8).
352
Таблица 7.9
Kamezopuu u хлассы оnтuЧ,есхuх христаллов по свuлеnодобн..ым, дe
фехтам,
Отношение общей площади, заня Класс Число направле
Катеrория той свилепод06ными дефектами, бессвиль ний просмотра
к площади заrотовки, не более ности
1 Дефекты H допускаются А Два взаимно пер
2 0,25 пендикулярных
3 0,50 Б Одно
4 Не оrраничивается
При м е ч а н и..е. В кристаллах, заказанных по 2 й и 3 й катеrориям, площадь
полос скольжения не учитывают.
Таблица 7.10
Kamezopuu, zpYnnbl u хлассь бесцветн..оzо оnтuЧ,есхоzо стехла
по nузырн..остu
Катеroрия Диаметр пузыря, rруппа Суммарная площадь, мм 2 ,
мм, не более сечений пузырей в 100 см 3
1 Не допускается До 0,029 (включ.)
1а 0,05 11 t Св. 0,029 до 0,0125
2 0,1 12 )) 0,125 )) 0,250
3 0,2 13 )) 0,25 )) 0,50
4 0,3 14 )) 0,5 )) 1,0
5 0,5 15 )) 1,0 )) 2,0
6 0,7 16 . 2,0 )) 4,0
7 1,0 17
8 2,0
9 3,0
10 5,0
Среднее число пузырей диа Среднее число пузырей
Класс метром св. 0,03 мм в 1 Kr, Класс в 100 см 3
не более
А 3 21 До 1,0 включ.
Б 10 22 Св. 1,0 до 2,5
В 30 23 )) 2,5 )) 6,3
f. ,1РО 24 )) 6,3 )) 6,0
Д 300 25 )) "16,0 )) 40,0
Е 1000 26 )) 40,0 )) 80,0
Ж 3000 27 )) 80,0 )) 150,0
28 )) 150,0
При м е ч а н и е. Пузыри диаметром менее 0,03 MMiHe учитывают.
Заметим, что для оптических кристаллов, установлено
четыре катеrории по свилеподобным дефектам табл. 7.9.
По nузырн.ости и 8"л,ючен.иям (камни, кристаллы, ro
ловки свилей) установлено семь классов и одиннадцать Ka
теrорий (табл. 7.10). Катеrория характеризуется диаметром
наибольmеrо пузыря, а класс средним числом пузырей
диаметром свыше 0,93 мм в 1 Kr сырьевоrо СТекла.
353
По rOCT 23136 93 пузырность и включения для бес
ЦEeTHoro и цветноrо стекла нормир.уются семью rруппами
пузырности по суммарному параметру , определяющему
суммарную площадь сечений пузырей в объеме 100 см 3 , И BO
семью классами пузырности по среднему числу пузырей в
объеме 100 см 3 (табл. 7.10).
Заметим, что для кварцевоrо стекла, стекол с особыми
свойствами, кристаллов, оптической керамики по этому
rOCTy включения характеризуются размером наибольmеrо
включения в заrотовке или в 100 см' сырьевоrо материала,
по которым установлены пять катеrорий (катеrориям COOT
ветствуют следующие максимально допустимые размеры
включений, в мм: 0,2; 0,5; 1,0; 2,0; 3,0).
7.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТРЕБОВАНИЙ
К КАЧЕСТВУ ОПТИЧЕскоrо МАТЕРИАЛА
От допусков на показатели качества используемоrо опти
ческоrо материала в существенной степени зависят ero CTO
имость, а также качество оптических характеристик про
ектируемой системы. Жесткие допуски, как известно [IV.6,
IV.13] приводят к удорожанию изделия, а их необоснован
ное расширение к невозможности обеспечения требуемых
оптических характеристик.
Допустимые значения показателей качества материала
KOHCTPYK';rOp задает на основе расчета допусков либо (в менее
ответственных случаях) ориентируясь на рекомендованные
показатели качества для тех или иных оптических элемен
тов.
Расчет допусков на показатели качества используемоrо
материала осуществляется на основе математических MO
делей, связывающих допуски с качеством оптических xa
рактеристик (изображения) системы и является достаточно
сложной задачей. Методы и примеры подобноrо расчета из
ложены в работах [IV.12, IV.13].
Допуски по аналоrии назначаются в соответствии со зна
чениями, рекомендованными на основании статистических
данных (взятых из практики) для показателей качества
оптических материалов типовых деталей оптических си
стем. В табл. 7.11 представлены рекомендуемые показатели
качества бесцветноrо оптическоrо стекла для подобных дeTa
лей [IV.2, IV.3, IV.14, IV.15].
354
Таблица 7.11
Рекомендуемые катеrории и классы стекла
для показателей качества
Оптические детали Показа
(сборочные единицы) Оптические Оптическая Двойное Бессвиль
OДHOpOД лучепре ПУЗЫРIIос'rь 1'ель ослаб
постоянные ность ,
Hoc'rb ломление лепил
Объективы микроскопов 1А 3B 1 1 1А 13;24 14;25 4B 5r 3;4
Объективы телескопических 2A 3B 2 3 1 15.25 16.26 6r..7Д 4;5
, ,
систем большоrо увеличения
Объективы телескопических 2A 3B 3 3 1 15.25 16.21 6f..7 А 4;5
, ,
систем малоrо увеличения
.
Объективы аэрофотосъемоч" 1A 3B 3 3 1А 15;24 16;25 6B..7r 4.5
,
ные
"........ ......, :::;;.:i..., .................... .. ,-о . . о .. . .,....""'""'" ...... , ..... 0-. 01 .. ..""'"...... ..... . . "
Об !5 ...И ?! !.?!J . 9>ическо ""o. \ lV 5B..6I) :'4" 5
2 3B 3 .3 .} J 24 15; 25 )
. ,Ы . . . "'I" ...............:r......... .............. .. ..... ................... ""'....... O . . ......";;#
Объективы киносъемочные и 1A 3B 3 3 1 14;24 15;25 5B..6r 4;5
проекционные
Объективы коллиматоров 1A 3B 1 1 1А,В 15;25 16;26 6r..7Д 4.5
,
Объективы теневых приборов 2A 3B 2 3 1А,В 15;25 16;26 6f..7Д 5.6
,
Объективы телевизионные 1A 3B 3 3 1 14;24 15;25 5B..6f 4.5
,
Объективы Уф.. и ИК"области 2A 3B 1.2 3 1 13;24 14;25 4В.. 5r 1.3
, ,
Объективы астрономичес:кие 1A 3B 1; 2 3 1 15;25 16;26 6r..7Д 4.5
,
Оборачивающие системы 3В 3 3 1 15;25 16;26 6r..7Д 1;2
Коллективы 5r 3 3 1 11.21 12.21 2А..3А 2.5
, , ,
Окуляры и лупы 4f 3.4 3 2 3A, В 11;21 12;22 2А ..3В 5;6
,
ПО1\,азатели 1\,ачества бесцветн..оzо оnтичес1\,ОZО сте1\,/Ш
O
O
ф
Продолжение табл. 7.11
Рекомендуемые катеrории и классы стекла
для показателей качества
Оптическая Двойное
Оптические Бессвиль
постоянные OДHOpOД лучепре ность ПУЗЫРНОС'fЬ
ность ломление
Оптические детали
(сборочные единицы)
Конденсоры
Детали поляризационных при"
боров
Призмы спектральные
и рефрактометрические
';О-Призмы отр'wкaтелыьIеё - . . . . .... 5r
....... -т "''''''''' w.t'U<.............;oJ.....j...... ....... ,.. ""'A" ..
Пластины интерферометров 5r
Компенсаторы 4Б
Сетки, шкалы, растры 5Б
Смотровые стекла 5Б
Зеркаласветоделительные 5Б
с внутренним отражением
Зеркала с внешним отражением
Зеркала без отверстия
Зеркала с центральным или раз-
rрузочными отверстиями
Зеркала внеосевые
5r
4r
3Б 4r
5Б
4
1 4
3
2
3А,Б
1А
1
1А
1
,... ... .....,.. ...... #
1 3
1 3
1 3
3;4
3;4
1 3
3
1 3
1 3
3 5
3 5
1 3
1 3A
1А
1
1
1
1
1 3
1 3
3 5
3 4
1
1
15;25 16;27
14;24 15;25
14;24 15;25
12.21 15.25
:;-- , '.
15;25 16;26
15.25 1 6 .26
, ,
11;21
15;25 16;26
13;24 15;25
14;24 16;26
15.25 1 6 .27
, ,
16.Z5 17.28
, ,
1 5.25 16.26
, ,
6r 7Д
5B 6r
5B 6r
3А 6r
6r 8Д
6r 7Д
1А
6r 7Д
4B 6r
5B 7Д
6r 8E
8r 10E
6r 7Д
Показа
тель ослаб
ления .J.'l
5;6
2;3
1 4
. i 3 .
3 5
3.4
,
5.6
,
6
4
4
Следует 'заметить, что при пользовании таблицей необхо
димо учитывать не только тип оптических элементов и
систем, но и условия их работы, а также xapa1iтepucтufCU
оптической системы.
Например, детали, работающие в более широком пучке л;у
чей (объективь , защитныIe стекла перед объективом, rоловныIe
пришыIизroтавливаютсяя из стекла более высоки .!S !!>.P и
ю:аССОR по оптическим постоянным кп;; (iiF; -...:nс:) оптической
оДНоРоДНОСТИ, двоЙНому лучепреломлению, бессвильности.
ДетaJШ, установлешIыIe в более У'ЗКОМ пучке лу ей (окуляры,
сетки, растры, защитные стекла за окуляром), изrотавливают
ся из стекла более низких катеrорий и классов по выше пере
числешIыIM показателям, но более высоким по nyзырнQCТИ.
Отражательные призмы, работающие в параллельном пуч"е
лучей, изroтавливаются из стекла с более широкими показате
лями по оптическим постоянныI,, чем призмы, установленныIe
в сходящемся пучке, или призмыI' светоделительныIe ИJШ пре
ломлтощие поверхности которых расположены наклонно к па
дающему пучку лучей, например, призма Дове [IV.12, IV.13].
Детали микрообъективов (см. табл. 7.11), работающие с
большой числовой апертурой и увеличением, должны изrо
тавливаться из стекла более высоких катеrорий (из peKOMeH
дованноrо интервала), чем детали микрообъективов неболь
moro увеличения и апертуры.
Показатели качества стекла, из KOToporo изrотавливают
си детали более светосильных (широкоyrольных) высококаче
ственныIx фотообъективов ( «Планар , «rелиос 97 , ВОJlllа»),
ДОЛЖНЫ быть лучше, чем у менее светосильных фотообъек
тивов «среднеrо качества ( Teccap , Индустар 61 ) или
«удовлетворительноrо качества (T 22, «Индустар 50 ).
r.тiaBa 8
ТИПОВЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ДЕТАЛИ.
ОФОРМЛЕНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
8.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Существует достаточно большое разнообразие оптиче
ских деталей, используемых в точных приборах. По функ
циональному назначению их обычно классифицируют на
следующие виды:
357
силовые (линзы, сферические и ас(l)ерические зеркала,
I'раданы), осуществляющие силовое преобразование оптиче
cKoro излучения;
отклоняющие и оборачиваюu ие (отражательные призмы,
плоские зеркала, клинья), создающие отклонение оси опти
ческоrо пучка и поворот изображения;
дисперzирующuе (ди(l)ракционные решетки, спектраль
ные призмы), разлаrающие оптическое излучение на MOHO
хроматические составляющие;
поляризаЦUОllные (поляризационные призмы, пластины,
поляроиды), преобразующие проходящий через них свет в
поляризованный; <
сканирующие, 'м'одулирующие и zеllерирующие (растры,
электро и маrнитооптические модуляторы, призмы, зерка
ла, зеркальные полиrоны, де(рлекторы, активные элементы
лазеров), осуществляющие динамическое управление опти
ческим излучением и изображением, rенерацию KorepeHTHo
ro излучения;
масштабирующие и устаllавливающие (марки, сетки, шка .
ЛЬ!, лимбы, растры, кодовые диски, уровни), предназначенные
ДЛЯ установки визирных JШний И плоскостей, измерений yr ло
вых И JШнейных размеров и положений изображения;
фильтрующие, рассеивающие, защитные (светофиль
тры, экраны, защитные стекла), изменяющие спектральный
состав и интенсивность CBeToBoro излучения, рассеивающие
ero и защищающие прибор от внешних воздействий;
световодные (световоды, (роконы, волоконно оптические
пластины, микроканальные пластины), предназначенные
для передачи и преобразования оптическоrо излучения и
изображения;
"омбиllироваllные, выполняющие несколько из перечис
ленных выше функций.
При конструировании оптических деталей следует учи
тывать следующие технолоrические условия [IV.3].
1. Конq)иrурация детали должны представлять собой
сочетание простых rеометрических (l)opM, обуславливаю
щих возможность применения высокопроизводительных
технолоrических методов обработки. Деталь должна иметь
удобную и надежную базу для установки и закрепления ее
в процессе обработки, достаточную жесткость конструкции.
В тех случаях, коrда конструкция детали не отвечает этим
требованиям, следует предусмотреть специальные элементы
(технолоrические отверстия, приливы, фаски, (ральшборт),
358
которые MorYT быть удалены после обработки или оставлены
без заметноrо влияния на функциональные свойства Дe'l"aJIИ.
Рабочие поверхности деталей должны иметь пра.ВИЛЬНУЮ
rеометрическую форму, позволяющую при поштучном изrо
товлении получить заданную точность обработки с наиболъ
шей экономичностью, а при блочной обработке обеспечить
сборку блока в виде правильноrо Kpyra с коэффициентом
заполнения площади не менее 0,7. rеометрические размерь!
и размерные цепи детали должны быть проставленыI рацио
налЬБО (rOCT 2.307 68) с учетом возможности исполъзова
ния конструкторских баз в' качестве технолоrических и И3
мерительных.
2. Вид, свойства и качество материала должны cooтвeт
ствовать заданным параметрам детали или узла.
3. Требования к качеству поверхности детали (точность
формы N и LVV, параметры шероховатости, чистота Р) долж
ны быть обоснованы ее назначением и соrласованы с НОрМИ
руемыми показателями качества материала: двулучепре
ломлением, бессвильностью и ПУЗЫРНОСТЬЮ (для стекол),
поликристалличностью, полиморq)измом, посторонними
включениями и друrими локальными неоднородностями
(для кристаллов). Эти требования также должны быть соrла
сованы с (ризико химическими свойствами материала: OT
носительной твердостью по сошли(ровыванию, химической
устоЙЧивостью (для стекол) и анизотропией q)изико химиче
ских свойств (для кристаллов).
4. Вид поверхности и форма ее задания (вид уравнения ac
q)ерической поверхности, координаты точек и т. д.) должны
быть cor ласованы с предполarаемой технолоrией изrотовле
ния и контроля.
5. Точность взаимноrо расположения поверхностей (дe
центрировка С, клиновидность 8, пирамидальность п, OT
ступление уrлов, например' 0450) должна быть обоснована
назначением детали и при жестких допусках соrласована с
показателями качества материала по оптической OДHOpOДHO
сти И двулучепреломлению.
6. Выходные параметры: разрешающая способность Е, дo
пустимый дифракционный кружок рассеяния 2dy, искаже
ние волновоrо (рронта К, минимальная фокусность f min' yrол
отклонения луча со и др. должны быть обоснованы назна...
чением детали и соrласованы с заданными показателями Ka
чества материала оптическими параметрами п е , nF' nс"
однородностью, двулучепреломлением, бессвильностью, пу
359
зырностъю (для стекол), поликристалличностью, полимор
фИ3МОМ, анизотропией физико механJiЧеских свойств (для
кристаллов ).
8.1.1. ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ ЧЕРТЕЖЕЙ
ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕй
При изображении оптической детали используют общие
правила маrпиностроительноrо и приборостроительноrо
черчения, однако вследствие специфики назначения и изrо
товления оптической детали необходимо указать некоторые
дополнительные сведения, а также особые нормативные и
технолоrическиетребования.
Правила выполнения чертежей и схем оптических изде
лий установлены rOCT 2.412 81, требования и peKOMeHдa
ции по оформлению рабочих чертежей типовых оптических
u
деталеи изложены в справочниках оптика"конструктора и
оптика технолоrа [IV.1 IV .3].
Рассмотрим наиболее важные из них.
1. Оптические детали (также схемы и узлы) следует изо..
бражать на чертеже по ходу луча, идущеrо слева направо.
2. Радиусы кривизны сферических поверхностей деталей
обозначают буквой R, их выбирают по rOCT 1807 75 (что об..
условлено контролем пробными стеклами и унификацией
параметров инструмента). Асферические поверхности линз
и зеркал определяют координатами точек поверхности или
уравнением кривой, использованной для ее построения. Ци"
линдрические поверхности задают значением ее радиуса R,
перед которым пишут «Цилиндр .
3. В правой верхней части чертежа оптической детали по
мещают таблицу, состоящую из трех частей: в первой части
отражены требования к материалу, из KOToporo изrотовлена
оптическая деталь, во второй требования к изrотовлению
самой оптической детали и в третьей ее расчетные данные
(заметим, что для оптических сборочных единиц таблица
состоит только из требований к изrотовлению и оптических
характеристик)
В пер в о й ч а с т и таблицы для деталей из бесцветll0
ео оnтическоео стекла помещают следующие требования к
материалу: катеrорию и класс по показателю преломления и
средней дисперсии; катеrорию по оптической однородности;
катеrорию по двойному лучепреломлению; катеrорию по
360
показателю ослабления; катеrорию и класс бессвильности;
rруппу, катеrорию и класс пузырности; катеrорию по радиа
ционно оптической устоЙЧивости (стекла серии 100).
Для деталей из цветноео оnтичес"оzо стекла в та6JШЦе
следует указывать катеrории поспектралъной характеристике
(показателъ поrлощения или ослабления), двойному лучепр
ломлеНИЮ t катеrории и классы бессвилъности и nyЗЫрНОСТИ.
Для деталей из друrих оптических материалов (кварцевое
сте-кло, естественные и искусственные кристаллы, йnти
ческая керамика и др.) первую часть таб,лицы заполняют в
соответствии с rOCT 2313б 93 и действующими те-хниче
скими условиями на эти материалы.
Об определении требований к :нормируемым показателям
качества материалов сказано'выше.
Заметим, что некоторые из нормируемых показателей каче--
ства оказывают ВJШяние не только на оптические характери
стики системы, НО И на точность конструктивных параметров.
Например, свили области, ОО'личающиеся от основной
массы стекла химическим составом, а следовап:JIЬНО, фпти
ческими и механическими свойствами, вызьшают' как дe
формацию волновоrо фронта отраженноrо или Пр0шедmеrо
излучения, так и местные поrреmности формы Ш поверх
ности в тех участках, rде они выходят наружу.
Остаточные напряжения, характеризуемые двойным
лучепреломлением, не только искажают волновой фронт, но
и влияют на общее N и местное 8N отклонение поверхности.
Вскрывшиеся при обработке рабочей поверхности пузыри
не только оказывюют некоторое прямое влияние на ВОЛН0ВОЙ
фронт, но являются дефектами ее чистоты, а также приво
дят к местным поrреmностям формы поверхности, образую
щимс.я при их располировывании,.
В т о р а 11 ч а с т ь таБЛИЦ1?1 содержит требоваиия' к изrо
товлению детали, в которой, в зависимости от типа оптиче
екой детали указывают:
общую N и местную 8N поrрешности формы рабочей по
верхности;
класс чистоты полированной поверхности Р;
допустимую клиновидность пластин 8;
пирамидалъностъ призм п;
допустимую разность равных по номиналу уrлов призм Б;
разрешающую способность Е (при необходимости);
остаточную фокусность пластин и призм f min (при Ие6бхо
димости);
361
класс точности пробноrо стекла дR или предельное откло"
нение от расчетноrо значения радиуса в.процентах (для пло..
ских поверхностей при необходимости).
Величина N допуск на обu ее отклоненuе формы рабо"
ч-ей п,оверхности оптической детали от эталона (q)ОРМЫ по..
верхности пробноrо стекла), выраженный числом интерс]}е"
реНЦИО:IППJIХ колец или полос, наблюдаемых при наложении
n;P-ООНОiI10 стекла на поверяемую поверхность.
В производственном обиходе интеpq)еренционную кар"
тину tобычно RaзыIaIoтT цветом. Этот параметр определяет
точность, с :которой будет выполнен радиус кривизны с(рери"
ческой поверхности или отступление от плоскостности у пло..
\ской Предельное'отклонение стрелки кривизныI дh == (лj2)N.
На npактике данную поrрешность называют общей ОЦIибкой.
Величина AN допуск на местное (нереzулярное) откло
неnие форм'ыl рабочей поверхности от эталонной (или иначе
местны1e ошибки), выраженное числом интерференционных
колец или полос.
Заметим, что в ряде случаев (большие поверхности, ас(ре"
рические поверхности) контроль (рормы поверхности детали
осуществляется не пр06ными стеклами, а с помощью сс]}е"
poMeTpoB интер(рерометров и дрyrих методов и средств, что
обусловливает также и иную систему задания допусков на
поrреmнQCТИ формы рабочей поверхности (в процентах, ли"
нейной мере, yrловой мере, долях длины волны света, диq)"
ракционБым кружком рассеяния, значением асферичности).
Допуск на м,естные ошибки устанавливают более жесткий
(стр'отий) по сравнению с допуском на общую ошибку (при"
мерно в 5 10 раз), так как местные поrрешности формы бо..
лее сильно влияют на качество изображения и не MorYT быть
кQмпенсированыI (например, изменением воздушных проме"
жутков между компонентами оптической системы).
Обычно поля допусков на N и /)jV устанавливают симме..
Т,ричными 'относительно номинала и знак отступлений не
указывают.
В ОСQбых случаях их указывают со знаками плюс или ми..
н,УС. При знаке плюс наблюдается воздушный зазор на краю
(касание в центре «общий буrор ), а при знаке минус за..
зор в центре (касание на краю «общая яма ). Для плоской
поверхности это означает, что при знаке плюс она слеrка вы..
пуклая, а при знаке минус слеrка воrнутая.
При назначении неодинаковых допусков для разных по..
верхностей одной детали или разных зон одной и той же по..
362
верхности обозначения этих допусков следует указывать с
буквенными индексами, каждое в отдельной строке. Эти же
индексы следует ставить у соответствующих поверхностей
или у их зон на изображении детали в поле чертежа. Для
деталей, не подлежащих контролю пробныии стеклами, oт
клонения N и fVV не указ.ываются.
В ответственных случаях допуски на N и l1N рассчи
тыIаютсяя исходя из требуемоrо качества изображения
[IV .1, IV .12, IV .13 ].
Конструктор может назначить также допуски по a:нa
лоrии, ориентируясь на их рекомендованные значения
(на основании статистических данных, взятых из практи
ки), представленные в табл. 8.1 (в которой указаны также и
классы точности пробных стекол).
Естественно, что и здесь (также как и при выборе показате
лей качества оптических материалов п. 7.3) нужно учитывать
не только тип детали, но и материал, из KOToporo она изrо
товлена, возможные технолоrические методы изrотовления,
спектральный диапазон работы, ее расположение в оптиче
ской системе (установлена она в широком ИЛИ у3КО.М пучке
лучей), вид оптической системы, ее конструктивные параме
тры и характеристики, rабаритные размеры детали и Т. д.
Например, защитное стекло (светофильтр) может стоять
как перед объективом (тоrда допуски на N, !J.N должны быть
более жесткими), так и за окуляром (rде указанные допу
ски будут шире). Детали, изrотовленные из оптических П()
лимеров обычно имеют относительно невысокую точность
q)оРМЫ рабочих поверхностей (N == 8 + 10, !J.N == 1 + 2.). Бо
лее точная форма поверхности достиrается на материалах
с высокой твердостью, по сравнению с материалами, име
ющими низкую твердость. Допуск на поrрешности форм
рабочих поверхностей линзы (выполненной из стекла) объ
ектива, работающеrо в видимом спектральном диапазоне,
должен быть более жесткий, чем эти допуски на подобную
линзу (выполненной, например, из rермания) объектива,
работающеrо в дальней ИК области спектра. ДОСТИFаемая
технолоrическая точность (рорм рабочих поверхностей зер
кал, защитных стекол, линз при их изrотовлении зависит
от соотношения толщин по оси И наибольших размеров. (ди
аметров) этих деталей.
Допуск на дефекты чистоты полированных р,абочих по
верхностей оптических деталей выражают в классах чисто
ты Р по rOCT 11141 84 (rOCT 1114 76), которым оrоворены
363
Таблица 8.1
PexoMeKaoBaH;Hbte зн,ачен,ия nоzрешн,остей форм рабочuх nоверхн,о..
стей оnтичесхuх деталей
Класс точности
Детали N N пробноro стекла
по rOCT 2786 76
Высококачественные объективы 0,1 0,5 0,05 0,1 1
коллиматоров, зеркала точных
цриборов
Зеркала средней точности 1 2 0,1 0,2 1 2
Зеркала неответственных систем Б 0,5 "3
,(осветительных)
Объекти;вы телеСК<i>пических 2 3 0,2......0,5 '2 з
СИС!'I'ем
QТооб к,!,ив ы: /
аэрофото еМОЧf[ые 1 2 0,1 0,,2 1 2
обычн,ы - ? ' o,2\ 5', 2 3 "
Микрообъехтивы:
до [ОХ. 0,25 (включ.) 2 3 0,2 0,5 2......3
от 10 Х . 0,25 до 40 Х . 0,\65 1 2 0'1......0'2 1......2
от 40 Х . 0,.65 0'5......1'0 0'05......0'1 1
Окуляры 3 5 0'5......0'8 3
Призмы*: О , 5 1 , О
отражающие поверхности 0 , 0,3 3
преломляющие поверхности 2......4 о,5......1,0 3
Защитные стекла 1 3 0,2 0,3 3
Сетки 10 20 1'0......2'0
Светофильтры:
перед объективом 1 2 0'3......0'5 3
за и перед окуляром 3......5 0'5......0'8
* Более жесткий допуск:берется для поверхностей призм, расположенных перед
объективом и работающих при больших увеличениях (r > 6)(); средний допуск
при том же'расположении поверхностей призм, но при слабых увеличениях (r < 6)()
и для поверхностей призм, расположенных вблизи плоскости изображения.
размеры и число дефектов царапин, точек, их скопленИЙ
(к ним относят также вскрытые пузыри, следы недополиро"
вок, клея, выколки).
Требования orOBopeHbl двенадцатью классами от I до IXa
для поверхностей, удаленных от плоскости изображения и
еще боле-е,строrим классом РО с подразделениями o 1'0, O 20
и O 40 для поверхностей, расположенных в плоскостях изо..
браженШI предметов (табл. 8.2 и 8.3).
;Оче:нь YДHO не допустить появления царапин и точек на
полированных ,оптических поверхностях. rлавными причи"
нами их об.разования являются заrрязнение среды, окружа"
364
Таблица 8.2
Нулевые хлассьf, чистоты nоверхлостей оnтичеС1Сих деталей
Царапины Число точек, не более,
Диаметр при световом диаметре
Класс
чисто Зона Суммарная дли точек,
Шири 0'1'5
тыР на от cBeТOBoro мм, св. 20 св.
на, мм, диаметра, мм, не более до20 до 60 60
не более не более (включ.)
О,.... 1 О Средняя 0,002 0,2 0,004 1 3 ' 5
Краевая 0,004 0,3 0,006 3 6 10
0....20 Средняя 0,004 0,2 0,010 1 3 5
Краевая 0,006 0,3 0,015 3 6 10
0....40 Средняя 0,006 0,2 0,015 1 3 5
Краевая 0,008 0,3 0,025 3 6 10
Таблица 8.3
Классьf, чистоты nоверхлостей оnтиЧ,есхих деталей
Царапины Точки Скоплениеде(ректов
Класс CYM Суммарная
Шири марная Диаметр, Диаметр площадь
чистоты на, мм, длина, мм, Число, оrpаниченноrо царапин
не более не более не более 2
ММ, участка, мм и точек, мм ,
не более не более
1 0,004 0,02 1,0 0,004
11 0,006 0,05 1,2 0,006
111 0,010 0,10 2,0 0,02 Q"
r..a,..........................-<>". ... _
IV 0,02 0,30' . 0, 5х0 0 5,0 0,10
2,ОхОй -
V 0,04 0,50 10,0 0,40
УI 0,06 0,70 25,0 3,00
VII 0,10 1,00 50,0 10,00
VIII 0,20
VIIIa 1,5хО(2' 2,0 0,4хОй
0,30 Не Не норми"
IX 2,ОхО(2' . нормируется руется
IXa 0,4 1,5хО(2' 3,0 0,3хОй
ющей рабочее место оптика, заrрязнение пороmкообразных
шлифующих и полирующих материалов, пузырность опти"
ческих материалов.
В табл. 8.4 и 8.5 [IV .3] представлены рекомендации по на..
значению класса чистоты поверхностей оптических деталей
в зависимости от их вида, назначения и материалов.
Допустимые клuновидность е пластин, nuрамuдальность
1t и разность одинаковых уzлов () призм рассчитываются
365
Таблица 8.4
Pel(,OMenayeMb"e l(,лассь" чистоты, nоверхиостей оnтичеСl(,их деталей
в зависимости от их вида и uазuачеuия
Класс
чист
Tыт'"
0 10
,
0 20
0 20
0 40
1
11
111
1У
V
366
Вид и назначение оптических деталей
Сетки и коллективы в приборах с срокусным расстоянием окуля"
ра или последующей оптической системой от 10 до 15 мм; шкалы
и лимбы, рассматриваемые под увеличением более 25><; подлож"
ки дифракционных решеток
Сетки и коллективы в приборах с срокусным расстоянием окуляра
или последующей оптической системой от 15 до 25 мм; шкалы и
лимбы, рассматриваемые под увеличением от 25 дО 10 Х
Сетки и коллективы в приборах с фокусным расстоянием окуля"
ра или последующей оптической системой более 25 мм; шкалы и
лимбы, рассматриваемые под увеличением менее 10/-; подложки
растров и детали, находящиеся в плоскости изображения фото..
электрических систем, работающих в инсрракрасной области
спектра
Первая линза широкоуrольных окуляров; первая линза микро"
объективов с увеличением более 1 О>'
Призмы, коллективы, первая линза широкоyrольных окуляров и
друrие детали, расположенные вблизи от плоскости действитель"
Horo изображения оптической системы; линзы микрообъективов
Линзы окуляров телескопических приборов, микроскопов и из..
мерительных лабораторных приборов; окулярные призмы; вы..
равнивающие стекла фотоаппаратов; линзы обтекателей и линзы
объективов, работающих в ИК..области спектра в условиях сол"
нечной засветки; пластины и кольца стоп; призмы, применяемые
в качестве оптико"механических затворов и зеркал отражателей;
плоско"параллельные пластины, применяемые в качестве ком"
пенсаторов светоделительных пластин, селекторов; подложки
для диэлектрических зеркал в световой зоне, применяемые в твер"
дотельных лазерах и приборах, разработанных на основе лазеров
Линзы окуляров, Clб ективов и оборачивающих систем в теле..
скопических приборах; призмы и пластины в параллельных и
сходящихся пучках лучей телескопических приборов; лупы;
линзы конденсоров и объективов, работающих в ИК..области при
отсутствии солнечной засветки; выравнивающие стекла фото"
rрафических аппаратов; подложки для интерференционных
фильтров; защитные стекла для электронно"лучевых трубок
Линзы объективов, окуляров и оборачивающих систем; rолов"
ные призмы; призмы в параллельных пучках и защитные стек..
ла в телескопических приборах; линзы и зеркала фотоrрафиче..
ских, киносъемочных и проекционных объективов диаметром
от 20 до 50 мм; линзы конденсоров и объективов, работающих в
ИК"области при отсутствии солнечной засветки; активные эле..
менты (торцевая поверхность); цилиндрические двухканальные
отражатели (внешняя и внутренняя поверхности), применяемые
в лазерах
п родол:чсение табл. 8.4
Класс
чисто Вид и назначение оптических деталей
ты
УI Линзы объективов и оборачивающих систем телескопических
приборов; линзы и зеркала фотоrрафических, киносъемочных,
проекционных объективов диаметром от 50 до 100 мм
VII Линзы и зеркала фотоrрафических, киносъемочных и астроно..
мических объективов диаметром от 100 до 300 мм; смотровые
стекла размером до 300 мм
VIII, Линзы и..зеркала фотоrрафических и астрономических объекти"
IX вов диаметром от 300 до 500 мм; смотровые стекла размером от
300 до 500 мм
VIIIa, Линзы и зеркала фотоrрафических и астрономических объекти..
IXa вов диаметром более 500 мм; смотровые стекла размером более
500 мм
Табл.ица 8.5
Рехомендуемьtе хлассьt чuстотьt поверхностей оnтu-ч,есхuх деталей,
изzотавлuваемьtх uз разлuчных матерuалов
Класс Материал детали Диаметр детали,
чистоты мм, не более
0 10 0 20 150
, , Оптическое стекло rрупп химической
0 40 I IV
, устойчивости А, Б, (сс» по rOCT 13659 78,
V IXa rOCT 3514 94 и rOCT 9411 91 Не оrраничива"
ется
111 IV Оптическое стекло rруппы (сд» 100
V IXa по rOCT 13659 78, rOCT 3514 94 Не оrраничива"
и rрупп В, (сд» по rOCT 9411 91 ется
IV VII Фтор иды 250
IV VII rиrроскопичные, пластичные кристаллы 250
I IV IXa Твердые кристаллы (корунды, rранаты) 150
I
\ IV IXa Полупроводниковые кристаллы 100
'у IXa Пол меры 250
V IXa Металлы Не оrраничива"
ется
111 VII Волоконно"оптические изделия 100
IV VII\ Оптическая керамика 200
IV V 100
VI IXa Оптические ситаллы Не оrраничива"
ется
При м е ч а н и е. Допустимость дефектов на поверхности деталей с ПРОЯВЛЯIО
щейся в процессе обработки структурой (металлы, волоконно uптические изделия
и др.) должна быть установлена в чертежах оптических деталей по rOCT 2.412 81,
утвержденных в установленном порядке.
367
исходя из допустимых значений вызываемых ими дефек"
тов: отклонения пучка лучей от расчетноrо направления и
аберраций оптической системы (поперечноrо хроматизма,
комы, дисторсии). Методика расчета изложена в работах
[IV .1, IV .12, IV .13 ].
При отсутствии требований к какому"либо из рассмотрен..
ных параметров в соответствующей rрафе ставят прочерк.
В особых случаях в соответствующей rpaq)e дается знак сно"
ски, а нормирование параметра приводится текстом в техни..
ческих требованиях.
В т р е т ь е й ч а с т и таблицы указываются оптические
характеристики детали. Так, для линз приводят фокусное
расстояние и фокальные отрезки, а также световые диаме"
тры на ее рабочих поверхностях, для призм rеометриче"
скую длину хода луча и световой диаметр.
4. Допуски на шероховатость поверхностей различны
для рабочих и нерабочих (базовых, технолоrических, сво"
бодных) поверхностей оптических деталей.
Рабочие (оптические) преломляющие и отражающие
поверхности большинства деталей (за исключением, на..
пример, матовых стекол, экранов) полируются до высо"
ты неровностей профиля по параметру (см. rOCT 2789 73,
rOCT 2.309 73) Rz, равному 0,05 мкм.
Н ерабочие поверхности MorYT иметь различные значения
параметров шероховатости, зависящие от их назначеlШЯ,
свойств материалов деталей, методов их получения и обработ"
ки (литье, прессование, штамповка, резание, шлифование,
ПОJШровка, травление), характеристик и зерlШСТОСТИ обра..
батывающеrо инструмента (абразива). Наиболее часто шеро"
ховатость таких поверхностей, достиrаемая удалеlШем слоя
материала, норм руется параметром Ra, равным 2,5 мкм.
В случаях, коrда материал детали (например, бериллий,
карбид кремния, титановые и алюминиевые сплавы, из ко..
торых часто изrотовляют зеркала космических телескопов)
не позволяет получить оптической поверхности, на нее на..
носят конструкционное покрытие (стеклянное, медное, ни"
келевое), которое затем обрабатывают (полировкой, алмаз..
ным точением) для получения требуемых шероховатости и
точности формы поверхности.
Заметим, что оптические поверхности деталей, работа..
ющие с мощным лазерным излучением, обрабатываются с
применением методов rлубокоrо шлиq)ования и полировки
(по РТМ 31236 79) для повышения их лучеврй прочности.
368
5. Допуски на толщину (размер) оптических деталей по
(вдоль) оси пучка лучей (линз, пластин, клиньев) устанавли"
ваются обычно симметричными ( + ), дающими большую сво"
боду действий оптику, по сравнению с односторонним полем
допуска, так как кроме толщины детали он должен выдер"
жать также допуск (более строrий) на точность формы рабо..
чих поверхностей (N, ЫV)..
6. На силовую деталь (линзу , зеркало) устанавливают дo
пустимое 3llа-чеnuе ее децеllтриРО8ки. Под децентрировкой
понимают смещение центра(ов) кривизны ее рабочей по
верхности с базовой оси детали или неперпендикулярность
ее плоской рабочей поверхности к этой оси. В ряде случаев
(например, для цилиндрических рабочих поверхностей,
деталей с некрyrлыми боковыми поверхностями) под дe
центрировкой понимают смещение или непараллельность
центра кривизны либо оси цилиндра рабочей поверхности
относительно базовых поверхностей.
Соrласно rOCT 2.412 81, децентрировка задается следу
ющим образом: nозицuоnnым допуском (рис. 8.1, а, б), дony
ском формы заданной поверхности (рис. 8.1, в), nepnenдиKY
ЛЯр1l0сmъю (биеnuем) плоской поверхности (рис. 8.1, z).
а)
б)
А
в)
A
:
Рис.8.1.Децентров"а
369
Расчет допустимых значений децентрировки осуществля
ется исходя из допустимых значенид вызываемых ею дефек
тов (смещения изображения, аберраций: комы, дисторсии,
поперечноrо хроматизма) и соответствующих коэ(р(рициен
тов влияний децентрировок поверхностей на эти де(ректы
[IV.l, IV.12, IV.13, IV.16]. Пример расчета допусков на цeH
трировку компонентов линзовоrо q)отообъектива представ
лен в приложении П3.
7. На кромках оптических деталей, как правило, наносят
фаски. Фаски подразделяют:
на защитные (теХ1l0лоzические), служащие для удаления
микротрещин ивыколок, появившихся В процесс е обработки
детали, предохраняющие ее от возможных сколов, трещин и
разрymений при закреплении и эксплуатаЦИИlиз за больших
напряжений в этих дефектах под действием различных сил,
а также для исключения травм персонала при изrотовлении
и сборке деталей из за острых кромок и заусенцев;
конструктивные, служащие для удаления излишков
стекла или для базирования детали (центрировка, обеспече
ние воздушных промежутков между деталями) по плоской,
П образной, конической, с(рерической Q)OpMaM буртика;
для крепления завальцовкой (закаткой), приклеиванием,
планками.
Защитные фаски и (раски для крепления завальцовкой
нормализованы для круrлых оптических деталей. Размер
(ширина) фаски зависит от диаметра детали, от Toro на скле
иваемую или несклеиваемую сторону она наносится, а yrол
наклона фаски зависит от отношения ее диаметра D к радиу
су R (табл. 8.6 и 8.7).
Размер защитных (расок на уrлах и ребрах некрyrлых
оптических деталей (например, призм) устанавливают в за
висимости от длины наиболее KopoTKoro ребра (табл. 8.8).
Фаски наносят перпендикулярно биссектрисам TpexrpaH
ных или двухrранных уrлов.
8. На преломляющие и отражающие рабочие поверх"
ности оптических деталей обычно наносят оптические по..
крытия тонкие пленки различных веществ: металлов,
окислов металлов, диэлектриков, полимерных соединений,
кремнийорrанических соединений и др.
Оптические покрытия позволяют изменять оптические
характеристики деталей, придавать им новые q)изические и
химические свойства. В зависимости от назначения покры
тия подразделяются на следующие rруппы:
370
Таблица 8.6
Шириnа фаски КРУZл'ой оnтич'есхой детал'и в зависимости от nазnа
Ч,еnия
Ширина <раски, мм
Диаметр детали, мм для предохранения от выколок
для крепления
Несклеиваемая Склеиваемая завальцовкой
сторона сторона
До 6 (включ.) О 1 +0,] о , 1 +-0, 1 0,1 +0,2
,
Св. 6до 10 0,2+0,2 О з+0.2
,
Св. 10 до 18" О з+0,3 0,4 +0.2
Q!h -? , 0,2+0,2 О 5 +0.3
,
, " . о 7 +0.5
Св. 30 до 50 )
,
....... .... .." о 5 +-0,5 1 0+0,5 ';7 .
Св. 50 до 80
, ,
. .. ..
Св. 80 до 120
0,з+0,з
Св. 120 до 180
0,7+0,7
Св. 180 до 260
Св. 260 до 360 1 ,0+0 8 О 5+0,5
,
СВ. 360 до 500 1,2+1,0 О 8+0,8
,
Св. 360 до 500 1 5+1,5 1,0+1,0
,
Таблица 8.7
У zЛ,ьt nахЛ,оnа фаски ХРУZл'Ой оптической детали
Отношение диаметра Уrол наклона <раски а., ...0, на поверхности
к радиусу поверхности D / R выпуклой воrнутой плоской
До 0,6 ( ключ.) 45 45
Св. О,2.,до l,5 30 60 45
Св. 1,5 90
Таблица 8.8
Размер фасох (мм) па ребрах и уzлах nехруzЛ,ьtх детал'ей
.
Размер (раски Размер <l>аски
Длина для уrлов Длина для уrлов
ребра, мм двуrран тpexrpaH ребра, мм двуrpан TpexrpaH
ных ных ных ных
До 6 (включ.) О 1 +0,2 0,з+0,з Св. 50 до 80 О, 7+0,8 2 5+0,8
, ,
Св. 6до 10 0,2+0.з 0,5+0,з Св. 80 ДО 120 О 8+0,9 3,0+1.2
,
Св. 10 ДО 18 0,3+0,4 1,0+0,4 Св. 120 до 150 1,0+1,0 3,5+1,5
Св. 18 ДО 30 0,4 +0,5 1,5+0,5 Св. 150 1,2+1,2 4,0+2,0
Св. 30 ДО 50 О 5 +-0,6 2 0+0,6
, ,
371
Таблица 8.9
УСЛО8н,ые zрафu-ч,ескuе обозн,ачен,uя просветляющие, зеркалъ
nокрьtтuй (rOCT 2.412 81) ные,.светоделителъные, пo
zлощающие (они изменяют
интенсивность проходтцеrо
и отраженноrо излучения);
филътруюu ие, поляри
зующие, спектроделителъ
ные (изменяющие спек
тральный состав, состояние
поляризации и фазовые ха
рактеристики излучения);
электропроводящие и
защитные (они предназна
чены для обоrрева деталей
временной и постоянной за
щиты деталей, изrотовлен
ных из химически и вла
rонестойких оптических'
материалов, для rидрофоб .
ной и фунrицидной защи
ты деталей, работающих в
условиях MopcKoro и TpO
пическоrо климата, а TaK
же абразивной защиты недостаточно прочных материалов).
у словные обозначения видов покрытий на чертежах опти
ческих деталей указываются в соответствии с rOCT 2. 412 81
(табл.8.9).
Покрытия MorYT быть OДHO , ДBYX , Tpex и мноrослойные.
На чертеже оптической детали, на контуре поверхности CTa
вят условное rрафическое обозначение покрытия, а на поле
чертежа, в технических условиях, после условноrо rраq)иче
CKoro знака типа покрытия указывают следующие сведения
о покрытии (соrласно ОСТ 3 1901 85).
1. Обозначение (условное, цифровое) исходноrо пленко
образующеrо материала первоrо слоя покрытия приведено в
табл.8.10.
2. Обозначение (условное буквенное) способа нанесения
первоrо слоя покрытия приведено в табл. 8.11.
3. мноrocлойныIe покрытия, состотцие из чередующихся
слоев, можно обозначить сокращеlПlО по следующим формулам:
· для четноrо числа слоев (а, Ь) п/2;
· для нечетноrочисласлоев [(а, Ь)(п 1)/2] а, rде а и Ь
чередующиеся слои; п число слоев.
Покрытие Обозначение
Внешнее зеркальное Q
Внутреннее зеркальное б
Светоделительное(по е
лупрозрачноезеркало)
Просветляющее 0
Фильтр (общее обозна Ф
чение)
Отрезающее 0
Узкополосное Ф
Полосовое @
Специальное @
Защитное прозрачное е
Поляризующее О
Электропроводящее Ф
Светопоr лощающее
372
Таблица 8.1 О
У словн,ы,е оБОЗJШЧ,ен,ия н,е1(,оторых
материалов оnтич'еских nOKpы,
тий
При мер' обозначения
мноrослойноrо CBeToдe
лительноrо покрытия:
О Поляриз (90ИЭ.41ИЭ)х
х5.90ИЭ одиннадцатислой
ное поляризационное .покры
тие из двуокиси rафния (90)
и двуокиси кремния (41), Ha
несенных испарением с помо
щью электронiIоrо HarpeBa.
4. В обозначении покрытия
иноrда указывают условия
термообработки. Температуру
проrрева следует изображать
следующим образом:
· в виде индекса у буквы,
если покрытие наносится на
предварительно нarретую дe
таль, например: Просветл.
24И зоо ;
· в виде цифры перед co
кращенным наименоваlШе по
крытия с точкой между ними,
если покрытие наносится на
предварительно проrретую и
охлажденную деталь, напри
мер: Просветл. 300.44Р.43Р;
· в виде цифры после условноrо обозначения покрытия с
точкой между ними, при последующей термообработке сло
ев покрытия, например: 45Р.44Р.43Р.300.
5. Указывается достиrаемая блаrодаря покрытию опти
ческая характеристика для пределенной длины волны из
лучения (интеrральные и спектральные коэффициенты OT
ражеlШЯ или пропускания, спектральная ширина полосы
пропускания, оптическая плотность, удельное поверхностное
сопротивление и т. д.), а при необходимости yrол падения из
лучения на поверхность.
Пример обозначения прос ве тляющ ero по
крытия:
(i9B 24И зоо , Рл. == 1,2 + 0,2 О/о, л. == 540 + 40 нм
по ОСТ 3 1901 85 просветляющее покрытие поверхно
сти Б, пленкообразующий материал маrний фтористый
(24), наносится испарением в вакууме (И) на предваритель
у слов
Материал ное обо
значение
Алюминий 1
Золото 2
Медь 3
Серебро 8
Хром 9
Кремний 12
Тантал 14
_ t . !lЙ !,Q ! WЙ- _" ,- 2.4.: .,
Серебро азотно"кислое 25
Олово двухлористое 26
Цинк сернистый 29
Кремний,двуокись 41
Эфир этиловый орто" 43
кремневой кислоты
Эфир этиловый ортоти" 44
тановой кислоты
Кислота уксусная 63
Лак бакелитовый про" 71
зрачный
Лак бакелитовый с Ha 72
полнителем
Воск пчелиный 85
Церия двуокись 94
373
Таблица 8.11 но наrретую до темпе..
Условnьtе обозnаЧ,еnия способов nanece ратуры 300 ос деталь,
пия nокрьtтий оста точный коэ(I)Фи"
циент отражения Рл. в
диапазоне длин волн
540 + 50 нм не более
1 ,2 + 0,2 О/О .
Пример обозна"
чения отражающе"
РО покрытия:
Э 1И.21Е, РА == 86 О/О
поОСТ 3..1901 85 зер"
кальноевнеIПнеепокры"
\
тие, пленкообразующие
материалы алюми..
ний (1), наносится ис..
парением в вакууме (И)
с последующим нанесением электролизом (Е) фосфорнокис"
лоrо аммония (21), предельное значение коэффициента инте."
rральноrо отражения РАне менее 86 О/О (индекс А обозначает,
что для всех видов зеркальных покрытий коэq)q)ициент от"
ражения дается для источника света типа А с цветовой тем..
пературой 2856 К при уrле падения луча 15 О);
б 25Р.3Е.75П, Рл. == 90 О/о, л == 0,6328 мкм по
ОСТ 3..1901 85 зеркальное внутреннее (заднее) покрытие,
серебрение азотнокислое (25), химическое из раствора (Р),
с защитным анодным меднением (3) электролизом (Е) ила..
кированием бутиральнобакелитовым лаком с наполнителем
(75), наносимым пульвелизатором (кистью) (П), предельное
значение коэ(рфициента спектральноrо отражения для дли"
ны волны 0,6328 мкм не менее 90 О/О .
При м е р о б'о з н а ч е н и я с в е т о Д е л и т е л ъ н о r о
покрытия:
О 44Р.43Р.44Р, а == 45°, Рл./tл. == 1 + 0,2, А == 1060 нм
по ОСТ 3"1901 85 трехслойное покрытие из э(l)ира эти..
ловоrо ортокремневой кислоты (43) и эфира этиловой орто"
титановой кислоты (44), нанесенных из раствора, уrол а
падения пучка 45°, Рл./'tj" отношение спектральноrо
коэ(рфициента отражения к спектральному коэФсl)ициенту
пропускания с предельными отклонениями для указанной
длины волны излучения.
Пример обозначения фильтрующеrо по..
крытия:
Условное
Способ нанесения обозначе
ние
Из раствора Р
L
I:! P M BaK e - . . -:- и. ,)
Испарением с помощью ИЭ
электронноrо HarpeBa
Травлением Т
Электролизом Е
Катодным распылением К
Обработкой с HarpeBoM в рас" Н
плаве
Кистью, пульверизатором П
Обработкой в парах или rазах r
374
Таблица 8.12
У словн.ьtе обозн.ачеnия физических величин. и характеристик, nриJl,Я
mbte па чертежах оnтич.еских деталей и систем
ПОRазатель Обозначение
Физичес"ая величина
Показатели преломлени для линий С', F' , е пс" nF', п е
Средняя дисперсия nF' nс,
Коэффициент дисперсии У е
Длина волны,.. отвечающая rранице пропускания по л'пр
спектру
Длина волны, отвечающая максимуму пропускания по л,шах
спектру
Предел разрешения в уrловых секундах Е
Количество полос (линий) на 1 мм RN
Элементъ" оnтичес"их деталей
Световая зона Св.
Световой диаметр Св.0
Длина хода луча в призме (rеометрическая) l
Предельные оп "л.оне1iия
Предельное отклонение показателя преломления дn е
Предельное отклонение средней дисперсии Д(nF' nс,)
Предельное отклонение стрелки кривизны поверхности N
детали от стрелки кривизны поверхности пробноrо стекла,
выраженное числом интерференционных колец или полос,
или допускаемая сферичность плоской поверхности в том
же измерении
Предельное отклонение формы поверхности от сферы или мv
плоскости, выраженное числом интерференционных ко-
лец или полос (местные ошибки)
Наименьшее допускаемое фокусное расстояние пластинок fшin
или призм' как результат сферичности их поверхностей
в миллиметрах или метрах .
Предельная клиновидность пластинки в минутах или се- в
кундах
Предельная пирамидальность призмы в минутах или се- 1t
кундах
Предельная разность равных по номиналу уrлов призмы 8
(с цифровым индексом уrла призмы) в минутах или се-
кундах
Класс чистоты полированных поверхностей Р
Класс точности пробноrо сте кла, назначаемый по t:J.R
rOCT 2786 76, или предельное отклонение от значения
расчетноrо радиуса поверхности в процентах
375
ф 8И.24И.8И, л. == 450 + 10 нм, t max > 40 О/о, Бл. == 20 нм,
't min 2 О/О по ОСТ 3 190 1 8 5 -----:-- трехслойное фильтрующее
покрытие из чередования пленок серебро фтористый Mar
ний серебро, нанесенных испарением в вакууме, облада
ющее для указанной длины волны света заданными зна
чениями максимальноrо и минимальноrо коэффициентов
пропускания по обе стороны полуширины полосы пропу
скания Бл..
Оптические покрытия в технических условиях на деталь
MorYT обозначаться также по ОСТ 3 1901 95 [IV.3]. После
rрафическоrо знака типа покрытия ставят букву В или Х,
определяющую способ нанесения покрытия (В BaKYYM
ный, Х химический), затем ставят точку и номер покры
тия, после чеrо указывают достиrаемые оптические xapaк
теристики.
При мер обозначения просветляющеrо по
крытия:
В.002; Рл. == 1,2 + 0,2 0/0, А == 800 нм.
Следует отметить, что ОСТ 3 1901 95 дает большую CBO
боду действий изrотовителю (оптику технолоrу), так как не
per ламентирует однозначно технолоrический процесс соз
дания необходимоrо оптическоrо покрытия, однако в HaCTO
ящее время пока он не нашел широкоrо распространения в
конструкторской практике.
Некоторые обозначения покрытий можно посмотреть
далее в примерах чертежей типовых оптических дета
лей.
Условные обозначения физических величин и характери
стик, принятые на чертежах оптических деталей и систем,
приведены в табл. 8.12.
Более подробное рассм'отрение требований к чертежам
. u
конкретных оптических деталеи представлено в COOTBeT
ствующих подразделах пособия.
8.1.2. ОФОРМЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СХЕМ
Оформление оптических схем соrласно rOCT 2.412 81
должно выполняться в соответствии со следующими требо
ваниями [IV.1].
2. На оптических схемах детали и узлы, как правило, сле
дует располarать по ходу cBeToBoro луча, идущеrо от плоско
сти предметов слева направо.
376
3. Для сложных приборов оптическую схему основной ча
сти прибора и оптические схемы узлов прибора, имеющих
самостоятельное назначение, допускается Осl)ОРМЛЯТЬ OT
дельными чертежами. На основной схеме такие узлы допу
скается обводить штрихпунктирной линией.
4. Все движущиеся детали (вращающиеся или перемеща
ющиеся вдоль или перпендикулярно к оптической оси си
стемы) следует изображать в основном рабочем положении.
При необходимости друrие положения подвижной детали
(например, крайние) MorYT быть показаны ШТрИХпунктир
ной линией.
5. На оптической схеме следует:
· указывать:
апертурные диафраrмы и положения зрачков;
положения фокальных плоскостей, плоскостей изображе
ния или предмета, положение полевой диафрarмы:
источники света (схематически);
приемники лучистой энерrии (схематически или услов
ными rрафическими обозначениями);
· приводить:
основные оптические характеристики системы в зави
симости от типа, при необходимости с допусками (YBe
личение, уrловое поле, удаление выходноrо зрачка, OTHO
сительное отверстие, предел разрешения, коэффициент CBe
топропускания и т. д.);
различные дополнительные сведения, например расстоя
ние от последней поверхности фотообъектива до плоскости
изображения, линейное перемещение окуляра на 1 дптр,
при необходимости типы и размеры фотокатодов и пзс
матриц и т. д.;
· проставлять:
диаметры диафрarмы и размеры зрачков, размеры тела
накала или иных светящихся элементов источников света;
воздушные промежутки и друrие размеры по оптической
оси;
размеры, определяющие пределы перемещения или пре
дельные уrлы поворота подвижных оптических деталей;
размеры, определяющие положение оптической системы
относительно механической части прибора, например раз
мер, определяющий положение объектива микроскопа OTHO
сительно нижнеrо среза тубуса;
rабаритные или сборочные размеры, например длину
базы, высоту выноса (при необходимости).
377
Полевая
дuафра ма 1 2
Фокусн-ое расспLоян-ие {' == 300,9 мм
У ловое поле зрения 200 == 40
Ли нейн-ы.й размер изображен-ия 13,2 J-КМ
. Плос"оспLЪ
изображен-ия
3 4 5 6
491.0,15
0,1 :t 0,01
248,15
55:!: 0,15
'-с
"J
tS)
45,2
Таблиц\а 1
Позиция Св. 01 Спtрелка Св. 02 Стрелка ТОЛlL ина по оси
1 23,2 1,81 22,1 1,13 10,0
2 33,1 1,12 21,3 1,31 6,2
3 18,2 1,09 19,1 0,03 2,0
4 16,2 0,26 16,1 1,47 4,3
5 13,4 1,44 13,4 1,34 1,3
6 19,6 0,31 20,2 0,44 3,0
Таблица 2
Формат 80на Позиция Обоз наче nие Деталь Количество При.мечанuя
А4 1 ОЭП 17.01.001 Линаа 1
А4 2 ОЭП 17.01.002 Линза 1
А4 3 ОЭП 17.01.003 Линза 1
А4 4 ОЭП 17.01.012 Линаа 1
А4 5 ОЭП 17.01.013 Линза 1
А4 6 ОЭП 17.02.002 Линза 1
РасчепL оппLичес"ой cucпLeMbt произведен для л. == 0,93 M1LM
Рис. 8.2. Оформление оnтичес"ой схемы, оnти"о эле1LпLРОННОZО nреобразо
. вателя
6. В таблицах на оптической схеме указывают:
· фокусные расстояния и (рокальные отрезки отдельных
узлов оптической системы, которые помещают в поле черте
жа в виде таблицы следующей (рормы:
Номер позиции Наименование
деталей сборочной сборочной {' 8 F 8'F'
единицы единицы
378
. размеры световых диаметров оптических деталей и co
ответствующих им стрелок, а также толщину по оси (для
призм длину развертки), которые помещают в поле черте"
жа в виде таблицы следующей q)оРМЫ:
Номер Стрелка Стрелка Толщина по ()СИ,
позиции Св. 01 по св. 01 Св. 02 ПО СВ. 02 длина развертки
детали призм
· спецификацию перечень деталей, входящих в состав
оптической схемы с указанием позиции, (I)OpMaTa и номера
чертежа, количества и названия деталей; Q)OpMaT специ(ри
кации стандартный; располarается эта таблица над основной
надписью оптической схемы.
Пример оформления оптической схемы представлен на
рис. 8.2.
8.2. линзы и ЛИНЗОВЫЕ БЛОКИ (СКJШЙКИ)
Линзами называются оптические детали из однородных,
прозрачных для оптическоrо диапазона длин волн матери
алов, оrраниченные двумя преломляющими рабочими по
верхностями, из которых по крайней мере одна является
поверхностью тела вращения (сq)ерическая, асферическая,
цилиндрическая, коническая поверхности), применяемые в
оптических приборах для преобразования q)оРМЫ пучков из
лучения и построения изображений различных объектов.
По характеру преобразования пучка различают собираю
щие и рассеивающие линзы; по сочетанию (рорм рабочих пре
ломляющих поверхностей их подразделяют на плосковыпу
клые (воrнутые) (рис. 8.3, а, Z), двояковыпуклые (воrнутые)
(рис. 8.3, б, д), мениски (с радиусами кривизны, одинаковы
ми по знаку) (рис. 8.3, в), би фокальные (с разными радиу
а)
б) у
в)
е) д)
ж)
е)
.1 )
Рис. 8.3. Линзы
379
сами кривизны на частях одной из рабочих поверхностей)
(рис. 8.3, е), линзы Френеля (с п.цоской и ступенчатой по
верхностями) (рис. 8.3, ж), аксиконы (с плоской и кониче
ской поверхностями) (рис. 8.3, з).
Форма боковой поверхности линзы чаще Bcero выполня
ется круrлой (цилиндрической), что является наиболее Tex
нолоrичным при изrотовлении и закреплении в оправе (ино
rда форма боковой поверхности выполняется прямоуrольной
или сеrментарной).
Конструктивные параметры линз, подразделяют на pac
четные и конструкторские.
К расчетным nараметрам относят оптические xapaкTe
ристики и показатели качества материала линзы, ее CBeTO
вые диаметры на рабочих поверхностях, толщину линзы по
оптической оси, радиусы кривизны (или параметры формы)
преломляющих поверхностей, q)OKycHoe расстояние и Bep
шинные фокальные отрезки, допустимые значения поrреш
ностей изrотовления оптических поверхностей (поrреmно
сти формы, децеI-IТРИРОВКУ, отклонение толщины по оси),
вид оптических покрытий. Эти данные определяются при
rабаритном, аберрационном, светотехническом расчетах
оптической системы.
К конструкторским параметрам относят полный диа
метр линзы (или ее размеры, при некруrлой форме), параме..
тры фасок, толщину по краю, rабаритный размер вдоль оси,
чистоту рабочих и шероховатость нерабочих поверхностей,
вид покрытия нерабочих (матовых) поверхностей, допуски
на поrрешности не справочных параметров. Эти параметры
определяют в процессе конструирования при окончательном
оформлении ее конструкции.
Рассмотрим некоторые аспекты определения KOHCTPYK
тивных параметров.
1. Для закрепления линзы в оправе ее полный диаметр BЫ
полняют несколько больше cBeToBoro. Минимальное значение
полноrо диаметра линзы зависит от cBeToBoro диаметра и спо
соба закрепления. Для случаев крепления JШнзы завальцов
кой и резьбовым кольцом (см. далее rлаву 9) рекомендации в
соответствии с ОСТ 3 490 71 дань! в приложении П7. Оконча
тельный размер полноrо диаметра окрyrляется до ближайше
ro (больmеrо) нормальноrо диаметра по rOCT 6636 69.
Поля допус'ков на полный диаметр линзы должны обра
зовывать в соединении с оправой линзы посадку с зазором,
поэтому в зависимости от необходимоrо значения rаранти
380
pOBaHHoro 'зазора и точности центрирования обычно простав"
ляют следующие допуски на диаметры линз:
g6, f7 высокая точность (технический уровень точности);
h8, f9, е9 средняя точность (производственный уровень
точности);
d9, с11, d11 пониженная точность (экономический уро"
вень точности). .
Заметим, что в соединении линзы с оправой должен быть
обеспечен необходимый «температурный» зазор, а также то,
что точность центрировки линзы в оправе зависит не только от
допуска на ее диаметр, но и от выполнения условия самоцен"
трирования (см. п. 1.3.2) и использования результативной об..
работки оправы после закрепления линзы (см. п. 1.3.9).
2. Исходя из требований технолоrии при конструирова"
нии положительных линз необходимо обеспечивать MиHи
мальную толu ину по их краю в сооrветствии с рекоменда"
циями, приведенными приложении П7, а толщина по оси
отрицательных линз в зависимости от ее диаметра и необ..
ходим ой точности формы рабочих поверхностей должна co
ответствовать рекомендациям ОСТ 3..490 83 (табл. 8.13).
Рассчитанные предельные допуски на толщину линз
вдоль оси (исходя из их влияния на качество изображения)
окруrляют до ближайmеrо меньmеrо значения из следую"
Таблица 8.13
Вы,бор тоЛ,щикьt отрицател'ЬКЫХ Л,икз
d, мм, придN, полос
Форма D,MM до 0,3 СВ. 0,3 СВ. 0,5 СВ. 2, О
до 0,5 до 2, О
До 50 0,07D
СВ. 50 до 120 0,07D
Двояковоrнутая СВ. 120 до 260 0,05D
СВ. 260 ДО 500 0,06D
СВ. 500 ДО 650 0,06D
СВ. 650 ДО 800 0,10D 0,06D
До 50 0,09D 0,08D 0,08D
СВ. 50 ДО 120
Выпукло"воrнутая СВ. 120 ДО 260
СВ. 260 ДО 500 0,08D 0,06D 0,06D
СВ. 500 ДО 650 ,
СВ. 650 ДО 800
381
щеrо ряда: + (0,005; 0,007; 0,010; 0,015; 0,020; 0,025; 0,030;
О, 05; О, 07; О, 1; 0,2; 0,3; 0,5; О, 7; 1, О) мм.
3. Радиусы кривизны рабочих поверхностей сферических
линз, полученные при расчетах окрyrляют до ближайших зна
чений по rOCT 1807 7 5, а допуски на них задают в таблице или
в технических условиях (более подробно смотри п. 8.1.1).
4. Как было сказано выше, на линзах MorYT быть HaHe
сены следующие q)аски: защитные, конструктивные, для
креnленuя. Параметры защитных фасок и q)aCOK для крепле
ния (размер, yrол, допуски) нормализованы (см. табл. 8.6,
8. 7).
При малой толщине оптической детали по краю размер
(l)аски может быть уменьшен. Фаски на оптических деталях,
которые крепятся завальцовкой, должны быть концентрич
I
ны относительно наружноrо диаметра.
На выпуклых поверхностях при отношении диаметра к
радиусу поверхности больше 1,5 защитную q)acKY не выпол
няют; при отношении D/R от 1,3 до 1,5 фаска допускается,
но не является обязательной.
Если конструктивная фаска образует с сопряrаемой по
верхностью линзы уrол меньше 1100, то следует снимать дo
полнительно (раску от выколок.
На некоторых линзах, собранных в линзовую систему
rрупповым способом «насыпным без промежуточных KO
лец (см. п. 9.2.2), защитные q)аски на кромках не снимают.
Обусловлено это тем, что при применении данноrо способа
крепления линзы в системе устанавливаются друr по друrу
рабочими поверхностями и кромками (q)асками), поэтому
значительные поrрешности защитных q)aCOK вызывают по
rрешности воздушных промежутков между компонентами и
нарушают центрировку линз в системе (рис. 8.4).
Для точной центрировки линзы и обеспечения номиналь
Horo расстояния между компонентами на соответствующей
кромке линзы выполняется конструктивная (l)acKa, которая
может быть нанесена не вручную, а при помощи инструмен
та с последующим контролем ее размера (расположения) и
биения (рис. 8.5, 8.6).
5. В качестве материала для линз используется в OCHOB
ном оптическое стекло различных марок. Однако в по
следнее время широкое применение получили линзы из
оптических полимеров (полиметилметакрилат, полисти
рол, поликарбонат, сополимер, zeonex), в частности в Mac
совам производстве линз q)отоrрафической техники широ
382
2,55 I. 0,02
2,V(
1,05*
Дn е 2r
д(пF' пс,) 2r
Однородн. 2
Д вул.учеnр. 3
J.lA 5
Бессви л.ьн. 2Б
Пузырн. 3В
N 2
ыv 0,5
Р IV
дR 1
(' 14,12
8 р 13,37
8'F' 13,37
0(2) 8,5
t--..
СА
Острая "pOM a Острая "ром"а
1. *Ра.змер для справо".
2. 24 И 300; Р). == 1,2 :t 0,2 % при л. == 660 :t 30 нм, ОСТ 3 190 1 85.
Линза
Спtе"ло СТК9
rOCT 3514 94
Рис. 8.4. Чертеж линзы. без защитных фасо1(,
Koro потребления, линз осветительных систем (например,
линз Френеля), очковых линз, линз окуляров, лупы, что
существенно облеrчает их массу и уменьшает стоимость
(рис. 8. 7).
Линзы, работающие в инфракрасной и ультрафиолетовой
областях спектра, изrотавливаются из специальных марок
стекол (например, К515, ИКС), кварцевоrо стекла, оптиче..
ской керамики, оптических кристаллов (q)люорита, сильви..
на, (ртористоrо лития, rермания и проч.) (рис. 8.8).
6. Оптические характеристики линзы f', SF, 8'F' И рас"
четные световые диаметры на рабочих поверхностях линз
указывают в третьей части таблицы, причем один из фо..
кальных отрезков при необходимости может указываться с
допуском.
7. Допуск на децентрировку рабочей поверхности линзы
выражают в долях миллиметра и проставляют в поле черте"
жа, в специальной рамке, содержащем три поля, в первом
указывают значок вида допуска децентрировки (позицион..
ный, перпендикулярности или биения плоской поверхно"
383
3,26*
2,V(v!)
Линаа
Сте"ло БФ28
rOCT 3514 94
Дn е 2r
Д(nF' nс') 2r
Однородн. 2
Двулучеnр. 3
J.1A 5
Вессвильн. 2Б
Пузъr.рн. 3В
N 2
llN 0,5
Р IV
дR 1
{' 11 ,48
SF 11 ,90
S" F' 13,63
00А 9,42
ОйВ 8,5
'"
......
СА
в
1. * Раамер для справо".
2. **Обесnечивается инструментом.
3. @АБ 24 И зоо ; РА == 1,2:t 0,2 % при л. == 660:t 30 нм., ОСТ 3 1901 85.
4. П о"рытие поверхности r эмаль черная, ТУ 6 1 o 1 б69 78.
Рис. 8.5. Линаа с "онстру"тивной фас ой
сти, формы заданной поверхности), во втором численное
значение допуска, в третьем указывают базы, относительно
которых следует контролировать децентрировку (см. приве
денные в пособии чертежи линз).
При контроле децентрировки круrлую линзу (или линзо
Boro блока) устанавливают одной из базовых поверхностей на
кольцевую опору, поджимают друrой базовой поверхностью
к ножевидному упору и при водят во вращение. Измеренное
при этом биение центра кривизны рабочей поверхности (или
биение плоской поверхности) относительно базовой оси (соз
даваемой базовыми поверхностями) является мерой дeцeH
трировки. Контроль децентрировки некруrлых сферических
линз, цилиндрических и асферических линз производится с
помощью специальных методов и приборов [IV.3].
Высокий уровень точности центрировки линз COOTBeTCTBY
ет значениям их децентрировки в диапазоне О, 002 0, 005 мм,
среднему уровню соответствует диапазон 0,005 0,01 мм
и понижеююму овню 0.01 0,02 мм.
8. Па рабочие поверхности линзы MorYT быть нанесены
различные виды оптических покрытий (СМ. п. 8.1.1), а для
384
о ' (V>
R 80 54
,...,.
..
'" СА
ь.о +1
СВ
tS} ,...,.
tS} tS}
дп е 3Б**
д(пF' пс,) 3В**
Однородн. 2
Двулучеnр. 2
A 5
Бессвильн. lБ
пузын.. 4r
N A . B 2
IlN AB O 3
Р V
дR 1
{' зо ,94
8 F 31 ,68
8'F' 30,77
01214 24,1
2,2 h12( o,1)
Линза
Сте"ло ТБФ4
rOCT 3514 94
4,35*
1. *РаЗ'меры для справок.
2. ** Произвести пересчет на плавки по фактически};! значения,М п е, пF, пс, co
вместно с остальными оптическими детаЛЯ'ми изделия.
3. Покрытие .матовых поверхностей: Э'мальХС 54:З черная, ТУ 10 1689 78 [[[С.
4. @ мноrослойное, р,,- === 550 < 0,5 %.
Рис. 8.6. Менис" с П обраанъtМ бурти"ом (фас"ой)
уменьшения бликов и защиты детали от влияния внешней
среды выполняют покрытия их боковых поверхностей и фа
сок по ТУ 6 10 2136 88. Чаще Bcero для этих целей исполь
зуется черная rлубокоматовая эмаль XC 75Y.
Одиночные сферические линзы вследствие больших абер
раций редко применяются как самостоятельные элементы
оптических приборов. Чаще используются комбинации из
нескольких линз, склеенные линзы (склейки, линзовые бло
ки), выполняющие те же функции, что и одиночные линзы,
но со значительно меньшими аберрациями.
Большое распространение в ОП получили с"леенные бло
"и из двух линз (реже трех линз и более) положительной
и отрицательной, изrотовленные из стекол различных Ma
рок типа крон и флинт (рис. 8.9). Они применяются, напри
мер, в качестве объективов и оборачивающих линз теле
скопических приборов. У двухлинзовых склеек MorYT быть
385
3,1 * ::
2,V<v)
<:\)
......
tS}
Дn е 3В
Д(nР' пс,)
Од1l0род1l. 5
Двулучепр.
J.lA 5
Бессвил.ыl. 3В
пузыIl.. зr
п ocп opOllllиe 1
вI'люченuя
N
ыv 0,3
р IV
дR* 2
{' 40 ,98
8 р 40,77
8'р' 40,11 f 0,8
0(2; 14
2,8**
0,2+0.2 х 450
1,5-1:0,1
1. *Класс точности llробных стекло для фор.МУЮll их 1l0верхностй прессфор:м.
2. ** Размер для справок. Л
иllза
Полимер лео м
rOCT 15809 70
Рис. 8.7. Линза из полимера
хорошо исправлены сферическая аберрация, хроматизм и
кома, друrие же аберрации устранить достаточно полно He
возможно.
Для склеивания линз (и друrих оптических деталей)
применяют специальные оптические клеи: пихтовый
бальзам, бальзамин, бальзамин М, акриловый, УФ 215М,
эпоксидный и друrие оптические клеи, которые обладают
рядом необходимых свойств и характеристик (высокая
прозрачность в спектральном диапазоне, близость пока
зателя преломления к показателям преломлений склеи
ваемых материалов, оптическая однородность, отсутствие
возникновения существенных напряжений при полиме
ризации, стабильность свойств во времени, тепло и MOpO
зостойкость И т. д.).
Основные марки оптических клеев и их свойства приве
дены в rOCT 14887 80, ОСТ 3 6894 97, рекомендации по
использованию тех или иных марок клеев при склеивании
линз и друrих оптических деталей в зависимости от условий
их работы приведены в справочниках [IV.l, IV.3]
386
RZO.o
с
,.....
tS}
"J
tS}
0,5 х 450
4* RZO.o:;
5,5*
2'ij(v)
Q(л.) 1
Однородн. 2
Двулучеnр. 4
Свилеnод. 1
дефе1Сп ъ/'
Пу.зырн.. 4
N A 3
д!VA 0,3
N B 2
дN в 0,2
дR А 0,04
дR в 0,04
р** 111
{' 83663,66
8 р 84003,66
8'р' 8332 7,66
0(2; 32/12
1. * Раз;мер для справок.
2. *Неконцентрuчность поверхности А относительно поверхности Б не более
0,02 мм.
3. *-;:Допускается сетка волосяных царапин шириной не более 0,01 .М.М.
4. П окрытие JttamoBblX поверхностей: ЭJttаль xc 107 черная, ТУ 6.1 o 1 042 77.
Линза
Кальций фтористъ/,й
ФК У, rOCT 17570 72
Рис. 8.8. Линза из "рисп алла
Чертеж линзовоrо блока оформляется в соответствии с
требованиями, приведенными в п. 8.1.1. На чертеже блока,
являющеrося сборочной единицей, указываются только те
параметры, которые должны быть выполнены и прокон
тролированы в процессе СQОрКИ (склейки): центрировка
и толщина склеенноrо блока, отсутствие де(рормаций Ha
ружных рабочих поверхностей, их чистота. Поэтому Bepx
няя часть таблицы требования
к материалу на чертеже скле
еииоrо блока линз отсутствует,
таблица состоит только из двух
частей: требований к сборке и
оптических характеристик.
Параметры N и указывают
для KocBeHHoro контроля деформа
ций детали, которые MorYT возник
Рис. 8.9. С"лей"и линз
387
нуть В результате склеивания, класс чистоты Р назначают
для контроля дефектов наружных рабочих поверхностей,
которые моrли возникнуть в процессе склейки. 3начения
f', S F, S' F' указывают для проверки оптических параметров
сборочной единицы (одно из этих значений дано с допусти"
мым отклонением от расчетноrо). Для первой и последней
рабочей поверхности склейки указывают их световые диа..
метры 00.
На чертеже линзовоrо блока склеиваемую поверхность
выделяют линией двойной толщины и указывают стрелкой
с буквой К в ее разрыве. В технических требованиях или в
специq)икации должны быть указаны наименование и марка
клеящеrо вещества и номер нормативноrо документа, а при
необходимости и толщина клеящеrо слоя. Чертеж склеенно..
ro блока представлен на рис. 8.10. I
В склейке одна из линз является базовой, а дрyrая при"
соединяемой (приклеиваемой). При конструировании дета"
лей, входящих в склейку, как правило, на полный диаметр
базовой линзы назначается допуск е9, для приклеиваемой .
d10 или d11. Допускается выполнять приклеиваемую лин у
n.2
N A 2'
ЫV A 0,3
N B 3
ЫV B 0,5
Р 1
{' 22,4
SF 21 ,49
S'F' 20,86
00А 9,8
-t. -t.
'" с;:,
СВ I <:\) ,....
Св ,....
,....
,....
4 1 +0.05
, о.оз
1. * Размер для справок.
2. Бальзамин М, rOCT 14887 80.
Линза склеенная
Рис. 8.1 О. Чертеж с"леенной линзъ!.
388
с уменьшенным диаметром по номиналу по сравнению с ба
зовой линзой на 0,2 0,4 мм на диаметр.
При определении базовой и приклеиваемой линз следует
ytIитывать следующее:
· в качестве базовой следует выбирать линзу с большей
толщиной по краю для удобства базирования при склеива
нии и контроле rOToBoro узла;
· в качестве базовой следует выбрать ту деталь, у которой
в склейку идет воrнутая поверхность, поскольку клей при
склеивании не должен вытекать из соединительноrо шва, а
напротив, должен заполнять все образующиеся пустоты при
сопряжении двух линз;
· наружный радиус базовой линзы желательно иметь
большеrо значения, чем наружный радиус приклеиваемой
линзы для более точноrо и удобноrо изrотовления склейки;
· желательно, чтобы показатель преломления материала
базовой линзы не значительно отличался от показателя пре
ломления клея по сравнению с разницей показателей пре
ломления клея и материала приклеиваемой линзы;
· необходимо, чтобы радиус базовой поверхности был
больше радиуса приклеиваемой поверхности (это касается
как базовой, так и приклеиваемой линз);
· желательно, чтобы базовая поверхность базовой линзы
оставалась базовой поверхностью и для всей склейки;
· желательно, чтобы у приклеиваемой линзы базовой яв
лялась та поверхность, которая уходит в склейку.
Допуск на децентрировку базовой линзы ставится более
жесткий, чем допуск на приклеиваемую линзу. Особенно это
касается случая, коrда показатель преломления материала
приклеиваемой линзы фактически совпадает с показателем
преломления клея.
Допуск на суммарную трлщину склейки линз рассчиты
вается следующим образом: d скл == дd баз + дd прlIк + 0,01, Ha
пример:
,'\
А d баз == 1 + 0,01; d пр ' ' 4 + 0,02;
d == 1 +0,01 + 4 +0,02 + О 01 == 5+0,04
скл 0,01 0,02' 0,02.
На наружные рабочие поверхности склейки линз MorYT
быть нанесены оптические покрытия, а боковые поверхно
сти и фаски (матовые поверхности) покрывают защитными
эмалями по ТУ 6 10 2136 88.
389
8.3. ПРИ3МЪI
Призмами называют оптические детали или оптические
системы деталей (объединенные в единый блок) с плоскими
рабочими поверхностями (rранями) на которых происходит
преломление или отражение оптическоrо излучения.
В оптических приборах призмы применяют в следующих
целях:
· для изменения хода лучей, направления оптической
оси системы и направления линии визирования;
· оборачивания изображения;
· уменьшения rабаритных размеров системы;
· разделения или объединения пучков лучей, полей или
изображений;
· вращения изображения или компенсации ,поворота
изображения;
· сканирования изображения или модулирования излу
чения;
· разложения света в спектр;
· поляризации света;
· юстировки и аттестации приборов, создания измери
тельных баз.
Призмы подразделяют обычно на две rруппы: отража
тельные и спектральные. :к rруппе спектральных относят
также поляризационные, модулирующие и отклоняющие
излучение призмы на основе физических эсl>фектов в их Ma
териалах при воздействии на них электрических или Mar
нитных полей.
Самой мноrочисленной rруппой являются отражательные
призмы, на примере которых рассмотрим некоторые аспек
ты их конструирования.
По своему действию на световой пучок отражательные
призмы подобны зеркалам, однако в ряде случаев призмы
более эфq>ективны, чем зеркала. Преимущества отражатель
ных призм по отношению к зеркалам:
уrлы между rранями призмы неизменны, тоrда как уrлы
между зеркалами должны реrулироваться с большой точ
ностью при сборке и MorYT разъюстироваться в процессе экс
плуатации;
потери света у призм от rраней с полным внутренним OT
ражением равны нулю, тоrда как при отражении от поверх
ностей зеркал потери довольно велики; кроме Toro, отражаю
щие покрытия зеркал с течением времени MorYT портиться;
390
конструкция крепления призм в оправах, как правило,
проще, чем у системы зеркал, и обладает меньшими rабарит
ными размерами;
для некоторых призм нет эквивалентных зеркальных си
стем (например, для призмы Дове, полупенты, некоторых
видов спектральных призм).
Замена отражательных призм зеркалами целесообраз
на в случаях: коrда имеют значение масса прибора, так как
зеркала значительно леrче призм; при высокой стоимости
оптическоr6 материала; для достижения требуемоrо каче
ства изображения, так как призмы являются источниками
хроматических и друrих аберраций, особенно в случаях их
работы в сходящемся пучке лучей.
Рабочие и нерабочие поверхности (rрани) призмы пред
ставляют собой плоскости.
Рабочие поверхности подразделяют на преломляющие,
через которые световой пучок входит в призму или выходит
из нее, и отражательные, от которых пучок отражается при
прохождении внутри призмы.
Число рабочих rраней и взаlIмное их расположение опре
деляют ход пучка внутри призмы и все преобразования пуч
ка, которые при этом происходят.
Если осевой луч проходит внутри призмы В одной плоско
сти, то такую призму называют плоской. Если осевой луч
идет в двух плоскостях, такая призма называется пpocтpaH
ствеНll0U.
Сечение призмы плоскостью, в которой проходит осевой луч
пучка, называется zлавным сечением призмы; у плоских призм
одно rлавное сечение, у пространственныIx rлавных сечений
столько, сколько плоскостей, в которых проходит осевой луч.
Отражательные призмы подразделяют на простые (их
называют также одинарными), выполненные из одной за
rотовки материала, и составные (призме1lные блоки), пред
ставляющие собой комбинации из двух или больmеrо числа
простых призм, объединенных в единый блок с помощью
склейки или закрепления в оправе (рис. 8.11).
Основными целевыми характеристиками отражательных
призм являются: уrол отклонения cBeToBoro пучка, линей
ное смещение пучка, оборачивание изображения, степень
возможности разделения или совмещения пучков лучей.
Уzлом отклонения называется yrол между направлениями
oceBoro луча до и после призмы, причем промежуточныIe OT
клонения луча внутри призмы во внимание не принимаются.
391
а) б)
lli .
...
в)
'" /
"
Рис. 8.11. Отр.ажательн.ы,е nри.змы с одним (а, в) и двумя отражениями (б)
л инеЙIlЫМ смещеlluем пучка называют расстояние между
параллелъными направлениями осей падающеrо на призму
и выодящеrоo из призмы пучка лучей. Если это расстоя
ние равно нулю (направления осей падающеrо и прошедше
ro пучка совпадают), то такие призмы называют призмами
прямоrо зрения (видения).
Оборачивание изображеllия зависит от числа отражаю
щих rраней и их расположения в пространстве. I
ПЛоские призмы с четным числом отражающих rраней
дают прямо изображение. При наклоне такой призмы в
rлавной плоскости выходящий пучок лучей не отклоняется.
Плоские призмы с нечетным числом отражающих rраней.
дают зеркальное изображение предмета. При наклоне их в
плоскости r лавноrо сечения лучи отклоняются на двойной
yrол.
/
Для оборачивания изображения в плоскости, нормальн;ои
к rлавному сечению, одна из отражающих rраней призмы
заменяется крышей, которая представляет собой две OTpa
жающие поверхности, образующие двyrранный yrол 900,
симметрично расположенные относительно r лавноrо сече
ния призмы (рис. 8.12).
СтепеllЬ возможности разделения илu объедUllеllия пуч
ка лучей призмой (призменным блоком) определяется спо
собностью разделять (объединять) пучок на две, три или бо
лее составляющих (-как правило, это составные призмы типа
призмы куб, Кестерса, цветоделительной).
Типовые простые прuзмы имеют условное обозначение
в виде двух букв и числа, разделенных знаком тире [IV .1].
а)
...
б)
..
..
Рис. 8.12. Призмы с "ры,шеu: а nрямоуеольн-ая; б лента
392
Первая буква указывает число отражающих rраней при
змы (А одно отражение, Б два, В три), вторая xa
рактер ее конструкции (Р равнобедренная, П пентаприз
ма, У полупента, С ромбическая, Л призма Лемана).
Число обозначает уrол отклонения oceBoro луча в rрадусах.
При этом крыша считается за одну rрань. Обозначается KpЫ
ша индексом «к. у первой буквы. Для пространственныx
призм указываются yr лы отклонения в соответствующих
плоскостях по ходу луча.
Типовые составные nризмы имеют друrие условные
обозначения. Буквой обозна ают тип призмы (например,
А Аббе призма, К куб призма, Б башмачная,
П Пехана призма), цифрой уrол отклонения.
Составные призмы применяются в тех случаях, коrда про
стые призмы не MorYT обеспечить необходимые целевые ха
рактеристики или не MorYT быть установлены в сходящемся
пучке лучей (так как разворачиваются в наклонную плоско
параллельную пластинку и вносят большие аберрации) либо
коrда требуется уменьшить rабаритные размеры системы.
На рис. 8.13 8.15 представлены составные и светодели
тельные призмы.
На рис. 8.14 приведены составные пространственные при
змы, использующиеся как оборачивающие призменные си
стемы призменные системы Малафеева Порро первоrо
(рис. 8.14, а) и BToporo рода (рис. 8.14, б).
В табл. 4.6 справочника [IV.1] приведены основные типы
простых и составных отражательных призм и соотношения
их размеров.
Конструктивные параметры призм, так же как и для линз,
подразделяют на расчетные и конструкторские.
К расчетным nараметрам относят: оптические xapaктe
ристики и показатели качества материала призмы' ее CBeTO
вые диаметры 0(2) на рабочих поверхностях, длину хода луча
\
\
\
\
\/
....
е)
а)
б)
....
Рис. 8.13. Составные nриамы: а, б, башм-ачн-ые; в П ехан-а; е Аббе
393
б)
ВР 900
Рис. 8.14. Пространспtвен.н.ь/,е прuзм.ен.н.ые сиспtем.ы
в призме l, допустимые значения поrрешностей изrотовле..
ния рабочих ,оптических поверхностей (поrрешности (l)ормы
N; М), поrреmности yrлов призмы, влияющие на качество
изображения, пирамидальность п, вид оптических покры"
тий, а также (при необходимости) значения допустимой фо"
кусности f min И предел разрешения в. Эти данные определя"
ются при rабаритном, аберрационном и светотехническом.
расчетах оптической системы.
К конструкторским параметрам относят rабаритные раз"
меры призмы (которые зависят от типа призмы, ее CBeTOBЬ
диаметров, запаса для крепления, юстировки), парамerppыI
q)aCOK на ребрах и yrлах, допуски на yrлы, не влияющие на
качество изображения, класс чистоты рабочих полированных
поверхност,ей, шероховатость рабочих инерабочих поверхно"
стей, покрытия матовых поверхностей. Эти параметры полу"
чают в процессе разработки ее окончательной конструкции.
Расчету конструктивных параметров и допусков на них
посвящено MHoro работ [IV.1, IV.12, IV.13, IV.17, IV.18].
Отметим некоторые особенности определения конструк"
тивных параметров призм.
1.. Треб'ования к материалу призм зависят от назначения
прибора и расположения
призмы в ero опти'ческой
системе. Если призма ра"
ботает в широком пучке
/./ : лучей (rоловная призма,
'// I
I например), то для такой
призмы ужесточаются
требования к материалу
'Рис. 8.15. свепl,оделuпl,елыlеe прuз.М.Ы: по отклонению показате..
а скл.ей"а ne.нпtаnрuзм-ы u пря..м.о
уzол.ън.ой Рtnизмы; б призма "уб ля преломления и средней
а)
t
б)
394
дисперсии; однородности, двойному лучепреломлению. Чем
ближе призма к плоскости изображения, тем жестче CTaHO
вятся требования по пузырности, классу чистоты полиро
ванных поверхностей.
Потери света на поrлощение в стекле зависят от катеrории
стекла по показател ослабления, выбор катеrории связан
с назначением прибора и особенностями ero конструкции.
Для ответственных приборов при большой длине хода лучей
в стекле применяют стекла более высоких катеrорий, чем
для призм неответственных приборов.
2. При конструировании составных призм (особенно CBe
TO и цветоделительных) следует иметь в виду, что допуски
на отклонение оптических констант их материалов должны
быть весьма жесткими, поэтому их часто изrотавливают из
стекла одной плавки. Кроме этоrо, если такая призма склеи"
вается из нескольких, то в оправе можно закреплять только
одну из них (базовую), а не все, так как от усилий закре:IiIле
ния возможна расклейка призменноrо блока. Поэтому при
змы, удерживаемые только клеем, должны иметь меньшие
размеры по сравнению с базовой.
3. Следует избеrать больших rабаритных размеров
призм, так как в этом случае увеличивается масса прибора,
возникают трудности с подбором больших кусков стекла без
пузырей, свилей и дрyrих де(l)ектов, ухудшается качество
изображения, повышается стоимость изrотовления и услож
няется крепление призмы (например, из..за невозможности
крепления приклеиванием к оправе). При больших rабарит"
ных размерах призм часто бывает выrоднее заменять их си..
стемой зеркал.
4. Наибольшее влияние на качество изображения ока..
зывают поrрешности yrлов призм, вызывающие двоение
изображения. Это поrрешности yrлов крыш,. а также по
rрешности уrлов и пирамидальности составных призм,
разделяющих или объединяющих пучки лучей (например,
составляющих призму куб), поэтому допуски на эти уrлы
назначаются весьма жесткие до 3 5".
На пирамидальность призмы, а также на те' поrреmности
yrлов между отражающими и преломляющими ее rранями,
которые приводят к клиновидности развертки призмы, вы..
зывающей хроматизм изображения, назначают- более ПIиро
кие допуски. У подвижных призм пирамидальность вызы
вает, кроме Toro, неустранимую поrрешность визирования
(см. п. 9.3.3).
395
Допуски на указанные уrлы и пирамидальность вычисля
ются в зависимости от допустимых значений хроматизма и
требований к точности работы прибора [IV.1, IV.12, IV.13,
IV.19]), равных в большинстве случаев нескольким yrловым
минутам. Требования к клиновидности развертки и пирами
дальности призмы ужесточаются с увеличением yr ла паде
ния пучка на входную rрань.
5. Заметим, что поrрешности не всех уrлов призм влияют
(или влияют одинаково) на клиновидность развертки. Ha
пример, поrрешность уrла 900 у прямоуrольной призмы не
влияет на клиновидность, влияние оказывает разность yr лов
450. У пента призмы, напротив, поrрешность yrла 900 OKa
зывает вдвое большее влияние на клиновидность развертки,
чем поrрешность yr ла 450.
6. На линейные размеры призм назначают допуски на
кономичеQ КО М (пониженном) уровне точности (по 10 12 MY
квалитетам точности), так как поrрешности этих размеров
не влияют на качество изображения.
7. Требования к точности формы рабочих поверхностей
N и определяют в зависимости от допустимоrо искаже
ния изображения, вызываемоrо этими поrрешностями, а
также значениями уrлов наклона поверхностей по отноше
нию к падающему пучку.
Требования к отражающим rраням при этом в четыре
шесть раз выше, чем к преломляющим (так как при HOp
мальном падении пучка их влияние примерно в четыре
раза более сильное, чем влияние поrрешностей формы пре
ломляющих поверхностей). Допуск к поrрешности N как
преломляющих, так и отражающих рабочих поверхностей
быстро ужесточается с увеличением yr ла падения лучей
на поверхность, допуски к N преломляющих поверхно
стей ужесточаются, а OT
ражающих ослабляют
ся «(рормулы для расчета
допусков и rраq)ики за
висимости влияния на
клона по ерхностей даны
в работах r. В. Поrарева
[IV .1, IV .19]).
8. При назначении
класса чистоты рабочих
поверхностей р следу
ет учитывать положение
Таблица. 8.14
У zлы, nолн,оzо 8Kympennezo отраже..
н,ия от zunотен,узн,ой zpanu прямо..
уzольн,ой nрuзмы,
Марка п е Е т Е
стекла
К8 1,6183 41 016' 5041 '
БК10 1,5713 39036' 8029'
ТК2 1,5749 39030' 8041 '
ТК16 1,6152 38019' 10047'
ТФ2 1,6776 37022' 12038'
ТФБ 1,761 7 34044' 18013'
396
призмы относительно плоскости изображения. К чистоте
rраней, расположенных вблизи плоскости изображения,
предъявляются повышенные требования.
9. Рабочие (оптические) поверхности призм полируют
(или получают друrими методами) до параметра шерохова
тости Rz == 0,05 мкм, на нерабочие (матовые) поверхности
устанавливают допуск по параметру Ra == 2,5+10 мкм.
10. Рекомендуемые па:Rаметры фасок на ребрах и уrлах
призм даны табл -7 :', - ( 16' I )
11. О воз ожньtх видах оптических покрытий, наноси
мых на рабочие преломляющие поверхности призм, покры
тиях матовых поверхностей см. п. 8.1.1.
От рабочих отражающих поверхностей призмы отраже
ние света может происходить как за счет полноrо BHYTpeHHe
ro отражения, так и от отраЖaIOщеrо покрытия.
Отражающие покрытия (зеркальные, светоделительные)
наносят на отражающие rрани призм, если уrол падения луча
А
'у
Оз
с\1
,...".
..:::::
,...".
,...".
АУ
1. * Размер для справок.
2. Фаски на ребрах 0,2+0,3 х 450.
Фаска на уzлах OJ5+ 0 ,3 х 450.
В. @ 24 И 300 Ртах О. == 540х50 н.м) == 1 ,2 :t OJ2 %
по ОСТ B 190 1 85.
4. П окрытие матовых поверхностей: ЭМХС 543 черная
ТУ 6 1 0 1669 78.
2'f!<v>
1lnе 5r
ll(пF пс,) 5r
Однородн-. 1
Двулучеnр. 3
JlA 1
Бессвильн-. 1
П узырн. 3А
N B 3
дН в 0,5
N B 0,5
дН в 0,2
Р 11
Е 25"
8450 l'
1t 3'
е
1 14
00 6
При.зма AкP 900
СпLе"ло КВ
rOCT 3514 94
Рис. 8.16. Прямоуzольн-ая nризма с "рышей
397
t:\1
,...".
"""
----
t:\1""'"
,...".
----
с
151112
2 .:-
..
2 ' (Jy
450
дп е 5r
д(пF' пс,) 5r
Однородн. 1
Двулучепр. 3
J.1A 1
Бессвuл.ън. 1
Пузырн. 3А
N A 3
ЫV A 0,5
N B 1
ЫУ В 0,3
Р 11
Е 12"
Б 45" l'
1t 3'
е
1 30
00 11
15h12
1. * Раз.мер для справок.
2. Фас"и на ребрах 0,2+0.з х 450.
Фас"а на уzлах 0,5+0,3 х 450.
3. 24 И ЗОО , Ртах (1== 540:t50HA-Z) == l,2:t 0,2 % по ОСТ B 1901 85.
4. П о"рытие матовых поверхностей: ЭАfХС 543 черная
ТУ 6 1 o 1669 78.
Прuзма ромб
Сп е"ло К8
rOCT 3514 94
Рис. 8.17. Призма "уб
1
n.1 2
N A 3
IlN A 0,5
N B
ЫУ В
Р А VI
Р В VI
1t 2'
ООА I 83
-::
00
1. Клей Бальза.МUН Af, rOCT 14887 80.
2. * Размер для справок.
3. Покрытие матовых поверхностей: Э.маль XC ll 07hl
черная, ТУ 6 10 1 042 78.
Призма сnе"пLральная
Рис. 8.18. С"леенная nризма
398
на поверхность меньше уrла полноrо внутреннеrо отражения
либо коrда нужно разделить (объединить) излучеlШе.
В качестве примера (табл. 8.14) представлены значения
предельных yr лов Вт полноrо BHYTpeHHero отражения и
yrлов В падения луча на входную rрань прямоуrольной при"
змы, выполненной И? различных марок стекла.
Наиболее типовым, внутренним зеркальным покрытием,
наносимым на отр'ажающую rрань призмы, является сере"
брение с защитой медью и лаком: О 25 Р.3Е.75П, Рл. == 90 0/0,
А == 0,6328 по ОСТ 3..1901 85 (расши(рровка покрытия дана
в п. 8.1.1).
Требования к оформлению чертежей призм изложены
в п. 8.1.1.
Примеры рабочих чертежей типовых призм представле"
ны на рис. 8.16 8.18.
8.4. ЗЕРКАЛА
Зеркалом называют оптическую деталь, у которой рабо"
чая поверхность (или одна из рабочих поверхностей) отра"
жает оптическое излучение. Отражение происходит от зер"
кальноrо покрытия, HaHeceHHoro на рабочую поверхность,
либо от самой полированной рабочей поверхности детали,
выполненной из материала, обладающеrо хорошей отража"
тельной способностью (например, медные или алюминиевые
сплавы, коррозионно"стойкая сталь).
Зеркальное покрытие может быть нанесено на внешнюю
рабочую поверхность (наружное покрытие) или заднюю ра"
бочую поверхность (внутренне покрытие).
Зеркала подразделяют на плоские (с плоской рабочей по..
верхностью) и силовые (со сq)ерической или ас(l)ерической
рабочей поверхностью). .
Плоские зеркала по своему действию на световой пучок
подобны отражательным призмам, а силовые линзам, так
как они преобразуют (рорму пучка и создают изображение.
Достоинствами зеркал по сравнению с призмами и линзами
являются: меньшая масса, простота конструкций, меньшее
значение вносимых аберраций (в том числе отсутствие хро"
матизма у зеркал с наружным отражением), исключение тре"
бований к ряду показателей качества материала зеркал с на..
ружным отражением, а также возможность создания зеркал
больших размеров (до нескольких и более метров в диаметре).
399
К расчетным КО1lструкти8НЫМ параметрам зеркала,
получаемым в результате rабаритноrо, аберрационноrо и
светотехническоrо расчетов оптической системы, относят:
световые размеры рабочей поверхности ( ей) и параметры ее
формы (плоскость, радиус сферы, уравнение и координаты
точек для асферики), значение коэq)q)ициента отражения от
рабочей (зеркальной) поверхности [при работе в УФ области
спектра (1 380 нм), видимой (380 780 нм), ин(l)ракрасной
(780 нм 40 мкм), субмиллиметровой (40 мкм 1 мм)]; допу
стимые значения поrреmностей изrотовления рабочей поверх"
насти (общая и местная поrрешности формы, децентрировка).
К конструкторским параметрам, получаемым в процес
се разработки конструкции зеркала, относят: материал зер
кала, ero rабаритные размеры (зависящие от световых раз
меров, способа крепления, необходимой технолоrической и
конструктивной жесткости, запаса для юстировки), шеро"
ховатость и класс чистоты поверхностей, параметры фасок,
вид покрытий.
Р ссмотрим некоторые особенности определения KOH
структивных параметров зеркал.
1. Выбор материала зеркала зависит от ero назначения
(для построения изображения, осветительное), условий экс"
плуатации (температурный режим, нarрузки), требований к
массе и rабаритным размерам, возможности реализации He
обходимой технолоrии изrотовления.
Чаще Bcero зеркала изrотавливают из традиционных
материалов: оптическоrо стекла: [ЛК5 (пирекс), ЛК7, К8],
плавленоrо кварца (К"У, КВ, ULE), ситаллов (СО115М, co
33М, церодур).
Развитие космической аппаратуры, создание мощных ла
зерных и адаптивцых систем, криоrенных телескопов (Tpe
бующих охлаждения зеркал до температур жидкоrо rелия
4 К и жидкоrо азота 77 К) привели к изrотовлению зеркал из
нетрадиционных материалов (меди, алюминиевых сплавов,
титана, бериллия, кремния, карбида кремния, боросилика
та, rрафитоэпоксида [IV.3, IV.5, IV.20]).
Основными единичными nоказателями качества MaTe
риала, используемоrо для зеркал, являются: ero плотность р
(чем она меньше, тем лучше); модуль упруrости Е (чем он
больше, тем лучше); температурный коэффициент линей
Horo расширения а (чем он меньше, тем лучше); теплопро"
водность л. (чем она больше, тем лучше); удельная теплоем"
кость С (чем она меньше, тем лучше).
400
Комплексными nоказателями качества материала явля"
ются: ero удельная жескость Е/р, пропорциональная дефор"
мация под действием собственноrо веса, позволяющая оце"
нить стабильность формы рабочей поверхности зеркала при
изrотовлении, закреплении и эксплуатации под действием
нarрузок; температурная стабильность А/а, характеризую"
щая термодеq)ормации зеркала при изменении темпера туры;
коэффициент Максутова 'V == ЕА/(арС), которым пользуются
для ориентировочной интеrральной оценки качества мате..
риала для зеркал.
Заметим, что конструктор обычно старается использовать
для изrотовления зеркал материалы с низким значением ко..
эq)q)ициента а, однако низкая теплопроводность (температу"
ропроводность q) материала зеркала не позволяет выровнять
температуру в ero объеме при изменении тепловоrо потока,
что вызывает неравномерность напряжений и температурные
дeq)ормации рабочей поверхности (э(l)q)ект края). На это об..
стоятельство указывал Д. д. Максутов [IV.8], приводивший
ряд преимуществ металлических зеркал перед стеклянными.
. Металлы и дрyrие теплопроводные материалы позволяют
реализовывать альтернативный подход к решению пробле"
мы температурной стабильности зеркал за счет их высокой
теплопроводности.
В табл. 8.15 [IV.3, IV.5] представлены показатели каче..
ства некоторых материалов, используемых для изrотовления
крупноrабаритных зеркал и зеркал, работающих в сложных
температурных режимах.
Из табл. 8.15 видно, что кремний и карбид кремния не усту"
пают по температурной стабильности даже такому рекордсме"
ну среди традиционных оптических материалов, как ULE.
Решающим apryмeHToM в пользу ряда нетрадиционных
материалов является принц:ипиально более высокая удель"
ная жесткость последних. Бериллий, карбид кремния, крем"
ний превосходят традиционные материалы по этому показа..
телю в два пять раз.
Особенно следует отметить карбид кремния, который со..
четает удельную жесткость бериллия с температурной ста..
бильностью лучших сверхмалорасширяющихся материа"
лов, что позволяет создавать из этоrо материала зеркала с
качественно новыми служебными свойствами.
Ряд нетрадиционных материалов не позволяет получать
непосредственно на них рабочую поверхность оптическоrо ка..
чества из..за пористости (SiC), инородных вкточений (Al), ток..
401
Табл.ица 8.15
Свойства материалов, nримен,яемьtх для изzотовлен,ия зеркал
lVlатериалы
Параметр нетрадиционные традиционные
Ве Si А/ Си !vlo SiC* Si0 2 Ситалл Церодур rJLE
CO 115M
Плотность 1,85 2,3 2,7 8,9 10,2 3,05 2,2 2,5 2,5 2,21
p,103 Kr / M 3
Модуль 280 157 69 115 325 390 70 92 92 67
упруrости
Е,rПа
у дельная 15,1 6,8 2,7 1,3 3,2 13 3,2 3,7 3,7 3,1
жестк()( ть
Е/у, 106 м
Теплопро 159 160 220 400 145 185 1,38 1,2 1,67 1,3
водность
л., Вт/(м'К)
ТКЛР а, 11,4 2,5 23,9 16,5 5 2,5 0,55 0,15 0,05 0,03
1 0 6 K l
а/л, 7,2 1,6 11 4,1 3,5 1,4 40 12,5 3 2,3
10 8 м/Вт
сичности при обработке (Ве), отсутствия технолоrии достиже
ния Tpe6yeMoro качества поверхности (Ti). В этих случаях на
рабочую поверхность таких материалов наносят специальные
конструкционные покрытия (стеклянные, медные, никеле
вые, хромовые и др.), которые затем доводятся и полируются
до оптическоrо качества. В табл. 8.16 представлены наиболее
отработанные на практике варианты конструкционных по
крытий ряда нетрадиционных материалов зеркал [IV. 3.]
2. В таблице на чертеже оптической детали, в разделе
«Требования к материалу , для зеркал с наружным отраже
нием указываются катеrории бессвильпостu, nузырпостu
(включепия) и aBounozo лучепреломления.
Вскрытые при обработке пузыри и вышедшие на поверх
ность зеркала свили образуют местные десlJекты срормы по
верхности, которые искажают волновой фронт пучка, OT
раженноrо от зеркала. Пузыри (и приравненные к ним
включения) влияют также на класс чистоты полированной
поверхности. Двойное лучепреломление характеризует OCTa
точные напряжения в материале зеркала, при их отсутствии
затруднительно обеспечить требуемые значения N, и воз
никает увеличение деqJормаций из за воздействия собствен
Horo веса зеркала при ero закреплении.
402
Табл.ица 8.16
Осн,овн,ьtе видь" кон,струкцион,н,ьtх nокрьtтий
Вид Материал Материал Тuлщина
Способ нанесения ПОhрЫТИЯ,
ПОRрЫТИЯ покрытия зеркала мм
Стекло 1608 Б2 Бериллий 2,0 3,0
Стеклянное Стекло К8 Титановые Спекание в воз.. 1,0 2,0
душной среде
сплавы
Бериллий Электронно лу
чевое напыление
Медное Медь особо Карбид крем" Электрохимиче" 0,5 1,0
чистая ния, ское покрытие
алюминиевые
сплавы
Бериллий Химическое по
Технический крытие
Никелевое никель Алюминие Электрохимиче 0,05 0,10
вые сплавы ское покрытие
Для зеркал с внутренним отражением указывают также и
друrие нормируемые для используемоrо материала оптиче
ские показатели качества.
3. Вид зеркальноrо (светоделительноrо) покрытия выби
рается в зависимости от назначения, размеров и условий pa
боты зеркал.
Основными характеристиками всех видов покрытий яв
ляются оптические свойства (коэq)q)ициент отражения р и
коэсl)сl)ициент пропускания t), химическая стойкость, Mexa
ническая и термическая прочность.
Зеркальные покрытия подразделяются на металлические,
диэлектрические и металлодиэлектрические.
Простейшими металлическими отражающими nOKpы
тиями, широко используемыми для изrотовления зеркал,
являются металлические пленки серебра, алюминия, хрома,
никеля, родия, палладия.
ИН,теzральН,ь"е "ОЭФФl.lциеН,ть" оп ражен'UЯ Рл, %,
н'аuбол.ее упоп ребuтелън'Ъ"Х .меп алличес"их по"рь"тий
Серебрение химическое без защиты.. ..... .... ........... ... 94
Серебрение химическое внутреннее с защитой медью
или лаком ................................................................ 88
Алюминирование испарением с защитой анодным
оксидированием.............. ............................ ..............86
Хромирова.ние...................................................... 50
403
Серебренuе дает наибольший коэсlJСlJициент отражения
(до 0,96), но оно наименее химически стойкое из всех по
крытий от действия атмосqJеры очень быстро тускнеет и
теряет отражающие свойства. В современных оптических
приборах серебрение применяется только для зеркал с
внутренним отражением, rде защита слоя покрытия леrко
осуществляется нанесением на серебро TOHKoro слоя меди
(электролитическим способом) и еще слоя защитноrо лака.
Серебрение выполняется двумя методами химическим
(например, из раствора азотнокислоrо серебра) и испаре
нием в вакууме.
Алюмuнuрованuе имеет коэqJс])ициент отражения до 0,86
и выполняется методом испарения в вакууме. Химическая
стойкость алюминирования значительно выше серебрения,
и при работе в лабораторных условиях оно не требует защи
ты; при работе во влажной атмосфере необходима защита,
которая осуществляется нанесением на алюминий прозрач
Horo слоя друrоrо вещества (сернистоrо цинка, одноокиси
кремния и др.). Недостатком алюминирования является
низкая механическая прочность покрытия, что делает ero
неприrодным в тех случаях, коrда по условиям работы зер
кало подверrается механическим воздействиям.
Блarодаря хорошо освоенной технолоrии и высокому
коэффициенту отражения алюминирование является в Ha
стоящее время основным видом покрытия для зеркал с на
ружным отражением, не подверrающихся механическим
воздействиям.
Хромирование наиболее стойкое и прочное из металли
ческих покрытий, в большинстве случаев оно не требует за
щиты; коэqJфициент отражения возможен до 0,55; применя
ется при работе зеркал в сложном тепловом режиме (сIJары,
реqJлекторы дyrовых осветителей и т. п. ), а также для зер
кал полевых приборов, поДверrающихся атмоссlJерным и Me
ханическим воздействиям.
Из дрyrих зеркальных металлических покрытий часто
применяют nокрытuя родием и nалладuем. Они обладают
высокой химической стойкостью и механической прочнос
тью. Коэффициенты отражения: у родиевоrо (с подслоем ни
келя или хрома) до 0,78, а у покрытия палладием до 0,68.
Эти покрытия обладают высокой стойкостью при работе в
аrрессивных средах (морской воде, растворах кислот, щело
чей и т. п. ), а также при воздействии относительно высоких
температур (рефлекторы прожекторов, светопроекторов),
404
характеризуются более высокой стоимостью и сложностью
технолоrии нанесения.
Стойкие зеркальные покрытия с коэq)фициентом отраже
ния, близким к единице, получают нанесением на подложку
М1l0Z0СЛОUНЫХ nле1l0ЧНЫХ nокрытий из диэлектрических
материалов. Детали с такими покрытиями получили назва
ние и1lтерфере1lциО1l1lЫХ зеркал.
Для изrотовления и1lmерфере1lЦUОН1lЫХ зеркал [IV.21]
используют покрытия из нечетно чередующихся слоев ди
электриков с большими и малыми показателями прелом
ления и оптической толщиной О,5л., т. е. создают покры
тия, имеющие «антипросветляющие свойства. В отличие
от просветляющих покрытий наружный слой интерq)ерен
ционноrо покрытия должен иметь показатель преломле
ния больший, чем показатель подложки. С увеличением
числа слоев коэффициент отражения увеличивается. Так,
15 17 слойные покрытия из пленок Si0 2 и Ti0 2 , MgF или
ZnS имеют коэффициент отражения не менее 990/0 в широ
кой области спектра.
Покрытия зеркал холод1l0Z0 света отражают свет види
мой части спектра и практически полностью прозрачны
для ИК лучей, что весьма важно при применении таких
зеркал в осветительных системах кинопроекционной ап
пара туры.
Прочные зеркальные покрытия с коэффициентом отраже
ния Р А == 92 + 99 О/О получают нанесением на металлические
пленки одноrо или нескольких слоев диэлектриков (напри
мер, тyrоплавких веществ Si0 2 , Ti02 или Zr02). Такие по..
крытия называют .металлодиэлектрическими, они имеют
высокий коэфq)ициент отражения в широкой полосе спек
тра с меньшим числом слоев пленки, чем у диэлектрических
мноrослойных покрытий.
свеmоделuтелыlеe nокрытия (полупрозрачные зерка
ла) делят световой поток на отраженный и проходящий и
характеризуются отношением коэq)фициента отражения
Рл. к коэффициенту пропускания tл.. Это отношение MO
жет быть получено в широком диапазоне нанесением на
подложку металлических пленок разной толщины или
пленок из диэлектриков. Например, светоделительные
покрытия с помощью алюминирования или серебрения
можно получить практически с любым соотношением
между коэффициентом отражения и коэффициентом про
пускания p/t.
405
4. Толu,uJ-tа зеркала зависит от ero световых размеров (ra
баритных размеров), способа крепления и rлавным образом
от требуемой точности рабочей поверхности.
Чем точнее должна быть срорма рабочей поверхности зер
кала, тем оно должно быть толще. Толстые зеркала меньше
деформируются при изrотовлении, закреплении и эксплуа
тации. Например, проrиб f круrлоrо зеркала в виде сплош..
Horo диска, установленноrо rоризонтально и опирающеrося
по периметру на три точки пропорционален четвертой степе
ни ero диаметра D и обратно пропорционален второй степени
ero толщины d [IV.22]:
frnax == 1,365.106. у(1 J-l)D4/4Еd 2 == kD4/d 2 ,
rде у удельный вес материала зеркала; L коэсl)срициент
Пуассона; Е модуль упруrости; k коэq)срициент, учиты
вающий механические свойства материала.
Рекомендуется применять следующие соотношения
между толщиной d и наибольшим размером l (для круrло
ro диаметром) зеркала, выполненноrо из традиционноrо
материала:
а) особо точное зеркало (N == 0,05 + 0,5; l1N == 0,02 + 0,1,
зеркала интерсрерометров, концевые отражатели дально
меров, резонаторы лазеров, рабочие зеркала телескопов):
d > (1/5 + 1/7)l;
б) точное зеркало (N == 1 + 2; l1N == 0,1 + 0,2, рабочие зерка
ла наблюдательных, визирных, измерительных приборов):
d > (1/8 + 1/10)l;
0530
rl
<;::),
C\J.
C\JI
...( 1
j
б)
R
01540
!
I
!
I0Il( . ._- .
D n
а)
;..Е-
в) 1
, и '
i j D вп J 3
I п
. .,.. ..
A A
Рис. 8.19. ОблеzчеllН,Ьtе зер"ал.а
406
в) неответственное зеркало (N == 3 + 10; N == 0,3 + 1, зер
кала осветительных систем, и систем, не требующих BЫCO
Koro качества изображен я): d > (1/11 + 1/25)l.
Уменьшить толщину зеркала можно, применив при ero
конструировании следующие приемы:
создание облеrчен;ной конструкции (сотовая структура,
выполнение выборок в теле зеркала (рис. 8.19, а), толщина
переменноrо сечения (рис. 8.19, б), коробчатая (l)opMa [IV.8,
IV.20] (рис. 8.19, в), rде к зеркалу 2 с рабочей поверхностью
1 напекается пластина 3;
разrрузка зеркала при изrотовлении и креплении [IV.3,
IV.20, IV.22] (см. рис. 9.71);
разработка металлостеклянной конструкции зеркала
(при этом в металлической подложке выполняют выбор
ки, уменьшающие массу конструкции зеркала (рис. 8.20,
см. рис. 9.73).
Металлостеклянное зеркало создают путем напекания
тонкой стеклянной зarотовки (пластинки) толщиной в He
сколько миллиметров и более (при значительных размерах
зеркала) на основу зеркала, выполненную из металла, спла
вов, кристаллических и дрyrих материалов.
Чаще Bcero основу таких зеркал изrотавливают из метал
лических сплавов (титановых, коррозионно стойкой стали,
сплава ковар, алюминиевых сплавов, бериллия), для KO
N 0,5
bl{ 0,1
Р IV
дR 1
{' 159,2
Оз
1. Н апекание.
2. Провести термоцuклuрование изделия.
.3. Раз.мер 24,8 м.м измерить с точностью 0,002 мм u занести в паспорт изделия.
4. ' " .зеркальн. 1 И21 Е, ОСТ 3 1901 85, Ра :;: 600 flJvl 82 %.
5. Покрытuе внутренних поверхн.: ЭмальАI{24З черпая, ТУ 6 1 o 11 1 17 8.3 IV С.
Рис. 8.20. Чертеж .м.еп аллосп е"лянн'ОZО зер"ала
407
торых имеются марки стекол с близкими значениями KO
э(Р(I)ициента линейноrо расширения (желательно, чтобы а
стекла было бы меньше а материала, а их разница была бы
не более 1 .10 7).
После спекания стекло обрабатывается до толщины
O,2 O,3 мм и полируется до достижения рабочей поверхно
сти требуемой точности.
Металло стеклянное зеркало обладает рядом высоких
конструкционных качеств:
блаrодаря металлической основе ero можно выполнить
u
меньшим по толщине при достаточнои жесткости, а также
прочности под воздействием динамических наrрузок;
основа зеркала может выполнять роль оправы, что снижа
ет общую массу узла и упрощает ero сборку и юстировку;
базовые поверхности зеркала (шейки валов под подшип
ники, посадочные диаметры и торцы) после полирования pa
бочей поверхности (как правило, до нанесения зеркальноrо
покрытия) MorYT быть обработаны окончательно в размер от
рабочей поверхности (см. рис. 5.3), что может исключить H'e
обходимость ero юстировки.
Заметим, что для исключения возможных деформаций
стеклометаллическоrо зеркала из за внутренних напряже
ний необходимо осуществлять отжиr основы зеркала после
ее механической обработки и термоциклическую обработку
узла после напекания и rрубоrо шлифования стекла.
В ответственных случаях толщина зеркала рассчитывает
ся исходя из ero допустимых деформаций с учетом xapaKTe
ристик материала, q)OPMbI зеркала, размеров, действующих
сил методом конечных элементов [IV.23].
5. Как правило, отражаюu uй слой зеркала, используе
Moro для построения изображения, наносят на ero наружной
стороне, чтобы избежать влияния отклонений характери
стик материала и поrрешностей изrотовления преломляю
щей рабочей поверхности зеркала (например, поrрешности
формы, клиновидности) на качество изображения.
Зеркало с задней отражающей поверхностью не peKOMeH
дуется устанавливать в сходящихся пучках лучей, так как
возможно возникновение двоения изображения, а при Ha
клонном положении еще и хроматизма, астиrматизма, асим
метрии и дрyrих аберраций.
6. Конструктивные формы и размеры зеркал зависят от
их назначения, положения в оптической системе, световых
размеров (диаметра), способа их закрепления
408
Наибольшее разнообразие ч)орм имеют плоские зеркала,
они бывают круrлые и квадратные (если расположены HOp
мально или под небольшим уrлом к пучку лучей), прямо
yrольные, эллиптические, мноrоyrольные (если расположе
ны под уrлом к пучку лучей).
Сферические и асферические зеркала (параболические,
rеперболические, эллиптические), осевые и внеосевые
обычно имеют крyrлую форму. Часто такие зеркала имеют
внутреннее отверстие для прохождения пучка лучей, бази
рования зеркала или закрепления в нем друrих элементов
(например, бленды).
Зеркала MorYT быть изrотовлены также в виде би призм,
пирамид, конусов, полиrонов (РИС. 8.21), которые использу"
ются для разделения пучка лучей, сканирования изображе
ния, модуляции CBeToBoro потока, как эталоны уrлов и т. д.
Особую конструкцию имеlpТ составные и rибкие (адanтив
ные) зеркала [IV.1 О], формой рабочих поверхностей которых
управляют для компенсации влияния рефракций и турбу
лентности атмосферы, поrрешностей оптической системы и
ее юстировки (см. рис. 6.15, 6.46).
7. Допуски на точность изrотовления рабочих и базовых
поверхностей зеркала (поrрешности формы и чистоты рабо
чих поверхностей, поrрешность посадочноrо диаметра (или
размера) базовой поверхности, децентрировка, клиновид
ность рабочих поверхностей плоских зеркал С внутренним
отражением) определяются Q)УНКЦИОНальным назначени
б) в) z)
,. ,2' I
I
I
B т
.... .
, I
" I
, I
1 '"
д) е)
I
Рис. 8.21. П лос"ие зер"ала: а одиночН,ое зер"ало; б зер"альный ромб;
в двухсторонн'ЯЯ пирамида; z уzловое зер"ало; д четь"рехсторон'
н,ял пирамида; е светоделиnl,ельН,ое зер"ало; ж зер"альнь"й nолиzон
409
ем зеркала, характеристиками и требованиями к качеству
оптической системы.
Например, зеркала современных телескопов и лазерных
систем должны обеспечивать качество изображения и pac
ходимость излучения на уровне предела, оrраничиваемоrо
дисl)ракцией. Это означает, что среднеквадратичное откло
нение срормы оптической поверхности зеркал от заданной
не должно превыmать сотых долей рабочей длины волны
(А/50 + А/70), в линейной мере оно составляет менее
0,01 мкм. С учетом размеров зеркал (0,5 м и более) это по
зволяет характеризовать их как наиболее точные изделия
cOBpeMeHHoro приборостроения [IV.5].
Допуск на поrрешность q)оРМЫ обычно задают в виде,
зависящем от метода контроля. Например, при контроле
ссрерической поверхности с помощью интерферометра он
задается в долях длины волны А, при контроле сфероме
тром в процентах отклонения от номинальноrо радиуса
8R О/о, при контроле пробным стеклом количеством KO
лец N, 8N.
Заметим, что допуски на общую поrрешность сl)ормы
зеркал, установленных наклонно к световому пучку, более
жесткие, чем для установленных перпендикулярно, а для
местных поrрешностей и чистоты рабочей поверхности
наоборот, более широкие [IV.1, IV.19].
ДЛЯ плоских зеркал с внутренним отражением их кли
новидность вызывает хроматизм, а в случае светоделитель
ных еще и двоение изображения. Допуск на клиновид
ность таких зеркал наиболее жесткий (до 4 6").
Для ссl)ерических зеркал на чертежах проставляется дo
пуск на их центрировку (см. п. 8.1).
8. На кромках з ркал наносят q)аски, их нерабочие (MaTO
вые) поверхности MorYT быть окрашены эмалью, а рабочие
поверхности покрыты оптическими защитными или элек
тропроводящими покрытиями (см. п. 8.1).
8.5. СЕТКИ, шкАлыI, РАСТРЫ
в ряде оптических приборов применяются оптические
детали с нанесенными на их рабочие поверхности марками
(покрытиями) в виде штрихов, цисрр, колец, треуrольни
ков, прямоyrольников и дрyrих фиrур. Это визирные и из
мерительные сетки, линейные и yrловые шкалы (лимбы),
410
.
кодовые шкалы и диски, модуляционные и дисперсионные
растры, миры и испытательные тесты, q)отошаблоны, тра"
q)ареты, щели, сетчатые и дырчатые ослабители излучения.
Все эти детали обычно объединяют под общим наименовани..
ем: « сетки», « шкалы,», «растры».
Конструктивные п раметры и требования к данному виду
деталей определяются их функциональным назначением,
достиrаемыми целевыми показателями качества и условия"
ми эксплуатации.
ОсновнымИ"конструктивными характеристиками и пока..
зателями качества этих деталей являются:
материалы заrотовок (подложек) для изrотовления де"
талей;
размеры рабочеzо поля (длина или площадь поверхности,
на которой нанесены марки);
"оличество марок, наносимых на деталь, минимально
возможный размер марки, период их следования [например,
количество разрядов (дорожек) кодовой шкалы, общее коли..
чество штрихов KpyroBoro растра на длине окружности, коли..
чество штрихов миры на 1 мм, минимальное отверстие точеч"
ной диаq)рarмы, минимальная ширина штриха ИJШ щели];
точность изzотовления марок (поrрешности ширины
штрихов или щелей, диаметров колец, поrрешность их рас"
положения, овальность круrовых рисок, отклонения от пря"
молинейности штрихов и т. д.);
значения требуемых оптичес"их характер ист и" и их
отклонение от номинала [спектральные и интеrральные
коэ(l)q)ициенты пропускания и отражения заrотовок (под"
ложек), а также наносимых на них марок, их контраст];
сохранение точности марок и оптических xapaKтepи
сти" в процессе эксплуатации под действием влияющих
факторов, стабильность их во времени;
чистота рабочих поверхностей деталей, поzрешности
их формы.
В качестве материалов заrотовок MorYT быть выбраны
оптические стекла, ситалл, керамика, кристаллы, оптиче..
ские полимеры, металлы и их сплавы (например, нейзиль"
бер, инвар). Традиционным материалом для сеток, точных
шкал и растров является стекло, однако в последние rоды
освоена технолоrия изrотовления точных зеркальных из..
мерительных растров на тонких стальных и алюминиевых
заrотовках с хромовым покрытием (})отолитоrра(рическим
методом [IV.24].
411
Прецизионные современные технолоrические методы из
rотовления шкал и растров (делительно rраверные, (l)oTorpa
(l)ические, (ротолитоrра(l)ические) позволяют достичь следу
ющих значений их поrрешностей:
технический (высо"отОЧIlЫЙ) уровеllЬ тОЧ1l0сти по
rрешность линейных размеров до 1 мкм; yrловых до 2";
производствеllНЫЙ (средний) уровеllЬ точности по
rрешность линейных размеров 2 5 мкм, yrловых 3 10";
Э"Оll0мический (понижеIlIlЫЙ) уровень точности по
rрешность линейных размеров 5 10 мкм; yrловых 10 30".
Количество штрихов на 1 мм в растрах и дифракцион
ных решетках может достиrать 2400, толu,ина менее
1 мкм.
Период деления (шаz) измерительных растров обычно ра
вен 10 20 мкм.
Чистота рабочих поверхностей сеток, шкал и растров
должна быть высокой (класс чистоты РО) не только тоrда, Kor
да эти детали установлены в плоскости изображения или пред
метов, но так же и в случаях, коrда они стоят в параллельном
пучке лучей, так как пузыри, включения, царапины и дрyrие
дефекты иrрают роль лжемарок, а вскрытые пузыри затруд
няют получение требуемой их точности при изrотовлении.
Поzрешности формы рабочих поверхностей N, l1N имеют
широкие допуски, за исключением случаев, коrда они не по
зволяют получить высокой точности изrотовления марок.
Номенклатура подобных деталей достаточно велика, по
этому конструкцию и оформление чертежей рассмотрим
только на наиболее характерных их представителях.
Визирные сетки это детали, предназначенные для соз
дания визирной оси оптической системы (линии, соединяю
щей узловую точку объектива с центром марки) или визир
ной плоскости (плоскости проходящей через узловую точку,
объектива и марку в виде линии). Визирные сетки позволя
ют осуществить точное наведение прибора на объект наблю
дения, установить ero относительно определенной базы, соз
дать измерительную базу.
На рис. 8.22 представлены виды марок визирных ce
ток некоторых приборов [теодолита (рис. 8.22, а), прицела
(рис. 8.22, б), окулярноrо микрометра (рис. 8.22, в), aBTO
коллиматора (рис. 8.22, z)].
И змерителыlеe ш"алы представляют собой детали, на
которых марки нанесены в виде совокупности однотипных
повторяющихся символов И чисел отсчета, соответствующих
412
а)
в)
Рис. 8.22. М й-р"и визирных сето"
ряду последовательных значений измеряемой величины.
Шкалы служат мерой для измерения (контроля) линейных
и уrловых размеров физических величин.
Детали, на которых марки позволяют создавать визирные
оси, плоскости, а также производить измерение называют
измерительными сетками.
На рис. 8.23 представлен рабочий чертеж измерительной
сетки окулярноrо микрометра.
Растрами называют детали, марки на которых представ
ляют собой совокупность одинаковых элементов (как прави
ло, в виде штрихов), образующих периодическую структуру,
воздействующую на падающий световой поток.
1 +0,4
1,'<1 (" )
:
900 -J:. 1 О'
--- , g>J2- :- //
С)
..
С)
'
С)
..
/С)
,
'n ес:
0,1 -J:. 0,02
/
дпD
пF пс
Од1Юродн.. 4
Двулучепр. 2
БА
Бессвuлън.. 1Б
П узырн.. lА
N 10
ыv 1
Р I 20
е 5
00 28
". r .. ." " "
!
1
.....!
..... !
!
.....,
, .....
,С)
f
l l
"
V1234567
1111'111
I
14,5 -J:. 0,1 I \
. . . " -
I \
ШриФ.1JJ 0,2 "..
НО 862 76
I
" r. " "
.....j.....
С)!С)
ci1c:;
+Ii +1
!
..
cq
С)
t;;::)
ci
+
с\1
ci
1. Сетка работает под увеличение;м х6,25.
2. Цена деления 1 ММ. Точность нанесения любоzо штриха 0,01 MJ;l, начиная от
цифры О.
В. Толu ина UlmpUXOB и nерекрестия 0,01 ::!: 0,005. Заполнить черным заnуско.М.
4. Фаски KPYZOM до 0,2.
5. Эксцентриситет 0,1.
6. Н есиJ;lметричное расположение вертикальных штрихов относительно центра
nеремещенuя допускается в пределах 0,1 MJ;l. Разность рисок по длине допускается
не более 0,003 мм.
Рис. 8.23. Чертеж измерительной сет "и о"ул.ярноzо ми"рометра
413
.....
+1
С
tS)
1
М5:1
3,6 :tO,2
1. Q зеркальное 8И.3И
по ОСТ 3 1901 85, КРО.ме зоныА.
2. В слое nокрытия доnустИJ;tы J;leCmHble
дефекты в виде nрозрачныlx царапин и тo
чек, плоu адь которых не более 0,02 MJ; 1 2.
,3. Разность UlmpUXOB по ширине не более
0,0005 мм.
4. Колебание светопропускания растра не
более 3 %.
'\:J
)(/
'\:J
2'ij(v)
дп е 5r
д(пF' пс.) 5r
Однородн. 2
Двулучепр. 2
A 4
Бессвильн. 1Б
П УЗЫ.РН. 1Б
N 2
ДN 0,5
Р 1
е 20"
0(2) I 88/68
д ис" раСПl,ровы.й
СПl,е-кло К8
rOCT 3514 94
Рис. 8.24. Ч еРПl,еж "pyzoeozo uзмериПl,ельноzо растра
0,020 х 51 == 1020 :t 0,001
1,075:t 0,001
1,0 5:t 0,01
1,030*
1
М10:1
1,02
"С'
..... q
..... с
"с
.....
tS) А
,005 i 0,001
1,080:t 0,Ь01
1. * РаЗJ;lер для справок.
2. g зеркальное Аl.В.011 J ОСТ 3 1901 95.
3. В слое 1l0крытия допускаются J;tecmHble дефекты
в виде nрозрачных царапин и точек, nЛОZl адь которых
не более 0,02 J;tJ;!2 в 1 JftJ; 1 2.
4. Допуск на ра.ЗJ;lеры элементов растра -:1:.0,001 мм.
5. Ра.зность ,итрихов по Ulирине не болоее 0,0005 М.М.
6. Колебание светопропускания растра не более 0,5 %J.
7. Покрыти матовых поверхностей ЭМ C 543, черная
ТУ 6 6690 78.
8. Рабочее увеличение для контроля 12 Х .
O,V<V)
.....
q
с
+1
С
C\J
q
С
Дn е 4В
Д(nF' nс') 4В
О д народ н. 2
Двулучеnр. 2
JlA 4
Бессвuльн. 1В
Пузырн. 1А
N 3
дN 0,3
р 1
00 I
Pacnl,p
Сте"ло К8
rOCT 3514 94
Рис. 8.25. Чертеж лuнеuноzо UHau"amopHozO растра
414
Различают пpo а)
пускаюu,ие растры,
представляющие собой
систему чередующихся
прозрачных и непро
зрачных элементов, и
отражаюu,ие растры
в виде системы череду
ющихся зеркально OT
ражающих элементов.
Основной KOHCTPYK
тивной характеристи
кой растра является
ero период q (шаz, no
стОЯllllая решетки)
расстояние между Ha
чалами (или середина
ми) ero одноименных
соседних элементов
(например, расстояние
между серединами co
седнихпрозрачныхили 2' 2' 28 2'
отражающих штрихов n == 1 2 3 4 5
(см. рис. 6.47, а). Чаще Рис. 8.26. Кодовая ш"ала (а) и "одовый
Bcero размер (ширина) дис" (6)
прозрачных (отражаю
щих) и размер непрозрачных элементов равны дрyr друrу, а
их период равномерный на всем рабочем диапазоне (в HeKO
торых случаях эти условия не соблюдаются).
Растры используются в приборах для различных целей,
например для создания q>отоэлектрических преобразовате
лей перемещений накапливающеrо типа, коrда перемеще
ние определяется последовательным счетом электрических
импульсов (сиrналов), создаваемых с помощью сопряжения
растров (см. п. 9.6).
На рис. 8.24 представлен чертеж KpyroBoro измеритель
Horo растра, а на рис. 8.25 чертеж линейноrо индикатор
Horo растра.
Кодовые шкалы (диски) представляют собой детали, на
которых марки выполнены в виде системы примыкающих
друr к друrу линейных (или кольцевых) разрядных дорожек
с прозрачными и непрозрачными участками (их называют
также кодовыми масками (рис. 8.26) [IV.39].
6)
1
о]
\
O
.,3.
\.:1
g\
0\
Я.
.
LJ
415
Табл.ица 8.17
ОсnовnЬLе nараметрь" комплектов uзмерuтеЛЬnЬLХ решеток
Цена Количество штрихов. Длина волны, при KOТO
Решетка KOM на 1 мм рой контраст достиrает
полосы, плекта Решетка Решетка максимальноro значения,
мкм
индекс шкала мкм
10,0 Две прозрачные 100 100 Св. 0,6
8,0 62,5 31,25
4,0 125 62,5
2,0 Прозрачная 250 125 0,9
1,0 и отражатель.. 500 250
0,8 вая 625 312,5
0,5 1000 500
0,4 1250 625 0,5
При м е ч а н и е. Допускается отклонение цены полосы € от номинальноrо
значения только в меньшую сторону на значение не более 2. 1 0 4E.
Кодовые маски позволяют получить различающиеся элек
трические сиrналы с фотоприемников, которые устанавли
ваются (в количестве одноrо, или нескольких) за каждой
разрядной дорожкой этой детали. Комбинация электриче
ских сиrналов образует цифровой код, который однознач
но определяет положение кодовой шкалы. Цифровые коды
строятся на различных системах счисления двоичной,
двоично десятичной, циклической (!рея) и др. [IV.25])
На основе кодовых шкал и дисков обычно создают фото
электрические преобразователи перемещений позиционноrо
типа (см. п. 9.6), которые имеют более высокую информаци
онную надежность (по сравнению с преобразователями Ha
капливающеrо типа) при воздействии внешних влияющих
факторов (перебой электропитания, ударные наrрузки и
т. п.). Рабочий чертеж кодовой шкалы не приводится, так
как он весьма сложен и занимает такой объем, который He
возможно воспроизвести в учебном пособии.
К данному виду деталей MorYT быть отнесены дифра"ци
Оltltые решет"и, представляющие собой детали, на рабочие
поверхности которых нанесены прозрачные и непрозрач
ные штрихи (прозрачные диq)ракционные решетки) либо
нанесены ступенчатые отражающие штрихи с треуrольным
проq)илем (отражательные дифракционные решетки), при
меняемые как в спектральных приборах, так и измеритель
ных приборах.
416
O'V(
.......
2 :t 0,2
4 фас"и
!:!nе
!:!(nF' nс,)
Однородн.
Двулучеnр. 3
JlA
Вессвильн.
Пузырн. 4r
N 2
мv 0,5
р IV
"'l
с
+1 cq
С\1с
....... +1
"'l
Выnу"лосnl,Ь
не доnУ. с"ае тся
с\1 Ш ..
....... с
+1
t'--.
с\1
.......
1 О :t 0,5
1. Количество штрихов на 1 мм 315,5
2. Рабочие порядки спектра :1:: 11.
3. На заштрихованной поверхности реплики допускаются мелкие царапины и
отдельно выдеJLЯющиеся точки, не снижающие спектральных характеристик и
эксплуатационных свойств реплики.
4. Реплика работает совместно с прозрачной репликой ю 7155456 при npиMeHe
нии кремниевоео фотоnриемника.
5. При прохождении света через систему указанных реплик должны образовы
ваться интерференционные .муаровые полосы в нулевом результирующем nоряд
ке спектра с ценой, равной 0,8 мкм.Доnустимое отклонение (только в меньшую
сторону) 1 10 1 м"м.
6. При проверке комплекта реплик фазовым методом изменение разности фаз
сиzналов от фотоnриемников, расположенных на расстоянии 14 мм друе от друеа
в направлении, nерnендикулярном к штрихам в плоскости peUlemoK, не должно
nревышать 1t/4.
7. Линейное nеремещение реплики Ю 7155395 относительно прозрачной реплики
Ю 7155456, измеренное как произведение числа полос на среднее значение цены по-
лосы, при данной установке реплики не должно отличаться от истинноео nepe
мещенuя более чем на :1::0,3 мкм.
8. Коэффициент отражения в нулевом порядке спектра для л, == 0,9мкм должен
быть не более 5 %.
9. Реплика снимается с реплики ориzинаJШ.
10. Q зеркальное 1 И, ОСТ 3 190 1 73.
11. *Раз.мер для справок.
Реnли'/Са дифра'/С-
ционной решет'/Си
Сте'/Сло ЛК7
rOCT 3514 94
Рис. 8.27. Чертеж реnли'/Си измерительной дифра"ционной решет'/Си
Для отражательной решетки ее конструктивными пара
метрами являются: постоянная решетки расстояние меж
ду ребрами ступеней, yrол блеска уrол между плоскостью
решетки (проходящей через вершины ребер) и плоскостью
рабочей rрани ступени, количество штрихов на 1 мм, рабо
чие порядки спектра, размеры рабочеrо поля.
В справочнике [IV.l] представлен ряд параметров спек
тральных и измерительных дифракционных решеток, ис
417
пользуемых в практике оптическоrо приборостроения. Из"
мерительные ди(l>ракционные решетки работают оптически
сопряженными парами, одна из которых является измери"
тельной, дрyrая индикаторной (см. рис. 5.9, а). В табл. 8.17
представлены основные параметры комплектов измеритель"
ных дифракционных решеток, применяемые (l>иРмой ЛОМО
в линейно"измерительных приборах.
На рис. 8.27 представлен чертеж реплики измерительной
диq>ракционной решетки для автоматизированноrо cq>epo"
метра.
Технолоrия и оборудование для изrотовления сеток, ткал
и растров представлены в работе [IV.3].
Конструктивные параметры и чертежи некоторых дру"
rих типовых оптических деталей (свето(рильтров, защитных
стекол, клиньев, световодов и т. д.) представлены в работах'
.1, IV.3, IV.26].
rлава 9
ТИПОВЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ узлы,
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
И ИХ ЮСТИРОВКА
9.1 ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ОПТИЧЕСКИМ УЗЛАМ
И УСТРОЙСТВАМ
Сборочные единицы, выполняющие в приборе определен"
ные функции только совместно с дрyrими составными частя..
ми, но объединеlШые в процессе проектирования и изrотовле..
ния (сборки) в единую систему, называются конструктивными
узлами. Они обыЧFIО состоят из относительно небольтоrо коли.. .
чества сопряженных дрyr с друrом деталей, среди которых вы..
деляют рабочую, базовую (оправу, корпус) и вспомоrательные
(крепежные, ориентирующие, технолоrические). тиrшчныIии
представителями конструктивных узлов оптических приборов
являются узлы крепления оптических деталей и узлы фото..
приемников. Прежде чем рассмотреть типовые конструкции
таких узлов, перечислим некоторые общие требования к ним
и состоящим из них функциональным устройствам.
1. Конструкция узла должна обеспечить точное располо"
жение рабочей детали (ее рабочих элементов) относительно
базовой детали (базовоrо элемента оправы).
418
2. Крепление должно быть надежным; не допускается из
менение положения рабочей детали относительно оправы
после,закрепления в процессе эксплуатации.
3. В конструкции не должно возникать опасных (объем
ных) деq)ормаций рабочей и базовой деталей и внутренних Ha
пряжений в них при закреплении и в процессе эксплуатации.
При силовом замыкании крепежные элементы не должны
вызывать дес))ормации изrиба или кручения. Допускается
деформация сжатия (контактная). Для уменьшения дефор
маций из за поrрешностей размеров, формы и положения
элементов деталей между крепежной деталью и оптической
следует устанавливать упруrие или эластичные прокладки
(металлические пружинные кольца, прокладки из пробки,
картона, поранита и т. п. ).
Обязательно должно быть обеспечено отсутствие темпера
турных деформаций (или смещений рабочей детали относи
тельно базовой) при перепадах температуры.
4. Конструкция узла при необходимости должна обеспе
чивать возможность юстировки рабочей детали. Потребность
в юстировке может быть нужна в двух случаях: для точноrо
расположения рабочей детали относительно оправы (напри
мер, центрирование линзы при ее сборке относительно базо
вой оси оправы); для обеспечения требуемоrо расположения
рабочей детали относительно рабочих деталей или баз дpy
rих узлов (например, фокусировка линзы на q)отоприем
ник). Поэтому для первоrо случая конструкция узла должна
обеспечивать юстировочные подвижки рабочей детали OTHO
сительно оправы в процессе ее закрепления, для BToporo
подвижки рабочей детали в оправе или вместе с ней (т. е.
Bcero узла) относительно друrих узлов в процессе либо после
сборки функциональноrо устройства или Bcero прибора.
5. Конструкция узла должна быть технолоrичной в OT
ношении изrотовления деталей и особенно в отношении их
сборки (свободный доступ инструмента, возможность aвTO
матизации сборки, удобство контроля, доступность и просто
та обслуживания и замены малонадежных элементов и др.).
6. rабаритные размеры узла желательно минимизиро
вать, чтобы обеспечить отсутствие срезания пучка лучей,
появление бликов и рассеянноrо света в системе.
7. Конструкции функциональных устройств должны
быть унифицированы по принципам построения, целевым
характеристикам, присоединительным размерам, номина
лам электропитания и т. д. (см. п. 2.1);
419
8. Фактически ни одно q)ункциональное устройство не
обходится без юстировки ero показателей качества, поэто..
му необходимо знать необходимые юстировочные операции
типовых функциональных устройств, методику их выполне..
ния (с перечнем необходимоrо контрольноrо оборудования),
уметь рассчитывать требования к юстировке и заложить в
конструкции устройств возможность ее осуществления.
Выполнение перечисленных требований основывается на
использовании принципов и правил конструирования со..
единений, узлов и q)ункциональных устройств, которые из..
ложены в части 1 учебноrо пособия.
9.2. КОНСТРУКЦИИ УЗЛОВ КРЕПЛЕНИЯ
круrлых ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ И ЛИНЗОВЫХ СИСТЕМ
9.2.1. КРЕПЛЕНИЕ ЛИНЗ
к основным способам крепления линз и друrих
круrлых оптических деталей относятся: крепление заваль..
цовкой, крепление приклеиванием, крепление резьбовым
кольцом. При необходимости, коrда приходится учитывать
особые условия и требования, связанные с rабаритными раз"
мерами, назначением, условиями эксплуатации оптических
деталей, MorYT использоваться в с п о м о r а т е л ь н ы е с по..
с о б ы крепления: проволочным кольцом, прижимными
планками, накладным кольцом, специальными элементами
или специальной конструкцией оправы. Указанные назва..
ния способов крепления определены видом замыкания ра"
бочей (оптической) детали с базовой (оправой) в соединении
или видом крепежной детали.
При любом способе крепления крyrлых оптических дета"
лей вообще и линз в частности наружная (реже внутренняя,
если линза или дрyrая круrлая деталь, например, зеркало
имеет отверстие) цилиндрическая поверхность линзы на..
ходится в сопряжении с цилиндрической поверхностью А
оправы (рис. 9.1), образуя их сопряжение по цилиндру. Это
сопряжение теоретически отнимает у линзы четыре степени
свободы два поперечных смещения (У, Х) и два поворота
<Рх, <ру. Для отнятия смещения линзы вдоль оси обычно на
оправе выполняют опорный уступ (буртик). Сопряжение ра"
бочей поверхности линзы с уступом оправы В устраняет ее
осевое смещение Z и два поворота <Рх, <ру.
420
Однако если сопряжение происходит не по плоской по..
верхности, а по радиусу (рис. 9.1, а, в), причем радиус пре'"
ломляroщей поверхности закрепляемой линзы относитель
но крутой, т. е. соблюдается условие самоцентрировки:
D/R > 0,6, rде D диаметр отверстия в уступе (фактически
равен световому диам тру линзы), а R радиус линзы, то ее
сопряжение с уступом (торцем) В оrраничивает все линейные
смещения Z, Х, у и сопряжения линзы с цилиндрическим
отверстием А оправы не происходит (см. п. 1.3.2). В этом слу
чае должен быть назначен жесткий допуск на соосность (би..
ение) отверстия Д в уступе относительно базовоrо наружноrо
цилиндра Е, или базовой оси оправы.
Если рабочий радиус линзы полоrий (D/R < 0,6), то
уступ, как и в случаях сопряжения по плоской поверхности
(рис. 9.1, б, е), оrраничивает осевое смещение и повороты
линзы BOKpyr поперечныIx осей, но практически избыточно"
ro базирования линзы в оправе не происходит, так как как
обычно база уступа, оrраничивающая повороты, MHoro боль"
те длины пояска ЦИJШндрической поверхности линзы, также
являющеrося базой для оrраничения поворотов (см. п. 1.3.6).
Заметим, что во всех случаях, для обеспечения точности
центрирования линзы необходим жесткий допуск на пер"
пендикулярность (биение) уступа ( торца) В к базовой оси
оправы.
Сопряжение линзы с уступом одностороннее, поэтому с
противоположной стороны должно быть осуществлено си"
ловое замыкание С, которое выполняется прижимающей
деталью, элементами оправы либо приклеиванием линзы.
Диаметр опоры на уступе и диаметр линии приложения за..
мыкающих сил следует делать одинаковыми, чтобы на краю
закрепляемой линзы не возникало «скалывающеrо. момен"
та сил.
а)
б)
в)
е)
Б
Б
Б
z
Рис. 9.1. Базирование линз в оправах
421
в случае KpYToro радиуса закрепляемой линзы прижима
ющая деталь выполняет дополнительную q)ункцию orpa
ничивает повороты линзы. Для этоfо случая размерная цепь
поrрешностей деталей узла должна обеспечить перпендику
лярность рабочей поверхности прижимной детали к базовой
оси оправы.
Разворот линзы BOKpyr продольной оси Z оправы обычно
исключается силами трения, возникающими во всех местах
контакта линзы с оправой и элементами крепления.
Для более точноrо ориентирования линзы в оправе ее опо
ра на уступ должна осуществляться рабочей (полированной)
поверхностью, а не фаской, расположение которой OTHO
сительно рабочих поверхностей линзы имеет большие по
rрешности. Поэтому, если линза должна опираться на уступ
оправы воrнутой поверхностью (рис. 9.1, в), ero выполняют
коническим.
Исключение допускается при выполнении на линзе
конструктивной фаски [плоской (рис. 9.1, е), П образной
(рис. 9.1, 6), конической (рис. 8.5)], положение которой o
носительно базовой оси линзы или рабочих поверхностей
(биение, перпендикулярность, дистанция) определяется
жесткими допусками
Посадка линзы в оправу должна быть посадкой с rаранти
рованным зазором (см. п. 8.1).
Рассмотрим более подробно перечисленные способы Kpe
плени я линз
Крепление завальцовкой. При этом способе крепления
линза поджимается к опорному уступу тонким буртиком,
выполненным на оправе. Операция завальцовки произво
дится на токарном или сверлильном станках при помощи po
ликов, специальных инструментов или ультразвуком. В pe
зультате тонкий €>уртик оправы (рис. 9.2) деq)ормируется 'и
зarибается по всей окружности на специально выполненную
фаску линзы.
Чтобы не образовалось сколов кромки линзы при зarиба
нии буртика, на внутренней поверхности оправы выполня
ют выборку l2. Размеры элементов заrибаемоrо буртика по
данным [IV.1] приведены в табл. 9.1.
П р е и м у Щ е с т в а м и этоrо метода крепления являются
простота и компактность конструкции соединения. 3aKpe
пляющий тонкий буртик, обладая упруrими свойствами,
обеспечивает силовое замыкание линзы без напряжений, а
также компенсирует температурные деформации. Возмож
422
а)
с)
I
450 с) ..
1,2...2,5 : с)
tci :
R 0,2
II
2
с)
..
б)
Рис. 9.2. Крепление л-инаь[, аавальцов"ой: а разм-ерь[, бурти
"а; б общий вид
на автоматизация сборки соединения. Кроме Toro, в процес
се завальцовки линзы можно выполнять ее частичную цeH
трировку.
Н е Д о с т а т к и: конструкция неразборная; существу
ет оrраничение на массу закрепляемой линзы (склеен
Horo блока). Оrраничение объясняется тем, что тонкий
(до 0,1 мм) зarибаемый буртик не обеспечивает надежноrо
крепления массивных линз. Выполнение буртика большей
толщины исключает ero ynрyrие свойства и может привести
к выколкам кромки линзы в процессе завальцовки и yxyд
шить эксплуатационные свойства соединения. Поэтому Kpe
пление завальцовкой рекомендуется применять для линз от
6 до 80 мм, а склеенных блоков до 50 ММ.
Технолоrия завальцовки предполarает наличие специ
альных оборудования, приспособлений и определенной KBa
лификации сборщика. Точ
ность центрирования ЛИН8Ы
в оправе может быть несколь
ко ниже, чем при друrих спо
собах крепления из за Toro,
что закрепляющий буртик
ложится на матовую поверх
ность нецентрированной фа
ски линзы.
На рис. 9.3 показан чер
теж типовой оправы для
завальцовки. При KOH
Таблица 9.1
Размеры, zибхоzо буртuха оnра..
Bbf" мм
Диаметр линзы Длина Выборка
D линзы [1 12
До 10 (включ.) 0,3 О ,3 0,4
СВ. 10 до 30 0,5 0,5 0, 7
СВ. 30 до 50 0,8 1,0 1,2
СВ. 50 до 80 1,0 1,2 1,6
423
""""4 ""'-4
""""4 ""'-4
'"
""'-4 ......
R р,15 0,з+0,1 х 450
0,2 +0.1 х 450
""'-4
""""4
""'-4
""'-4
""'-4
""'-4
""'-4
1,5 Н 12
I
.+ -
0,7 Нl1
Латунь ЛС 59 1,
rOCT 17711 72
Рис. 9.8. Типовая оправа для "реnления завальцов"ой
СТРУИРОВ8Нии оправ необходимо учитывать ряд требова
ний. Допуск на диаметр посадочноrо отверстия оправы
зависит от требований к центрировке линзы. При повы
шеlШОЙ точности центрирования (до 0,02 мм) допуск на
диаметр H6 H7, при средней точности (до 0,05 мм)
H8 H9, при понижеlШОЙ точности (свыше 0,05 мм)
дО Н11. Зазор в посадке линзы в оправу должен быть ДOCTa
точныI,, для Toro чтобы не допустить температурных дефор
мадий. Для повышения точности центрирования линзы oтнo
сительно базовой оси оправы при завальцовке ее центрируют
по блику или применяют метод результативной обработки ее
оправы от оптической оси (см. рис. 1.41, а, 1.42, п. 1.3.9). Для
выполнения последнеrо приема в оправах предусмотрена BНY
треШIЯЯ (иноrда наружная) технолоrическая резьба (на рис.
9.3 M14xO,5 6H), обеспечивающая соединение оправы с цeH
трировоч:н:ым патроном. Рекомендуемая длина резьбы равна
(6 + 10)р, rде р шar резьбы. Оправы MorYT иметь наружную
резьбу, при помощи которой оправа соединяется с дрyrими дe
талями узла. Для удобства завинчивания оправы в ней пред
усматривают шзmцы или отверстия под кточ либо б'уртик с
рифлением.
rлубина посадочноrо отверстия оправы определяется:
толщиной края линзы, шириной фаски и длиной зarибаемо
ro буртика l} (табл. 9.1). Внутренний диаметр опорноrо YCTY
па оправы (на рис. 9.3 012,4 Н11) определяется световым
424
диаметром линзы св. 0: св. 0 + 0,2. Биение плоскости опор
Horo уступа относительно посадочноrо отверстия оправы на
значается в пределах 0,01 0,05 мм.
Размеры друrих элементов оправы определяют исходя из
их функциональноrо назначения.
При креплении завальцовкой для оправ обычно исполь
зуют леrко деформируемые, но упруrие материалы. Наилуч
шим из них является латунь ЛС59 1. Также применяются
алюминиевые сплавы Д1, Д6, Д16, В95 и низкоyr леродистые
стали Сталь 20,'"Сталь 30.
Для уменьшения отражения света от стенок оправы под
верrаются чернению, а на внутренних поверхностях выпол
няется рифление.
3авальцовка иноrда используется при креплении нескле
енных блоков (состоящих из ДBYX Tpex) линз и весьма ча
сто при креплении сеток, светофильтров, защитных CTEr
кол и друrих деталей, и.меющих круrлую форму.
Крепление приклеиванием. В настоящее время способ\
крепления линз и дрyrих круrлых оптических деталей при
клеиванием к оправам является все более и более использу
e ЫM. Причиной этому служит появление новых клеящих
веществ с оптимальными свойствами для соединения опти-
ческих деталей с оправами (обеспечение надежности, соеди-
нения, эластичность, отсутствие деq>ормаций в слоях клея,
хорошая адrезия к различным материалам, способность co
хранять свойства при внешних воздействиях,. стабильность
во времени и т. д.).
В результате узлы крепления имеют ряд п о л о ж и т е' л ь
н ы х к а ч е с т в:
конструктивная простота узла крепления, а также сни
жение ero массы и rабаритных размеров;
возможность закрепления.
линз, крепление которых
традиционными способами
затруднено, например линз
малоrо диаметра (до 6 мм),
с крутыми радиусами кри
визны и тонкими краями
(рис. 9.4), при некруrлой
I
форме базовых поверхностей
и др.;
отсутствие деформаций и Рис. 9.4. Крепление линз объе"тива
напряжений в оптической nри"леиванием
425
детали при внешних воздействиях на узел крепления (на
пример, при изменении температуры) блarодаря упрyrим
свойствам клеящих веществ;
возможность корректировки положения оптической дe
тали до момента затвердевания клеящеrо вещества;
обеспечение rерметизации соединения;
относительная простота автоматизации процесс а сборки.
Заметим, что этот способ наиболее часто применяется TaK
же для крепления линз приклеиванием в случаях, коrда они
имеют некруrлую <l)OPMY боковых поверхностей.
Для приклеивания линз к металлическим и пластмассо
БЫМ оправам используются вещества с различными q)изи
ко механическими характеристиками и технолоrией при
менения. Воск, каниq)оль размяrчаются при наrревании и
отверждаются при комнатной температуре (это клеящее Be
щество используется в лабораторных условиях при создании
макетов оптических приборов). Эпоксидные смолы OTBepдe
вают за счет химической реакции. rерметики разжижаются
растворителями и затвердевают (вулканизируются) за счет
испарения растворителя, либо в отсутствии кислорода воз
духа в зазорах соединений. Кроме Toro на ряде оптических
фирм разработаны ориrинальные клеи со специальными
свойствами (возможностью расклеивания соединения, воз
можностью механической обработки клеящеrо шва, высоким
коэq)(l>ициентом сцепляемости и др.).
Качество соединения линзы с оправой зависит от cor ла
сованности материалов, входящих в узел крепления компо
нентов. Для этоrо необходимо знать физико механические
свойства клеящеrо вещества, линзы и оправы.
В качестве клеящих веществ обычно используют клеи,
смолы, компаундь (композиционные клеи) и rерметики.
Основные п/,unы "леящих веществ
для С1Слеuванuя металла со сп е"л.ом
Условия работы, ос
Клей БФ 2, БФ"4, ОК 50П (rOCT 14887 69) ......... 60 ... +130
Полиуретановый клей ПУ..2 (РТМ 3"522 74) ......... 60 ... +100
rерметики YT 34, YT 32 (rOCT 24285 8 ),
Y 30M, УТ..31 (rOCT 13489 79)........................... 60 ... +130
rерметики (с Виксинт» У"2..28, BrO 1, У4..21,
ВИТЭФ l (ТУ 38.303 04 04 90) .......................... 60 ... +300
Наиболее употребляемыми являются полиуретановый
клей ПУ и rерметики УТ, BfO, характеризующиеся BЫCO
кой эластичностью. Их целесообразно применять в условиях
426
вибрации, 'при циклических наrрузках и относительно боль"
тих диапазонах температур. Эти клеящие вещества MorYT
хорошо работать на открытом воздухе. Отдельные типы rep"
метиков, например У"З0М, не обладают достаточной проч..
ностью связи между металлом и стеклом. В этом случае, для
повышения сцепляе ости на поверхность оправы наносят
подслой из клея типа 88Н.
Клеи типа БФ и эпоксидные смолы ОК, ЭП относитель..
но «жесткие., при отрицательных температурах ( 60 ОС)
уменьшаются в объеме (усаживаются), что вызывает дефор"
мацию рабочих поверхностей линзы и даже может привести
к ее растрескиванию. Этот тип клеящих веществ использует"
ся для линз относительно малых размеров и линз, работаю"
щих в лабораторных условиях
Материал, из KOToporo изrотовлены линзы для последую"
щеrо крепления приклеиванием, может быть любым. Чисто"
та обработки поверхности стекла в месте крепления не ока..
зывает существенноrо влияния на скрепляющее свойство.
Поэтому приклеиваемая поверхность линзы может быть
шли(рованной.
Оправы, к которым приклеиваются линзы, изrотавли"
вают из алюминиевых сплавов, латуни, стали, титана и ero
сплавов: ВТl"0, ОТ4, ВТ..5, ВТ..16 и др. Из перечисленных
материалов титан блаrодаря тепловым свойствам, близким
к стеклу, является наиболее оптимальным для изrотовле..
ния оправ линз. Особенность оправ их антикоррозийное
покрытие (химическое оксидирование для сталей и анодное
оксидирование для цветных металлов). Исследования пока..
зали, что при приклеивании линз rерметиком такие покры"
тия не ухудшают скрепляющих свойств [IV.27]. ДЛЯ повы"
шения прочности крепления на сопряrаемых поверхностях
оправ целесообразно выполнять рифление, пазы, выточки,
выступы и т. п. Шероховатость поверхностей рабочих эле..
ментов оправы следует назначать Rz == 20 мкм. При необхо..
димости оправа должна иметь технолоrические отверстия
для доставки клеящеrо вещества и свободноrо выхода возду"
ха из заполняемых зазоров и излишков клея.
На чертежах в соответствии с rOCT 2.313 82
(СТ СЭВ 138 81) клеевые швы изображают жирной линией
(на разрезах это может быть некоторая область). К этой ли..
нии подводят выноску, на которой ставят знак К (рис. 9.4).
:Клеевые швы, выполненные по контуру линзы, обозначают
окружностью диаметром 3 4 мм на конце выноски. Обо"
427
значение марки клея указывают в специ(рикации в разделе
«Материалы.. При выполнении ш.вов клеем разных марок
на выноске указывают номер шва, а в спецификации в раз
деле «Примечание « дают сноску на номер.
На рис. 9.5 показаны три типовые конструкции крепле
ния одиночных линз приклеиванием. Мениск базируется в
отверстие на уступ оправы (рис. 9.5, а). Закрепляющий кле
евой шов образуется за счет заполнения клеем сопряженных
фасок на линзе и оправе. Плосковыпуклая линза YCTaнaв
JIивается фаской на клеевой шов (рис. 9.5, 6), который Ha
носится на рабочую поверхность оправы. Плосковоrнутая
линза базируется на уступ оправы в осевом направлении
(рис. 9.5, в). Для образования клеевоrо шва в посадке линзы
и оправы выполняется увеличенный до 0,5 мм зазор, так как
очень тонкие слои клея теряют упруrие свойства. При невоз
можности увеличить толщину клеевоrо слоя между линзой и
оправой (например, для повышения точности базирования)
в последней выполняется специальная канавка, которая за..
полняется клеем (рис. 9.5, в).
Способ крепления оптических деталей приклеиванием
имеет некоторые н е Д о с т а т к и. 'Увеличение объема или
усадка клеящеrо вещества после отвердевания MorYT BЫ
звать напряжения в линзе. Поскольку зазор между линзой
и оправой заполнен клеящим веществом, то при перепадах
u u
температур, из за различных расширении этих деталеи, воз
можно расклеивание или возникновение напряжений и дe
.формаций. Большая длительность сушки клеящих веществ
(от нескольких часов до суток) требует особой технолоrии,
снижает производительность сборки. Некоторые компонен
ты клеящих веществ при определенных условиях (в BaKYY
ме) начинают испаряться, что может привести к зarрязне
пию линз. Крепление, как правило, неразборное, поэтому не
подлежит восстановлению. Базирование линзы в оправе на
б)
в)
Рис. 9.5. Крепление линз nри"леиванием:
а с базированием на рабочие элементы
onpaBbt; б с базированием на "леевой шов;
в с "омбинированньtМ базированием
428
клеевой шов (рис. 9.5, б) не обеспечивает
высокую точность ее положения. Крепле
ние линз и склеек с большой массой Heдo
статочно надежно и требует ero дублирова
пия прижимными деталями.
Влияние ряда недостатков может быть
уменьшено. Например, для повышения
точности расположения линз в KOHCTPYК
ции узла необходимо предусмотреть ба
зирование линзы непосредственно на ра
б<?чие поверхности оправы (рис. 9.5, а).
Допуски на поrрешности диаметров линзы
и оправы в посадке назначаются по 6 7 MY
квалитетам точности. Для уменьшения возможных дефор
маций разрабатывают конструкции оправ с упруrими эле
ментами (см. рис. 1.37). На рис. 9.6 показан вариант оправы
для линзы с упруrими несущими секторами. Эффект упрyrо
сти получается за счет выборок стенок оправы 1 , выполнен
ных по ее периметру. В результате линза 3 приклеивается к
оправе не всей базовой поверхностью, а только к трем пру
жинящим секторам 2.
В целом, несмотря на указанные недостатки, способ Kpe
пления линз приклеиванием имеет MHoro положительных
свойств, выrодно отличающих ero от друrих, rлавным об
разом блarодаря конструктивной простоте, экономичности,
надежности и возможности автоматизации сборки.
Крепление резьбовым кольцом. Применяется как разъем
ное крепление отдельных линз, склее1ШЫХ и составных лин
зовых блоков И дрyrих крyrлых оптических деталей. Оптиче
ская деталь прижимается к опорному уступу оправы кольцом,
имеющим наружную (или BнyтpeH
шою) резьбу, по которой оно завинчи
вается в оправу (рис. 9. 7, а). Кольцо
завинчивается в оправу специальным
ключом, вставляемым в специально
выполненные шлицы или отверстия,
а для кольца с внутренней резьбой BЫ
полняется накатка (рис. 9.7, 6).
Резьбовым кольцом peKOMeHдyeT
ся крепить линзы с диаметром свыше
1 О мм вследствие технолоrических
трудностей выполнения внутренней
резьбы в оправах меньшеrо диаметра,
а)
Рис. 9.7. Крепление лин
аы резьбовым "ОЛЬЦОМ:
а "ольцо с наружной
резьбой; б "ОЛЬЦО с вHY
тренней резьбой
1
3
Рис. 9.6. Прикле
ивание линаы "
оправе, устраняю
щей возни"ающие
напряжения
429
а также из за относительно больших (по сравнению с разме
ром линзы) rабаритных размеров кольда.
П р е и м у Щ е с т в а м и данноrо способа являются обеспе
чение надежноrо разъемноrо крепления, простота сборки и
демонтажа, отсутствие оrраничений крепления линз OTHO
сительно большоrо диаметра (до 300 мм).
К н е Д о с т а т к а м относятся следующие:
конструкция менее технолоrична, чем при креплении за
вальцовкой или приклеиванием (так как требуется наличие
дополнительной детали, крепежной резьбы в оправе, необ
ходимо предохранять резьбовое кольцо от самоотвинчива
ния);
узел имеет увеличенные, особенно в осевом направлении,
rабаритные размеры; затруднена автоматизация сборки co
единения;
невозможна юстировка линзы в оправе в процессе сборки;
не всеrда можно обеспечить равномерный по всей окруж
ности прижим линзы К опорному уступу оправы, что связвно
с перекосами кольца в резьбовом соединении, поrрешностя
ми формы и положения (отклонение от перпендикулярно
сти) торца кольца и опорноrо уступа, разнотолщинностью
(клиновидностью) линзы по краю;
при работе соединения в условиях перепада температур,
из за ero жесткости MorYT возникнуть либо де(рормации лин
зы, либо смещения из за уменьшения усилия прижатия или
даже возникающеrо зазора между линзой и резьбовым коль
цом.
Для устранения последних недостатков между резьбовым
кольцом и линзой устанавливают пружшmое кольцо (рис. 9.8).
Вследствие упрyrости кольца в осевом направлении дo
стиrается равномерное по всей окружности распределение
давления на линзу и KOM
пенсируется влдяние TeM
пературных деформаций. В
данной конструкции узла
линза поджимается к трем
выступам, выполненным в
опорном торце оправы. Пру
жинное кольцо также имеет
три выступа, которые ориен
тированы напротив выступов
Рис. 9.8. Крепление линзы с ycтa оправы с помощью винта 1,
нов"оЙ пРУЖUННОlО кольца позволяющеrо пружинному
1
1
М 2:1
430
,
кольцу смещаться вдоль
оси, но оrраничиваю
I щеrо ero разворот. В pe
зультате достиrается
rеометрическая опреде
ленность соединенця,
что обеспечивает мини
мальные десl)ормации
при прижиме.
На рис. 9.9 в каче
стве примера приведен
чертеж типовой оправы
для закрепления линзы
резьбовым кольцом че
рез пружинное кольцо
без выступов.
Диаметр посадочно
rO отверстия (на рис. 9.9
052Н9) соответствует
полному диаметру линзы D. Допустимые отклонения диа
метра зависят от условий базирования линзы в оправе. Если
положение JШнзы в оправе определяет посадочное oтвep
стие, то рассматриваемый допуск зависит от принадлежно"
сти линзы к соответствующим точностным rpyrrn:aм: повы"
ше:нн:ая точность (например, линзы аэросротообъективов)
H6 H7; средняя точность (линзы телескопических объекти"
вов, окуляров) H8 H9; пониженная точность (линзы осве..
тительных систем) до Н11. При базировании JШнзы на от..
верстие опорноrо уступа оправы допуск может быть более
широким дО Н12. Диаметр опорноrо уступа (на рис. 9.9
048.2Н12) обычно равен или на 0,1 0,2 мм больше светово"
ro диаметра линзы. Размеры. внутренней резьбы (на рис. 9.9
М54хО,5..6Н) получают из неравенства М > (D + 1,1р), rдер
шar резьбы. Полученные значения параметров резьбы М и р
должны быть соrласованы с rOCT 16967 71 (СТ СЭВ 183 75),
rде приведены диаметры и шarи метрической резьбы, допу"
скаемые к применению в приборостроении. Шar резьбы мел..
кий, обычно равный 0,5, 0,75 или 1,0 мм. Более крyшIыIй шаr
требует увеличения толщины стенок оправы. Мелкий шar ис..
ключает резкое увеличение УСИJШя прижа тия JШнзы к уступу
при завинчивании кольца. Технолоrическая канавка резьбы
(на рис. 9.9 1,2 Н12) ВЫПОJПIяется узкой по rOCT 10549 80
(СТ СЭВ 214 75). Размер rлубины посадочноrо отверстия (на
?ooot tq
с с\1
<:о со
tS)
tS)
28 Н 12
Rz O/
v,\I)
,
<:о ,
с
с\1 Х I
tS)
tS)
1 t2 Н 12
6,5 Н 12
Рис. 9.9. Ч ерn/,еж оправь/' линзы
431
рис. 9.9 28 Н12) определяется толщиной JШнзы по световому
диаметру t cB ' длиной внутренней резьБЬJ оправы (6+ 10)р, шири
ной технолоrической канавки резьбы и шириной пружинноrо
кольца L. Размеры и форма дрyrих элементов оправы опреде
ляются исходя из особенностей конструкции Bcero узла.
Размеры резьбовоrо кольца (рис. 9.10, а) назначаются в
соответствии с размерами закрепляемой линзы. Диаметр
резьбы должен быть больше полноrо диаметра линзы, а BHY
тренний диаметр кольца должен быть больше cBeToBoro диа
метра линзы на значение не менее 0,2 0,5 мм. Соотношения
размеров резьбовых колец в зависимости от диаметра опти
ческой детали, рекомендуемые ОСТ 3 2376 74, приведены в
приложении П8).
ДЛЯ предохранения резьбовоrо кольца от самоотвинчива
ния приментотся стопорные винты ИJШ (при тонкостенных
оправах) резьбовые кольца стопорятся клеем, лаком или Kpa
ской.
На рис. 9.10, б показан один из вариантов пружинноrо
кольца. Соотношения основных размеров пружинных колец.
по данным ОСТ 3 2378 74 приведены в приложении П9.
Оправы и резьбовые кольца изrотавJШвают из закаленных
алюминиевых сплавов Д1 Т, Д6Т, Д16Т, В95 ИJШ JШтейных
АЛ2, АЛ9, АЛ13, а также стали. Для пружинных колец обыч
но применяют конструкционные стаJШ Сталь 40, Сталь 50.
Кольца и оправа должны быть подверrнуты чернению
(химическое оксидирование, анодное оксидирование). При
а)
Рис. 9.10. Пара'м'етры резьбовых и nружинных "олец для "реnления
"руzлых оnтичес"их деталей
432
необходимости более полноrо rашения бликов на внутрен"
них поверхностях оправ и колец наносится рифление по
ОСТ 3..777 72.
Заметим, что резьбовые кольца широко используются
также для закрепления компонентов в корпусных деталях
линзовых функциональных устройств (см. п. 9.2.2).
Крепление проволочныM кольцом. Этот способ приме"
няется для закрепления линз диаметром 20 80 мм при не..
высоких требованиях к точности их центрирования и rep"
метичности соединения. Он используется в основном для
закрепления линз и зеркал в осветительных системах и не
силовых оптических деталей (светофильтров, защитных сте..
кол, матовых и молочных рассеивателей).
На рис. 9.11 изображены два варианта крепления линзы
проволочным кольцом. В первой конструкции (рис. 9.11, а}
линза помещена между опорным уступом и выступающеи
частью проволочноrо кольца, установленноrо в прямоyrоль"
ную кольцевую канавку оправы. Ширина канавки равна
диаметру (толщине) проволоки, а rлубина половине диа"
метра. Кольцо имеет вырез и изrотавливается из стальной
yrлеродистой пружинной проволоки (иноrда латунной или
бронзовой) диаметром 0,4 1,0 мм (рис. 9.11, в).
'Условие установки проволочноrо кольца в оправу:
D min < D оп , rде D min диаметр сжатоrо кольца; D оп диа"
метр отверстия оправы; а условие крепления линзы в опра'"
ве: d max < D л , rде d max внутренний диаметр кольца, уста"
новленноrо в оправу; D л диаметр линзы.
Крепление проволочным кольцом конструктивно простое
и технолоrичное. Кольцо может быть быстро установлено
или снято.
Недостатком Taкoro способа крепления является возмож"
ность смещения и перекamи ания линзы в оправе, которые
возникают из..за oceBoro зазора (обусловленноrо поrрешно"
а)
б)
а
в)
Рис. 9.11. Креnл.ение проволочным "ольцом: а оправа
с прямоуzольной "анав"ой; б оправа с "оничес"ой "a
нав"ой; в проволочное "ольцо
433
стями размеров канавки, толщины линзы по краю, диаме
тра проволоки).
Во второй конструкции в оправе выполнена конусная ка
навка под проволочное кольцо (рис. 9.11, 6). В месте KOHTaK
та кольца с наклонной плоскостью канавки возникает сила
реакции, осевая составляющая которой прижимает линзу к
опорному уступу. Для надежности соединения уrол а KOHYC
ной канавки должен быть меньше yrла трения.
Крепление пружинящими планками. Крепление при по
мощи пружинящих планок применяется для линз, работа
ющих в условиях перепадов температур, динамических воз
действий и в случаях, коrда они имеют не круrлую ч)орму
боковых поверхностей. Упруrо десрормируясь, планки KOM
пенсируют действие q)aKTOpOB, ухудшающих качество co
единения. Пример крепления пружинящими планками по
казан на рис. 9.12.
Планки изrотавливают из лент холоднокатаной инстру
ментальной или пружинной стали (б5r, У8А), нейзильбера
(НМцб 5 20) и устанавливают через 1200 по окружности опра
вы (рис. 9.12, а). Каждая планка привинчивается к оправе
двумя винтами.
Для крепления линз малоrо диаметра три планки заме
няют одним кольцом С тремя пружинящими выступами
(рис. 9.12, 6). Возможны и друrие конструктивные реализа
ции пружинящих планок и их соединений с оправой [IV.1].
Конструкция узла характеризуется достаточной точнос
тью и надежностью соединения линзы с оправой.
П р е и м у Щ е с т в а м и, которыми обладает данный способ
крепления, являются следующие: возможность реrулиро
вать усилие прижима; создание упруrоrо соединения, позво
а)
A A
б)
Рис. 9.12. Крепление nружиНЯlцимu план"ами:
а пtремя плаll ами; б ольцевой план- ой
434
ляющее компенсировать поrрешность осевых размеров со..
пряrаемых деталей и их изменение от внешних воздействий;
возможность разборки конструкции; отсутствие необходимо"
сти в специальном оборудовании и квали(l>ициРОВанном пер"
сонме для сборки узла. К н е Д о с т а т к а м следует отнести:
нетехнолоrичность конструкции, содержащей большое ко..
личество крепежных элементов; сложность автоматизации
сборки; невозможность юстировки в процессе сборки
Крепление накладным кольцом. Данный способ применя"
ют для крепления крупноrабаритных линз, а также друrих
круrлых оптических деталей (защитных стекол, зеркал) с
диаметром, превыmающим 200 300 мм. Крепление наклад"
ным кольцом относится К индивидуальным способам крепле"
ния. Ero реализация зависит от конкретных rеометрических
параметров оправы и линзы, их допустимых отклонений, а
таiже от температурноrо режима работы соединения.
Схема крепления показана на рис. 9.13, а. Линзу устанав"
ливают в оправу на фаску опорноrо буртика, выполненную
под уrлом 1350 или по касательной к рабочей поверхности
линзы (см. рис.1.19, б, в), к которому она прижимается на..
кладным кольцом. Рабочая поверхность прижимноrо коль..
ца тоже выполняется по касательной к поверхности линзы и
крепится к оправе болтами.
а)
б)
.
ВидА
.1
Вид В
Рис. 9.13. Креп.леllие липа llа ладllъt.м ОЛЪЦОМ: а схема
репления; б Оllсп ру ция реnлеllия с тepMO OMпeH
caп opa.ми
435
Для компенсации поrрешностей изrотовления COOTBeT
ствующих размеров оправы, линзы. и накладноrо кольца и
их изменений при отклонениях температуры между KOHTaK
тирующими поверхностями линзы и кольца устанавливает
ся упруrая прокладка.
Для центрирования линзы в оправе MorYT применяться
вкладыши (например, полоски (рольrи толщиной 0,005 мм),
которые устанавливают в зазор между посадочным OTBep
стием оправы и линзой. Иноrда линзу центрируют в оправе
сдвиrом (наклоном) винтами с последующей фиксацией rep
метиком (см. рис. 9.38, а).
Для компенсации возможных пережатий или смещений
линзы при перепадах температуры в ряде случаев между
диаметрами линз и отверстиями оправы устанавливают тер"
мокомпенсаторы (рис. 9.13, б). Расчет термокомпенсатора
осуществляют по зависимости (1.5).
Данный способ крепления обладает рядом н е Д о с т а т
к о в: трудоемкость сборки узла из за подrонки прижимноrо
кольца; увеличенные rабаритные размеры конструкции, так
как накладное кольцо выступает за пределы оправы; невоз
можность автоматизации сборки.
К пр е и м у Щ е с т в а м способа следует отнести: надеж
ность крепления; возможность частичной юстировки поло
жения линзы относительно оправы; возможность примене
ния термокомпенса торов.
Специальные (нетрадиционные) способы крепления.
К этим способам крепления линз относятся, например: Kpe
плени е линзы в оправе стопорными винтами (или привин
чивание линзы винтами к оправе через просверленные в ней
отверстия); заливка линзы в оправе зубным или rлето rли
цериновым цементом; заформовка линзы в оправу из TepMO
пластичных пластмасс; обжатие линзы «хомутовыми. или
разъемными оправами. На рис. 9.35 изображена KOHCTPYK
ция проекционноrо объектива, линзы KOToporo закреплены
в разъемной пластмассовой оправе.
9.2.2. КОНСТРУКЦИИ ЛИНЗОВЫХ СИСТЕМ
к линзовым системам оптических приборов относятся
объективы, окуляры, оборачивающие системы, системы
смены увеличения, конденсоры и коллекторы. Как правило,
эти функциональные устройства состоят из нескольких или
436
б)
в)
..
Рис. 9.14. Насыпные с nромежуточны,М,и "ольца'м'и "O1l
струкции конденсоров
больmоrо количества линз и склеенных блоков (в некоторых
из них содержатся также и друrие оптические детали: сетки,
зеркала, защитные стекла, светофильтры, рассеиватели).
В зависимости от способа установки и сопряжения этих
оптических деталей с несущим элементом (корпусом) устрой"
ства конструкции линзовых систем подразделяют на насып..
ные, насыпные в оправах, резьбовые, комбинированные и
специальные.
В насыпных конструкциях линзы (и прочие детали) уста"
навливаются последовательно друr за друrом (насыпаются)
непосредственно в корпусную деталь. Необходимые воз..
душные промежутки между компонентами выдерживают-
ся здесь с помощью промежуточных колец (рис. 9.14 9.16)
либо точным изrотовлением их конструктивных параметров
(диаметров и фасок, рис. 9.17, 9.18). Точность центриров..
ки компонентов системы обуславливается поrреmностями
центрировки самих линз, зазорами их посадок в корпус,
Рис. 9.15. Компенсационный
О "уляр
Рис. 9.16. Н асыnная с nро,М,ежуточными
кольцами констру"ция объе"тива
437
наклонами из..за перекоса опор"
Horo торца корпуса, клиновид"
ностями промежуточных колец
или биением опорных (l)aCOK, а
также несоосностью посадочных
рабочих поверхностей корпуса
(рис. 9.14, б, в и рис. 9.18).
Так как обеспечить высокую
точность центрировки MHoro"
компонентной линзовой системы
Рис. 9.17. Н аСЬ/,nllая без пpo.м.e
жупtОЧIlЫХ колец КОllспtру1СЦUя. из..за перечисленных поrрешно"
фоп ообоекп ива стей весьма сложно, а юстиров..
ка центрировки (см. п. 9.2.3)
при насыпной конструкции затруднена или невозможна, то
ее используют обычно в конструкциях осветительных си"
стем (конденсоров, коллекторов), окуляров и относительно
простых объективов. Данная конструкция не используется
также в случаях, коrда линзы системы существенно отлича..
ются друr от друrа по световому диаметру.
Насыпная конструкция (особенно без промежуточных
колец) является наиболее технолоrичной, так как содер"
жит минимально возможное количество деталей. Поэтому
наблюдается устойчивая тенденция все более частоrо ее ис-
пользования в конструкциях линзовых узлов приборов.
Н асыnная в оправах конструкция отличается от
предыдущей тем, что линзы и компоненты вначале за..
крепляются тем или иным способом (чаще Bcero заваль"
цовкой или приклеиванием) в своих оправах, а затем
устанавливаются последовательно в корпусную деталь
(рис. 9.19 9.24, 9.27, а).
Воздушные ПРQмежутки между компонентами обеспечи"
ваются точным выполнением соответствующих конструк"
тивных размеров оправ компонентов (при необходимости
,. .'
I 11'
Рис. 9.18. Н acbr.пllbte КОllструкции фотообъе"тивов
438
б)
r.\}
::::i
..о
:t""",
.....(""Oo,.
N '-1
""
1:::; о ·
;r 1I
.
"--'
а)
Плос оспtъ
пpeд.мeп a
331:.0,015
451:.0,015
::
t:;,..,)
O
O
repMeтu" Bи cи1lп Bro 1, ТУ 38.303.04 90
Рис. 9.19. Н aCЪf,пIlЪf,e в оправах "01lcп py"ции .jкu"рообъе"п uвов: а "лас
сuчес ая; б унифuцироваllllая
439
{9
#
45,5i:.0,0 1
#
-#
'*
.... ...
Плос"ость иаображения
Рис. 9.20. Насыпная в оправах "онстру"ция ФОnl,ообое"тива
*'
воздушный промежуток может юстироваться, см. п. 9.2.3).
Точность центрировки компонентов системы обуславлива ..
ется поrреmностями расположения центров кривизны их по..
верхностей и неперпендикулярностью плоских поверхностей
относительно базовых осей оправ, зазорами посадок оправ в
корпус, наклонами оправ из..за перекоса опорноrо торца кор"
пуса и клиновидности оправ, несоосностью посадочных рабо"
чих поверхностей корпу"
са (рис. 9.20).
Использование резуль"
тативной обработки оправ
с линзами после сборки от
их оптических осей с по..
мощью центрировочноrо
патрона и трубки 3а6еJШ"
на (см. рис. 1.42), позво"
ляет достичь достаточно
высокой точности центри"
ровки компонентов JШн"
зовой системы. Если
точность центрировки не..
Рис. 9.21. Фотообое"nl,ив с юстировочной достаточна, то ее достиrа"
nодвиж"ой ют юстировкой, которая
440
06еспечиваетсясдвиrами
или разворотами некото..
рых оправ компонентов
(см. п. 9.2.3).
Насыпная в опра"
вах конструкция при"
меняется обычно при
конструировании мно"
rокомпонентных фото"
объективов (рис. 9.20,
9.21), микрообъективов
(рис. 9.19), проекци"
онных и фотоrрамме"
трических объективов Рис. 9.22. Фотоерафический npoeKциOH
(рис. 9.22, 9.23), зер" ный объе"тив
I
кально" линзовых объ"
ективов (рис. 9.24).
На рис. 9.22 представлена конструкция мноrолинзовоrо
проекционноrо объектива, компонеН I KOToporo завалъцова"
Рис. 9.23. Широ"оуzольный об'Ъе"тив «(Руссар»
441
ны каждый в собственную оправу и установлены в общий KOp
nyс. Силовое замыкание выполняется резьбовым кольцом.
Линзы объектива (рис. 9.23), значительно отличающие
ся по световому диаметру, закреплены в оправах и YCTaHOB
лены в общий корпус по
общему посадочному диа
метру. Требуемые воздуш
ные промежутки обеспе
чиваются прокладными
кольцами, которые YCTa
навливаются между опра
вами с линзами.
Конструкции линзовых
систем, сопряженныIe с KOp
пусом дзнным способом, Me
нее технолоrичны по cpaв
нению с насыпными (без
оправ), так как содержат
большее количество дeTa
лей. Однако этот способ по..
зволяет закреплять JШнзы
существенно разных диа
метров (рис. 9.24) и, кроме
Toro, обеспечить более BЫCO
кую точность центрировки.
В резьбовых KOHcтPYK
цuях линзы и компонентыI
закрепляются каким либо
способом в своих оправах,
которые соединто1;СЯ по
резьбе с корпусной деталью
(рис. 9.25 9.27, б, 9.28).
Варианты возможно
ro крепления линз фото
объек тива приведены на
рис. 9.27.
Для повышения точно
сти центрирования компо
нентов их оправы также
результативно обрабаты
ваются от оптической оси
Рис. 9.24. 3еркал.Ъ1iо ли1iзовьtй объек после сборки. Так как резь
тив бовое соединение хуже цeH
.....:\
.4
": 'Jt
'\ :
'\ ,_ 'о-
'.., .... .
'\ ,. '. ,
\.
\
1\
'"
'\
'\
{- r-..
t.
11/\
'.
.,,,
'о. , '\' "
" .., \ '"'=, ,.'
'" ...
/",
Е '
f:j ,
.....
,'о
A t
r\V'.: ", IJ )
r,t;"--: J t t'-1'
V(,/............... '" -
r\ v// ;// .. 7, 'L! !L" м 17:' ; { :2
/ ".,
..... / /. / f'l. t / )-f , . '"
" :,,/ t: " '\'
,.. I > .....
t-J'/ ""r:......, ! '.Y 1.'",..._ , y 1
...... .......... , ..... 'f
' "
1 ... v
r;
.,? V
(/ //. т;' ; у: V V
v .1 V
I -:t ?x///.; ' '/h< r"
.,1' .. / A.J '!...
Ш йt '-о:
, .. -,У
.' /11', '1V: ' n
. А!\.Т .",. b....I ;t::;;::( L I/' --A
." '. 11 ===::
ZЗ I /H J'7'
::. ''- V -
t , < :
I:::::::r'
/ I ,,
t
442
/
/
/,
,
....,
/
/
/
/
а)
б)
1"
"// "''''''' T '''
/ IL.II ., , . '-,
/ / / / ./././ ./././././././ //..,1 1\. ,," X.Jllli Х Х Х х х".
., }(}( 'X.xf
» " " '" , , '- '" ,. :
I wfl
M ii "
.... ... ..."'
,.... - .., '''' ...,
%z ,%
/. .,
/ '?'//////
\ / "
"""" ..,w .;.;."
"//////////////.a ,, }C
"''''',\.,, ,, ><.zx
zz '-
Рис. 9.25. О"уляры: а rюйzе1iса; б Кельнера
трирует компоненты, то в некоторых случаях на оправах KOM
понентов 2, 3 и 5, 6 выполнтот специальные цилиндрические
центрирующие пояски (рис. 9.28), что требует для отсутствия
избыточноrо базирования ВЫПОJШять резьбовое соединение
с rарантированно большим зазором по сравнению с зазором
посадки цилиндрическоrо пояска (см. п. 1.3.2). В корпусе 4
установлено юстировочное кольцо 8 для реrулировки ч)окус
Horo расстояния объектива.
Резьбовая конструкция является наименее технолоrич
ной из рассмотренных выше, так как более трудоемка при
изrотовлении и сборке, поэтому в настоящее время использу
ется относительно друrих rораздо реже. В этой КОfIСТРУКЦИИ
443
практически невоз
можно осуществлять
юстировку центриров
ки компонентов систе
мы.
Чаще Bcero данная
конструкция при
меняется для Kpe
пления компонентов
окуляров, rде резьба
может использовать
ся для диоптрийной
подвижки rлазных //
линз (см. рис: 9.25r4
или Bcero окуляра (см.
рис. 9.25, б).
Для наблюдателя,
страдающеrо близо
рукостью или дально
Рис. 9.26. Кварц флюоритовый "онденсор зоркостью, перемеще
КУФ 3 ние Z окуляра в целях
резкоrо видения изо
бражения (и сетки), соответствующее аметропии rлаза в N
диоптрий, определяется по формуле:
Z == N {,2 /1000 == N 62,5 /r K'
rде {' и r ОК фокусное расстояние и увеличение окуляра co
ответственно.
В комбинированных конструкциях компоненты JШнзовых
систем сопряrаются с несущей (корпусной) деталью различ
а)
Рис. 9.27. Фотообъе"тивы «(Ин,дустар»
444
1
2
3
4
5
678
Рис. 9.28. Резьбовая "О1iстру"ция оправы фотообъе"тива
ныIии способами: непосредственно устанавливаются в корпус,
цасыпаются в оправах или их оправы соединяются с корпу
сом по резьбе (рис. 9.29 9.34).
На рис. 9.29 изображена конструкция фотообъектива « re
лиос 44Н , компоненты 1 и 2 KOToporo закреплены в оправе,
Рис. 9.29. Фотообъе"тив «(rелиос 44Н»
445
Рис. 9.30. О"ул.яр с фо"усировочной подвиж"ой
соединяемой с корпусом по резьбе, а компоненты 3 и 4 YCTa
новлены в корпусную деталь насыпным способом.
На рис. 9.30 приведена конструкция окуляра, часть
линз KOToporo закреплена в несущей д али насыпным
способом, а оправа rла ной линзы завинчена в нее по резь
бе. В данной конструкции обеспечена <l)окусировка ОКУЛЯ
ра не ero вращением (как в конструКЦИЯХ, изображенных
Рис. 9.31. Объе"пlив «(Опалар»
446
/?
,./1 Л
\\ . ,\
Рис. 9.32. Телеви.зио-н-ньiй объе"тив с переме-н--н-ым фокусным рассп оя-н-uе.м
на рис. 9.25), а продольным сдвиrом с помощью деталей
поз. 1 5.
На рис. 9.31 представлена конструкция объектива «Опа
лар для фотоаппарата ЛОМО компакт, первые две линзы
KOToporo установлены непосредственно в корпусную деталь,
а остальные насыпаны в своих оправах.
447
Рис. 9.33. Вариообъе"тив
448
Рис. 9.34. Комбинированная констру"ция телескопическоео объектива
Комбинированная конструкция весьма часто использует
ся при проектировании сложных, мноrокомпонентных объ
ективов с различными световыми диаметрами (рис. 9.32
9.34) [IV.31]
В специальных конструкциях JШнзы и компоненты YCTa
навливаются и закреплтотся в КОРПУСНОЙ детали нетради
ЦИ:ОШIым способом. На рис. 9.35 представлена конструкция
проеКЦИОШIоrо объектива, линзы KOTOporo (две из них 1 и 3 BЫ
ПОJШены из полистирола, а третья 2 из силикатн:оrо стекла)
установлены в призматических канавках JШТОЙ пластмассовой
A A
4 5
\
I
I
1
2
3
1 -'
/ ' r /'; -' '
/-, /'/ , / ' '/ /"'- /'
...' / -/." /, .); l' / ' " /
,/, " , ,/ ,/
/" /', ;h /.У J// /
/ , / ,/ /У //"
/, ,. '/" / t /. '" /,
, / '/" / -" . / /
-;/, " ,/ ( /-' у'-, :/
,1 , / / У , / / /" / " /
/' " , /- /. '1 '/ / ;;:. ,/.
, //;h //" I /.' .:/.. ,/ -' .
. - . - J..! у, /t ';'/ _._ . - ;.<.L..../ r7 -- -
/// , / " ' r/// //
, '/ j/, /, /< . / '/,;/,-;;:.
/// ,, / ' /r / ,1 /
'/ //' у: . I /'- -/ ,,/
, /-':. // "/ , /, , / /-'
, , , '/ l' // 'i', ,,/- ,/
,/ .-;/,,{. /, /' ,
/' 'l"/ , / ,-' '/ -:. / '.'
"/' j/ Л. .. /.
I /- ; / '
'/ -' . '/. . /:
/' -" ...i' '
/, . , ,/
f / /
A
Рис. 9.35. Проекционный объе"тив
449
общей оправы, выполненной из двух цилиндрических полови
иок 4,5. Крепление линз осуществл ется обжимом их поло
винками оправы, вставленной в корпусную деталь. Блarодаря
упрyrости тонких буртиков призматических канавок произво
дится беззазорное сопряжение линз с оправой. ТОt.IНость распо
ложения линз достиrается точным литьем элементов оправы.
Более подробные сведения о конструкциях тех или иных
видов и типов линзовых систем: объективов (например, (po
тоrрафических, телескопических, проекционных, микро
скопических, зеркально линзовых и т. д.), окуляров, OCBe
тительных систем изложены в справочниках и специальной
литературе [IV.1, IV.26, IV.28 IV.33].
9.2.3. ЮСТИРОВКА ЛИНЗОВЫХ СИСТЕМ
ОПТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ
к линзовым системам оптических приборов относятся
объективы, окуляры, оборачивающие системы и освети .
тельные устройства. Они предназначены для силовоrо пре
образования пучка лучей в целях построения изображения,
наблюдения, трансформации, а также освещения предмета
наблюдения.
К этим системам редъявляm ся определенные требова
ния по качеству создаваемоrо изображения, ero расположе
нию относительно дрyrих элементО:!З оптической системы,
расположению самих линзовых сист м относительно пред
мета наблюдения или изображения ц источников освеще
ния.
Обеспечить указанные требования т хнолоrически, т. е.
только за счет соответствующих допускdв на изrотовление и
сборку элементов линзовых систем, как щравило, не удается.
Поэтому при разработке их конструкIЩИ следует предусма
тривать (при необходимости) обеспечение указанных требо
ваний с помощью юстировки.
Типовыми юстировочными операциями линзовых систем
являются:
· юстировка качества изображения;
· (рокусировка изображения, обеспечение рабочих pac
стояний;
· реrулировка фокусных расстояний;
· выставка визирных линий и оптических осей;
· юстировка увеличения и масштаба изображения.
450
Методы' и способы юстировки оптических приборов из
учаются в специальном учебном курсе. Однако, в связи с тем
что юстировка изделий закладывается на этапе конструиро
вания, а линзовые системы являются одними из наиболее
распространенных компонентов оптических систем прибо
ров, представляется целесообразным рассмотреть вкратце
типовые конструктивные и технолоrические решения и при
емы, позволяющие выполнять перечисленные выше юстиро
вочные операции.
Юстировка качества изображения. Поrрешности изrо
товления и сборки деталей линзовых систем, отклонения
характеристик их материалов приводят к возникновению
дополнительных аберраций и ухудшают качество создавае
Moro изображения. Улучшить качество изображения можно
компенсацией тех или иных аберраций, превосходящих дo
пустимое значение, соответствующими юстировочными опе
рациями.
Рассмотрим типовые юстировочные операции на примере
юстировки качества изображения объективов.
На первом этапе выявляются дефекты качества изо
бражения, создаваемоrо собранным объективом. На прак
тике деq)екты из за технолоrических поrрешностей изrо
товления и сборки элементов (деталей) объектива обычно
выявляют по виду дифракционноrо изображения точки.
Если юстируется микрообъектив, то рассматривается соз
даваемое им изображение светящеrося отверстия малоrо
диаметра, всеrда имеющееся в тонком слое алюминиево
ro или серебряноrо зеркальноrо покрытия на стеклянных
пластинках. Друrие типы объективов (например, (l>oTorpa
фические) устанавливаются в параллельном ходе лучей,
создаваемом коллиматором 1 от точечной диаq)рarмы, а
дифракционное изображение точки рассматривается с по
мощью микроскопа 5 визуально или через видеонасадку
(рис. 9.36, а).
'Уrловой размер, мм, диафрarмы не должен превышать Te
оретической разрешающей способности объектива:
120". ! .5.10 6
d < к
D '
ВХ
rде ! к фокусное расстояние объектива коллиматора, мм;
D BX диаметр входноrо зрачка объектива, мм.
Необходимое увеличение микроскопа находится из условия,
что yrловой размер радиуса первоrо дифра.кционноrо кружка
451
Эри должен составлять в пространстве изображений yrловое
значение, не меньшее, чем разрешающая способность rлаза Е
наблюдателя (при:нимается для микрОСкопов равной 2' 4'):
250.E.3.10 4
r == 1,22л.(f'jD вх ) == (450+900)А,
rде А == 0,55 мкм длина волны света; А относительное
отверстие контролируемоrо объектива.
Если используется видеонасадка с П3С матрицей (или
микрообъектив проецирует изображение дифракционной
точки на П3С матрицу), то необходимое увеличение рассчи
тывается исходя из характеристик разрешающей способно
сти матрицы.
Если в дифракционном изображении точки видно яркое
неокрашенное светлое пятно, окруженное одним двумя KOH
центрическими кольцами, не имеющими разрывов и утол
щений (идеальное изображение рис. 9.36, б), то объектив
изrотовлен правильно.
Увеличение числа колец BOKPYZ ядра (рис. 9.36, в) YKa
зывает на наличие сферической аберрации, обусловленной
поrрешностями изrотовления толщины линз и воздушных
промежутков, общими поrрешностям:и формьrN,- поrреш
""-
ностью показателя преломления материалов ne' а ив rда и
ошибкой установк:и; стороны линзы (при близких значеiщях
их радиусов кривизны).
-Устранение сферической аберрации производят измене
нием воздушноrо промежутка ме;КдУопределенными KOM
понентами (линзами) объектива. Для этоrо в конструкции
либо предусматривают сменное прокладное кольцо 1 5
а)
1
2
3 4
(' к
ix-
t
б)
в)@)
е) 0
д)О
Рис. 9.36. Контроль и устранение дефе"тов "ачества изображения
452
(рис. 9.19, 'б) или специальное реrулировочное кольцо либо
подрезают одну из оправ соответствующей линзы.
ЕсJШ в изображении точки набтодаются асимметрия в pac
пределе:нии освещенности колец, односторонний их разръm или
несимметричная фиrypа, называемая комой (рис. 9.36" z), то это
rоворит о децентрировке компонентов объектива. Она возника
ет из за децентрировки JШнз при изroтовлении, из за смещения
в зазорах посадок и наклонов линз, вследствие СДБиrов и КJIИНо
ВИДНQCти слоя клея при их склеивании, из за несоосности поса
дочныIx rнезд компонентов в оправах и в корпусной детали.
Часть поrрешностей, вызывающих децентрировку линзы
(или компонента), может быть компенсирована результа
тивной обработкой оправы от ее оптической оси после закре
плени я линзы.
Однако остаточные децентрировки линз (компонентов)
относительно базовых осей оправ, смещения и наклоны ca
мих оправ в корпусе зачастую не обеспечивают необходимой
центрировки компонентов оптической системы. В этом слу
чае применяют конструктивные методы компенсации дe
центрировки сдвиrом, разворотом или наклоном одной или
нескольких линз объектива.
Сдвиr линзы перпендикулярно к оптической оси ocy
ществляют обычно с помощью технолоrических винтов 3
(рис. 9.36, а), смещающих оправу 4 с линзой в пределах
зазора между оправой и корпусом 2. Этим смещением соз
дается аберрация противоположноrо знака по отношению
к суммарной аберрации друrих компонентов, вызванных
их децентрировкой. После выполнения юстировки по
ложение линзы, как правило, фиксируется rерметиком
(СМ. рис. 9.19, 9.21).
В связи с тем что децентрировки линз представляют co
бой векторные величины, разворачивая линзу или несколь
ко линз оптической системыI объектива BOKpyr базовой оси
оправы, можно компенсировать влияние их децентрировок
на качество изображения. Этот прием используют при юсти
ровке объективов теодолитов, фотоrpамметрических и круп
ноrабаритных объективов.
На рис. 9.37, а представлена схема конструкции фотоrрам
метрическоrо объектива, rде разворотом оправ компонентов
1 и 3 относительно неподвижноrо компонента 2 добивают
ся компенсации ero танrенциальной дисторсии. Юстировка
основана на известном свойстве трех векторов децентриров
ки: если модуль одноrо вектора не больше суммы модулей
453
а)
б)
У
х
Рис. 9.37. Юстиров"а фотоzраммепl,рuчес"оzо об-ъе"тuва
двух дрyrих, то всеrда можно найти такие их направления,
что суммарный вектор будет равен нулю (рис. 9.37, б).
Наклон линз для компенсации децентрировки использу
етс,я на практике реже, так как он менее технолоrичен и при
меняется обычно для юстировки зеркально линзовых объек
тивов и крynноrабаритных линз.
На рис. 9.38, а представлена схема центрировки плоско
выпуклой крупноrабаритной линзы посредством наклонов
относительно оправы с помощью технолоrических винтов и
последующей фиксацией rерметиком.
На рис. 9.38, б изображен зеркально линз{ЦJЫЙ объектив
телескопа Максутова [IV .19], центрируемый нак)Юнами зер
кала 3 винтами 4, 5 относительно мениска 1 с HaнeceH ым на
ero задней поверхности зеркальныIM покрытием 2.
Изображение тrwчки, 8ытян.утое 8 одн.у сторон.у (рис. 9.36,
или крестообразное, пере ходящее при перефокусировке в
rоризонталъную либо вертикальную полосы, указывает на
астиrматизм объектива. Он обусловлен цилиндричностъю
рабочих (сферических) поверхностей линз, возникающих
при их изrотовлении или из за деформации (пережатии)
при креплении. Иноrда удается устранить этот дефект раз
воротами компонентов или ослаблением усилий крепления.
Чаще Bcero дефектную линзу (обнаруживаемую при разво
роте ее оправы BOKpyr базовой оси) удаляют, заменяя ее без..
дефектной.
По дифракционному изображению точки MO O выявить
И устранить и дрyrие технолоrические поrреmности, напри"
мер rрубые свили, «завалы. (фаски) по краю линз.
Фокусировка изображения. Технолоrические поrреm
ности изrотовления и сборки элементов линзовой системы
обычно не позволяют обеспечить необходимое расстояние
линзовой системы до объекта наблюдения, дрyrих оптиче..
454
а)
б)
9
1
o.2
136 O.4
Рис. 9.38. Ц ентриров"а nлос"овы,nу"лой линзы (а) и зер"ально
линзовоzо б'Ъе"тива (б)
ских систем или расположение создаваемоrо изображения в
требуемой плоскости.
Возникают такие дефекты, как расq)окусировка (нерез
кость) изображения, параллакс, поrреmность масштаба изо
бражения и т. п.
Фокусировка изображения осуществляется продольным
(вдоль оптической оси) перемещением линзовой системы,
455
перемещением приемник а или дрyrих элементов оптической
сисreмы прибора.
Необходимая чувствительность перемещения определя
ется чувствительностью rлаза к продольным наводкам, дo
пустимыми значениями параллакса, разномасmтабностью
или rлубиной резкости линзовой системы.
Чувствительность rлаза, мкм, к продольным наводкам
T О,2/а,2 А ,
rде а'А задний апертурный уrол фокусируемой системы.
Допустимый продольный параллакс др (расстояние меж
ду и'зображением и маркой сетки) можно определить для
телескопической системы и отсчетноrо микроскопа по сле
дующим зависимрстям:
p == " 250 YAp/(trOK);
p == 250 YAp/(trOK)'
rде " фокусное расстояние телескопической системы;
f3 линейное увеличение микрообъектива; r ОК увели
чение окуляра; YAp допустимая поrрешность измере
ния из 'за параллакса; t сдвиr rлаза в поперечном Ha
правлении.
Различают дифракционную, rеометрическую и aкKOMoдa
ционную rлубины резкости, одна из которых в зависимости
u
от назначения линзовои системы и определяет искомую чув
ствительность фокусировки.
Дифракционную rлубину резкости изображаемоrо про
странства и изображения определяют для объективов, рабо
u
тающих на конечном расстоянии из выражении:
Т д А /(2а 2 А); Т д А /(2а'2 А)'
rде л. длина волны света; (J' А, а'А передний и задний апер
турные yr лы.
rеометрическую rлубину резкости изображаемоrо про
странства и изображения определяют из условия, что KPY
жок рассеяния должен казаться наблюдателю под уrлом, не
большим разрешающей способности Е r лаза:
Tr == LE/(crAP); T' == LE/(a'AP),
(
rде L расстояние от наблюдате.ця до изображения (экрана,
пленки).
Для линзы и окуляра rеометри ская r лубина резкости
456
Т rЛ == 2E.250 2 /(dr 2 0K ) 12,5/r 2 0K '
rде d диаметр зрачка rлаза.
Аккомодационную rлу6ину резкости для лупы и окуляра
определяют по формуле
. TaK 250/r20K.
Для проекционноrо объектива rеометрическая rлубина
резкости проецируемоrо кадра
f' об Е L min f' об Е
Т пр == (р' 2f' об)D вх А '
rде L min минимальное расстояние от наблюдателя до изо
бражения; р' расстояние от выходноrо зрачка до экрана;
А относительное отверстие объектива.
Для определения продольной чувствительности переме
щения объектива в целях фокусировки изображения полъ
зуются также приближенными формулами, связывающими
ero перемещение X с перемещением изображения bl, и уве--
личениями: « 1 (телескопические), J3 » 1 (микроскоЩf
ческие) и J3 == 1 [VI.19]:
l x; l 2 x; l x2 /f' об.
Примеры расчета необходимой чувствительности фокуси
ровки для различных линзовых систем приборов приведены
в работе [IV.I0]
Фокусировка линзовых систем при юстировке 'осущест--
вляется обычно посредством резьбовоrо соединения их
оправы с корпусной деталью, с помощью сменных фокуси
ровочных колец (прокладок) либо путем подрезки опорной
поверхности.
На рис. 9.39 изображен.а конструкция объектива теле
скопической системы, закрепленноrо в корпусе 1, с воз
можностью ero фокусировки путем разворота оправы 3,
сопряженной с переходной деталью 2 по резьбе. Фиксация
оТ'Ьюстированноrо положения объектива осуществляется
посредством упрyrой деформации части переходной детали
винтом 5.
Обеспечение рабочих расстояний. Для сменных фото и
микрообъективов необходимо обеспечивать с достаточно
высокой точностью (до сотых долей миллиметра, иначе по
является недопустимая расфокусировка изображения) pac
стояние от их опорноrо торца до плоскости изображения или
457
A A
4
Рис. 9.39. Телес оnический об'Ъе1Сп ив в юстируемой оnр.аве
предметной плоскости, которое называется рабочим paCCTO
янием (высотой).
Рабо'чее расстояние фотооtYoектuва после ero сборки обе
сrrечивается подрезкой опорноrо торца либо изменением раз
мера специальноrо промежуточноrо кольца.
На рис. 9.4'0, а изображена схема стенда для измерения
рабочих расстояний фотообъективов [IV.34].
Сначала на стол 6 стенда устанавливают эталон рабочеrо
расстояния р' юстируемоrо объектива, представляющий co
'бой В'ТУЛКУ С'о стеклянной шкалой (рис. 9.40, б). Перемеще
нием стола 6 шкалу фокусируют по микроскопу 7, а индика
'l10p 8 выставляют на ноль.
3атем вместо эталона устанавливают объектив 5 и пере
мещением стола находят резкое изображение миры колли
матора 4 наблюдаемое в предметной плоскости микроскопа.
При этом отсчет по индикатору указывает отклонение рабо
чеТ'0 ,отрезка фотообъектива от номинальноrо значения.
Подрезкой базовоrо торца А корпуса 3 объектива
(см. также рис. 9.20) либо изменением промежуточноrо
кольца 2 между 'оправой 1 и фокусировочным резьбовым
кольцом добиваются требуемоrо значения рабочеrо расстоя
иия объектива (рис. '9.40, в).
458
а)
8
б)
4
в)
2
Рис. 9.40. Стенд для измерения рабочих расстояний фотооб'Ъекп ивов
Рабочее расстоянuе (высота) мuкрообъектива обеспе
чивается после ero сборки подрезкой посадочноrо торца на
специальном станке [IV.34] .
Юстируемый микрообъектив 4 (рис. 9.41) ввинчивается в
центрировочный патрон 3, установленный на полом rnпин
деле 2 станка. Продольным перемещением суппорта винтом
6 добиваются резкоrо видения сетки 5 в плоскости шкалы
микроскопа 1. Поворачивая шпиндель, центрируют :винта
ми патрона 3 микрообъектив так, чтобы устранить биение
изображения сетки 5 относительно перекрестия шкалы
микроскопа. После этоrо резцом, закрепленным в суппорте
459
2
6
Рис. 9.41. Реаультативная обработ"а базовой поверхности ми"рооб'О
е"тива
на рабочем расстоянии Р от сетки 5, подрезают торец и про
тачивают посадочный диаметр микрообъектива. В COBpe
менных конструкциях микрообъективов (см. рис. 9.19, б)
отсутствует посадочный цилиндрический поясок, поэтому
подрезается только базовый торец корпуса микрообъектива
(иноrда подрезается упорное кольцо подвижноrо стакана).
Устранение биения изображения сетки 5 относительно пере
крестия шкалы микроскопа при этом достиrается наклона..
ми микрообъектива в специальном плавающем патроне 3.
Реrулировка фокусных расстояний. Известно, что поrреш"
ности q>OKYCНbIX расстояний объективов и окуляров при их се..
рийном производстве достиrают значений, paBНbIx О, 5 3 % .
Для ряда измерительных и наблюдательных при боров не..
обходимо, чтобы фокусные расстояния объективов и друrих
линзовых систем отличались от их номинальных значений
на существенно меньшее значение, которое не может быть
обеспечено при изrотовлении.
Примерами MorYT служить paccMoTpeННbIe в п. 1.4.5 по..
rрешности фокусныIx расстояний объективов и окуляров би
нокля, вызывающие недопустимую разность увеличеlШЯ в
трубках бинокля, а также поrреmность фокусноrо расстояния
объектива автоколлиматора, вызывающая недопустимо боль
шое значение поrрешности измерения yrлов [IV.I0]. В изме..
рителъных микроскопах и проекторах, rде реализуется теле..
центрическИЙ ход лучей, юстировка масштаба изображения
может производиться также реrулировкой фокусноrо расстоя"
460
ния проекЦионноrо объектива (при невозможности изменения
расстояния между плоскостями предмета и изображения).
В тех случаях, коrда нецелесообразно ИJШ не удается KOM
пенсировать влияние поrрешностей фокусных расстояний
JШнзовых систем, производят их юстировку изменением pac
стояния (ВОЗдyIПноrо промежутка) между компонентами.
Необходимый диапазон и чувствительность изменения pac
стояния d между компонентами находят из выражения, свя
зывающеrо изменение фокусноrо расстояния системы из двух
компонентов"с изменением расстояния между компонентами:
d == I1f'Аd/(f, 2Ф I Ф 2),
rде f' м требуемое изменение фокусноrо расстояния си
стемы линз; Фl, Ф2 оптические силы юстируемых компо
нентов; {' фокусное расстояние системы.
На рис. 9.42 изображена конструкция телеобъектива, co
стоящеrо из положительноrо 1 и отрица тельноrо 3 компонен
тов. Для реrулировки ero фокусноrо расстояния отрицатель
ный компонент имеет возможность перемещаться вдоль оси
блarодаря резьбовому соединению ero оправы с корпусом 2.
Фокусное расстояние этоrо объектива в номинале равно
500 мм, а силы положительноrо и отрицательноrо компо
нентов: 1/86,13 и 1/11,37 MM 1 соответственно. Следова
тельно, если мы хотим обеспечить реrулировку фокусноrо
расстояния объектива с точностью до 0,1 О/о, то чувствитель
ность изменения расстояния между компонентами должна
быть не ниже значения, определяемоrо выражением:
d == 0,1f' /(f, 2Ф I Ф 2) 0,002 мм.
Несмотря на наличие центрировочн:оrо пояска на оправе
отрицательноro компонента, при ero враще1ШИ трудно обеспе
"tШть необходимую точн:ост.ь центрировки компонентов теле
3
Рис. 9.42. Телеоб-ъеl'тив
461
Рис. 9.43. Объе"тив с реzул.ируеМЬLМ фо"уснЪ1 М рассп оя.нием
объектива. Поэтому при такой юстировке более предпочтитель"
ной считается конструкция, rде изменение расстоянИЙ между
компонентами осуществляется без их разворота. На рис. 9.43
представлена конструкция объектива дальномера, позволяю..
щая осуществлять реryлировку фокусноro расстояния (и ero
фокусировку) без разворота оправ компонентов. Вращением
распорноro резьбовоrо кольца 4 между компонентами и одноrо
из резьбовых колец (1 или 6) через «бобовидные окна в корпу"
се 3 реrулируют фокусное расстояние объектива. Фокусировка
объектива осуществляется вращением в одну сторону резьбо"
вых колец 1 и 6. Оправы компонентов при этом удерживаются
от разворотов направляющими шпонками 2 и 5.
Выставка визирных линий и оптических осей. В ряде при"
боров, таких как микроскопы, прицелы, автоколлиматоры,
бинокулярные приборы и т. д., необходимо после их сборки
выставлять визирные линии и оптические оси, создаваемые
линзовыми системами, соосно, параллельно (или перпенди"
кулярно) дрyrим осям И поверхностям.
Весьма часто эта юстировка выполняется сдвиrом Bcero
объектива (окуляра) перпендикулярно к оптической оси для
приведения ero узловой точки в необходимое положение,
обеспечивающее требуемое расположение визирной или
оптической оси системы.
Изображенная на рис. 9.39 конструкция крепления объ"
ектива телескопической системы позволяет осуществлять
подобную юстировку с помощью винтов 4 и пружины 6.
462
На рис. 9.44 приведена типо
вая конструкция объектива би 1
нокля, узловая точка KOToporo
может сдвиrаться в перпенди
ку лярном направлении разво
ротом эксцентриковой оправы 2
4 и эксцентриковоrо кольца 3
в корпусе 5 при снятой декора 3
тивной крышке 1 и ослаблен
ном резьбовом кольце 2. Этой
юстировкой добиваются парал
лельности осей трубок бинокля
друr друrу и оси шарнира, что
необходимо для обеспечения
параллельности пучков лучей,
выходящих из окуляров.
На рис. 9.45 изображены
конртрукция линзовой системы
СМЕ1Ны увеличения CTepeOCKO
пическоrо микроскопа МССО
и схема установки для BЫCTaв
ления параллельности их опти
ческих осей друr друrу и пер
пендикулярно к оси вращения.
Система смены увеличения состоит из двух пар ra
лилеевских трубок с увеличением хl,6 и х3 (в раз
рез попадают только по одной трубке каждой пары),
смонтированных в цилиндрическом барабане 1. Для юсти
ровки барабан устанавливается на контрольно юсти
ровочное приспособление 2, содержащее коллиматор 4
и зрительную трубу 3.
Сначала юстируют телескопичность трубок подвижкой
вдоль оси отрицательных компонентов, добиваясь резкоrо
изображения марки коллиматора. Затем подвижкой их пер
пендикулярно к оптической оси (в пределах зазора посад
ки) устанавливают оптические оси трубок параллельно друr
друrу и перпендику лярно к оси вращения, контролируя OT
сутствие двоения изображения марки коллиматора и ее CMe
щения с перекрестия сетки зрительной трубы.
Так как допуск на параллельность осей пучков лучей, ис
ходящих из одной точки, для бинокулярной насадки равен
15' (в вертикальной плоскости), то чувствительность под
вижки
5
4
Рис. 9.44. Крепление об'Ъе"ти
ва в э"сцентри"овой оправе
463
4
Рис. 9.45. Установ"а для юстиров"u системы смены
увеличения
D.c == af' /r ,
rде f' фокусное расстояние СДБиrаемоrо компонента систе"
мы смены увеличения; r увеличение последующей систе..
мы бинокулярной насадки.
При r == х8 , f' == 20 мм получим D.C 0,012 мм.
Известно, что для сменных микрообъективов микроскопов
необходимо обеспечивать с высокой точностью совпадение
(центрировку) ero базовой механической оси с оптической
осью. Эта децентрировка микрообъективов, а также поrреш"
ности изrотовления посадочных резьбовых rнезд под микро"
объективы револьверов микроскопов вызывают смещение
изображения. Для Toro чтобы это смещение было в пределах
464
допустимЬrо (как правило, не более половины поля зрения
окуляра или матрицы П3С), производят результативную об
работку посадочноrо торца микрообъектива [при обеспече
нии ero высоты (см. рис. 9.41)] и осуществляют комплекта
цию (селективную сборку) револьверов микрообъективами.
Эта комплектация обычно выполняется подбором (He
орrанизованная селекция) и является весьма трудоемким
процессом. Для повышения производительности сборки pe
комендуется осуществлять орrанизованную селекцию, ис..
пользуя банк данных о поrрешностях (децентрировках) всех
микрообъективов и rнезд револьверов.
Юстировка увеличения и масштаба изображения. В преды
дущих разделах упоминалось, что при фокусировке линзовой
системы или при реrулировке ее фокусноrо расстояния MorYT
изменяться создаваемое увеличение ИJШ масштаб изображе
ния. В ряде оптических приборов, таких как отсчетные ми
кроскопы, бинокли и БинокулярныIe микроскопыI, профиль
ные проекторы, отсчетные телескопические трубы, двойные
диффереlЩиалъные отсчетные системы, требуется обеспечи
вать номинальное увеJШчение, равенство увеJШчений в ветвях
ИJШ номинальную разность увеличений. Так как эти требова
ния часто не MorYT быть выполнены с необходимой точностью
технолоrически, то в подобных приборах предусматривается
юстировка увеличения ИJШ масштаба изображения.
Известно, что линзовая система 1 (объектив), строящая
изображение у' предмета у (рис. 9.46), создает масштаб изо
бражения М, непосредственно равный линейному увеличе
нию объектива V: C g ff )
у' f' S' sin cr А ·
M V
У z S sin cr'A ' ·
rде f и f' переднее и заднее фокусные расстояния объекти
ва; z и z' расстояния от переднеrо фокуса F до осевой точ
ки предмета и от заднеrо фокуса F' до осевой точки изобра
жения, соответственно; S и S' передний и задний отрезки
соответственно; crA и а'А апертурные уrлы в пространстве
предметов и изображений соответственно.
Изменением параметров z, z', f', S, S' можно юстировать
увеличение и масштаб изображения.
Изменение увеличения V в сопряженных плоскостях лин
зовой системы при изменении z(S), например, осевой под
вижкой системы [при этом изменяется и z'(S')] находим диф
ференцированием выражения (9.1):
465
у
2
......
......
"'1
I I
I I
I I
I I
I I
I
I I
I I
:: dy'
......
.......................... ............ У ,
- -._-....-- ..........
р' ............. ._ -.......
...
Н'
Рис. 9.46. Построение изображения npeaMenta линзовой CUCnl,eMou
z f
s
z'
S'
f' V
дV == дМ == дz == дz.
Z2 Z
Изменение размера изображения при этом:
yf' yV у'
dy' == Z2 ДZ == zдz == zдz.
При телецентрическом ходе rлавных лучей в простран
стве предметов юстировку масштаба изображения произ
водят изменением расстояния между задней сl)окальной
плоскостью и приемником (шкалой) на величину 8z' осевой
подвижкой приемника (увеличение в сопряженных пло
скостях линзовой системы при этом не меняется) либо из
менением фокусноrо расстояния системы (при невозмож
ности изменения расстояния между плоскостями предмета
и приемник а):
у yz' yV у'
dy' == r OZ '; . dy' == 12 дl' == уд!, = rД1.
На рис. 9.47 представлена схема конструкции проекци
онной yrлоизмерительной rоловки 1 10, в которой штрихи
лимба у проецируются объективом 1 с увеличением х 77,1 на
шкалу MaToBoro экрана 8.
Так как система подсветки 3 5, построенная по принципу
Келлера, создает телецентрический ХОД лучей, то юстировка
масштаба изображения осуществляется осевой подвижкой
экрана вдоль бобовидных пазов ero оправы.
Чувствительность подвижки, исходя из Toro что допусти
мая поrрешность масштаба (рен шкалы) 0,1 мм, фокусное
расстояние проекционноrо объектива f' == 4,35 мм, а расстоя
466
\
3 8
/
L.J LJ
П П
Рис. 9.47. Уzлоиз.м.ерuтел.ъная nрое"ЦUО1lная олов"а
ние между штрихами лимба у == О, 7 мм, определяется из сле
дующеrо выражения:
oz' == d f' == 0, ;35 == 0,6 ММ.
Диапазон перемещения определяется r лавным образом
поrреmностью фокусноrо расстояния проекционноrо объек
тива (достиrающеrо 2 3 О/О от номинальноrо значения) и BЫ
числяется из следующеrо выражения:
8Z'Afmax == + (у'/у)I1{' == + v 11{' == 77,1.0,12 == + 9 мм.
9.3. КОНСТРУКЦИИ У3Л В КРЕПЛЕНИЯ ПРИ3М,
3ЕРКАЛ И ИХ СИСТЕМ
9.3.1. узлы КРЕПЛЕНИЯ одиночных ПРИЗМ
И ПРИЗМЕННЫХ СИСТЕМ
Призмы И призменные системы, применяемые в оптических
приборах, характеризуются мноrообразием Q)OPM и размеров.
В связи с этим существует большое КОJШЧество разнообразных
конструкций узлов крепления одиночныIx призм и составных
блоков призм, достаточно полно рассмотреть которые в объеме
настоящеrо пособия не представляется во3можныI..
467
Типовые способы крепления одиночных призм. Эти спо
собы обычно классифицируют по иду основной детали,
осуществляющей прижим (замыкание) призмы к рабочей
поверхности оправы. Поэтому различают крепление призм
накладкой, прижимными планками (лапками), yrольника
ми, установочными винтами, пружинами, специальными
деталями. Для крепления призм также используют клеи и
замазки.
При разработке узла крепления любой призмы необходи
мо соблюдать следующие рекомендации (см. также [IV.1]).
1. Для обеспечения точности положения призмы и исклю
чения деформаций изrиба рабочая плоскость (плоскости)
оправы должна быть чисто обработана (Ra == 1,25+3,2 мкм)
И иметь высокую степень плоскостности. При относительно
больших размерах призмы на рабочей поверхности делают
выборку (для выполнения принципа rеометрической опре
деленности соединения см. п. 1.3.3), и тоrда призма базиру
ется на два выступа по краям, либо применяют базирование
на три опорные площадки.
2. Чтобы не нарушать требуемые условия преломления и
отражения на рабочих rранях призмы, рекомендуется бази
ровать призму на нерабочую rрань. При базировке призмы
на рабочую rрань (rрани) сопряжение ее с оправой должно
происходить за пределами cBeToBoro диаметра. При необхо
димости использовать для крепления или ориентации при
змы rрани, работающие с полным внутренним отражением,
необходимо минимизировать площадь контакта между rpa
нью и деталью крепления, например, реализовать контакт
между указанными элементами по линии или точечный
контакт.
3. Не допускается контакт крепежных элементов с ребра
ми призмы во избежание выолокK стекла.
4. Между призмой и крепежным элементом (за исключе
нием пружины) следует ставить эластичную прокладку из
пробки, картона, паронита, текстолита, противоосыпочной
резины или силиконовоrо rерметика, которая компенсиру
ет поrрешности размеров деталей, равномерно распределяет
усилие прижима на большую площадь, предотвращает появ
ление температурных деформаций и смещений.
5. Сопряжение призмы с рабочей поверхностью оправы
отнимает три степени свободы. Базирование призмы двумя
рабочими плоскостями на две плоскости оправы отнимает
пять степеней свободы. Оставшиеся степени свободы при
468
змы отнимaioтся соответствующим количеством ориентиру
ющих планок.
6. Для юстировки призм следует предусматривать в KOH
струкции их узлов возможность выполнения необходимых
юстировочных подвижек.
7. :Крепление склеенных призменных блоков осуществля
ется за одну из них, а именно базовую, в качестве которой
выбирается наиболее массивная призма. Приклеиваемые к
ней друrие призмы должны иметь меньшую массу и по воз
можности не касаться элементов оправы.
Крепление накладкой. Применяется для любых призм,
имеющих параллельное расположение нерабочих rраней
(прямоуrольная призма, пентапризма, призмаШмидтаи др.).
Например, прямоyrольная призма установлена нерабочей
rранью на плоскость оправы (рис. 9.48) . К оправе 1 призма
прижимается накладкой 3 через эластичную прокладку 2.
HaкJ\raдKa крепится винтами к двум стойкам, жестко co
един нным с оправой. Ориентация призмы вдоль плоскости
оправы выполняется при помощи трех оrраничительных
(ориентирующих) планок 4.
:Крепление накладкой характеризуется универсальнос
тью, относительной простотой оправы и простотой сборки,
надежностью, реализуется принцип полноrо BHYTpeHHero OT
ражения на отражающих rранях, возможна юстировка при
змы в оправе.
Крепление уrолъниками. Этот способ основан на исполь
зовании в узле крепления нескольких уrольников различ
ной q)оРМЫ (r образных, Z образных и др.). Дополнительно
к yrольникам применяют ориентирующие планки.
Типовые конструкции крепления данным способом пока
заны на рис. 9.49. Пентапризма (рис. 9.49, а) прижимается
Рис. 9.48. Крепление nРЯМОУZОЛЬНОЙ nризмы
на"лад"ой
469
а)
б)
1
2
A A
1
Рис. 9.49. Креnленuе nрuзм уzолъниltа.м.u
к плоскости оправы двумя уrольниками 1. Усилие прижи
ма призмы создается в результате десl)оРмации эластичных
прокладок, помещенных между призмой и уrольниками.
Ориентирование призмы на плоскости оправы произведено
при помощи уrловой планки 2, которая контактирует с пре
ломляющими rранями призмы. После установки призмы в
рабочее положение планка q)иксируется штифтами.
На рис. 9.49, б показан пример крепления уrольниками
прямоуrольной призмы. Особенностью данной конструкции
является то, что внерабочих rранях закрепляемой призмы
выполнены прямоуrольные канавки. Здесь для прижима
призмы к основанию оправы используются элементы ка
навок, через которые низкими уrольниками 1 призма при
жимается к основанию. Оrраничение боковоrо перемеще
ния призмы обеспечивается ориентирующими планками 2.
Планки винтами крепятся к основанию оправы.
Этот способ крепления призм получил довольно широкое
практическое применение блаrодаря простоте и надежности.
Недостатками являются усложнение технолоrии изrотовле
ния снабженных канавками призм и возможность их скола
при креплении.
Крепление прижимныии планками. Данный способ Kpe
пления применяется для крепления сложных призм (призм
С крышей, склеенных блоков), коrда необходимо применить
470
нетрадицион'ное базирование призмы, например прямо
yrольная призма устанавливается на rипотенузную rрань.
Характерным для этоrо способа крепления является более
сложная конструкция оправы или прижимных планок. Как
правило, оправа охватывает призму с трех сторон. При этом
одна (или две) поверхности базирующие, а на дрyrих за
крепляются прижимные планки. П рижимные планки быва"
ют различными по конструкции: в виде лапок, уrольников,
пластин, соrнутых пластин и т. п. На рис. 9.50, а показано
крепление прямоyrольной призмы с крышей.
Призма установлена на катетную rрань между стенками
оправы с rарантированным зазором, который при необходи"
мости выбирается эластичной прокладкой. Две пары при"
жимных планок оrраничивают перемещение призмы в про
дольном и вертикальном направлениях.
На рис. 9.50, б показано крепление прямоуrольной при
змы, установленной rипотенузной rранью на базирующую
поверх ость оправы. Четыре прижимные планки привин
чены к ,вертикальным стенкам оправы. Контакт планок с
призмой выполнен по краевым зонам ее входной и выходной
поверхностей. Планки выполняют упруrими, либо между
ними и призмой устанавливают эластичные прокладки.
Недостатком этоrо способа крепления является He
универсальность и сложность деталей узла. В частности,
а)
б)
o
6)
o
э
Рис. 9.50. Крепление nризм nрижиМНъt.} tи nлан"ами
471
требуется изrотавливать сложные формы оправ и ориrи
нальные прижимающие планки для каждоrо типа призм.
Базирование на рабочие поверхности может нарушить
требуемые условия отражения и вызвать воздействие He
допустимых усилий. Юстировка призмы практически He
возможна.
Крепление установочными винтами. Этот способ крепле
ния рекомендуется применять для закрепления относитель
но больших призм С размером rрани, превышающим 30 мм,
коrда требуется распределить усилие прижима равномерно
по всей rрани.
В варианте крепления пентапризмы, показанном
на рис. 9.51, замыкание призмы на основание осуществля
ется тремя установочными винтами. Между призмой и вин
тами помещены эластичная и металлическая прокладки.
Размеры пластин соответствуют размерам rрани призмы.
Металлическая пластина позволяет равномерно распреде
лить усилие прижима по всей rрани, а также предотвраща
ет возникновение повреждений призмы при сборке. В свою
очередь, эластичная прокладка компенсирует поrреmности
формы металлической пластины и изменение размеров дeTa
лей при изменении температуры.
Смещения и повороты призмы вдоль основания оправы
оrраничиваются двумя ориентирующими планками, закре
пленными на основании оправы.
Данная конструкция характеризуется ПРОСТQТОЙ исполь
зуемых деталей и надежностью фиксирования призмы.
Установочными винтами можно реrулировать усилие при
A
A
A A
Рис. 9.51. Крепление nентаnризмъ/, установочными винтами
472
жима. При'зма защищена от внешних воздействий корпусом
оправы с трех сторон.
В конструкции необходимо предусмотреть защиту от ca
моотвинчивания установочных винтов.
Крепление пружинами. Пружина как элемент крепления
широко используется для закрепления призм, имеющих OT
носительно MHoro рабочих rраней (например, прямоyrоль
ная призма с крышей). Это позволяет упростить конструк"
цию узла крепления. Вместе с этим пружины целесообразно
использовать "для прижима призмы при ее установке непо..
средственно в корпусную деталь прибора. В узлах крепления
призм применяют пружины различных Q)OPM: тарельчатые,
плоские, изоrнутые, которые обычно изrотавливают из пру
жинной стали 30Х13, 65r, У8А.
На рис. 9.52 изображено крепление пружиной прямо"
yrольной призмы С крышей. К специальной фаске на pe
бре призмы (900) приклеивается цилиндрический шарнир.
Шар$iр установлен в паз, который выполнен в корпусной
детал . Вместе они образуют направляющую вращения, OT
носительно которой можно выполнять реrулировочные на..
клоны призмы.
Силовое замыкание призмы осуществляется изоrнутой
пластинчатой пружиной с закруrленными краями, которые
опираются на rрани крыши. Реrулировка усилия пружины
выполняется двумя установочными винтами. При этом сила
давления на призму, работающую при ударных нarрузках
должна быть в 15 20 раз больше массы призмы, при работе в
лабораторных приборах от двух ДО пяти раз. Для оrрани"
чения перемещения призмы в плоскости, перпендикулярной
к r лавному сечению (вид А А), между призмой и крышкой
A A
Рис. 9.52. Крепление nрямоуеольной nризмы
с "рышей nружиной
473
корпуса установлена пла
стида с эластичной про
кладкой.
Данная конструкция
крепления позволяет BЫ
полнять yr ловые юстиро
вочныеподвижкипризмы.
Для этоrо при помощи
двух установочных вин
тов изменяют усилие при
жима пружины к призме.
Рис. 9.53. Крепление nризмы плос"ой Наличие пружины обеспе
пружuной чивает устойчивость Kpe
пления к воздействию ви
браций, толчков, а также компенсирует воздействие на узел
крепления изменений температуры.
К недостаткам следует отнести необходимость q)изическо
ro контакта пружины С рабочими отражающими rранями
призмы, который может привести не только к повреждению
призмы при сборке и юстировке, но и к исчезновению э(l)с})ек
та полноrо BHYTpeHHero отражения. Поэтому площадь KOH
такта должна быть минимальной, по возможности вне зоны
cBeToBoro пучка.
На рис. 9.53 показан cpparMeHT крепления призмы пло
ской пружиной. Здесь призма установлена нерабочей rранью
на плоское основание оправы. Боковое перемещение призмы
оrраничено установочными планками. Выставленное поло
жение призмы фиксируется пластинчатой пружиной, KOTO
рая осуществляет давление на перемещающийся во втулке
стержень. Для paвHoMepHoro распределения усилия прижи
ма между стержнем и rранью призмы помещены металличе
ская и эластичная прокладки.
Крепление приклеиванием. Одной из конструктивных
особенностей призм является сложность формы, отличаю
щая их от круrлых оптических деталей. Поэтому крепление
призм приклеиванием, особенно имеющих небольmую Mac
су, экономически существенно выrоднее дрyrих способов
крепления.
Рассмотрим пример крепления прямоyrольной призмы,
У которой для использования эффекта полноrо BHYTpeHHero
отражения, отражающая rипотенузная rрань должна быть
полностью свободна. Это требование наиболее просто можно
обеспечить приклеиванием призмы к оправе по ее нерабочей
,., "'/ //
7/ j-' fI j?
/-' /
}'/ 1'/
, ft /f ft 4"
1/
;f ./; /./
474
I
1
A A
Рис. 9.54. Призм.а, nри"леенная " оправе одной zранъю
rрани (рис. 9.54). Здесь призма приклеена к боковой поверх
ности оправы в виде yrольника, который может юстировать
ся с помощью винтов. Приклеивание осуществляется либо
по jJсей поверхности сопряжения, либо по ero периметру ,
либо по ero части, например по цилиндрическому пятну 1
выборки в оправе, куда заливается rерметик или друrое кле
ящее вещество.
Недостатком TaKoro крепления является оrраничение
массы приклеиваемой призмы. Клеящий слой не позволяет
обеспечить надежное скрепление массивной призмы и опра"
вы, особенно при консольном положении призмы.
Конструкция оправы (рис. 9.55) позволяет осуществить
надежное крепление массивной прямоyrольной призмы
приклеиванием. В данной конструкции высокие требова
ния к положению призмы 1 обеспечиваются подrотовкой
базирующих поверхностей оправы 4.
Призма установлена на краевые зоны
преломляющих rраней и прижима
ется к базовым плоскостям' оправы
упорным винтом 4 через пластину 2.
Зазоры между оправой и призмой за
полняются клеящим веществом 5. По
сле затвердевания клея винт 4 можно
удалить, а образовавшуюся пустоту
заполнить клеем.
Для исключения потери эффекта
полноrо BHYTpeHHero отражения пла Рис. 9.55. Крепление npи
2 б змь/, nри"леиванием со
стина должна иметь вы орку, со.. всnомоzаnl,елънъ/,м виH
ответствующую световому размеру том
475
пучка лучей на rипотенузной rрани, в противном случае на
rипотенузную rрань призмы следует нанести зеркальное OT
ражающее покрытие с соответствующей защитой.
Клеящие материалы, которые рекомендуетс,f.I применять
для крепления призм к оправам, ананоrичны материалам,
рассмотренным в п. 9.1.1. Это различные rерметики, компа
унды, эпоксидные смолы и др.
Оправы для крепления призм приклеиванием, как прави
ло, изrотавливают из алюминиевых сплавов с последующим
чернением (анодным оксидированием).
Специальные способы крепления. К таким способа OTHO
сят крепление с использованием специальных крепящ;и:х
деталей [например, сеrментных шпонок при креплении при
змы Дове (см. рис. 9.65)] либо комбинации крепящих дeTa
лей различных видов, а также крепление зажимом призм с
дес})ормированием элементов оправы, крепление формовкой
призм в пластмассовые оправы, постановкой их на оптиче
ский контакт и т. д.
Конструкции узлов крепления призменных систем. При
змы, представляющие собой систему из двух или большеrо
числа простых типовых призм, соединенных в единый блок
с помощью склейки или закрепления в оправе, называют
ся составными, или сложными. В склеенном блоке одна из
призм, как правило, самая большая (массивная), является
несущей, к ней приклеиваются остальные призмы. В узле
крепления такая призма выполняет функцию базовой дета
ли, определяющей положение друrих призм из склеенноrо
блока. Крепление простых склеенных призменных блоков
может быть осуществлено одним из рассмотренных выше
способов крепления одиночных призм.
В данном подразделе рассмотрим некоторые более слож
ные конструкции узлов крепления типовых составных и
пространственных призменных систем.
На рис. 9.56 приведена конструкция узла крепления баш
мачной призмы в оправе при помощи пружины, представля
ющей собой разрезанную упрyrую цилиндрическую трубку,
которая вставляется с натяrом между корпусом и прокладной
пластиной, передающей силовое замыкание на призму. Ба
зирование осуществляется по двум rраням несущей призмы.
Для :компенсации поrреmностей изrотовления сопряrаемых
поверхностей оправы (ВЫПОJПIеIПIОЙ точным литьем) и при
змы между одной из ее рабочих поверхностей и поверхностью
оправы установлена упрyrая прокладка. Клин башмачной
476
A A
.
,
4i \.,
.
..
Рис. 9.56. Узел "репл.ения с"леенной башмачной призмы
призмы установлен с необходимым воздушным промежутком
(с помощью станиолевых прокладок или нанесением в BaKYY
ме дистанционных алюминиевых полосок) и приклеен к He
сущей rфизме с помощью боковых стеклянных пластин.
На рис. 9.57 приведена конструкция узла крепления той
же башмачной призмы, в которой клин не приклеен к не.
сущей призме, а прижимается к ней (через дистанционные
алюминиевые полоски) с помощью прижимной планки.
В местах контакта призмы и оправы установлены эластич
ные прокладки. Силовое замыкание осуществляется yCTa
новочным винтом через пружинную деталь седловидной
формы. Крепление отличается сложностью конструкции
оправы, которая может быть выполнена только литьем с по
следующим фрезерованием опорных поверхностей.
А
"J
1
A A
I
Рис. 9.57. Узел "репления нес"леенной башмачной призмьf,
477
J
Рис. 9.58. П оворопlНЫЙ узел "репления nриЗJИЫ П ехана
На рис. 9.58 приведен узел крепления составной призмы
Пехана, обеспечивающий возможность ее вращения BO
Kpyr оси прибора и осуществление необходимой юстировки
(см. п. 9.3.3).
Вращающаяся призма Пехана, которая обладает тем ж
свойством, что и призма Дове, поворачивать изображение
на yrол, вдвое больший, чем уrол ее поворота, может быть
установлена в сходящемся пучке лучей. Составляющие при
змы (полупента и Шмидта) склеены в единый блок с помощью
боковых стеклянных накладок. Оправа 2 призмы Пехана 1
имеет форму П образной рамки с отверстием для прохожде
ния пучка лучей. Призма поджимается накладкой и планка
ми к оправе через эластичные прокладки. Для совмещения
призмы (эквивалентноrо зеркала) с осью вращения, задавае
Moro подшипником 6 , служат три винта 5, сдвиrающие стакан
3, а для установки входной rрани призмы перпендику лярно
к оси вращения предусмотрены три пары юстировочных вин
тов 4 (выполненны.х по схеме тяни толкай)
Призма куб 1 (рис. 9.59), склеенная из двух прямоyrоль
ных призм их отражающими поверхностями, закреплена
в оправе 3 четырьмя прижимными планками 2, касающи
мися рабочих преломляющих поверхностей призмы вне
зоны cBeToBoro пучка. Призма устанавливается на базовую
поверхность оправы конструктивной фаской через упрyrую
прокладку .
На рис. 9.60 приведена конструкция узла крепления про
странственной призменной оборачивающей системы Мала
феева Порро первоrо рода. Призмы 1 и 3 установлены пре
ломляющими рабочими поверхностями на общую плату 2, в
478
Рис. 9.59. Призма куб
которой с противоположных сторон выфрезерованы посадоч
ные r зда для этих призм. Силовое замыкание осуществля
ется :Пружинной скобой 4, которая крепится к плате винтами.
В плате выполнены отверстия для прохождения излучения.
На рис. 9.61 показано крепление одной из призм оборачи
вающей системы бинокля. Призма 1 установлена с rаранти
рованным зазором в специальном rнезде, выс})резерованном
в базовой поверхности «(мостике ) оправы 2. Силовое замы
кание выполняется плоской пружиной 3 через эластичную
прокладку. Вторая призма закреплена в этой же оправе aнa
лоrичным образом. Юстировка призм возможна их сдвиrом
на мостике в пределах зазора посадки в rнезде [IV.1 О].
Рис. 9.60. Крепление nризм оборачиваЮlцей
cиcп eMЫ М алафеева П орр о
479
Юстировка в узлах кре-
пления призм. В ряде случа
ев в узлах крепления призм
приходится предусматривать
специальные юстировочныIe под
вижки, которые обеспечивают
возможность изменять поло
жение призмы относительно
оправы или положение призмы
в оправе относительно корпуса
прибора (см. рис. 9.58). PaCCMO
трим еще несколько типовых
примеров конструкций таких
узлов.
На рис. 9.62 представлена
конструкция узла крепления
Рис. 9.61. Крепление nризмы обо П р измы AP 900 1 , в кото р ой
рачивающей cиcп eMЫ пружиной
в общей оправе предусмотрена юстировка по
ложения призмы с оправой 2
относительно базовой поверхности платы 3 при помощи pe
rулировочных винтов.
На рис. 9.63 при веде на конструкция rоловной призмы 1,
закрепленной с помощью планок 2 с вырезами для пучка к
1
3
2
3
.Ф
2
Рис. 9.62. Узел "реnления nрям-оуzольной nризмы с
юстировочной nодвиж"ой
480
1
8
2
Рис. 9.63. Уаел "реnленияzоловной nриамы
оправе 3. Под рабочую отражающую поверхность призмы
установлена эластичная прокладка. Перед закреплением
призмы в коническое отверстие оправы был вставлен винт
4 с конической rоловкой. Собранная таким образом опра
ва с призмой прикрепляется к плате 8 при помощи rайки
и контрrайки 6, под которые установлена сферическая шай
ба 5. Такая конструкция позволяет при помощи реryлиро"
вочных винтов 7 производить наклоны rоловной призмы от"
носительно двух взаимно перпендикулярных осей.
Юстировка положения прямоуrольной призмы с кры"
шей 1 (рис. 9.64), закрепленной в корпусе 2 при помощи сед"
ловидной пружины 3, выполняется с помощью резьбовых
втулок 4 и 5. Смещениями втулок по резьбе можно переме
щать призму вдоль падающеrо и выходящеrо луча. Положе
ние втулок фиксируется установочными винтами.
Для такой же призмы, узел крепления которой приведен
на рис. 9.52, обеспечена возможность ее поворота в оправе
BOKpyr оси, перпендикулярной к плоскости rлавноrо сече
ния. Юстировочная подвижка выполняется установочными
винтами посредством наклона замыкающей пружины. Ось
481
4
A A
3
Рис. 9.64. Узел "реnления nризмы с крышей
а)
б)
A A
Рис. 9.65. Уалы крепления nризмыДове
482
вращения. совпадает с осью цилиндрической поверхности
вкладыша, приклеенноrо к призме и опирающеrося на ци"
линдрическую выемку в оправе.
Классическим примером юстировки призмы в оправе яв"
ляются типовые конструкции узлов крепления призмы Дове
[IV.1]. Эта призма дает оборачивание изображения в плоско..
сти rлавноrо сечения и при вращении BOKpyr оси вращает изо..
бражение с удвое1ШОЙ скоростью. Она используется, напри"
мер, для компенсации наклона изображения, возникающеrо
в приборах т па оптической панорамы, и закрепляется в опра"
ве, имеющей снаружи вид втулки. Внутри втулки протяжкой
выполнено квадратное отверстие, в которое с зазором встав..
ляется призма. При ее креплении должна быть предусмотре"
на юстировочная подвижка для устранения коллимациоШiОЙ
поrрешности непараллельности отражающей поверхности
призмы к собстве1ШОЙ оси вращения (см. п. 9.3.3).
На рис. 9.65, а призма Дове 1 закреплена в оправе 2 при
пом9ЩИ cerMeHTHoro вкладыша 3, вклеенноrо в такой же
формы паз, профрезерованный в призме, и специальноrо
винта 4. В оправе выполнены специальные прорези, блarо"
даря которым реrулировочными винтами 5 (путем деq>орма"
ции rибких элементов оправы) производится наклон призмы
BOKpyr двух взаимно перпендикулярных осей.
На рис. 9.65, б изображено аналоrичное крепление, одна"
ко здесь реrулировочные винты действуют на призму 1 через
восемь cerMeHTHbIx вкладышей 6, опирающихся на rрани
призмы и вставленных в пазы оправы 2.
9.3.2 узлы КРЕПЛЕНИЯ ЗЕРКАЛ И ЗЕРКАЛЬНЫХ СИСТЕМ
Требования R узлам крепления зеркал. Особенностью
оптических зеркал, которую необходимо учитывать при раз"
работке конструкции крепления, является их повышенная
чувствительность к деформациям изrибу зеркала и мест"
ным искажениям формы отражающей поверхности. Поэто"
му, применяя различные способы крепления (при помощи
планок, скоб, yrольников, резьбовых колец, пружин и дру"
rих прижимныIx элементов, а также клеев и замазок), необ..
ходимо соблюдать следующие условия:
1. Конструкция крепления зеркала должна обеспечивать
статически и rеометрически определенное соединение ба..
зирование на три точки (площадки).
483
2. При разработке конструкции необходимо соблюдать
принцип силовоrо замыкания соедщнений: сила, прижима
ющая зеркало, должна проходить через опорные площадки
оправы. В узлах крепления больших (массивных) зеркал,
кроме Toro, необходимо применять принцип paвHOMepHO
ro распределения ero массы путем введения в конструкцию
дополнительных опор (механическая разrрузка), а также
rидравлических или пневматических разrрузок. Более под
робно о конструкциях И узлах крепления зеркал большоrо
диаметра (в частности, зеркал космических телескопов) из
ложено в учебном пособии [IV.20].
3. Между прижимающей деталью и зеркало peKOMeHДY
ется ставить ynрyrие прокладки, чтобы не вызывать локаль
ных (в местах контакта) напряжений.
4. Следует обеспечивать необходимую жесткость KOH
струкции, используя зеркала и оправы «сотовой. структуры,
а также зеркала, не нуждающиеся в оправах (см. п. 8.4);
5. Следует предусматривать необходимую юстировку зер
кала относительно оправы либо оправы зеркала относитель
но корпусных деталей и баз устройства (системы).
К мерам, позволяющим снизить воздействия на узел
крепления зеркала колебаний температуры, относятся сле
дующие:
· обеспечение необходимоrо температурноrо зазора в по
садке зеркала в оправу;
· подбор материалов зеркала и оправы с близкими зна
чениями коэффициентов линейноrо расширения (например,
стекло «крон. и металл титан; зеркало из кварца или ситал
ла, а оправа из сплава инвар);
· применение промежуточных (между зеркалом и опра
вой) компенсационных элементов, термокомпенсаторов
[IV.I0]; .
· консольное крепление зеркала;
· изrотовление зеркал У.1З металла или в виде металло
стеклянноrо зеркала, не нуждающихся в оправах и облада
ющих хорошей температурной стабильностью.
Kpyr лые зеркала MorYT быть закреплены в оправах теми
же способами, что и рассмотренные выше способы крепле
ния круrлых линз. Рассмотрим типовые конструкции узлов
крепления некруrлых и круrлых зеркал.
Крепление при помощи прижимных планок. Крепле
ние при помощи прижимных планок (лапок, уrольников,
пластин) при меняется для точных зеркал различных форм
484
а)
в
ВидА
6)
o 0
Рис. 9.66. Крепление аеркала: а Z обрааными планка
ми; б r обрааньt.ми nл.ан а.ми
и размеров. Зеркало устанавливается на три выступающие
площадки плоской оправы (рис. 9.66, а). Площадки MO
rYT быть заменены прокладками из алюминиевой фольrи,
если размер зеркала не превышает 50 мм. Прижим зеркала
осуществляется Z образными планками, которые винтами
крепятся к оправе в местах расположения выступающих
площадок. Для компенсации поrреmностей сопряжения
«зеркало планка. между ними помещается эластичная
прокладка (картон, пробка, паронит и т. п. ).
Если силы трения не обеспечивают неподвижность зерка
ла, планки выполняют дополнительную функцию, orpa
ничивают перемещение зеркала вдоль оправы путем созда
ния контакта планок по краю зеркала. Для этоrо на планках
выполняют вытупп В.
Придание прижимным планкам r образной формы
(рис. 9.66, б) позволяет реrулировать усилие прижима зер
кала за счет смещения планок в пределах зазора в отверсти
их под крепежные винты.
Недостатками конструкции являются: оrраниченность
в компенсации воздействия колебаний температуры, YBe
личение rабаритных размеров и снижение технолоrичности
узла крепления из за применения нескольких крепежных
элементов.
К положительным свойствам можно отнести простоту
сборки узла, возможность крепить зеркала любой конфи
485
rурации. Конструкция удовлет
воряет OCHO HЫM требованиям к
узлам крепления зеркал.
Крепление при помощи пру-
жнн. Данный способ крепления
основан на создании замыкающе
ro усилия для прижима зеркала
к оправе при помощи пружины
(проволочной, мембранной, пла
стинчатой).
На рис. 9.67 приведена KOH
струкция крепления круrлоrо
зеркала проволочной пружиной.
Здесь зеркало устанавливается на
кольцевой уступ оправы по посад
ке с rарантированным зазором.
Прижим зеркала осуществляется
диском с выборкой в центре, на
который воздействует винтовая
пружина сжатия (в конструкции
Рис. 9.67. Крепление зеркала MOrYT быть применены и друrие
nружиной типы пружин). Усилие прижима
реrулируется винтом, положение
KOToporo фиксируется rайкой. Для paвHoMepHoro распреде
ления усилия по окружности соединение диска со штоком
может быть шарнирное.
При креплении рассмотренным способом зеркал cpeд
них и больших диаметров, чтобы исключить возможные
изrибающие моменты, зеркало должно базироваться на
три площадки. Поэтому между зеркалом и уступом опра
вы через 1200 помещают металлические прокладки либо
выполняют в уступе выборки, создающие на нем три
опорные площадки. В прижимающей зеркало пластине
должны быть выполнены выборки, чтобы образованные
выступы были сориентированы напротив установленных
прокладок.
Достоинством крепления пружиной является обеспече
ние стабильности (рормы и положения зеркала при механи
ческих воздействиях и воздействии колебания температуры,
так как возникающие возмущения компенсируются за счет
деq>ормации пружины.
К рассмотренным механическим способам крепления,
для Kpyr лых зеркал можно добавить крепление при помощи
486
резьбовоrо кольца или прово
лочным кольцом, аналоrично
креплению линз (см. п. 9.2.1).
Крепление приклеиванием.
Конструкции крепления зер"
кал \приклеиванием отличают.. Рис. 9.68. Крепл.ение сфериче
ся в зависимости от размеров, с"оео зер"ала на слой "л.еящеzо
формы И назначения зеркал в вещеСnl,ва
оптической системе.
Для зеркал неответственных систем (осветительных
с N == 5, ДN == 0,5) возможно крепление по плоскости с опорой
на равномерный сплошной слой клеящеrо вещества, напри"
мер, rерметика марки УТ..34. На рис. 9.68 показано крепле"
ние сферическоrо зеркала 3 диаметром 48 мм из стекла К8 в
оправе 2 из алюминиевоrо сплава. Зеркало помещено на слой
rерметика 1 толщиной 0,5 мм, HaнeceHHoro на плоскость
оправы. Э-Та конструкция, из..за разделения оправы и зерка"
ла клеящим слоем, не обеспечивает высокой точности поло..
жения зеркала относительно базовых поверхностей оправы.
В конструкции узла, показанноrо на рис. 9.69, устранен
недостаток неопределенноrо базирования зеркала [IV.27].
ДЛЯ этоrо зеркало 1 установлено на специально выполнен"
ные в оправе 3 опорные пояски 4 шириной 0,5 мм. Клеящее
вещество 2 залито в промежутки между поясками. В оправе
выполнены отверстия для выдавливания излишков клея..
щеrо вещества. Эта конструкция позволяет разделить функ"
ции: элементы оправы обеспечивают базирование (ориента"
цию) зеркала, клеящее вещество обеспечивает соединение
(закрепление) зеркала с оправой.
Для крепления сферических зер"
кал (рис. 9.70), имеющих в центре
отверстие, можно использовать ero
внутреннюю цилиндрическую по..
верхность. Оправа 2 представляет
собой полую ось с фланцем. Она из..
rотовлена из алюминиевоrо спла..
ва Д16Т, имеет черное покрытие
анодное оксидирование. Особен"
ностью оправы является наличие
центрирующих поясков, на кото..
рые устанавливается зеркало 3. По"
Рис. 9.69. Крепление aep"a
ла с установ"ой на oпop скольку именно эти элементы опре"
ные nояс"и деляют относительное положение
1
3
2
487
зеркала, в рабочем чертеже оправы следует
установить допуск о.тклонения от перпенди
кулярности между осевыми и радиально pac
положенными поясками. Клеящее вещество
1 заливают в промежутки между поясками
по цилиндрической и IIЛОСКОЙ части оправы.
rлубина промежутков, как правило, не пре
вышает 0,5 мм.
Типы и свойства клеящих веществ, приме
няемых для крепления зеркал, достоинства
и недостатки этоrо способа крепления анало
rичны рассмотренным в п. 9.1.1.
Специальные способы крепления. К ним
относятся крепления крупноrабаритных зер
кал, металло стеклянных, консольные виды
крепления, крепления свариванием, спека..
нием или постановкой на rлубокий оптиче..
ский контакт деталей (зеркал и оснований).
Крепление крупноrабаритных зеркал (более 200 мм) от..
личается от обычных, рассмотренных выше, способов кре"
пления. Базирование таких зеркал только на три опоры
хотя и является статически определенным, но приводит к
недопустимым проrибам отражающей поверхности из..за
статической деформации зеркала. Причем значение дефор"
мации прямо пропорционально четвертой степени диаметра
зеркала [IV.20, IV.22]. Поэтому в конструкциях крепления
таких зеркал количество опор в направлении силы тяжести
увеличивается. При этом важно сохранить принцип TpeXTO
чечноrо базирования и учитывать изменяющееся положение
зеркала в процессе работы. Существуют различные систе..
мы осевой и радиальной разrрузки при креплении зеркал в
оправах(rребба,Ласселя,пневматическая,rидравлическая
[IV.20,IV.22].
Выполнение указанных требований рассмотрим на при"
мере крепления rлавноrо зеркала объектива тел скопа
(рис. 1.24). Зеркало установлено на восемнадцать разrру
зочнь!х опор 1. Соединение разrРУЗОЧНJ?IХ опор с зеркалом
выполнено rерметиком. Каждые три опоры объединены
треуrольной платформой 2. В центре тяжести платформы
установлен шаровой шарнир. По две платq)ормы через эти
шарниры соединены с плечом рычаrа. Рычаrи закреплены
на общей оправе также через шаровые шарниры 3. Такая
конструкция обеспечивает равномерное распределение Mac
R
Рис. 9. 70. Kpe
nление зер"ала
аа цилиндриче
ское отверстие
488
3
сы зеркала относительно всей поверхности. Соединение опор
с зеркалом эластичным материалом позволяет существенно
упростить конструкцию разrружающей опоры и компенси
ровать поrрещности сопряrаемых элементов, что не вызыва
ет деформацию зеркала. Вместе с этим конструкция требует
тщательной сборки и настройки, прежде Bcero, выравнива
ния усилий, создаваемых разrрузочными устройствами.
На рис. 9.71 представлена подобная классическая систе
ма Ласселя с произвольным числом точек осевой и радиаль
ной разrрузки зеркала на основе неравноплечих рычarов аа,
.
,
РиС. 9.71. Осевая и радиальная рааzруз"а .зер"ала об'Ъе"тива телес"оnа
по Ласселю
489
шарнирно закрепленных в оправе, противовесов Q и распор"
ных стержней аЬ [IV.22]. .
Светоделительные зеркала, зеркала переключающиеся, а
также особо точные зеркала (допустимое отклонение ч)ормы
N == 0,1+0,5, I1N ==0,05+0,1) интерферометров, дальномеров
закрепляют иноrда консольно, чтобы избежать возможных
объемных их де(l)ормаций в оправах.
На рис. 9.72, а показана конструкция крепления зеркала
пентarональноrоотражателявдальномере, анарис. 9.72, б
крепление полупрозрачноrо зеркала коллиматорноrо визира.
Особенностью данноrо крепления является выделение
двух (l)ункциональных элементов: рабочей зоны зеркала и
зоны для соединения зеркала с оправой. Элемент зеркала,
предназначенный для соединения с оправой, закрепляется
при помощи накладки через эластичные прокладки. При
этом рабочая зона зеркала остается свободной. Конструкция
позволяет обеспечить отсутствие де(l)ормации рабочей зоны
при больших усилиях зажима, а также сохранить форму и
положение зеркала при колебаниях темпера туры и пере."
rрузках.
Кроме Toro, консольное крепление зеркал рекомендуется
применять в случае требований по оrраничению массы и ra..
баритных размеров узла зеркала в приборе.
Крепление металло"стеклянных зеркал основано на том,
что металлическая зarотовка зеркала (подложка) исте..
клянная пластина представляют единый конструктивный
блок, поэтому подложку целесообразно использовать как
а)
б)
1
.....3
2
Рис. 9.72. Консольное крепление зер"ал:
1 зеркало; 2 оправа; :з накладка; 4 крепежный винт
490
rотовую оправу зеркала. В этом случае зеркало (так же как
и зеркала, выполненные из металла) непосредственно уста
навливается в изделие без крепления в оправу. Материалом
для изrотовления подложки обычно служат титан или ero
сплавы наиболее близкие по значению коэсрсрициента ли"
нейноrо расширения к стеклу. В подложке MorYT быть BЫ
полнены: rладкие отверстия, резьбовые отверстия, цапq)ы,
выступы и пазы различной формы, срланцы и друrие элемен
ты, которые используют для соединения зеркала с корпусом
изделия. Выбор KOHKpeTHoro способа соединения зависит от
множества сракторов: q)ункциональноrо назначения зерка
ла, условий эксплуатации, технолоrических возможностей
производства и т. д. На рис. 9.73 представлен чертеж метал
ло стеклянноrо поворотноrо зеркала, закрепляемоrо в KOp
пусной детали с помощью цапф оси.
К специальным способам крепления относятся также He
традиционны ]dетоды соединения оптических сопряrаемых
деталей, такие как сварка, спекание, постановка на оптиче
ский или rлубоко оптический контакт, например приварка
стеклянных кварцевых зеркал пентаrональноrо отражателя
к несущему кварцевому основанию [IV.1, IV. 35].
Крепление зеркальных систем. К узлам крепления зер
кальных систем предъявляются те же требования, что и к
узлам крепления одиночных зеркал. Кроме Toro, узел кре"
плени я зеркальной системы должен обеспечивать требуемое
взаимное расположение рабочих (отражающих) поверхно
стей отдельных зеркал. В наиболее ответственных случаях
предусматриваются механизмы реrулировки yrла между
зеркалами.
На рис. 9.74 приведена конструкция узла крепления
двухзеркальной системы с уrлом отклонения лучей 1800.
Зеркала 5 установлены на опорные поверхности корпуса
3, выполненные каждая в виде трех выступающих пло
щадок, и прижимаются к ним при помощи винтов 8 че
рез упруrие пластины 6. Каждый из упоров 9 пластины
располаrается напротив опорной площадки. В основании
корпуса выполнены отверстия для входа и выхода CBeTO
Boro пучка. Винты 8 завинчены в крышки 7 с rайками 1
и фиксируются контрrайками 2. Крышки привинчены к
корпусу винтами 4.
На рис. 9.75, а приведена конструкция узла крепления
yrолковоrо зеркала с yrлом отклонения 900. Каждая зер"
кальная пластина 2 прижата к трем выступам' на корпусе 1
491
со
t\j
о b. .........
цеНnl,ров
132*
- - - - - --- ..... - - --
166*
00
..::::
A A
1,5*
1
о):
(с)
с\)
,.....
О 3 +0.01
, o .о 1
6.V (V)
N B 0,5
l!N B 0,1
Р 111
ОЗ I 126х132
1 . Размеры д.ля справои;.
2. Напе"аnие.
3. Произвестц термоци"лироваnие изделия.
4. Q lИ21 Ер). = 550 н.м == 80 %:f: 5 % по ОСТ 31901 85.
5. Фас"и па ребрах 1 ,0+1.0.
Рис. 9.73. Ч еРnl,еж металло сте"лянноzо зер"ала:
1 основаnие; 2 сте"лянnая nлаСlnина, nаnе"аемая на осnоваnие
2
3 4 5
678 9
Рис. 9. '14. Двухзер"альная система с уzл.о:м от"лонения лучей 1800
при помощи крышки 4 через эластичные прокладки 3. Ha
личие бобовидных пазов в корпусе 1 позволяет выполнять
реryлировочные подвижки (фокусировку) узла крепления
зеркалъноrо отражателя.
На рис. 9.75, б представлена конструкция подобноrо
yrловоrо отражателя с юстировкой уrла между зеркалами
[IV. 35]. Юстировка осуществляется поворотом микрометри
ческоrо винта 1 в rайке 2, приводящеrо к перемещению за
крепленноrо на нем торическоrо кольца 3, поворачивающеrо
подвижную часть оправы 6 с зеркалом 7 BOKpyr оси шарни
ра8. Поворот происходит в связи с тем, что между плоскос
u u
тью неподвижнои части оправы и плоскостью подвижнои
части (между которыми находится торическое кольцо) соз
дан небольшой уrол (клин) с помощью линейки 4. Необхо
1
б)
5
....
Рис. 9.75. Двухзер"альная система с уzлом от"лонения лучей 900
493
димое усилие для поворота создается пружиной 5. Подобная
юстировка yr ла между зеркалами возможна так же путем
деформации частей оправы с помощью стяrивающеrо и рас"
порноrо винтов.
Мноrочисленные примеры типовых конструкций зер"
кально"призменных узлов приведены в справочнике [ТУ.1].
9.3.3. ЮСТИРОВКА 3ЕРКАЛЬНО..ПРИ3МЕННЫХ СИСТЕМ
3еркально"призменные системы (зпс) требуют весьма
строrой ориентировки относительно друrих элементов опти"
ческой схемы. Поrрешности расположения неподвижных
зпс в сходящемся ходе лучей приводят к децентрировкам,
наклону и перекосу изображения, срезанию поля зрения и
зрачков, рассl)окусировке. Поrрешности расположения не..
подвижных зпс в параллельном ходе лучей оказывают
меньшее влияние на качество изображения, однако часто
требуется их строrая yr ловая установка относительно неко",
торых баз прибора.
Поrрешность расположения подвижных зпс приводит К
поrреmности срункционирования прибора, ухудшению каче..
ства изображения и друrим дефектам. Рассмотрим влияние
поrрешностей расположения простейших зпс, являющих"
ся эквивалентами большоrо ряда более сложных зпс, на не..
которые характеристики качества прибора.
зпс в сходящемся ходе лучей. Пусть плоское зеркало 1
(рис. 9.76) установлено в сходящемся ходе лучей между объ"
ективом 2 и матовым экраном или позиционно"чувствитель"
ным приемником (например, П3С"матрицей) 3, на котором
ZЭ
бу'
l
2у'
Рис. 9.76. П лос"ое .зер"ало в сходЯlцемся пуч"е лучей
494
строится изображение. Свяжем с номинальным положени..
ем зеркала неподвижную координатную систему Х, У, Z,
а с экраном (приемником) х э , Уэ' zэ.
При установке зеркала возможны ero линейные и yrло"
вые смещения (поrреmности) относительно номинальноrо
положения. Небольmие смещения зеркала вдоль осей У и Х
недейственны (так как световой диаметр зеркала обычно вы..
полняется с запасом для устранения срезания cBeToBoro пуч"
ка). Смещение зеркала из номинальноrо положения вдоль
оси Z на величину tJ.z вызывает параллельный сдвиr отра"
женноrо пучка лучей, т. е. сдвиr изображения на экране д.уэ,
рассрокусировку д.zэ, поrрешность размера изображения оу' .
Поворот зеркала BOKpyr оси Z не опасен. При повороте
зеркала BOKpyr оси Х на yrол д.<Рх происходят следующие яв"
ления [IV.36] :
1) сдвиr изображения по оси Уэ уэ;
2) наклон плоскости изображения (разворот относитель..
но оси Х Э д.<f/х ;
3) поrреш ость размера (масштаба) изображения по оси У
за счет наклона плоскости изображения оу' э;
4) рассрокусировка изображения на оси и на краях д.zэ. о
И д.zэ. к.
При повороте зеркала BOKpyr оси У на уrол д.<ру возникают
следующие десl)екты [IV.36]:
1) сдвиr изображения по оси Х Э д.х э ;
2) разворот изображения BOKpyr оси zэ tJ.<Pz ;
э
3) наклон плоскости изображения (разворот) относитель"
но оси УЗ д.<ру ;
э
4) поrрешность размера (масштаба) изображения по оси
Х Э оу'х;
5) рассрокусировка изображения на оси и на краях д.z' Э. о
И д.z' Э. к.
Выражения для перечисленных поrреmностей приведены
в табл. 9.2.
Если вместо зеркала перед экраном (приемником) будет
установлена призма с одним отражением (эквивалентная по
действию плоскому зеркалу с плоскопараллельной пласти"
ной), то ее поворот BOKpyr оси Х приведет к наклонной раз"
вертке призмы в плоскопараллельную преломляющую пла..
стину, вносящую дополнительно приращение хроматизма
oq' F C' астиrматизма ба изображения и друrих аберраций.
К изменению аберраций приводит поворот призмы также
BOKpyr осей У и z.
495
Табл.ица 9.2
Влuян,uе nоzрешн,остей расnоложенuя nЛОСХОZО зерхала н,а uзображен,uе
Первичная Де<ректы изображения
поrреmность
Зеркало Призма AP 900
ДХ Не действует
ДУ Не действует
Сме"
щение Сдвиr изображения на экране
зеркала ДУЭ == 2sinЕДZ
вдоль ДZ Расфокусировка ДZЭ == 2 COS Е ДZ
осей
Поrрешность размера
Бу' == (4СOSЕу'/L)дz
Д<рz Не действует
Сдвиr по оси Уэ f).Уэ == 2lд<рх
Разворот BOKpyr оси Приращение абер..
раций. Хроматизм
Х Э f).<Рэ == 2д<рх изображения
Поrрешность масштаба по оси Уэ о' F C" ( )dA<Px.
Д<рх Бу'э == 2у,2 Д<рх/L q nс n F
Расфокусировка на оси Астиrматизм
ДZэ.о lД<р2 х
ба [2(n l)dro/n 8 ]A<px
Расфокусировка на краях
По" ДZэ.к 2у' Д<рх 1: lf).<p2x
ворот
зеркала Сдвиr по оси Х Э
BOKpyr ДХ Э == 2l COS Е Д<ру
осей Разворот BOKpyr оси ZЭ
Д<рz == 2sinЕД<ру
э
Разворот BOKpyr оси Уэ
Д<ру == .2 COS Е Д<ру Приращение абер"
Д<ру э
Поrрешность масштаба по оси Х Э раций
Бу'э == (2у,2хСОSЕ/L)д<ру
Расфокусировка на оси
дz'э.о lСОSЕД<р2 у
Расфокусировка на краях
f).z' э.К 2у' COS Е Д<ру 1: 1 COS ЕД<р2 у
При м е ч а н и е. Принятые обозначения: L расстояние от выходноrо зрач
ка объектива до экрана; в yrол падения oceBoro луча на зеркало; у' половина
размера изображения на экране; 1 расстояние от точки падения oceBoro луча
на зеркало до экрана; у' х половина размера изображения на экране по оси х. э ;
n пока3атель преломления для линий е, F, с; d толщина развертки призмы;
ro уroл наклона rлавноrо луча.
496
На рис. '9. 77 изображено зеркало 1 , расположенное в cxo
дящемся пучке лучей между положительным 2 и отрица
тельным 3 компонентами телеобъектива, строящеrо изобра
жение на экране 4. В этой системе допуски на поrреmности
положения зеркала вдоль оси Z и yrлы ero поворота BOKpyr
осей Х и У определяются допустимыми значениями xpOMa
тизма или комы, возникающих из за децентрировок 1 ro и
2 ro рода компонентов телеобъектива, обусловленных по
rрешностями положения зеркала.
Если, например, задать волновой допуск на хроматизм
I1FC == 0,1 мкм, а допустимое значение комы равным радиусу
первоrо дифракционноrо кольца, то допустимое смещение
зеркала вдоль оси z: I1Z 1 О мкм, а наклон относительно осей
Х и У: l1<Px y 2'. Такие допуски выдержать технолоrически
трудно, поэтому с учетом возможной необходимости KOM
пенсации децентрировок компонентов, возникающих при
креплении в оправах, целесообразно предусмотреть резуль
тативную обработку оправы зеркала либо ero соответствую
щие подвижки.
Результативная обработка базовых поверхностей оправы
производится после сборки узла зеркала на TOKapHo apMa
турном (или фрезерном) станке с помощью контрольно юсти
ровочноrо приспособления, содержащеrо автоколлимаци
онную трубку. Приспособление позволяет ориентировать
.зеркало перпендикулярно к шпинделю станка. Уrловая по
rрешность отражающей поверхности зеркала относительно
ВидА
8
9
Рис. 9.77. Плос"ое .эер"ало м,ежду компонентами nl,елеоб-ъе"тива
497
базы после результативной обработки обычно не превосхо
дит l' (см. рис. 5.3).
Конструктивные подвижки зеркала с высокой чувстви
тельностью осуществляются проектированием специальных
оправ. Одно из возможных решений изображено на рис. 9. 77.
Здесь смещение зеркала вдоль оси Z осуществляется винтом
5 и пружиной 6. Повороты BOKpyr осей Х и У винтами 7 и 9.
Для обеспечения большей независимости юстировок центр
ссl)еры винта 5 должен совпадать с отражающей поверхнос
тью зеркала, а винты 7 9 образовывать прямой уrол.
На рис. 9.78 представлена конструкция крепления CBeTO
делительноrо зеркала 4 с возможностью ero юстировки (пере
мещение вдоль оси Z, наклонов BOKpyr осей У, Х) с помощью
винтов 3 с эксцентриковыми цилиндрическими rоловками.
Зеркало поджимается к винтам пружинами 5 и располarа
ется в сходящемся пучке лучей объектива 2, закрепленноrо
в корпусе 1 узла.
Рассмотрим случай, коrда между объективом и экра
ном установлено уrловое зеркало (рис. 9.79). Известно, что
для уrловоrо зеркала недейственными являются смеще
ния вдоль ребра (вдоль оси Z) и поворот BOKpyr Hero (BoKpyr
оси Z). Смещение зеркала параллельно оси Х, направленной
по биссектрисе yrла (J' между зеркалами, приводит только к
расфокусировке ZЭ и поrрешности размера изображения 8у'
(табл.9.3).
A A
2
1
Рис. 9.78. У.зел юсп иров"и светоделительноео .зер"ала
498
ZЭ
УЗ
Ха
l
Х
Рис. 9.79. Уzловое зер"ало в сходящемся пучке лучей
Смещение уrловоrо зеркала перпендикулярно к ero ребру
по оси У (параллельно биссектрисе уrла между падающим и
выходящим лучами) приводит только к сдвиrу изображения
(децентрировка 2 ro рода) вдоль оси У э УЭ.
Эти свойства уrловоrо зеркала при ero смещении вдоль
указанных направлений используются при независимой
юстировке для сдвиrа и срокусировки изображения, центри
ровки элементов системы.
Поворот зеркала BOKpyr оси Х приводит К развороту изо
бражения BOKpyr оси ZЭ q>z .
. э
Наиболее опасным является поворот yr ловоrо зеркала BO
Kpyr оси У, вызывающий сдвиr ХЭ и наклон cpy изображе
э
ния, рассрокусировку на оси Zэ. о И краях ZЭ. к' разномас
штабность изображения оу'х. Выражения для указанных
поrрешностей приведены в табл. 9.3 [IV.36].
При установке вместо уrловоrо зеркала призмы с двумя
отражениями (например, БП 900) ее развороты BOKpyr осей
Х, У, Z вызывают кроме перечисленных дефектов при
ращения аберраций , так как ее развертка в виде толстой
плоскопараллельной пластинки будет наклонена к оптиче
ской оси.
На рис. 9.80 представлена конструкция узла уrловоrо
зеркальноrо кварцевоrо отражателя, содержащеrо зерка
ла 1, приваренные к основанию 4. Конструкция обеспечи
вает поворот уrловоrо зеркала относительно оси У. Юсти
ровка отражателя осуществляется наклоном несущей
платы 3 BOKpyr упруrоrо шарнира 2 с помощью винта 6 и
рычаrа 5.
Чувствительность поворота отражателя cpy достаточно
высока и определяется выражением:
499
kp r l
<py == 2 l X,
nr2 .
rде X минимальный yrол поворота винта 6; k ир число
заходов и шar резьбы винта 6; rl/r2 соотношение KOpOTKO
ro и длинноrо плеч рычarа 5; l «рабочая. длина платы 3.
Подвижное зеркало в параллельном ходе лучей. Pac
смотрим влияние поrрешностей положения rоловноrо Ka
чающеrося зеркала перископическоrо визира на точность
визирования и измерения (или ввода) rоризонтальных и Bep
тикальных уrлов. "Упрощенная схема прибора представлена
на рис. 9.81, а. На точность визир,авания и измерения roplI
зонтальных и вертикальных yrлов по сетке визира влияют
следующие поrреmности положения rоловноrо зеркала:
1) коллимационная ошибка t:J( неперпендикулярность
нормали, отражающей поверхности зеркала к оси качания
(рис. 9.81, б);
Таблица 9.3
Влuяnuе nоzрешностей расnоложеnuя уzловоzо зерхала па uзображеnuе
Первичная Дефекты изображения
поrреmность Зеркало Призма БП 900
Расфокусировка 8Z == 2 sin а 8Х
Смещения Ах Поrрешность размера
зеркала бу' == (4 sin ау' /L)8X
вдоль осей 8у Сдвиr изображения llуэ == 2 sin аду
8Z Не действует
8<pz Не действует
8<рх Разворот BOKpyr оси ZЭ
8<pz == 2 sin а8<р х
Э
Сдвиr по оси Х Э 8Х э == 2lsin а 8 <Ру
Повороты Разворот BOKpyr оси УЭ
8<руэ == 2 sin а Д<ру Приращения
зеркала во.. аберраций
Kpyr осей Поrрешность масштаба
Д<ру бу' Э ==(2yi cos Е/ L)д<ру
Расфокусировка на оси
Дz' Э.О ::::: l sin а Д<Р1r
Расфокусировка на краях
8Z' Э.К ::::: 2у' xsin а Д<ру :t l sin а Д<р2 у
При М е ч а н и е. Принятые обозначения: L расстояние от выходноrо зрачка
объектива до экрана; а уrол между отражающими плоскостями уrловоro зер
кала; l расстояние от ребра уrловоrо зеркала до экрана; Ух половина размера
изображения на экране по оси Х; У' половина изображения на экране.
500
6
+
+
Рис. 9.80. Узел н:реnл.ения н:онцевоео оп ражател.я дальномера с возмож
н-остью юсп ировн:и еео нан:лона относительно оси У
2) наклон 8сру оси качания (наклон оси цапф) относи..
тельно rоризонтальной плоскости поворот BOKpyr оси У
(рис. 9.81, в);
3) разворот 8q>z оси качания BOKpyr вертикальной оси Z
(будем считать, что последующая система отъюстирована
так, что визирная ось параллельна оси Z) (рис. 9.81, z).
Коллимационная ошибка приводит к тому, что при кача..
нии зеркала ero нормаль описывает не плоскость начальноrо
меридиана, а поверхность конуса. Траектория следа норма"
ли на сфере будет отстоять от начальноrо меридиана на вели..
чину М, а след визирной линии будет проходить через зенит
и отстоять от надира на величину 2М.
Коллимационная поrрешность вызывает поrрешность ви"
зирования и измерения rоризонтальных yrлов 8()f1K первоrо
порядка, а вертикальных 8i f1K BToporo порядка малости:
8() f1K == 2 cos Е cos 8К sin 8К 2cos Е 8К;
8i f1K == 2 COS 2 E8K 2 == 8()2 bl( /2.
501
а)
z
б)
в)
е)
Рис. 9.81. П оерешностu zоловноzо зер1Сал.а периС1Сопuчес1СОZО визuра:
1 качаЮll ееся в пределах от 5 до t20° zоловное зеркало; 2 неnодвижное зер
кало; '3 об-оектuв; 4 сетка; 5 окул.я.р
Наклон оси качания приводит к тому, что нормаль зерка"
ла описывает дуrу больmоrо Kpyra, наклонную к начальному
меридиану. Траектория следа визирной оси также проходит
через зенит и отстоит от надира на 28<ру. Следовательно, Ha
клон оси цапq) при водит к поrреmности первоrо порядка при
визировании и измерении rоризонтальных yr лов и BToporo
порядка вертикальных уrлов:
88 <py == COS 2 E sin28<py 2COS 2 E 8<ру;
8i <py == 2COS 2 E8<p2y.
При развороте оси качания BOKpyr вертикальной оси HOp
маль зеркала и визирная линия выходят из плоскости на
чальноrо меридиана (нулевой плоскости визира) и описы
вают дyrу больmоrо Kpyra, отстоящую от Hero в плоскости
rоризонта на 8<pz. Поrреmности визирования и измерения
rоризонтальных и вертикальных уrлов, таким образом:
88 A <Pz == sin 2Е sin 8<pz sin 2Е 8<pz;
iAq>z == (1 2COS 2 E) (1 2COS 2 E) == о.
Перечисленные первичные поrреmности положения ка..
чающеrося зеркала обычно устраняют при юстировке дaнHO
ro узла. Для этоrо конструкция крепления зеркала должна
обеспечивать возможность устранения (уменьшения) кол..
лимационной поrреmности, а конструкция узла оси кача..
ния возможность наклона и разворота.
502
Анализ приведенных (l)ормул показывает, 'ЧТО влияние
данных поrрешностей может быть частично взаимно CKOM
пенсировано, причем недокомпенсация (особенно с учетом
Toro, что отрицательные yrлы места невелики) может ока..
заться незначительной. Следовательно, отпадает необходи
мость компенсировать'каждую перви'чную поrрешность, до"
ста точно оставить только один компенсатор, позволяющий
уменьшить влияние друrих поrреmностей. Использование
этоrо приема R некоторых случаях позволяет существенно
упростить КОНСТРУКЦИЮ узла зеркала, выполнив ero без опра
вы, и тем самым облеrчить юстировку. На рис. 9.82 изобра"
жена конструкция Taкoro узла. Так как имеется возможность
компенсации коллимационной поrреmности, то зеркало вы..
полиено без оправы и крепится к цапфам приклеиванием по..
лиуретановым клеем ПУ..2 (РТМ 3"60 70). Соосность цan(l) 4
и 2 выдерживается при этом технолоrически путем задания
соответствующих допусков на зеркало и цап(ры, а также с по..
мощью специальноrо приспособления для приклеивания.
Значение необходимоrо допуска на М может быть обе"
спечено также результативной обработкой (шлифованием)
цапф в номинальный размер от оптической установочной
базы, задаваемой автоколлиматором, настроенным на отра"
...,
1 2
3
4
Рис. 9.82. rоловное зер"ало визира.:
1 корпус узла; 2, 4 цапфы оси качания;:З оловн()е зеркал.о, nриво
димое в движение рыtШZом; 5 фиксатор; 6 рычаz
503
жающую поверхность зеркала (обработка проводится после
приклеивания цапф к зеркалу).
В качестве примера можно рассмотреть чертеж металло
стеклянноrо зеркала (рис. 9.73), цапфы (08h8) и приводной
вал (07h8) KOToporo шлифуются в центрах для обеспечения
достаточно малой коллимационной поrрешности (и 0,4')
после полировки отражающей поверхности зеркала.
Компенсация коллимационной поrрешности и наклона
оси цапф осуществляется разворотом корпуса узла, что дo
стиrается смещением фиксатора 5. Полная компенсация MO
жет быть осуществлена при этом только для одноrо значения
yrла места, например в rоризонтальной плоскости (i == 00).
Необходимое значение yr ла поворота корпуса z опреде
ляется при этом из уравнения 2Ucos45° + 2cos 450 <py +
+ sin 900 <Pz == О, откуда <Pz == ( K + <py). Наибольшее
значение недокомпенсации Бнк будет соответствовать
при этом максимальному уrлу места (i == 400): Бнк тах ==
== 2и cos 650 + 2 cos 2 650 Д<ру (".{2и + 8<ру) sin 1300.
Например, для леrко выполняемых технолоrических дo
пусков на U и <py, равных 10', и неблarоприятном (оди
наковом) сочетании их знаков значение недокомпенсации
Бнк тах 6'. Если такое значение недокомпенсации поrреш
ности недопустимо, то следует ужесточить допуски на и,
8<ру (или допуск на одну из них) либо ввести второй компен
сатор. В данной конструкции можно предусмотреть, напри
мер, реrулировку наклона оси цапф путем смещения CTaкa
нов подшипников относительно корпуса в пределах зазора
в посадке.
Подвижная призма в параллельном пучке лучей. В ряде
оптических приборов (панорамичеСRие визиры, прицелы,
перископы, rеодезические инструменты) для исключения
поворота изображения, ero сканирования, оборачивания ис
пользуются вращаемые (поворотные) призмы npямоrо ви
дения типа Дове, призмы куба, Пехана, Аббе, Уппендаля
(рис. 9.83).
Эти призмы вращаются BOKpyr оси падающеrо пучка лу
чей (визирной оси), вызывая вращение изображения с yrло
вой скоростью в два раза более высокой, чем поворот при
змы, и эквивалентны по своему действию плоскому зеркалу
и плоско параллельной пластине или зеркальному ромбу.
Поrрешности изrотовления и сборки призм приводят к
тому, что изображение не только вращается BOKpyr своей
оси,' но и претерпевает биение в пространстве. Это биение
504
а)
3f
в)
е)
д)
67030' 22"Зр'
Рис. 9.83. вращаеJ"кыle (поворотные) nризмы nрямоео видения: а Дове;
б "уб; в Аббе; z Пехана; д Упnендаля
приводит К поrреmности измерения, визирования в приборе
и устраняется (уменьшается) путем юстировки узлов призм
после их сборки.
Рассмотрим юстировку призмы Дове 2 (рис. 9.84, а), уста
новленной в параллельном пучке лучей (призмы Пехана,
Аббе и Уппендаля MorYT работать в отличие от призм Дове
и призмы куба также и в сходящемся пучке лучей) между
коллиматором 1 и видеокамерой (зрительной трубой) 3.
Призма вращается BOKpyr оси У 1 , которая в номинале долж
на быть параллельна визирной оси коллиматора (проходящей
через центр перекрестия ero сетки и узловую точку объекти
ва). Непараллельность оси вращеlШЯ призмы к визирной оси
коллиматора на yrлы a и y в вертикальной и rоризонталь
ной плоскостях (рис. 9.84, б), ero КОЛJШмационная поrреm
ность k наклон отражающей rрaIШ призмы к собственной
оси вращения, а также пирамидальность призмы 1t приводят К
пространственному биению изображения сетки КОЛJШматора.
Влияние пирамидальности призмы на биение изображе
ния устранить юстировкой нельзя, поэтому при изrотовле
нии призмы назначают «жесткий. допуск на 1t исходя из
условия, что эта поrреmность не должна оказывать заметно
ro влияния на биение изображения.
Юстировкой призмы устраняют биение изображения из
за поrреmностей k, y и a.
Известно [IV.19], что визирная ось коллиматора при Bpa
щении на уrол <ру призмы Дове, имеющей поrреmности k
505
а)
А
.
VJ;'f\
2
3
z
А' ,
z
б) в)
у х
tS C\1
Х 1
Рис. 9.84. Юстиров"а nризмыДове
и наклон только в вертикальной плоскости a, описывает
в плоскости ХУ улитку Паскаля:
Az 28kcos<py + acos2<py;
Ax 28k sin еру + 8а sin 2<ру,
rдеАzиАх проекции визирноrо луча на оси Z и Х COOTBeT
ственно.
В плоскости ПЗС матрицы (или сетки зрительной трубы)
изображение сетки коллиматора (т. е. биение изображения)
будет описывать улитку Паскаля со следующими координа
тами по осям Z и Х:
z == f' (2 kcos <ру + acos 2<ру);
х == {' (28k sin <ру + 8а sin 2<ру),
rде {' фокусное расстояние объектива видеокамеры (зри
тельной трубы).
Рассмотрим случай, коrда ось вращения призмы располо
жена под произвольным yrлом К визирной оси коллимато
ра и имеет следующие составляющие: 8а в вертикальной
плоскости и 8у в rоризонтальной.
506
Введем две неподвижные прямоуrольные системы KOOp
динат: XYZ связанную с приемник ом (сеткой) так, что
ось У направлена вдоль визирной оси коллиматора, ось Z
направлена в зенит, а ось Х расположена в rоризонтальной
плоскости; X1YIZl связанную с осью вращения призмы
таким образом, что У l..!.lаправлена вдоль оси вращения, а Zl
отклонена от нормали N к отражающей поверхности призмы
(параллельной оси Z) на уrол 8k.
В исходном положении отражающая rрань призмы pac
положена параллельно rоризонтальной плоскости (в систе
ме координатных осей XYZ), и орт направления ее нормали
(в системе координатных осей Х 1 У l Z 1) может быть записан в
следующем виде:
.......... ......
N 1 == cos8ksin<pyi sin8kj + cos8kcos<pyn,
rде <ру YI0!.I I!.0BopoTa призмы Дове BOKpyr оси У 1, начиная
от оси ZI; i, j, n единичные векторы направления коорди
натных осей.
Так как система координат Х 1 У l Z 1 повернута относитель
но системы координат XYZ на yrлы 8у и 8а, то орт направле
ния нормали к отражающей поверхности призмы, вращае
мой BOKpyr оси У 1, может быть записан как
l l
N == 8/:1У 8/:1a N ,
rде 8 и 8 транспонированные матрицы ввода уrлов 8у
и8а.
После подстановки и перемножения матриц, учитывая
малость уrлов 8а, 8у, 8k, получаем:
[ cOS8y sin8y О )[ 1 О О ) ( CoS8ksin<py )
N == sin8y cos8y О О cos8a sin8a sin8k
О О 1 О. sin8a cos8a cos8kcos<py
[ sin<py )
!1уsin<ру + 8k + !1acos<py .
cos<py
Орт А' направления отраженноrо визирноrо луча после
призмы находи м , используя матрицу действия плоскоrо зер
кала М' на орт Ао направления падающеrо визирноrо луча:
[ 1 2N} 2N XNy 2N zN х )[ 0 )
А' == М'А о == 2NxNy 1 2Nf 2NzNy 1 ==
2NxNz 2NyNz 1 2Nl о
507
== [ 12N: Y J .
2N y N z
Подставив проекции нормали, получаем:
[ 2 sin<py( y sin<py + k + acos<PY) J
А' == 1 2( y sin<py + k + acos<py)2
2cos<py( y sin<py + k + acos<py)
[ 2 ksin<py 2 ysin2<py asin 2<ру J
'"w 1 '"w
2дk cos сру ду sin 2сру 2 да cos 2 сру)
[ 2 ksin<py + ysin2<py asin2<py y J
1 .
2 k cos <ру y sin 2<ру a cos 2<ру a)
Таким образом, в плоскости приемника (сетки) изо
бражение центра марки коллиматора описывает также
траекторию улитки Паскаля, но со смещением центра
симметрии ее траектории 01 от центра координатной си
стемы XYZ на постоянные величины, пропорциональные
yr лам y и a по соответствующим проекциям на оси Х и Z
(рис. 9.84, в):
х == f'( 2 ksin<py + ycos2<py asin2<py y);
z == f'( 2k cos <ру y sin 2<ру a cos 2<ру a),
rде f' (рокусное расстояние объектива видеокамеры (зри
тельной трубы).
Составляющая cYMMapHoro биения (улитки Паскаля), об..
условленная только поrреmностью k, представляет собой
окружность диаметром 4f' k, а составляющие из за поrреш"
ностей a и y окружности диаметрами 2f' a и 2f' y с раз"
личающимися от k в два раза большими yr ловыми скоро"
стями биения (вращения). Если эти поrреmности равны друr
друrу, т. е. k == a == y, то внутренняя петля улитки Паска"
ля вырождается и улитка переходит в кардиоиду (кривую,
похожую на контур сердца).
Анализ формул для координат биения изображения пока..
зывает, что при повороте призмы из начальноrо положения
(например, коrда rипотенузная rрань призмы находится вни
508
зу) на уrол <р.у == 1800 позволяет выявить «<в чистом виде ) в
учетверенном масштабе коллимационную поrрешность. Если
же устранить поrрешность k, т. е. при k == О, и повернуть
призмуизначальноrоположениянаyrОЛ<ру==90 0 , томожновы
явить В удвоенном масштабе поrрешность 2 y. После ее устра
нения, при повороте призмы снова в положение 00 (или 1800)
выявляется в удвоенном масштабе поrрешность 2 a.
Таким образом, юстировка призмы Дове должна осущест
вляться в следующей последовательности.
1. Выставля!От коллиматор и видеокамеру (зрительную
трубу) так, чтобы изображение сетки (марки) коллиматора
находилось в центре П3С матрицы видеокамеры (в центре
сетки зрительной трубы).
2. Устанавливают узел призмы Дове между коллима
тором и видеокамерой на юстировочном столике так, что
бы rипотенузная rрань призмы была внизу, а изображение
марки коллиматора находилось бы в центре П3С матрицы.
На экране монитора фиксируют положение изображения по
вертикальной оси z.
3. Разворачивают призму Дове BOKpyr оси У на yrол
<ру == 1800 и (риксируют второе положение изображения
по вертикальной оси. Разность этих положений, как по
яснялось выше, обусловлена учетверенной коллима
ционной поrрешностью k призмы. Устранение этой
поrрешности осуществляется наклоном призмы относи
тельно собственной оси вращения [поворотом BOKpyr оси Х 1
(рис. 9.84)] блarодаря тому, что в оправе выполнены специаль
ные реrУJШровочные устройства. На рис. 9.65 представлены
две типовые конструкции узла крепления призмы Дове: одна
с возможностью юстировки поrрешности блarодаря деq)орма
цииrибкихэлементовоправы2винтами5 (рис. 9.65, а)идру
rая смещением сеrментных вкладышей 6 (см. рис. 9.65, б).
Призма наклоняется так, чтобы привести изображение на
экране монитора в положение по вертикальной оси, лежа
щее посередине между первым и вторым засl)иксированными
ранее положениями.
Так как малейшая деформация отражающей rрани при
змы вызывает порчу качества изображения (появляется
астиrматизм), то после юстировки призмы необходимо убе
диться в отсутствии таких десрормаций, проверив качество
изображения по разрешающей способности.
4. Поворачивают призму Дове из первоначальноrо положе
ния на уrол <ру == 900 и для устранения поrрешности 8у, выяв
509
ляемой при этом в удвоенном масштабе, наклоняют юстиро"
вочный столик (вместе с узлом призмы) относительно оси z.
5. Поворачивают призму снова в положение О или 1800,
при этом выявляется поrрешность 8а, которая устраняется
наклоном юстировочноrо столика относительно оси х.
При юстировке призмы в при боре возможно также устра"
нение поrреmностей 8у, 8а наклонами визирной оси (колли..
матора) сдвиrами сетки (или объектива) в поперечном на..
правлении.
б. Для более точной юстировки (компенсации) поrреmно"
стей 8k, 8у и a операция юстировки по пп. 3 5 может быть
повторена.
Подвижная призма в сходящемся пучке лучей. Рассмо"
трим юстировку вращаемой призмы Пехана, установленной
в сходящемся пучке лучей. В призме Пехана осуществляют"
ся пять зеркальных отражений пучка лучей. Она СОС1,'оит из
комбинации полупенты и призмы UUмидта. Эквивалентом
действия призмы в сходящемся пучке лучей является пло..
ское зеркало в сочетании с зеркальным ромбом, перпендику"
лярным к этому зеркалу.
Анализ юстируемых поrрешностей и методику юстиров..
ки призмы будем рассматривать без учета поrрешностей из..
rотовления и склейки составляющих ее призм.
На рис. 9.85, а представлена схема стенда для юстировки
вращаемой призмы Пехана 3, установленной в сходящемся
пучке между маркой 4 и объективом 2. Марка подсвечива"
ется осветителем 5, а изображение марки рассматривается
с помощью видеокамеры 1 .
В идеальном случае сборки узла призмы ero эквивалент..
ное зеркало э э совпадает с осью вращения, а зеркальный
ромб, характеризуемый базисом Ь (поступательно смещаю"
щий отраженные л и на значение двойноrо базиса), распо"
ложен перпендикулярно к оси вращения (рис. 9.85, а).
При реальной сборке эквивалентное зеркало будет непа..
раллельно и сдвинуто с оси вращения, эквивалентный зер"
кальный ромб произвольно наклонен относительно оси вра"
щения, а сама ось вращения наклонена к визирной линии.
В результате возникают три основные юстируемые по..
rрешности (рис. 9.85, в):
1) коллимационная поrрешность 8k непараллельность
эквивалентноrо зеркала э э оси вращения;
2) поrреmность сдвиrа j),l сдвиr следа эквивалентноrо
зеркала с оси вращения в плоскости марки;
510
а)
1
y
ССп.
б)
у
1 2Р
lр
Уl
у
в)
3
5
Уl
Х 1
Рис. 9.85. Юстиров а .вращаемой nриамы П ехана
3) неперпендикулярность зеркальноrо ромба к оси враще"
ния в двух направлениях:
а) в плоскости rлавноrо сечения призмы вследствие по..
rреmности k;
б) в плоскости, перпендикулярной к rлавному сечению
призмы, на yrол p.
Для нахождения траектории биения изображении марки
из..за указанных поrреmностей вводят следующие системы
неподвижных координат осей (рис. 9.85, 8): X 1 , Уl, Zl С на..
511
чалом координат 01, совпадающим с центром марки Т; Х,
У, Z с началом О, расположенным. в (рокальной плоскости
объектива и лежащей на оси z; Х 2 , У2, Z2 ось Z2 которой
параллельна оси вращения и повернута на уrол dO) BOKpyr
оси Х 1 по отношению к исходной системе.
Радиус вектор изображения марки при вращении экви
валентното зеркала э э в системе осей Х 1, У 1, Z 1 найдем
И3 выражения [IV.19]:
,р' == (1 M')dr + 2dlN,
[1де f1r радиус вектор следа от оси вращения (точка В) зеркала
э з относительно центра марки Т; dl расстояние от точки
В до .зеркала э э; М' матрица действия плоскоrо зеркала;
N 'Орт направления нормали зеркала, повернутоrо на yrол у.
При этом
1 1 1 1 --;
N == S OO 8у 8 (!) N о == (8 OO 8у 8 O)[ COS(dO) + dk) J 1
sin(f1O) + dk)n 1 ],
1 .
rде SД(t} и S (t} матрицы переход а от системы осей Х 1 , Уl, Zl
К 'системе осей Х 2 , У2, Z2 И обратно; 8 1 транспонирован
ная матрица ввода уrла у поворота нормали эквивалентноrо
зеркала BOKpyr оси Z2.
После подстановки и преобразований получаем:
{ rSin2J 2Ыsinу }
р' == 2 rcos J 2Ысоsу ·
Полученная траектория представляет собой улитку Па
скаля с началом координат в точке В.
Теперь учтем действие эквивалентноrо ромба толщи
ной Ь, сдвиrающеrо марку из положения Т в положение О
на величину 2Ь с учетом ero наклона на yrол dp и поворота
зеркала э э на yrол у:
р'" == р' + 2b N р 2 + [ r b2bCO ):::::
( drSin2Y 2(dl + bdk)siny + 2 dPbCOS Y )
::::: rcos2y 2(Ы + bO k)COSY 2 pbsiny ,
512
rде N р2 орт направления нормали BepxHero зеркала ромба.
Это параметрическое уравнение улитки Паскаля в пло..
скости ХОУ (рис. 9.85, б) с осью симметрии, развернутой под
yrлом уо К оси У.
Суммарное действие поrрешностей dk, dl, dp (без поrреш..
ности dr, имеющей иную периодичность) можно выявить
после поворота призмы из любоrо исходноrо положения на
yrол 1800. Разность радиус"векторов для этих двух положе..
ний призмы по осям х и у:
p == 4[(dl + b k)siny b pcosy];
dp == 4[( l + bdk)cos у + Ь dp sin у].
Методику юстировки призмы целесообразно выполнять
в следующем порядке.
1. Устранить коллимационную поrрешность dk, выявив
ее в параллельном ходе лучей на описанной выше установке
для юстировки призмы Дове, при положениях призмы Пе"
хана О и 1800.
2. Устранить поrрешность dp, для чеrо призму устано"
вить в сходящийся пучок лучей на стенде (рис. 9.85, а).
Так как поrрешность dk устранена, то последние выраже"
ния приму т вид:
f1p == 4(dl sin у b p cos у);
f1p == 4(f1l cos у + bf1p sin у).
Устранение f1p достиrается боковым наклоном призмы от..
носительно оси вращения, при этом добиваются параллель"
ности отрезка прямой, соединяющей два изображения мар"
ки (в исходном положении призмы и повернутом на 1800),
rлавному сечению призмы.
3. Устранить поrрешность l сдвиrом призмы относитель"
но оси вращения в плоскости rлавноrо сечения, добиваясь
среднеrо положения изображения марки для двух положе..
пий призмы.
На рис. 9.58 представлена типовая конструкция узла кре"
плени я призмы Пехана с возможностью выполнения ука"
занных юстировок ее наклонами и сдвиrом с помощью соот"
ветствующих винтов.
После устранения поrрешностей dk, dp, dl выражение
для радиус"вектора биения изображения марки примет
вид
513
dp == drsin 2у; dPy == drCOS 2у.
Таким образом, для окончательноrо устранения биения
изображения осталось лишь совместить след оси враще
ния (точку В) С точкой Т. Это выполняется сдвиrами или
(наклонами) узла призмы или сдвиrами марки вдоль осей
ХиУ.
9.4. у3лыI КРЕПЛЕНИЯ И ЮСТИРОВКА СЕТОК, ШКАЛ, РАСТРОВ
Эти детали крепятся в своих оправах такими же способа
ми, как и друrие, рассмотренные выше типовые оптические
детали. Если, например, сетка крyrлая, то она обычно закре
пляется в оправе завалт",цовкой, приклеиванием, резьбовым
или накладным кольцом. Если деталь не круrлая, то она за
крепляется прижимными планками, пружинными лапка
ми, приклеиванием. '
Измерительные сетки, шкалы, растры, дифракционные
решетки являются эталонными элементами функциональ
ных устройств, поэтому при их креплении в оправах и экс
плуатации не должно возникать деформаций их рабочих
поверхностей. Данное требование обеспечивается при co
блюдении таких принципов конструирования соединений,
как: статической и rеометрической определенностей, си
ловоrо замыкания, учета тепловых свойств соединяемых
деталей.
rлавной особенностью конструкций узлов крепления яв
ляется то, что в них обязательно должна быть rlредусмотре
на юстировка пространственных положений марок, Haнe
сенных на закрепляемые детали относительно их оправ либо
вместе с оправами.относительно друrих деталей или баз про
ектируемых устройств.
Рассмотрим некоторые типовые конструкции узлов Kpe
пления деталей данноrо вида, обеспечивающие их необходи
мые юстировки.
Узлы визирных и измерительных сеток необходимо CMe
щать перпендикулярно к оптическим осям и вращать их BO
Kpyr них для создания требуемых пространственных распо
ложений визирных осей и плоскостей оптических систем.
На рис. 9.86 изображена конструкция узла визирной ceT
ки 1, которая зав альцов ан а в оправу 2, прижатую юстиро
вочными винтами 4 к опорному фланцу корпусной детали 3
514
A A
2
Рис. 9.86. Уаел визирной ceт и
устройства. Оправа может быть развернута (при слеrка OT
жатых винтах 4) BOKpyr оси ее конической фаски и смещена
этими винтами перпендикулярно к оси. Колпачок 5 служит
для предохранения воздействия на винты после юстировки
сетки.
Лимбы и "pyzoBbte растры необходимо центрировать OTHO
сительно базовых поверхностей их оправ ИJШ осей вращения.
На рис. 9.87 представлена конструкция креплениS,l pac
тра 1 в оправе 3 накладным кольцом 2. Для компенсации по
rрешностей изrотовления соответствующих размеров растра
и оправы, более paвHoMepHoro распределения усилий при
жатия, а также исключения температурных деq)ормаций Ha
кладное кольцо выполняют тонким, способным слеrка пру
жинить, и устанавливают между ними упрyrую прокладку .
Центрировка растра осуществляется радиальным ero CMe
щением относительно базовorо цилиндра оправы А в пределах
зазора посадки (при слеrка отжатых крепящих накладное
1
Рис. 9.87. Крепление растра на"ладным ольцом
515
кольцо винтах) либо радиальным смещением оправы BMe
сте с растром в процессе монтажа этоrо узла на ось вращения
q)ункциональноrо устройства. КонТроль производится по
центрировочной окружности, нанесенной на растр, или по
электрическим сиrналам с отсчетных систем, подаваемым на
осциллоrраф [IV.37] (см. также п. 9.6). Отсутствие торцевоrо
биения растра обеспечивается проточкой ИЛИ шли{l)овкой за
одно рабочей и базовой В торцевых поверхностей (q)ланцев)
оправы. Иноrда рабочий {l)ланец оправы обрабатывается после
ее сборки с осью (от центровых отверстий или цап{р под под
шипники) для более точноrо устранения биения этой поверх
ности (а стало быть, и растра) относительно оси вращения.
Линейные шкалы, растры, измерительные дифракцион
ные решетки необходимо устанавливать параллельно базам
оправы или направлениям перемещений.
На рис. 9.88 изображена конструкция узла крепления из
мерительной отражающей ди{рракционной решетки 1 в из
мерительной пиноли 2. Решетка поджимается своей рабо
чей поверхностью плоскими пружинами 6 к уступу пинол ,
рабочая поверхность KOToporo расположена на оси пинали
(для выполнения принципа Аббе, см. п. 1.4.1) и q)иксирует
ся на нем винтами 3 5.
С помощью четырех юстировочных винтов 3, 4 решетка
может слеrка разворачиваться на поверхности уступа BO
Kpyr оси, перпендикулярной к своей рабочей поверхности,
для точной ориентации штрихов решетки относительно базо
вых поверхностей пиноли или обеспечения требуемой точно
сти работы преобразователя (для компенсации мультиплика
тивной составляющей поrрешности измерения, см. п. 9.6).
Для обеспечения отсутствия температурных дес})ормаций
ширина решетки, размер паза пиноли и коэ{l){l)ициенты ли
нейноrо расширения материалов пиноли, решетки и юсти
ровочных винтов 3, 4 связаны определенным соотношением,
представленным в п. 1.3.8.
Спектральные дифракционные решетки, как правило,
необходимо разворачивать BOKpyr всех трех пространствен
ных осей. В ряде конструкций [IV.l] решетку устанавлива
ют в оправе на три реrулируемые точечные опоры, позволя
ющие наклонять ее в двух плоскостях относительно базовой
поверхности. Чаще же Bcero решетка закрепляется в оправе
(со строrим соблюдением условия отсутствия ее десрормации
при креплении и эксплуатации), которая разворачивается
относительно базовой корпусной детали узла.
516
230"
. I
i
,
I
A A
-r.
3
0_ 5 J: Q ,0 2
I
400)."
I
.
2
1
5
"1
Рис. 9.88. Узел "реnления измерип елъной опl,ражающей дифра"ционной реш,еп "и
На рис. 6.6 представлена конструкция подобноrо узла,
rде оправа дифракционной решетки может наклоняться OT
носительно осей Х, У и Z блarодаря трем реrулируемым опо..
рам, которыми она сопряжена с подпятниками несущей KOp
пусной детали. Концы всех опор выполнены сq)ерическими,
а поверхности подпятников выполнены в виде плоскости,
конуса и призмы. Такое классическое сопряжение, позволя
ет обеспечить статически определенное соединение и незави
симую юстировку решетки.
9.5. КОНСТРУКЦИИ УЗЛОВ КРЕПЛЕНИЯ И ЮСТИРОВКА
ИСТОЧНИКОВ И ПРИЕМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
Источники и приемники оптическоrо излучеIШЯ являют
ся важными элементами оптических приборов. Осуществляя
связь между оптическими и электроlПIЫМИ функциональны
ми устройствами прибора, они зачастую определяют техIШЧ
ские требования к конструированию прибора в целом. Широ
кий спектр существующих в настоящее время источников и
приемников излучеIШЯ, разнообразие условий их применения
и требований, предъявляемых к ним, ставят перед KOHCтpYК
тором задачи не только их правильноrо выбора, но также и
разработки рациональной конструкции узлов их крепления.
Выбор способа крепления и конструкция узла крепления
источника или приемника излучения определяются видом,
конфиrурацией, размерами, условиями эксплуатации и Tpe
бованиями к нему. Узел крепления должен обеспечивать на..
дежное закрепление источника (приемника) без возможных
смещений при внешних воздействиях (ударах, вибрациях,
перепадах температуры) и без деформаций, которые MorYT
ухудшить ero характеристики и надежность. Конструкция
узла крепления должна быть простой, технолоrичной и в
большинстве случаев обеспечивать возможность юстировки
закрепляемоrо элемента [IV.38].
Креплен.ие установочным винтом. Источник (приемник) 1
устанавливают в оправу (корпус) 2 и фиксируют винтом 3
(рис. 9.89).
Преимуществами способа являются простота и техноло
rичность деталей, а также возможность замены выmедmеrо
из строя закрепляемоrо элемента, недостатком возмож
ность разрушения корпуса приемника или источника при
случайном пережатии установочным винтом.
518
а)
1 2
1 2 3
Рис. 9.89. Крепление установочньtМ винтом:
а реnление светодиода; б реnление фото
диода
Данный способ крепления применяется в случаях, Kor-
да не предъявляются высокие требования по точности рас-
положения источника (приемника) в осевом и поперечном
направлениях. При отжатом установочном винте 3 можно
вручную переместить источник (приемник) в осевом направ-
лении, а при необходимости и развернуть.
Крепление при помощи разрезной втулки. Источник
(приемник) излучения 1 устанавливается в разрезную втул-
ку 2, а затем в корпус 3. Положение деталей в узле крепле-
ния фиксируется винтом 4 (рис. 9.90).
Такой способ крепления применяется для более безопас-
Horo крепления источников и приемников, имеющих малые
диаметры корпусов (например, светодиодов типа АЛ..I07,
АЛ-115 и фотодиодов Фд-з, ФД-8К). Данный способ крепле-
ния лишен недостатка предыдущеrо способа и сохраняет все
ero преимущества. Отпустив винт 4 и устранив деформацию
в разрезной оправе (т. е. сняв силовое замыкание), можно
вручную перемещать (и разворачивать) источник (прием-
ник) в осевом направлении.
Крепление хомутом. Источник (приемник) 1 устанавли-
вается в корпус 2, часть KOToporo выполнена в виде хомута,
винт 3 стяrивает хомут и таким образом удерживает закре-
пляемый элемент (рис. 9.9i).
Способ крепления хом'утом аналоrичен по принципу
удержания закрепляемоrо элемента способу крепления раз-
1
б)
1
Рис. 9.90. Крепление при помощи разрезной втул"и: а светодиода;
б фотодиода
519
1
б) 1
3 2
Рис. 9.91. Крепл.ение xOMYnl,OM: а cBeпl,oauoaa; б фопl,одиода
резной втулкой (оправой). Недостатком ero является OTHO
сительная сложность оправы, что снижает технолоrические
показатели узла.
При отжатом винте можно при необходимости вручную
осуществить осевое перемещение источника (приемника).
Крепление цанrой. Источник (приемник) 1 устанавлива
ют в цанrу 2, а rайкой 3, стяrивая ее, удерживают закрепля
емый элемент в нужном положении (рис. 9.92). Таким спо
собом пользуются при ответственном креплении источников
и приемников.
Недостатком способа является относительная сложность
конструкции, что снижает технолоrические показатели узла.
Крепление резьбовым кольцом. Закрепляемый источник
(приемник) в оправе фиксируется с помощью резьбовоrо коль
ца. ДаШIЫЙ способ крепления наиболее предпочтителен при
диаметре корпуса источника (приемника) не менее 10 мм. Oд
нако возможно крепление и при меньших диаметрах, но диа
/ метр резьбовоrо кольца при этом должен быть от М5 и более.
Вследствие возможных перекосов резьбы не обеспечива
ется равномерное прилеrание кольца к закрепляемому эле
менту, что может вызывать местные дес])ормадии ero KOp
пуса. Особенно сuльно это проявляется при температурных
колебаниях. Для устранения этоrо недостатка применяют
2 ся пружинные кольца, устанавли
ваемые между источником (прием
ником) и резьбовым кольцом, либо
упруrие прокладки между приемни
ком и (}>ланцем оправы.
Координатный (l)отодиод марки
ФД 19КК 1 (рис. 9.93) вместе с ди
электрическими втулками 2 и 3 YCTa
навливается в корпус 5. Фотодиод
Рис. 9.92. Крепление цa1l удерживается резьбовым кольцом
еой светодuодаАЛ 107 4, положение KOToporo фиксируется
520
1
4
Рис. 9.93. Креnл.ение фо
тодиода Фд 19КК резъбо
въtM "ольцом
Рис. 9.94. Креnл.ение фо
пl,одиода ФД 24К резьбо
въtM "ольцом
установочным винтом 6. Диэлектрические прокладки слу
жат для электроизоляции фотодиодов от корпуса оптико
электронноrо прибора.
Между фО'l'одиодом ФД 24К 1, закрепленным в оправе 3
(рис. 9.94), и резьбовым кольцом 4 установлено пружинное
кольцо 2 для устранения местных деформаций корпуса фо
тодиода. Подобное пружинное кольцо может использовать
ся для крепления и друrих источников и приемников, рабо
тающих в условиях температурных колебаний.
Фотодиод 1 (рис. 9.95) устанавливается в оправе 3, затем
вместе с эластичной прокладкой 4 базируется в корпусе 2 и
поджимается резьбовым кольцом 5. Эластичная прокладка
обеспечивает также rерметизацию корпуса.
Полупроводниковый лазер 1 (рис. 9.96) вместе с кольцом 6
устанавливается в корпус 2 и поджимается резьбовым коль
2
2 3
5
1
1
Рис. 9.95. Крепление фото
диода резьбовым "ольцом
Рис. 9.96. Крепление пo
луnроводни"овоzо лазе
ра резьбовым "ольцом
521
цом 3. Для устранения разворота лазера BOKpyr оптической
оси при базировании и эксплуатации применяется шпонка 4, I
выпадению которой из паза препятствует резьбовое кольцо 5.
Крепление приклеиванием. Источник (приемник) 1 yдep
живается в корпусе 2 с помощью клеящеrо вещества, за
полняющеrо кольцевую проточку (рис. 9.97). Для TaKoro
крепления можно применять клеи (БФ 4 и друrие, выпол
ненные на основе эпоксидных или полиэq)ирных смол) или
rерметики (например, YT 32).
Данный способ крепления прост, технолоrичен и Haдe
жен. Недостатком является отсутствие возможности замены
вышедшеrо из строя источника (приемника).
Друrие возможные способы крепления источников и при"
емников (проволочным кольцом, разрезной планкой, Ha
кладкой, шайбой, винтами, распаиванием) описаны в учеб
ном пособии [IV.38].
Юстировочные подвижки источников и приемников из
лучения в оптико электронных приборах можно разделить
на три вида: уrловые, продольные и поперечные.
Продольные и поперечные подвижки аналоrичны по CBO
ему функциональному назначению как для источников, так
и для приемников излучения. Уrловые же подвижки для ис
точников И приемников излучения различны по функциям,
поэтому их следует рассматривать отдельно [IV.38].
Продольные подвижки источников и приемников излу-
чения. Продольные подвижки (фокусировка) источников и
приемников производятся в том случае, если (рокусировку
невозможно или затруднительно выполнить объективом.
Продольные подвижки бывают двух видов:
дискретная (студенчатая) подвижка, которая осущест"
вляется путем подрезки базовоrо торца оправы, а также под"
резкой или заменой дистанционноrо кольца;
а)
1
2
б)
1
2
Рис. 9.97. Крепление nри"леuванием: а cвeтo
диода; б фотодиода
522
плавная подвижка по резьбе, причем резьба может быть
выполнена в самой оправе (продольное перемещение опра
вы достиrается ее вращением) или в поворотном резьбовом
кольце, перемещающем оправу.
Эти две разновидности подвижек осуществляются двумя
методами компенсации: технолоrическим (подрезка базово
ro торца оправы) либо конструктивным (ступенчатыми KOM
пенсаторами или реrулировочными устройствами).
Ступенчатый компенсатор представлен на рис. 9.96. Фоку
сировочная подвижка полупроводниковоrо лазера ЛПИ..9 1
выполняется путем подрезки специально вводимоrо в кон..
струкцию фокусировочноrо (прокладноrо) кольца 6.
Ступенчатые компенсаторы весьма упрощают KOHCTPYK
цию узлов крепления источников и приемников, обладают
высокой надежностью, однако выполняемая этим методом
фокусировка является дискретной и трудоемкой.
Реrулировочное устройство реализовано в конструкции,
представленной на рис. 9.98, rде обеспечена плавная про
дольная подвижка оправы светодиода по резьбе. На на
ружной поверхности цилиндра 4, в которой установлена
шаровая оправа 3 со светодиодом 1, нарезана резьба, по
средством которой она свинчивается с корпусом 5. Враще
нием цилиндра 4 достиrается плавная подвижка источника
излучения. Положение цилиндра фиксируется винтом 7.
(На рис. 9.98 поз. 2 разрезная втулка; 6 зажимной
винт; 8 rайка.)
Плавная подвижка может быть реализована также и по
средством oceBoro смеще"
ния оправы 5 фотопри..
емника 6 в корпусе 3 с
помощью резьбовых колец
1, 4 (рис. 9.99) для распо"
ложения чувствительной
площадки приемника в
плоскости изображения.
От поворота оправа удер"
живается шпонкой 2.
Преимуществами опи
санных конструкций
узлов крепления с воз..
можностью юстировки
Рис. 9.98. Узел крепления светодиода
являются плавность и BЫ с обеспечением продольной подвиж"и
сокая чувствительность и наклонов
5
6
8
7
4
3
2
1
523
продольной подвижки.
Конструкция с цилин
дрической направляю
щей (рис. 9.99) обеспечи
вает большую точность
по сравнению с теми, rде
перемещение выполняет
ся по резьбе (рис. 9.98).
Недостаток узлов cpaв
ни тельная сложность KOH
струкции.
Поперечные подвижки
источников и npиемников.
Рис. 9.99. Узел "реnленu.я фоп оnрием Поперечные подвижки
-н-и"а с возможносп ъю nлавноzо npo (центрировка) источников
долъноzо nеремещения . И приемников излучения
осуществляются также
двумя методами конструктивным и технолоrическим.
Следует отметить, что при центрировке источника с
оптической осью совмещается либо энерrетический центр
ero излучающей площадки, либо ero выходной зрачок, для
приемник а же rеометрический центр чувствительной
площадки.
Технолоrический метод представляет собой операцию
центрировки с помощью диоптрийной трубки или микро'"
скопа с последующей проточкой внешнеrо диаметра оправы.
Недостатком да:нноrо метода является необходимость спе
циальных приспособлений для ero реализации, кроме Toro,
центрировка выполняется для KOHKpeTHoro приемника, что
исключает ero простую замену в оправе при выходе из строя
в процессе эксплуатации.
Конструктивный -метод заключается в создании в KOH
струкции оправы реrулировочных устройств, осуществля
ющих центрировку источника или приемник а излучения,
а также установку и фиксацию ero в заданной (расчетной)
точке поля изображения.
На рис. 9.100 представлена конструкция узла крепления
фотоприемника с обеспечением ero поперечной подвижки по
средством эксцентриковой оправы. Фотодиод ФД 9ЭIIIА 5
закреплен резьбовым кольцом 4 в эксцентриковой оправе 3,
которая совместно с эксцентриковой втулкой 2 и промежу"
точным кольцом 6 устанавливается в проточке корпуса 7,
а затем закрепляется резьбовым кольцом 1.
2
-&
.
.
..е-
.
.
.. .. .. .. "0"
.
524
Поперечная подвижка (цeH
трировка) фотодиода достиrается
взаимными разворотами оправы
3 и втулки 2. Фокусировка произ
v
водится подрезкои прокладноrо
кольца 6.
К преимуществам этой подвиж
ки следует отнести плавность и
чувствительность перемещения, а
к недостаткамL сложность KOH
струкции И затруднительность
центрировки при юстировке.
Поперечная подвижка в двух вза
имно перпендикулярных нanpав
лениях Ф ото д ио д а Ф Д 9Э111А 1 Рис. 9.100. Уаел креnл.ения
фотоприемника в эксцен.
(рис. 9.101), закрепленноrов опра триковой оправе
ве 2, осуществляется посредством
четырех винтов 3.
Конструкция узла более технолоrична при юстировке.
К ее недостаткам можно отнести сравнительно невысокую
чувствительность поперечных перемещений приемника и
необходимость фиксации положения всех юстировочных
винтов.
Уrловые ПОДВИЖКИ ИСТОЧНИКОВ И приемников излучения.
Уzловые подвижки источников излучения применяются в
целях реrулировки направленности индикатрисы излучения
источника, а именно приведения и совмещения максимума
излучения (максимальноrо значения силы света 1 индика'"
трисы излучения) с оптической осью оптико электронноrо
прибора.
3 2 1 Уrловые подвижки осущест
вляются технолоrическим и KOH
структивным методами [IV.38].
Технолоrический метод заклю
чается в том, что источник закре
пляется тем или иным способом в
оправе, за темс помощьюспециаль
ноrоприспособления(см. рис. 5.3)
индикатриса излучения прием
ника приводится к оси враще
ния шпинделя станка, ..после чеrо
Рис. 9.101. Узел "репления оп р ава П р иемника об р абатывает
фотоприемника с цeHтpи
ров кой винтами ся резцом в размер. В результате
525
этоrо обеспечивается правильное направление индикатрисы
излучения при установке узла прие}.\iника в корпус прибора.
Конструктивный метод заключается в создании конструк"
ции оправы, обеспечивающей возможность поворота излу"
чателя BOKpyr центра излучающей площадки источника или
центра выходноrо зрачка.
В представленной на рис. 9.98 конструкции узла крепле"
ния светодиода уrловая ero подвижка обеспечена за счет спе..
циальной формы базирующей поверхности оправы. Оправа 3
с закрепленным в ней светодиодом 1 имеет наружную по..
верхность с(рерической формы. Оправа устанавливается на
конусную проточку цилиндра 4 и после разворотов (с помо"
щью технолоrическоrо резьбовоrо стержня, ввинчиваемоrо
в оправу) поджимается резьбовым кольцом 8. Недостатками
конструкции является малая уrловая чувствительность по..
ворота шаровой опоры.
Конструкция узла крепления с обеспечением yrловой
подвижки в двухосной « плавающей. опоре приведена на
рис. 9.102. 3аклоны оправы 3 с закрепленными в ней втулкой
2 и светодиодом 1 в двух взаимно перпендику лярных плоско..
стих относительно оптической оси осуществляются четырь"
ми винтами 7, которые прижимают оправу к корпусу 9 через
упрyrие прокладки 8. Под винты установлены сферические 5
и простые 6 шайбы.
Уzловые nодвижкu фотоnрuеМ1iuков осуществляются для
установления их фоточувствительных площадок перпенди"
кулярно к оптической оси объектива, а также для разворота
площадок BOKpyr оптической оси.
Перпендикулярное расположение чувствительной пло..
щадки приемника позволяет избежать рас(l)окусировки
изображения по полю (на краях), а также поrрешности
измерения в позиционно"чувствительных приемниках
(П3С"линейки и матрицы, аналоrовые координатные при"
емники типа «Мультискан. и PSD q)ирмы «Hamamatsu. ).
Разворот фотоприемника BOKpyr оси позволяет ориенти"
ровать ero площадку относительно пространственной или
измерительной системы координат (например, направления
чувствительных площадок дифференциальноrо (ротодиода
перпендикулярно к направлению, а для приемника «Муль..
тискан» вдоль направления перемещения изображения).
Установка перпендикулярноrо расположения фотопри"
емника может быть осуществлена так же, как это сделано
в конструкции узла, приведенноrо на рис. 9.102.
526
Если требуется высокая чув"
ствительность разворота при"
емника BOKpyr оси падающе"
ro пучка и ero (рокусировки,
можно использовать конструк"
цию узла, приведенную на
рис. 9.103.
Здесь фокусировка прием"
ника 3 осутцествляется осевой
подвижкой детали 5 резьбовы"
ми кольцами 2 и 4. Разворот
при незатянутых окончательно
винтах 1 производится с помо"
щью съемноrо эксцентрика 7.
Центрировка выполняется вин
тами 6.
Весьма часто yr ловое поло"
жение q)отоприемника юсти.. Рис. 9.102. Узел "реnления cвe
руется с помощью упруrой де" тодиода с уzловой подвижкой в
q)ормации частей корпусной двухосной «(плавающей» опоре
детали либо с помощью упру"
rих шарниров. При подобном способе реrулировки иноrда
появляются отклонения, возникающие из..за rистерезис"
ных явлений и упруrоrо последействия в материалах де"
формируемых деталей. В случае, коrда требуется точная
и надежная юстировка перпендикулярности расположе"
ния фотоприемника, а также ero центрировка и разворот,
1
2
3
9
7
4
3
2
4
ВидА
А
-+-----
Рис. 9.103. Узел крепления фотоприемни"а с плавной фокусировкой, цeH
триров"ой и разворотом
527
«)
б)
Рис. 9.104. Узел "реnления фото
nрием.ни"а, обеспечивающий ezo
полную юстиров"у
конструкция узла ero крепления может быть аналоrична
представленной на рис. 9.104, а. Здесь фотоприемник 8 MO
жет смещаться вдоль оси Z и разворачиваться BOKpyr нее
от руки при ослаблении винта 7 XOMYToBoro зажима дета
ли 6. Центрировка производится двумя парами винтов 5,
расположенными под уrлом 900 друr к друrу. Наклоны чув
ствительной площадки относительно осей Х, у выполняют
ся наклонами детали 9 подрезкой одной из кооксиальных
сферических шайб 2 или 4 либо pery лировкой резьбовой
втулки 10 (вариант на рис. 9.104, б). Для повышения Ha
дежности винты 3, 5 ставят на краску или клей. По возмож
ности, для Toro чтобы производить независимые наклоны
фотоприемника BOKpyr осей Х, У, винты 3 располаrают под
yr лом 900 друr к друrу. Юстировочные винты опираются на
сферические шайбы 1 .
Ряд фотоприемников (например, П3С матрицы) монтиру
ют на электронных платах, которые выполняют роль оправ
и при закреплении на несущие детали MorYT для юстировки
528
разворачиваться и смещаться в пределах зазоров их крепя
щих элементов.
Более подробно с друrими конструктивными решениями
узлов крепления источников и приемников излучения, в KO
торых обеспечены их юстировочные подвижки, :можно. овна
комиться в учебном пособии [IV.38].
9.6. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРА30ВАТЕЛИ ЛШlЕйных
И yr ловыx ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И ИХ ЮСТИРОВКА
Наиболее часто в оптических при борах в качестве преоб
u u u
разователеи линеиных и yrловых перемещении ero подвиж
ных (измерительных) элементов используются (ротоэлектри
ческие преобразователи, основанные на растрах,. кодовых
шкалах (дисках), дифракционных решетках и позиционно"
чувствительных приемниках, которые иrрают роль рабочей
меры (эталона) перемещения. С теоретическими основами
построения ряда фотоэлектрических преобразо:вателей мож
но познакомиться в работах [IV.20, IV.25, IV.39 IV.44]
Рассмотрим некоторые типовые функциональные- схемы
фотоэлектрических преобразователей.
Схемы растровых фотоэлектрических преобразоватеJIей.
На рис. 6.47, а представлена схема фотоэлектрическоrо пре
образователя, oCHoBaнHoro на измерительном 3 и инди:катор
ном 4 растрах, находящихся в оптическом сопряжении APyr
с друrом, один из которых (обычно измерительный) YCTaнoB
лен на подвижном 'элементе прибора или q)ункционалъноrо
устройства.
Сопряжение растров может быть:
обтюраЦUО1l1lЫМ, коrда периоды (шarи) штрихов растров
равны друr дрyrу и установлены параллельно;
H0HиycHы,, коrда направления штрихов растров YCTaнOB
лены параллельно друr друrу, но имеют разные периоды;
муаровым, коrда штрихи индикаторноrо растра YCTaнOB
лены под некоторым небольшим yrлом к штрихам измери
тельноrо растра, а их периоды равны.
Растры MorYT работать как в проходящем, так и отражен
ном свете. Блarодаря успехам фотолитоrрафической техно!"
лоrии в настоящее время большое распространение получи
ли фотоэлектрические преобразователи линейных и yrловых
перемещений, в которых измерительные растры изrотавли
ваются не только на зarотовках из оптическоrо стекла, но и
529
на тонких металлических (коррозионно"стойкая сталь, алю..
миниевые сплавы, покрытые хромом) лентах или дисках и
работают в отраженном свете. Индикаторный растр в этом
случае работает в проходящем свете и изrотавливается так..
же q)отолитоrрафическим способом на рабочей поверхности
стеклянной пластинки, на дрyrой поверхности которой бази..
руются выполненные в виде микроэлектронных чипов свето..
диод и q)отодиоды, а также компоненты микроэлектроники
(рис. 9.105) [IV. 24]. Размеры индикаторноrо растра при этом
невелики (20 х 8 х 2 мм) и конструктивно выполнены в виде
aвTOHoMHoro модуля.
Считывающая система pacTpoBoro преобразователя содер"
жит обычно четыре (ротоприемника, позволяющие опреде"
лить направление перемещения и осуществить подавление
постоянной составляющей сиrнала (не несущей ин(рорма"
ции о перемещении). Для этоrо сиrналы с фотоприемников
должны иметь соответствующие сдвиrи фаз друr относи"
тельно друrа и попарно включены встречно (рис. 6.47, б, в).
Вырабатываемый считывающей системой преобразователя
квадратурный (sin cos) сиrнал подается на стандартную
электронную схему [IV.39], позволяющую преобразовать
аналоrовый еиrнал в счетные электрические импу льеы (еле"
дующие через четверть периода деления штрихов растра),
которые подаются на вход реверсивноrо счетчика импульсов.
При необходимости повысить чувствительность и точн сть
преобразователя применяется электронная интерполяция
периода следования счетных импульсов, в результате кото..
рой цена счетноrо импульса
достиrает значений, равных
1/ 50 + 1/100 периода деле"
ния растра.
Самих считывающих
систем может быть более
одной: для повышения на..
дежности работы, борьбы е
поrрешностями и уменьше"
ния влияния на результат
заrрязнений рабочей по..
верхности растра.
Расстояние между изме..
рительным и индикатор"
ным растрами, работаю"
щими в проходящем свете
1 ..'/ " "
/ --
I
I
,8/
'. .
5
7 "
"
. ,
'< 6 " ,
, " , , ,. .
Рис. 9.1 05. Фотоэлекп ричес"ий npe
образователь:
1 светодиод; 2 фотодuоды;
3 электРОllные компОllеllты; 4 - zиб
кий шлейф; 5 стеКЛЯНllая пластиllа,
на которой изzотовлен индикаторный
растр 8; 6 металлическая лента
(диск), на которой изzотовлен uз.мерu-
телыlйй отражающий растр 7
530
а)
А/
х 10
А
ОО
оо
777;
ФП1
б) <: @
I \ I
IФП4
I
L .Н - -- -
.L
p
\ ФП2
.. J.
I
Рис. 9.106. Преобразователи линейных nереolttещений (а) u nод1Слючения
фотоnриемни1Сов (б)
обычно вевелико (несколько десятков микрон), что созда
ет определенные проблемы при сборке растров и особенно
эксплуатации (попадание пыли между растрами). В связи
с этим существуют преобразователи с оптической проекци
ей (перекидкой), rде изображение измерительноrо растра
проецируется на индикаторный растр или выполняет роль
индикаторноrо растра.
На рис. 9.106 представлена функциональная схема подоб
Horo фотоэлектрическоrо преобразователя.
Преобразователь содержит осветительную систему 1 5
(по Келлеру), измерительный растр 6, проекционные объек
тивы 7, 8, пентапризму 9, четыре отражающих зеркала 1 О
и четыре фотоприемника 11. Подсвеченный участок растра
проекционной системой с увеличением х1 переносится на
друrой участок, rде при движении растра происходит MOДY
ляция проходящеrо на приемники CBeToBoro потока.
Расстояние между измерительным отражающим растром
(или измерительной отражающей ди(рракционной решет
кой) и пропускающим индикаторным растром, работаю
щими в отраженном свете, относительно большое (обычно
0,5 5 мм), что является их положительным свойством.
531
На рис. 5.9 представлена схема фотоэлектрическоrо пре
образователя линейных перемещениjf, oCHoBaHHoro на диq)
ракционных решетках.
Штрихи индикаторной решетки наклонены относительно
штрихов измерительной решетки, поэтому в их оптическом
сопряжении образуются муар интерференционные полосы,
которые проецируются четырьмя проекционными линзами
па четыре фотоприемника.
Для компенсации поrрешностей измерения, возникаю
щих из за разворота измерительной решетки BOKpyr HOp
мали к отражающей поверхности (из за поrрешностей
направляющих [IV.10]), которые изменяют период муар ин
терференционной полосы, на индикаторную решетку Haнo
сит два участка наклонных штрихов. 'Уrлы наклона штри
ХОВ на участках равны, но направлены противоположно
(СМ. рис. 5.9, вид Б), поэтому в сопряжении с отражательной
решеткой ВОЗIШR.aют две системы муаровых полос, движу
щихся навстречу друr друrу. Если происходит наклон из
мерительной решетки, то в одной системе полос их период
увеличивается, а в друrой уменьшается. Расположив два
фотоприемника напротив одноrо, а два дрyrих напротив
дpyroro участка прозрачной решетки и подключив фотопри
емники встречно [первый с четвертым, а второй с третьим см.
рис. 6.47, в)] получим пре06разователь, малочувствитель
ный к поrреmностям направляющих (соответствующие aнa
литические зависимости выведены в работах [IV.10, IV.40]).
На рис. '6.37, а представлена конструкция фотоэлектри
,
ческоrо праобразователя круrовых перемещений, в котором
вращение вала 1 преобразуется с помощью измерительноrо
(подвижноrо) 4 и индикаторноrо (неподвижноrо) 2 круrовых
растров, освещенных источником оптическоrо излучения 5
в переменное напряжение, снимаемое с фотоприемников 3
отсчетной системы.
Для компенсации остаточноrо эксцентриситета изме
рительноrо растра, нечетных и части четных rармоник по
rрешностей периода ero штрихов в преобразователе исполь
зуются четыре .считывающие системы, установленные через
900 друr относительно дрyrа. Фотоприемники считывающих
систем включены по схеме, представленной на рис. 6.37, б.
Сх.емы преобразователей на основе позиционно-чувстви-
тельных приемников. В качестве рабочей меры (эталона) в
фотоэлектрических преобразователях, основанных на по
зиционно чувствительных приемниках, используют обычно
532
линейки и маТРИЦРI
пзс, приемники
типа «Мультискан.
и PSD фирмы «Haт
amatsu., дифферен
циальные фотодио
ды.
Работа этих преоб
разователей основана
на вызываемом под
вижным элементом
прибора (или функ
циональноrо устрой
ства) перемещении
оптическоrо изобра
жения по чувстви
тельной площадке
приемника.
В фотоэлектриче
ском индикаторе (см.
рис. 6.42) на изме
рительный стержень
устанавJШвается источник cBeТOBoro излучения (светодиод),
создающИЙ световую зону на позиционно чувствительном при
емнике «мультискан. . При перемещении стержня смещается
на то же значение световая зона, что позволяет по аналоrовому
электрическому сиrналу (электрическому напряжению) с при
емника определить искомое перемещеlШе.
На рис. 9.107 изображена схема фотоэлектрическоrо пре
образователя перемещения узла кадра 3 диапроектора, OCHO
BaнHoro на дифференциальном фотодиоде 5 и используемоrо
для подфокусировки кадра. абота и юстировка этоrо преоб
разователя будут изложены ниже.
Несмотря на то что конструкции рассмотренных преобра
З0вателей различаются, в их юстировке есть MHoro общеrо,
что позволяет, рассмотреть на оrраниченном числе примеров
некоторые их типовые юстировочные задачи, к которым OT
носят:
· юстировку источников излучения и осветительных си"
стем;
· юстировку эталонных элементов (рабочих мер);
· юстировку равенства амплитуд сиrналов с фотоприем
ников;
-2
z
. ....,
5
>
-........... 7
Рис. 9.107. Уаел nодфО1Сусиров"u
533
. юстировку неоБХQдимоrо сдвиrа (l>аз сиrналов с фото
приемников;
· калибровку преобразователей.
Методы решения юстировочных задач, возникающих при
юстировке фотоэлектрических преобразователей на растрах
и диq>ракционных решетках, рассмотрим на примере юсти
ровки наиболее конструктивно сложноrо преобразователя,
представленноrо на рис. 9.106, а.
Методика юстировки преобразователя линейных пере-
мещений (ПЛП). Основные требования к юстировке преоб"
разователя:
1) осветительная система должна создавать телецентри
ческий ход световых лучей и равномерно освещать проеци
руемый участок растра;
2) проекционная система должна иметь увеличение х 1 ;
3) не должно быть рас(рокусировки и разворота изображе
ния штрихов растра;
4) изображения участков растра перед (ротоприемниками
должны быть последовательно сдвинуты относительно друr
друrа на одну четверть шаrа;
5) сиrналы с фотоприемников должны быть одинаковы
по амплитуде и сдвинуты по фазе относительно дрyr друrа
на 900 .
Допуски на все эти требования рассчитывают исходя из
заданной точности работы преобразователя с учетом ero KOH
структивных характеристик.
Перед выполнением юстировки необходимо проконтроли
ровать источник 1 (см. рис. 9.106, а) и приемники 11 излуче
ния, а также выставить в номинал напряжения их питания.
В качестве источника излучения в ПЛП чаще Bcero исполь
зуют светодиоды, у которых проверяют форму и расположе"
ние светящейся площадки относительно корпуса светоди"
ода, а также снимают индикатрису излучения. Светодиод
с ИК излучением проверяют с помощью электронно"оптиче
CKoro преобразователя (ОЭП) или инфракрасноrо микроско"
па (МИК..4). Фотоприемники (обычно фотодиоды) подбира"
ют по равенству их интеrральной чувствительности.
Юстировку осветительной системы производят подвижка"
ми светодиода 1 вдоль оси (при необходимости ero наклонами
и вращением), чтобы коллектор 2 строил изображение светя
щейся площадки светодиода в апертурной диафраrме 4.
Конструкции узлов крепления светодиода с возможнос
тью ero юстировки рассмотрены в п. 9.5.
534
Осевыми подвижками конденсора 5 изображение полевой
диафрarмы 3 переносят в плоскость штрихов растра 6. Визу
альный контроль осуществляется с помощью MaToBoro CTeK
ла (микроскопа) и визирной трубы, выставленной на беско
нечность (проверка телецентричности хода лучей). Контроль
в невидимом диапазрне производится с помощью (l)отопри
емника, вольтметра и визирной трубы с ЭОПом (контроль
телецентричности хода лучей).
Чтобы увеличение проекционной системы было равно хl,
уравнивают фокусные расстояния объективов 7 и 8 реrули
ровкой воздушноrо промежутка одноrо из объективов.
Плоскость штрихов растра 6 располаrают в фокальных
плоскостях объективов 7 и 8. Для этоrо подвижкой вдоль
оси объектива 7 добиваются резкоrо изображения штрихов
растра, которые видны за объективом с помощью зритель
ной трубы или визира с ЭОПом, устано!3ленных на бесконеч
ность. Далее подвижкой вдоль оси устанавливают в нужное
положение объектив 8. Контроль осуществляют с помощью
микроскопа (простоrо или инq)ракрасноrо), наблюдая OДHO
временно резкое изображение штрихов на растре и их изо
бражения, построенноrо элементами 7 1 О, либо аналоrично
юстировке объектива 7 с помощью визирноrо устройства с
ЭОПом, подсветив участок растра излучателем с такой же
длиной волны.
Разворот изображения штрихов растра устраняют разво
ротом пентапризмы на мостике BOKpyr оси паДaIOщеrо пучка
или наклоном блока 1 О отклоняющих зеркал (при необходи
мости разворотом отдельных зеркал) BOKpyr оси У, добиваясь
наибольшей крутизны сиrнала с фотоприемников по осцил
лоrраq}у при возвратно поступательном смещении растра.
В преобразователях, rде осуществлено обтюрационное co
пряжение измерительноrо индикаторноrо растров, парал
лельность их штрихов юстируется разворотом индикатор
Horo растра BOKpyr оси, перпендикулярной к плоскости ero
штрихов.
Необходимый сдвиr фаз сиrналов с (l)отоприемников в oд
ну четверть периода устанавливают наклоном зеркал BOKpyr
оси Х винтами, контролируя двухлучевым осциллоrра(ром
по фиrуре Лиссажу при попарном подключении (l)отоприем
ников ФПl и ФП2, ФП2 и ФП3, ФП3 и ФП4 к ero входам,
осуществляя возвратно поступательные перемещения pac
тра. Сдвиr q)аз сиrналов с фотоприемников ФПl и ФП3, ФП2
и ФП4 должен быть равен половине периода.
535
При муаровом сопряжении растров или диq)ракцион
ных решеток (рис. 5.9) неоБходимыIй сдвиr сиrналов с q)O
топриемников юстируется обычно поперечным сдвиrом
q)отоприемников, а номинальный период муаровой или
муар интерференционной полосы небольшим разворотом
индикаторноrо (или измерительноrо) растра либо решетки
BOKpyr оси пучка. На рис. 6.7 представлена конструкция
подобноrо узла, rде сдвиr приемников производится разво
ротом их эксцентриковых оправ 5, а период разворотом
индикаторноrо растра 1 BOKpyr базовой оси ero оправы.
Равенство амПJШтуд сиrналов обеспечивается подвижка
ми блока 1 О для уравнивания световых потоков с зеркал, oce
выми перемещениями {ротоприемников, реrулировкой рези
сторов в цепи их питания или заменой (см. рис. 9.106, б).
в некоторых преобразователях юстировка равенства aм
плитуд сиrналов с фотоприемников осуществляется диа
фраrмированием падающих на них пучков лучей. Подобная
юстировка осуществляется, например, в фотоэлектрическом
преобразователе KpyrOBbIX перемещений (см. рис. 6.37), rде
перед приемниками установлены реrулировочные винтыI,
которыми можно перекрыть (затенить) часть чувствитель"
ных площадок фотоприемников (видА А).
Рассчитаем требования к чувствительности некоторых pe
rулировок при юстировке проекционной системы датчика.
Чувствительность реrулировки воздушноrо промежутка
d между линзами одноrо из объективов для обеспечения
равенства их фокусных расстояний определяется из следую"
щеrо соотношения:
I1d == 111 /I ФIФ2'
rде 111 допустимое 'значение разности фокусных расстоя
ний объективов 7 и 8 (определяется допуском на отклонение
увеличения от х1); I эквивалентное {рокусное расстояние
юстируемоrо объектива; Ф}, Ф2 оптические силы подвиж"
Horo и неподвижноrо компонентов объектива.
Например, ДЛЯ двyxmmзовоro объектива с I == 55 мм,
11== 109 мм, 12== 114 мм при I == 0,2 % получаем d == 0,45 мм.
Для выполнения фокусировки объективов 7 и 8 необходи
мо обеспечить их перемещение вдоль оптической оси с чув
ствительностью, равной дифракционной rлубине резкости
изображения:
Т д == "А/2а,
536
rде А длина волны излучения; (j передний (задний) апер
турный yrол проекционноrо объектива
Например, при л. == 0,9 мкм, (j == 0,1 чувствительность под
вижки должна быть не меньше 45 мкм.
При устранении разв<;>рота изображения чувствитель
ность наклона зеркадьноrо блока 1 О (или отдельных зеркал)
BOKpyr оси У можно определить из формулы:
р == a . n /2 sin io,
rде а' н. n .. допустимый разворот изображения штрихов;
io yrол падения oceBoro луча на зеркало.
При визуальном контроле разворота изображения
a . п < 250E/(rB),
rде 250 мм расстояние наилучшеrо видения; Е разре
шающая способность r лаза; r увеличение оптической си
cTeMы (микроскопа, лупы, с помощью которой производится
наблюдение); В высота штрихов.
При контроле разворота изображения по крутизне сиrна
лов с фотоприемников
a . n -::::, h/B,
rде h поrреmность формы штрихов растра.
Например, при дh == 1 мкм, В == 2 мм получаем а'н. п 1,6'
и, если io == 450, необходимая чувствительность наклона зер
кал l3 == 1, l' .
Чувствительность наклонов зеркал BOKpyr оси Х( ах) опре
деляется допуском на сдвиr фаз сиrналов с фотоприемников.
Сдвиr фаз сиrналов с фотоприемников осуществляется сдви
rOM соответствующих изображений, создаваемых зеркала
МИ, на одну четверть периода растра, поэтому
ах == qk/(2f'),
rде q период растра; {' фокусное расстояние объектива
8; k допуск на сдвиr фаз сиrналов С фотоприемников в дo
лях периода растра. Например, при q == 15 мкм, {' == 55 мм,
k == 1/24, получаем ах == 1".
Как показывают расчеты, при юстировке данноrо преоб
разователя линейных перемещений трудно выполнимой яв
ляется только одна операция юстировка сдвиrа фаз сиrна
лов с фотоприемников.
Юстировка фотоэлектрических преобразователей Kpyro-
Bыx перемещений (Ф ПКП). Юстировка Ф ПКП, основанных
537
на крyrовых растрах или кодовых .дисках мало чем отлича
ется от юстировки плп. Основное отличие заключается в
том, что измерительные круrовые растры и кодовые диски
необходимо центрировать для устранения их rеометриче
ских эксцентриситетов (несовпадение оси вращения с цeH
тром деления штрихов).
Рассмотрим современный способ центрирования растров
(кодовых дисков) в ФПКП.
Эксцентриситет растров и кодовых дисков, являющий
ся одной из основных поrреmностей уrломеров и датчиков
yr ла, вызывает поrрешность измерения yr лов вида
<Pe == [sin(e H ) sin(<p + 8 H )]e/R,
rде 8 начальное направление' вектора эксцентриситета е;
R рабочий радиус растра (диска).
Допуская, что поrреmность l1<Pe не больше поrреmности
деления штрихов растра, которая достиrает Д<р == 2 + 3" при
ero диаметре 2R == 100 мм, для наилучmеrо (8 равно 00 и 1800)
и наихудшеrо (8 н равно 900 и 2700) случаев, получим допуск
эксцентриситета е доп == 0,3 + 0,6 мкм.
Центрировка растра по центрирово.чной риске и друrими
визуальными методами [IV.10] не может обеспечить такой
точности, поэтому применяют один из более чувствителъ
ных способов, который основан на анализе электрических
сиrналов, (рормируемых двумя электрическими считываю
щими системами, установленными на диаметрально проти
воположных участках растра. Эти сиrналы из за rеометри
ческоrо эксцентриситета растра и первой rармонической
составляющей поrрешности деления штрихов (кинематиче"
ский эксцентриситет) будут иметь периодические (с перио
дом 2п) поrреmно.сти положения, находящиеся в противо(l)а
зе.Измеривсдвиrфазэтихсиrналов,например,спомощью
q)азометра, можно оценить суммарный эксцентриситет, ero
направление и использовать для центрировки и контроля
результатов. Более простым способом центрировки являет
ся применение для этих целей двухлучевоrо или простоrо
осциллоrра(l)а. в первом случае сиrналы отсчитывающих
систем подаются на разные входы осциллоrраq)а, и по OДHO
МУ из них синхронизируется развертка. Тоrда периодиче
ское смещение BToporo сиrнала относительно первоrо (про
порциональное учетверенному значению эксцентриситета
и коэфq)ициенту электрическоrо усиления сиrнала) будет
характеризовать искомую величину.
538
Рассмо'трим центрировку растра с помощью простоrо
осциллоrра(l)а (рис. 9.108, а). Электрический сиrнал квази..
синусоидальной формы (колоколообразный, треуrольный,
трапецеидальный и т. п. ), вырабатываемый считывающей
системой 2 при равномерном вращении растра (диска) 1,
преобразуется q)ор ирователем 3 в узкий прямоуrольный
электрический импульс.
Квазисинусоидальный сиrнал, вырабатываемый считы"
вающей системой 5, установленной на диаметрально проти"
воположной" стороне растра, остается неизменным. Оба сиr..
нала подаются на вход осциллоrраq)а 4, создавая на экране
осциллоrрафа q)иrуру, изображенную на рис. 9.108, б.
Из"за cYMMapHoro эксцентриситета растра прямоyrоль..
ный импульс, иrрающий роль индекса, перемещается от..
носительно квазисинусоиды (по которой синхронизирована
развертка осциллоrрафа) из положения 1 в положение 11.
Значение cYMMapHoro эксцентриситета es определяется из
соотношения:
e == [(h п1ах h mil1 )/(8H)]q,
rде h max , h rnin координаты максимальноrо и минимальноrо
смещений импульса соответственно; Н поле изменения ква..
зисинусоидальноrо сиrнала; q линейный шar (период) меж..
ду импульсообразyIOЩИМИ элементами (штрихами) растра.
Чувствительность этоrо способа выявления децентриров"
ки растра весьма высока блаrодаря масштабному усилению
электрических сиrналов на осциллоrрафе и высокой чув"
ствительности зрения оператора к определению взаимно..
ro смещения прямоуrольноrо импульса и наклонной пря"
мой участка квазисинусоиды. Например, при q == 20 мкм,
h max h mil1 == 1 мм; Н ==50 мм получаем es == 0,05 мкм.
Для устранения децентрировки растра ero сдвиrают (с по..
мощью винтовоrо 6, винто"рычажноrо механизмов или по..
стукиванием) в направлении, перпендикулярном к линии,
соединяющей считывающие системы. Эту операцию выпол"
няют для одноrо из крайних положений прямоуrольноrо им..
пульса на экране осциллоrрафа (Kaкoro именно 1 или 11
определяется экспериментально), которому соответствует
направление вектора cYMMapHoro эксцентриситета, также
перпендикулярное к линии, соединяющей считывающие
системы. Опыт показывает, что подобным способом дости"
rается точность центрировки в единицы десятых долей ми..
крометра.
539
стировка фотоэлектрическоrо преобразователя, осно-
BaHHoro на позиционно-чувствителъном приемнике. Рассмо"
трим требования и методику юстировки узла подq)окусиров"
ки кадра диапроектора, oCHoBaHHoro на дифq)еренциальном
фотодиоде.
В современных диапроекторах применяют устройства ав"
томатической подфокусировки кадра в целях компенсации
влияния дефектов, вызывающих расq)окусировку изображе"
ния. Одно из таких устройств (см. рис. 9.107, а) построено по
схеме двойноrо микроскопа Линника и содержит источник
света 1 (лампа накаливания с тонкой нитью или светодиод),
линзу 2, изображающую световое тело источника света на по..
верхности кадра 3, линзу 4, переносящую это изображение
в плоскость позиционно"чувствительноrо (ротоприемника
(например, дифференциальноrо фотодиода 5), теплофильтр
(при необходимости) 6. При смещении пленки из плоскости
ее настройки на величину Т изображение светящеrося тела
источника сместится относительно равносиrнальной зоны
дифференциальноrо фотодиода на величину у':
у' == 2T 2sin(a/2) == T-{2 2'
rде 2 линейное увеличение линзы 4; а уrол между ося"
ми двойноrо микроскопа (обычно а == 900).
Возникающий сиrнал paccor л ас ования через усилитель 7
управляет двиrателем 8, который приводит диапозитив (на..
пример, с помощью зубчатоrо редуктора и кулачка 9) в но..
минальное положение.
Задавая максимальное значение Т mах' размеры ЧУВС.тви"
тельных площадок q)отоприемника Ь, размер светящеrося
тела d, а также учитывая, что у' mах == Ь / 2, определяют по фор"
муле увеличения лин 2 «(31) и 4 (Р2):
f31 == Ь /(d 2); Р2 == Ь /(2Т тах /-{2).
Определим требуемую точность коррекции расq)окуси"
ровки, которая позволит найти допуски на юстировку узла
подфокусировки и требования к чувствительности работы
следящеrо привода. Остаточная расq)окусировка не должна
превышать rеометрической rлубины резкости проекционноrо
объектива, которая определяется из следующеrо выражения:
Tr== + f' 2EL min/[(P' 2f')D Bx ],
rде {' фокусное расстояние проекционноrо объектива;
Е разреmающая способность r лаза при наблюдении изо..
540
бражения на экране,
Е == 5+10'; L min мини
мальное расстояние от
наблюдателя до экрана;
р' расстояние от BЫ
ходноrо зрачка проек .
ционноrо объектива до
экрана; D Bx диаметр
входноrо зрачка.
Приняв, что" мини
мальное расстояние от
наблюдателя до экрана
примерно равно расстоя
нию от диапроектора до h
mtn
экрана, т. е. L min ';:::,р' 2f', Рис. 9.108. Центриров"а растра уzло
получим Tr ';:::, f'E/A, rде мера
А относительное OT
верстие проекционноrо объектива.
Для типовоrо проекционноrо объектива типа «Триплет
с {' == 100 мм, А == 1 : 2,8 получим при Е == 5'
Tr == + 100.5. 3 .10 4 /0,357 == + 0,4 мм.
а)
,......,
4
8
5
,....."
б)
Использовав это значение, можно найти соответствующее
ему у' и с помощью светотехническоrо расчета с учетом из
лучающих характеристик источника света и характеристик
(чувствительности) приемника вычислить минимальное pac
cor ласование сиrнала, на которое должен реаrировать следя"
щий привод.
Допустимое значение наклонов кадра при автоподфоку
сировке BOKpyr произвольной оси можно оценить соотноmе
нием: t,.y < 2Tr/l, rде l размер кадра по диаrонали.
При юстировке узла подфокусировки настраивают на рез
кость проекционный объектив по эталонному диапозитиву
и осевой подвижкой узла с линзой 2 (см. рис. 9.107, а) со..
вмещают изображение источника излучения с плоскостью
кадра, причем если форма светящеrося тела представляет
собой прямоyrольник, то ero длинная сторона должна быть
ориентирована разворотом узла линз 2 (либо источника све..
та) вдоль оси У. Перемещением вдоль оси узла с линзой 4
осуществляют перенос изображения в плоскость чувстви
тельных площадок 11 (см. рис. 9.107, б) фотоприемника.
Разворотом этоrо узла, а при необходимости поперечными
сдвиrами фотоприемника или источника света добиваются
541
отсутствия сиrнала рассоrласования, что будет при парал
лельном и симметричном расположеНИJIХ изображения CBe
TOBoro тела 1 О относительно rраницы между q)оточувстви
тельными площадками приемника.
Калибровка фотоэлектрических измерительных пре-
образователей. Калибровка (определение поrрешностей и
поправок для обеспечения необходимой точности) (l)oTO
электрических измерительных преобразователей осущест
вляется по образцовым (эталонным) мерам длины, уrла или
образцовым (эталонным) приборам.
В качестве простейших эталонов длины обычно ис
пользуют концевые меры длины, стеклянные пластины,
кольца, цилиндры с паспортизованными значениями их
размеров, клинья с известной клиновидностью. Перечис
ленные эталоны используют для калибровки преобразо
вателей приборов, работающих «KOHTaKTHЫM способом:
длиномеров, с(рерометров, индикаторов. Преобразователи
приборов, работающих бесконтактным способом, калибру
ют по аттестованным шкалам и образцовым «эталонным
датчикам и приборам для линейных измерений, например,
интерq)ерометрам.
В качестве эталона сравнения для калибровки уrловых
измерений фотоэлектрических преобразователей использу
ют обычно аттестованные зеркальные полиrоны и образцо
вые преобразователи уrла.
Следует помнить, что поrрешность используемых мер и
образцовых при боров (в соответствии с метролоrическими
требованиями) должна быть в три (и болerе) раза меньше,
чем поrрешность калибруемоrо преобразователя. Кроме
Toro, необходимо исключить методические поrрешности ка-
либровки.
С рядом вопросов конструирования, юстировки и кали
бровки преобразователей перемещений можно познако-
миться в работах автора [IV.45 IV.48].
Список литературы
IV.1. Справочник конструктора оптико механических приборов /
Под ред. В. А. П а н о в а. л.: Машиностроение, 1980. 742 с.
IV.2. Справочник технолоrа оптика / Под ред. С. М. К у з н е Ц о в а,
М. Н. О к а т о в а. л.: Машиностроение, 1983. 414 с.
IV.3. Справочник технолоrа оптика / Под ред. М. Н. Окатова.
СПб.: Политехника, 2004. . 680 с.
IV.4. Иванов А. В. Прочность оптических материалов. л.: Маши
ностроение, 1989. 144 с.
IV.5. Jhoбарский с. В., Химич ю. п. Оптические зеркала из нетради
ционных материалов / / Оптич. журн. 1994. М 1.
IV.6. латывB с. М. Конструрование точных (оптических) приборов.
ч. 1. Принципы конструирования оптич. приборов и их элементов.
СПб.: ИТМО, 1996. 99 с.
IV. 7 . Дич л. 3., латывB с. М., рукавицыH Н. Н. Алrоритмический
способ коррекции температурной поrрешности сферометра / / Оптик. мех.
пром сть. 1989. N2 4.
IV.8. Максутов д. д. Изrотовление и исследование астрономической
оптики. М.: Наука, 1984. 272 с.
IV.9. Мироmников М. М., Любарский с. В., Химич ю. п. Зеркала
оптических телескопов / / Оптич. журн. 1990. N2 9.
IV.10. латыIвB с. М. Компенсация поrрешностей в оптических прибо
рах. л.: Машиностроение, 1985. 248 с.
IV.11. Краузе В. Конструирование приборов. В 2 x ч. М.: Машиностро
ение, 1987. ч. 1. 384 с.; ч. 2 376 с.
IV.12. Мальцев М. д. Расчет допусков на оптические детали. М.:
Машиностроение, 1974. 168 с.
IV.13. Сокольский М. Н. Допуски и качество оптическоrо изображе
ния. л.: Машиностроение, 1989. 221 с.
IV.14. 3убаков В. f., Хваловский В. В. Методические указания по
выбору и оформлению рабочих чертежей оптических деталей. л.:
ЛИТМО,1974.
IV.15. Кулаrин В. В., Михайлов Н. А. Учебное пособие по конструиро
ванию деталей и узлов оптических приборов. ч. 1. Типовые оптич. дe
тали. л.: ЛИТМО, 1975. 82 с.
IV.16. Вычислительная оптика / Справ. под ред. М. М. Рус и н ов а.
л.: Машиностроение, 1984. 424 с.
IV.17. Кожевников ю. f. Оптические призмы. М.: Машинострое
ние, 1984. 148 с.
IV.18. Н. Naumann, G. Sсhrбdеr. Bauelemente der Optik C. Hanser, Ve
rlag. Miinc}len Wien, 1983, 599 s.
IV.19. Поrарев f. В. Юстировка оптических приборов. л.: Машино
строение, 1982. 237 с.
IV.20. Маламед Е. Р. Конструирование оптических приборов космиче
cKoro базирования: Учеб. пособие. СПб: rитмо (ТУ), 2002. 292 с.
IV.21. 3убаков В. f., Семибратов М. Н., Штандель с. К. Технолоrия
оптических деталей: Учеб. для студентов оптич. спец. вузов / Под ред.
М. Н. Семибратова. 2 e изд., перераб. и доп. М.: Машинострое..
ние, 1985. 368 с.
IV.22. Михельсон Н. Н. Оптические телескопы. М.: Наука, 1976.
510 с.
IV.23. Arапов В. п. Метод конечных элементов в статике, динамике и
устойчивости конструкций: Учеб. пособие. М.: АСВ, 2004.
IV.24. H...J Freitag Neue Wege in der Langen..und Winkelmessung FМM,
4/96.
543
IV.25. Высокоточные уrловые измерения 1 Под ред. ю. f. Я к у ш е н
ко ва. М.: Машиностроение, 1987. 480 с. .
IV.26. Плотников В. С., Варфоломеев д. Н., Пустовалов В. Е. Расчет
и конструирование оптико механических приборов. М.: Машинострое..
ние, 1983. 256 с.
IV.27. Каледин Б. Ф. Крепление оптических деталей эластичными Ma
териалами. М.: Машиностроение, 1990. 183 с.
IV.28. Краузе В. Конструирование приборов 1 В 2..х ч. М.: Машино
строение, 1987. ч. 1. 384 с.; ч. 2. 376 с.
IV.29. Проектирование оптико"электронных приборов 1 Под ред.
ю. f. Я к у ше н к о ва. М.: ЛОfОС, 2000. 487 с.
IV.30. Кточникова л. В., Кточников В. В. Проектирование оптико
механических приборов. СПб.: Политехника, 1995. 206 с.
IV.31. Оптические rоловки передающих камер цветноrо телевидения:
Справ. / Под общ. ред. о. Н. Василевскоrо. л.: Машиностроение,
1988. 109 с.
IV.32. Скворцов f. Е. и др. Микроскопы. л.: Машиностроение, 1969.
511 с.
IV.33. 3ахаров А. Н. rеодезические приборы: Справ. М.: Недра,
1987. 314 с.
IV.34. Ельников Н. Т., Дитев А. У., Юрусов Н. К. Сборка и юстировка
оптико"механических приборов. М.: Машиностроение, 1974. 345 с.
IV.35. Сухопаров с. А. Сборка и юстировка морских оптических даль"
номеров. М.: Оборонrиз, 1961. 180 с.
IV.36. Поrарев f. В., Киселев Н. f. Оптические юстировочные задачи.
л.: Машиностроение, 1989. 260 с.
IV.37. Latyev s. М., Jegorov G. W., Mitrofanov S. S. Fehlerkorrektur
von Teilkreisen optisher Gerate 11 Feingerate..technik. 1986. N 10.
IV.38. Бреевков f. В. Крепление источников и приемников лучистой
энерrии: Учеб. пособие. л.: ЛИТМО, 1986.
IV.39. Фотоэлектрические преобразователи информаций / Под ред.
л. Н. Пр е с н ух и н а. М.: Машиностроение, 1974. 376 с.
IV.40. Маламед Е. Р. Фотоэлектрические преобразователи линей..
ных перемещений на дифракционных решетках: Учеб. пособие. л.:
ЛИТМО, 1991. 46с.
IV.41. Рассудова f. Н. Интерференционные(муаровые полосы в систе"
ме из прозрачной и дифракционной решеток 1// Оптика и спектроскопия.
1967. Т. XXII. Вып. 1.
IV.42. Am ж. с соавторами. Датчики измерительных систем. Кн. 1.
М.: Мир, 1992. 480 с.
IV.43. Домрачев В. f., ]\'.Iейко Б. с. Цифровые преобразователи уrла.
М.: Энерrоатомиздат, 1984. 328 с.
IV.44. Дроздов Е. А., Пятибратов А. п. Автоматическое преобразова
ние и кодирование информации. М.: Сов. радио, 1964. 543 с.
IV.45. латыIвB с. М., ДИЧ л. 3., Митрофанов с. с. Юстировка и кали..
бровка фотоэлектрических преобразователей линейных перемещений 1
Изв. вузов. Приборостроение. 1994. N211 12.
IV.46. Латыев с. М., ДИЧ л. 3., Кириков с. о. Применение фотопри"
емника (смультискан. в приборах для измерения rеометрических параме..
тров /1 Оптич. журн. 1995. М 8.
IV.47. латыIвB с. М., ДИЧ л. 3., Маламед Е. Р. Двухкоординатный дaT
чик и прецизионный стол на ero основе 11 Изв. вузов. Приборостроение.
1994. М 11, 12. С. 4.
IV.48. Латыев с. М., Дич л. 3. Фотоэлектрические преобразователи
перемещений и компараторная поrрешность длинномеров / / Изв. вузов.
Приборостроение. 1993. М 11, 12. С. 33.
ПРИЛОЖЕНИЯ
Пl. ЗАКОНЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ
МЕХАНИЧЕСКИХ И ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБР АЗОВАТЕЛЕЙ
Схема
Расчетная формула
ВИНlnовые м,еханuзмы
х)
.JL.
kp
У == 2л х,
rде k ЧИСЛО захОДОВ резьбы;
р mar резьбы
L.....I
....,
kp
y== x
2л
L....J
P'п'II
у
......... L....J
P'п'II
kp
y== x
2п
kp
y== x
2п
Рычажные м,еханиам,ы
I;x
. х
у == arCSln
R
x
x: 1
х
у == arctg
R
а
у == x
Ь
а
y== x
Ь
а
у == x
Ь
545
Продол:ж:енuе прилож. П 1
Схема Расчетная (рормула
Кривошиnн le механизмы,
у == Rsinx
у == Rtgx
п аралл-елоzрамм
/l
а == с;
b==d
у == х;
h == а(1 cosx)
ЛеНП ОЧНЪlе м-еханиамы
d}
у == d 2 Х (при t О);
d 1 + 0,5t
у == d О 5t х
2 ,
Х ((1)
4 I t
у
..........
у == Rх(при t О);
У == (R + 0,5t)x
'7'7'7'7т'
Зубчатые механизмы
х
Zl
У == x,
Z2
rде Zl, Z2 числа зубьев колес
Zl
y== x
Z2
znl,
у == 2X'
rде т модуль зацепления
z
k
у == x,
z
rде k число заходов червяка;
z число зубьев колеса
546
Продол.женuе прuло:"с. П 1
Схема Расчетная <}юрмула
Кул.ач"овые механ.и змь/,
е 1 x y '-'-'-'-'-
rw y esinx
Лин.зовые nреобразовапl,елu
,
z . z' {' а'n
y Vx, v f z ап"
rде V линейное увеличение лин..
зы; nl, п' показатели преломле"
ния сред
и раЛЬАрхимеда
с шаzом Т
'-'-'-'-'-
+--+ '"
у
R
у
Спираль Архимед
с шаzом Т
yt,
j1n A
...,...",r,r.,.
z f'
r
А
в
.. ...... .. ..
.. х" , .... .. ..
.. { .....p =
...................
У
У
т
У == x
21t
у arcsin (2 R )x
У == tg (3х
у == V 1 V 2 x;
у XV 1 2 (при Х ---+ О)
Ут == f'tgx;
Уп {' х
у == (1 V 1 V 2 )x;
У == (1 V 1 2 )X (при Х О);
1 f'V 1 2
у== Х
{' Vtx
У == (1 V)x
547
Схема
Продолжение прuлож. П 1
Расчетная формула
х
Ут == arct g ,;
х
Уп ,
у == (п 1)х,
rде п показатель преломления
линзы
х
Преобразовап елu в виде пластинок и клиньев
х
у
l
Уж
Ув
х
y
.............
I \
I "' "
", '1
j
548
. ( 'COS Х )
Ут dsшх 1 V 2 · 2 ;
n Sln х
n 1
Уп dx
n
( COS f3 ) .
д У м == d 1 2 . 2 Sln f3 COS х;
n Sln р
( COS f3 ) . .
tJ.Ys d 1 V 2 . 2 sшf3sшх
n Sln f3
У == (n 1)а
у а( п 1)х
У
у == а(n 1)х
Схема
l
Ум
t
Продол.жение llрилож. П 1
Расчетная формула
ДУм а(n l)sinx;
ДУ s :::; а(n 1 )сов х;
,.. == (n 1)а l
х == x
у == 2а(n 1)sinx
у==ах
( sin2(Yl х) )
У2 :::; cr 1
СОВ(Уl х)
3еркально nрuа.менные nреобрааователи
А'
х[
у
х
А "" z А'
у
(:у
у == 2х
у == 2kx,
. r де k число отражений от по..
движноrо зеркала
у == 2х
549
Схема
Продолжение nрUЛО >N:. П 1
Расчетная (рормула
А
I
I
I'X
I
1... ... ... __ ...
у == 2х
..
у
у == {2х
у
I А'
I А ' ,
T .
П2. ТОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕскоrо АВТО КОЛЛИМАТОРА
На рис. П2.1 изображена функциональная схема фотоэлектрическоrо
автоколлиматора, oCHoBaHHoro на позиционно"чувствительном приемни"
ке Мультискан ([11.57]).
При повороте автоколлимационноrо зеркала 1 на измеряемый уrол у
автоколлимационное изображение марки (штриха) 4, подсвеченноrо кон..
денсором 5 и светодиодом 6, перемещается по чувствительной площадке
8
U О
I
7
234
Рис. П 2.1. Авток;оллиматор
6
550
приемника 7, к-уда оно проецируется объективом 2 и светоделительным
зеркалом 3, на величину х.
Аналоrовый сиrнал (напряжение И), снимаемый с приемника, свя
зан с перемещением х изображения, опорным напряжением И О и дли"
ной Lo светочувствительной площадки приемника следующей зависи..
мостью:
И О
И == Lo Х.
Измеряя напряжение с фотоприемника с помощью вольтметра (АЦП) 8,
можно получить искомое значение у по зависимости:
1 Lo
у == 2" arctg И of' И,
rде {' фокусное расстояние объектива.
Приближенная зависимость, учитывающая малое значение измеряе"
мых уrлов,
Lo
у 2И о f' И ==ANдИ,
rде А цена деления младшеrо разряда (шкалы) дИ измеряемоrо напря"
жения; N число делений.
Автоколлиматор должен производить измерения уrлов поворота зер"
кала в диапазоне у == :t30' с предельной поrрешностью ДУvd 5". Эксплу"
атация автоколлиматора может осуществляться при отклонении темпе..
ратуры окружающей среды от номинальной на :t5 ос. Конструктивные
параметры автоколлиматора выбраны следующими: {' == 371,13 мм;
Lo == 18 мм; И О == 5 В; А == 1"; дИ == 1 мВ.
В табл. П2.1 приведены основные первичные поrрешности автокол..
лиматора и распределение вызванных ими частичных поrрешностей по
rруппам nс, nl, n2.
Коэффициент "-о, рассчитанный по формуле (2.87), равен 5.
Результаты первоначальноrо расчета допусков на первичные поrреш"
ности автоколлиматора по формуле (2.86) представлены в табл. П2.2.
Как видно из таблицы, некоторые поrрешности оказывают ничтожно
малое влияние на точность автоколлиматора, например 1, 4, 7, 8..я по"
rрешности [о чем свидетельствует значение их относительноrо коэффици"
ента влияния л. от, вычисленноrо по формуле (111.17)].
Поrрешности 5 и 6 оказывают существенное влияние на точность функ"
ционирования автоколлиматора, поэтому для обеспечения допуска на дИ о
нужно стабилизировать опорное напряжение, например, с помощью стаби"
литрона или специальных микросхем. Необходимую точность измерения
напряжения с фотоприемника дИ можно получить с помощью 11 12"раз"
рядноrо АЦП.
Поrрешности 2 и 3 оказывают чрезвычайно сильное влияние на точ"
ность работы автоколлиматора, и расчетный допуск на них выполнить
551
Таблица П2.1
Первuчные и частuчны,е поzрешнстu авто",оллuматора
Обозна Обозначение частичных поrреш
Первичная поrрешность ностей
чение
1lс 111 112
Теоретическая из за линеаризации YT YT
закона <рункционирования
Фокусноro расстояния объектива д{' ДУАf'
Нелинейность "Мультискана. дт YAт
Нестабильность "Му льтискана. S YAB
Опорноrо напряжения Uo YAUo
Квантования АЦП и YAU
Длины" Мультискана. Lo YALo
Отклонение температуры от номи t YAt
нальной
Непараллельность оси перемещения 'Y YA"(
изображения марки к чувствитель
ной площадке "Мультискана.
Таблица П2.2
Расчет допус",ов на первичные поzрешн,ости авто",оллuматора
Расчетное Задаваемое Оконча
Первичная Общее выраже (первона (скорректи тельное
ние частичной C q Kq чальное) рованное)
поrрешность значение
поrpешности значение значение
допуска 8q 1 допуска 8q2 допусков
YT 4уЗ /3 1" 0,18" . 0,18"
{' (у/{')д{' о 1 0,2 мм 1,85 мм 0,7 мм
(0,5 0/0)
т (у/l00)дт О 1 0,055 0/0 1 0/0 0,1 0/0
дs ( 1/2f) s О 1 3,7 мкм 0,5 мкм 0,5 мкм
иo (y/иo)диo о 1 2,8 мВ 5мВ 5мВ
(0,056 % )
и (У /и) и о 1,22 0,8 (0,04 о/о) 1 мВ 1 мВ
Lo (y/Lo)U o 1 О, О 1 мм 0,001 мм 0,001 мм
t у[а {'(<f'lUtt + :f:24°C 5 0 С 5 0 С
+ <f'2U2tH t
'Y (y/2) 'Y2 0,72 1,14 0,0170 1 1
При м е ч а н и е. Принятые обозначения: а коэффициент линейноrо pac
mирения материала корпуса автоколлиматора; <f'l, <Р2 оптические силы КОМПО
нентов склейки объектива; U 1t , U 2t термооптические постоянные материалов
компонентов (см. подробнее в работе [11.19]).
невозможно, так как при серийном производстве поrрешность фокусноrо
расстояния объектива достиrает 0,5 1 О/О, анелинейность мультискана,
изrотовленноrо по обычной технолоrии, равна примерно 1 О/о .
Если применить цифровую (алrоритмическую) коррекцию нелинейно
сти мультискана с точностью до 0,1 О/о или использовать .Мультискан ,
изrотовленный по новой технолоrии, обеспечивающей ero поrрешность не
552
более 0,1 о/о, то АОПУСК на поrрешность фокусноrо расстояния объектива
не должен превосходить 0,7 мм 1 .
В случае, если такой допуск выполнить невозможно, следует предусмо"
треть юстировку фокусноro расстояния объектива либо, что более рациональ..
но, компенсировать эту поrрешность реrулировкой опорноro напряжения.
Чувствительность реrулировки опорноrо напряжения ди р определяют
из следующеrо выражения: .
И О 5
ДИр== rДf'== 371,13 0,7::9мВ.
При окончательном значении допусков, представленных в табл. П2.2,
суммарная поrрешность авто коллиматора, рассчитанная по формуле
(2.94), не превосходит допустимоrо значения: ДУУ. 5".
П3. ПРИМЕР РАСЧЕТА ТОЧНОСТИ ЦЕНТРИРОВКИ ЛИНЗ
ОБЪЕКТИВА . МИНИТАР..IЛ.
Рассчитаем допуски на центрировку линз объектива .Минитар"1Л
фотоаппарата .ломо Компакт для варианта, коrда применяется ре"
зультативная обработка оправ после закрепления в них компонентов
[11.19]. Конструкция объектива и коэффициенты влияния S децентриро"
вок поверхностей линз на кому представлены на рис. П3.1 (конструктив"
ные характеристики: {' == 32,6 мм; D/f' == 1 : 2,8; 200 == 650, размеры кадра
24х36 мм).
Расчет будем вести исходя из критерия Марешаля для допустимоrо
значения комы ДУvd в центре поля [11.4з]2
ДУvd == 1 ,8л./А',
rде л. ДЛИНа волны света; А' числовая апертура объектива.
При л. == 0,0006 мм, А' == 0,178 (относительное отверстие объектива со..
ставляет 1 : 2,8) получаем ДУvd 0,006 мм. Первичные поrрешности, вызы"
вающие децентрировку поверхностей каждой линзы в данной конструк"
ции, будут следующие: 1) биения центров кривизны поверхностей линзы
относительно оси базовоrо цилиндра после результативной обработк и опра..
вы; 2) смещение оправы линзы (компонента) в зазоре ее посадки в корпус;
3) поворот (перекос) оправы линзы BOKpyr точки пересечения опорноrо
торца оправы с осью базовоrо цилиндра (вторая и третья первичные по..
rрешности являются комплексными и обусловлены поrрешностями диа"
метров оправ линз и корпуса, а также биениями их опорных торцев). Все
1 Допуск на f' определяется из допустимоrо значения частичной поrpешности
Y&r, который рассчитывают как разность между Yvd И суммарной поrpеIШIОС
тью Y' автоколли матора, обусловленной действием всех друrих поrреmностей:
Y&! == V y2 vd y'2r..
2 Этот критерий для фотоrpафических объективов является излишне жестким
и может быть при необходимости расширен (как правило, в два три раза).
553
н ом.ер поверхности .................1 2 З 4 5 6 7 8 9
Коэффициент влиянuяSj. 0,46 0,08 0,12 0,00 0,08 0,16 0,64 0,12 0,18
Рис. ПЗ.1. Расчет точности центриров"и линз объе"тива «(МинитаfТ1Л»
они являются случайными векторными поrрешностями, и их частичное
влияние должно быть отнесено к rруппе n2. Поэтому Ао == "-116 == 4, С р == О,
Кр 1. В табл. ПЗ.2 приведены результаты расчетов степени влияния каж .
дой частичной поrpешности на кому.
Для удобства задания допусков на технолоrические поrрешности внача
ле были рассчитаны их допустимые значения (см. табл. П3.2, rрафу 5). AHa
лиз полученных результатов показывает, что наиболее сильно на кому влия
ют (по убыванию степени влияния) 11,10,15,3 и 1 я поrрeI.IIНОСТИ, допуски
на которые не Moryт быть выполнены технолоrически даже при задании их
значений на техническом уровне точности (так как их ')... T < 1, см. rрафу 7).
Учтя действие остальных поrреmностей на кому и перераспределив
оставшуюся часть ДУvd между 11, 10, 15, 3 и 1 й поrреmностями с по
мощью ')...'0 == -{5 == 2,23, получаем уточненные значения относительных
коэффициентов влияния (указаны в скобках в 7 й rрафе табл. ПЗ.2).
Как видно из расчетов, при заданном допуске на кому, возможно, пона
добится компенсация влияния децентрировки седьмой поверхности и
особенно смещения оправы третьей линзы в зазоре посадки. Суммарное
значение комы, подсчитанное по формуле (2.95), будет в данном случае
дy == 12,5 мкм. Это в два раза превосходит допустимое значение комы
по выбранному критерию, что требует компенсации влияния 11 й по
rрешности (либо расширения допуска на кому объектива в два раза).
Компенсацию можно осуществить, например, сдвиrом четвертоrо KOM
понента перпендикулярно к оптической оси через отверстия в корпусе
объектива.
Анализ коэффициентов влияния децентрировок поверхностей компо
нентов этоrо объектива на астиrматизм показывает сильную зависимость
последнеrо от децентрировок и невозможность получения xopomero каче
ства изображения на краю поля (на подобное обстоятельство обращал вни
мание А. п. rрамматин в работе [11.43].
554
Таблица П3.2
Расчет 8ЛUЯН,UЯ частuчн'Ь Х nozреШн'остей н,а "ому
Численное Расчетное Окончательное
Общее выражение частичноrо значение допустимое значение первич Относительный
М Первичная поrреmность влияния без случайной части пе переда значение ной поrреmности, коэффициент
п/п Aq редаточной функции точноrо первичной исходя из техноло влияния
ДУ!lq == AcAq коэффици от
поrpеIШIО rических возмож A.t == aqt /aqt -
ента Ас сти, мкм ностей, мкм 1 3
r
1 2 3 4 5 6 7
1 Биение центра кривизны Y!!l == 81 l1 0,46 3,2 5 0,64
первой поверхности Al 1 1 (5,5) (1,1)
2 Биение центра кривизны Y!!l == 8 2 l2 0,08 18,7 5 3,7
второй поверхности Al 2 2
3 Смещение оправы первой Y!!S == (81 + 82)O,5 C1 0,19 7,9 14 0,56
линзы в зазоре АС1 посад 1 (13,4) (0,96)
ки AS == O,5Cl
4 Поворот оправы первой Y!!'Yl == (L 1 8 1 + L282) P1/D 0,14 10,7 6 1,8
линзы AYl == Apl/D
5 Биение центра кривизны Y!!l == 8з lз 0,12 12,5 5 2,5
третьей поверхности Al3 3
6 Биение центра кривизны Y!!l == 85 l5 0,08 18,7 5 3,7
пятой поверхности Al5 5
7 Смещение оправы склей Y!!S == (8з + 85)O,5 C2 0,02 75 14 5,4
ки в зазоре АС2 посадки 2
AS 2
01
01
01
01
01
Ф
Продолжение lnабл. П3.2
Численное Расчетное Окончательное
Общее выражение частичноro значение допустимое значение первич Относительный
М Первичная поrpеmность влияния без случайной части пе переда значение ной поrреmности, коэФ<l>ициент
п/п Aq редаточной <l>ункции точноrо первичной исходя из техноло влияния
1lу q == Acllq коэффици от
поrреmно rических возмож л. == aq. /aqt
ента Ас сти, мкм НОС'l'ей, мкм 1 1} 3
8 Поворот оправы склейки AYtJ. Y 2 == (L з 8 з + L 5 8 5 )AP2/ D 0,025 60 5,2 11,5
АУ2 == АР2/ D
9 Биение центра кривизны Ау tJ.l == 8 ф1б 0,16 9,4 5 1,9
шестой поверхности А4; 6
10 Биение центра кривизны Ау tJ.l == 8 7 Al 7 0,64 2,3 5 0,46
седьмой поверхности Al7 7 (4) (0,8)
11 Смещение оправы Tpe AytJ.S == (86 + 8 7 )О, 5Ас з 0,8 1,88 14 0,13
1ъей линзы в зазоре АС з 3 (3,2) (0,23)
посадки АS з
12 Поворот оправы третьей АуtJ. у з == (L 6 8 6 + L 7 8 7 )Арз/ D 0,1 15 4,2 3,6
линзы Ауз :=: Арз/ D
13 Биение центра кривизны Ау tJ.I == 8 8 Al 8 0,12 12,5 5 2,5
восьмой поверхности Al8 8 .
14 Биение центра кривизны Ау tJ.l == 8 9 Al 9 0,18 8,3 5 1,66
девятой повеРХНОС1'И A10 9
15 Смещение оправы четвер AytJ.S == (88 + 89) О, 5АС 4 0,15 10 14 0,71
той линзы в зазоре АС 4 4 (17) (1,2)
посадки AS 4
16 1l'У4 AYtJ. Y 4 == (L 8 8 8 + L 9 8 9 )AP4/ D 0,12 1,25 3 4,2
ПОВОРО1' оправы
При м е ч а н и е. Принятые обозначения: L расстояние от точки поворота I{омпонента до центра кривизны поверхностей [по
ворот оправ возникает из за торцевоro биения (наклона)]; Apt торцевое биение (наклон) соотпе1'СТВУJощей опорной поверхности,
пызываJощее ПОВОрО1' оправ (при равенстве торцевых биений Ар поверхностей N оправ Apt:=: {N Ар).
П4. ПРИМЕР РАСЧЕТА ДОПУСКОВ И КОМПЕНСАТОРОВ
СПЕКТРАЛЬНОЙ ЩЕЛЕВОЙ ДИАФРArМЫ ТИПА rои
Кинематическая схема спектральной щелевой диафраrмы типа rои
изображена на рис. П4.1.
Изменение ширины у щели здесь происходит при перемещении ножей
4, опирающихся на плоский кулачок (клинья) 3 ползуна 2. Ползун переме..
щается винтовым механизмом 1 при вращении х барабанчика со шкалой.
Пределы раскрытия щели диафраrмы у == 0+3 мм, допустимое предельное
вероятное значение поrрешности щели на всем диапазоне ДУvd == 5 МКМ.
Ширина щели связана с конструктивными параметрами узла следукr
щей зависимостью:
у == kptg J}xj1t == 2kptgpnjn T ,
rде k == 1 число заходов винта; р == 1 мм шаr винта; р == 1402' уrол
клина; х уrол поворота точной шкалы (максимальный уrол поворота
Х таХ == 6. 2п); n уrолповорота точной шкалы вделениях; (Птах == п r n т == 600;
n r == 6 число делений rрубой шкалы); n т == 100 число делений точной
шкалы).
Цена деления rрубой шкалы Ar == 0,5 мм, цена деления точной шкалы
Ar == 5 мкм.
, В табл. П4.1 приведены основные первичные поrрешности, влияющие
на точность раскрытия щели диафраrмы, их передаточные функции и ко..
эффициенты Cp(Q) и Kp(Q)' учитывающие систематическую составляющую
и вид закона рассеяния случайной поrрешности, соответственно.
Найдем первоначальные значения допусков, используя выражение
(2.86), вычислив по (2.87) приближенное значение л-о == 7,4. Как видно из
k5. k 6/
Рис. П 4.1. Спектральная диафраzма
557
Таблица П 4.1
Расчет 8лияпия neрвичпых nоzрешпостей па точпость раскрытия щелей
диафраzмы
м Первичная поrpem Формула pac Значе Cp(q) К p(q) l)ql l)q2 l)q'J
п/п ность чета Aq ние Aq
1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 Совмещения пrrриха M 1 250Ar/1 0,006 О 1 108,1 30,0 30,0
шкалы с индексом (с)
2 Совмещения пrrриха tAr /2501 1,0 О 1 0,67 0,5 0,5
из за параллакса (мм)
3 Деления точной mкa М 2 tgf3kр/п 0,023 О 1 29,3 10,0 10,0
лы (мин)
4 Эксцентриситет точной tg f} kp /пR 0,006 О 1 11 0,4 125,0 125
IIIКалы (мкм) ,О
5 Перекосбарабавчика М 2 tgf3kрL/пR 0,028 О 1 23,7 10,0 10,0
точной шкалы (мин)
6 Шаr винта (мкм) 2tg f} 0,5 О 1 1,35 2,16 3,0
7 Зазор в паре винт 2tg f} 0,5 1 1 0,67 1,08 К
rайка» (мкм)
8 Формы поверхностей 2 tg f} 0,5 О 1 1,35 1,6 1,6
пары винт ползун.
(мкм)
9 lCонтактная деформа 2tg f} 0,5 1,35 0,2 0,2
ция пары винт пол
зун. (м.км)
10 Зазор в направляющих tgJ3b/Bl 0,071 1 1 4,75 7,6 К
ползуна (мкм)
11 Формы направляющих tg f}b/Bl 0,071 О 1 9,5 6,3 6,3
и ползуна (мкм)
12 Уroл левоrо клина М 2 врх/(псos 2 f}) 3,7 О 1 0,18 0,3 0,5
(мин)
13 Уroл правоrо клина M 2 kpx/(1tcos 2 f3} 3,7 О 1 0,18 0,3 0,5
( мин)
14 Формы поверхности l/cosf} 1,031 О 1 0,66 1,1 1,25
левоro клина (мкм)
15 Формы поверхности l/cosf} 1,031 О 1 0,66 1,1 1,25
правоro клина (мкм) .
16 Зазор в направляющих tgf} 0,25 1 1 1,35 2,16 К
левоro ножа (мкм)
17 Зазор в направляющих tgf} 0,25 1 1 1,35 2,16 К
правоro ножа (мкм)
18 Формы направляющих tgf}L 1 / В 2 0,125 О 1 5,4 3,2 3,2
и левоrо ножа (мкм)
19 Формы направляющих tgf}L 1 / В 2 0,125 О 1 5,4 3,2 3,2
и правоrо ножа (мкм)
При М е ч а н и е. Принятые обозначения: l 1 мм расстояние между
пrrрихами точной шкалы; t 50 мм возможное смещение rлаза наблюдателя;
R 13 мм радиус барабана точной пшалы; L 16 мм расстояние от края
барабана до точки поворота; Ь 10 мм вылет клина; Bl == 35 мм база пол
зуна; Ll :== 1 О мм расстояние от иентра поворота ножа до ero опоры на клин;
В 2 20 мм база ножа; M 1 5.10 6", М 2 0,29 мкм Х..." размерный коэффи
циент; К компенсируемая поrреmпость.
558
результатов расчета (табл. П4.1, rрафа 7), допуски на некоторые поrреш
ности (1 3, 5, 9, 11, 18 и 19 ю) более широкие, чем они Moryт быть BЫ
полнены на экономическом уровне точности технолоrических процессов
либо конструктивно (поrрешности 1, 2 и 9 я). Друrие допуски (на 6,. 7, 10:,
12, 13, 16 и 17 ю поrрешности) технолоrически не Moryт быть выполнены..
Не вводя пока компенсаторы этих поrрешностей, произведем предвари
тельную корректировку полученных допусков.
Корректировку допусков выполним следующим образом: зададим при
емлемые по конструктивным и технолоrичес:ким соображениям допуски
на 1, 5,8,9, 11, 18 и 19 юпоrрешности (табло. П4.1, rрафа 8). Находим с по
мощью вероятностноrо метода [выражение (2.94)] суммарное их действие
на поrрешность раскрытия щелевой диафраrмы. Оставшуюся часть cyм
MapHoro допуска перераспределим между поrрешностями 6, 7, 1 О, 12 17 й
по формуле (2.87) при величине А'о == 4,45, рассчитанной без ничтожно
влияющих поrрешностей.
Анализируя полученные допуски (rрафа 8), видим, ЧТО они не MOryт
быть выполнены технолоrически для поrреmностей 7,10, 16 и 17 й. При
нимаем решение компенсировать поrреmности 10, 16 и 17 ю СИЛОВЫМ за
мыканием, позволяющим полностью от них избавиться, а поrреmность
7 ю компенсировать частично, выполнив rайку для винта реrулируе:мой
(разрезанной), значение недокомпенсации которой находим по формуле
3k
(6.19) дсо нк == ДУvd/(2tg Ао ) 2 мкм. В этом случае можно расширить дo
пуск на 6, 12 15 ю поrрешности (rрафа 9). Если допуски на 12 ю и 13 ю
поrреmности не MOryт быть выполнены технолоrически, следует пред
усмотреть реrулировку клина, а при невозможности пол ения допусков
на 14 ю и 15 ю поrрешности тонким шлифованием их достиrают доводкой
(полировкой) поверхностей [11.19].
Правильность окончательно назначенных допусков проверяем с по
мощью проверочноrо расчета, выполняемоrо по вероятностному методу.
В результате расчета получаем ду'f. == 4,88 мкм < ДУvd, что подтверждает
правильностъ допусков, приведенных в rрафе 9 табл. П4.1.
П5. ПРИМЕР РАСЧЕТА ЮСТИРОВОЧНЫХ
КОМПЕНСАТОРОВ ПРИ3МЕнноrо БИНОКЛЯ
Одним из основных показателей качества призменноrо бинокля
(рис. П5.1) является параллельностъ осей пучков лучей, выходящих из
окуляров ОТ одной и той же точки предмета наблюдения. Допустимая их
непараллельность, например в вертикальной плоскости да, 15" (в rори
зонтальной плоскости допуск менее жесткий 20' при диверrенции осей
и 60' при ковверrенции).
Определим число компенсаторов и требований к ним, обеспечивающих
заданный показатель качества да.vd == 15' в призменном бинокле (6х30) при
фокусных расстояниях объективов {'об == 120 мм и окуляров {'ОК == 20 мм.
Наводка на резкость осуществляется вращением окуляров. На параллель
ность осей в вертикальной плоскости влияет, как известно [11.35], болъ
тое количество технолоrических поrрешностей, основные из которых
приведены в табл. П5.1. '
Наименьший допустимый коэффициент влияния соrласно формуле
(2.87) Ао == 4,7. Результаты расчетов для определения степени частично
ro влияния ,первичных поrрешностей на непараллельностъ осей сведены
в табл. П5.2.
Как видно из таблицы, все поrрешности оказывают такое сильное вли
яние, что требуемой параллельности осей не получить даже при наличии
лишь одной из них. Только 17, 18, 21, и 22 я поrрешности моrли бы не
требовать компенсации при условии иекотороrо ужесточения их допуска.
Компенсация поrрепшостей в биноклях различных фирм осуществля
ется по разному. Не останавливаясь на сравнительном анализе компенса
торов тех или иных моделей, определим их число и требования к ним.
Анализ первичных поrрешностей показывает, что поrрешность фокус
ных расстояний объективов и окуляров, эксцентриситеты окуляров не MO
ryт быть компенсированы подвижкой и разворотом призм на мостике или
смещением объективов (окуляров). Непараллельностъ оптической оси по
П 2
П'2
О "уляр
Рис. ЛБ.l. Призмеnnыu бино"ль
560
воротной трубки оси шарнира дБ 2 должна компенсироваться независимо
от тoro, параллельна она оптической оси неподвижной трубки или нет.
'Поrрешности 5, 6, 7, 11, 13, 15, 17 и 19..я подвижной трубки Moryт быть
компенсированы одним компенсатором, так же как и поrрешности 8,.. 12,
14, 16, 18 и 20..я неподвижной трубки.
Введем первый компенсатор, устанавливающий оптическую ось по"
воротной трубки параллельно оси шарнира. Это можно сделать одним из
следующих способов: смещением призмы П 2 вдоль оси Х; поворотом r лав"
Horo сечения призмы П 1 BOKpyr оси У; сдвиrом объектива или окуляра
вдоль оси Х; реrулировкой шарнира.
Соrласно формулам (6.19) и (6.20) максимальное значение не-доком"
пенсации этой поrрешности да нк max == 3,2', а минимальное значение,
позволяющее считать эту поrрешностъ полностью компенсированной,
Таблица ЛБ.l
Технолоzuчесхuе nоzрешности, влияющ-ие на naрап.лельностJ. oeeiiJ 8. eep'1ltU
1Шльной nЛОСJCOсти
м Первичная поrрешность (dq ) Частичное lШи
п/п яние da&o (n2)
1 2 3
1 Фокусноrо расстояния объектива первой трубки df 1 fl
2 Фокусноrо расстояния объектива второй трубки df 2 da&f2
3 Фокусноrо расстояния окуляра первой трубки dfз dа&fз
4 Фокусноrо расстояния окуляра второй трубки df 4 da&f 4
5 Непараллельность оптических осей трубок d()l da&o]
6 Непараллельность оптической оси поворотной трубки оси da&02
шарнира d()2
7 Децентрировка объектива первой трубки dl 1 da&ll
8 Децентрировка объектива второй трубки dlz da&l2.
9 Децентрировка окуляра первой трубки dl з dа&lз
10 Децентрировка окуляра первой трубки d1 4 da&l4
11 Сдвиr ребра призмы П 2 вдоль оси Х dP2 da..:\p2
12 Сдвиr ребра при3мы П 2 вдоль оси х dP2 : l5.a&p' 2
13 Поворот rлавноro сечения призмы'п 1 BOKpyr оси У d<p da&,
14 Поворот rлавноro сечения призмы П' 1 BOKpyr оси У d<p' dа&ф,
15 Прямоro yrла призмы П 2 dп 1 daW1
16 Прямоro yrла призмы П'2 МI 2 daЫI2
17 В острых уrлах призмы П 2 dEl da&:l
18 В острых уrлах призмы П' 2 dE2 da&:2
19 Пирамидальность призмы П 1 d1tl Аа&Пl
20 Пирамидальность призмы П' 1 Ап2 д (];&П2
2] Неперпендикулярность rлавных сечений призм Порро первой Аа&'Уl
трубки Ау 1
22 Неперпендикулярность rлавных сечений призм Порро второй Аа&'У2
трубки dY2
561
Д<lнK min l' (приближенно принимаем л. н зл.о). в первом случае 5 7,
11, 13, 15, 17 и 19..я поrрешности заменяются одной (так как недоком"
1k .
пенсацией пренебречь не можем), тоrда л. о == 3,87; во втором случае эти
1k
поrрешности полностью исключаются из формулы расчета л. о , тоrда
л. k == 3,74. Остановимся на первом варианте, поскольку он позволяет тре"
бования к чувствительности компенсатора расширить в три раза по срав"
нению со вторым вариантом. Если эту компенсацию мы будем осущест"
влять ПС>ДВИЖКОЙ призмы П 2 вдоль оси Х, то тоrда чувствительность этой
пс>движки ДР2 min == до.нк maxf'oK/ 2 10 мкм.
Если Rомпенсация осуществляется поворотом rлавноrо сечения при"
эмы П 1 ВOKpyr оси У, то чувствительность разворота
Таблица П5.2
Расчет частичиоzо влияиия neрвичиых nоzрешиостей иа иеnараллельиость осей
Общее выражение f
М Частичное Перичная Частичное Коэффициент
'п/п влияние ДУ!J.q частичноro влияния поrpепmость влияние влияния л.
Aq q
1 2 3 4 5 6
1 Aa!!!l (rroоб /fоб) Af 1 1,2 мм 18 0,83
2 a!!! 2 (rroоб / f об) Af 2 1,2 мм 18 0,83
3 Аа!!fз (rroоб /f OK ) Af 3 0,4 мм 36 0,41
4 Aa!!t4 (rro о б/f ок )Аf 4 0,4 мм 36 0,41
5 Aa!!Ol (r I)А()1 10' 50 0,3
6 Аа!!О2 sinp(r I)А()2 20' 100 0,15
7 Aa!!ll A1 1 /f oK 0,1 мм 16,6 0,9
.
8 Aa!!l2 A1 2 /f oK 0,1 мм 16,6 0,9
9 Аа!!lз Аlз/f ок 0,1 мм 16,6 0,9
10 Aa.!!l4 A1 4 /f oK 0,1 мм 16,6 0,9
11 Aabl'2 2AP 2 /foK 0,2 мм 66 0,22
12 Aa!:J1'2 2bl"2/f oK 0,2 мм 66 0,22
13 Aa!!qlYl (2X 1 /f oK )A<p 5' 40 0,375
14 Aa!!qI' У2 (2 1 /fOK) А<р' 5' 40 0,375
15 АаШ 1 (2пХ 2 /fок)АП 1 2' 15 1
16 "А аШ 2 (2пХ 2 /f OK ) ЫI 2 2' 15 1
17 Aa.!\&l (2D cB . п/f о к) АЕ 1 2' 4 3,75
18 Аа.!\&2 (2D cB . п/f ок ) АЕ 2 2' 4 3,75
19 AaA1tl (2пХ 1 /f oK ) A1t1 2' 24 0,51
20 Аа!! П 2 (2пХ 1 /f OK ) A1t 2 2' 24 0,51
I 21 Aa!!Yl 2ro ок Ау 1 5' 5,2 2,88
22 Аа!!У2 2ro ок АУ2 5' 5,2 2,88
При м е ч а н и е. Принятыеоб03начения: r == 6 Х увеличениебинокля; roоб == 50
уroл поля зрения объектива; roОК == 300 уroл поля зрения окуляра; J} 900 макси
I мальный yrол поворота поворотной трубки; п 1,5 показатель преломления MaTe
риала призмы; Х1 80 мм, Х2 50 мм расстояния от приведенноro ребра призм П 1 ,
П' 1 И П 2 , П' 2 до переднеrо фокуса окуляра; D cB . п световой диаметр призмы.
562
Д<Рmiп == да нк тах f' ок / 2Х 1 == 0,4' ·
При компенсации поrрешности сдвиrом объектива или окуляра ero
чувствительность
Дlmщ == {' ОКДаНК шах == 19 мкм.
При компенсации поrрешности реrулировкой шарнира чувстви..
тельность ero разворота д<рш min 0,6'. Так как остаются поrрешности с
lk ... ...
Лi < ло , вводим второи компенсатор, которыи предназначен для устра"
нения непараллельности оптических осей неподвиjКНОЙ и подвиjКНОЙ
трубок. Он MOjКeT быть основан на одном из вышеперечисленных мето"
дов за исключением реrулировки шарнира. Максимальное значение не..
докомпенсации при этом Да нк тах 2 == ДУvd /л. k == 4,1'. Чувствительность
соответственно др' 2min 13 мкм, Д<р' min == 0,5' , дl' min 24 мкм. Величина
2k
л. о == 2,82.
Сравнение коэффициентов влияния 21..й и 22..й поrрешностей с л. k по..
казывает, что они YjКe не требуют компенсации.
Компенсация поrрешностей фокусных расстояний объективов и оку"
ляров, приводящих К разности увеличений трубок, MOjКeT быть осущест"
влена либо их комплектацией по rруппам, либо реrулировкой фокусноrо
расстояния одноrо из них. При комплектации максимальное значение по-
rpешности фокусноrо расстояния объектива в rруппе либо ero изменение
при реrулировке
дf' об. нк == даvd f' об/(rО)обл. k) 0,35 мм,
а окуляра
дf' ОК. нк ==даvd {' ок /(rО)обл. k) о ,66 мм.
Коэффициент л. k == 2,23. Децентрировка каждоrо окуляра влияет' на
непараллельность осей так сильно, что требуется их компенсация. Это
MOjКHO осуществить либо конструктивным центрированием окуляра от-
носительно резьбы патрубка, либо результативной технолоrической обра..
боткой корпуса окуляра .от ero оптической оси. при закреплении. В обо"
их случаях остаточное значение д центрировки не долjКНО превосходить
следующеrо значения:
дlок. нк == {' даvd /л. k 40 мкм.
Таким образом, требуемый показатель качества бинокля достиrается
применением, по крайней мере, пяти компенсаторов. В отечественных
биноклях их семь, так как установка оптической оси ПОДВИjКНОЙ трубки
параллельно оси шарнира и установка параллельности оптических осей
достиrаются не двумя, а четырьмя компенсаторами: rрубо ПОДВИjККОЙ
призм на мостике и точно смещением объективов. Компенсаторы приз"
MeHHoro бинокля позволяют не только получить требуемую параллель"
ность ero осей, но и повысить технолоrичность, расширив допуск на боль"
шинство первичных поrрешностей.
563
П6. психофизиолоrИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ
и ДАННЫЕ ЧЕЛОВЕКА..ОПЕРАТОРА
При конструировании приборов разработчик должен обеспечивать эр"
rономические показатели, характеризующие степень приспособленности
приборов и их элементов к человеку с позиции ero антропометрии, биоме"
ханики, физиолоrии, rиrиены, психолоrии и безопасности труда.
Рассмотрим некоторые из таких психофизиолоrических данных чело"
века, от которых в существенной степени зависят показатели точности и
надежности приборов.
Так как оператор около 90 % всей информации получает через зри"
тельный анализатор [остальное приходится на слуховой и тактильный
(осязательный)], приведем наиболее важные xapa"п epиcп иKU зрения.
1. Расстояние наилучmеrо видения 250 мм.
2. Уrол резкоrо видения (без осозн'аНllоrо поворота rлазноrо яблока)
6 70 определяется размером желтоrо пятна сетчатки rлаза. Наиболее
резкое видение около 20 определяется размером зоны центральной ямки
желтоrо пятна. В линейной мере на расстоянии лучmеrо видения диаметр
резко видимой площадки 20.250 мм. 0,017 4 9 мм.
3. Уrлы зрения при повороте только rлаз представлены на рис. П6.1.
4. Разрешающая способность rлаза (острота зрения) способность ви'"
деть раздельно два предмета (например, точки, линии), расположенные
близко дpyr к друrу, 1'. В линейной мере на расстоянии наилучшеrо
видения разрешающая способность 0,075 мм. Разрешающая способ..
ность в существенной степени зависит от освещенности предметов (напри"
мер, в сумерки она падает до 10', ночью до 1000'), контраста предметов
К == (В П В ф )/ В ф , rде В П и В Ф яркости предметов и фона соответственно.
5. Оптимальное значение контраста 0,6 0,95. Работа при прямом кон..
трасте (предм:ет темнее фона) является более блаrоприятной, чем работа
при обратном контрасте (предмет ярче фона). Наивысшую контрастность
создают сочетания желтоrо и черноrо, а также белоrо и черноrо цветов.
6. Воспринимаемое rлазом (видимое) излучение длин волн находится в
пределах О, 38 0, 76 мкм, максимальная спектральная чувствительность
в желто"зеленой области .0,5 0,6 мкм.
t A
А
35"
тах
Рис. П6.1. Уzлы зрения
.564
7. Воспринимаемый перепад яркостей объектов наблюдения в диапа
зоне 1.10 7 + 1.105 кд/м 2 . Для оптимальных условий работы rлаза COOТHO
шение яркостей объектов, находящихся в поле зрения, должно быть: 3 : 1
между рабочим полем и ero близким окружением; 10 : 1 между рабочим
полем и ero дальним окружением; 40 : 1 между самой светлой и самой тем..
ной зонами, попадающими в поле зрения. Зрительное ощущение яркости S
по закону Вебера Фехнера цропорционально лоrарифму самой яркости
L: S == klnL + с. Минимальное различие между двумя раздражителями,
в частности яр костями (дифференциальный пороr), пропорционально ис
ходному значению раздражителя (яркости): dL/ L == k == const (для зритель"
Horo анализатора k..;::; 0,01, для слуховоrо k 0,1, для тактильноrо k 0,3).
8. Освещенность объекта наблюдения зависит от условий наблюде"
ния, размеров и контраста объекта, вида работ. Оптимальное значение
освещенности на рабочем месте 200 250 лк.
9. Чувствительность rлаза к поперечным наводкам: при совмещении
линии с би"штрихом 6 8" (в линейной мере на расстоянии наилучшеrо
видения 7 ,5 10мкм); принониальномсовмещениидвухлиний 10 12"
(в линейной мере 12 15 мкм); при совмещении линии с краем Kpyra,
наложении линий и т. д. 20 30" (25 37,5 мкм в линейной мере).
10.При бинокулярном наблюдении допуски на взаимную параллель"
ность пучков лучей, выходящих из окуляров прибора, составляют: 15'
в вертикальной плоскости; 40' в rоризонтальной плоскости на расхож"
дение пучков лучей (конверrенция осей rлаз) и 20' на схождение пучков
лучей (диверrенция осей rлаз).
11. Объемное (стереоскопическое) видение оператором пространства,
т. е. разноудаленность точек А и Б (рис. П6.2), возникает при наблюдении
двумя rлазами (бинокулярное зрение), коrда разность параллактических
уrлов УА и Ув больше 10" (пороr стереоскопическоrо зрения).
Для невооруженноrо зрения при среднем rлазном базисе 65 мм радиус
стереоскопическоrо зрения
ь
п тах ==
УА Ув
При наблюдении в бинокль дистанция
объемноrо видения возрастает пропорци..
онально ero увеличению r и расстоянию
между объективами В, т. е. умножается на
пластику прибора:
в
п == ь r.
12.Временные характеристики зри..
тельноrо анализатора:
· латентный период зрительной реак"
ции (время задержки) 0,016 0,024 с;
· длительность инерции ощущения
0,2 0,5 с;
1300 м.
Рис. П6.2. Объемное видение
пространства при бинокуляр-
ном зрении
565
Диаметр, Максимальный 'У"rловой поворот без
мм момент, Н ,см перехвата пальцев, ... о
10 10 Св. 180
15 20 20 120
30 40 40 90
50 60 50 80
80 100 100 60
· критическая частота мельканий (проблесков), при которой возни
кает их слитное восприятие 15 25 rц;
· минимальная скорость движения, замечаемая rлазом, при наличии
в поле зрения реперной точки отсчета 1 2 ...' /с; без нее 15 30 ...' /с;
· средняя длительность информационноrо поиска в поле зрения объ
екта с заданными признакам и для простых rеометрических фиrур 0,02 с,
чтение буквы или цифры 0,031 с, фиксация включения (выключения) ин
дикатора 0,028 с.
13.0бъем зрительноrо восприятия в поле (уrле) резкоrо видения'(6 70)
не более 4 8 объектов; .
14.Привычное прослеживание rоризонталей слева направо, верти
калей сверху вниз (следствие YCBoeHHoro стереотипа чтения).
При конструировании opzaHoe управления и реzулировки необходимо
учитывать следующие факторы: .
1. Привычными (стереотипными) ДЛЯ'lоператора, выполняющеrо опе
рации .включено., .пуск., .увеличение., .вперед., .вверх., являются
движения вверх, от себя, вправо (нажатие верхних и правых кнопок).
Аналоrично для операций .выключено , .останов., .уменьшение.,
.ниже , .назад. стереотипными являются движения вниз, на себя, влево
(нажатие левых и нижних кнопок).
2. Кнопки, клавиши, тумблеры, выполняющие. включение., . пуск. ,
должны иметь белую или зеленую окраску, а .выключение , .останов.,
.стереть. красвую.
3. Часто используемые кнопки целесообразно выполнять четырех..
уrольной формы снебольшим уrлу6лением или насечкой, редко исполь..
зуемые круrлой формы.
4. Вращательное движение примерно в 1,5 раза совершается быстрее,
чем поступательное. Движение при повороте рукоятки .к телу. выпол
няется быстрее, чем .от тела., но .от тела. точнее. Движение .сверху
вниз имеет наибольшую скорость, а .снизу вверх. наименьшую.
5. Латентный период простой сенсомоторной реакции оператора (на"
жатие кнопки, включение или выключение тумблера, поворот рукоятки
и т. п. на заранее известный, но внезапно появившийся сиrнал с возмож"
ной для Hero максималь ой скоростью) составляет: при зрительном кон..
троле за совершаемым движением 0,1 O,15 с; при тактильном (кинеста"
тическом) контроле 0,09 O,18 с; при слуховом 0,15 0,18 с.
6. Максимальные моменты сопротивления движению и уrлы поворо"
та маховичков в зависимости от их диаметра приведены в табл. П6.!.
7. Пороrовая чув"
Таблица пв.l
Момен.ты соnротuвлен.uя двuжен.uю и уzлы ствительность движения
поворота маховичков рукояток (минимальный
уrол поворота) в случае
зрительноrо и кинеста..
тическоrо контроля за
результатом движения
представлена rрафиками
на рис. П6.3. Наилучшая
566
чувствительнос'fЬ дXmin
движения достиrается при
моментах сопротивления
движению 1 2 Н,см и диа
метрах рукояток 30 60 мм.
Основным психолоrиче
ским процессом в деятель
ности оператора по управ
лению объектами является
прием осведомительной ин
формации через ощущение,
восприятие, представление
и мышление. Формирование
перцептивноrо(чувствитель
Horo) образа объекта вклю
чает три стадии восприятия:
обнаружение, различение и
опознание.
Обнаружение стадия Рис. П6.3. Трафики nopozoвou чувствительнlr
восприятия, коrда оператор сти рукояток
выделяет объект из фона, но еще не может судить о ero форме и при-
знаках.
Различение стадия восприятия, коrда оператор способен раздельно
воспринимать два объекта, расположенных рядом, либо два состояния
объекта, а также выделять детали объектов.
Опознание стадия восприятия, коrда оператор выделяет существен-
ные признаки объекта и относит ero к определенному классу.
Длительность этих стадий зависит от сложности воспринимаемых сиr-
налов, динамики их поступления и количества. В решении текущих за-
дач оператором на основе полученной информации ведущую роль иrрают
память и мышление.
Память подразделяют на кратковременную (иконическую и опера-
тивную), которая обеспечивает хранение поступившей информации в те-
чение секунд (иконическая) или минут (оперативная, необходимая для
выполнения Toro или иноrо действия), и долzовременную, которая обеспе-
чивает хранение информации в течение дня, месяца, лет.
Основными характеристиками оперативной памяти, иrрающей веду-
щую роль в решении текущих задач оператором, являются: объем, точ-
ность и длительность сохранения информации.
Мышление активный процесс отражения объективноrо мира в фор-
ме суждений, понятий, умозаключений. Для эрrономики важно onepa
тивн.ое мышлен.ие процесс решения практических задач управления,
результатом Koтoporo является субъективная модель предполаrаемой со-
вокупности действий, обеспечивающих решение поставленной задачи.
При работе оператора в системе .человек машина перечисленные
выше психолоrические процессы восприятия информации и принятия
решений существенно влияют на качество управления и, в частности, на
M тtn
24'
20 Н,см
16'
8'
0,25
о
40
80
D, мм
567
Таблица П6.2
ПОlШзатели информационной наzрузки оператора
Предельно
Показатель Обозначение допустимое
значение
Коэ<l>Фициент заrpуженности oтнo ТО 0,75
сительное время занятости оператора К ==
э Т'
непосредсвенной работой за пультом р
управления rде ТО время обработки ин
(}юрмации; Т р общее время
работы; То == Тр ТО время
оперативноrо покоя (25 % )
Период занятости время непрерыв Т зав До 15 мин
ной (без пауз) работы
Коэффициент очереди относитель Т оч 0,4
ное число сиrналов, обработанных ! КО == Т'
оператором в условиях очереди на р
обслуживание rде Т оч время очереди
Длина очереди сиrналов число 3 4
сиrналов, одновременно требующих n
внимания оператора (удержание их
в оперативной памяти)
Время ожидания начала обработки t ож == t доо t обр ' rде t доо допу
сиrнала появление дефицита BpeMe стимое время обработки сиr
ни в работе оператора , нала по ТЗ, ОП == t об + t ож ;
t обр время работки сиrнала
ошибочность действий, которая обычно связана с информационной пере
rрузкой оператора. В табл. П6.2 приведены показатели информационной
наrрузки оператора [11.56].
П7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ полноrо ДИАМЕТРА D (мм) ЛИНЗЫ
D == св. 0 + W
Световой диаметр AD, мм, при :креплении Наименьшая толщина
линз св. 0, мм края положительных
прижимным линз, мм
завальцовкой кольцом
До 6 (включ.) 0,6 1,0
Св. 6 до 10 0,8 1,0 1,2
,. 10 ,. 18 1,0 1,5 1,5
,. 18 ,. 30 1,2 1,8 1,8
,. 30 ,. 50 1,5 2,0 O
50 80' 2,0 2,5 . . . 2, 5.......... .- .
,. ,.
,. 80 ,. 120 3,0 3,0
,. 120 ,. 180 4,0 4,0
,. 180 ,. 260 5,0 5,0
,. 260 ,. 360 6,0 6,0
,. 360 ,. 500 8,0 7,0
568
ПВ. КОЛЬЦА РЕЗЬБОВЫЕ ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
и С1l0лнение 1 Исполнение 2 ( )
I )' I BIA А PuljJ. 0,5
1 ОСТ 3 777 72
j ,.... :;:;
d . . . ... . ... "h d 1 ... . .--.
1 ':6>
............... :: iiii
С Х 45 С
J
)' IB* tI L
Номинальный d 1 (пре В (пре Ь h
диаметр резьбы d
Шаr дельное дельное Диаметр
резьбы откло откло номи предельное номи предельное С Б Б\ оптической
1 й ряд, 2 й ряд, нение по нение по детали
мм мм Н12) h12) нальное отклонение нальное отклонение
5 0,5 3 2,5 0,6 +0,16 0,8 ='=0,2 0,5 0,04 0,025 4
6 0,5 4 2,5 0,6 +0,16 0,8 ='=0,2 0,5 0,04 0,025 5
. 7 0,5 5 2,5 0,6 +0,16 0,8 ='=0,2 0,5 0,04 0,025 6
8 0,5 6 2,5 0,6 +0,16 0,8 ='=0,2 0,5 0,04 0,025 7
9 0,5 7 2,5 0,6 +0, 16 0,8 =,=0,2 0,5 0,04 0,025 8
10 0,5 8 2,5 0,6 +0,16 0,8 =,=0,2 0,5 0,04 0,025 9
01
о')
<о
ел
с
Продолжение прилож. П8
Номинальный d 1 (пре В (пре Ь h
диаметр резьбы d Шаr дельное дельное Б\ Диаметр
резьбы откло откло номи предельное номи предельное С Б оптической
1 й ряд, 2 й ряд, пение по нение по нальное отклонение нальное отклонение детали
мм мм Н12) h12)
11 0,5 9 2,5 0,6 +0,16 0,8 :t:O,2 0,5 0,04 0,025 10
12 0,5 10 2,5 0,6 +0,16 0,8 :!:0,2 0,5 0,04 0,025 11
13 0,5 10,5 2,5 0,6 +0,16 0,8 :!:0,2 0,5 0,04 0,025 12
0,75 3,5 1,0
14 0,5 11,5 2,5 0,6 +0,16 0,8 :t:O ,2 0,5 0,04 0,025 13
0,75 3,5 1,0
15 0,5 12,5 2,5 0,6 +0,16 0,8 :!:0,2 0,5 0,04 0,025 14
0,75 3,5 1,0
16 0,5 13,5 2,5 0,6 +0,16 0,8 :!:0,2 0,5 0,04 0,025 15
0,75 3,5 1,0
17 0,5 14,5 2,5 0,6 +0,16 1 :t:O,Z 0,5 0,04 0,025 16
0,75 3,5 1,0
18 0,5 15 3,0 0,6 +0,16 1 :!:О ,2 0,5 0,04 0,025 17
0,75 3,5 1,0
19 0,5 16 3,0 0,6 +0,16 1 :!:О ,2 0,5 0,05 0,025 18
20 0,5 17 3,0 0,6 +0,16 1 :t:O ,2 0,5 0,05 0,025 19
0,75 16 3,5 1,0
21 0,5 18 3,0 0,6 +0,16 1 :!:0,2 0,5 0,05 0,025 20
0,75 17 3,5 1,0
0,5 19 3,0 0,5
22 0,6 +0,16 1 :!:0,2 0,05 0,025 21
0,75 18 3,5 1,0
0,5 20 3,0 0,5 0,025 22
23 0,6 +0,16 1 :t:O,2 0,05
0,75 19 3,5 1,0
0,5 21 3,0 0,6 +0,16 1 :!:0,2 0,5 0,05 0,025 23
24
0,75 20 3,5 1,0
0,5 22 3.0 0,5 0,05 0,025 24
25 0,6 +0,16 1 :!:0,2
0,75 21 4,0 1,0
26 0,5 23 3.0 0,6 +0,16 1 :!:0,2 0,5 0,05 0,025 25
0,75 22 4,0 1,0
0,5 ,
0,5 24 3,0 26
27 0,6 +0,16 1 :!:0,2 0,05 0,025
0,75 23 4,0 1,0
28 0,5 25 3,0 0,6 +0,16 1 :!:0,2 0,5 0,05 0.,025 27
0,75 24 4,0 1,0
0,5 26 3,0 0,5 0,025 28
29 0,6 +0,16 1 :!:0,2 0,05
0,75 25 4,0 1,0
30 0,5 . 27 3,0 0,6 +0,16 1,2 :!:0,3 0,5 0,05 0,025 29
0,75 26 4,0 1,0
31 0,5 28 3,5 0,8 +0,16 1,2 :!:0,3 0,5 0,05 0,025 30
32 0,75 28 4,0 0,8 +0,16 1,2 :!:0,3 1,0 0,05 0,025 31
33 0,5 30 3,5 0,8 +0,16 1,2 :!:0,3 0,5 0,05 0,025 32
34 0,75 30 4,0 0,8 +0,16 1,2 :!:0,3 1,0 0,05 0,025 33
35 0,5 31 3,5 0,8 +0,16 1,2 :!:0,3 0,5 0,05 0,025 34
36 0,75 31 4,5 0,8 +0,16 1,2 :!:0,3 1,0 0,05 0,025 35
37 0,75 32 4,5 0,8 +0,16 1,2 :!:0,3 1,0 0,05 0,025 36
38 0,75 33 4,5 0,8 +0,16 1,2 :!:0,3 1,0 0,05 0,025 37
39 0,75 34 4,5 0,8 +0,16 1,2 :!:0,3 1,0 0,05 0,025 38
40 0,75 35 4,5 0,8 +0,16 1,2 :!:0,3 1,0 0,05 0,025 39
При м е ч а н и я. 1. Поле допуска резьбы колец 6gпо rOCT 16093 70. 2. Резьбовые кольца можно изroтавливать из следуюIЦИХ
материалов: Д16 по rOCT 4 784 74 (алюминий), Сталь 30 по rOCT 1050 88; ЛС59 1 по rOCT 15527 70 (латунь).
01
П9. КОЛЬЦА ПРУЖИННЫЕ ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ
ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
и сполне нue 1
ь
4..t
Исполнение 1
....
:а
CD
ТИП 1
Исполнение 2
\1 (J)
Б Б
d
Риф. 0,5
ОСТ 3 777 72
ТИП 11
Исполнение 2
Риф. 0,5
ОСТ :З 777 72
3(/ (v')
A A
r Б"'
А
D d В В} 1 Ь d;
1 й ряд 2 й ряд n а
16 14
18 16
20 18 '3,2 0,6 12 1,0 0,6 1,6 3,2
22 20
24 22
26 24 20
572
Продолжение прилож. пв
D d В В 1 1 Ь d
1 й ряд 2 й ряд n а
28 26 1,6 3,2
30 28 20
2
32 30
34 32
36 34
25
37 36
40 38 3,2 0,6 1,0 0,6
40
42 .. 40
2,5
44 42
45 43
32
46 44
48 46
50 48
54 52
55 53
56 54 42
58 56
60 58
62 60 3,5 0,7 1,2 0,8 3,5 63
64 62
50
65 63
68 66
70 68
72 70 56
D d В В 1 1 Ь d
n т а
1 й ряд 2 й ряд
30 28
20
32 30
34 32 0,6 2,6 2,6 40
35 33
36 34 25
38 36
40 38 4,8 0,6
42 40
44 42
45 43 1,0
32
46 44
48 46
50 48 0,8 2,8 3,5 63
52 50
54 52
55 53 5,5 0,7
42
56 54
58 56
60 58
573
Продолжение прилож. П9
D d В Bl 1 Ь d 1 * dl*
1 й ряд 2 й ряд n а
62 60
65 63
50
66 64
68 66
70 68 5,5 0,7 1,0 0,8 2,8 3,5 63
72 70
75 73 56
78 76
80 78
82 80
85 83 7,5 1,0 63 1,6 1,0 4,2 4,0 80
88 86
Об03на На ружный диаметр кольца D, мм
чение от 16 до 30 СВ. 30 до 50 СВ. 50 до 80 СВ. 80 до 120 СВ. 120
допуска
С,ММ 0,25 0,03 0,04 0,06 0,08
С 1 , мм 0,04 0,06 0,08
оrЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ................................................................................. 3
Ч а с т ь 1. ПРИНЦИ:ПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ТОЧНЫХ
ПРИБОРОВ И их- ЭJIEМЕНТОВ ....................................................6
Введение............................................................... ........................ 6
r л а в а 1. Принципы конструирования элементов
и функциональных устройств оптических приборов ........................ 7
1.1. Общие принци..пы конструирования оптических приборов ............. 7
1.1.1. Этапы проектно"конструкторской работы .... ........................ 7
1.1.2. Показатели качества t обеспечиваемые при конструировании
оптических приборов ... ... ...... ............. . ....... .. ..... .......... ... . ..... ... 1 О
1.1.3. Структура оптическоrо прибора........................................ 13
1.2. Принципы констру рования деталей........................................ 15
1.2.1. Общ и аеПекты конструирования деталей .......................... 15
1.2.2. Принцип совместной обработки рабочих и базовых
элеменroв детали..................................................................... 25
1.2.3. Принцип точностной технолоrичности деталей ................... 27
1.3. Принципы конструирования соединений .................................. 30
1.3.1. Принцип совмещения рабочих элементов в соединении........ 32
1.3.2. Принцип отсутствия избыточноrо базирования в соединении
деталей (статическая определенность соединений) ....................... 33
1.3.3. Принцип rеометрической определенности
контакта пар в соединении . ...................................................... 41
1.3.4. Принцип силовоrо замыкания .......................................... 43
1.3.5. Принцип оrраничения смещений в соединении деталей ....... 45
1.3.6. Принцип оrраничения поворотов ...................................... 48
1.3.7. Принцип оrраничения продолъноrо и поперечноrо вылетов
рабочих элементов................................................... ................ 50
1.3.8. Учет тепловых свойств соединяемых деталей...................... 52
1.3.9. Точностная технолоrичностъ соединений ........................... 56
1.4. Принципы конструирования узлов и функциональных устройств
оптических приборов .................................................................... 61
1.4.1. Принцип Аббе ................................................................ 61
1.4.2. Принцип кратчайшей цепи преобразования ....................... 67
1.4.3. Принцип наибольших масштабов преобразования ............... 69
1.4.4. Принцип отсутствия избыточных связей и местных
подвижностей в механизмах приборов............ ...... ...... ..... .... ....... 73
1.4.5. Принцип необходимости юстировки оптических устройств .. 76
r л а в а 2. Общие принципы, правила и методы конструироВания...... 80
2.1. Принцип унификации конструкций изделий ............................. 80
2.2. Компоновка конструкций . ....................................................... 88
2.3. Меroды функционалъноrо и параметрическоrо синтеза
конструкций ..............................................................................1 00
2.4. Разборка и утилизация изделий ..............................................109
Список литературы .................................................................... .112
575
Ч а с т ь 11. ОСНОВЫ ТЕОРJПI ТОЧНОСТИ ПРИБОРОВ
и ЭЛЕМЕНТОВ .......................................................................... 114
Введен и е . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
r л а в а 3. ОСНОВЫ теории точности приборов и элементов ................116
3.1. Разновидности поrрешностей, основные понятия и определения .117
3.1.1. Методические поrрешности ................................................ .119
3.1.2. Инструментальные поrрешности .... ....... .... ........... ...........124
3.1.3. Характеристики точности.............................................. .132
приборов и устройств ............................................................. .132
3.2. Классификация поrрешностей ................................................ .139
3.2.1. Причинно"следственная структура поrрешностей ..............139
3.2.2. Свойства поrрешностей ..................... ............................ .141
3.3. Основные положения линейной теории точности .......................151
3.4. Методы нахождения передаточных функций первичных
поrрешностей ............................................................................ .154
3.4.1. Метод разложения функции преобразованияв степенной ряд... 154
3.4.2. Метод дифференцирования функции преобразования .........155
3.4.3. rеометрический метод................................................... .157
3.4.4. Метод преобразования исходной схемы устройства.............159
3.4.5. Метод плана малых перемещений ..... ....... .............. ......... .160
3.4.6. Векторно"матричный метод............................... ............ .162
3.5. Специфика определения передаточных функций некоторых
первичных поrрешностей ............................................................ .164
3.5.1. Влияние векторных поrрешностей ....................... ...........164
3.5.2. Влияние зазоров в кинематических парах .........................166
3.5.3. Влияние поrрешностей наведения ................... ...............169
и считывания........................................................................ .169
3.5.4. Влияние деформаций элементов ......................................173
3.5.5. Влияние первичных поrрешностей и факторов
на поrрешности фокусных расстояний оптических элементов...... .177
3.6. Виды и методы расчетов точности приборов и элементов.............180
3.6.1. Комбинированный метод расчета точности........................181
3.6.2. Методы проектноrо расчета допусков ...............................183
3.6.3. Методы проверочноrо расчета точности ............................189
3.7. Расчет компенсаторов поrрешностей ......... ... ..... ....... ......... ......197
r л а ва 4. Понятие о надежности приборов и ее обеспечение ............199
4.1. Понятия и определения .........................................................200
4.2. Основные единичные показатели надежности приборов .............208
4.2.1. Показатели безотказности................. .............................208
4.2.2. Показатели ремонтоприrодности .............. .... .... ... .... ........212
4.2.3. Показатели сохраняемости .............................................213
4.2.4. Показатели долrовечности ........ ......................................213
4.3. Обеспечение надежности приборов ..........................................214
4.3.1. Проектно"конструкторские мероприятия для повышения
надеж ности ........................................................................... 214
4.3.2. Технолоrические мероприятия для повышения надежности 222
4.3.3. Эксплуатационные мероприятия для повышения
надеж ности ........................................................................... 224
Список литературы ..................................................................... 225
576
Ч а с т ъ 111. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРИБОРОВ
ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИIf ..................................... ......................228
Введение............................................................... .....................228
r л а в а 5. Конструкторско-технолоrические методы
повьппеНJIЯ качества приборов ..................................................... 229
5.1. Технолоrический метод повышения качества ...........................229
5.2. Проектно-конструкторс ий метод повышения качества .............233
r л а в а б. Компенсационный метод повьппения качества ................243
6.1. Методы компенсации поrреmностей в оптических приборах .......244
6.1.1. Технико-Эkономические обоснования выбора метода
компе Rсации ......................................................................... 261
6.2. Структурные схемы компенсации поrреmностей .......................270
6.3. Компенсация систематических поrрешностей ...........................278
6.4. Компенсация случайных поrреmностей и факторов ...................288
6.5. Цифровая (алrоритмическая) коррекция поrреmностей .............293
6.б. Юстировка оптических приборов ............................................316
6.6.1. Структурны-е схемы юстировки ....... ........... ........ .............318
б.6.2. Юстировочные расчеты................................................. .327
Список литературы ..................................................................... 332
Ч а с т ъ IV. КОНСТРУИРОВАНИЕ ТИПОВЫХ ОПТИЧЕСКИХ
ДЕТАЛЕЙ И СБОРОЧНЫХ ЕДИНИЦ ОПТИЧЕСКИХ
прИБороВ................................................................................335
Введение................................................................................... .335
r л а в а 7. Требования к материалам оптических деталей ................335
7.1. Характеристики материалов оптических деталей ......................336
7.2. Оптические характеристики материалов
и нормируемые показатели качества оптическоrо стекла ..................347
7.3. Определение требований к качеству оптическоrо материала........354
r л а в а 8. Типовые оптические детали. Оформление чертежей ........357
8.1. Общие сведения................................................................... .357
8.1.1. Требования к оформлению чертежей оптических деталей ....360
8.1.2. Оформление оптических схем ..........................................376
8.2. Линзы и линзовые блоки (склейхи) .........................................379
8.3. При зм ы ............................................................................... 390
8 . 4. 3е р к ала ............................................................................... 399
8.5. Сетки, шкалы, растры ........ ......... ........... ... ....... ........ ...... .......41 О
r л а в а 9. Типовые конструктивные узлы,
функциональные устройства и их юстировка .................................418
9.1 Общие требования к оптическим узлам и устройствам ................418
9.2. Конструкции узлов крепления
круrлых оптических деталей и линзовых систем .............................420
9.2.1. Крепление линз ............................................................ 420
9.2.2. Конструкции линзовых систем ... ..... ....... .... ........ ... ...... ....436
9.2.3. Юстировка линзовых систем оптических приборов.............450
9.3. Конструкции узлов крепления призм, зеркал и их систем...........467
577
9.3.1. Узлы крепления одиночных призм и призменных систем ....467
9.3.2 Узлы крепления зеркал и зеркальных систем .....................483
9.3.3. Юстировка зеркально призмеНных.систем ........................494
9.4. Узлы крепления и юстировка сеток, шкал, растров....................514
9.5. Конструкции узлов крепления и юстировка источников
и прием ников излучения......................................... ....................518
9.6 Фотоэлектрические преобразователи линейных .
и уrловых перемещений и их юстировка ........................................529
Список литературы ..................................................................... 543
Приложения ................. __............................................................ 545
ЛАТЫЕВ Святослав Михайлович..
Родился в 1943 е. С.1960 по 1962 ее. работал
на фирма ломо токарем. С 1962 по 1968 ее.
учился на оптическом факулътете литмо
( Л енинерадский институт точной механи"и
и оnти"и). С 1968 е. работал инженером "он
структором в ОКВ литмо. После о"ончания
асnирантурь" и аащиты кандидатской диc
сертации в 1974/75 е. стажировался в Техни-
ческом университете Илъменау (rермания).
в 1976 е. иабран доцентом кафедры Сnециаль
нь/,х оптических приборов литмо.
В 1988 е. аащитил диссертацию на coиc
кание ученой степени доктора техничес"их
наук по теме «(Компенсация nоzрешностей
в оптических приборах». В 1991 е. nрисвоено
ученое авание профессора. В 1990 е. иабран
ааведующим "афедрой «(Комnъютериаация и
nроектирование оптических приборов» Уни-
верситета информационных технолоzий Me
ханики и оnти1Си (ИТМО). В 1997 е. иабран
деканом фа"улътета Оnти"о информацион
нъ/,х систем и технолоzий ИТМО.
Круе научных интересов основы прое".
тированияu юстировки оnтичес"их приборов.
Автор более 25 патентов и 150 nубли"аций.
Почетный рабтник высшей школы. Член "ор-
респондент П етровс"ой а"адемии нау" и ис-
кусств.
ISBN 5 7325 0563 6
УЧЕБНОЕ ИЗДАНИЕ
Латыев Святослав Михайлович
КОНСТРУИРОВАНИЕ ТОЧНЫХ
(ОПТИЧЕСКИХ)ПРИБОРОВ
3аведующая редакцией Е. В. Шаров а
Редактор М. И. Козицкая
Переплет художника Е. В. Владимировой
Технический редактор Т. М. Жилич
Корректоры 3. С. Ро.маnова, Е. П. Смирnова, Т. н. rрunчук
Верстка Е. В. Влади.м.ировой
Сдано в набор 01.11.2006. Подписано в печать 15.02.2007.
Формат издания 60х90 1/16' Бумаrа офсетная. rарнитура Sch()()IBook.
Печать офсетная. Уел. печ. л. 36,5.
Уч. изд. л. 34,0. Тираж 2000 ЭК3. 3aKa 3548.
ОАО (с Издательство . Политехника .
191023, Санкт-Петербурr', Инженерная УЛ., д. 6.
Отпечатано (' I'ОТОВЫХ диапозитивов
в fУП РК ((Республиканская типоrpафия им. П. Ф. Анохина))
185005, r. Петрозаводск, ул. . Правды)) , 4.
.
A" "
=8
-r::1
D
.... с:::а
п.
· пт
.
I
.
.
..
...... 4."
А.А t .А
8 . I . 8"
" i&
.
I
t
R .....
Si
.
I
.
...... I '"4."
А.,А ..
.'... . . . 8"
I
'" ..&
.
..
N
.
""""""",..
\..
....
.
....... -
. ,
I