Конструирование приборов. Том 2 - Тищенко О.Ф., Краузе В.

Автор: Тищенко О.Ф. Краузе В.

Теги: приборостроение в целом применение приборов измерительная техника весы устройства для взвешивания общее машиностроение машиноведение машиностроение схемотехника приборостроение измерительные приборы

Год: 1987

Похожие

Конструирование приборов. Часть 1

Журнал "Микропроцессорные средства и системы", 1990 №5-6

Единая система конструкторской документации. Основные положения

Конструирование радиоэлектронных средств

Текст

Конструирование
ПРИБОРОВ
«Машиностроение »
Конструирование
ПРИБОРОВ
Geratekonstruktion
Herausgeber:
Prof. Dr.-Ing. habil. Werner Krause
2., starts bearbeitete Auflage
VEB Verlag Technik Berlin
Конструирование
ПРИБОРОВ
В ДВУХ КНИГАХ
Под редакцией
доктора технических наук профессора В. Краузе
Перевод с немецкого
В.Н. Палъянова
Под редакцией
доктора технических наук
профессора О.Ф. Тищенко
Москва
«МАШИНОСТРОЕНИЕ» 1987
ББК 34.42
К65
УДК 681.2
Руководство и общая редакция проф., докт.-инж. В. Краузе при участии доцента, докт.-инж. Г. Рерса
Беме Л., докт.-инж. (§6.1.1, 6.1.2); Бюрген Э. докт.-инж (§ 6.3.2); Калюса А., инж. (разд. 8); Краузе В., проф., докт.-инж. (§ 6.3.1, 6.3.3, 6.3.4);’ Раух М., доцент, докт. естеств. наук (гл. 6.2, § 6.3.2); Рихтер Э., доцент, докт.-инж. (§ 6.4.3); Рерс Г., доцент, докт.-инж. (§ 6.1.4, 6.1.5, 6.3.5, 6.4.4, 6.5.1); Хюкклер А., доцент, дипл. дизайнер (разд. 7); Шиллинг М., доцент, докт.-инж. (§ 6.4.1, 6.4.2); Шмидт Б., проф., докт. техн, наук (гл. 6.5); Шустер В., дипл.-инж. (§ 6.1.3).
Конструирование приборов: В 2 кн. Кн. 2/Под ред. В. Кра-К65 узе; Пер. с нем. В. H. Пальянова; Под ред. О. Ф. Тищенко.— М.: Машиностроение, 1987.— 376 с.: ил.
(В пер.): 2 р. 10 к.
В книге ведущих специалистов ГДР собран материал по конструированию приборов точной техники, оптики и электроники. В 1-й книге рассмотрены общие вопросы проектирования. Во 2-й книге рассмотрены функциональные группы приборов (электромеханические, механические, оптические и др.), а также художественно-конструкторские решения, применяемые в приборостроении. Приведены сведения по упаковке приборов.
Для инженерно-технических работников, занятых проектированием приборов, а также для студентов приборостроительных специальностей вузов.
К
2706000000-515 038(01)-87
280-86
ББК 34.42
ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ИЗДАНИЕ
КОНСТРУИРОВАНИЕ ПРИБОРОВ
Редактор И. А. Сморчкова, Художественный редактор С. Н. Голубев Технический редактор Л. П. Гордеева, Корректор А. М. Усачева
ИБ № 4898
Сдано в набор 06.06.86. Подписано в печать 30.03.87. Формат 60X90*/»б- Бумага офсетная № 2. Гарнитура литературная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 23,5. Усл. кр.-отт. 23,5. Уч.-изд. л. 26,4. Тираж И 000 экз. Заказ 218-147 Цена 2 р. 10 к.
Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Машиностроение», 107076, Москва, Стромынский пер., 4.
Набрано в Ленинградской типографии № 2 головного предприятия ордена Трудового Красного Знамени Ленинградского объединения «Техническая книга» им. Евгении Соколовой Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 198052, г. Ленинград, Л-52, Измайловский проспект, 29.
Отпечатано с диапозитивов в Ленинградской типографии № 6 ордена Трудового Красного Знамени Ленинградского объединения «Техническая книга» им. Евгении Соколовой Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 193144, г. Ленинград, ул. Моисеенко, 10.
© VEB Verlag Technik Berlin, 1982, 1986
© Перевод на русский язык, Издательство
«Машиностроение», 1987
4
Оглавление
6. Функциональные узлы приборов...................................... 8
6.1. Электрические и электронные функциональные узлы.............. 8
6.1.1. Функциональные узлы с дискретными элементами.............. 10
6.1.1.1. Свойства................................................ 10
6.1.1.2. Применение.............................................. 21
6.1.2. Функциональные узлы на интегральных микросхемах........... 25
6.1.2.1. Свойства................................................ 29
6.1.2.2. Конструкция............................................. 42
6.1.2.3. Применение.............................................. 48
6.1.3. Источники электропитания.................................. 49
6.1.3.1. Нестабилизированные источники постоянного напряжения, работающие от сети...................................................50
6.1.3.2. Стабилизированные источники постоянного напряжения, работающие от сети.................................................. 52
6.1.3.3. Стабилизированные источники переменного напряжения, работающие от сети.................................................. 55
6.1.3.4. Источники электропитания с постоянным входным напряжением ........................................................... 57
6.1.3.5. Релейный сетевой источник электропитания...........
6.1.3.6. Источники непрерывного электропитания..............
6.1.3.7. Устройства защиты и сигнализации...................
6.1.3.8. Нагрев.............................................
6.1.3.9. Конструкция........................................
6.1.4. Электрические соединения.............................
6.1.4.1. Функции и конструкция..............................
6.1.4.2. Проводники.........................................
6.1.4.3. Электрические соединители..........................
6.1.4.4. Электромонтаж......................................
6.1.5. Функциональные узлы, собранные на печатных платах . . .
6.1.5.1. Свойства...........................................
6.1.5.2. Применение.........................................
6.1.5.3. Конструирование ...................................
Списоклитературы ...........................................
6.2. Электромеханические функциональные узлы................
6.2.1. Приводы..............................................
6.2.1.1. Типовые структуры..................................
6.2.1.2. Элементы приводов..................................
6.2.2. Электромагниты.......................................
6.2.2.1. Основные положения.................................
6.2.2.2. Конструктивные исполнения..........................
6.2.2.3. Магниты постоянного тока ....................
6.2.2.4. Магниты переменного тока...........................
6.2.2.5. Особые случаи применения...........................
6.2.3. Электродвигатели с вращающимся ротором...............
58
59
59
60
60
61
61
62
65
69
78
78
89
89
97
98
99
100
102
105
105
107
109
111
112
115
5
6.2.3.1. Общие положения............................................ 115
6.2.3.2. Электродвигатели постоянного тока параллельного и последовательного возбуждения ................................... 117
6.2.3.3. Асинхронные и синхронные двигатели......................... 123
6.2.3.4. Шаговые двигатели.......................................... 124
6.2.4. Линейные электродвигатели.................................... 128
6.2.4.1. Общие положения............................................ 128
6.2.4.2. Линейные двигатели непрерывного действия................... 129
6.2.4.3. Линейные шаговые двигатели................................. 129
6.2.5. Электромеханические позиционирующие устройства для линейных дискретных перемещений..........................................132
6.2.5.1. Типовые структуры.......................................... 132
6.2.5.2. Позиционирующие устройства................................. 135
Список литературы....................................................142
6.3. Механические функциональные узлы................................146
6.3.1. Механические приводы..........................................147
6.3.1.1. Энергия привода............................................ 150
6.3.1.2. Статические характеристики пружинных приводов.............. 151
6.3.1.3. Динамические характеристики пружинных приводов .... 156
6.3.2. Включающие механизмы......................................... 157
6.3.2.1. Конструкция................................................ 158
6.3.2.2. Моделирование.............................................. 164
6.3.2.3. Примеры расчетов........................................... 167
6.3.3. Транспортирующие механизмы................................... 169
6.3.3.1. Механизмы для транспортирования ленты...................... 170
6.3.3.2. Механизмы для транспортирования карт....................... 182
6.3.3.3. Приводы для дисков......................................... 183
6.3.4. Механизмы точной установки................................... 184
6.3.4.1. Механизмы точной установки с постоянным передаточным отношением..................................................... 184
6.3.4.2. Механизмы точной установки с переменным передаточным отношением..................................................... 192
6.3.4.3. Комбинирование простых механизмов...........................195
6.3.4.4. Конструкция, компенсация зазоров............................198
6.3.5. Органы управления.......................................201
Списоклитературы.....................................................212
6.4. Оптические функциональные узлы..................................214
6.4.1. Оптические системы............................................216
6.4.2. Крепление оптических деталей..................................226
6.4.2.1. Правила конструирования.....................................226
6.4.2.2. Крепление круглых оптических деталей .......................228
6.4.2.3. Крепление призматических оптических деталей.................242
6.4.2.4. Юстировка с помощью оправы..................................246
6.4.3. Источники света и осветительные устройства..............251
6.4.3.1. Передача света в оптических системах........................252
6.4.3.2. Лучистые и световые фотометрические понятия и единицы измерения ..................................................... 253
6.4.3.3. Указания по разработке и оценке осветительных устройств . . 254
6.4.3.4. Источники света............................................ 257
6.4.3.5. Осветительные устройства в приборах........................ 260
6.4.4. Оптические индикаторы.........................................263
6.4.4.1. Элементы аналоговых индикаторов.............................265
6 4.4.2. Цифровые индикаторы.........................................267
6
Списоклитературы............................................269
6.5. Оптоэлектронные функциональные узлы.....................270
6.5.1. Общие положения.......................................270
6.5.2. Оптоэлектронные узлы в системах связи..................278
6.5.3. Оптоэлектронные узлы в системах обработки данных.....281
6.5.4. Оптоэлектронные узлы в измерительных устройствах.....285
Списоклитературы.............................................290
7. Художественно-конструкторское решение прибора................292
7.1. Применение..............................................293
7.2. Выбор формы изделия......................................295
7.3. Функции изделия, обусловленные его формой................300
7.3.1. Эргономическая функция.................................300
7.3.2. Техническая функция....................................304
7.3.3. Эстетическая функция...................................305
7.4. Восприятие формы изделия................................307
7.4.1. Возбуждение — ощущение.................................307
7.4.2. Закон хорошей визуальной формы.........................307
7.4.3. Закон одновременности..................................308
7.4.4. Ассоциации.............................................308
7.4.5. Форма прибора, воспринимаемая в качестве информативной . 308
7.5. Средства и способы воздействия на ощущения.............. 309
7.5.1. Дискретные элементы формы..............................311
7.5.2. Средства и способы упорядочения формы..................319
7.5.3. Ассоциации.............................................323
7.6. Особенности выбора художествен но-конструкторского решения в приборостроении............................................
7.6.1. Общие положения......................................
7.6.2. Элементы связи в системе человек — прибор............
7.6.3. Знаки на приборах (элементы обозначений).............
7.6.4. Выбор формы систем приборов..........................
Списоклитературы............................................
8. Упаковка приборов
8.1. Функции упаковки.......................................
8.1.1. Функция защиты.......................................
8.1.2. Функция рационализации...............................
8.1.3. Функция информации и рекламы.........................
8.2. Требования к упаковке..................................
8.3. Нагрузки, испытываемые упаковкой во время транспортирования и хранения .................................................
8.3.1. Механические нагрузки................................
8.3.2. Климатические нагрузки...............................
8.3.3. Виды транспорта......................................
8.4. Повреждения упаковки...................................
8.5. Оптимальная упаковка...................................
8.6. Виды упаковки и ее выбор...............................
8.6.1. Тара из дерева.......................................
8.6.2. Тара из гофрированного картона.......................
8.6.3. Пластмассовая тара...................................
8.6.4. Амортизаторы для упаковки............................
8.6.5. Защита от климатических нагрузок.....................
8.7. Испытания упаковки.....................................
Списоклитературы ...........................................
Приложения..................................................
Предметный указатель........................................
326
326
327
331
333
334
335
337
337
337
338
338
339
339
342
343
347
348
349
349
354
356
358
361
362
364
365
374
7
6. Функциональные узлы приборов
Применение достижений электроники в приборостроении ведет ко все более широкому применению цифровых методов обработки информации в приборах. Некоторые конструктивные элементы, ранее часто использовавшиеся в приборах, теперь теряют свое значение. Например, такие механические конструктивные элементы, как кулачковые механизмы, традиционно применявшиеся для хранения информации о временном графике выполнения процессов, все более заменяются электронными устройствами. Однако механические и электромеханические конструктивные элементы и функциональные узлы продолжают играть в приборах важную роль, особенно в качестве периферийных устройств. Это же относится и к оптическим функциональным узлам, тем более что требования к точности приборов постоянно растут. Ниже рассмотрены типичные электрические, электронные, электромеханические, механические и оптические функциональные узлы, описание которых дано в виде, удобном для расчетов приборов.
6.1. Электрические и электронные функциональные узлы
Символы и обозначения
А — площадь, мм2
С — жесткость пружины при кручении, Н-мм, емкость, Ф
D — предел прочности при изгибе, Н-мм Е — модуль упругости, Н-мм~2 F — сила, Н / — момент инерции площади, мм4 J — момент инерции, г-мм2 К — постоянная
L — индуктивность, Гн
М— вращающий момент, Н-мм
R — электрическое сопротивление, Ом U — электрическое напряжение, В W— момент сопротивления, мм3 а — расстояние, длина грани, мм b — расстояние, ширина грани, мм с — жесткость пружины, Н-мм-1 d — диаметр, мм fo — собственная частота, кГц h — высота, мм k — плотность упаковки, % km— коэффициент массы
I — длина, мм т — масса, г s — толщина, мм z — герметичность места пайки, % а — угол, рад 6 — коэффициент v — коэффициент Пуассона р — плотность, г-мм-3 ов — напряжение при изгибе, Н-мм-2
Индексы
А — выход
В — электрорадиоэлементы,
устанавливаемые на печатной плате
BE — конструктивный элемент
Е — вход
L — печатная плата, нагрузка оп — опорный отн — относительный ст — сталь ЭРЭ — электрорадиоэлемент
8
Электрические и электронные функциональные узлы представляют собой функционально, конструктивно и технологически ограниченные автономно работающие единицы. Вид и связи электрорадиоэлементов (ЭРЭ), расположенных между входами и выходами функционального узла, описываются преимущественно электрическими величинами (характеристиками электрического поля, током, напряжением и производными от них величинами [6.1.1]). Зависимости между входными и выходными величинами функционального узла определяются расчетными активными и паразитными связями всех его элементов (см. табл. 6.1.1). В зависимости от рабочей частоты воздействие активных, емкостных и (или) индуктивных ЭРЭ имеет распределенный или сосредоточенный характер. К элементам с распределенными параметрами можно отнести, как правило, высокочастотные элементы, а также кабели и проводники всех типов (см. разд. 6.1.4), к элементам с сосредоточенными параметрами — все электротехнические и электронные элементы (см. разд. 6.1.1 и 6.1.2).
Ниже описаны электрические и электронные функциональные узлы, рабочая частота которых лежит ниже диапазона СВЧ. Основные функции этих узлов реализуются с помощью конструктивно-технологических связей пассивных и активных ЭРЭ, обеспечивающих обработку аналоговых и дискретных сигналов (см. табл. 6.1.1). Функциям этих узлов посвящена обширная литература [6.1.1.—6.1.8], поэтому здесь основное внимание обращено на конструктивно-технологические аспекты их разработки. При этом упор сделан на вопросы разработки печатных плат (см. разд. 6.1.4 и 6.1.5). Функции и свойства плат в электронной аппаратуре для обработки информации зависят в основном от формы элементов и конструкции прибора (см. табл. 6.1.7). Все большее число частных функций в этой аппаратуре выполняется печатными платами, а в самих печатных платах — интегральными микросхемами (ИМС). Это ведет к сокращению числа соединений, т. е. к повышению надежности и уменьшению размеров и массы элементов и прибора в целом. Такая тенденция к интеграции элементов тесно связана с повышением требований к точности и надежности приборов, изменением условий обеспечения отвода теплоты из них, определения объема партий однотипных элементов, их стандартизации, стоимостных характеристик и т. д. Под влиянием разнообразных требований и условий создания электрических и электронных функциональных узлов наметилась тенденция к широкому использованию цифровых методов обработки сигналов, даже для задач, которые могут быть решены с помощью аналоговых сигналов. В равной мере применяются дискретные и интегральные ЭРЭ; для электрических соединений внутри и вне функциональных узлов используются самые различные проводники (кроме проводников печатных плат).
Разнообразие условий разработки, изготовления и эксплуатации электрических и электронных функциональных узлов требует их стандартизации вплоть до международного масштаба. При этом стандартизация должна распространяться на электрические входные и выходные величины, допустимые условия окружающей среды, а также специфические свойства ЭРЭ, узлов, приборов и установок. На базе исполь
9
зуемых решений международные организации по стандартизации: Международная электротехническая комиссия (IEC), Институт инженеров по электронике и радиотехнике (IEEE), Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии (CCITT) — разрабатывают рекомендации и стандарты, служащие основой национальных стандартов и стандартов СЭВ.
Для электрических и электронных функциональных узлов можно выделить три качественно различные категории стандартов.
1. Основные стандарты, содержащие принципы, понятия, градации (например, ряды предпочтительных чисел), ограничения на процессы конструирования, испытаний и поставки ЭРЭ определенных классов (типов, типоразмеров, семейств, серий). Примером такого стандарта является TGL 32377 «Электрорадиоэлементы».
2. Стандарты на изделия определяют требования к конструкции и техническим характеристикам, а также условия испытаний, поставки и названия элементов конкретного типа. Эти стандарты касаются общих (форма, тип исполнения, качество обработки, размеры, масса, обозначение и т. д.), электрических (основные и вспомогательные характеристики, их предельные значения) и механических (прочность электрических соединений, элементов управления и крепления, паяемость, стойкость к припою, флЮсу и т. д.) характеристик элементов. Здесь же указываются климатические характеристики (диапазоны температуры, влажности, давления воздуха, наличие пыли и агрессивных сред), при которых ЭРЭ должны сохранять работоспособность (см. разд. 5), а также требуемые параметры надежности (см. разд. 4.5) и указания по проведению измерений и испытаний. Стандартом на изделия является, например, TGL 27423 «Тонкопленочные резисторы типов 51 и 52» (см. также табл. 6.1.6).
3. Вспомогательные стандарты содержат общие действующие правила, условия, требования, касающиеся испытаний, измерений, классификации, оценки технических изделий. Таким стандартом является TGL 200— 0057 «Испытания на удар и вибрацию».
6.1.1. Функциональные узлы с дискретными элементами
Дискретный ЭРЭ электрической схемы или электронного функционального узла (табл. 6.1.1) представляет собой комплектное изделие, предназначенное для выполнения элементарной (активной, пассивной) функции или функции связи, обеспечивающей преобразование электрического сигнала [6.1.1—6.1.5]. Через электрические выводы с помощью проводников, распределенных в пространстве или на плоскости, такой ЭРЭ связан с другими элементами (см. разд. 6.1.4). Дискретные ЭРЭ широко применяются в электронной измерительной и испытательной аппаратуре.
6.1.1.1. Свойства
Входные и выходные величины большинства дискретных ЭРЭ связаны линейной зависимостью. Нелинейной зависимостью характеризуются лишь некоторые элементы, такие, как термисторы, варисторы, фото-10
6.1.1. Характерные признаки и области применения ЭРЭ в электрических и электронных узлах
Рабочая частота, время переключения, волновое сопротивление Электрические соединения Пассивные элементы Активные элементы Область применения при обработке сигналов
непрерывных (синусоидальных) дискретных (двоичных)
0...20 кГц, 10 МС...1 мкс Любые, в том числе экранированные; одно- и двусторонние печатные платы Элементь Резисторы и конденсаторы (дискретные или интегральные) Катушки индуктивности (преимущественно дискретные, частично стандартизованные) с сосредоточенными / Полупроводниковые приборы (преимущественно инте- гральные) ; электромеханические контакты гараметрами Запись, воспроизведение и передача звуковых сигналов, телеуправление, бытовая электронная техника Телеграфия, фототелеграфия, сбор и передача данных, промышленная электроника, кварцевые часы
20 кГц...300 МГц, 3 мкс...З нс, волновое сопротивление ограничено Одно- и многожильные провода; пленки, плоские или коаксиальные кабели; одно- и двусторонние печатные платы Резисторы и конденсаторы (дискретные или интегральные); специальные катушки индуктивности (печатные и одновит-ковые) Полупроводниковые приборы (преимущественно инте- гральные) ;электронные лампы (мощные, высокочастотные) Радиотехника, телевидение, бытовая электронная техника, высокочастотная телеграфия Вычислительная техника, электронные устройства обработки данных, промышленная электроника, передача данных с использованием кодоимпульсной модуляции
300 МГц...300 ГГц (технический предел применения электрических сигналов) , волновое сопротивление ограничено Полосковые линии, жесткие и гибкие волноводы, элементы соединения Элементь Волноводы прямоугольного и круглого изменяющегося (за счет диафрагм, штифтов) сечения и т. д. >4 с распределенными п Специальные электронные лампы и полупроводниковые приборы араметрами Радиосвязь, радионавигация, микроволновые нагревательные устройства Перспективные каналы передачи данных (через спутники Земли), использование кодоимпульсной модуляции (до 15 360 каналов)
1-------------------------------------г
резисторы, сопротивление которых зависит от интенсивности падающего на них излучения. Диоды, тиратроны, тиристоры, например, предназначены для выполнения функций переключения.
В зависимости от характера выполняемых функций дискретные элементы делятся на пассивные и активные. Пассивные потребляют или запасают электрическую энергию. К ним относятся резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности всех типов (табл. 6.1.2).
Активные элементы усиливают или переключают ток, напряжение или мощность при соответствующем входном сигнале и рабочем напряжении. К ним относятся электронные лампы, полупроводниковые диоды, транзисторы, тиристоры и др. (табл. 6.1.3).
С учетом ассортимента и требований стандартов ЭРЭ различаются по конструктивному исполнению, электрическим параметрам и другим характеристикам, нормированным для элементов одного типа. Градация параметров зависит от особенностей элементов каждого типа и в большинстве случаев определяется стандартами более высокого уровня, например, международными (табл. 6.1.4 и 6.1.5, рис. 6.1.1; [6.1.9]). На рис. 6.1.1 показано, как наиболее распространенные требования потребителей могут быть выполнены с учетом стандартных номинальных значений величин и допусков на них, установленных с использованием рядов ЕЗ, Е6, Е12 и др. Приведенные значения относятся к интервалу 1 —10; для других интервалов (10—100, 100—1000 и т. д.) эти значения необходимо умножать на 10, 100 и т. д.
Электрические и механические характеристики, а также климатические и прочие условия, при которых ЭРЭ должен сохранять требуемые параметры, определяют затраты на его изготовление. Более или менее хорошо прогнозируемые требования потребителя к точности, надежности и другим параметрам позволяют оценить стоимость ЭРЭ и собираемых из них функциональных узлов и приборов. При появлении особых требований, не учтенных стандартами, необходима разработка дополнительных условий сдачи-приемки, как правило, ведущая к повышению общих затрат. Однако в некоторых стандартах, например, в TGL 28158/01.. .03 «Электрорадиоэлементы специального назначения», отклонения предусматриваются заранее.
Сравнение электронной аппаратуры для обработки информации и силовой электронной аппаратуры (табл. 6.1.6) показывает, что дискретные элементы преобладают в последней, так как высокая термическая нагрузка на ИМС в силовой аппаратуре резко снижает надежность ИМС даже при низкой степени интеграции элементов. Все оконечные каскады выходной мощностью выше 25 Вт (предельное значение для современных радиоэлектронных устройств) собираются только на дискретных элементах. Выходная мощность каскадов на кремниевых тиристорах достигает 100 Вт, а каскадов на генераторных триодах в стационарных установках с водяным охлаждением — 500 Вт (см. разд. 5.4.4). В электронных устройствах обработки данных, почти полностью собранных на ИМС, некоторые частные функции и функцию электропитания (см. разд. 6.1.3) выполняют отдельные дискретные элементы, например конденсаторы, устанавливаемые на тех же печатных платах.
12
6.1.2. Пассивные ЭРЭ (см. табл. 6.1.7)
Физическая величина Тип элемента Активное сопротивление
Резисторы постоянного сопротивления Резисторы переменного сопротивления
пленочные объемные проволочные пленочные проволочные
Исполнение, материал Углеродистые, боро-углеродистые, металлические Линейные: оксидно-керамические Нелинейные: сопротивление зависит от температуры, напряжения, излучения Открытые, закрытые, бифиляр-ные С прямолинейным и круговым перемещением подвижного контакта; с различными характеристиками; с отводом или без него
Обозначение на схеме —*-|— — ।
Основные параметры, указываемые в стандартах на изделия Номинальное сопротивление, допуск, номинальная мощность рассеяния, максимальное напряжение, температурный коэффициент сопротивления; для пленочных резисторов — номер кривой изменения сопротивления согласно стандарту, 1, 11, 2, 3, 52, 54, 56, 57, 62, отклонение U, R = f (а), классы испытаний и эксплуатации, механическая прочность, стойкость к климатическим воздействиям, надежность, особые условия
00
Продолжение табл. 6.1.2
Физическая величина Емкость Индуктивность
Тип элемента Конденсаторы постоянной емкости Конденсаторы переменной емкости Катушки индуктивности с магнитопроводом
рулонные керамические воздушные керамические из листовой стали керамические из немагнитных материалов
Исполнение, материал Бумажные, металлобумажные, пленочные, электролитические, танталовые С низкой и высокой диэлектрической постоянной, специаль- ' ные конденсаторы От одной до четырех секций, различные кривые изменения емкости Дисковые или трубчатые подстроечные конденсаторы Сглаживающие дроссели, дроссели звуковой частоты, трансформаторы Низко- и высокочастотные дроссели, генераторы высокой частоты, катушки системы отклонения электронного луча Низкочастот- ные катушки, генераторы высокой частоты (иногда печатные)
Обозначение на схеме -* н|- не -00- —ApCL- 41
Основные параметры, указываемые в стандартах на изделия Номинальная емкость, допуск, номинальное напряжение, допустимое пиковое напряжение, температурный коэффициент емкости, сопротивление изоляции, тангенс угла диэлектрических потерь, диэлектрик Указания по изготовлению, номинальная индуктивность, сопротивление постоянному току, нагрузочная способность по току, номинальное напряжение, число витков, диаметр провода, добротность катушки, материал магнитопровода
6.1.3. Активные ЭРЭ
Тип элемента Электровакуумные лампы
усилительные с прямым или косвенным накалом специальные
приемо-усилительные генераторные пролетные кинескопы
Исполнение, назначение Диоды, триоды (тетроды), пентоды, гексоды, гептоды, октоды, девятиэлектродные лампы Лампы СВЧ-диапазона, генераторные триоды; тетроды и пентоды с воздушным или водяным охлаждением Клистроны, лампы бегущей волны, магнетроны и др. Индикаторы, знаковые индикаторы, осциллографические кинескопы, черно-белые и цветные телевизионные кинескопы, передающие телевизионные трубки, радиолокационные индикаторы, рентгеновские трубки
Обозначение на схеме ф 4 »jijl
Германиевые и кремниевые полупроводниковые приборы
ные приборы диоды транзисторы другие приборы
Стабилитроны, переключательные и счетные лампы, индикаторы, газотроны с холодным катодом, выпрямительные лампы, тиратроны тлеющего разряда ф По конструкции: точечные и плоскостные, универсальные, переключательные, варакторы По конструкции: биполярные, униполярные, р-п-р, п-р-п По функции: низкочастотные, высокочастотные, переключательные, силовые и др. Тиристоры, симисторы и другие приборы для обработки мощных высокочастотных сигналов
-нь (^г
о
Продолжение табл. 6.1.3
Тип элемента Электровакуумные лампы Газоразряд-ные приборы Германиевые и кремниевые полупроводниковые приборы
усилительные с прямым или косвенным накалом специальные
диоды транзисторы другие приборы
приемо-уси-r J генераторные лительные г пролетные кинескопы
Основные параметры Ток и напряжение накала (также и при холодной лампе), анодный и катодный токи Мощность рассеяния на аноде, крутизна характеристики, внутреннее сопротивление, специфические характеристики । Запирающее напряжение анода, катодный ток Номинальное и максимально допустимое обратное напряжение, номинальный и максимально допустимый обратный ток, время переключения, предельные частоты, допустимая полная мощность рассеяния
6.1.4. Ряды входных и выходных значений параметров ЭРЭ
ЭРЭ, области применения (стандарт) Параметр Ряд Предельные значения параметра
Ток
Электрические устройства: Номинальный ток
в целом (TGL 11128, СТ СЭВ 780—77, СТ СЭВ 1812—79, СТ СЭВ 1813—79)
приборы, оборудование (TGL 19471) плавкие предохранители типов: То же
F, МТ, Т (TGL 0—41571) > >
Т, UT (TGL 6111) > »
Предохранители повторного действия (TGL 21257) > >
|:1 1,25 1,6 2 2,5 3,15 4 5 6,3 8:|
1:1 1,25 1,6 2 2,5 3,15 4 5 6,3 8: |
То же
0,25 0,5 0,75 1 1,5 (2) (3)
0,1 А...250 кА
0,1 А...10 кА
50 мА...6,3 А
0,25... 10 А
0,25...1,5 А
Встроенные амперметры Начальное и конечное зна- 1:1 1,5 2,5 4 6:| 40 мА... 100 А
(TGL 16530/01) Искрогасящие дроссели чения шкалы Номинальный ток |:1 1,6 2,5 4 6,3:1 0,06...630 А
(TGL 200—8402) Электрические сети (TGL 17872) Напрь Номинальное напряжение: постоянное гжение 6 12 24 (36) 48 66 110 220 440... 6 В...750 кВ
переменное 6 (6,3) 12 (12,6) 24 (36) 42 (60) 6 В...787 кВ
Пленочные и проволочные резисто- Максимальное напряжение 220/380 380/660 (500)... 25 50 75 100 125 150 200 220 250 25 В...30 кВ
ры (TGL 24197/02) Конденсаторы: бумажные и металлобумажные Номинальное постоянное 300 350... 63 160 250 400 630 1000 (1600) 63 В...1 кВ
(TGL 200-8276/77) электролитические (TGL 200-8278) напряжение То же 3 6,3 10 16 25 40 63 80 160 250 3...500 В
полистирольные (TGL 200-8281) » > 315 350 400... 25 63 160 250 400 630 1000 25 В...1 кВ
Встроенные вольтметры Начальное и конечное зна- 1:1 1,5 2,5 4 6,3:| 10 мВ...1,5 кВ
(TGL 16529/01) Интегральные микросхемы (TGL 31485) чения шкалы Напряжение источника питания: общие требования 1,2 2,4 3 4 5 5,2 6 9 12 15 24 30 1,2...200 В
дополнительно для батарей- 48... 1,5 4,5 18
ного питания дополнительно для бло- 13 27
ков питания на МОП-транзисторах Максимальные отклоне- ±5 ±10 ±20
иия, %
00
Продолжение табл. 6.1.4.
ЭРЭ, области применения (стандарт) Параметр Ряд Предельные значения параметра
Малогабаритные двигатели Номинальное напряжение:
(TGL 32348) постоянное переменное Мощ 2 4 6 12 24 36 42 48 60 ПО 120 6 12 24 36 42 127 220 380 ность 2...220 В 6...380 В
Пленочные и проволочные резисторы (TGL 24197/02) Маломощные трансформаторы (TGL 200-1643) Пленочные и проволочные резисторы (стандарты на изделия) Высокочастотная аппаратура (TGL 6921) Конденсаторы: 1 Номинальная мощность рассеяния Номинальная мощность Conpoi Номинальное сопротивление Волновое сопротивление Емк\ 1 । 0,01 0,05 0,1 0,125 0,25 0,5 1,0 1,5 2 3 5 10 |:1 1,6 2,5 4 6,3:| 'ивление (Ряды Е, см. табл. 6.1.5) 50 75 100 300 ость 1 1 10 мВт...0,5 кВт 4 В-А...4 кВ-А 1...107 (1014) Ом 50...300 Ом ।
алюминиевые электролитические (TGL 200-8278) танталовые электролитические (TGL 200-8279) полистирольные (TGL 200-8281) Искрогасящие дроссели (TGL 200-8402) УКВ-дроссели (TGL 9814) Номинальная емкость То же, мФ То же, нФ Индукт Номинальная индуктивность То же Частота колебаний, * |:1 2,2 4,7: |, дополнительно 2 5 20 50 200 250 500... 1:1 (1,5) 2,2 (3,3) 4,7 (6,8): | (Ряды Е, см. табл. 6.1.5) ивность 1:1 1,6 2,5 4,0 6,3:1 6,3 10 20 40 юстота вращения 0,47 мкФ...47 мФ 6,3 мкГн...63 мГн 6,3...40 мкГн
Электрические устройства и машины в целом (TGL 15217) Номинальная частота 0,1 0,25 0,5 1,0 2,5 5 10 25 50 100 150 200 (250) (300) 400 (500) (600) (800) 1000 (1200) (1600) 2000... 0,1 Гц...10 кГц
Электрические измерительные при- Точность 0,05...5,0 %
Классы точности 0,05 0,1 0,2 0,5 1,0 1,5 2,5 5,0
боры в целом (TGL 19472) Интегральные тонкопленочные резисторы (TGL 29950) Дискретные и интегральные ЭРЭ (для выбора класса испытаний, TGL 24197 и др.) Некоторые изделия (стандарты на изделия) Встроенные измерительные приборы квадратной формы (TGL 3004) Классы допусков Рабочая т Максимальное значение Минимальное значение Температурные диапазоны, °C (значения используются только попарно) Геом Номинальные размеры 0,02 0,05 0,1 0,25 0,5 1,0 2,0 5,0 емпература 40 55 70 85 100 125 155 200 -65 -60 -55 -40 -25 -10 0 +5 155...—55; 125...—55; 70... —55; 85...-25; 55...-25; 70...-10; 55...-10; 40...-5; 70...0 етрия 48 72 96 144 (192) 0,02...5,0 % + 40...+200 °C - 65...+5°С 48...144 мм
Самопишущие измерительные приборы (TGL 16532...34) Детали ЭРЭ (TGL 8700) Малогабаритные двигатели (TGL 8393) Скорость подачи бумаги Диаметр оси Длина оси Высота оси Диаметр конца вала 10 20 60 120 180 360 2 3 4 6 8 10 10 12,5 16 18 20 25 32 40 50 25 32 40 50 63 80 100 112... 4 5 6 7 8 9 11 14 16... 10...360 мм/ч 2...10 мм 10...50 мм 25... 1000 мм 4...630 мм
Резисторы переменного сопротивления и конденсаторы переменной емкости Окраска и надписи в целом (TGL 21196) Диаметр оси Otcpt Марки красок 4 6 10 1ска 108 эталонных красок согласно шкале цветов 4...10 мм
Примечания. 1. Между |: :| указаны миожители для получения номинальных значений параметров.
2. Рекомендуемые значения выделены жирным шрифтом, дополнительные и нерекомендуемые приведены в скобках.
6.1.5. Коэффициенты рядов Е в интервале 1 — 10 для получения номинальных значений сопротивлений и емкостей (см. рис. 6.1.1. [6.1.2.], [6.1.9])
Ряд Em ГТо Коэффициент N где </ = 0,1,2,.. = F\ .,т Допуск, % Перекрытие, °/ /0
ЕЗ 2,154435? 5? 2,20 1,00 2,20 4,70 — Более 5
Е6 1,467799? si,5 1,00 1,50 2,20 3,30 4,70 6,80 ±20 Более 5
Е12 1,211528? si,2 1,00 1,50 2,20 3,30 4,70 6,80 ±10 Более 5
1,20 1,80 2,70 3,90 5,60 8,20
Е24 1,100697? sl,l 1,00 1,50 2,20 3,30 4,70 6,80 ±5 Более 5
1,10 1,60 2,40 3,60 5,10 7,50
1,20 1,80 2,70 3,90 5,60 8,20
1,30 2,00 3,00 4,30 6,20 9,10
Е48 1,049140 1,00 ... ... 9,55 ±2 Менее 5
Е96 1,024275 1,00 ... ... 9,76 (±1) Менее 5
Е192 1,012065 1,00 ... ... 9,88 (±0,5) Менее 5
Примечание. т = 3, 6, 12,..., 192.
Рис. 6.1.1. Номинальные размеры и допуски рядов Е (рекомендуемые ряды см. в [6.1.9])'.
а — номинальные размеры без допусков; б — действительные размеры в полях допусков; верхняя и нижняя цифровые шкалы определяют положение числовых коэффициентов
20
6.1.6. Основные характеристики электронной аппаратуры
Характеристики Электронная аппаратура
для обработки информации силовая
Потребляемая мощность, В-А 10“6-1 1-Ю5
Напряжение, В 1-30 1-Ю3
Ток, А ю-,2-1 1-Ю3
Время переключения, с 10“9—10“3 Ю~5—10~2
Отношение сопротивления нагрузки к внутреннему сопротивлению источника Более 1 Около 1
Объем аппаратуры (включая объем корпуса, соединителей и радиаторов), мм3 Ю-2—Ю-4 103-108
Степень интеграции элементов От низкой до очень высокой Низкая, в большинстве случаев используются дискретные элементы
Активные элементы Диоды, транзисторы, электронные лампы, ИМС, преобразователи Мощные выпрямители и транзисторы, тиристоры, газонаполненные лампы
Основные функции Передача, хранение и обработка сигналов Переключение и усиление мощности, обработка материалов
Основные области применения Устройства связи и сбора данных, измерительная аппаратура, аппаратура управления и регулирования, промышленные и бытовые электронные приборы
Индуктивные элементы (см. табл. 6.1.2) относительно дороги и зачастую имеют слишком большие размеры и массу, особенно в схемах электропитания и низкочастотных усилителях. Использование современных магнитных материалов, полупроводниковых приборов и ИМС все более упрощает конструкцию и улучшает параметры индуктивных элементов, но все же лучше полностью отказаться от них, применяя бестрансформаторные оконечные каскады, фильтры, элементы логических схем. В высокочастотных радиоэлектронных устройствах используются пьезокерамические полосовые фильтры, «отпечатанные» на платах катушки. Подробная информация о дискретных радиоэлектронных элементах содержится в [6.1.1.—6.1.5].
6.1.1.2. Применение
Структура и конструкция дискретных ЭРЭ определяются их принципом действия и условиями применения. Это отражается в стандартизованных конструктивных исполнениях (т. е. в стандартизованных структуре и внешней форме) и конструктивных рядах, регламентированных основными
21
стандартами (TGL 32377, TGL 38015, TGL 38922) и стандартами на изделия. Стандарт TGL 24197 устанавливает конструктивные исполнения объемных и пленочных резисторов постоянного и переменного сопротивления, три класса требований к ним (общие, коммерческие, прецизионные) и до восьми номинальных размеров для каждого конструктивного исполнения (см. табл. 6.1.4, 6.1.5). Этот же стандарт для стойких к климатическим воздействиям высокостабильных металлопленочных резисторов конструктивного ряда 11 (по TGL 14133) определяет пять различных размеров (при номинальной мощности рассеяния 0,125; 0,25; 0,5; 1 и 2 Вт), четыре допуска (0,5; 1; 2 и 5 %) и сопротивление от 10 Ом до 1 МОм в соответствии с рядами Е24 и Е48 (см. табл. 6.1.5). Разнообразий форм ЭРЭ иллюстрирует табл. 6.1.7.
При монтаже дискретных ЭРЭ для объединения элементов в функциональные узлы используются электрические и геометрические связи. Определенные требования предъявляются к электрическим выводам элементов, а иногда и к деталям их крепления. Механически мало нагруженные ЭРЭ, обладающие небольшой массой, надежно крепятся к монтажной плате выводами с помощью винтов, зажимов, а также сваркой
6.1.7. Типичные формы дискретных ЭРЭ
Вид ЭРЭ Расположение выводов Поперечное сечение выводов Примеры элементов
Цилиндрическая форма (D:l = O,\...2O)
1 1 I о С одной или нескольких сторон: коаксиальное аксиальное С одной или нескольких сторон аксиальное Радиальное Аксиальное Круглое Прямоугольное Круглое Круглое Прямоугольное Резисторы постоянного сопротивления, конденсаторы Диоды, выпрямители Оптические соединители, диоды, транзисторы Дисковые и трубчатые керамические конденсаторы, варисторы
[___ EZQ_ © 6)
з fl Я:
22
Продолжение табл. 6.1.7
Вид ЭРЭ Расположение выводов Поперечное сечение выводов Примеры элементов
II Радиальное Аксиальное, радиальное форма Аксиальное Боковое С одной стороны С двух сторон Круг-лое, прямоугольное Круг-лое, прямоугольное Круг-лое Прямоугольное То же Проволочные резисторы, термисторы, электролитические конденсаторы Пленочные и проволочные резисторы переменного сопротивления, дисковые подстроечные конденсаторы Проволочные резисторы Пьезоэлектрические фильтры Транзисторы в пластмассовых корпусах Керамические миниатюрные конденсаторы, объемные оксидные резисторы
5 L r—'—1 1
* * T=D—' °) fi) Призматическая 7 |_J □ 8 Т Т1 “D 9 L—I L=J ,а f fl LI Q Ф а) CO fl
Сложная форма
А /Т|\ А ft 1—fc 1ЯГ a) M-L S) ТЙГ б) С одной или двух сторон, аксиальное, боковое Круг-лое Электронные лампы всех типов, тиратроны и специальные лампы
23
Продолжение табл. 6.1.7
Вид ЭРЭ Расположение выводов Поперечное сечение выводов Примеры элементов
Различное (а) С одной стороны, аксиальное (б) Круг-лое, прямоугольное Круг-лое Сетевые и низкочастотные трансформаторы, дроссели фильтров Силовые транзисторы, выпрямители, тиристоры
12 ||ц " j 0
Щ U U| In П П| а) 1 <Г)
Примечание. Размеры, допуски, основные параметры и т. д. см. в стандартах на изделия.
и пайкой. Максимально допустимые статические и динамические нагрузки, воздействующие на выводы в виде сил, моментов, температур и агрессивных сред в процессе монтажа и эксплуатации можно найти в стандартах на изделия или в других стандартах, например касающихся пайки паяльником или волной припоя (см. также разд. 5.8). Стандарт TGL 37837
Рис. 6.1.2. Примеры предварительной подготовки ЭРЭ с проволочными выводами
Рис. 6.1.3. Крепление механически нагруженных ЭРЭ на печатной плате с помощью дополнительных деталей
24
1234 5
6)
a)
Рис. 6.1.4. Маркировка металлопленочного резистора 47 кОм±5 % (а) и керамического конденсатора 630 пФ с ТКС = —0,22-\0~3 №* (б, в):
Номер кольца Цвет кольца Значение (см.табл. 6.1.7 и 6.1.8) Номер точки Цвет точки Значение (см.табл. 6.1.7 и 6.1.8)
1 Желтый 4 0 Желтый -220
2 Фиолетовый 7 1 Синий 6
3 Оранжевый 103 2 Оранжевый 3
4 Золотой ±5 % 3 Коричневый 10
5 (корпус) Коричневый ткс io-5k-1 4 Белый 10
(СТ СЭВ 2119—80, см. табл. 6.1.11) регламентирует правила испытаний электрических выводов всех ЭРЭ на механическую прочность. Расположение выводов ЭРЭ должно соответствовать координатной сетке печатной платы, на которой они устанавливаются. В большинстве случаев они требуют соответствующей предварительной подготовки (рис. 6.1.2). Если конструкция ЭРЭ не позволяет крепить его непосредственно к плате или он испытывает относительно большие механические нагрузки, для монтажа необходимы дополнительные детали (рис. 6.1.3).
Параметры каждого ЭРЭ элемента должны быть однозначно читаемы в течение всего срока эксплуатации даже без упаковки, до и после монтажа. Даже для самых миниатюрных ЭРЭ необходима единообразная маркировка. При достаточной площади на ЭРЭ наносят знак завода-изготовителя, тип, основные параметры, дату изготовления и другие данные (в соответствии с требованиями TGL 32377/04) в виде комбинаций букв и цифр или в виде кодовых знаков (табл. 6.1.8). На ЭРЭ небольших размеров параметры обозначаются с помощью цветовых кодов, частично стандартизованных в международном масштабе (табл. 6.1.9, рис. 6.1.4). Маркировка и подготовка ЭРЭ к монтажу выполняются так, чтобы считывание параметров было возможно и после монтажа.
6.1.2. Функциональные узлы на интегральных микросхемах
Несколько ЭРЭ (см. табл. 6.1.1), объединенных в одно целое электрически и механически с высокой плотностью упаковки, называют схемой. Схемы предназначены для выполнения активных, пассивных и комплексных электрических функций [6.1.6—6.1.11].
25
6.1.8. Маркировка ЭРЭ с помощью цифр, букв и символов (по стандартам ГДР)
Резисторы (TGL 25197/02)
Примеры: Маркировка 68 RF
М47 КII
IK 150В
Расшифровка 68 Ом ±1 % ТК0200 0,47 МОм±Ю% ТКС =±50 1,150 кОм± ± 0,1% ТКС = ± 25
1 - номинальное сопротивление, Ом
Цифры с запятой Множитель (вместо запятой)
1-4 разряда R=l; K=10’;M=10‘; G=10’;T=1012
Конденсаторы
1 - диэлектрик
2 - номинальная емкость
Примеры: Маркировка KS 3n9Kv
ТЮдРМа
47nGf
Расшифровка Полистирол 3,9 нФ ±10% 350 Тантал 10 мкФ±20% 50В _ Бумага 47 нФ±2% 500 В
Керамика1
Без маркировки - бумага
МР - металлизированная бумага
Без маркировки - пФ, п вместо запятой - нФ, др - мкФ
Кремниевые полевые МОП -транзисторы п-р-п типа в малогабаритных пластмассовых корпусах
KS - полистирольная пленка
КТ - полиэфирная пленка МКТ - металлизированная полиэфирная пленка МКС - металлизированная поликарбонатная пленка MKL - металлизированная эмалевая пленка
Ely t - электролит Т - танталовый электролит
1-3 разряда
1С помощью цветовой маркировки указывается ТКС. ’При недостатке места параметр не указывается.
1 - тип
2 3
1
Пример:
Маркировка Расшифровка
СМ5 тип SF 235
F35 Л2уэ==56...14О;
май 1980 г.
SC 236 ... 239=С36 ...С39
SF 225 ... 245= F 25 ... F 45
SF 357... 359=F 57 ... F 59
SS 200... 202= S 00 ... S 02
SS216 ... 219=S 16 ... S 19
SMY 50 ... 60= MY 50 ... MY 60
26
2- допускаемое отклонение от номинального сопротивления, ± (букв) %
3- температурный коэффициент сопротивления (ТКС) (символ) 10* К"1
Е=0,001; L=0,002; R= 0,005;
Р=0,01; U= 0,02; Х= 0,05;
В=0,1; С=0,25; D=0,5;
F = l; G=2; J =5;
K= 10; без буквы :20 и другие допуски
И =±10 И =±200
8= ±15 |« = ±2ОО/-ЗОО
=±25 8е =±200/-400
1=±50 =±200/-600
1 =±100 Без символа: более 200
3- отклонение от номинальной емкости3 4-номинальное напряжение, В
при С<10 пФ, пФ при 010 пФ, % переменное постоянное
С = ±0,25 D= ±0,5; F = ±1; G= ±2 F= ±1; G= ±2; Н= ±2,5; J = ±5; К = ±10; М= ±20; +50 S ~-20 +80 W=-20 +100 Z = -20 и—250 v= 350 w= 500 от а = .50 до h = 1 000 г = 25
2-коэффициент передачи тока h 2,
3 - дата изготовления (TGL 31667)
1-й знак - год 2-й знак - месяц
U = 8 ... 22
А= 18... 35
В = 28 ... 71
С= 56 ... 140
D= 112... 280
Е = 224 ... 560
F = 450 ... 1120
F - 1975 1 - январь 7 - июль
Н - 1976 2 - февраль 8 - август
I - 1977 3 - март 9 - сентябрь
К - 1978 4 -апрель 10 - октябрь
L - 1979 5 - май 11 - ноябрь
М- 1980 6 - июнь 12 - декабрь
27
6.1.9. Цветовая маркировка пленочных резисторов (кольцо) и керамических конденсаторов с малым ТКЕ (точка)
Номер цветного кольца или точки — или 0 1,2 3 4 5 6
Номинальное сопро-
Темпера- тивление, Ом, но-
Цвет кольца турный минальная емкость, Допуск, 3-я Кривая по
или точки циент, П’ о/ /О цифра * TGL 24197/02*2
10“6 К"' 1-я и 2-я множи-
цифры тель
Кольцо отсут- *3 — ±20*4 1
ствует
Серебряный Ю-2 ±10*4
Золотой 10-' ±5*4
Черный ±0 0 1 ±20*5 0
Коричневый -33 1 10 ±1 1
Красный -75 2 ю2 ±2 2 2
Оранжевый -150 3 103 3 3
Желтый -220 4 104 4 52
Зеленый -330 5 ю5 ±0,5*4 5 54
±5*5
Синий -470 6 106 ±0,25 6 56
Фиолетовый -750 7 ю7 ±0,1 7 57
Серый + 33 8 ю8 8 62
Белый — 9 ю9 ±10*s 9 —
* Для резисторов постоянного сопротивления.
* 2 Для резисторов переменного сопротивления.
* 3 Возможны две цветные точки: красная и фиолетовая + 100; синяя и коричневая — 47; две оранжевые — 1500.
* 4 Для резисторов.
* 5 Для конденсаторов.
Дискретные миниатюризированные ЭРЭ (которые могут быть автономно установлены, проверены и т. д.) позволяют создавать плоские или объемные компактные ячейки, которые в виде микромодулей могут быть смонтированы на печатных платах. Такие ячейки получили широкое распространение в 60-е годы и используются для сборки специальных и гибридных схем. Бурным развитием микроэлектронной технологии, позволившей получать электронные схемы различной структуры, которые способны выполнять обширный круг функций, отмечены 70—80-е годы. Внедрение этих схем позволило стандартизировать ЭРЭ, применяемые для сборки электрических и электронных функциональных узлов. Лавинообразный рост плотности компоновки, т. е. объединения различных ЭРЭ на одной подложке, например на кристалле (чипе), привел к появлению ИМС.
28
Согласно TGL 38922 (СТ СЭВ 1623—79) ИМС является самостоятельной функциональной ячейкой (в виде дискретного миниатюрного ЭРЭ или кристалла для гибридной ИМС) или группой элементов, связанных между собой и расположенных на одной подложке или одном кристалле (или даже в объеме полупроводника для гибридной ИМС). Однако в отношении изготовления, испытаний, приемки, поставки, эксплуатации, а также параметров ИМС должна рассматриваться как единое целое. Каждая ИМС предназначена для выполнения определенной функции, имеет собственное условное обозначение и в большинстве случаев относится к одной группе, типоразмеру, серии или семейству. ИМС различных типов, но одной серии характеризуются одной технологией изготовления, одинаковыми выполняемыми функциями, а также согласующимися между собой или подобными комбинациями электрических параметров и других свойств.
Обычные ИМС закрываются корпусами с определенным количеством выводов, с помощью которых они могут быть установлены на печатной плате. Кристаллы, расположенные в этих корпусах и связанные внутренними электрическими соединениями, могут поставляться как отдельные бескорпусные ЭРЭ, дающие возможность дальнейшего их усовершенствования. Такие кристаллы используются для сборки гибридных ИМС. Тонко- и толстопленочные ИМС позволяют реализовать функции, которые не всегда можно получить с помощью стандартных ИМС. Метод шелкографии, применяемый при изготовлении толстостенных схем, дает возможность относительно просто получать ИМС с требуемыми характеристиками даже при небольшом объеме их партии.
Несмотря на постоянное расширение ассортимента стандартных, больших и сверхбольших ИМС, возрастает значение гибридных ИМС, которые позволяют реализовать требуемые нестандартные функции. По сравнению с этим производство полупроводниковых ИМС в монолитном исполнении экономически оправдано только при годовом объеме более 20 тыс. шт. и времени разработки, равном нескольким годам.
В табл. 6.1.10 приведены основные характеристики ИМС, используемых при конструировании современных приборов [6.1.1.—6.1.11].
6.1.2.1. Свойства
В табл. 6.1.11—6.1.14 приведены основные характеристики ИМС для выбора схемы прибора. Как видно из этих таблиц, все большее значение для приборостроения приобретают цифровые ИМС, наиболее широко из которых применяются транзисторно-транзисторные логические схемы (ТТЛ). Аналоговые ИМС используются преимущественно в телевизионной, радиоприемной и звуковоспроизводящей аппаратуре, развитие которой отличается все более ускоряющейся сменой ее поколений. Что касается прочих аналоговых ИМС, то, несмотря на их иногда очень высокие характеристики, объемы их производства зачастую намного ниже производства ИМС для другой бытовой электронной аппаратуры, степень интеграции которых постоянно растет.
29
о 6.1.10. Основные технологические характеристики ИМС
Характеристики Пленочные ИМС
толстопленочные, s = 1 ...30 мкм тонкопленочные, 5 = 0,01...1 мкм
Материал подложки Алюмооксидная керамика Стекло, реже керамика
Толщина подложки S, мм 0,3...1,0 0,2...0,5
Размеры подложки bXl, мм От 10X10 до 75X75 От 10X10 до 50X50
Способ нанесения контактов и соединений Шелкография и вжигание паст, содержащих благородные металлы Катодное напыление или охлаждение металла с последующим лужением
Толщина проводника S, мкм 15...25 0,5...1(5)
Ширина проводника Ь, мм 0,15...1,5 0,1...!
Способ изготовления пассивных ЭРЭ (/?, С и L) R и С обычно пол ной технологии; L припаивают в вид ниатюрных элеме [учают по пленоч-— редко; /?, С и L ie дискретных ми-нтов
Гибридные ИМС Полупроводниковые цифроаналоговые ИМС
тонкопленочные многокристальные биполярные на МОП-структу-рах
Стекло, реже керамика 0,2...0,5 Стекло, керамика, полиамидные пленки, гефау-сит и т. п. 0,2... 1,0 Монокристалл кремния, редко кристалл сапфира, шпинели 0,1...0,6
Максимальные 50X50 Максимальные 80X80 От 1 X 1 при низкой степени интеграции до 8X8 при сверхвысокой
Катодное напыление, осаждение или шелкография (метод нанесения или снятия), соединения расположены в нескольких уровнях Осаждение алюминия через маски для получения соединений и контактных площадок
Геометрия определяется технологией изготовления ИМС 0,1...1,0
То же 0,001...0,005
/?, С и L в виде дискретных миниатюрных элементов, подложек пленочных ИМС или кристаллов полупроводниковых ИМС R в виде полупроводниковых резисторных дорожек, С в виде конденсаторов с запирающим слоем R и С в виде МОП-структур
Способ изготовле- Установка бескорпусных диодов и транзисторов (в гибридных ИМС уста- Биполярные Полевые МОП-
ния активных ЭРЭ новка подложек ИМС) пленочных ИМС и кристаллов полупроводниковых транзисторы, полученные по пл альной технолоп подложке транзисторы [анарно-эпитакси- 1И на кремниевой
Способ обработки Электронолито- Электронолито- Соединение элементов с подложкой Фотография, рентгенолучевая лито-
(подгонки) подложки и соединения графия, обработка микропорошком графия, лазерная технология пайкой, сваркой, термокомпрессией, приклеиванием и т. д. графия, электронолитография
Достижимая степень интеграции Низкая Низкая От низкой до средней От низкой до сверхвысокой От низкой до сверхвысокой От средней до сверхвысокой
Степень интеграции по TGL 24951 IG1, IG2 IG1, IG2 IG1, IG2 IG1 .„> IG4 IG2...> IG4 IG3...> IG4
Время разработки От нескольких Несколько меся- Несколько меся- От нескольких Стандартные ИМС — несколько
и изготовления недель до нескольких месяцев цев цев дней до нескольких месяцев дней, заказные лет ИМС — несколько
Объем партии 1...1000 Более 1000 Более 1000 1...100 Стандартные ИМС — любой, заказные ИМС — более 10 000
Надежность Высокая Высокая От средней до высокой Средняя Очень высокая
й 6.1.11. Основные электрические характеристики ИМС
Характеристика Степень интеграции
малая (МИС) средняя (СИС) большая (БИС) сверхбольшая (СБИС)
Число выпрямителей на кристалл Менее 10 Менее 100 Более 100
Число транзисторов на ИМС 5...100 50... 1000 50...10 000 Более 5000
Обозначение по TGL 24951, TGL 38922 IG1 IG2 IG3 IG4 IG5
Число элементов на ИМС, менее 10 100 1000 10 000 100 000
Степень универсальности Стандартные ИМС ИМС, изготовляем! лона ые с помощью шаб- Заказные ИМС
Сложность структуры Степень интеграции Низкая, фиксированная МИС, СИС (БИС) Высокая, выбираемая БИС, СБИС Выбираемая в зависимости от выполняемой функции СИС, БИС, СБИС
Минимальный объем экономически оправданной партии ИМС Группа ИМС (см. табл. 6.1.10, TGL 38922) 1...100 Пленочные ИМС 10... 1000 (и более) Гибридные ИМС 100... 10 000 Полупроводниковые (монолитные) ИМС
Выполняемые функции и назначение (см. Аналоговые (линейные) ИМС бипо- Цифровые ИМС биполярные: ТТЛ и полу-
табл. 6.1.14, TGL 24569/02) лярные: усилители всех типов, бытовые электронные приборы (радио- и телеприемники и др.); на МОП-струк-турах: измерительные усилители на полевых МОП-транзисторах (мало распространены) проводниковые запоминающие устройства (широко распространены); на МОП-структурах: полупроводниковые запоминающие устройства и микроЭВМ (широко распространены)
2 Зак. 218
Допустимая температура окружающей среды, области применения
Электрические входные и выходные сигналы (рабочие и допустимые значения определяются стандартами на изделия), статические и динамические характеристики, допуски
Число источников напряжения на одну ИМС (в соответствии со стандартами на изделия), полярность и значение напряжения, В (см. табл. 6.1.4)
Основная форма (см. табл. 6.1.15 и рис. 6.1.5)
Варианты
Шаг между выводами
Число выводов:
преимущественно в особых случаях
Материал корпуса
От 0 до +70 °C; бытовая аппаратура
От — 25 до + 85 °C; про-
мышленное оборудование
От — 55 до + 125 °C; аппаратура военного назначения, авиационное и космическое оборудование
Другие допустимые значения температуры; области применения оговариваются особо
Напряжение, ток, мощность, допустимая нагрузка, вид входных и выходных сигналов, частота, время переключений и выполнения операций, постоянные времени регулирования и др.
Одно (следует стремиться к одному напряжению питания ИМС) Два (в настоящее время наиболее широко распространенный ва- риант) Не менее трех (очень редко встречающийся вариант)
Прямоугольный параллелепипед Цилиндр Бескорпусное исполнение
FP, SIP, DIP, QIP и др. ТО-5, ТО-8, ТО-18, ТО-78 Пассивированный кристалл
1,25 или 2,5 мм По дугам окружности диаметром 5 мм и др. 0,15...0,2 мм на кристалле
FP: на двух или четырех сторонах На двух, трех или четырех сторонах
14, 16, 20, 24, 28, 40, 64 До 12, 18, 22, 36, 42, 48 8, 10, 12 4, 6, 16 Различно
Обычно пластмасса, керамика и металл-стекло Глазурь для пассивации
Комбинации металла и стекла FP: Металл-стекло и др.
оэ 6.1.12. Классификация цифровых ИМС
Основной принцип работы Сокращенное обозначение, название Год разработки Типичные характеристики одного выпрямителя
Время задержки переключения, нс Потребляемая мощность, мВт Произведение мощности на время, пВт-с
Принцип насыщения ДТЛ — диодно-транзисторная логика 1962 До 500 Биполярн 60 ая ИМО Более 1000
Р(Е)ТЛ — транзисторная логика с(резистивно-емкостной) резисторной связью 1963 До 200 До 10 Более 500
НСТЛ — транзисторная логика с непосредственной связью 1963 1966 До 30 До 20 До 70 2...12 До 500
И2Л — интегральная инжекционная логика 1975 1976 1980 35 20 10 0,085 0,05 0,01 3,0 1,0 0,1

Площадь вы-пря-мите-ля *, мкм2 Число технологических шагов для Примеры Примечание
маскирования диффузии
ГДР: KWH КМЕЗ; D2 СССР: К194, К216 Вначале имели вид гибридных, в последующем монолитных ИМС
ГДР: KWH КМЕЗ; DI, D11 СССР: К201
— — — ГДР: KWH КМЕЗ; D31 СССР: К115 Простая конструкция, высокая чувствительность к помехам; первая монолитная ИМС
31 4...5 2...3 США: сверхбольшие ИМС (СБИС) Простая конструкция даже для СБИС, большее быстродействие, чем ИМС на МОП-структурах

to * ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика 1963 10
Принцип переключения тока ЭСЛ (ТЛЭС) — эмит-терно-связанная логика (транзисторная логика с эмиттер-ными связями) 1967 1974 2 0,7
Статический режим Одноканальные структуры: p-МОП (металл-окисел-полупро-водник с каналом р-типа) 1970 200
п-МОП (металл-окисел-полупро-водник с каналом и-типа) 1973 100
МНОП (металл-нитрид-окисел- полупроводник) 1975 —
Комплементарные структуры: КМОП (комплементарная МОП-структура) 1973 30**
00 СП

10 100 340 7 4 См. табл. 6.1.13 Наиболее распространены, универсальны, дешевы
30 43 ИМС на 60 30 МОП-стру 1ктурал 7...8 СССР: К500 Самые быстродействующие ИМС, дороже ТТЛ, очень распространены
од 20 68 4...5 1 ГДР: серия U, например, U880D Первые одноканальные структуры, помехостойкие
0,1 10 36 5...7 1...3 ГДР: серия U, например U880D Доминирующие ИМС на МОП-структурах, совместимы с ТТЛ
ЧССР: МНВ108 Для электрически программируемых постоянных запоминающих устройств
1,0** 30** 320 6...7 3 СССР: К564, К176 Для схем на больших ИМС с батарейным питанием, например для запоминающих устройств
Основной принцип работы Сокращенное обозначение, название Год разработки Типичные характеристики одного выпрямителя
Время задержки переключения, нс Потребляемая мощность, мВт Произведение мощности на время, пВт’С
КНС (кремний на сапфире) 1974 15** 0,5** 7,5**
Динамический режим Динамические схемы (двух-, четырех- или шестифазные) — —‘ — —
Преобразование зарядов ПЗС — приборы с зарядовой связью 1975 Менее 20 МГц Менее 20 мкВт на бит —
Продолжение 1абл. 6.1.12
Площадь вы-пря-мите-ля *, мкм2 Число технологических шагов для Примеры Примечание
маскирования диффузии
— 8 2 Для запоминающих устройств и других схем на СБИС
— — — Для динамических запоминающих устройств с произвольной выборкой
60 на бит — — США: Intel 2416 (16 Кбит) Для запоминающих устройств, фильтров, датчиков (обработка изображений)

6.1.13. Транзисторно-транзисторные логические схемы (напряжение питания 5 В, превышение полезного сигнала над сигналом помехи 1 В, коэффициент разветвления по выходу 10, три варианта исполнения выводов)
Название Год разработки Максимальная рабочая частота, МГц Типичные характеристики одного выпрямителя Степень интеграции Число типов ИМС одной серии Примеры Примечания
| Температурный диапазон 1 । ГДР ЧССР СССР Несоциалистические страны 2
Время задержки переключения, нс Потребляемая мощность, мВт Произведение мощности на время, пВт-с
Стандартные 1965 50 10 10 100 МИС СИС (БИС) Более 200 1 2 3 D10 ЕЮ МН74 МН84 МН54 К155 К133 Х74ппп Х84ппп Х54ппп Широко распространены, обладают высоким быстродействием, относительно дешевы
Быстро-действующие 1967 125 6 22 132 МИС СИС Более 20 1 2 3 D20 Е20 — К131 К130 Х74Нпп Х84Нпп Х54Нпп Быстродействие выше, чем у стандартных ТТЛ ИМС, при большей потребляемой мощности
На полевых транзисторах с барьером Шот-ки 1970 125 3 19 57 МИС СИС БИС (СБИС) Более 30 1 2 3 — MH74S MH84S MH54S К531 К530 X74Snnn X X54Snnn Очень высокое быстродействие, используются для микропроцессорных ИМС, относительно дороги
£
Продолжение табл. 6.1.13
Название Год разработки Максимальная рабочая частота, МГц Типичные характеристики одного выпрямителя Степень интеграции Число типов ИМС одной серии Примеры Примечания
Температурный диапазон 1 ГДР ЧССР СССР Несоциалистические страны 2
Время задержки переключения, нс Потребляемая мощность, мВт Произведение мощности на время, пВт«с
Мало- 1968 3 30 1 30 МИС 30 1 — К158 X74Lnn Потребляемая мощ-
мощные СИС 2 — — К136 X54Lnn ность меньше, чем
3 — — — — у ТТЛ ИМС на ло-
кально-периодических
структурах
Мало- 1972 5 10 2 20 МИС Более 100 1 DLnnn К555 X74LSnnn Широко распростра-
мощные, 1975 5 2 10 СИС 2 D — — X54LSnnn нены, часто заменяют
на поле- БИС 3 — — — подобные им стан-
вых тран- (СБИС) дартные ТТЛ ИМС
зисторах
с барье-
ром Шот-
ки
1 1: от 10 до 70 °C, бытовая аппаратура; 2: от —25 до 85 °C, промышленное оборудование; 3: от —55 до 125 °C, аппаратура военного назначения и др.
2 п — цифра в обозначении типа ИМС.
6.1.14. Классификация ИМС в зависимости от выполняемых функций (по TGL 24569/02)
Функциональная группа Назначение ИМС Варианты,основные технические характеристики Число 1
Вторичные ис- Аналоговые сигналы Выпрямители, преобразовате- Мощность рас- 1, 2
точники питания (см. разд. 6.1.3) Различные уст- ли, трансверторы, регуляторы фиксированных и переменных напряжений, стабилизаторы тока и т. п. Аналоговые или дискретн Матрицы резисторов, конден- сеяния примерно до 10 Вт ые сигналы Не менее двух пе- 1, 2...
ройства (пас- саторов, диодов, транзисторов реключающих
сивные или активные матрицы) Многофункцио- и Дили) других ЭРЭ (например, светодиодов) Схемы управления узлами и элементов, в большинстве случаев повышенная точность Современный пре- 1, реже 2
нальные схемы (аналоговые, цифровые, комбинированные) Генераторы, ос- приборами, серии ИМС для электронных бытовых приборов (часы, устройства передачи и записи звука и изображения, фотокамеры) Для синусоидальных, прямо- дел: АМ/ЧМ-ра-диоприемник на одном кристалле Со свободными 1, 2
цилляторы, автоколебатель- ные схемы Модуляторы, угольных, непрерывных или других сигналов (например, шумов) Резонансные, полосовые фильт- колебаниями, синхронизируемые Управляемые на- 1, реже 2
демодуляторы, фильтры Схемы задерж- ры, фильтры высоких и низких частот для сигналов с амплитудной, частотной, фазовой, кодоимпульсной модуляцией Пассивные или активные (на- пряжением или стабилизирован- ные кварцем, рассчитанные на частоту от низкой до высокой, в большинстве случаев бескатушечные
ки Схема сравне- пример, линии задержки) Схемы, в которых выходные Выходные сигна- 1, 2
ния Преобразова- сигналы зависят от амплитуды, частоты, фазы, длительности [и (или) их комбинации] сигналов на входе Преобразователи уровня (на- лы аналоговые или дискретные, чаще всего прерывистые Стандартные или 1, 2, редко
тели всех типов пряжения, мощности), анало- заказные ИМС (в больше
го-цифровые и цифроаналоговые преобразователи Преобразователи частоты, фазы, длительности импульсов и т. д. । — 1 большинстве случаев гибридные) 1 ।
39
Продолжение табл. 6.1.14
Функциональная группа Назначение ИМС Варианты,основные технические характеристики ’Число 1
Триггеры Схемы возбуждения Усилители всех типов Переключатели, коммутационные устройства Моностабиль-ные схемы Бистабильные схемы Регистры Счетчики и делители частоты Триггер Шмитта, пороговые схемы, мультивибраторы Преимущественно для импульсных сигналов, адресация и получение тока разряда Низко- и высокочастотные, операционные, разностные, импульсные, индикаторные усилители, усилители записи и воспроизведения, формирователи сигналов для линий связи, повторители, отвечающие экстремально различным требованиям (в отношении постоянства сигнала, содержания шумов, ширины полосы и т. д.) Цифровые (двои чные) Переключатели тока и напряжения, формирователи сигналов для линий связи (инвертируемые и неинвертируемые, см. «Усилители») Моностабильные мультивибраторы D-, Т-, RS-, IK-, ведущие и динамические триггеры Запоминающие и сдвиговые регистры, релейные элементы с фиксацией состояния (чисто параллельные, от последовательно-параллельных до чисто последовательных, стираемые, каскадируемые и т. д.) Схемы с выбираемыми входами и коэффициентами деления, программируемые; с двоичными, десятичными, шестнадцатеричными, двоично-десятичными выходами с одним выходом из м, с выходами для семисегментного устройства изображения Для однократных и периодических процессов, часто с преобразованием уровня Различные исполнения (биполярные и униполярные ограничения по напряжению и мощности, различные схемные решения) сигналы Также с «открытым коллектором», выходом с тремя устойчивыми положениями Время опрокидывания может задаваться извне Изменяемые входы 2-, 4-, 6-, 8-, 12-или 16-разрядные с выбираемыми входами и выходами 4, 6, 9 и большее число разрядов, частоты до 10 МГц (в стандартных ИМС) 1, 2, 4 1...8 1...8 1, 2, 4, 6, 8 1, 2, 4 1, 2, редко больше 1, 2 1, 2, редко больше
40
Продолжение табл. 6.1.14
Функциональная группа Назначение ИМС Варианты,основные технические характеристики Число 1
Запоминающие ЗУ для записи и считывания т адресов для п 1
устройства (статические и динамические разрядов (п= 1,4,
(ЗУ) оперативные ЗУ), ЗУ для хранения констант (постоянные ЗУ, постоянные ЗУ с программируемым размером пол^, стираемые постоянные программируемые ЗУ, электрически программируемые ЗУ), знакогенераторы, ЗУ магазинного типа и ЗУ обратного магазинного типа, ЗУ для записи и считывания (например, энергонезависимые ЗУ на цилиндрических магнитных доменах) >8;n=8:mmax = = 216); с элект-ронными устройствами выборки или без них (чаще всего при высокой степени интеграции)
Логические элементы Логические схемы ИЛИ, И, HE-ИЛИ, НЕ-И и их комбинации; инверторы, расширители 2...8 разрядов 1—4, 6, 8
Арифметичес- Полусумматоры, полные сум- 2, 4, 8, 16 разря-
кие устройства маторы, умножители, микропроцессоры, блоки сопряжения с периферийными устройствами (например, программируемые порты ввода-вывода, универсальные асинхронные устройства передачи и приема данных), функциональные генераторы, арифметико-логические устройства дов (степень интеграции от СИС до БСИС; предел — микроЭВМ на одном кристалле)
Цифро-цифро- Детекторы четности, схемы 2...9 разрядов, 1, 2, редко
вые преобразо- проверки приоритета, селекто- частично содер- больше
ватели ры данных, блоки уплотнения, шифраторы и дешифраторы (двоичные, восьмеричные, десятичные, шестнадцатеричные, двоично-десятичные, с одним выходом из п, для семисегментного устройства изображения и т. д.) жатся в других ИМС
1 Максимальное число одинаковых (элементарных) функций на ИМС.
41
Особенно низка потребляемая мощность ИМС на КМОП-структурах, чем объясняется их широкое применение в устройствах с батарейным питанием, таких, как кварцевые наручные часы, энергозависимые запоминающие устройства и т. д. Напряжения питания ИМС лежат: в диапазоне от 5 до 30 В; исключение составляют наручные часы, в которых это напряжение составляет около 1,3 В. Многие ИМС требуют нескольких напряжений питания. При напряжении питания 5 В и выше современные полупроводниковые запоминающие устройства (постоянные и с произвольной выборкой, емкостью до 16 Кбит) и однокристалльные микропроцессоры имеют максимальную мощность рассеяния около 1 Вт.
Изменение уровня цифровых электрических сигналов, характерного для ИМС одной серии, до уровня, требуемого для ИМС другой серии, осуществляется с помощью соответствующих устройств согласования уровней. Но для использования таких схем необходимо точно знать параметры их входных и выходных сигналов. И напротив, знание процессов, протекающих внутри ИМС, для реализации ее функции излишне, тем более что внутренняя логика ИМС может быть совершенно иной по сравнению с логикой работающих по ее сигналам устройств.
6.1.2.2. Конструкция
ИМС монтируются почти исключительно на печатных платах, поэтому шаг выводов на их корпусах должен соответствовать шагу координатной сетки платы. Этому требованию удовлетворяют выводы всех корпусов прямоугольной формы (рис. 6.1.5, табл. 6.1.15). И лишь круглые корпуса типа ТО, модифицированные из корпусов транзисторов, перед монтажом требуют предварительной подготовки (см. разд. 6.1.1.2) или применения специального монтажного инструмента для ввода восьми — четырнадцати выводов в отверстия в печатной плате. Установка на печатной плате и пайка выводов ИМС к проводникам платы не вызывает никаких проблем по сравнению с монтажом дискретных ЭРЭ. Однако снятие ИМС, например при ремонте, создает значительные трудности и может привести к повреждению не только ИМС, но и самой печатной платы. Поэтому для выпайки ИМС были созданы специальные рабочие места. По этой же причине, а также для предотвращения перегрева дорогих ИМС (больших и сверхбольших) установка большого их числа производится с помощью переходных панелей (чаще всего с золочеными контактами), которые припаиваются к плате. ИМС затем вставляется в панель без пайки. Однако только абсолютно надежное контактирование выводов ИМС с печатной платой может гарантировать сохранение высокой надежности всей схемы, размещенной на плате.
Наиболее широкое распространение во всем мире получили пластмассовые корпуса типа DIL, в них монтируются ИМС различного функционального назначения. В корпусах типа FP с 4Х 16 = 64 выводами при шаге 1,25 мм устанавливаются в основном сверхбольшие ИМС, предназначенные для карманных калькуляторов. Круглые корпуса типа ТО применяются главным образом для линейных ИМС, керамические корпуса типа DIL — для ИМС, используемых в военной и космической аппаратуре и отвечающих самым высоким требованиям.
42
Шаг
В странах СЭВ: 2,5 мм В странах СЭВ: 1,25 мм
В несоциалистических странах: 2,54 мм ±0,125 (1/10 дюйма) В несоциалистических странах: 1/10 или 1/20 дюйма
Обозначение:
Подтип Кодовые числа 3—5 Число выводов Подтип Кодовые числа 3—5 Число выводов
Тип | 1 । 1 _ Тип 1 1—>41 1 1
'->21. D.ei.A. п TGL26713 D.E.A. П TGL26713
21. 2. 3. 2. 28 TGL26713 41. 1. 2.3. 28 TGL26713
Размер Минимальный Максимальный Размер Минимальный Максимальный
Размеры выво- Длина L 2,5 5,0 Длина L 3,5 -|- Q2 5,0
дов, мм Ширина b 0,3 0,55 Ширина b 0,3 0,5
Толщина d 0,15 0,4 Толщина d 0,05 0,3
Диаметр отверстий Свободная высота А\ 0,75 0,5 0,9 1,8 Высота Q2 с А
Продолжение рис. 6.1.5
Размеры корпуса, мм Длина 3-е кодовое число 1 2 3-е кодовое число 1 2 3
Выступ zmax Общая длина ^гпах 1,0 1,25и —0,5 2,25 1,25/г 4-2,0 Выступ zmax Общая длина ^гпах 0,375 0,625п —0,5 1,0 0,625^4-0,75 1,625 0,625^4-2,0
Ширина 4-е кодовое число 1 2 3 4 5 6 7 4-е кодовое число 1 2 3 4 5 6 7
Расстояние между рядами ВЫВОДОВ, ei ном Общая ширина р ^тах 7,5 12,5 15,0 17,5 22,5 27,5 37,5 Зона корпуса 1 ^тах Общая ширина Р . ьтт р ^тах 6,0 4,0 5,0 8,5 5,0 7,5 13,5 10 12,5 18,5 15 17,5 26 22,5 25 41 37,5 40 58,5 55 57,5
Высота 5-е кодовое число 1 2 3 5-е кодовое число 1 2 3 4
Рис. 6.1.5. Обозначение и размеры ИМС по TGL 26713 и международным стандартам: а — тип 2 (корпус типа DIL); б — тип 4 {корпус типа FP) / — место маркировки
Сд ---------------------------------------------------------------------------
6.1.15. Варианты корпусов ИМС (см. рис. 6.1.5)
Краткое обозначение Форма корпуса и нумерация выводов Число ВЫВОДОВ п. Длина, мм Ширина, мм Высота, мм Материал
SIL SIL 3...12 Пример: 6 3...12 8...32 1,5...3 8...15 12,5X8,5X3 10,0...32,5 6,0 13,8 Керамическая или стеклянная подложка, покрытие погружением (TGL 29948) Стеклянная подложка залита в ме-
Г -Лн |1л
1
DIL (специальный) QIL (специальный) FP -с о к |щ^" Ч *^4 iih Пример: 12 4...64 8...64 Пример: 12 8...22 24...64 Пример: 14 32,5X13,8X6 5,5...52,8 6,5... 19 (37,5) 3,5...5,3 Как и корпусов DIL 19,5X7,0X4,0 9,5...42,0 4,0...57,5 1,5...7,6 3,5 X 6,5 X L5 таллический стаканчик (TGL 29948) Пластмасса или керамика (TGL 26713) Пластмасса или керамика Керамика, пластмасса или металл и стекло (TGL 26713) (ТО 84)
/о 0Л п ь
46
Продолжение табл. 6.1.15
Краткое обозначение
Форма корпуса и нумерация выводов
Число выводов п
Длина, мм Ширина, мм Высота, мм
Материал
ТО ТО то
©00© © © © ©
4, 6, 10 12
d = 7,9...8,5 D = 8,9...9,5 /г = 4,5 или
6,4...6,6
Металл стекло
Тропа (СССР)
12
11,8
11,8 5
Металл и пластмасса
8
и
1 SIL или SIP (Sindle-in-line-package) — корпус с однорядным расположением выводов; DIL или DIP (Dual-in-line-package) — корпус с двухрядным расположением выводов (по TGL 26713 — тип 2/1); QIL или QIP (Quad-in-line-package)— корпус с четырехрядным расположением выводов; FP [(Flat pack (age)] — плоский корпус (по TGL 26713 — тип 4/1); ТО (Transistor outlines) — круглый корпус.
Для уменьшения размеров, снижения стоимости и расширения функциональных возможностей приборов все шире применяются бескор-пусные ИМС. Они могут иметь жесткие (в виде контактных площадок, балочные, шариковые) или гибкие (проволочные, пластинчатые) выводы. Для механического крепления кристалла к его подложке, а также для теплоотвода в большинстве случаев достаточно жестких выводов, гибкие же выводы требуют дополнительного крепления кристалла, например, с помощью токопроводящих клеев. Так как в настоящее время установка кристалла в корпус (например, в корпус, показанный на рис. 6.1.5) и монтаж корпуса на печатной плате требуют затрат, более чем в 2 раза превышающих стоимость «среднего» кристалла, использование бескорпусных ИМС должно быть технически обоснованным. Наряду с описанными выше вариантами корпусов ИМС существуют также их многочисленные модификации. К ним относятся корпуса с увеличенными металлическими поверхностями для усиления теплоотвода и с окнами из кварцевого стекла для стирания данных, записанных в программируемом постоянном запоминающем устройстве, с помощью УФ-излучения. Гиб-
47
ридные ИМС могут иметь увеличенные размеры, а число их выводов может превышать 64 и т. д.
Подробнее о тенденциях развития микроэлектроники можно узнать из специальной литературы, периодических изданий и проспектов различных фирм.
6.1.2.3. Применение
Функциональные микроэлектронные узлы используются в основном в электронной аппаратуре для обработки информации (см. табл. 6.1.7). Быстрое развитие этой области техники характеризуется решением следующих основных задач [6.1.10]:
повышение физико-технических, экономических и эксплуатационных параметров уже существующей аппаратуры. Эта задача решается, например, внедрением механических и электромеханических функциональных узлов, выполняющих преимущественно функции управления [канцелярские машины и оконечные телеграфные устройства, автоматические телефонные станции, элементы коммутации и включения (см. разд. 6.3.5) ], а также с помощью электронных функциональных узлов, собираемых преимущественно из дискретных ЭРЭ или ИМС с низкой степенью интеграции (бытовая электронная аппаратура, системы управления обрабатывающими и перерабатывающими машинами, аппаратура для транспортных средств и военного назначения);
внедрение новых технических решений, обеспечивающих получение параметров, которые были бы немыслимы без появления микроэлектронных устройств. Эти устройства зачастую комбинируются с современными электромеханическими, оптоэлектронными и другими преобразователями, иногда на одной ИМС или на одном кристалле (например, для измерительных, исполнительных и управляющих устройств).
Каждая уточненная задача определяет данные об объеме выпуска, о стоимости, размерах, массе и характеристиках питания разрабатываемого изделия. Благодаря этому с учетом всех прочих условий конструктору заранее известна требуемая степень интеграции ИМС, из которых будет собрано это изделие (см. табл. 6.1.13). В зависимости от типа задачи, сроков, имеющегося ассортимента ИМС, оборудования, уровня квалификации персонала и других факторов может быть принято решение о сборке изделия на нескольких печатных платах, на одной печатной плате, в виде ИМС или даже одного кристалла, причем эти элементы могут быть разработаны вновь или получены частичной или полной модификацией уже существующих элементов. Кроме того, для изделия может быть выбрана структура, специально разработанная для решения данной задачи или окончательно определяемая в ходе технологического процесса (для цифровых устройств это относится к программируемым логическим схемам или к логическим схемам с фиксированным монтажом).
Поэтому в большинстве случаев необходимо проверять, насколько целесообразно применение программируемых ИМС с большой или сверхбольшой степенью интеграции, таких, как однокристальные микроЭВМ,
48
устройства ввода — вывода, датчики времени, запоминающие устройства, устройства сопряжения и т. п. (см. табл. 6.1.4). Эти ИМС изготовляются по р*азличным технологиям (см. табл. 6.1.12), а их относительно низкие стоимости сделали возможным их широкое распространение. Примерами являются микроЭВМ на одном кристалле для бытовых электронных приборов, электронные фотокамеры и т. д. Однако при решении некоторых задач в основном последовательный принцип действия этих ИМС определяет предел их возможностей, несмотря на высокую тактовую частоту (1 —10 МГц). Кроме того, следует учитывать, что разработка и хранение управляющих программ, заменяющих жестко коммутированную логику, требует разработки новых задач и соответствующего оборудования, например, рабочих мест программистов, систем разработки на базе микроЭВМ и т. д. [6.1.8].
Наряду с этими программируемыми ИМС, которые могут выпускаться партиями как малого, так и большого объема, в будущем большую роль будут играть, во-первых, специализированные ИМС, которые будут изготовлять в очень большом количестве и высокого качества (например, для управляемой на расстоянии бытовой электронной аппаратуры), и во-вторых, выпускаемые малыми партиями ТТЛ ИМС для функциональных узлов высокой производительности.
6.1.3. Источники электропитания
Источником электропитания называется функциональный блок, который преобразует электрические величины источников энергии (вид и амплитуда напряжения, частота и т. д.) в величины, необходимые потребителю [6.1.12—6.1.16, 6.1.22—6.1.28]. Преобразование осуществляется посредством трансформации, выпрямления, фильтрации, стабилизации, реверсирования и т. д.
В качестве потребителя можно рассматривать все средства вычислительной техники, устройства управления, автоматизации и измерения, испытательную аппаратуру, а также многие другие электрические и электронные приборы и устройства.
Характерными параметрами источников электропитания являются: диапазоны входных напряжений и частот переменного тока, при которых источник должен сохранять работоспособность; выходные величины (выходное напряжение, диапазон изменения тока на выходе); коэффициент стабилизации.
При стабилизации напряжения коэффициент стабилизации представляет собой отношение относительных колебаний входного напряжения к относительному изменению выходного напряжения при номинальном выходном токе или в диапазоне допустимых выходных токов. При стабилизации тока этим коэффициентом является отношение относительного изменения выходного тока к относительному изменению сопротивления нагрузки при номинальном входном напряжении или в диапазоне допустимых входных напряжений. Вместо коэффициента стабилизации часто указывают:
49
Рис. 6.1.6. Классификация источников электропитания
допустимое отклонение выходного значения от номинального при полном использовании диапазонов изменения входного напряжения и нагрузки;
относительный размах колебаний (при выходном постоянном напряжении или токе), представляющий собой отношение двойной амплитуды фона переменного напряжения (тока) к значению постоянного напряжения (тока);
КПД;
продолжительность регулирования (для стабилизированного источника электропитания), равная интервалу времени между моментами скачкообразного изменения влияющей величины (входного напряжения, нагрузки) и достижения выходной величиной области допустимых погрешностей.
В приведенной классификации источников электропитания основное внимание уделено элементам, предназначенным для стабилизации выходной величины (рис. 6.1.6).
Большинство источников электропитания работает от сети переменного тока. Использование сети трехфазного тока целесообразно, как правило, при мощности не менее 3 кВт. Питание постоянным напряжением применяется прежде всего в переносных приборах, а также в непрерывно работающих источниках питания.
Источник должен обеспечивать на выходе стабилизированное постоянное напряжение. Постоянный ток и переменное напряжение (переменный ток) на выходе необходимы в специальных случаях (например, в устройствах стабилизации напряжения сети, в источниках электропитания ламп, цепей накала электровакуумных приборов, а также в источниках питания специальных реле и магнитов). Источники электропитания часто имеют несколько выходов.
50
6.1.3.1. Нестабилизированные источники постоянного напряжения, работающие от сети
Входной трансформатор (рис. 6.1.7) выполняет следующие задачи: гальваническое разделение входных и выходных цепей для получения выходного напряжения, не зависящего от потенциала земли, и ограничения повышенного напряжения (относительно земли или заземленного корпуса) первичным контуром источника. При особых требованиях к безопасности необходимо устанавливать специальные трансформаторы (например, с раздельными первичной и вторичной обмотками, с заземленной экранирующей обмоткой, с усиленной промежуточной изоляцией);
повышение или понижение входного напряжения до требуемого выходного значения.
Если всю первичную обмотку или часть ее использовать одновременно и в качестве вторичной (автотрансформатор), то, хотя гальваническое разделение обмоток будет отсутствовать, при той же номинальной выходной мощности магнитопровод будет иметь меньшие размеры. Получаемая при этом экономия материалов зависит от коэффициента трансформации. При его значениях меньше 0,3 или больше 3 экономия близка к нулю.
Магнитопроводы трансформаторов выполняют из листовой электротехнической стали IV или из тонколистовой стали, обеспечивающей меньшие магнитные потери. В соответствии с TGL 0-41302, магнитопроводы имеют в основном М-, Е/I- и LL-образную форму. Для снижения рассеяния применяют кольцевые или ленточные магнитопроводы.
В качестве выпрямителей применяют кремниевые диоды, включаемые по одно- или двухполупериодной схеме. Для получения повышенного напряжения используют умножители напряжения.
Мощные выпрямительные диоды (SY 360, SY 170 и др.) могут применяться только при частоте примерно до 1 кГц вследствие их относительно большого времени восстановления обратного сопротивления и связанных с этим потерь на переключения. При более высокой частоте, встречающейся, например, в преобразователях постоянного напряжения, необходимы специальные диоды, у которых время восстановления обратного сопротивления менее 0,5 мкс. Для напряжения до 10 В наиболее пригодны мощные диоды Шотки, у которых очень низки потери на переключение и мало падение прямого напряжения (менее 0,4 В); у других диодов это значение в 2—3 раза больше.
Сглаживание выпрямленного напряжения производится с помощью зарядного конденсатора, при повышенных требованиях — с помощью одно- или многокаскадного фильтра. При очень малом токе достаточно RC-цепочки, в иных случаях обычно используют индуктивно-емкостные фильтры.
Рис. 6.1.7. Схема (а) и условное обозначение (б) нестабилизированного источника постоянного напряжения
а) 5)
51
В выпрямителях с зарядным конденсатором напряжение фона растет пропорционально току нагрузки, при большом токе возникает опасность превышения тока, допускаемого стандартом TGL 200-8278/01 для электролитических конденсаторов. Целесообразно применять двух-полупериодную схему с последовательно включенной LC-цепочкой (т. е. без зарядного конденсатора). Эта схема отличается малой зависимостью выходного напряжения от тока нагрузки, вплоть до его нижнего критического значения. Однако в большинстве случаев целесообразно и экономически более выгодно применять зарядный конденсатор.
6.1.3.2. Стабилизированные источники постоянного напряжения, работающие от сети
Стабилизация с помощью нелинейного элемента (рис. 6.1.8) в настоящее время применяется редко. В схеме используются стабилитроны мощностью несколько ватт. Как правило, они имеют простую конструкцию. Недостатками являются низкий КПД (примерно 0,5), большие допустимые отклонения напряжения стабилизации и сильная зависимость напряжения от температуры, если оно значительно отличается от 5 В. „ Эта зависимость может быть уменьшена включением одного или нескольких диодов последовательно со стабилитроном. Такая цепочка, если ее диоды установлены в одном корпусе и оптимально компенсированы, называется опорным элементом. Опорные элементы используются в высококачественных регуляторах напряжения как источник стандартных напряжений.
Для стабилизации напряжения можно использовать металлооксидные варисторы, устанавливаемые вместо стабилитронов в маломощных схемах.
Стабилизация с помощью регулятора. Регулятор напряжения сравнивает выходное напряжение источника со стандартным, усиливает полученную разность и управляет регулирующим звеном так, чтобы разность оставалась возможно более постоянной. Чем больше усиление в таком пропорциональном контуре регулирования, тем меньше отклонения выходного напряжения от заданного значения. Коэффициент стабилизации зависит от сдвига фаз входного и выходного напряжений открытого контура регулирования.
Стандартное, или опорное, напряжение получают, как правило, с помощью стабилитронов, которые при повышенных требованиях выполняются в виде опорных элементов, а при очень высоких на них подается постоянный ток.
Роль регулирующего звена может играть магнитный усилитель или управляемый полупроводниковый прибор (тиристор, симистор, транзи-
Рис. 6.1.8. Схема стабилизированного источника постоянного напряжения
52
Рис. 6.1.9. Схема регулятора на магнитных усилителях:
/ — сравнение и управление
Рис. 6.1.10. Тиристорные регуляторы постоянного напряжения .с тиристором в первичном (а) и вторичном (б) контурах:
/ — сравнение и управление отсечкой фазы
стор). Его присоединение к схеме (последовательно или параллельно нагрузке) зависит от заданных параметров регулирования.
Регулятор на магнитных усилителях состоит из катушек с ферромагнитными магнитопроводами и дополнительных выпрямительных диодов (рис. 6.1.9). Нелинейные магнитные свойства магнитопроводов используются для регулирования напряжения и тока в контуре переменного тока. Вследствие большой массы и неэкономичной технологии изготовления катушек такие регуляторы теряют свое значение по сравнению с полупроводниковыми регуляторами. Однако они еще часто встречаются в источниках электропитания аппаратуры связи.
Тиристорный регулятор. При установке регулирующего звена в первичной части источника тиристоры должны быть включены встречнопараллельно (рис. 6.1.10, а). Электрически смещенный на 180° импульс отпирающего тока тиристора для управления отсечкой фазы с помощью трансформатора или оптоэлектронной линии связи должен быть гальванически отделен от вторичного контура, что невозможно при расположении регулирующего звена в этом контуре (рис. 6.1.10, б). В этом варианте регулирующим звеном служит управляемый выпрямитель, чаще всего в виде полумостовой схемы.
Преимуществом тиристорного регулятора является высокий КПД, обеспечиваемый низкими потерями в регулирующем звене, имеющем два устойчивых состояния (закрыт-открыт). Недостатки — большая длительность регулирования (несколько периодов колебаний сетевой частоты) и образование радиопомех вследствие скачкообразного изменения тока при включениях. Эти регуляторы используются при большой выходной мощности, а также в качестве предварительных каскадов непрерывно работающих транзисторных регуляторов с широким диапазоном выходных напряжений.
53
Рис. 6.1.11. Транзисторные регуляторы постоянного напряжения:
а — непрерывный; б — релейный с понижением входного напряжения; в — релейный с повышением входного напряжения; г — релейный с изменением полярности входного напряжения; / — усиление; // — сравнение
В транзисторном регуляторе регулирующее звено (транзистор) используется в качестве переменного активного сопротивления (непрерывный регулятор) или электронного ключа (релейный регулятор). В первом случае транзистор включается последовательно нагрузке (рис. 6.1.11, а). Он выделяет разность между постоянным выходным и выпрямленным входным напряжениями. Через транзистор всегда течет суммарный ток нагрузки, создающий значительную мощность рассеяния, поэтому транзистор должен устанавливаться на радиаторе. При регулировании выходных напряжений, например, в лабораторных сетевых приборах, предел допустимой мощности рассеяния достигается очень быстро, если входное напряжение соответственно не изменяется с помощью переключателя или тиристорного регулятора.
В непрерывных регуляторах постоянного напряжения часто используются ИМС (например, МАА723). Выходная мощность регуляторов может быть повышена за счет включения дополнительных силовых транзисторов. В регуляторах фиксированных напряжений с выходными токами до нескольких ампер отпадает необходимость во внешнем подключении ИМС для установки и стабилизации напряжений и ограничения тока. Регуляторы этого типа, в особенности на ИМС, отличаются высоким коэффициентом стабилизации и малой длительностью регулирования. Они не создают помех радиоприему и пригодны в основном для децентрализованного электропитания отдельных функциональных узлов больших приборов или устройств. Их единственным недостатком по сравнению с релейными регуляторами является низкий КПД при малых выходных напряжениях и больших колебаниях входного напряжения.
Для релейного регулятора необходим аккумулятор энергии, так как здесь мощность генерируется импульсами, а на выход она должна подаваться непрерывно. В качестве аккумулятора используется дроссель.
На рис. 6.1.11, б представлена схема релейного регулятора с пониженным входным напряжением ((7А<(7Е), а на рис. 6.1.11, в — с повышенным (£/А> UE). Принцип изменения полярности (/А относительно UE использован в схеме, показанной на рис. 6.1.11, г. Регулирование осу-54
ществляется изменением частоты переключения при постоянной длительности включения или изменением этой длительности при постоянной частоте переключений. Второй метод нашел широкое применение в регуляторах со свободными колебаниями при изменении частоты к длительности импульса. Такие регуляторы не имеют специального источника фиксированной частоты. Частота переключений обычно выше предела слышимости (не менее 16 кГц), поэтому аккумулирующий дроссель может быть мал, а его магнитопровод может быть ферритовым.
Потери в регулирующем звене складываются из потерь на переключения и потерь при пропускании тока в состоянии насыщения, т. е. они значительно меньше, чем у непрерывного регулятора. Вследствие этого КПД релейного регулятора заметно выше. Однако релейные регуляторы имеют неблагоприятные регулировочные характеристики и генерируют значительные напряжения, помех. Во многих случаях это не считается недостатком, поэтому подобные регуляторы получают все более широкое распространение. Уже появились их варианты на ИМС. Для уменьшения амплитуды колебаний и длительности регулирования к полному сопротивлению сглаживающих конденсаторов йредъявляются повышенные требования.
6.1.3.3. Стабилизированные источники переменного напряжения, работающие от сети
Стабилизация с помощью нелинейного элемента. При малой мощности стабилизация выходного напряжения источников электропитания может быть осуществлена с помощью встречного включения стабилитронов или с помощью варистора (включенного по симметричной схеме). При низких требованиях к постоянству напряжения или тока используются терморезисторы с положительным и отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.
Нелинейная вольт-амперная характеристика дросселя с магнитопроводом без воздушного зазора, обусловленная явлениями магнитного насыщения, используется для стабилизации напряжения сетй (рис. 6.1.12, а). Магнитные стабилизаторы отличаются большой стойкостью к перегрузке и широким диапазоном изменения входного напряжения, но
Рис. 6.1.12. Стабилизация переменного напряжения с помощью магнитного стабилизатора (а) и трансформатора, коэффициент трансформации которого изменяется двигателем М (б):
/— сравнение и управление
55
Рис. 6.1.13. Тиристорные регуляторы переменного напряжения с регулированием по методу отсечки фазы (а) и со схемой подавления гармоник (б):
I — сравнение и управление; // — фильтр
имеют большую массу. Если не приняты специальные меры, то выходное напряжение зависит от частоты (изменение частоты на 1 % вызывает изменение напряжения примерно на 1,5 %).
При выборе соответствующих сечений и материалов магнитопровода можно значительно улучшить конструктивные и электрические параметры стабилизатора. Такие стабилизаторы называются феррорезонанс-н ы м и.
Стабилизация с помощью регулятора. В стабилизаторах переменного напряжения в качестве регулирующего звена могут быть использованы элементы, применяемые в стабилизаторах постоянного напряжения. В большинстве случаев речь идет о стабилизации напряжения сети. Применяются и так называемые двигательные регуляторы, в которых роль регулирующего звена играет регулировочный трансформатор с коэффициентом трансформации, зависящим от частоты вращения двигателя (рис. 6.1.12,6). Эти регуляторы отличаются высоким КПД и без дополнительных устройств обеспечивают напряжение синусоидальной формы на выходе, однако время процесса регулирования у них велико.
Регуляторы на магнитных усилителях имеют повышенное напряжение в регулирующем звене, поэтому в основном применяются тиристоры (рис. 6.1.13). В большинстве случаев они включаются встречно-параллельно (рис. 6.1.13, а) и поэтому могут быть заменены симисторами. Длительность регулирования равна одному или нескольким полупериодам сетевого напряжения. Основной проблемой является высокий коэффициент нелинейных искажений, появляющийся при управлении методом отсечки фазы. Он может быть снижен при использовании специальных схем (рис. 6.1.13,6) или устранен с помощью фильтров (например, отсасывающего фильтра гармоник). При очень высоких требованиях к качеству регулирования применяются транзисторные регуляторы со стабилизацией по мгновенным значениям напряжений. Действительное значение напряжения сравнивается с опорным синусоидальным напряжением; выявленные отклонения в течение доли периода корректируются транзисторным регулирующим звеном. Вследствие относительно высокой 56
стоимости регулирующего звена и сложности регулятор находит применение только в специальных устройствах.
6.1.3.4. Источники электропитайия с постоянным входным напряжением
Для работы источников электропитания все чаще используется постоянное напряжение. Основной задачей таких источников является преобразование постоянного напряжения в одно или несколько постоянных или переменных напряжений, часто стабилизированных. Об одном из возможных решений, позволяющих получать на выходе постоянное напряжение, уже упоминалось в разд. 6.1.3.2. В рассмотренных ниже схемах также используется гальваническое разделение входа и выхода. Входное напряжение периодически включается и отключается с помощью электронного переключателя в первичной цепи трансформатора. В результате таких переключений за счет индукции во вторичной обмотке появляется переменное напряжение прямоугольной формы, которое или вновь выпрямляется, или используется в качестве переменного.
Преобразователь постоянного напряжения. Если в описанной выше схеме в качестве ключа используется транзистор, а напряжение на вторичной обмотке выпрямляется, то такой преобразователь называется трансвертором. Различают однотактные схемы в виде преобразователей с диодом в открытом или закрытом положении и двухтактные в вид9 мостовых преобразователей (рис. 6.1.14). Полупроводниковая техника позволяет создавать такие преобразователи мощностью от несколько ватт до нескольких киловатт при входном напряжении от нескольких вольт до нескольких сотен вольт. Регулировочные характеристики и частоты переключений подобны описанным в разд. 6.1.3.2.
Рис. 6.1.14. Преобразователи постоянного напряжения:
а — с транзистором в закрытом положении и внешним управлением; б — с транзистором в закрытом положении, автоколебательный преобразователь: в — с транзистором в открытом положении; г — двухтактный преобразователь;
/ — сравнение; // — управление
57
Рис. 6.1.15. Двухтактный тиристорный преобразователь постоянного напряжения:
/ — Генерирование импульсов и управление
Преобразователи постоянного напряжения в переменное
(рис. 6.1.15) используются преимущественно при повышенной мощности и низкой частоте пере-
ключения (50 ... 400 Гц). В качестве переключателя, как правило, применяются тиристоры. Тиристорные преобразователи постоянного напряжения в переменное относительно дороги, так как для запирания тиристора необходимы специальные схемы, а напряжение во вторичной обмотке несинусоидально (для получении синусоидального напряжения необходимы сложные фильтры). При малой мощности применяются в основном транзисторы.
Стабилизация выходного напряжения тиристорного преобразователя может быть осуществлена изменением длительности включений, регулированием входного постоянного или выходного переменного напряжения. Для постоянства частоты выходного напряжения должен быть предусмотрен отдельный стабильный по частоте управляющий источник.
Такие преобразователи устанавливаются там, где имеется только постоянное напряжение, а приборы требуют переменного напряжения электропитания, а также в качестве резервного источника.
6.1.3.5. Релейный сетевой источник электропитания
Электропитание приборов от сети через релейный источник, все более широко применяемое в последние годы, имеет значительные преимущества по сравнению с классическими источниками. Он представляет собой комбинацию выпрямителя и трансвертора с регулируемым выходным напряжением (рис. 6.1.16). В этом источнике сочетаются преимущества релейного регулятора и трансформатора, он имеет малые габариты и массу благодаря высокой рабочей частоте преобразователя. Использование ключевых транзисторов высокого напряжения при увеличении КПД
Рис. 6.1.16. Релейный источник электропитания: I — сравнение
58
на 25 ... 40 % позволяет снизить объем и массу источника на 70 ... 80 %. Без дополнительных затрат надежно предотвращается отключение выходного напряжения при отключении сети длительностью до одного периода, что важно для вычислительной и управляющей техники. Схемы возбуждения, выпускаемые в виде ИМС, позволяют получать очень экономичные источники электропитания, обладающие по меньшей мере такой же надежностью, как и применяемые до сих пор.
6.1.3.6. Источники непрерывного электропитания
Электропитание устройств, для которых отключение сети может привести к тяжелым последствиям (например, для аппаратуры связи, отдельных средств управления и регулирования), должно быть непрерывным. Как правило, используют дополнительный накопитель энергии, чаще всего аккумуляторную батарею (рис. 6.1.17). В нормальном режиме от сети производятся питание потребителя энергии и заряд или подзаряд аккумуляторов. При отключении сети источником питания служит батарея до повторного включения сети или до разряда батареи.
Для электропитания приборов переменного тока от аккумуляторной батареи (или от выпрямителя) включается преобразователь постоянного напряжения в переменное. Для повышения надежности часто включают
Рис. 6.1.17. Схема источника непрерывного электропитания
два выпрямителя сетевого напряжения и два преобразователя постоянного напряжения в переменное, работающие при сниженной вдвое нагрузке. Для комбинации выпрямитель-аккумулятор в зависимости от особенностей потребителя энергии и требуемого времени работы аккумулятора при отключении сети различают буферный, параллельно-резервный и переключательный режимы.
6.1.3.7. Устройства защиты и сигнализации
Для предотвращения недопустимого нагрева или перегрузок ЭРЭ, а также для защиты потребителей и проводников от перегрузок необходимы устройства защиты. Простейшими, наиболее широко распространенными устройствами защиты являются плавкие предохранители. Однако время их срабатывания и коэффициент перегрузки (отношение токов срабатывания и номинального) так велики, что надежную защиту полупроводниковых приборов они обеспечить не могут. Поэтому для защиты от перегрузок по току и напряжению необходимы электронные схемы.
В схемах с транзисторным регулирующим звеном широко распространена очень надежная защита транзистора от перегрузки по току за
59
Рис. 6.1.18. Характеристики регулятора постоянного напряжения с защитой от перегрузки
Рис. 6.1.19. Тиристорная схема защиты от перенапряжения:
I — сравнение
счет обратного загиба характеристики регулятора (рис. 6.1.18). В других случаях, особенно для защиты потребителя от перегрузки по напряжению, применяют тиристорные схемы защиты (рис. 6.1.19).
6.1.З.8. Нагрев
КПД источника электропитания при номинальной нагрузке в зависимости от принципа его действия составляет 40—80 %. Потери возникают прежде всего в трансформаторе, в выпрямительных диодах и в регулирующем звене контура регулирования или в нелинейном стабилизирующем элементе, включая иногда и балластные резисторы. При выборе и расчете этих ЭРЭ за основу принимают их допустимый нагрев (избыточная температура), температуру окружающей среды и конструктивные особенности. Необходимо учитывать, что срок службы ЭРЭ особенно силовых полупроводниковых приборов и электролитических конденсаторов, зависит от их рабочей температуры. Допустимое термическое сопротивление радиаторов для полупроводниковых приборов зависит от максимальной мощности рассеяния и допустимой (или заданной) избыточной температуры. Заметную роль играют пространственное положение и качество поверхности радиатора, а также термическое сопротивление перехода полупроводниковый прибор-радиатор. Для стандартизованных охлаждающих профилей и корпусов значения термического сопротивления необходимо принимать в соответствии с действующими регламентирующими документами (например, TGL 26151; см. разд. 5.4).
6.1.3.9. Конструкция
В настоящее время источники электропитания собираются в основном на печатных платах (см. разд. 6.1.5). Так как регулирующие функциональные узлы представляют собой высокочувствительные аналоговые усилители, при разработке печатной платы безусловно необходимо учитывать следующее:
проводники должны иметь достаточно большое поперечное сечение и только в одном месте соединяться с силовой частью источника;
поперечное сечение проводника должно обеспечивать допустимый нагрев при перегрузках;
60
Рис. 6.1.20. Подключение проводника для оценки напряжения на нагрузке: ____ — печатная плата
проводник для отвода фактического (выходе ного) напряжения к блоку сравнения должен быть подключен к выходным зажимам напрямую. Он должен использоваться только для выходного
напряжения. При высоких требованиях к постоянству напряжения проводник обратной связи может быть подключен непосредственно к нагрузке (потребителю). При использовании электрических соединений необходимо учитывать появляющееся на них падение напряжения при подключении проводника обратной связи за розеточной частью соединителя (рис. 6.1.20);
для повышения коэффициента стабилизации опорный элемент, делитель выходного напряжения и измерительный резистор необходимо устанавливать в относительно холодных местах. Эти элементы не должны испытывать переменный нагрев (например, со стороны регулирующего звена или трансформатора при изменяющейся нагрузке);
электролитические конденсаторы, особенно в релейных сетевых источниках электропитания и регуляторах, должны быть соединены с силовыми проводниками с помощью коротких проводников большого поперечного сечения. Такое соединение используется и для конденсаторов блокировки высокочастотных напряжений переключения, так как в иных случаях могут возникнуть сильные радиопомехи;
в релейных сетевых источниках электропитания с помощью тщательной трассировки проводников следует устранять емкостные и индуктивные паразитные связи первичного и вторичного контуров.
Сетевые источники электропитания работают при высоких напряжениях, поэтому при их разработке необходимо учитывать требования техники безопасности, изложенные в TGL 200-0602 и TGL 29286/04.
Для источников электропитания велика удельная потребляемая мощность на единицу объема. Поэтому установка источников в приборах и устройствах не должна вызывать нагрева других функциональных узлов. В стойках их целесообразно размещать в верхней части, если это допустимо по условиям механической стойкости (см. разд. 5.4).
6.1.4. Электрические соединения
6.1.4.1. Функция и конструкция
В пределах электрических и электронных функциональных узлов электрические соединения [6.1.10, 6.1.17, 6.1.19, 6.1.29, 6.1.30] обеспечивают связь функциональных элементов между собой для обеспечения требуемых потоков энергии и информации. Поэтому электрическое соединение обеспечивается следующими элементами (рис. 6.1.21): проводником, единственной функцией которого является передача потока энергии или информации, и соединителем, состоящим в общем случае из двух частей. Одна из этих частей относится к соответствующему элементу прибора, другая — к проводнику.
61
Рис. 6.1.21. Схема соединения ЭРЭ А и В:
1 — проводник; 2 — часть соединителя со стороны проводника; 3 — часть соединителя со стороны ЭРЭ; 4 — электрический соединитель
Соединители выполняют две функции: соединение проводников и передачу потока информации или энергии. Электрические соединения не должны влиять на функции расположения соединяемых элементов прибора.
6.1.4.2. Проводники
Проводники вызывают только местные изменения передаваемых величин. Это позволяет сформулировать следующие функциональные критерии оптимизации проводников:
минимум потерь передаваемого потока энергии (за счет ответвлений, эффектов задержки и отражений на концах проводника) ;
минимум помех извне (емкостных, индуктивных, тепловых нагрузок; климатических влияний, в частности, влажности и излучения);
минимум помех во внешнюю среду (емкостных, индуктивных и тепловых нагрузок; использование электрической и механической защиты от касаний для уменьшения помех).
Разнообразие требований, предъявляемых к электрическим проводникам в приборах, объясняет разнообразие их конструкций (табл. 6.1.16).
6.1.16. Электрические проводники
Название и марка Схема Области применения
проводника и характеристики
Проводники связи для фиксированного электромонтажа
Монтажный провод, неизолированный (TGL 5477)
Печатные проводники
1 — проводники из электротехнической меди, толщиной 20—70 мкм; 2 — основание из гибкой полиэфирной или полиамидной пленки
Провода массы и заземления в приборах и установках
Проводники минимального объема для передачи сигналов. Малая масса, высокая гибкость и прочность; высокая воспроизводимость электрических свойств; минимальное согласование
62
Продолжение табл. 6.1.16
Название и марка проводника Схема Области применения и характеристики
Провод для дальней связи из 1—5 проволочных жил (TGL 21806/05): Универсальный провод для передачи сигналов в приборах. Соединение пайкой, опрессовкой и зажимом или
SL, SUL, LSL, LUL, LSUL, LSL (St), LSL (St) UL, LSUL (St), UL, Y, 7Y, Y (C), YY, Y (St) Y 1 2 3 4 1 — лаковое покрытие (L); 2 — текстильная оплетка (U); 3 — лаковая изоляция (L); 4 — однопроволочный проводник из электротехнической меди диаметром 0,3—1,8 мм 1 — пластмассовая оболочка (Y); 2 — экран, обмотка из медной фольги (St); 3 — обмотка; 4 — изоляционная пластмассовая оболочка (Y); 5 — проводники внакрутку. При нагружении на срез используется провод марки Y. Для защиты от напряжений помех используется провод марки (С)
Провод для дальней Конструкцию см. выше: Провод для очень гибких
связи из 1—5 много- 4 — многопроволочный соединений (Л =
проволочиых жил (TGL 21806/06) LiSU, LiSUL, LiSL, Li2G, Li2Y, LiY, LiY (C), Li2Y (C)Y проводник из электротехнической меди = 0,02...1,5 мм2)
Проводники связи для гибкого электромонтажа
Кабель для дальней связи с числом жил 1—32 (TGL 21807/05) HGG, HG (С) G, HYY, HYF (С) Y
Кабели для передачи сигналов
1 — резиновая (G) или пластмассовая (Y) оболочка; 2— экран (С), оплетка из медной проволоки; 3 — обмотка (F) из изоляционного материала; 4 — резиновая (G) изоляция; 5 — многопроволочный проводник из электротехнической меди А < 1, 5 мм2
63
Продолжение табл. 6.1.16
Название и марка проводника Схема Области применения и характеристики
Коаксиальный высокочастотный кабель сопротивлением 50, 60 750 Ом (TGL 200-1579/05) Симметричный высокочастотный кабель сопротивлением 240, 300 Ом (TGL 200-1579/09) Силовь Неизолированная шина (TGL 5477, TGL 5478) Одножильный кабель (TGL 21804/05/11) NYA, NGA от 1 2 3 4 5 6 /, 3 — пластмассовая защитная оболочка: 2 — защитная оболочка; экранирующая оплетка из электротехнической меди: 4 — внешний проводник из электротехнической меди, оплетка, пленка или желобчатый волновод: 5 — диэлектрик из пластмассы с воздушными полостями или вспененной: 6 — внутренний проводник из электротехнической меди, одна или несколько проволок 1 — пластмассовый диэлектрик: 2 — многопроволочный проводник из электротехнической меди диаметром 0,9 мм, расстояние между жилами 4,4 и 6,4 мм >ie проводники для фиксирова С 0<_о Электротехнический алюминий или медь, A s^lO мм2 1 2 ( х Кабель для передачи сигналов в радио-, теле- и высокочастотной аппаратуре связи и измерений (антенный кабель) много монтажа Шины главной цепи или заземления в крупных приборах. При высоких частотах шины могут иметь полый профиль. Крепятся на фарфоровых или пластмассовых изоляторах. Могут укладываться на гетинаксовые гребенки для компенсации тепловых расширений скольжением Для прокладки в трубе или канале, на штукатурке или под ней, на изоляторах. Может использоваться для цепей управления (St)
64
Продолжение табл. 6.1.16
Название и марка проводника Схема Области применения и характеристики
1 — пластмассовая (Y) или резиновая (G) изоляционная оболочка: 2 — проводник из электротехнического алюминия или меди
Силовые проводники для гибкого монтажа
Двух- и трехжильный кабель
(TGL 21805/05)
NYZ, NYD
1
1 — многожильный проводник из электротехнической меди, А <0,75 мм1 2 * 4; 2 — по
Прорезиненный одно-, трех- и четырехжильный кабель
(TGL 21805/09/10/11)
NHGGU, NLH, NMH
ливинилхлоридная изоляционная оболочка серого, белого или черного цвета
4
7 2 J
1 — оплетка из искусствен-
ного шелка: 2 — резиновая оболочка: 3 — резиновая
изоляционная оболочка:
4 — многопроволочный
проводник из электротехнической меди, А <0,75 мм2
Для присоединения переносных приборов (например, радио- и телеприемников, звуковоспроизводящей аппаратуры, электробритв и т. д.) при низких механических нагрузках. Кабель марки NYZ может использоваться с плоской термопластмассовой вилкой (европейского стандарта)
Для присоединения переносных электроприборов (например, утюгов, нагревателей, пылесосов, холодильников, стиральных машин, электроплит, канцелярских машин). Обладает высокой гибкостью
6.1.4.3. Электрические соединители
Как уже говорилось, соединители выполняют две функции: функцию передачи (обеспечение надежного гальванического контакта при минимальных сопротивлении, индуктивности, емкости в месте контакта) и функцию соединения (сохранение гальванического контакта при воздействии внешних механических усилий растяжения, сжатия, изгиба, кручения и среза, а также климатических нагрузок). Обе функции должны выполняться в электрическом соединителе одновременно, т. е. соединение должно обеспечивать возможно лучшие характеристики передачи.
Электрические соединения бывают трех видов:
3 Зак. 218 65
разъемные с использованием упругих деформаций (зажимные соединения и электрические соединители);
условно разъемные с использованием пластических деформаций (соединение опрессовкой и накруткой) и изменения агрегатного состояния материала (соединение пайкой);
неразъемные с изменением агрегатного состояния материала (соединение сваркой).
Разъемные соединения осуществляются с помощью соединителей из двух легко и быстро стыкуемых частей, каждая из которых, в свою очередь, должна быть гальванически и механически надежно соединена с проводником или ЭРЭ.
В табл. 6.1.17 приведены описания наиболее распространенных разъемных и условно разъемных соединений (неразъемные соединения описаны в [6.1.19]). Для соединения выводов активных ЭРЭ (транзисторов, ИМС и т. п.) с проводниками разработаны специальные неразъемные соединения, реализуемые при агрегатном изменении материала и отвечаю-
6.1.17. Разъемные и условно разъемные электрические соединения
Тип соединения Схема
и описание
Зажимные соединения (TGL 21590). Проводник зажимается с помощью специального соединителя и может быть легко освобожден. Соединение используется в токовых цепях при низких требованиях к надежности соединения
Втулочное зажимное соединение. Проводник зажимается с помощью винта в отверстии конструктивного элемента. Соединение используется в токовых цепях, например, с помощью сборок зажимов (TGL 200-3681)
Зажимное соединение «под винт». Кольцевой наконечник (TGL 11108/01 и TGL 200-3670/01) проводника прижимается винтом к плоской опорной поверхности. Соединение используется также в слаботоковой аппаратуре
Соединение с режущими зажимами. Проводник зажимается непосредственно в одинарной или сдвоенной контактной про-
1 — проводник; 2 — конструктивный элемент
1 — зажимная скоба; 2 — проводник; 3 — опорный элемент; 4 — кольцевой наконечник
1 — контактная прорезь; 2 — корпус; 3 — режущие кромки; 4 — изоляция; 5 — проводник
66
Продолжение табл. 6.1.17
Тип соединения и описание
Схема
рези. Благодаря режущим кромкам предварительный съем изоляции не требуется. Соединение пригодно для одно- и многожильных проводов и предназначено в основном для присоединения ленточных кабелей к разъемным электрическим соединителям
Электрические соединители.
Применяются для легко разъединяемых соединений в сильно-и слаботоковых, низко- и высокочастотных приборах
Прямоугольные электрические соединители (TGL 29331). Вилочная и розеточная части соединителя имеют прямоугольное поперечное сечение. Число контактов 14—90. Соединение отличается высокой надежностью и большим сроком службы Электрический соединитель непосредственного сочленения (TGL 29331/01). На краевой части печатной платы имеются контакты, выполненные в виде вилочного соединителя. Поверхность печатных проводников покрывается сплавом Pd—Au. Для обеспечения правильности соединения предусматривается направляющий шлиц. Контактные пружины розеточной части различной формы выполняются из различного материала. Присоединение проводов к хвостовикам контактных штырей осуществляется пайкой или накруткой. Усилие сочленения 0,4—0,99 Н, расчленения 0,3—0,7 Н. Используется только в функциональных группах с печатными платами
Электрический соединитель (TGL 29331/03/04/06/07). Вилочная часть отогнутыми хвостовиками контактных штырей крепится пайкой к печатной
а — розеточная часть; б — вилочная часть;
1 — печатные проводники в виде контактов; 2 — направляющий шлиц; 3— печатная плата; 4 — хвостовик контактного гнезда; 5 — контактная пружина
а — розеточная часть; б — вилочная часть;
1 — печатная плата
67
3*
Продолжение табл. 6.1.17
Тип соединения и описание
Схема
плате. К неотогнутым хвостовикам провода присоединяются пайкой или накруткой. Контактные штыри расположены в два или три ряда и защищены корпусом вилочной части. Розеточная часть крепится к раме прибора жестко или подвижно (для компенсации допусков) Арматура соединителя с плоскими штырями (плоский штырь по TGL 22425, гнездо по TGL 200-3854). Плоский штырь вставляется в гнездо. Взаимная фиксация обеспечивается с помощью выступа на гнезде, который входит в отверстие на штыре. Штырь самозачищается об острые кромки гнезда. Применяется в соединителях для автомобильной электроаппаратуры, а также в бытовых электроприборах (стиральные машины, холодильники и т. д.) Цилиндрический соединитель для устройств обработки информации и ВЧ-аппаратуры
(TGL 10472, TGL 8549, TGL 31428, TGL 24814,
TGL 24815). Круглое сечение соединителя позволяет фиксировать вилочную часть на розеточной с помощью байонетного или резьбового замкового устройства. В приборах наиболее широко распространен пятиполюсный цилиндрический соединитель по TGL 10472 (показан на схеме)
Сетевой электрический соединитель (TGL 19486/01... 14). Двухполюсный соединитель с защитным контактом или без него для электропитания прибора от сети 250 В постоянного или переменного тока при номи-
а — гнездо; б — штырь
а — электрический соединитель типа DKA; б — розеточная часть типа AKS, устанавливаемая на приборе; 1 — ориентирующий выступ; 2 — экранирующий колпачок
68
Продолжение табл. 6.1.17
Тип соединения и описание
нальном токе 1, 2, 5, 6, 10 А. По термостойкости соединители делятся на холодные (до 65 °C), горячие (до 120 °C) и сверхгорячие (до 155 °C)
Соединение опрессовкой (соединение с помощью зажима). Условно разъемное соединение высокой надежности с упругим зажимом, с большим усилием прижимающим провод к соединительному штырю. Благодаря трению элементов соединения в процессе зажима производится их дополнительная зачистка. Возможна автоматизация установки зажимов
Соединение накруткой
(TGL 28566). Условно разъемное соединение высокой надежности посредством накрутки провода со снятой изоляцией на соединительный штырь квадратного или прямоугольного поперечного сечения. Соединение выполняется с помощью специального инструмента (накручивающего пистолета). Возможна автоматизация процесса. Соединение распространено в приборостроении
Соединение пайкой. См. табл. 6 1.18 [6.1.10].
Схема
1 — проводник; 2 — соединительный штырь;
3 — соединительный зажим
1 — 4—7 витков монтажного провода диаметром 0,3—1,0 мм (TGL 21806/05); 2 — соединительный штырь
щие требованиям монтажа микроэлектронной аппаратуры. Эти соединения могут быть внутренними (соединение выводов ИМС на кристалле с выводами корпуса) и внешними (соединение выводов корпуса с выводами печатной платы). Способы внутренних соединений (термокомпрессия, ультразвуковая сварка и т. д. [6.1.10]) представляют интерес только для изготовителей полупроводниковых приборов; знание внешних соединений важно для конструкторов приборов (табл. 6.1.18; [6.1.10]).
6.1.4.4. Электромонтаж
Качество передачи потоков информации и энергии в приборах во многом зависит от разводки электромонтажа. С учетом разнообразия конструк-
69
6.1.18. Способы внешнего соединения ЭРЭ [6-1.10]
Способ и области применения
Схема
Соединение ЭРЭ со штыревыми выводами
Пайка волной припоя. Способ наиболее распространен. Благодаря постоянному движению волны поверхность припоя остается свободной от окислов. При вариации формы волны возможно осуществление сложных видов пайки (при малом расстоянии между проводниками, при заполнении сквозных отверстий). Комплексные установки для пайки волной припоя осуществляют обработку печатной платы (флюсование, нагрев, пайка, промывка)
Инфракрасная пайка. Применяется для выборочной пайки выводов, если невозможна пайка волной припоя (например, при большой длине выводов, к которым накруткой присоединяются провода). Перед пайкой на каждый вывод кольцами накладывается необходимое количество припоя
1 — ЭРЭ; 2 — печатная плата; 3 — припой; 4 — насос; 5 — сопло
1 — излучатель; 2 — эллиптический рефлектор; 3 — печатная плата; 4 — выводы
Соединение ЭРЭ с планарными выводами
Пайка сопротивлением. Оплавление слоя припоя, предварительно нанесенного на печатный проводник, посредством подачи тока непосредственно на вывод и проводник. Ток /s ниже, чем при сварке с параллельным зазором. Возможно варьирование параметров пайки в широких пределах
Сварка с параллельным зазором. Оплавление контактирующих элементов в большинстве случаев производится импульсами тока. Применяется для выводов малой толщины. Отличается низким контактным сопротивлением
Пайка U-образным электродом. Оплавление слоя припоя посредством косвенного нагрева U-образным электродом, через который пропускается ток. Возможно соединение одновременно нескольких выводов, которые должны быть предварительно облужены
1 — вывод; 2 — электроды; 3 — печатный проводник; 4 — печатная плата
/ — печатная плата; 2 — вывод; 3 — U-образный электрод; 4 — печатный проводник
70
Продолжение табл. 6.1.18
Способ и области применения
Пайка световым лучом. Производится, как и инфракрасная пайка, но при более высокой температуре, с помощью галогенокварцевых или ртутно-паровых ламп. Нагрев возможен в точке или по линии при движущейся печатной плате.
Пайка сопровождается высоким нагревом основания печатной платы, выводы должны быть предварительно облужены
Точечная электродуговая сварка и пайка. Электрическая дуга зажигается кратковременно, переходное сопротивление в месте контакта соединяемых элементов некритично. Возможно соединение одновременно нескольких контактов при их перемещении. Необходимо точное позиционирование электрода и постоянство параметров соединения. Пайка используется только для медных проводов
Схема
2
/ — вывод; 2 — рефлектор; 3 — печатный проводник; 4 — печатная плата
1 — печатная плата; 2 — вывод; 3 — защитный газ; 4 — вольфрамовый электрод; 5 — печатный проводник

тивных решений приборов и требований к ним были разработаны варианты соединения ЭРЭ в приборах (рис. 6.1.22).
При фиксированном электромонтаже проводники не меняют своего положения, а при гибком могут перемещаться.
Ниже описаны наиболее употребительные способы электромонтажа.
Свободный электромонтаж производится отдельными проводами, укладываемыми по кратчайшему пути между электромонтажными точками (рис. 6.1.23). В электронных приборах, отличающихся высокой рабочей частотой и плотностью мощности, свободный электромонтаж позволяет снизить емкостные и индуктивные паразитные связи. Такая разводка удобна для автоматизации процесса электромонтажа. На рис. 6.1.23,8 показана разводка электромонтажа монтажных сторон электрических соединителей печатных плат. Соединение монтажных проводов с хвостовиками контактных гнезд осуществляется накруткой.
Кабельный электромонтаж предусматривает упорядоченную разводку проводов, связанных в жгут (жгутовый и канальный электромонтаж) или имеющих вид формованного кабеля. Монтажные провода, идущие в одном направлении, увязывают в общий жгут с помощью ниток, поливинилхлоридной ленты и др. (рис. 6.1.24). Разновидностью является канальный монтаж, при котором провода укладываются в пластмассовые или металлические каналы прямоугольного или круглого сечения откры-
71
I-----
Фиксированный
Электромонтаж
I_______
“И
Гибкий
I I
При упорядоченном (параллельном) При неупорядоченном расположении проводников расположении проводников
Кабельный
I-----------1----------1
Жгутовый Канальный Формованный кабелем
I
Ленточным кабелем
Плоский
Печатный Лежащими в одной плоскости проводами
I-------
Гибкий печатный
Жесткий печатный
Ленточным Формованным Схемой Типовым Специальной Объединительной
кабелем кабелем элементом печатной платай
замены платой
Рис. 6.1.22. Классификация соединений ЭРЭ
Рис. 6.1.23. Свободный электромонтаж:
а — общий случай; б — проводами минимальной длины; в — пример свободного электромонтажа; 1 — розеточная часть электрического соединителя; 2 — хвостовик контактного гнезда; 3 — вилочная часть электрического соединителя; 4 — печатная плата
Рис. 6.1.24. Жгут, увязанный нитью (а) и поливинилхлоридной лентой (б)
тые или закрытые (рис. 6.1.25). Формованный кабель представляет собой предварительно увязанный жгут (рис. 6.1.26).
Преимуществами жгутового монтажа являются легкость и наглядность разводки проводников, недостатками — емкостные и индуктивные связи между проводниками в жгуте. Этот способ можно использовать только в низкочастотных каскадах.
72
Рис. 6.1.25. Каналы для канального электромонтажа:
а — открытый; б — прямоугольного поперечного сечения со съемной крышкой; в — в виде трубы с прорезью
Рис. 6.1.26. Внешний вид (а) и схема разводки
(б) формованного кабеля
Электромонтаж ленточным кабелем является плоским электромонтажом, выполняемым укладкой отдельных проводов в одной плоскости. Провода скрепляются между собой. В современных приборах широкое распространение получили ленточные кабели из склеенных проводов с пластмассовой изоляцией (рис. 6.1.27, а). Благодаря гибкости эти кабели используются для подвижных узлов (рис. 6.1.27, б), а также для соединения узлов, выводы которых расположены с определенным шагом и в определенной последовательности (например, в прямоугольном электрическом соединителе). Экранирование отдельных проводов можно обеспечить заземлением одного или нескольких проводов.
Печатный электромонтаж в отношении достижимых электрических и механических параметров, функциональной надежности и возможности автоматизации изготовления является самым современным способом монтажа. На жесткое или гибкое основание с помощью различных технологий наносятся пленочные проводники [6.1.10], в результате чего получают готовую структуру для монтажа узла или прибора, относящуюся к классу плоского электромонтажа.
73
Рис. 6.1.27. Ленточный кабель из склеенных проводов с пластмассовой изоляцией (а) и функциональные узлы, соединенные ленточным кабелем (б)
Гибкий печатный монтаж (см. табл. 6.1.16) в основном соответствует кабелям, поскольку в противоположность жестким печатным платам он дополнительно не обеспечивает опоры для ЭРЭ. В качестве материала основания применяются полиэфирная, полиамидная, эпоксидная (армированная стекловолокном), фторопластовая пленки, на которые с одной или с обеих сторон наносятся печатные проводники. Благодаря изоляции проводников дополнительным покровным слоем пленки такой кабель обладает высокой стойкостью к химическим и климатическим воздействиям, а также отличается высокими электрическими свойствами и способен выдерживать различные механические нагрузки. Его можно изгибать, складывать, перекручивать, скручивать в рулон. Гибкий печатный электромонтаж может быть реализован тремя способами (см. рис. 6.1.22).
Гибкий печатный ленточный кабель по своим свойствам и способу применения аналогичен ленточному кабелю. Он присоединяется к концам печатных проводников или вводится в монтажные отверстия.
Гибкий печатный формованный кабель по форме и свойствам аналогичен обычному формованному кабелю. Путем надрезания такого кабеля и отгиба соответствующих проводников можно легко осуществить монтаж объемного узла. Дополнительными преимуществами являются значительное снижение перекрестных помех, меньшая требуемая площадь и малая масса.
Гибкая печатная схема, как и жесткая печатная плата, представляет собой средство электромонтажа, изготовляемое для специальных случаев применения, например для коммутации нескольких печатных плат. Такой монтаж требует малого объема и обеспечивает подвижность печатных плат.
74
Рис. 6.1.28. Многослойная печатная плата:
1 — слой монтажных окон; 2 — слой проводников цепей сигнализации, проводники расположены преимущественно в направлении х; 3, 4 — слой проводников цепей электропитания; 5 — слой проводников цепей сигнализации, проводники расположены преимущественно в направлении у
Жесткий печатный электромонтаж может быть выполнен с помощью стандартной печатной платы с электрическим соединителем (типовой элемент замены), с помощью печатной платы,
разработанной специально для данного прибора, а также с помощью объединительной печатной платы. Первые два варианта печатной платы подробно описаны в разд. 6.1.5. Объединительная плата устанавливается вместо проводов, соединяющих выводы электрических соединителей типовых элементов замены. Печатные проводники проложены в многослойной печатной плате в нескольких плоскостях по самым коротким путям (рис. 6.1.28). Объединительные платы, на которых установлены розеточные части электрических соединителей, называются панелями. Размеры плат соответствуют международным стандартам (рис. 6.1.29). Решающим преимуществом объединительных печатных плат являются их электрические свойства. При соответствующей конструкции цепи передачи потоков энергии и сигналов проводники могут быть разнесены по
различным уровням и с помощью дополнительных экранов отделены один от другого. Благодаря этому обеспечивается защита отдельных проводников от перекрестных помех. Иногда объединительная плата изготовляется с помощью изолированных проводов, укладываемых в несколько слоев на основание, покрытое клеем [6.1.10].
Характеристики описанных способов электромонтажа определяются нагрузочной способностью по току (рис. 6.1.30), емкостью связи, временем
75
1
Рис. 6.1.29. Объединительная печатная плата для типовых элементов замены:
а — объединительная печатная плата; / — рама; 2 — многослойная печатная плата; 3 — розеточные части электрических соединителей; 4 — печатная плата с вилочной частью электрического соединителя; б — размеры стандартных панелей в ЭВМ серии «Ряд» [6.1.31 ]: / — полупанель; 2 — четвертьпанель
2 510 20 50 70100 150 200 300 МО'?мм
Рис. 6.1.30. Зависимость тока медных печатных проводников 1 от поперечного сечения проводника А при различной допустимой температуре Т [6.1.1]:
bus — ширина и толщина проводника
прохождения сигнала и отражениями сигнала. Изменение емкости связи между двумя проводниками показано на рис. 6.1.31. Емкостные связи между проводниками, лежащими в одной плоскости платы, могут быть снижены или даже подавлены путем увеличения расстояния между проводниками, уменьшения их ширины, а также с помощью прокладки между ними проводников массы.
Для цифровых схем, работающих с высокой скоростью выполнения операций, важно время прохождения сигнала. Необходимая для расчета печатных плат зависимость между временем нарастания импульса и критической длиной проводника показана на рис. 6.1.32. При расчете следует учитывать отражение сигнала на конце проводника и в местах соединений (рис. 6.1.33). Для снижения отражений необходимо уравнивание волновых сопротивлений посредством выбора соответствующих размеров проводников.
76
Рис. 6.1.31. Зависимость удельной емкости С/1 двух параллельных печатных проводников длиной I (б, в) от их расположения (а) [6.1.1]:
а\ — расстояние между проводниками; b и s — ширина и толщина проводника
011,пФ]см
C/l, пФ/CM
с/ь, п$!см
S= 1,5 MM
о) 0 4 b, мм
ch, пФ! см
О / S,MM
_а i = 1,5. Ь=5мм г мм
2 1 0,5

О 1 S,MM
Рис. 6.1.32. Зависимость критической длины 1К печатного проводника от времени нарастания импульса tr при различной скорости распространения
trtHC
О 5 10 15 1к,см
сигнала v [6.1.1]
Рис. 6.1.33. Зависимость волнового сопротивления Z от ширины печатного проводника b и толщины s основания печатной платы (толщина проводника и проводящего нижнего слоя платы 70 мкм, z = 5...6, &f = l кГц...
25 МГц [6.1.1])
6.1.5. Функциональные узлы, собранные на печатных платах
Электрические и электронные функциональные узлы в большинстве случаев собирают на печатных платах [6.1.1, 6.1.9, 6.1.10, 6.1.20, 6.1.32, 6.1.33]. Для современных электронных схем с большим числом ЭРЭ, расположенных очень плотно, обычный электромонтаж с помощью проводов и крепление каждого элемента на отдельном основании вообще невозможны. Печатная плата является основанием как для ЭРЭ, так и для электромонтажа. Другими словами, она сама является ЭРЭ, изготовляемым в виде отдельной детали; благодаря плоскостной структуре производство, монтаж и контроль печатных плат могут быть легко автоматизированы. Их преимуществами по сравнению с обычным электромонтажом являются более высокие электрические свойства, хорошая воспроизводимость электрических и механических параметров, высокая плотность компоновки ЭРЭ и электромонтажа, малые масса и объем, небольшой расход материалов и высокая надежность.
В приборах применяются преимущественно жесткие печатные платы, поэтому ниже рассмотрены именно они. Гибкие платы, используемые в основном в качестве кабелей и лишь в исключительных случаях для установки ЭРЭ, были описаны в разд. 6.1.4. Технология производства печатных плат, методы и средства их автоматизированного проектирования рассмотрены в [6.1.1, 6.1.10].
6.1.5.1. Свойства
Типы печатных плат (рис. 6.1.34). Односторонние печатные платы позволяют достичь лишь небольшой плотности электромонтажа (до 1,5 контактных точек на 1 см2), и, следовательно, небольшой плотности
1 4
2 3
Односторонние
1 6
Рис. 6.1.34. Типы печатных плат:
1 — сторона пайки; 2 — основание; 3 — сторона монтажа; 4 — печатный проводник (проводящий слой); 5 — основание; 6—промежуточный слой из изоляционной пленки
78
компоновки и пересечения печатных проводников.- Вдвое большую плотность (3 ... 5 контактных точек на 1 см2) обеспечивают двуслойные печатные платы с межслойными соединениями, на обеих сторонах которых печатные проводники могут пересекаться. Максимальную плотность электромонтажа (до 10 контактных точек на 1 см2) и выполнение экстремальных требований к времени прохождения сигналов, отражению сигналов и чувствительности к помехам (см. разд. 6.1.4) можно получить с помощью многослойных печатных плат, используемых для сборки цифровых схем с высокой скоростью выполнения операций.
Более подробно различные типы печатных плат рассмотрены в [6.1.10].
Материал (TGL 11651). Материал основания печатной платы состоит из наполнителя (бумага, хлопок, стеклоткань) и связующего (фенольная или эпоксидная смола). Наиболее широко применяются комбинации фенольная смола — бумага (Р1А ... D, Р2А ... D) и эпоксидная смола — стеклоткань (SIC, S2C). Наклеиваемая на основание электрически проводящая пленка толщиной 0,025; 0,050 и 0,070 мм изготовляется из высокочистой электролитической меди.
Габаритные размеры (TGL 34636). Рекомендуемые размеры печатных плат от 35X50 до 350X350 мм. При необходимости этот диапазон может быть расширен от 10 X 10 до 240X360 мм при шаге размеров 2,5— 10 мм.
Номинальная толщина однослойной платы 1,0 или 1,5 мм, много-
слойной— 1,5 или 2,0 мм. Печатные платы в виде модулей, вертикально или горизонтально крепящиеся на монтажной печатной плате (рис. 6.1.35), могут иметь толщину 0,5 ... 0,8 мм. Модульные печатные платы целесообразно применять при большом числе однотипных печатных узлов для уменьшения объема узла или прибора. Противоположная тенденция к использованию очень больших печатных плат благодаря сокращению числа внешних соединений обеспечивает значительное повы-
шение надежности, но уменьшает возможность унификации.
Шаг координатной сетки и степень сложности (TGL 25016). Для удобства монтажа рисунок печатных проводников на плате выполняется по координатной сетке, шаг которой стандартизован. Для двусторонних и многослойных печатных плат с межслойными соединениями шаг 1,25 мм (или 0,05 дюйма = 1,27 мм), без соединений — 2,5 мм (или 0,1 дюйма = = 2,54 мм). Во всех случаях минимальное расстояние между монтажными
отверстиями составляет 2,5 мм. Все точки соединения ЭРЭ с печатной платой должны располагаться в узлах координатной сетки.
Рис. 6.1.35. Модульное исполнение печатного узла:
I — монтажная печатная плата; 2 — модульная печатная плата; 3 — электрический соединитель; 4 — контактный штифт
79
В зависимости от геометрического положения монтажных отверстий, диаметра соответствующих им кольцевых контактных площадок, расстояния между печатными проводниками, а также ширины печатных проводников (при их прохождении между двумя кольцевыми контактными площадками на расстоянии 2,5 мм) различают шесть степеней технологической сложности изготовления печатных плат (табл. 6.1.19). Наивысшая степень сложности, характерная для одного места печатной платы, определяет степень сложности изготовления всей платы. Уменьшение степени сложности влечет за собой снижение требований к технологическим допускам и стоимости изготовления печатной платы.
Отверстия (TGL 25016). К основным на печатной плате относятся монтажные отверстия для установки выводов ЭРЭ и переходные отверстия (см. табл. 6.1.19), а также крепежные отверстия для фиксации ЭРЭ на печатной плате или самой печатной платы в приборе. Диаметр крепежных отверстий 2,7; 2,8; 3,2; 3,4; 4,3; 5,0 мм.
Проводящий рисунок (TGL 25016). Контактные площадки проводящего рисунка предназначены для электрического соединения выводов ЭРЭ с печатными проводниками. Площадки могут иметь любую форму, но чаще применяются кольцевые контактные площадки с отверстием в центре для вывода ЭРЭ. Диаметр кольцевой площадки желательно увеличивать для повышения надежности контакта.
Печатные проводники представляют собой электрически проводящие дорожки шириной не менее 0,45 мм между контактными площадками. Для прокладки между двумя кольцевыми контактными площадками при шаге координатной сетки 2,5 мм ширину печатного проводника можно уменьшить до 0,3 мм (рис. 6.1.36, а). Это равноценно прокладке печатного проводника мимо контактной площадки при расположении их по линиям координатной сетки с шагом 1,25 мм. Такая разводка печатного монтажа допустима после прохода проводника между контактными площадками или при исключении других вариантов разводки. После прохода допустимы изгиб проводника под прямым углом и дальнейшее прохождение на расстоянии более 1,25 мм от контактной площадки (рис. 6.1.36, б). Отогнутая часть проводника должна быть не менее 0,45 мм.
Печатный проводник должен подводиться к контактной площадке под углом не более 45°, если линии, на которых расположены проводник и площадки, соответствуют линиям координатной сетки с шагом до 1,25 мм (рис. 6.1.36, в). Ширина углового участка должна быть не менее 0,45 мм. Подвод печатного проводника под прямым углом к одной или двум контактным площадкам, расположенным на линиях координатной сетки с шагом 1,25 мм, допустим только в случаях, представленных на рис. 6.1.36, г. Проводники, отходящие от площадок, должны быть прямолинейными на расстоянии по меньшей мере 1—2 мм. Следует избегать узких мест, стыковки печатных проводников под острым углом и цепочек контактных площадок (рис. 6.1.36, д).
Экраны, представляющие собой большие проводящие участки печатной платы, используются для снижения сопротивления линии электропитания или массы, а также для уменьшения емкостных перекрест-80
6.1.19. Технологическая сложность изготовления печатных плат
Степень сложности и требования
1. Расстояние между центрами монтажных отверстий или кольцевых контактных площадок а^5 мм
II. а = 3,54 мм при шаге 2,5 мм
II. а = 2,5 мм для отверстий, лежащих на одной контактной площадке
III . а = 2,5 мм или центры расположены со смещением 1,25 мм
IV . а = 2,5 мм или центры расположены со смещением 1,25 мм относительно проходящего между ними или рядом с ними печатного проводника
V. а = 2,5 мм, но при изгибе печатного проводника под прямым углом на расстоянии 1,25 мм внутри группы кольцевых контактных площадок и при прокладке двух печатных проводников между двумя кольцевыми контактными площадками, смещенными по диагонали на 2,5 мм
VI. Расстояние между центрами монтажных или переходных (диаметром 0,9 мм) отверстий равно 2,5 мм; расстояние между центрами монтажных или переходных (диаметром 0,9 или 0,7 мм) отверстий равно 1,25Хл/2 мм; расстояние между центрами переходных отверстий (диаметром 0,7 мм) равно 1,25 мм
Схема
81
Рис. 6.1.36. Взаимное расположение печатных проводников и контактных площадок:
а — прокладка печатного проводника между двумя контактными площадками, лежащими в узлах координатной сетки с шагом 2,5 мм; б — печатный проводник, изогнутый под прямым углом после его прохождения между двумя контактными площадками; в и г — подвод печатного проводника к контактной площадке и под прямым углом к контактным площадкам при расстоянии между соответствующими линиями координатной сетки 1,25 мм; д и е— неправильные и правильные варианты подвода печатных проводников к контактным площадкам
ных помех (см. разд. 3.2.4.1). Обычно такой слой имеет решетчатый или растровый рисунок (рис. 6.1.28, 6.1.37). На печатной плате могут быть предусмотрены печатные контакты — специальные печатные проводники для подключения платы к розеточной части электрического соединителя (см. табл. 6.1.17) или к коммутирующему устройству
Рис. 6.1.37. Растровый проводящий рисунок печатной платы 82
Рис. 6.1.38. Диск, программного устройства в виде печатной платы
(например, печатные контакты на рис. 6.1.38). В обоих случаях необходима гальваническая обработка контактных поверхностей.
Расположение ЭРЭ (TGL 33564).
В табл. 6.1.20 и 6.1.21 приведены минимально допустимые расстояния между ЭРЭ, устанавливаемыми на печатных платах. Высо
та ЭРЭ над уровнем платы должна составлять 13,5 или 8,5 мм при расстоянии между соседними платами соответственно 20 или 15 мм.
Механическая прочность. Расчет элементов крепления платы в приборе (табл. 6.1.22) требует учета ее статических и динамических прочностных характеристик, особенно при установке на печатной плате колеблющихся, обладающих большой массой ЭРЭ (рис. 6.1.39). При неправильном расчете на прочность появляются усталостные разрушения элементов
крепления электрических и механических элементов, разрушения мест пайки, отслоение контактной площадки от основания, а также увеличиваются амплитуды колебаний ЭРЭ и самой печатной платы, что может привести к их недопустимым касаниям с другими элементами прибора [6.1.20, 6.1.32, 6.1.33].
Характеристики статической прочности обычных материалов для печатных плат определены стандартом TGL 11651; их можно найти в специальной литературе [6.1.1, 6.1.10]. Исходные данные для описанного ниже расчета собственных частот ЭРЭ, закрепляемых на печатной плате по схемам, приведенным на рис. 6.1.39, могут быть найдены по формулам, указанным в табл. 6.1.23.
Собственная частота линейных колебаний ЭРЭ рассчитывается по
формуле
/о = [1/(2л)] \Jc/m,
(6.1.1)
в случае крутильных колебаний
/о = [1/(2л)]л/^77.
Максимальная знакопеременная нагрузка ^тах -Мщах/
(6.1.2)
(6.1.3)
(см. также разд. 5.8, табл. 5.42). Характеристики печатного узла при колебательных и ударных нагрузках также определяются с помощью собственной частоты колебаний [6.1.20, 6.1.33]. Она зависит от размера а\Ь, толщины s и материала (модуля упругости Е, коэффициента Пуассона v, плотности р) печатной платы, а также от массы тв установленных на ней элементов, массы самой платы mL, условий ее крепления 6 (см. табл. 3.13) и может быть определена следующим образом:
A) = £,J 6/(2ла2)д/£>/(р$) , (6.1.4)
где D — жесткость при изгибе,
83
6.1.20. Минимальные допустимые расстояния между ЭРЭ на печатных платах ЭРЭ а) Для ЭРЭ с двумя и более выводами
84
Продолжение табл. 6.1.20
б) Для ЭРЭ с большим числом выводов
Элементы и их расположение Эскиз 61, мм, не более б?, ММ не более а, мм
Элемент с выводами под корпусом и элемент в корпусе типа DIL v/ чзрл — 1 2,5 3,6 2,5 3,75 5,0

Элементы с выводами под корпусами
1,0 1,0 2,0 1,0 2,0; 2,5 2,0; 2,5 3,6 1,0 2,0; 2,5 2,0 3,6 2,5 3,6 3,6

^2^ b>. ^2
a

3,75
5,0
5,0
6,25
6,25
7,5
8,75
6.1.21. Минимальные допустимые расстояния между ЭРЭ на печатной плате в направлении продольных осей ЭРЭ
Элементы
Эскиз
Элементы
Эскиз
С двумя выводами
С двумя выводами и с выводами под корпусом
С выводами под корпусом
5,0 С двумя выводами и в корпусе типа DIL
1,5 В корпусе типа DIL и с выводами под корпусом
0,5 В корпусах типа DIL
1,5
0,5
0,5
s х ч а
D = Es3/ [12(1 - ц2) ]; (6.1.5)
km — коэффициент, зависящий от массы, km = 1 /д/1 . (6.1.6)
В [6.1.20] даны значения постоянных, входящих в эти формулы, для стальной пластины. Для расчета собственной частоты необходимы 85
Рис. 6.1.39. Крепления ЭРЭ на печатной плате в виде одностороннего (а), рамного (б) и двустороннего (в) защемления
зависимость от условий крепления и коэффициенты сравнения:
fo= ю(Ks/o2) kmke, (6.1.7)
где ke=-у/(Е/Е„) (рст/р). (6.1.8)
Значения K = f(a/b) приведены в табл. 6.1.22.
6.1.22. Коэффициент К для типовых условий крепления печатных плат |см. (6.1.7)]
Расчетные условия и крепление в приборе Эскиз К при a/b, равном
0,25 0,5 1 1,5 2 2,5 3 4
Опирание двух продольных сторон при креплении двумя продольными направляющими "° |с а 8 16 38 70 112 165 230 394
Опирание двух продольных сторон и жесткое закрепление одной поперечной стороны при креплении двумя продольными направляющими и электрическим соединителем 40 41 56 84 124 176 240 864
Опирание всех сторон при креплении рамкой с пазами, охватывающей плату с четырех сторон 1 1 || || 25 29 47 76 117 170 234 375
Жесткое закрепление всех сторон усиленной рамкой, охватывающей плату с четырех сторон и припаянной к ней 54 58 86 145 234 352 497 868
86
Продолжение табл. 6.1.22
Расчетные условия и крепление в приборе
Эскиз
К при а/b, равном
Опирание двух продольных и жесткое закрепление двух поперечных сторон при креплении двумя продольными направляющими, электрическим соединителем и фиксатором
Опирание двух продольных и одной поперечной стороны при креплении рамкой с пазами, охватывающей плату с трех сторон
0,25 0,5
54 56
1 1,5 2
69 93 131
4 10 28 58 99
2,5
181
151
4
244
216
406
380
На рис. 6.1.40 показано изменение собственной частоты колебаний печатной платы в различных условиях. Для снижения амплитуды необходимо повысить собственную частоту колебаний платы, для чего нужно уменьшать массу устанавливаемых на плате ЭРЭ при их возможно более жестком креплении, сокращать габариты платы, выбирать соответствующий материал основания.
Рис. 6.1.40. Изменение собственной частоты [о колебаний печатного узла в зависимости от массы ЭРЭ т:
а — при различном креплении 1—4 печатной платы 160X135X1,5 мм (см табл. 6.1.22);
6 — при различной толщине печатной платы 160X135 мм
87
00 6.1.23. Параметры для определения собственных частот колебаний ЭРЭ, закрепленных на печатной плате
Параметр Горизонтальный цилиндрический ЭРЭ с аксиальными выводами или ЭРЭ с неаксиальными выводами, лежащими на одной прямой Вертикальный цилиндрический ЭРЭ с аксиальными выводами ЭРЭ с неаксиальными выводами, лежащими на двух параллельных прямых ЭРЭ, закрепленный с двух сторон
Жесткость или жесткость на кручение Масса или момент инерции (JS1—для цилиндра; /52 — для параллелепипеда) Максимальный момент Момент сопротивления Эскиз 00 см Г* г г? « П V-V ^7 т — - s g II II -Ч Чг Щ II II й 5 и 1 || - Е Е N и Л, < ь 12 I; 1 z>, 2 I II 3 . cJ 4E l- \-rv (D‘‘ = F C 1 -h III h) 4 (I 1 ) /3 r 4 > — h U ± -4- h2/ J V2; '3)/16 ) 1 F—1 12 с~ (1- ^тах Е1 Л)3 т F(l-h) z >Z _ h 1 /2 19 с= — {С- ^тах = W = jic Z £ «эд 2 = i I3. Е1 е)3 т ^с-е)/ /32 1 С е 4 4 3l
6.1.5.2. Применение
Распространенным вариантом применения печатных плат, особенно в приборах модульного исполнения, является типовой элемент замены. Он представляет собой прямоугольный печатный узел стандартных размеров с вилочной частью электрического соединителя или с электрическим соединителем непосредственного сочленения (рис. 6.1.41; см. разд. 3.2.5). Печатная плата, применяемая в качестве шасси, разрабатывается индивидуально с учетом особенностей конкретного прибора. Она позволяет с высокой плотностью разместить ЭРЭ и другие элементы и уменьшить размеры всего прибора. Форма и размеры печатной платы зависят от условий ее размещения в приборе (рис. 6.1.42).
Печатные платы могут играть роль объединительных узлов (объединительные печатные платы) для нескольких типовых элементов замены (см. разд. 6.1.4).
Рис 6.1.41. Типовой элемент замены,:
а—с электрическим соединением прямого сочленения (сторона пайки); б—с вилочной частью электрического соединителя (сторона монтажа)
6.1.5.3. Конструирование
Задачей конструирования функциональных узлов на базе печатных плат является разработка чертежей и полного комплекта документации, необходимой для изготовления самих плат и функционального узла в целом, с учетом действующих соответствующих инструкций
89
Рис. 6.1.42. Печатные платы универсального измерительного прибора (а) и часов (б)
(рис. 6.1.43). Основой является разработка печатных плат. Ее цель состоит в получении топологического описания электронной схемы как системы связанных между собой ЭРЭ при их оптимальном размещении на ограниченной площади платы и при оптимальной трассировке печатных объемных проводников между этими элементами с учетом обеспечения
требуемой механической и электрической прочности. Решение этой задачи связано с большими трудностями и требует длительного времени, поэтому все большее распространение находят системы автоматизированного проектирования (см. разд. 2.3.2.5 и 2.5.3; [6.1.1, 6.1.9, 6.1.18, 6.1.34]).
При использовании рациональной методики ручной процесс проектирования во многих случаях может оказаться вполне эффективным. Для реализации машинных методов проектирования необходима подготовка данных проекта для ввода в ЭВМ. Диалог конструктора с ЭВМ и его вмешательство в ход программы требуют хорошего знания особенностей процесса проектирования. Ниже рассмотрены шесть основ-
90
Рис. 6.1.43. Процесс конструирования функциональных узлов на базе печатных плат
Рис. 6.1.44. Процесс ручного конструирования функционального узла с печатными платами
них этапов ручного процесса проектирования электрических и электронных функциональных узлов, собираемых на базе печатных плат (рис. 6.1.44).
1. Разбивка схемы на подсхемы. При конструировании отдельных функциональных узлов прибора за основу целесообразно принимать задачу прибора в целом. Однако реализующая эту задачу электронная схема в большинстве случаев настолько сложна, что размещение ее особенно при ограничениях на размеры, накладываемых выбором определенной типовой несущей конструкции, на одной печатной плате невозможно. Первичным критерием при раз
• • • ।—।—।—::—।—।—। * * *
91
бивке схемы на подсхемы, размещаемые на отдельных печатных платах, является минимум соединений между платами, поскольку каждый разъемный контакт значительно снижает надежность прибора. Число соединений между печатными платами минимизируется строгим разграничением частных функций, выполняемых схемой прибора (см. табл. 6.1.27). Следующим шагом проектирования является размещение полученных печатных плат, необходимо стремиться к уменьшению длины проводников между платами.
2. Уточнение задачи. Для сокращения ошибок при конструировании отдельных печатных плат необходимо периодически уточнять задачи, ставящиеся перед этими платами (см. разд. 2.2.2) с учетом электрических, конструктивных и технологических требований к каждой плате.
К электрическим требованиям относятся нагрузочная способность по току, сопротивление и индуктивность проводников электропитания, допустимое время задержки сигнала, критическая длина проводников, допустимые емкости массы. При расчете печатной платы необходимо учитывать условия согласования сопротивлений ЭРЭ и волнового сопротивления проводников, возможность емкостных и индуктивных связей проводников, а также возможные электромагнитные излучения.
Конструктивные требования определяют размеры, тип и материал печатных плат; положение и взаимосвязь печатных проводников различных слоев; положение, тип, размеры, число электрических соединителей и расположение их контактов; способ крепления печатных плат (необходимые свободные поверхности на плате); условия окружающей среды (механические, термические и климатические нагрузки); расположение органов управления и настройки.
К технологическим требованиям можно отнести максимально возможную степень технологической сложности, способы сборки и контактирования, методы получения проводящего рисунка печатной платы, условия испытаний и ремонта.
3. Определение структуры. До выполнения самых важных этапов конструирования — размещения и трассировки — должна быть определена структура печатной платы с учетом требований уточненной задачи и типа схемы. Структура определяется в следующей последовательности.
Расчет полезной площади Ав (L) печатной платы по общей ее пл о-щадиЛ^: AB(L}=AL-ARF,
где Arf — сумма краевых площадей (TGL 33564), свободных площадей для крепления и нанесения маркировки и технологически необходимых площадей.
Расчет площади Ащзрэ), занимаемой ЭРЭ, производится с учетом их габаритов, размеров отогнутых выводов, требуемого диаметра кольцевых и контактных площадок, размеров вспомогательных конструктивных элементов (цоколей, радиаторов и т. д.), а также допускаемых расстояний между ЭРЭ (см. табл. 6.1.20 и 6.1.21):
m
^В(ЭРЭ) ^В(ЭРЭП)»
п = 1
92
где ЛВ(ЭРЭл) — площадь, занимаемая п-м ЭРЭ; т — число ЭРЭ на печатной плате.
Расчет коэффициента компоновки k и плотности размещения контактных площадок z:
, ^В(ЭРЭ)
*=-д------;
I ПЭРЭ Z ==—г'---,
где Е^эрэ — сумма выводов ЭРЭ; £пу — сумма используемых узлов координатной сетки.
Выбор оптимальной структуры можно осуществить с помощью диаграммы плотности размещения ЭРЭ на различных печатных платах (рис. 6.1.45), на которой указаны значения коэффициента k и плотности z, достижимые с помощью печатных плат различных типов. Положение граничных линий на диаграмме усреднено, поэтому оценку конкретного образца платы можно сделать только по окончании процесса ее конструирования. Для оценки печатных плат с ИМС используют специальные диаграммы, учитывающие конструкцию корпусов ИМС и их выводов (рис. 6.1.46).
Группировка ЭРЭ, т. е. систематизация их размещения на печатной плате, производится в зависимости от типа схемы. Аналоговые схемы разрабатываются для решения определенных узких функций, они собираются на отдельных печатных платах, ЭРЭ которых служат для решения определенной частной функции. Схема должна быть изображена так, чтобы группировка ЭРЭ максимально соответствовала потоку функций, выполняемых всей схемой. Цифровые схемы следует
Рис. 6.1.45. Диаграмма для выбора типа печатной платы в зависимости от плотности размещения контактных площадок z и коэффициента упаковки k: 1 — неэкономичное использование площади платы; // — однослойные платы; /// — промежуточная область; IV — двуслойные платы; О — оптимальная компоновка ЭРЭ на плате; k > 95 % практически не реализуется
Рис. 6.1.46. Диаграмма для выбора типа печатной платы с двухрядным расположением 14 выводов в зависимости от количества установленных ИМС п:
/, //, ///—соответственно одно-, двух-и многослойная платы; 1 — плата 95 X X 170 мм; 2 — 135X170 мм; 3 — 215Х Х170 мм; ...— применение двухслойных плат неэкономично;---------реализация
простых логических связей
93
анализировать с точки зрения их максимальной реализации с помощью ИМС. Для уменьшения длины проводников между логическими ячейками схемы и простоты трассировкй печатного электромонтажа при минимуме требуемых слоев печатной платы следует выбирать ИМС с возможно большей плотностью интеграции их элементов. Благодаря этому сокращается число внешних соединений. Порядок действий при группировке ЭРЭ для получения минимального числа соединений между логическими ячейками схемы описан в табл. 6.1.24.
6.1.24. Компоновка логических ячеек цифровой схемы (модули Л4 — элементы схемы, объединяемые в блоки В, число соединений между которыми должно быть минимально)
Содержание
1. Нумерация блоков (1,...,я), входов и выходов ( — 1)
2. Определение максимального числа модулей в блоке Ктах
3. Заполнение матрицы соединений (чисел соединений V и сумм соединений 2 У)
4. Выбор модуля, содержащего 2Vmax
Пример
Число логических ячеек в одной ИМС
5. Формирование блока В из модуля, выбранного по п. 4, и модуля, связанного с ним наибольшим числом соединений
6. Формирование блока В* из модулей, связанных с блоком В
7. Выбор в блоке В* модуля, связанного с блоком В наибольшим числом соединений. Если такой модуль не один, то выбирается модуль, который имеет минимальное число соединений с другими модулями
G9 и G12 с тремя соединениями между ними
Модуль GIO G11
Число соединений с другими модулями 2 3
Выбирается модуль G10
94
Продолжение табл. 6.1.24
Содержание
8. Подстановка в блок В выбранного модуля и в блок В* модуля, который соединен с модулем, выбранным по п. 7

9. Повторение действий по п. 7 и 8 до получения К=Ктах в блоке В. Таким образом, первый блок сформирован
10. Повторение п. 4—9 для выбора модуля с ближайшей большей суммой соединений или до распределения всех модулей по отдельным блокам
Пример
£77
1 \IS2
L. J гЩ
1 fl lZJJ
4. Размещение ЭРЭ и трассировка печатных проводников (топологическое проектирование). Вследствие взаимозависимости расположения и соединений нерационально вначале полностью размещать все ЭРЭ, а затем переходить к трассировке печатного монтажа. Целесообразнее выполнять эти операции попеременно в несколько действий в следующей последовательности.
Размещение ЭРЭ, место которых задано особенностями конструкции прибора или его узла (например, положение и число электрических соединителей, обеспечение доступа к органам управления и настройки и т. д.), а также определено специфическими свойствами элементов (масса, чувствительность к воздействию теплоты, магнитных полей и т. д.).
Примерное размещение ЭРЭ. Вначале ЭРЭ располагают параллельно краям печатной платы для получения максимально возможной плотности компоновки. В аналоговой схеме это размещение следует начинать с ЭРЭ от входа схемы в направлении потока сигналов с учетом электрических, механических и тепловых условий (см. разд. 6.1.5.1); для цифровой схемы размещение производится по принципу минимальной длины печатных проводников с помощью матрицы соединений (аналогичной матрице в табл. 6.1.24). Для этого ЭРЭ, включая электрические соединения, нумеруются, и числа соединений элементов вносятся в матрицу, после чего элементы с самыми большими числами общих соединений располагаются как можно ближе друг к другу.
Трассировка печатного монтажа. Для повышения плотности соединений проводники на стороне пайки печатной платы должны идти преимущественно в направлении пайки ЭРЭ, а на стороне монтажа —
95
Рис. 6.1.47. Расположение печатных проводников электропитания и проводников заземления для групп ИМС (IS):
а — «тупиковый» рисунок печатных проводников электропитания U и заземления 0, распо-
ложенных на одной стороне печатной платы; б — «сетчатый» рисунок печатных проводников заземления на одной стороне печатной платы; в — «тупиковый» рисунок проводников электропитания на другой сто-
роне печатной платы
перпендикулярно к ним. Проводники электропитания и массы в целях экранирования следует прокладывать рядом, а в случае двухслойной платы — друг над другом преимущественно по краям платы, чтобы оставить ее середину для сигнальных печатных проводников. Эти проводники должны иметь минимальное сопротивление (см. разд. 6.1.5.1). Примеры трассировки цепей для групп ИМС приведены на рис. 6.1.47. И наконец, прокладку цепей сигнализации следует начинать с электрического соединения и производить ее попеременно с размещением ЭРЭ.
Для трассировки удобно использовать клетчатую бумагу или миллиметровку на прозрачной основе. С одной стороны вычерчиваются контуры ЭРЭ, с другой — печатных проводников. В случае двусторонних или многослойных печатных плат можно использовать бумагу различных цветов.
5. Проверка полученного размещения и трассировки производится в виде попыток изменить месторасположение ЭРЭ для сокращения занимаемого места, уменьшения числа взаимных перекрестных связей и улучшения условий монтажа, испытаний, обслуживания и ремонта. Следует попытаться изменить трассировку для достижения более равномерной плотности электромонтажа, упрощения рисунка и укорочения печатных проводников, устранения их изгибов под острым углом, а также объемных перемычек. И наконец, необходимо проверить правильность сборки электрической схемы.
6. Назначение размеров и выбор формы включают следующие операции:
определение формы и диаметра кольцевых контактных площадок, диаметров монтажных и переходных отверстий. Соотношение диаметра монтажного отверстия и контактной площадки должно отвечать установленным требованиям (TGL 25016; см. табл. 6.1.19, рис. 6.1.36);
96
определение ширины и длины печатных проводников, а также расстояний между ними в соответствии с электрическими условиями и с предписаниями (TGL 25016);
нанесение на чертеж платы прочих отверстий, выемок и т. д.;
точное определение расстояний между ЭРЭ и контроль различных промежуточных расстояний с учетом допусков (TGL 33564; см. табл. 6.1.20 и 6.1.21);
разработка элементов крепления печатной платы и ЭРЭ на ней, а также экранов, радиаторов и др.
Список литературы
6.1.1. Philippow Е. Taschenbuch Elektrotechnik, Bd. 3. Berlin: VEB Verlag Technik, 1978.
6.1.2. Rumpf K.-H. Bauelemente der Elektronik. 9. Aufl. Berlin: VEB Verlag Technik, 1978.
6.1.3. Friedrich-Tabellenbuch Elektrotechnik. 20. Aufl. Leipzig: VEB Fachbuch-verlag 1977.
6.1.4. Finke K.-H. Bauteile der Unterhaltungselektronik. 2. Aufl. Berlin: VEB Verlag Technik, 1982.
6.1.5. Fischer H.-J., Schlegel W.E. Transistor- und Schaltkreistechnik. Berlin: Militarverlag der DDR, 1981.
6.1.6. Kflhn E., Schmied H. Integrierte Schaltkreise. 2. Aufl. Berlin: VEB Verlag Technik, 1980.
6.1.7. Moschwitzer A., Jorke G. Mikroelektronische Schaltkreise. 2. Aufl. Berlin: VEB Verlag Technik, 1981.
6.1.8. Jugel A. Mikroprozessorsysteme. 2 Aufl. Berlin: VEB Verlag Technik, 1980.
6.1.9. Hilberg W. Grundprobleme der Mikroelektronik. Munchen: Oldenbourg-Verlag, 1982.
6.1.10. Hanke H.-J., Fabian H. Technologic elektronischer Baugruppen. 3. Aufl. Berlin: VEB Verlag Technik, 1982.
6.1.11. Luder E. Bay hybrider Mikroschaltungen (Finfiihrung in die Dunn- und Dickschichttechnologie). Berlin, Heidelberg, New-York: Springer-Verlag, 1977.
6.1.12. Stromversorgung des drahtgebundenen Fernmeldwesens. Berlin: VEB Verlag fur Verkehrswesen Transpress, 1967.
6.1.13. Wagner S. W. Stromversorgung elektronischer Schaltungen und Gerate, Hamburg: R. v. Dekkr’s Verlag G. Schenk, 1964.
6.1.14. Meyer M. Thyristoren in der technischen Anwendung, Bd. 1. Munchen: Siemens AG, 1967.
6.1.15. Wustehube J. Schaltnetzteile. 2. Aufl. Grafenau: Expert-Verlag, 1982.
6.1.16. VEM-Handbuch Leistungselektronik. Berlin: VEB Verlag Technik, 1978.
6.1.17. Faas K. G., Swozil J. Verdrahtungen und Verbindungen in der Nachrichtentechnik. Frankfurt/Main: Akadem. Verlagsges., 1974.
6.1.18. Петренко А. И., Тетельбаум А. Я. Формальное конструирование электронно-вычислительной аппаратуры. М.: Советское радио, 1979. 256 с.
6.1.19. Krause W. Grundlagen der Konstruktion — Lehrbuch fur Elektroingenieure. 3. Aufl. Berlin: VEB Verlag Technik, 1984.
6.1.20. Muller H. Konstruktive Gestaltung und Fertigung in der Elektronik, Bde. 1. und 2. Braunschweig: Friedrich Vieweg und Sohn, 1983.
6.1.21. Bohme L. Feingerate unter dem Einflup der Mikroelektronik.— Feinge-ratetechnik, 1978, Bd. 27, № 5, S. 194.
4 Зак. 218
97
6.1.22. Thurm R. Die kunftige Stromversorgiingstechnik im Fernmeldewesen der Deutschen Post.— Mitteilungen aus dem Institut fur Post- und Fernmeldewesen, 1969. № 1, S. 8.
6.1.23. Schuster W., Richter L. Dezentrale Stromversorgung fur elektronische Nachrichtensysteme.— Fernmeldetechnik, 1979, Bd. 19, № 6, S. 214.
6.1.24. Bergmann D. Schaltspannungsregler.— Elektronik, 1978, Bd. 27, № 14, S. 69.
6.1.25. Lau W. Stromversorgung fur Einrichtungen der Informationselektronik.— Impuls, 1976, № 4, S. 145.
6.1.26. Hruby F. Vlastnosti stabilisatoru napeti MAA 723, MAA 723 H.— Sdelo-vaci technika, 1973, № 9, S. 329.
6.1.27. Jansson L. E. A survey of converter circuits for switched mode power supplies.— Mullard Technical Communications, 1973, № 119, S. 271.
6.1.28. Kampe H. Netzspannungskonstanthalter fur elektronische Gerate.— radio fernsehen elektronik, 1975, Bd. 24, № 6, S. 186.
6.1.29. Protze G., Schmeiper M. Ruckverdrahtung elektronischer Gerate.— Feinge-ratetechnik, 1974, Bd. 23, № 5, S. 221.
6.1.30. Langer 1. Ermittlung der Belastbarkeit von Streifenleitungen.— Feingerate-technik, 1978, Bd. 27, № 8, S. 351.
6.1.31. Einheitliches System der elektronischen Rechentechnik (ESER) der Rates Gegenseitige Wirtschaftshilfe (RGW): Richtlinie 04-410-077.
6.1.32. Lindner H. Ermittlung der mechanisch-dynamischen Festigkeit von elektri-schen Bauelementen auf Leiterplatten.— Feingeratetechnik, 1976, Bd. 25, № 12, S. 531.
6.1.33. Lindner H. Schwingungs- und Sto0verhalten von bestuckten Leiteplatten. Tagungsbericht zum 23. International Wissenschaftlichen Kolloquium der TH Ilmenau, 1978, S. 171.
6.2. Электромеханические функциональные узлы
Символы и обозначения
А — площадь, мм2
В — магнитная индукция, Тл
Е — электродвижущая сила (Э. д. с.), В
F, Fo — сила, постоянная сила, Н
Н — напряженность магнитного поля, А’См-1
/ — действующее значение тока, А
J — момент инерции, кг «см2
L — индуктивность, Гн
М— вращающий момент, Н*м — вращающий момент системы обмоток v, Н • м
Р — мощность, Вт
R — активное сопротивление, Ом С, U* — действующее значение напряжения, повышенного напряжения, В
t/магн — падение магнитодвижущей силы, А
W— энергия, Вт «с, Н-м
с — жесткость пружины, Н-м_|; постоянная, Н-м-Вб^’-А-1 см — жесткость «магнитной пружины», Н-м «рад-1
е — э. д. с. системы обмоток v, В f, fi—частота, частота сети, Гц i — мгновенное значение электрического тока, А
i» — ток системы обмоток v, А k — постоянная демпфирования, Н-м-с-рад-1, Н-с-м_|
/ — коэффициент, мм-1
/, /v — длина проводника, м
т — число обмоток или фаз; масса, кг
98
п — число; частота вращения, с-1, мин-1
р — число пар полюсов
г, rv — радиус, эффективный радиус, мм
s — скольжение, число шагов t — время, с
и — мгновенное значение напряжения, В
w — число витков х — ход, мм
х, х*— скорость, м-с_|
х — ускорение, м-с“2
z — число полюсов
Л — разность
0 — начальная магнитодвижущая сила, А
Ф — магнитный поток, Вб
Q, Qo — угловая скорость, скорость холостого хода, с-1
Л - КПД
ц — коэффициент трения; магнитная проницаемость, Гн«м_| цо — абсолютная магнитная проницаемость, цо = 12,566* 10-7 Гн-M"1
v — число проводников; обмоток т — постоянная времени, с
ср угол, рад
ср, — угол включения тока, рад сро — конструктивный установочный угол, рад
ср — угловая скорость, рад-с_|
(p2i — относительная угловая скорость, рад-с-1
Ф21 — относительное угловое ускорение, рад-с-2
Ч' — сцепленный магнитный поток, Вб
(Dg, wo круговая частота; собственная круговая частота, с-1
Индексы
А — рабочий механизм, якорь AZ — дополнительный в якорной цепи
Е — возбуждение
Н — удерживание
К — опрокидывание
L — нагрузка
М — двигатель
N — нормальный
R — трение
S — синхронный
V — балластный в якорной цепи
/ — часть
р — параллельный якорю
г — резонансный, относительный
v — проводник, обмотка
О — начальный
магн — магнитный мех — механический ном — номинальный
общ — общий
ост — остаточный
полз — ползучесть полн — полный
раб — рабочий
ред — редуцированный
упр — управляющий эл — электрический
Разработка приборов требует знания особенностей и конструкций электромеханических узлов, используемых в качестве исполнительных устройств, замыкающих цепочку устройств обработки данных. Наряду с электромагнитами постоянного и переменного тока широко применяются электродвигатели с вращающимся якорем мощностью от 0,001 до 500 Вт [6.2.38]. Для непрерывной работы и работы в дискретном режиме все больше используются линейные двигатели, позволяющие получать возвратно-поступательные перемещения непосредственно без преобразователей.
Ниже описаны основные характеристики электромеханических функциональных узлов, используемых в приборах.
6.2.1. Приводы
Электромеханические приводы преобразуют электрическую энергию в механическую, которую затем передают или преобразуют, в свою
4
99
очередь, в другие виды энергии. В приводе для этого формируются определенные потоки энергии и информации. Основной функцией приводов в приборах является преобразование информации.
6.2.1.1. Типовые структуры
Основными элементами привода являются:
двигатель, предназначенный для преобразования электрической энергии в механическую;
рабочий механизм, предназначенный для реализации технологического процесса;
передача, предназначенная для транспортирования энергии от двигателя к рабочему механизму.
Структура привода может быть централизованной (рис. 6.2.1) или децентрализованной (рис. 6.2.2). При централизованной структуре «в центре» расположен двигатель, который через передачу обеспечивает энергией несколько рабочих механизмов. Потоки энергии на рисунке характеризуются толщиной стрелок между элементами привода. Централизованные структуры могут иметь вынужденные ходы при выполнении технологического процесса.
Зачастую для решения каждой частной технологической задачи предусматривают отдельный привод. При децентрализованной структуре каждый привод имеет отдельный преобразователь энергии и передачу. Все приводы взаимосвязаны (на рис. 6.2.3 эти связи показаны штриховыми стрелками). Благодаря меньшей сложности структуры, требуе-
5)
Рис. 6.2.1. Схемы позиционирующего устройства (централизованная структура): а —упрощенная структурная; б — функциональная; М — двигатель; 0 — передача; Ль Ла — рабочие механизмы
100
a) 5)
Рис. 6.2.2. Схемы сверлильного станка с числовым программным управлением для сверления отверстий в печатных платах (децентрализованная структура):
а — структурная; б — функциональная; М — двигатель; 0 — передача; А — рабочий механизм
Рис. 6.2.3. Функциональные схемы систем программного (а) и следящего (б) управления приводами:
В — датчик команд; М — двигатель; 0 — передача; А — рабочий механизм
мой для формирования потока механической энергии, ее оптимизация проще, чем в случае централизованной структуры.
В регулируемом приводе измерительное устройство связано с регулятором (рис. 6.2.4, а). Автоматизированный привод может быть получен при включении вычислительного устройства Re, запоминающего устройства Sp и датчика Р (рис. 6.2.4, б) [6.2.1, 6.2.2].
При расчете приводов необходимо учитывать воздействие на двигатель всех нагрузок, которые могут появиться во время работы привода, например динамических нагрузок, вызываемых включениями и выключениями самого двигателя. Кроме уже перечисленных устройств привод может содержать и ряд других (рис. 6.2.5).
101
Рис. 6.2.4. Функциональные схемы регулируемых приводов, работающих по командам:
а — измерительного устройства МЕ\ б — вычислительного устройства Re\ R — регулятор; Sp — запоминающее устройство; В — датчик команд; М — двигатель; 0 — передача; А — рабочий механизм; Р — датчик программ
Рис. 6.2.5. Устройства, необходимые для обеспечения работы привода (светлыми стрелками показаны потоки электрической энергии, черными — механической энергии):
х — величины измерений; 1/1, t/2 — задаваемые величины; М — двигатель, 0 — передача; А — рабочий механизм
6.2.1.2. Элементы приводов
Электродвигатели представляют собой электромеханические преобразователи электрической энергии №эл в механическую U7MeX; отношение этих энергий (мощностей) определяет КПД двигателя:
п = №Мех/№эл; (6.2.1)
П = Рмех/Рэл. (6.2.2)
КПД характеризует степень использования электрической энергии и может лежать в пределах
(6.2.3)
Энергия, отдаваемая электродвигателем Af, рассчитывается по формулам:
№мех=Хл1Лм; (6.2.4)
№мех = фл1Млр (6.2.5)
Соответствующая мощность может быть рассчитана следующим образом:
Рые* — хмРм; (6.2.6)
Рмех = фЛ)МЛ). (6.2.7)
102
В зависимости от вида получаемого движения электромеханические преобразователи или электродвигатели можно разделить на преобразователи с вращательным движением и преобразователи с линейным движением. По виду движения их можно классифицировать на непрерывно и дискретно перемещающиеся.
Электродвигатели с непрерывным режимом движения в зависимости от вида потребляемого тока можно разделить на электродвигатели постоянного тока, универсальные (постоянного и переменного тока), переменного тока (однофазные и трехфазные).
Механическая характеристика установившегося режима может быть жесткой, мягкой, асинхронной или синхронной. В зависимости от конструкции и принципа действия электродвигатели могут иметь различные характеристики установившегося режима и статические характеристики (рис. 6.2.6).
Передачи предназначены для транспортирования и распределения механической энергии, а также для преобразования одной формы движения в другую, например вращательного движения в линейное.
К передачам относятся механические редукторы (например, с зубчатыми колесами), кулачковые и шатунные механизмы, передачи гибкой связью [6.2.3]. Сцепные муфты также относятся к передачам; их электромагнитные варианты широко используются в приборах [6.2.1, 6.2.23, 6.2.24].
Немеханическую передачу можно реализовать с помощью двух преобразователей энергии и одной линии транспортирования немеханической энергии.
Характеристиками передач являются вид передачи движения, вид замыкания (табл. 6.2.1) и передаточное отношение.
Рис. 6.2.6. Характеристики установившегося режима электрических двигателей (а — г) и статические характеристики (д, е):
и, б — постоянного тока соответственно параллельного и последовательного возбуждения; в — асинхронного; г — синхронного; д—магнита постоянного тока; е—шагового двигателя с вращающимся ротором
103
6.2.1. Основные виды передачи движения
Принудительная передача движения Передача движения с проскальзы-
при замыкании ванием при замыкании
геометрическом силовом фазовом характеристическом объемном фрикционном
JgL v
Редуктор с Кулачковый Электромаг- Г идравличе- Пневматиче- Фрикционная
зубчатыми колесами механизм нитное поле ская передача ская система поршень-цилиндр муфта
Рабочие механизмы применяются в основном для выполнения функций транспортирования и позиционирования, а также фиксации и остановки [6.2.25]. На рис. 6.2.7 приведены формы движения, а на рис. 6.2.8 — примеры характеристик рабочих механизмов.
По отношению к двигателю рабочий механизм, детали которого обладают ненулевой массой, представляет собой дополнительную нагрузку к обусловленным функцией прибора силам и моментам. Для вращающегося привода необходимо определение редуцированного момента нагрузки Мред в зависимости от или <рм. При этом следует учитывать изменение момента инерции вызванное изменением
угла dyM [6.2.26]:
Л4ред = /ред^Фм/^^4"(Фл1/2) (dJред/б/фм)- (6.2.8)
Рис. 6.2.7. Зависимости xA(t), <pA(t) для рабочего механизма с постоянной (а — в) и переменной (г — е) частотами вращения при движении:
а, г — в одном направлении; б, д—возвратно-поступательном; в, е — с частичным возвратом
104
FL-fM f£ ML=f(tp)
e)
FL = C2S4n*L ttL = D2su]ri<pL
б)
^L~^3^L FL-C^xL st^nx^ FSC$\X I
Mt=D3$L MfDtttfsiyKh M=DS\&\‘
S) г) d)
FL = f(t) ‘ M^fd)
Ft*f(X4) FL = f(t) Ft = f(t)
Ft| ML = f(t) Ftf
Ж) 3} U)
Puc. 6.2.8. Характеристики рабочих механизмов:

a — подъемного устройства; б — исполнительного устройства; в — демпфера; г — вентилятора; d— катушки для перфоленты (Fx ~ Мц> ~ const); е — виброконвейера; ж—пер форатора; з — печатающего устройства; и — конвейера; к — в общем случае
6.2.2. Электромагниты
Электромагниты представляют собой преобразователи электромагнитной энергии в механическую, использующие силы, воздействующие на ферромагнитные детали в магнитном поле.
6.2.2.1. Основные положения
Магнитное поле характеризуют векторы напряженности Н и магнитной индукции В [6.2.5]. Эти величины связаны линейно:
В = рН. (6.2.9)
Магнитная проницаемость р определяется соотношением
р = рорг, (6.2.10)
где ро — (абсолютная) магнитная проницаемость вакуума; рг — относительная магнитная проницаемость.
Магнитная проницаемость зависит от напряженности магнитного поля (рис. 6.2.9).
Для упрощения практических расчетов магнитных цепей используются интегральные параметры: магнитный поток Ф, потокосцепление Т, индуктивность L и магнитное сопротивление /?Магн. Ниже описан порядок расчета магнитного контура, приведенного на рис. 6.2.10. Полный магнитный поток Фполн состоит из полезного потока Фб, проходящего через воздушный зазор, и потока рассеяния Ф5.
105
Рис. 6.2.9. Кривые намагничивания различных магнитных материалов:
1 - RFel2 — RFe40; 2 — RFe60 - RFe 140;
3 — RSi25 — RSi48; 4 — RNi8 — RNi 12;
5 - RSi 12 - RSi24; 6 - RNi24; 7 - RNi5;
8— RNi2
В общем случае магнитный поток, проходящий через площадь Л,
Ф = (6.2.11)
А
Если площадь А определяется только площадью w витков катушки, то сцепленный поток
^ = ^5 BdA. (6.2.12) w Aw
При постоянстве магнитного потока через витки получаем:
Ч^шФ. (6.2.13)
При отсутствии насыщения связь между потокосцеплением Ч7 и током /, проходящим по катушке, имеет вид
W = Li.
(6.2.14)
С учетом (6.2.12) и (6.2.13) индуктивность
L = wG>/i.
(6.2.15)
На рис. 6.2.10, б представлена эквивалентная схема магнитного контура без учета Ф5. Магнитодвижущая сила 8, магнитное сопротивление /?магн (/?„) и магнитный поток Ф без учета потока Ф$ связаны
соотношением
8 — Ф/?магн-
(6.2.16)
Если значением Ф5 пренебрегать нельзя, необходимо использовать эквивалентную схему, показанную на рис. 6.2.10, в. В соответствии со вторым законом Кирхгофа сумма падений магнитодвижущей силы ^магн/ равна начальной магнитодвижущей силе:
6=1 t/магн/. (6.2.17)
/
Рис. 6.2.10. Магнитный контур с воздушным зазором (а) и его эквивалентные схемы без учета Ф$(б) и с учетом Ф5(в): Sp — катушка; R& — магнитное сопротивление воздушного зазора; Rs — магнитное сопротивление потоку рассеяния
106
Рис. 6.2.11. Энергетический баланс магнитно-механической системы (без учета теплоты )
В соответствии с первым законом Кирхгофа
X ф(=0. (6.2.18)
/
Магнитные контуры с подвижным якорем имеют переменный воздушный зазор. Полезная механическая энергия А ЦРмех определяется ходом якоря А х=Х2—Xi и электромагнитной силой F магн* Как видно из рис. 6.2.11, энергия А
ния потокосцепления и максимального значения тока I—i^ но и от скорости движения якоря х.
Зависимости T, i и х, полученные измерениями, отражают также влияние, например, насыщения, формы якоря и формы поверхности контакта полюсных наконечников якоря и магнитопровода (оказывающей влияние на характеристику магнита). Сила FMarH может быть определена по измеренным значениям Чг = /(г, х):
F магн == А117мех/Дх. (6.2.19)
Для приближенного расчета
F магн == (i2/2)[dL(x)/ dx]. (6.2.20)
Формула Максвелла
FMarH=[B2/(2p0)]4 (6.2.21)
позволяет рассчитать усилие, развиваемое на торцовой стороне втяжного якоря [6.2.7, 6.2.8, 6.2.27, 6.2.28].
6.2.2.2. Конструктивные исполнения
Конструкция магнита определяется его назначением [6.2.29]. В табл. 6.2.2—6.2.4 и на рис. 6.2.12 приведены характеристики магнитов с Ш- и П-образными магнитопроводами, имеющих примерно одинаковые конфигурации магнитной цепи при притянутом якоре. Изменяя форму воздушного зазора и якоря, получают магниты с плоским, втяжным, откидным и поворотным якорями. Пример электромагнитов с втяжным якорем показывает, насколько разнообразны могут быть формы магнитной цепи.
В зависимости от конструкции электромагниты делятся на управляющие (для включения клапанов, тормозов и т. д.), переключающие (для аппаратов, например, реле, контакторов) и силовые (для приводов с большими усилиями, например, для мощных выключателей).
107
6.2.2. Конструкция электромагнитов
Примеры электромагнитов с втягивающимся якорем
Цилиндрический магнитопровод. Коническая поверхность контакта яко-
ря и неподвижной ч—— части магнитопро- I j вода
Т-образный якорь и Ш-образная неподвижная часть магнитопровода. Плоская поверхность контакта якоря и неподвижной части
магнитопровода
6.2.3. Электромагниты GBM с цилиндрическим якорем и корпусом прямоугольного сечения [6.2.75|
Тип реле
Номинальный ход якоря, мм
Наибольшие размеры, мм (т=15,1 мм, р = 5,1 мм):
Масса якоря, г
Масса магнита, г
GBM200 GBM100 GBM75 GBM50
7 5 4 3
а 51,1 38 34 29
b 25,9 18,7 16,7 14,7
с 22,1 16,1 14,1 12,1
d 7,5 6 6 6
f 8 5,5 5 4
g* 9,8 6,8 6,8 6,8
h* 2,1 1,4 1,4 1,2
i 4,2 2,7 2,7 2,7
k* 3,0 2 2 1,5
I 16,1 8,1 8,1 8,1
n М3 М2,5 М2,5 М2,5
0 M4 М3 М3 М2,6
14 5 4 2
| 120 43 30 20
* Наименьшие размеры.
Примечание. Номинальное постоянное напряжение 2, 4, 6, 12, 24, 40, 60, 80, 110 В
108
6.2.4. Характеристики электромагнитов GBM
Характеристика Значение характеристики при относительной продолжительности включения, %
5 25 40 100
GBM50
Р, Вт 4...8 3...5 2...3 1...2
/1, мс, менее 60 60 70 100
Р, Н 0,7 GBM100 0,4 0,2 0,1
Р, Вт 6...7 4...6 2,5...3,5 1,5...2
6, мс, менее 50 60 65 80
Р, Н 0,8 GBM200 0,6 0,35 0,15
Р, Вт 10...13 7...10 5...7 3...4
/1, мс, менее 60 70 80 100
Р, Н 2,75 1,75 1,20 0,75
Примечание. Максимальный ход якоря х = 3 мм для GBM50; х = 5 мм для GBM100; х = 7 мм для GBM200.
Рис. 6.2.12. Зависимость силы притяжения якоря F от хода якоря х при различной относительной продолжительности включения t, %:
а — для GBM50; б — для GBM200;---------при U ном ,
----------при 0,9 (/ном
6.2.2.3. Магниты постоянного тока
Основное динамическое уравнение. Привод, состоящий из электромагнитной и механической частей, необходимо рассматривать как единое целое. На рис. 6.2.13 представлена система из элементов, имеющих параметры с, k, m, L и /?.
С помощью уравнений Лагранжа второго рода напряжение можно записать в виде [6.2.5]:
и =iR + dW (х, i) / dt. (6.2.22)
109
Рис. 6.2.13. Электромагнитно-механическая система
Учитывая (6.2.14), получаем [6.2.30, 6.2.31]:
U = iR + L (х) di/dt + i [dL (x) / dx] x.
(6.2.23)
Условие равновесия сил имеет вид:
Лиа™ = mx + kx + сх + Fo, (6.2.24)
где Fq — сила постоянной нагрузки (см. также табл. 6.2.4).
Уравнение (6.2.20) может быть использовано для расчета электромагнитной силы. Для электромагнитов с втягивающимся якорем в качестве приближенного соотношения можно принять
L(x) = L0/(l-Zx), (6.2.25)
откуда
dL (x)/dx = ZL0/( 1 - lx)2. (6.2.26)
На рис. 6.2.14 показаны характеристики включения и отключения электромагнитов постоянного тока. Для расчетов временных характеристик процесса включения электромагнита, показанного на рис. 6.2.9, можно использовать уравнения (6.2.20), (6.2.23) и (6.2.24). Более подробно процесс включения показан на рис. 6.2.15 [6.2.9, 6.2.32].
Время запаздывания якоря /п представляет собой промежуток времени между моментами приложения напряжения U к электромагниту и начала движения якоря в направлении конечного положения.
С учетом (6.2.23) при х = 0 получаем:
/ = (£///?) (1—е-//т), (6.2.27)
где T — L/R. (6.2.28)
Конец промежутка времени /п соответствует достижению равновесия СИЛ с г Л
FMarH — Fq. (6.2.29)
Используя (6.2.20) и (6.2.27), можно определить:
/11=_L(*±ln --------—- 1 (6.2.30)
к \—^2F<>/ [dL(x0)/dx]
Время притяжения Z12 — временной промежуток от начала движения до достижения конечного положения в первый раз. Учитывая дополни-
тельные условия, можно получить приближенное уравнение [6.2.17]
/ отх . (6.2.31) U 1 2Fo 2F0 R V dL(xo)/dx dL(xo)/dx
Противодействующая сила Fq, при которой Л2 минимально:
p,jT _____ I2 dL (х)
(6.2.32)
ПО
Рис. 6.2.14. Изменение напряжения и, тока i и хода х якоря при включении и отключении магнита постоянного тока (обозначения по TGL 20448):
/1 — полное время притягивания; /п — время запаздывания; /12 — собственное время притягивания; 6з — время вибрации якоря при притягивании; /2 — время покоя якоря в притянутом положении до отключения напряжения; /з — полное время возврата в исходное положение; /31 — время запаздывания возврата; /32 — время возврата; /Зз — время вибрации якоря при возврате; /4 — время покоя якоря в исходном положении до включения напряжения; t\ +/2 — время включения; /з + /4 — пауза; /полн — полное время цикла; / — конечное положение; // — начальное положение
Рис. 6.2.15. Изменение напряжения и, тока i, силы притяжения F, хода х и скорости х якоря при включении электромагнита постоянного тока: /131, /132, /1зз — время вибрации якоря
(другие обозначения те же, что и на рис. 6.2.14);
Время вибрации якоря /13 соответствует временному интервалу, в течение которого происходят соударения якоря с неподвижной частью магнитопровода до остановки якоря в притянутом положении (см. также разд. 6.3.2; [6.2.33]). Отклонения рассчитанных значений от найденных экспериментально не превышают 10 %.
Динамические характеристики реле зависят от электрической схемы, определяющей ток через его обмотки. В табл. 6.2.5 приведены различные варианты схемы, обеспечивающие быстродействие реле. Быстродействие оценивается относительной длительностью включения, %
Е£)=ф!_100,
(6.2.33)
где /вкл — время включения; /ц — полное время цикла.
Статическая характеристика (см. рис. 6.2.6) по (6.2.20) при /=1 может быть определена расчетом. Экспериментально можно найти значения электромагнитной силы при / = const для определенных положений якоря.
111
6.2.5. Электрические схемы магнитов постоянного тока, повышающие их быстродействие ((/*= [(R4-Rv)/R] U\ nU — повышенное напряжение)
6.2.2.4. Магниты переменного тока
Для определения электромагнитной силы за основу могут быть приняты соотношения, используемые при расчетах магнитов постоянного тока. Магнитный поток считается синусоидальным:
Ф = Фтах Sin (О/. (6.2.34)
С учетом (6.2.21) электромагнитная сила
/7магн=[Фтах/(2М'оЛ)] sin2 =[Ф2 ах/(4цоЛ)] (1 — cos 2<о/). (6.2.35)
В установившемся режиме работы электромагнитная сила изменяется от 0 до Фтах/(4цоЛ) с частотой, вдвое превышающей частоту возбуждения [6.2.34] (рис. 6.2.16, а). Этот неблагоприятный эффект может быть устранен с помощью расщепленных полюсов. Как видно из рис. 6.2.16, б, дополнительная короткозамкнутая обмотка, вызывающая сдвиг магнитных потоков Ф) и Ф2 по фазе, обеспечивает сглаживание электромагнитной силы FMarH. ост- Эта сила всегда больше нуля. Изменение основных характеристик электромагнита при включении и отключении показано на рис. 6.2.17.
В цепях переменного тока, имеющих индуктивность, изменение тока включения описывается уравнением
Z = /max[C0S(G)/-h(p/) —COS ф/е“//т]. (6.2.36)
Особыми случаями решения этого уравнения являются:
I = ^max cos (°^ + л/2) при ф/ = л/2;
t = /max (cos при ф(=0. (6.2.37)
На рис. 6.2.18 приведены токи включения в контурах переменного при ф/= 0 (ф/= л/2) и постоянного тока при х = 0, т. е. при L = const. 112
а) б)
Рис. 6.2.16. Изменение магнитного потока Ф и силы притяжения ГМагн магнита переменного тока: а — без короткозамкнутой обмотки; б — с короткозамкнутой обмоткой
Рис. 6.2.17. Изменение напряжения и, тока i и хода якоря х при включении и отключении электромагнита переменного тока (по TGL 20448, обозначения те же, что и на рис. 6.2.14)
Рис. 6.2.18. Изменение тока включения электромагнитов переменного (а, б) и постоянного (в) токов [6.2.10.]:
а - Ф, = л/2, i = /тах cos (со/ + л/2); б - ф, = = °:- ----------«= /тах cos <о/;-------
‘ = /тах (coscoZ-e-'7'); ------------
z=/maxe в — 1 — 1тахе~‘''
Рис. 6.2.19. Фрикционная муфта, включаемая электромагнитом:
1 — зубчатое колесо; 2 — диск с фрикционной накладкой, 3 — вал; 4 — корпус; 5 — катушка
113
2 3
Mrt
J 2 1
Puc. 6.2.20. Конструкция электромагнитного реле:
Рис. 6.2.21. Геркон:
1 — магнит; 2 — корпус; 3 — контакты
/ — электромагнит; 2 — рычажная система; 3 — контакты
6.2.2.5. Особые случаи применения
Фрикционная муфта, включаемая электромагнитом (рис. 6.2.19). В этой муфте передача вращающего момента от зубчатого колеса на диск, жестко связанный с валом, осуществляется при включении электромагнита. Диск играет роль магнитопровода; при подаче напряжения на обмотку электромагнита на диске развивается нормальная сила FN (см. разд. 6.3.2).
Электромагнитное реле (рис. 6.2.20) относится к коммутационным приборам. При изменении проходящего по обмотке тока приводится в действие рычажная система, замыкающая или размыкающая контакты реле.
К реле с электромагнитным приводом относятся и герконы (рис. 6.2.21), в которых используется объединение функций (см. разд. 4.2.3.1). Герконы отличаются малым временем срабатывания (около 1 мс), высокой частотой переключений; они не требуют ухода и могут монтироваться на печатных платах [6.2.35].
В реле функцию привода с электрической энергией на входе могут выполнять нагреваемая нить, биметаллическая пластинка, биморфный пьезоэлемент и т. п. В реле с неподвижными металлическими контактами необходимо учитывать условия их электрического контактирования [6.2.11, 6.2.36]. Функции электромеханических реле могут выполнять чисто электронные устройства — электронные реле [6.2.12].
Магнит мозаичного печатающего устройства должен обеспечивать высокую скорость печати и большое усилие прижима иглы. В серийных устройствах мозаичной печати последовательного действия магнит специальной конструкции (рис. 6.2.22) используется в качестве печатающего механизма, при этом игла закреплена на якоре. Для печати цифровых и буквенных знаков необходимо несколько магнитов. Благодаря использованию кинетической энергии подвижного якоря это устрой-
ство обеспечивает высокую скорость печати, достигающую примерно 200 знаков в секунду при непрерывном режиме работы.
Рис. 6.2.22. Магнит мозаичного печатающего устройства:
1 — магнит; 2 — якорь; 3 — возвратная пружина
114
6.2.3. Электродвигатели с вращающимся ротором
6.2.3.1. Общие положения
В приборах широко применяются миниатюрные и малогабаритные электрические двигатели с вращающимся ротором (TGL 20675, TGL 7274). Их классификация приведена на рис. 6.2.23, 6.2.24 и в табл. 6.2.6, 6.2.7. Параметры установившегося режима работы [зависимость Q = f(Af)] таких двигателей определяются в основном конструкцией статора и ротора, а также видом тока питания [6.2.37, 6.2.38]. Прежде чем перейти к расче+у таких двигателей, следует привести некоторые основные соотношения из области теоретической электротехники.
При прохождении тока / через проводник длиной I в магнитном поле, которое характеризуется развиваемой им магнитной индукцией В, на этот проводник действует сила
или F = BIl. (6.2.38)
При расчете двигателей используется скалярное уравнение.
Если сила F воздействует на рычаг длиной г, то момент
Af = Fr. (6.2.39)
При v витках проводника общий момент может быть рассчитан в виде суммы моментов всех витков:
М = £ Fvrv = £ BvIvlvrv . (6.2.40)
V V
Простейший электродвигатель с вращающимся ротором можно представить в виде петли проводника электрического тока, концы которой подключены к коллектору. Ток подается на коллектор через скользящие по нему угольные щетки (рис. 6.2.25). Если ротор при прохождении через него тока находится в магнитном поле, то под воздействием вращающего момента М он начинает вращаться.
Механическая мощность двигателя
Рмех = МЙ. (6.2.41)
Угловая скорость Й ротора и его частота вращения связаны соотношением
Й = 2лп. (6.2.42)
Внутренний вращающий момент в соответствии с (6.2.40)
М = сФ/, (6.2.43)
где с — постоянная; Ф — результирующий магнитный поток; / — ток якоря.
При вращении ротора в его v проводниках индуцируются э.д.с. ev, сумма которых определяет напряжение Е на зажимах двигателя, которое пропорционально магнитному потоку Ф и угловой скорости Й:
£ = £е„ = сфй. (6.2.44)
115
Рис. 6.2.23. Классификация двигателей постоянного тока с вращающимся ротором [6.2.38]
Асинхронные двигатели
Рис. 6.2.24. Классификация двигателей переменного тока с вращающимся ротором [6.2.38]
6.2.3.2. Электродвигатели постоянного тока параллельного и последовательного возбуждения
Электродвигатели параллельного возбуждения (рис. 6.2.26, а) относятся к двигателям постоянного тока с независимым возбуждением. При установившемся режиме работы в общем случае (при отдельном источнике питания обмотки возбуждения) напряжение якоря
u=e+rai,
(6.2.45)
117
6.2.6. Основные свойства и области применения электродвигателей
Тип двигателя Свойства Области применения
Двигатели посто- Высокая частота вращения; прос- Периферийные устройст-
янного тока тота управления; nmin:nmax^ ^1:20 (1:4000), реверсирование изменением полярности напряжения на обмотках возбуждения якоря ва электронных средств обработки данных, фото-и киноаппаратура, устройства управления и регулирования, бытовые электроприборы
Универсальные Относительно большой пусковой Устройства обработки
двигатели момент; высокая частота вращения; nmin:nmax< 1:10 (1:50); ре-версирование изменением полярности напряжения на обмотке якоря данных, регистрирующие устройства, бытовые приборы, инструменты
Конденсаторные Относительно большой пусковой Бытовые электроприбо-
двигатели момент; nmin :nmax < 1:3- реверси-рование изменением направления вращения магнитного поля ры, инструменты, канцелярская техника
Асинхронные дви- Относительно большой пусковой Миниатюрные приводы
гатели с конденсатором во вспомогательной обмотке момент; Mmin:rlmax^ 1:3, реверсирование переключением основной или вспомогательной обмотки для приборов
Двигатели с рас- Простота конструкции; nmin: Кондиционеры и венти-
щепленными полюсами ^тах^^З, одно направление вращения, низкая нагрузка при пуске ляторы
Двигатели с поля- Малые размеры, низкая инерци- Средства автоматизации,
ризуемым ротором онная нагрузка устройства измерения времени
Реактивные двига- Частота вращения не зависит от Средства автоматизации,
тели нагрузки, привод устройств с малым моментом инерции устройства измерения времени
Гистерезисные Частота вращения не зависит от Навигационная аппара-
двигатели нагрузки, ^min’^max^ 1 Привод устройств с относительно большим моментом инерции, низкий КПД тура, устройства измерения времени, запоминающие устройства с подвижными магнитными носителями (магнитофоны)
Трехфазные асинх- Прочная конструкция, не требую- Исполнительные и следя-
ронные двигатели с щая обслуживания; Mmin:AZmax^ щие устройства в систе-
короткозамкнутым ^1:10, реверсирование переклю- мах управления и регули-
ротором чением питания или конденсатора рования, измерительная аппаратура
Асинхронные исполнительные двигатели Хорошие динамические характеристики; легкость управления, "min "max < 1:1 °00- реверсирова-ние изменением направления вращения магнитного поля То же
118
6.2.7. Характеристики миниатюрных электродвигателей
Тип двигателей Типоразмер Характеристики Тип двигателей 1 Типоразмер Характеристики
Двигатели I 4,5; 12; 24; 220 В; Синхронные V 220 В; 0,05...0,5 Вт;
постоянного тока II III 0,2; 16; 63; 25 Вт; 2200; 2000; 3000 мин-1 160 В; 230 Вт и более; 1500 мин-1 1,5; 3; 4,5; 6; 12; двигатели с возбуждением посто- янными магнитами Синхронные I 250; 375 мин-1 220 В; 0,02; 2,5 Вт;
Исполни- IV I 24 В; 0,05... 160 Вт; 1700... 12 000 мин1 ПО; 220; 440 В; 250 Вт..; 500... 3000 мин-1 60 В; 400 Вт; двигатели со встроенным редуктором Реактивные двигатели I 0,5...6 мин-1 220; 380 В; 0,16... 90 Вт;
тельные двигатели по- IV 1500 мин-1 НОВ; 1600/2200 Вт; 1500 мин-1 160 В; 5,7...120 Вт; II 1500; 3000 мин”1 220; 380 В; 120...
стоянного тока Двигатели II Г истерезис- V 3000 Вт; 1000; 1500; 3000 мин-1 220 В; 0,05...0,1 Вт;
постоянного тока со встроенным ре- IV 0,125...400 мин-1 220; 440 В; 300... 2800 Вт; 5... ные двигатели Трехфазные I 375 мин-1 220; 380 В; 16...90 Вт;
дуктором Универсаль- I 400 мин-1 6; 12; 24; 20; 220 В; асинхронные двига- II 1400; 2700 мин"1 220; 380 В; 180...
ные двига- тели Универсаль- III I 6...200 Вт; 3000; 5000; 8000 мин-1 ПО; 125; 220 В; 4... 520 Вт; 4000... 20 000 мин-1 220 В; 0,35; 0,7; тели Асинхрон- V I 13 000 Вт; 700... 3000 мин-1 220; 380 В; 60... 1500 Вт; 950... 2800 мин-1 220; 380 В; 0,35;
ные двигатели со встроенным редуктором Конденсатор- I 2 Н-м; 0,11... 416 мин-1 125; 220 В; до ные двигатели со встроенным редуктором II V 0,7; 2 Н-м; 0,05... 225 мин-1 220; 380 В; 120 Вт; 0,63...400 мин-1 220 В; 50... 100 Вт;
ные двига- тели III 200 Вт; до 8000 мин-1 125; 220 В; до Асинхрон- I 280 мин-1 (7£ = 60...220 В;
Асинхронные I 26 Н-см; 520 Вт; 13 000 мин-1 220 В; 10...60 Вт; ные исполнительные двигатели £7упр=30...220 В; 0,3...35 Вт; 1... 4500 мин-1
двигатели с вспомогательной обмоткой Двигатели с расщепленными полюсами III V I V 1400; 2800 мин"1 125; 220 В; 24... 35 Вт; 1300 мин-1 220 В; 25...2200 Вт; 950...2800 мин-1 220 В; 0,1...35 Вт; 1400; 2800 мин”1 220 В; 6; 12 Вт; 2500 мин-1 III (7£=125; 220 Й; (7упр = 20...220 В; 0,8 Вт; 900 мин-1
119
Рис. 6.2.25. Силы, воздействующие на петлеобразный проводник в магнитном поле
Рис. 6.2.26. Двигатель постоянного тока с независимым возбуждением:
а — схема; б — характеристики установившегося режима; в — регулировочные характеристики; / — U = Unon, Raz~®' Ф==Фном; 2 — Raz> 0» $ — С <Z 4 — Ф<ФНом; Al, А2 и Fl, F2 — выводы обмоток якоря и возбуждения соответственно
обмотки возбуждения
= Re^E-
(6.2.46)
Из (6.2.43), (6.2.44) и (6.2.46) можно найти угловую скорость якоря:
Й
u-Rai сФ
и Ra м
сФ (сФ)2
(6.2.47)
ИЛИ
й = й0 — kM.
(6.2.48)
Постоянная k приближенно учитывает снижение угловой скорости под действием нагрузки.
Частота вращения холостого хода Йо достигается при вращающем моменте Af = O. Рабочие характеристики Й = /Г(Л4) и I=f(M) для двигателя параллельного возбуждения представлены на рис. 6.2.26, б.
Регулирование частоты вращения, как видно из рис. 6.2.26, в, возможно посредством изменения сопротивления цепи якоря 7?лг> О (кривая 2), напряжения якоря и<иш (кривая 3) или магнитного потока Ф<ФНом (кривая 4). Для сравнения приведена кривая /, соответствующая номинальным значениям напряжения и магнитного потока при нулевом Raz. Частоту вращения электродвигателей, применяемых в приборах, можно изменять также изменением частоты подачи или
120
Рис. 6.2.27. Схема электронного двигателя (упрощенная): 1 — датчик положения якоря; 2 — переключатель длительности импульсов напряжения или с помощью фазовой отсечки тока. При этом изменяется среднее напряжение, подаваемое на двигатель [6.2.12, 6.2.39].
Большая часть миниатюрных электродвигателей представляет собой электродвигатели с постоянными магнитами, используемыми для возбуждения. По сравнению с двигателями с обмотками возбужде
ния эти двигатели имеют меньшую мощность потерь и меньшие размеры (их диаметр достигает примерно 12 мм). Якоря двигателей с постоянными магнитами не отличаются от якорей двигателей с независимым возбуждением. Ток к обмоткам якоря подается через щетки и коллектор [6.2.40, 6.2.41]. Недостатками двигателей являются большой момент трения, высокий износ, образование пыли, сильный шум и искрение.
Эти недостатки не присущи электронному двигателю. Ротором в нем служат постоянные магниты, роль статора играют по меньшей мере три неподвижные обмотки. Схема так называемой электронной коммутации показана на рис. 6.2.27, на котором для простоты показана только одна одновитковая обмотка статора. Переключение обмотки в зависимости от положения ротора производится с помощью переключателя 2 по сигналам датчика 1 [6.2.42]. При переключениях направление тока не изменяется, он только включается и отключается. Частота вращения ротора электронного двигателя доходит до 100 000 мин”1. При использовании специальных подшипников и редукторов они могут отвечать очень высоким требованиям.
Малоинерционные исполнительные двигатели. Для получения относительно больших вращающих моментов при малом времени разгона используют двигатели специальных конструкций. К ним относится двигатель с ротором в виде тонкого диска из изоляционного материала, на который нанесена печатная обмотка [6.2.13, 6.2.43, 6.2.44].
Для снижения момента инерции якорь выполняют также полым без магнитопровода, причем катушки имеют самонесущую конструкцию, а якорь не имеет пазов [6.2.45]. К малоинерционным относятся также двигатели с цилиндрическим якорем. Поскольку якорь здесь имеет малый диаметр и большую длину, его момент инерции J мал. Он определяется по формуле
J=\r2dm, (6.2.49)
где dm — элементарная масса; г — расстояние этой массы от оси вращения [6.2.3].
Малоинерционные двигатели находят широкое применение в устройствах регулирования и управления, так как здесь очень важно их быстродействие за счет малых электромеханических постоянных времени [6.2.46].
121
Рис. 6.2.28. Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения:
а — схема; б — характеристики установившегося режима; в — регулировочные характеристики: 1 — U = (/ном, Rp— 00, Ry = O, Ф = ФноМ; 2 — R = RP, 3 — R = Ry\ 4 —
5 — Ф<Фном; Al, A2 и DI, D2 — выводы обмоток якоря и возбуждения соответственно
У двигателей постоянного тока последовательного возбуждения обмотки якоря возбуждения соединены последовательно (рис. 6.2.28, а). Принимая за основу (6.2.44) и (6.2.46), получаем:
U = сФЙ + (/?д + Re) I. (6.2.50)
Магнитный поток возбуждения Ф зависит от тока, т. е. от нагрузки.
Угловую скорость якоря можно рассчитать по соотношению
R*+yE М. (6-2.51)
сФ (сФ)2
В линейной части кривой намагничивания можно принять Ф«1. Зависимость Ф = /(/) можно аппроксимировать рядом линейных участков, для каждого из которых по этой зависимости необходим расчет Q=f(M) [6.2.20]. Следовательно, из (6.2.51) получаем:
Q = ki/ ^M-k2, (6.2.52)
где k\ и k2 могут быть приняты постоянными. Зависимости Q = f(M) и I = f(M) показаны на рис. 6.2.28, б.
Регулирование частоты вращения, как показано на рис. 6.2.28, в, может осуществляться шунтированием обмотки якоря сопротивлением /?Р< оо (кривая 2), включением балластного резистора 0 в цепь якоря (кривая <?), изменением напряжения электропитания (7Ном (кривая 4) и уменьшением магнитного потока Ф<ФНОМ, например с помощью резистора, шунтирующего обмотку возбуждения (кривая 5). Для сравнения приведена кривая Q = f(M) при отсутствии сопротивлений в цепи якоря (кривая /).
Двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением могут работать и при питании их переменным напряжением (универсальные двигатели). Для снижения потерь цепи, генерирующие магнитное поле, должны быть экранированы. Характеристики этих двигателей соответствуют характеристикам двигателей последовательного возбуждения. Они находят применение в бытовых электроприборах и в электроинг струменте (мощностью до 500 Вт).
122
6.2.3.3. Асинхронные и синхронные двигатели
Синхронная угловая скорость Q вращающегося магнитного поля при соответствующем питании обмоток статора с частотой сети f\ и числе пар полюсов р
Qs = 2ji(fi/p). (6.2.53)
В металлическом роторе асинхронного двигателя индуцируется напряжение. Возникающие при этом токи вместе с полем, действующим в воздушном зазоре, создают вращающий момент. Частота вращения якоря в общем случае меньше синхронной частоты вращения. Мерой разности этих частот является скольжение s:
s = (Qs — Q)/Qs = 1 — Q/Qs. (6.2.54)
Для асинхронных двигателей 0<Q<Qs или 1> s> 0, для синхронных Q = QS или s = 0.
Для приближенного расчета вращающего момента и угловой скорости асинхронного двигателя по значениям критического скольжения sK и критического момента Мк. (рис. 6.2.29) можно использовать формулу Клосса [6.2.1]:
M/MK = 2/(s/sK-\-sK/s).
(6.2.55)
Частоту вращения асинхронных и синхронных двигателей можно регулировать изменением частоты f\ и напряжения, а также переключением полюсов. Указанные в табл. 6.2.7 однофазные двигатели переменного тока требуют специальных вспомогательных средств для их пуска. Для двигателей мощностью до 500 Вт могут быть использованы пусковые конденсаторы.
В двигателях с расщепленными полюсами (TGL 28418) полюса статора имеют пазы или на них предусматриваются короткозамкнутые обмотки.
Конструкция якоря определяет в основном характер зависимости Q=^(M). В индуктивных двигателях в качестве якоря используется полый алюминиевый цилиндр; обмотка возбуждения связана с сетью
питания через конденсатор (рис.
ве. 6.2.29. Механическая характеристика асинхронного двигателя
6.2.30). Напряжение, подаваемое на управляющую обмотку, изменяется с помощью соответствующего устройст
Рис. 6.2.30. Схема включения индуктивного двигателя
123
ва. В рабочем диапазоне это напряжение [/упр и угловая скорость Q якоря связаны линейно. Однако в этих асинхронных двигателях для изменения частоты вращения кроме изменения амплитуды питающего напряжения можно применять также фазовое управление. Благодаря небольшому моменту инерции ротора индуктивные двигатели имеют высокие динамические характеристики и могут быть использованы для управления и регулирования различных процессов (в качестве исполнительных двигателей). Направление вращения ротора индуктивного двигателя можно изменять.
У синхронных двигателей (TGL 32349), как показано в табл. 6.2.7, угловая скорость не зависит от момента нагрузки. При перегрузке такой двигатель может остановиться. Двигатели с гистерезисным ротором могут работать в синхронном режиме даже при больших инерционных нагрузках. Синхронные двигатели можно использовать в устройствах измерения времени и в магнитофонах благодаря их жесткой механической характеристике.
6.2.3.4. Шаговые двигатели
Конструкция и принцип действия. Шаговые двигатели (рис. 6.2.31) подобны синхронным, причем магнитное поле в них вращается, как правило, дискретно. Они преобразуют последовательность электрических импульсов (дискретных сигналов) в соответствующие угловые перемещения (шаги) [6.2.14, 6.2.18]. Эти двигатели могут иметь различную конструкцию (рис. 6.2.32).
Рис. 6.2.31. Функциональная схема управления шагового двигателя (входной сигнал — число импульсов, частота подачи импульсов, направление; выходной — шаговый угол, частота вращения, направление вращения):
1 — счетчик; 2 — датчик программы (для управляемых процессов пуска и торможения); 3 — источник импульсов; 4 — распределитель импульсов; 5 — преобразователь мощности; 6 — источник постоянного напряжения или тока; 7 — шаговой двигатель
Рис. 6.2.32. Классификация шаговых двигателей
124
мотки
Рис. 6.2.33. Схема (а), положение переключателей и векторы магнитного поля (б) двухфазного шагового двигателя:
Si, S2 — переключатели, /, // — об-
Шаг $1 $2 Диаграмма м.д.с
1 + + 77-*—Z 7
2 + - 7’ s—*77
3 - - Л
4 - + 77-*-^ [7
5 + + 77-*—z 7
fi)
Рис. 6.2.34. Конструкция четырехполюсного трехобмоточного шагового двигателя с реактивным ротором:
I — ротор; 2 — статор
Принцип действия шагового двигателя рассмотрим на примере двухфазного двигателя с поляризованным ротором (рис. 6.2.33). Вращение ротора здесь вызывает изменение направления результирующего магнитного поля вследствие прохождения тока через обмотки / и //. Многообмоточные двигатели могут быть построены по принципу реактивного момента (рис. 6.2.34).
Рис. 6.2.35 показывает принцип действия специального шагового двигателя, в котором угол поворота ротора зависит от последовательности электрических импульсов. Число шагов за один оборот ротора
s = mz,
(6.2.56)
где пг — число полюсов статора; z — число полюсов ротора.
125
Рис. 6.2.35. Взаимные положения ротора и статора, а также их импульсные диаграммы, соответствующие фиксации шагового двигателя при конструктивном (а) и электрическом (б) установочных углах. Штриховкой отмечены полюса, на которые подан импульс напряжения
Конструктивный установочный угол фо для шагового двигателя с реактивным ротором
фо = 2л/$. (6.2.57)
Для точного позиционирования ротора можно использовать электрический установочный угол, вдвое меньший конструктивного, соответствующим образом включая полюса (рис. 6.2.35, б) [6.2.47]. При частоте следования импульсов fs ротор вращается с частотой
n = 60fs/s. (6.2.58)
Условия работы. Зависимость вращающего момента, развиваемого
ротором, от относительного положения полюсов статора и ротора пред-
ставлена на рис. 6.2.36. В определенном угловом диапазоне шаговый двигатель подобен пружине кручения. Жесткость см такой «магнитной
пружины» приближенно может быть определена по начальному наклону
кривой М = /:(ф):
tg0 = CM=AM/A <р.
(6.2.59)
Собственная круговая частота этой системы (шагового двигателя):
<оо = л/см/7м (6.2.60)
Резонансная частота
Л = (оо/(2л), (6.2.61)
Рис. 6.2.36. Статическая характеристика зависимости вращающего момента от угла поворота ротора
126
fr=[i/(2n)]VwT;.
(6.2.62)
При работе в реальных условиях необходимо учитывать динамические воздействия. Если нагрузка, характеризующаяся зависимостью
ML = JLq>, (6.2.63)
передается на шаговый двигатель «жестко» (без амортизации), то уравнение моментов имеет вид:
Um + Л) Фм + ^<Рм + Мд = Мм. (6.2.64)
Момент, развиваемый шаговым двигателем, зависит в основном от его конструкции. Изменение тока, подаваемого на обмотки, определяет динамические характеристики двигателя.
При v системах обмоток развиваемый двигателем момент
(6.2.65)
Момент отдельной системы приближенно определяется выражением
MMv=±i*dLv (<pMj/d<₽M. (6.2.66)
Если электрическая ускоряющая схема специально не предусмотрена, то электромагнитную систему обмоток можно описать уравнением
t/v=/v/?v + Ly> (<рм) div/dt+iv [dLv (фм)Мрм] dyM/dt. (6.2.67)
Привод, состоящий из электрического устройства управления, шагового двигателя и его механической нагрузки, испытывает определенные колебания. На рис. 6.2.37 показан пример фактического углового перемещения ротора двигателя по сравнению с его идеальным заданным перемещением. Динамические характеристики отражаются в граничных кривых зависимостей пусковой и рабочей частот подачи управляющих импульсов на обмотки шагового двигателя от его вращающего момента (рис. 6.2.38). Рабочие точки, лежащие в области «Пуск», обес-
Рис. 6.2.37. Идеальное (1) и реальное (2) угловые перемещения ротора шагового двигателя
Рис. 6.2.38. Зависимость пусковой и рабочей частот шагового двигателя от вращающего момента:
1 и 2 — граничные кривые пусковой и рабочей частот соответственно; 3 и 4 — области , соответствующие режимам «Пуск» и «Работа».
127
состоянии покоя ротора. Область «Работа»
Рис. 6.2.39. Изменение частоты импульсов, подаваемых на шаговый двигатель, обеспечивающее оптимальное позиционирование в положениях 1—111
печивают отсутствие ошибок в фиксации шагов двигателя при подаче на него последовательности управляющих импульсов в определяет максимальные
частоты при соответствующих нагрузках, при которых частоту подачи импульсов можно постепенно повышать без появления ошибок в фиксации
ротора.
В шаговых двигателях с реактивным ротором для получения вращающего момента, фиксирующего ротор в заданном положении при нулевой частоте, через обмотки должен проходить ток. В двигателях с активным ротором этот момент развивается без возбуждения. Чтобы обеспечить оптимальное по времени позиционирование ротора, необходимо соответствующим образом изменять частоту подачи импульсов во времени. Как видно из рис. 6.2.39, для точной остановки ротора в определенном угловом положении рабочую частоту необходимо снижать до /полз, прежде чем она достигнет максимального значения.
Пусковая частота составляет несколько килогерц, рабочая имеет более высокие значения. Минимальный угловой шаг ротора может достигать примерно 0,006 рад (около 0,36°), фиксирующие моменты — до 30 Н*см. Более подробные данные о шаговых двигателях содержатся в [6.2.48, 6.2.49].
6.2.4. Линейные электродвигатели
6.2.4.1. Общие положения
Линейные электродвигатели являются электромеханическими преобразователями, позволяющими получать возвратно-поступательные перемещения. В зависимости от хода эти двигатели делят на линейные микродвигатели (ход несколько микрометров) и линейные двигатели нормального исполнения (ход от нескольких миллиметров до нескольких метров). Различают линейные двигатели непрерывного и дискретного действия [6.2.50]. Последние относятся к классу линейных шаговых двигателей.
Для реализации шагового перемещения возможно последовательное включение нескольких линейных двигателей непрерывного действия с ограничителями их хода. Для позиционирующих устройств с большим ходом и высокой точностью позиционирования можно использовать последовательное соединение линейных двигателей нормального исполнения и микродвигателей. Особым случаем применения линейных двигателей не
128
прерывного действия является получение с их помощью осциллирующих возвратно-поступательных перемещений. Прочие возможности использования таких двигателей см. в разд. 6.2.2.
6.2.4.2. Линейные двигатели непрерывного действия
Линейные двигатели постоянного тока по аналогии с обычными делятся на двигатели последовательного и параллельного возбуждения. Однако обмотки возбуждения в них также могут быть заменены постоянными магнитами. Подача тока к ротору производится с помощью щеток. Линейные двигатели постоянного тока применяются для позиционирования в приборо- и в станкостроении [6.2.51].
Электродинамический линейный двигатель отличается наличием подвижной обмотки. Магнитное поле в нем может формироваться как постоянным магнитом, так и электромагнитом. Эти двигатели применяются в системах регулирования, например, для позиционирования в периферийных устройствах и регистрирующей аппаратуре (например, в компенсационных самопишущих приборах) [6.2.52].
Линейный двигатель с бегущим магнитным полем построен по принципу двигателя с вращающимся магнитным полем, но с разомкнутой обмоткой статора. Индуктор, играющий роль статора, может быть короче или длиннее вторичной части; он может быть трубчатым или плоским. Индуктор может быть подвижным, вторичная часть при этом остается неподвижной. Механическая характеристика линейного двигателя с бегущим магнитным полем в большинстве случаев является асинхронной. В приборостроении эти, почти не требующие ухода двигатели не получили широкого распространения вследствие их относительно низкой точности позиционирования [6.2.15, 6.2.53].
Основные характеристики линейных двигателей непрерывного действия приведены в табл. 6.2.8.
6.2.4.3. Линейные шаговые двигатели
Электромагнитный линейный шаговый двигатель по конструкции и схеме системы электрического управления подобен шаговому двигателю с вращающимся ротором, описанному в разд. 6.2.3.5. Основное внимание при выборе двигателя следует обращать на его динамические характеристики. Трение в узлах оказывает большое влияние на точность позиционирования. Эти двигатели применяются в исполнительных и позиционирующих устройствах в аппаратуре обработки данных и в канцелярских машинах, а также в станках [6.2.54, 6.2.55].
Линейный двигатель в виде пьезоэлектрических пластинок. Известно, что при воздействии электрического поля на пьезоэлемент (например, из пьезолана) его длина изменяется. Если же две склеенные и защемленные с одного конца пластинки пьезолана поместить в электрическое поле, то они изогнутся. При подаче на пластинки квантизированных напряжений можно реализовать линейный шаговый двигатель. Однако при статическом режиме работы необходимо учитывать нагрузку
5 Зак. 218 129
6.2.8. Линейные двигатели непрерывного действия
Макси- Мак-
маль- си-
Линейный Схема Механическая ное ра- маль- Области
двигатель характеристика бочее ный применения
усилие, ход,
Н мм
103 102
Постоянного тока: последовательного возбуждения
параллельного возбуждения
Электродинамический
J д
Ч«иииииииояхг
J FLHJ"
1 — блок возбуждения с обмоткой; 2 — якорь с обмоткой;
3 — щетки
Приводы для транспортных устройств (например, при автоматической сборке), позиционирующие устройства в обрабатывающей и перерабатывающей промышленности Разрабатываются для решения специальных задач
U
2-102 102
I — постоянный магнит; 2 — подвижная обмотка
Позиционирующие устройства в периферийной аппаратуре средств обработки данных (например, позиционирование головок записи и считывания в запоминающих устройствах на гибких дисках), сервоприводы. Разрабатываются для решения специальных задач
130
Продолжение табл. 6.2.8
Макси- Мак-
маль- си-
Линейный Схема Механическая ное ра- маль- Области
двигатель характеристика бочее ный применения
усилие, ход,
Н мм
С бегущим магнитным полем
Более Бо-
103 лее
103
Приводы средств транспорта, станков и текстильных машин. Выпускаются промышленностью [6.2.74]
1
J г
1 — индуктор; 2 — вторичная часть; 3 — магнитопроводящее основание
(рис. 6.2.40). Эти двигатели используются, например, в микроэлектронной аппаратуре для позиционирования при очень малых рабочих ходах. Известны конструкции с последовательным и параллельным электриче
ским включением, а также с механическим соединением пластинок [6.2.56, 6.2.57].
Линейный двигатель в виде набора пьезокристаллов. Такой двига-
тель состоит из нескольких механически соединенных в один столбик
пьезоэлементов. При подаче напряжения длина столбика изменяется на несколько миллиметров. Напряжение может подаваться как на все, так и на отдельные пьезоэлементы. Изменяя напряжение или толщину кри
сталлов, можно получать различные шаги. Направление перемещения двигателя относительно рамы может быть выбрано установкой фиксатора на том или ином конце столбика. На рис. 6.2.41 приведены диаграммы изменения напряжений на столбике и на обоих фиксаторах, а также изменение хода двигателя. Развиваемое им усилие и последовательность шагов определяются в основном фиксаторами.
Подобные линейные двигатели применяют в оптических приборах, в устройствах для сборки микроэлектронной аппаратуры, а также в при
водах для устройств измерения линейных величин [6.2.58].
В магнитострикционном линейном шаговом двигателе используется способность некоторых ферро-Рис. 6.2.40. Изменение усилия F, развиваемого пьезоэлектрическими пластинками, в зависимости от отклонения свободного конца х при подаче различных напряжений U
5*
Рис. 6.2.41. Диаграмма напряжений, подаваемых на столбик из пьезокристаллов U и на фиксаторы А и В на его концах UA и Uв (см- табл. 6.2.9.), а также соответствующее им изменение хода двигателя X
магнетиков (например, никеля) изменять геометрические размеры под действием магнитного поля. Эта способность называется магнитострикцией. Она позволяет создать линейный двигатель, шаг которого определяется удлинением или укорочением стержня из магнитострикционного материала. Как и в двигателе в виде набора пьезо
кристаллов, в магнитострикционном двигателе также могут быть предусмотрены фиксаторы на концах стержня,
которые позволяют определить направление шага относительно рамы. Магнитострикционные двигатели используются для точного позиционирования в специальных станках. Для получения осциллирующих перемещений (колебаний) с частотой выше 50 кГц можно применять магнитострикционные генераторы. Такие генераторы используются в агрегатах для микросварки, для получения механических систем, совершающих колебания с резонансной частотой для получения требуемых амплитуд колебаний (несколько микрометров) в ультразвуковом диапазоне [6.2.59, 6.2.20, 6.2.72].
Электротермические шаговые линейные двигатели основаны на свойстве твердых веществ расширяться при нагреве. Теплота может быть получена с помощью высокочастотного нагрева или пропускания электрического тока через рабочую деталь двигателя. Для быстрого возврата двигателя в исходное положение возможно интенсивное охлаждение сжатым воздухом, что, однако, сильно усложняет конструкцию. Преимуществом таких двигателей являются значительные усилия, развиваемые ими. Они используются только для решения специальных задач. Основные характеристики линейных шаговых двигателей приведены в табл. 6.2.9.
6.2.5. Электромеханические позиционирующие устройства для линейных дискретных перемещений
6.2.5.1. Типовые структуры
В приборах зачастую необходимы позиционирующие устройства, которые должны обеспечивать линейные дискретные Перемещения очень высокой точности [6.2.61, 6.2.62, 6.2.64]. Важное значение имеет электромеханический преобразователь, правильный выбор структуры которого определяет свойства всего позиционирующего устройства [6.2.23, 6.2.63].
132
6.2.9. Специальные линейные шаговые двигатели
Линейный двигатель
Схема
Рабочее Ход за один шаг, усилие, мм, или относитель-
Н ное удлинение
Области применения
Электромагнитный
До 50 1...101
1 — блок возбуждения с катушкой; 2 — ротор
Приводы для чертежных машин, устройства позиционирования для печатающей аппаратуры и станков
В виде пьезоэлектрических пластинок
До 5
10~4...0,5
1 — биморфный пьезоэлемент
Устройства точного позиционирования (например, в производстве микроэлектронных компонентов) , приводы реле
В виде набора пьезокристаллов
1 _Е у 9 *

' 1

/ — пьезокристаллы; Л, В — фиксаторы
Магнитострикционный
1 — никелевый стержень;
2 — обмотка
Усилие велико, зависит от прочности соединения фиксатора с рамой Д///=10~5 Устройство точного позиционирования в оптических приборах и устройствах измерения линейных величин
Д///= 10~6.. .10-5 Устройства точного позиционирования в станках, сборочные устройства
133
Продолжение табл. 6.2.9
Линейный двигатель Схема Рабочее усилие, Н Ход за один шаг, мм, или относительное удлинение Области применения
Электротермический
2 1
Более 103
Д///=10-5 К-1
1 — стержень; 2 — нагревательная обмотка
Относительно медленно действующие позиционирующие устройства, приводы, реле. Для ускорения возврата в исходное положение требуют активного охлаждения
А
Рис. 6.2.42. Функциональные схемы позиционирующих устройств для получения линейных дискретных перемещений xs рабочего механизма А:
М
ТБ
М — двигатель; А — рабочий механизм; U — передача; R — вращение; Т — поступательное движение; К — непрерывное движение; S — дискретное перемещение
Линейные дискретные перемещения могут быть переданы рабочему механизму непосредственно двигателем или через какой-либо преобразователь одного вида движения в другой — через передачу. При этом возможны следующие комбинации двигателя и передач (рис. 6.2.42):
линейный шаговый двигатель (комбинация двигателя и передачи);
непрерывно работающий линейный двигатель и муфта для передачи поступательного движения;
шаговый двигатель с вращающимся ротором и винтовая передача;
двигатель с вращающимся ротором и кулачковая передача;
двигатель с вращающимся ротором, вращающаяся муфта сцепления и передача с зубчатой рейкой;
134
двигатель с вращающимся ротором, передача гибкой связью, фрикционная муфта для передачи поступательного движения.
Преимуществами прямой передачи дискретного перемещения от линейного двигателя к рабочему механизму (первый вариант на рис. 6.2.42) являются возможности прямой обработки электрических цифровых сигналов, установки двигателя в открытой цепи управления и получения непосредственно линейных дискретных перемещений. К преимуществам следует отнести также открытую конструкцию магнитной системы и, следовательно, ее хорошее охлаждение, а также возможность реализации сложных форм движения. Трудности при создании подобных позиционирующих устройств создают относительная сложность направляющих для ротора и меньшая рабочая частота по сравнению с рабочей частотой шаговых двигателей с вращающимся ротором, что накладывает определенные ограничения на число возможных шагов [6.2.65].
6.2.5.2. Позиционирующие устройства
Задачей позиционирующего устройства является перемещение какого-либо объекта в определенное место (позицию). Варианты функциональных схем таких устройств уже были представлены на рис. 6.2.36. Основными узлами позиционирующего устройства являются двигатель и передача, которая обеспечивает преобразование или прерывание движения.
Двигатели. В табл. 6.2.10 приведены некоторые двигатели, позволяющие получать (без преобразователя) различные формы движения. Линейный шаговый двигатель может быть использован для получения непосредственно линейных дискретных перемещений. Исполнительные двигатели непрерывного действия (линейные или с вращающимся ротором) могут обеспечивать дискретные перемещения при подключении к соответствующим системам управления. Для этого необходима обратная связь (рис. 6.2.43). Комбинация позиционирующего устройства и датчика программы позволяет получить дискретные перемещения с определенным шагом. С помощью регулятора могут быть выполнены дополнительные требования, например, к временным характеристикам, к точности и т. п. Задачи регулятора может решать также и цифровая
6.2.10. Формы движения некоторых двигателей
Непрерывное движение К Шаговое движение S
Вращательное движение R Двигатель постоянного тока R/K (разд. 6.2.3.2) Шаговый двигатель с вращающимся ротором R/S (разд. 6.2.3.4)
Поступательное движение Т Линейный двигатель Т/К (разд. 6.2.4.2) Линейный шаговый двигатель Т/S (разд. 6.2.4.3)
135
Рис. 6.2.43. Позиционирующее устройство с обратной связью:
М — двигатель; ME — измерительное устройство; R — регулятор; Р — датчик программы
ЭВМ. В случае применения аналогового измерительного устройства последовательно ему необходимо подключать аналого-цифровой преобразователь или же это устройство должно быть цифровым. В табл. 6.2.11 кратко охарактеризованы датчики перемещений и углов различных принципов действия.
6.2.11. Датчики поступательных и угловых перемещений для позиционирующих устройств
Название и характеристика датчика
Аналоговые датчики
Потенциометрический датчик [6.2.83]. Максимальное измеряемое поступательное перемещение до 2000 мм. Точное измерение углов до 360° с помощью спирального потенциометра. Разрешение до 1 мкм. Нелинейность не менее 0,1 %
Преимущества: невысокая стоимость, простота конструкции
Недостатки: необходимость контакта при измерении (изнашивание), возможность использования только при низких требованиях к точности измерений вследствие больших погрешностей
Индуктивный датчик [6.2.84]. Максимальное измеряемое поступательное перемещение до 10 мм. Разрешение до 10 нм. Нелинейность 0,1-2 %
Преимущества: малая масса, малые габариты, относительно низкая стоимость, высокое разрешение
Недостатки: большая погрешность во всем диапазоне измерений, малость измеряемых перемещений (точные измерения возможны только при небольших перемещениях)
Емкостной датчик [6.2.83]. Максимальное измеряемое поступательное перемещение до 200 мм. Разрешение до 0,5 мкм. Нелинейность не менее 2 %
Схема

136
Продолжение табл. 6.2.11
Название и характеристика датчика Схема
Преимущества: невысокая стоимость, отсутствие контакта при измерениях
Недостатки: высокая чувствительность к помехам (высокоомность), большие габариты, внесение погрешности в измерения за счет загрязнений
Фотоэлектрический датчик [6.2.83]. Максимальное измеряемое поступательное перемещение до 10 мм. Разрешение до 1 мкм. Нелинейность не менее 0,5 %
Преимущество: отсутствие контакта при измерениях
Недостатки: появление погрешностей измерений, вызванных различными коэффициентами отражений образцов, нагрев за счет теплоты источника света
Цифровые датчики
Дифференциальный датчик с пластинкой со штриховым растром [6.2.85, 6.2.88]. Измеряемые поступательные перемещения до 500 мм. Разрешение до 1 мкм. Погрешность не менее 1 мкм. Измеряемые угловые перемещения до 360°. Разрешение до 60 000 имп/об Преимущества: малая масса, высокое разрешение, большой диапазон измеряемых перемещений
Недостатки: искажение результатов измерений при помеховых импульсах и загрязнении масштаба. Необходимо определение направления перемещения
Дифференциальный датчик перемещений на основе чувствительного элемента с накоплением заряда [6.2.86]. Диапазон измерения перемещений соответствует размерам растровой пластины (см. выше). Разрешение 13 мкм при масштабе изображения 1:1, при оценке ступенчатого клина возможно в 64 раза большее разрешение. Погрешность измерений не менее 1 мкм
Преимущества: высокая точность измерений, использование возможностей полупроводниковой технологии
Недостатки: сложность электронной аппаратуры для оценки результатов
/ — считывающая головка; 2 — стеклянная пластинка с масштабом Определение положения с помощью чисел одинаковых элементов поступательных и угловых перемещений
/ — стеклянная пластинка с масштабом; 2 — чувствительный элемент
Определение положения с помощью чисел масштаба (грубо) и перекрывающих их элементов изображения (точно)
137
Продолжение табл. 6.2.11.
Название и характеристика датчика
Датчик кодовых сигналов [62. 85]. Разрешение до 20 000 поз/об. Предельная частота 100 кГц
Преимущества: сохранение информации при отключении электропитания, нечувствительность погрешности измерений к помеховым импульсам, отсутствие необходимости в определении направления
Недостатки: ограничение разрешения вследствие усложненной структуры масштаба или кодовой пластинки, высокая стоимость считывающего устройства
Циклический датчик абсолютных перемещений (индуктосин — для измерения поступательных, рундиндуктосин — для измерения угловых перемещений [6.2.85, 6.2.87]). Измерение поступательных перемещений до 250 мм. Разрешение до 1 мкм. Погрешность измерений до 2 мкм. Скорость измерений до 50 м/мин. Масштабы могут комбинироваться. При измерении вращательных перемещений разрешение до Г
Преимущества: простота нахождения истинного положения при отключении электропитания, нечувствительность к помеховым импульсам и загрязнению масштаба
Недостатки: большая масса датчика перемещения, сложность электронной аппаратуры для оценки результатов
Схема
[Определение положения с помощью оценки каждой позиции соответствующего бинарного кода
/ — перемещающаяся пластина; 2 — масштаб; 3 — медные проводники
Определение положения с помощью чисел наложенных проводников, уложенных в виде меандра, (грубо) и оценки сдвига фазы индуцируемого сигнала (точно)
Система управления шаговым двигателем требует разработки для нее определенных технических средств и программного обеспечения. В системе на рис. 6.2.44 управление трехфазным шаговым двигателем осуществляется по командам микроЭВМ [6.2.70].
При разработке позиционирующих устройств с системами управления необходим очень тщательный выбор их динамических характеристик [6.2.66—6.2.68].
Рис. 6.2.44 Система управления шаговым двигателем:
MR — микроЭВМ; РЮ — устройство параллельного ввода-вывода данных; V — усилитель; М — двигатель; 1 — шина данных; 2 — адресная шина; 3 — шина управления
138
Рис. 6.2.45. Варианты преобразования движения (обозначения см. на рис. 6.2.42)
Преобразователь движения [6.2.69—6.2.82]. Для рассматриваемых устройств преобразователь движения необходим, если двигатель не обеспечивает линейное пе
ремещение с заданным шагом. При двигателе непрерывного действия с вращающимся ротором для получения такого перемещения необходим одно- или двухступенчатый преобразователь (рис. 6.2.45). В табл. 6.2.12 приведены примеры преобразователей вращательного движения в поступательное (непрерывное или с заданным шагом). Подробнее такие преобразователи рассмотрены в [6.2.80].
6.2.12. Преобразователи вращательного движения в поступательное для позиционирующих систем [6.2.69, 6.2.76 — 6.2.82]
Название и характеристика преобразователя
Схема
Реечно-зубчатый механизм. Зубчатое колесо: профиль зуба по TGL СЭВ 309, кинематическая точность по TGL СЭВ 642 [6.2.81]. Особенности конструкции при высокой требуемой точности см. в [6.2.80]. Зубчатая рейка: профиль зуба (как и у зубчатого колеса), кинематическая точность по TGL СЭВ 1160. Специальная форма: пара конволютный червяк — зубчатая рейка (ось привода лежит в направлении перемещения ведомого элемента)
Выборка зазора осуществляется: подпружинением зубчатой рейки; подпружинением • раздвоенного зубчатого колеса (см. табл. 6.3.10);
использованием зубчатого колеса из пластмассы [6.2.82].
При больших перемещениях зубчатая рейка может быть собрана из нескольких отрезков [6.2.80].
Области применения: измерительные приборы, канцелярские машины, весы, позиционирующие устройства
Винтовой механизм с трением скольжения между элементами. Для достижения высокой точности позиционирования необходимо большое передаточное отношение
/ = <Р1/$2 = 360 °/Р, где Р = 2 лг tg а.
1 — зубчатое колесо
2 — зубчатая рейка
3 — пружина
(ведущее);
(ведомая);
Одинарный винтовой механизм: / — шпиндель (ведущий); 2 — гайка (ведомая); 3 — корпус
139
Продолжение табл. 6.2.12
Название и характеристика преобразователя
Схема
Резьба стандартная метрическая или трапецеидальная. КПД 10—30 % (выше при использовании резьб с большим углом подъема и малым углом профиля)
Выборка зазора осуществляется:
зажимом (см. табл. 6.3.10);
Дифференциальный винтовой механизм:
1 — шпиндель (ведущий); 2 — гайка (ведомая); 3— корпус (см. табл. 6.3.8)
притиркой сопряженных элементов.
Связь элементов без излишних усилий обеспечивается:
силовым замыканием (см. разд. 4.2.3.3);
карданным подвесом.
Шпиндель изготовляется из конструкционной и улучшенной сталей; гайка — из сплавов меди, чугуна.
Области применения: инструменты, позиционирующие устройства, канцелярские машины, измерительные приборы
Винтовой механизм с трением качения между элементами. Готовые для сборки узлы [6.2.82]. КПД 90—95 %. Пригодны для передач высокой точности. Варианты без зазора могут быть получены с помощью сдвоенной гайки. Разновидностями являются: шарико-винтовой механизм (используемый в приборах, см. рис.);
ролико-винтовой механизм (для очень больших нагрузок, но малых частот вращения); планетарный ролико-винтовой механизм (час-
1 — большая рамка; 2 — соединительная вилка; 3 — малая рамка; 4 — гайка; 5 — шпиндель; 6 —
корпус
1 — шпиндель (ведущий); 2 — гайка (ведомая); 3 — тела качения и канал их возврата
140
Продолжение табл. 6.2.12
Название и характеристика преобразователя
тота вращения до 5000 мин-1 при очень высоких нагрузках).
Области применения: позиционирующие устройства, измерительные приборы, научная аппаратура, станки
Передача стальной лентой. Лента из хромоникелевой стали упрочняется раскаткой, ее концы соединяются сваркой электронным лучом, микроплазмой, лазерным лучом. Быстрое прецизионное позиционирование осуществляется последовательным включением элемента 4, лент 3 и 2 [6.2.76]. Для предотвращения скольжения необходимо большое предварительное натяжение ленты 3.
Области применения: устройства последовательной печати, механизмы подачи для автоматизированного технологического оборудования
Передача зубчатым ремнем. Шкивы выполняются из стали, чугуна, пластмассы. На шкивах необходимы бортовые упорные кольца. При малой длине ветвей зубчатые ремни изготовляются из неопрена с армировкой из стекловолокна, при большой длине — из полиуретана с армировкой из стальных проволок (ремни обоих типов выпускаются промышленностью). Для позиционирования с большой точностью необходимо возможно большее предварительное натяжение ремня при минимальном радиальном биении окружности выступов зубчатого колеса.
Области применения: канцелярские машины, электронные устройства обработки данных, текстильные машины, бытовые приборы
Схема
1 — направляющая; 2 — тормозная лента; 3 — транспортирующая лента; 4 — элемент связи; 5 — двигатель; 6 — масштаб
Для преобразования непрерывного вращательного движения во вращательное с заданным шагом необходимы: муфты (рис. 6.2.46); механизмы включения (см. табл. 6.3.5) [6.2.4]; редукторы с дополнительным приводом их колес, позволяющим кратковременно снижать передаточное отношение до нуля [6.2.3].
Как видно из рис. 6.2.45, с помощью специальных устройств возможно прямое преобразование непрерывного вращательного движения в линейное с заданным шагом (см. табл. 6.3.6, п. 1).
Позиционирующие устройства, как правило, являются связанными многомассовыми системами. Размеры устройств должны выбираться с учетом динамических характеристик [6.2.71]. Возникающие при этом
141
5 — ход; Fn — нормальная сила
проблемы, например влияние люфтов на работу редукторов, рассмотрены в разд. 6.3.2.
Список литературы
6.2.1. VEM-Handbuch: Die Technik der elektrischen Antriebe. Berlin: VEB Verlag Technik, 1974.
6.2.2. Vogel J. Auswahl und Einsatz elektrischer Antriebe. RA 153. Berlin: VEB Verlag Technik, 1974.
6.2.3. Volmer J. Getriebetechnik. Berlin: VEB Verlag Technik, 1969.
6.2.4. Hildebrand S. Feinmechanische Bauelemente. 4. Aufl. Berlin: VEB Verlag Technik, 1981.
6.2.5. Kallenbach E. Der Gleichstrommagnet. Leipzig: Akadem. Verlagsges. Gees & Portig, 1969.
6.2.6. Reinboth H. Technologic und Anwendung magnetischer Werkstoffe. Berlin: VEB Verlag Technik, 1970.
6.2.7. Philippow E. Taschenbuch Elektrotechnik. Bd. 2. Berlin: VEB Verlag Technik, 1978.
6.2.8. Taschenbuch Feingeratetechnik. Bd. 2. Berlin: VEB Ver lag Technik, 1969.
6.2.9. Тер-Акопов А. К. Динамика быстродействующих электромагнитов. Москва: Энергия, 1965.
6.2.10. Batz Н. Elektrotechnische Schaltgerate. Berlin: VEB Verlag Technik, 1970.
6.2.11. Бабиков M. A. Wichtige Bauteile elektrischer Apparate. Bd. 1. Berlin: VEB Verlag Technik, 1954.
6.2.12. Lappe R. Thyristor-Stromrichter fur Antriebsregelungen. Berlin: VEB Verlag Technik, 1970.
6.2.13. Lazaroiu D. F., Slaiher S. Elektrische Maschinen kleiner Leistung. Berlin: VEB Verlag Technik, 1976.
6.2.14. Карпенко Б. К., Ларченко В. И., Прокофьев Ю. А. Шаговые электродвигатели. Киев: Техника, 1972. 214 с.
6.2.15. Budig К. Р. Drehstromlinearmotoren. Berlin: VEB Verlag Technik, 1978.
6.2.16. Rauch M. Mechanische Schaltsysteme der Geratetechnik und der Ausru-stungstechnik. Diss. B. TH Karl-Marx-Stadt, 1978.
142
6.2.17. Rauch M. Zur Dynamik elektromechanischer Funktionsgruppen am Beispiel des belasteten Gleichstromhubmagneten unter besonderer Beruck-sichtung des Prellens. Diss. A. TH Karl-Marx-Stadt, 1973.
6.2.18. Neudorf H. Untersuchungen zur Auslegung und zum Betriebsverhalten schneller Schrittantriebe. Diss. TU Dresden, 1970.
6.2.19. Boden R. Ein Posizionierantrieb auf Linearkupplungsbasis. Diss. TU Dresden, 1976.
6.2.20. Habiger E., Richter C. Elektrische Kleinantriebe. Lehrbriefe 1 bis 3. Zentral-stelle fur das Hochschulfernstudium des MHF, Dresden, 1979.
6.2.21. Just E. Die Berechnung elektromechanischer Systeme der Geratetechnik als Stufe der Gerateentwicklung.— XIX. Internat. Wiss. Kolloquium, TH Ilmenau, 1974, № 3, S. 23.
6.2.22. Koller R. Methodisches Konzipieren von Antrieben und Getrieben.— Antriebstechnik, 1972, Bd. 11, № 6, S. 206.
6.2.23. Rauch M. Mechanische Schaltsysteme fur geratetechnische Aufgaben.— Feingeratetechnik, 1979, Bd. 28, № 4, S. 151.
6.2.24. Stuber K., Ruggen W. Kupplungen in der Feinwerktechnik, 1970, Bd. 74, № 2, S. 77.
6.2.25. Roth K. Systematik der Maschinen und ihrer mechanischen elementaren Funktion.— Feinwerktechnik, 1970, Bd. 74, № 11, S. 453.
6.2.26. Артоболевский И. И. Das dynamische Laufkriterium bei Getrieben.— Maschinenbautechnik, 1958, Bd. 7, № 12, S. 663.
6.2.27. Kallenbach E., Denk L., Seitz M. Ein Beitrag zur Synthese schneller Elektromagnete. XIX. Internat. Wiss. Kolloquium, TH Ilmenau, 1974, H. 3, S. 79.
6.2.28. Kallenbach E., Dittrich P. Grenzen der Schnellwirkung elektromechanischer Antriebssysteme in der Geratetechnik. — Feingeratetechnik, 1978, Bd. 27, № 5, S. 213.
6.2.29. Liedke K. Systematische Ermittlung eines gunstigen Gleichstrommagnet-systems unter Berucksichtigung der dynamischen Forderungen.— Feingeratetechnik, 1972, Bd. 21, № 9, S. 412.
6.2.30. Breer W. Berechnungen zum Betriebsverhalten von Elektromagneten fur Luftschutze.— Die elektrische Ausrustung, 1968, № 5, S. 148.
6.2.31. Forster K.-H. Nomographische Ermittlung des dynamischen Verhaltens von Gleichstrom-Hubmagneten.— Maschinenbautechnik, 1970, Bd. 19, № 6, S. 313.
6.2.32. Rauch M. Elektromechanische Funktionsgruppen mit Anschlagen.— Elektrie, 1976, Bd. 30, № 5, S. 274.
6.2.33. Rauch M. Das Prellen — eine wesentliche Erscheinung mechanischer Funktionsgruppen.— Feingeratetechnik, 1974, Bd. 23, № 3, S. 105.
6.2.34. Franken H. Eigentumlichkeiten der Zugkraftkurve von Wechselstrommag-neten.— Die Elektro-Post, 1954, № 7, S. 112.
6.2.35. Lusche S. Kleinrelais fur Informations- und Steuerungstechnik.— Impuls, 1973, Bd. 13, № 2, S. 81.
6.2.36. Hoft H. Wissenschaftlich-technische Probleme elektrischer Kontakte.— Wiss. Zeitschrift d. TH Karl-Marx-Stadt, 1979, Bd. 21, № 1, S. 73.
6.2.37. Gladun A. Elektrische Kleinstmotoren. — Feingeratetechnik, 1967, Bd. 15. № 2, S. 85.
6.2.38. Habiger E., Kunze M. Elektrische Antriebe in der Feingeratetechnik.— Feingeratetechnik, 1977, Bd. 26, № 6, S. 271.
6.2.39. Zenkel D. Gleichstrom-Pulssteuerung fur Elektrofahrzeuge.— Elektrie, 1966, Bd. 20, № 6, S. 240.
143
6.2.40. Schutz D., Michalowsky L. Gleichstrommotoren mit Permanentmagneten.— Elektrie, 1969, Bd. 23, № 8, S. 325.
6.2.41. Eisler H. Gleichstrom-Kleinstmotor mit hohem Wirkungsgrad. — ETZ — B., 1959, Bd. 11, № 1, S. 7.
6.2.42. Engel W. Elektronikmotoren — permanenterregte Gleichstrommotoren ohne Kollektor.— VDE-Fachberichte, 1968, Bd. 25, S. 147.
6.2.43. Henry-Bandot J. Moderne Entwicklungen bei Scheibenlaufermotoren.— Elektrie, 1971, Bd. 25, № 6, S. 228.
6.2.44. Siekmann H. Gleichstrom-Kleinmotoren mit eisenlosem Laufer.— Feinwerk-technik und Meptechnik, 1977, Bd. 85, № 3, S. 101.
6.2.45. Brockmuller I. Verhalten von Kleinmotoren mit Glockenanker beim Anlauf.— Feinwerktechnik und Meptechnik, 1977, Bd. 85, № 3, S. 114.
6.2.46. Vogel J. Untersuchungen zum Ubergangsverhalten von Gleichstromantriebs-systemen mit unterschiedlicher dynamischer Belastung.— Elektrie, 1969, Bd. 23, № 5, S. 185.
6.2.47. Walosczyk U. Methoden zur Feinpositionierung von Schrittmotoren im Bereich eines Schritts.— Elektrie, 1974, Bd. 28, № 4, S. 191.
6.2.48. Kremen P., Navratil St. Berechnung der Ausgleichsvorgange an polarisierten Schrittmotoren.— XXII. Internat. Wiss. Kolloquium, TH Ilmenau, 1977, H. 4, S. 127.
6.2.49. Heine G. Mehrphasiger Schrittmotor mit hohem Auflosungsvermogen.— Feinwerktechnik und Meptechnik, 1977, Bd. 85, № 6, S. 258.
6.2.50. Wolf A. Elektromechanische Linearmotoren fur die Geratetechnik — eine Ubersicht fur den Anwender.— Feingeratetechnik, 1975, Bd. 24, № 3, S. 100.
6.2.51. Reimer H. Gleichstromlinearmotor.— Elektrie, 1978, Bd. 32, № 1, S. 582.
6.2.52. Olbrich О. E. Aufbau und Kennwerte elektrodynamischer Linearmotoren als Positionierer fur Plattenspeicher.— Feinwerktechnik und Micronic, 1973, Bd. 77, № 4, S. 151.
6.2.53. Timmel H. Geschwindigkeitsstellmoglichkeiten bei Wanderfeldmotoren.— Elektrie, 1972, Bd. 26, № 8, S. 228.
6.2.54. Boldt R. Dimensionierung und Betriebsvehalten reaktiver elektromagneti-scher Linear-Schrittmotoren.— Feingeratetechnik, 1977, Bd. 26, № 9, S. 408; № 10, S. 459.
6.2.55. Dittrich P. Naherungsweise Beschreibung des dynamischen Verhaltens von Reluktanz-Schrittantrieben, insbesondere mit translatorischer Laufer-bewegung. XXII. Internat. Wiss. Kolloquium, TH Ilmenau, 1977, H. 4, S. 139.
6.2.56. Magerl R., Kunath P. Praktische Dimensionierung piezoelektrischer Wandler.— Elektrie, 1975, Bd. 29, № 12, S. 665.
6.2.57. Ringel F., Springer R., Zimmermann H. Piezoelektrisches Antriebselement fur Positionierungen im Subminiaturbereich.— Feingeratetechnik, 1977, Bd. 26, № 5, S. 196.
6.2.58. Budig К. P., Magerl R. Piezoelektrischer linearer Schrittmotor.— Elektrie, 1973, Bd. 27, № 8, S. 423.
6.2.59. Borner M., Hennigs К. E., Strahle U. D. Magnetostriktiver Kreuztisch zum Feinjustieren von Masken gegenuber Halbleiterscheiben.— Meptechnik, 1969, № 10, S. 244.
6.2.60. Wicke E. Meptechnische Untersuchungen am System Generator-Schwinger bei Ultraschall-Drahtkontaktiereinrichtungen.— Schweiptechnik, 1974, Bd. 24, № 6, S. 258.
6.2.61. Krause W. Positionierantriebe fuT lineare Bewegungen. XXII. Internat. Wiss. Kolloquium, TH Ilmenau, 1977, H. 4, S. 99.
144
6.2.62. Krause W. Geratetechnische Antriebe zur linearen Positionierung.— Feingeratetechnik, 1977, Bd. 26, № 5, S. 195; Wiss. Zeitschr. TU Dresden, 1977, Bd. 26, № 6, S. 1081.
6.2.63. Krause W. Geratetechnische Antriebe und Positioniersysteme. Bericht zum 20. Wissenschaftlichen Symposium der Sektion 10 der TU Dresden.— Feigeratetechnik, 1984, Bd. 33, № 2, S. 88.
6.2.64. Kallenbach E. Rechnergesteuerte Antriebssysteme.— Feingeratetechnik, 1981, Bd. 30, № 3, S. 98.
6.2.65. Dittrich P., Wolf A. Aufbau und Wirkungsweise linearer reaktiver elektromagnetischer Schrittmotoren mit auspragten Polen.— Feingeratetechnik, 1976, Bd. 25, № 11, S. 486.
6.2.66. Pilot U. Schrittmotorgesteuerte Positioniersysteme.— Feigeratetechnik, 1977, Bd. 26, № 8, S. 365.
6.2.67. Rauch M., Oeser M., Winkelmann G. Modellierung von Antriebssystemen.— Feingeratetechnik, 1976, Bd. 25, № 5, S. 218.
6.2.68. Rauch M., Oeser M., Winkelmann G. Berechnung des dynamischen Verhaltens eines schrittmotorgesteuerten Antriebs auf einem Analog-rechner.— Feingeratetechnik, 1976, Bd. 25, № 8, S. 353.
6.2.69. Krause W., Boden R. Positionierantrieb auf Linearkupplungsbasis.— Feingeratetechnik, 1977, Bd. 28, № 11, S. 501.
6.2.70. Schwabe M. Mikrorechner fur Positionieraufgaben.— Feingeratetechnik, 1982, Bd. 33, № 1, S. 16.
6.2.71. Rauch M. Antriebsprobleme in der Geratetechnik. Tagung „Konstruktion der Geratetechnik* 1978, TH Karl-Marx-Stadt, Tagungsbericht, S. 53.
6.2.72. Krause W. Belange der Feingeratetechnik bei der Konstruktion techno-logischer Ausrustungen der Mikroelektronik.— Feingeratetechnik, 1970, Bd. 19, S. 424.
6.2.73. Richter C. Stellantriebe in der Feingeratetechnik.— Feingeratetechnik, 1979, Bd. 28, № 12, S. 558.
6.2.74. Firmenschriften des VEB Kombinat Elektromaschinenbau Dresden.
6.2.75. Firmenschriften des VEB Relaistechnik Gropbreitenbach — Ilmenau.
6.2.76. Krause W., Brand S. Konstruktive Gestaltung von Prazisionszahnrad-getrieben.— Feingeratetechnik, 1976, Bd. 25, № 1, S. 11.
6.2.77. Krause W., Metzner D. Eigenschaften von Zahnriemengetrieben.— Feingeratetechnik, 1978, Bd. 27, № 12, S. 546.
6.2.78. Krause W., Metzner D. Anwendung von Zahnriemengetrieben.— Maschinen-bautechnik, 1978, Bd. 27, № 10, S. 448.
6.2.79. Krause W., Buhrandt U. Bewegungswandler fur Posionierantriebe. 28. Internat. Wiss. Kolloquium TH Ilmenau, 1983. Vortragsreihe „Entwicklung feinmechanisch-optisch-elektronischer Gerate*, S. 149.
6.2.80. Krause W., Buhrandt U. Rotations-Translations-Wandler fur Positionieran-triebe.— Feingeratetechnik, 1984, Bd. 33, № 4.
6.2.81. Weinhold H., Krause W. Das neue Toleranzsystem fur Stirnradverzahnungen. Berlin: VEB Verlag Technik Berlin, 1981.
6.2.82. Krause W. Plastzahnrader. Berlin: VEB Verlag Technik, 1985.
6.2.83. Gotte K., Hart H., Jeschke G. Taschenbuch Betriebsmeptechnik. Berlin: VEB Verlag Technik, 1982.
6.2.84. Berner R. Analoge und digitale elektronische Langenmepverfahren.— Zeitschrift Elektronik, 1972, № 9, S. 303; № 10, S. 349.
6.2.85. Walcher H. Digitale Lagemeptechnik. Dusseldorf: VDI-Verlag GmbH, 1974.
6.2.86. Knabe J. Ladungsgekoppelte Sensorzeile L ПО C.—Zeitschrift RFE, 1983, Bd. 32, № 10, S. 635.
145
6.2.87. Singer A. Verfahren zur Wegmessung mit Inductosyn.— Zeitschrift Werkstatt und Betrieb, 1975, Bd. 108, № 8, S. 507.
6.2.88. Schneider R. Inkrementales Auflichtlangenmepsystem (IAL) — Zeitschrift Werkstatt und Betrieb, 1979, Bd. 112, № 11, S. 787.
6.3. Механические функциональные узлы
Символы и обозначения
D — диаметр витка пружины, мм
DH — диаметр пружинного барабана, мм
DK — диаметр вала, мм
Е— модуль упругости, Н-мм-2 F — сила, Н
— электромагнитная сила, Н Fn — нормальная сила, Н Fs — сила натяжения, Н
G — модуль сдвига; Н-мм-2 / — максимальный ток, А J — момент инерции, кг-см2 К — коэффициент удара Kt — обобщенная, независящая от потенциала сила (например, Н)
L — индуктивность, Гн
Ма— вращающий момент, Н-мм MR— момент силы трения, Н-мм All, Л12 — моменты привода и нагрузки, Н-мм
Nf — число оборотов пружинного барабана
Р — шаг винтовой линии, мм
R — активное сопротивление, Ом Т — полное время, с; кинетическая энергия, Н-мм
U — напряжение, В; потенциальная энергия, Н-мм
W — энергия пружины, Н-мм а — длина, мм; постоянная b — ширина, мм; постоянная, с-м—1
с — жесткость пружины при кручении, Н-мм
d — диаметр, мм f — ход пружины (статический), мм; степень свободы; коэффициент заполнения
h — толщина, мм ha — высота головки зуба, мм
i — мгновенное значение тока,
А; передаточное отношение; число витков
k — коэффициент нагрузки, коррекции; постоянная демпфирования, Н-с-м-1 / — длина, мм
m— масса, кг, г; модуль зубчатого колеса, мм
п— частота вращения, мин-1 qi — обобщенная координата (например, м)
Л. — производная ф (например, м-с-1)
г, ге — радиус, эквивалентный радиус, мм
s — ход, длина шага, мм
t, *s — время, остаточное время, время шага, с
u, v — номер детали
v— скорость, м-с-1 X — ход, мм
Ху— скорость точки, м-с-1
yF — ход пружины (динамический), мм
z — число пазов, зубьев
а — снижение частоты вращения, %; угол клина, наклона, охвата, рад
Р — повышение вращающего момента, %
х — отношение масс Хо — собственное значение ц — коэффициент трения v — отношение времен шагов; чувствител ьность
оь — напряжение при изгибе, Н-мм~2
т, т/ — напряжение сдвига при кручении, Н-мм-2
<р — угол поворота, угол подъема витков пружины, рад ф— угловая скорость, рад-с-1 ф— угловое ускорение, рад-с-2 <оо — собственная частота, с-1-
146
Индексы
опт— оптимальный пол— полезный
А— ведомый
F— пружина
S— система в целом
треб— требуемый
1— ведущий, деталь 1
2— ведомый, деталь 2
В соответствии с задачами, сформулированными в разд. 1, механические функциональные узлы в приборах используются в первую очередь для передачи сигналов и значений функций. Дополнительной, в большинстве случаев второстепенной их функцией является передача энергии в приборах. Вследствие, как правило, малой мощности, передаваемой механическими узлами в приборах, они значительно отличаются от механических узлов, применяемых в машиностроении, для которых способность передавать большие потоки энергии является основным критерием их оценки.
Характерной для механических функциональных узлов приборов является, как правило, малость геометрических размеров. Это обусловлено в основном малыми внешними нагрузками на элементы этих узлов, а также необходимостью снижения массы, что позволяет развивать высокие рабочие скорости и одновременно обеспечивать высокую точность, например при позиционировании. Механические узлы современных приборов отличаются большим разнообразием конструкций, затрудняющим стандартизацию в этой области. Чрезвычайно широкий спектр требований к этим узлам обусловливает во многих случаях необходимость разработки нового конструктивного решения. Необходимо учитывать особенности технологии точного приборостроения, так как изготовление этих изделий, требуемых чаще всего в большом количестве, может быть экономически оправдано только в условиях массового производства и, следовательно, при использовании специального, сильно отличающегося от серийного технологического оборудования. Ниже рассмотрены особенности некоторых наиболее часто используемых в приборах механических функциональных узлов [6.3.1—6.3.3].
6.3.1. Механические приводы
Любое движение механического элемента или узла в приборах или машинах обусловлено воздействием на него элемента привода, который преобразует энергию в какой-либо форме в механическую [6.3.1, 6.3.2, 6.3.28—6.3.30]. Физические принципы действия элементов привода очень разнообразны; здесь могут быть использованы электромагнитные, механические, гидравлические, пневматические, термодинамические, магнито2 стрикционные, электрострикционные, биомеханические приводы. Механические приводы получают механическую энергию от аккумуляторов, которые в потоке энергии играют роль промежуточных аккумуляторов, «заряжаемых» от источника энергии с другим принципом действия.
Классификация аккумуляторов механической энергии приведена на рис. 6.3.1. Наиболее часто применяемыми в приборостроении аккумуляторами являются пружины. Недостаток аккумуляторов кинетической энергии по сравнению с аккумуляторами потенциальной энергии заключается в том, что они могут отдавать энергию в течение лишь относительно
147
(Гравитационные (Пружины) (Маховик) (Удар)
силы)
Рис. 6.3.1. Классификация аккумуляторов механической энергии
короткого времени. Преимущество пружин проявляется в независимости от положения, малости требуемой площади и массы при том же запасе энергии. Энергия, аккумулированная пружиной, может быть высвобождена в любое время и использована для непрерывно и дискретно работающих приводов. Непрерывно работающие пружинные приводы с выходным вращающимся валом, называемые также пружинными двигателями, применяются в регистрирующих приборах, часах, игрушках и т. д. В качестве аккумуляторов энергии пружины используются также в храповых и различных рычажных механизмах с упругими элементами. В теории передач [6.3.14] под механизмом (спусковым регулятором) обычно понимается устройство, которое при произвольном или заданном включении соответствующим элементом высвобождает энергию, используемую для перемещения ведущего элемента *. Накопление потенциальной энергии для осуществления такого перемещения является основным отличительным признаком механического спускового регулятора. Такие механизмы различаются по форме высвобождения аккумулированной в них энергии (табл. 6.3.1).
Выбор пружины для привода зависит от того, должна ли пружина
6.3.1. Систематика механизмов
Механизм Натяжение пружины Освобождение пружины Примеры
Храповой После однократного натяже- ния — многократное ослабление Периодически или непериодически с помощью управляемого переключающего элемента ^7
г 0^1 0
* В отечественной технической литературе такой механизм называется спусковым регулятором.— Прим. пер.
148
Продолжение табл. 6.3.1
Механизм Натяжение пружины Освобождение пружины Примеры
Анкерный спуск в часах: 1 — переключающий элемент (анкерная вилка): 2 — пружинный двигатель; 3 — храповое колесо (анкерное колесо): 4 — корпус
Рычажный с фиксирующей пружиной Для каждого освобождения необходимо одно натяжение пружины В требуемый момент независимо от натяжения £ J?
1
Механизм переключения с рычагом и пружиной: 1 — пружинный привод: 2 — корпус: 3 — натяжной элемент
Рычажный с фиксирующей пружиной и скачкообразно перемещающимся исполнительным рычагом Процессы натяжения и освобождения связаны между собой Автоматически после прохождения определенного пути натяжения А Д и /®\ Г /ZAoJj '1
ol/ 0
X 4 Механизм переключения с тремя рычагами и пружиной: 1 — корпус: 2 — натяжной элемент: 3 — пружинный привод: 4 — исполнительный рычаг, скачкообразно перемещающийся из одного положения в другое
обеспечивать требуемые параметры движения (его форму и динамические характеристики) или между нею и ведомым звеном предполагается установить передачу.
149
Так, для привода каретки пишущей машины, например, вращательное движение на выходе спиральной пружины можно преобразовать в поступательное с помощью передачи гибкой связью или посредством поворота рычага на небольшой угол с помощью простой пружины растяжения, конец которой движется поступательно. Ниже рассмотрены только пружины, используемые для привода.
6.3.1.1. Энергия привода
Основным параметром пружинного привода является энергия, которую он позволяет использовать. Эту энергию можно найти с помощью характеристики пружины (рис. 6.3.2):
W=\Fdf; W = \Mdd$. (6.3.1)
Для привода узла необходима минимальная сила FdmUx или минимальный момент Mrfmin, поэтому можно использовать не всю аккумулированную пружиной энергию Wu а лишь часть ее — полезную энергию №пол (рис. 6.3.3):
fmax Ч’тах
Н7ПОЛ= J Fdf или №пол= J Mddq. (6.3.2) ^min ^min
Однако и эта энергия не идентична требуемой, так как для привода соответствующего узла достаточно силы Fmin, при ходе привода Af = = fmax — fmin НСОбхОДИМЗ ЛИШЬ ЭНерГИЯ
U7Tpe6 = FminAf = Fmin (Lax - Li„) (6.3.3)
Энергия 1Гтреб соответствует площади прямоугольника, вписанного под кривой характеристики пружины, со сторонами Fmin и АД Аккумулированная пружиной энергия используется тем полнее, чем больше площадь прямоугольника. При такой оптимизации за основу принимают максимальный ход пружины fmax, определяемый с помощью расчета пружины на прочность.
Большинство металлических пружин имеют линейную характеристику:
F = cf,
(6.3.4)
Рис. 6.3.3. Определение полезной и полной энергий
150
Рис. 6.3.4. Оптимизация линейной характеристики пружины
где с — жесткость пружины. При оптимизации (рис. 6.3.4):
Потреб = (fmax fmin)^min» ^min ^fmin
И
№треб — С (fmaxfmin — fmin ) •
Энергия №Треб представляет собой максимум характеристики при №Tpe6/dfmin==0- Это условие ПРИВОДИТ К равенству fmin=0,5fmax или AfonT = 0,5fmax.
С помощью какой-либо передачи оптимальный ход пружины можно преобразовать в рабочий ход, требуемый для решения конкретной задачи.
Благодаря наклону характеристики пружина обладает избытком энергии, который не используется или который должен быть устранен. При использовании гравитационных сил этот недостаток отсутствует, так как усилие или момент, развиваемый падающим телом, постоянно в течение всего периода работы такого привода, поэтому №треб=№пол. Из пружинных приводов такую характеристику имеет только S-образная
пружина.
6.3.1.2. Статические характеристики пружинных приводов
Основные зависимости для расчета статических характеристик пружин, наиболее часто применяемых в приводах с вращающимся выходным валом, приведены в табл. 6.3.2. Более подробные данные для расчета можно найти в специальной литературе [6.3.1, 6.3.2, 6.3.38]. Ниже кратко описаны особенности этих приводов.
Винтовая пружина кручения представляет собой цилиндрическую винтовую пружину с лапками /ь /г. Обычно одна из лапок крепится к корпусу привода, другая обеспечивает вращение подвижной детали. В качестве аккумулятора энергии привод требует мало места и надевается на приводимый во вращение вал, который одновременно обеспечивает крепление самой пружины. Для накопления энергии пружина должна закручиваться в направлении закрутки ее витков. Поскольку диаметр пружины при этом уменьшается, необходимо обеспечить достаточный зазор между пружиной и валом.
Свободная спиральная пружина. Чаще всего эта пружина имеет форму архимедовой спирали с одинаковыми расстояниями а между витками. Она работает без трения, пока витки не касаются друг друга. Это условие ограничивает полезный угол закрутки до <р = 360°. При пренебрежении потерями на трение спиральная пружина может заводиться до полной укладки витков на вал.
Для предотвращения деформации пружины при слишком большой раскрутке, а также для ограничения занимаемого объема, и защиты
151
6.3.2. Пружинные приводы с вращающимся выходным валом
Пружина Характеристика Основные Формулы
параметры для расчета
Винтовая кручения — \^===% (F) ЯМ d — диаметр Md = Fli—cvtf, проволоки; nd.E D— диаметр c(f = -g^—; витков; Zi, /2 — — длина лапок; l = inD-\-1\12 i — число вит-
д, 7 проволоки
1 ' >з|

т2>г
2. Свободная спиральная
b, h — ширина и толщина ленты; / — длина пружины; а — расстояние между витками; i — число витков; Г|, г2 — внешний и внутренний радиусы
Md — Сфер
_ bh*E Cv~ 151
/ = ш(Г1 +r2) =
Л /г2 r2,i
= -(r,-r2)
3. Спиральная в барабане
DK, Dtt — диаметры вала и барабана; Ь, h — ширина и толщина ленты; Nf — число оборотов; k = DH/h — относительный диаметр барабана
Спуск пружины:
Мл=М<п
F
Мл = 1,13^-Х к
Xbh2 (o,O59 +
Alfg = 0,086—1
1 — ведущий вал; 2 — подающий вал
N
Dv, Da — диаметры барабанов; b, h — ширина и толщина ленты; N — число оборотов; KL — коэффициент
Md =
=-| QK.Lbh\
Dv = KLh;
Da=^Dv О
152
соседних деталей необходима установка ограничительных штифтов 4 (рис. 6.3.5). Внешний конец пружины шарнирно крепится к пальцу установленному на корпусе привода, внутренний — к валу 1 привода. Вал 1 используется для передачи энергии привода ведомого элемента (зубчатого колеса 2) и завода пружины. Для предотвращения передачи вращения вала 1 непосредственно на зубчатое колесо 2 во время завода между ними предусматривается храповой ограничитель.
Спиральная пружина в барабане. Барабан предотвращает полную раскрутку пружины, предохраняет от загрязнения и удерживает смазочный материал. Он позволяет ограничить размеры пружинного привода требуемыми размерами. Как и в приводе со свободной спиральной пружиной, пружина заводится с помощью вала 1 (рис. 6.3.6). Вращение вала 1 в обратную сторону предотвращено храповым ограничителем. Внешний конец пружины крепится к барабану 2, который вращается при отдаче приводом аккумулированной в нем энергии. Для этого зубья 3 нарезаются непосредственно на фланце барабана.
Выбор оптимальных размеров привода несложен. В качестве конструктивных необходимы параметры /, Ь, Л, DH и DK.
Из параметров материала пружины обычно достаточны модуль упругости Е и допустимое напряжение при изгибе ОдД0п. Для определения фактического напряжения материала необходим также коэффициент k, учитывающий кривизну пружинной ленты.
При выполнении требуемой функции пружинный привод должен развивать минимальный вращающий момент Mdmin и обеспечивать требуемое число оборотов барабана \NF, при этом на последующие конструктивные элементы не должен передаваться вращающий момент, превышающий максимально допустимое значение Afdmax.
Для расчета пружинного привода со спиральной пружиной в барабане может быть использована номограмма, приведенная на рис. 6.3.7 [6.3.28] и построенная по формулам, приведенным в табл. 6.3.2. Кроме упомянутых выше приняты следующие обозначения: оь — максимальное напряжение пружинной ленты, Н/мм2; &NF — число оборотов барабана в диапазоне м. -М,
развиваемых им моментов от AfJmax до Md • ; сс =—--------—Р . 1QQ —
^rfmax
Рис. 6.3.5. Свободная спиральная Рис- 6 3 -6- Спиральная пружина в бара-пружина бане
153
2

-JOO
Рис. 6.3.7. Номограмма для расчета пружинных двигателей
Md ____Md
коэффициент уменьшения вращающего момента, %; 0=—---------—X
^^min
Х100— коэффициент увеличения вращающего момента, %.
При построении номограммь! было принято Е = 2,2-105 Н-мм~2 (для стали) и DK = DH /Ъ. В результате расчета с помощью номограммы получают коэффициент заполнения f=0,5, т. е. пружина занимает 50 % свободного объема барабана. Энергйя пружины оптимально используется при AA/F = 0,75AA/g, что имеет место при 0 = 60 %.
Последовательность расчета с помощью номограммы рассмотрим на примере пружинного привода, для которого Mdmin = 20 Н-мм (точка В) и AA/f = 6,5 (точка Л).
1. Нанести на номограмму точки А и В, соответствующие заданным значениям.
2. Решить: принимать ли за основу допустимое напряжение пружинной ленты ОбДОП и размеры ее поперечного сечения b и h или коэффициент увеличения вращающего момента 0.
Если, например, выбрана пружинная стальная лента с ОбДОп = = 1850 Н/мм2, то точка Ci и, следовательно, значение k фиксированы. Тогда можно найти точки С2—Сл и рассчитать значения а и 0 в точке J. В данном случае а = 45 %, 0 = 85 %, т. е. максимальный вращающий момент следует считать равным 37 Н-мм. Энергия пружины используется не оптимально, оптимальность была бы обеспечена при 6=120. Проводя горизонталь из точки С2, находим точку D.
3. Выбрать один из параметров привода 6, 6, / или DH. Если, например, 6 = 0,18 мм (т. е. фиксированы точки F\ и £2), то сразу определяются все другие параметры.
4. Соединив прямой точки F\ и Ci, в точке Е найдем диаметр барабана DH = 20 мм, а проведя прямую от Сл через Е — точку К. Определим длину пружины / = 780 мм. Прямая из В к Л2 пересекает вспомогательную вертикаль z2 в точке G. Ширину b пружинной ленты найдем в точке Н, соединив точки D и 6; в нашем примере 6 = 3,75 мм.
Достоинством номограммы является наглядность, позволяющая быстро оценить влияние изменения того или иного параметра привода на другие параметры. В рассматриваемом примере можно быстро сделать вывод о том, что вместо найденного поперечного сечения ленты 0,18X3,75 мм можно использовать только сечение 0,18X4,0 мм. На номограмме для этого необходимо лишь переместить точку И до 6=4,0 мм, соединить ее с D и отметить новую точку G; £2 останется неизменной. Тогда прямая между G и Л2 даст новое значение Afdmin. В данном случае Mdmin увеличился бы до 22 Н-мм.
Необходимо помнить, что рассчитанный вращающий момент относится к спуску пружинного привода. Для завода необходим примерно на 20 % больший момент.
S-образная пружина представляет собой спиральную пружину, витки которой укладываются друг на друга без зазоров, а концы закреплены на двух валах: рабочем (диаметром DA) и вспомогательном (диаметром Dv), на котором уложен запас ленты. При перематывании со вспомога
155
тельного на рабочий вал пружина, стремясь сохранить свою форму, развивает вращающий момент, постоянный почти на всей длине витка. Необходимые для расчета коэффициенты Q и К зависят от материала и срока службы (числа циклов нагрузки L) пружины. Значения KL и относительного вращающего момента Md/(bh2) могут быть найдены по рис. 6.3.8.
6.3.1.3. Динамические характеристики пружинных приводов
В расчете, изложенном в п. 6.3.1.2, динамические характеристики привода не учитывались; для непрерывно протекающих процессов это и не требуется. Однако большое число пружин имеет дискретный режим работы, например в храповых механизмах, в спусковых регуляторах часовых механизмов, в рычажных механизмах с упругим элементом и т. д. [6.3.30]. Преимущество пружин — способность неограниченно долго хранить аккумулированную энергию и высвобождать ее в любой требуемый момент — здесь используется полностью. Критерием качества такого привода является возможность кратковременных перемещений заданных масс.
Для математического исследования динамических характеристик пружинных приводов целесообразно использовать их обобщенные модели, подробное описание которых можно найти в [6.3.29]. Одна из таких моделей для привода с винтовой пружиной представлена на рис. 6.3.9. Здесь действуют только силы инерции, приводимая в движение масса тА остается постоянной. Ось пружины не изменяет своего положения. Один ее конец закреплен на неподвижном корпусе.
В простейшем случае колебательная система пружина — масса, образующаяся при пренебрежении собственной массой пружины mF, обладает одной степенью свободы. Уравнение движения имеет вид:

(6.3.5)
Рис. 6.3.8. Зависимость относительного вращающего момента от числа циклов нагрузки для коррозионно-стойкой (1) и углеродистой (2) пружинных сталей
Рис. 6.3.9. Модель привода с винтовой пружиной
156
Рис. 6.3.10. Определение поправок- Рис. 6.3.11. Изменение поправочного коэф-ного коэффициента k по Генеру фициента при динамической нагрузке
при собственной частоте системы
<no=-^cs/mA (6.3.6)
и законе движения s (О = (а (1 “ cos 0 • (6.3.7)
Если ввести массу пружины mF и обозначить тА /шр = к, то (Do = С$/flip ,
причем собственное значение приближенно может быть записано в виде
= л/ 3/ (Зх +1). (6.3.8)
Следовательно, собственная круговая частота Wo=д/3с5/[ (Зх +1) • тА] . (6.3.9)
Для граничного случая mf = 0 снова получаем уравнение (6.3.6). При /пл=0 точно в соответствии с положениями работы [6.3.29] находим: (Do = (л/2) -^Cs/tnF .
При каждом расчете пружины необходимо проверять ее на прочность. Для динамически нагруженной пружины (см. рис. 6.3.9) справедливо соотношение
т/ — Vxk (а Т/
доп,
(6.3.10)
где k — поправочный коэффициент по Генеру, являющийся функцией D/d (рис. 6.3.10); — увеличение напряжения сдвига за счет динамической
нагрузки (рис. 6.3.11). Если значение т/доп должно быть превышено, то размеры системы необходимо определять заново.
6.3.2. Включающие механизмы
Определенная группа узлов в приборах предназначена для включения и выключения потоков энергии.
157
Механические включающие механизмы, или переключатели, системное понятие которых дано в [6.3.34], в течение определенного времени обеспечивают передачу сил или моментов при фрикционном (силовом) или геометрическом замыкании элементов кинематической пары [6.3.5, 6.3.31—6.3.45]. К таким механизмам относятся многие переключающие устройства, шаговые механизмы и т. д. [6.3.1,6.3.14]. Вследствие дискретности контакта между элементами пары ее структура изменяется [6.3.17]. Узлы, в которых появляется зазор (слабина, прилегание попеременно к различным поверхностям, мертвый ход) вследствие сборочных и технологических погрешностей, а также в результате изнашивания, также могут рассматриваться в качестве включающих механизмов [6.3.35].
6.3.2.1. Конструкция
В табл. 6.3.3 приведены узлы, обеспечивающие временное соединение элементов кинематической пары при фрикционном (силовом) или геометрическом замыкании.
6.3.3. Основные схемы включающих механизмов и примеры их конструкций
Схема Пример конструкции Описание
Временное фрикционное замыкание; на входе и выходе вращательное движение
Однооборотная муфта, обеспечивает только один оборот ведомого вала после выключения переключающего кулачка
Коническая муфта. Увеличивает нормальную силу. Угол конусности выбирается больше угла трения
Дисковая муфта. Передаваемый вращающий момент соответствует площади входящих во фрикционный контакт дисков. Сжимающее усилие одинаково для всех фрикционных пар
158
Продолжение табл. 6.3.3
Схема Пример конструкции Описание
Временное фрикционное замыкание; на входе вращательное, на выходе —
поступательное движение
1 — прижимной ролик; 2 — ведущий вал; 3 — магнит-
ная лента
Прижимной ролик для лентопротяжного механизма. Прижим осуществляется с помощью электромеханического устройства
Лентопротяжный механизм для перемещения ленты в старт-стопном режиме. Привод переключающего рычага осуществляется с помощью магнита (см. табл. 6.3.5)
1 — ролик «Стоп»; 2 — магнитная лента; 3 — привод
Механизм подачи бумажной ленты в выводном печатающем устройстве, бумагодержатель. Принцип работьГ такой же, как и у устройств подачи перфокарт и перфолент (см. табл. 6.3.6)
Временное фрикционное замыкание; на входе вращательно-поступательное, на выходе — поступательно-вращательное движение
Тормоз для предотвращения или окончания вращательного движения
159
Продолжение табл. 6.3.3
Схема
Пример конструкции
Описание
Дисковый тормоз для кратковременного прекращения вращательного движения
Колодочный тормоз или демпфер, ограничивающий или прекращающий вращательное движение
Транспортирующее устройство или тормоз для ленточных носителей информации
Временное геометрическое замыкание; на входе вращательное, на выходе вращательно-поступательное движение
и. Управляемый упор с ограниченным устранением стопорящего воздействия
12. / V Простой червячный упор с отсутствием некоторых зубьев для ограничения вращения червячного колеса
13. Табл. 6.3.5, п. 2 Мальтийский механизм в качестве шагового механизма, например, для транспортирования пленки
160
Продолжение табл. 6.3.3
Схема
Пример конструкции
Описание
Штифтовая муфта для соединения вращающихся валов. Обеспечивает передачу вращения без скольжения
Временное геометрическое замыкание; на входе и выходе поступательно-вращательное движение
Шаговый механизм для ограничения шага каретки пишущей машины
Храповой механизм для преобразования поступательного движения в шаговое (см. табл. 6.3.5)
Контактная группа реле
Грейферный механизм для транспортирования кинопленки (см. табл. 6.3.5)
6 Зак. 218
161
Временное фрикционное замыкание. Фрикционные механизмы используются для привода или торможения, сопровождающегося явлениями скольжения или сцепления, а также неравномерностями хода (проявляющимися в изменении ускорения приводимого в движение элемента). На рис. 6.3.12 представлены схемы конструкций, совершающих вращательное и поступательное движение. Детали 1, 2 закреплены в направляющих в корпусе 0 и могут входить во фрикционное зацепление друг с другом и с корпусом 0.
При обеспечении привода или торможения ведомый элемент 2 оказывает тормозящее действие на ведущий элемент 1 (см. табл. 6.3.3, п. 1,4, 6, 10). В приборостроении следует учитывать, что ведомый элемент оказывает обратное воздействие на привод (двигатель), см. рис. 6.3.13, а. Время включения равно времени скольжения при включении tRE.
При длительном торможении всегда можно пренебречь относительной скоростью между ведущим и ведомым элементами (см. табл. 6.3.3, п. 7, 9). На рис. 6.3.13, б приведен особый случай торможения относительно корпуса, когда в результате торможения скорость ведущего элемента снижается до нуля. Непредставленные здесь фрикционные соединения, например прессовые, представляют собой предельный случай включающего механизма. В колебательных системах процесс включения характеризуется прерывистым режимом включения.
Временное геометрическое замыкание. Процесс включения при геометрическом замыкании обычно характеризуется ударами или вибрацией. Удары представляют собой скачкообразные изменения скорости, в то время как вибрация является совокупностью большого числа ударов. К таким включающим механизмам ударного типа относятся, например, кулачковая и зубчатая муфты.
Рис. 6.3.12. Примеры фрикционного зацепления элементов, совершающих вращательное (I) и поступательное (II) движения. Подчеркнутая цифра в обозначении фрикционной системы RS указывает на поверхность, не входящую во фрикционный контакт:
а—RS012- скольжение (привод, торможение), сцепление; б—RS01: скольжение (торможение); в — RS01: сцепление; г — RS012^: колебания
162
Другой функцией узлов с геометрическим замыканием является ограничение [6.3.38], причем для этой цели могут применяться неподвижные (см. табл. 6.3.3, п. 11) и подвижные (п. 17) упоры [6.3.39]. Неподвижный упор имеет большую массу (корпус).
На рис. 6.3.14 представлены примеры включающих механизмов ударного типа с поступательным движением рабочего элемента (места соударений здесь выделены черными полукружками). В зависимости от характера движения контактирующих элементов можно различать элементы одностороннего или двустороннего удара [6.3.40, 6.3.41]. Элементы одностороннего удара характеризуют механизмы, показанные в табл. 6.3.3, п. 11, 17; элементы двустороннего удара — механизмы, показанные в п. 13, 15 и 18. (Двусторонний удар может переходить в односторонний).
При неподвижных ударах возникают основные вибрации, при подвижных — так называемые побочные. Основная вибрация отличается сменой знаков скорости элемента при каждом ударе.
Рис. 6.3.13. Динамические характеристики элементов фрикционного зацепления (частота вращения двигателя не зависит от нагрузки):
а — общий случай (привод, торможение); б, в — торможение относительно корпуса, соответственно длительное торможение и торможение до нуля; Ire—время скольжения при включении;
//f—временные границы процесса включения
6*
а)
б)
Рис. 6.3.14. Модели включающих механизмов ударного типа (PS) с рабочими элементами одностороннего (ЕР) и двустороннего (ZP) удара. Подчеркнутая цифра в обозначении механизма указывает на элемент, не участвующий в геометрическом замыкании:
а — PS01EP; б — PS01ZP; в — RS012EP/ZP; г — PSO_ 12ZP
6.3.2.2. Моделирование
На рис. 6.3.13 и 6.3.15 приведены динамические характеристики включающих механизмов с фрикционным и геометрическим замыканием. Время удара при геометрическом замыкании мало [6.3.42], поэтому при сравнительно длительном процессе включения им можно пренебречь.
Процесс включения состоит из нескольких участков. Границы между участками характеризуются определенными условиями соударения элементов и и и, причем конечные условия BUVflA на участке п позволяют
Рис. 6.3.15. Динамические характеристики при вибрации:
а — основная вибрация (HP) при односторонних соударениях; б — основная (HP) и побочная (NP) вибрации при односторонних соударениях; в — вибрация с двусторонними соударениями, 0—IV — моменты соударений
164
Рис. 6.3.16. Условия на границах участков процесса включения:
п — число участков; g — граница
д=т и ш ш
0 , А п-1 ° 2 А v 3 A
BuvIO &uv2A BuvJO
Buv1A Buv20 BuvJA BuvAO
определить начальные условия Buv n+i о для участка п+1. Эти условия можно представить схематически (рис. 6.3.16).
Динамические характеристики устройства на отдельных отрезках могут быть описаны с помощью дифференциальных уравнений.
Согласно принципу Даламбера, сумма сил, действующих на границе, равна нулю:
£л,=о. (6.3.Н)
Сумма скоростей в любой замкнутой ячейке также равна нулю:
£д = о. (6.3.12)
Но уравнения движения могут быть также составлены из условий энергетического баланса (например, в виде уравнений Лагранжа второго
й) 6)
Рис. 6.3.17. Коэффициенты удара: а — 7/11=0,157 кг, плоскость/плоскость, Л =5,3 мм2 (/— 15СгЗ закал/15СгЗ закал., 2 — Е — Си/Е — Си, 3 — Ms60/ Ms60); б— 15СгЗ закал/15СгЗ закал., ПЛОСКОСТЬ/ПОЛОСТЬ, А = 7 ММ2 (/ — ГП\ = = 0,157 кг, 2 —mi =0,22 кг, 3— rri\ = = 0,263 кг, 4 — zrii=0,327 кг); в — гп\ = = 0,157 кг, плоскость/плоскость, А = = 50 мм2, 15СгЗ закал/15СгЗ закал. (/ —М200, 2 — М95); г — т, =0,35 кг, %! Д =0,4 m«c~l, сферическая чашка/сфе-рическая чашка, С15/С15
165
рода для голономной склерономной системы [6.3.4]) при f степенях свободы:
d дТ дТ dU „ .. . о п ..................................°- <6'3,3)
Для описания включающего механизма с помощью дифференциальных уравнений необходимо определить элементы соединений, масса которых считается нулевой, и элементы масс, сконцентрированных в точке.
Особое значение для включающих механизмов имеют временно воздействующие фрикционные и ударные элементы, отличающиеся нелинейностью характеристик, что требует точного их значения для расчета. Фрикционный элемент может быть описан с помощью коэффициента трения ц, ударный — с помощью коэффициента удара К. Оба эти коэффициента не постоянны, они зависят от дополнительных условий. Для ускорения расчета включающего механизма ударного типа значения этих коэффициентов с учетом основных вспомогательных условий можно найти в специальных каталогах, выдержки из которых приведены на рис. 6.3.17 и 6.3.18 [6.3.5]. Зависимости, отражаемые кривыми на этих рисунках, могут быть введены в систему уравнений, описывающих включающий механизм, в виде аппроксимирующих формул.
Рис. 6.3.18. Коэффициенты трения:
а — сталь, /?, = 4 мкм, 7 = 303 К, ^=18,7 Н, 4 = 43 мм2 (/ — COSID 19/50, Rt =
= 37 мкм; 2 —COSID 18/04, Rt = 34 мкм; 3 — COSID 501, Rt = 2\ мкм); б— сталь,
Rt = 4 мкм/COSID 501, Rt = 21 мкм, А — 43 мм2, Т = 303 К (/ — F N = 10,4 Н, 2 FN =
= 14,5 Н, 3 — 7^ =18,7 Н, 4 — Fn = 22,9 Н); в — сталь, Rt = 4 мкм/COSID 501,
Я/= 33,5 мкм, М200, 7 = 303 К, 4 = 43 мм2 (1—Fyv = 10,4 Н, 2—7^=187 Н; 3 — Fn = 27 Н); г —сталь, Rt = 4 мкм/COSID 501, Rt = 33,5 мкм, SRL 36, 7 = 303 К, А = = 43 мм2 (/-7^=10,4 Н, 2-7^=18,7 Н, 3-FN = 27 Н)
166
На основе чертежа узла или привода в целом строят его модель, в зависимости от уровня абстрагирования имеющую вид механической модели (системы) или представления в символах (функциональной схемы). Модель должна быть простой, и отражать основные свойства натуры. Ниже описаны примеры расчета с помощью таких моделей.
6.3.2.3. Примеры расчетов
Стопорный механизм. На рис. 6.3.19 показано устройство, включение которого сопровождается типичными явлениями временного кинематического зацепления. Привод штока 1 осуществляется с помощью магнита постоянного тока. Так как в приборах необходимо учитывать обратное воздействие механических элементов на электромагнитные, за основу при расчете следует принимать требуемую для подъема штока электромагнитную силу FM [6.3.43]. По значениям коэффициента удара К и скорости до удара х1пА можно рассчитать скорость после удара хи+ю [6.3.44].
С помощью модели в виде представления механизма в символах или функциональной схемы можно составить следующие дифференциаль
ные уравнения:
Fм = Щ\Х\ -]-k 1X1 -J-CiXi +Fi; (6.3.14)
FM=(i2/2)dL(x)/dx; (6.3.15)
U = IR + L (x) di/dt+/ [dL (x) /dx\ dxfdt\ (6.3.16)
K = — х1п+ю/х1пЛ. (6.3.17)
Расчет с помощью этих уравнений целесообразно проводить на ЭВМ [6.3.45]. На рис. 6.3.20 представлены типичные зависимости тока, силы, хода и скорости от времени, найденные в результате расчета на аналоговой ЭВМ. На графиках четко видны принципиальные взаимосвязи между этими параметрами, на которые указывалось еще в разд. 6.2 (см. рис. 6.2.11), в частности соударения при временном геометрическом замыкании элементов.
Рис. 6.3.19. Стопорный механизм:
а — конструкция; б — модель; в — представление в символах и функциональная схема
167
Рис. 6.3.20. Результаты расчета динамических характеристик стопорного механизма
Фрикционная муфта с электромагнитным приводом для соединения вращающихся валов. В рассматриваемом примере передача U состоит из редуктора G и муфты К, обеспечивающей непрерывность потока энергии в приводе (рис. 6.3.21). Эта система описывается следующими уравнениями:
Mi —М%-\- J 1ф1»
(6.3.18)
= Л^2 + / 2ф2*, MR=p.FNre-ц = а — &Ф12; (6.3.19) (6.3.20) (6.3.21)
(6.3.22)
Fn = F [ 1 + sin (ш// + Зл/2) ];
U=iR + Ux) {di/dt\ где a, b, re, F — постоянные.
Кривые, полученные с помощью малой цифровой ЭВМ при расчетё этих уравнений, представлены на рис. 6.3.22.
168
Рис. 6.3.21. Фрикционная муфта с электромагнитным приводом для соединения вращающихся валов:
а — схема; б—модель; в — представление в символах и функциональная схема; <pi2 — относительный угол; ф<2 — относительная угловая скорость; iK — ток муфты
6.3.3. Транспортирующие механизмы
Работа некоторых приборов сопровождается транспортированием плоских тел, толщина которых очень мала по сравнению с длиной и шириной [6.3.2—6.3.16, 6.3.46—6.3.56, 6.3.59]. В зависимости от соотношения размеров можно различать ленты, карты и диски. Их транспортирование в приборах производится преимущественно поступательно или с вращением в плоскости, в которой лежат их основные размеры. Транспортирование в поперечном направлении осуществляется в редких случаях.
Рис. 6.3.22. Результаты расчета динамических характеристик фрикционной муфты на цифровой ЭВМ:
Hi2 — коэффициент трения
В зависимости от назначения к временным параметрам механизмов транспортирования предъявляются определенные требования.
6.3.3.1. Механизмы для транспортирования ленты
Ленты представляют собой плоские тела, длина которых значительно больше ширины. Для экономии места и удобства обращения с ними ленты наматываются на катушки, для которых в транспортирующих механизмах должны быть предусмотрены устройства крепления. В зависимости от изменения скорости транспортирования во времени различают механизмы для транспортирования ленты с минимальной, постоянной и периодически изменяющейся скоростью, а также механизмы, работающие в стохастическом стартстопном режиме (при случайном во времени шаговом перемещении, при случайном отклонении длины шага).
Транспортирование с минимальной скоростью. Во многих случаях достаточно перемещения ленты с любой скоростью, но не ниже определенной минимальной скорости. Конструкция транспортирующего механизма упрощается до устройства, состоящего лишь из притормаживаемой подающей катушки 1 и приемной катушки 2, вращаемой приводом (табл. 6.3.4, п. 1). Скорость транспортирования и = 2л гп, где г — радиус внешнего витка ленты на приемной катушке. Следовательно, минимальная скорость зависит от диаметра катушки, максимальная — от максимально возможного диаметра витка. Такие транспортирующие механизмы часто применяются в кинопроекторах и лентопротяжных устройствах магнитофонов (для обратной перемотки).
Транспортирование с постоянной скоростью. Между подающей и приемной катушками можно установить устройство, перемещающее ленту с постоянной скоростью. Приемная катушка связана с приводом через фрикционную муфту. Здесь возможны следующие конструкции.
Ведущий ролик. Транспортирующий механизм состоит из одного вращающегося ролика 3 (см. табл. 6.3.4, п. 2), охваченного подаваемой лентой. Максимальную силу транспортирования определяет только трение на дуге обхвата. Эта сила зависит от Fs, аир,:
F<FS|-^S2 <AS2(e^-l) = /?Si(eliC'-l)/e^. (6.3.23)
Коэффициент трения и угол обхвата не могут быть как угодно велики (с учетом прочности ленты, крепления ролика); поэтому ведущий ролик может развивать только относительно небольшую силу транспортирования ленты.
Ведущий и прижимной ролики. В этом механизме ленту к ведущему ролику прижимает дополнительный ролик (см. табл. 6.3.4, п. 3). Сила прижима Fn может быть очень большой, т. е. сила трения и, следовательно, сила транспортирования F также могут достигать относительно больших значений: F^pFy.
Недостатком механизма является скольжение между элементами пары. Скольжение может быть эффективно снижено при выборе малодеформируемых материалов (например, стали) для роликов, но с учетом материала ленты и достижимого коэффициента трения. 170
Скольжение может быть полностью устранено только при геометрическом замыкании, реализуемом описанными ниже механизмами.
Ролик, по ободу которого установлены иглы. При вращении ролика иглы заглубляются в материал огибающей ленты и обеспечивают их геометрическое замыкание (см. табл. 6.3.4, п. 4). Этот принцип применим только для лент из мягкого материала, причем лента может быть использована для транспортирования только один раз. В качестве примера можно назвать диаграммную бумагу для самопишущих измерительных приборов. Усилие, передаваемое иглами при транспортировании ленты, может быть определено экспериментально.
6.3.4. Механизмы для непрерывного транспортирования ленты
Схема и название
Область применения
Примечания
Транспортирование с минимальной скоростью
/ 2.
1. Намоточное устройство:
1,2 — подающая и приемная катушки
Механизмы обратной перемотки магнитной ленты
Транспортирование с постоянной скоростью
ЗГ;
&
Т ранспортирующие
Передаваемые
fszfi
2. Ведущий ролик:
1,2 — подающая и приемная катушки;
3 — ведущий ролик
механизмы, в которых привод не может быть установлен на одной из осей намотки или в которых направление вращения привода должно быть противоположно направлению намотки
усилия малы. Ведущий валик должен быть цилиндрическим с очень малыми отклонениями формы
3. Ведущий и прижимной ролики
Магнитофоны, пишущие машины, печатающие устройства, телетайпы
Возможна передача больших усилий. Оба ролика должны иметь очень малые отклонения формы, оси их вращения должны быть параллельны
Регистрирующие измерительные приборы
Лента может транспортироваться
только один раз
Ж

V/
4. Ролик, по ободу которого установлены иглы
171
Продолжение табл. 6.3.4
Схема и название
Область применения
Примечания
6. Гибкий тянущий элемент с зубьями
Приборы с перфолентой, кинокамеры, кинопроекторы, фотокамеры, некоторые магнитофоны, печатающие устройства
Быстродействующие печатающие устройства
Зубья иногда делаются утапливающимися (б). Вместо защитного экрана может быть установлен ролик
Зубья иногда делаются утапливающимися
Ролик с зубьями. При вращении ролика зубья входят в отверстия перфорации, предусмотренные на ленте (см. табл. 6.3.4, п. 5). Зубья могут быть неподвижными или утапливающимися в ролик. Усилие транспортирования зависит от числа зубьев, вошедших в отверстия ленты, и от усилия, выдерживаемого каждой перемычкой между отверстиями. Однако в расчетах за основу следует принимать лишь последнее, так как за счет погрешностей изготовления зубьев и перфорации равномерное распределение усилий на несколько отверстий практически не может быть обеспечено. Это относится и к гибким тянущим элементам с зубьями (см. табл. 6.3.4, п. 6). Равномерность распределения усилий на перемычки отверстий перфорации зависит от гибкости бумажной ленты.
Транспортирование с периодически изменяющейся скоростью (шаговый режим) [6.3.46—6.3.56, 6.3.59]. Его осуществляют механизмы двух групп: механизмы, в которых рабочий элемент находится в постоянном зацеплении с лентой (шаговые механизмы), и механизмы, в которых рабочий элемент входит в зацепление с лентой только в процессе транспортирования (грейферы).
К шаговым механизмам могут быть отнесены конструкции, представленные в п. 2—6 табл. 6.3.4; если их рабочий элемент совершает дискретные движения. В табл. 6.3.5 приведены механизмы, специально предназначенные для пошагового транспортирования.
Храповой механизм. Храповое колесо 1 поворачивается на определенный угол вместе с ведущим рычагом 2, с которым оно связано рабочей собачкой 3 (см. табл. 6.3.5, п. 1). При возвращении рычага 2 в исходное положение обратное вращение колеса 1 предотвращается стопорной собачкой 4. Упоры 5 ограничивают угловой шаг колеса. 172
Примечания
Схема и название
6.3.5. Механизмы для дискретного транспортирования ленты (шаговые механизмы)
Области применения | -------------=------ь
Ленточный и интервальный механизмы в пишущих машинах и телетайпах
Собачки и зубья храпового колеса должны быть закалены
1. Храповой механизм:
/ — храповое колесо; 2 — ведущий рычаг; 3 — рабочая собачка; 4 — стопорная собачка; 5 — упор
Кинопроекторы (для пленки 35 и 70 мм)
2. Мальтийский механизм: / — цевка на кривошипе; 2 — кривошип (цилиндрический фиксатор); 3—мальтийский крест
3. Звездчатый механизм с неполным цевочным колесом: / — ведущее колесо; 2 — цевка; 3 — фиксатор; 4 —
Упаковочные, печатающие, намоточные, машины. Этот механизм применяется, если необходимы периодические остановки при постоянной скорости в фазах движения
Большая скорость поворота креста в середине шага. Возможно резкое изменение ускорения. Точность изготовления должна быть высокой. Контактирующие поверхности должны быть закаленными и шлифованными. Рекомендуется хороший смазочный материал. Коэффициент времени движения креста зависит от числа пазов
Вместо цевочного зацепления может быть использовано эвольвентное. Коэффициент времени движения может изменяться в широких пределах. Скорость в середине шага постоянна
ведомое цевочное колесо
Игрушки, неответственные передачи
Чем меньше коэффициент времени движения, тем больше силы, износ и опасность защемления (самостопоре-ния)
4. Кулачковый механизм прерывистого вращения:
/ — цилиндрический кулачок; 2 — зубчатое колесо
173
Рис. 6.3.23. Храповой механизм с изменяемым угловым шагом храпового колеса [6.3.6]:
1 — ведущий рычаг; 2 — храповое колесо;
3 — рычаг установки углового шага
Рис. 6.3.24. Мало шумный храповой механизм [6.3.6]:
1 — ведущий рычаг; 2 — храповое колесо; 3 — пружина
Представленная в таблице конструкция является основной формой храпового механизма. Однако существуют различные варианты этого механизма, разработанные в соответствии с особенностями выполнения ими конкретных задач. Для изменения углового шага храпового колеса возможна установка специального рычага, положение которого может регулироваться (рис. 6.3.23). Шум при скольжении собачек по зубьям колеса может быть снижен, если в нерабочем положении собачки будут
выводиться из зацепления с помощью пружин, закрепленных на храповом колесе и его вале, с проскальзыванием (рис. 6.3.24).
Вследствие возвратно-поступательных движений рычага храповой механизм не пригоден для получения шаговых перемещений с большой частотой. Поэтому он применяется в таких устройствах, как ленточный механизм в пишущих машинах (рис. 6.3.25). Собачки 3 здесь неподвижны, а храповое колесо 2 движется относительно их. Это движение обеспечивается поворотами чашек 6 вместе с колесом 2 относительно вала 1. В зависимости от направления поворота одна из собачек 3 приводит
во вращение колесо 2, другая скользит по его зубьям. Дополнительное непоказанное здесь устройство после полной перемотки ленты с подающей катушки отводит собачки от храпового колеса и отпускает до того отведенные собачки на приемной катушке, благодаря чему катушки меняются местами.
Мальтийский механизм (см. табл. 6.3.5, п. 2), состоящий из
Рис. 6.3.25. Храповой механизм в качестве ленточного механизма в пишущей машине:
1 — вал, совершающий повороты в ту или другую сторону; 2 — храповое колесо; 3 — собачка; 4 — фетровый тормоз; 5 — тормозная пружина; 6 — чашка для катушки
174
цевки /, сидящей на кривошипе 2, и мальтийского креста 3, представляет собой реализацию кривошипно-шатунного механизма. Вращение мальтийского креста производится радиально перемещающейся цевкой без ударов, однако возможны резкие изменения ускорения креста. Поэтому при большой частоте вращения инерционные силы следует сохранять малыми за счет высокой точности изготовления, высокого качества контактирующих поверхностей и выбора соответствующих смазочных материалов. Скачки ускорения креста могут быть предотвращены с помощью предварительного включения, например, двухкривошипного механизма, передачи с эллиптическими зубчатыми колесами и т. п. [6.3.47].
Мальтийские механизмы применяются в кинокамерах и кинопроекторах, особенно для кинопленок 35 и 70 мм. Особый интерес представляет коэффициент времени движения v, представляющий собой отношение времени поворота креста ts ко времени цикла, равного сумме ts и времени tR покоя креста. В мальтийских механизмах без предварительно включенных передач, т. е. при постоянной частоте вращения кривошипа, коэффициент v может быть рассчитан также по углу, который цевка проходит для поворота креста, и полному углу ее поворота за цикл, т. е. 360°. Поскольку шаг мальтийского механизма зависит также от числа пазов в кресте, значение v для мальтийского механизма с внешним зацеплением может быть рассчитано следующим образом:
V = ts/Т = ts/ (tR + ts) = (z — 2)/(2z). (6.3.24)
Звездчатый механизм состоит из ведущего колеса 1 с цевками 2 и фиксатора 3, а также ведомого колеса 4 с зубьями, прерывающимися двумя выступами с фиксирующими дугами (см. табл. 6.3.5, п. 3). Коэффициент времени движения этого механизма больше единицы [6.3.6].
В кулачковом механизме прерывистого движения цилиндрический кулачок 1 приводит во вращение зубчатое колесо 2, причем за один поворот кулачка колесо поворачивается на относительно малый угол (см. табл. 6.3.5, п. 4). Условия зацепления между кинематическими элементами характеризуются в основном трением скольжения при неблагоприятной геометрии поверхностей в отношении трения между ними, что ведет к их повышенному износу. Поэтому эти механизмы используют лишь в специальных случаях.
Пошаговое транспортирование с помощью периодического торможения может использоваться при подаче ленты двумя тянущими роликами (рис. 6.3.26). Ролики обеспечивают равномерное движение ленты и ее проскальзывание при периодическом торможении, например, посредством электромагнита 2. Сила сжатия роликов выбирается так, чтобы не было превышено допустимое усилие растягивания ленты. Ее трение в направляющих и трение подшипников подающей катушки должны быть настолько малы, чтобы лента надежно подавалась при выключенном тормозе. Такой механизм применяется в ленточных телетайпах.
В скачковых механизмах рабочий элемент входит в зацепление с лентой только в фазе транспортирования. Они могут быть построены на базе силового или геометрического замыкания.
175
Рис. 6.3.26. Пошаговое транспортирование ленты с помощью периодического торможения:
1 — привод, обеспечивающий проскальзывание ленты при торможении; 2 — тормозной магнит; 3 — якорь магнита
В кулачковом скачковом механизме ведущий ролик 1 может иметь секторный вырез, угол которого соответствует требуемому коэффициенту времени движения ленты, так как в зоне выреза давление на нее не оказывается и она, следовательно, не транспортируется (табл. 6.3.6, п. 1,а). Тот же эффект достижим, если при тянущем гладком ролике, без вырезов, прижимной ролик периодически приподнимается (табл. 6.3.6, п. 1,6). Однако в обоих случаях транспортирование без ударов невозможно. По этой причине, а также вследствие проскальзывания ленты этот механизм применяется только тогда, когда развиваемое им натяжение ленты достаточно для ее транспортирования, а высокая точность шага не требуется (например, в кассовых аппаратах, бухгалтерских машинах).
6.3.6. Механизмы для дискретного транспортирования ленты (грейферы)
Примечания
Схема и название
1. Кулачковый механизм:
/ — ведущий ролик; 2 — прижимной ролик; 3 — кулачок
Точность шага невелика. Применяется в кассовых аппаратах
2. Грейферный механизм с захватами: / — пара транспортирующих захватов;
2 — пара стопорящих захватов
Если трение ленты в канале достаточно для ее торможения, то от грейфера 2 можно отказаться или грейфер / в паузах может выполнять функцию транспортирования. Применяется в перфоленточных устройствах
176
Продолжение табл. 6.3.6
Схема и название Примечания
...... ¥ 3. Фрикционный грейферный механизм Зубья предусматриваются для повышения трения, они должны быть закалены. Применяется в швейных машинах
4. Грейферный механизм с зубом Зуб вызывает изнашивание перфорации пленки, поэтому она используется только для киносъемки. Зуб должен быть закален. Применяется в кинокамерах (для пленки 8 и 16 мм)
5. D-грейфер (кривошипно-грейферный механизм) На рычаге возможна установка нескольких зубьев. Применяется в кинокамерах (для пленки до 35 мм), кинопроекторах (для пленки до 16 мм)
6. D-грейфер (рамочно-кулачковь низм) ! 1Й меха- Возможно применение дополнительно кривошипа, вследствие чего траектория грейфера скругляется. Применяется в кинокамерах (для пленки до 35 мм), в кинопроекторах (для пленки до 16 мм)
i 2 / 7. Пальцевый механизм: / — палец; 2 — зубчатый ролик Точность шага невелика. Необходимы юстирующие элементы. Применяется в кинопроекторах
177
6.3.27. Грейфер с зажимами, обеспечивающими движение ленты в одну сторону:
1 и 2 — транспортирующий и стопорный зажимы; 3 — колодка
Грейферный механизм с захватами содержит две пары захватов (см., табл. 6.3.6, п. 2). Транспортирующая пара 1 захватывает ленту и протягивает ее на один шаг. Затем она освобождает ленту и возвращается в исходное положение, в то время как лента фиксируется парой стопорных захватов 2. Захваты могут иметь различные принципы действия (рис. 6.3.27 и 6.3.28).
Фрикционный грейферный механизм (см. табл. 6.3.6, п. 3). Рычаг грейфера является частью кривошипно-кулисного механизма, который обеспечивает движение фрикционной поверхности грейфера на части ее траектории вдоль ленты, осуществляя ее транспортирование на один шаг. Для повышения трения фрикционная поверхность может быть зубчатой. Скачковые механизмы этого типа применяются в швейных машинах для подачи полотна на один стежок.
D-грейфер входит в геометрическое замыкание с транспортируемой лентой при транспортировании. К параметрам движения предъявляются следующие требования:
в фазе транспортирования грейфер не должен совершать движений, перпендикулярных направлению ленты;
при входе в отверстие перфорации он не должен касаться его. Для этого его шаг должен немного превышать требуемый шаг ленты;
при выходе из отверстия грейфер должен отойти от его края.
Требуемая траектория зуба может быть получена с помощью шатунного или кулачкового механизма. Перечисленные выше требования
Рис. 6.3.28. Грейфер с зажимами, управляемыми кулачковым механизмом. При включении одного электромагнита частота шагов уменьшается вдвое, при включении обоих электромагнитов транспортирование ленты прекращается:
1 и 2 — кулачки, управляющие транспортированием и захватом соответственно;
3 — электромагнит блокировки; 4 — лента
178
могут быть выполнены лишь частично, что ведет к повышенному износу ленты при многократном транспортировании. Грейферный механизм должен иметь определенные временные характеристики. В табл. 6.3.6, п. 4. представлен грейферный механизм с зубом, управление положением которого осуществляется с помощью самой перфорации ленты. При возврате зуб поднимается над лентой. Так как перфорация при этом подвергается большой нагрузке, такой грейферный механизм может применяться только для однократного транспортирования ленты, например, в кинокамерах.
При соответствующей конструкции от управления с помощью перфорации можно отказаться, как, например, в механизме, представленном на рис. 6.3.29. Зуб 3 поворотно закреплен на рычаге подачи 1. Управляющий рычаг 2 посажен на ось 6 рычага подачи 1 с определенным трением и через палец 4 своим концом воздействует на зуб 3. При повороте рычага 2 рычаг подачи благодаря трению в месте его крепления отстает от него на угол, определяемый зазором между осью поворота зуба 7 и стенками окна 5. Это относительное движение используется для управления движением зуба 3.
К шатунным относится грейферный механизм, показанный в табл. 6 3.6, п. 5 и построенный по принципу кривошипно-коромыслового механизма. Одна из точек его шатуна описывает траекторию с длинным прямым участком, напоминающую букву D и объясняющую название грейфера. Коэффициент времени движения грейфера, представленного в таблице, равен 1 : 2. На рис. 6.3.30 приведена конструкция кривошипнокоромыслового механизма, используемого в качестве грейфера. Схема управления зубом показана в табл. 6.3.6, п. 6. Использованный здесь эксцентрик заменяет шатун в кривошипно-кулисном механизме. Он позволяет получать траекторию зуба, состоящую из дуг окружностей и отрезков прямых. Коэффициент времени движения зависит от отношения хода к среднему радиусу эксцентрика и может принимать значения от 1 : 3 до 1:8. На рис. 6.3.31 показана конструкция управляемого
Рис. 6.3.30. Грейферный механизм, построенный по принципу шату нно-коромысловых механизмов, для узкопленочных кинокамер 16.3.7]:
а — схема; б — зуб грейфера (вид в направлении подачи пленки); 1 — ведущий кривошип; 2 — траектория движения зуба; 3 — зуб
Рис. 6.3.29. Грейферный механизм с зубом [6.3.7]
179
Рис. 6.3.31. Грейферный механизм, управляемый эксцентриком [6.3.7]:
1 — ведущий эксцентрик; 2 — юстирующий рычаг; 3 — шатун; 4 — кулисная часть, смещающаяся относительно шатуна 3; 5—пружина растяжения; 6—направляющий палец
эксцентриком грейфера, применяемого в кинокамерах 16 мм. Посредством эквидистантного увеличения углы скругляются, благодаря чему снижается износ грейфера (рис. 6.3.32). Перемещение шатуна 3 (см. рис. 6.3.31) относительно кулисной части 4 при преодолении усилия пружин 5 позволяет выводить зуб грейфера из фильмового канала, что облегчает заправку пленки. Направляющий палец 6 закреплен на юстирующем рычаге 2, который с помощью винта фиксируется так, чтобы траектория зуба была правильно расположена относительно кадрового окна.
Пальцевый механизм обеспечивает дискретное транспортирование ленты путем периодических образований петли с помощью пальца 1 при равномерном вращающем моменте, передаваемом на ролик 2 (см. табл. 6.3.6, п. 7). Выше пальца лента должна притормаживаться в направляющих. Эта простая конструкция не обеспечивает высокой точности длины шага транспортирования, так как палец не связан жестко с лентой. Для повышения точности положения ленты необходима юстировка с использованием ее перфорации. Такая юстировка реализована в несколько более сложном грейферном механизме, применяемом в кинопроекторах (рис. 6.3.33). В последней фазе движения штифт 2 головки пальца 1 упирается в край отверстия перфорации и корректирует положение ленты. Частоты вращения элементов механизма П1:п2:яз = = 1:4: (1/z), где z— число зубьев ролика 3.
Рис. 6.3.32. Построение профиля кулачка [6.3.7]:
1 — основной контур; 2 — эквидистанта;
, г2, л। -|- л2 — радиусы контура эксцентрика; е — расстояние между основным контуром и эквидистантой; (р$ — угол поворота, при котором происходит транспортирование ленты; (р^ — угол, при котором лента находится в покое
180
Рис. 6.3.33. Пальцевый скачковый механизм с юстировочным штифтом [6.3.6]:
1 — головка пальца; 2 — юстировочный штифт; 3 — зубчатый ролик
Транспортирование в стохастическом стартстопном режиме. Этот режим может быть реализован с помощью механизмов, подобных
показанному в табл. 6.3.6, п. 1,6. Кулачок в этом механизме прижимает или отводит прижимной ролик от ведущего, обеспечивая транспортирование или остановку ленты. Такие механизмы применяются в основном в запоминающих устройствах на магнитной ленте электронных средств обработки данных.
По сравнению с периодическим стартстопным режимом продолжительности пауз и транспортирования могут быть случайными. Транспортирование ленты может осуществляться с большей скоростью. При резком торможении ленты до полной ее остановки возникают большие инерцион
ные силы, которые могут привести к ее разрыву; это относится и к резким ускорениям в начале движения ленты. Наибольшей инерционностью обладают подающая и приемная катушки. При укладке ленты петлями можно в значительной мере снизить усилия, воздействующие на нее. Однако сложность петлеобразующего устройства при повышенных скорости и ускорении ленты также возрастает (рис. 6.3.34). При высоких требованиях к транспортирующему механизму должен быть дополнительно обеспечен привод подающей катушки через фрикционную муфту.
а)
Рис. 6.3.34. Образование петель магнитной ленты в запоминающих устройствах [6.3.10]:
а — укладка в шахты; б — применение рычагов-петлеобразователей; в — использование разрежения
181
6.3.3.2. Механизмы для транспортирования карт
Карты представляют собой плоские тела, ширина и длина которых находится в соотношении 1 : 2,5—1 : 1. Для их транспортирования используются в основном такие же механизмы, как и для лент, исключая механизмы с временным контактом с подаваемым материалом [6.3.10, 6.3.11]. Для транспортирования карт необходимы боковые направляющие по всей длине подачи, при большом же пути подачи (большие габариты карты в направлении транспортирования) должно быть предусмотрено соответствующее число элементов, передающих на карту усилие транспортирования. Лишь на концах механизма в отличие от механизмов для транспортирования лент карты укладываются в колоду или забираются из нее.
Транспортирование с постоянной скоростью. В большинстве случаев используются пары ведущего и прижимного роликов, расположенные на соответствующих расстояниях. В особых случаях карты могут перфорироваться, что позволяет транспортировать их с помощью зубчатого и прижимного роликов (рис. 6.3.35).
Карты могут перемещаться также потоком воздуха (рис. 6.3.36). При этом сжатый воздух подается в транспортный канал 2 через боковые сопла 1 и отводится через выводные каналы 3, благодаря чему вокруг карты 4 образуется перемещающая ее воздушная подушка.
Транспортирование с периодически изменяющейся скоростью.
Для него наиболее удобно использовать ведущий и прижимной ролики.
Рис. 6.3.35. Транспортирование карт
с помощью роликов:
/ — карта; 2 — прижимной ролик; 3 —
Рис. 6.3.36. Транспортирование карт с помощью сжатого воздуха
ведущий ролик
Рис. 6.3.37. Отделение карт от колоды: а — схема; б — размеры ножей
182
Рис. 6.3.38. Укладка карт в колоду
Для шагового перемещения карт возможно применение шаговых механизмов (см. разд. 6.3.3.1).
Отделение карт от колоды и укладка в колоду. Обычно от колоды отделяется самая нижняя карта 4 (рис. 6.3.37). Она смещается подвиж
ным горизонтальным ножом 1 под неподвижный вертикальный нож 2 до
захвата подающими роликами. Должно выдерживаться соотношение при небольшой разнице между этими тремя размерами. Карты должны быть плоскими и плотно уложенными в колоду, что может быть обеспечено грузом 3. Для безотказного отделения карт от колоды большое значение имеет также качество краев самих карт и кромок ножей. Укладка
карт в колоду после их транспортирования относительно проста, она осуществляется их сбросом в приемный карман (рис. 6.3.38).
6.3.3.3. Приводы для дисков
В приборах применяются различные дисковые носители информации, например грампластинки, магнитные диски, печатные платы. При записи или считывании информации такой диск приводится во вращение относительно центра ограничивающей его окружности. В большинстве случаев необходимо высокое постоянство частоты вращения диска. Это требует повышенной точности изготовления механических узлов.
Для привода используются в основном синхронные электродвигатели и электродвигатели с расщепленными полюсами. Причинами колебаний частоты вращения диска кроме технологических погрешностей являются также конечное число полюсов двигателя и высокочастотные изменения момента трения в подшипниках.
Если требуемая частота вращения диска совпадает с частотой вращения двигателя, то маховик может крепиться непосредственно к его валу. Колебания частоты вращения, остающиеся даже при оптимально рассчитанном двигателе, в этом случае могут быть скомпенсированы только за счет инерционности маховика. Если частоты вращения не равны, то необходима промежуточная передача. На практике нашли применение передачи фрикционным роликом (рис. 6.3.39) и гибкой связью (рис. 6.3.40), позволяющие эффективно бороться с возмущениями, вызывающими колебания частоты вращения диска. И та и другая передачи характеризуются проскальзыванием, которое, однако, может быть выдержано в заданных пределах. Передача гибкой связью позволяет компенсировать колебания частоты вращения диска, источники которых расположены до него (например, двигатель, подшипники и ведущий вал передачи). Для этого необходим оптимальный выбор упругости и внутреннего демпфирования материала гибкой связи, а также длины связи и момента инерции маховика.
183
Рис. 6.3.40. Привод диска гибкой связью:
Рис. 6.3.39. Привод диска через фрикционный ролик:
1 — двигатель; 2 — фрикционный ролик;
3 — маховик; 4 — приводимый во вращение диск
1 — двигатель; 2 — гибкая связь; 3 — маховик; 4 — приводимый во вращение диск
6.3.4. Механизмы точной установки
Рассмотренные ниже механизмы предназначены для перемещения определенной части прибора на заданное расстояние или угол с точностью, недоступной при таком же перемещении от руки [6.3.18, 6.3.19, 6.3.26, 6.3.60, 6.3.64]. Поэтому их передаточное отношение больше единицы, т. е. перемещение производится медленнее, чем вручную. Чем больше передаточное отношение, тем больше точность позиционирования и, следовательно, чувствительность v механизма, которая численно соответствует передаточному отношению i [6.3.22]. Оба эти параметра механизма точной установки должны быть настолько велики, чтобы обеспечивать точность позиционирования. Зазоры и деформации механизма, а также неравномерность ручного регулирования и чувствительность руки играют важную роль.
Если путь или угол установки велик, то кроме механизма точной установки может быть предусмотрен и механизм грубой установки. Для этой цели возможно применение механизмов любых типов. Их многообразие позволяет выбрать оптимальный механизм для решения каждой конкретной конструкторской задачи. Ниже описаны основные механизмы точной установки и примеры их применения.
6.3.4.1. Механизмы точной установки с постоянным передаточным отношением
Клиновой механизм применяется, если ведущее и ведомое движения перпендикулярны друг другу (табл. 6.3.7, п. 1). Его передаточное отношение:
« = si/s2 = ctga. (6.3.25)
Для больших передаточных отношений угол клина а должен быть очень мал. На рис. 6.3.41 показан пример клинового механизма, используемого в качестве юстировочного устройства в измерительных приборах. Роль передаточного элемента из технологических соображений играет шарик.
Винтовые механизмы преобразуют вращательное движение в движение вдоль оси вращения (см. табл. 6.3.7, п. 2). Винтовой механизм имеет пространственную структуру, которая может быть представлена 184
6.3.7. Механизмы точной установки с постоянным передаточным отношением
Название
Схема
Области применения
1. Клиновой механизм
2. Винтовой механизм
3. Дифференциальный винтовой механизм
4. Фрикционная передача
5. Зубчатая передача (рядовая цилиндрическая зубчатая передача)
6. Зубчатая или фрикционная передача
7. Червячная передача
8. Простой рычаг
Измерительные приборы, юстирующие устройства
Измерительные приборы, устройства фокусировки объективов, механизмы подачи резца в расточных станках
Устройства фокусировки объективов
Измерительные приборы, узлы настройки генераторов, радиоприемников и т. п.
То же
Механизмы слежения астрономических телескопов и радиотелескопов
Устройство точной градуировки, точный привод телескопа
Рычажные переключатели и т. д.
I
185
Продолжение табл. 6.3.7
Название Схема Области применения
9. Пантограф 10. Комбинация пружин ♦ b-а к а 7)7^ Чертежные приборы, копировальные машины, манипуляторы Оптические приборы (ре-
по Михельсону 1$2 1$/ гулирование пластинок с сеткой штрихов)
в виде плоской кинематической пары, а именно в виде клинового механизма. Передаточное отношение винтового механизма:
i = <jpi/s2 = 360°/P или i=ndlP, (6.3.26)
где d — диаметр рукоятки. Шаг Р винтовой линии определяется углом ее наклона а и средним радиусом г резьбы:
P=2nrtga. (6.3.27)
Эта формула показывает, что для точной установки винтовой механизм должен иметь малый угол а. В представленной на рис. 6.3.41 конструкции клиновой механизм скомбинирован с винтовым не только для повышения чувствительности, но и для удобства установки (так как вращательное движение более тонко «чувствуется» рукой).
На рис. 6.3.42 показан винтовой механизм для точной установки пластинки с сеткой штрихов окулярного винтового микрометра, на
Рис. 6.3.41. Пример конструктивного выполнения клинового механизма [6.3.18/
Рис. 6.3.42. Окулярный винтовой микрометр [6.3.18/
186
Рис. 6.3.43. Винтовой механизм для точной установки подвижной губки штангенциркуля [6.3.18]
Рис. 6.3.44. Винтовой механизм фокусировки объектива
рис. 6.4.43 — для перемещения подвижной губки штангенциркуля. В последнем случае установка губки производится с помощью гайки.
Винтовые механизмы часто применяются для точной установки объективов. Если на корпусе объектива нанесена отсчетная шкала, которая для удобства считывания не должна вращаться при фокусировке, целесообразно использовать принцип, представленный на рис. 6.3.43, т. е. перемещать объектив гайкой (рис. 6.3.44).
Передаточное отношение винтового механизма не может быть как угодно большим, так как шаг винтовой линии Р ограничен технологическими условиями. Выходом здесь является так называемый дифференциальный винтовой механизм (см. табл. 6.3.7, п. 3), передаточное отношение которого
f = 36O°/(Pi —Р2) или / = ш/(Р1 —P2), (6.3.28)
где d — диаметр рукоятки. Разность шагов Р\ и Р2 обеих резьб может быть выдержана очень малой.
Колесные передачи изменяют вращательное движение или преобразуют его в поступательное. Оси ведущего и ведомого колес могут быть параллельны или пересекаться под любым углом. В зависимости от типа замыкания контактирующих участков колес различают фрикционные и зубчатые передачи. Передаточное отношение может быть рассчитано различными способами:
i = d2/d\ =Mi/n2 = (pi/(p2, (6.3.29)
где d\, d2 — диаметры, гц, П2 — частоты вращения; <pi, <р2 — углы поворотов колес. Однако в случае зубчатых колес для определения I целесообразнее использовать число зубьев z (пропорциональное диаметру d).
В то время как зубчатые передачи обеспечивают постоянство передаточного отношения (если не учитывать погрешности изготовления зубьев) благодаря их геометрическому замыканию, у фрикционных передач это отношение непостоянно, поскольку между колесами в них всегда имеется проскальзывание. Поэтому передаточное отношение фрикционной передачи может быть рассчитано по формуле i = cL^/d\ лишь приближенно.
Во многих случаях применение фрикционных колес оправдано, например, для привода конденсатора переменной емкости в радио-
187
Рис. 6.3.45. Простой механизм с фрикционными колесами [6.3.18]
Рис. 6.3.46. Двухступенчатая фрикционная передача оптико-механической машины для измерения длины [6.3.19]: а — общий вид; б — контактирование фрикционного колеса и измерительных салазок; в — контактирование фрикционных колес
приемниках или измерительных приборах (рис. 6.3.45). Для повышения коэффициента трения ведущий вал выполняется с насечкой. Шкала наносится на ведомое колесо, благодаря чему проскальзывание не влияет на точность съема показаний. При соответствующей конструкции и прецизионном изготовлении с помощью фрикционных колес может быть собран механизм точной установки, отвечающий высоким требованиям (см. табл. 6.3.7, п. 4). Представленный на рис. 6.3.46 механизм точной установки оптико-механической машины для измерения длины должен обеспечивать точность позиционирования салазок (1 ±0,5) мкм. Это требование выполнено благодаря очень малому радиусу г\ ведущего колеса, имеющего полусферическую форму и контактирующего с конусной поверхностью ведомого колеса (рис. 6.3.46, в). Точка касания обоих колес расположена на расстоянии г\ от оси вращения ведомого колеса (ri—эффективный радиус ведомого колеса). Подобным образом построена вторая ступень механизма, но ведомый элемент здесь имеет конечный радиус (рис. 6.3.46,6).
Полное передаточное отношение рассмотренного выше механизма составляет 2200 °/мм. Еще большие передаточные отношения возможны при использовании планетарных передач, в которых ведущий и ведомый валы соосны (см. табл. 6.3.7, п. 6). Пример фрикционной планетарной передачи приведен на рис. 6.3.47, а. Входной вал для точной установки 1 с небольшой рукояткой играет роль центрального колеса, его обкатывают шарики 3 в качестве сателлитов. Второй полый вал 4 жестко связан
188
Рис. 6.3.47. Планетарная передача с фрикционными колесами [6.3.18]:
а — конструкция; б — определение эффективных радиусов
с корпусом. С учетом эффективных радиусов (рис. 6.3.47, б) передаточное отношение этой планетарной передачи
*=(Г| Н-Г4)/Г|.
(6.3.30)
Большая ручка 5 связана с водилом 2 и предназначена для грубой установки, так как водило жестко закреплено на выходном валу.
Зубчатые передачи рассчитываются по тем же формулам, что и фрикционные. Благодаря зубьям и особенностям технологии изготовления зубчатые передачи позволяют создавать принципиально иные конструкции. С учетом минимально и максимально (колесо не может быть слишком большим) возможных чисел зубьев, передаточное отношение зубчатой передачи не превышает обычно i= 10 на одну ступень. Для планетарных передач это значение намного больше (см. табл. 6.3.7, п. 6). Рис. 6.3.48 иллюстрирует принцип работы двухступенчатой планетарной передачи, здесь же приведен ее план скоростей по Кутцбаху. Из плана скоростей следует, что i = ns/n\ = <ps/(pi достигает максимума, когда разность чисел зубьев колес 1 и 3 (разность диаметров колес) минимальна при равенстве модулей обеих ступеней. Угол между прямой 2 и вертикалью
Рис. 6.3.48. Двухступенчатая планетарная передача с зубчатыми колесами:
а — схема; б — план скоростей; 1, 3 — центральные колеса;
2, 2'— сателлиты; s — водило
189
Рис. 6.3.49. Двухступенчатая планетарная передача с внутренним зубчатым зацеплением центральных колес:
1 — ведомое колесо с внутренними зубьями; 2 — сателлит; 3 — неподвижное колесо с внутренними зубьями
Рис. 6.3.50. Волновая зубчатая передача
лишь немного меньше 90°, благодаря чему ns очень велико. Для получения больших значений i необходимо, чтобы сумма чисел зубьев Z1 + Z2 или Z2 + -Z3 также была большой. Разность чисел зубьев может составлять минимум один зуб [6.3.64]; такая передача показана на рис. 6.3.49. Центральные зубчатые колеса с внутренним зацеплением позволяют получать большие суммы зубьев Z1 + Z2 при малых внешних размерах. Малая разность диаметров, соответствующая разности чисел зубьев 2\— 2з=1, может быть скомпенсирована коррекцией геометрии зубьев (смещением их профилей), благодаря чему сателлиты также могут иметь одинаковые размеры {22 = 2'2). Тогда передаточное отношение может быть рассчитано по формуле
i = ns/n\ = qs/q\=22/ {2\—2ь). (6.3.31)
Для передачи, представленной на рис. 6.3.49, Z = ns/n 1 = <ps/<pi = 80.
На рис. 6.3.50 показана одноступенчатая планетарная передача, в которой центральные колеса входят в зацепление непосредственно, без сателлитов. Это возможно благодаря упругости меньшего колеса 1 с внешними зубьями. Роль водила и сателлита играет эллиптическое центральное колесо 2, которое прижимает упругое колесо 1 к неподвижному колесу с внутренними зубьями 3 в двух отстоящих друг от друга на 180° точках. Тела качения, расположенные между обоими колесами, предназначены для снижения трения. Эта конструкция получила название волновой зубчатой передачи. Передаточное отношение f = n2/«i =ф2/ф1 =2з/(2!з —Zi) может здесь достигать 320. Разность чисел зубьев должна составлять z3 —zi=2 или быть кратной 2.
В случае внутреннего зубчатого зацепления, как это имело место в рассмотренных выше примерах, необходимо обращать внимание на следующее. Передачи, у которых разность чисел зубьев колеса с внутрен-190
ними зубьями и сателлита составляет менее 10 зубьев, не работоспособны вследствие нарушений условий зацепления. Нарушения устраняются при высоте головки зуба ha< 1,0 т и рабочем угле зацепления а> 20° [6.3.21]. Эти условия могут быть реализованы за счет смещения инструмента (червячная фреза, долбяк) при нарезании зубьев колес.
К одноступенчатым планетарным передачам относится и циклоидная передача (рис. 6.3.51). Ведущим в ней является эксцентрик 2, ведомым — внутренний цевочный обод 4, цевки которого входят в отверстия сателлита 1. Сателлит обкатывает цевки внешнего цевочного обода 3. Передаточное отношение циклоидной передачи рассчитывается тем же способом, что и волновой зубчатой передачи; оно может достигать (max = 85 на ступень.
Червячная передача представляет собой специальную форму зубчатой передачи, в которой оси ее элементов перекрещиваются (см. табл. 6.3.7, п. 7). Ведомым является червяк, число зубьев которого (число заходов) может составлять 1. Тогда передаточное отношение равно числу зубьев колеса и может достигать imax = 100 на ступень (см. рис. 6.3.55).
Шатунный механизм. Некоторые из этих механизмов, например простой рычаг (см. табл. 6.3.7, п. 8) и пантограф (п. 9), отличаются постоянством чувствительности. Простой рычаг преобразует только круговые движения в круговые, но другого радиуса, и линейные движения также в линейные, но иной длины, пантограф позволяет преобразовывать любые движения в одной плоскости в геометрически им подобные. Передаточное отношение рычага равно отношению радиусов 1 = г\/г2, пантографа — отношению длин его плеч i — b/a.
На рис. 6.3.52 показан используемый для точной установки микроманипулятор, рабочий элемент в котором имеет вид простого рычага. При наклонах ручки включены магниты /, рамка 4 неподвижна относительно корпуса 3. При включении только магнитов 2 ручка при наклонах перемещает рамку 4, что соответствует грубой установке. Устройство точной установки связано с пантографом. Простой рычаг применяется во многих устройствах точной установки (например, в
6.3.51. Циклоидная передача
Рис. 6.3.52. Микроманипулятор [6.3.63]
191
машинах для измерения длины, см. рис. 6.3.46). В зависимости от высоты захвата рычага можно изменять его передаточное отношение.
Специальные механизмы точной установки. К ним можно отнести пружину Михельсона (см. табл. 6.3.7, п. 10), которая может применяться там, где кроме силы привода и силы реакции на систему не воздействуют никакие другие усилия, например в некоторых оптических приборах. В этом механизме более жесткая пружина приводится в движение более мягкой. Воздействующая на механизм сила растягивает (закручивает, прогибает и т. д.) пружины в различной мере, причем передаточное отношение механизма в целом возрастает с увеличением разности жесткостей пружин:
t==S1/S2=(ci + c2)/ci. (6.3.32)
Следует упомянуть о некоторых физических эффектах (тепловое расширение, магнитострикция и т. д.), которые могут быть использованы для создания механизмов точной установки (см. разд. 6.2.4 и 6.2.5). Например, тепловое расширение может найти применение в микротомах, с помощью которых производится подготовка препаратов определенной толщины для исследования под микроскопом. В этом случае передаточное отношение зависит от материала, расширяющегося при нагревании, а также от чувствительности регулятора нагрева.
6.3.4.2. Механизмы точной установки с переменным передаточным отношением
Зависимость входа и выхода у этих механизмов нелинейна, т. е. передаточное отношение изменяется в определенном диапазоне. Однако это не является недостатком.
Шатунные механизмы. Четырехзвенный шарнирный механизм лежит в основе различных шатунных механизмов: кривошипно-коромыслового, двухкривошипного, двухкоромыслового, кривошипно-шатунного, кривошипно-кулисного и др. Некоторые из них пригодны для создания механизмов точной установки благодаря тому, что их звенья могут занимать требуемое для этого положение. Два сочлененных звена располагаются на одной прямой или укладываются друг на друга, третье звено остается в покое.
В табл. 6.3.8, п. 1 кривошипно-коромысловый механизм представлен именно вблизи такого положения, когда его передаточное отношение велико. Это относится и к кривошипно-шатунному механизму (см. табл. 6.3.8, п. 2). В кривошипно-кулисном механизме (п. 3) большие передаточные отношения получают, когда кривошип перпендикулярен кулисе или близок к этому положению. Этот принцип положен в основу некоторых конструкций. Кривошипно-коленный механизм (рис. 6.3.53) построен на базе кривошипно-шатунного механизма и имеет передаточное отношение
z = Si/s2 = 0,5ctga.
192
6.3.8. Механизмы точной установки с переменным передаточным отношением
Название
Схема
Области применения
1. Кривошипно-коромысловый механизм
2. Кривошипно-шатунный механизм
3. Кривошипно-кулисный механизм
Юстировочные устройства (специальные)
То же
Устройство установки нуля в измерительном механизме магнитоэлектрических систем
4. Шатунный механизм с упругими звеньями (с двумя дугообразными пружинами)
5. Кулачковый механизм
Юстировочные устройства
Юстировочные устройства, устройства линеаризации шкал со следящей стрелкой в измерительных приборах, механизмы точной фокусировки микроскопов
Представленный в табл. 6.3.8, п. 4 шатунный механизм с двумя дугообразными пружинами может быть описан как комбинация двух кривошипно-коленных механизмов с упругими звеньями и пружинными шарнирами. Передаточное отношение в первом приближении принимает такие же значения, как и у кривошипно-коленного механизма.
Оба эти механизма применяются в юстировочных устройствах. На рис. 6.3.54 приведена схема кривошипно-кулисного механизма, используемого для фокусировки в нивелирах [6.3.19]. Два качающихся механизма связаны кулисами так, что кривошип одного из них представляет собой ведущее звено, кривошип другого — ведомое. При симметричном расположении обоих механизмов общее передаточное отношение Z = г2г3/(Г1Г4) = (ri Ч-а) г2/[ (г2—a) ri]. При отклонении от симметричного положения значение i быстро возрастает До бесконечности, когда ведущий кривошип устанавливается перпендикулярно кулисе.
Этот механизм пригоден, если необходимо изменить расстояние между ведущим и ведомым звеньями, ограниченное лишь углом поворота
7 Зак. 218
193
Рис. 6.3.53. Кривоишпно-коленный ме-
ханизм
Рис. 6.3.54. Узел установки с двумя последовательно включенными кривошипно-кулисными механизмами
механизма, и когда изменение передаточного отношения не является недостатком.
Кулачковые механизмы позволяют реализовать любой закон движения при любом ходе (см. табл. 6.3.8, п. 5). Однако для механизмов точной установки необходимы малые ходы. Рабочий диапазон ограничен — до 360° поворота кулачка. Кулачковые механизмы предназначены для преобразования одного вращательного движения в другое или в поступательное. На рис. 6.3.55 показан кулачковый механизм с симметричным законом движения. При непрерывном вращении кулачок поднимает и опускает тубус микроскопа на ход толкателя, роль которого играет пластина с роликом, опирающимся на рабочую поверхность кулачка. Для увеличения передаточного отношения и обеспечения самоторможения кулачок приводится во вращение червячной передачей. Кулачок может иметь вид эксцентрика, например, для точного регулирования подшипника (рис. 6.3.56).
Рис. 6.3.56. Эксцентриковый
Рис. 6.3.55. Кулачковый механизм для фоку си- винт для юстировки подшип-рования микроскопа ника
194
6.3.4.3. Комбинирование простых механизмов
Комбинируя несколько простых механизмов в один узел, можно получить конструкции, обеспечивающие поступательное движение конструктивных элементов в нескольких направлениях и их вращение вокруг нескольких осей. В табл. 6.3.9 представлены примеры комбинированных конструкций, преимущественно на базе винтовых механизмов, в зависимости от числа степеней свободы при вращении и поступательном перемещении.
6.3.9. Устройства точной установки, имеющие несколько степеней свободы при вращательном и поступательном движении |6.3.26|
Число степеней свободы при вращательном движении Число степеней свободы при поступательном движении
0 1 2 3
0 Тубус оптического прибора /. Внутренняя труба А с помощью винтового механизма коаксиально поступательно перемещается во внешней трубе при преодолении усилия пружины Предметный столик //. Две направляющие поступательного движения расположены одна над другой и перпендикулярны друг другу Узел центрирования по трем координатам ///. Предметный столик, перемещаемый по высоте с помощью передачи с зубчатой рейкой
1 Поворотная головка IV. Элемент А может поворачиваться вокруг вертикальной оси с помощью тангенциально расположенного винтового механизма Соответствующие устройства применяются только в комбинации с другими механизмами, например, в качестве нижней части устройства с тремя степенями свободы при вращательном и тремя степенями свободы при поступательном движении Устройство точной установки в одной плоскости V. С помощью винтовых механизмов I—3 элемент А может быть установлен в любом положении Предметный столик, перемещаемый по высоте, с поворотной вокруг вертикальной оси частью, например, в микроскопах с фокусировкой перемещением столика
2 Устройство центрирования осей трубопроводов струйных сис- Устройство центрирования по трем осям, имеющее форму трубы VII. Внутренняя Головка гониометра VIII. Комбинация дуговых направляющих, пересекающихся Устройство центрирования по трем осям при большом ходе винтов IX.
7
195
Продолжение табл. 6.3.9
Число степеней свободы при вращательном дви- жении Число степеней свободы при поступательном движении
0 1 2 3
2 тем VI. Каждый из двух трубопроводов имеет две степени свободы при вращательном движении относительно центральной части (для каждого трубопровода показан только один юстировочный винт) труба А с крепежным элементом поступательно перемещается с помощью винта /, может поворачиваться вокруг вертикальной оси с помощью винта 2 и вокруг горизонтальной оси с помощью винта 3 под прямым углом и не имеющих механизмов точной установки и предметного столика, точно устанавливаемого с помощью винтовых механизмов Отклонением иглы А пренебрегать нельзя
3 1 Поворотный столик Федорова для микроскопических исследований, например, кристаллов X г Устройство юстирования пластинки с сеткой XI. Пластинка А с помощью винта / поступательно перемещается и поворачивается вокруг двух осей при преодолении усилия пружинного штифта. Вращение вокруг третьей оси осуществляется винтовым механизмом 2, воздействующим на крепежный вал по касательной Комбинация поворотного столика Федорова и предметного столика 1 Универсальное юстировочное устройство XII, состоящее из устройства центрирования с двумя степенями свободы при поступательном движении, а также из конической опоры. Узел этой опоры позволяет перемещать по высоте проходящий через нее крепежный штифт и поворачивать его вокруг вертикальной оси
196
Продолжение табл. 6.3.9
197
6.3.4.4. Конструкция, компенсация зазоров
Чем больше передаточное отношение, тем отрицательнее влияние зазоров в шарнирах механизма. Зазоры могут быть уменьшены за счет повышения точности обработки, что, однако, увеличивает затраты на нее. Поэтому ниже описаны способы уменьшения зазоров в шарнирах, реализация которых не требует больших дополнительных затрат.
Вращательные кинематические пары. Для устранения зазора между цапфой вала и отверстием подшипника могут быть предусмотрены следующие мероприятия:
вал прижимается к стенкам отверстия за счет рабочих усилий, усилия пружины или гравитационных сил. Отверстие должно иметь форму, предотвращающую выход вала (табл. 6.3.10, п. 1);
6.3.10. Способы устранения или ограничения зазоров (стрелками указаны направления необходимых сил)
Название Схема Примечания

Вращательная кинематическая пара
1. Открытый подшипник скольжения
2. Радиально-упорный подшипник скольжения
3. Аксиально разнесенные подшипники качения
Положение сохраняется за счет рабочих усилий или гравитационных сил
Фиксация жесткая или с помощью пружины. При вертикальном положении оси возможна фиксация за счет гравитационных сил
Жесткая фиксация при расстоянии между подшипниками менее 100 мм при температуре до 35 °C. Фиксация пружиной: усилие пружины выбирается в соответствии с допустимым аксиальным усилием подшипника
Поступательная кинематическая пара
4. Направляющая открытого типа
Фиксация с помощью прут жины влечет за собой ограничение хода направляющей. При фиксации за счет гравитационных сил это ограничение отсутствует
198
Продолжение табл. 6.3.10
Название
Схема
Примечания
5. Направляющая закрытого типа

Фиксация с помощью пружин, а также за счет рабочих усилий и гравитационных сил
6. Направляющая закрытого типа
Винтовая кинематическая
Жесткая фиксация с помощью подкладки, имеющей слабую конусность и перемещаемой в продольном направлении
пара
7. Аксиально смещаемые гайки
При жесткой фиксации зазор ограничивается, при фиксации пружиной устра-
няется
8. Радиальное сжатие гайки
9. Перекос гаек
Высшая кинематическая
Жесткая фиксация с помощью, например, конусной накладной гайки Возможно использование пружинящей конусной втулки и т. п.
Нагрузочная способность снижена, так как витки резьбы нагружены с одной стороны
10. Радиальное смещение зубчатых колес
11. Тангенциальное смещение зубчатых колес
12. Тангенциальное смещение зубчатых колес
Смещение производится преимущественно с помощью пружины
Смещение производится с помощью предварительной нагрузки. При использовании для этого пружин угол поворота колес ограничен
Установка на одной оси двух колес, смещаемых относительно друг друга пружиной
199
на валу предусматривается одна или две конусные цапфы (конусные отверстия), входящие в конусные отверстия (цапфы). Элементы опор могут быть закреплены жестко (см. табл. 6.3.10, п. 2) или подпружинены, возможно также использование гравитационных сил.
при небольших расстояниях между подшипниками качения и при низких рабочих температурах зазор между подшипниками может быть устранен с помощью жесткого крепления их колец, а также установки распорных втулок, имеющих соответствующие размеры, и стопорных колец. Подшипники при этом должны иметь класс точности Р0. При больших расстояниях между подшипниками или при высоких рабочих температурах кольца подшипников целесообразнее крепить с помощью пружин, усилие которых не должно превышать допустимые аксиальные силы подшипников при рабочих температурах (см. табл. 6.3.10, п. 3).
Поступательные кинематические пары описываются теми же зависимостями, что и подшипники.
Различают направляющие открытого и закрытого типа. Первые фиксируются за счет гравитационных сил (см. табл. 6.3.10, п. 4) или с помощью пружин, которые одновременно обеспечивают ограничение хода направляющей. В направляющих закрытого типа пружина не обязательно выполняет дополнительную функцию (см. табл. 6.3.10, п. 5). Однако все мероприятия должны быть направлены на получение направляющей практически открытого типа без жесткого крепления ее элементов (см. табл. 6.3.10, п. 6). Как и вращательные, поступательные кинематические пары могут быть выполнены с помощью подшипников качения, при этом устранение зазоров производится так же, как и у направляющих скольжения.
Винтовые кинематические пары. Зазор между элементами такой пары может быть ограничен посредством осевого смещения гайки с помощью жесткой связи, пружины, а также за счет рабочих или гравитационных усилий (см. табл. 6.3.10, п. 7). Для решения этой задачи можно использовать радиальное сжатие (п. 8) и перекос (п. 9) гайки жесткой связью или пружиной. Но так как в этом случае витки резьбы нагружаются неравномерно, нагрузочная способность пары снижается.
В винтовых кинематических парах могут быть использованы подшипники качения. Такие шариковинтовые передачи для уменьшения зазоров требуют высокой точности изготовления. Для полного устранения зазоров применяется перекос гайки (см. табл. 6.3.10, п. 7).
Высшие кинематические пары. Для устранения бокового зазора по дуге делительной окружности в передаче зубчатыми колесами могут быть использованы следующие способы (см. табл. 6.3.10, п. 10—12): радиальное смещение колес, что возможно только с помощью пружин; тангенциальное смещение колес: за счет предварительной (рабочей или с помощью пружин) нагрузки. Такая нагрузка, создаваемая пружиной, ограничивает угол поворота колес и накладывает ограничения на направление вращения;
с помощью установки на одной оси сдвоенных колес, разворачиваемых относительно друг друга пружиной. Сила пружины не должна быть больше передаваемой рабочей окружной силы.
200
6.3.5. Органы управления
В приборах применяются органы управления [6.3.24, 6.3.27], требующие усилий не более 20 Н. В табл. 6.3.11 приведены схемы и основные характеристики этих органов. Поскольку органы управления являются связующими звеньями в системе человек — прибор, они должны отвечать определенным эргономическим требованиям. В табл. 6.3.12 перечислены правила, которые должны выполняться при выборе или разработке органов управления, приводимых в действие пальцем или всей рукой. Сведения об элементах, приводимых в действие ступнями ног и играющих в приборостроении второстепенное значение, можно найти в специальной литературе [6.3.68].
Для ввода информации в приборах все шире применяются клавиши сенсорного управления; срабатывание Такой клавиши происходит при простом касании ее пальцем. Наряду с удобством выполнения работы преимуществами сенсорных органов управления является отсутствие подвижных механических деталей и упрощение конструкции, что ведет к повышению надежности и срока службы. Принцип действия таких органов управления основан на изменении электрического (магнитного) поля или электрического сопротивления перехода в момент касания клавиши пальцем. В устройствах отображения на ЭЛТ используются также световые клавиши, которые представляют собой высвечиваемые на экране ЭЛТ плоскостные элементы, расположенные в ряд по вертикали или горизонтали. Назначение световой клавиши может быть указано в виде цифры, символа и слова; клавиша срабатывает при касании ее световым пером (рис. 6.3.57).
Такие клавиши используются в комбинации с изображением на экране или отдельно от него для выполнения других функций. Большое преимущество имеет при этом использование набора программ, хранимых в памяти ЭВМ (рис. 6.3.58). Набор операций дает возможность пользователю определить многоступенчатый порядок действий при расчетах. Набор графических изображений передач облегчает выбор и комбинацию их отдельных элементов, информация о которых хранится в памяти ЭВМ, в единую конструкцию (см. разд. 2.3).
Упорядоченно расположенные на
плоскости клавиши образуют клавиату- z
ру. Она предназначена для последова- ----------А---------------
тельного ввода различной информации в ---\
прибор; буквы алфавита вводятся с по- / ™ в
мощью так называемой а-клавиатуры, /
цифры — с помощью цифровой, функ- I ции — с помощью функциональной кла- I ।—।
виатуры. Цифровая клавиатура может у
быть дополнена табулятором, состоящим
из десятичных клавиш (рис. 6.3.59). “-jrjrjrjrjrz-jr-r )
Рис. 6.3.57. Световые клавиши на ЭЛТ: а/
1 — световые клавиши; 2 — световое перо
201
6.3.11. Малогабаритные устройства управления (оценка особенностей применения: 1 — очень высокая; 2 — высокая; 3 — средняя; 4 — низкая; 5 — элемент непригоден) [6.3.89]
Основные признаки Схема Основные характеристики
Геометрия Рабочие параметры Особенности применения
| Вид движения | ^Физический принцип | Элемент сдязи | исполняющий ореан | | Вид усилия J | Тип замыкания | В-элемент у продления t В А — ось В, ВМ — центр В, /^-элемент сдязи, КА-ось К, КМ~ центр К Название 1 g * г 1 Размеры, мм Зазоры между элементами связи,мм Диапазон движений, мм Диапазоны сил F ,Н и крутящих моментов М,Н м h § I r г хположе- I Три и более | „ия | | Непрерывность установки | I Слежение за движением I | метки | | Скорость установки | | Точность установки | \Превотдращ.ение случайных I I срабатываний I Визуальный | Тактильный | |
7 г 3 4. 5 6 7 в 9 10 11 12 13 19 15 16 17 18 19 20 27
Г Ограниченное поступательное движение 1 | Пружина | Диск | Палеи | I Сила I Геометрическо^ I*—~е *1 Л кн /Скм Мембран-Ч мая кнопка 16 32 Однократное Включение Последовательное ^=ДЗ^ШЯ25—1 Одновременное 1 6,3 12-5~по 1.25 0/t 1 5 5 5 1 5 2 5 5
1020

1 70 100 0.1 1 10 100
1 П 100
Г Стержень 1 Продольно расположенный стержень Силодое | Л4 | 12' км J КА Скользя-«ч> щая кнопка 10 90 U =□ 6.320 1 ПО — 5 25 1 100 1,25 в 0,1 1 100 1 2 2 3 2 2 9 2 3
1 | Геометрическое | й к ВыдВижное и нажим-R*. ное кольцо 3290 — 10 1 10 100 1 32 0.1 1 100 1 2 1 2 3 2 3 1 1
EsxSl Д/ 1^2-ЯЛ ^|Я/У 9 В Е=в I 1 10 100
Диск |5j Я в ГЪРг 1 mJ/4 Нажимной диск 10 20 1 10 по — 10 20 U ! 1 7 10 100 1.в 3,2 И | 0.1 1 100 1 3 3 3 2 2 9 1 1
Продольно неположенный стержень в S3L * ♦ м Я4СР7" иЖ~т ЛЛгТЗУ |Д | _ ЯЛУ Нажимная кнопка 8 32 1 100 ббнолоатнм^^ Последовс^шьное ^Ён^^ыкннд^^ 3,2 90 1,6 16 1 9 5 5 1 1 9 9 9

7 ПО 0,1 1 100
£0Z
Ограниченное поступательное движение
Стержень
Продольно расположенный стержень Диен Шар Поперечно расположенный стержень
Несколько пальцев
Сипа
Продолжение табл. 6.3.11
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 н 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
| вращательное движение на неполный оборот Рычаг Поперечно расположенный стержень Один палеи Сила | Геометрическое к вМ КМ * Поворотный рычаг 12,5 il V 1 юо Однократное Включение L. Последовательное *==бЗ^^Ш[4дР Одновременное 1 : 1 100 15 120 L—ИЖЕЗ 7° 360° 2,5 10 0.1 1 Ю 100 1 3 5 5 1 3 4 1 1
В ВМ ' ШШМк, KA Ж b км Поворотная кнопка 20 80 U » 5 25 1 100 — 40 150 Г 360е 3,2 10 0.1 1 10 100 1 2 3 4 2 3 4 1 1
Несколько пальцев | Крутящий I момент | в \-xa- в И вращаю-«* щийся рычаг 32 вО 510 1 10 100 — 70 90 С=ДИИИ231 7° ЗбО* О,в 3.2 Id I I 0.1 10 100 1 2 3 4 2 3 4 1 1
Шар | Сила Сила | Л \Т7 iJri * ЛЛ Шарнирный рычаг 40 Ц LZZJHi 12,5 32 У .11 1 Ю 100 — 90 7° Зв? 5 16 0,1 1 юо 2 1 1 1 1 2 4 3 3
I ппыаииПр^ oohiod 1 Поперечно расположенный стержень 1 Один палеи 1 №Г ^6М ОА вм ° J~\&1 Д s( ^Ж)г*ъ {7i «ч Звездочка балансирный рычае EZZZZZ^^O .5 JO 1 100 10 50. к □ 2 6.3 ML I 1 10 100 Последовательное включение СгвЯШвз 1 1 100 Последовательное Включение CZZMhtf I 1 100 20 30 1 d /° 360* 3040 7° 360е 2 в L и_ИИ1_ 1 0,1 1 10 100 04 5 Е1_МИИи J 01 10 100 1 2 4 1 5 5 5 5 1 1 2 2 4 4 2 2 2 2
Диск в I &[ Фрикционам ное колесо 10 50 If BM=I 5 12,5 ?=И^И W Последовательное включение I 1 100 15 90 I И-4 7° ЗввГ 04 5 I 0,1 10 100 3 3 1 3 3 1 4 4 4-
ж
вращательное движение при любом числе обора mod с перехватом пальцев
Двуплечий рычаг
Продольно расположенный стержень Кольцо Продольно расположенный стержень Диск Шар
Несколько пальцев
Крутящий момент
Силовое
*
анон
Координатный шар
Поворотное кольцо
Поворотная ручка
Поворотная ручка
Поворотное кольцо
Поворотная ручка
1а
§Ы1

902
ограниченнее метр мгж&гьноеМиегенае Вращательное ввижение при яюоен числе оборотов **
Стержень Рычав Двуплечий рычаг
Продольно расположенный стержень Кольцо Поперечно расположенный стержень Диск
Стопа,рука Один палец Несколько пальцев
Сила | | Крутящий момент
Геометри ческое
Продолжение тайл. 6.3.11
Ltf>
вращательное движение на неполный оборот
Двуплечий рычаг | Рычаг гм
Поперечно расположенный стержень Диск Ч
Стопа | Колено | Рука,стопа \По^(нлтка/и SS
Крутящий кпгмент Сипа Ч
Продолжение тайл. 6.3.11
6.3.12. Правила выбора органов управления, приводимых в действие пальцем или рукой
Элемент связи Правила
Все элементы Рабочая поверхность должна быть тем больше, чем больше прилагаемое усилие. Рабочая поверхность должна по возможности обеспечивать передачу усилия с геометрическим замыканием, чтобы исключить статическое нагружение мелких мышечных групп. Силовое замыкание допустимо только при небольших передаваемых усилиях. Форма рабочей поверхности должна обеспечивать распределение рабочего давления на возможно большую площадь руки. Материал этой поверхности должен быть коррозионно-стойким, гигиеничным и обладать низкой теплопроводностью
Шар Шаровую головку целесообразно использовать только при малых рабочих усилиях. Эту головку можно применять только там, где вследствие большой кривизны траектории управляющего движения ручка, более удобная для захвата рукой, не может быть установлена или ограничивает движение
Поперечно расположенный стержень Рычаг для привода рукой. Размеры рабочей поверхности должны соответствовать захвату ее всей рукой. Форма рабочей поверхности должна соответствовать форме руки, острых кромок не должно быть. Рабочая поверхность, не захватываемая рукой, должна быть примерно такой же площади, как захватываемая ею. Рычаг для привода пальцем (форма рабочей поверхности имеет второстепенное значение, так как время воздействия мало) ЯЯЯЯЯ Поворотный рычаг пригоден для дискретных переключений и позволяет осуществлять визуальный и тактильный контроль положения исполнительного элемента © © ® ® ® ф 0 0 Ф ® Ф ф
Продольно расположенный стержень Кнопочный, клавишный выключатель (при воздействии пальцем рабочая поверхность вогнута, рукой — выпукла)
208
Продолжение табл. 6.3.12
Элемент связи
Правила
Диск
Поворотная ручка. Рабочая поверхность не должна быть гладкой. Для обеспечения геометрического замыкания она должна иметь мелкую насечку, если ручка предназначена для тонкой плавной установки, или более глубокие вырезы для дискретного грубого регулирования
Плавная быстрая установка, низкое сопротивление вращению (менее 1 Н-см), вращение несколькими пальцами
Плавная точная установка, сопротивление вращению от малого до среднего (1—2 Н-см), вращение несколькими пальцами (оптимальная высота 12—15 мм)
IIIIIIIIIIH W
04OJV *
Плавная и дискретная установки, сопротивление вращению от среднего до большого (2—5 Н-см), вращение всей рукой (оптимальная высота 12—15 мм, оптимальный диаметр 40—60 мм)
Дискретная установка, большое сопротивление вращению (5 Н-см), вращение всей рукой (оптимальный диаметр 63—70 мм)
0 > 10 мм 0 10—25 мм
Оптимальное сопротивление вра- Оптимальное сопротивление вращению 0,75 Н-см, максимальное щению 4 Н-см, максимальное 5 Н-см 40 Н-см
209
Продолжение табл. 6-3.12
Элемент связи
Диск
0 30—60 мм Оптимальное сопротивление вращению 10 Н-см, максимальное 100 Н-см
0 60—80 мм Оптимальное сопротивление вращению 30—100 Н-см, максимальное 300 Н-см.
0 120 мм
Оптимальное сопротивление вращению 300—500 Н-см, максимальное 1000 Н-см.
Усложнение выполняемых прибором функций и связей в системе прибор—оператор потребовало разработки клавиатур, отличающихся повышенной скоростью ввода, значительно более высокими параметрами надежности и срока службы. Современные клавиатуры позволяют также широко варьировать число, расположение и функциональное назначение клавиш. Механический ввод информации в приборах все более заменяется электронным. Механические перемещения сокращаются
Основной набор
Дополнительный набор
I-------
Изображение
I Точка I (Отрезок | I Окружность | Текст Д (Конец ~~1
Разработка чертежа | Изображение!
I Изменение I —|
Стирание Изменение
ГЭлемент I (Смешение Щ
ГВсе I (Копирование |
I конец I (Поворот 1
(Увеличение j (Уменьшение | (конец |
а)
Рис. 6.3.58. Набор команд, выведенный на экран ЭЛТ:
а — пример набора операций в виде дерева команд для выполнения чертежей; б — пример набора программ для расчета передач в виде графических изображений
210
1
Рис. 6.3.59. Клавиатура:
1 — функциональная; 2 — десятичная; 3 — несущая печатная плата с электронной схемой
3 2
А-А
Рис. 6.3.60. Крепление клавиш на клавиатуре с помощью крепежных шин по TGL 36774 и TGL 36776 (а) и монтажной пластины (б):
1 — клавиша; 2 — крепежная шина; 3 — монтажная плата; 4 — печатная плата
до движения клавиши, необходимого для посылки электрического сигнала. В то же время этот сигнал все чаще формируется бесконтактным способом с помощью емкостных и индуктивных датчиков, электропроводящих эластомеров, с использованием эффекта Холла, а также контактным способом с помощью герконов, отличающихся высокой надежностью. При этом клавиатура может иметь очень малые размеры. Различные функции отдельных клавиш и клавиатур требуют реализации различных кодов и комбинаций сигналов, вводимых в прибор. Это осуществляется с помощью микроэлектронных устройств, управляемых непосредственно электрическим импульсом, посылаемым клавишей. Устройства устанавливаются на несущей печатной плате вместе с клавишей или всей клавиатурой. Высокая вариабельность клавиатур обеспечивается использованием модульного принципа при разработке их конструкций (см. разд. 3.2.5), позволяющих в нужном порядке размещать отдельные клавиши на монтажных платах или крепежных шинах (рис. 6.3.60).
211
Список литературы
6.3.1. Krause W. Grundlagen der Konstruktion — Lehrbuch fur Elektrolngenieure.
3. Aufl. Berlin: VEB Verlag Technik, 1984.
6.3.2. Hildebrand S. Feinmechanische Bauelemente. 5. Aufl. Berlin: VEB Verlag Technik, 1985.
6.3.3. Hildebrand S., Krause W. Fertigungsgerechtes Gestalten in der Feingeratetechnik. 2. Aufl. Berlin: VEB Verlag Technik, 1982.
6.3.4. Klotter K. Technische Schwingungslehre. Berlin, Gottingen, Heidelberg: Springer-Verlag, 1960.
6.3.5. Rauch M. Mechanische Schaltsysteme der Geratetechnik und der Ausrustungs-technik. Diss. B. TH Karl-Marx-Stadt, 1978.
6.3.6. Sieker К.-H., Jahr W. AWF-Getriebehefte, Sperrgetriebe, ASF 6062 Schalt-werke. Berlin, Koln, Frankfurt/M.: Beuth-Vertrieb, 1956.
6.3.7. Weise H. Kinematographische Kamera. Wien: Springer-Verlag, 1955.
6.3.8. Weise H. Kinogeratetechnik I. Leipzig: Akadem. Verlagsgesellschaft, 1950.
6.3.9. Enz K. Filmprojektoren, Filmprojektion. Jena: Foto-Kino-Verlag, 1965.
6.3.10. Bohme L. Periphere Gerate der digitalen Datenverarbeitung. RA 70. Berlin: VEB Verlag Technik, 1970.
6.3.11. Bode B. Lochkartentechnik. RA 51. Berlin: VEB Verlag Technik, 1967.
6.3.12. Burger E. Lochkartentechnik — Mittel zur Datenerfassung undverarbeitung. RA 86. 2. Aufl. Berlin: VEB Verlag Technik, 1971.
6.3.13. Scholz C. Magnetbandspeichertechnik. Berlin: VEB Verlag Technik, 1968.
6.3.14. Volmer J. Getriebetechnik, Lehrbuch. 3. Aufl. Berlin: VEB Verlag Technik, 1976.
6.3.15. Volmer J. Getriebetechnik, Kurvengetriebe. Berlin: VEB Verlag Technik, 1976.
6.3.16. Bock A. Arbeitsblatter fur die Konstruktion von Mechanismen. KdT Suhl, 1976.
6.3.17. Lichtenheld W., Luck K. Konstruktionslehre der Getriebe. 2. Aufl. Berlin: Akademie-Verlag, 1979.
6.3.18. Sieker K.-H. Einfache Getriebe. 2. Aufl. Prien: C. F. Wintersche Verlags-buchhandlung, 1956.
6.3.19. Konstruktionsbeispiele aus der Feingeratetechnik. Berlin: VEB Verlag Technik, 1955.
6.3.20. Hildebrand S. Einfuhrung in die feinmechanischen Konstruktionen. 3. Aufl. Berlin: VEB Verlag Technik, 1976.
6.3.21. Trier H. Die Zahnformen der Zahnrader. 5. Aufl. Berlin, Gottingen, Heidelberg: Springer-Verlag, 1958.
6.3.22. Hansen F. Justierung. 2. Aufl. Berlin: VEB Verlag Technik, 1967.
6.3.23. Afhnus. Technische Laufwerke, einschl. Uhren. Berlin: Springer-Verlag, 1958.
6.3.24. Taschenbuch Feingeratetechnik, Bd. 1. 2. Aufl. Berlin: VEB Verlag Technik, 1969.
6.3.25. KDT-Empfehlung 4/73/72: Begriffe und Darstellungsmittel der Mechanis-mentechnik. 2. Folge, KDT Suhl, 1975.
6.3.26. Pollermann M. Bauelemente der physikalischen Technik. Berlin, Gottingen, Heidelberg: Springer-Verlag, 1955.
6.3.27. Timpe К. P., Wunsch B. Gestaltung und Anordnung von Bedien- und Anzeigeelementen, Karl-Marx-Stadt: Zentralinstitut fur Feingeratetechnik des Maschinenbaus, 1969.
6.3.28. Holfeld A. Zur Berechnung der Triebfedern mit Federhaus.— Uhren und Schmuck. 1968, Bd. 5, № 3. S. 90.
212
6.3.29. Bogelsack G., Schorcht H.-J., Ifrim V., Christen G. Richtinie fur rechner-gestutzte Dimensionierung von Antriebsfedern. AUTEVO «informations-reihe» 11, VEB Carl Zeiss JENA, 177. .
6.3.30. Bogelsack G., Schorcht H.-J. Dynamisches Verhalten von Federantrieben.— Feingeratetechnik, 1970, Bd. 19, № 1, S. 4.
6.3.31- Roth K. Systematik der Maschinen und ihrer mechanischen elementaren Funktionen.— Feinwerktechnik, 1970, Bd. 74, № 11, S. 453.
6.3.32. Simonek R. Ein Verfahren zur Ermittlung der speziellen Funktionsstruktur mit Hilfe der EDV.— feinmechanik und micrinic, 1974. Bd. 78, № 1, S. 10.
6.3.33. Ewald O. Eine Zusammenstellung der Maschinen- und Geratetechnik als Hilfsmittel fur das systematische Konstruieren.— feinmechanik und micronic, 1972, Bd. 76, № 2, S. 66.
6.3.34. Frank G. Zum Systembegriff in der Konstruktionswissenschaft.— Feingeratetechnik, 1967, Bd. 19, № 9, S. 394.
6.3.35. Seelinger A. Motorkupplung und Getriebespiel.— VDI-Z., 1974, Bd. 116, № 2, S. 107.
6.3.36. Grapi H. Beitrag zur Optimierung einer Federbandkupplung.— Feinwerktechnik und Meptechnik, 1976, Bd. 84, № 1, S. 22.
6.3.37. Kohler A. Stoppbremse fur Wagen von Druckwerken.— Feingeratetechnik, 1978, Bd. 27, № 7, S. 303.
6.3.38. Rabe K. Anschlage, eine Untergruppe der Sperrungen.— Feinwerktechnik, 1961, Bd. 65, № 5, S. 166. >
6.3.39. Rauch M. Einflip des Prellens auf die Dynamik elektromechanischer Systeme. XII. Internat. Wiss. Kolloquium Ilmenau, 1977, В 1, S. 107.
6.3.40. Rauch M. Prellerscheinungen an mechanischen Bauteilen.— Feingeratetechnik, 1974, Bd. 23, № 11, S. 511.
6.3.41. Rauch M. Mechanische Funktionsgruppen mit Anschlagen.— Maschinenbautechnik, 1976, Bd. 25, № 2, S. 75.
6.3.42. Rauch M., Schmidt W. Messung der Kraft-Zeit-Verhaltens und der Stopzeiten bei mechanischen Sto’pen.— Maschinenbautechnik, 1977, Bd. 26, № 2, S. 75.
6.3.43. Rj^tfch M. Maschinelle Berechnung translatorischer elektromagnetomecha-nischer Systeme.— Feingeratetechnik, 1974, Bd. 23, № 7, S. 326.
6.3.44. Rauch M. Zur Dynamik translatorischer elektromagnetischer Funktionsgruppen an einem ausgewahlten BeispieL— Wiss. Zeitschr. d. TH Karl-Marx-Stadt, 1975, Bd. 17, № 1, S. 107.
6.3.45. Никитенко А. Г., Клейменов В. В. Применение электронных моделирующих устройств для расчета динамических характеристик электромагнитных механизмов.— Электричество, 1960, № 7, с. 51.
6.3.46. Stundel D. Zur Synthese von Filmgreifergetrieben fur Aufnahme und Wiedergabegerate.— Maschinenbautechnik, 1956, Bd. 9, № 10, S. 488.
6.3.47. Krzenciessa H. Zur Getriebetechnik der Papierverarbeitungsmaschinen.— Maschinenbautechnik, 1956, Bd. 5, № 10, S. 481.
6.3.48. Bock A. Der Systematische Aufbau der Schaltgetriebe.—Maschinenbautechnik, 1955, Bd. 4, № 2, S. 60; № 3, S. 116.
6.3.49. Eckerle R. Optimale Auslegung von Malteserschaltwerken.— Feinwerktechnik, 1969, Bd. 73, № 10, S. 484.
6.3.50. Сперанский H. Ф. Malteserkreuzgetriebe mit Antrieb durch elliptische Zahnrader.— Maschinenbautechnik, 1959, Bd. 8, № 12, S. 618.
6.3.51. Schnarbach K. Malteserkreuz-Schaltgetriebe.— Konstruktion, 1952 Bd 4 S. 325.
6.3.52. Alt H. Verwendung von Malteserkreuz- und Sternradgetrieben und Rastgetrieben.— Werkstattechnik, 1930, Bd. 24, S. 181.
6.3.53. Bock A. Sternradgetriebe.— ZVDI, 1929, Bd. 73, S. 397.
213
6.3.54. Schnarbach К. Netztafeln fur Malteserkreuzgetnebe.— Getriebetechnik, 1939, Bd. 7, S. 19.
6.3.55. Simon F. Malteserkreuz-Sperrzylinder ohne Klemmgefahr.— feinwerktechnik und micronic, 1972, Bd. 76, № 5, S. 262.
6.3.56. Klaus R. Kurvengetriebeschaltwerke.— Werkstattechnik, 1930, Bd. 24, S. 629.
6.3.57. Krause W. Prazisionsmechanik in der Feingeratetechnik.— Feingeratetechnik, 1973, Bd. 22, № 9, S. 446.
6.3.58. Krause W. Feinmechanische Bauelemente.— Feingeratetechnik. 1974, Bd. 23, № 10, S. 455.
6.3.59. Bogelsack G., Zivkovic Z. Auswahlkriterien fur Schrittgetriebe.— Feingeratetechnik, 1976, Bd. 25, № 7, S. 301.
6.3.60. Rabe K. Getriebe fur Feinverstellungen im Geratebau.— Feinwerktechnik, 1969, Bd. 73, № 6, S. 264.
6.3.61. Unterberger R. Konstruktionsprobleme in Feingerate.— Feinwerktechnik, 1956, Bd. 60, № 1, S. 3.
6.3.62. Mikulasek J. Konstruktionsgruppen und Elemente feinmechanischer und optischer Gerate.— Feingeratetechnik, 1963, Bd. 12, № 1, S. 16.
6.3.64. Neumann R. Technische Anwendungen des Umlaufraderprinzips.— Maschi-nenbautechnik, 1976, Bd. 25, № 2, S. 50.
6.3.65. Krause W., Brand S. Konstruktive Gestaltung von Prazisionszahnradgetrie-ben der Feingeratetechnik,— Feingeratetechnik, 1976, Bd. 25, № 1, S. 11.
6.3.66. Demian Tr., Krause W. u.a. Einsatz v&i Schneckengetrieben in der Feingeratetechnik.— Feingeratetechnik, 1978, Bd. 27, № 5, S. 222.
6.3.67. Krause W. Kinematische Genaugkeit von Zahnradgetrieben der Feingeratetechnik. XXV. Internal. Wiss. Kolloquium Ilmenau 1980, Vortragsreihe В 1.
6.3.68. Krause W., Le Van Sang. Berechnung der Drehwinkeltreue mehrstufiger Stirnradgetriebe der Feingeratetechnik.— Feingeratetechnik, 1980, Bd. 29, № 9, S. 387.
6.3.69. Neudorf A. Systematischer Katalog fur Bedienteile.— Werkstatt und Betrieb, 1977, Bd. 110, № 4, S 225.
6.4. Оптические функциональные узлы
Задачами оптических функциональных узлов являются:
отклонение световых лучей посредством их преломления или отражения (например, с помощью отдельных линз, последовательно расположенных групп линз, плоских, сферических или отклоняющих линз);
изменение интенсивности, фазы и направления световых лучей посредством поглощения, поляризации, рассеяния и дифракции (например, с помощью матированных и молочных стекол, фильтров, поляризаторов, дисперсионных и поляризационных призм, отражательных и дифракционных решеток);
отображение знаков и меток (например, с помощью перекрещивающихся нитей, шкал, масштабов, нониусов, пластинок с сеткой штрихов, шкал);
покрытие и защита (например, с помощью кювет, накладных стекол);
ограничение и изменение поперечного сечения светового луча (например, с помощью диафрагм круглой, угловой, секторной и щелевой форм).
Форма оптических деталей определяется принципом их действия, требованиями к стабильности параметров и способом функционирования.
214
Тип оправы определяется функциональными требованиями и формой детали. В зависимости от формы оптические детали можно разбить на две группы: круглые оптические детали, оправа которых имеет преимущественно круглую форму; призматические оптические детали, у которых форма оправы образована в основном плоскостями.
Основой для разработки оправы оптических деталей является так называемая оптическая схема, которая включает:
оптически эффективные детали, т. е. в основном стеклянные или пластмассовые детали и диафрагмы;
размеры оптически эффективных деталей (например, световой диаметр, толщина и радиус кривизны линзы);
функционально важные параметры (например, свободный диаметр линзы);
тип оптического стекла; коэффициент преломления; характеристики поверхностей, часть которых имеет зеркальный слой или просветлена; размеры поля зрения; цена деления шкалы;
взаимное расположение оптически эффективных деталей, т. е. их относительное положение, включая допуски, например, на фокусные расстояния, воздушные промежутки между оптическими деталями, задний отрезок объектива, допустимый перекос, допустимое отклонение от параллельности, ошибки центрования;
ход лучей, образующих изображение и освещающих объект.
Оптическая схема позволяет представить на плоскости ход лучей в пространстве. Она разрабатывается конструкторами оптических приборов или специалистами по расчету оптических систем и передается конструкторам. После этого оптическая схема не может быть изменена без согласия ее разработчиков. Введение простой прямоугольной призмы для отклонения лучей на 90° влечет за собой изменение и требует коррекции фокусных расстояний оптической системы. Любая оптическая система обеспечивает изображение объекта с погрешностями, которые должны быть в большей или меньшей мере скорректированы в зависимости от условий задачи, решаемой системой. Погрешности изображения минимизируются при сохранении заданных фокусных расстояний. Вся оптическая система состоит из отдельных частей, каждая из которых вносит свои погрешности, поэтому комбинация этих частей в систему должна производиться с учетом минимизации общей погрешности.
С помощью оптической схемы конструктор решает следующие задачи: окончательное определение конструктивного оформления оптических деталей, т. е. диаметра оправы, толщины ребер, расположения фасок для предохранения от выколок и для удаления излишков стекла, характеристик поверхности (знак чистоты обработки, требуемый контроль, зеркальное покрытие и просветление, матирование, нанесение штрихов) с учетом действующих стандартов и инструкций;
выбор соответствующего крепления, включая конструкцию и размеры оправы с учетом назначения оптического устройства, а также условий его изготовления и эксплуатации.
215
6.4.1. Оптические системы
Ниже кратко описаны важнейшие оптические системы, используемые в приборах [6.4.1, 6.4.2].
В табл. 6.4.1 приведены характеристики основных отражательных призм. Они используются для изменения хода лучей с учетом условий их прохождения в приборе и положения изображения. Каждое отражение переворачивает изображение по высоте или ширине. Это позволяет получить даже вращение изображения. Отражательную призму можно заменить отдельными зеркалами или комбинациями зеркал. Это оправдано только при больших сечениях пучка лучей, так как необходимые в этих случаях призмы имели бы очень большую массу. Обычно предпочтение следует отдавать отражательным призмам, преимуществами которых являются: неизменность углов между отражающими поверхностями; постоянство отклонения лучей многих отражательных призм даже при неправильной их установке или при изменении положения во время эксплуатации (следовательно, такие призмы, инвариантны и инноцентны относительно поворотов вокруг определенных осей, см. также разд. 4.2.3.2); меньшие потери при отражении, чем у отражающих поверхностей; простота крепления. К недостаткам отражательных призм относятся: большая масса; потери вследствие поглощения; потери при отражении от входной и выходной поверхностей, что требует дополнительных затрат для их просветления;
изменение оптической длины пути, что требует перемещения места изображения;
опасность появления дисперсии, что влечет за собой сферическую аберрацию и астигматизм, которые должны учитываться при коррекции всей оптической системы;
опасность отложения пыли на входной и выходной поверхностях, вследствие чего их нельзя располагать в плоскости промежуточного изображения. Это касается также пузырьков воздуха, включений и свищей в стекле.
Эти недостатки не оказывают большого влияния, если отражательная призма расположена на пути телецентрического хода лучей.
Приведенные на рис. 6.4.1 и 6.4.2 оборачивающие призмы предназначены для поворота изображения на 180°, что позволяет с помощью системы с положительным фокусным расстоянием из перевернутого по высоте и ширине изображения получить правильное. Поэтому они применяются в наземных телескопических трубах, а также в других приборах с субъективным наблюдением изображения.
Разнообразные задачи, решаемые с помощью приборов, требуют применения различных комбинаций призм (рис. 6.4.3).
Стереоскопическая призма (рис. 6.4.3, а) дает изображение на входной плоскости Е. На выходной плоскости А образуются два центрально-симметричных изображения, повернутых на 180° относительно друг друга. Эта призма применяется в измерительных окулярах без перекрестия при использовании центрально-симметричного наложения обоих изображений в качестве критерия фокусировки.
216
.4.1. Отражательные призмы
Название, схема
Число отражений п, угол отклонения а, основные размеры
Примечания
Прямоугольная призма
п = 1; L = d
а=90°;
Зеркальный слой не наносится ввиду полного внутреннего отражения призмы. Угол отклонения зависит от положения призмы
Прямоугольная призма
п = 2; а=180°;
L = 2d
п = 2\ а = 0; L = = d-\-u
Зеркальный слой не наносится ввиду полного внутреннего отражения призмы. Угол отклонения не зависит от поворота относительно осей, перпендикулярных главному сечению
Зеркальный слой не наносится ввиду полного внутреннего отражения призмы. Угол отклонения не зависит от положения установки и параллельного смещения лучей
п=\; a = var (обычно 30, 40, 60°);
, л + а
L = dctg-^ ;
/= ——; а sin у
h = d cos
При а = 90° образуется призма (см. п. 1)
Пентапризма
п = 2; а = 90°;
£ = d (2 + л/2)« «3,41d
Полное отражение отсутствует, поэтому необходимо нанесение зеркального слоя Угол отклонения не зависит от поворота относительно осей, перпендикулярных главному сечению, поэтому преимущественно используются призмы для отклонения лучей на 90°
J____________________________
217
Продолжение табл. 6.4.1
Название, схема
Число отражений п\ угол отклонения а, основные размеры
Примечания
/7 = 2; а = 45°
(или 60°)_
L = d + V2d/2« « l,71d Z,=F=V3d« 1,73d
Независимость угла отклонения, как в п. 1 и 5. Используется для наблюдения в непрямом окуляре микроскопа
п = 1; а = 0; L =
_ d
cos (a-j-e') ’ / = d [ctga +
+ tg (а + е')](
, cos а где sin е =------;
n
а = 45°;
п —1,5;
L«3,44d;
/«4,29б/
Иначе называется оборачивающей призмой, призмой Амичи. При повороте призмы вокруг оптической оси на угол (р изображение поворачивается на угол 2<р. Вследствие наклона оптической оси к входной и выходной поверхностям используется только при телецентрическом ходе лучей. Применяется для поворота изображения при соосных входном и выходном лучах
8. Трехгранная призма
п = 3; а=180°;
L зависит от размеров
Каждая из трех отражающих поверхностей перпендикулярна двум соседним (все три поверхности принадлежат одному углу куба). Угол отклонения 180° не зависит от положения установки. Каждый из лучей, падающих с любого направления, возвращается параллельным самому себе
Бинокулярная система призм используется для разделения одного пучка лучей на два для двух наблюдателей (рис. 6.4.3, б) или для бинокулярного наблюдения при изменяемом расстоянии между окулярами (рис. 6.4.3, в). Разделение лучей осуществляется с помощью полупрозрачных поверхностей. При обратном ходе два пучка лучей можно объединить в один (совмещенное изображение).
Разделительная система призм объединяет два пучка лучей в два ограниченных частичных изображения: частные изображения, обратные друг другу по высоте (рис. 6.4.3, г), и полуизображения, правильные по высоте (рис. 6.4.3, д). Такая система используется в дальномерах.
218
Рис. 6.4.1. Оборачивающие призмы:
а, б — луч отклоняется на угол а; а — призма Шмидта; б — призмы Амичи; в, г — входной и выходной лучи соосны; в — призма Санг-Центмайера; г — призма Астори; д, е — луч смещается параллельно самому себе: д— призма Лемана; е— призма Гюста
219
220
Рис. 6.4.2. Оборачивающие призмы:
а — г — луч смещается параллельно самому себе: а, б — призмы Порро I и II рода; в, г — призмы Добресса I и II рода;
д — е — входной и выходной лучи соосны: д — призма Аббе и призма Кенига; е — призма Шмидта
Рис. 6.4.3. Основные системы призм 1—4:
1 — зеркальный слой; 2 — светоделительный слой
Окуляр увеличивает изображение объекта и делает возможным его визуальное наблюдение. В его конструкцию входят круглые диафрагмы (диафрагмы поля зрения), четко ограничивающие поле, формирующее изображение. В окулярах Рамсдена (рис. 6.4.4, б) наружная диафрагма расположена в тубусе неподвижно и при смене окуляра остается в приборе; на диафрагме могут быть нанесены марки или штриховые шкалы. На основе приведенных на рис. 6.4.4 окуляров в зависимости от требуемой
Рис. 6.4.4. Основные виды окуляров:
а — Гюйгенса с межлинзовой диафрагмой; 1 — коллектив;
2 — глазная линза; 3 — диафрагма поля зрения; 4 — выходной зрачок; б — г — окуляры с наружной диафрагмой: б — Рамсдена; в — Кельнера; г — ортоскопи-ческий Аббе
221
степени коррекции, размеров промежуточного изображения и увеличения разработаны варианты, различающиеся количеством линз и, следовательно, сложностью конструкции. Характеристики окуляров для микроскопов приведены в табл. 6.4.2. Погрешности изображения компенсационных окуляров не корректируются, эти окуляры предназначены для компенсации погрешностей изображения объектива.
Окуляры микроскопов являются вставными (см. рис. 6.4.22,6), регулирование в соответствии с аметропией глаза наблюдателя производится фокусировкой всей системы. При регулировании фокусировкой окуляра на оправе окуляра предусматривается специальная окулярная резьба — трапециевидная резьба крупного шага (см. рис. 6.4.22, 6). Такое решение обычно используется в телескопах, измерительных микроскопах, авто-коллимационных зрительных трубах и т. п.
Оптические системы, предназначенные для микрофотографии или микропроекции, называются проекционными. По конструкции и характеристикам они подобны окулярам, однако требуют определенной корректировки в зависимости от расстояния до изображения объекта.
Под объективом обычно понимают оптический элемент, предназначенный для получения изображения объекта. Различием требований к изображению объекта (расстояние от объектива, размеры, т. е. масштаб), различием самих объектов, а также различной требуемой степенью коррекции погрешностей объясняется множество типов и вариантов объективов. Можно назвать объективы для микроскопов, телескопов, фотокамер и т. д. Последние часто называют светосильными объективами, если они отвечают специальным требованиям фотограмметрии или аэрофотограмметрии (высокая разрешающая способность, большое относительное отверстие, большой угол зрения, отсутствие геометрических искажений изображения).
В табл. 6.4.3 приведены характеристики распространенных объективов для микроскопов:
ахроматов, имеющих разные фокусные расстояния для волн двух длин;
апохроматов, у которых равны фокусные расстояния для волн трех длин;
объективов с плоским полем зрения (планахроматов и планапохро-матов), в которых искривление поля изображения почти полностью устранено;
полуапохроматов (так называемые флюоритовые микрообъективы), обеспечивающих более совершенную коррекцию по цвету, чем простые ахроматы;
монохроматов, скорректированных только по одной длине волны и играющих важную роль в ультрафиолетовой микроскопии.
Ахроматы и апохроматы обычно корректируются при длине тубуса 160 мм, планахроматы и планапохроматы — также при бесконечной длине. Часто, особенно в случае объективов для микроскопии в проходящем свете, при корректировке учитывают толщину покровного стекла (обычно 0,17 мм).
Кроме уже упомянутых объективов используются специальные объек-
222
6.4.2. Окуляры для микроскопов предприятия VEB Carl Zeiss JENA
Обозначение и характеристика окуляра Увеличение Число поля зрения х о г> 5 х а. Угол поля зрения, ш', градус
[диаметр поля изобр жения на расстоян 250 мм от выходно зрачка (Число поля з ния X Увеличение)
А. Обычный окуляр без хроматине- 5Х 23 115 25,9
ской разности увеличений 6,3 х 19 120 27,0
8Х 12 96 21,7
юх 14 140 31,3
10Х 20 200 43,6
12,5Х 16 200 43,6
16Х 12,5 200 43,6
20 X 10 200 43,6
АК. Обычный окуляр с хроматиче- 8Х 16 128 28,7
ской разностью увеличений для компенсации погрешностей объективов 12.5Х 12 150 33,4
РК. Планокуляр с компенсирую- 6,3 х 19 120 27,0
щим эффектом для объективов с 8Х 18,4 147 32,8
плоским полем зрения и хроматиче- юх 15,5 155 34,4
ской разностью увеличений 12,5Х 16 200 43,6
16Х 12 192 42,0
20 X 8 160 35,5
25 X 7 175 38,6
32 X 6,3 200 43,6
Окуляры для стереомикроскопа 6,3 X 28 176 38,8
SMXX без хроматической разности 12,5Х 15 187 41,0
увеличений 25 X 8 200 43,6
Примечание. d = 23,2 мм для А, АК и РК; d = 30 мм для окуляра стереомикроскопа SMXX.
223
6.4.3. Объективы микроскопов [6.4.18]
Название Схема Масштаб изображения Числовая апертура, примерно Свободное рабочее расстояние, мм, примерно Название Схема Масштаб изображения Числовая апертура, примерно Свободное рабочее расстояние, мм, примерно
Ахромат 3,2 6,3 10 16 40 100* 0,10 0,16 0,25 0,32 0,65 1,25 9,6 8,5 7,2 2,8 0,5 0,06 Апо- хромат 4,0 6,3 16 40 63 100* 100* 0,16 0,20 0,40 0,95 0,95 1,32 1,40 9,3 6,7 2,3 0,10 0,06 0,05 0,05
[V R1 к
5Э ^^1

—Ер!—
* Гомогенная масляная иммерсия.
6.4.4. Объективы зрительных труб [6.4.9]
Название Относительное отверстие, менее Коррекция
Ахромат 1 1:3,5 S; SB; Ch2
Объектив Фраунгофера 2 (объек- 1:11 S; SB; Z; Ch2
тив из двух несклеенных линз)
Полуапохромат 3 1:11 S; SB; Ch3
Апохромат 4, 5 1:15; 1:3 S; SB; Z; Ch3; ChS
Примечания. 1. Относительное отверстие телескопов менее 1:15; прецизионных зрительных труб (коллиматоров), измерительных и высококачественных наземных зрительных труб—1:10; ручных зрительных труб и призматических полевых биноклей — 1:3,5.
2. S — корректируется сферическая аберрация; SB — выполняется условие синусов; Ch2 — корректируется продольный хроматизм для двух длин волн; Z — корректируется зональная аберрация; ChS — корректируется хроматическая разность сферической аберрации (гауссова погрешность) ; Ch3 — корректируется продольный хроматизм для трех значений длины волны.
224
тивы, например, для очень больших расстояний до объекта, что требуется при необходимости манипуляции с наблюдаемым объектом или при расположении его в камере (вакуумной, нагревательной, холодильной). Существуют объективы для специальных методов микроскопии, например, поляризационной, фазово-контрастной, темнопольной, в отражен^Ъм свете. Для микроскопии были разработаны зеркальные объективы, полностью свободные от хроматической аберрации.
В табл. 6.4.4. приведены объективы зрительных труб. В астрономии, особенно для наблюдения на больших расстояниях, вместо рефракторов используются зеркальные системы.
В табл. 6.4.5. приведены схемы и основные характеристики распространенных объективов для малоформатных фотокамер. Существует множество фотообъективов для фотосъемки и проекции с помощью фотоматериалов различного формата и при особых условиях.
6.4.5. Фотообъективы для малоформатных фотокамер (24X36)
Название Относительное отверстие/фо-кусное расстояние, мм Угол поля зрения, градус Длина, мм Минимальное расстояние до объекта, м

Нормальные объективы
«Тессар» / 2,8/50 45 45 0,35
«Панколор» 2 1,8/50 46 52 0,35
Широкоугольные объективы
«Флектогон» 3 2,4/35 62 61 . 0,19
«Флектогон» 4 2,8/20 93 54,5 0,19
Телеобъективы
«Биометар» 5 2,8/120 41 87 1,30
«Зоннар» 6 4/300 8 248 4,00
Зеркальный объектив 7 5,6/1000 2,5 512 16,00
8 Зак. 218
225
Приведенные в таблицах данные иллюстрируют разнообразие конструкций и возможностей оптических деталей и систем. Для использования в приборах необходимо точно знать характеристики, а также условия комбинирования этих деталей и систем с другими. Соответствующую информацию можно получить в специальной литературе и в проспектах изготовителей.
6.4.2. Крепление оптических деталей
Оптические конструктивные элементы чаще всего из стекла крепятся с помощью механических устройств, выполненных из металла или пластмассы и играющих роль зажима или рамы. [6.4.3, 6.4.8]. Для крепления оптических деталей можно использовать стандартные соединительные элементы, используемые для крепления механических деталей. Возможно разъемное или неразъемное, непосредственное или косвенное, подвижное или неподвижное крепление с силовым или геометрическим замыканием, а также с взаимным внедрением материалов пары.
При выборе крепления необходимо учитывать следующие факторы.
Функциональные факторы. Крепление должно обеспечивать выполнение деталью заданной оптической функции, как правило, получения оптического изображения. Очень высокие требования предъявляются к неподвижности или функциональному перемещению оптической детали (допуски на относительное положение до нескольких микрометров и угловых секунд).
Геометрические факторы и материалы. Наиболее распространены цилиндрическая и призматическая формы, размеры варьируются в широких пределах (диаметр фронтальной линзы объектива микроскопа 1 мм, диаметр зеркала телескопа 2 м). При разработке оптических деталей необходимо учитывать особые свойства стекла (хрупкость, внутренние напряжения, температурный коэффициент).
Факторы окружающей среды. Оптические приборы используются в лабораториях, на технологических участках, в домашнем хозяйстве и на открытом воздухе, они испытывают различные климатические (в основном в виде температуры, влажности, пыли) и механические (в виде статических нагрузок, ударов, колебаний) нагрузки (см. разд. 5 и 8).
6.4.2.1. Правила конструирования
Крепление должно обеспечивать выполнение оптической функции детали, гарантировать сохранение пространственного положения и обеспечивать допустимые напряжения и деформации. Появление деформаций в оптических деталях ведет к ухудшению характеристик, например, к снижению качества изображения, создаваемого объективом, вследствие астигматизма, и к снижению механической прочности. Для предотвращения этих отрицательных эффектов при разработке оптических приборов следует соблюдать следующие правила.
1. Крепление должно обеспечивать надежную фиксацию оптической детали в заданном положении. Если крепежный элемент выполняет 226
функцию изменения положения оптической детали, то обычно они перемещаются вместе.
2. Усилие крепления должно быть примерно равно силе инерции, развиваемой собственной массой оптической детали (независимо от ее пространственного положения). При статической нагрузке эта силэ соответствует собственной массе детали, при ударной — кратна ускорению свободного падения (например, для теодолитов 1,0 g).
3. Крепежный элемент должен развивать в оптической детали только напряжения сжатия; напряжения растяжения нежелательны, напряжения изгиба или кручения недопустимы. Для равномерности касания опорных поверхностей необходима установка соответствующих прокладок.
4. Стабильность формы должна обеспечиваться оптической деталью и не должна ухудшаться крепежным элементом. Исключением являются оптические детали больших размеров, например, зеркала телескопов, стабильность формы оптически эффективных поверхностей которых сохраняется с помощью крепежного устройства.
5. Предпочтительным является непосредственное крепление, т. е. оптическая деталь должна образовывать с крепежным элементом один конструктивный блок, который устанавливается на корпусе прибора. Закрепленную деталь можно дорабатывать (например, центрировать), юстировать относительно корпуса прибора. Такое крепление облегчает изготовление, транспортирование и сборку прибора.
6. В конструкции оправы должны быть определены функциональные поверхности оптической детали, к точности которых предъявляются самые высокие требования, например, краевая зона поверхности зеркала, покрытой зеркальным слоем.
7. Для предотвращения в местах крепления локальных концентраций напряжений, вызванных отклонениями формы и положения вследствие технологических погрешностей и тепловых воздействий, следует предусматривать упругие прокладки из пробки, резины, пластмассы, ткани и т. д. Для сохранения точности положения эти прокладки устанавливают только на одной стороне.
8. Для конструктивных элементов больших размеров (диаметром 100 мм и более) наиболее целесообразно статически определимое трехточечное опирание.
9. Оптические детали, испытывающие большие перепады температур (осветительные устройства, конденсоры, приборы, применяемые в полевых условиях), требуют компенсации возникающих при этом изменений длины. Эта компенсация может быть обеспечена с помощью достаточно больших зазоров, установки упругих прокладок, выбора соответствующих материалов, специальных компенсаторов. Перепады температуры в оптической детали могут быть предотвращены обеспечением равномерности теплопоглощения, например за счет отсутствия затенений при облучении детали, и теплоотдачи, например с помощью двусторонней конвекции и укладки термоизолирующих прокладок в местах крепления. Собственные напряжения особенно в местах надрезов, развивающиеся в оптической детали в результате обработки и крепления, можно снизить 8* 227
полировкой оптически неэффективных поверхностей и применением оправ, вызывающих лишь небольшие напряжения (см. п. 7).
10. Крепежный элемент должен быть настолько прочным, чтобы при юстировке положения в приборе он не испытывал никаких деформаций. Требуемая юстировка крепежного элемента должна осуществляться с помощью шарниров, имеющих малые зазоры или вообще свободных от них, после чего крепежный элемент должен фиксироваться (см. разд. 4 и 6.3.4.4).
6.4.2.2. Крепление круглых оптических деталей
Линзы всех типов, склеенные линзовые системы, плоскопараллельные и клиновидные пластинки, пластинки с сеткой штрихов, перекрестия, фильтры и зеркала имеют в основном круглую форму. Их крепление производится по внешней цилиндрической поверхности посредством установки детали в соответствующую цилиндрическую оправку и фиксацией с обеих сторон по узким краевым зонам плоских или искривленных оптически эффективных поверхностей. Круговые шкалы крепятся с помощью прокладки с отверстием большого диаметра, расположенным в центре.
Требования. Различают линзы шести основных форм (рис. 6.4.5). Собирательные линзы, называемые также положительными или выпуклыми, в центре имеют большую толщину, чем по краям. Рассеивающие линзы (отрицательные или вогнутые), наоборот, толще на краях.
Каждая линза имеет оптическую ось, определяемую прямой, которая соединяет центры сферических поверхностей, ограничивающих линзы и геометрическую ось, определяемую средней линией внешней цилиндрической поверхности, ограничивающей линзу по краю. Точки пересечения оптической оси со сферическими поверхностями называются вершинами линзы.
Целью центрирования линзы является совмещение ее оптической и геометрической осей. Эта операция осуществляется с помощью центри-ровочных станков, в которых линза, обычно приклеиваемая к оправке, выравнивается так, чтобы ее оптическая ось совпала с осью вращения патрона. Затем производится шлифовка края линзы. Три основных метода
Рис. 6.4.5. Собирательные (а — в) и рассеивающие (г — е) линзы:
а — плосковыпуклая; б — двояковыпуклая; в — вогнутовыпуклая; г — плосковогнутая; д — двояковогнутая; е — выпукловогнутая; И, И' — главные плоскости
228
центрирования описаны в табл. 6.4.6. Предпочтительным является центрирование с установкой по блику благодаря его наибольшей чувствительности, которая может быть увеличена при наблюдении отраженного изображения через микроскоп. Важнейшее преимущество этого метода
6.4.6. Методы центрирования круглых оптических деталей
Схема
Метод
Механическое центрирование с помощью патронов сжатия. Линза устанавливается между подпружиненными в аксиальном направлении соосными кольцевыми патронами так, чтобы центры ее кривизны лежали на оси вращения. Средняя точность (за счет трения при выравнивании) достижима только при малых радиусах кривизны Оптическое центрирование с установкой по блику. Приклеенная линза с помощью специальной оправки или в процессе затвердевания замазки выравнивается при вращении вокруг оси обработки до тех пор, пока изображение L' малого источника света L не остановится (перестанет «танцевать»). Это указывает на положение центра О сферической поверхности на оси вращения. Метод обеспечивает высокую точность центрирования, но требует высокой квалификации сборщика. Интенсивность отраженного изображения L' низка
Оптическое центрирование с установкой по прибору. Как и при центрировании с установкой по блику, линза вращается до тех пор, пока изображение L' не остановится. Низкая чувствительность метода требует увеличения изображения L'. Интенсивность этого изображения высокая. Воздействие на изображение обеих сферических поверхностей может наблюдаться одновременно. Метод удобен для автоматизации процесса центрирования, так как положение изображения L' может быть оценено с помощью матрицы приборов с зарядовой связью
Примечание. L — источник света; L' — изображение источника света; О — центр кривизны; Я, Н' — главные плоскости; F' — фокус;Т',~О, Н,~Н',~Р — точки после поворота линзы на 180° вокруг оси вращения.
229
заключается в том, что на каждой оптически эффективной поверхности системы возникает по одному отраженному изображению. Простая линза образует всегда два изображения, которые могут наблюдаться отдельно и позволяют оценивать положение отдельных поверхностей относительно оси. Это дает возможность последовательной юстировки отдельных поверхностей и, следовательно, всей системы. При повышенных требованиях к точности центрирование линзы производится после закрепления в оправке; обработке подвергаются соприкасающиеся поверхности линзы и оправы. Такая оправа должна иметь внутреннюю мелкую резьбу для крепления на центрирующей оправке. Погрешность центрирования линзы в оправе при использовании этого метода остается неизменной (см. разд. 6.4.13 и описание в этом разделе установки линз в оправу «насыпкой») .
Кроме обработки цилиндрического края линзы (округливания) на ней должны быть сняты фаски. Операция снятия фасок называется фасети-ровкой, целями ее являются:
предохранение от выколок острых кромок (рис. 6.4.6, а). Ширина защитных фасок обычно 0,1—0,3 мм;
получение опорной поверхности для крепления* линзы в оправе, например, завальцовкой. В зависимости от диаметра линзы ширина фаски в этих случаях 0,2—2 мм;
удаление излишков оптически неэффективного материала (рис. 6.4.6, г).
Фаски должны быть наклонены к соседним поверхностям по возможности под одинаковыми углами (рис. 6.2.6, б). Сферическим фаскам следует отдавать предпочтение благодаря простоте их изготовления (рис. 6.4.6, в).
Для снижения погрешностей изображения отдельные линзы комбинируются в блок. Для сохранения соответствующих воздушных промежутков такая комбинация может быть получена с помощью оправы, которая позволяет даже юстировать ее. Применяется также и склеивание линз в блок (рис. 6.4.7). Для этого применяются специальные оптические клеи, показатель преломления которых близок к показателю преломления стекла. Оптическое центрирование производится по одному из методов, описанных в табл. 6.4.6. Для этого склеивание блоков из трех линз должно осуществляться клеями с различными точками плавления. Для устранения переопределенностей у одной из линз блока диаметр
Рис. 6.4.6. Фаски на линзах:
1 — коническая; 2 — плоская; 3 — сферическая
230
Рис. 6.4.7. Блоки линз:
а — двухкомпонентный; б — трехкомпонентный
предусматривается несколько большим, чем у других, и соответствующим посадочному диаметру оправы.
Оптические детали, установленные в крепежных элементах или без них, часто монтируются в трубообразных тубусах. Отражения проходящих через тубус лучей света не должны давать нежелательных бликов, снижающих контраст изображения. Для предотвращения этого нежелательного явления предусматривают следующие конструктивные мероприятия:
увеличение размеров (диаметра) внутреннего пространства тубуса, которые должны быть значительно больше размеров поперечного сечения светового луча;
установка внутренних диафрагм, особенно в длинных тубусах (рис. 6.4.8). Для устранения отражений от диафрагм их кромки на пути луча должны быть острыми;
уменьшение отражательной способности поверхности посредством ее чернения с помощью травления или анодирования, нанесения черной матовой туши или лака, обклейки бархатом или ворсистой бумагой;
придание шероховатости или рифление поверхности с помощью пескоструйной обработки и — в большинстве случаев — нанесение канавок с острыми краями с помощью резьбонарезных гребенок. Такие канавки имеют форму резьбы или параллельны друг другу; их шаг (или расстояние между ними) составляет 0,25—1 мм. В этом случае также производится чернение поверхности.
Перечисленные мероприятия часто комбинируются.
Виды крепления. Требования к жесткости и центричности линз, с одной стороны, и к компенсации радиального зазора при перепадах температуры, с другой, различны. Ориентировочно можно назвать следующие значения радиальных зазоров при креплении линз: для окуляров — 0,1 мм, склеенных ахроматов — 0,05 мм, ответственных оптических деталей (для микро-, фотообъективов и объективов зрительных труб) —
Рис. 6.4.8. Внутренние диафрагмы В\ — Вп для предотвращения попадания на плоскость промежуточного изображения света, отраженного от внутренних стенок тубуса (а), и прошедшего через объектив и отраженного от внутренней стенки (б); положение и диаметр диафрагм определяются как точки пересечений максимально возможных краевых лучей с конусной образующей хода отображающих лучей
231
Рис. 6.4.9. Крепление завальцовкой:
t
d ь 1
2,5-10 0,4 0,2 0J5
10-18 0,25 0,55
18-30 0,6 0,3 0,7
3O-fO 0,8 ол 0,85
50~80 1,2 0,5 -1L-
а — общий вид; б, в — размеры; сц — опорный торец; в — толщина края под завальцовку; d — диаметр линзы; / — длина края под завальцовку
0,01 мм, для линз оптических осветительных устройств (конденсорных линз и зеркал) — 2—5 мм. Если вследствие изменений температуры недопустимо большие напряжения не возникают, требуемую посадку определяют по обычно применяемой в приборостроении системе допусков и посадок для основного вала:
(G7/h8) F8/h8 D10/H9 (D10/hll).
Посадкам, указанным в скобках, следует отдавать предпочтение. Линзы могут подгоняться по месту или изготовляться с определенными допусками.
Ниже рассмотрены основные виды крепления круглых оптических деталей.
Крепление завальцовкой предусматривает геометрическое замыкание оптической детали с оправ эй путем загиба ее тонкого края (рис. 6.4.9). Этот край загибается на фаску оптической детали с помощью ролика или специального инструмента.
Для оправ при креплении завальцовкой пригодны легко пластически деформируемые материалы, такие, как латунь и алюминиевые сплавы, а также пластмассы. При конструировании оправы следует учитывать следующее:
длина края под завальцовку должна быть несколько больше длины охватываемого им элемента. Для линз большого диаметра достаточно охвата по краю фаски линзы;
опорный торец оправы должен быть чистым, но не обязательно должен повторять форму линзы. Рифление внутренней части оправы не должно доходить до этого торца (см. рис. 6.4.9).
Преимуществами крепления завальцовкой являются простота выполнения и малость требуемого для него места. Поэтому оно особенно пригодно для фронтальных линз с малым рабочим расстоянием. Недостатки — необходимость разрушения края оправы при демонтаже линзы, появление напряжений в процессе завальцовки и при изменениях температуры. Правда, напряжения можно снизить используя детали, показанные на рис. 6.4.10.
Крепление завальцовкой используется для непосредственного или косвенного крепления линз и их блоков, сеток, зеркал, диафрагм и защит-232
Рис. 6.4.10. Снижение напряжений при креплении завальцовкой:
а — с помощью подкладного кольца, уменьшающего прямое давление на оптическую деталь при завал ь-цовке: б — с помощью удлинения трубчатой части оправы, компенсирующего тепловые расширения линзы
Рис. 6.4.11. Крепление завальцовкой:
г) д) е)
а — пластинки с сеткой штрихов; б — защитного стекла; в — зеркала (зеркальный слой нанесен на наружной стороне стеклянной пластинки); г — крепление с помощью гофровой обжимки и завальцовки; д—с помощью завальцовываемого колпачка; е — с подкладным упругим кольцом
г)
Рис. 6.4.12. Крепление линзы кольцом с наружной (а, б) или внутренней (в) резьбой:
d *7 4 h
6-fO M(d*1)0t5 d-1 2-3,5
м-100 M(d*2)0,75 d-2 tf-6
i)
а — шлицами для ключа; б — без шлицев; в — д — размеры колец с наружной резьбой; д — диаметр линзы; d\ — диаметр резьбы; d2 — световой диаметр; h — толщина кольца
ных пластинок, диаметром до 30 мм. Такое крепление целесообразно применять при небольших перепадах температуры. Для снижения напряжений, развивающихся в линзе в процессе завальцовки, может быть предусмотрено упругое промежуточное кольцо. При использовании упругих крепежных элементов или оправ из упругого материала, коэффициент расширения которого близок к коэффициенту расширения стекла, завальцовкой можно крепить линзы диаметром примерно до 80 мм. Примеры крепления завальцовкой показаны на рис. 6.4.11.
Крепление резьбовым кольцом с наружной или внутренней резьбой (рис. 6.4.12). Посадочное отверстие для линзы должно иметь такие размеры, чтобы линза не испытывала недопустимо больших напряжений при изменении температуры, а зазор между линзой и оправой не был слишком большим. На стенках отверстия предусматривается мелкая резьба для ввинчивания кольца. Кольца со шлицами устанавливаются и снимаются с помощью специального ключа; при отсутствии шлицев съем кольца может быть выполнен только с помощью специального инструмента, входящего во фрикционное замыкание с кольцом. Резьба должна
233
Рис. 6.4.13. Крепление пружинным кольцом: а — круглого сечения (TGL 31666); б — круглого сечения, пружинящим в аксиальном направлении; в — крепление линзы в оправе двумя стопорными упорными пружинными кольцами
иметь зазор, достаточный для обеспечения равномерного прилегания кольца к оптической детали.
Преимуществом крепления резьбовым кольцом является простота сборки и демонтажа (эти операции не требуют специальной подготовки персонала). К недостаткам следует отнести то, что надежную фиксацию оптической детали не всегда можно обеспечить из-за посадки кольца с зазором в радиальном направлении и ограниченного момента затя^кки в аксиальном. Во многих случаях необходимо предохранение кольца от самоотвинчивания с помощью лака, клея или смолы; затраты на изготовление в этом случае также больше, чем при креплении завальцовкой.
Резьбовым кольцом могут крепиться все круглые оптические детали диаметром примерно до 100 мм.
Крепление пружинным кольцом может быть использовано для линз без оправы и в оправе (рис. 6.4.13). В этом случае используются простые пружинные кольца, выполненные из пружинной проволоки, а также из резины или пластмассы. Последние одновременно могут обеспечивать уплотнение зазора между линзой и оправой. Для крепления пригодны стандартные стопорные упорные пружинные кольца. В оправе для кольца предусматривается соответствующая проточка.
Неизбежный обычно аксиальный зазор (рис. 6.4.13, айв) может быть устранен с помощью конусной проточки под кольцо (рис. 6.4.13,6), что позволяет компенсировать допуски на аксиальные размеры или изменения длины при перепадах температуры.
Крепление пружинным кольцом отличается простотой, кольцо может быть быстро установлено или снято и не требует больших затрат на изготовление. Если проточка под кольцо не конусная, то зазор между ним и линзой может быть слишком велик, вследствие чего появляется опасность качаний линзы в оправе.
Это крепление может применяться для любых круглых оптических деталей диаметром примерно 20—30 мм при невысоких требованиях к точности. Оно используется в основном для конденсорных линз и зеркал.
Крепление приклеиванием обеспечивает надежную фиксацию оптической детали в оправе и одновременно может играть роль уплотнения. Для приклеивания оптических деталей используют клеи и замазки, которые размягчаются при повышенных температурах и отвердевают при нормальной (воск, стеклянная замазка, сургуч, канифоль), разжижаются растворителями (клеи, высыхающие за счет испарения растворителя) и отвердевают за счет химических превращений (эпоксидная смола, двухкомпонентные клеи, силиконовый каучук).
234
Различными фирмами разработаны специальные клеи, хорошо сцепляющиеся со стеклом и металлом и легко обрабатываемые. Эти клеи дозируются простым способом, демонтаж оптических деталей возможен с помощью специальных растворителей.
Крепление приклеиванием не получило широкого распространения, особенно в серийном производстве оптических приборов. Кроме трудностей, связанных с введением в технологический процесс новых операций, это объясняется появлением напряжений в оптической детали, развивающихся при усадке или увеличении объема клея в процессе отверждения. Проблему также представляет собой отсутствие зазоров между приклеенной оптической деталью и оправой, что при перепадах температуры также может вызывать появление напряжений в результате различных расширений этих элементов. Использование клеев, сохраняющих упругость после отвердевания, создает трудности с центрированием. Наиболее целесообразно во время приклеивания центрирование с помощью патронов сжатия и установкой по блику (см. табл. 6.4.14), однако точность центрирования снижается в процессе отвердевания клея или замазки.
На рис. 6.4.14 приведены примеры крепления приклеиванием оптических деталей, к точности положения которых не предъявляются высокие требования или которые могут быть отъюстированы в оправе. В большинстве случаев для всех таких креплений дополнительно предусматривают кинематическое замыкание оптической детали с оправой.
Напряжения, развивающиеся в линзе в результате ее приклеивания, могут быть снижены при выполнении деталей оправы упругими (рис. 6.4.15). Упругие элементы дополнительно обеспечивают кинематическое замыкание крепления.
Рис. 6.4.14. Крепление приклеиванием защитного стекла (а, б) и чашечного уровня (в)
Рис. 6.4.15. Крепление ахромата (а) и отдельной линзы (б) к оправе, конструкция которой устраняет появление напряжений за счет усадки или Увеличения объема клея
6)
235
Рис. 6.4.16. Крепление линз одинакового (а) и разного (б) диаметра «насыпкой»
Рис. 6.4.17. Крепление линз светосильного объектива (9 — точка, в которой допуск на отклонение линзы от перпендикулярности к оси минимален)
По сравнению с другими видами крепления приклеивание требует меньше места, мало увеличивает массу прибора. В большинстве случаев оно более просто в изготовлении, а также выполняет функцию уплотнения. Недостатки: появление напряжений и длительность процесса отвердевания клея или замазки.
Приклеивание применяется в случаях, когда крепление другими* способами невозможно (например, при выступании оптической детали из оправы), преимущественно оно используется для отдельных линз небольших размеров. Для крепления круглых оптических деталей приклеивание используется редко благодаря простоте других видов крепления. Однако для деталей другой формы, особенно призм, оно часто оказывается экономичней механических способов крепления.
Крепление «насыпкой» применяется для многокомпонентных оптических систем. Отдельные линзы или линзы уже в оправах одна за другой вводятся в трубообразный корпус. Воздушные промежутки между ними обеспечиваются промежуточными кольцами или соответствующей конструкцией оправ. Последняя линза аксиально фиксируется любым из перечисленных видов крепления, чаще всего разьбовым кольцом (рис. 6.4.16 и 6.4.17). Самым простым вариантом является установка линз без оправ, если они имеют одинаковые диаметры (рис. 6.4.16, а). Линзы различных диаметров требуют ступенчатой расточки отверстия, и, как правило, конусных промежуточных колец (рис. 6.4.16,6).
Крепление «насыпкой» облегчает центрирование линз, т. е. обеспечение совпадения их оптических осей с геометрической. При этом могут быть выполнены повышенные требования к точности центрирования, если диаметр отверстия под линзы не изменяется или в случае ступенчатого отверстия оно выполняется при одной установке корпуса в патрон токарного станка. Так как крепление «насыпкой» очень просто благодаря только однократной фиксации, оно применяется почти для всех многокомпонентных систем.
Этот вид крепления особенно целесообразен при повышенных требованиях, предъявляемых к точности центрирования, например, светосильных объективов, предназначенных для измерений и микрофильмирования или для литографии. Линзы юстируются в процессе вращения. В этом случае линза в оправе крепится в специальной юстируемой оправке станка и оптически центрируется, после чего производится подрезка оправы по торцу и диаметру в соответствии с требуемыми воздушными
236
промежутками и допусками на посадочные размеры. Обработанные таким образом линзы могут быть установлены «насыпкой» в цилиндрическое отверстие с отшлифованными с высокой точностью поверхностями. Линзы опираются в основном на торцовую поверхность, обеспечивая хорошее центрирование, так как технологически достижимая плоскостность обычно выше получаемой цилиндричности. В системах, содержащих большое число элементов, неплоскостности этих элементов суммируются, приводя к недопустимо большому отклонению от перпендикулярности. В месте минимально допустимого отклонения целесообразно предусмотреть уступ, благодаря чему уменьшаются также и суммарные допуски на неперпендикулярность по обе стороны от уступа (см. рис. 6.4.17). Эту погрешность можно еще более снизить путем наблюдения за изображением, даваемым всей системой, при вращении одной из ее линз.
Крепление «насыпкой» используется для сборки почти всех светосильных объективов. Они отличаются укороченной длиной цилиндрических поверхностей, что позволяет снизить переопределенности, и наличием различных конструктивных усовершенствований, связанных с особенностями технологии их изготовления. Следует отметить, что многие из таких оправ защищены патентами.
Крепления, не вызывающие недопустимо больших напряжений. Согласно правилам конструирования 3, 4, 7 и 9, такие крепления выполняют две основные функции: они не вызывают деформаций оптической детали и компенсируют изменения размеров в аксиальном и радиальном направлениях вследствие перепадов температуры. Однако простейшие способы крепления, не вызывающие недопустимо больших напряжений, вызванных увеличенным зазором между линзой и оправой, в большинстве случаев не применимы, так как они позволяют фиксировать оптические детали с невысокой точностью, поэтому они применяются для простых систем.
Другой способ крепления предусматривает жесткое прилегание оптической детали к оправе с одной стороны и прокладку упругого элемента или промежуточного кольца с другой. Примеры такого крепления были уже рассмотрены (см. рис. 6.4.10, а — установка промежуточного упругого кольца; рис. 6.4.13, б — установка кольца, пружинящего в аксиальном направлении; рис. 6.4.15 — пружинящая оправа). Подобные конструкции показаны на рис. 6.4.18 и 6.4.19, причем одновременно, особенно при размере более 100 мм, следует стремиться к статически определимому трехточечному опиранию оптической детали.
Для компенсации напряжений, вызванных перепадами температуры, можно использовать материал оправы, коэффициент расширения которого близок к коэффициенту расширения стекла. Табл. 6.4.7 позволяет выбрать соответствующую пару материал — стекло; применение этого способа ограничено его повышенной стоимостью, сложностью обработки и увеличенной массой некоторых оправ.
Полная компенсация изменений размеров, обусловленных перепадами температуры, без остаточных напряжений может быть достигнута только с помощью специальных компенсаторов (см. разд. 4.3). Их создание связано со значительными затратами и оправдано только при значи-237
Рис. 6.4.18. Варианты крепления, не вызывающего больших напряжений, с аксиальной компенсацией:
а — крепление ахромата между регулировочным и пружинным кольцами; б — крепление линзы с промежуточным пружинным кольцом при опирании ее в трех точках с каждой стороны
Рис. 6.4.19. Варианты крепления, не вызывающего недопустимо больших напряжений:
а — крепление лимба при прокладке упругого кольца с одной стороны; б — крепление пружинной линзы с помощью пружинных элементов; в — трехточечное крепление зеркала упругими прокладками, удерживающими его в аксиальном направлении, и подпружиненным элементом, фиксирующим его в радиальном направлении (зеркальным слоем покрыта наружная сторона зеркала)
тельных колебаниях температуры или при больших размерах оптических деталей (более 500 мм; например, зеркала крупных астрономических приборов). На рис. 6.4.20, а пояснен принцип температурной компенсации. В большинстве случаев коэффициент расширения стекла меньше, чем материалов оправ, поэтому между оптической деталю и оправой должна быть предусмотрена деталь из материала с более высоким коэффициентом расширения. Можно записать:
ag<af<a* (6.4.1)
(обозначения см. на рис. 6.4.20).
Длина компенсирующей детали
k = rg(af — ag)/(at — af). (6.4.2)
Она мала тогда, когда очень велик коэффициент расширения материала 238
6.4.7. Коэффициенты расширения а2о при 20 °C
Обозначение «20 * 1 О6, м/(м -К) Название «20* 1 О6, м/(м-К)
старое новое
Оптические стекла Материал оправы
ZK7 D124 510/608 4,8 Алюминиевый сплав 22...24
KzFS2 D384 560/537 5,1 Свинец 29
SK14 D175 605/607 5,3 Медь 17
SK6 D183 616/560 5,5 Латунь 18...19
SF11 D535 791/255 6,2 Нейзильбер 18
ВК7 D064 518/639 6,6 Никель 9
SSK2 D266 625/528 6,8 Сталь 12...15
BaF8 D364 626/467 7,3 Сталь с 20 % Ni 11,5
BaF7 D360 611/459 8,0 Сталь с 30 % Ni 6,9
ZK5 D129 536/551 8,5 Сталь с 36 % Ni (инвар) 0,5
FK3 D013 466/655 9,0
F7 D485 629/353 9,5 Титан 8,5
КЗ D107 520/587 9,8 Чугун 9
Термореактивные пласт- 10...100
массы
Qi D871 0,5 Термопластичные пласт- 60...240
(оптическое массы
кварцевое стекло)
Примечание. Обозначения марок стекол даны по каталогу предприятия VEB Carl Zeiss JENA. Первые три цифры в новом обозначении указывают тип стекла, вторые три — показатель преломления и последние три — коэффициент дисперсии (число Аббе), например, для D124 510/608: п = 1,510, v = 60,8.
этой детали. Этому условию отвечают, например, пластмассы. Уменьшение длины k может быть получено последовательной установкой двух компенсирующих деталей из различных материалов (рис. 6.4.16, б). Тогда для п деталей: п п— 1
rfaf — rgag = £k <ik—- £ k'a'k, (6.4.3)
i i
откуда при k = k' для упрощения конструкции
b = Л____________<*f — *g_________ (б 4 4)
п а*—(1 — 1/и)а£—(1/и)а/ ’ ' ’
Так как часто а£ = а/ (одинаковые материалы), коэффициент укорочения соответствует числу п установленных один за другим элементов.
Типичные крепления оптических деталей в оптических системах.
Описанные виды креплений комбинируются в соответствии с функциональными требованиями, общим числом оптических элементов и располагаемым объемом. Отдельные оптические элементы или оптическая система в целом часто должна быть подвижна в аксиальном и радиальном направлениях для однократной юстировки или регулировки, необходимой в процессе эксплуатации. Последняя относится, в частности, к фокуси-239
Рис. 6.4.20. Крепление оптических элементов с компенсацией:
а — схема крепления; б — компактное компенсирующее устройство из двух материалов; G — оптическая деталь; F — оправа; К — компенсатор; rg — радиус оптической детали; г/ — радиус оправы; k — длина компенсатора; ag, а/, а*, а£ — коэффициенты расширения стекла, материалов оправы и компенсатора
руемым объективам, окулярам с диоптрийной компенсацией и регулируемым деталям со шкалами и марками. Поэтому оправы часто оснащаются шарнирами в виде прямолинейных направляющих, опор или резьб, имеющих малые зазоры. Специальные вопросы юстировки оптических деталей рассмотрены в разд. 6.4.2.4.
На рис. 6.4.21 показаны типичные оправы объективов. Объектив зрительной трубы (рис. 6.4.21, а) крепится резьбовым кольцом с наружной резьбой через пружинное кольцо с тремя опорными выступами. Пружинное кольцо обеспечивает снижение напряжений в линзе, развивающихся при перепадах температуры. Линза может быть отъюстирована в аксиальном направлении очень точно без ее вращения. Внутреннее резьбовое кольцо может вращаться через прорезь в оправе. На рис. 6.4.21, б приведены два варианта крепления линзы в фотообъективе типа «Тессар»: вверху кольцом с наружной резьбой, внизу завальцовкой. В случае за-вальцовки разделение левой части оправы на две свинчиваемые детали, необходимое по условиям изготовления, ухудшает центрировку. Замена завальцовки креплением резьбовым кольцом устраняет этот недостаток.
Рис. 6.4.21. Оправы объективов
240
Рис. 6.4.22. Окуляры
Рис. 6.4.23. Крапление большого зеркала (вид сверху без зеркала)
Крепление объектива микроскопа (рис. 6.4.21, в)—типичный образец крепления линз «насыпкой». Наиболее чувствительная к центрированию линза (вторая снизу) может перемещаться в радиальном направлении.
Типичные оправы окуляров представлены на рис. 6.4.22. Окуляр полевого бинокля (рис. 6.4.22, а) может аксиально перемещаться с помощью многозаходной трапециевидной резьбы большого шага (окулярной
резьбы). Юстировочное кольцо связано с диоптрийной шкалой и одновременно предохраняет окуляр от вывинчивания. Окуляр микроскопа (рис. 6.4.22, б) выполнен вставным, что позволяет быстро заменять его. Многокомпонентный окуляр зрительной трубы (рис. 6.4.22, в) в месте А связан с корпусом через мембрану, которая предотвращает проникновение в окуляр влаги за счет подсоса воздуха во время регулирования диоптрийного устройства. Влажный воздух может привести к выпаданию кон
денсата внутри окуляра.
На рис. 6.4.23 приведена схема крепления большого зеркала без температурной компенсации в радиальном направлении. Простое статически определимое опирание зеркала в трех точках привело бы к недопустимо большим прогибам зеркала. Поэтому при сохранении принципа трехточечного опирания зеркало было уложено на 18 тарелок, каждая из которых закреплена в шаровом шарнире. Каждые три тарелки объединены треугольной платформой. В свою очередь, каждые две платформы через шаровые шарниры установлены на концах рычага, который также через шаровой шарнир опирается о раму. Такая конструкция обеспечивает автоматическое выравнивание всех тарелок в одной плоскости, причем технологические погрешности и деформации элементов оправы не оказывают отрицательного воздействия на зеркало. Масса зеркала равномерно распределяется на тарелки (см. разд. 4.2; рис. 4.17).
241
6.4.2.3. Крепление призматических оптических деталей
Из некруглых оптических деталей в приборах широко используются отражательные призмы различной формы. Чаще всего они предназначены для отклонения луча на 90° и выполнены в виде прямоугольных призм или пентапризм. Большую группу составляют также призмы более сложной формы, у которых несколько отражающих поверхностей объединены в одном блоке. Кроме того, к призматическим оптическим деталям следует отнести пластинчатые детали прямоугольной, квадратной или любой другой формы, применяемые для зеркал и шкал, а также дисперсионные призмы-, клиновидные пластинки, решетки и т. д. Общим для всех этих деталей является то, что фаски снимаются преимущественно с плоских поверхностей. По сравнению с круглыми оптическими деталями здесь нельзя выделить специальные типы оправ с целью их классификации. Общим для всех оправ призматических деталей является крепление этих деталей на корпусе или в нем с помощью планок, угольников, зажимов, скоб, пружин и других механических крепежных элементов при геометрическом или силовом замыкании. Для крепления используются также клеи и замазки.
Требования. При креплении круглых и некруглых оптических деталей необходимы предотвращение в них недопустимо больших напряжений и учет различных тепловых расширений.
К оптическим деталям с отражающими поверхностями, к таким, как зеркала и отражательные призмы, обычно предъявляются повышенные требования в отношении точности их положения. Это объясняется тем, что отражающие поверхности по сравнению с преломляющими вызывают в 5—6 раз большую угловую погрешность в направлении луча при том же угле поворота. В то же время существуют отражательные призмы с так называемыми инвариантными свойствами (см. разд. 4), которые, несмотря на поворот вокруг определенной оси, не изменяют направление луча. К ним относятся, например, угловой отражатель, пентапризма, призма-ромб. Этим призмам отдается предпочтение, так как возможные погрешности их установки вообще не влияют или оказывают незначительное воздействие на погрешность отклонения луча. Благодаря этому юстировка становится излишней.
Кроме того, при креплении отражательных призм не следует забывать, что крепежные элементы не должны контактировать с отражающими поверхностями, что может нарушить требуемые условия отражения, привести к повреждению защитного лака зеркального покрытия и т. п. Поэтому для крепления, как правило, используют те поверхности, которые не выполняют никаких оптических функций. Если этих поверхностей недостаточно для надежной фиксации оптической детали, то для крепления используются не участвующие в выполнении оптических функций краевые зоны входных и выходных поверхностей и даже отражающих поверхностей.
По сравнению с линзами для светового луча того же самого диаметра отражательные призмы имеют обычно большую массу, обусловливающую появление* значительных инерционных сил при ударных нагрузках. 242
Эти силы должны надежно гаситься оправой. Часто устройство крепления крупных призм рассчитывается на упругое отклонение при ударах (после удара призма возвращается в исходное положение).
Примеры широко распространенных призматических оптических деталей. Прямоугольная призма, в которой для отражения используется вся гипотенузная поверхность, используется чаще всего для отклонения луча на 90°. На рис. 6.4.24, а показано крепление такой призмы с помощью направляющих планок и накладки, под которую подложена упругая прокладка. Оправа, на которой такая же призма закреплена планкой и угольниками, имеет продольные отверстия, что позволяет юстировать призму уже после крепления (рис. 6.4.24,6). Призма может быть прикреплена и непосредственно к оправе, при соответствующей обработке ее поверхности, с помощью планок (рис. 6.4.25, а). Однако если имеющая полное внутреннее отражение гипотенузная поверхность, лежащая в сечении луча, должна быть полностью свободна, то наиболее просто это можно обеспечить приклеиванием призмы (рис. 6.4.25,6). У призм с длиной ребра примерно больше 15 мм для приклеивания используется только часть грани, чтобы предотвратить появление больших напряжений при отверждении клея. По этой же причине приклеивание призм производится только одной гранью, одной поверхностью, которая должна быть возможно меньше (см. рис. 6.4.37).
Для отклонения луча на 90° используется также пентапризма, большим преимуществом которой является инвариантность к повороту вокруг оси, перпендикулярной главному сечению. Поэтому пентапризма не юстируется. Ее крепление может быть осуществлено с помощью простых
Рис. 6.4.24. Крепление прямоугольной призмы
Рис. 6.4.25. Крепление прямоугольной призмы планкой (а) и приклеиванием (б): 1 — поверхность приклеивания
243
Рис. 6.4.26. Крепление пентапризмы
накладок с эластичными прокладками (рис. 6.4.26, а и б) или планками и угольниками (рис. 6.4.26, в), как и прямоугольной призмы. Крепления, показанные на рис. 6.4.26, а и б, а также представленные на рис. 6.4.26, в и рис. 6.4.24, принципиально различны. В первом случае фиксация призмы осуществляется накладкой, которая должна быть прижата винтом без изменения сил, воздействующих на призму. Во втором случае угольники и винты должны быть выполнены и расположены так, чтобы затяжка винтов не вызывала воздействие недопустимо больших усилий на призму. При этом затяжка винтов зависит от допусков на изготовление угольников и призмы.
Более сложно крепление пентапризмы с крышей, так как число оптически неэффективных поверхностей у нее мало. В варианте, показанном на рис. 6.4.27, а, фиксация призмы в боковом направлении осуществляется с помощью пружины, опирающейся на крышку призмодержателя. Для юстировки призмы внутри корпуса предусмотрены два винта, изменяющие усилия прижима к призме скобообразной пружины, которая прилегает к граням крышки. Требуемый при этом шарнир приклеивается к призме и образует с призмодержателем ножевую опору скольжения. Допустимо крепление призмы резьбовыми кольцами, но без возможности юстировки (рис. 6.4.27,6).
Силовое и геометрическое замыкание призмы Дове достигается с помощью регулируемых пружинных лапок оправы и клина, расположенного на нерабочей грани призмы (рис. 6.4.28, а). Призма Порро в биноклях часто устанавливается гипотенузной поверхностью в специальное гнездо
Рис. 6.4.27. Крепление пентапризмы с крышкой с возможностью юстировки (а) и без нее (б)
244
Рис. 6.4.28. Крепление призмы Дове (а) и оборачивающей призмы полевого бинокля (б)
оправы и прижимается к нему пружинной перемычкой, после чего фиксируется, например, клеем (рис. 6.4.28,6).
Крепление приклеиванием, как правило, не обеспечивает высокой точности требуемых размеров. Однако при соответствующей конструкции оправы и мест приклеивания возможно выполнение очень высоких требований к точности. Это достигается с помощью жесткого контакта оптической детали с определяющей размеры оправой, в то время как клей или замазка обеспечивает только их связь. На рис. 6.4.29, а показаны крепления граней жидкостной призмы, а на рис. 6.4.29, б — стекол газовой камеры. Высокие требования к точности углового положения граней призмы выполнены благодаря подготовке соответствующих поверхностей на оправе с помощью фрезеровки. Параллельность стекол газовой камеры обеспечена в результате совместной обработки корпуса и нижней пластины в размер /, для чего пластина временно приклеивалась к корпусу. Крепление системы призм в трубе на рис. 6.4.29, в выполнено с помощью
Рис. 6.4.29. Крепление приклеиванием:
1 — места приклеивания
245
Рис. 6.4.31. Крепление призмы с заданным усилием прижима
Рис. 6.4.30. Крепления, снижающие напряжения в рабочей части призмы
упругого материала (например, пробки). Замазка, нанесенная в области углов призм фиксирует лишь их аксиальное положение. Такое крепление надежно защищает призмы от деформаций трубы.
Для больших призм при ударных нагрузках, а также для предотвращения явлений поляризации и двойного лучепреломления крепление не должно вызывать в призме слишком больших напряжений. Эту задачу можно решить, предусмотрев на призме выступы (рис. 6.4.30, а) цли канавки (рис. 6.4.30, б) для захвата ее крепежными элементами. При этом напряжения, развиваемые этими элементами, лишь в незначительной мере передаются в рабочую часть призмы (см. разд. 4.2.3.4, принцип короткого прямого пути передачи усилия).
Для снижения напряжений материала призмы может быть использовано и крепление, показанное на рис. 6.4.31. Упоры на оправе предотвращают боковое перемещение призмы, ее положение фиксируется действующей в одном направлении силой, величина которой может регулироваться. При ударах призма может подниматься вверх на расстояние А/ до жесткого упора, после чего пружиной возвращается в исходное положение.
6.4.2.4. Юстировка с помощью оправы
Оптические устройства состоят, как правило, из нескольких оптических деталей и подсистем, к относительному положению которых предъявляются очень высокие требования. Однако технологически эти требования могут быть выполнены далеко не всегда. По этой причине, а также для снижения производственных затрат часто прибегают к юстировке как отдельных оптических деталей, так и их систем уже во время или после их сборки в прибор. Такую юстировку следует отличать от функциональных, определяемых принципом работы прибора перемещений оправы в виде сдвигов, поворотов, отклонений, например, для фокусировки, регулирования по межзрачковому расстоянию или для изменения функционального параметра прибора.
246
Требования. Перемещения, используемые для юстирования, перечислены в табл. 6.4.8. Юстирующие перемещения в плоскости х — у, о которых идет речь в таблице, называются центрированием.
6.4.8. Направления перемещений, используемых для юстирования
Центрирование линз и их систем достаточно точно осуществляется преимущественно способами, описанными в табл. 6.4.6, благодаря чему их последующая юстировка становится излишней. В приборе необходимо лишь выдержать воздушные промежутки между линзами и обеспечить их соответствующую фокусировку в объектовой или промежуточной плоскости. Центрирование в плоскости х—у требуется для шкал, штриховых меток и перекрестий, например, в коллиматорах, оптических прицелах, измерительных микроскопах.
Оптические детали с отражающими поверхностями ввиду уже упомянутой чувствительности к отклонению юстируются почти всегда относительно двух осей.
К юстируемым оправам предъявляются следующие требования: оправа должна обеспечивать юстировку преимущественно при перемещении ее только в одном направлении или при вращении только вокруг одной оси, одновременно позволяя наблюдать за результатом юстировки;
юстировка должна быть достаточно чувствительной, т. е. ход регулировки 1 мм, еще ощущаемый рукой, должен передаваться на оправу так, чтобы юстирующий ход или угол составлял несколько микрометров или угловых секунд, требуемых для юстировки;
при юстировочном ходе оправа не должна иметь люфтов и вызывать усилия, возвращающие ее в исходное состояние, перемещение оправы должно быть плавным. Поэтому при перемещениях на малый ход или угол предпочтителен пружинный шарнир;
оправа должна фиксироваться в отъюстированном положении. Для этого применяются стопорение с помощью лака, клея или замазки,
247
Рис. 6.4.32. Юстирование шкалы винтами
Рис. 6.4.33. Юстирование перекрестия четырьмя резьбовыми штифтами
Рис. 6.4.34. Юстирование объектива с помощью двойного эксцентрика
геометрическое замыкание резьбовыми штифтами, контргайками или стопорными шайбами, а также силовое замыкание штифтовкой.
Примеры юстируемых оправ. Юстировку линз в направлении z уже была показана на рис. 6.4.18, а и 6.4.21, а. Показанные на этих рисунках линзы юстируются посредством смещения или ввинчивания-вывинчивания оправы в направляющей трубе. Еще один пример такой оправы приведен на рис. 6.4.32, где центрируемая шкала перемещается на оправе винтом без дополнительных элементов и после юстировки стопорится лаком.
Центрирование перекрестия в направлениях х и у (рис. 6.4.33) производится четырьмя резьбовыми штифтами, которые одновременно предотвращают его перемещения в аксиальном направлении. Для удобства юстировки два штифта можно заменить пружинами или подпружиненными элементами. Чтобы предотвратить случайный доступ к штифтам снаружи они закрываются защитной втулкой.
Центрирование с помощью двойного эксцентрика (рис. 6.4.34) требует немного места и в то же время обеспечивает высокую чувствительность. Для этого оправа линзы устанавливается в эксцентриковое кольцо (на рисунке зачернено); кроме того, сама линза закреплена в оправе эксцентрично с таким же эксцентриситетом е. При вращении оправы в кольце (центр Ог), например на угол 0 и затем при совместном вращении кольца и оправы (центр Oi), например, на угол а оптическую ось линзы (центр Оз) можно установить в любой точке внутри круга диаметром 4е. Такая юстировка требует тренировки, так как юстирующее перемещение (вращение) и цель юстировки (радиальное смещение оптической оси линзы) непосредственно не связаны.
Очень простые конструкции для поворота призмы вокруг одной или двух осей показаны на рис. 6.4.35. Однако оправа нагружена на изгиб, 248
Рис. 6.4.35. Юстирование призмы относительно одной оси, образованной цилиндрической опорой (а), и относительно двух осей при опирании оправы о шарик (б)
что может привести к передаче развивающихся в ней напряжений в призму. Кроме того, винты испытывают деформацию, которая не может быть полностью устранена даже с помощью шайб со сферической опорной поверхностью. При больших размерах оправы или при требовании пропускания ею света оправа выполняется с отверстием, а юстировочные винты располагаются на фланцах под углом 120°. Для фиксации оправы может быть предусмотрен распорный винт (рис. 6.4.36, а) или юстировочные винты устанавливаются в распорных втулках (рис. 6.4.36,6). Однако возникающие во фланце изгибные напряжения, особенно в первом случае, требуют соответствующей прочности оправы. Аналогична юстировка призмы в конструкции на рис. 6.4.37.
Указанный недостаток может быть устранен с помощью подкладных шайб со сферической опорной поверхностью, причем центры обеих этих поверхностей должны совпадать (рис. 6.4.38). Такая конструкция позволяет изменять как относительное угловое положение деталей, так и расстояние между ними без образования в них изгибных напряжений. Расстояние изменяется с помощью резьбовой втулки со сферическим углублением для шайбы. Стопорение соединений производится лаком.
ровочными винтами, вынесенными на фланец оправы и расположенными под углом 120° между собой
Рис. 6.4.37. Оправа для призмы, юстируемая по трем осям:
1 — поверхность приклеивания
249
Рис. 6.4.38. Юстировочное устройство, не вызывающее изгибных напряжений в оправе:
г\, г2 — радиусы сферических опорных поверхностей подкладных шайб; М — центр сферических поверхностей; Ф — угол поворота при юстировании
Рис. 6.4.39. Юстирование клиновидным кольцом: 1 — призма
Рис. 6.4.40. Юстирование относительно двух осей:
а — оправа плоскопараллельной пластинки; б — оправа зеркала
Рис. 6.4.41. Юстирование стеклянной пластинки с масштабной шкалой
Такую же задачу — поворот вокруг двух осей — выполняет компактная конструкция, показанная на рис. 6.4.39. Два кольца, каждое из которых скошено на угол, позволяют с большой точностью изменять угол наклона призмы от 0 до 2а в любом направлении. Фиксация призмы в требуемом положении производится тремя винтами. Благодаря большой 250
свободной длине винтов и прогибу нижней упругой крышки изгибные напряжения винтов остаются малыми.
Оправы плоскопараллельных пластинок и зеркал должны быть выполнены так, чтобы для двух почти всегда необходимых направлений поворота были предусмотрены раздельные оси (рис. 6.4.40). Целесообразно использовать для этого шарниры из пластинчатой пружины, свободные от люфтов и трения. Зачастую обе эти оси должны лежать в плоскости зеркала или рядом с нею, чтобы оптическая длина пути при юстировке не изменялась (рис. 6.4.40, а).
И наконец, оправа, показанная на рис. 6.4.41, позволяет изменять положение стеклянной пластинки с масштабной шкалой по всем шести степеням свободы. Пластинка прижимается к юстировочным винтам пружинами.
6.4.3. Источники света и осветительные устройства
Символы и обозначения
А — площадь, мм2, см2, м2
Ее — облученность, Вт-м-2
Ev — освещенность, лк
Не — лучистая экспозиция, Вт-с-м-2
Hv — световая экспозиция, лк-с
1е — сила излучения, Вт-ср-1
1у — сила света, кд
Кт — максимальная спектральная
световая эффективность излучения
Le — лучистость, Вт-ср-1-м-2
Lv — яркость, кд-м-2
Ме — излучательность, Вт-м-2
Му — светимость, лм-м-2
О — оптический КПД излучения
Р — мощность, Вт
Qe — энергия излучения, Вт-с
Qiz — световая энергия, лм/ч
НМ — относительная спектральная световая эффективность для дневного зрения
V' (X) — относительная спектральная световая эффективность для ночного зрения
W — относительная световая эффективность полного излучения
— относительная световая эффективность видимого излучения
а — масштаб представления измеренной силы света, кд-см-1
/ — расстояние между полевой
диафрагмой и зрачком, м
г — радиус, мм, см, м
t — время, с
А — оптический поток вектора те-
лесного угла, геометрический поток лучей, м2
Фе — поток излучения, Вт
Фу — световой поток, лм
Q — телесный угол, ср
Qo — единичный телесный угол, равный 1 ср
61 — угол излучения, градус
62 — угол облучения, градус
о — угол между осями, градус X — длина волны, мкм, нм
т]е — КПД источника излучения, Вт-Вт-’
Л у — световая отдача, лм«Вт_1
Индексы,
К — конденсор
N — полезный
R — остаточный
S — зеркало е — лучистая величина i — текущий индекс v — световая величина
251
6.4.3.1. Передача света в оптических системах
В оптических приборах энергия излучения обычно передается от источника к приемнику. В большинстве случаев эта передача связана с переносом информации, как правило, в форме «изображений». При этом следует учитывать прежде всего геометрические и физические свойства источника излучения, линии его передачи и приемника.
Источниками излучения могут быть:
первичные излучатели, например Солнце, звезды, лампы всех типов (накаливания, спектральные и т. д.), лазеры, светодиоды;
вторичные излучатели (все несамосветящиеся объекты, освещенные Солнцем или лампами).
В качестве линии (среды) передачи могут служить, например: атмосферный воздух;
все оптические детали, такие, как линзы, призмы, зеркала, фильтры, волокна и т. д.;
оптические приборы в виде последовательности оптических деталей (микроскопы, зрительные трубы, проекторы, интерферометры и т. д.).
К приемникам относятся:
глаза человека (физиологический приемник) [6.4.4];
фотоэлектрические приемники, такие, как фотоэлементы, фотодиоды, фоторезисторы, вторичные фотоэлектронные умножители; балометры и т. д. [6.4.5].;
хемооптические приемники, такие, как галоидосеребряные слои (фотопластинки, фотопленки), фотолаки и т. п.
При передаче излучения должны быть учтены следующие геометрические факторы:
форма светящегося тела (например, спирали), телесный угол, в котором распространяется энергия, излучаемая источником света, и распределение этой энергии;
изменение телесного угла, в котором распространяется излучение между источником и приемником;
размеры и форма приемного устройства, а также телесный угол, в котором оно принимает излучаемую энергию.
Основными физическими характеристиками излучения, распространяющегося от его источника, являются поток излучения, степень когерентности, степень поляризации и т. д.
Вследствие поглощения в процессе его передачи поток излучения уменьшается. При этом вследствие избирательности поглощения и отражения (стеклами, зеркалами и фильтрами) спектральный состав излучаемой энергии может изменяться очень сильно. Кроме того, в результате дисперсии в различных средах появляются различные фазовые изменения отдельных спектральных областей в зависимости от длины волны. Среда, через которую проходит свет, может также изменить его поляризацию, а дифракция на краях диафрагмы — направление отдельных его составляющих в приборе. Важную роль играют и другие физические характеристики приемника, например его общая и прежде всего спектральная чувствительности. Следует учитывать и специфические эффекты, возника-252
ющие при приеме, такие, как физиологически-оптические эффекты и законы для глаза, например, закон Тальбота, закон Вебера-Фехнера, эффект Стайлса-Крауфорда, эффект Пуркинье [6.4.4].
Этот короткий перечень показывает, что при конструировании осветительного устройства для прибора необходимо учитывать большое число факторов. При этом возможны два принципиально различные пути, определяемые приемным устройством:
наблюдение с помощью энергетических фотометрических измерительных устройств, при котором производится оценка мощности (Вт) принимаемого излучения;
визуальное наблюдение, при котором оценка осуществляется в световых величинах и единицах. Если для объективизации результатов измерений используется фотоэлектрическое устройство, то оценка должна производиться в соответствии с относительной спектральной световой эффективностью для дневного зрения V(X) (рис. 6.4.42).
6.4.3.2. Лучистые и световые фотометрические понятия и единицы измерения
При использовании лучистых и световых величин обычно оценивается полное излучение во всем спектральном диапазоне [6.4.6]. Поскольку излучение распространяется в пространстве, важнейшей для расчетов геометрической величиной является телесный угол Q (измеряемый в стерадианах, Qo=l ср).
В соответствии с рис. 6.4.43:
й=(Л/г2)й0. (6.4.5)
Основным соотношением здесь является закон обратных квадратов расстояний:
,2^ , <M1COS8|<M2COS82
а фе = Ье---------р---------й0. (6.4.6)
При этом элементы площади dA\ и dA2 могут быть расположены в пространстве любым образом. Углы 81 и 82 определяются соответствую-
щее. 6.4.42. Относительная спектральная световая эффективность:
--------- для дневного зрения;
— — — — для ночного зрения
Рис. 6.4.43. К понятию телесного угла: А — площадь; г — радиус
253
Рис. 6.4.44. К пояснению закона обратных квадратов расстояний
щими нормалями к этим элементам и соединяющей их прямой длиной г (рис. 6.4.44).
Для оценки излучения используются следующие эффекты (TGL 0-5031/04):
оптический КПД излучения О — отношение потока излучения, испускаемого в видимой области спектра, к полному потоку излучения;
относительная световая эффективность полного излучения W — отношение потока излучения, оцененного по У(Х), к полному потоку излучения;
относительная световая эффективность видимого излучения U7S— отношение потока излучения, оцененного по У(Х), к потоку излучения в видимой области спектра (от 380 до 780 мкм).
Основные лучистые и световые фотометрические величины перечислены в табл. 6.4.9 и 6.4.10.
6.4.3.3. Указания по разработке и оценке осветительных устройств
Для точного расчета световых величин осветительного устройства (в соответствии с разд. 6.4.3.1) необходимо знание его геометрических и физических характеристик. При больших отверстиях в системе и больших углах поля зрения расчет световых величин очень сложен даже в случае обычного для приборов хода лучей [6.4.19]. Поэтому он проводится только для специальных приборов. Однако для оценки конструкции прибора часто оказывается достаточно приближенного расчета при упрощающих допущениях. Последующее изложение касается параксиальной области центрированной оптической системы при условии малых углов поля зрения источника света, соответствующего ламбертовскому излучателю [6.4.4, 6.4.19, 6.4.20, 6.4.21].
На рис. 6.4.45 показан значительно упрощенный ход лучей через линзовую систему (например, через конденсор осветительного устройства). При оптимальном ходе лучей в приборе, в котором имеется последовательность диафрагм с собирающими компонентами, предыдущая
Рис. 6.4.45. Ход лучей при получении оптического изображения: DF — поле предмета (источник света); BF — поле изображения (источника света); С)В— апертурная диафрагма (ее изображениями относительно системы являются входной ЕР и выходной АР зрачки, на
рисунке для упрощения представлены совпадающими с <5В; край линзы соответствует краю диафрагмы); /(,2— расстояние
от DE до ЕР\ /2,3 — расстояние от АР до BF\ At — площадь поля предмета; Ач — площадь апертурной диафрагмы и зрачков; А3 — площадь поля изображения; ор—апертурный угол; И — телесный угол
254
6.4.10. Световые фотометрические величины
6.4.9. Лучистые фотометрические величины (TGL 0-5031/01)
Название Соотношение Упрощенное соотношение
Энергия из- — —
лучения _ dQe Qe
Поток излу- ф —— dt ф'=т-
чения
, d&e , Фе
Сила излу- e = ~dQ
чения
„ d(be . Фе
Излучае- Ме = ^-
мость
Лучистость I — г Фе
l^e — e-COS84Q
toszdA dQ
Облучен- c ЛФе Фе
Ee — —ту dA Ее~~А~
ность
Лучистая He = \Eedt He = Eet
экспозиция Фе
Энергетический кпд Пе = —
Примечан и’я. 1. Упрощенные соотношения справедливы только при постоянстве лучистого потока во времени и равномерности его распределения в рассматриваемом поперечном сечении или телесном угле; в иных случаях эти соотношения относятся к среднему арифметическому лучистого потока.
2. Р — мощность, необходимая для получения лучистого потока.
Название Соотношение Упрощенное соотношение
Световой Фу = Кт\ФеК* —
поток X V (X) d\
Световая Qy=5 Фу dt Qy — Фу/
энергия d2<bv Фу
Яркость i
v cosefMdQ v cos8i4Q
dФy Фу
Сила r,= _ /v=_sF
v dQ
света Фу
.. _о?Фу Mv dA
Свети- МУ=—
мость
dФy . Фу
Освещен- —
Lv~ dA 1 v~ A
ность
Световая Hy=\ Ev dt Hy = Ey t
экспози-
ция Фу
Световая Пу
отдача r
Примечания. 1. См. примечание 1 к табл. 6.4.9.
2. Кт — максимальная спектральная световая эффективность излучения, Кт = 683 лм-Вт-1
диафрагма должна отображаться на последующей всегда резко и в том же размере. Такой прибор называется абсолютным оптическим инструментом [6.4.21]. Световой поток Ф, проходящий через инструмент, является произведением яркости L светящегося тела (например, спирали) лампы, играющего роль поля предмета, и оптического потока А вектора телесного угла (называемого также геометрическим потоком лучей):
Ф = /.А. (6.4.7)
Для «абсолютного оптического инструмента» величина А постоянна вплоть до последней последовательности диафрагм, если пренебречь потерями на отражение и поглощение на конструктивных элементах.
255
Рис. 6.4.46. Пример применения метода Руссо — осветительное устройство диапроектора:
/—диапозитив; 2—конденсор; 3 — лампа; 4 — зеркало; 5 — кривая распределения силы света
Это можно записать в виде (см. рис. 6.4.45):
Л___ А|Аг Аг Аз Ai-iAi
Л /2 ~ /2 = • • • ~~~72 •
/1,2 /2,3
(6.4.8)
Отсюда вытекает теорема Аббе [6.4.20, 6.4.21] о том, что яркость инвариантна на всем ходе лучей. При известной яркости для данного прибора можно приближенно определить освещенность или другие представляющие интерес величины в месте изображения с учетом потерь на отражение и поглощение.
Кривая распределения светового потока лампы может быть относительно легко найдена с помощью измерений. Это позволяет получить довольно простой метод оценки осветительных устройств для оптических приборов. С помощью метода Руссо [6.4.6] по кривой распределения силы света (рис. 6.4.46) с помощью соотношения
Ф= (2л/г) аА
(6.4.9)
можно определить полный световой поток, излучаемый источником света. В этом уравнении г — радиус полярной диаграммы, см; а — масштаб представления измеренных значений силы света, кд-см-1; А = АХ +АдН-As — полная площадь, охватываемая кривой в прямо-9 угольных координатах, см .
На рис. 6.4.46 эта кривая, полученная в полярных, координатах, преобразована в кривую в прямоугольной системе координат. Шкалу г cos о получают переносом полярной диаграммы на нулевую ось новой системы координат. Диаграмма рассчитывается так, чтобы ось г cos а была идентична оптической оси, при условии примерно одинакового характера кривой во всех меридиональных сечениях и оптической оси.
Если, как это показано на рис. 6.4.46, конденсор и зеркало расположены центрированно относительно нити лампы, то площадь
A n = A K-\-As (6.4.10)
пропорциональна полезному световому потоку, получаемому прибором. Остаточная площадь AR пропорциональна световому потоку, «сжигаемому» в корпусе прибора. Отсюда ясно, что для повышения КПД осветительного устройства площадь AN должна быть как можно больше. Это равнозначно стремлению максимально увеличить апертурный угол Ор-256
В случае лазерного излучения при разработке осветительного устройства следует особо учитывать геометрические свойства луча [6.4.22, 6.4.23].
6.4.3.4. Источники света
Источники света обычно представляют собой передатчики электромагнитных колебаний в видимой области спектра. Лампами называются технические устройства, предназначенные в основном для получения света. В оптических приборах для освещения объектов наряду с дневным (солнечным) светом используются главным образом электрические лампы (лампы накаливания, разрядные лампы), в недавнее время стали применяться также светодиоды и лазеры. Ниже кратко описаны лампы некоторых типов, применяемые в приборах.
Миниатюрные лампы типа О, сферической формы (TGL 200—8170; рис. 6.4.47, табл. 6.4.11) используются для освещения, например, шкал в приборах, если не предъявляются какие-либо особые требования к их центрированию относительно оптической оси. Рабочее положение может быть любым.
Проекционные лампы с центрирующим элементом (лампы типа Т А по TGL 10619, 5 В, 8 Вт, центрирующий элемент по TGL 34—63; рис. 6.4.48). Колба может быть бесцветной прозрачной или матированной снаружи. Срок службы около 100 ч, световой поток 50 лм. Размеры светящегося тела 1,6X0,7 мм.
Области применения: устройства скопы с освещением со светлым полем.
Проекционные лампы типа Т с центрирующим элементом (TGL 10619,6 В, 15 Вт; рис. 6.4.49). Колба может быть бесцветной или матированной снаружи. Срок службы около 100 ч, световой поток 220 лм.
Размеры светящегося тела — плоской пружины—1,8X2 мм; лампа может работать в подвешенном состоянии с углом наклона ±105°.
освещения шкал, отсчетные микро-
6.4.11. Характеристики миниатюрных ламп типа О сферической формы [6.4.31]
Цоколь
Рис. 6.4.47. Миниатюрная лампа, основная форма
2,5
3,5
4
4
4
6
6
6
6
0,2
0,4
0,3
0,4
2,7
1,8
2,1
2,7
3
15
28
28
24
28
29
28
29
29
Е Е Е Е Е Е Е
Е Е
1.
5/8 10/13 10/13 10/13 10/13
10/137 10/13
10/137 10/137
Для лампы
Примечания.
В d = 6,5; для остальных ламп
2,5
d = 15,5 мм.
2. Для лампы 2,5 В срок службы 6 ч; для остальных ламп 100 ч.
9 Зак. 218
257
Рис. 6.4.48. Проекционная лампа с центрирующим элементом
Рис. 6.4.49. Проекционная лампа с центрирующим цоколем
Области применения: освещение объекта в микроскопах, офтальмологических приборах и т. д.
Проекционные лампы типа S, галогенные лампы (TGL 11381/02 и 03; рис. 6.4.50, табл. 6.4.12) применяются в диапроекторах, узкопленочных кинопроекторах и приборах. Указанные в таблице значения срока службы и светового потока справедливы при выдерживании номинального напряжения. При превышении же номиналь
ного значения напряжения излучае- Рис. 6.4.50. Галогенная лампа мый световой поток увеличивается, срок
службы сокращается (рис. 6.4.51).
Ксеноновые лампы (рис. 6.4.52, табл. 6.4.13) являются газоразрядными. Спектр излучаемого ими света очень близок к спектру дневного света. Благодаря сферической форме газоразрядной колбы свечение
6.4.12. Характеристики галогенных ламп
Характеристика Номер лампы
21.0007/12 21.1007/12 21.2007/22 21.3007/22
Напряжение, В 12 12 24 24
Мощность, Вт 50 100 150 250
Световой поток, лм 1400 2900 4700 8500
Средний срок службы, ч 50 50 50 50
Размеры светящегося тела 3,3 X 1,9 4,2 X 2,3 5,8 X 3,2 7,0 X 3,6
bXh, мм Диаметр dmax, мм 12 12 14 14
Полная длина /тах, мм 44 44 50 55
Расстояние до светового 30 30 е2 = 32 33
центра е\, мм Цоколь G6.35—15 G6.35—15 G6.35—15 G6.35—15
Рабочее положение (вертикаль ± угол, градус) S90 S105 S105 S90
258
Напряжение
Напряжение
Рис. 6.4.52. Ксеноновые
лампы типов ХВ0200
и ХВ0500
Рис. 6.4.51. Изменение светового потока (1) и срока службы (2) лампы накаливания в зависимости от рабочего напряжения
у этих ламп происходит почти в точке с очень высокой яркостью. Они применяются в качестве источников света большой интенсивности для микрофотографии на металлических пленках, в проекторах, в медицинских приборах и т. д.
Рабочее положение ксеноновых ламп вертикальное, допустимое отклонение от вертикали ±15°. Лампы имеют относительно большое внутреннее давление, поэтому их следует устанавливать в защитный корпус.
6.4.13. Характеристики ксеноновых ламп
Тип Длина /, мм 1 Напряжение, В Ток, А Номинальная потребляемая мощность, Вт Примерный световой поток, лм Яркость, кд • м _ 2 Средний срок службы, ч
ХВО50 64 -14...20 ~ 13... 15 2,5...3,6 -3,7...4,2 50 700 — 150
ХВ0100 117 -220 6,8...7,4 100 — 0,9 120
ХВОЮ1 117 -НО и выше 5,5...6,2 100 — 0,9 300
ХВ0200 162 -20...25 — 22...27,5 8...10 200 4200 — 800 -500
ХВ0500 193 -23...28 -25...30,5 18...22 500 15000 — 150
ХВОЮ01 330 -22 30...50 1000 30000 — 1200
ХВ02001 375 -26 45...75 2000 56000 — 1200
259
9*
Спектральные лампы (TGL 200—8175; табл. 6.4.14) разрядные. Они находят применение в спектроскопии, интерферометрии, в приборах, используемых в физике излучений и прежде всего в аналитической химии. Для их работы необходимо соответствующее оборудование.
6.4.14. Характеристики спектральных ламп
Тип Наполнение Диапазон ультрафиолетового излучения 1 (длина волны, нм) Сила света (примерно), кд Средний срок службы, ч
CdE Кадмий УФ-В, УФ-А (467,8; 480,0; 643,8) 2 500
КЕ Калий (404,4; 404,7; 509,9; 511,2; 532,3— 536,0; 578,3; 580,2—583,2) 0,05 400
ZnE Цинк УФ-А, УФ-В (468,0; 472,2; 481,1; 636,2) 1,5 500
NaE Натрий (568,8; 589,0; 589,6; 615,4; 616,1) 30,0 400
NeE Неон (580,4—659,9) 5,0 500
НеЕ Гелий 402,6; 438,8; 447,1; 471,3; 492,2; 501,6; 504,8; 587,6 2,0 400
D2E Дейтерий Непрерывный спектр 200—450 нм — 350
HgE Ртуть Преимущественно УФ-С (линейчатый спектр для ртутной лампы низкого давления) — 350
HgE/1 Ртуть УФ-В, УФ-А, (404,7; 407,8; 433,9— 435,8; 546,1—577,0; 579,0) 100 500
HgE/2 Ртуть То же 70 500
TIE Таллий УФ-А, (535,0) 0,8 150
1 Международной комиссией по освещению рекомендованы следующие диапазоны ультрафиолетового излучения: УФ-А — от 315 до 400, УФ-В — от 280 до 315 и УФ-С — от 100 до 280 нм.— Прим, перев.
6.4.3.5. Осветительные устройства в приборах
Требования к осветительным устройствам, используемым в приборах, очень разнообразны. Кроме необходимой освещенности эти устройства в большинстве случаев должны также обеспечивать равномерное распределение освещенности по требуемому полю. Часто также должна иметься возможность плавно изменять освещенность поля. При этом падающий на поле световой поток иногда должен иметь определенный спектральный состав, для чего может оказаться необходимой установка соответствующих фильтров (например, зеленого фильтра в измерительных приборах). Очень важно, как уже упоминалось, максимально увеличить телесный угол Qi, в котором от лампы распространяется свет в оптическую систему. Поэтому осветительная система — в соответствии с (6.4.8)—конструктивно должна быть выполнена так, чтобы площадь входного зрачка А2 была возможно большей и была расположена возможно ближе к лампе, т. е. t\ 2 следует минимизировать (см. рис. 6.4.45). Этому противоречит часто предъявляемое к фотометрическим измерительным приборам требование относительно максимального уменьшения угла Qi для повышения пространственного разрешения.
260
Рис. 6.4.53. Изображение светящегося тела:
а — проекционная лампа по TGL 11381/01, слева неправильная,справа правильная юстировка зеркала;
б — галогенная лампа по TGL 11381/02
В проекционных лампах свет, излучаемый назад, снова отбрасывается вперед с помощью чаще всего сферического зеркала (см. рис. 6.4.46). При этом лампа и зеркало должны быть отъюстированы так, чтобы изображение светящегося тела лежало в промежутках между элементами этого тела или непосредственно рядом с ними (рис. 6.4.53).
Различают два принципиально различных типа освещения объекта в оптических приборах: освещение в проходящем свете (прозрачных объектов) и освещение в отраженном свете (непрозрачных объектов).
Если лучи идут к приемнику непосредственно через объект, то говорят об освещении по методу светлого поля проходящим светом или в отраженном свете. И напротив, если предусмотрено, как правило, центральное экранирование на пути хода лучей, то на приемник попадает не регулярный свет, а лишь свет, рассеянный или диафрагмированный объектом. В этом случае речь идет об освещении по методу темного поля проходящим или отраженным светом.
Основным компонентом осветительного устройства является конденсор. Его сферическая аберрация должна быть скорректирована настолько, чтобы изображение источника света в месте расположения входного зрачка отображающей системы было наилучшим. Поэтому, как правило, конденсор состоит из нескольких собирающих линз или из сферических поверхностей. Особые требования предъявляются к конденсорным системам для микроскопов [6.4.47]. Сильное излучение лампой теплоты делает необходимым тщательно выбирать материал для конденсорных линз. Иногда между лампой и конденсором бывает необходимо устанавливать теплозащитный фильтр. Для снижения массы и повышения теплостойкости конденсоры иногда выполняют ступенчатыми (линзы Френеля) или в виде линз сотового конденсора.
Ниже рассмотрено несколько примеров осветительных устройств для различных оптических приборов. Осветительное устройству Келера (рис. 6.4.54) имеет большое значение в микроскопии. Диаметры диафрагм поля зрения и апертурной диафрагмы могут плавно изменяться (ирисовые диафрагмы). С помощью апертурной диафрагмы апертуру освещающего
Рис. 6.4.54. Осветительное устройство Келера для наблюдения при освещении объекта проходящим светом по методу светлого пятна:
I — лампа; 2 — коллектор; 3 — диафрагма поля зрения; 4 — апертурная диафрагма;
5 — конденсор; 6 — плоскость объекта
261
Рис. 6.4.55. Освещение объекта в микроскопе проходящим светом по методу светлого пятна: а — с помощью полупрозрачного зеркала; б — с помощью призмы
пучка можно согласовать в соответствии с апертурным углом объектива. Диафрагмой поля зрения, которая через конденсор отображается в плоскости объекта, можно регулировать высвечиваемый участок объектива.
Для освещения непрозрачных объектов в микроскопии используется освещение на отражение. На рис. 6.4.55, а показано такое устройство с полупрозрачным зеркалом, которое введено между объективом микроскопа, установленным «на бесконечность», и линией тубуса для уменьшения астигматизма. Благодаря применению полупрозрачного зеркала зрачок объектива может использоваться полностью. При установке призмы (рис. 6.4.55, б) половина зрачка используется для освещения и лишь половина свободного зрачка — для наблюдения. Это практически «косое освещение» может иметь преимущества для наблюдения определенных объектов.
На рис. 6.4.56 показан ход лучей осветительного устройства в диапроекторе. Зеркало отображает спираль лампы в промежутках между ее витками в масштабе 1:1. Спираль вместе со своим изображением с помощью конденсора отображается в зрачке проекционного объектива. Благодаря этому почти равномерно освещенный диапозитив проецируется на экран. На рис. 6.4.56 для наглядности показан ход лучей только для точки, лежащей на оптической оси.
Осветительное устройство проектора для увеличения изображений, нанесенных на прозрачную пленку, практически идентично осветительному устройству диапроектора (рис. 6.4.57). Ось прибора расположена вертикально, пленка укладывается в плоскости конденсора, который для снижения массы собран из двух пластмассовых линз Френеля.
Совершенно иные требования предъявляются к осветительным устройствам в установках для считывания информации с перфокарт и перфолент. Как показано на рис. 6.4.58, эта задача может быть удачно решена с помощью световодного кабеля. Лампа освещает входные поверхности всех волоконных световодов в кабеле, выходная поверхность каждого из которых освещает отверстия одного ряда на перфокарте или перфо-262
Рис. 6.4.56. Ход лучей осветительного устройства в диапроекторе:
1 — вогнутое зеркало; 2 — лампа; 3 — двухлинзовый конденсор; 4 — диапозитив; 5 — объектив
Рис. 6.4.57. Ход лучей осветительного устройства в проекторе для увеличения изображений, нанесенных на прозрачную пленку:
1 — отклоняющее зеркало; 2 — объектив; 3 — конденсор с линзами Френеля; 4 — галоидная лампа; 5 — вогнутое зеркало
Рис. 6.4.58. Осветительное устройство для установок считывания информации с перфолент и перфокарт:
1 — входное окно световода; 2 — выходное окно световода; 3 — отдельные световоды световодного кабеля
ленте. Информация считывается фотодиодом, расположенным по другую сторону перфокарты или перфоленты.
6.4.4. Оптические индикаторы
В приборах для вывода информации, считываемой человеком, применяются почти исключительно оптические индикаторы (табл. 6.4.15, см. разд. 3.1.3). Решающее значение для эффективности индикации имеют информационные параметры сигнала индикации и ее объем. Классической является аналоговая индикация, которая при воспроизведении значения величины аналогична определению его по отклонению стрелки относительно штриховой шкалы.
263
2 6.4.15. Характеристики оптических индикаторов
Вид выводимой информации Количество информации (число высвечиваемых элементов на одно индикаторное устройство)
Отдельные знаки Числа Слова, текст Графическое изображение
А=1 ]<Af<103 7V> 103
Цифры 0, 1, 2, з, Символы +, •, *, • . . ! 1539,37 1 I «Внимание» «Прибор выключен» 1 1 1 1 Сигнальные лампы и др. 1 • ООО» ООООО • о»оо • •ООО • 0*00 • 00*0 • ООО» IlI9I8I0I Экран электронно-лучевой трубки
Форма вывода индицируемого сигнала
Аналоговая индикация
Особая форма:
дигитализированная индикация посредством включения различных высвечиваемых элементов или их групп (лампы, светодиоды) _
lol О о
Форма считывания информации
Часовое время
|ЙЛ5]
Цифровая индикация
Бинарная индикация • Вкл. О Выкл.
Прямая индикация Косвенная индикация
Цифровые индикаторы О <33 2 ? Ьл Со Q g 1оо'о»‘бб1 llllllllllllllll | Q
10П1

6.4.4.1. Элементы аналоговых индикаторов
Шкала отсчета аналогового индикатора [6.4.10—6.4.13, 6.4.18] может представлять собой масштаб (одномерный отсчет) или координатную сетку (двухмерный отсчет). На рис. 6.4.59 показаны различные формы шкал электроизмерительных приборов (TGL 2979). Шкала таких приборов обычно неподвижна, подвижным элементом является стрелка. Возможен и обратный случай, например в конструкции горизонтальных и вертикальных шкал с цилиндрическими подвижными элементами, а также органов управления (рис. 6.4.60).
При прямоугольной шкале возможно как прямолинейное, так и криволинейное движение стрелки. Координатные сетки используются тогда, когда индикация касается процессов, протекающих во времени, или других неодномерных величин. Такие сетки применяются для считывания показаний с экрана осциллографа, координатного самописца. Решающее значение для качества считывания показаний стрелочного индикатора имеют деления шкалы, которые, в свою очередь, зависят от максимально допустимой погрешности показаний, т. е. от класса точности измерительного прибора, выражаемого в процентах допустимой погрешности от деления шкалы (табл. 6.4.16). Указания по разработке наиболее употребительных шкал и нанесению на них цифр перечислены в стандартах TGL 2979 и TGL 8701.
Форма лицевой панели
квадратная
прямоугольная
Шкала
секторная квадратная круглая горизонтальная вертикальная
Id || J ш
Центр вращения стрелки Стрелка
В середине внизу В правом нижнем углу В центре прибора Снизу Справа
Рис. 6.4.59. Форма шкалы электроизмерительных приборов (TGL 2979)
Рис. 6.4.60. Формы подвижных шкал с неподвижной стрелкой:
а — цилиндрическая шкала, б — орган управления (ручка настройки) со шкалой
а)
265
1 — стрелка; 2 — шкала
6.4.16. Предельные значения делений шкалы
Класс точности Деление шкалы, %
Наименьшее зна-чение Наибольшее значение для шкалы
линейной нелинейной
1 1,5 5 7
1,5 2,5 7 10
2,5 4,0 10 14
Иногда значительное влияние на качество считывания может оказать параллакс (рис. 6.4.61). Так как между стрелкой и шкалой всегда имеется зазор, в результате считывания может быть внесена погрешность при отклонении направления взгляда от нормали к поверхности шкалы. Однако в некоторых конструкциях стрелочных индикаторов параллакс можно значительно уменьшить (рис. 6.4.62). И наконец, качество считывания зависит также от формы стрелки. Самой важной при этом является форма ее острия (рис. 6.4.63 и 6.4.64). Световые указатели в прецизион-
6) г)
Рис. 6.4.62. Стрелочные индикаторы с компенсацией параллакса:
а —с зеркальной шкалой; б —с крюкообразной стрелкой; в — с утопленной стрелкой (стрелка за шкалой); г — с утопленной стрелкой (стрелка перед шкалой); д — со ступенчатой шкалой; 1 — стрелка; 2 — шкала; 3 — зеркало
а) 5) в) г) д) е) м)
Рис. 6.4.63. Формы механических стрелок:
а, б — копье- и ножеобразная для индикаторов распределительных щитов; в — ножеобразная для прецизионных инструментов; г — в виде нити для прецизионных инструментов; д — в виде стеклянного капилляра с подкрашенной жидкостью для индикаторов распределительных щитов; е — стеклянная со вставным острием; ж — широкая с острым концом для считывания информации на больших расстояниях
Рис. 6.4.64. Преимущественные размеры стрелки: а — длина малого деления; b — ширина малого деления и острия стрелки; t — расстояние между делениями и ширина тела стрелки
266
них измерительных инструментах и световые точки на экранах электронно-лучевых трубок имеют большие преимущества благодаря их низкой инерционности и отсутствию параллакса.
6.4.4.2. Цифровые индикаторы
В развитии оптических индикаторов [6.4.14—6.4.17, 6.4.24—6.4.29, 6.5.1—6.5.36] можно выделить две основные тенденции. Во-первых, громадный прогресс в области применения цифровых методов обработки информации, а также возможность изготовления комплектных цифровых индикаторных устройств и значительное повышение качества считывания с них информации. Это стало возможным благодаря широкому развитию микроэлектроники, обусловило переход от аналоговой к цифровой индикации.
Во-вторых, изменения отношений в системе человек — прибор, ведущие к постоянному повышению сложности и объема информации, которая должна быть отображена одновременно при минимальном числе систем индикации, привели к необходимости создания подобных систем с большим числом высвечиваемых элементов на одно индикаторное устройство. Другими словами, высвечиваемые элементы должны обеспечивать более высокую, чем прежде информационную емкость. Между типом отображаемой информации и информационной емкостью такого элемента существует причинная связь. Так, с помощью отдельного индикаторного устройства, емкость которого равна #= 1, может быть отображен только один знак, в то время как для отображения информации, содержащейся в печатном тексте на странице формата А4, или технического чертежа и другой графической информации необходима комплексная система индикации емкостью 2V>> 103. Такая емкость может быть получена уже только с помощью экрана электронно-лучевой трубки (см. табл. 6.4.15).
Индикаторы с одним высвечиваемым элементом применяются для контроля работоспособности прибора. Для этого обычно используются устройства, способные находиться в одном из двух возможных состояний, отражая соответствующие состояния прибора (например, хорошо-плохо, полный-пустой, включено-выключено и т. п.). К таким устройствам относятся сигнальные лампы (лампы с нитью накаливания и лампы тлеющего разряда) и светодиоды (см. табл. 6.5.4). Размеры и яркость свечения сигнальной лампы имеют решающее значение для надежности индикации. В нормальных условиях яркость контрольной лампы должна быть по меньшей мере втрое больше яркости фона, а в особых случаях, например при подаче проблесковых сигналов при авариях, в 50—100 раз больше. В зависимости от общих размеров индикаторного поля и функционального значения индикаторного устройства диаметр этого устройства обычно составляет 5—20 мм.
Окраска сигнальных ламп рассмотрена в разд. 7.
Индикаторы с несколькими высвечиваемыми элементами. В качестве примеров можно назвать буквенно-цифровые индикаторы в часах, карманных и настольных калькуляторах, они находят применение также
267
менты располагают в ряд или в
Рис. 6.4.65. Схема оптоэлектронного индикаторного устройства:
1 — индикаторное поле с N = nm высвечиваемых элементов; п — число выводов по столбцам; m — число выводов по строкам
в измерительных приборах. Число используемых для этого физических эффектов и схемных решений относительно велико (см. разд. 6.5).
Для создания буквенно-цифровых индикаторов высвечиваемые эле-виде матрицы (см. рис. 6.5.1). Обычно
используется рядное расположение в виде отдельных семисегментных индикаторных устройств (семь сегментов — для индикации цифр, 14 или 15 сегментов для индикации — цифр и букв). Для получения матричного индикатора, достаточного для воспроизведения любых цифр, букв и знаков, применяются индикаторные устройства с 7X5 точками (см. рис. 6.5.4 и табл. 6.5.4).
Комплексные индикаторные устройства. Информационную емкость 103 могут обеспечить только индикаторы большой площади, типа экрана электронно-лучевой трубки. Наряду с такими уже известными трубками все более широкое распространение получают оптоэлектронные газоразрядные, жидкокристаллические и электролюминесцентные индикаторы (рис. 6.4.65). При выводах можно любым образом
управлять работой N = nm высвечиваемых элементов. Насколько просто это может быть реализовано при использовании плазменных панелей постоянного и переменного тока, видно из рис. 6.4.66. В точках пересечения
электродов при подаче тока
зажигается точка, которая в случае панели
Рис. 6.4.66. Конструкция плазменных панелей постоянного (а) и переменного (б) тока:
/ — стеклянная пластина; 2 — электрод; 3 — камера, заполненная газом; -/ — прозрачный электрод
268
переменного тока продолжает светиться и при отключении тока и может быть погашена только при подаче гасящего импульса. В принципе сложные схемные решения, необходимые для управления работой таких панелей, в будущем могут быть экономически оправданы широким освоением интегральной полупроводниковой технологии.
Список литературы
6.4.1. Hodam F. Technische Optik. Berlin: VEB Verlag Technik, 1965.
6 4.2. Naumann H. Optik fur Konstrukteure. 2. Aufl. Dusseldorf: Knapp-Verlag, 1960.
6.4.3. Taschenbuch der Feinwerktechnik. Hrsg. von K.-H. Sieker. Prien: C. F. Win-ter’sche Verlagsbuchhandlung, 1965.
6.4.4. Helbig E. Grundlagen der Lichtmeptechnik. Leipzig: Akadem. Verlagsges. Geest & Portig, 1972.
6.4.5. Greif H. Lichtelektrische Empfanger. Leipzig: Akadem. Verlagsges. Geest & Portig, 1972.
6.4.6. VEM-Handbuch Beleuchtungstechnik. 3. Aufl. Berlin: VEB Verlag Technik, 1975.
6.4.7. Beyer H. Handbuch der Mikroskopie. 2. Aufl. Berlin: VEB Verlag Technik, 1977.
6.4.8. Lucas T. Untersuchungen zum Fassen von Optikbauteilen im Rahmen der Verbindungsproblematik Glas-Metall im Wisseschaftlichen Geratebau. Dipl.-Arb. FSU Jena, 1972.
6 4.9. Konig A., Kohler H. Die Fernrohre und Entfernungsmesser. Berlin, Gottingen, Heidelberg: Springer-Verlag, 1959.
6.4.10. Timpe К. P., Wunsch B. Gestaltung und Anordnung von Bedien- und Anzeige-elementen. Karl-Marx-Stadt: Zentralinstitut fur Fertigungstechnik des Maschinenbaus, 1969.
6 4.11. Stanek J. Technik elektrischer Mepgerate. Berlin: VEB Verlag Technik, 1957
6.4.12. Palm A. Elektrische Mepgerate und Mepeinrichtungen. 4. Aufl. Berlin, Gottingen, Heidelberg: Springer-Verlag, 1963.
6.4.13. Leinweber P. Taschenbuch der Langenmeptechnik. Berlin, Gottingen, Heidelberg: Springer-Verlag, 1954.
6.4.14. Philippow E. Taschenbuch Elektrotechnik, Bd. 3. Berlin: VEB Verlag Technik, 1978.
6 4.15. Elschner H., Mdschwitzer A., Lunze K. Neue Bauelemente der Information-selektronik. Leipzig: Akadem. Verlagsges. Geest & Portig, 1974.
6.4.16. Weber S. Optoelectronic Devices and Circuits. New York: McGraw-Hill, 1974.
6.4.17. Goerke P., Mischel P. Optoelektronische Bauelemente fur die Automatisie-rung. Heidelberg: Dr. Alfred Huthig Verlag, 1976.
6.4.18. Taschenbuch Feingeratetechnik, Bd. 1. Berlin: VEB Verlag Technik, 1969.
6.4.19. Schreiber G. Zur Bestimmung des Energiestromes in optischen Instru-menten.— Optik, 1964, Bd. 21, № 4, S. 145.
6.4.20. Abbe E. Ober die Bestimmung der Lichtstarke optischer Instrumente.— Zeitschr. Med. Naturwiss., 1871, Bd. 6, S. 263.
6.4.21. Helbig E. Grundsatzliches zur Ausleuchtung von optischen System.— Feingeratetechnik, 1972, Bd. 21, № 2, S. 57.
6 4.22. Kogelnik H., Li T. Laser beams and resonators.— Proceedings of the IEEE, 1966, Vol. 54, № 10, S. 1312.
269
6.4.23. Reschke E. Optische Abbildung mit Gaupschen Bundeln.— Feingeratetechnik, 1978, Bd. 27, № 6, S. 253.
6.4.24. Heidborn W., Biermann M., Gepner R. Neue Moglichkeiten der Symbolan-zeige durch Flussigkristalle.— Nachrichtentechnik-Elektronik, 1972, Bd. 22. № 12, S. 427.
6.4.25. Biermann M. Flussigkristalldisplays.— Nachrichtentechnik-Elektronik, 1973, Bd. 23, № 6, S. 205.
6.4.26. Haupler E. Fluoreszenz-Anzeigerohren.— Nachrichtentechnik-Elektronik, 1978, Bd. 28, № 2, S. 78; № 3, S. 123.
6.4.27. Jemlich W. Optoelektronische Anzeigeeinheiten in der Informations- und Automatisierungstechnik.— radiofemsehen-elektronik, 1978, Bd. 27, № 4, S. 248.
6.4.28. Muller W. Anwendung von LED-Zifferanzeige-Bauelementen.— radio — fernsehen — electronik, 1978, Bd. 27, № 1, S. 9.
6.4.29. Heidborn W. Integrierte Anzeigebauelemente — Oberblick uber den interna-tionalen Stand und die Tendenzen.— Nachrichtentechnik-Elektronik, 1978, Bd. 28, № 9, S. 356.
6.4.30. Firmenschriften des VEB Kombinat NARVA, Berlin.
6.4.31. Schiking M., Elementare Berechnungsgrundlagen fiir Lichtschranken.— radio-fernsehen-elektronik, 1968, Bd. 17, № 23, S. 725.
6.5. Оптоэлектронные функциональные узлы
6.5.1. Общие положения
Оптоэлектронные элементы и системы находят в приборах все более широкое применение. В комбинации с (микро)электронными элементами они позволяют реализовать широкий круг функций (табл. 6.5.1). Использование оптоэлектронных элементов для реализации функций обработки (передачи, преобразования) объясняется преимуществами, которыми обладают волоконно-оптические системы передачи данных и устройства оптической обработки сигналов по сравнению с соответствующими электрическими и электронными устройствами. К таким преимуществам относятся низкое затухание сигнала, большая полоса пропускания, разделение потенциалов передатчика и приемника, отсутствие влияний электромагнитного поля на сигнал и др. [6.5.1, 6.5.3]. Благодаря высокой механической прочности, малой массе, совместимости с современными полупроводниковыми приборами, большому сроку службы и световому потоку в различных областях спектра оптоэлектронные индикаторы широко используются для волоконно-оптических систем связи.
В табл. 6.5.2 и 6.5.3 приведены схемы основных оптических и оптоэлектронных устройств, применяемых в системах обработки данных. Светодиоды и лазерные диоды в соответствии с передаточными характеристиками волоконных световодов работают в ближнем диапазоне инфракрасных волн (первое «окно» передачи — от 0,8 до 0,92, второе — от 1,05 до 1,25 и третье — от 1,5 до 1,8 мкм). Фотодиоды и фототранзисторы используются во всем видимом диапазоне спектра и ближнем инфракрасном диапазоне (Л.гран=1,1 мкм), в котором осуществляется 270
6.5.1. Применение различных оптоэлектронных элементов в приборах
Функция обработки
физико-техническая функция Функция СВЯЗИ Функция коммуникации
Излучение Светодиоды, лазерные диоды Прием Фотодиоды, фоторезисторы, элементы с емкостной связью, фотоумножители, вакуумные фотоэлементы Хранение Голографические запоминающие устройства Передача Волоконные светодиоды, многожильные волоконные светодиоды, волноводы Соединение Разъемные соединения (например, разъемы для волоконно-оптических кабелей) Неразъемные соединения (с использованием склеивания или сварки) Соединение, разветвление Активные соединительные элементы (например, оптроны), пассивные соединительные элементы (например, разветвители типа «звезда», биконические разветвители) Обслуживание Инфракрасные детекторы Индикация Активные индикаторы: люминесцентные плазменные, флуоресцентные Пассивные индикаторы: жидкокристаллические, электрохром-ные, сегнетоэлектрические Соединение Оптоэлектронные разъемные соединители
передача информации по волоконно-оптическим линиям связи. Элементы с емкостной связью представляют собой приемные элементы с высокой степенью интеграции, работающие в видимом диапазоне волн. Они находят применение в системах распознавания образов.
Оптическая реализация функции связи основана на использовании эффекта полного внутреннего отражения света на поверхностях раздела сред с различными показателями преломления в световодах (в многомодовых световодах) или на использовании характеристик пропускания световодом волн различной длины (в одномодовых световодах), см. табл. 6.5.2. Связь световодов между собой или с прибором, а также оптическое разделение сигналов осуществляются с помощью разъемных или неразъемных оптических соединителей и разветвителей [6.5.19, 6.5.20].
Оптроны предназначены для гальванической развязки сигналов с применением оптоэлектронных эффектов. Благодаря возможности прерывания светового потока, обеспечиваемой, например, оптроном с открытым оптическим каналом, они могут применяться для модулирования
271
272
6.5.2. Структура и форма оптоэлектронных излучателей и фотоприемников
Излучатели
Фотоприемники
Люминесцентные и лазерные диоды
Фотодиоды
Фототранзисторы
Элементы с емкостной связью
1 — контактный провод: 2 — контактный слой: 3 — подложка GaAs; 4 — n-GaAs, 5 — п-GaAlAs, 6 — активная зона: 7 — p-GaAlAs; 8 — p-GaAs, 9 — контактный слой: 10— припой: // — корпус (радиатор)
Светодиод ИК-Диапазона
Конструкция
Кремниевые фотодиоды Приемная площадка 1,9X1,9 мм (3,5X3,5 мм)
Матрица из 256 элементов с емкостной связью
Кремниевые фототранзисторы u
Конструкция
Принцип действия
Волоконные световоды
Ступенчатый многомодовый световод
л* ™ Ф90-.150мкм
ф 5О.Ммкм •----------
Градиентный многомодовый световод
1/7
Оптические соединители Оптические разветвители
Оптический одноканальный разъемный соединитель с юстировочным устройством 1 — муфта; 2 — часовой камень; 3 — эпоксидная смола; 4 — соединительная втулка Биконический разветвитель V-образный разветвитель
Оптрон с открытым оптическим каналом
Оптрон с закрытым оптическим каналом (светодиод и фототранзистор ИК-диапазона)
Оптроны

Продолжение табл. 6.5.3
Принцип действия
Конструкция
Волоконные световоды Оптические соединители Оптические разветвители Оптроны
Одно модовый световод
Оптический муфтовый разъемный однока-
нальный соединитель: 20
0 3...6мкм Г
0 50...150 мкм

г—радиус световода; п — показатель преломления
вилочная часть
Оптический многоканальный соединитель
1 — вилочная часть; 2 — втулочная часть для одно- и двухполюсных соединителей а = 22,5; 6 = 48; с— 17; е— 1 мм; для четырех и восьмиполюсных а = 52,5; 6 = 88; с=37; е = 3 мм
Разветвитель со спаренными световодами
, Соединение двойной odo/rovKoa
Механически юстируемый
Т-образный
света. Использование физических свойств оптических сред, например зависимости затухания в световоде от радиуса его изгиба, позволяет создавать оптические датчики изменения физических величин: пути, скорости, давления и др. (см. разд. 6.5.4).
В интегральных оптических схемах используется эффект распространения света в тонких слоях диэлектриков. Размеры активных слоев и расстояний между ними, а также допуски на них составляют микро-и нанометры, высокие требования предъявляются к выдерживанию заданных показателей преломления. Принципиально возможна реализация в виде интегральных оптических схем, переключателей, элементов связи, модуляторов, аналого-цифровых преобразователей и т. д. В результате наличия ряда нерешенных технологических проблем эти элементы пока еще не могут изготовляться в достаточном количестве.
Индикаторы, применяемые в волоконно-оптических системах связи (табл. 6.5.4), можно разделить на активные (самосветящиеся) и пассивные (отражающие). В настоящее время наибольшее распространение получили активные индикаторы на основе инжекционной электролюминесценции. Функциональным элементом в них является полупроводниковый диод, включенный в прямом направлении. Излучательная рекомбинация носителей заряда в р-п-переходе вызывает у этих диодов длительную эмиссию монохроматического света. Цвет свечения (красный, оранжевый, зеленый или желтый) зависит от примеси в основном материале полупроводника, которым обычно является GaAsP (арсенид-фосфид галлия) и GaP (фосфид галлия). Примесями могут быть Si, Zn, N (табл. 6.5.5). На базе этих диодов могут быть собраны одиночные (светодиоды для сигнальных устройств, обеспечивающих подачу световых сигналов одного или нескольких цветов) и комбинированные, например, одно- или многоразрядные цифровые и символьные (сегментные и матричные, рис. 6.5.1) индикаторы. Электролюминесценция основана на использовании эффекта ионизации или инжекции носителей заряда, вызванной туннельным эффектом, с последующей излучательной рекомбинацией этих носителей в результате приложения электрического поля к слоистой структуре люминофора. При плазменном разряде между катодом и анодом заполненной газом трубки вследствие ионизации носителей заряда появляется саморазряд, вызывающий рекомбинационное излучение в виде свечения вокруг катода (тлеющий разряд, свечение ламп с холодным катодом). Явление катодной люминесценции характеризуется закономерностями, которые определяют работу электронных электровакуумных ламп. При накаливании катода между ним и анодом под влиянием электрического поля образуется поток электронов, который при соударении с люминофором, покрывающим анод, вызывает
Рис. 6.5.1. Структура сегментных (а — в) и матричного (г) буквенноцифровых индикаторов
□ □□□□ □ □□□□
□ □□□□ □ □□□□
□ □□□□ □ □□□□
□ □ □ □ □ $
275
6.5.4. Оптоэлектронные индикаторы Oi ________________________________
Активные индикаторы
люминесцентные электролюминесцентные плазменные
Структура
1 — р-контакт; 2 — металл; 3 — p-GaAsP; 4 — n-GaAsP; 5 — n-GaAs;
6 — n-контакт
1 — прозрачная пленка окиси олова или золота (анод);
2 — фосфор; 3 — алюминий или графит (катод)
Пассивные индикаторы
катодно-люминесцентные
жидкокристаллические
Твист-эффект
1 — прозрачные электроды; 2 и 3 — первый и второй поляризаторы; 4 — прозрачное состояние; 5 — молекулы жидких кристаллов; 6 — непрозрачное состояние; 7 — стекло
Конструкция
Сегментный индикатор
1 — излучающая поверхность
Индикатор в светозащитной шахте
25
1 — структурированный отражающий электрод; 2 — защитное стекло; 3 — прозрачный электропроводящий слой;
4 — люминофор; 5 — слой тита но во-кислого бария; 6 — основание; 7 — контакт
1 — основание; 2 — анодная пластина; 3 — распорная рамка Матричный индикатор
/
277
1 — анодная пластина; 2 — стеклянная решетка; 3— распорная рамка; 4 — основание
Катодно-люминесцентный индикатор
Принцип отражения
1 — изолятор; 2 — электроды; 3 — стеклопри-пой; 4 — нити катода;
5 — решетка; 6 — защитная решетка; 7 — штенгель; 8 — стеклянная подложка; 9 — печатные проводники;
10 — выводы Пример
1 — прозрачные электрические проводящие сегменты (сегменты); 2 — стеклянная подложка; 3 — распорная рамка; 4 — слой жидких кристаллов (около 0,12 мкм);
5 — задний электрод; — направление наблюдения
Пример
3,5 разряда и 10 специальных знаков. Применяются, например, в многопредельных приборах
6.5.5. Длина излучаемых волн и цвет рекомбинационное излучение. Наи-свечения светодиодов более известной из таких «ламп»
Материал Л, нм является электронно-лучевая труо- Ввет ка, которая должна работать при
GaP:N GaAsP:N GaAsP:N GaAsP:N GaAs:Si GaAs:Zn 555 590 625 655 930 900 сравнительно высоких напряжениях Зеленый с учетом ее размеров. Современные Желтый варианты ламп низкого напряже- Оранжевый ния созданы специально в качестве Красный * буквенно-цифровых индикаторов (с Инфракрасный флуоресцирующим свечением). Инфракрасный Y к ' В пассивных индикаторах ис-
пользуется свет внешней подсветки.
Жидкокристаллические индикаторы получили широкое распространение благодаря низкому потреблению энергии, удобству считывания информации даже при ярком внешнем освещении, плоской конструкции. Жидкие кристаллы представляют собой органические соединения
с ориентированными молекулами, которые создают упорядоченную (кристаллическую) структуру. Под влиянием локального электрического поля, например, в форме сегмента цифры, эта структура разрушается (принцип динамического рассеяния с отражением света внешнего источника) или изменяется поляризация жидких кристаллов (принцип поворота плоскости поляризации света) [6.5.10, 6.5.22].
6.5.2. Оптоэлектронные узлы в системах связи
Выбор и расположение оптоэлектронных индикаторов производятся в первую очередь с точки зрения эргономики (см. разд. 7.6). При выборе индикатора необходимо учитывать используемый в нем физический эффект (светоизлучающий или жидкокристаллический), форму и размер знаков (см. рис. 6.5.1), конструкцию и цвет.
Кроме общих критериев (рис. 6.5.2) на выбор индикатора оказывают влияние особенности несущей конструкции: размеры лицевой панели; размеры и расположение отверстий, органов управления и электрических соединителей на панели; форма пространства за лицевой панелью с учетом конструктивно-технологических требований к электрическому контактированию ЭРЭ.
Крепление оптоэлектронных индикаторов зависит от располагаемой площади на лицевой панели, конструктивных параметров ЭРЭ и технологических возможностей электрического соединения (табл.. 6.5.6). Большинство индикаторов крепится непосредственно на печатной плате с помощью держателей или неразъемных соединений. В зависимости от формы и положения электрических выводов относительно оптической оси возможны различные крепления индикатора (рис. 6.5.3). Вариант с модульной или монтажной платой (рис. 6.5.3, биг) по сравнению с прямым креплением индикаторов на лицевой панели с помощью специальных держателей предъявляет повышенные требования к технологическим допускам. Возможные варианты крепления и электрического
278
Критерии
Г~ ~ 1 |
Оптические Электрические Эксплуатационные.
Яркость Равномерность Контраст Удобство считывания при отраженном свете Диапазон яркостей Диапазон углов наблюдения Цвет Рабочее напряжение Рабочий ток Мощность рассеяния Схемная совместимость Срок службы Интенсивность отказов Ударо-, вибропрочность Термостойкость Влагостойкость Требуемый объем Сложность монтажа Масса Стоимость
Рис. 6.5.2. Критерии оценки оптоэлектронных индикаторов
6.5.6. Конструктивные параметры оптоэлектронных индикаторов
Параметр Светодиоды кокристалличе-индикаторы ольные Параметр Светодиоды кокристалличе-индикаторы ольные
плоские одиночные <и 3 ж ч о со S X плоские одиночные ! 1 символьные
Е( X D и X S g X S * ские симв
Способ крепле- Вид электро-
ния: монтажа:
в центре X — — отдельными X X
двумя точка- — X X проводами
ми печатный X X X
на печатной X X X Способ присо-
плате единения:
резьбовым со- X X — пайкой X X X
единением накруткой X X
Крепление на соедините- X X
панели: лем
лицевой X — — Число выводов 2 и 3 10...24 8. ..64
монтажной X X X Расположение
Форма корпуса: выводов отно-
цилиндриче- X — — сительно лице-
ская вой панели:
прямоуголь- X X X перпендику- X X X
ная лярно
специальная X — — параллельно X X X
279
Рис. 6.5.3. Крепление и контактирование индикаторов в несущей конструкции 2 единой системы EGS:
а — на печатной плате 3; б — на модульной печатной плате 5; в — на лицевой панели /, электромонтаж выполнен на ее внутренней стороне; г — на монтажной плате 4, электромонтаж — на внутренней стороне лицевой панели
соединения оптоэлектронных индикаторов в области лицевой панели перечислены в табл. 6.5.7. Конструктивное исполнение варианта 4.2 показано на рис. 6.5.4.
6.5.7. Варианты соединения и крепления оптоэлектронных индикаторов в области лицевой панели прибора (справа указаны соответствующие преимущественные варианты по рис. 6.5.3)
1. Монтажная > плата - Инди-катор а
2.1. Монтажная -*- Печатная плата ► плата Инди-катор б
2.2. Монтажная -*- Ленточный/формо > плата ванный кабель - Инди-катор * в, г
2.3. Монтажная -► Ленточный/формо ► плата ванный кабель Инди--*- Пластмас-катор совая формованная деталь в, г
3.1. Монтажная -*- Электрический со *- Печатная-*- плата единитель непосред- плата ственного сочленения Индикатор б
3.2. Монтажная-*- Электрический со- -*- Печатная-*-плата единитель плата Индикатор б
4.1. Монтажная -*- Ленточный/формо *- Печатная -*- плата ванный кабель плата Индикатор в, г
4.2. Монтажная -*- Ленточный/формо *- Печатная -*- плата ванный кабель плата Инди- -> Пластмас-катор совая формованная деталь в, г
* В основном для индикации с низким объемом информации (например, для индикаторов состояния, светящихся сегментов и т. д.).
280
Рис. 6.5.4. Крепление символьного индикатора на лицевой панели прибора:
1 — лицевая панель; 2 — крепежные элементы; 3 — индикатор; 4 — печатная плата
6.5.3. Оптоэлектронные узлы в системах обработки данных
Конструктивные проблемы при использовании оптоэлектронных элементов появляются тогда, когда физические условия передачи, преобразования и обработки оптических сигналов изменяются в результате реализации технических решений или условия окружающей среды могут оказывать решающее влияние на физические характеристики узла. Основную роль играют условия распространения света в световодах и соединения, а также термические нагрузки, испытываемые оптоэлектронными элементами. В приборах свет передается, как правило, по одиночным световодам. Механическая защита волоконного световода осуществляется пластмассовым покрытием диаметром 1—3 мм (см. табл. 6.5.3).
Для передачи информации на большие расстояния применяются волоконные световоды диаметром около 50 мкм, характеризующиеся плавным или ступенчатым изменением показателей преломления сердцевины и отражающей оболочки световода (градиентные и ступенчатые световоды). Важное значение имеют максимальное снижение затухания оптического сигнала (до 2 дБ/км), а также дисперсии в материале световода и волноводной дисперсии (которая представляет собой разность путей, проходимых различными сигналами в световоде, например, в зависимости от углов ввода их в световод).
Для передачи оптических сигналов на короткие расстояния (например, в системах автоматизации) используются волокна диаметром 200 мкм, так как в этом случае допускается большее затухание, чем при передаче сигнала на большие расстояния. Благодаря меньшей скорости передачи сигналов могут быть предъявлены более низкие требования к передатчикам, приемникам и оптическим соединителям волоконно-оптических систем связи такого типа. Для передачи данных по волоконным свето
281
водам на большие расстояния кроме данных, адресов и управляющих сигналов (или для реализации двунаправленной передачи) необходимы более сложные модули связи (оптические многоканальные соединители), чем при передаче данных на короткие расстояния.
При конструировании систем передачи оптических сигналов наряду с параметрами активных оптоэлектронных элементов необходимо учитывать параметры волоконных световодов, зависящие от характеристик соединения, вида прокладки и крепления. Потери на отражение между сердцевиной световода (с показателем преломления примерно 1,5) и воздухом составляют 4 %. При механическом соединении двух световодов через воздушный слой, толщиной несколько микрометров, при идеальных геометрических условиях (перпендикулярные оси плоские полированные торцы световодов) эти потери составляют 8 %, что соответствует 0,36 дБ. Это значение может быть снижено только при уменьшении расстояния между торцами стыкуемых световодов до Х/4 (примерно 0,2 мкм). Снизить потери на отражение можно с помощью вводимой в область стыка иммерсионной жидкости с соответствующим показателем преломления, оптически связывающей торцовые поверхности.
К геометрически обусловленным потерям при соединении световодов относятся потери, обусловленные разностью числовых апертур соединяемых световодов и неточностью геометрии сердечников. Чтобы сохранить затухание в пределах до 2 дБ разъемное оптическое соединение должно обеспечивать достаточное центрирование осей световодов (например, с помощью часовых камней, см. табл. 6.5.3, или двойных эксцентриков) при минимальном воздушном зазоре между торцовыми поверхностями (торцы прижимаются друг к другу, как правило, с помощью пружины). На рис. 6.5.5 приведены изменения коэффициента связи т] в зависимости
Рис. 6.5.5. Геометрические факторы, влияющие на характеристики разъемных оптических соединителей (графики относятся к одномодовому световоду при Дп/п = 0,012, r/X—ifi. Расшифровку обозначений см. в тексте)
282
95
Рис. 6.5.6. Прокладка и крепление волоконных световодов оптоэлектронного элемента на печатной плате:
а — пример расчетной прокладки; б — размах колебаний световода при неправильном креплении в результате возбуждения платы с амплитудой 0,07 мм/2^. При воздействии в направлении t с частотой /=104 Гц размах s = 23 мм, / = 275 Гц — s=ll мм (-------). При воздействии в направлении А с / = 90 Гц размах k— 10 мм, / = 225 Гц —
k = 8 мм (— — —); в — колебания световода при оптимальном креплении. При возбуждении 6g в направлении А с f = 90 Гц размах А< 1 мм; 1 — оптический разъемный соединитель; 2 — волоконный световод; 3 — монтажная плата; 4 — радиатор; 5 — крепежный элемент; 6 — LDH
от геометрических погрешностей стыковки световодов. Значения т] определяются по следующим формулам:
при осевом рассогласовании световодов (рис. 6.5.5, а) :
. 2 а
(6.5.1)
при наличии воздушного зазора между световодами (рис. 6.5.5, б):
~ 1
т] ~--------- •
1 ч / NA2 ’ (6.5.2)
г V 1-М42
при угловом рассогласовании световодов (рис. 6.5.5, в):
T)»c°sa[A агссоз^Ц-д/!-^)2 ] (6.5.3)
, f sin (v — a) . Д7Л
где f — 1----\-----, v = а resin NA.
1 sin a
В этих формулах г — радиус световода; NA=-\]nk — n2rn—числовая апертура; п — показатель преломления (индекс k — для материала сердцевины, m — для отражающей оболочки).
Прокладка и крепление волоконных световодов в системах обработки данных определяют топологию печатных проводников на печатной плате. На рис. 6.5.6, а приведен пример прокладки световодов на плате ОТ передатчика оптических сигналов к оптическому соединителю. Передающие оптические элементы используются, как правило, в виде готовых изделий (с присоединенными световодом и соединителем).
283
Иногда это вынуждает (также для облегчения ремонта) укладывать световод петлями, что, однако, повышает затухание в нем (рис. 6.5.7). Увеличение затухания в световоде может быть вызвано также его скручиванием и сжатием (рис. 6.5.8). При креплении следует учитывать
Рис. 6.5.7. Изменение затухания оптического сигнала в световоде в зависимости от радиуса изгиба. Значение аг следует прибавить к затуханию прямого световода, равному 7,3 дБ/км. Световод, у которого диаметр сердцевины равен 52 мкм, а отражающей оболочки 120 мкм, имеет покрытие из силикона и полиэтилена 12 диаметром 1 мм, разрушающееся при радиусе изгиба 2,9 мм: rk — радиус сердцевины световода
Рис. 6.5.8. Изменение затухания оптического сигнала в световоде в зависимости от его кручения (а) и сжатия (б). Найденное на соответствующем графике значение аг следует прибавить к затуханию «ненагруженного» световода, равному 7,3 дБ/км. Диаметр сердечника световода 52 мкм,
оболочки — 120 мкм, покрытие — полиамидное диаметром 1 мм. Разрушение от-
резка световода длиной 1 м происходит при закрутке его на 1365°, разрушение при сжатии — при усилии 15,7 Н. Сжимающие поверхности площадью 1X1 мм выполнены из стали St 38
284
Соединения
Разъемные
Неразъемные (условно разъемные)
Юстируемые Неюстируемые
С взаимным внедрением материалов
Например, по принципу двойного эксцентрика
Например, разъемное, втулочное, капиллярное с шариком
Пайка Склеивание Например, Например, стекло-припоем
оптическим клеем, эпоксидной смолой
Сварка Например, СО2 - лазерная, ние стеклом, плазменная, дуговая, тлеющим разрядом
Т-----1
Без внедрения материалов Механическое соедине-
Например, втулкой, муфтой, лентой для закрутки, резьбовым элементом, тремя стержнями, пружинным кольцом
Рис. 6.5.9. Соединители волоконных световодов [6.5.19]
динамические характеристики световода (эти характеристики должны отвечать требованиям TGL 200—0057 «Ударные и вибрационные испытания»). Рис. 6.5.6, б и в иллюстрируют возможный размах колебаний световода при неправильном креплении, такие колебания могут привести к повреждению световода или ЭРЭ на монтажной или печатной плате. При разработке печатных плат с оптическими соединителями рекомендуется экспериментально исследовать динамические характеристики световодов с учетом распределения масс по всей плате и устанавливать ЭРЭ за пределами колебаний световодов.
Неразъемные соединения волоконных световодов в электронных приборах в ближайшее время вряд ли будут широко использоваться. Большое значение они имеют при изготовлении волоконно-оптических линий связи большой длины, а также оптических ответвителей и элементов обработки информации. На рис. 6.5.9 показаны варианты неразъемных оптических соединителей.
При разработке приборов с активными оптоэлектронными элементами необходимо помнить о высоких требованиях к термической нагрузке, так как недопустимое повышение температуры отрицательно сказывается на сроке службы и частотных характеристиках (см. разд. 5.4). Особенно это касается мощных светодиодов и лазерных диодов.
6.5.4. Оптоэлектронные узлы в измерительных устройствах
В оптоэлектронных элементах используются эффекты непосредственного или косвенного влияния изменения различных физических величин на свет. Основанные на этом методы измерений перечислены на рис. 6.5.10. Особый интерес представляют методы, позволяющие получать на выходе оптические сигналы, которые непосредственно по волоконному световоду могут быть переданы к устройству их обработки без необходимости В промежуточных электрических сигналах.
285
Рис, 6.5.10. Классификация оптоэлектронных методов измерений
6.5.11. Принцип действия оптоэлектронного измерителя частоты (а), а также одновременно частоты и амплитуды (б) колебаний [6.5.29]:
/ — излучатель; 2 — светодиод; 3 — деталь, совершающая колебания
Пассивные измерительные датчики позволяют непосредственно или косвенно оценивать состояние объекта в виде оптического сигнала и передавать этот сигнал по световоду для обработки. На рис. 6.5.11 пояснен принцип измерения частоты колебаний с оценкой их амплитуды и без нее. В активном измерительном датчике с оптическим выходом постоянный световой поток подвергается воздействию измеряемой величины. Для этого может использоваться изменение расстояния между передатчиком и приемником, изменение отражательной способности, свойств материалов и т. д.
Для измерения различных физических величин (частоты вращения, давления, температуры, уровня жидкости и т. д.) может быть использован принцип прерывания светового потока в комбинации с оптоэлектронными или чисто оптическими датчиками. В качестве примера измерительного устройства в табл. 6.5.3 был приведен оптрон с открытым оптическим каналом (оптрон-прерыватель), вход и выход которого электрические. На рис. 6.5.12, а показан подобный оптрон, но с чисто оптическим входом и выходом. Для сохранения достаточно высокого отношения сигнал/шум световой поток, передаваемый через оптический канал, должен быть относительно большим при низких потерях на рассеяние. Для этого необходимо, чтобы зазор между передатчиком и приемником был возможно меньше; можно также использовать вспомогательные оптические средства, например микролинзы. На рис. 6.5.12,6 и в приведены примеры использования принципа прерывания светового
Рис. 6.5.12. Оптрон с открытым оптическим каналом и примеры его использования в измерительных устройствах [6.5.29]:
а — схема; б — датчик давления; в — датчик температуры; 1 — пластинка, прогибающаяся под усилием давления F; 2 — щелевое отверстие; 3 — световод; 4 — корпус; 5 — пластина, коэффициент линейного расширения которой отличается от соответствующего коэффициента корпуса 4\ хе, ха — входной и выходной сигналы
287
Рис. 6.5.13. Позиционно-чувствительные фотодиоды [6.5.30]:
а — образование разностного сигнала за счет электрического давления фототока i; б _ образование разностного сигнала за счет геометрического деления светового пучка /Av; в — характеристики позиционно-чувствительных фотодиодов (зависимость разностного тока /разн от отклонения х луча); г — пример датчика температуры с электрическим выходом; 1 — световой луч; 2 — позиционно-чувствительный фотодиод
потока для измерения давления и температуры. Два световода на выходе позволяют снимать разностные сигналы. При конструировании подобных датчиков очень высокие требования предъявляются к выбору материалов, к технологическим допускам, а также к реализации оптических соединений. Альтернативой является применение принципа прерывания светового потока, но с электрическими входом и выходом. Разностные сигналы могут быть получены при этом, например, с помощью позиционночувствительных фотоэлементов (рис. 6.5.13), с помощью нескольких диодов или диодной матрицы.
Объект измерения может быть использован также в качестве рефлектора. При этом для получения светового потока используются как активные оптоэлектронные, так и чисто оптические элементы. В качестве активных элементов часто применяются оптроны-отражатели (рис. 6.5.14, а). Основной трудностью при их создании является передача достаточно большой световой энергии в приемник, при этом более высоким коэффициентом связи обладают конструкции с коаксиальным расположением световодов по сравнению с параллельным (рис. 6.5.14, бив). Очень высокие требования к воспроизводимости оптических характеристик, таких, как отражательная способность, геометрия волокон, их числовые апертуры, оптронов-отражателей обусловливают и не менее высокие требования к технологии их изготовления. Эти оптроны применяются для решения самых разнообразных задач, например для осуществления процессов счета, измерения частоты вращения, расстояний, качества поверхности, углов и т. д., путем регистрации геометрических или обусловленных ими физических изменений (например изменения фаз световых импульсов).
В оптоэлектронных модуляционных датчиках используется, во-первых, эффект изменения физических свойств материала при воздействии на него измеряемой величины, благодаря чему первоначально постоянный световой поток модулируется (например, в соответствии с принципом
288
d/r г)
Рис. 6.5.14. Оптрон-отражатель:
а — схема и размеры оптрона-отражателя с выходным электрическим сигналом (масса щупа около 0,7 г) [6.5.33]; б — параллельное расположение световодов в щупе
с оптроном-отражателем [6.5.7]; в — коаксиальное расположение световодов в щупе с оптроном-отражателем; г — зависимость числовой апертуры NA от воздушного промежутка [6.5.7]; / — излучатель; 2 — приемник; 3 — отражающая поверхность; 4 —
световоды
сдвига края полосы поглощения полупроводника как функции температуры). Во-вторых, модуляция света может быть получена также вследствие изменений оптических условий на поверхностях раздела (рис. 6.5.15). Если, например, изменяется показатель преломления среды, окружающей датчик (такой средой может быть жидкость, в которую погружается датчик или концентрация которой варьируется),
Рис. 6.5.15. Ход световых лучей в датчике уровня жидкости с выходным оптическим сигналом (модуляционный датчик) [6.5.35/:
а — до погружения в жидкость; б — после погружения
К преобразователю
а)
в
Примеры оптоэлектронных виде волоконного световода: в котором используется эффект
От источника света
Рис. 6.5.16. датчиков в а — датчик,
изменения затухания светового сигнала при изгибе световода [6.5.31]; б — интерферометр Маха-Цандера с одномодовым световодом для
измерения давления и температуры [6.5.34]; л)
в — магнитооптический амперметр [6.5.32];
/ — лазер; 2 — система расширения светового луча, 3 — светоделитель; 4 — объектив; 5 — световод для получения сигнала измерения; 6 — измеряемый эффект (сила, давление, интенсивность звука); 7 — световод для передачи эталонного сигнала; 8 — интерференционные полосы; 9 — катушка со световодом; 10 — проводник электрического тока, Н — световод; 12 — анализатор; 13 — устройство обработки сигналов; 14 — поляризатор; 15 — гелий-неоновый лазер
10 Зак. 218
289
то изменяются и условия отражения, что сказывается на модуляции^ выходного сигнала. Проблематична при этом, однако, воспроизводимость результатов измерений, на которые оказывают влияние конденсирующие пары, остатки жидкости на датчике, образующие кристаллы солей и т. д.
Для измерений могут использоваться и сами волоконные светодиоды. Световой луч при передаче его светодиоду может модулироваться путем изменения условий этой передачи, например, посредством внесения дополнительных потерь вследствие изгиба или сжатия световода (рис. 6.5.16). Изменением показателя преломления световода (в результате температурных воздействий или использования фотоупругих, электро-или магнитооптических эффектов) можно изменять как длину, так и фазу световой волны. Это позволяет осуществлять интерферометрическую оценку явления, вызвавшего это изменение. В показанном на рис. 6.5.16, б интерферометре для передачи сигнала измерения и эталонного сигнала необходимы одномодовые световоды и очень стабильное опорное излучение. Наравне с преимуществами в виде широкой области применения и высокой чувствительности такие интерферометры имеют и ряд недостатков. Так, в качестве источника света используется гелийнеоновый лазер, много места требуют многочисленные оптические элементы (линзы, светоделитель, фазовращатель, модуляторы), механическая прочность всего устройства ограничена. Кроме того, на выходе получают преимущественно аналоговые сигналы.
Рассмотренные измерительные преобразователи находятся в стадии фундаментальных исследований и технических усовершенствований. В ближайшее время они будут шире использоваться в технических системах, в частности в устройствах автоматизации.
Список литературы
(см. также [6.4.16, 6.4.17, 6.4.24—6.4.31])
6.5.1. Glaser W. Licht leitertechnik, eine Einfuhrung. Berlin: VEB Verlag Technik, 1981.
6.5.2. Kressel H. Semiconductor Devices for Optical Communication. Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag, 1980.
6.5.3. Tamir T. Integrated Optics. Berlin: Springer-Verlag. 1975.
6.5.4. Unger H. G. Optische Nachrichtentechnik. Berlin: Elitera-Verlag, 1976.
6.5.5. Elschner H., Moschwitzer A., Lunze K. Neue Bauelemente der Informa-tionselektronik. Leipzig: Akadem. Verlagsges. Geest & Portig, 1974.
6.5.6. Winstel G., Weyrich C. Optoelektronik I/Lumineszenz- und Laserdioden. Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag, 1980.
6.5.7. Allan W. B. Fibre Optics. Theory and Practice. London/New York: Plenum Press, 1973.
6.5.8. Acket G. A., Daniele J. J. u. a. Halbleiterlaser fur optische Kommunika-tion.— Phillips techn. Rdsch. 1976/1977, Bd. 36, № 7, S. 204.
6.5.9. Adler E. Verbindungstechnik von Lichtleitern.— Feinwerktechnik und Meptechnik, 1978, Bd. 86, № 7, S. 309.
6.5.10. Anderer G. Flussigkristall-Anzeigeelemente.— Feinverktechnik und
Meptechnik, 1980, Bd. 88, № S. 60.
6.5.11. Bedgood M. A., Leach J. u. a. Losbare Steckverbindungen in Lichtleiter-fasersystemen.— Elektrisches Nachrichtenwesen, 1976, Bd. 51, № 2, S. 90.
290
6 5 12 Best S. W. Optische Nachrichtentechnik.— nachrichten elektronik, 1980, Bd. 34, S. 205, 229, 272, 322, 365, 389; 1981, Bd. 35, S. 23, 69, 118, 169, 182, 252, 313, 447, 489; 1982, Bd. 36, S. 72,123,166,219,313,352,404,458.
6.5.13. Eickhoff, Huber u. a. Lichtleiterfasem fur die optische Nachrichtentechnik.— Wissenschaftliche Berichte AEG-Telefunken, 1979, Bd. 52, № 1,2, S. 111.
6.5.14. Frahm J., Junge K. Der Halbleiterinjektionslaser und seine Anwendung.
Teil 1: Grundlagen.— rfe, 1979, Bd. 28, № 2, S. 72; Teil 2: Eigenschaften und Anwendungen.— rfe, 1979, Bd. 28, № 3, S. 178.
6.5.15. Gopel K., Richter K. Einsatz der Optoelektronik in Automatisierungsan-lagen.— msr, 1979, Bd. 22, № 9, S. 495.
6.5.16. Hart H., Hartig G., Heinrich H.-H. Neuartige Sensoren mit optischem Ausgang.— Feingeratetechnik, 1983, Bd. 32, № 12, S. 12.
6.5.17. Humberger R. G. Integral Optics: Theory and Technology.—Series in Optical Sciences, 1982, Vol. 33. Westberlin: Springer-Verlag.
6.5.18. Kube E. Informationsubertragung mit Lichtleitern — Stand und Entwick-lungstendenzen.— msr, 1979, Bd. 22, № 9, S. 482.
6.5.19. Labs J., Scheel W. Nichtlosbare Lichtleiterverbindungen — ein Ober-blick.— Nachrichtentechnik-Elektronik, 1980, Bd. 30, № 9, S. 365.
6.5.20. Lochmann St., Scheel W., Labs J., Wallstein Th. Passive optische Verzweigungselemente.— Nachrichtentechnik-Elektronik, 1983, Bd. 33, № 11, S. 444.
6.5.21. Nowak B. Optoelektronische Anzeigesysteme.— rtp, 1979, Bd. 21, № 1, S. 4.
6.5.22. Pauls L., Schwarz G. Flussigkristallanzeigen-Moglichkeiten und Grenzen.— Elektronik, 1982, Bd. 14, № 7, S. 66.
6 5.23. Schmidt B., Hagen B. Einflup der Optoelektronik auf die Konstruktion elektronischer Gerate.— Feingeratetechnik, 1982, Bd. 31, № 2, S. 69.
6.5.24. Waier A. Sensoren-Technologie und Anwendung.— rtp, 1982, Bd. 24, № 8, S. 257.
6.5.25. Furchert, Kallenbach u. a. Optoelektronik — Strahlungssender.— Feingeratetechnik, 1981, Bd. 30, № 6, S. 268.
6.5.26. Furchert, Kallenbach u. a. Optoelektronik — Strahlungsempfanger.— Feingeratetechnik, 1981, Bd. 30, № 7, S. 322.
6.5.27. Furchert, Kallenbach u. a. Optoelektronik — Strahlungsempfanger.— Feingeratetechnik, 1981, Bd. 30, № 8, S. 370,
6.5.28. Furchert, Kallenbach u. a. Optoelektronik — Optoelektronische Funktion-seinheit.— Feingeratetechnik, 1981, Bd. 30, № 9, S. 419.
6.5.29. Hart H., Perthel R., Mepfiihler fur nichtoptische Mepgroffen auf optischen Prinzipien mit optischen Ausgangssignalen.— Feingeratetechnik, 1983, Bd. 32, № 7, S. 312.
6.5.30. Dunnebier G., Kunde M., Schmidt B. Positionsempfindliche Fotoempfan-ger.— Feingeratetechnik, 1981, Bd. 30, № 4, S. 170.
6.5.31. Fields J. N. u. a. Fiberoptic hydrophone. Conf, on Physics of Fiber-optics, Amer. Ceram. Soc. 1980, Abstracts, S. 125.
6.5.32. Papp A., Harms H. Magnetooptical current transformer. 1: Principles. Appl. Optics, 1980, Vol. 19, № 22, S. 3729.
6.5.33. Optoelektronischer Reflexkoppler CNY 70 (Prospekt der Fa. AEG-Telefunken, Heilbronn)
6.5.34. Hocker G. B. Fiber-optic sensing of pressure and temperature.— Appl. Optics, 1979, Vol. 18, № 9, S. 1445.
6.5.35. Cheresizineff N. P. Process Level Instrumentation and Control. New York/Basel: M. Dekker, Inc., 1981.
6.5.36. VEB Werk fur Fernsehelektronik Berlin, VEB Kontaktbauelemente und Spezialmaschinenbau Gornsdorf.
291
10*
7. Художественно-конструкторское решение прибора
С точки зрения потребителя изделие (прибор) может считаться хорошим тогда и только тогда, когда оно соответствует своему назначению (рис. 7.1), а его применение осуществляется способом, наиболее отвечающим потребностям потребителя; функции изделия вытекают из взаимосвязей с окружающей средой, необходимых для его применения; форма (конструкторское решение) изделия полностью отвечает этим функциям и соответствует условиям его применения.
Объем взаимосвязей t/2 изделия с окружающей средой, обусловленных его применением, в пределах всего множества взаимосвязей изделия со средой (U=U\ & U2, см. рис. 7.1) зависит от интенсивности (произведения объема и частоты) взаимосвязей человека (потребителя) с нею в процессе применения изделия. Он определяется требованиями к изделию и возможностями художественного конструирования (технической, эстетики, дизайна) — от планирования разработки изделия до оценки возможностей его сбыта и особенностей эксплуатации. При постановке задачи на разработку изделия задается конкретное содержание разрабатываемой формы в виде конструкторского решения. Взаимозависимость и взаимное влияние содержания и формы будущего изделия определяются общественными условиями и соответствуют уровню развития производительных сил [7.1—7.4] (рис. 7.2).
Речь идет не об изделиях как таковых, а об удовлетворении жизненных потребностей человека с помощью соответствующих изделий. Поэтому, влияние технической эстетики простирается от отдельного изделия до’ систем изделий, охватывающих все сферы жизни человека: работу, домашнее хозяйство, отдых, общественные отношения и т. д. Что касается
отдельного изделия, то с учетом законов технической эстетики создаются частные детали и изделие в целом, вплоть до сопутствующих ему товаров и даже рекламы.
Рис. 7.1. Основные взаимосвязи, сопровождающие процесс применения изделия (прибора):
EG|, G1 ’ ^G2’ ^G2 — взаимосвязи изделия с потребителем; Ur. ^2: ^М2»
U = Ui&U<2 — взаимосвязи изделия с внешней средой
292
Общественные условия *
Идеология Потребности Спрос Экономические условия Материал ьно-техничео-кие условия
Эргономические требования и условия
Форма
Технические требования и Эстетические требования и условия (физические, кон- * условия структивные, технологические)
Эргономические, технические, эстетические требования и условия—Назначение изделия—Содержание
Состояние производительных сил
Рис. 7.2. Величины и влияния, определяющие форму и конструкцию изделия (схема)
7.1. Применение
В узком смысле под применением следует понимать деятельность человека (потребителя), направленную на получение определенного полезного эффекта от изделия или обозрения его.
Применение преобразует потенциальную функцию прибора в фактическую, в результате чего получают полезный эффект. Ожидаемые результаты применения (обозрения) изделия должны оправдываться во время этого применения. Это же относится и к ожидаемому полезному эффекту. Материальный полезный эффект как технико-экономический эффект, отнесенный к самому высокому уровню, является одним само собой разумеющимся условием пригодности изделия. Другим необходимым и достаточным условием является то, что как эргономические нагрузки (табл. 7.1), так и нематериальный полезный эффект должны соответствовать определенному уровню. Например, трудности использования прибора снижают не только материальный полезный эффект, но и вызывают отрицательную реакцию на него потребителя.
От этих условий зависят в основном субъективно возможная производительность труда потребителя и возможности сбыта изделия в общем.
Критериями являются пригодность и срок службы изделия. Пригодность характеризуется технической эксплуатационной надежностью и получаемым полезным эффектом при предусмотренном применении изделия, а также возможностью его использования, включая психологические аспекты, определенным потребителем. Срок службы определяет Длительность физической и моральной пригодности изделия как объекта
293
7.1. Нагрузки ‘, вызываемые применением изделия (эргономические нагрузки), и возможности человека, требуемые для их восприятия
Физические нагрузки Сила, подвижность; возможность распределения нагрузок по различным частям тела; мастерство; адаптируемость
Нагрузки на органы чувств Способность воспринимать интенсивные нагрузки; сложность и комплексность восприятия; адаптируемость
Психические нагрузки Способность к мотивации; адаптируемость
Нагрузки на внимание Концентрация внимания; быстрота реакции; адаптируемость
Интеллектуальные нагрузки Память (запас фактов); способность к программированию (алгоритмизации); способность к связи явлений (принятие решений)
Нагрузки, обусловленные стремлением к защите от психофизических перегрузок Способность к стабилизации психофизического состояния
1 В каждом случае нагрузки характеризуются частотой их появления и продолжительностью.
потребления или применения. Соотношение пригодности и срока службы подобно соотношению качества и надежности.
Объектами технической эстетики являются промышленные изделия с учетом условий применения, особенно условий деятельности, связанной с использованием органов чувств. Ее пределы — потребности, поскольку они могут быть удовлетворены в результате применения изделия, эффективность которого зависит и от его эстетического решения.
Ценностная оценка. Потребитель оценивает не только результат применения изделия, получаемые материальный и нематериальный полезные эффекты, но и само применение, т. е. производит ценностную оценку. Эта оценка зависит от ожидаемых и фактических результатов применения, а также от ожидаемого и фактического полезных эффектов. Чаще всего она представляет собой комплексную оценку изделия: «пригодно», «непригодно» или «неясно».
Эстетическая оценка. Особую роль при ценностной оценке играет ее эстетическая сторона, так называемая эстетическая оценка. Эстетическим называют то качество отношений между человеком (субъектом) и изделием (объектом), результат которых основан на мысленном восприятии. Это качество выходит за пределы значения самого объекта и определяет симпатию, антипатию или равнодушие, удовольствие или отвращение, воспринимаемые одновременно «как разумом, так и сердцем».
Эстетическая оценка всегда базируется на представлении об идеальном (например, «красивом») объекте применения, стоящем в 294
определенных отношениях к человеку, т. е. на предварительной оценке зачастую неопределенного ожидаемого результата применения (а также и неопределенного ожидаемого результата ощущений), которое может в значительной мере изменить эту предварительную оценку. Следовательно, эта оценка зависит от субъекта, а также от отношения к нему общества и типа самого объекта. Эстетическая оценка может быть разбита на отдельные факторы, каждый из которых характеризует принципиальные параметры эстетического качества. Содержание параметров должно определяться соответствующими задачами, выполняемыми изделием. От самой низкой до самой высокой оценки могут получить такие факторы, как привлекательность, современность, способность вызвать интерес, наглядность, соответствие назначению (табл. 7.2), правдоподобность и совершенство. Последнее является ключевым фактором, все другие — дополняющими. Если изделие не создает впечатления совершенного, то все другие факторы его эстетического решения сильно снижаются или вообще теряют силу. Совершенство изделия выражается как в мастерстве, так и в изяществе выбора его конструкции и формы, а также изготовления. Совершенство не является абсолютной величиной, оно зависит от условий обеспечения функциональной надежности, целесообразности технологии изготовления, а иногда и от размеров изделия. Совершенство родственно соразмерности; в приборостроении оно играет'доминирующую роль.
Эстетическое восприятие и прочие условия применения изделия тесно переплетены между собой. Без достаточного технико-экономического обоснования и оптимального эргономического решения мероприятия, даже специально направленные на улучшение эстетики изделия, будут эффективны не в полной мере или даже могут играть отрицательную роль.
7.2. Критерии соответствия изделия его назначению
Критерий Характеристика Оценка
Соответствие содержанию, форме, используемому явлению Изделие обеспечивает ожидаемый в соответствии с назначением результат применения Соответствует
Качественное соответствие Изделие отвечает требуемому уровню, отличается соразмерностью, построено в соответствии с требованиями Соразмерно
Количественное соответствие Изделие выглядит уравновешенным, тонко отрегулированным, гармоничным Гармонично
7.2. Выбор формы изделия
Этот процесс состоит в определении и наглядном представлении всех взаимосвязей изделия с окружающей средой, которые проявляются через эргономические и эстетические реакции человека [7.4, 7.5, 7.20—
295
Рис. 7.3. Диаграмма Венна, поясняющая взаимосвязь (независимых и общих) факторов, которые определяют форму изделия:
Е — эргономические; А — эстетические; Т — технические (конструктивно-технологические) факторы
7.22]. Он неразрывно связан с определением и конкретизацией этих связей, обычно полностью описываемых с помощью физических величин.
С самого начала разработки изделия процесс выбора его формы заключается в выявлении взаимосвязей всех величин, определяющих форму. Поэтому выбор формы начинается с момента постановки задачи и заканчивается оценкой опыта эксплуатации изделия с учетом всех его взаимосвязей с человеком, в том числе общественных (см. рис. 7.1—7.3).
Переплетение этого процесса с другими, прежде всего с процессом конструирования, выражается в постановке общей задачи, ее уточнении и разбиении на подзадачи. Процесс корректируется на каждом последующем шаге конкретизации облика будущего изделия, особенно во время интеграции всех определяющих форму составляющих решения в форму в целом (суперизация). Проверка правильности выбора формы изделия является основным вопросом при его эксплуатационных испытаниях и исследовании потребностей в нем.
Благодаря специфическим возможностям технической эстетики в рамках процесса конструирования промышленные изделия представляют собой составные части реального мира среды, обладающие заданными свойствами, которые оказывают влияние на поведение человека, проявляются в виде эргономических и эстетических факторов и благодаря этому повышают потребительскую ценность изделия.
Возможности технической эстетики проявляются в двух взаимно связанных плоскостях.
1. В зависимости от общественных условий техническая эстетика исследует жизненные процессы и воздействующие на них (их содержание) изделия, требующие разработки и непосредственно обеспечивающие удовлетворение потребностей человека. При этом исследуются: процессы применения изделия в соответствии с его назначением; вид и объем необходимых взаимосвязей в системе изделие — человек; эстетические потребности определенных групп потребителей.
В результате определяется цель конструирования для получения новой концепции изделия, обладающего новой потребительской стоимостью. Если зафиксировать объем и вес всех необходимых взаимосвязей изделия с окружающей средой, то эргономические, технические и эстетические функции могут быть сформулированы только в зависимости друг от друга. Это и есть конструирование.
296
2. Для промышленных изделий, по содержанию отвечающих этим требованиям, техническая эстетика привлекается при разработке художественно-конструкторского решения.
Конструирование в узком смысле представляет собой планомерный процесс конкретизации и упорядочения решений при первоначальном продумывании и прочувствовании. Оно состоит из процессов распределения (выбора носителей функций), формирования (размещения в определенном порядке или подчинения, внутреннего подчинения, «приведения в порядок», т. е. придания изделию свойственного ему качества) и назначения размеров. Основным является процесс разработки формы. На этом этапе выявляются взаимосвязи всех величин.
Инвариантные элементы разделки
Количество листов^ ЛистИЧ Соединение элементов различной формы варианты вида спереди
Катало* форм
Рис. 7.4. Варианты соединения элементов различной формы, которые можно получить на экране дисплея, например, в процессе автоматизированного проектирования путем комбинации или изменения геометрии элементов, соединяющих неизменные во всех этих вариантах отверстия и стержни (лист из каталога форм)
297
Количество листов- 2 Лист №2
Прибор с окуляром Тип 3
варианты вида сбоку
Каталог форм
Инвариантные элементы / изделие
2 Дополнительный объем средних размеров
3. Дополнительный объем малых размеров
2.9
3.1
32
33
-л-
J.4 3.5
------------
3.6
—Аг
Рис. 7.5. Варианты компоновки прибора с окуляром, отличающиеся дополнительными объемами (лист из каталога форм):
S — центр тяжести
С помощью целенаправленного использования эстетически эффективных средств форма изделия определяется компоновкой — оптимальным размещением — его составных частей. Компоновка представляет собой рациональную основу изделия, соответствующую его наилучшим эргономическим и техническим решениям. Она осуществляется совместно специалистами по эргономике и технической эстетике, а также конструкторами. Определенные геометрические образования сохраняются инвариантными (неизменными) на всех этапах выбора формы изделия. Для этого используются специальные каталоги форм, в которых содержатся варианты компоновок (рис. 7.4—7.6). Целесообразно найденная форма изделия одновременно способствует эмоциональному, т. е. эстетическому, выявлению его содержания. В процессе выбора формы приходится сводить в гармоничное целое различные влияющие на форму, но зачастую противоречащие одно другому решения.
Конструктивно-технологически, эргономически или эстетически обусловленная форма в каждом случае отражает только содержательную сторону одной из форм изделия.
298
Рис. 7.6. Варианты компоновки прибора с окуляром (п. 2.8 на рис. 7.5), отличающиеся расположением элементов (лист из каталога форм)
Качество выбора формы изделия характеризуется: комплексностью решения относительно потребления, производства, экономики и экологии; возможностью формирования оптимальных взаимосвязей между человеком, окружающей средой и изделием; эстетическим воздействием, которое ставится на один уровень с потребительской стоимостью и характеризуется материальной и эстетической ценностью изделия.
Надежность эстетических решений выражается в моральной и физической долговечности (сроке службы) изделия.
Специфические результаты деятельности специалиста по технической эстетике целесообразно оценивать по реальным моделям, а не по техническим чертежам и т. п. Поэтому моделирование должно быть обязательным в процессе выбора формы изделия.
299
7.3. Функции изделия, обусловленные его формой
7.3.1. Эргономическая функция
Эргономическая функция представляет собой свойство прибора, позволяющее реализовать способности человека (врожденные и приобретенные) в соответствующее применение этого прибора. Для оптимизации применения прибор может разрабатываться с учетом максимального облегчения этого процесса для человека или человек, например, с помощью обучения может приспосабливаться к конкретному прибору. В приборостроении преимущественным становится первый из этих путей.
Эргономическая функция состоит из частных функций, обеспечивающих безопасность, эффективность, удобство и гигиеничность применения. Они реализуются за счет других частных функций, соответствующих таким критериям применения, как узнаваемость (понятность), доступность, преодолеваемость, а также принудительность и обязательность.
Носители функции. Выбор и конструирование средств, выполняющих функции, производятся в зависимости от условий применения изделия и интенсивности используемых особенностей человека. (К этим особенностям относятся антропометрические, определяемые размерами частей тела человека; эргометрические, соответствующие его биомеханическим возможностям; сенсометрические, зависящие от работы органов чувств, и информетрические, характеризующие способности человека обрабатывать информацию.) Носителями функций могут быть сами технические функции, а также условия, форма, размеры и материал, знаки, порядок и алгоритмы.
Эргономически обусловленные технические функции учитываются на всех этапах жизненного цикла изделия: от постановки задачи до решения о необходимости обновления продукции. Прежде всего следует стремиться к обеспечению безопасности труда (до безусловной безопасности) за счет выполнения технических функций только одним заданным способом независимо от тех или иных, даже ошибочных действий человека. Нагрузки, необходимые для применения изделия, следует снижать до минимально возможных, вплоть до использования технических решений, делающих применение комфортным.
Типы геометрических форм. Геометрические условия, определяемые положением потребителя относительно прибора и его контактами с ним, характеризуются «геометрией применения». Эти условия, определяемые процессами подачи и отведения предмета труда, а также (относительными) рабочими движениями к органам управления прибора, описывают «геометрию рабочего процесса». Обе геометрии сводятся к ограниченному исторически стабильному числу исходных геометрических форм (рис. 7. 7). Они определяют форму нового технического изделия, как правило, эффективнее, чем технически обусловленные формы. Эти типы геометрических форм образуют основные ассоциации уже более высокого порядка.
300
Рис. 7.7. Исходные геометрические формы и их использование на примере рентгеновской установки
Стержень Поверхность Сплошное тело Добавление Изъятие Изменение . элементовформы
Сохранение размеров - увеличение-уменьшение
Одног бул- трехмерная комбинация
Смысловой
Изобразительный
Только обучение
С помощью ассоциаций
С помощью абстрагирования
О&щиц Специ-. Процесс процесс альныи процесс
4 А 1 - 41
о ©
Элементарные Комбиниро-знаки Ванные знаки.
Познавательный, новый
Смысловой рисунок
Пиктограмма
Рис. 7.8 Знаки (элементы обозначения), наносимые на приборе (см. табл. 7.3)
301
Знаки как элементы приборов должны разрабатываться совместно со специалистами по инженерной психологии и с графиками по критериям оценки (рис. 7.8, табл. 7.3, 7.4). Знаки наносятся с учетом других элементов обозначения (линий, надписей) и являются составной частью общего художественно-конструкторского решения изделия.
7.3. Использование различных знаков для обозначения на приборах процессов, состояний и объектов
Характер знака Области применения Используемые знаки (см. рис. 7.8)
А1 в с2 D Е F G
Обобщенный Все сферы жизни, вплоть до указаний для зарубежных потребителей X X (X)
Типичный Какая-либо одна сфера жизни, например домашнее хозяйство, работа, общественные отношения X (X) (X) X X X
Характерный Какая-либо специфическая сфера деятельности (деловая, процессуальная) X X (X) X (X) X
Единичный Особые случаи X X
1 Необходимо единое соглашение о языке обозначений.
2 Необходима специальная договоренность.
7.4. Критерии оценки знаков, наносимых на приборах
Номер оценки Характер знака Номер оценки Характер знака
1 Целостный и быстро «схватываемый» 5 Меткий, не спутываемый с другими
2 Легко и быстро понимаемый 6 Устойчивый к шумам, даже при увеличении или уменьше-
3 Сокращенный, комбинированный (по форме или семантике) 7 нии Технологически оправданный
4 Требующий запоминания 8 при всех способах нанесения Эстетически привлекательный и уравновешенный сам по себе и относительно целого
302
Эргономические взаимосвязи, упорядочивающие процесс разработки решения, возникают на базе общих естественно-научных знаний [7.6, 7.7, 7.8]. Эти взаимосвязи определяются различными правилами. Правила назначения размеров (в том числе стандарты) упорядочивают размеры средств труда. Правила выбора рабочих движений определяют движения, необходимые для выполнения рабочего процесса (частично эти правила имеют вид технологических стандартов). Правила выбора рабочих нагрузок зафиксированы (большей частью законодательно) различными положениями об охране труда. Правила обмена информацией определены различными инструкциями об условных обозначениях. Последние очень тесно связаны с правилами эстетического решения изделий (рис. 7.9). Действенность семантической информации может быть усилена или ослаблена формально-эстетической информацией.
Для разработки изделия обычно необходимо знание условий его работы, размеров рабочего места, методов работы, объема и условий передачи информации. Поскольку это требование не всегда выполнимо, эргономически оптимальную форму изделия можно найти не во всех случаях. Разработка каждого прибора должна сопровождаться исследованием всего процесса его будущей эксплуатации, что позволит получить необходимые эргономические решения. Специалисты по художественному конструированию и конструкторы должны обязательно привлекать к этой работе специалистов, занимающихся вопросами производственной медицины, психологии труда, производственной антропологии, науки о труде, инженерной психологии и т. д.
Эргономика не является дисциплиной, непосредственно занимающейся формой изделий. Она описывает лишь функциональные и конструктивные, т. е. определяющие форму условия, которые закладываются в проект специалистами по художественному конструированию
Рис. 7.9. Взаимосвязь между отдельными эргономическими факторами и эстетическим воздействием:
Т — узнаваемость; 7 — доступность
303
и конструкторами. Следовательно, эргономика представляет собой естественно-научную основу для выбора формы.
Алгоритмы. С позиций теории информации само изделие (в качестве определенной формы) может рассматриваться как знак, поэтому в форме прибора могут содержаться алгоритмы в виде легко расшифровываемых правил. Эти алгоритмы (информация) должны обеспечивать заданную во времени последовательность применения прибора (например, в виде инструкций по эксплуатации и т. п.). Они могут содержать характер и дополнительные указания по обучению. Разработка алгоритмов и формы их представления требует квалифицированной тщательной работы на базе анализа и синтеза потребностей предполагаемых потребителей.
7.3.2. Техническая функция
Техническая функция конкретизируется в конструкции прибора, особенности которой (геометрия, материалы, технология изготовления) зависят от всей совокупности требований к конструированию прибора и его условий. Наряду с самым важным признаком изделия — формой его применения — конструкция является фактором, определяющим реализуемый технический принцип действия. Эстетическое воздействие, оказываемое изделием как конструкцией, зависит в основном от его формы (открытая/закрытая, некомпактная/компактная, несущая/самонесущая, проницаемая/непроницаемая и т. д.; рис. 7.10), а также от типа и способа изготовления. Иногда по внешнему виду изделия видно, как оно было изготовлено. В мысленно воспринимаемой «конструкции» заключается
Общая форма /// 4V/ л
Закрытая форма (оболочка закрывает несколько элементов)
Форма единого узла

Внутренние и внешние взаимосвязи
Характерный внешний вид
Агрегатная форма (структура изделия состоит из нескольких элементов) Образец расположения элементов
Рис. 7.10. Возможные формы изделия (пример внешнего расположения формообразующих элементов — внешняя упаковка изделия в целом, внутреннего расположения — упаковка каждого элемента изделия отдельно от других; внутренние/ внешние взаимосвязи могут иметь место, например, при проницаемости конструкции изнутри наружу по физическим, конструктивным, эргономическим, эстетическим причинам)
304
мощный неисчерпаемый источник эстетического воздействия и технического совершенства.
Оптимальным технико-конструктивным решением при выборе формы изделия следует считать решение по принципу минимизации этой формы [7.21]. Этот принцип предполагает последовательный переход к облегченным конструкциям при наиболее экономичном их формировании.
7.3.3. Эстетическая функция
Эстетическая функция изделия представляет собой его свойство при определенных условиях трансформировать заранее сложившееся или неопределенное эстетическое ожидаемое впечатление, или точку зрения потребителя в определенное положительное настроение (положительное эстетическое направление) по отношению к изделию и процессу его применения (рис. 7.11). Каждая эстетическая функция, связанная с выполнением изделием своей задачи, сопровождается раскрытием сущности изделия (отражением его сущности во внешних проявлениях, раскрытием характерных черт), оценкой его ценности (также во внешних проявлениях) и положительных эмоций при применении этого изделия. По содержанию каждая эстетическая функция характеризуется отношением к субъекту, группе, обществу, объекту, совокупности, системе. Эта функция уточняется посредством выделения общего, типического и характеристического во внешних проявлениях изделия.
Формы, вызывающие положительные эмоции, несут информацию, которую можно расшифровать и которую в целом несет эстетическая функция, а именно: информацию о свойствах изделия, знаковую и формально-эстетическую информацию. При отсутствии последней оценка изделия производится без эстетических реакций.
Информация о свойствах может быть получена в виде физически достаточно подробного описания реальных характеристик изделия.
Знаковая информация. Выявление подробных характеристик изделия, необходимых для оптимального использования, предполагает наличие определенных знаний у потребителя. Потребитель должен получить для этого некоторые пояснения, которые могут быть представлены в виде знаков, вызывающих у него конкретные ассоциации или ассоциации, расшифровываемые в результате обучения. Кроме того, сам прибор или его элементы могут играть роль знаков (см. табл. 7.3). Свойства объекта также могут быть знаками (например, знаками ценности) или изменять свое значение, приобретаемое в общественной практике (например, ценные свойства некоторыми потребителями могут быть охарактеризованы как ненужные). Один и тот же прибор в зависимости от соответствующих условий может нести различную, даже противоречащую прежней знаковую информацию. Образование одного качественного нового знака из других (по меньшей мере двух) знаков называется суперизацией.
Например, буквы u, a, s образуют слово aus (из). С-образный корпус, одноокулярное настольное исполнение, наличие ручек настройки, а также высокое качество отделки, ассоциирующееся с большой точностью, 305
Рис. 7.11. Получение эстетической функции образуют форму микроскопа или подобного микроскопу прецизионного прибора.
Формально-эстетическая информация является основным носителем сообщений, способствующих получению положительных эмоций. Следствием ее воздействия являются возбуждение и упорядочение. Первое корреспондируется с факторами эстетической оценки «способность вызвать интерес» и «современность», второе — с факторами «наглядность» и «соответствие назначению». Возбуждение вызывает впечатление привлекательности, упорядочение — приобщения к искусству.
Носители информации. Эстетические функции реализуются только через мысленное восприятие свойств изделия, обусловленных его художественно-конструкторским решением. Значительную роль играют субъективные и объективные условия воздействия и восприятия этих факторов.
Восприятие художественно-конструкторского решения изделия и общее восприятие неразрывны между собой. Элементы восприятия, 306
обеспечивающие получение положительных эмоций, следует выбирать и формулировать с учетом законов или факторов формообразования так, чтобы можно было гарантировать требуемое воздействие на ощущения потребителя и получить запланированные эстетические свойства изделия.
7.4. Восприятие формы изделия
7.4.1. Возбуждение — ощущение
Основной психофизический закон (закон Вебера-Фехнера) устанавливает связь между возбуждениями средней силы и вызываемыми ими ощущениями. В соответствии с этим законом интенсивность ощущений пропорциональна натуральному логарифму силы возбуждения. Если возбуждение увеличивается в геометрической прогрессии, то. интенсивность ощущений повышается в арифметической прогрессии.
Этот закон справедлив для всех типов ощущения при нормальных условиях в пределах от нижнего порога ощущения, при котором возбуждение уже не воспринимается, до порога насыщения, выше которого изменения возбуждения не вызывают устойчивых реакций. Изменения интенсивности возбуждения в пределах между этими порогами ощущаются только тогда, когда они достаточно велики (для разных людей они различны), т. е. не ниже соответствующего минимального прироста возбуждения: порогового прироста. Таким образом, существует конечное число элементов восприятия для каждой группы рецепторов или для каждого канала восприятия [7.10].
7.4.2. Закон хорошей визуальной формы
В настоящее время плотность и скорость поступления вызывающей определенное возбуждение информации намного превышают возможности использования ее потребителем [7.10, 7.17]. В результате информация теряется, пропускается или же отбирается лишь часть ее по тем или иным критериям. При нескольких возможных вариантах восприятия потребитель всегда стремится идти по пути наибольшей простоты, очевидности, целостности, симметрии (включая и уравновешенную асимметрию) относительно главной оси (воспринимаемого) пространства.
Восприятие формы изделия как такового целостно. Свойства этой формы отражают внутренние взаимосвязи между элементами восприятия (автокорреляция) и не теряются как несамостоятельные составные части при изменении воспринимаемого образа.
Свойства формы делятся на структурные (расположение, пространственная форма, структура, профили распределения яркости и окраски, членение, распределение масс и т. д.), граничные (зависящие от структуры свойства, такие, как прозрачность, легкость, шероховатость, плоскостность и т. д.) и свойства, отражающие сущность изделия (его характер, соответствие назначению и т. д.).
307
Форма — в смысле внутренней взаимосвязи — остается многозначной (противоречивой), если она не отделена от фона (шума). Поэтому следует учитывать, например, соотношение между формой и ее фоном, между организованными и неорганизованными элементами восприятия. Если восприятие человека перегружено слишком большим количеством информации, то он или прекращает воспринимать ее, или воспринимает ее лишь по частям: одну часть за другой. Границы восприятия определяются также соотношением «интересности» (информативности) и «понятности» (семантической и синтаксической избыточности), различным для различных социальных групп людей.
Восприятие зависит от объективных и субъективных условий, в которых оно осуществляется, а также от произведения готовности к нему и интенсивности возбуждения. Предпочтение, отдаваемое каким-либо восприятиям, настрой на них являются важнейшими факторами готовности к восприятию.
7.4.3. Закон одновременности
Все элементы восприятия действуют взаимно различными способами, одновременно и при изменяющемся фоне. Взаимосвязь отдельных законов формообразования можно определить (по Реннеру): «Законы формообразования образуют одно нерасторжимое целое, и справедливость каждого отдельного закона ограничивается справедливостью всех остальных. Тот, кто выхватит из этой взаимосвязи одно требование и обеспечит его безусловную справедливость, превратит его смысл в бессмыслицу».
Например, какой-либо цвет кажется одному «холодным», другому «теплым»; при изменении условий восприятия может наблюдаться обратная картина. Искажение восприятия, известное как «оптический обман», при одновременном представлении изменяет ожидаемые свойства формы независимо от творческих процессов. Эти явления необходимо сравнивать визуально. Неблагоприятные соотношения формы могут быть визуально улучшены путем сознательного использования искажений восприятия. Такие явления формируются с использованием всех элементов художественно-конструкторского решения изделия.
7.4.4. Ассоциации
Ассоциации оказывают значительное влияние на восприятие (см. разд. 7.5.3). С одной стороны, они могут быть преобладающими в этом восприятии и свести на нет цель конструирования, с другой — их сознательно можно использовать для достижения требуемой цели.
7.4.5. Форма прибора, воспринимаемая в качестве информативной
В рамках условий применения изделия и его восприятия свойства формы этого изделия вызывают возбуждения, которые в качестве сигналов ощущений являются носителями сообщений, содержащих сойтветствую-308
щую информацию. Художник-конструктор «зашифровывает» определенные сообщения в свойства формы, которые «расшифровываются» потребителем в виде определенных эргономических и эстетических эффектов. Эта расшифровка зависит от того, в какой степени потребитель может принять эти сообщения и затем расшифровать их. Такие сообщения позволяют получить верное или неверное представление о сущности прибора, его принадлежности к той или иной категории средств труда, способе его применения, структуре, функциях, опасных местах, техникотехнологическом уровне, а также об ожидаемых технических характеристиках изделия и его общественно-культурном назначении.
При разработке изделия следует стремиться к его высокой информативности, которую определяют следующие факторы (см. табл. 7.4. и разд. 7.6.2):
наличие общего кода или запаса знаков у конструктора и потребителя. Количественно этот код (запас) определяется числом известных объектовых признаков, знаков, ассоциативных образцов; качественнопороговой интенсивностью восприятия информации (порогом возбуждения, порогом насыщения, пороговым приростом возбуждения) ;
соотношение между (скрытой) информацией, которая может быть (или могла бы быть) сообщена, и (явной) информацией, которая в любом случае воспринимается потребителем по форме изделия [7.12]. Информационная перегрузка повышает вероятность ошибочного применения изделия, недостаток информации ведет к невозможности его использования. Прибор (как сообщение) тем лучше, чем меньшее количество указаний требуется для его применения;
шум ощущения. Как только разность интенсивностей полезного (возбуждающего) и помехового сигналов становится меньше порогового значения возбуждения, конструкция может вообще больше не восприниматься. Для повышения устойчивости к шуму используются средства его компенсации, преимущественно средства дополнительного упорядочения (табл. 7.5). Например, покрытие изделия молотковой эмалью, отличающееся неровной поверхностью и наличием случайного рисунка, делает невозможным восприятие тонких структурных линий или чтение надписей, если их структура не намного крупнее структуры «язвин» на лаковой поверхности (разрешающая возможность восприятия здесь зависит также и от расстояния до поверхности).
7.5. Средства и способы воздействия на ощущения
Примерно 78 % всей информации человек получает с помощью зрения, 13 %—с помощью слуха, по 3% — с помощью осязания, обоняния, вкуса. В памяти человека остается 40 % всего увиденного и 20 % услышанного [7.23].
При заострении внимания на выполнении определенной мысленной функции (эргономической, эстетической) органы чувств действуют совместно. Отсюда можно определить перечень средств воздействия на ощущения в практике выбора формы изделий: дискретные элементы
309
7.5. Способы компенсации шума при передаче визуальной информации
Неправильно
Пояснение
Правильно
Тонкие контурные линии не видны на поверхности низкого качества. «Тонко ощущаемые» формы требуют поверхностей соответствующего качества, например, в отношении механической обработки, покрытия, а также условий транспортирования и хранения. Однако высокое качество формы отражает также технологические возможности и требования к качеству самого изготовителя. Мельче-ние форм говорит лишь о возможности изготовления мелких деталей
«Изъязвленная» поверхность маскирует элементы знаков. Даже при высокой интенсивности линий знаков их форма теряется на таком фоне. Фон, обусловленный «язвинами», еще более усиливается при лакировании поверхности
Lflschen
20 1 11 1 । 1 1 21 iliii
9 2 । । । 1 11 8 iilii

Нужная шкала ничем не отличается от другой. Она должна быть выделена с помощью дополнительных знаков или, что еще лучше, полностью отделена от другой шкалы (например, подсветкой)
формы (восприятие, элементы восприятия), взаимосвязи упорядочения, ассоциации (формирование значений). Эти средства могут заменять друг друга. Например, какая-либо ассоциация может выступать в качестве дискретного элемента формы и средства упорядочения. Цвет может быть использован как элемент окраски (вызывая определенное 310
возбуждение), как средство упорядочения или как средство, вызывающее ассоциацию с различными эргономическими и эстетическими функциями. Элементы формы конструкции несут элементы формы ощущения без необходимости в соответствующем согласовании структуры.
7.5.1. Дискретные элементы формы
К этим элементам относятся линии (точки), поверхности, тела, пространство, цвет и цветовой контраст.
Линии (точки, ленты, пятна) представляют собой элементы формы, характеризующие протяженность объекта. Материально они проявляются в виде кромок, стыков, канавок, ребер, нанесенных или вдавленных линий, границ между светлыми и темными поверхностями, границ теней и т. д. Линии, однако, могут восприниматься и мысленно в виде «мостиков» между отдельными точками, а также между графическими и пластическими элементами (эффект дополнения). Такие «мостики» могут использоваться для визуальной группировки и сглаживания контуров; однако их следует избегать, если в результате могут появиться искажения формы, изображения. Близко расположенные линии могут восприниматься как фигуры, линии, лежащие далеко друг от друга,— как ограничение заключенного между ними пространства. При определенном расположении линии легко могут привести к искажениям восприятия геометрических образов. Для предотвращения этого следует придерживаться следующих правил:
если элементы различной формы должны «стыковаться» по одной мысленной граничной линии, то кроме геометрического выравнивания необходимо осуществить также визуальную коррекцию положения этих элементов до получения впечатления о плавности их перехода один в другой;
линии в виде материальных элементов, нанесенных на подложку для упорядочения, следует использовать возможно реже или вообще не использовать. При необходимости в таких линиях для нанесения шрифтовых знаков толщина штрихов не должна приводить к слиянию изображений;
при среднем уровне освещенности тонкие линии выглядят на светлом фоне более резко и различаются легче, чем светлые знаки на темном фоне, при низкой освещенности наоборот;
при расположении линейных элементов в ряд следует обращать внимание на их соответствие шкале серых цветов, если только элементы не должны резко отличаться друг от друга для членения.
Поверхности — элементы формы, характеризующиеся покрывающим действием. Они образуются ограничивающими линиями; иногда ограничиваются только визуально.
Направление протяжения и соотношение сторон являются основными факторами контраста при зрительном восприятии поверхности. Графическое членение, стыки, смена окраски, пластическо-пространственное структурирование (рельеф и т. п.) могут оказывать решающее влияние на форму поверхностей. Очень блестящая поверхность привлекает
311
внимание сильнее, чем менее бросающаяся в глаза матово-глянцевая, и может приводить к зрительному искажению формы. При членении поверхности мелкими элементами формы, например органами управления или надписями, образуются остаточные участки, визуально неразрывно связанные со всей поверхностью и поэтому требующие такого же тщательного оформления (рис. 7.12). Так как формы поверхности также оказывают взаимное влияние, необходимо предотвращать возможные зрительные искажения.
Восприятие поверхности зависит от освещенности окружающей среды и максимального контраста с соседними поверхностями. При членении поверхностей необходимо учитывать горизонтальную визуальную середину, которая у прямоугольных поверхностей лежит несколько выше геометрической середины. Зрительное равновесие верхней и нижней
Рис. 7.12. Поверхности и остаточные участки (эффекты относительной контрастности и равновесия):
1 — без окантовки; 2 — с окантовкой; 3 — демпфирование контраста размера контрастом формы; 4 — равновесие; 5 — нарушение равновесия различной визуальной тяжести, вызываемое различием светлоты; 6 — равновесие за счет суммарной светлоты; 7 — равновесие за счет различия размеров
312
частей относительно визуальной середины, особенно остро воспринимаемое соотношение правой и левой частей в случае плоскостей должно учитываться при выборе формы изделия (см. рис. 7.12):
для повышения наглядности следует выбирать большие ровные поверхности с четкими пропорциями;
поверхности следует членить по единому четкому принципу упорядочения.
Тела (пластические формы) характеризуются объемом при рассмотрении их с извне лежащей точки. Тело, поверхность которого имеет проемы, занимает промежуточное положение между сплошными телами и пространством. Визуальное восприятие тела зависит от особенностей его поверхности, освещения и искажений этого восприятия. Выпуклые и вогнутые поверхности или контуры являются определяющими элементами пластической формы. Вогнутые элементы способствуют созданию впечатления пространства (оболочки), т. е. в принципе противоречат признаку объема (массивности). Выпуклые и вогнутые элементы формы по отношению друг к другу образуют пластический контраст. Пластические или плоскостные образования могут вызывать эффект динамики или статики, они применяются в случае неоднозначности, «нефиксированности> формы и пропорций. Такие формы следует проверять на моделях.
Выбор пластической формы представляет собой процесс оптимизации между процессами повышения (членение) и уменьшения (единообразие и упрощение) контраста (см. разд. 7.6.3).
Пространство охватывает предметы и образует размерную окружающую среду для человека. При выборе формы технических изделий необходимо учитывать их расположение в пространстве:
равные гармонически разделенные на участки поверхности и тела облегчают эстетическое формообразование пространства;
тела с функционально обусловленными крупными формами могут оказаться пространственно-визуально связанными, что ведет к образованию новых пространственных форм, потере наглядности, появлению визуальных шумов и ошибочных ассоциаций (образование визуальных «мостиков>).
Цвет различается по типу (цветовому тону) и мере (светлоте и насыщенности). Выбранный в соответствии с материалом цвет может самостоятельно выполнять физические, эргономические и эстетические функции. Как элемент формы он может выполнять задачи возбуждения, упорядочения и значения.
Воздействие цвета изменяется особенно сильно в соседстве с другими цветами, даже если их интенсивность ниже порога раздражения. Уже поэтому нельзя дать никаких обобщенных закономерностей для выбора цветового решения.
При выборе окраски изделия необходимо учитывать окружающую его среду и освещение. Цв^т может подчеркнуть форму и конструкцию изделия, благодаря чему может быть улучшена его наглядность. С помощью окраски на потребителя может быть оказано положительное психологическое воздействие и наоборот.
313
Цвета и их распределение должны соответствовать содержанию и форме изделия. Цвет оказывает сильное воздействие на моральный износ изделия. Цветовые решения могут быть различными для различных групп потребителей, особенно для потребителей разного уровня интеллектуального развития. Эти решения необходимо проверять для всех изделий, особенно экспортных (например, окраска может носить религиозный характер, иное, чем запланировано, значение и т. д.; табл. 7.6).
7.6. Эффекты, связанные со цветоощущением
Цвет
используемый как признак свойства
знак
формально-эстетическое средство
играет роль раздражителя, средства упорядочения и средства формирования значения
и воздействует изменчиво, в зависимости от окружающей среды, а также от условий восприятия и воздействия, соотношения смешения цветов
в комбинации с объектом преимущественно:
по интенсивности 1 синтетически-ассоциативно психологически пространственноформально 2
Желтый сильно легко, громко, пронзительно, впечатление кислого, тепло (желтый, желто-коричневый) кратковременно-концентрирующе (бледный,- тускло-золотистый) долговременно — утомляет приближает, увеличивает
Оранжевый очень сильно громко, сухо, тепло активизирует приближает
Красный очень сильно тепло, громко, тяжело ярко-красный, цвет розы — цветисто красный, цвет розы, цвет лиловой розы — приятно возбуждающий пурпур — торжественно красно-бурый — концентрирующе для рабочего помещения приближает
Коричневый умеренно от тепло до затхло от солидно до экстравагантно ассоциации с шоколадом уютно очень приближает, сужает
314
Продолжение табл. 7.6
Цвет по интенсивности 1 синтетически-ассоциативно психологически пространственноформально 2
Синий умеренно холодно, тяжело, тихо, точно, гигиенично зеленовато-голубой — солоновато концентрирует, иногда подавляет удаляет
- Зеленый — умеренно свежо пахнущий, легко, влажно, холодно (зеленый, зеленовато-голубой) зеленый минеральный — гигиенически желто-зеленый — впечатление кислого успокаивающе вплоть до усы -пляющего, но специальный желто-зеленый цвет может как возбуждать, так и парализовать зеленый цвет воды — концентри-рующе для средств труда удаляет
Белый сильно при одновременном действии темных насыщенных цветов легко, точно белый, беже- вый — концентри-рующе для средств труда,растор-маживающе увеличивает, выдвигает вперед, создает впечатление стенки
Серый умеренно солоновато светло-серый, цвет металла, матовый и шелковистый — точно благородно — ближе к пестрому уныло — ближе к серому все — эмоционально-нейтрально светлый — увеличивает темный — уменьшает
Черный сильно при одновременном действии более светлых ненасыщенных цветов тяжело, тепло черный, черно-коричневый — точно, серьезно тормозящий эффект уменьшает, раздвигает границы, настораживает
1 Теплые тона воздействуют более интенсивно, чем холодные; чистые цвета — более интенсивно, чем приглушенные; насыщенные — интенсивнее, чем ненасыщенные; очень светлые и очень темные — интенсивнее, чем средней светлоты.
2 Изменение впечатления о расстоянии до предмета: коричневый (наиболее близкий) — красный — оранжевый — желтый — желто-зеленый — зеленый — синий (наиболее удаленный)
315
Так же как форма изделия и качество его поверхности, важное значение имеет его окраска. При ее выборе необходимо учитывать следующее:
для приборов, используемых в технологическом процессе и в течение длительного времени, благоприятен цветовой ряд, гармонически изменяющийся по насыщенности цвета. Для потребительских товаров кратковременного пользования возможны чистые цвета;
многокрасочность оправдана только тогда, когда она способствует упорядочению и выполнению функции;
при выборе цветового решения прибора, предназначенного для установки на рабочем месте, большое значение имеет окраска всего рабочего помещения;
особого внимания требует выбор цветов прибора и его фона при установке на рабочем месте;
цветовые контрасты (табл. 7.7) должны выбираться в зависимости от продолжительности их восприятия. Для изделий повседневного применения, а также для рабочих помещений, средств труда целесообразны умеренные контрасты. При кратковременном восприятии (например, при высокой интенсивности сигнала) возможны более сильные контрасты;
для восприятия цветов окраски больших площадей их интенсивность (чистота) должна быть меньше. Цвета сигнала и опознавательных знаков, например красный, желтый, зеленый или красный (теплый) и синий (холодный), при относительно малой их площади могут быть чистыми;
лаки, изменяющие свой цвет или подобные им, влекут за собой визуальные шумы, поэтому их следует применять только для специальных
7.7. Напряжения (интенсивности раздражения), вызываемые различными цветовыми контрастами (комбинациями, созвучиями цветов) [7.14|
Напряжение Контраст за счет
цветовых тонов светлот насыщений
Невыносимое Различно Различно Различно
Сильное Различно Различно Подобно Различно Подобно Различно Подобно Различно Различно
Умеренное Различно Подобно Подобно Подобно Различно Подобно Подобно Подобно Различно
Примечание. Цветовой тон может быть получен чистыми спектральными цветами (красным, желтым, синим и т. д.), и их смешением. Светлота может быть различной в соответствии с различной чувствительностью глаза при разной длине волны или в зависимости от доли белого цвета в смеси цветов. Насыщенность определяется долей черного цвета в смеси цветов или долей пигментов в смеси красок.
316
целей или вообще не использовать. Для окраски рабочих мест всех типов эти лаки, как правило, не применимы.
Контрасты как элементы ощущений могут восприниматься, сопровождаясь увеличением внимания (по времени или в отношении концентрации). Для восприятия более слабых или более сильных контрастов требуется соответственно большее или меньшее время. Контрасты необходимо тщательно уравновешивать с окружающим фоном с учетом всех условий применения изделия. При этом следует принимать во внимание следующее:
уменьшение числа контрастов или их уравновешивание может привести к снижению психологических напряжений;
слишком малый контраст ведет к уменьшению психологических напряжений, снижает способность к различению деталей и может вызвать психически обусловленную усталость. Затемненные помещения, однотипность приборов различного назначения вызывают формальное выравнивание их восприятия, что может иметь опасные последствия;
слишком сильный контраст снижает скорость реакции и способность к восприятию (такие последствия могут иметь декоративная отделка средств труда и неупорядоченные рабочие поверхности, имеющие детали различной формы);
при длительном восприятии (при большом времени работы) контрасты должны быть умеренными. Это относится к окраске рабочих помещений, изделий длительного пользования;
при коротком времени восприятия возможно использование более сильных контрастов, например, при окраске средств местного сообщения, сигнальных устройств, упаковки.
Тела могут иметь различную форму. Тела, ограниченные плоскостями (многогранники), лучше других выявляют форму, создают ощущение упорядочения и членения ее элементов. В случае группового размещения приборов или размещения их в пространстве посредством расположения их внешних поверхностей параллельно друг другу и в одной плоскости можно создать ощущение взаимосвязи, членения, а также уравновешивания различных объемов. Чем меньше число поверхностей, тем сильнее визуальное впечатление, которое может быть еще более усилено закономерностью расположения этих поверхностей (например, в случае правильных многогранников). Кубические тела с острыми ребрами ассоциативно могут восприниматься отрицательно, оскорбительно, неорганически. Ограниченные плоскостями тела (не кубические) с острыми ребрами ощущаются большими по объему, чем тела с неплоскими поверхностями. Чем больше число поверхностей, ограничивающих тело, тем более искривленными они воспринимаются.
Тела, ограниченные неплоскими поверхностями, обычно воспринимаются как «пластические». Отсутствие на них ребер проявляется в эффектах зрительного объединения отдельных частей тела, уменьшения его размеров, обхвата, обтягивания, органичности, «объемистости». Их восприятие снижается при увеличении членения контуров, так как при этом не возникают ассоциации, связанные с формой. Использование таких тел особенно целесообразно для формообразования отдельно
317
Рис. 7.13. Примеры образования формы прибора, состоящего из нескольких частей
расположенных изделий, для изделий, размещаемых в ряд или группами, зачастую возникают трудности с их пространственным уравновешиванием.
При компоновке элементов технических изделий в одно целое нередко приходится объединять различные по форме или размерам части. При этом возможны два варианта.
^Отдельные части изделия состыкованы простым объединением в одно целое, эти части остаются зрительно отделенными друг от друга и связываются лишь конструктивно. Преимуществом здесь является возможность разделения изделия на функциональные и конструктивные узлы с типичным их членением. Недостатки — многоформность, чувство неуравновешенности, наличие углов, в которых собирается грязь, плохая наглядность при большом числе тел, составляющих форму изделия.
2. Изделие по форме выполнено в виде единого целого, число частей, составляющих его форму, сведено до возможного минимума. Эти части могут быть связаны в единое целое плавными переходами; выделяются только основные функционально важные участки (например, только части, необходимые для применения прибора). Преимущества таких изделий заключаются в их зрительном единстве, легкости чистки, условно лучшей наглядности отдельных частей, обусловленных стремлением к снятию психологического напряжения у потребителя.
Во всех изделиях, форма которых не позволяет использовать замкнутые «в себе» простые тела и которые должны представлять собой расчлененные составленные из нескольких частей тела, на незанятые участки пространства необходимо обращать такое же внимание, как и на форму самого изделия (рис. 7.13).
318
7.5.2. Средства и способы упорядочения формы
Целью упорядочения формы изделия является образование ее в соответствии с единым принципом для придания ей наглядности, целесообразности и понятности. В результате форма изделия должна вызывать определенные ассоциации и ощущения. Упорядочение зрительного образа изделия является в этом смысле определяющим, если учесть, как уже упоминалось, что 4/5 всей информации человек получает через органы зрения. Мероприятия по упорядочению выполняют одновременно несколько задач: обеспечение наглядности, понятности, конструктивной прочности (избыточности), а также смягчения возбуждения. Поэтому формообразование является решающим этапом в процессе выбора художественно-конструкторского решения изделия. Основными средствами упорядочения формы являются членение, унификация, упрощение и уравновешивание ее частей.
Членение облегчает ориентацию потребителя при применении изделия (семантический аспект упорядочения).
Унификация позволяет более ясно оценивать сочленение всех частей изделия и подчинение их целому (сигматический аспект упорядочения). Возможны четыре различных очень эффективных способа унификации:
подобие форм или строгая закономерность их изменения, обеспечиваемые деталями, которые формообразующе действуют совместно друг с другом и с формой в целом или образуют одни и те же взаимосвязи;
родственность форм, появляющаяся в результате частичной инвариантности свойств деталей, повторяющихся во всех унифицируемых элементах (рис. 7.14). Уравнение форм не должно идти в ущерб необходимой различимости, оно осуществляется посредством смешения различных элементов формы (рис. 7.15);
пропорциональность достигается при неравных размерах отдельных частей, соотносящихся единым образом при формировании целого;
Рис. 7.14. Примеры унификации форм за счет родства (б) и подобия (в) на базе инвариантной детали (а)
319
родственность сущностей позволяет получить целое при различных частях, если они имеют одинаковые характерные признаки, например прозрачность, точность, гладкость и т. д., вызывая одни и те же
ассоциации.
Упрощение не должно ухудшать необходимое членение формы, унификацию форм изделий.
Целью упрощения является получение просто образуемой и просто воспринимаемой формы (прагматический аспект упорядочения).
Упрощение может быть уточняющим и нивелирующим. Возможны
следующие варианты:
объединение форм, при котором «неспокойные» контуры, затруд-
няющие восприятие, сглаживаются
за счет их слияния (рис. 7.16), если более хорошее решение не может быть получено перегруппировкой или (визуальным) замыканием контуров отдельных частей изделия (рис. 7.17). Если размеры не позволяют объединить формы в достаточной мере, то хорошим выходом может явиться расположение «форма
Рис. 7.16. Упрощение восприятия путем «сглаживания контура» (объединение форм):
а — визуальное сглаживание; б — объединение в целое
Рис. 7.15. Снижение контраста благодаря применению подобных форм:
1 — контраст формы, размера, интенсивности; 2 — устранение контраста интенсивности; 3 — устранение контраста размера при усилении контраста формы; 4 — только контраст размера; 5 — уменьшение контраста под действием нечетких признаков структуры
320
Рис. 7.17. Упрощение формы:
а — неупорядоченное расположение частей, при котором их значимость, т. е. веса, распределение, интенсивности, не подчеркнуты (крестиком выделена наиболее значимая часть); б — упорядоченное расположение; в — суперизированное расположение частей с замыканием (при возможности) их контуров
против формы» при оптимальной их пропорциональности и т. п. Включение дополнительных элементов для улучшения общей формы используется редко;
ступенчатость. Значительная ступенчатость <р формы изделия облегчает восприятие ее различий. Прежде всего это относится к однотипным элементам. Ступенчатость, изменяющаяся по геометрической прогрессии, более гармонична и психологически лучше воспринимается, чем изменяющаяся по арифметической прогрессии. Вместе с тем часто приходится выбирать аддитивные ряды. В обоих случаях можно использовать ряд удвоения (ср = 2). Для надежного ощущения ступенчатости значение ср должно составлять по меньшей мере 1,25;
пропорциональность. В этом случае форма создается при определенном неизменном соотношении ее частей относительно друг друга и изделия в целом. При этом определяющими являются только визуальные размеры; геометрические размеры характеризуют лишь «модель» изделия и искажаются за счет одновременности их воздействия. Для предварительной прорисовки формы и проверки еще неясных пропорций можно использовать уже оправдавшие себя соотношения. Соотношения свыше 7 : 1 не применяются и не пригодны для членения. Окончательно пропорции определяются только визуально.
На практике оправдали себя некоторые общеизвестные пропорции. Для одномерного разбиения целого на части с давних пор используются числовые соотношения между интервалами одномерного континуума (монохорд), например в виде:
( 15 \ 2
1 \ 8 ) 4 3 _2_ _3_ \ 18 / J_*
Для получения модульных упорядочений более пригоден ряд чисел Фибоначчи 1 1 2 3 5 8 13 21..., на основе которого можно образовать пропорцию:
[ 2 3 5 8 13 21
1 £2_3_5 8 13‘
При увеличении числа членов этого ряда отношение каждых двух соседних из них приближается к значению 1,6180..., которое представляет '/211 Зак. 218 321
Рис. 7.18. Выбор формы изделия про-порционированием его размеров в соответствии с «золотым сечением» (а) и в пропорции 2:1 (б)
Рис. 7.19. Выбор формы изделия (точнее, его боковой поверхности) пропор-ционированием его размеров в соответствии с соотношениями сторон и диагоналей сдвоенных квадратов (без визуальной корректировки)
собой пропорцию «золотого сечения». Для гармонического изменения пропорций удобна геометрическая прогрессия. И здесь на практике оправдал себя ряд удвоения (рис. 7.18).
Для двумерных пропорциональностей пригодны все точки пересечений окружностей в их упаковках, образующих регулярные сетки. Особенно удобным оказался ряд сдвоенных квадратов, соотношения сторон одного из которых определяются сторонами и диагональю другого. Площади таких квадратов соотносятся как -/Г; -\/2; -^3; д/4; ^/5; ... (рис. 7.19)
Для трехмерных пропорциональностей числовыл надежных моделей нет. В практике художественного конструирования используется пропорциональность частей формы по каждой из трех осей координат, подобная описанным выше для одномерных распределений (рис. 7.20).
Уравновешивание. Все элементы формы и мероприятия по их упорядочению должны быть так уравновешены относительно друг друга и формы в целом, чтобы при всем различии ее деталей были обеспечены их гармоничность, соответствие друг другу и единство, и не оставалось никаких эффектов, противоречащих этой форме (синтаксический аспект упорядочения; см. рис. 7.17).
Визуальное (ощущаемое) равновесие является основным средством общего уравновешивания. Оно достигается, если при рассмотрении изделия не возникает чувства необходимости в дополнениях или изменениях. Зрение человека особенно чувствительно к различию распределения объекта по горизонтали относительно вертикальной исходной линии
(равновесие правой и левой частей). Распределение по вертикали оценивается неравномерно, поэтому равновесие верхней и нижней частей объекта зависит от положения «визуальной середины».
Рис. 7.20. Выбор формы изделия пропорционирова-нием размеров по трем его осям в соответствии с рядом чисел Фибоначчи (без визуальной корректировки )
322
7.5.3. Ассоциации
Ассоциациями являются психологически обусловленные представления, возникающие на основе определенных свойств конструкции (рис. 7.21). Ассоциативное способности потребителя ограничивают возможное число вариантов формы изделия.
Новые ассоциации скорее всего возникают в случае форм, которые вызывают элементарные ассоциации, связываемые в комплексное ассоциативное представление. Это случается, когда форма отражает какое-либо значение, знаки и т. д.
Рис. 7.21. Примеры ассоциаций:
а — элементарные ассоциации (по Келеру). Однозначное соответствие (звучания) слов и фигур «мабума» и «такете», социально и этнически независимых; б — ассоциации более высокого порядка. Эргономически определенные формы (основные типы приборов с одним окуляром) «осознаются» как ассоциативные формы (см. табл. 7.8)
Ошибочные ассоциации возникают у потребителя в результате незнания художником-конструктором особенностей его поведения, прежде всего в результате непредусмотренного смешения элементов восприятия изделия с элементами восприятия окружающей среды, что может привести к образованию представления о новом значении формы. Но это новое значение не совпадает с действительным (табл. 7.8).
7.8. Примеры ассоциаций (см. рис. 7.21)
Неправильно
Пояснения
Правильно
По форме прибора, показанного слева, можно предположить, что проекционный объектив расположен не с той стороны. Возбуждаемая ассоциация не должна противоречить фактическому принципу действия и способу применения изделия. Логика формы должна быть правдивой, правильно отражая принцип действия изделия и информацию, необходимую для его применения (единство формы и содержания)
7г П*
323
Продолжение табл. 7.8
Неправильно
Пояснения
Правильно
Неудачный выбор формы прибора может вызвать ассоциации с животным (человеком, растением и т. д.), которые «враждебны> прибору и искажают информацию, необходимую для его применения
Ассоциации, создающие впечатление движения и неустойчивости, противоречат сущности стационарного прибора. Это создает ошибочное представление о приборе, неуверенность при работе с ним и чувство дискомфорта. В таких случаях следует избегать направленного действия формы. Визуальную неустойчивость можно скомпенсировать различной интенсивностью окраски частей корпуса
При топологически идентичных признаках форм весьма вероятно их различное воздействие. Даже незначительное различие в размерах и геометрии может привести к существенно различным ассоциациям. Поэтому форма должна проверяться на моделях, выполненных достаточно подробно
Показанная слева форма неудачна по двум причинам. Во-первых, критическое сечение детали минимально, во-вторых, движение взгляда ассоциирует место защемления с местом обрыва. Форма кронштейна такой же прочности или нейтральная форма в большей степени создает логическое впечатление
324
Продолжение табл. 7.8
Неправильно
Пояснения
Правильно
Впечатление неустойчивости может быть устранено изменением интенсивностей окраски различных частей изделия. Правда, при этом получают побочный эффект, например, в виде ассоциации с более легким перемещающимся на цоколе прибором
АВС
Лишь кажущаяся обзорность на левом рисунке, обеспечиваемая только формальным упорядочением, безусловно должна быть устранена. Формалистическая форма переключателя вызывает недоумение, какой из его концов должен определять его положение. Это неудачное впечатление усиливается двусмысленным расположением букв. Однозначность назначения изделия, определяемого его формой и его расположением, является обязательным условием правильного применения
Элементы формы не должны «конкурировать> между собой. Они должны быть выдержаны в едином стиле
Нечеткость характера и пропорций элементов формы обязательно должна быть уточнена. Четкая концепция формы (прежде всего единство действия) и хорошо выраженные пропорции являются основой наглядности и одновременно характерности, достоверности изделия
И Зак. 218
325
Так как любое техническое изделие может вызывать различные ассоциации, при выборе формы необходимо специально рассмотреть все возможные варианты и исключить отрицательные варианты. Целесообразно использовать основные формы (см. рис. 7.7), вызывающие ассоциации более высокого порядка.
7.6. Особенности выбора художественно-конструкторского решения в приборостроении
7.6.1. Общие положения
Общим внешним признаком приборов являются размеры, которые не выходят за пределы размеров человека. Размеры большого числа приборов, прежде всего переносных, даже выбраны в соответствии с размерами руки. Как правило, все конструктивные и прочие элементы прибора находятся в зоне досягаемости руки стоящего или сидящего потребителя, не требуя смены его положения. Следовательно, по сравнению с другими техническими изделиями, предназначенными для обработки энергии и материалов, приборы отличаются тесной связью с потребителем. Это в большинстве случаев относится и к приборам со сравнительно большими размерами.
Совершенство в принципе имеет одинаковый смысл для всех приборов в противоположность изделиям (тяжелого) машиностроения, к которым могут предъявляться абсолютно различные (но относительно одинаковые) требования. Например, может быть выделена зона для сбора грязи, в которую запрещен доступ людей, и наоборот. Учитывая разрешающую способность органов чувств, особенно органов зрения, и благодаря малым расстояниям между прибором и оператором совершенство во многом сродни чистоте отделки. Сознательно или интуитивно потребитель ожидает для технически высококачественного изделия, например, для потребительского товара, высокого качества отделки его поверхности. Это относится и к изделиям, длительное время находящимся рядом с потребителем, таким, как настольные лампы и т. д. Даже мельчайшие недостатки исполнения могут обесценить изделие в эстетическом отношении, снижая на них спрос.
Факторы формы. Поскольку приборы расположены очень близко от потребителя, все их конструктивные, рабочие, сигнальные, информативные элементы воспринимаются потребителем неразрывно друг от друга и относительно равноценно в противоположность более крупным техническим изделиям, где иерархия форм с частичной автономностью различных зон и элементов выражена более четко. Поэтому абсолютно одни и те же возмущения в отношении восприятия приборов проявляются относительно сильнее, чем в отношении восприятия изделий машиностроения.
Антропометрические особенности рук, пальцев и их кончиков при непосредственном применении приборов являются составной частью элементов, определяющих формирование восприятия. Особенно это относится к кинетическим и переменным связям восприятий.
326
Миниатюризация при широком использовании достижений (микро) электроники позволяет использовать формы, обеспечивающие управление прибором только пальцами, причем ввод и вывод информации осуществляется на нижнем пределе ощущений органов чувств.
Внешний вид приборов характеризуется в основном формами, обусловленными особенностями их применения, наиболее широко понятным «языком формы», специфическими признаками технологии изготовления, высоким качеством элементов связи в системе человек — прибор, совершенством конструкции и исполнения, а также относительно малыми размерами. Удачно выбранная форма, во-первых, облагораживает изделие, во-вторых, отражает высокую степень его технического и «интеллектуального» совершенства благодаря законченности те*хнико-эстетического решения, которое, однако, не сразу бросается в глаза.
7.6.2. Элементы связи в системе человек — прибор
Выбор формы и расположения элементов эргономической связи (управления, сигнализации, обмена информацией), используемых в приборах, производится с учетом перечисленных ниже требований, обусловленных особенностями применения приборов (см. также разд. 6.3.5 и 6.4.4, табл. 7.9).
1. Форма любой рабочей зоны должна определяться условиями работы в ней. Эти условия характеризуются в основном полем восприятия, логическим упорядочением элементов (свойствами и весом каждого из них относительно группы элементов), наиболее благоприятным процессом применения, а также эргономическими условиями.
2. Конструкция должна быть возможно более целесообразной и гибкой. Основой выбора формы рабочей зоны должна быть легкость восприятия четко прослеживаемых «информационных линий» и надежно обнаруживаемых «информационных групп».
3. Все средства визуального упорядочения (см. разд. 7.5.2) должны быть использованы для решения следующих задач:
согласование логики восприятия, т. е. ожидаемого восприятия, с логикой процесса функционирования или применения, т. е. с информационными линиями;
согласование структуры восприятия элементов со структурой их назначений (изоморфность);
обеспечение визуальной совместимости информационных взаимосвязей с объединяемыми приборами из их относительно замкнутой или даже открытой совокупности;
создание гармоничного единства прибора в целом и элементов его связей с использованием, во-первых, свойств этих элементов и их расположений и, во-вторых, особенностей формы прибора.
4. Все элементы, охватываемые органами зрения и другими органами чувств, должны быть учтены при конструировании. Для восприятия нет второстепенных элементов, если только интенсивность вызываемого ими раздражения не ниже раздражения шумом.
11*
327
Неправильно
Пояснения
Правильно
7.9. Примеры расположения органов управления и элементов сигнализации и обозначения в прямоугольной визуальной системе отсчета (см. рис. 7.22)
Индикатор повреждения
Большое количество линий не оказывает требуемого эффекта. Излишняя избыточность и неиспользуемые элементы формы отвлекают внимание, создают психологическую перегрузку и не способствуют эстетике изделия («визуальный шум>). Избыточное раздражение необходимо предотвращать, особенно при большой плотности расположения органов управления и элементов информационного характера на поверхности
-------1------------------
Однозначно воспринимаемое взаимное расположение элементов обусловливает их соответствующее логическое упорядочение. Следует обращать внимание на то, что близко (по отношению к другим) расположенные элементы воспринимаются взаимосвязанными. Знаки должны быть расположены единообразно
Индикатор повреждения
Расположение точки в геометрическом центре поля восприятия вызывает чувство неуверенности в оценке ее положения, что обусловливает неосознанную нервную нагрузку. Поэтому точку следует размещать в визуальном центре или в другом более четко определяемом месте, обеспечивающем стабильное, не вводящее в заблуждение ее восприятие
328
Продолжение табл. 7.9
Неправильно Пояснения Правильно
Wahlen Следует предотвращать неопределенность или двусмысленность расшифровки знаков. Визуальное восприятие знака должно быть ненавязчивым, простым; знак должен восприниматься целиком. Указателей вообще следует избегать, если логика расположения знака позволяет однозначно получить требуемую информацию 1 >=> Wahlen (j)W€lhlen£> ©Wahlen 1 Wahlen Wahlen
Процесс восприятия знаков, не совпадающих с процессом восприятия информационного поля (ограничительных линий), так как ось расположения элементов в этом поле направлена вверх, дестабилизирует процесс расшифровки этих знаков. Отсутствие координации с другими приборами может привести к хаотическому восприятию знаков
Первым и самым эффективным, мероприятием, направленным на создание наглядной и просто воспринимаемой рабочей зоны, является уменьшение числа конструктивных, т. е. создающих раздражение, элементов. Видимые элементы в этой зоне следует ограничивать преимущественно элементами, постоянно требуемыми в процессе применения, редко используемые элементы можно разместить на второстепенных сторонах прибора или вообще закрыть.
Следует стремиться к совмещению нескольких рабочих операций, осуществляемых соответствующими элементами.
Число воспринимаемых элементов целесообразно сокращать до уровня, еще обеспечивающего требуемое резервирование. Окантовки должны восприниматься только один раз, не раздваиваясь вследствие, например, сложных конструктивно-технологических решений (различных кромок, пазов, фасок, окрасок, степеней полировки для ограничения определенной зоны).
Число контрастов различного типа должно уменьшаться до минимума, еще достаточного для необходимого членения (в особенности следует
329
снижать цветовые контрасты, контрасты блесткости). Особое внимание должно быть уделено визуальному равновесию правой и левой, верхней и нижней частей.
Образующиеся краевые и остаточные поверхности должны тщательно учитываться в форме всего изделия как самостоятельные, визуально воспринимаемые элементы.
Внешние границы рабочей зоны и прибора в целом в качестве визуальной системы отсчета оказывают основное влияние на направление и порядок расположения элементов связи. При их выборе необходимо помнить, что, чем больше воспринимаемые отклонения от направления этих границ, тем меньше наглядность порядка расположения элементов.
В качестве преимущественных направлений обзора следует выбирать привычные направления с учетом специфических условий расположения потребителя относительно рабочей зоны или зоны восприятия. Особенно тщательно нужно определять соотношение контрастов цвета, светлоты и структуры элемента (изделия) и фона.
Разорванные, рядом или на равных расстояниях расположенные элементы фиксируются глазом как одна поверхностная структура (шум). Как целое они могут оказывать сильное направленное действие, предотвращаемое членением.
Расположение элементов друг за другом по одной информационной линии (линии восприятия) производится каждый раз в соответствии с относительными визуальными и информационными центрами тяжести отдельных элементов. Эта задача решается преимущественно расположением элементов по оси или по ограничительной линии (рис. 7.22). В последнем случае выбирается верхняя, нижняя или боковая граница в зависимости от условий обзора или особенностей стыковки с другими приборами или их зонами. Если элементы с существенно различными контурами (например, квадрат и круг) должны быть расположены по одной «границе», то элемент с контуром, охватывающим меньшую площадь (круг), должен немного выходить за линию, на которой лежит элемент большей площади (квадрат). Это необходимо для визуального выравнивания этих элементов.
Элементы обозначений и сигнализации не должны закрываться ни органами управления (при взгляде с различных направлений), ни рукой. Детали приборов, контактирующие с органами осязания человека (прежде всего органы управления прибора), должны быть выполнены из материала, делающего этот контакт комфортным, при соответствующей обработке их поверхности. При частом контакте это требование должно быть выполнено безусловно.
5. Специальные правила конструирования (даже для приборов одного типа) имеют ограниченное значение, исключают возможности усовершенствования и могут быть упразднены другими вариантами решения. Визуальное упорядочение слишком сложно, чтобы можно было сформулировать законченные правила расположения элементов. Каждая обязательная инструкция играет роль только как специальное стандартизирующее мероприятие, но не только как правила конструирования. Предпринятые до сих пор попытки ограничить конструирование такого рода рамками
330
Illllll
e)
д) Puc. 7.22. Варианты расположения органов управления, элементов сигнализации и обозначений в прямоугольной визуальной системе отсчета (см. разд. 6.3.5 и 6.4.4):
а, д— расположение по оси (визуальные центры элементов расположены на одной пря мой); б, в, г, е, ж — расположение «по границе» (элементы лежат на одной визуальной касательной); 7 — текст, условные изображения и т. п.
не оправдали себя уже потому, что все возрастающая плотность размещения элементов постоянно требует разработки новых все более «хитроумных» решений.
В приборостроении не следует гнаться за эффектом, модными тенденциями и «плакатной» рекламой, так как приборы имеют относительно длительный срок службы и работают в различных комбинациях с приборами других изготовителей, от которых они не должны резко отличаться. Такие «несерьезные» приборы прежде всего затрудняют обращение с ними («визуальный шум»).
7.6.3. Знаки на приборах (элементы обозначений)
Знаки наносят на приборы для обозначения функций и выделения органов управления и сигнализации. Они имеют форму шрифта и прочих графических элементов (табл. 7.9). Знаки могут нарушать визуальное равно-
331
весне, а также процесс восприятия и в значительной мере влияют на общее впечатление о приборе. Поэтому их визуальное воздействие должно учитываться с самого начала выбора формы изделия.
Бестекстовые знаки представляют собой отдельные буквы, а также условные и изобразительные знаки, наносимые графическим путем или окраской. Условные и изобразительные знаки (символы, пиктограммы) целесообразны при экспорте прибора в различные страны, а также при недостатке места для подобных шрифтовых указаний. Недостатком этих знаков является необходимость в предварительном знакомстве с их значением, прежде всего вследствие того, что одинаковое содержание могут нести различные знаки, используемые в одной и той же стране или в разных странах. Бестекстовые знаки удобны для стандартизации и при небольшом числе основных элементов позволяют получать почти неограниченное число их комбинаций. Решающим для использования тех или иных знаков является, однако, не степень их стандартизации и экономические соображения изготовителя, а способность расшифровки их потребителем. Ниже перечислены рекомендации по выбору знаков для приборов.
1. Элементы обозначений должны использоваться возможно экономнее, они должны быть наглядны и согласованы с общей формой прибора.
2. Следует избегать близкого расположения шрифтовых знаков различного типа, даже при различных способах их нанесения.
3. Для кратких обозначений (эффект «пятна»), которым всегда целесообразно отдавать предпочтение, нужно использовать шрифты без засечек (например, фолио, Универе, супергротеск, фундаменталь или специальный гротеск). Для длинных текстов больше подходят шрифты с засечками (например, Бодони).
4. Выбор типа и размера шрифта зависит от скорости чтения, наиболее часто встречающегося расстояния до него при чтении, условий освещения, качества печати или нанесения и т. д. Размер шрифта должен быть не менее 1/200 расстояния до него, но минимально возможным, если шрифт не должен нарушать общее впечатление от изделия или занимать возможно меньше места.
5. Строчные буквы лучше читаются на расстоянии до 3 м, прописные — на расстоянии 5 м и более.
6. Одновременное считывание жирного, плотного и узкого шрифтов очень затруднительно.
7. Бестекстовые знаки по своим размерам и форме должны соответствовать шрифтам, используемым одновременно с ними. Размеры и «вес» различных бестекстовых знаков должны быть визуально единообразны (визуальный номинальный размер).
8. Многоцветные элементы обозначений следует использовать только тогда, когда функциональные требования не могут быть выражены иначе. В большинстве случаев многоцветность можно заменить вспомогательными, ограничительными и опорными линиями.
9. Расстояние между знаками органов управления и сигнализации необходимо выбирать так, чтобы общее впечатление было уравновешенным. Расстояние между двумя знаками чаще всего соответствует их 332
Рис. 7.23. Примеры неудачного (а) и правильного (б) выбора формы систем приборов
а) 6)
высоте. В пределах одной группы оно должно устанавливаться иным, чем в другой.
10. Обозначения типа, данные об изготовителе и другие данные следует наносить так же, как и прочие знаки. Как правило, они объединяются в шрифтовые блоки. Однако требование различимости этих обозначений с относительно больших расстояний (при хранении, наблюдении и т. д.) может повлечь за собой соответственное увеличение их размеров.
7.6.4. Выбор формы систем приборов
Разработка системы приборов [7.24] требует от изготовителя выбора не оптимальной специфической (в ином случае) формы одного прибора или приборов одного ряда, а оптимума формы всей системы. Независимо друг от друга новые изделия любыми коллективами дизайнеров должны разрабатываться единообразно и обязательно с высоким качеством к любому моменту времени и для любого места. При этом должны учитываться современные и перспективные потребности в этих изделиях и способы их изготовления.
В качестве основы должны быть установлены долговременно действующие параметры системы, которые должны обеспечивать динамическое расширение системы за счет вновь создаваемых элементов и приборов. Специально для внешнего оформления изделий разрабатываются параметры эстетического сопряжения, обеспечивающие получение таких комбинаций элементов систем, которые создают единое впечатление от элементов, разработанных в разное время и в различных местах.
Для сохранения современности изделие должно оставаться нейтральным относительно моды.
Все элементы формы должны восприниматься так, чтобы их любая (но целесообразная) комбинация давала пропорциональное, гармонически увязанное и технически эффективное решение (рис. 7.23). При неудачном выборе формы создаются неприятные психофизические нагрузки, возникающие вследствие раздражающего и затрудняющего восприятие разнообразия форм. Четкость форм и плавность линий, по которым воспринимается система, снижают психологическое напряжение.
Список литературы
7.1. Technische Formggestaltung, Leitlinien. Berlin: Kammer der Technik, 1968.
7.2. Keim M. Produktgestaltung im Sozialismus. Berlin: Dietz-Verlag, 1971
7.3. Kobach B. Industrial Design. Munchen: Thiemig, 1976.
7.4. KDT-Empfehlung. Erzeugnisentwicklung und industrielle Formgestaltung. Berlin: Kammer der Technik, 1976.
7.5. Frick R. Struktur des interdisziplinaren Produkt-Entwicklungsprozesses. Lehrbriff Nr. 3. Halle: Hochschule f.ind. Formgestaltung, 1978.
7.6. Зинченко В. П., Мунипов В. М., Смолян Г. Л. Эргономические основы организации труда. М.: Экономика, 1974.
7.7. Neumann J., Timpe К.-Р. Psychologische Arbeitsgestaltung. Berlin: VEB Dt. Verlag d. Wissenschaften, 1976.
7.8. Burandt U. Ergonomie fur Design und Entwicklung. Koln: Otto Schmidt Verlag, 1978.
7.9. Seiffert R., Teubert K. Wege zur Schutzgute. Berlin: Verlag Tribune, 1972.
7T10. Moles A. A. Informationstheorie und asthetische Wahrnehmung. Koln: Verlag M. DuMont Schauberg, 1971.
7.11. Brockhaus. ABC der Optik. Leipzig: VEB F. A. Brockhaus Verlag, 1961.
7.12. Ellinger Th. Die Informationsfunktion des Produktes. Koln-Opladen: Westdeutscher Verlag, 1966.
7.13. Klaus G. Semiotik und Erkenntnistheorie. Berlin; VEB Dt. Verlag d. Wissenschaften, 1968.
7.14. Renner P. Ordnung und Harmonie der Fabre. Ravensburg: Otto Maier Verlag, 1948.
7.15. Garnich R. Asthetik, Konstruktion und Design. Ravensburg: Otto Maier Verlag, 1977.
7.16. Asthetik heute. Berlin: Dietz-Verlag, 1978.
7.17. Metzger W. Gesetze des Sehens. Frankfurt/M.: Verlag W. Kramer, 1953.
7.18. Klix F. Information und Verhalten. Berlin: VEB Dt. Verlag d. Wissenschaften, 1971.
7.19. Gericke L., Schone K. Das Phanomen Farbe. Berlin: Henschelverlag, 1970.
7.20. Huckler A. Der Weg zum Gegenstandlichen.— form-Fzweck, 1977, Bd. 9, № 5, S. 24.
7.21. Huckler A. Sitte C. Arbeitsstufen der Gestaltung.— form-Fzweck, 1972, Bd. 4, № 1, S. 9.
7.22. Heinemann K.-J. Von Funktion zu Gestalt.— form-Fzweck, 1976, Bd. 8, № 1, S. 24.
7.23. Zeitschrift Kunst -FUnterricht, Sonderheft, 1971.
7.24. Gattnar K.-D., Bohnisch G. Probleme der Erzeugnisgestaltung komplexer Geratesysteme. Vortrag KDT, unveroffentlichtes Manuskript, 1961.
7.25. Huckler A. Zielorientierung Minimalform.— form-Fzweck, 1973, Bd. 5, № 3, S. 13; 1973, Bd. 5, № 4, S. 43.
8. Упаковка приборов
Более 90 % всех промышленных изделий должны быть упакованы — это подчеркивает значение знаний, касающихся упаковки.
Упаковывание — не самоцель, оно является последней ступенью процесса промышленного изготовления конкретного изделия. Правильная и целесообразная упаковка обеспечивает максимально полную и экономичную доставку изделий к потребителю. Хотя разработка упаковки не всегда производится специалистами, уже на этапе конструирования приборов необходимо учитывать требования различных документов, регламентирующих их упаковку и транспортирование.
Народнохозяйственное значение упаковки будет видно более отчетливо, если вспомнить, что доля затрат на нее в общих затратах на изготовление изделия составляет 1...60% в зависимости от типа изделия. Для изделий точной механики, оптических и электронных приборов она равна 1...4 %.
Упаковка требует относительно большого количества материалов. Мероприятия по улучшению упаковки чаще всего очень эффективны. Каждый изготовитель и отправитель изделия ответственен за надежную упаковку, так как ему хорошо известны специфические особенности изделия и его чувствительность к нагрузкам, возникающим во время транспортирования и хранения. В соответствии с основной функцией (сохранением потребительской ценности) упаковка обеспечивает сохранность качества изделия. По общим оценкам, упаковка предотвращает 70...80 % повреждений, которые могут появиться при транспортировании.
Упаковывание как область знаний охватывает данные об организации производства и изготовлении упаковочных материалов, тары и вспомогательных упаковочных средств, а также об упаковочных машинах, технологии, способах и методах упаковывания изделий на последнем этапе процесса производства, включая необходимые для этого научно-исследовательские работы. Основные понятия пояснены в табл. 8.1 и на рис. 8.1. Более подробное описание получают с помощью терминов, производных от основных. Определяющими факторами для них являются, например:
число упаковываемых единиц продукции (тара для единичного или группового упаковывания);
количественная характеристика продукции (тара для упаковывания штучных тяжелых и крупных изделий, тара для мелких изделий);
число обращений (одноразовая, многоразовая тара);
тип отношений между владельцем и потребителем (оборотная, возвратная тара);
335
8.1. Основные понятия упаковывания и упаковки
Понятие и краткое обозначение Пояснение
Упаковка V Средство или комплекс средств, обеспечивающих защиту продукции от снижения потребительской ценности, облегчающих обращение с изделием и защищающих окружающую среду в процессе обращения
Тара VM Основная составная часть упаковки, предназначенная для размещения продукции
Вспомогательное упаковочное средство VHM Составная часть упаковки, без тары или в комплексе с нею полностью выполняющая функцию упаковки
Упаковочный материал VW Материал, из которого изготовлены тара и вспомогательное упаковочное средство
Продукция G Изделие, которое должно быть защищено от снижения его потребительской ценности до использования или расходования и обращение с которым должно быть облегчено при его транспортировании, хранении, продаже и эксплуатации
Упаковывание — Процесс, при котором при использовании тары и вспомогательных упаковочных средств обеспечивается готовность продукции к транспортированию, хранению, продаже и эксплуатации
Упаковочная единица Р Комплекс продукции и упаковки
степень собственности по отношению к владельцу транспорта (тара, принадлежащая этому владельцу или потребителю);
путь транспортирования (тара для транспортирования сухопутным, воздушным или морским путем);
вид торговли (тара для торговли на внутреннем рынке или для экспорта);
тип получателя (тара для розничной или оптовой торговли, тара для поставки товаров промышленности);
Рис. 8.1. Соотношение основных понятий упаковки и упаковывания
336
прочность (гибкая, жесткая, разрушаемая тара);
деформация (складная, разборная, штабелируемая тара); исполнение (тара для подарков, прозрачная тара).
В комбинации с материалом (бумага, картон, гофрированный картон, дерево, стекло, металл, кожа, пластики, композиционные материалы) допустимо только понятие «тара», например «тара из дерева».
Дополнительные данные можно найти в стандартах TGL 29163/ 01...08.
8.1. Функции упаковки
Упаковка должна удовлетворять разнообразным требованиям процесса воспроизводства, обращения (хранения и транспортирования) и потребления. Большая часть этих требований может быть объединена в три группы: защита упакованных изделий (функция защиты); рационализация производства, транспортирования й хранения (функция рационализации); передача информации, необходимой для организации хранения и транспортирования, а также для обращения с упакованными изделиями и их эксплуатации (функция информации и рекламы). Эти три основные функции взаимосвязаны и ни одна из них не может быть заменена другой.
8.1.1. Функция защиты
Эта самая первая и важнейшая функция упаковки предполагает защиту упакованных изделий во время хранения, транспортирования и потребления для сохранения количества и качества изделий (сохранения потребительской ценности). Упаковка выполняет также функцию защиты окружающей среды от влияний со стороны упакованных изделий, например в случае упаковки ядовитых, пожаро- и взрывоопасных веществ.
При оценке функции защиты упаковки необходимо учитывать свойства упаковываемых изделий и тары, упаковочных материалов, элементов, а также возможные изменения упакованных изделий, взаимодействия между упаковкой и изделиями, влияние окружающей среды (механические и климатические нагрузки) на упаковку и изделия. Необходим учет инструкций по отгрузке для соответствующего вида транспорта, особенностей использованной технологии упаковывания и требования потребителя или конечного получателя. Стремление к повышению функции защиты не должно приводить к так называемой переупаковке, требующей экономически не оправданных повышенных затрат (см. также разд. 8.5).
8.1.2. Функция рационализации
Если упаковка отвечает требованиям функции защиты, она, как правило, одновременно обеспечивает рациональное хранение и транспортирование изделий. Функция рационализации предусматривает в основном рационализацию процесса производства и технологии упаковывания, целью которой является экономичный расход упаковочных 337
средств и материалов, а также рациональное хранение и транспортирование при одновременном предотвращении повреждений. Наиболее ответственным моментом является формирование грузовых и транспортных единиц. Транспортирование от изготовителя до потребителя должно производиться самым экономичным образом, все затраты на грузовые операции, связанные с транспортированием, должны быть возможно меньше. Наиболее распространенными грузовыми единицами являются поддон и контейнер. Важно, чтобы пересылаемые изделия имели упаковку, соответствующую условиям транспортирования и применяемым погрузочно-разгрузочным устройствам.
Важную роль играет стандартизация размеров. Для уменьшения требуемых объемов и снижения транспортных расходов большое значение имеют масса и габариты упаковочной единицы, а также габариты тары в штабеле.
На пути к потребителю большинство товаров подвергается многократному хранению (хранение готовой продукции у изготовителя, в местах перевалки с одного вида транспорта на другой, на транспортном средстве до, во время и после транспортирования, а также у потребителя до эксплуатации). Упаковка может играть важную роль в рационализации хранения.
8.1.3. Функция информации и рекламы
Упаковка изделия должна информировать о ее содержимом, давать указания по применению или эксплуатации (инструкции по эксплуатации для технических приборов), торговую (цена, изготовитель, качество и т. д.) и транспортно-техническую информацию в форме маркировок и клеймения. Наносимая на упаковку информация о правилах обращения с изделием и предотвращения его повреждений представляет собой трудно переоценимое средство для рационализации. Маркировка упаковки для транспортирования и хранения определена стандартом СТ СЭВ 257—76. Торговая упаковка является одним из факторов, способствующих расширению сбыта товаров. Однако в народнохозяйственных интересах необходимо искать известный компромисс между видом и оформлением упаковки и стоимостью товара.
8.2. Требования к упаковке
Задачи упаковки не должны рассматриваться как второстепенные или как неизбежное зло. Для разработки упаковки недостаточно только эмпирических знаний, все шире используются конструкторские расчеты. Кроме перечисленных в разд. 8.1 функций, при разработке упаковки должны учитываться следующие требования:
защита изделия и окружающей среды от взаимных воздействий; сокращение неизбежных расходов;
обеспечение рационального расхода и экономии упаковочных
338
материалов и вспомогательных упаковочных средств, рациональных методов изготовления, упаковывания, хранения и транспортирования;
облегчение эксплуатации изделия, представление достаточной информации о правильном обращении с нею и упакованным изделием, а также способствовать сбыту.
Разработка упаковки должна производиться с учетом последних достижений науки и техники.
8.3. Нагрузки, испытываемые упаковкой во время транспортирования и хранения
Подробно защита приборов от воздействия механических и климатических нагрузок описана в разд. 5. Ниже изложены особенности защиты приборов с учетом упаковки.
8.3.1. Механические нагрузки
Во время транспортирования и хранения упаковочные единицы подвергаются различным статическим и динамическим нагрузкам (см. табл. 5.5 и 5.6).
Статические нагрузки (в основном нагрузки сжатия и обжатия) развиваются в упаковочной, или грузовой, единице при штабелировании на складе, на перевалочных площадках, на транспортных средствах и т. д. Давление при штабелировании направлено в основном по вертикали, т. е. на дно и крышку тары. При расчетах принимаются следующие значения высоты штабелей: в грузовых вагонах, грузовых автомобилях, контейнерах 2—2,5 м; в судовых трюмах 4,5—8 м; на складах и перевалочных площадках до 6 м.
Расчет нагрузок для штабеля, составленного из однотипных упаковочных единиц, относительно прост. Однако на практике такие случаи встречаются только на складах готовой продукции заводов-изготовителей. Загрузка транспортных средств и перевалочных площадок однотипными упаковочными единицами встречается очень редко. При этом расчет давления производится для максимальной высоты штабеля, плотность упаковочной единицы принимается равной примерно 6800 кг/м3.
В штабеле, состоящем из упаковочных единиц различных размеров, нагрузки на единицы можно считать сосредоточенными, эти разгрузки распределяются по меньшей площади, поэтому давление возрастает. Давление в штабеле дополнительно увеличивается за счет динамических нагрузок (см. ниже) во время транспортирования. О поведении штабелированных упаковочных единиц при дополнительных ударных нагрузках, тряске и вибрации точных данных нет. Ориентировочно можно принять, что давление в штабеле в указанных случаях возрастает примерно на 30 %, при перевозке морем в самых неблагоприятных условиях — на 50 %.
Статические нагрузки возникают не только при штабелировании,
339
в точках прилегания к ним тросов
Рис. 8.2. Силы поперечного сжатия в точках контакта тросов и ребер тары [8.1] (точный расчет нагрузок, испытываемых двойными петлями, стропами, горизонтальными тросами и т. д., см. в TGL 10615/04; см. также табл. 8.4)
но и при погрузке-разгрузке. Для тары крупногабаритных изделий необходимо специально учитывать силы поперечного сжатия, развивающиеся при подъеме упаковочной единицы краном и воздействующие на верхние ребра тары (рис. 8.2). Эти точки должны быть
симметричны относительно распорки (размер ID). Для упаковок без распорок размер ID принимается равным длине полозьев (расчет давления троса см. в [8.1]).
При разработке упаковки основным критерием является жесткость изделия: в состоянии ли изделие выдержать воздействующие на
упаковочную единицу нагрузки или полностью их воспринимать должна только тара. При расчете ящичной тары необходимо учитывать размеры полозьев и досок днища, а также массу груза и соответствующие изгибающие моменты.
В случае упаковки из гофрированного картона и подобных материалов кроме нагрузок сжатия возможны климатические воздействия, так как влажность может в значительной степени снизить ее прочность. Однако при выборе гофрированного картона соответствующего качества (с водоотталкивающим покрытием; со склейкой, стойкой к атмосферным воздействиям) в комбинации с элементами прочности из дерева или пластмассы упаковка может быть пригодна, например, даже для транспортирования морем.
Динамические нагрузки в результате падений или ударов встречаются наиболее часто и вызываются свободным падением на плоскость, край или угол (например, вследствие сброса при погрузке, бросании, жесткой укладке, падении со штабеля, транспортного средства, конвейера), кантованием упаковочной единицы через ребро (например, перекидкой), а также ударами сбоку другими упаковочными единицами, транспортными средствами и т. д.
Потенциальная энергия поднятой на высоту h упаковочной единицы массой т, соответствующей весу G,
W„„=Gh=mgh. (В-1)
При падении упаковочной единицы или соударении с другим телом эта энергия переходит в кинетическую:
№кнн = ти72.
(8.2)
340
При ударе упаковочная единица проходит так называемый путь торможения s. Если считать силу F постоянной, то работа торможения запишется в виде
rTopM = Fs; (8.3)
эта работа равна потенциальной энергии. В результате
F — (h/s)mg—(h/s) G. (8 4)
Отношение высоты падения к пути торможения h/s показывает, насколько «увеличивается вес» упаковочной единицы за счет удара.
Выражение (h/s)g характеризует ускорение массы. Если в качестве единицы ускорения принять ускорение свободного падения g = = 9,81 м-с~2, то отношение h/s будет представлять собой меру ускорения. Следовательно, воздействие удара определяется только путем торможения, так как высота падения и масса упаковочной единицы фиксированы. С помощью специальных мероприятий, реализуемых в конструкции упаковки, значения ударных нагрузок, воздействующих на упакованное изделие, можно снижать до допустимых путем увеличения пути торможения. Если упругость тары недостаточна, то в упаковке для этой цели предусматривают дополнительные амортизирующие (демпфирующие) элементы. Для эффективной защиты от ударов при фактических нагрузках, развивающихся при транспортировании грузов различными средствами, необходимо учитывать ударостойкость упакованного изделия, упругость тары, демпфирующие свойства амортизирующих элементов при различных климатических условиях, а также размеры, конструкцию и расположение этих элементов (см. разд. 8.6). Разнообразие влияющих факторов ведет к тому, что теоретический расчет требуемой изоляции от ударов обычно невозможен или возможен очень приближенно. Поэтому предприятия, даже оснащенные испытательным оборудованием, предпочитают расчет изоляции от удара на основе эмпирических данных с последующим моделированием нагрузок на образцах тары (см. разд. 5.8).
До сих пор говорилось лишь об ударах, воздействующих на всю поверхность, на грань или угол тары. Но во время транспортирования и перевалок появляются ударные нагрузки, воздействующие на ограни; ченную поверхность, например со стороны транспортных средств или других упаковочных единиц. При этом, во-первых, тара испытывает местную нагрузку и, во-вторых, усилие удара распространяется и на упакованное изделие. Если оно касается непосредственно внутренней стороны тары (например, в случае упаковки электронного прибора), это может привести к повреждению (деформации) лакированных поверхностей, корпуса и т. д. При резком трогании с места или торможении транспортного средства упаковочная единица испытывает горизонтальные ускорения, отличающиеся от нагрузок, развивающихся при падении (см. разд. 8.3.3).
Нагрузки, вызываемые тряской и вибрацией. Все транспортные средства (см. разд. 8.3.3) при своем движении испытывают тряску
341
и вибрацию, которые через соответствующие грузовые площадки передаются на тару и, следовательно, на упакованное изделие.
Тряска проявляется наиболее сильно, если упаковочные единицы не закреплены на транспортном средстве и могут подпрыгивать на нем. В результате удары следуют с большой частотой. Опасность для упакованного груза проявляется не в интенсивности ударов, которые намного ниже ускорений, вызываемых свободным падением, а в частоте следующих друг за другом ударов, сопровождаемых усталостными явлениями в изделии.
Вибрации опасны возможностью резонанса вынужденных колебаний упаковочной единицы и собственных колебаний упакованного изделия, его чувствительных к вибрациям узлов или деталей. Развивающиеся колебания могут вызывать значительные силы, разрушающие отдельные детали.
8.3.2. Климатические нагрузки
Параметры климатических нагрузок, учитываемых при расчете упаковки для приборов, определяются видом и периодом транспортирования, включая также время дня и года (см. разд. 5, табл. 5.5). Они вызываются, например, переходом из холодной в теплую климатическую зону или наоборот, перерывом в подаче охлаждающего воздуха, изменением температуры в судовых трюмах при пересечении холодного течения или продолжительном ветре с одного борта, прорывом теплого влажного воздуха в холодный склад или грузовой трюм, а также перемещением охлажденного груза в теплое помещение. Такие климатические нагрузки резче всего проявляются при перевозках водным путем, но могут появляться и при транспортировании грузовым автотранспортом, по железным дорогам, самолетами без контейнеров и в контейнерах, а также при хранении в некондиционированных помещениях.
Следует различать нагрузки, воздействующие на упаковку извне и приводящие к повреждению изделия только при разрушении тары или образовании в ней отверстий. При этом на изделие воздействуют в основном осадки (дождь, снег, град, роса), вода (брызги, талая вода, пена), влажность и температура воздуха, теплота излучений, микроорганизмы; и нагрузки, первично воздействующие на упакованный груз в результате взаимодействия температуры окружающей среды и относительной влажности воздуха (образование конденсационной и талой воды, см. также разд. 5.1, 5.2 и 5.7).
На открытом воздухе на упакованное изделие воздействуют все обычные для данной местности климатические нагрузки. При хранении под навесами и в неотапливаемых помещениях упаковочные единицы защищены от осадков и солнечного излучения, в остальном климатические нагрузки те же, что и при хранении на открытом воздухе. Закрытыми помещениями можно считать, в частности, судовые трюмы, в которых можно обеспечить заданные температуру и влажность. Различные комбинации этих условий позволяют получить в трюмах различные климатические нагрузки. Колебания температуры на палубе и в близких к ней 342
грузовых трюмах очень велики. Температура в нижних трюмах близка к температуре воды за бортом и изменяется преимущественно в соответствии с ее изменениями. Эти температурные воздействия могут быть снижены специальной защитой самой упаковочной единицы (см. разд. 8.6.5).
Снижение температуры, т. е. охлаждение окружающим воздухом упаковочной единицы и изделия в ней, повышает относительную влажность воздуха, причем при уменьшении температуры ниже точки росы выпадает конденсационная вода. Если температура стенок тары падает быстрее температуры упакованного изделия, то при достижении точки росы на внутренних стенках тары образуется конденсат. Это явление может наблюдаться и при повышении температуры. Если температура стенок тары возрастает быстрее температуры изделия, то воздух на поверхности изделия может охлаждаться до температуры ниже точки росы, в результате чего конденсационная вода образуется на изделии. Это может привести к коррозии металлических частей. При отсутствии антикоррозионной защиты коррозия может появиться вследствие большой относительной влажности воздуха при высокой его температуре, без образования конденсационной воды. Правила защиты от климатических нагрузок изложены в разд. 5 и 8.6.5.
8.3.3. Виды транспорта
Изделия приборостроения, как и другая промышленная продукция, транспортируются автомобильным, железнодорожным, морским и воздушным транспортом. Перевозки приборов могут осуществляться в контейнерах или без них. Рассмотрим особенности бесконтейнерных перевозок технических изделий различными видами транспорта и типовые нагрузки, воздействующие на изделия [8.2].
Грузовые автомобили используются, во-первых, для перевозок грузов «от двери до двери», т. е. непосредственно к получателю, и, во-вторых, для доставки их к другим средствам транспорта (на железнодорожные станции, в порты и аэропорты). По сравнению с морскими перевозками грузы испытывают средние механические и климатические нагрузки при прочих видах поставки. При этом продолжительность транспортирования, как правило, меньше, чем на морском транспорте. Для выбора упаковки прежде всего важно учитывать количество операций (погрузка, перевалка, разгрузка), которым будет подвергаться упаковочная единица. При перевозках «от двери до двери» отпадает необходимость в перевалочных операциях, благодаря чему затраты на упаковку могут быть значительно снижены. Зачастую достаточно прибор или станок лишь прикрепить болтами к дну ящика и закрыть пластиковой пленкой.
При автомобильных перевозках на упаковочные единицы могут действовать следующие механические нагрузки:
нагрузки, вызванные его колебаниями, обусловленными неровностями дорожного полотна, троганиями с места, торможениями и т. п. При скорости движения около 60 км/ч вертикальные ускорения достигают 4...5 g, горизонтальные 5...6 g\ колебания совершаются с частотой
343
5... 15 Гц. Вертикальные и горизонтальные ускорения в среднем составляют менее g;
нагрузки, вызванные конструктивными особенностями автомобиля (характеристики шин, амортизаторов подвесок, база). Значение имеет и нагрузка (например, при увеличении нагрузки вертикальные ускорения снижаются);
нагрузки, обусловленные видом и способом крепления упаковочной единицы на автомобиле. Крепление предотвращает взаимные столкновения таких единиц при троганиях с местах, торможениях, поворотах и т. д. В особых случаях для дополнительного демпфирования ударных нагрузок используют скользящее крепление, при котором груз может смещаться по грузовой площадке. Развивающиеся при этом силы должны восприниматься полом, но не торцовыми и боковыми стенками автомобиля.
При использовании автомобильного транспорта необходимо руководствоваться действующими транспортными правилами (например, правилами транспортирования штучных грузов).
Железная дорога осуществляет большую часть наземных перевозок. При расчете железнодорожной упаковки важно знать, как будет осуществляться транспортирование: на открытой платформе, в закрытых или полузакрытых вагонах. Управление железной дороги может отказаться от перевозки груза с недостаточной или нецелесообразной упаковкой.
При транспортировании по железной дороге средние ускорения в вертикальном и горизонтальном направлениях 0,3 g, максимальные вертикальные 0,5...2 g, горизонтальные 1,5...2,5 g. При маневрировании состава средние ускорения составляют 1...2 g, максимальные 5...6 g. Особого внимания требует учет ударов в результате соударений вагонов при сортировке; например, при скорости 1 м/с (3,6 км/ч) ускорение при соударении вагонов 0,75...2,0 g, при 10...12 км/ч — 3...6 g. Мало нагруженные вагоны подвергаются меньшим нагрузкам. Хотя допустимая скорость при соударении вагонов составляет примерно 3,5 км/ч, при расчете упаковки для транспортирования изделия по железной дороге следует принимать за основу более высокие скорости, а ускорения при сортировке принимать равными 5...6 g.
Значительно более высокие ускорения могут возникать в результате резких троганий с места, неожиданных торможений, а также соударений при сортировке. При скорости 12 км/ч ускорение может достигать 20...25 g. Частота вертикальных колебаний лежит в диапазоне 2...8 Гц (при сильных ударах о рельсовые стыки — до 30 Гц), горизонтальных продольных — 4...15 Гц (редко — до 30 Гц), горизонтальных поперечных— 0...2 Гц (редко — до 4 Гц).
Кроме указанных ускорений на груз также воздействуют ускорения от собственных высокочастотных (до 400 Гц и выше) колебаний отдельных частей вагона, но при минимальных амплитудах, еще воспринимаемых тарой. Развивающиеся нагрузки зависят также от конструкции вагона (тип амортизаторов, число осей), скорости движения, качества рельсового пути и состояния груза. Дополнительные нагрузки появляются вследствие взаимного скольжения, трения и соударений грузов. Поэтому необходимо 344
предусматривать достаточно жесткое их крепление в вагоне; если это невозможно осуществить плотным заполнением грузового пространства, следует предусматривать дополнительные конструктивные элементы. Особенно опасны в этом отношении, например, штабелированные грузы на поддонах; они безусловно требуют крепления (с помощью шероховатых прокладок, обвязки, покрытия пленкой). Для особо чувствительных к ударам грузов с низко расположенным центром тяжести целесообразно предусматривать возможность скольжения, увеличивая их путь торможения даже при ограниченной свободе перемещения.
При комплектной загрузке вагона отправитель полностью ответствен за погрузку и крепление упаковочных единиц в вагоне. При этом необходимо учитывать правила железных дорог ГДР, а также допустимые габариты погрузки.
При перевозках водным транспортом грузы подвергаются наиболее тяжелым по интенсивности и длительности одновременным механическим и климатическим нагрузкам. К ним относятся:
статические нагрузки вследствие давления в штабеле, высота которого в нижних грузовых трюмах достигает 8 м; среднее давление 4000... 6800 Н /м2;
силы поперечного сжатия, вызываемые давлением тросов при подъеме краном (см. рис. 8.2);
динамические нагрузки, особенно при качке судна. Следует различать вертикальную (движения судна вверх и вниз), килевую (колебательные движения вокруг поперечной оси) и бортовую (движения вокруг продольной оси) качку, а также удары корпуса судна о воду. Угол крена может достигать 30° при бортовой качке, а угол дифферента 10° при килевой качке. Качка сопровождается средним ускорением 0,3... 1 g, максимальным — до 2 g. Ускорение, вызываемое килевой качкой, может периодически изменять давление в штабеле на 40—50 %, килевая качка может дополнительно вызывать опрокидывания и сползания груза. Динамические нагрузки вызываются и колебаниями, обусловленными работой двигателей и гребных винтов. Частота этих колебаний — до 10 Гц, вызываемое ими ускорение может достигать 2 g;
очень высокие климатические нагрузки, особенно при транспортировании грузов на палубе (воздействие солнечного излучения, осадков, морской воды). Температура поверхности тары может подниматься до 70 °C. Большие колебания температуры в грузовых трюмах вызываются переходами из районов с холодной в районы с теплой водой и наоборот, пересечением различных климатических зон, суточными колебаниями температуры и т. п. При этом наблюдаются колебания относительной влажности воздуха внутри тары, что ведет к выпадению конденсационной воды.
Время воздействия этих нагрузок на упаковочные единицы больше, чем при их транспортировании другими средствами. Все это объясняет повышенные требования к таре:
все ее элементы должны иметь высокую жесткость, она должна быть усилена поперечными и диагональными связями и раскосами, на ней
12 Зак. 218 345
должны быть предусмотрены элементы для захвата крюком или тросовой петлей, все элементы должны быть прочно связаны между собой;
для коробчатой тары рекомендуется использовать водостойкий, по меньшей мере водоотталкивающий гофрированный картон, который целесообразно усилить деревянными элементами;
небольшие партии штучных грузов следует объединять в одну упаковочную единицу;
обвязка упаковки должна иметь достаточные размеры и оптимальное расположение;
при необходимости тара должна быть изготовлена из водонепроницаемых материалов, иметь консервирующее покрытие, из нее должен быть удален воздух; появление конденсационной воды можно предотвратить уменьшением объема гигроскопических материалов в конструкции тары, а также внесением внутрь тары соответствующих влагопоглотителей и парофазных ингибиторов.
При транспортировании грузов по внутренним водным путям нагрузки ниже, чем при транспортировании морем.
Транспортирование воздушным транспортом сопровождается меньшими механическими и климатическими нагрузками на грузы по сравнению с автомобильными и водными перевозками. Это дает следующие преимущества:
снижение затрат на упаковку благодаря уменьшению ее массы, так как груз не подвергается тряске во время движения, ударам при сортировке и т. д.;
возможность в большей степени механизировать погрузочно-разгрузочные работы в аэропортах (что также ведет к уменьшению нагрузок);
уменьшение времени транспортирования.
При транспортировании нагрузки характеризуются следующими факторами:
ускорение в среднем составляет 0,2...2 g, редко — до 5 g; при жесткой посадке оно возрастает до 10 g при длительности удара около 10 мс. Работа двигателей может сопровождаться вибрацией с частотой 5... 500 Гц. Температура в необогреваемых грузовых отсеках редко опускается ниже нуля;
быстрая смена климатических зон и колебания температуры могут вести к образованию конденсационной жидкости;
плотность жидкостей и газов изменяется с высотой полета, что необходимо учитывать при транспортировании машин и агрегатов, содержащих масло, кислоты, ртуть и т. п.
Разрабатывая упаковку для воздушного транспортирования, необходимо учитывать виды транспорта, которыми груз будет доставляться к аэропорту и далее к получателю.
За последние 20 лет значительно расширилось применение контейнеров в международных перевозках. Контейнеры могут транспортироваться грузовым автотранспортом, по железной дороге и водным путям и представляют собой универсальное вспомогательное средство для рационализации транспортировочных операций. Механические нагрузки в
346
контейнере невелики (высота штабеля не более 2,20 м, ускорения малы), поэтому затраты на упаковку также относительно малы. Однако условием применения контейнеров является доставка грузов по принципу «от двери до двери». Они используются преимущественно для внутренних перевозок и частично для доставки товаров в соседние страны. Хотя 50—70 % всех оптических приборов и приборов точной механики, электронной вычислительной техники, изделий машиностроения и других изделий и пригодны для транспортирования в контейнерах, его практическое осуществление возможно лишь при доставке контейнеров непосредственно заказчику. Если после разгрузки контейнеров изделия должны транспортироваться далее по автомобильным или железным дорогам, то существенного упрощения упаковки не получают.
При подготовке изделий для транспортирования в контейнерах необходимо учитывать следующее:
деревянные ящики могут быть заменены тарой из гофрированнога картона. Для станков и другого механического оборудования иногда достаточно крепления к жесткому днищу и покрытия пластиковой пленкой. Для контейнеров, используемых в челночных транспортных перевозках (т. е. в перевозках изделий одного и того же типа) целесообразно предусматривать повторно используемые устройства для грузовых операций и крепежные элементы внутри контейнера. Если при конструировании на изделии предусмотрены элементы для крепления в контейнере, то упаковка может быть сведена до минимума или от нее можно даже полностью отказаться;
на днище специальных контейнеров могут выполняться Т-образные пазы, позволяющие с помощью фундаментных болтов крепить к нему станки и промежуточный пол;
контейнеры подвержены сильно изменяющемуся воздействию солнечного излучения, осадков, изменений температуры. Вследствие этого повышена опасность конденсации в них воды, что требует соответствующей противокоррозионной защиты.
8.4. Повреждения упаковки
Основной функцией упаковки является предотвращение повреждений изделий при транспортировании и хранении. При невыполнении этой функции изделия могут получать различные повреждения. Сбор точных систематизированных данных об этих повреждениях пока еще не стандартизирован. Трудностью здесь является определение фактических причин повреждений. В табл. 8.2 перечислены некоторые повреждения, встречающиеся при транспортировании изделий по водным путям.
Основными причинами повреждений, которых можно избежать, являются неправильная упаковка и неудовлетворительная маркировка, неправильное использование материалов, недостаточное крепление изделия к таре, недостаточная его амортизация, нецелесообразное использование тары (например, внутренней полости ящика) и недостаточное ее закрывание, недостаточная защита от климатических 12* 347
8.2. Причины повреждений изделий и их доля в общем числе повреждений при транспортировании по водным путям [8.6]
Причина Доля, %
Неизбежные повреждения в ре- 20
зультате пожаров, столкновений судов, кораблекрушений, гибели судна Случайные повреждения 80
из них вследствие попадания 5
морской воды дождя, брызг 13
неверной маркировки 7
разрушения 19
прочих механических нагрузок 5
краж, ограблений 14
порчи, потерь 17
8.3. Распределение претензий и рекламаций по видам тары [8.1]
Материал тары Доля претензий и рекламаций, %
Дерево (ящики, решетча- 60
тая упаковка, бочки) Бумага, картон (коробки, 15
мешки) Металл (бочки, катушки) 5
Ткань (мешки и т. п.) 1,5
Пластики (мешки и т. п.) 0,5
Прочие 18
воздействий, неправильное крепление и штабелирование при транспортировании и хранении, неправильное использование транспортных средств, неучет действующих правил и согла-
шений, а также необычные условия транспортирования и перевалки (например, в развивающихся странах).
Распределение претензий и рекламаций по видам тары проиллюстрировано данными в табл. 8.3. Материал этого раздела показывает, что
правильная упаковка, соответствующая стоимости транспортируемых изделий, может предотвратить большие потери народнохозяйственных ценностей.
8.5. Оптимальная упаковка
Экономический эффект упаковки заключается в предотвращении повреждений изделий и, следовательно, в сокращении затрат на их устранение. Теоретически можно создать упаковку, исключающую любые повреждения, даже в результате аварий, пожаров и т. д. Однако стоимость такой упаковки была бы значительно выше, чем упаковки, рассчитанной на нормальные — по типу и интенсивности — нагрузки, встречающиеся при транспортировании.
Оптимальной можно считать упаковку, которая обеспечивает минимальные суммарные затраты на ее изготовление и устранение повреждений упакованных изделий (рис. 8.3, а). Если суммарные затраты сохранить ниже оптимума за счет экономии на упаковке, то появившиеся в результате этого повреждения могут потребовать затрат на их устранение, во много раз превышающих экономию. И наоборот, суммарные затраты выше оптимума не приводят к значительному предотвращению повреждений, а общие затраты неоправданно повышаются. Здесь следует учитывать и взаимосвязь затрат на упаковку и потерь груза (рис. 8.3,6). 348
Выбор оптимальной действующих нагрузках
Гис. о.#, выбор оптимальной упаковки OV [8.7]:
и — по минимуму суммарных затрат Кз на упаковку 1 и устранение повреждений 2; б — по сравнению затрат на упаковку 3 и стоимости поврежденных изделий 4
упаковки требует сведений не только о и применении тары, упаковочных материалов и вспомогательных упаковочных средств, но и о способности упаковываемого изделия или его наиболее чувствительных элементов выдерживать нагрузки. Следует учитывать, что изделие без упаковки может выдерживать часть нагрузки без повреждений. Упаковка должна обеспечивать защиту от воздействия максимальных встречающихся при транспортировании нагрузок, превышающих допустимые для изделия нагрузки. Абсолютные значения этих нагрузок не известны, поэтому они могут быть определены только эмпирически посредством их моделирования на испытательных стендах (см. разд. 8.3). Необходимо повышать способность изделий и их наиболее чувствительных элементов выдерживать нагрузки, если требуемые для этого затраты ниже затрат на дополнительную упаковку.
8.6. Виды упаковки и ее выбор
В этом разделе описаны типичные виды упаковки изделий точной механики, оптических и электронных приборов, а также машиностроения (см. табл. 5.4). Не рассматривается упаковка из металла, ткани, стекла и т. п.
8.6.1. Тара из дерева
Деревянная тара, особенно для экспортных товаров, имеет все еще большое значение, что объясняется высокими прочностными характеристиками этого материала, хорошо выполняемой им функции защиты при правильном выборе размеров и конструктивного исполнения, особенно в отношении механических нагрузок, универсальности применения, легкости обработки при низких затратах на инструмент [8.3].
К недостаткам дерева в качестве материала тары должны быть отнесены возможность набухания и усадки под действием влаги и температуры окружающей среды (в зависимости от начального содержания влаги в доске ее длина может уменьшиться на 0,1...1 %, толщина на 2... 11 % и ширина на 4...15 %; усадка снижает прочность
349
гвоздевого соединения), влияние погодных и климатических условий (на открытом воздухе связанная в дереве тары вода при изменениях температуры может образовать конденсат; влажность воздушно-сухой древесины для ящиков 25...20 %), неравномерное качество (сучки и т. п.), а также относительно высокая собственная масса получаемой упаковки. Последнее влечет за собой повышенные транспортные издержки.
Для изготовления тары используются цельная древесина (рейки, доски, бруски и т. д.) и древесный материал (фанера, столярные, древесно-волокнистые и древесно-стружечные плиты). Для боковых стенок ящиков из цельной древесины доски соединяются между собой встык, в четверть, в шпунт (в шпунт и гребень), применяется также шиповое соединение в виде «ласточкина хвоста» (рис. 8.4).
Толщина досок выбирается в зависимости от размеров ящика и массы упаковочной единицы брутто (рис. 8.5). Размеры полозьев определяются по диаграммам, приведенным на рис. 8.6.
Деревянная тара может иметь различную конструкцию. Она может быть выполнена в виде ящика (со сплошными стенками) или в виде решетчатой упаковки. Ящики могут быть из сбитых вплотную досок или иметь рамную конструкцию (рис. 8.7 и 8.8). В зависимости от массы упаковываемого изделия и вида транспорта на этих ящиках могут быть предусмотрены усилительные планки и полозья. Для экономии материала целесообразно использовать для ящиков рамную конструкцию. Благодаря применению фанеры толщиной 6 мм для обшивки рамы массу ящика
Рис. 8.4. Способы соединения досок:
а — встык; б—в четверть; в —в шпунт (шпунт с гребнем); г — шиповое соединение в виде «ласточкина хвоста»
Рис. 8.5. Диаграмма для определения толщины доски d (кроме досок для пола) в зависимости от объема V и массы брутто m ящика (по TGL 18981)
350
Рис. 8.6. Диаграммы для определения поперечного сечения полозьев в зависимости от длины I ящика (соответствующей длине полоза) и массы пг упаковываемого изделия. Во всех случаях нагрузки наибольший момент сопротивления соответствует полному поперечному сечению, поэтому при его уменьшении (сквозными отверстиями, шпунтом или четвертью и т. п.) необходимо принимать ближайшее большее сечение:
а — для примерно равномерного распределения нагрузки по длине полоза (вариант I, а = 0,8/); б — для сосредоточенных нагрузок (варианты II и III, а = 0,25/). Пример применения диаграммы а: при длине ящика / = 3,20 м и массе прибора, приходящейся на один полоз 280 кг, его поперечное сечение должно быть 100 X 120 мм. Пример применения диаграммы б: при тех же условиях полоз должен иметь поперечное сечение 120X140 мм
можно снизить на 50 % по сравнению с ящиком из плотно сбитых досок. При этом кроме снижения расхода дерева достигается экономия транспортных издержек. Такая облегченная конструкция тары с применением фанерных листов пригодна и для транспортирования крупногабаритных приборов, тяжелых станков и других изделий, которые могут быть закреплены на днище ящика. При кратковременном транспортировании внутри страны или по принципу «от двери до двери» обшивкой ящика досками можно вообще пренебречь, закрыв изделие только пластиковой пленкой. Конструкция пола ящика подобна конструкции четырех-заходного поддона (рис. 8.9), хорошо оправдавшего себя на практике, однако не пригодного для ящиков любых размеров и для транспортируемых изделий любой массы.
Применение решетчатых упаковок зависит в основном от чувствительности изделий к внешним воздействиям, вида транспорта и ожидаемых нагрузок. Основными конструктивными элементами упаковки являются выполненные в виде рам боковые стенки, дно и крышка (рис. 8.10). В зависимости от габаритов и массы упаковываемого изделия боковые стенки усиливаются вертикальными и диагональными связями (досками),
351
а — формы А (высота 1,5/, ширина b> 1000 мм, определение h и b см. на рис. 8.8); б — формы В (Л> 1,5/, остальные размеры аналогичны размерам ящика формы А, см. также рис. 8.5); / — планка, устанавливается при />>1000 мм; />— примерные размеры ящика
/, мм /|, мм /2, мм а, мм Ь\, мм
Менее 1800 //6, но округляется с избытком или недостатком до значения,кратного 50 Максимум 1000, в иных случаях — несколько планок 1/3 высоты полоза Соответствует ширине полоза
Более 1800 250
в виде поддона; 3 — торцовая стенка; 4 — крышка
Рис. 8.9. Четырехзаходный поддон
352
Рис. 8.10. Примеры (а — г) рамной конструкции решетчатой упаковки
Рис. 8.11. Примеры угловых соединений
значительно повышающими их жесткость. Угол между диаюнальной связью и вертикалью не должен превышать 45°, связи противолежащих стенок должны быть направлены в противоположных направлениях. Если отношение высоты к длине превышает 1:1,75, площадь боковой стенки должна быть разбита вертикальными стойками, а образующиеся участки перекрыты диагональными связями.
Жесткость решетчатой упаковки в основном зависит от угловых соединений (рис. 8.11). При массе изделия более 100 кг дно упаковки целесообразно усиливать полозьями. Для установки крупногабаритных приборов и изделий машиностроения дно ящика должно быть выполнено из плотно сбитых досок. Прибор или изделие крепится к дну болтами. Дно может быть выполнено также подобным четырехзаходному поддону (см. рис. 8.9.). В зависимости от вида транспортного средства решетчатая упаковка может быть обшита фанерой, гладким или гофрированным картоном или древесно-волокнистыми плитами. Расчет ящиков и решетчатых упаковок описан в стандартах TGL 4451 и 1065/01...11.
Для уменьшения затрат на упаковку при разработке приборов точной механики, электроприборов, изделий машиностроения и других изделий следует руководствоваться следующими правилами.
Сквозные или резьбовые отверстия в фундаменте изделия для крепления ко дну тары должны обеспечивать доступ к крепежным болтам и гайкам сверху или сбоку (но без «карманов»). Рекомендуемые варианты крепления показаны на рис. 8.12.
Крупногабаритные детали должны быть легкосъемными для уменьшения объема упаковки.
Необходимо предусматривать возможность установки рым-болтов и рым-гаек для облегчения установки изделия в тару и выемки из нее.
Направляющие, шарикоподшипники и шпиндели должны быть разгружены с помощью дополнительных элементов.
Наиболее чувствительные к ударам узлы должны быть легкосъемными, чтобы их можно было дополнительно демпфировать. Эти узлы с надежной противоударной изоляцией следует размещать в общей упаковке, так как тогда они будут подвергаться меньшим нагрузкам; кроме того, высота их возможного падения меньше.
353
a — непосредственное крепление (примерные значения: при массе прибора до 150 кг диаметр сквозного отверстия под шуруп 9 мм, до 600 кг — 14 мм, свыше 600 кг— 18 мм); б — непосредственное крепление (примерные значения: при массе прибора до 150 кг диаметр резьбового отверстия под винт М8, до 600 кг — под Ml2, свыше 600 кг — под М16); в — крепление, как и в случае б, но специальными болтами (вверху метрическая резьба, внизу с крупным шагом по TGL 0-571) и с амортизаторами / из резины. Упаковка производится в следующей последовательности. Вначале специальным ключом болт вворачивается в дно ящика и на него надеваются два резиновых амортизатора /. Сверху на амортизаторы накладывается деревянная рама, к которой прикреплен прибор, или сам прибор непосредственно. Окончательное крепление осуществляется самоконтря-щейся гайкой, накладываемой на фетровую шайбу; г — крепление с помощью угольника для приборов массой около 300 кг; д — крепление с помощью специальных (четырех) соединительных элементов для приборов массой свыше 300 кг: / — уплотнение; 2 — упаковочный чехол; 3 — прибор
Приборы, не крепящиеся болтами, должны иметь достаточные опорные поверхности для их фиксации в таре (например, изделия, со всех сторон покрытые легкой листовой облицовкой, лишь условно могут считаться упаковываемыми и транспортабельными).
Положение центра тяжести должно обеспечивать достаточную устойчивость изделия в упаковке.
Компактные узлы в приборах облегченной конструкции должны быть дополнительно защищены (например, трансформаторы большой массы в выдвижных блоках электроприборов).
8.6.2. Тара из гофрированного картона
Для изделий точной механики, оптических приборов и изделий машиностроения преимущественно применяется тара из гофрированного картона по сравнению с другими видами тары, выполненной на основе бумажных 354
Рис. 8.13. Основные конструкции коробок из гофрированного картона:
а — складная; б — с надеваемой крышкой; в — с поперечным вкладышем, образующим дно и крышку; г — с продольным вкладышем, образующим торцовые стенки
материалов. Этот картон состоит из одного слоя гофрированной бумаги или из нескольких ее слоев, между которыми проложен один или несколько слоев гладкой бумаги. Все слои склеены между собой. Число всех слоев определяет название картона; например, пятислойный гофрированный картон состоит из двух внешних и одного внутреннего слоев гладкой бумаги и лежащих между ними двух гофрированных слоев. В зависимости от высоты различают крупные, мелкие гофры и микрогофры.
Основными конструкциями тары из гофрированного картона являются складные коробки, коробки с надеваемой крышкой, коробки с поперечными (образующим дно и крышку) вкладышами (рис. 8.13). На базе этих конструкций создано множество специальных вариантов, главным образом на базе складных коробок. Их преимуществами являются возможность транспортирования и хранения в разобранном плоском виде, а также быстрота сборки.
Эксплуатационные свойства коробок, изготовленных из гофрированного картона, характеризуются сопротивлением ее продавливанию, сжатию и излому. Изготовленная из этого картона тара обычного исполнения используется для изделий массой примерно до 60 кг. Функция защиты определяется качеством соединения элементов тары, которое может осуществляться склеиванием (смачиваемой клеящейся или самоклеящейся лентой), сшиванием (скрепками) или обвязкой (стальной, пластиковой лентой, шпагатом). При разработке тары из гофрированного картона следует руководствоваться указаниями стандарта TGL 7-1090/01.
Для замены деревянных ящиков в международных пересылках пользуются комбинированными упаковками из гофрированного картона и других материалов (дерево, пластики). Возможны следующие варианты: применение деревянных решеток, играющих роль дна и крышки и скрепляемых с коробкой обвязкой (рис. 8.14) ;
комбинация коробки и четырехзаходного поддона, также скрепляемая обвязкой (рис. 8.15);
комбинация с упаковочными элементами из пенополистирола (угловые и краевые амортизаторы, специальные фасонные детали тары), например, цля настольных измерительных приборов;
355
J 2 7
Рис. 8.14. Усиление коробки деревянными решетками:
1 — коробка из гофрированного картона; 2 — обвязка; 3 — решетка из деревянных реек
Рис. 8.15. Комбинация поддона и ко-
робки из гофрированного картона
встраивание в коробку деревянных рам, во-первых, фиксирующих изделие и, во-вторых, повышающих прочность тары;
использование гофрированного картона в качестве облицовки.
Дно выполняется прочным, как у деревянного ящика, картон крепится на рамы. Применение водостойкого семислойного гофрированного картона позволяет получать специальные упаковки для изделий массой до 1000 кг. При использовании картона (водоотталкивающее покрытие, водостойкая проклейка) усиленная упаковка пригодна даже для морского транспорта.
Из гофрированного картона можно изготовлять внутренние элементы: промежуточные прокладки, опоры, амортизаторы для фиксации изделия и повышения прочности коробки.
При герметизации коробок или внутренних элементов пластиковой пленкой, края которой свариваются, следует учитывать, что содержание влаги в этом картоне равно 8... 14 %.
8.6.3. Пластмассовая тара
Для изготовления пластмассовой тары, предназначенной для упаковки технических изделий и ее элементов, используются в основном полистирол ьные и полиуретановые пенопласты (пенополистиролы и пенополиуретаны). Такая тара надежно фиксирует положение изделия, обладает достаточной прочностью при низкой массе (экономия транспортных издержек), высоким поглощением энергии, стойкостью по отношению к пресной и морской воде и частично к химикалиям. Эти материалы обеспечивают хорошую термоизоляцию, низкую диффузию паров и позволяют с высокой точностью выдержать требуемые размеры. Пластмассовая тара дает возможность рационализировать процесс упаковывания.
Пенополистирол имеет плотность 20...30 кг/м3, он способен выдерживать давление примерно до 0,5 Н /см2. Для несущих элементов упаковки 356
Рис. 8.16. Примеры закрытой тары из пенополистирола: / — упаковываемое изделие
Рис. 8.17. Примеры элементов упаковки из пенополистирола:
1 — упаковываемое изделие
смятие вследствие поверхностного давления не должно превышать 5 %. Деформируясь при ударных нагрузках, пенополистирол играет роль амортизатора, поглотителя энергии удара. Он мало изменяет форму при колебаниях температуры.
Пенополистирол отличается низкой теплопроводностью, благодаря чему он может в течение определенного времени защищать изделие от воздействия экстремальных температур (примерно от —40 до +55 °C), например во время перевалки в порту, или от быстрых перепадов температуры. Пенополистиролы не гигроскопичны, поэтому при воздействии воды или высокой влажности воздуха их механическая прочность не уменьшается.
Фасонные детали, отформованные из пенополистирола, используются для закрытой упаковки (две детали, образующие закрытую коробку) для изделий массой до 40 кг (рис. 8.16), в качестве элементов упаковки (защитных и амортизирующих угловых соединений, угловых профилей для защиты ребер, амортизирующих рам; рис. 8.17), а также в виде внутризаводских вспомогательных транспортных средств в форме штабелируемых поддонов (рис. 8.18).
При конструировании упаковки необходимо учитывать конструктивные уклоны для облегчения выемки детали из формы (уклон должен составлять не менее 1°30')> равномерность толщины стенок и необходимое расположение ребер [8.5].
Пенополиуретан применяется для создания упаковки в форме готовых элементов тары, предназначенных для демпфирования ударов, или для образования амортизирующей подушки (рис. 8.19), для чего он в не-отвержденном виде вводится в зазоры между изделием и тарой. Ввод неотвержденного пенополиуретана экономически оправдан там, где изделия, изготовляемые крупными партиями и имеющие примерно одинаковые
Рис. 8.18. Поддоны из пенополистирола для внутризаводского транспортирования:
1 — упаковываемое изделие
357
Рис. 8.19. Примеры применения пенополиуретана:
а — ввод пенополиуретана в неотвержденном виде: 1, 7 — направление ввода и выемки изделия; 2 — тара; 3 — пенополиуретан, вводимый в неотвержденном виде; 4 — разделительная пленка; 5 — упругая прокладка; 6 — изделие; б — обкладка изделия
листовым пенополиуретаном: / — тара; 2 — листовой пенополиуретан; 3 — изделие
размеры, сразу же упаковываются непосредственно на последнем этапе производственного процесса, например, в конце автоматизированной линии. Путем варьирования степени сшивания полимерной сетки можно изменять жесткость полиуретановых деталей. Полученные таким образом мягкие и полутвердые элементы упаковки позволяют быстро демпфировать колебания, вызванные падением упаковочной единицы. С учетом характеристик пенополиуретана марки SYS-PURSF 4705 для прямого ввода в неотвержденном виде [8.8] кажущуюся плотность свободно вспениваемого материала можно ориентировочно считать равной 7... 12 кг/м3; прочность при 10 %-ном сжатии составляет 1,0... 1,2 Н /см2 [8.9].
Для такой упаковки пригодны изделия простой формы в виде прямоугольного параллелепипеда, не имеющие острых углов, выступающих частей и выемок, нечувствительные к повышению температуры (температура отверждения пенополиуретана около 80 °C). Перед вводом пенополиуретана изделие должно быть закрыто пленкой.
8.6.4. Амортизаторы для упаковки
Принцип действия амортизатора можно сравнить с пружиной сжатия. Сила удара сжимает пружину на определенную величину — путь торможения. Этот пуТь, определяющий амортизирующее действие пружины, зависит от сопротивления амортизатора, а оно — от свойств его материала и размеров. Путь торможения оптимален, если сила удара и сила сопротивления амортизатора уравновешены. За счет собственной массы изделия амортизатор предварительно испытывает определенное сжатие (статическая нагрузка), поэтому достаточная амортизация должна быть обеспечена дополнительным путем торможения при динамической нагрузке. Материал амортизатора должен обладать хорошими характеристиками восстановления, его остаточная деформация должна быть мала.
Сжатие амортизатора под нагрузкой описывается его характеристикой (рис. 8.20). Характеристики позволяют определить способность амортизатора возвращаться в исходное состояние и его остаточную деформацию. Сжатие амортизатора определенной толщины при заданной удельной нагрузке зависит от плотности материала; демпфирование колебаний с его помощью целесообразно оценивать экспериментально (см. стандарт СТ СЭВ 1662—78 [8.10], рис. 8.21).
358
Рис. 8.20. Типичные характеристики полистирола (а) и полиуретана (б):
d — толщина амортизатора; b — удельная нагрузка; / —
сжатие
Ниже кратко описаны основные свойства наиболее широко применяемых материалов для амортизаторов.
Древесная стружка. Обладает хорошими амортизационными свойствами. Пригодна для индивидуального упаковывания изделий. Низкая стоимость. Повышенный объем ручного труда при упаковывании. Снижение амортизационной способности при воздействии влаги. При герметичной упаковке с помощью пластиковой пленки вызывает образование конденсационной воды. Упаковывание и распаковывание сопровождаются пылеобразованием. Все шире заменяется новыми амортизирующими материалами.
Гофрированный картон. Применяется в виде листового материала, используется для 'получения разнообразных фасонных амортизаторов, требующих повышенных затрат на изготовление (склеивание, сшивание, окантовку и т. д.) и восстанавливающих свою форму лишь в ограниченных пределах (малый путь торможения). Амортизаторы могут быть рассчитаны в соответствии с геометрией упаковываемого изделия. В массовом и серийном производстве (на поточных линиях) преимущественно используются сплошные, полые и уголковые амортизаторы (например, для бытовых электроприборов и т. п.). Характеризуются снижением прочности при воздействии влаги вследствие гигроскопичности (возможно появление конденсационной воды).
Пенополистирол (структура с закрытыми порами). Используется для изготовления комплектной тары, а также амортизационных элементов, укладываемых в ящики и коробку. Применение экономически оправдано только при достаточно больших сериях. Оптимальные амортизационные свойства достигаются при плотности 20...30 кг/м3 и удельной нагрузке 0,5...1,0Н/см2. Требуемое распределение нагрузки достигается соответствующим расположением амортизационных ребер (см. рис. 8.16—8.18).
Рис. 8.21. Схема стенда для испытаний упаковки на удар:
1 — ударник; 2 — наковальня; 3 — испытуемый образец; 4 — датчик скорости; 5 — направляющая; Н — высота падения ударника на образец
369
Пенополиуретан (структура с открытыми порами). Имеет более высокие амортизационные свойства по сравнению с пенополистиролом и хорошо восстанавливает форму после деформации. Мягкий листовой пенополиуретан, амортизаторы из которого изготовляют резкой, просечкой, склеиванием, применяется для упаковывания чувствительных к удару изделий. Оптимальная удельная нагрузка от 0,5 до 0,8 Н/см2. Для фасонных амортизаторов используется полутвердый пенополиуретан. Статическая характеристика не позволяет оценить динамические свойства амортизатора, так как они зависят от пористости структуры. Поэтому правильный выбор этой структуры, размеров и формы пенополиуретановых амортизаторов рекомендуется проверять экспериментально. Еще более проблематичен выбор амортизаторов для изделий, имеющих колеблющиеся элементы, так как их собственные колебания могут значительно влиять на нагрузочные характеристики амортизатора. Необходима экспериментальная проверка. Фасонные пенополиуретановые амортизаторы применяются преимущественно для упаковывания специальных приборов (например, геодезических).
Резина. Губчатая резина и пенорезина применяется в виде листового материала (амортизирующие элементы вырезаются, высекаются, склеиваются). При охлаждении амортизирующие свойства ухудшаются. Для тяжелых, но чувствительных к удару измерительных приборов и станков применяются специальные полученные вулканизацией фасонные амортизаторы (см. рис. 8.12, в). Используются также резинометаллические амортизаторы.
Фетр. Требуемые элементы вырезаются или высекаются из листового фетра и применяются в качестве амортизаторов и элементов для защиты лакированных поверхностей. Понижение температуры не ухудшает амортизирующих свойств. Недостатками являются гигроскопичность и возможность заражения плесневым грибком.
Кроме того, для упаковывания применяются волоконные амортизаторы, представляющие собой связанные латексом волокна кокосовой пальмы или волос животных. Эти амортизаторы изготовляют в виде листов, плоских и фасонных элементов (для защиты углов и граней). Используются для упаковывания высококачественных чувствительных к удару изделий.
Воздушные амортизаторы чаще всего изготовляют из экструдированного шланга из пластиковой пленки, по длине которого поперечной высокочастотной сваркой образуются 1 2 3 подушки, предварительно заполнен-
ные воздухом. Для чувствительных к удару приборов возможно создание так называемой плавающей упаковки. Воздушные амортизаторы при-
Рис. 8.22. Пример применения воздушных амортизаторов:
1 — изделие; 2 — тара; 3 — амортизаторы
360
годны для внутренней и внешней упаковки, а также для заполнения полостей в упаковке. Срок службы амортизаторов до 200 суток (рис. 8.22).
8.6.5. Защита от климатических нагрузок
Свыше половины всех повреждений изделий металлообрабатывающей промышленности вызываются коррозией. Выбор наиболее эффективной защиты от климатических нагрузок зависит от чувствительности изделия к ним в течение хранения и транспортирования, свойств защитного средства и длительности его защитного действия (см. также разд. 5.1, 5.2 и 5.7).
Защита от климатических воздействий возможна двумя способами: защитой непосредственно упаковываемого изделия и предотвращением внедрения жидкости внутрь тары. В последнем случае следует различать воздухопроницаемую и герметичную упаковки.
Воздухопроницаемая упаковка способствует быстрому выравниванию влажности и температуры внутри и снаружи, что предотвращает или ограничивает образование в упаковке конденсационной воды или способствует ее быстрому испарению. Несмотря на вентиляционные отверстия, необходимо исключать внедрение воды в упаковку. Такая упаковка используется только для транспортирования по суше, при непродолжительном транспортировании и хранении.
Там, где циркуляция воздуха и быстрое испарение возможной конденсационной воды невозможны под влиянием климатических воздействий, например, при транспортировании в тропические районы, необходимо использовать герметичную упаковку, в которой обмен воздуха между упаковкой и окружающей средой предотвращен или сильно ограничен. Герметизация обычно обеспечивается помещением изделия в мешок из пластиковой пленки или алюминиевой многослойной фольги, края которого свариваются. Наименьшей водонепроницаемостью обладают полиэтиленовые пленки, наибольшей — алюминиевые многослойные. Однако герметичная упаковка не гарантирует предотвращение коррозии, так как воздух внутри упаковки и ее материал содержит влагу. Это отрицательное явление может быть устранено откачкой воздуха, уменьшением объема гигроскопических материалов внутри упаковки, введением в нее обезвоживающих средств, применением парофазных ингибиторов, а также соответствующей консервацией изделия.
Обезвоживающие средства используются для поглощения водяных паров, содержащихся в воздухе внутри упаковки. Наиболее широко применяется силикагель’ (см. TGL 22865), который при нагревании до 180 °C может многократно регенерироваться. Хотя поглощения абсолютно всех содержащихся в упаковке водяных паров достичь невозможно, относительную влажность воздуха можно снизить ниже критического для коррозии значения (около 60%). Силикагель в воздухопроницаемых мешочках размещается в таре. Количество силикагеля зависит от водопроницаемости упаковочного материала, общей поверхности упаковки, продолжительности транспортирования
361
и хранения, внутреннего объема и гигроскопичности элементов упаковки и вспомогательных упаковочных средств (см. TGL 27217).
Парофазные ингибиторы представляют собой химические вещества, которые непрерывно образуют пары, замедляющие процесс коррозии. Условием обеспечения защитного действия является герметичность упаковки изделия. Для защиты черных металлов пригодна коррозионнозащитная бумага марки А, для защиты цветных металлов — марки В («Уникор»). Защитное действие бумаги наиболее эффективно при непосредственном контакте с защищаемой поверхностью. Действие на расстоянии 20...30 см (8 см для бумаги «Уникор») ограничено. При использовании коррозионно-защитной бумаги необходимо учитывать указания стандарта TGL 29921.
Коррозионная защита изделий может осуществляться также очисткой, сушкой и нанесением коррозионно-защитных покрытий. Очисткой прежде всего с металлической поверхности удаляют способствующие коррозии отпечатки пальцев, остатки припоя и флюса, пыль, ржавчину и т. д. Для этого применяют промывной бензин, перхлорэтилен, метанол и т. п. После сушки (сухой ветошью, сжатым воздухом, в печи) производится консервация металлической поверхности нанесением на нее кистью, окунанием или распыливанием средств для временной защиты от коррозии. К ним относятся коррозионно-защитные масла, смазочные материалы и жидкости. Они не допускают контакта влаги с этой поверхностью и представляют собой коррозионно-защитные ингибиторы. Такие средства позволяют в течение достаточно длительного времени защищать детали, которые по техническим или экономическим соображениям не защищаются другим способом.
8.7. Испытания упаковки
При испытаниях упаковки проверяются выполнение ею функции защиты, рациональность использования материалов и возможность транспортирования в ней изделия. На предприятии-изготовителе ответственность за испытания несут службы технического контроля совместно с работниками, ответственными за разработку упаковки. Эти испытания являются составной частью программы испытаний опытного образца изделий.
Вид и способ испытания упаковки определяются ее массой брутто (обычно в градации от 0 до 25, свыше 25 до 50, свыше 50 до 150, свыше 150 до 2000, свыше 2000 кг), транспортным средством (грузовой автомобиль, железнодорожный вагон, судно, самолет), путем транспортирования (внутри страны, на континенте, через океан), а также видом транспорта (пересылка штучных грузов, в закрытом вагоне или контейнере по типу «от двери до двери»).
Упаковка подвергается испытаниям на деформации при сжатии, на удар о наклонную плоскость, на удар вследствие свободного падения или кантования, вибрационным испытаниям, испытаниям на возможность транспортирования [8.11,8.12].
362
Рис. 8.23. Последовательность разработки упаковки в процессе освоения производства новой продукции
При испытаниях на деформацию при сжатии упаковка подвергается сжатию в специальном прессе. Испытаниям на удар в результате свободного падения на жесткое основание подлежат упаковки массой брутто до 50 кг. В качестве испытательного оборудования применяются специальные столы для сброса, крюки и грейферы. Высота падения выбирается в зависимости от средства, пути и вида транспорта и при
363
массе брутто до 25 кг может составлять от 0,25 до 0,8 м, при массе брутто до 50 кг — от 0,2 до 0,6 м. Упаковка сбрасывается 8 раз: 4 раза на углы и 4 раза на ребра.
Целью испытаний на удар о наклонную плоскость является проверка прочностных и защитных свойств тары или упаковочной единицы массой брутто 50... 150 кг при соударении ее с наклонной поверхностью. Для этого образец устанавливают на движущуюся по рельсам тележку так, чтобы его столкновение со стенкой произошло требуемым образом (поверхностью или ребром). При наклоне стенки 10° и длине пробега тележки 2...4 м скорость соударения достигает 1,7...3 м/с. Испытания проводятся 6 раз, ударам подвергаются по одному разу каждая торцовая стенка и каждое ребро этих стенок. Если испытания технически невозможно провести, их можно осуществить методом свободного падения, высота которого выбирается по требуемой скорости соударения.
Испытания на ударную прочность при кантовании производятся для упаковочных единиц массой брутто 150...2000 кг. Для этого необходима плоская бетонная площадка, порог на ней высотой 100 мм, в который тара упирается одним из ребер, и подъемник, с помощью которого противоположное ребро поднимается на определенную высоту. Эта высота составляет 0,7, 0,5 и 0,3 м для тары массой соответственно 150...300 кг, 300... 1500 кг и 1500...2000 кг.
При испытаниях на вибропрочность тара подвергается синусоидальным колебаниям на вибростоле. Частота колебаний выбирается в диапазоне 1—80 Гц, максимальное ускорение должно составлять не менее (0,75 ± 0,25) g.
Возможность транспортирования проверяется для упаковочных единиц очень большой массы, необычных размеров, а также тех упаковочных единиц, к условиям транспортирования которых предъявляются особые требования. Для проведения этих испытаний необходим грузовой автомобиль грузоподъемностью 5000 кг, который должен пройти с упаковочной единицей примерно по 100 км по дорогам второго и первого класса (со скоростью 40...50 км/ч), а также по автостраде (80 км/ч). В процессе испытаний автомобиль дважды должен двигаться задним ходом и дважды производить полное торможение (при скорости 30 км/ч).
Перечисленные испытания упаковки могут проводиться как в виде самостоятельной программы, так и в рамках программы более обширных испытаний. Перечень работ, связанных с разработкой упаковки, приведен на рис. 8.23.
Список литературы
8.1. Schubert J. Handbuch der Exportverpackung. Berlin: Verlag Die Wirtschaft, 1969.
8.2. Horger H.-H. Beanspruchungen, Mapnahmen und Vereinbarungen im Trans-portwesen. Dusseldorg: VDI-Verlag, 1966.
8.3. Verpackungstrichtlinie des Industriebereiches Electrotechnik/Electronik, 1975. 8.4. Rockstroh O. Handbuch der industriellen Verpackung. Munchen: Wolfgang Dummer & Co. Verlag Moderne Industrie, 1972.
364
8.5. Hildebrand S., Krause W. Fertigungsgerechtes Gestalten in der Feingerate-teclunk. 2. Aufl. Berlin: VEB Verlag Technik, 1982.
8.6. Ports of the World, 8. Ausg., Insurance Company of North America World Headquarters Philadelphia, Pa S. 34.
8.7. Schmidt G., Michel U. Verpackungsokonomie und der Zusammenhang zwischen TUL- und Verpackungsprozessen.— Die Verpackung, 1980, Bd. 21, № 1, S. 3.
8.8. Steudel H., Anger H.-H., Walter H., Kunz J. Ober Erfahrungen beim Verpacken elektronischer Gerate mit PUR-Fullschaum.— Die Verpackung, 1979, Bd. 20, № 6, S. 192.
8.9. Stock M., Giesen G., Naber B. PUR-Schaumstoffe als Packmaterial.— Die Verpackung, 1982, Bd. 23, № 3, S. 103.
8.10. Heinrich Chr., Steinbach H. ST RGW 1662—79, ein RGW-Standard uber die Priifung von Polsterstoffen fur Verpackungen.— Die Verpackung, 1981, Bd. 22, № 6, S. 209.
8.11. Heinrich Chr. Prufung von Transportpackungen (I und II).— Die Verpackung, 1982, Bd. 23, № 5, S. 170; № 6, S. 227.
8.12. Heinrich Chr. Schwingungsfestigkeitsprufung von Verpackungen.— Die Verpackung, 1981, Bd. 22, № 1, S. 26.
Приложение 1.
Перечень стандартов TGL на пассивные и активные ЭРЭ, ИМС, оптоэлектронные элементы и другие ЭРЭ
Стандарт Дата издания Название
Резисторы TGL 24197/01—03 79 Постоянные и механически регулируемые резис-
TGL 35897/01 — 13 12.78 торы Постоянные и механически регулируемые резис-
Конденсаторы TGL 17230 8.70 торы; методы испытаний и измерений Электрические постоянные конденсаторы
TGL 17225/01—09 12.77 Конденсаторы с воздушным диэлектриком
TGL 31281/01—03 8.76 Керамические подстроечные конденсаторы
Индуктивные элементы TGL 200-1626/01 2.67 Дроссели, дроссели фильтров
TGL 200-1643/01,02 9.73 Маломощные трансформаторы и дроссели
TGL 25769/01—21 8.79 Магнитомеханические полосовые фильтры
TGL 25378/01—03 12.76 Запоминающие и коммутационные кольцевые
Электронные лампы TGL 9240/01,02 12.65 сердечники Приемно-усилительные лампы
TGL 13751 2.68 Приемно-усилительные лампы специального наз-
TGL 7705 8.78 начения Приемные телевизионные трубки
TGL 32246 1.76 Передающие телевизионные трубки
TGL 12187/01 3.68 Осциллографические трубки
365
Продолжение приложения 1
Стандарт Дата издания Название
Полупроводниковые приборы
TGL 8097 4.77 Полупроводниковые диоды
TGL 24247 4.77 Транзисторы
TGL 11811 12.72 Конструктивные исполнения транзисторов
TGL 24916/01,02 8.76 Тиристоры для тока до 10 А
TGL 24917 5.75 Конструктивные исполнения тиристоров
Интегральные микросхемы
TGL 24569/02 12.75 Классификация интегральных микросхем; функции
TGL 24951 4.77 Полупроводниковые интегральные микросхемы
TGL 26713 11.75 Конструктивные формы монолитных интегральных микросхем
TGL 29268 3.82 Полупроводниковые интегральные микросхемы, понятия и краткие обозначения электрических параметров
TGL 29948/01—03 4.79 Конструктивные формы гибридных и пленочных интегральных микросхем
TGL 29949 12.80 Гибридные ..и. пленочные интегральные схемы; понятия
TGL 29950/01 5.78 Пленочные интегральные микросхемы
TGL 31486/01—09 12.75 Методы измерений параметров цифровых интегральных микросхем
TGL 31487/01—23 12.75 Методы измерений параметров аналоговых интегральных микросхем
TGL 32377/01—03 11.80 Электронные элементы; понятия, технические условия, испытания
TGL 32648/01,02 12.75 Монолитные интегральные микросхемы; биполярные, цифровые и аналоговые микросхемы, понятия
TGL 34798 6.78 Гибридные интегральные микросхемы, технические условия
TGL 37837 СТ СЭВ 2119—80 10.82 Испытания соединителей для электрорадиоэлементов на прочность испытания U
TGL 38004 6.81 Бескорпусные полупроводниковые электрорадиоэлементы; технические условия
TGL 38015 4.80 Система обозначений полупроводниковых электрорадиоэлементов и полупроводниковых интегральных микросхем
TGL 38922 СТ СЭВ 1623—79 12.80 Полупроводниковые интегральные микросхемы; понятия
Оптоэлектронные элементы
TGL 29969 1980 Кремниевый фотодиод SP 103, полученный методом ионной имплантации
TGL 32115 1982 Фоторезистор SP 201
TGL 32998 1979 Светодиоды VQA 13, VQA 13—1
366
Продолжение приложения 1
Стандарт Дата издания Название
TGL 35172 1980 Светодиод VQ 120 ИК-диапазона
TGL 36609 1980 Оптрон МВ 104
TGL 38467 1982 Жидкокристаллические индикаторы, основные размеры
TGL 38469 1982 Светоизлучающий индикатор VQC 10
TGL 38567 1982 Кремниевый датчик SP 105
TGL 39352 1981 Светоизлучающие индикаторы VQE 21 — VQE 24
TGL 39353 1982 Светодиоды VQA 18, VQA 28, VQA 38
TGL 39422 1982 Светодиоды VQA 14, VQA 24, VQA 34
TGL 39724 1982 Светодиоды VQA 19, VQA 29, VQA 39
TGL 39797 1983 Жидкокристаллические индикаторы FAR 09 А, FAT 09 A, FAS 09 А
TGL 42254 1983 Оптрон МВ 123
TGL 42283 1983 [Жидкокристаллические индикаторы FAR 11 А, FAT 11 A, FAS 11 А
TGL 55110 1982 ; Светоизлучающие индикаторы VQE 11 — 'VQE 14
TGL 55141 1984 Световодные кабели
TGL 55142 Электрические лампы TGL 10619/01 TGL 10619/02 TGL 11083 TGL 11380 TGL 11381/01 TGL 11381/02 TGL 11381/03 TGL 34—63 TGL 200-8170 TGL 200—8175 Упаковка приборов TGL 227—75 TGL 257—76 TGL 3195/01—06 TGL 4451 TGL 9275/01—04 TGL 10615/01 — 11 1984 Оптические кабели со световодами, показатель преломления которых изменяется ступенчато или плавно Проекционные лампы типа Т. Общие технические требования Проекционные лампы типа Т, основные параметры Проекционные лампы типа А—В—К—L—S, общие технические требования Проекционные лампы типа К (лампы для эпископов и эпидиаскопов) Проекционные лампы типа LWS, LWS1, LWS2, LWS3 Галоидные проекционные лампы типа S4 Галоидные проекционные лампы типа S5 Проекционные лампы типа Т-А, 6 В, 5 Вт по TGL 10619 с центрирующим элементом Миниатюрные лампы типа 0 Спектральные лампы Тара, система размеров Маркировка грузов малой скорости Гофрированный картон для целей упаковки Тара из дерева Поддон из дерева Правила конструирования ящиков и решетчатой тары
367
Продолжение приложения 1
Стандарт Дата издания Название
TGL 17448/01 — 10 Правила конструирования фасонных пластмассовых деталей
TGL 18700/01—07 Защита от коррозии
TGL 18977/01—06 Материалы из дерева; понятия
TGL 18981/06—07 Технические условия поставки пиломатериалов
TGL 20789/02—05 Упаковочные пленки
TGL 21754/01—04 Складные коробки из гофрированного картона
TGL 22131/01—05 Основные конструкции коробок
TGL 22865 Силикагели
TGL 23422 Упаковочные элементы из пенополистирола; технические условия поставки
TGL 27217 Упаковка с применением защитных пленок и введением осушителей, определение количества осушителя
TGL 27366 Единая система электронной аппаратуры и приборов (ESEG), коррозионно-защитные масла, смазки и парафины
TGL 28361/01 — 10 Типовая технология упаковывания для транспортирования
TGL 28403/01 Критерии определения требований к упаковке, транспортированию и хранению изделий
TGL 29163/01—08 Упаковывание, терминология
TGL 29472/01—06 Типовая технология применения контейнеров и поддонов
TGL 29473 Упаковка для транспортирования; механические нагрузки при транспортировании, перевалке и хранении
TGL 29921 Упаковывание при использовании защитных пленок и добавлении парофазных ингибиторов
TGL 31253/01—06 Испытания тары
TGL 34437/01—09 Упаковка для транспортирования: температура и влажность воздуха при транспортировке, перевалке и хранении
TGL 7—1090/01 Вспомогательные упаковочные средства из гофрированного картона
TGL 200-0859/01—04 Электротехнические и электронные изделия: упаковка, пути транспортировки и виды упаковки
Приложение 2.
Стандарты СССР, соответствующие содержанию книги
ГОСТ 8032—84 (СТ СЭВ 3961—83) ГОСТ 6636—69* ГОСТ 2825—67* (СТ СЭВ 1076—78) 368
Предпочтительные числа и ряды предпочтительных чисел
Нормальные линейные размеры
Резисторы постоянные. Ряды номинальных сопротивлений
ГОСТ 9664—74* (СТ СЭВ 1809—79) ГОСТ 2519—67* (СТ СЭВ 1076—78) ГОСТ 9661—73* (СТ СЭВ 1809—79) ГОСТ 12661—67
ГОСТ 14611—78 (СТ СЭВ 1809—79)
ГОСТ 17230—71 (СТ СЭВ 1624—79) ГОСТ 23873—79
ГОСТ 24459—80
ГОСТ 17487—72
ГОСТ 23387—78
ГОСТ 15962—84Е
ГОСТ 25529—82 (СТ СЭВ 1125—78, СТ СЭВ 2768—80) ГОСТ 17465—80 ГОСТ 23448—79
ГОСТ 19095—73 (СТ СЭВ 2771) ГОСТ 20003—74 (СТ СЭВ 2770—80) ГОСТ 15172—70
ГОСТ 20332—84 (СТ СЭВ 1125—78) ГОСТ 21962—76 ГОСТ 14312—79 ГОСТ 21395.1—75
ГОСТ 24606.3—82 (СТ СЭВ 3985—83, СТ СЭВ 3986—83)
ГОСТ 24606.7—84 (СТ СЭВ 3783—82, СТ СЭВ 3784—82, СТ СЭВ 3984—83) ГОСТ 25486—82Е (СТ СЭВ 2745—80)
Резисторы. Допускаемые отклонения от номинального значения сопротивления
Конденсаторы электрические постоянные. Ряды номинальных емкостей
Конденсаторы постоянной емкости. Допускаемые отклонения значения емкости от номинальной
Конденсаторы и резисторы электрические. Длины монтажные и диаметры проволочных выводов Конденсаторы постоянной и переменной емкости вакуумные. Ряды номинальных емкостей, напряжений и токов
Микросхемы интегральные. Ряды питающих напряжений
Трансформаторы электронно-магнитные многофункциональные. Основные параметры
Микросхемы интегральные запоминающих устройств и элементов запоминающих устройств. Основные параметры
Трубки осциллографические с магнитным отклонением луча. Основные параметры и размеры.
Трубки осциллографические и индикаторные. Основные параметры и размеры
Трубки электронно-лучевые приемные. Общие технические условия
Диоды полупроводниковые. Термины, определения и буквенные обозначения параметров.
Диоды полупроводниковые. Основные параметры Диоды полупроводниковые излучающие. Основные размеры
Транзисторы полевые. Термины, определения и буквенные обозначения параметров
Транзисторы биполярные. Термины, определения и буквенные обозначения параметров
Транзисторы. Перечень основных и справочных параметров
Тиристоры. Термины, определения и буквенные обозначения параметров
Соединители электрические. Термины и определения Контакты^ электрические. Термины и определения. Резисторы и конденсаторы. Методы проверки общего вида, размеров, массы, внешнего вида и маркировки Изделия коммутационные, установочные и соединители электрические. Методы измерения контакта и динамической и статической нестабильности переходного сопротивления контакта
Изделия коммутационные, установочные и соединители электрические. Методы проверки требований к конструкции
Изделия электронной техники. Маркировка
369
ГОСТ 19480—74
ГОСТ 17447—72
ГОСТ 17467—79
ГОСТ 18472—82
ГОСТ 19789—80
ГОСТ 24459—80
ГОСТ 11630—84 (СТ СЭВ 3992—83) ГОСТ 16962^-71
ГОСТ 21322—75Е
ГОСТ 21493—76
ГОСТ 25467—82Е
ГОСТ 23622—79
ГОСТ 22623—77
ГОСТ 13607—68
ГОСТ 22520—77 (СТ СЭВ 768—77, СТ СЭВ 4124—83) ГОСТ 13607—68
ГОСТ 24855—81
ГОСТ 24736—81
ГОСТ 17561—72
ГОСТ 14129—69
ГОСТ 13684—68
ГОСТ 19761—81 (СТ СЭВ 3769—82) ГОСТ 17448—79
Микросхемы интегральные. Термины, определения и и буквенные обозначения параметров
Микросхемы интегральные для цифровых вычислительных машин и устройств Дискретной автоматики. Основные параметры
Микросхемы интегральные. Основные размеры Приборы полупроводниковые. Основные размеры Микросхемы интегральные аналоговые. Основные параметры
Микросхемы интегральные запоминающих устройств и элементов запоминающих устройств. Основные параметры
Приборы полупроводниковые. Общие технические требования
Изделия электронной техники и электротехники. Механические и климатические воздействия. Требования и методы испытаний
Изделия электронной техники для устройств широкого применения. Механические и климатические воздействия. Классификация по условиям применения
Изделия электронной техники производственно-технического назначения и народного потребления. Требования к сохраняемости и методы испытаний
Изделия электронной техники. Классификация по условиям применения и требования по стойкости к внешним воздействующим факторам
Элементы логических интегральных микросхем. Основ-ныоитараметры
Элементы крепления изделий электронной техники, управляемых с помощью вала. Основные размеры Приборы и преобразователи электроизмерительные цифровые. Основные термины и определения
ГСП. Преобразователи измерительные с электрическими унифицированными аналоговыми выходными сигналами. Общие технические условия
Приборы и преобразователи электроизмерительные цифровые. Основные термины и определения
Преобразователи измерительные тока, напряжения, мощности, частоты, сопротивления аналоговые. Общие технические условия
Преобразователи интегральные аналого-цифровые и цифроаналоговые. Основные параметры.
Усилители магнитные. Термины и определения.
Переключатели кнопочные и клавишные электронных вычислительных машин. Типы и основные параметры Переключатели кнопочные универсальные. Технические условия.
Переключатели и выключатели модульные кнопочные и клавишные. Общие технические условия
Контакты магнитоуправляемые герметизированные малой и средней мощности. Основные параметры и размеры
370
ГОСТ 23547—79
ГОСТ 24907—81 (СТ СЭВ 1856—79) ГОСТ 22335—77
ГОСТ 25492—82
ГОСТ 23622—79
ГОСТ 22060—76
ГОСТ 23882—79
ГОСТ 20242—74
ГОСТ 7399—80Е (СТ СЭВ 588—77, СТ СЭВ 586—77) ГОСТ 13635—78 ГОСТ 23542—79 ГОСТ 20406—75 (СТ СЭВ 785—77) ГОСТ 10317—79 ГОСТ 23751—79 ГОСТ 23752—79 ГОСТ 26164—84Э (СТ СЭВ 3982—83) ГОСТ 23661—79 ...ГОСТ 23665—79 ГОСТ 8912—76
ГОСТ 12413—79 16264.0—85Е 16264.1—85 (СТ СЭВ 4438—83) 16264.2—85 16264.3—85 ГОСТ 22520—85Е
ГОСТ 23222—78
ГОСТ 16531—83 (СТ СЭВ 3294—81) ГОСТ 1643—81 (СТ СЭВ 641—77, СТ СЭВ 643—77, СТ СЭВ 644—77) ГОСТ 9178—81 (СТ СЭВ 642—77) ГОСТ 10242—81 (СТ СЭВ 644—77)
Коммутаторы оптоэлектронные. Основные параметры Счетчики механические и электромеханические. Общие технические условия
Частотомеры электронно-счетные. Технические требования, методы испытаний
Устройства цифровых вычислительных машин запоминающие. Термины и определения
Элементы логических интегральных микросхем. Основные параметры
Приборы электровакуумные в сверхминиатюрном стеклянном оформлении. Основные размеры
Магнитопроводы ленточные ортогональные для многофункциональных электронно-магнитных трансформаторов. Типы и основные размеры
Пластины и магнитопроводы пластинчатые для трансформаторов и дросселей. Типы и основные размеры Провода и шнуры соединительные на напряжения до 380/660 В. Технические условия
Шнуры особо гибкие. Технические условия
Кабели и жгуты для межприборных соединений
Платы печатные. Термины и определения
Платы печатные. Основные размеры
Платы печатные. Требования и методы конструирования
Платы печатные. Общие технические условия
Платы печатные для изделий, поставляемых на экспорт. Шаги сетки
Технологические процессы изготовления печатных плат
Форма и расположение отверстий карт перфорированных. Размеры и методы испытаний
Карты перфорированные. Технические условия
Машины электрические малой мощности. Двигатели. Общие технические условия
Двигатели асинхронные. Общие технические условия
Двигатели синхронные. Общие технические условия Двигатели коллекторные. Общие технические условия ГСП. Преобразователи измерительные с электрическими унифицированными аналоговыми выходными сигналами. Общие технические условия
Средства измерений и автоматизации ГСП. Нормируемые метрологические и точностные характеристики Передачи зубчатые цилиндрические. Термины, определения и обозначения
Основные нормы взаимозаменяемости. Передачи зубчатые цилиндрические. Допуски
Основные нормы взаимозаменяемости. Передачи зубчатые цилиндрические мелкомодульные. Допуски
Основные нормы взаимозаменяемости. Передачи зубчатые реечные. Допуски
371
ГОСТ 13506—81 (СТ СЭВ 1160—78) ГОСТ 15622—77 (СТ СЭВ 1915—79) ГОСТ 3361—75
ГОСТ 11200—75
ГОСТ 26157—84 ГОСТ 22274—80 (СТ СЭВ 3787—82) ГОСТ 16803—78
ГОСТ 17490—77
ГОСТ 24352—80 ГОСТ 25369—82
ГОСТ 21934—83
ГОСТ 17470—72
ГОСТ 25369—82
ГОСТ 25370—82
ГОСТ 17791—82 (СТ СЭВ 2753—80) ГОСТ 24403—80 (СТ СЭВ 3787—82) ГОСТ 10891—75
ГОСТ 25677—83
ГОСТ 10771—82 (СТ СЭВ 2786—80) ГОСТ 5365—83
ГОСТ 24844—81 (СТ СЭВ’1855—79, СТ СЭВ 3925—82)
ГОСТ 13088—67 ГОСТ 25462—82 ГОСТ 25312—82
ГОСТ 24346—80 (СТ СЭВ 1926—79) ГОСТ 24347—80 (СТ СЭВ 1927—79) ГОСТ 25980—83
372
Основные нормы взаимозаменяемости. Передачи зубчатые реечные мелкомодульные. Допуски
Муфты предохранительные фрикционные общего назначения. Основные параметры и размеры
Окуляры и тубусы микроскопов. Присоединительные размеры
Объективы и тубусы микроскопов. Присоединительные размеры
Объективы киносъемочные. Общие технические условия Излучатели полупроводниковые. Термины и буквенные обозначения параметров
Источники высокоинтенсивного оптического излучения газоразрядные импульсные. Термины и определения Лазеры и излучатели инжекционные, диоды-лазеры. Основные параметры
Излучатели полупроводниковые. Основные параметры Фотоэлементы измерительные. Основные параметры. Методы измерения основных параметров
Приемники излучения полупроводниковые фотоэлектрические и фотоприемные устройства. Термины и определения
Умножители фотоэлектронные Основные параметры Фотоэлементы измерительные. Основные параметры. Методы измерений основных параметров Фотоумножители измерительные. Основные параметры. Методы измерения основных параметров
Приборы электронно-лучевые. Термины и определения
Микросхемы интегральные оптоэлектронные. Термины, определения и буквенные обозначения параметров Пленки фотографические для микрофильмирования. Технические условия
Преобразователи импульсного лазерного излучения электронно-оптические измерительные. Основные параметры. Методы измерений
Лампы накаливания электрические светоизмерительные рабочие. Технические условия
Приборы электроизмерительные. Циферблаты и шкалы. Общие технические требования
Циферблаты и шкалы манометров, вакуумметров, мано-вакуумметров, тягомеров и тягонапормеров показывающих и самопишущих. Технические требования. Маркировка
Колориметрия. Термины, буквенные обозначения.
Волоконная оптика. Термины и определения
Преобразователи лазерного излучения измерительные тепловые термоэлектрические. Типы и основные параметры
Вибрация. Термины и определения
Вибрация. Обозначения и единицы величин
Вибрация. Средства защиты. Номенклатура параметров
ГОСТ 25.101—83
ГОСТ 25359—82 (СТ СЭВ 2746—80)
ГОСТ 21829—76
ГОСТ 21837—76
ГОСТ 22269—76
ГОСТ 22973—78
ГОСТ 23144—78
ГОСТ 16330—85
ГОСТ 26.020—80
ГОСТ 25124—82 (СТ СЭВ 1361—78) ГОСТ 24750—81
ГОСТ 23088—80Е
ГОСТ 20397—82
ГОСТ 21552—84Е
ГОСТ 9.068—76
Расчеты и испытания на прочность. Методы схематизации случайных процессов нагружения элементов машин и конструкций и статистического представления результатов.
Изделия электронной техники. Общие требования по надежности и методы испытаний
Система «человек — машина». Кодирование зрительной информации. Общие эргономические требования Система «человек — машина». Табло коллективного пользования из цифровых знакосинтезирующих электролюминесцентных индикаторов. Общие эргономические требования
Система «человек — машина». Рабочее место оператора. Взаимное расположение элементов рабочего места. Общие эргономические требования
Система «человек — машина». Общие эргономические требования. Классификация
Система «человек — машина». Трубки электроннолучевые для отображения визуальной информации. Общие эргономические требования
Машины вычислительные. Шрифты для оптического чтения. Типы. Основные параметры и размеры
ЕССП. Шрифты для средств измерений и автоматизации. Начертания и основные размеры
Машины вычислительные и системы обработки данных.
Шрифты изделий
Средства технические вычислительной техники. Общие требования технической эстетики
Изделия электронной техники. Требования к упаковке, транспортированию и методы испытаний
Средства технические малых электронных вычислительных машин. Общие технические требования, правила приемки, маркировка, упаковка, транспортирование и хранение, гарантии изготовителя
Средства вычислительной техники. Общие технические требования, правила приемки, методы испытаний, маркировка, упаковка, транспортирование и хранение
ЕСЗКС. Герметизирующие материалы. Методы испытаний на стойкость к воздействию жидких агрессивных сред
Предметный указатель
Аккумуляторы механической энергии 147
Алгоритмы 304
Амортизаторы для упаковки 358
Ассоциации 308, 323
Величины фотометрические, лучистые, световые 253
Взаимосвязи эргономические 303
Восприятие формы изделия 307
Выбор формы
— изделия 295, 326
— системы приборов 333
Геркон 114
Датчики
— оптоэлектронные 287
— поступательных и угловых перемещений 136
Двигатели
— пружинные 148
— шаговые 124, 129, 133
Диафрагма поля зрения 221
Единица упаковочная 336
Закон
— Вебера-Фехнера 307
— одновременности 308
— хорошей визуальной формы 307
Замыкание временное, геометрическое фрикционное 162
Защита от климатических нагрузок 361
Знаки 302, 331
Излучатели оптоэлектронные 272
Ингибиторы парофазные 362
Индикаторные устройства
— комплексные 268
— с одним, с несколькими высвечиваемыми элементами 267
Индикаторы
— аналоговые, элементы 265
— оптические 263
— оптоэлектронные 275, 276
— цифровые 267
Интегральные микросхемы 25
— Варианты корпусов 46
— Классификация 34, 39
— Конструкция 42
— Основные характеристики 30, 32
— Применение 48
— Свойства 29
Информационная емкость 267
Информация, знаковая, о свойствах изделия, формально-эстетическая 305, 306
Испытания упаковки 361
Источники
— излучения 252
— света 251, 257
Источники электропитания 49, 57
— Классификация 50
374
— Конструкция, нагрев 60
— нестабилизированные 51
— релейные сетевые 58
— с постоянным входным напряжением 57
— стабилизированные 52, 55
Кинематические пары
— винтовые, высшие 199
— вращательные 198
— поступательные 200
Клавиатура 211
Комбинирование простых меха-
низмов 195
Компенсация
— зазоров 198
— шума 310
Контрасты 317
Коэффициент стабилизации 49
Крепление линз
— завальцовкой 232
— «насыпкой» 236
— не вызывающее недопустимо больших напряжений 237
— приклеиванием, пружинным кольцом 234
— резьбовым кольцом 233
Крепление оптических деталей 226, 242
Критерии
— оценки знаков 309
— соответствия изделия его назначению 295
Кулачок 180
Лампы
— галоидные, ксеноновые 258
— миниатюрные, проекционные 257
— спектральные 260
Линзы 228
Линии элементов формы 311
Магнит мозаичного печатающего устройства 114
Магнитопроводы трансформаторов 51
Маркировка конденсаторов, резисторов 28
Материал упаковочный 336
Механизм
— винтовой 184
— грейферный 178
— D-грейфер 178
— звездчатый 175
— клиновой 184
— кулачковый 175, 194
— кулачковый скачковый 176
— мальтийский 175
— пальцевый 180
— стопорный 167
— храповой 172
— шатунный 179, 191, 192
Механизмы
— включающие 157
— для транспортировки карт 182
— для транспортировки ленты 170
— рабочие 104
— Систематика 148
— скачковые 175
— точной установки 184, 192
— шаговые 172
Муфта фрикционная 112, 168
Нагрузки на упаковку 339
Носители
— информации 305, 306
— функции изделия 300
Объективы 222
— зрительных труб 224
— малоформатных фотокамер 225
— микроскопов 224
Окуляры 221, микроскопов 223
Оптоэлектронные элементы
— в измерительных устройствах 285
— в системах обработки данных 281
— в системах связи 278
Оптроны 271, 287
Органы управления 201, 208
Осветительные приборы 260
Осветительные устройства 251
Освещение объектива 261
Ось линзы, оптическая, геометрическая 228
Оценка изделия 294
Параллакс 266
Передача света 252
Передачи 103
— зубчатые 189
— колесные 187
— Основные формы
— червячная 191
Печатные платы
— в качестве шасси 89
— Габаритные размеры 79
— Конструирование 89
— Материал 79
— Применение 89
— Прочность 83
— Свойства 78
— Степень сложности 80
— Экраны 80
Печатная схема гибкая 74
Плата объединительная 89
Площадки контактные 80
Поверхности элементов формы 311
Повреждения упаковки 347
Позиционирующие устройства 132, 135
Потери в световодах 282
Преобразователи движения 139
Преобразователь Постоянного напряжения 57
Приводы
— для дисков 183
— механические 147
— пружинные 148, 151
— Типовые структуры 100
— Элементы 102
Применение излучения 252
Пригодность изделия 293
Призмы
— оборачивающие 219
— отражательные 217
Применение изделий 293
Проводники
— печатные 80
— электрические 62
Пространство элементов формы 313 Пружина
— винтовая кручения, свободная спиральная 151
— спиральная в барабане 153
— S-образная 155
Пружинные приводы
— Динамические характеристики 156 — с вращающимся выходным валом 152
— Статистические характеристики 151 Размах колебаний относительный 50 Регулятор напряжения
— на магнитных усилителях 53
— релейный 54
— тиристорный 53
— транзисторный 54
Реле электромагнитное 114
Рисунок проводящий 80
Ролик
— ведущий 170
— с зубьями 172
— с иглами 171
Ряды значений 16
Световоды
— волоконные 281
— Крепление 283
— Соединения 282
Световоды 270, 275
Системы оптические 216
Соединения электрические 61, 66, 70
Соединители электрические 65 Средство
— вспомогательное упаковочное 336
— обезвоживающее 361
Срок службы 293
Стабилизация напряжения 52
Стандарты вспомогательные, на изде-
лия, основные 9
Схема оптическая 215
Тара
— из гофрированного картона 354
— из дерева 349
— пластмассовая 356
Тела элементов формы 313, 317
375
Типовой элемент замены 89
Типы геометрических форм 300
Транспорт, виды 343
Т ранспортирование
— в стохастическом стартстопном режиме 181
— пошаговое 175
— с минимальной скоростью 170
— с периодически изменяющейся скоростью 172 Трассировка 95
Узлы функциональные
— механические 146
— на интегральных микросхемах 25
— на печатных платах 78
— оптические 214
— оптоэлектронные 270
— с дискретными элементами 10
— электрические и электронные 8
— электромеханические 98
Упаковка 335
— Виды 349
— оптимальная 348
Упаковывание 335, 336
Упорядочение формы 319
Уравнение основное динамическое 109
Уравновешивание 322
Устройства защиты и сигнализации 59
Фасетировка 230
Форма прибора 307, 308
Функции изделия
— техническая 304
— техническая, эргономически обусловленная 300
— эргономическая 300
— эстетическая 305
Функция упаковки 337
Художественно-конструкторское реше-
ние прибора 301
Центрирование линзы 228
Цвет 313
Частота собственных колебаний ЭРЭ 83, 88
Чувствительность механизма 184
Шаг координатной сетки 79
Шкала отсчета 265
Шум ощущения 309
Электродвигатели
— асинхронные и синхронные 123
— линейные 128
— малоинерционные 121
— Основные свойства и области применения 118
— Характеристики 103
— переменного тока 117
— постоянного тока 116
— Регулирование частоты вращения 120, 122
— с вращающимся ротором 115
— с постоянными магнитами 121
Электромагниты 105
— Конструктивные исполнения 107
— Особые случаи применения 112
— переменного тока 111
— постоянного тока 109
Электромонтаж 69
— гибкий печатный 74
— жесткий печатный 75
— жгутовый 72
— кабельный 71
— ленточным кабелем, печатный 73
— свободный 71
Электронный двигатель 121
Электрорадиоэлементы
— активные, пассивные 12
— дискретные 28
— Расположение 83
Элементы
— связи в системе «человек-прибор» 327
— формы, дискретные 311
Энергия привода 150
Эргономика 303
Юстировка 246