Л. В. К.т ючникова
В. В. Ключников
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ОПТИКО • МЕХАНИЧЕСКИХ
ПРИМ!
•
Допущено Министерством образования Российской Федерации
в качестве учебного пособия
для студентов средних специальных учебных заведений
Санкт-Петербург 1995
ПОЛИТЕХНИКА
ИЗДАТЕЛЬСТВО
ББК 34.9я73
К52
УДК 681.2+535.8(075.3)
Рецензенты В. Л. Зверев. Р.М. Гагузнн
Издание выпущено в счет дотации, мидс денной комнтггом РФ по печати
Ключникова Л. В., Ключников В. В.
К52 Проектированиеоптико-механичсских прибо^юн: Учеб, посо-
бие для сред. спец. учеб, заведений. - СПб. Политехника,
1994.-206 с., ил.
ISBN 5-7325-0012-X
В учебном пособии изложены огноаиыо приникни и моими» я щимктироиа-
ИИЯОПТИКО М(’Х11НИЧСГ»ИМ приборов 1'1Н 4Н<Н|».'Н1И..ПН*1. I М1< и »ННемИ1ИЧССКИС
расчеты, приигдены примеры pm ui шн
2706040000 ИО
К— 045(01) 95	°
НИК 14.9и73
INIIN 5 71/5 (Ю12 X
(©ЛИ.
Il II. К >1ин4нн»ом, 1995
ПРЕДИСЛОВИЕ
Современные оптические приборы - это сложные комплексы,
функциональной основой которых являются законы оптики. С их
помощью решаются разнообразные задачи исследования физических
явлений, контроля производственных процессов, метрологических
измерений и многие другие задачи в машиностроении, медицине,
астрономии, средствах наблюдения и связи.
Качество приборов в значительной степени определяется процес-
сом проектирования, когда материализуется замысел разработчика
и создается проект в виде конструкторского решения с учетом воз-
можностей технологии, требований эстетики и экономики. В этой
работе заняты специалисты всех категорий, от знаний и профессио-
нальной культуры которых зависит успешное решение поставленной
задачи. В связи с этим необходимо совершенствовать конструктор-
скую подготовку учащихся. Без такой подготовки невозможно создать
отряд квалифицированных работников научных, проектных и произ-
водственных предприятий.
Основой конструкторской подготовки учащихся является курсо-
вое проектирование. Его качественному выполнению посвящено
настоящее учебное пособие. Оно, по аналогии с проектом, содер-
жит теоретическую, расчетную (главы 1-3) и конструкторскую
(главы 4-7) части. В заключение даны примеры курсовых проектов
(глава 8).
Авторы большое внимание уделили типовым конструкциям, апро-
бированным в процессе изготовления и эксплуатации. На их примерах
показано, как и в какой последовательности вести проектную работу
от оптических деталей до сложных оптико-механических сборочных
единиц. Даны рекомендации по оптимизации решений.
Для взаимосвязи материала, изложенного в пособии, с рекомендо-
ванной литературой в тексте даны ссылки. Книга имеет приложения,
содержащие необходимую информацию для расчета оптической схемы.
Все замечания, советы и положения, улучшающие содержание
пособия, направлять по адресу: 191011, Санкт-Петербург, Инженер-
ная ул., 6, издательство „Политехника”.
Глава 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЕКТИРОВАНИИ
Процесс, направленный на создание конструкторской докумен-
тации изделия, называется проектированием. Его основные положения
сосредоточены в ЕСКД - единой системе государственных стандартов,
устанавливающих взаимосвязанные правила порядка разработки,
оформления и обращения документации. Физическое и техническое
содержание изделия с учетом особенностей производства, серийности
и условий эксплуатации определяется техническим заданием.
1.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Сложность современных оптических приборов, работающих в авто-
матическом режиме с одновременной обработкой полученной инфор-
мации, требует привлечения к их созданию высококвалифицирован-
ных специалистов разнообразных профессий. Их работа начинается
с создания технического задания на проектирование изделия, в кото-
ром должны быть четко сформулированы его назначение, технические
и технологические характеристики, условия эксплуатации и экономи-
ческие требования. К техническому заданию прилагаются принципи-
альные схемы, в частности расчет оптической схемы.
Проектирование начинают с изучения и согласования техничес-
кого задания, поиска нужной информации, расчетов, эскизных про-
работок и заканчивают созданием проекта - окончательного варианта
конструкции прибора. Эта работа выполняется конструктором-проек-
тировщиком, специалистом высокой квалификации, способным про-
фессионально создавать необходимую конструкцию. Он должен пони-
мать оптическую схему и взаимовлияние ее элементов.
После создания технического проекта процесс проектирования про-
должается выпуском конструкторской документации. К ней относятся-
графические и текстовые документы, которые в отдельности или в
совокупности определяют состав и устройство изделия и содержат
необходимые данные для его изготовления, контроля, приемки,
эксплуатации и ремонта. Правила и порядок разработки, оформления
и обращения документов устанавливаются комплексом стандартов
ЕСКД. Эту работу выполняет коллектив конструкторов различных кате-
горий совместно со специалистами других профессий: технологами,
расчетчиками и инженерами-художниками. После выпуска комплекта
рабочей документации работа конструкторов продолжается в рамках
авторского надзора при изготовлении прибора на производстве.
Весь процесс проектирования можно условно разделить на три
части: теоретическую, расчетную и конструкторскую.
Теоретическая часть охватывает этап всестороннего изучения
требований технического задания, сбора и анализа всей информации
по данному классу приборов. Для ряда новых и сложных изделий на
этом этапе проводится патентная проработка проекта и прогноэиро-
4
вания конструкции. Наиболее перспективным при прогнозировании
является метод математического моделирования.
Расчетная часть присуща всему процессу проектирования: от рас-
чета оптической схемы и кинематических расчетов механизмов до рас-
чета деталей и допусков на них. Расчеты являются основанием для
выбора варианта конструкции, системы ее юстировки и средств, обеспе-
чивающих высокую надежность прибора. При наличии программ рас-
четы можно выполнять с использованием вычислительной техники.
Конструкторская часть завершает этап проектирования. Требо-
вания технического задания, информация технической и справоч-
ной литературы, предшествующие разработки и результаты расчетов
составляют теоретическую основу будущего проекта. Создание же ре-
альной конструкции - это сложный творческий процесс, требующий от
конструктора мобилизации всех знаний, опыта и фантазии инженера.
Большую и эффективную пользу в поиске нужного решения приносит
конструкторская проработка наиболее сложных вопросов. При этом
черчение выступает как экономичный и рациональный способ прост-
ранственного изображения, позволяющий вести поиск и изображать
созданную конструкцию по законам ЕСКД. Не менее ответственен
процесс создания документации на сборочные единицы и их детали.
Должны быть учтены и просчитаны все размеры и допуски на них.
Без этого невозможно получить высокого качества будущего прибора.
Рассмотренная система проектирования на этапе создания техни-
ческого проекта носит индивидуальный характер. Это приводит к мно-
гообразию приборов и механизмов, близких по назначению, но различ-
ных по исполнению. Такое явление ограничивает рост производитель-
ности труда, усложняет технологию и общие затраты производства,
вызывает неудобства в эксплуатации и ремонте приборов. Поэтому
анализ существующих конструкций, использование удачных решений
и создание унифицированных групп приборов составляет ближайшую
перспективу проектирования оптических приборов.
1.2. ОСОБЕННОСТИ И ЗАДАЧИ УЧЕБНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Курсовое проектирование является учебным. Его основная задача -
научить будущего конструктора использовать приобретенные знания
и индивидуальные способности для решения конкретного техничес-
кого вопроса. Оно завершает цикл изучения общетехнических и спе-
циальных дисциплин. Теоретической основой кусового проектирова-
ния является предмет „Расчет и конструирование ОМП”, который
знакомит учащегося с принципами конструирования и выпуском рабо-
чих чертежей деталей, сборочных единиц и простейших оптических
приборов. Считается, что к этому времени учащиеся овладели прие-
мами черчения, без труда читают производственные чертежи базо-
вых предприятий и способны создавать несложные проекты.
В процессе выполнения курсового проекта учащийся должен:
тщательно изучить полученное задание;
5
подобрать и изучить необходимую литературу;
изучить и проанализировать оптические схемы и конструкции
заданной группы приборов, оценить их достоинства и недостатки;
произвести расчет заданной оптической схемы и кинематические
расчеты механизмов, добиваясь простого конструктивного решения
при наиболее полном удовлетворении технического задания;
определить необходимые конструкторские базы, решить вопрос
компоновки прибора;
на основе требований задания и оптической схемы выполнить гра-
фическую часть проекта в соответствии с ЕСКД;
провести технико-экономическое обоснование проекта и составить
пояснительную записку.
В зависимости от требований задания содержание проекта может
меняться и дополняться.
Как и рабочее проектирование, курсовой проект можно разделить
на три части: теоретическую, расчетную и конструкторскую.
Работа над теоретической частью учит обращению с книгой, целе-
направленному сбору и обработке нужной информации, проведению
анализа для выявления достоинств и недостатков конструкций-анало-
гов. Правильно организованная работа на этом этапе воспитывает у
учащегося способность логически мыслить, обобщать, делать выводы
и творчески относиться к поиску нужного решения.
На этапе выполнения расчетной части курсового проекта проверяет-
ся умение учащегося правильно понимать физические и технические
закономерности, используемые в приборе, оценивать качественную
сторону выбранной конструкции и принимать необходимые меры для
ее оптимизации. Необходимость в расчетах и их сложность приводят
его к освоению вычислительной техники.
Конструкторская работа прививает будущему специалисту профес-
сиональные навыки конструктора: способность творчески обобщать
полученную информацию, создавать теоретическую модель и выражать
ее графически по законам ЕСКД в виде конкретной конструкции. Она
развивает умение разрабатывать конструкторскую документацию по тре-
бованиям ТЗ и на основе заданной оптической схемы. При этом чер-
чение наряду с устной речью, письменностью, математическими фор-
мулами и т. п. выступает важнейшим средством коммуникации, обя-
зательным для всех технических работников. В процессе самостоя-
тельной работы над курсовым проектом учащиеся овладевают свобод-
ным чтением чертежей большой сложности.
Необходимый эффект от курсового проекта возможен только при
методически правильной организации его выполнения. Следует учиты-
вать, что это первая самостоятельная конструкторская работа учаще-
гося, а как показала практика, основная сложность выполнения про-
екта начинается там, где необходимо самостоятельно принимать кон-
кретное техническое решение. Даже при наличии хороших теоретичес-
ких знаний их логическое использование затруднено из-за отсутствия
опыта конструкторской работы. В связи с этим целесообразно рассмат-
ривать учебное проектирование как процесс, который организует
и совмещает теоретическую подготовку с творческой работой.
6
Глава 2
МЕТОДИКА УЧЕБНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
2.1.	ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
Техническое задание составляют в соответствии с ГОСТ 2. 105-79*
(СТ СЭВ 2667—80) и ГОСТ 15. 001-73* Оно должно содержать необхо-
димую информацию для выполнения курсового проекта в рекомен-
дованной последовательности [17, с. 38]. Особое внимание следует
уделить четкости постановки задания для каждого этапа курсового
проектирования. Необходимо, чтобы учащийся, изучив ТЗ, понимал
поставленную задачу и умел ориентироваться в общих вопросах дан-
ной группы приборов. Для этого в ТЗ должна быть указана рекомендо-
ванная литература.
При создании ТЗ нужно учитывать, что курсовой проект по пред-
мету „Расчет и конструирование ОМП” должен соответствовать прог-
рамме предмета и вместе с тем отражать специализацию базовых пред-
приятий. В связи с этим желательны в качестве приложения к ТЗ опти-
ческая схема и чертежи прибора или механизма базового предприя-
тия с конкретным указанием того, что требуется изменить и почему.
При этом особое внимание необходимо уделять наибольшей расчленен-
ности конструкции прибора на типовые оптические и механические
сборочные единицы (объективы, окуляры, осветители, щели, диаф-
рагмы, установочные механизмы и т. п.) и точности их взаимосвязи
и соответствии с оптической схемой.
При выдаче ТЗ нужно учитывать способность и степень подготовки
учащегося к предлагаемой работе, его заинтересованность в ней
с учетом будущей специальности. В большинстве случаев ТЗ должно
быть типовым, однако хорошо подготовленным учащимся можно
выдавать оригинальные задания по новой разработке.
В качестве тем курсовых проектов целесообразно использовать
приборы и сборочные единицы, которые изучают в процессе обучения
и имеют отношение к большинству ОМП базовых предприятий. ТЗ долж-
но быть оформлено на стандартном бланке (см приложение 1).
2.2.	СОДЕРЖАНИЕ И ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ
ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ
Пояснительная записка к курсовому проекту (ПЗ) в объеме 20-25
листов содержит материалы, поясняющие смысл выполненной работы
с учетом требований ТЗ. В соответствии с ГОСТ 2. 119 - 73* содержание
и объем разделов ПЗ должны быть следующими.
Оглавление (1 стр.). Выполняется на формате А5 (ГОСТ 2. 106- 68*).
Введение (2-3 стр.). В нем необходимо отразить достижения оптико-
механического приборостроения, развитие оптики, оснащение прибо-
ров вычислительной техникой, расширение их функциональных воз-
7
можностей за счет использования лазерной техники, голографии, воло-
конной оптики, телевидения и т. п. Необходимо показать перспективу
дальнейшего развития оптического приборостроения.
1.	Обзор существующих схем и конструкций (6- 8 стр.). Это основ-
ной теоретический раздел, в котором необходимо указать назначе-
ние проектируемого прибора (сборочной единицы), четко сформулиро-
вать задачу, решаемую прибором, и проанализировать другие возмож-
ные способы решений той же задачи. Если прибор (сборочная единица)
модернизируется, то следует подробно разобрать недостатки аналога
и дать теоретическое обоснование необходимости модернизации. Раздел
должен заканчиваться принципиальной схемой прибора, предложен-
ной для разработки в курсовом проекте.
2.	Технические характеристики прибора (1-2 стр.). Каждая группа
оптических приборов имеет свои определенные оптические характе-
ристики: увеличение, поле зрения - для наблюдательных приборов;
фокусное расстояние и относительное отверстие - для коллиматоров;
разрешающая способность, точность и пределы измерения - для изме-
рительных приборов. Могут быть и общие технические характерис-
тики: условия эксплуатации, габаритные и присоединительные раз-
меры, уровень автоматизации и т. п. Кроме того, в этом разделе необ-
ходимо указать оптические характеристики первичных сборочных
единиц, используемых в приборах: объективов, окуляров, конден-
соров, оборачивающих систем, источников излучения и приемников.
3.	Расчетная часть (5-6 стр.). В зависимости от темы курсового
проекта расчеты могут быть оптические, кинематические и точност-
ные. Обязательным является габаритный расчет оптической схемы,
который выполняют по рекомендованной методике 3 (см. п. З.1.).
4.	Описание конструкции (2-3 стр.). Этот раздел ПЗ может быть
выполнен только после завершения графической части проекта. Описа-
ние должно быть подробным и последовательным, сопровождаться
указанием позиций деталей сборочного чертежа или пунктов его тех-
нических условий. Цель этого раздела - обосновать и объяснить креп-
ление оптических деталей, выполнение отдельных механизмов и их
взаимосвязь, как достигается необходимая точность подвижных и
неподвижных соединений, за счет каких перемещений осуществляется
юстировка оптической схемы и т. д.
5.	Методика работы на приборе или методика юстировки (2-3 стр.).
Раздел выполняется по решению руководителя курсового проекта.
Заключение (1-2 стр.). Раздел должен содержать краткий технико-
экономический анализ выполненного проекта. Особое внимание нужно
уделить анализу конструкции с точки зрения ее соответствия ТЗ.
В конце ПЗ размещают список литературы и приложения.
В зависимости от темы курсового проекта могут быть изменены
наименования разделов и последовательность их расположения. Так,
если проект предусматривает макетирование, то в ПЗ включаются раз-
делы с описанием эксперимента, методики и результатов испытаний,
технологии изготовления макета и т. п. Все материалы иллюстрируют-
8
ся схемами, графиками, характеристиками и осциллограммами. Пояс-
нительную записку помещают в папку, на лицевую сторону которой
наклеивают титульный лист (см. приложение 2).
Оформление ПЗ должно соответствовать общим требованиям
выполнения текстовых документов, которые изложены в
ГОСТ 2. 105-79*. Записку следует выполнять на листах формата
210X297 мм по ГОСТ 2. 301-68* с нанесением на них рамки и оформле-
нием по ГОСТ 2. 106- 68* для формата 5 и 5а.
Текст ПЗ пишется от руки черными или синими чернилами четко
и аккуратно. Терминология и определения должны соответствовать
установленным стандартам, например ГОСТ 7427- 76* - для геометри-
ческой оптики, а при их отсутствии - общепринятым в научно-тех-
нической литературе. Сокращения в тексте допускаются только тех
слов, которые установлены ГОСТ 2. 316-68*, ГОСТ 7.12-77* и
I ОСТ 7.11-78*.
Изложение ведут в неопределенной форме („находим”, „опреде-
ляем”, „по данной формуле было рассчитано” и т. п.).
Все страницы ПЗ должны быть пронумерованы, кроме первых двух
(задания и оглавления). Номера проставляют внизу, в штампе.
Каждый новый раздел должен начинаться с новой страницы и
с указанием номера раздела и его наименования. Введение и заключе-
ние как разделы не нумеруют.
Рисунки и таблицы следует размещать в тексте так, чтобы можно
было их читать без поворота записки или с поворотом по часовой стрелке.
При изложении текста особое внимание следует уделять правиль-
ному написанию чисел, символов, формул и оформлению списка лите-
ратуры [23, с. 201-210].
2.3.	ОФОРМЛЕНИЕ ГРАФИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
Учащийся, прежде всего, должен знать, что конструкторская
документация не самоцель, а средство для создания на производстве
действующего устройства. Чертеж и разработанная на его основе тех-
нология являются законом при изготовлении детали, сборочной еди-
ницы и прибора в целом. Эта взаимосвязь повышает ответственность
при разработке документации и требует знания и умения использо-
вать существующие стандарты [23, с. 63, 120; 22, с. 638; 5, с. 352].
Приступая к выполнению графического материала курсового
проекта, учащийся должен знать следующее:
разработанная конструкция должна всегда соответствовать ТЗ;
основой при создании оптического устройства является оптичес-
кая схема; ее требования должны выполняться от эскизного проекта
до выпуска рабочих чертежей;
компоновка устройства должна обеспечить наименьшие габарит-
ные размеры, рациональную форму и простоту сборки и юстировки;
целесообразно объединить как можно больше деталей в самостоя-
тельные сборочные единицы, которые могли бы быть отдельно соб-
раны, проверены и аттестованы;
9
целесообразно объединить и отдельные сборки в функционально
завершенные сборочные единицы;
конструкция должна быть гармонична; это значит, что все ее дета-
ли и сборочные единицы должны обладать одинаковой степенью соот-
ветствия требованиям точности, жесткости, прочности, надежности
и эргономики;
выбор материала должен быть обоснованным; необходимо, чтобы
физико-механические свойства выбранного материала обеспечивали
работоспособность детали при оптимальной его массе и габаритных
размерах с учетом технологических и экономических требований;
конструкция каждой детали должна быть технологична, т. е. для
ее изготовления должны требоваться наименьшие затраты времени,
труда и средств в условиях конкретного производства; прежде всего
необходимо сокращать механическую обработку детали резанием и
использовать прогрессивные средства формообразования;
необходимо сокращать количество типоразмеров сборочных еди-
ниц, деталей и их элементов; для повышения технико-экономических
показателей конструкции требуется повсеместно внедрять унифика-
цию и стандартизацию;
вся конструкторская документация должна выполняться в соот-
ветствии с существующими стандартами.
Графическая часть курсового проекта про предмету „Расчет и кон-
струирование OMIT должна содержать три листа:
лист 1 (формат Л1) - сборочный чертеж устройства;
лист 2 (формат А2-Л1) - оптическая схема устройства, выполнен-
ная по ГОСТ 2.4'2-81 (СТ СЭВ 130-74);
лист 3 (формат АI) - не менее пяти чертежей деталей, из которых
одна должна быть оптической.
Сборочный чертеж проекта должен быть выполнен в масштабе
(ГОСТ 2. 302-68*) с необходимым количеством изображений (видов,
разрезов н сечений) по ГОСТ 2.305-68*. дающих полное представление
о габаритных размерах конструкции, назначении и связи составных
частей, взаимодействии этих частей в процессе работы, сборки, раз-
борки и контроля сборочных единиц. Сборочный чертеж следует вы-
полнять с условностями и упрощениями, предусмотренными
ГОСТ 2.109-73* (СТ СЭВ 858-78, СТ СЭВ 1182-8) и другими стандар-
тами па оформление чертежей. Например, допускается не показывать
выступы, рифления, насечки и другие мелкие элементы; сварную
сборку изображать как монолит; шестигранные и квадратные головки
гаек показывать упрощенно; крепежные детали, шпонки, сплошные
валы и зубья колес условно показывать нерассеченными, если секу-
щая плоскость проходит через их ось; ребра жесткости и другие тонкие
стенки показывать рассеченными, но без нанесения штриховки; плас-
тины, а также элементы деталей размером 2 мм и меньше изображать
с отступлением от масштаба в сторону увеличения.
Основные надписи на чертеже должны соответствовать
ГОСТ 2.104-68. Спецификацию к сборочному чертежу оформляют
по ГОСТ 2.108-73.
10
При выполнении чертежей деталей [17. с. 56; 5, с. 352] следует огра-
ничиться наименьшим количеством изображений, ио при этом чертеж
юлжен содержать все данные, необходимые для изготовления детали
и ее контроля: номинальные размеры, их предельные отклонения,
форму и расположение поверхностей, параметры их шероховатости,
материал, покрытие и другие технические требования. Для деталей,
представляющих собой тела вращения, в большинстве случаев доста-
точно дать одно изображение, добавляя к нему разрезы и сечения
и соответствии с ГОСТ 2.305-68*. Правила нанесения размеров регла-
ментированы ГОСТ 2.307-68*. При выполнении сварных конструкций
• парные швы на чертеже следует изображать и обозначать по
I ОСТ 2.312-72. На чертежах деталей, подвергаемых термической
и другим видам обработки, все требования необходимо записывать
с- соответствии с ГОСТ 2.310-68* (СТ СЭВ 367-76). Общие технические
требования на чертеже детали записывают по ГОС’1 2.316-68*. Предель-
ные отклонения размеров наносят на чертеж в соответствии с единой
системой допусков и посадок ГОСТ 25346-82 и ГОСТ 25347-82 (ЕСДП
ио СТ СЭВ 144-75 и СТ СЭВ 145-75). Стандарты СЭВ рекомендуют
применять преимущественно посадки в системе отверстия. Это сокра-
щает номенклатуру инструмента и калибров. Для наиболее употреби-
тельных размеров от I до 500 мм посадки указаны в ГОСТ 25347-82
(СТ СЭВ 144-75). Допуски формы и расположения поверхностей наз-
начают в соответствии с ГОСТ 2.308-79* (СТ СЭВ 368-76). Шерохова-
тость поверхности нормируется ГОСТ 2.309-73* (СТ СЭВ 1632-79).
Чертежи оптических деталей должны выпускаться в соответствии
с ГОСТ 2.412-8.1 (СТ СЭВ 139-74) и другими стандартами [17, с. 74].
Исходными данными для простановки всех размеров, точности изго-
товления, требований к материалу, покрытию и характеристикам
является расчет оптической схемы [13, с. 20].
Допуски на нормируемые элементы оптических деталей размещают
в таблице, расположенной в правой верхней части чертежа. В соответ-
ствии с ГОСТ 2.412-81 таблица состоит из трех частей: верхней, содертка-
шей требования к материалу, средней - с требованиями к изготовле-
нию и нижней, в которой сосредоточены все расчетные данные.
Рассмотрим подробнее содержание этих требований [9, с. 12).
Требования к материалу оптической детали (верхняя часть таб-
лицы) представлены в виде категорий и классов качества стекла по
ГОСТ 23136-78*. определяющих допустимые отклонения его норми-
руемых элементов:
показателя преломления Длс;
средней дисперсии Д(п/ - п^);
оптической однородности (однородн.), которая оценивается по
разрешающей способности;
двойного лучепреломления (двулучепр.), характеризующего раз-
ность хода лучей, образованных при раздвоении поляризованного
луча в процессе прохождения его через напряженное стекло;
показателя ослабления (рд), который характеризует светопогло-
щение стекле и представляет собой величину, обратную расстоянию,
И
на котором поток излучения источника света типа А ослабляется
в результате поглощения и рассеяния в 10 раз;
бессвильности (бессвильн.), характеризующей количество и вели-
чину свилей в детали;
пуэырности (пузыри.)» характеризующей количество и величину
пузырей в детали.
В средней части таблицы указывают требования к изготовлению
детали |9, с. 85]:
допустимое отклонение стрелки кривизны поверхности детали
(/V), выраженное в интерференционных кольцах Ньютона, от стрелки
кривизны поверхности пробного стекла данного радиуса или допусти-
мую сферичность плоской поверхности;
число интерференционных колец или полос, определяющее допуск
формы поверхности (A/V);
допуск на децентрировку (с), т. е. на взаимное расположение сфе-
рических и цилиндрической поверхностей линзы, их относительный
поворот или смещение;
допуск на дефекты чистоты полирования (Р), который выражают
в классах чистоты оптической поверхности по ГОСТ 11141 — 84;
допуск на радиусы пробных стекол (ДЯ), соответствующий
ГОСТ 2786-82 и выраженный в процентах от значения номинальных ра-
диусов или в долях интерференционных полос для плоских поверх-
ностей;
допуск на клиновидность (6) или на разнотолшинность, выражают
в угловой мере;
допуск на пирамидальность призмы (л) выражают в угловой мере
(угол между ребром призмы и противолежащей гранью);
допуск на разность равных по номинальному значению углов приз-
мы (6 = 45*), выражают в угловой мере с цифровым индексом утла;
допустимое значение предела разрешения (с) выражают в угловой
мере; значение £ определяет влияние всех требований, предъявля-
емых к материалу детали и к разрешающей способности призмы.
В нижней части таблицы приводят оптические параметры детали:
фокусное расстояние (/') и фокальные отрезки (Sf и Sp}. Для одной
из величин указывают предельное отклонение как на замыкающее
звено размерной цепи. Кроме этого, указывают световой диаметр
детали (D^), а для призм - геометрическую длину хода луча (/), кото-
рая определяется при габаритном расчете в зависимости от типа приз-
мы и светового диаметра на ее входной грани [22, с. 170].
На чертежах оптических сборочных единиц рассмотренная таблица
должна состоять из двух частей: требований к изготовлению и расчет-
ных данных. Выбор допусков на нормируемые элементы линз и плос-
ких оптических деталей является сложной задачей. Значения допуска
на каждый из рассмотренных элементов для разных оптических дета-
лей различны и зависят от назначения детали в приборе. В помощь уча-
щимся приводятся таблицы (см. приложения 3 и 4), в которых все детали
разделены на характерные группы по функциональному признаку.
Приложения составлены в виде рабочих таблиц, обобщающих опыт
12
создания многих приборов в научных и производственных предприя-
тиях оптического приборостроения. Все требования в таблицах запи-
саны в той же последовательности, что и в рабочих четрежах.
При выборе допусков на нормируемые элементы линз по таблице
(см. приложение 3) необходимо знать следующее:
для поверхностей склейки значения N, AN и С удваиваются, а тре-
бования к чистоте полированной поверхности Р повышаются на один
класс;
выбор параметра шероховатости поверхности Р производится
в зависимости не только от функционального назначения оптической
детали, но и от площади обрабатываемой поверхности и может быть
уточнен по нижеприведенной таблице:
Диаметр (диагональ) детали	Р (без покрытия)
До 30 (для сетки)	0-П*
>20	Ш
От 20 до 30	IV
>30 >50	V
>50» 100	VI
> 100 » 300	VII
* Для Р*0 указывают увеличение, при котором деташ- будет рассматриваться в приборе.	
параметр шероховатости поверхности снижается после нанесения
покрытия, следовательно, требование к Р на поверхности под покры-
тие следует повысить;
децентрировка линз зависит от фокусного расстояния объектива:
/об	с, не боПЪе
От 25 до 75	Г
> 75 » 2000	40’
» 200 » 500	20’
» 500 » 1000	10“
допустимое значение децентрировки с в различных оптических
схемах задают в угловой мере а; в чертежах децентрировку указывают
в линейной мере, за исключением плоских деталей, линейное значение
децентрировки (в мм) рассчитывают по формуле с » aR.
При выборе допусков на нормируемые элементы плоских деталей
по таблице (см. приложение 4) надо иметь в виду ряд специфических
особенностей. Для призм, клиньев и пластин значения N и AN даны
для преломляющих поверхностей; для отражающих поверхностей
Ли AN уменьшаются в три-пять раз; для поверхности склейки N и AN
удваиваются, требования к Р повышаются на один класс.
13
Для зеркал значения N и &N даны для отражающей поверхности.
Для клиньев, пластин и зеркал наименьшую толщину детали по оси
и краю выбирают в зависимости от допуска на A/Vno таблице:
Aw	Толщина по оси, не менее	Толщина края, не менее
0,01—0,05	D/7	D/8
0,05-0,1	D/7,5	D/10
0,1-0,2	D/8	D/10
0,2-0,5	D/9	D/12
Свыше 0,5	D/10	D/15
Примечание: D ческой детали.	— диаметр или	диагональ опти-
В соответствии с ГОСТ 2.412-81 имеются допуски, которые ука-
зывают непосредственно на поле чертежа оптической детали рядом
с соответствующим размером. К ним относятся:
допуск на наружный диаметр линзы (D); он проставляется
по единой системе допусков и посадок СЭВ в соответствии со стан-
дартом СТ СЭВ 144—75; в оптическом приборостроении действует
отраслевой стандарт ОСТ 3-2124-81;
допуск на толщину оптической детали по оси (Ad); ряд допус-
ков на толщину линзы по оси установлен отраслевым стандартом
ОСТ 3-490-71; для линз точных оптических систем допуск на толщину
определяется при аберрационном расчете и округляется до ближай-
шего значения по стандарту [17, с. 79].
Недостающие технические требования к изготовлению оптичес-
кой детали помещают под таблицей. К ним относятся особые требова-
ния к стеклу, вид покрытия рабочих и нерабочих поверхностей детали,
размеры для справок и др. Образец выполнения указанных надписей
представлен в ГОСТ 2.412-81.
Глава 3
МЕТОДИКА РАСЧЕТОВ В КУРСОВОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ
Любые расчеты могут быть разделены на три основные части. Пер-
вая часть содержит исходные данные, их источники и обоснования.
Во второй части формулируется задача и рекомендуется методика
расчета. Третья часть является решением самой задачи. Для ее выпол-
нения математика имеет как точные, так и приближенные методы.
В процессе учебного проектирования чаще всего выполняют
габаритный расчет оптической системы, расчет на точность, кинема-
14
тические расчеты механизмов и другие специальные расчеты, соответ-
ствующие содержанию курсового проекта.
Расчеты позволяют не только создать оптическую и другие схемы
прибора, но и оценить правильность выбора его принципа действия.
На этапе эскизного проектирования при решении вопросов компонов-
ки прибора расчеты позволяют взаимосвязан» оптическую схему
с реальной конструкцией, правильно выбрать конструктивные пара-
метры звеньев, решить вопросы базирования и обеспечения заданной
точности.
В процессе создания кинематической схемы прибора анализи-
руют технологичность конструкции, выбирают нужные механизмы
и рассчитывают требования к их точности [25, с. 5] Для создания
средств юстировки производят расчет юстировочных механизмов при-
бора, которые отличаются малыми перемещениями и высокими или
сверхвысокими точностями.
После анализа оптической схемы и оценки перечисленных факто-
ров окончательно определяют число необходимых регулировочных
перемещений, их величину и точность [26, с. 56]. Число юстировочных
механизмов прибора должно быть наименьшим, так как оно прямым
образом влияет на стабильность его работы. То же самое можно отме-
тить и о числе кинематических звеньев и их связей: каждое лишнее
звено снижает точность прибора и каждая лишняя связь ухудшает
стабильность его характеристик. В связи с этим для оптического при-
бора расчет на точность, как правило, является обязательным. Но при
учебном проектировании он выполняется индивидуально, при непос-
редственном участии руководителя проекта. Это объясняется слож-
ностью расчета. Простые расчеты механизмов на точность рассмотрены
в работе [17, с. И]. Для измерительных приборов производят расчет
чувствительности, которая характеризует точность устройства только
в отношении погрешности отсчета [24, с. 38].
Большое внимание необходимо уделять оценке условий работы
прибора. Нужно помнить, что в точной механике даже незначительные
деформации деталей могут оказать существенное влияние на работу
прибора.
Несущие статические конструкции при проектировании оптичес-
ких приборов, как правило, не рассчитывают. Их точность, прочность
и жесткость выбирают из технологических соображений. Расчеты
производят только для измерительных приборов и для устройств,
испытывающих большие термические или динамические нагрузки.
Кроме вышеперечисленных расчетов могут быть сделаны специаль-
ные расчеты, зависящие от особых требований к прибору или к усло-
виям его эксплуатации. Например, светотехнический расчет прибора
[22, с. 44], расчет разгрузки зеркала, расчет интерьера прибора в соот-
ветствии с требованиями инженерной психологии [21, с. 128], расчет
грузоподъемности и т. п.
В курсовом проекте обязательными являются габаритный расчет
оптической схемы и кинематические расчеты используемых механиз-
15
мов. Остальные расчеты учащиеся выполняют по указанию руководи
теля курсового проекта.
3.1. ГАБАРИТНЫЙ РАСЧЕТ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
В учебном проектировании габаритный расчет оптической системы
является основой курсового проекта. С его помощью учащимся соз-
дается реальная оптическая схема и конкретная конструкция прибора.
Исходные данные для расчета задаются в задании на курсовое
проектирование. Как правило, к ним относятся: увеличение, угловое
или линейное поле, диаметры зрачков, удаление выходного зрачка,
габаритные размеры системы и другие данные, отражающие специфику
проектируемого прибора.
В результате расчета определяют целесообразную конструкцию
оптической схемы: ее габаритные размеры, число оптических компо-
нентов, их основные оптические характеристики и взаимное распо-
ложение. При этом расчет ведут в предположении, что система сос-
тоит из бесконечно тонких компонентов, для которых справедливы
формулы идеальной оптической системы [3, с. 256].
При расчете необходимо выполнять правила знаков, принятые
в оптике, т. е. вести расчет с учетом знаков всех отрезков и углов.
Особое внимание следует уделять контролю знака увеличения сис-
темы в целом. Необходимо помнить, что объектив всегда имеет поло-
жительное фокусное расстояние и строит перевернутое изображе-
ние, поэтому увеличение объектива ₽ должно быть отрицательным.
Для окуляра пользуются величиной видимого увеличения Г ок. Знак
увеличения окуляра зависит от знака заднего фокусного расстояния
/ок’ поэтому необходимо помнить формулу
Г ок = 250//ОК,
где 250 мм - расстояние наилучшего зрения. Эти простейшие вычисле-
ния дают сразу знак и увеличение. Несоблюдение правила знаков
вызывает неизбежные ошибки при расчете [3, с. 34].
Кроме основных, указанных выше, характеристик в курсовом
проекте могут быть заданы расчеты таких величин, как разрешающая
способность системы, глубина резкости изображения, цена деления
и толщина штрихов сетки, диоптрийное перемещение окуляра и т. п.
Для ряда приборов производят светотехнические расчеты. Полученные
данные необходимы частично для выбора механизма при проектирова-
нии и частично для понимания смысла явлений, происходящих в опти-
ческой схеме прибора.
В расчетной части курсового проекта обязательным является
выбор реальных оптических компонентов по каталогам (объективов,
окуляров, конденсоров и т. и.). Выбор осуществляется по полученным
расчетным данным. Конструктивные параметры реальных компонен-
тов позволяют выполнить чертеж принципиальной оптической схемы
приборов. Из каталога выписывают их конструктивные параметры,
16
рисуют эскиз каждого компонента, рассчитывают недостающие отрезки
(находят положения главных плоскостей). Если по каталогу не удается
подобрать объектив или окуляр с фокусным расстоянием, близким
к расчетному, то производят пересчет данного компонента через коэф-
фициент пересчета Кпер.:
^пер. = /расч.//кат.	(3.1)
Качественные характеристики выбранного компонента не ухуд-
шаются, если коэффициент Кпер близок к единице. Однако подоб-
ный пересчет не является положительным приемом. Целесообразно
использовать готовые объективы и окуляры, освоенные производ-
ством.
При наличии в оптической схеме зеркала, плоскопараллельной
пластины или призмы их размеры необходимо рассчитать [3, с. 257].
Они зависят от светового диаметра и угла наклона отражающей (пре-
ломляющей) поверхности. Использование зеркал с внутренним покры-
тием, пластин и призм требует расчета удлинения хода луча Ad, прой-
денного в стекле:
где d - толщина реальной оптической детали по ходу луча (длина
оптической развертки реальной призмы); п - показатель преломления
материала детали.
При изучении и выполнении габаритных расчетов следует принять
к сведению, что сложные системы строят на базе элементарных класси-
ческих систем (телескопических, проекционных и микроскопов),
состоящих из наименьшего количества оптических деталей. Так,
на базе расчета элементарной зрительной трубы Кеплера можно рас-
считать сложную зрительную трубу с линзовой или призменной обора-
чивающей системой, измерительной сеткой и окуляром с компенса-
цией аметропии глаза, переключателем работы на фотоприемник или
фотокамеру и т. д. Формулы для расчета основных типов оптических
систем приведены ниже. Методика расчета может быть различной,
в том числе и при учебном проектировании. Необходимо иметь в виду,
что создать единую методику расчета на разнообразные оптические
схемы практически невозможно, так как любая методика зависит от
конкретной задачи и исходных данных. В учебном проектировании
целесообразно использовать для курсовых проектов наиболее харак-
терную тематику базового предприятия. Это позволит ориентировать-
ся на типовую методику расчета оптической схемы при большой
инвариантности задач. Рассмотренные ниже габаритные расчеты
соответствуют программе предмета „Теория оптических систем”
[3, с. 256]. При этом все условные обозначения выполняются согласно
ГОСТ 7427-76*.
2 Ключникова Л. В.
17
/об
/ок
(3.3)
Габаритный расчет зрительной трубы. Зрительные трубы Кеплера
и Галилея являются классическими представителями телескопичес-
ких систем оптических приборов. Основное свойство телескопической
стистемы состоит в том, что пучок параллельных лучей, поступающих
во входной зрачок системы, выходит через выходной зрачок также
пучком параллельных лучей [3, с. 205]. Ее называют афокальной, пос-
кольку фокусное расстояние /э'кв телескопической системы равно
бесконечности:	, ,
,	_ /1/2
/экв. А >
А
где /1 и /г " фокусные расстояния первого и второго компонентов;
А - оптический интервал. При А = 0 /экв. = °0.
Для данной системы увеличения (видимое, угловое и линейное
в зрачках) являются постоянными. Они связаны друг с другом следую-
щей зависимостью:
1 D tg(o
т У ” ₽ ~ tg(o'
где Гт - видимое увеличение телескопической системы; у - угло-
вое увеличение: 3 - линейное увеличение в зрачках; D - диаметр
входного зрачка; £)'- диаметр выходного зрачка; 2ы - угловое
поле в пространстве предметов; 2g)z - угловое поле в пространстве изо-
бражения; /q6 - фокусное расстояние объектива; - фокусное рас-
стояние окуляра.	i
Угловое поле зрения телескопической системы зависит от кон-
струкции применяемых объектива и окуляра. При этом наибольшее уг-
ловое поле зрения в пространстве предметов 2ы определяется макси-
мально возможным угловым полем окуляра 2ы', являющегося более
сложным элементом системы.
При выборе окуляра следует руководствоваться требованиями,
предъявляемыми к прибору. Наиболее часто применяемые окуляры
имеют поле зрения 30-70°, в пределах которого они дают хорошее ка-
чество изображения. Для фокусных расстояний окуляров установ-
лен нормальный ряд: 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50 мм.
Сетка должна находиться в передней фокальной плоскости оку-
ляра и обращена штрихами к окуляру для исключения параллакса.
Объектив выбирают в зависимости от увеличения системы, поля
зрения, светосилы и размеров прибора.
Для курсового проектирования предлагается следующая мето-
дика габаритного расчета зрительной трубы Кеплера. Исходными дан-
ными для расчета служат видимое увеличение Г?, угловое поле 2о,
диаметр выходного зрачка D и его удлинение Sp* от последней поверх-
ности окуляра.
Расчет рекомендуется выполнять совместно с графическим по-
строением хода лучей (рис. 1) в следующей последовательности: 1) рас-
считать и выбрать окуляр; 2) рассчитать и выбрать объектив; 3) опреде-
лить световые диаметры объектива и окуляра; 4) построить ход основ-
ных лучей; 5) рассчитать сетку; 6) рассчитать призму или систему
18
Рис. 1. Зрительная труба Кеплера:
— ход лучей; б — габаритная схема
19
2
призм, зеркала и другие плоские детали; 7) выполнить специальные
расчеты, указанные в задании; 8) вычертить принципиальную опти-
ческую схему.
При указанных исходных данных расчет следует вести со стороны
окуляра, т. е. определить его угловое поле 2to' и фокусное расстоя-
ние /оК:
tgo' = Г-rtgto.	(3-4)
Фокусное расстояние окуляра определяют из условия достаточ-
ного удаления выходного зрачка Sp: При этом нужно иметь в виду, что
в телескопических системах S'p^ Sp\ Известно [3, с. 212], что для оку-
ляра Кельнера существуют зависимости:
$? = 0,4 4К;	(3.5)
Sp'=	(3.6)
Z/= -/^к/Гт.	(3.7)
Для симметричного окуляра
5?^	0,75/;к.	(3.8)
Из этих соотношений определяют f '0K в первом приближении и ок-
ругляют его значение до ближайшего стандартного из нормального
ряда. По полученным данным выбирают окуляр (см. приложение 5). Для
графических работ выполняют его эскиз, выписывают оптические
характеристики и конструктивные параметры, рассчитывают поло-
жения главных плоскостей
Данные объектива определяют по формулам:
/об = -Гт4к; П = -ГТП;' D//o6 = D7/ok.	(3.9)
Существенное значение имеет положение входного зрачка отно-
сительно объектива. Если входной зрачок совпадает с оправой объек-
тива, то Sp = /об- Если входной зрачок не совпадает с оправой объек-
тива, то следует выбрать объектив с вынесенным входным зрачком.
В этом случае Sp предварительно нужно рассчитать или взять из зада-
ния. После этого по полученным данным выбирают объектив (см. при-
ложение 6). Для графических работ выполняют его эскиз, выписывают
оптические характеристики и конструктивные параметры, рассчиты-
вают положения главных плоскостей S//? Sjf. Если выбранный объектив
отличается своими параметрами от расчетного, то его необходимо
пересчитать через
Для определения световых диаметров системы из двух компонен-
тов, расположенных на расстоянии d, необходимо знать положение их
главных фокусов и главных плоскостей. Если входной зрачок совпада-
ет с оправой объектива, то его световой диаметр равен /J0(j. Для опре-
деления светового диаметра окуляра требуется рассчитать ход а пер-
20
турного луча, падающего на край входного луча, когда h\ = - D/2,
и двух полевых лучей, проходящих через верхний и нижний край
входного зрачка, т. е. тп = ±D/2 [3, с. 45]. Расчет высот и углов
в системе производят по формулам произвольного луча:
hi+i = ht -di tgotj+i;	(3.10)
tg af+i = tgaf + V/f,	(3.11)
где i - порядковый номер величины.
Если задано виньетирование, то световые диаметры пересчитывают
с учетом коэффициента виньетирования При незаданном виньети-
ровании его значение определяется расчетным путем. Для этого уточ-
няют удаление выходного зрачка и рассчитывают высоту h2 в обратном
ходе. Положение выходного зрачка относительно заднего фокуса
окуляра равно
z;-zp/r2T.	(3j2)
Тогда удаление выходного зрачка 5р-и расстояние от задней глав-
ной плоскости окуляра до выходного зрачка равны:
5р' = 5р- +Zp'; йр' = 5р- + 5н'.
Отсюда высота h2 = flp'tgw'H действующий световой диаметр оку-
ляра D& окд = 2/?2. Виньетирование В определяется как разница между
расчетным и действующим световыми диаметрами окуляра. Как пра-
вило, оно выражается в процентах:
в = DcB-ок ~°св-ок- Д 100%.	(3.13)
^св. ок
В зрительных трубах допускается виньетирование до 60-70%.
В этом случае световой диаметр окуляра необходимо пересчитать,
умножив его на коэффициент виньетирования [22, с. 76].
По рассчитанным данным выполняют построение хода лучей
(рис. 1, о). Для этого на миллиметровой бумаге проводят оптическую
ось и наносят главные плоскости объектива НобЯ'б и окуляра Нок
входной зрачок D и точки фокусов Fo6, F'o& F0K, FqK. Основные лучи
в системе строят в следующей последовательности.
Апертурный луч для предмета, находящегося в бесконечности,
проводят параллельно оптической оси через края входного зрачка;
за объективом он идет в точку совмещенных фокусов Fo6 Fok до пере-
сечения с главными плоскостями окуляра и за окуляром - парал-
лельно оптической оси. За объективом апертурный луч определяет
плоскость промежуточного изображения, которая проходит через
точку пересечения луча с оптической осью, а за окуляром - диаметр
выходного зрачка.
Главный луч проводят через центр входного зрачка Р под углом
половины поля зрения ы и далее без преломления до главных плос-
21
костей окуляра. В данном случае в точке Р находятся узловые точки
обьектива, и поэтому луч проходит без преломления. Если входной
зрачок не совпадает с оправой объектива, то построение усложняется.
За окуляром положение главного луча определяют методом вспомога-
тельного луча, основанным на свойстве фокальных плоскостей [3, с 38].
На рис. 1, а вспомогательный луч проведен штриховой линией. С по-
мощью главного луча определяется величина изображения 2у 'и центр
выходного зрачка Р.
Наклонные (крайние) лучи проводят параллельно главному лучу
через край входного зрачка D, за объективом они проходят через
вершину изображения у'и за окуляром идут параллельно главному
лучу. Наклонные лучи определяют световую зону внутри прибора.
Расчет сетки выполняют, исходя из условия равенства ее диаметра
Dz диаметру полевой диафрагмы Лпд:
DC1 = ^пд = 2/об •	(3.14)
Эту величину необходимо проверить через поле зрения окуляра
Пс2 = 2/ок^'	(3.15)
Причем диаметр Лс2 должен быть больше или равен Ос1, иначе
произойдет срезание окуляром поля зрения. Толщину сетки выби-
рают по таблице |22. табл. 4. 15, с. 198]. Удлинение, вносимое сеткой
:\dCi равно
Sd.~dc.	(3.16)
Показатель преломления п выбирают по таблице [22, табл. 22.1,
с. 646|.
Если задана угловая цена деления сетки ыЛг, то цену деления
в линейной мере yN рассчитывают по формуле
У№/об	(3.1*7)
Для удобства отсчета по шкале или барабану винтового механизма
величину yN округляют до целого значения. Например, если
Ум= О,U1 мм, /об = 500 мм, то в угловой мере Ыд = 4 . Толщину штриха
t сетки определяют через увеличение окуляра /оК/250 и разрешающую
силу глаза в линейной мере:
250
Из технологических соображений толщину штриха меньше 0,01 мм
брать не рекомендуется. Для повышения точности наведения на штрих
или перекрестие часто используют биссектор на сетке, представляю-
щий два параллельных штриха с расстоянием между ними, равным
(2-3) t.
22
Если по заданию необходимо рассчитать призменную оборачиваю-
щую систему, то размеры призмы и ее положение определяют с по-
мощью графоаналитического метода проф. И. А. Турыгина [3, с. 260].
При этом призма заменяется эквивалентной плоскопараллельной плас-
тиной, приведенной к воздуху (редуцированной призмой). Прелом-
ление на редуцированной призме не учитывается при определении
габаритных размеров и построении хода лучей в системе.
Кроме этого, в задании часто требуется рассчитать разрешающую
способность системы (теоретическую фтеор. и реальную фреальн. & 149])
и диоптрийную подвижку окуляра х:
(/“' )2 /у
4)^ = 14070; фреальн. = 12070; х = ±^—.	(3.19)
В заключении габаритного расчета необходимо вычертить габарит-
ную схему зрительной трубы с реальными компонентами. Для этого
используют все расчетные данные, оптические характеристики и кон-
структивные параметры выбранных компонентов. Вдоль оптической
оси последовательно располагают все элементы схемы и проставляют
необходимые размеры (рис. 1, б). Габаритную схему выполняют на
миллиметровой бумаге в том же масштабе, что и ход лучей (рис. 1, а).
Для дальнейшей работы на базе габаритного расчета вычерчи-
вают принципиальную оптическую схему зрительной трубы, которая
относится к конструкторской документации. Ее выполняют на ват-
мане в соответствии с требованиями ГОСТ 2. 412-81.
Габаритный расчет проекционной системы. Проекционная опти-
ческая система предназначена для получения изображения предмета
на экране. Она состоит из двух частей: проекционной и осветительной
[3, с. 185].
В проекционной части с помощью проекционного объектива-стро-
ится изображение предмета на экране. Как правило, известны размер
предмета 2у, размер экрана 2у' на котором строится изображение,
и расстояние между ними ГПр, выбираемое конструктивно. Для опре-
деления положения объектива воспользуемся графическим построе-
нием эквивалентной схемы, в которой оптический компонент
изображается совмещенными главными плоскостями и точками
фокусов.
Изобразив в масштабе известные величины на оптической оси
(рис. 2, а) и проведя луч от вершины предмета до противоположной
вершины изображения, определяют узловые точки объектива. В дан-
ном случае они совпадают с центром входного зрачка Р. Луч, изобра-
женный штриховой линией, позволяет приближенно определить
фокусное расстояние объектива. Он проходит через вершину предмета
параллельно оптической оси до главных плоскостей НН^ и далее идет
на вершину изображения. Точка пересечения его с оптической осью
является задним фокусом объектива
23
Рис. 2. Проекционная системам — эквивалентная схема проекцион-
ного объектива; б — ход основных лучей; в — эквивалентная схема
осветителя; г — ход лучей системы; д — габаритная схема
Отношение размеров изображения к размерам предмета назы-
вается масштабом изображения и определяет линейное увеличение
объектива роб:
₽об =у/у = Ооб^об-	(3.20)
Для выполнения графических построений, обязательных в курсо-
вом проекте, рассмотрим ход основных лучей в проекционной части
прибора (рис. 2, б). Для простоты будем считать, что апертурная диаф-
рагма, входной и выходной зрачки примерно равны по диаметру, нахо-
дятся в одной плоскости и совпадают главными плоскостями объекти-
ва. Это допущение вносит небольшие отклонения в истинный ход
лучей и значительно упрощает графическое построение схемы.
Апертурные лучи проводят из осевой точки предмета на край
входного зрачка и далее в осевую точку изображения. Точки А и А '~
сопряженные точки.
Главный луч проходит из вершины предмета, через центр входного
зрачка Р и, не преломляясь, в вершину изображения. Точки В и В'-
сопряженные точки.
Наклонные лучи проводят из вершины предмета на края входного
зрачка и далее в вершину изображения.
Для того чтобы полученное изображение наблюдать на экране,
требуется обеспечить его необходимую освещенность. Для ряда проек-
ционых приборов экспериментально установлены следующие значе-
ния освещенности:
контрольно-измерительные приборы Е = 80-е-100 лк;
проекторы для демонстрации диапозитивов Е = 150-е-200 лк;
проекторы кинозалов Е = 600-е-800 лк;
эпипроекторы Е - 100-е-120 лк.
В указанных целях проекционная система имеет осветительную
часть, которая состоит из источника света, конденсора и рефлектора.
Причем существуют две схемы диапроекции, определяющие разный
подход к расчету осветительной части [3, с. 187]. В первой схеме кон-
денсор изображает источник света в плоскости входного зрачка проек-
ционного объектива. Во второй схеме тело накала лампы изображается
в плоскости предмета. Этот вариант имеет ряд сложностей и в данной
работе рассматриваться не будет.
Рассмотрим графическое построение эквивалентной схемы осве-
тительной части прибора (рис. 2, в). Для определения положения источ-
ника света с и конденсора ННК необходимо на оптической оси нанести
в масштабе положение объектива НН^ с входным зрачком D и пред-
мет 2у. Проведем луч через край входного зрачка (точку /) и вершину
предмета (точку 2) до пересечения со штриховой линией, выполненной
на высоте, равной половине тела накала лампы (с/2). Точка пересече-
ния (точка 3) укажет положение источника света, а точка пересечения
луча с оптической осью Рк определит положение конденсора ////«.
Известным способом (рис. 2, а) определяют приближенно фокусное рас-
26
стояние конденсора. Таким образом, для рассмотренного построения
необходимо рассчитать входной зрачок объектива D и выбрать
по заданной яркости экрана источник света.
Линейное увеличение конденсора Рк определяют как отношение
изображения источника света D к наибольшему размеру его тела нака-
ла с:
Рк = ^/С “
Построения, выполненные для проекционной и осветительной час-
тей, являются графическим методом определения основных характе-
ристик системы: фокусных расстояний элементов и их взаимного рас-
положения. Этот метод позволяет быстро получить необходимую ин-
формацию с достаточной точностью. Кроме этого, он полезен в процессе
обучения для наглядной демонстрации явлений, происходящих
в оптической схеме проекционных систем.
Аналитический метод расчета предусматривает использование
формул идеальной оптической системы для определения оптических
характеристик проекционного объектива и осветителя с конденсором.
В качестве исходных данных используют: размеры предмета,
например диапозитива (Ь X й), размер экрана (b х h ) или масштаб изо-
бражения, удаление экрана от объектива (S') и его освещенность. Рас-
чет рекомендуется выполнять в следующей последовательности:
1)	определить оптические характеристики объектива и выбрать
его из каталога;
2)	определить оптические характеристики осветительной части
и выбрать конденсор из каталога;
3)	построить по расчетным данным ход основных лучей в системе;
4)	создать габаритную оптическую схему прибора.
На основе габаритного расчета и в соответствии с ГОСТ 2. 412-81
выполняют принципиальную оптическую схему прибора, которая
является частью конструкторской документации.
Оптические характеристики объектива начинают определять с рас-
чета его линейного увеличения роб, фокусного расстояния /об и угло-
вого поля 2ы:
Роб = У'/У = -Ь7Ь = -h'/h = /77;
S’
/об =	>
1-Роб
/ Роб/
tgGJ = ----- = --------,
/об /об(1-Роб)
где / - размер, равный половине диагонали диапозитива (/ = у);
z - расстояние от переднего фокуса объектива до диапозитива,
z = /обТРоб*	(3.24)
(3.21)
(3.22)
(3.23)
27
Тогда расстояние от передней главной плоскости объектива
до предмета %6 = -|zp + z| и расстояние от задней главной плоскости
до экрана
О-25)
где Г- размер, равный половине диагонали экрана (/ = у'); z? - отрезок
положения входного зрачка отностительно переднего фокуса объек-
тива. Кроме этого, отрезки можно определить через увеличение объек-
тива ₽об:
Роб = Ц>б/<Ъб-	(3.26)
Задаваясь коэффициентом пропускания т = рзерк тоб при заданной
освещенности экрана Е и яркости источника света L, определяют отно-
сительное отверстие объектива по формуле D/fa. Если коэффициент
пропускания неизвестен, то его значение берут произвольно, но близ-
кое к действительному. Ориентировочно принимают т = 0,5. Тогда
Ш'б)2 = 4УТ~ или D/fa = 2(1-3)	(3.27)
Если в курсовом проекте требуется выбрать источник света,
то приходится решать обратную задачу. При этом задаются относи-
тельным отверстием объектива, рассчитывают яркость источника
и по ней выбирают тип источника света:
L = 4(1-3)^	(3 28)
п т (D//'6)2
Относительное отверстие объектива надо выбирать предельно
большим с тем, чтобы мощность источника света была минимальной.
Источник света выбирают по таблицам [22, с. 584].
Расчетные значения 2ы и £)//об позволяют выбрать объектив
(см. приложение 7) [3, табл. 4, 5, 6, с. 193; 22, с. 231). При этом возможны
небольшие несовпадения отдельных характеристик. Тогда 2ы и D/fa
следует брать больше расчетных , а при отклонении /о6 - корректиро-
вать расстояние до экрана. Для выбранного объектива уточняют тоб.
Выполнен пересчет объектива с учетом Кпер. При использовании объек-
тива необходимо помнить, что в процессе его расчета первой поверх-
ностью является поверхность, обращенная к экрану. Полому то, что
при расчете считалось входным зрачком, для объектива в проекцион-
ной системе будет выходным зрачком и, наоборот, выходной зрачок
становится входным. Чтобы определить диаметр входною зрачка
D - зрачка со стороны кадра, нужно найти увеличение в зрачках.
Из формулы Р = у7у = -f/z = - zZ/'найдем
Pps=-zp//;	(3.29)
где zp'~ положение выходного зрачка относительно заднего фокуса.
28
Тогда
D=D^P,	(3.30)
где D- зрачок со стороны экрана, который можно определить из
значения относительного отверстия.
Расчет осветительной системы начинают с определения оптических
характеристик конденсора. Его увеличение рк и угол охвата Од опре-
деляют по формулам:
₽к=-Я/с;	(3.31)
sino4 = pKsinoz4S	(3.32)
где о'д' - апертурный угол конденсора в пространстве изображения,
, I
tgO Д' =------------------------------.
Zp-Z
По характеристикам рк и 2од выбирают нужный конденсор
(см. приложение 10) [22, табл. 2. 9, с. 116]. Причем в таблицах дан не
угол Од, а апертура 4:
4 = n sin од.	(3.33)
При наличии нескольких конденсоров с близкими значениями рк
и 2од, но разными фокусными расстояниями следует ориентироваться
на результаты графического метода (рис. 2, ). Зная фокусное расстоя-
ние конденсора, определяют отрезки ок и а£:
ак = /к(1 - Рк); flK = ai7pK.
Минимальный диаметр можно рассчитать по формуле
Dk min ш 21 ок I tg 0 д.
При расчете конденсора, состоящего из двух плосковыпуклых
линз, фокусное расстояние каждой линзы рассчитывают по формуле
оптической силы двухлинзовой системы
Фк = Ф1 + Ф2- Ф1Фас/н,	(3.34)
где Фк= 1/Гк-оптическая сила конденсора; Ф1 - оптическая сила
первой линзы; Ф2 - оптическая сила второй линзы; du - расстояние
между задней главной плоскостью первой линзы и передней главной
плоскостью второй линзы. Для расчета можно принять Ф1 = Ф2 и dH = 0.
Тогда Фк = 2Ф или 1//к = 2//л> т. е. /л = 2/к.
Радиус плосковыпуклой линзы определяют по формуле г = [л (n -1),
где п - показатель преломления материала.
Толщину линзы по центру dn рассчитывают по формуле dn = hx + dKp.
Здесь hx - стрелка прогиба; dKp - толщина по краю линзы,
^кр 0,05Оконд;
29
(3J5)
где £Конд диаметр линзы конденсора.
Светотехнический расчет в рассмотренном примере является
проверочным и заключается в определении освещенности экрана
Е по реальным данным оптической системы:
г Л I Т/cD2COS4(0	/О
£‘ 4/Jo«(1-So6F’	(1ЭД
где L - яркость источника света, кд/м2; i - коэффициент светопропус-
кания; к - коэффициент заполнения входного зрачка объектива D.
При отсутствии просветления
т = 0,99е* 0,9б*₽ 0,95фд 0,93^,	(3.37)
где d - суммарная толщина оптических деталей; Кр и Фл - число
поверхностей из крона и флинта соответственно; Зк - число зеркаль-
ных поверхностей.
При построении хода лучей в проекционной системе (рис. 2, г),
состоящей из источника света 1, конденсора 2, предмета 3, объектива 4
и экрана 5, нужно иметь в виду, что общим элементом для них являет-
ся входной зрачок объектива. Кроме этого, угол поля зрения объек-
тива 2ы должен быть равен апертурному углу конденсора в прост-
ранстве изображений 2од', т. е. апертурный луч конденсора становится
главным для объектива. Построение можно вести на базе сделанных
пояснений (рис. 2, а - в) с использованием расчетных величин.
В заключении габаритного расчета вычерчивают габаритную схему
(рис. 2, д). Все графические работы выполняют на миллиметровой
бумаге в одном масштабе. Построение рекомендуется вести в инетом
исполнении.
Габаритный расчет микроскопа. Микроскоп - один из самых рас-
пространенных оптических приборов, предназначенных для наблю-
дения близко расположенных предметов (препаратов) с большим уве-
личением и большой разрешающей способностью |3, с. 242; II. с. 5; 20:
с. 19]. Он состоит из объектива и окуляра, которые создают оптическую
схему с двумя ступенями увеличения (рис. 3, о). Предмет АН находится
перед объективом на расстоянии, несколько большем его фокусного
расстояния. Объектив образует действительное увеличенное перевер-
нутое промежуточное изображение А'В'в передней фокаш нои пло-
скости окуляра. Окуляр работает подобно лупе, для которой и пора-
жение А' Выявляется предметом. В результате окуляр дагv увеличенное
изображение предмета в бесконечности. Если в передней фокальной
плоскости окуляра (в плоскости А'В') установлена сеть и со пн* алой,
то микроскоп является отсчетным или измерительным.
Промежуточное изображение А'В'может находиться и<* и фомип.-
ной плоскости окуляра, а вблизи него (за фокусом /ок), гогда окуляр
изображает А'В'на бесконечном расстоянии, большем или равном рас-
30
Вх.зр.
Рис. 3. Отсчетный микроскопа - ход лучей; б — габаритная схема
31
стоянию наилучшего видения (Lo = 250 мм). Это оптическая схема наб-
людательного микроскопа.
Остановимся подробнее на отсчетном микроскопе.
Для отсчетных микроскопов малого увеличения (порядка 10 - 50 х)
оптический интервал Д не регламентируется и, как правило, меньше
160 мм. В качестве объективов применяют простые двух линзовые
объективы с увеличением не более 8 х (приложение 8). В качестве
окуляров используют окуляры Гюйгенса, Кельнера, Рамсдена и ком-
пенсационные (см. приложение 9). Если используется окуляр Гюй-
генса, у которого точка переднего фокуса находится между коллек-
тивной и глазной линзами, то в расчетах под увеличением Р следует
понимать величину Р = РОб₽к, где Рк - линейное увеличение коллек-
тивной линзы.
Основными оптическими характеристиками микроскопа являются
его видимое увеличение Гм, линейное поле 2у и числовая апертура А
[3, с. 245; 11, с. 6].
Видимое увеличение микроскопа определяют по формуле
= Роб ГОк = -Д//об 250//ок,	(3.38)
где Р = -Д//об - линейное увеличение объектива; Гок = 250//ок ~
видимое увеличение окуляра; Д - оптический интервал микроскопа.
Линейное поле микроскопа ограничивается диаметром полевой
диафрагмы £)Пд> расположенной в передней фокальной плоскости
окуляра, где расположено промежуточное изображение предмета 2у :
У = У Зоб.	'•	(3.39)
Со стороны окуляра диаметр Опд зависит от оптических характе-
ристик окуляра:
У'=7ок tgu'.	(3.40)
Приравнивая выражения у; получим уРОб s/oKigw’> откуда
У = /ок lgw /Роб*	(3.41)
Из формулы видимого увеличения микроскопа (3.38) увеличение
объектива равно
Роб = Гм/Гок = Гм /оК/250.	(3.42)
Подставив полученное выражение в формулу для у (3.20), получим
г	250 tgo)'
линейное поле микроскопа у =---------, причем
Гм	х
2у = 500 tg(J .	(з 43)
Г м
32
Числовая апертура характеризует светосилу и разрешающую спо-
собность микроскопа:
А= л sin oAi
где Од - апертурный угол; л- показатель преломления среды, в кото-
рой находится предмет. Используя формулы:
л sin О А Л Г м /пк	, Г
Роб °-г-А; Роб=-ААА; o=2/OKsinoA.>
л5Ш0д*	250
найдем зависимость между числовой апертурой А, диаметром выход-
ного зрачка П'и видимым увеличением микроскопа При л = 1 имеем:
, 2/qK л sin Од __ 2/JK л sin Од 250
D = = !
П^ООА/Г^.	(3.44)
Разрешающая способность микроскопа 5 зависит от способа осве-
щения, длины волны и апертуры объектива [3, с. 247]. Если апертура
осветителя равна апертуре объектива, то разрешающую способность
определяют по формуле
6 * Х/(2А).	(3.45)
В пространстве изображений
6' = 6Гм = -^-Гм.	(3.46)
Отсюда определяют полезное увеличение микроскопа, т. е. такое
увеличение, которое может быть полностью использовано глазом наб-
людателя. В этом случае 500 А < Гм < 1000 А.
Глубину изображаемого пространства при наблюдении через мик-
роскоп Доопределяют по формуле
где г - предел разрешения глаза (е = 2 4 х).
Для курсового проектирования предлагается следующая методи-
ка габаритного расчета микроскопа. Как правило, исходными данными
для расчета являются увеличение микроскопа Гм, оптический интервал
Д и диаметр выходного зрачка D' Для измерительных микроскопов
вместо выходного зрачка иногда задаются точностью измерений или
параметрами известного окуляра, содержащего средства измерения.
Например, винтовой окулярный микрометр МОВ-1-15х [11, с. 45]. Он
имеет пределы измерения 8 мм и точность измерения 0,01 мм. Эти
величины также могут являться исходными данными для расчета.
Кроме этого, известны наибольшее линейное поле 2у, предел разре-
шения глаза е и минимальное значение апертуры Amin, определяемое
из условия полезного увеличения.
3 Ключникова Л. В.
33
Расчет рекомендуется выполнять в следующей последователь-
ности:
1)	исходя из общих требований и увеличения микроскопа в целом
следует решить вопрос о соотношении увеличений объектива и оку-
ляра, т. е. рассмотреть возможные комбинации Ро6 и Гок, а затем выб-
рать оптимальный вариант;
2)	определить оптические характеристики и выбрать объектив и
окуляр из каталогов;
3)	определить оптические параметры микроскопа;
4)	построить ход лучей микроскопа по расчетным данным;
5)	начертить габаритную оптическую схему микроскопа;
6)	на основе габаритного расчета выполнить принципиальную
оптическую схему, которая является частью конструкторской доку-
ментации микроскопа. Схема должна соответствовать требованиям
ГОСТ 2.412-81.
Как отмечалось выше, для отсчетного микроскопа при рассмот-
рении возможных комбинаций объектива и окуляра необходимо ис-
пользовать объектив с увеличением, не превышающим 8х. Его апертуру
можно определить через диаметр выходного зрачка, если он задан,
A=DTM/500
или из условия полезного увеличения:
Amin ~ Гм/500; -Атах ~ I м/1 ООО.
При увеличении |Во6 и апертуре А выбирают из каталога объектив
(см. приложение 8) [22, табл. 4.54, с. 23], вычерчивают его эскиз, выпи-
сывают оптические характеристики и конструктивные параметры. При
использовании стандартного объектива становится известным его
фокусное расстояние. Тогда следует проверить и, если нужно, откор-
ректировать размер А. Полезно напомнить, что увеличение объектива
рОб - величина отрицательная, хотя в каталоге это не отмечено.
Характеристики окуляра рассчитывают по формулам: Гок = Гм/ро6;
/ок = 250/Гок = 250роб/Гм.	(3.48)
Зная предельный размер предмета 2у, определяют угловое поле
зрения окуляра. Для этого используют формулу 2у = 500 tg ы'/Гм,
откуда
(3-49)
По расчетным данным выбирают из каталога окуляр (см. прило-
жение 9) [22, табл. 4.56, с. 248], вычерчивают его эскиз, выписывают опти-
ческие характеристики и конструктивные параметры. Последова-
тельность выбора компонентов может быть другой, т. е. первым может
быть рассчитан и выбран окуляр, но сам расчет от этого не меняется.
34
(1 - ₽об)Гоб
(3.52)
Оптические параметры микроскопа определяют, начиная с его
фокусного расстояния
/м=250/Гм.
Положение предмета относительно переднего фокуса объектива
рассчитывают по формуле Ньютона z06 = - /об я,'где z = Д. Тогда
го5=-/2о&/Д.	(3.50)
Получим отрезки:
~ Ообя “ /об + (~ ^об);
- $0б = - Sf об + (- *об)«	(3.51)
Можно воспользоваться формулой Гаусса 1/сгоб-1/аОб= 1//об>
откуда
йоб= Ооб Роб-
Тогда имеем:
Яоб =
- 50б = - Лоб - [- /об - ( -Sf) = - воб + /об “ Sr*	(3.53)
Световой диаметр объектива О0б = 21 al А.
Положение изображения, создаваемого объективом, определяется
отрезками:
воб = /об + Д;	(3.54)
58б = а - (/об - S г) = а '- fa + S?.	(3.55)1
Точка изображения совпадает с передним фокусом окуляра Еок.л
Если в задании на курсовое проектирование не задано линейное поле
микроскопа, то его определяют по формуле
2у=2у7₽0б,	: Ж П >. МЖ
"г‘ Г	’J'i
где y = /oKtgG)'/Po6; 2у'- линейное поле окуляра, y^fatgu'. Диаметр-
полевой диафрагмы Огщ = 2у'
Если входной зрачок совпадает с передней главной плоскостью
объектива, то его изображение, создаваемое окуляром, будет выход-
ным зрачком микроскопа. Определяем по формуле Ньютона расстоя-
ние от заднего фокуса окуляра до выходного зрачка ".
=-/ок/^р,	(3.56)
ДЛ У I i	••	•  :: rqn; 3 _ 
где zp ~ расстояние от переднего фокуса окуляра до входного зрачка
(- Zp = обе).
3*	35
Зная Zp-, можно определить удаление выходного зрачка Sp
ap'= /ок + zp'! $р$F ок * zp •
Увеличение в зрачках ₽„ = z« Тогда диаметр выходного зрачка
D = D₽P.
Расчету подлежат также линейный предел разрешения 6, глубина
разрешаемого пространства Az и другие величины, заданные в задании
на курсовое проектирование.
По рассчитанным данным выполняют построение хода лучей от-
счетного микроскопа (рис. 3, а). Для этого на миллиметровой бумаге
проводят оптическую ось и наносят главные плоскости объектива
ННрб и окуляра HHqK, входной зрачок D и точки фокусов Fo6,F'6j
F0K, F'0K. Основные лучи в системе строят в следующей последователь-
ности.
Апертурный луч идет из осевой точки предмета А под апертурным
углом ол на край входного зрачка и далее в точку F0K до пересечения
с главными плоскостями окуляра и за окуляром - параллельно опти-
ческой оси, определяя диаметр выходного зрачка микроскопа. В точке
F0K апертурный луч определяет плоскость изображения предмета
2у' Точки А и А - сопряженные точки.
Главный луч проводят через вершину предмета В и точку Р -
центр входного зрачка и далее без преломления до главных плоскос-
тей окуляра. За окуляром положение главного луча определяют мето-
дом вспомогательного луча. основанного на свойстве фокальных
плоскостей. На рис. 3, а вспомогательный луч проведен штриховой
линией. С помощью главного луча определяется величина изображе-
ния 2у и центр выходного зрачка Р' Точки В и В'- сопряженные точки.
Наклонные лучи проводят через вершину предмета В на край
входного зрачка и далее через вершину изображения до пересечения
с главными плоскостями окуляра. За окуляром они идут параллельно
главному лучу. Наклонные лучи определяют световую зону микрос-
копа.
В заключении габаритного расчета необходимо вычертить габа-
ритную схему микроскопа (рис, 3, б). Для этого используют все расчет-
ные данные, оптические характеристики и конструктивные параметры
выбранных компонентов. На оптической оси последовательно распо-
лагают объектив /, сетку 2, окуляр 3 и проставляют необходимые раз-
меры. В курсовом проекте габаритную схему выполняют на миллимет-
ровой бумаге в том же масштабе, что и ход лучей (рис. 3, а).
3.2. КИНЕМАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ МЕХАНИЗМОВ
Анализ тем курсовых проектов с использованием разработок ба-
зовых предприятий показывает, что наиболее характерными кинема-
тическими расчетами являются расчеты винтовых, рычажных, зубча-
тых механизмов и их сочетаний.
36
Винтовые механизмы. С помощью винта и гайки преобразуют
вращательное движение в поступательное [17, с. 217; 22, с. 491].
В кинематических схемах оптических приборов часто исполь-
зуется винтовой механизм с неподвижной ганкой [17, с. 218;
рис. 146, а]. У него линейное перемещение винта I (в мм) пропор-
ционально углу его поворота ф в гайке:
, -Р” Ф
360 ’
где Р- шаг резьбы; п - число заходов резьбы (обычно и = I, за исключе-
нием окулярной резьбы).
Винтовой механизм может использоваться в сочетании с другими
элементарными механизмами. Эти сочетания позволяют повышать
кинематическую точность сложного механизма и расширять его функ-
циональные возможности.
Для кинематического расчета винтового механизма и получения
качественной конструкции следует учитывать ряд рекомендаций.
1.	В винтовом механизме из технологических соображений неце-
лесообразно использовать шаг резьбы Р меньше 0,75 мм.
2.	В соответствии с ГОСТ 22613-77 [21, с. 156] диаметр рукоятки
винтового механизма для плавного непрерывного регулирования
необходимо брать не более 50 мм. В этом случае, исходя из норм инже-
нерной психологии, наименьший угол поворота рукоятки рукой опера-
тора составляет 1°, т. е. (pmin == 1*. Это соответствует длине дуги на ру-
коятке Cmin с радиусом R
Gnin в 2 Л Я Фппп/360;
и наименьшему перемещению винта lmin с шагом Р
= n ? Фпйп/360.
Эти величины характеризуют кинематическую точность механиз-
ма. Так, при R = 25 мм и Р = 0,75 мм имеем:
г _ 6,28-25-1	.	1-0,75-1
Gnin	0,436 мм,	0,002 мм.
jdu	зьи
3.	Для сохранения кинематической точности необходимы конст-
руктивные меры. Для винтового механизма такими мерами являются
сокращение или компенсация ошибок винтовой пары. Одним из самых
эффективных способов сокращения зазоров в резьбе является силовое
замыкание пары.
4.	Для повышения чувствительности при вращении рукоятки
в пределах нескольких градусов ее диаметр можно увеличить. В юсти-
ровочных и лабораторных механизмах с этой целью используют шпиль-
ку длиной 60-1 00 мм, установленную в радиальные отверстия рукоят-
ки или головки внита.
Рассмотрим вышесказанное на конкретном примере. Кинематичес-
кая схема механизма качания зеркала (рис. 4) содержит упорный винт
37
Рис. 4. Механизм качания зеркала
7 с шагом Р] = 1 мм, который вращается в неподвижной гайке и имеет
контакт с зеркалом; рычаг 2 (длиной 25 мм), установленный на винте
1 с возможностью фиксации на нем при помощи хомута; установочный
винт 3 с шагом Рз, который вместе с пружиной управляет положением
рычага 2 на винте 7. Такая кинематическая схема обеспечивает грубые
и точные перемещения упорного винта 1. При грубом перемещении он
работает как винтовой механизм, состоящий из винта и гайки. В ка-
честве винта используют стандартизованный крепежный винт с цилин-
дрической головкой и шлицем под отвертку. Если радиус рукоятки
отвертки /?о = 6 мм и Cmjn = 0,5 мм, то имеем:
ш _ 0,5-360 _
Фппп1~ 6,28-6 ~4’8,
/mini = _ ’ ~ 0,013 мм = 13 мкм.
360
Точное перемещение винта 7 получают при его повороте с по-
мощью рычага 2, закрепленного на нем. Угол поворота пропорци-
онален перемещению винта 3 с шагом Рз = 0,75 мм. В этом случае
<Pmin = 4,8° и /min = (1 -0,7-4,8)/360 = 0,009 мм = 1 мкм. Это позволит повер-
нуть винт 1 с рычагом 2 длиной L = 25 мм на угол (pmini ‘ 0,01/25 =
= 0,0004° и переместить его на величину /mini = (Ь1-0,0004)/360 =
= 1-10 мм = 0,003 мкм.
С помощью силового замыкания ошибки винтовых пар уменьшены
до предела. Особенно это важно для винта 7, который перемещает
зеркало совместно с пружинным упором (на схеме не показан).
Рассмотренная кинематическая схема положена в основу механиз-
ма качания зеркала интерферометра (см. п. 6.3). Зеркало ориентиро-
вано в пространстве на двух опорах с помощью одинаковых трех пар
упоров. Каждая пара работает соосно и содержит упругий и регулируе-
38
мый (винтовой) упоры. В качестве регулируемого упора использован
рассмотренный механизм.
В отсчетных винтовых механизмах для отсчета перемещения винта
используют шкалу грубого отсчета на неподвижном корпусе и шкалу
точного отсчета на рукоятке винта. Цена деления шкалы грубого отсче-
та соответствует шагу резьбы, деленному на число делений шкалы
(Р/n). Если винтовой механизм имеет Р = 1, R - 25 мм и п = 100, то цена
деления шкалы грубого отсчета тг 0 = 1 мм, а цена деления шкалы
точного отсчета тт0 = 1/100 = 0,01 мм. Это соответствует углу поворота
винта т =360/100 = 3,6° и расстоянию между штрихами шкалы точного
отсчета С = (6,28-25-3,6)/360 = 1,57 мм.
Рычажно-винтовые механизмы. Во многих оптических приборах
используют рычаг, управляемый винтовым механизмом. Это объяс-
няется большими возможностями такого сочетания, особенно при
малых и точных перемещениях. Малые перемещения позволяют сохра-
нить линейную зависимость между перемещением винта и наклоном
рычага [25, с 230]. Точность при этом пропорциональна длине рычага L.
На рис. 5 показана кинематическая схема механизма поворота.
Перемещение винта / и угол поворота рычага а связаны соотношением
tga = 1/L,
где / = л Р(р/360. Следовательно, tga = п Р ср/360 L, т. е. угол поворота
рычага прямо пропорционален шагу и углу поворота винта и обратно
пропорционален длине рычага. Отсюда следует, что высокая точность
поворота рычага может быть обеспечена простым винтовым механиз-
мом при достаточно большой длине рычага.
Если принять £ = 120 мм и Р = 0,75 мм, тогда (pmin = Г, =
= 0,002 мм и апнд = a^jL = 0,002/120 = 1,6°-10-\
Высокой точности соответствует силовое замыкание винтового
механизма с помощью пружины. Рассмотренная кинематическая схема
используется для создания механизма поворота призмы (см. п. 6.3).
При его конструировании необходимо обеспечить высокую точность
направляющей поворота (цилиндрической опоры). Это можно сделать,
если выполнить ее высоту соизмеримой длине рычага и обеспечить
зазор между втулкой и валом не более 0,01 - 0,02 мм.
Однако бесконечно увеличить длину рычага невозможно из-за
технологических причин и ограничений габаритных размеров любого
прибора. Высокую точность покачивания можно получить за счет ис-
пользования двойного рычага, кинематическая схема которого показа-
на на рис. 6. Она содержит рычаг 4, подвешенный на высокоточном
шаровом шарнире, рычаг 2, подвешенный на безлюфтовом пружинном
шарнире, и винтовой механизм /, управляющий положением рычагов.
Кинематическое замыкание между рычагами, шарнирами и винтовым
мехнизмом выполняют пружины 3.
Рычаг 4 на шарнире между закрепленным на нем зеркалом и упо-
ром рычага 2 образует плечи длиной £3 и £4. Рычаг 2 на шарнире между
39
Рис. 6. Механизм двойного рычага
упором и винтовым мехнизмом образует плечи длиной Lx и Их
передаточные отношения будут равны:
= L4/L3;	= L2/Lp
Рассчитаем кинематическую точность рассмотренной схемы при
/1 = 100 мм, £2 = Ю мм, £3 = 150 мм, £4 = 30 мм, Р = 1 мм и = 10 мм.
Для винта с шагом Р и рукояткой Яо получим:
,Л	0,5-360 пого ,	1-1-2,86 пппо
Фпйп 6,28-10 2,86 ’ rain 360 =0’008мм-
Перемещение винта позволяет повернуть рычаг 2 на угол
a2min = 8*Ю~3/100 = 8°-10"5. В свою очередь, за счет U2 = 0,1 упор
рычага 2 переместится на величину /jmin» которую можно рассчитать
или через угол a2min и £2:
-5	-4
/2inin = Ю-8-10 =8-10 мм,
или через u2	t
z2min = 8-10“3-0,1 = 8-10~4 мм.
Перемещение упора на /2min наклонит рычаг 4 на угол /4min =
= 8-10"4/150 = 5ф-10“6 = 0,02".
Если винтовой механизм 1	в виде отсчетного, то вели-
чину a4min можно использовать как цену деления. Целесообразно
вместо С = 0,5 мм взять С = 0,628 мм. Это позволит на барабане рукоятки
винта нанести 100 штрихов с ценой деления, соответствующей 0,01 мм
перемещения винта и 0,02'" наклона зеркала.
40
За счет несовмещения оси качания шарнира с отражающей поверх-
ностью зеркала при его наклоне появится линейная составляющая
Mmin> которая пропорциональна передаточному отношению плеч
рычага:
1/4=30/150 = 0,2 мм;
Z4min= Z2mmu4=8-10 * ‘ 0,2 = 0,16 МКМ.
При малых углах качания зеркала этой составляющей можно пре-
небречь. Рассмотренная кинематическая схема положена в основы
высокоточного механизма зеркала (см. п. 67). В нем высокая точность
обеспечивается не только кинематическими возможностями, но и
конструктивными решениями направляющих.
Зубчатые передачи. В оптических приборах используют самые
разнообразные зубчатые передачи. Наиболее характерные из них
можно разделить на точные, отсчетные и силовые. Их расчеты выпол-
няют по известным формулам [17, с. 227; 25, с. 196]. В сочетании
с другими элементарными механизмами зубчатая передача позво-
ляет повысить точность
перемещения пропорцио-
нально передаточному
числу.
На рис. 7 показана кине-
матическая схема винтово-
го механизма с редуктором.
Схема содержит электродви-
гатель, редуктор ИЗ двух Рис. 7. Винтовой механизм с редуктором
пар прямозубых цилиндри-
ческих колес с передаточными числом и и винтовой механизм с ша-
гом Р-
При модуле т= 0,6, ^i= 14, z2= 42, z3= 20 и z4= 40 получаем:
ui= 42/14 = 3; u2= 40/20 = 2; u= t/]U2= 6;
di = 8,4; d2 = 25,2; d3 = 12 мм;	= 24 мм.
Остальные параметры зацепления можно рассчитать в соответствии
со стандартами [23, с. 179].
Если допустить, что суммарная ошибка рассмотренного редуктора
не превышает 0,3° за один оборот винта, то можно определить предель-
ное малое перемещение винта с шагом Р. При Р = 1
мм.
I = Р(р™л.. = ±211 = 8,3-10
nun 360	360
Рассмотренная кинематическая схема положена в основу конст-
рукции механизма, описание которого приводится в п. 6.3.
41
Рис. 8. Двухступенчатый механизм перемещений
тигается сочетанием червячного и винтового
Для того чтобы повысить точность механизма с учетом реверса,
вместо прямозубой цилиндрической передачи целесообразно исполь-
зовать червячную, которая отличается от всех зубчатых передач
рядом преимуществ
[ 17, с. 233]. В качест-
ве примера рассмот-
рим кинематичес-
кую схему механиз-
ма с грубым и точ-
ным перемещения-
ми, показанную на
рис. 8. В ней высо-
кая точность дос-
механизмов. Схема
содержит винт / с гайкой 2, червячное колесо 3 с червяком 4, обеспе-
чивающих точное перемещение винта, рейку 5 с трибкой 6 - для
грубого перемещения червячно-винтового механизма.
Реечное зацепление рассчитывают по известным формулам
117. с. 227], согласно которым за один оборот трибки рейка перемещает-
ся на величину / = 2л/?, где /? - радиус делительной окружности
трибки.
Точное перемещение винта / происходит за счет вращения гайки
2 с помощью червячной пары: колеса 3 и червяка 4. Если шаг винта
Р= 1 мм, передаточное числе червячной пары и = 30 при однозаходном
червяке и суммарная ошибка привода, вращающего червяк, не превы-
шает 0,8°, то ошибка одного оборота гайки равна (pmjn = 0,8/30 =
= 2,6°-10‘ ‘ и предельно малое перемещение винта будет
(	? ^min
min ” 360
1-2,6-Ю
--------= 7,2-10 мм.
360
Рассмотренная кинематическая схема явилась основой для кон-
струкции механизма с двухступенчатым перемещением (см. п. 6.4).
Червячно-винтовой механизм может быть отсчетным, например
в механизме перемещения призмы (см. п. 6.4). Шкала точного  .счета
установлена на оправе, связанной с гайкой и червячным колесом.
Отсчет снимается по нониусу неподвижной шкалы.
Если шаг винта Р = 1 мм и шкала имеет 1000 делений при их радиу-
се /? = 40 мм, то цена деления шкалы будет соответствовать переме-
щению винта /min = 1/1000 = 0,001 мм. Расстояние между штрихами в уг-
ловой мере равно Ф = 360/1000 = 0,36° и в линейной мере
г 2л R ф 6,28-40-0,36 п
360	360
Лля привода, связанного с червяком, одно деление шкалы будет
соответствовать углу поворота Ф = 0,36и, где и - передаточное число
червячной пары. При и = 30 Ф = 0,36-10,8°.
42
Глава 4
КРЕПЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
Детали, изготовленные из прозрачного для оптического излуче-
ния материала и входящие в оптическую схему прибора, называются
оптическими. К ним относятся линзы, зеркала, призмы, светофильтры,
прозрачные шкалы, сетки и защитные стекла. Исключение составляют
зеркала с наружным покрытием и дифракционные решетки,
которые могут быть выполнены из непрозрачного материала.
Крепление оптических деталей должно соответствовать требова-
ниям оптической схемы, сохранять технические характеристики
самой детали с учетом условий эксплуатации устройства [17, с. 74;
22, с. 263]. Рассмотрим конструкции различных способов крепле-
ния оптических деталей, оценивая качество крепления по следую-
щим признакам:
надежности крепления, т. е. неподвижности детали в оправе (на
основании);
недопустимости пережимов оптической детали при ее креплении,
т. е. отсутствию в материале детали внутренних напряжений;
возможности компенсации температурных деформаций оптической
детали при перепадах температуры;
соответствию способа крепления оптической детали ее форме
и размеру;
возможности юстировки оптической детали после крепления.
4.1. КРЕПЛЕНИЕ КРУГЛЫХ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
К круглым оптическим деталям относится большое количество
линз, различных по форме, габаритным размерам и назначению [17,
с. 85, 116]. Не менее многочисленна группа зеркал, круглых светодели-
тельных пластин, светофильтров, шкал, сеток и защитных стекол
[22, 264].
Крапление завальцовкой. Является неразъемным креплением
оптической детали и выполняется за счет деформации тонкого края
оправы во время завальцовки. Этот способ применяют для крепле-
ния деталей диаметром до 80 мм и склеенных линзовых блоков
диаметром до 50 мм. При этом оправа должна иметь определенную
конструкцию с конкретными размерами, которые зависят от габарит-
ных размеров оптической детали [22, с. 257]. Крепление оправы в при-
боре зависит от способа ее центрировки. Наиболее перспективен спо-
соб центрировки оправы с линзой методом автоколлимации в плава-
ющем патроне [8, с. 171]. Он значительно упрощает конструкцию при-
бора и повышает технологичность его сборки и юстировки [17, с. 86].
Не рекомендуется использовать способ завальцовки для крепления
нескольких линз, разделенных между собой промежуточными
43
Кольцами [17, с. 87, рис. 32, в]. Крепление линз завальцовкой широко
применяется в микрообъективах и других объективах насыпной кон-
струкции. Такие объективы показаны на рис. 9. Точность центрировки
объектива определяется точностью центрировки линз в оправах. Пере-
кос и децентрировка линз исключается одновременной обработкой
наружного диаметра оправы и подрезкой ее опорных торцов с
использованием метода автоколлимации.
В проекционном объективе, изображенном на рис. 9,а, для креп-
ления светофильтра Д линз 3 и 7 и линзового блока 6 использован спо-
соб завальцовки. Центрировка оправ с линзами выполнена методом
автоколлимации в плавающем патроне. Сцентрированные оправы уста-
новлены в корпусе 5 и закреплены резьбовым кольцом 2, выполняю-
щим роль диафрагмы. Только оправа со светофильтром I имеет свою
резьбу, с помощью которой крепится к корпусу5.
В репродукционном объективе, изображенном на рис. 9,6, фрон-
тальный блок линз 1 закреплен в оправу способам завальцовки. Его
использование в подобных конструкциях |20, с. 177] объясняется
малыми габаритными размерами деталей и сочетанием их крепления
с автоколлимационным методом центрировки.
Достоинствами способа являются высокая надежность крепления,
особенно для линз малого диаметра; отсутствие пережимов в стекле
при правильной технологии процесса завальцовки; высокоточное сов-
мещение оптических и механических баз и отсутствие необходимости
юстировочных работ после крепления оптической детали.
К недостаткам способа можно отнести падение надежности крепле-
ния с увеличением габаритных размеров детали и отсутствие возмож-
ностей компенсации термических деформаций.
Крепление резьбовыми и простыми кольцами. Крепление резьбо-
вым кольцом является разъемным соединением. В этом случае опти-
ческая деталь прижимается к опорному торцу оправы резьбовым
кольцом с внутренней или наружной резьбой. Способы центрировки
линз в оправах могут быть те же, что и при завальцовке [ 17, с. 90, 116),
На рис. 9, а рассмотрена конструкция проекционного объектива.
В ней блок линз 4 закреплен в оправе резьбовым кольцом с внутренней
резьбой. Целесообразность такого крепления объясняется невысокими
требованиями к точности положения блока и использованием резь-
бового кольца в качестве диафрагмы.
Конструкция репродукционного объектива, изображенного на
рис. 9, б, предусматривает насыпной способ сборки. Оправы с оптичес-
кими деталями установлены в корпусе 6 и закреплены резьбовым
кольцом. Крепление линз 3,4 и линзовых блоков 5, 8 в оправах выпол-
нено также резьбовыми кольцами. Оправы имеют технологическую
резьбу для крепления их в центрировочном патроне. Диафрагма 7
выполняет роль апертурной диафрагмы. Ее обрабатывают так же, как
оправы линз. Для компенсации остаточной децентрировки объектива
оправу с линзой 4 перемещают через отверстия в корпусе 6, которые
потом заполняют герметиком и закрывают кожухом 2.
44
Рис. 9. Конструкции объективов: а - проекционного; б - репродукционного
45
Резьбовое соединение - наиболее простой и распространенный
способ крепления круглой оптической детали (рис. 10 а). Но он имеет
ряд недостатков, которые влияют на качество крепления, а иногда и вы-
водят из строя дорогостоящую оптическую деталь. В резьбовом соеди-
нении всегда есть зазоры, и гайка при вращении перемещается под
некоторым углом, что вызывает перекос линзы. В момент соприкосно-
вения с опорным буртиком оправы линза стремится уменьшить пере-
кос и тем самым сокращает зону контакта с гайкой. Давление в зоне
Рис. 10. Крепление оптической детали резьбовым кольцом: о - без дополни-
тельных деталей; б — с промежуточным кольцом; в — с пружинным кольцом;
г — без пережима с центрировкой; д - с фиксированным положением колец
контакта увеличивается, что приводит к повышению напряжения
внутри оптической детали. При увеличении давления происходит
повреждение ее поверхности.
Для устранения перекоса необходимо между линией и резьбовым
кольцом установить промежуточное кольцо (рис. 10,6). Для компен-
сации термических деформаций линзы промежуточное кольцо может
быть пружинным (рис. 10, в).
Промежуточное кольцо, показанное на рис. 10, б, устраняет пере-
кос линзы, но не исключает пережимы оптической детали. Для дози-
рования усилия прижима ограничивают перемещение резьбового
46
не более чем на поло-
Рис. И. Симметричный
окуляр
кольца в оправе, т. е. его вворачивают до упора, а высоту промежуточ-
ного кольца рассчитывают, исходя из обеспечения качественного креп-
ления детали с учетом деформации кольца в зоне контакта. При таком
креплении возможна центрировка оптической детали с помощью
герметика, которым заполняют через резьбовые отверстия радиально
расположенные в оправе пазы (рис. 10, г).
Использование дозированного усилия прижима линзы повышает
надежность ее крепления. Для компенсации термических деформаций
служит пружинное кольцо. Его высоту рассчитывают так, чтобы в
фиксированном положении оно уменьшалось
вину ширины его прорези (рис. 10, б).
Крепление резьбовым кольцом широко
используют там, где не требуется высо-
кая точность положения оптической детали,
например в окуляре. При этом точность
положения линз значительно ниже, чем
в объективах. В симметричном окуляре
(рис. И) линзовые блоки установлены
в резьбовую втулку и закреплены резьбовым
кольцом. Воздушный промежуток между
блоками выдержан с помощью установоч-
ного кольца.
Крепление светофильтров промежуточ-
ным и резьбовым кольцами в револьверной
головке показано на рис. 12. При одинаковых втулках и резьбовых
кольцах разнотолщинность светофильтров компенсируется разной
высотой промежуточных колец.
В лабораторных устройствах вместо резьбового кольца целесооб-
разно использовать гладкое кольцо со стопорным винтом. Такая
конструкция проста и не вызывает пережимов в стекле при креплении
зеркала в юстируемой оправе (рис. 13). Зеркало 2 установлено в сфери-
ческую оправу 4 и закреплено кольцом 5 со стопорными винтами.
Оправа 4 может покачиваться в цилиндрической поверхности корпуса
3 относительно центра сферы, совмещенного с отражающей поверх-
ностью зеркала 2. Покачивание выполняется двумя упорными и двумя
прижимными винтами втулки /, закрепленной на оправе 4. Упорные
винты ввинчены во втулку / и взаимодействуют с корпусом 3, При-
жимные винты ввинчены в корпус 3 и прижимают втулку 1 через
сферические шайбы к корпусу. Такая конструкция обеспечивает
безлюфтовую фиксацию положения оправы с зеркалом.
Крепление круглых зеркал колпачком и винтом также исключает
пережимы в материале оптической детали. Зеркало 4 (рис. 14, а) уста-
новлено в оправу 3 на три шарика и прижато к ним колпачком 5 с
винтом для фиксации положения. Оправа может покачиваться
на шаровой опоре 1, зафиксированной винтом на оправе 3, относительно
конуса, выполненного на корпусе 2, тремя юстировочными винтами 7 и
плоской пружиной 6, которая прижимает оправу к винтам. Винты 7
47
Рис. 12. Револьверная головка
со светофильтрами
1 2J 4 5
А-А
Рис. 13. Зеркало
в юстируемой оправе
расположены симметрично под углом 120° друг к другу. Такое распо-
ложение винтов допускает пространственную ориентацию зеркала,
но усложняет юстировку из-за отсутствия привязки перемещений
к координатам. Для ориентации зеркала по двум координатам и упро-
щения юстировки винты 7 располагают под углом 90° друг клругу.
При этом центральная опора может быть неподвижной (рис. 14, б),
В механизме переключения светофильтров (рис. 15) резьбовое
кольцо заменено шайбой с винтами. Технологически такая конструк-
ция проще рассмотренных. С помощью промежуточных колец компен-
сируется разнотолщинность светофильтров. Их переключение осу-
ществляется с помощью пружинного фиксатора, установленного на оси
оправы светофильтра. При изменении его положения конусообразная
часть фиксатора входит в одно из двух отверстий корпуса.
О достоинствах крепления оптических деталей резьбовым коль-
цом можно говорить только при выполнении ряда условий. Так,
надежность этого способа высокая лишь при использовании промежу-
точного кольца расчетной высоты и при постановке резьбового кольца
на упор. Выполнение этого условия исключает пережимы в стекле.
А если выполнить промежуточное кольцо разрезным в виде пружин-
ного, то можно компенсировать термические деформации деталей,
сохраняя качество крепления.
48
Рис. 14. Узел зеркала: а - с пространственной ориентацией;
б - с ориентацией по двум координатам
Значительно упрощает конструкцию использование вместо резьбо-
вого кольца гладкого со стопорным винтом, шайбы и других техноло-
гически простых деталей.
Перспективным для этого способа крепления оптических деталей
является применение герметика, который упрощает ее центрировку
и повышает надежность крепления.
Крепление резьбовым кольцом оптической детали допустимо,
если ее диаметр не меньше 10 мм. Для деталей больших диаметров
у этого способа крепления теоретически ограничений нет. Конструк-
тивно же, т. е. при сохранении всех преимуществ, крепить резьбовым
кольцом оптическую деталь с диаметром, большим 250-300 мм, не
рекомендуется.
Крепление жесткими и упругими планками. Этот способ позволяет
простыми средствами дозировать и равномерно распределять усилия
крепления оптической детали в оправе. Для крепления используют
жесткие или упругие планки, установленные под углом 120° друг
к другу. Пружинные планки для деталей малого диаметра заменяют
4 Ключникова Л. В.
49
Рис. 15. Механизм переключения светофильтров
единой пружиной [22, с. 273f. Конструкция жестких планок (лапок)
может меняться в зависимости от формы оправы. Жесткие планки
целесообразно использовать тогда, когда усилие их крепления не свя-
зано с усилием их прижима к оптической детали [23, с. 278, рис. 5.14].
Наиболее высокие требования к точности положения, чувстви-
тельности перемещения при юстировке и к отсутствию пережимов
в стекле предъявляются к креплению оптических деталей интерфе-
рометра. Рассмотрим крепление зеркала интерферометра Майкельсона,
конструкция которого показана на рис. 16. Зеркало ориентировано в
оправе: по ободу двумя шариками, расположенными симметрично
под углом 90° друг к другу, и по торцу - тремя пружинными планками
с одной стороны и тремя регулируемыми упорами с другой. Каждая
пара упор - планка расположена под углом 90° относительно централь-
ной пары, что обеспечивает качание зеркала по двум координатам.
Роль упоров выполняют дифференциальные винты. Для установки
оправы с зеркалом на основание интерферометра оправа имеет три
регулируемые опоры, которые своей шаровой поверхностью разме-
щаются в призмах основания.
На рис. 17 показана конструкция зеркала интерферометра. Способ
крепления зеркала близок к вышерассмотренному. Пружинные упоры
выполнены на винтовых пружинах сжатия. В качестве регулируемых
упоров используются рычажно-винтовые механизмы, кинематический
расчет которых приведен выше (см. рис. 4). Они позволяют произво-
дить грубые и точные перемещения зеркала. Механизмы выполнены в
виде одинаковых сборочных единиц. Каждая сборочная единица
50
содержит ввернутый в основание упорный винт, на котором с помощью
хомута закреплен рычаг. Рычаг покачивается установочным винтом и
пружинным упором. Если нужны грубые перемещения, то для этого
освобождают хомут рычага и на зеркало воздействуют непосредствен-
но упорным винтом, положение которого фиксируется сжатием разрез-
ной части основания (типа разрезной гайки). Механизмы расположены
под углом 90° относительно центрального.
Крепление стеклянных лимбов, например в геодезических при-
борах [6], должно удовлетворять ряду требований: исключать пере-
жимы стекла, обеспечивать наименьшие термодеформации за счет
выбора материала,
устранять децент-
рировку, которая
приводит к ошиб-
кам считывания и
т. п. На рис. 18 пока-
зана конструкция
крепления стеклян-
ного лимба. Лимб /
установлен на
оправу 2 и зак-
реплен шайбой 3.
Оправа 2 имеет
посадочный диа-
метр D. Для исклю-
чения пережимов в
стекле между лим-
бом I и шайбой 3
установлена прок-
ладка из специаль-
ной бумаги. При
этом зазор между
оправой 2 и шайбой
3 не должен
превышать 0,05 мм.
Для уменьшения
температурных де-
формаций оправу и
шайбу следует изго-
товить из титано-
вого сплава, коэф-
фициент линейного
расширения кото-
рого близок к коэф-
устранения децентри-
Рис. 16. Механизм регулировки зеркала
с дифференциальными винтами
фициенту линейного расширения стекла. Для
ровки на лимбе нанесена технологическая окружность, которая поз-
воляет центрировать лимб при сборке относительно диаметра D с
нужной точностью.
4*
51
Рис. 17. Зеркало интерферометра
Рис. !В. Крепление стеклянного лимба
Рассмотренный способ крепления круглых оптических деталей с
помощью жестких и упругих планок отличается надежностью и прос-
тотой крепления. Многообразие средств крепления и использование
специальных устройств дозированного усилия прижима оптических
деталей позволяют решать большое количество задач. Сочетание пла-
нок с юстировочными устройствами обеспечивает необходимое пере-
мещение оптической детали в оправе.
4.2. КРЕПЛЕНИЕ НЕКРУГЛЫХ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
К некруглым оптическим деталям относится прежде всего боль-
шое количество различных призм, зеркал, пластин, клиньев, шкал
и т. п. Для качественного их крепления в оправу необходимо:
установку оптической детали в оправу (на корпус) производить
на три качественно обработанных выступа или на хорошо обработан-
ную плоскость с тремя равномерно расположенными прокладками
из алюминиевой фольги, бумаги или картона;
52
размещение опор и крепежных элементов выбирать таким обра-
зом, чтобы на углах и ребрах оптической детали не создавать больших
усилий, так как это может привести к недопустимым напряжениям,
деформациям и сколам;
предусмотреть возможность юстировочных подвижек в конструк-
ции за счет перемещения оптической детали относительно оправы или
за счет перемещения оправы с оптической деталью относительно осно-
вания с помощью специального механизма;
использовать установку прокладок для компенсации неточностей
изготовления базовых поверхностей.
Крепление призм. Многообразие типов призм [22, с. 169, табл. 4.6]
порождает и различные способы их крепления. Чаще всего исполь-
зуются крепления пружиной, накладкой, планками, угольниками,
шпонкой, приклеиванием и их комбинациями [17, с. 104; 22, с. 283].
Крепление пентапризмы (рис.
19) на основании осуществлено
фигурными планками и кожухом
с двумя отверстиями для прохож-
дения света. Кожух крепится вин-
тами к основанию. Между ним и
призмой установлена прокладка.
Конструкция позволяет исклю-
чить пережимы стекла при креп-
лении пентапризмы.
Крепление триппель призмы
на основании показано на рис. 20.
Оно выполнено жесткими скоба-
ми и прижимами. Скобы рассчи-
таны на крепление призмы в углах
с использованием прокладок
между скобой и оптической де-
талью. Это позволяет рациональ-
но использовать переднюю плос-
кость призмы и оставлять свобод-
ными отражающие плоскости.
На рис. 21 показан способ
крепления светоделительной
призмы-куб 4 с помощью двух
стоек 1, закрепленных на основа-
Рис. 19. Крепление пентапризмы
нии 6 и стянутых думя винтами 3
с фиксацией на распорных втулках 2. При креплении стоек 1 между
основанием и призмой 4 должен быть зазор, который обеспечивается
втулками 2 и выбирается угольниками 5. Чтобы зазор был регули-
руемый, одна из стоек имеет возможность перемещаться вдоль паза
на основании 6. Параллельность стоек обеспечивается равенством вту-
лок 2 при затяжке их винтами 3. При правильном расчете длины и
наружного диаметра втулок 2 можно исключить опасность пережима
призмы.
53
Рис. 22. Призма в юстируемой оправе
54
Рис. 25. Крепление зеркала на фаску: о — вкладышем;
б — жестким вкладышем; в - фигурными планками
Крепление прямоугольной призмы АР-90 в юстируемой оправе
планками показано на рис. 22. Призма 3 установлена в оправу 7 и зак-
реплена в ней сбоку и сверху планками & Для фиксации положения
призмы оправа имеет две боковые стенки, выполненные под углом
45°. Для качания призмы по одной из координат оправа 7 закреплена
в центрах 4. Относительно их оси она покачивается винтами /. Центры
4 и винты 1 крепятся в промежуточной оправе 2, которая с угольником
6 покачивается в центрах 9 винтами 10. Центры 9 и винты 10 крепятся
в основании 5, выполненном в виде скобы. Таким образом, призма
покачивается в механизме типа карданного подвеса с вертикальной
и горизонтальной осями качания, проходящими через центр гипотенуз-
ной грани призмы.
Крепление зеркал. Требования к положению зеркал в оптической
схеме прибора самые высокие. Это объясняется тем, что они в два раза
55
увеличивают угловую ошибку положения [17, с. 116; 22, с. 277]. В связи
с этим ужесточаются и требования к конструкциям крепления зеркал.
На рис. 23 показано крепление зеркала. Крепление выполнено
двумя угольниками на плоской оправе. Такой способ позволяет дози-
Рис. 26. Крепление
зеркала приклеиванием
ровать усилие прижима зеркала к оправе и иск-
лючать этим его деформацию. Покачивание оп-
равы относительно корпуса осуществляется
двумя регулировочными винтами, расположен-
ными под углом 90° к неподвижной опоре. Кине-
матическое замыкание между оправой и винта-
ми с опорой выполняет цилиндрическая пружина
на центральном винте.
Крепление зеркал может выполняться плос-
кой пружиной (рис. 24), которая поджимает
зеркало к нижним опорам и к боковому упорно-
му винт}% осуществляющему покачивание
зеркала при юстировке. От поперечных сме-
щений зеркало удерживается штифтом, уста-
новленным в его паз. Нижние опоры - фигур-
ные, выполненные с учетом фаски на зеркале.
Рассмотренные крепления характерны для устройств, работающих
в лабораторных условиях.
Рис. 27. Дифракционная решетка в оправе
56
Крепление прямоугольного зеркала на фаску показано на
рис. 25.
Под фаской понимается торцевая поверхность оптической детали,
выполненная под углом 45°. Как правило, оптическая деталь с двух
сторон имеет фаски, обработанные симметрично.
Крепление зеркала может осуществляться регулируемым вклады-
шем непосредственно на уступ оправы, выполненный, как и фаска, на
оптической детали, под углом 45° (рис. 25, а). Регулировка положения
вкладыша производится винтом, а направление его перемещения
задается двумя штифтами.
Крепление может производиться жестким вкладышем также на
уступ оправы (рис. 25, б). От поперечных смещений зеркало удержи-
вается двумя лапками. Технологически этот вариант проще, ио неточ-
ность в изготовлении установочных поверхностей также может при-
вести к деформации стекла и даже к его сколам. Оправа разделена
на две части: подвижную с зеркалом и неподвижную. Покачивание
подвижной части относительно неподвижной выполняется прижим-
ным и отжимным винтами.
Значительно проще конструкция крепления зеркала с двумя
фигурными планками (рис. 25, в). Зеркало 1 установлено на два пояска
оправы 5 и зафиксировано на них двумя фигурными планками 6. Для
исключения пережимов в стекле или зазоров между зеркалом и план-
ками торцы оправы 5 должны быть точно обработаны. Другие два торца
имеют выступы, которые с одной стороны ограничивают перемещение
зеркала, а с другой - позволяют покачивать оправу 5 с зеркалом 1
относительно неподвижного основания 4. Выступы оправы связаны
осями 7 со скобой 2, которая закреплена на основании 4. Качание
выполняется винтами 3, ввернутыми в основание.
Простейший способ крепления зеркала показан на рис. 26. Зеркало
приклеено к оправе. Для получения хорошего качества зеркальной
поверхности окончательная ее обработка производится после прик-
леивания. Для зеркала, выполненного из стекла К8, рекомендуется
изготавливать оправу из сплава титана.
Схематическое изображение дифракционной решетки в оправе
представлено на рис. 27.
Крепление дифракционной решетки в юстируемой оправе (рис. 27)
выполнено прижимной планкой (в виде рамки) 7 и вкладышем 3, поло-
жение которого определяют винты 2. Внизу решетка установлена на
две пятки 9. Покачивание оправы 1 относительно основания 4 осущест-
вляется на пружинном шарнире 8 прижимным 6 и отжимным 5 вин-
тами. Основание 4 имеет вертикальное отверстие с осью, проходя-
щей через центр отражающей плоскости дифракционной решетки.
Такое отверстие используется для поворота основания при выпол-
нении юстировки. '•
57
Глава 5
КОНСТРУИРОВАНИЕ ИЗДЕЛИЙ
С ОПТИЧЕСКИМИ ДЕТАЛЯМИ
5.1.	КОНСТРУИРОВАНИЕ ОБЪЕКТИВОВ
Объектив - это оптико-механическое устройство, позволяющее
получать действительное изображение предмета. Основными характе-
ристиками объективов являются: относительное отверстие, фокусное
расстояние, угловое или линейное поле, предел разрешения и качест-
во изображения [22, с. 231]. По оптической схеме объективы подразде-
ляются на линзовые, зеркальные и зеркально-линзовые. По назначе-
нию (17, с. 150J они могут быть объективами телескопических систем
и микроскопов, а также фотографическими с переменным увеличе-
нием, проекционными, специальными.
На что необходимо обратить внимание при конструировании объек-
тивов? Как показывает опыт, снижение качества изображения, давав*
мого объективом, и ухудшение его разрешающей способности проис-
ходит из-за увеличения децентрировки линз и погрешностей в воздуш-
ных промежутках между ними (13, с. 124]. Эти нарушения основных
сборочных требований к объективу порождаются прежде всего погреш-
ностями конструкции, которая не обеспечивает необходимую точность
центрировки линз за счет неправильно выбранного способа их крепле-
ния и невозможности контроля воздушных промежутков. Подобные
погрешности объясняются недостаточным опытом и осведомленностью
конструктора об особенностях оптической схемы, которой он поль-
зуется при разработке проекта. В этом случае нужно помнить:
наиболее чувствительными к децентрировке оказываются те по-
верхности, которые вместе с предыдущими или перед которыми пре-
дыдущие поверхности имеют наибольшую оптическую силу (наимень-
шее фокусное расстояние);
наиболее чувствительными к изменению аберраций оказываются
те воздушные промежутки, сходимость лучей или оптическая сила
всех предыдущих поверхностей в которых наибольшая.
В зависимости от точности центрирования линз в оправах разли-
чают три типа конструкции объективов [7, с. 104]:
1)	объективы насыпной конструкции, у которых линзы в оправах
центрируются с наибольшей точностью относительно посадочных
поверхностей оправы и устанавливаются с наименьшим зазором в
общий корпус объектива без дополнительной юстировки;
2)	объективы со свинчивающимися оправами, линзы и оправы
которых изготавливают по калибрам и соединяют между собой
с наименьшими допустимыми зазорами; оправы с линзами соединяют
с корпусом объектива резьбовой без дополнительной юстировки;
58
3)	объективы единичных приборов, выпускаемых мелкими се-
риями, детали которых подгоняют в процессе сборки и юстировки.
Рассмотрим эти типы на вариантах конструкции одного и того же
объектива „Гелиос”. Поскольку изменения воздушных промежут-
ков в данной оптической схеме слабо влияют на изменения абер-
раций, обратим особое внимание на децентрировку линз. Она не должна
превышать сотых долей миллиметра.
На рис. 28, а показана насыпная конструкция объектива. Линзы
1, 4 и линзовые блоки 2, 3 завальцованы в оправы, которые после цент-
рировки установлены в корпус 5 в соответствии с оптической схемой
и закреплены резьбовыми кольцами. На рис. 28, б дан пример офор-
мления сборочного чертежа оправы с линзой для выполнения опера-
ций завальцовки линзы, центрирования ее с использованием метода
автоколлимации и последующей обработки оправы. Причем наруж-
ную ее поверхность с диаметром 36* мм протачивают относительно
посадочного диаметра корпуса 5 объектива с зазором около 0,01 мм.
Торцы оправы подрезают одновременно с проточкой диаметра в
соответствии с указанными на чертеже размерами.
На рис. 28, в изображена конструкция объектива с двумя опра-
вами, которые ввинчиваются с центрированием в общий корпус. В пе-
редней оправе закреплены с помощью резьбового и промежуточного
колец линза 1 и линзовый блок 2. В задней оправе таким же образом
крепятся линзовый блок 3 и линза 4. Такая конструкция при наличии
направляющих цилиндрических поясков на оправах обеспечивает
достаточно высокую точность центрирования. Для центрирования
линз в оправах используется метод наращивания, когда оправа под
линзу обрабатывается окончательно на базе уже собранного блока линз.
Этот метод допустим и оправдан только в опытном и мелкосерийном
производстве.
На рис. 28, г показана конструкция объектива с двумя оправами
/ и 7, имеющими центрирующий и резьбовой поясок для крепления
в корпус 4. В оправе 1 крепятся завальцовкой линзовый блок 3 и резь-
бовым кольцом - линза 2. В оправе 7 соответственно линзовый блок 5
и линза 6. Для центрировки также используется метод наращивания,
но за счет индивидуального крепления линзового блока. Такая конст-
рукция может быть использована в крупносерийном производстве.
В рассмотренных конструкциях можно повысить точность центри-
ровки и снизить трудоемкость сборочных работ. Для этого следует
вместо завальцовки или крепления резьбовым кольцом в окончатель-
но изготовленные оправы вклеивать линзы или блоки линз и при этом
дополнительно центрировать их в оправах в процессе затвердения
клея или герметика. Контроль центрировки производят тем же мето-
дом автоколлимации. Использование герметика для крепления и цент-
рирования линз в оправах позволяет исключить операцию их обра-
ботки на точном токарном станке высококвалифицированным спе-
циалистом. Кроме этого, можно снизить до 0,1 мм требования к цен-
трировке линз при их изготовлении без ущерба для качества изобра-
жения, даваемого объективом.
59
Рис. 28. Конструкции объективов: а - насыпная конструкция;
б — пример оформления сборочного чертежа;
в, г — конструкции с резьбовыми оправами
(позицию г рис. 28 см. на стр. 61)
60
Объективы телескопических систем. Оптические системы ОМП,
предназначенные для рассматривания удаленных от наблюдателя
предметов в увеличенном виде, принято называть телескопическими,
что означает „далековидящие”. В основу всех телескопических систем
положены схемы Кеплера и Галилея [3, с. 205].
Конструирование объективов телескопических систем отличается
рядом особенностей [17, с. 150; 22, с. 311]. Они касаются как обеспече-
ния качества изображения, так и особенностей изготовления и сборки.
Конструктивно объективы телескопических систем разделяют на
однолинзовые, одноблочные (из двух склеенных линз), многоблочные
и многолинзовые с воздушными промежутками между линзами.
К децентрировке наиболее чувствительны вторая и третья поверх-
ности (особенно опасен их взаимный перекос), а затем четвертая и пер-
вая. При этом отклонение воздушного промежутка влияет на увели-
чение аберраций в три-пять раз сильнее, чем отклонение толщины
линз. В склеенном варианте к децентрировке чувствительна вторая
и слабее - первая наружная поверхность [13, с. 124]. Все эти особен-
ности реальны только при правильной конструкции оправы объектива.
А ее можно считать правильной, если посадочное место под линзу
(торец и внутренний диаметр) обработано с требуемой точностью отно-
сительно базовой поверхности, предназначенной для крепления
объектива в корпусе прибора. Опорный торец резьбового (промежуточ-
ного) кольца должен быть обработан одновременно с нарезанием
61
Рис. 29. Объективы телескопических систем: а — фокусировка
промежуточным кольцом; о — фокусировка по резьбе
резьбы (обработкой наружного диаметра), что уменьшает перекос опти-
ческой детали при ее креплении. Опорный буртик оправы должен быть
выполнен со стороны последней поверхности объектива, а резьба -
со стороны первой его поверхности. Воздушный промежуток выдер-
живают за счет установочного кольца с разнотолщинностью в преде-
лах 0,003-0,005 мм. Для исключения влияния перекоса резьбового
кольца между ним и линзой требуется установить промежуточное
кольцо. Конструкция таких объективов показана на рис. 29.
При креплении объектива с помощью наружной гайки (рис. 29, а)
центрирующей базой являются наружный диаметр и торец оправы
объектива. Фокусировку производят изменением высоты промежуточ-
ного кольца. Вращением оправы можно улучшить центрировку. Техно-
логически такая конструкция отличается простотой изготовления
и сборки.
При непосредственном креплении объектива в корпусе (рис. 29, б)
его оправа базируется на центрировочный диаметр корпуса. За счет
этого усложняется изготовление оправы объектива. При ее вращении
возможна децентрировка объектива, а при использовании стопорных
винтов для крепления оправы в корпусе возможна и дефокусировка.
Такой способ крепления (без опорного торца) допустим только в конст-
рукции, которая позволяет компенсировать ошибки положения объек-
тива другими элементами оптической схемы, например перемещением
окуляра.
Фотографические объективы. Эта группа объективов служит для
получения изображения на различного рода светочувствительных мате-
риалах, используемых в фотографии. Работают они совместно с фото-
и киноаппаратурой [17, с. 154; 22, с. 313]. Основной особенностью этих
объективов является высокое качество изображения. Как правило,
фотографические объективы работают с изменяемой апертурной
(ирисовой диафрагмой). Это позволяет регулировать освещенность в
плоскости изображения. Ирисовую диафрагму рассчитывают в процес-
се конструирования [17, с. 163].
Для фотографических объективов необходима шкала расстоя-
ний (дистанционная шкала), показывающая расстояние от пленки до
снимаемого объекта. Она связана с механизмом фокусировки объекги-
62
Рис. 30. Объектив типа ^Гелиос»
на и при установке действительного расстояния гарантирует резкое
изображение объекта на пленке. Рассчитывают дистанционную
шкалу в процессе конструирования [17, с. 168].
На рис. 30 показан объектив широко распространенной серии
„Гелиос”. Согласно оптической схеме изменения воздушных проме-
жутков слабо влияют на изменения аберраций. Точность их выполне-
ния лежит в пределах 0,03-0,05 мм. Децентрировка первой, третьей,
пятой, восьмой и десятой поверхностей заметно влияет на качество
изображения, и биение этих поверхностей более чем на 0,01-0,02 мм не
допускается. Для выполнения этих требований используют насып-
ную конструкцию.
Центрированные оправы и ирисовая диафрагма 5 установлены
с наименьшим зазором по диаметру в оправу 1 объектива и закреп-
лены резьбовыми кольцами. В целях фокусировки оправу 1 пере-
мещают в корпус 4 объектива, который имеет центрирующий диа-
метр и винт 10у играющий роль шпонки. Перемещение осуществляют
с помощью дифференциальной резьбы [22, с. 315], которая содер-
жит резьбу с шагом Pi на корпусе 4, резьбу с шагом на оправе 1
и резьбовую втулку 2» При вращении втулки 2 с помощью рукъят-
63
ки 3 оправа перемещается относительно корпуса объектива с ша-
гом, равным сумме шагов Ру и ?2- От взаимного разворота их удер-
живает винт 10 в пазу оправы. Рукоятка 3 .может иметь шкалу рас-
стояний. Изменение диаметра диафрагмы выполняется движением
поводка 7 в прорези оправы 1 при повороте кольца 6 установоч-
ным винтом 8, закрепленным на рукоятке 9. Рукоятка представля-
ет собой гайку, вращающуюся по резьбе на корпусе < В передней
части она может иметь шкалу относительных отверстий. Для крепле-
ния в фотокамере на корпусе объектива имеется резьба. Сальники,
установленные между корпусом, оправой и резьбовой втулкой, исклю-
чают попадание влаги внутрь объектива.
Оформление сборочного чертежа оправы с оптической деталью
не отличается от оформления чертежа при завальцовке (рис. 28, б).
Конструкция объектива ЭРА-IT (F = 52,5 мм; 1:1,8; 2ы=44°) пока-
зана на рис. 31. Требования оптической схемы близки к требованиям
объектива „Гелиос”. Объектив насыпной конструкции выполнен
в одном корпусе, без механизма фокусировки, т. е. рассчитан на исполь-
зование от конечного расстояния до бесконечности. Ирисовая диаф-
рагма собрана в корпусе объектива, что усложняет сборку. Управ-
64
Рис. 32. Насадка к объективу с переменным увеличением
5 Ключникова Л. В.
65
пение диафрагмой производится через втулку с пазом для поворота
диафрагмы. Втулка закреплена на корпусе гайкой. Непосредственное
управление диафрагмой выполняется шестерней, установленной на
втулке. Байонетное крепление объектива и управление ирисовой
диафрагмой с помощью шестерни рассчитано на использование объек-
тива в передающей телевизионной камере.
Объективы переменного увеличения. Объективы переменного уве-
личения (переменного фокусного расстояния) или трансфокаторы
имеют сложную оптическую схему. При их конструировании нужно
иметь в виду, что высокое качество изображения обеспечивается жест-
кими требованиями к центрировке линз.
На рис. 32 показан объектив, фокусное расстояние которого меня-
ется от 15,4 до 60 мм. Он состоит из телескопической насадки с переме-
щающимися компонентами I, II и собственно объектива. Передний блок
телескопической насадки выполнен в едином корпусе 1. Крепление
оптических деталей в нем осуществляется резьбовыми кольцами. При
фокусировке блок перемещают вращением рукоятки 2, на которой он
закреплен. Для сохранения необходимой центрировки рукоятка кроме
резьбы должна иметь центрирующий диаметр, взаимодействующий с
соответствующим диаметром корпуса 4.
Изменение фокусного расстояния осуществляется перемещением
компонентов, имеющих различные законы движения: компонент I
имеет линейный, а И - сложный, нелинейный закон. Для перемещения
компонента I в неподвижном корпусе 4 нарезана трехзаходная винто-
вая канавка. В ней на трех шариках 14 центрирована и закреплена
оправа 3 компонента. Сепаратор 8 удерживает шарики под углом 120*
друг к другу в продольных прорезях. На сепататоре 8 закреплены
линза компонента II и палец 7. При вращении рукоятки 6 с помощью
пальца 7 выполняются два движения: перемещение компонента 1 - за
счет поворота сепаратора 8 и перемещение компонента II - за счет
скольжения сепаратора 8 вдоль оси по закону кулачка, в котором дви-
жется палец 7. Кулачок выполнен в виде паза на втулке 5, закреплен-
ной на корпусе 4 под рукояткой 6.
Конструкция оправы 3 предусматривает регулировку положения
шариков 14 и выбор зазоров, что позволяет выполнить центрировку
оптических деталей компонента при сборке и сохранить ее в процессе
работы. Сепаратор 8 центрирован на корпусе 4 с помощью двух пояс-
ков, которые обеспечивают соосность с отклонениями не более 0,02
мм. Для крепления линз компонентов использована завальцовка.
Объектив, кроме линзы 12, собран насыпным способом. Линзы центри-
руются в своих оправах и крепятся в корпусе 11 гайкой. Линза 12
завальцована на промежуточной втулке 13, закрепленной в корпусе 4.
Ирисовая диафрагма выполнена во втулке 13 и управляется с помощью
кольца 10 и рукоятки 9.
Для создания объектива телескопической системы с переменным
увеличением, изображенного на рис. 33, использован пространственный
кулачок [12, с. 237]. Оптическая схема объектива содержит четыре
66
компонента: три подвижных и один неподвижный. Для фокусировки
при наблюдении объекта компонент 1 перемещается вращением опра-
вы 2 по резьбе в корпусе 3. Для ограничения вращения оправы
на ней установлено кольцо < Компоненты 5 и 8 движутся по
определенным законам, определяющим изменение фокусного
расстояния в заданных пределах при сохранении качества изобра-
жения. Компонент 10 неподвижен. Крепление оптических дета-
лей в оправах осуществляется резьбовыми и промежуточными
кольцами. Для перемещения оптических компонентов 5 и 8 внут-
ри корпуса 3 установлен кулачок 9. Использование пространствен-
ного кулачка позволяет с необходимой точностью перемещать
компоненты пропорционально углу его поворота. С этой целью
на цилиндрической поверхности кулачка выполнены по соот-
ветствующим законам два паза, в которые установлены поводки 6
и 7 компонентов 5 и 8. Кроме того, каждый поводок выполняет
функции шпонки, скользя по пазу в корпусе 3. при вращении ку-
лачка 9 рукояткой 11 поводки вместе с оправами компонентов
перемещаются вдоль этого паза на расчетную величину. Для умень-
шения трения поводки имеют кольца 12, которые вращаются при
движении по пазу. Кулачок закреплен на корпусе 3 резьбовым коль-
5*
67
68
цом с возможностью поворота по двум центрирующим диамет-
рам. Для уменьшения продольного боя кулачка между ним и
резьбовым кольцом установлено регулировочное кольцо, за счет об-
работки которого можно ограничить продольное биение до 0,01 мм.
На рис. 34 показана конструкция телескопической насадки, рабо-
тающей с объективом бинокля (на рисунке не показан). Использование
насадки позволяет плавно менять увеличение в 3,2 раза. Оптическая
схема насадки содержит неподвижный блок линз 1 в оправе 2 и два
подвижных компонента: передний 5 в оправе 4 и задний 7 в оправе Я.
Крепление оптических деталей выполнено с помощью промежуточных
и резьбовых колец. Блок 1 неподвижен, так как система рассчитана на
работу с бесконечно удаленным предметом. Оправа 2 с блоком линз
крепится на резьбе к корпусу 3 насадки, который одновременно яв-
ляется базовой деталью для центрировки и крепления пространствен-
ного кулачка 6 и двух оправ 13 и 9 компонентов и выполняет функ-
цию их сепаратора. Для этого на корпусе .имеется продольный паз,
выполненный под шарикоподшипники 15 на опоре 14.
Кулачок 6 представляет собой цилиндр с тремя пазами, выполнен-
ными под углом 120” для каждого компонента. При этом, если компо-
нент 5 перемещается по пропорциональному закону и его пазы выпол-
нены по закону винтовой линии, то компонент 7 перемещается по
сложному закону и его пазы выполнены по рассчитанным точкам на
расточном станке. Все пазы кулачка 6 обрабатываются под шарико-
подшипники 11 на опорах 10. Допустимый зазор между шарикопод-
шипником и пазом не должен превышать 0,05 мм. Этот зазор при
сборке усредняется с помощью эксцентрика на опорах 10, при этом
шарикоподшипники катятся с упором на одну сторону паза. Переме-
щение компонентов 5 и 7 происходит при вращении кулачка 6 шестер-
ней 12, закрепленной на нем. При этом подшипники в пазах кулачка
смещают оправы с оптическими деталями в продольном направле-
нии, т. е. вдоль паза на корпусе 3 на величину, пропорциональную
углу поворота шестерни 12.
Объективы микроскопов. Представляют собой сложную оптичес-
кую систему, дающую увеличенное изображение предмета. Объектив
является основной и наиболее ответственной частью микроскопа.
Объективы микроскопов могут отличаться друг от друга оптическими
характеристиками и конструкцией в зависимости от назначения [17, с.
170; 22, с. 316; 20, с. 177].
Конструкция объективов микроскопов должна обеспечивать их
высокую взаимозаменяемость. В связи с этим при их создании необхо-
димо выполнить ряд требований:
объективы должны быть центрированы относительно посадочного
места так, чтобы при их смене изображение предмета не смещалось
больше чем на 1/3 поля зрения окуляра;
При смене объектива его рабочее расстояние должно гарантиро-
вать допустимую расфокусировку предмета за окуляром микроскопа.
69
Если принять допуск на расфокусировку равным 10 мм, то допуск на
рабочее расстояние равен ДР = 10$ мм, где р - линейное увеличение
объектива. Так, при Р = 10 ДР = 0,1 мм.
Крепление объективов к тубусу микроскопа производят с по-
мощью специальной резьбы по ГОСТ 3469- 83. Для крепления объекти-
вов, имеющих большой диаметр
М27 X 0,75.
Рис. 35. Объектив ахромат М-42 (8 X 0,20):
о — оптическая схема; б — конструкция
ет крепление оптических деталей в
дующей их центрировкой и сборкой
корпуса, применяют резьбу
Рассмотрим конструк-
тивные особенности наибо-
лее распространенных объ-
ектов микроскопов.
Объективы-ахроматы. С оп-
тической точки зрения
в объективах-ахроматах соб-
людено условие апланатиз-
ма, т. е. для точки на оси
в пределах всей аперту-
ры исправлена сфериче-
ская аберрация и выполне-
но условие синусов, а так-
же устранен хроматизм по-
ложения для двух цветов.
На рис. 35 показан объ-
ектив-ахромат М-42 (8 х оэ2О)
с фокусным расстоянием
18 мм. Для построения его
оптической схемы (рис. 35, п)
могут быть использова-
ны известные конструктив-
ные параметры (см. приложе-
ние 8). Конструкция объекти-
ва (рис. 35, б) предусматривав
оправы завальцовкой с после-
насыпным способом в единый
корпус. Для крепления оправ используется резьбовое кольцо. Рассто-
яние между линзами в оправах определяет промежуточное коль-
цо. Резьбовая часть корпуса, сопрягаемая с тубусом микроскопа, вы-
полнена в соответствии с ГОСТ 11200- 75* и ГОСТ 3469- 83.
На рис. 36 показан объектив-ахромат ОМ-41 (90 X 1,25) масляной
иммерсии с фокусным расстоянием 1,96 м. Для построения его оптичес-
кой схемы (рис. 36, а) могут быть использованы известные конструк-
тивные параметры (см. приложение 8). Конструкция объектива (рис. 36,
б) предусматривает насыпной способ сборки оправ с завальцованными
в них оптическими деталями. Объектив имеет жесткую диафрагму,
роль которой выполняет промежуточная втулка. В этих объективах
70
Рис. 36. Объектив ахромат ОМ-41 (90 X 1,25) масляной иммерсии:
а — оптическая схема; б — конструкция
Рис. 37. Объектив апохромат ОМ-15 (60 X 1,0) масляной
иммерсии: а - оптическая схема; б - конструкция
71
может быть использована и ирисовая диафрагма. Оправы с линзами
установлены в промежуточный корпус, который может перемещаться
в неподвижном корпусе под действием пружины. От разворота проме-
жуточный корпус удерживает винт, играющий роль шпонки, сколь-
зящей по пазу неподвижного корпуса. Возможность смещения проме-
жуточного корпуса исключает поломку покровного стекла и фронталь-
ной линзы при фокусировке объектива.
Объективы-апохроматы. В этих объективах практически отсутству-
ет вторичный спектр, выполнено условие синусов по меньшей мере
для двух цветов и исправлена хроматическая аберрация. Объективы
дают практически бесцветное изображение.
На рис. 37 показан объектив-апохромат ОМ-15 (60 х 1,0) масляной
иммерсии. Для построения его оптической схемы (рис. 37, а) могут
быть использованы известные конструктивные параметры (см. прило-
жение 8). Конструкция объектива (рис. 37, б) имеет ряд отличий от
вышерассмотренных. Так, для компенсации погрешностей изготовле-
ния деталей и сборки оправу второй фронтальной линзы устанавливают
с зазором 0,05-0,1 мм по отношению к внутреннему диаметру корпуса
объектива. Перемещением оправы с линзой в плоскости, перпендику-
лярной к оптической оси объектива, добиваются требуемого качества
изображения. Для перемещения оправы используют резьбовые отвер-
Рис. 38. Объектив апохромат ОМ-18 (10 х 0,30):
а — оптическая схема; б — конструкция
стия в корпусе, которые
потом заполняют герме-
тиком и закрывают кол-
пачком.
В объективе между
третьей и четвертой опти-
ческими деталями раз-
мещена ирисовая апер-
турная диафрагма, с по-
мощью которой осу-
ществляется регулиров-
ка числовой апертуры.
Управление диафрагмой
производится втулкой с
прорезью, в которую вхо-
дит палец диафрагмы,
которые ограничивают
ширину наклонных пуч-
ков, улучшая тем самым
качество изображения по
полю.
Объектив-апохромат ОМ-18 (10 X 0,30) с фокусным расстоянием
15,1 мм показан на рис. 38. Его оптическая схема (рис. 38, а) может быть
72
построена по известным конструктивным параметрам (приложе-
ние 8). Конструкция объектива (рис. 38, б) предусматривает насып-
ной способ сборки и автоколлимационный метод центрировки оправ
с завальцованными в них оптическими деталями [8, с. 171].
Рис. 39. Объектив апохромат ОМ-21 (20 х 0,65):
а — оптическая схема; б — конструкция
Подобная конструкция объектива-апохромата ОМ-21 (20 х 0,65)
с фокусным расстоянием 0,43 мм показана на рис. 39. Его оптическая
схема (рис. 39, о) может быть построена по известным конструктивным
параметрам (приложение 8). Конструкция объектива (рис. 39, б) по-
зволяет компенсировать остаточные погрешности изготовления дета-
лей и сборки за счет перемещения оправы со второй линзой.
Эпиобъективы. Они используются для работы в отраженном свете.
Конструктивно такой объектив состоит из микрообъектива и параболи-
ческого зеркала, обеспечивающего освещение предмета наклонными
пучками и наблюдение предмета в темном поле.
73
Рис. 40. Эпиобъектив ахромат (40 X 0,65): о — оптическая схема;
б — конструкция
На рис. 40 показан эпиобъектив ОЭ-1 (40X 0,65) с фокусным рас-
стоянием 6,3 мм. Его оптическая схема (рис. 40, а) может быть постро-
ена по известным конструктивным параметрам (приложение 8).
Конструкция эпиобъектива (рис. 40, б) имеет корпус 1 в который
на резьбе крепятся втулка 2 с ребрами и параболическое зеркало 4.
Внутренний диаметр втулки 2 предназначен для установки собственно
микрообъектива 3. Свет от осветителя, расположенного над объек-
тивом, проходит между ребер втулки 2, попадает на параболичес-
кую поверхность и, отразившись от нее, освещает объект. Для крепле-
ния объектива к тубусу микроскопа используется резьба М27 х 0,75.
Проекционные объективы. В бытовой фотографии в качестве про-
екционных объективов используют фотообъективы упрощенного
исполнения, т. е. в жестком корпусе.
Объектив проекционной установки с кадром 300 х 300 мм показан
на рис. 41. Его конструкция обеспечивает автоматическое управление
механизмами фокусировки и ирисовой диафрагмой. Оптическая схема
объектива представляет собой симметрично расположенные два блока
линз в оправах 2 и 8. Линзы 4 и 15 завальцованы в отдельные оправы.
Линзы 1,3, 12 и 14 закреплены в оправах резьбовыми и промежуточ-
ными кольцами. Ирисовая диафрагма 6 установлена в оправу 2 непод-
вижно. Оба блока крепятся на резьбе в корпусе 5 объектива, который
перемещается в основании 11 при вращении гайки 7. Управление гай-
кой 7 осуществляется с помощью привода 5, содержащего двигатель
10 и две пары зубчатых прямозубых шестерен редуктора. Двигатель
автоматически выключается в крайних положениях корпуса 5 с по-
мощью привода 9, содержащего двигатель 10 и две пары зубчатых
прямозубых шестерен редуктора. Двигатель автоматически выклю-
чается в крайних положениях корпуса 5 с помощью ползуна-шпонки 13,
удерживающей его от разворота и замыкающей соответствующий кон-
цевой выключатель. Управление диафрагмой производится с помощью
шестерни 16, выполненной в виде втулки, поворачивающей поводок
диафрагмы приводом 17. Привод установлен на неподвижной оправе 11.
74
Рис. 41. Проекционный объектив
2

Специальные объективы. Объективы,
созданные не по типовым требованиям,
называются специальными. К ним относится,
например, объектив, рассчитанный не для
видимой области спектра. Его конструкция
показана на рис. 42. Рабочая длина волны
объектива 1,06 мкм. Это снижает требо-
вания к конструкции в отношении центри-
ровки линз и размеров их воздушных про-
межутков. В связи с тем что объектив
изготовления контролируется
в видимой области спектра, его оптическая
схема рассчитывается относительно линии
Д спектра. Конструкция объектива проста.
Линзы 1-3 крепятся установочными, про-
межуточными и резьбовыми кольцами.
Линза 3 имеет промежуточную оправу,
которая одновременно выполняет функции
установочного кольца между линзами 2
и 3. Все оптические детали крепятся в общий
корпус 4, имеющий центрировочный диаметр
Рис. 42. Объектив специальный и фланец для крепления объектива.
____в процессе
5.2.	КОНСТРУИРОВАНИЕ ОКУЛЯРОВ
Окуляром называется оптическая сборочная единица, служащая
для рассматривания изображения, создаваемого объективом. По
своему назначению и оптическим характеристикам [17, с. 136;
22, с. 320] окуляры разделяют на окуляры телескопических систем,
микроскопов, а также автоколлимационные.
При конструировании окуляров необходимо знать, что точность
установки их оптических деталей значительно ниже, чем у объекти-
вов. Для получения нужной соосности достаточно допусками связать
посадочные диаметры и опорные торцы внутренней части оправы
между собой и с элементами крепления к корпусу прибора. Для пере-
мещения окуляра используют специальную многозаходовую
резьбу (ГОСТ 5359-77*). Винт окулярной резьбы представляет собой
оправу окуляра, а гайка - резьбовую втулку, закрепленную на кор-
пусе прибора.
Окуляр всегда работает совместно с глазом наблюдателя. Поэтому
при конструировании необходимо помнить, что для наблюдателя,
страдающего близорукостью или дальнозоркостью, т. е. для резкого
видения изображения, требуется смещать фокальную плоскость
окуляра в ту или иную сторону относительно плоскости изображе-
ния. Это смещение (в мм), соответствующее аметропии глаза, опре-
деляется по формуле (3.19). Как правило, окуляры рассчитываются
76
на смещение, соответствующее (4-5) дптр. Расчет окулярной резьбы
и диоптрийной шкалы перемещения окуляра выполняют при выпуске
рабочей документации [17, с. 141].
Для удобства продолжительного наблюдения глаз наблюдателя
необходимо фиксировать относительно окуляра. С этой целью исполь-
зуют наглазники и налобники [22, с. 347].
Окуляры телескопических систем. Обеспечивают рассматрива-
ние изображения, создаваемого объективом, и сетки, расположенной
в плоскости изображения (только для схемы Кеплера).
Конструктивно окуляры могут иметь внешнюю и внутреннюю
фокусировку. Наружная фокусировка предусматривает перемещение
всего окуряра с выходным зрачком. При этом возможны конструкции
с вращением окуляра и без вращения (только с перемещением). При
вращении окуляра с внешней фокусировкой выходной зрачок вра-
щается и перемещается. Это усложняет фиксацию глаза наблюдателя.
В такой конструкции могут использоваться только круглые наглаз-
ники. При внутренней фокусировке выходной зрачок окуляра непод-
вижен, что позволяет надежно фиксировать глаз наблюдателя, исполь-
зуя любые наглазники и налобники.
Выше была рассмотрена конструкция симметричного окуляра
с внешней фокусировкой (см. рис. 11). Для нее характерно совмещение
рукоятки, закрепленной на оправе окуляра, с круглым наглазником.
На рис. 43 поэлементно изображен окуляр Кельнера с внешней
фокусировкой. Он содержит переднюю линзу 2 и глазной блок
линз 6 (рис. 43, в). Их взаимное расположение должно соответство-
вать оптической схеме.
Конструирование окуляра начинают с изображения оптической
схемы (рис. 43, а). Действительный диаметр линз D[ выбирают по их
световому диаметру в соответствии с ОСТ 3-490-71 и ГОСТ 6636- 69*.
Затем определяют способ крепления линз и решают задачу перемеще-
ния окуляра на расчетную величину (рис 43, б). Окончательно кон-
струкция обеспечивает крепление оптических деталей, перемещение
окуляра и фиксацию глаза наблюдателя с помощью наглазника
(рис. 43, в).
В изображенной конструкции блок линз 6 крепится способом
завальцовки в промежуточную оправу 5. Крепление передней лин-
зы 2 в оправе 3 осуществлено промежуточным и резьбовым кольцом.
Перемещение окуляра выполняется с помощью окулярной резьбы
на оправе 3 и неподвижной втулке 1. Для удобства вращения на опра-
ве 3 закреплена рукоятка 4 с наглазником 7. Неподвижная втулка
1 и рукоятка 4 могут иметь диоптрийную шкалу для предварительной
установки окуляра. Недостатком такой конструкции является переме-
щение выходного зрачка вместе с наглазником. Для устранения этого
недостатка применяют окуляры с внутренней фокусировкой [17, с. 140].
На рис. 44 показан окуляр с внутренней фокусировкой (F = 24,5 мм;
1:4; 2 Р = 56е).
77
Рис. 43. Окуляр Кельнера: а - оптическая схема; б - подвижный
оптический блок; в - конструкция окуляра
Конструкция окуляра выполнена в неподвижном корпусе, состоя-
щем из оправы 1 и втулки 4, соединенных винтами. Между ними рас-
полагается гайка 2, которая управляет перемещением центральной
оправы 3, несущей оптические детали. Подвижные линзы окуляра
78
Рис. 44. Окуляр с внутренней фокусировкой
установлены в оправу 3 насыпным способом и закреплены резьбовым
кольцом. Первая линза окуляра завальцована в оправе и установ-
лена в неподвижном корпусе /. Глазная линза также имеет отдельную
оправу 5, которая по резьбе соединяется с втулкой 4. На цилиндричес-
кий поясок втулки одевается несимметричный наглазник 6. Оправа
3 имеет два направляющих цилиндрических пояска, которыми она
скользит по внутреннему диаметру корпуса I, и три резьбовых высту-
па, расположенных под углом 120° друг к другу. Выступы перемещают-
ся в трех пазах корпуса 1 при вращении гайки 2. Гайка-рукоятка 2
установлена с возможностью вращения по сцентрированным напра-
вляющим корпуса 1 и втулки 4. Окуляр к прибору крепится при по-
мощи резьбы на корпусе /.
Окуляры микроскопов. Конструкции окуляров микроскопов [20,
с. 227] просты и, как правило, не имеют устройств для фокусировки.
Исключение составляет измерительный окуляр. Установка окуляра
в микроскоп осуществляется с помощью специально тубуса, имеющего
посадочный диаметр, равный 23, 2Н11 мм. Диаметр корпуса окуляра
стандартизован и равен 23 f9 мм. Фиксация окуляра в осевом направ-
лении производится с помощью опорного буртика на оправе глазной
линзы или на корпусе окуляра [20, с. 278; 22, с. 327].
В зависимости от оптических свойств окуляры разделяют на оку-
ляры Гюйгенса, Кельнера, компенсационные, ортоекопические, сим-
метричные, специальные и отрицательные (гомалы). Рассмотрим наи-
более характерные из них.
Окуляры Гюйгенса. Они состоят из двух двояковыпуклых линз -
коллективной и глазной, обращенных выпуклыми поверхностями к
объективу. Передний фокус окуляра Гюйгенса расположен между лин-
зами, что позволяет устанавливать в его оптической схеме сетку
и использовать окуляр как измерительный. Оптические схемы пяти
окуляров можно построить по известным конструктивным парамет-
рам (см. приложение 9). Окуляры Гюйгенса используются в сочета-
нии с объективами-ахроматами.
79
Рис. 45. Окуляры микроскопов: а — окуляр Гюйгенса без шкалы; б - окуляр Гюйгенса
со шкалой; в - окуляр Кельнера; г — симметричный окуляр; д - окуляр ортоскопический
На рис. 45, а показана конструкция окуляра Гюйгенса без сет-
ки. Коллективная линза крепится резьбовым кольцом, а глазная -
завальцовкой. Оправы линз на резьбе установлены в корпус, наруж-
ный диаметр которого используется в качестве посадочного диаметра
для крепления окуляра в тубус микроскопа. Такую конструкцию
имеют окуляры AM-6, AM-31, М-7, М-10 и М-11.
Окуляр с сеткой (АМ-8) показан на рис. 47, б. В отличие от преды-
дущей конструкции в оправе коллективной линзы резьбовым кольцом
закреплена сетка. А оправа глазной линзы представляет собой втулку
с наружной окулярной резьбой, обеспечивающей диоптрийное переме-
щение окуляра.
Окуляры компенсационные. Оптическая схема этих окуляров
подобна окулярам Гюйгенса, только вместо одиночной и глазной линз
используется линзовый блок в виде двух склеенных линз. Компен-
сационные окуляры также могут иметь сетку и использоваться в ка-
80
честве измерительных. Их конструкции ничем не отличаются от выше-
рассмотренных (рис. 45, а, б). Оптическая схема окуляра AM-13 может
быть построена по известным конструктивным параметрам (см. при-
ложение 9). Рассматриваемые окуляры используются с объективами-
апохроматами и объективами-ахроматами больших увеличений.
Окуляры Кельнера. Оптическая схема этих окуляров включает
в себя коллективную линзу и глазной линзовый блок, состоящий из
двух склеенных линз. Диафрагма поля зрения находится в передней
фокальной плоскости окуляра, которая расположена впереди коллек-
тивной линзы на расстоянии примерно 0,3 /ок. Оптическую схему
окуляра АТ-18 можно построить по известным конструктивным пара-
метрам (см. приложение 9).
Конструкция окуляра (рис. 45, в) содержит корпус с наружным
диаметром, изготовленным под тубус микроскопа. К корпусу на
резьбе крепятся оправы с оптическими деталями. Оправа с глазными
линзами фиксируется на промежуточной втулке, которая, с одной сто-
роны, позволяет устанавливать необходимый воздушный промежуток
между второй и третьей оптическими поверхностями, а с другой -
является упором при установке окуляра в тубус микроскопа.
Окуляры Кельнера применяют в бинокулярных стереоскопичес-
ких микроскопах с внутренним диаметром посадочного отверстия
30 мм.
Симметричные окуляры. Оптическая схема симметричных окуля-
ров имеет два одинаковых симметрично расположенных оптических
блока, склеенных из двух линз. Удаление выходного зрачка больше,
чем в окуляре Кельнера. Значителен и передний фокальный отрезок -
SF = Sf= 0,75 /о'к. Это создает большое удобство наблюдения с этими
окулярами при их малых фокусных расстояниях. Оптическую схему
окуляра АТ-36 можно построить по известным конструктивным пара-
метрам (см. приложение 9).
Конструкция симметричного измерительного окуляра АТ-38 пока-
зана на рис. 45, г. В общем корпусе установлены на резьбе собственно
окуляр (АТ-36) и оправа с сеткой, которая закреплена в ней резьбо-
вым кольцом.
Окуляры ортоскопические. Оптическая схема окуляра АМ-18
может быть построена по известным конструктивным параметрам
(приложение 9).
Ортоскопические окуляры используют с объективами-ахроматами
в тех случаях, когда желательно иметь большое окулярное увеличе-
ние и угловое поле зрения до 50’. Передний фокус у этих окуляров
расположен перед передней линзой.
На рис. 45, д показана конструкция окуляра АМ-18. В общем кор-
пусе крепятся на резьбе собственно окуляр и на трении - диаф-
рагма. Линзы окуляра закреплены с помощью резьбового и промежу-
точного колец.
Автоколлимационные окуляры. Отличаются от вышерассмот-
ренных наличием источника света, светоделителя и сеток [17, с. 140].
6 Ключникове Л. В.
81
Рис. 46. Автоколлимационный окуляр со светоделительной пластиной
Ч 3 2 1	11
Рис. 47. Автоколлимационный окуляр с призмой-куб
82
Их конструкция должна обеспечить удовлетворительную видимость
автоколлимационного изображения светящегося или темного штриха
сетки [17, с. 143; 22, с. 25].
На рис. 46 показан автоколлимационный окуляр, выполненный
по схеме Гаусса. В качестве светоделителя использована полупрозрач-
ная пластинка 4, установленная под углом 45° к оптической оси окуля-
ра. Свет от источника (на рисунке не показан) попадает на пластинку
4 и, частично отразившись, освещает шкалу 3 с перекрестием. Ее
автоколлимационное изображение фокусируется объективом в плос-
кость сетки 3 и рассматривается окуляром 8. Конструкция окуляра
проста- В корпусе 1 с одной стороны крепится стопорным винтом
втулка 2 с сеткой 3 и светоделительной пластиной 4, а с другой - втул-
ка 5 с окулярной резьбой, в которую ввернут окуляр 8. Крепление
сетки 3 выполнено резьбовым кольцом. Пластинка 4 фиксируется в
корпусе 1 двумя промежуточными втулками со скосами под углом 45°
и резьбовым кольцом. Для крепления линз окуляра 8 используют
способ завальцовки. Вращение окуляра выполняется рукояткой 7
со шкалой 6, закрепленной на окуляре вместе с наглазником 9.
На рис. 47 рассмотрена конструкция автоколлимационного оку-
ляра, использующего в качестве светоделителя призму-куб.
Конструкция содержит источник света в патроне 13, конденсор
в оправе 9, две сетки осветителя (подвижную 8 и неподвижную 7),
призму-куб 5 и окуляр 17 с сеткой в оправе 15. На корпусе 4 кре-
пятся все элементы конструкции: сетки 7 и 8> основание осветителя
10 с втулкой 11, резьбовая втулка 16 с окуляром 17 и оправа 15 с сет-
кой. Перемещение ползуна 1 с сеткой 8 осуществляется в направляю-
щих типа „ласточкин хвост” с помощью винта 3 и пружин 2. Патрон
13 с оправой 12 установлен с возможностью продольного перемещения
во втулке 11с хомутом. Втулка 11 на основании 10 имеет поперечное
перемещение с помощью винтов 14. Конструкция окуляра - типовая
с диоптрийной наводкой на фокальную плоскость. Крепление призмы-
куб 5 с резьбовым кольцом 6 не исключает возможность пережимов
стекла в углах призмы.
5.3.	КОНСТРУИРОВАНИЕ ОСВЕТИТЕЛЕЙ С КОНДЕНСОРАМИ
Конструкция осветителя зависит от используемого источника
света и оптической схемы конденсора [22, с. 584]. Конденсор (коллек-
тор в микроскопе) располагают у источника света на расстоянии
от него (см. рис. 2, в). Основное назначение конденсора заключается
в передаче изображения нити лампы в увеличенном масштабе, как
правило, в плоскость входного зрачка объектива (в плоскость апер-
турной диафрагмы конденсора микроскопа).
В процессе конструирования любого осветителя необходимо учи-
тывать допустимое положение лампы относительно конденсора; вели-
чину и направление юстировочных перемещений лампы; необходимость
6*
83
охлаждения осветителя и конденсора; срок службы лампы и удобство
ее замены; возможность использования стандартизованного патрона.
Решение этих вопросов реализуется по-разному в каждой конст-
рукции. Вентиляция (охлаждение воздухом) может быть естествен-
ная или принудительная. Естественная вентиляция требует орга-
низации хода воздуха снизу вверх. Для принудительной венти-
ляции, которую чаще всего применяют при высоких температурах
нагрева, необходимо использование жидких и газообразных средств.
При ее конструировании требуется создать такую систему каналов,
которая бы обеспечивала равномерный теплообмен с необходимым
постоянством заданной температуры.
84
в)
J 2 1
Рис. 48. Приборные осветители: а — микроосветитель;
б — осветитель с покачиванием лампы; в — осветитель
с перемещением лампы
Положение нити лампы относительно патрона имеет большой раз-
брос, указанный в паспорте любого источника света. Поэтому замена
лампы связана с ее юстировкой относительно конденсора. При кон-
струировании осветителя необходимо предусмотреть юстировочные
перемещения патрона лампы вдоль оптической оси и поперек ее
в двух направлениях. Иногда линейные перемещения целесообразно
заменить поворотом и покачиванием. Одновременно решают вопрос
крепления рефлектора. При установке осветителя в прибор нужно
иметь в виду, что осветитель может представлять единое целое с при-
бором или может быть закреплен на вспомогательной базе.
На рис. 48, а изображен осветитель с малой лампой и кондесором.
Лампа 4 установлена в шаровой шарнир, состоящий из шаровой втул-
ки 3 и двух резьбовых опор 2, закрепленных в корпусе /. Конденсор
осветителя состоит из двух линз, завальцованных в оправу 5 и втул-
ку 6. Конденсор может перемешаться в корпусе I при скольжении
в нем оправы 5. Перемещение осуществляется поводком 7, который
скользит в винтовом пазу корпуса I. Корпус имеет посадочный диа-
метр для установки и крепления осветителя в приборе.
Конструкция осветителя с лампой РН8-20 показана на рис. 48, б.
Лампа с патроном установлена во втулке S, которая может переме-
85
щаться в оправе 7 и фиксировать-
ся в ней винтом 6. Оправа 7 за-
креплена шайбой 2 на плоской
мембране 3 с отверстиями для
вентиляции. По наружному диа-
метру мембрана 3 закреплена на
корпусе 1 крышкой 5 и резьбо-
вым кольцом 4. В крышку ввер-
нуты три винта 9, расположенные
под углом 120е друг к другу. Они,
упираясь в шайбу 2, наклоняют
лампу при ее установке. Конден-
сор, неподвижно установленный
в корпусе, состоит из двух линз,
завальцованных в оправу 11 и
втулку 12. В горизонтальном поло-
жении осветитель хорошо вентили-
руется за счет отверстий в цилинд-
рической части шайбы 2, корпу-
се 1 и кожухе 10. Наружной
резьбой на корпусе осветитель
крепится к прибору.
Та же лампа используется
в осветителе, показанном на
рис. 48, в. Лампа со стандартным
патроном удерживается во втул-
ке 6 на трении. Втулка вместе
с шайбой 4 перемещается винта-
ми 5 в оправе 2 с крышкой 3. Оп-
рава закреплена на корпусе 1 ос-
ветителя, с противоположной
стороны которого расположена
оправа 9 конденсора. Для венти-
ляции корпус имеет отверстия,
закрытые кожухом. Конденсор
осветителя состоит из двух линз,
закрепленных во втулке 7 с по-
мощью завальцовки и резьбо-
вого кольца. Втулка 7 переме-
щается в оправе 9 при повороте
поводка 8. На оси 12 оправы 9
установлены светофильтры в оправах 10. Угол их поворота определяют
шайбы 11. К прибору осветитель крепится с помощью резьбы на ци-
линдрической части корпуса.
Охлаждение осветителя может производиться за счет увеличения
площади его наружного корпуса, что обеспечивает необходимый теп-
лосъем окружающим воздухом. Такие осветители с типовым
86
Рис. 49. Сменные осветители: fl - с лампой типа РН8; б - с лампой типа КГМ 9-70

87
Рис. 50. Осветитель проекционной системы: а — оптическая схема; б — конструкция
88
конденсором из кварцевого стекла показаны на рис. 49. Для центри-
ровки и фокусировки нити лампы относительно неподвижного кон-
денсора в осветителе лампа может перемещаться в поперечном и про-
дольном направлениях. Взаимозаменяемость осветителей при их уста-
новке в прибор обеспечивается конусной проточкой и упорным бурти-
ком на корпусе.
Сменный осветитель с лампой типа РН8-20 (рис. 49, о) собран в кор-
пусе 6. Для увеличения площади контакта наружной поверхности кор-,
пуса с воздухом он имеет радиальные выступы на цилиндрической по-
верхности. С одной стороны на корпусе крепится с возможностью попе-
речного перемещения шайба 3 с втулкой 5. Во втулку 5 на трении уста-
новлен стандартизованный патрон 1 с лампой. Перемещение шайбы 3
осуществляется двумя винтами 10 и пружинным упором 4, которые
расположены под углом 120* друг к другу на корпусе 6. За счет их дав-
ления в шлицы шайбы 3, выполненные под углом 60° к основанию кор-
пуса, шайба фиксируется на плоскости основания. Выпадение шайбы
исключает кольцо 2. С другой стороны на корпусе крепится конденсор
7, для чего используются пружинное кольцо 8 и резьбовое кольцо 9.
Осветитель с лампой КГМ9-70 (рис. 49, б) конструктивно аналоги-
чен предыдущему. Все крепится на корпусе 5, который имеет радиаль-
ные и прямые выступы для увеличения площади теплоотдачи. Шай-
ба 2 с втулкой 4 перемещается под действием винтов 6 и пружинного
упора 3 в корпусе 5 с кольцом 12. Стандартизованный патрон 1
с лампой удерживается на трении во втулке 4. Конденсор 7 закреплен
в оправе 8 пружинным кольцом 10 и резьбовым кольцом 9. Оправа
устанавливается в корпусе 5 и является средством для крепления ос-
ветителя к прибору с помощью конусообразной проточки и упорного
буртика. В оправе 8 пружинным кольцом закреплен светофильтр 11.
Осветитель проекционной системы, показанный на рис. 50, рассчи-
тан на использование лампы КГМ9-70. Оптическая схема осветителя
(рис. 50, а) содержит двухлинзовый конденсор с Г = -7,8х и числовой
апертурой 0,5. Ее можно построить по известным конструктивным
параметрам (см. приложение 12). Конденсор проектирует нить лампы
во входной зрачок объектива. Для уменьшения нагрева негатива,
расположенного в плоскости предмета проекционной системы, исполь-
зуют два нейтральных фильтра. Конструкция осветителя рассчитана
на искусственную вентиляцию внутри прибора. Осветитель соб-
ран (рис. 50, б) в корпусе 4, который выполнен в виде втулки с ребрами
и фланцем для его крепления на приборе. Патрон 6 с лампой переме-
щается и фиксируется двумя винтами 8 и пружинным упором 7.
Для уменьшения нагрева корпуса 4 его внутренняя поверхность
полируется, а за счет диафрагмы 5 с полированной сферической поверх-
ностью часть лучевой энергии выводится вверх. Кроме этого, в кор-
пусе 4 в зоне крепления линз конденсора металл выбран до трех усту-
пов, расположенных под утлом 120* друг к другу. Линзы крепятся
резьбовыми кольцами. При этом нижнее резьбовое кольцо 3 выпол-
нено в виде оправы для светофильтра 2. Светофильтр 1 крепится
в оправе 9 с прорезями. Обе оправы изготовлены из титанового сплава.
Для крепления в них светофильтров используют способ завальцовки.
89
5.4.	КОНСТРУИРОВАНИЕ ЗРИТЕЛЬНЫХ ТРУБ,
МИКРОСКОПОВ И ОПТИЧЕСКИХ ПРИСПОСОБЛЕНИЙ
10 11
Зрительные трубы
относятся к телескопичес-
ким приборам [3, с. 205]
и предназначены для ви-
зуального наблюдения
удаленных предметов.
Если наблюдение ведет-
ся двумя глазами, то
такие телескопические
приборы называются би-
нокулярными, например
бинокль, если одним гла-
зом, то монокулярами.
Как правило, они имеют
призменную оборачива-
ющую систему. Простей-
шие монокуляры или зри-
тельные трубы состоят
из объектива и окуля-
ра. Чтобы параллельные
лучи света в простран-
стве предметов были па-
раллельными и в про-
странстве изображений,
задний фокус объектива
совмещен с передним
фокусом окуляра, т. е.
оптический интервал Д
равен нулю и фокусное
растояние Гэ'кв равно
бесконечности. Поэтому
телескопическую систему
называют афокальной.
Наиболее характерная
из них - система Кепле-
ра, имеющая положитель-
ное фокусное расстояние
окуляра. При рассмот-
рении конструкций зри-
тельных труб уделим осо-
бое внимание точности
взаимного положения объ-
ектива и окуляра.
90
Рассмотрим конструк-
цию зеркально-линзовой
зрительной трубы для
теодолита (рис. 51). Ее
оптическая схема содер-
жит зеркально-линзовый
объектив, фокусирующий
компонент 7, сетку 8 и
окуляр 10. Объектив со-
держит телепозитив, со-
стоящий из переднего ме-
ниска 2 и второго зерка-
ла 5, и теленегатив - две
линзы 4. Мениск на вто-
рой поверхности имеет
центральную зону со сво-
ей расчетной кривизной
и зеркальным покрытием.
Со стороны первой по-
верхности эта зона по-
крыта защитным лаком.
Особо высокие требова-
ния предъявляются к
конструкции крепления
зеркал объектива в час-
ти их центрировки, воз-
душного промежутка и
исключения пережимов в
материале оптических де-
талей. Кроме этого, при
использовании зеркал с
внутренним покрытием
необходимо найти сред-
ства, исключающие влия-
ние рассеянного света в
стекле на качество и кон-
траст изображения.
Точную центровку
объектива обеспечивают,
используя насыпной ме-
тод его сборки. Все опти-
ческие детали закреп-
ляют в свои оправы, кото-
рые центрируют методом
автоколлимации. Опра-
вы устанавливают в кор-
пусе 1 с зазором по диа-
метру не более 0,01 мм и
Рис. 52. Монокуляр
91
крепят резьбовым кольцом. Воздушный промежуток между зеркалами
определяется набором диафрагм 3. Это не совсем удачное решение.
Технологичней использовать сплошное промежуточное кольцо, кото-
рое легче подгонять до нужной длины. Диафрагмы же размещают в нем
тем же способом, они удерживаются за счет трения. Оба зеркала уста-
навливают в оправы из титанового сплава и крепят в них с помощью
пружинного и резьбового колец. При этом резьбовое кольцо постав-
лено на упор, что позволяет использовать пружинное кольцо с наи-
большей эффективностью, т.е. дозировать усилие крепления зеркала
и компенсировать деформации деталей при изменении температуры.
Рекомендуется пружинное кольцо ставить к зеркалу тремя высту-
пами, расположенными под углом 120° друг к другу.
Для исключения влияния рассеянного света кроме набора жестких
диафрагм используют канавки на ободе зеркала, заполненные гермети-
ком, или покрытые черным лаком.
Перемещение фокусирующего компонента 7 для наблюдения пред-
мета от двух метров до бесконечности выполнено аналогично кон-
струкции объектива, показанного на рис. 32. При вращении рукоятки 6
с тремя винтовыми канавками шарики 13 вместе с оправой 14 переме-
щаются вдоль оси по направлению трех пазов на корпусе I, выполняю-
щих роль пазов сепаратора.
Сетка 8 завальцована в юстируемой четырьмя винтами оправе 9.
Для выборки возможных зазоров между оправой и корпусом исполь-
зована тарельчатая пружина. Винты сетки закрыты декоративным
колпачком 12. Его продолжением служит колпачок окуляра 11. Смена
окуляров позволяет получит ряд увеличений зрительной трубы (30 х,
40 х и 50 х).
Рассмотрим монокуляр с переменным увеличением и призменной
оборачивающей системой (рис. 52). Он имеет увеличение 6х- 15 х, угло-
вое поле зрения 3,2 - 8°, диаметр выходного зрачка 6-2,4 мм и удале-
ние выходного зрачка 12 мм. Монокуляр используют как наблюдатель-
ный прибор. Его оптическая схема содержит двухлинзовый объектив
(/*'= 138 мм, 1:3,8), призменную оборачивающую систему Пк=О [22,
с. 190] и панкратический окуляр (/*' = 9,2 а- 23,0; Sf = 15,4 + 2,2;
5/=8,6-7,4).
Окуляр включает два подвижных компонента: передний отрица-
тельный и положительный, состоящий из двух линз. Отрицательный
компонент имеет сложный закон движения. Положительный компо-
нент перемещается по линейному закону. Неподвижным компонентом
является глазной блок линз. Это позволяет фиксировать глаз наблюда-
теля при плавном изменении увеличения.
Каждый компонент оптической схемы закреплен в свою оправу.
Все оправы центрированы в корпусе 4 и закреплены в нем непод-
вижно или с возможностью перемещения вдоль оптической оси моно-
куляра.
Объектив закреплен в оправе 3 промежуточным и резьбовым коль-
цами. Центрировку собранного объектива и обработку посадочного
92
диаметра и торца оправы выполняют известным способом с учетом
размера посадочного диаметра в корпусе 4. Допустимый зазор между
ними не должен превышать 0,01 мм. С помощью накидной гайки 1
объектив крепится к корпусу 4. При этом установочное кольцо 2 по-
зволяет в процессе сборки выполнить требования оптической схемы
без дополнительной обработки оправы 3.
Оборачивающая система Пк=О, состоящая из двух призм, собрана
на основании 8, имеющем центрирующий диаметр для установки его
в корпус 4. Призмы к основанию крепятся известным способом [22,
с. 293]. В процессе сборки призмы должны быть центрированы относи-
тельно посадочного диаметра основания 8. Воздушный промежуток
между призмами (0,6 мм) обеспечивается прокладками, расположен-
ными вне световой зоны. Основание 8 с блоком призм установлено
в корпус 4 и закреплено в нем вместе с диафрагмой 6 и стаканом 7 гай-
кой 5.
Конструкция панкратического окуляра близка к конструкции
объектива, показанного на рис. 32. В соответствии с законами движения
компонентов как функции от угла поворота рукоятки 11 корпус 4
в окулярной части имеет паз и трехзаходную резьбу с рассчитанным
шагом. В паз установлен поводок 10, закрепленный на оправе-сепа-
раторе 9 с отрицательным компонентом. Трехзаходная резьба и пазы
на оправе-сепараторе, расположенные под углом 120° друг к другу,
определяют положение трех шариков 21, на которых установлена
оправа 22 положительного компонента. Для выборки зазора в соеди-
нении оправа имеет гайку 20 с шайбой, при вращении которой сжима-
ются пазы, выполненные под углом 120° по типу пазов пружинного
кольца [22, с. 273]. Поводок 10 входит в паз рукоятки 11. Таким обра-
зом, при вращении рукоятки поводок поворачивает и перемещает
оправу-сепаратор 9 с отрицательным компонентом, а она, в свою
очередь, разворачивая шарики, заставляет перемещаться оправу 22-
Рукоятка от смещений удерживается кольцом 12, закрепленным на
корпусе 4 стопорным винтом. Кольцо и рукоятка могут иметь индекс
и шкалу увеличений.
Глазной блок линз удерживается в оправе 17 промежуточным
и резьбовым кольцами. На ней же крепится наглазник 16. Оправа 17
имеет окулярную резьбу, с помощью которой перемещается при
вращении в гайке 14, установленной на корпусе 4 с использованием
промежуточной втулки 13, винтов 19 и 23. Поворот оправы произ-
водится с помощью барабана 15, который закреплен на ней тремя
стопорными винтами 18. Втулка 13 и кожух 15 имеют индекс и ди-
оптрийную шкалу. Рассмотренный монокуляр может служить основой
для создания бинокулярной телескопической системы.
Окулярная трубка, показанная на рис. 53, позволяет в сочета-
нии с объективом (см. рис. 9, б) рассматривать изображение проек-
ционной системы. Ее оптическая схема (рис. 53, а) содержит свето-
делительный кубик, ахроматическую линзу и окуляр. Схему можно
построить по известным конструктивным параметрам (приложение И).
93
Рис. 53. Окулярная трубка: а - оптическая схема; б - конструкция
Рис. 54. Отсчетный микроскоп
94
Конструкция окулярной трубки (рис. 53, б) связывает все оптичес-
кие элементы в оправе 7. Светоделительный кубик 2 крепится
к ней шайбой 1 и двумя стойками. Внутри оправы 7 на резьбе и цен-
трирующем диаметре установлены ахроматическая линза 5 и кор-
пус окуляра 9. Для крепления линзы используются промежуточные
и резьбовые кольца. Корпус окуляра 9 представляет собой гайку
с окулярной резьбой, в которой при ее вращении перемещается
резьбовая втулка 10. В ней промежуточным и резьбовым кольцами
закреплены линзовый блок 11 и линза 14, завальцованные в соб-
ственные оправы, и линзы 12 и 13. Для центрировки окулярной труб-
ки относительно проекционной системы используется шайба 4.
Предварительную установку ахроматической линзы 5 в оправе 7
выполняют подбором колец 3 и 6. Окончательное совмещение изоб-
ражения объектива с диафрагмой окуляра, установленной в его фо-
кальной плоскости (диаметр 17,4 мм), производят подрезкой кольца 8.
С оправой окуляра неподвижно соединяются барабанчик 15 и наглаз-
ник 16.
Конструкция отсчетного микроскопа с постоянным увеличением
показана на рис. 54 [3, с. 284]. Микроскоп собран в корпусе 5. Объектив
содержит передний блок, закрепленный с помощью резьбового кольца
1 в оправе 2, и линзу, завальцованную во втулке 7. Втулка крепится
на резьбе в оправе 2. Между ними на трении установлена диаф-
рагма 3. Объектив выполнен в виде самостоятельной сборочной еди-
ницы. За объективом в корпусе 5 расположена и закреплена резь-
бовым кольцом 6 оправа 8 с завальцованной в ней сеткой. Регули-
ровочное кольцо 9 позволяет установить сетку в нужное положение.
Окуляр собран в корпусе 11 с наружной окулярной резьбой. Креп-
ление оптических деталей выполнено резьбовым и промежуточным
кольцами. Гайка 10 служит ограничителем вращения окуляра
в резьбовой втулке 12, закрепленной на корпусе 5. Окуляр имеет
жесткий наглазник 14, изготовленный заодно с рукояткой, которая
имеет диоптрийную шкалу. Как и объектив, окуляр выполнен
в виде самостоятельной сборочной единицы. Корпус микроскопа 5
установлен во втулку 4 и закреплен гайкой 13. Втулка 4 имеет штрих
нуля отсчета шкалы окуляра.
При конструировании автоколлиматоров [3, с. 298] необходимо
выполнять все требования, предъявляемые к зрительным трубам,
рассчитанным по схеме Кеплера, к осветителям с конденсорами
и к автоколлимационным окулярам.
Конструкция двухканального автоколлиматора для юстировки
и контроля бинокулярных оптических приборов показана на рис. 55.
Основой конструкции является литое основание 1, к которому
через патрубок 2 крепится автоколлимационный окуляр. Непосред-
ственно на основании 1 установлены поворотное зеркало 33, рабо-
тающее на два канала, два объектива 22 с наклонными зеркала-
ми 23 и эталонное зеркало 35.
95
Рис. 55. Двухканальный автоколлиматор
96
Автоколлимационный окуляр состоит из осветителя на патруб-
ке 2 и окуляра с сеткой и светоделительным кубиком, установ-
ленным в корпусе 5. Осветитель имеет лампу со стандартизованным
патроном 18, расположенным в корпусе 17, матовое стекло 19 и сет-
ку 20, закрепленную в корпусе промежуточным и резьбовым коль-
цами. Корпус 17 на этапе сборки может продольно перемещаться
за счет подрезки шайбы 15. Центрировку сетки с осветителем выпол-
няют поперечным смещением корпуса 17 винтами 14 в патрубке 2.
Фиксацию осветителя производят поджатием винтами шайбы 16.
Линзы окуляра закреплены в оправе 12 промежуточными и резьбо-
выми кольцами. На оправе установлены наглазник 13 и кольцо 11
со шкалой. При вращении оправы 12 она перемещается относительно
резьбовой втулки 10, закрепленной в корпусе 5.
Сетка 9 окуляра удерживается промежуточным и резьбовым
кольцами в оправе 7, которая может перемещаться поперек оптичес-
кой оси винтами 8 во втулке 6, установленной в корпусе 5. На торце
корпуса 5 при помощи двух стоек и шайбы 3 закреплен светоделитель-
ный кубик 4. Поворотное зеркало 33 фиксируется планками на опра-
ве 32, которая установлена на поворотном кронштейне 31. Ось крон-
штейна поворачивается в подшипниковой втулке 30 с помощью
рукоятки 28, имеющей два фиксированных положения, которые
определяются фиксатором 29. Винт 37 ограничивает поворот ру-
коятки.
Соосно двум крайним положениям зеркала 33 в основании 1
на центрирующем диаметре и резьбе установлены два одинаковых
объектива. Каждый объектив представляет собой склеенный опти-
ческий блок из двух линз, закрепленный в оправе 22 промежуточным
и резьбовым кольцами. Для совмещения их фокальных плоскостей
с фокальной плоскостью окуляра объективы имеют технологические
кольца 21.
Наклонное зеркала 23 закреплено в корпусе 24 накладкой. Кор-
пус 24 установлен в основании 1 на технологических прокладках,
которые позволяют юстировать зеркало относительно соответствую-
щего объектива и обеспечивать параллельность выходящих лучей.
Оба наклонных зеркала закрыты кожухами 25. В переднем торце
основания 1 установлено эталонное зеркало 35. Оно позволяет сов-
мещать автоколлимационное изображение сетки 20 с центром сетки
окуляра 9 при включении любого канала. При этом наблюдается
только половина поля зрения автоколлиматора. Вторая половина
используется для решения непосредственных задач устройства.
Зеркало 35 со стороны рабочих срезов крепится скобами 27, а свер-
ху - планками 36 и прокладками. Торец основания с зеркалом 35
закрывается дном 34 с фланцами 26, имеющими площадь отверстия,
равную половине площади светового поля каждого канала. Патрубок
2 позволяет устанавливать автоколлиматор на подставку.
7 Ключникова Л. В.
97
Рис. 56. Приспособление для измерения разрешающей способности
На рис. 56 показана конструкция оптического приспособления
для контроля разрешающей способности спектральных прибо-
ров [15]. Оно предусматривает использование двоякопреломляющей
поляризационной призмы Волластона, установленной за фокальной
поверхностью спектрографа (FiF2). Приспособление состоит из мик-
рообъектива, в фокальной плоскости которого расположена поверх-
ность F]F2 призмы Волластона, работающей в параллельных лучах,
положительной линзы и окуляра. При вращении призмы вокруг
оптической оси в окуляре можно наблюдать раздвоение спектральной
линии. Имея начальный отсчет положения призмы, можно определить
угол, на который следует повернуть призму, чтобы получить раздвое-
ние линии. При плохом качестве прибора этот угол будет увеличи-
ваться. С помощью шкалы приспособления эти изменения регистри-
руются.
В оптической схеме приспособления используются микрообъекти-
вы 8 х 0,2 с фокусным расстоянием 18,2 мм (см. рис. 45) и положитель-
ная линза с фокусным расстоянием 120 мм, которые обеспечивают линей-
ное увеличение, равное 6,6. Окуляр Гюйгенса позволяет получить
общее увеличение приспособления 35х, что обеспечивает наблюдение
глазом разрешаемых линий. Принципиально расчет оптической схемы
может быть и другим.
Призма Волластона 7 помещена в оправу 8. Оправа установлена
в корпусе 3 и фиксируется в нем промежуточным и резьбовым 2
кольцами. Для поворота оправы 8 в корпусе 3 сделан паз. В нем пере-
мещается винт 6, с помощью которого оправа связана с бараба-
ном 5, имеющим нониус. Барабан установлен на корпусе 3 с возмож-
ностью поворота относительно оси. Оправа неподвижной шкалы 4
закреплена на корпусе стопорными винтами. Микрообъектив 1 сое-
динен с втулкой 2 с помощью резьбы. Положительная линза 9 уста-
новлена в резьбовой втулке 10 и закреплена в ней резьбовым и про-
межуточным кольцами. Корпус 3 через регулировочное кольцо соеди-
98
няется с тубусом 11. Окуляр 12 фиксируется хомутом 13. Приспосо-
бление в горизонтальном положении устанавливается на штативе би-
ологического микроскопа, который с помощью механизма грубого
и точного перемещения обеспечивает резкое наблюдение спектральной
линии.
Глава 6
КОНСТРУИРОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ПРИБОРОВ
6.1.	ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Внедрение вычислительной техники в решение ряда функцио-
нальных задач оптического приборостроения позволило, с одной
стороны, автоматизировать управление приборами, а с другой, -
значительно сократить и упростить кинематику ОМП. Особенно
упрощены кинематические схемы устройств, работающих в авто-
матическом режиме, без участия человека-оператора. Однако не
все оптические приборы целесообразно полностью автоматизировать.
К ним относятся измерительные приборы, микроскопы, лаборатор-
ные и юстировочные устройства, макеты [11]. При рассмотрении ки-
нематических схем этих приборов оказывается, что перечень исполь-
зуемых в них механизмов невелик. Так, в устройствах, обеспечи-
вающих позиционирование (координатные устройства, предметные
столики, держатели и т. п.), в сочетании с различными направле-
ющими применяются винтовые, рычажные, рычажно-винтовые, зуб-
чатые, зубчато-винтовые и кулачковые механизмы. В других устрой-
ствах, имеющих поступательное или вращательное движение, прак-
тически используются те же механизмы.
Механизм и его параметры выбираются на этапе создания кине-
матической схемы в соответствии с техническим заданием. В про-
цессе проектирования в комплексе определяют содержание будущей
конструкции: элементы механизма, соответствующие закону дви-
жения, точность направляющих, способ и устройство фиксации и т. п.
Необходимо, чтобы при проектировании механизма все устройства
соответствовали друг другу и совместно решали поставленную
задачу. При этом основным критерием соответствия является точ-
ность конструкции [5, с. 149].
6.2.	НАПРАВЛЯЮЩИЕ
Если в приборе необходимо перемещать детали или сборочную
единицу, то сделать это можно только с использованием направляю-
щих - устройств, обеспечивающих направление их движения
7*
99
по заданному закону с требуемой точностью [17, с. 176]. Все нап-
равляющие разделяются по двум признакам: по характеру движе-
ния - направляющие поступательного и вращательного движения,
по виду трения между трущимися поверхностями - направляющие
с трением скольжения, качения и упругости [22, с. 456].
В процессе проектирования правильный выбор направляющих
будет определять точность, надежность, долговечность и стоимость
прибора.
Направляющие поступательного движения. Как отмечалось выше,
направляющие поступательного движения могут быть с трением
скольжения [17, с. 177], с трением качения [17, с. 187] и с трением
упругости [22, с. 474]. Рассмотрим наиболее характерные из них.
Цилиндрические направляющие поступательного движения,
работающие на трении скольжения, используются, например, в меха-
низмах фокусировки объективов (см. рис. 30, 33, 41, 44). Зазор между
трущимися поверхностями составляет 0,01-0,02 мм, что соответ-
ствует требованиям центрировки оптических деталей.
Большое распространение получили направляющие, выполнен-
ные по типу ласточкина хвоста (см. рис. 47). Нужно иметь в виду,
что закрытые направляющие менее технологичны, чем открытые
[5, с. 149].
Направляющие с трением качения позволяют значительно
уменьшать силы трения и за счет этого увеличить плавность переме-
щения. Примеры типовых конструкции направляющих обоих типов
приведены ниже.
На рис. 32 и 51 показаны конструкции с направляющими
на трех шариках, расположенных под углом 120° друг к другу,
с помощью которых обеспечивается поступательное перемещение
оптической детали вдоль оптической оси. В этом случае ее дви-
жение является результатом суммарного перемещения шариков по
винтовой канавке корпуса (рукоятки) и пазов сепаратора.
Выбор направляющих поступательного движения производят
по ряду критериев [22, с. 457, табл. 11.1]: точности, силе трения, не-
чувствительности к перепаду температур, нагрузочной способности,
стойкости к износу и стоимости.
Направляющие вращательного движения. В оптическом при-
боростроении в качестве направляющих вращательного движения
с трением скольжения используют цилиндрическую опору [17,
с. 193; 5, с. 241]. На рис. 57 показаны варианты цилиндрических опор.
Они могут воспринимать как радиальную, так и осевую нагрузку.
В случае подвижной цапфы (рис. 57, о - е) ее вращение происходит
в подшипнике, выполненном в виде втулки, запрессованной в кор-
пус (рис. 57, а) или закрепленной в корпусе винтами (рис. 57, б).
Иногда в качестве подшипника используется отверстие в корпусе
устройства. Значительно упрощает изготовление редукторов вариант
с втулкой, закрепленной в корпусе винтами.
100
Рис. 57. Цилиндрические опоры: а—е — подвижные цапфы; ж—и — неподвижные цапфы
При необходимости крепления цапфы в подшипнике с возмож-
ностью ее вращения и наружной регулировкой осевого зазора пер-
спективно использовать заштифтованную втулку или зубчатое колесо
(рис. 57, в), винт с шайбой (рис. 57, г) и гайку с шайбой, навинченной
на резьбовую часть цапфы (рис. 57, 0). На рис. 57, е показана цилин-
дрическая опора зубчатого колеса и шестерни, которая выполняет
роль кольца, крепящего ось в подшипнике.
В случае неподвижной цапфы (рис 57, ж - и) втулка вращается.
Для крепления цапфы используются резьба с контргайкой (рис. 57, ж),
винты (рис. 57, з) и ее развальцовка в корпусе (рис. 57, и). Наиболее
перспективен способ, показанный на рис. 57, з. Он позволяет снимать
зубчатое колесо и регулировать его положение шайбами, не разби-
рая цапфы.
При проектировании механизмов приборов с цилиндрическими
опорами прежде всего решают задачу обеспечения точности поло-
жения оси и технологичности сборки механизма при наименьших
затратах. На точность влияют радиальный зазор в подшипниках
и торцевой (осевой) зазор при наличии осевой нагрузки [12, с. 503].
Технологичность сборки будет определять выбранные средства
компенсации непараллельности и несоосности осей подшипников.
Для точного приборостроения характерны конструкции, обеспечи-
вающие высокую точность сборки. Одновременно они должны обес-
печивать и ее технологичность. Такие конструкции показаны на рис. 58.
Их можно комбинировать в зависимости от конкретных требований,
предъявляемых к механизму. Например, использование подшипни-
ков в виде втулок, закрепленных винтами и штифтами на кор-
пусе (рис. 58, о), позволяет в процессе сборки компенсировать несо-
101
6)
Рис. 58. Элементы конструкций с цилиндрическими опорами и фиксацией оси:
а, б - внутренней; в — внешней; г — односторонней
осность и непараллельность их осей. Необходимый торцевой зазор
в подшипниках устанавливают подбором толщины регулировочной
шайбы или ее обработки. Конструкция с подшипниками в виде
запрессованных в угольники втулок (рис. 58, б) регулировки не
имеет. Для обеспечения необходимой точности чистовую обработку
внутренних диаметров подшипников ведут после их запрессовки
совместно, от одной базы. В этом случае к основанию механизма-
предъявляются высокие требования в отношении плоскостности его
установочных баз. Торцевой зазор при внутренней фиксации оси
контролируется в процессе установки и крепления угольников.
Внешняя фиксация оси (рис. 58, в) позволяет производить разборку
и регулировку без снятия подшипников. Для установки необходи-
мого торцевого зазора служит шайба. Ось фиксируется зашгифтован-
ными втулками. Вместо них могут использоваться, например, зубча-
тые колеса. В случае необходимости компенсаций термических
деформаций деталей применяют конструкцию (рис. 58, г) с односто-
ронней фиксацией оси, т. е. с фиксацией оси на одном подшипнике.
Второй подшипник несет лишь радиальные нагрузки и, как правило,
представляет собой запрессованную втулку. Для регулировки поло-
жения оси используется второй подшипник, представляющий собой
втулку, закрепленную на корпусе винтами и штифтами.
При больших усилиях на опоры их расчет выполняют по отра-
ботанной методике [19, с. 216 - 223].
В оптических приборах широко используют опоры с трением
качения. Они могут быть шариковые и роликовые. Опоры с трением
102
Рис. 59. Крепление подшипника на валике: а - посадкой с натягом; б — устано-
вочным кольцом и штифтом; в — гайкой; г — развальцовкой; д — пружинным
кольцом; е - винтом через шайбу; ж — резьбовым валиком; з — установочным
кольцом на эксцентриковом валике
качения имеют малый коэффициент трения [22, с. 480] - это объяс-
няет их широкое применение в точном приборостроении и особенно
в механических передачах со слабосильными электродвигателями.
На рис. 59 показаны способы крепления подшипника на валике.
Использование посадки с гарантированным натягом (рис. 59, а) поз-
воляет упростить конструкцию. Такое крепление исключает разборку
и смену подшипника. Способ крепления с использованием устано-
вочного кольца и штифта (рис. 59, б) является наиболее распростра-
ненным. Если нет возможности произвести штифтовку, то приме-
няется способ с использованием гайки с шайбой (рис. 59, в). Крепление
преимущественно малых подшипников осуществляется развальцов-
кой конца валика, имеющего конусообразную проточку (рис. 59, г).
Проста конструкция крепления подшипника с помощью пружинного
упорного кольца по ГОСТ 2893 - 82* и ЙТ СЭВ 2796 - 80 (рис. 59, д).
Если позволяет диаметр валика, то можно использовать для крепле-
i03
5)
Рис. 60. Крепление подшипника в корпусе:
а, б - шайбой; в-в регулируемой оправе
ния подшипника винт с шай-
бой (рис. 59, е). Этот способ
часто используется в конст-
рукциях с вертикальными
цилиндрическими опорами.
При неподвижном валике
крепление подшипника про-
изводится с помощью резь-
бы и шайбы (рис. 59, ж) или
с помощью оси эксцентри-
ка и заштифтованного уста-
новочного кольца (рис. 59,
з). Эксцентрик позволяет ре-
гулировать положение под-
шипника при повороте вали-
ка шлицами на установоч-
ном кольце.
Выбор допусков, посадок и параметров шероховатости поверх-
ности деталей при выпуске рабочей документации производится в
соответствии со стандартами [5, с. 222; 23, с. 153].
Крепление подшипника в корпусе показано на рис. 60. Установка
подшипника непосредственно в корпус устройства и крепление его
нецентрированной (рис. 60, а) или центрированной (рис. 60, б) шай-
бой исключает регулировку его положения. Это усложняет обработку
корпусных деталей. Упрощает конструкцию использование оправы
(рис. 60, в), которая вместе с подшипником может перемещаться
в зазоре между ней и отверстием в корпусе.
Расчеты подшипников по заданной долговечности и на статичес-
кую грузоподъемность, определение коэффициента работоспособности,
расчет моментов трения выполняют по отработанной методике
[19, с. 107 - 205]. При конструировании подшипниковых сборочных
единиц рекомендуется придерживаться отработанной последова-
тельности [2, с. 268].
В конструкциях, где валик несет только радиальные нагрузки,
используют радиальные подшипники (рис. 61). При коротком ва-
лике и постоянной температуре эксплуатации допускается кре-
пить валик в подшипнике и подшипник в корпусе устройства без
зазора (рис. 61, а). При креплении подшипника в корпусе можно
одну из шайб ставить на прокладку. Изменение ее толщины поз-
волит на этапе окончательной сборки производить необходимую
регулировку осевого биения валика.
При длинном валике, когда за счет изменения температуры
возможно недопустимое его удлинение, используют конструкцию,
показанную на рис. 61, б. В ней один из подшипников (левый) зак-
реплен без торцевого зазора по внутреннему и наружному кольцу
на валике и в промежуточной оправе, установленной на корпусе
и зафиксированной винтами и штифтами. Второй подшипник (пра-
вый) закреплен без зазора по внутреннему кольцу на валике и
104
а)
Рис. 61. Конструкции с радиальными подшипниками:
а — при коротком валике; б — при длинном валике; в-в корпусе
с зазором по наружному кольцу в промежуточной оправе (вариант I).
За счет зазора между кольцом и гайкой компенсируется удлинение
валика при изменении температуры. Крепление этого подшипника
по наружному кольцу можно выполнить свободно (вариант II) или
во втулке, или непосредственно в корпусе устройства.
Крепление валика с двумя подшипниками в корпусе (рис. 61, в)
выполнено с использованием распорных втулок. Наружные кольца
подшипников фиксирует втулка, закрепленная в корпусе, а внут-
ренние кольца - втулка, установленная на валике. Кинематическое
замыкание выполняют две заштифтованные на валике шестерни.
Такая конструкция упрощает обработку корпуса, но усложняет обра-
ботку втулок по длине.
В конструкциях, где валик несет радиальные и продольные
(осевые) нагрузки, используют радиально-упорные подшипники
(рис. 62). При креплении подшипников в промежуточные оправы
можно одну из оправ использовать для размещения в ней проме-
105
Рис. 62. Конструкции с радиально-упорными подшипниками: а - с продольной регулиров^
кой; б - с внешней фиксацией вала; в - с внутренней фиксацией вала; г - с компенсацией
термодеформаций
а)
Рис. 63. Насыпные подшипники: о - без регулировки;
б - с регулировочной шайбой
жуточной шайбы и резьбового упора (рис. 62, а), которые позво-
ляют сократить продольный люфт в конструкции. Устройство с внеш-
ней фиксацией валика показано на рис. 62, б. Для фиксации исполь-
зуют установочное кольцо и штифт. Внутреннюю фиксацию валика
(рис. 62, в) выполняют двумя угольниками на основании с закреплен-
ными в них подшипниками. При наличии термодеформаций деталей
один конец валика крепится в корпусе без зазора, а второй - сво-
106
бодно по наружному диаметру подшипника (рис. 62, г). Если на
валик действуют радиальная и продольная нагрузки, то еГо креп-
ление лучше производить двумя радиально-упорными подшип-
никами. При этом свободно закрепленный на валике подшипник
может быть радиальным. Компоновку сборочной единицы и рас-
чет удлинения вала выполняют по известным формулам [2, с. 270].
Часто в приборостроении используют специальные подшипники
(12, с. 579]. Конструкция такого подшипника показана на рис. 63.
Механизм поворота оптического клина (рис. 63, а) имеет нерегу-
лируемый насыпной специальный подшипник, у которого внут-
ренние дорожки изготовлены на подвижном кольце, соединенном
с оправой оптического клина. Кольцо приводится в движение зуб-
чатым колесом, нарезанным на его ободе. Наружные дорожки вы-
полнены на неподвижном кольце, состоящем из двух центриро-
ванных шайб. В процессе его сборки регулируется зазор в подшип-
нике. Регулировка осуществляется за счет обработки верхнего
торца нижней оправы. Этот способ не отличается технологичностью.
Для упрощения сборки целесообразно использовать регулировочную
шайбу. В конструкции (рис. 63, 6} наружное неподвижное кольцо
выполнено сплошным, а внутреннее - из двух центрированных
шайб, между которыми установлена регулировочная шайба из срав-
нительно мягкого материала. При ее обработке можно достигнуть
необходимых размеров подшипника. Лучше регулировочную шайбу
устанавливать в наружное кольцо, если внутреннее можно выпол-
нить сплошным. Такая конструкция наиболее технологична, так как
наружное шлифование кольца осуществить проще.
Малая скорость вращения специальных насыпных подшипников
позволяет выполнить их без сепаратора. Количество шариков
выбирают, исходя из длины окружности внутренних дорожек без
одного [22, с. 483].
6.3.	ВИНТОВЫЕ МЕХАНИЗМЫ
Винтовые механизмы используют в приборостроении для пре-
образования вращательного движения винта или гайки в их пос-
тупательное перемещение [17, с. 206; 22, с. 491; 5, с, 186]. Характер-
ным для оптических приборов является винтовой двухзвенный
механизм, у которого винт совершает вращательное движение,
а гайка неподвижна [12, с. 415]. При этом винт сообщает поступа-
тельное перемещение регулируемому звену, имеющему независимые
опоры. Конструкции такого винтового механизма с отсчетным ба-
рабаном показаны на рис. 64. Для уменьшения его кинематической
ошибки используют ряд способов [17, с. 210]. Например, в конструк-
ции, изображенной на рис. 64, а, предусмотрена выборка радиального
зазора в резьбе за счет деформаций гайки. Для этого гайка 4 выпол-
нена в виде конуса с продольным разрезом. В результате давления
107
Рис. 64. Винтовой ме-
ханизм с отсчетным
барабаном: а — с кони-
ческой разрезной гай-
кой; б — с цилиндри-
ческой гайкой; в — де-
тали механизма
108
Рис. 65. Винтовой механизм с двухступенчатой рукояткой
резьбового кольца 6 при вращении его в корпусе 3 гайка 4, переме-
щаясь по конусу корпуса, сжимается. От разворота ее удерживает
стопор. Барабан 7 со шкалой точного отсчета крепится стопорными
винтами на винте 1. Шкала грубого отсчета 5 установлена на кор-
пусе 3 с возможностью ориентации ее для удобства отсчета. Винт 1
имеет упор в виде завальцованного в него шарика. От вывинчи-
вания винт ограничивает пружинное кольцо 2. Крепление винто-
вого механизма осуществляется с помощью резьбы на корпусе 3.
Если существует постоянное давление регулируемого звена
на винт, то под его действием резьба винта и гайки всегда рабо-
тает одной стороной с наименьшим зазором. Это позволяет повысить
точность и упростить конструкцию за счет выполнения гайки в виде
цилиндрической втулки (рис. 64, б). При конструировании подобного
винтового механизма необходимо исходить из наибольшего переме-
щения винта а. Тогда длина гайки А (рис. 64, в) будет складываться
из величины а и остаточной длины наибольшего вывинчивания,
которая равна величине S>1,4 d, где d - диаметр резьбы винта.
Следовательно, А = а+ 1,5 d. Отсюда длина винта L = (А + F) - 0,5,
где L - толщина гайки. Диаметр резьбы винта выбирают, исходя
из требований жесткости и прочности при его обработке и эксплу-
атации. Из технологических соображений изготавливать точные винты
с шагом меньше 0,75 мм не рекомендуется.
Для группы винтовых механизмов с диаметром резьбы от 8
до 12 мм можно использовать следующие размеры: F = 3 мм; б =d-2;
d2 ~6+6=d+ 4; Д^2~ 2 = d + 2; e = d + 8; г = в + 3 = с/+11; д=г+3=
= d+14; e = e-3sd + 5; d[=d-4 = d+10; E = 4; г/-d + 1 =<) + 16;
x=u + 3 = d+19; 3»d + 2; Б = а + Д+1,5; B = A-4; Jf = L-4. Bee
обозначения даны в соответствии с рис. 64, в.
Если уменьшить диаметр резьбы винта до 6 мм, то желательно
уменьшить некоторые величины: F = 2,5; 6 = d- 1; ф = б +5. Расчеты
проведены при условии, что все детали механизма выполнены
из стали, кроме гайки, которая может быть изготовлена из латуни
или бронзы.
Винтовой механизм, показанный на рис. 65, имеет двухступенчатую
рукоятку, которая позволяет вращать винт с разными скоростями.
Скорость вращения определяется диаметром рукоятки. На кону-
109
Рис. 66. Механизм перемещения: а — принципиальная конструкция; б — объектив
с коррекционной оправой
сообразном хвостовике винта закреплена ступица с рукояткой
малого диаметра. На ее ободе стопорным винтом крепится рукоятка
большого диаметра. Механизм может иметь шкалу грубого и точного
отсчета.
На рис. 66 показан механизм перемещения. Он выполнен на
основе трехзвенного винтового механизма. Только вместо цилин-
дрических направляющих и шпонки использованы цилиндрическая
направляющая в виде корпуса с тремя прорезями и винт, выпол-
ненный в виде трех выступов, расположенных под углом 120° друг
к другу. Такое соединение значительно увеличивает точность
механизма. Так, при наличии упругого элемента в механизме кор-
рекции микрообъектива его точность обеспечивает перемеще-
ние 1 мкм (рис. 66, б). Нередко подобные механизмы перемещения
используют для фокусировки объективов или для устройств
НО
Рис. 67. Механизм коррекции
с малыми перемещениями при ручном управлении. В принципиаль-
ной конструкции механизма (рис. 66, а) при вращении гайки 3
винт 1 только перемещается. Это обеспечивается скольжением выс-
тупов винта 1 в прорезях корпуса 4. Положение гайки на корпусе 4
определяет шайба 2.
На рис. 66, б показан объектив-апохромат ОМ-16 (40 ХЮ,95)
с коррекционной оправой, в которой использован рассмотренный
механизм перемещений. Коррекция необходима для компенсаций
аберраций, которые появляются вследствие различия в толщинах
покровных стекол. Изменение (коррекция) аберрации происходит
при регулировке воздушного промежутка между вторым и третьим
оптическими компонентами. Перемещение третьего и четвертого
компонентов, установленных в оправу 4 с тремя резьбовыми выс-
тупами, происходит при повороте резьбового кольца 5. Оправа 4
перемещается по внутреннему диаметру неподвижного корпуса 2,
имеющего три встречных паза под резьбовые выступы. Кольцо 5
удерживается от смещения промежуточной втулкой 3. Для повы-
шения точности перемещения резьбовой пары установлена пру-
жина 6, которая выбирает ее мертвый ход между оправой 4 и коль-
цом 5. В конструкции объектива предусмотрено кольцо 1, измене-
нием толщины которого устраняют сферическую аберрацию.
Винтовой механизм коррекции, показанный на рис. 67, обеспечи-
вает перемещение двух линз по пропорциональному закону
в разных направлениях. Для решения этой задачи оправы с завалъ-
цованными в них оптическими деталями крепятся к двум ползу-
нам 3 и 5, которые перемещаются в направляющих типа ласточкин
хвост. Последние выполнены на основании в виде двух угольников.
При вращении винта 1 ползуны скользят в планках 6 за счет пере-
мещения гаек 2 и 4. Связь между ползуном и гайкой осуществляется
поводком с шаровой поверхностью на гайке и отверстием на пол-
зуне. Винт / вращается в двух подшипниках скольжения и имеет
две резьбы: правую и левую. Для повышения точности за счет умень-
111
Рис. 69. Механизм микроперемещений
шения зазора в винтовой паре гайки выполнены в виде хомута
с регулировкой зазора винтами. Вращение винта 1 производится
с помощью конической зубчатой передачи.
Использование винтового механизма в качестве регулируемой
опоры установочного стола показано на рис. 68. Стол имеет непод-
вижное (нижнее) и подвижное (верхнее) основания, между кото-
рыми установлены две регулируемые опоры и одна нерегулируе-
мая - в виде шара, помещенного в конусообразные проточки на
основаниях. Силовое замыкание опоры выполняется пружиной.
Рассмотрим конструкцию регулируемой опоры. В неподвижное осно-
вание ввернута резьбовая втулка, которая вместе с шайбой пред-
ставляет опору верхнего основания. Внутри втулки проходит винт,
который ввернут в верхнее основание и, прижимая через шайбу
нижнее основание к верхнему, фиксирует их взаимное положение.
Таким образом, конструкция стола обеспечивает покачивание верхнего
основания относительно нижнего в двух плоскостях. Винтовые
регулируемые опоры могут быть использованы и в юстировочных
механизмах.
Сочетание винтового механизма с червячной передачей при-
меняется в механизме микроперемещений, изображенном на рис. 69.
112
Рис. 70. Двухступенчатый механизм перемеще:
8 Ключникова Л. В.
113
Винт 6 перемещается при вращении гайки 5, которая имеет вид чер-
вячного колеса с хомутом. Хомут позволяет уменьшить зазор
в винтовой паре. Червячное колесо 5 вращается в подшипнике
скольжения, выполненном консольно в корпусе 7. Для регулировки
продольного зазора между червячным колесом 5 и гайкой 3 установ-
лена шайба 4. Червяк 8 крепится на оси 9, которая вращается в под-
шипниках скольжения с помощью зубчатого колеса 10. Установка
червяка предусматривает регулировку за счет зазоров между втул-
ками и отверстиями в корпусе 7. Винт 6 от разворота удерживается
скобой /, скользящей по стойке 2.
Двухступенчатый механизм перемещений (рис. 70) выполнен на
основе кинематической схемы, показанной на рис. 8, и ее расчета.
Первая ступень обеспечивает большую величину перемещений
без особых требований к точности перемещения. Все подвижные
элементы имеют направляющие с трением скольжения. В корпусе 1
по цилиндрической направляющей перемещается оправа 6, что обес-
печивается рейкой 3 и трибкой 2 с рукояткой, установленной в кор-
пусе 1. Для фиксации оправы в корпусе 1 имеется винт 4 с вклады-
шем 5 и рукояткой в виде флажка. Трибка 2 вращается в подшип-
никах, выполненных в виде втулок, закрепленных на корпусе 1.
Вторая ступень обеспечивает высокую точность перемещения
в малом диапазоне. К оправе 6 на резьбе и центрирующем диамет-
ре крепится корпус привода 20 с винтовым механизмом и червяч-
ной передачей. В корпус 20 запрессованы и обработаны с одной уста-
новки подшипники скольжения, в которых вращается втулка 12.
От продольного смещения она ограничена буртиком и шариком,
который с одной стороны упирается в винт крышки 13, а с другой -
в резьбовой стакан 14. В конусную часть втулки 12 установлена
конусная гайка 19, которая ориентирована установочным винтом
и поджата стаканом 14. В гайку 19 ввернут винт 11, имеющий упор-
ную втулку под штихмасс 8 и кольцо 10 с винтом, выполняющим роль
шпонки при перемещении по пазу в оправе 6. Вращение гайки проис-
ходит при повороте червячного колеса 22, закрепленного на втулке
12. Лия крепления червяка 18 используются две втулки; втулка 23
с шариком и винтовым упором, а также втулка 15 с индексом нуль-
отсчета. Втулки имеют возможность поперечной регулировки на
этапе сборки. Винтовой упор с шариком позволяет ограничить
предельные смещения. Рукоятка 16 закреплена на трении. Это поз-
воляет ее шкалу установить на нуль при повороте относительно
шайбы 17. Между втулкой 9 на штихмассе 8 и резьбовой втулкой 7
установлена пружина, которая независимо от давления переме-
щаемого звена удерживает штихмасс и сокращает зазоры вдоль оси
привода. Корпус 20 закрыт крышкой 21.
Как отмечалось выше, в винтовых механизмах целесообразно
ипользовать шаг винта не менее 0,75 мм. В этом случае наименьшее
перемещение винта соответствует 1 мкм [17, с. 212]. Иногда необ-
ходимо значительно повысить точность винтового механизма, на-
114
Рис. 71. Дифференциальный винтовой механизм
пример при юстировке зеркала интерферометра (рис. 16). Одним
из устройств, с помощью которого можно решить эту задачу, явля-
ется дифференциальный винтовой механизм. Это трехзвенный меха-
низм (рис. 71) с двумя винтовыми парами [12, с. 416]. Винт 6 с закреп-
ленной на нем рукояткой 7 имеет две резьбы с разными шагами
Р\ и Pi- Относительно неподвижного корпуса - гайки 5 он при вра-
щении совершает поступательное движение с шагом Р\. Гайка 1 при
этом перемещается с шагом Р2. Суммарное перемещение гайки 1
будет определяться шагом механизма, который равен Р = Р] -
Например, при Pi = 1 мм, Р2 =0,75 мм шаг механизма равен Р = 0,25 мм.
Если наименьший угол ручного управления Ф не превышает
Г, то наименьшее перемещение гайки 1 (/) будет равно
РФ	0,254
360	360
= 0,7 мкм,
где Р - шаг винтового механизма.
Для выбора зазоров в винтовом соединении и уменьшения соб-
ственной ошибки механизма используют пружину 4, поджимая ее
резьбовым кольцом 3 к гайке /. От разворота гайку удерживает
штифт 2, перемещающийся в прорези корпуса 5. Дифференциальные
винтовые механизмы часто используют в устройствах фокусировки
объективов.
6.4.	ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
Конструирование зубчатых передач и методика их расчета дос-
таточно подробно изложены в существующей учебной и справочной
технической литературе [17, с. 227; 22, с. 500; 25, с. 38]. Ряд стандар-
тов регламентирует расчеты зубчатых зацеплений [5, с. 257; 23, с. 47].
Для решения ряда практических задач по использованию зуб-
чатых передач рассмотрим червячный редуктор, показанный на
рис. 72. Его передаточное число равно 10. В едином герметически
закрытом корпусе 2 в радиально-упорных подшипниках установлены
8'
115
Рис. 72. Червячный редуктор
червяк 5 и червячное колесо 3. Каждая пара подшипников кре-
пится в корпусе с помощью открытой втулки 4 с сальником и закры-
той втулки 1 с устройством регулировки продольного зазора, Соос-
ность подшипников и взаимное расположение червяка и червячного
колеса регулируются перемещением втулок на нужную величину за
счет зазора в сопрягаемых отверстиях корпуса 2. Данная конструк-
ция усложняет сборку. Необходима сборочная база. Целесообразно
использовать в качестве такой базы червячное колесо, установ-
ленное в тех же подшипниках, но без возможности поперечных
перемещений, т. е. обе втулки с подшипниками закрепляют в центри-
рованных отверстиях корпуса с предельно малым зазором. В этом
случае сборка и регулировка сводятся к установке червяка в нуж-
ное положение. Контроль зацепления ведут по краске. Завершают
сборку прикаткой зубчатого зацепления, выполняемой после штиф-
товки втулок. Для смазки червячной пары внутреннюю полость редук-
тора заполняют маслом через сливной винт 6.
При конструировании всех редукторов необходимо решать вопро-
сы базирования зубчатого зацепления, т. е. взаимной ориентации осей
сопряженных зубчатых колес с необходимой точностью. При этом
конструкция корпуса редуктора должна иметь необходимые сбороч-
ные базы.
Корпус редуктора может быть единым и сборным. В едином корпу-
се крепление подшипников производят на базы, взаимосвязанные в
процессе обработки корпуса. Такие конструкции, как правило, исполь-
зуют для силовых редукторов. В сборном корпусе крепление подшип-
ников осуществляют в процессе сборки. Такие конструкции исполь-
зуют в различных приводах и системах управления.
В любом корпусе точность зацепления может быть получена или
в процессе механической обработки корпуса по допускам, или с по-
мощью регулировки положения подшипников. Большую роль в реше-
116
Рис. 73. Винтовой механизм с редуктором
нии этого вопроса играет серийность производства редукторов. Так, в
первом случае основная трудоемкость ложится на изготовление дета-
лей, а во втором - усложняется сборка. Для мелкосерийного про-
изводства рекомендуется регулировку выполнять в процессе сборки,
но при этом необходимо положение выходного звена связать с базой
корпуса. А это приводит к смешанному способу - для выходного
звена без регулировки, остальные зацепления - с регулировкой поло-
жения осей. Так, в червячном редукторе (рис. 72) подшипники червяч-
ного колеса должны устанавливаться без зазора по допускам, а под-
шипники червяка - с возможностью регулировки.
Сочетание винтового механизма с редуктором, содержащим две
пары цилиндрических колес (рис. 73), позволяет выполнять линейные
перемещения автоматически. Кинематическая схема такого механиз-
ма показана ра рис. 73. На корпусе 1 соосно закреплены гайка 2 и втул-
ка 6, выполняющая роль цилиндрической направляющей скольжения.
В них перемещается винт 3 с закрепленным на нем зубчатым колесом
5. Перемещение винта осуществляется вращением шестерни 4 в двух
подшипниках с помощью электродвигателя и промежуточной прямо-
зубой цилиндрической передачи. Шестерня 4 имеет ширину, равную
сумме размеров длины хода винта 3 и ширины колеса 5. Завальцован-
ный на конце винта шарик обеспечивает кинематически правильный
контакт с перемещаемым звеном. Сборка механизма в корпусе / пре-
дусматривает регулировку всех направляющих, кроме гайки 2, кото-
рая установлена без зазора.
На рис. 74 показаны механизмы переключения с линейными и уг-
ловыми движениями. В механизме переключения объективов, изобра-
женном на рис. 74, и, используются направляющие скольжения типа
ласточкина хвоста. Направляющие симметрично расположены на кор-
пусе 1, одинаковы и представляют собой ползун 4, который переме-
щается в направляющих 5. Каждый ползун несет объектив и рей-
ку 3, которые входят в зацепление с трибкой 2. При ее вращении один
ползун идет вверх до упора, а второй - вниз. Верхнее положение объ-
117
A-A
Рис. 74. Механизм переключения: а - объективов; б — зеркала
ектива является рабочим. Трибка 2 вращается на валике 6 в подшип-
никах скольжения.
Механизм переключения зеркала (рис. 74, б) содержит оправу 6
с зеркалом, установленную на ось трибки 2. Она поворачивается во
118
Рис. 75. Клиновой компенсатор
втулке 7, выполняющей роль подшипника. При перемещении рейки 4,
которая одновременно является сердечником двух магнитов, работаю-
щих переменно, трибка поворачивается и включает или выключает
зеркало. Фиксация положения зеркала осуществляется пружиной 5
на упоре 3. Перемещение рейки и переключение зеркала можно выпол-
нить вручную рукояткой 1.
На рис. 75 показан механизм клинового компенсатора. Он содер-
жит два оптических клина, которые, вращаясь в разные стороны, соз-
дают или суммарный клин, или плоскопараллельную пластинку. Кли-
нья крепятся резьбовыми и промежуточными кольцами в оправах 3.
Каждая оправа имеет коническое зубчатое колесо 2 и специальный
насыпной подшипник 1, с помощью которого она крепится к корпусу 4.
К нему же крепится втулка 5 с двумя радиально-упорными подшипни-
ками, в которых вращается коническая шестерня. Конструктивно под-
шипники выполнены в виде самостоятельной сборочной единицы.
К сборке зубчатого зацепления высокой точности не предъявляется.
Однако для сокращения возможного зазора в зацеплении втулка 5
с конической шестерней имеет возможность регулировки положения
за счет радиальных зазоров.
6.5.	РЫЧАЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ
В оптических приборах рычажные механизмы используют в качест-
ве механизмов поворота [26, с. 104]. В этом случае они работают по
закону тангенса или синуса [25, с. 230]. Например, в механизме дифрак-
ционной решетки (рис. 76) все юстировочные перемещения выполняют-
ся с помощью поворотного рычага с цилиндрической опорой и двух
винтов, работающих в упор, навстречу друг другу.
Дифракционная решетка крепится колпачком в оправе 2, которая
установлена на основании 3 с возможностью поворота относительно
горизонтальной цилиндрической опоры. Поворот и фиксация положе-
ния выполняются устройством 5, содержащим два винта на основании
119
Рис. 76. Механизм дифракционной решетки
3 и поводок на оправе 2, расположенный между винтами. Основание 3
имеет направляющую в виде ласточкина хвоста, выполненного под
небольшим углом. Это обеспечивает крепление оправ с дифракцион-
ными решетками надежно и при высокой их взаимозаменяемости.
Смена оправ осуществляется с помощью винта 4. Основание 3 крепится
к кронштейну установленному на шайбу 2, которая может повора-
чиваться относительно вертикальной цилиндрической опоры с по-
мощью винтового устройства 6 на основании 7. Винтовое устройство 6
аналогично предыдущему и содержит два винта на основании 7 и пово-
док шайбы 8.
Использование рычажного механизма позволяет выполнить пово-
рот с большой точностью сравнительно грубыми средствами. Так, для
поворота призмы служит механизм, показанный на рис. 77. Он создан
на основе кинематической схемы, изображенной на рис. 5. Механизм
имеет основание 9, на котором закреплена цилиндрическая опора в
виде неподвижной втулки 8 и подвижной оси 7. Ось крепится во втул-
ке шайбой 4 и винтом 6. Для регулировки зазора используется коль-
цо 5. На оси 7 установлен рычаг 10 с призмой 1, которая крепится
с помощью планки 3 и угольника 2. Планками призма прижата к высту-
пу на рычаге. Рычаг 10 поджат пружиной П к винтовому механизму 13,
конструкция которого показана на рис. 76, б. Его крепление на основа-
нии 9 выполнено с помощью угольника 12.
Фиксация подобного рычажного механизма при условии сохране-
ния точности положения призмы допустима только вблизи регулируе-
мого упора, т. е. винтового механизма 13. Рычаг должен быть кине-
матически развязан. Любое механическое воздействие на ось 7 вызо-
120
Рис. 77. Механизм поворота призмы
вет смещение призмы, поэтому фиксирующее устройство на втулке 8
недопустимо.
Конструкция высокоточного механизма зеркала резонатора, изо-
браженная на рис. 78, обеспечивает точность положения зеркала 0,2*
при регулировке его положения в двух взаимно перпендикулярных
плоскостях. Кинематическая схема механизма показана на рис. 6.
Высокая точность механизма достигается за счет использования,
121
с. 78. Высокоточный механизм зеркала
122
с одной стороны, шаровой опоры, установленной в двух конусах,
и с другой, - высокоточного рычажно-винтового механизма. Кон-
струкция шаровой опоры за счет эффекта самоустановки сохраняет
центр качания с точностью используемого стандартизованного шарика
независимо от угла поворота.
Точность рычажно-винтового механизма обеспечивается длиной
рычага, безлюфтовыми направляющими и упругим кинематическим
замыканием.
На основании 7 установлен кронштейн 6 с шаровой опорой в виде
конуса 5, шарика 4 и конуса 3 на оправе 2 с зеркалом, которое крепит-
ся с помощью колпачка /. Шаровая опора работает в сочетании с кине-
матическим замыканием оправы 2 через конус 8 пружиной 10, закреп-
ленной на угольнике 11 основания 7. Наклоны зеркала относительно
шарнира осуществляются двойным рычагом, который сокращает об-
щие габаритные размеры и уменьшает деформации рычага. Для обе-
спечения наклонов зеркала в двух перпендикулярных плоскостях
устройство имеет в каждой плоскости рычажно-винтовой механизм
(рис. 78). Поскольку они одинаковы, рассмотрим только один из них.
Первым рычагом для двух механизмов является конус 8. Второй
рычаг 14 подвешен на опоре 9 с помощью плоского пружинного шар-
нира. Рычаг 14 на одном конце имеет винтовой упор 12 для контакта
с опорой, а на другом - опору 76 для винтового механизма /9. Зазо-
ры в винтовом упоре 12 компенсирует плоская пружина 13, работаю-
щая по типу рессоры. Кинематическое замыкание между упором 12
и винтовым механизмом 19 осуществляется пружиной 15. Винтовой
механизм установлен в кронштейне со скобой 17. Кинематическое за-
мыкание между конусом 8 и упорами 12 выполняет пружина 18.
Рассмотренный механизм может допускать фиксацию положения
зеркала только в регулируемых упорах, т. е. в винтовых механизмах.
Любые механические воздействия на рычаги приведут к снижению точ-
ности. Деформации деталей, вызванные изменением температуры, за
счет кинематического замыкания на точность практически не влияют.
6.6.	ОТСЧЕТНЫЕ УСТРОЙСТВА
С необходимостью измерения различных величин (чаще всего длин
и углов) конструктор сталкивается при создании самых разнообраз-
ных оптических приборов. В них используются отсчетные устрой-
ства [4; И, с. 41], конструкция которых должна удовлетворять следую-
щим требованиям:
удобство отсчета измеряемой величины, достаточная ее освещен-
ность и отсутствие бликов;
собственная ошибка отсчетного устройства значительно меньше
ошибки механизма или прибора;
регулировка нулевого положения шкалы;
123
ei zz 91 si ы ei ii. и ot-
Рис. 79. Механизм призмы
124
для исключения ошибки от параллакса края штрихов шкалы
и индекса расположены в одной плоскости и с малым разрывом;
толщины штрихов шкалы и нониуса одинаковы;
в условиях низкой освещенности подсветка шкалы.
В качестве отсчетных устройств в оптико-механических приборах
чаще всего используют оптические отсчетные устройства прямого
считывания и механические устройства шкального типа.
Оптические системы в отсчетных устройствах служат для увели-
чения видимых размеров сетки. Кроме того, они обеспечивают на-
блюдение объекта в необходимом масштабе. Выше были рассмотрены
подобные устройства, относящиеся к наблюдательным оптическим
приборам: зрительные трубы (см. рис. 51), отсчетный микроскоп
(см. рис. 54) и автоколлиматор (см. рис. 55).
Среди механических отсчетных устройств распространен винтовой
механизм (см. рис. 64, 77), имеющий шкалы грубого и точного от-
счета. В ряде случаев, когда измерения производят в большом диапа-
зоне или с большим передаточным числом, используют шкальные
механизмы с зубчатыми передачами..
Механизм призмы, конструкция которого показана на рис. 79,
имеет оптическое устройство прямого отсчета линейных величин.
Механизм содержит установочный стол с оптической деталью и устрой-
ство микроперемещений, связанных между собой на основании 1
штихмассом 11 и пружиной 6 кинематического замыкания. В основе
установочного стола лежит параллелограммный механизм на плоских
пружинах, имеющий одну степень свободы в виде поперечных
перемещений в горизонтальной плоскости. Стол имеет два основания:
нижнее 2 и верхнее 9- Между ними установлены и закреплены план-
ками 3 две плоские пружины 7. Для формирования осей качания при
деформации пружин жесткость их центральной части увеличена за
счет пластин 4 и 5. Верхнее основание 9 имеет винт 8 для крепления
пружины и опоры 10 штихмасса.
Устройство для микроперемещений состоит из винтового и червяч-
ного механизмов. При вращении червяка 21 вращается червячное
колесо 14 и втулка 16 с гайкой 15, на которой она закреплена винто-
вым кольцом. Винт 13 перемещается при вращении гайки 15 и толкает
штихмасс 11, От разворота винт удерживает поводок 12, который
перемещается вдоль прорези на крышке 20. Втулка 16 имеет регули-
руемый упор с шариком для компенсации продольных зазоров. На
втулке 16 установлена шкала 17 перемещений винта. Отсчет ведут по
нониусу на диске 18, закрепленном на втулке 19, Крепление шкалы и
диска выполнено приклеиванием. При цене деления шкалы 1 мкм
установку призмы с помощью нониуса можно производить с точностью
до 0,1 мкм. Для получения таких точностей в механизме требуется
уменьшить зазоры в его кинематических парах до предела. В данной
конструкции радиальные зазоры сокращаются технологически за счет
допусков до 0,01 мм, а продольные - конструктивно до нескольких
125
Рис. 80. Механизм кюветы переменной толщины •
микрон. В механизме допустима фиксация только входного звена
(червяка).
Отсчетный винтовой механизм использован в конструкции кюветы
переменной толщины, изображенной на рис. 80. В корпусе 7 установ-
лены неподвижная 9 и подвижная 6 цилиндрические втулки с закреп-
ленными на их концах пластинками кюветы. Зазор между пластин-
ками определяется положением втулки 6, которое регулируется вин-
товым механизмом. В цилиндрической части корпуса 7 имеется оку-
лярная резьба, по которой при вращении перемещается гайка 1 с ру-
кояткой 2. Перемещение гайки передается кольцу 3, к которому
крепится втулка 6. От разворота ее удерживает винт 4, головка кото-
рого скользит по пазу корпуса 7. На рукоятке 2 закреплено кольцо 5
со шкалой точного отсчета. Шкала грубого отсчета нанесена на корпу-
се 7. Для заполнения кюветы специальной жидкостью на корпусе 7
установлена воронка 8.
6.7.	УСТАНОВОЧНЫЕ И ЮСТИРОВОЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ
Каждый элемент оптической схемы устройства имеет механизм,
который позволяет ориентировать его относительно выбранной базы
с требуемой точностью. Кроме того, такой механизм может выполнять
и функциональные задачи, обеспечивая работу прибора, в том числе
и автоматическом режиме. Задача взаимной ориентации оптических
элементов, т. е. их позиционирование, предусматривает установку
оптических деталей с требуемой точностью на этапе сборки и юсти-
126
ровки устройства. Для этого используют установочные механизмы.
Если стабильность положения установочных механизмов не обеспечи-
вает первоначальную взаимосвязь оптических деталей в процессе
эксплуатации прибора, то необходимы юстировочные механизмы, ко-
торые позволяют восстановить работоспособность оптической схемы.
При необходимости юстировочные механизмы совмещают с механиз-
мами, выполняющими рабочие функции. Совокупность всех механиз-
мов составляет техническую элементную базу современной оптики
и особенно лабораторного приборостроения, например элементная
база измерительных комплексов [8, с. 137], размещаемая на стандарт-
ных рельсах станочного профиля (ГОСТ 16810- 79)*. При создании
многомерных оптических устройств наиболее перспективной для
размещения элементной базы является плоская плита, которая упро-
щает размещение и крепление оптических элементов при их ориента-
ции в разных плоскостях [26, с. 14].
При создании элементной базы необходимо выполнять следую-
щие условия:
при высоких требованиях к взаимному положению оптических
деталей прибора его элементная база должна содержать установоч-
ные и юстировочные механизмы; при этом все средства должны обес-
печивать заданную точность в требуемом диапазоне перемещений;
установочные и юстировочные механизмы должны быть функцио-
нально разделены;
установочные механизмы должны иметь необходимую точность,
высокую кинематическую чувствительность и стабильность положе-
ния; допустимы средства фиксации, если они не усложняют установку
и не снижают точность механизма; наиболее вероятный диапазон пере-
мещений: линейных ±10 мм и угловых ± 2,5° с точностью до 0,02 мм
и 10" соответственно;
юстировочные механизмы должны соответствовать требова-
ниям оптической схемы и методике ее юстировки [18, с. 42, 56];
целесообразно юстировочными механизмами обеспечивать незави-
симую юстировку, т. е. юстировку, при которой данную ошибку
можно устранить независимо от остальных ошибок и без возникно-
вения новых дефектов; механизмы должны иметь наименьшие
ошибки от силовых и температурных деформаций; они должны от-
личаться высокой точностью и чувствительностью, воспроизво-
димостью положения, легкостью управления и постоянством сил
и моментов; использование силовых средств фиксации нежелатель-
но; допускается частичная или полная автоматизация их ра-
боты;
кинематические пары юстировочных механизмов должны выби-
раться с таким расчетом, чтобы обеспечить оптимальное количество
степеней свободы каждого элемента оптической схемы; например,
для юстировки зеркально-призменной системы в параллельном
ходе лучей оптимальное число действенных подвижек не превыша-
ет двух для каждой детали, в частности, для прямого зеркала, имею-
127
щего малый угол падения луча, - это два наклона вокруг двух взаим-
но перпендикулярных осей, лежащих в плоскости отражающей по-
верхности, для наклонного плоского зеркала с углом падения луча
до 45° - это два поворота вокруг двух осей: оси, проходящей вдоль
луча, падающего в центр зеркала, и поперечной оси, лежащей на
отражающей поверхности зеркала, и проходящей через его центр;
система, состоящая из двух зеркал с такими подвижками, позво-
ляет исключить угловую и линейную ошибки в любой плоскости;
элементная база должна иметь единые характеристики: величину
и точность перемещений, расстояние от основания до базовой по-
верхности механизмов и от основания до оптической оси, способ
установки и крепления на основании и т. п.;
элементная база должна отличаться технологичностью и про-
стотой изготовления, удобством в использовании, малой стоимостью
и высоким коэффициентом унификации.
Непосредственное крепление оптических деталей выполняют
с помощью установочных механизмов крепления или держателей
зеркал, линз, объективов и т. п. [26, с. 36], которые могут содержать
юстировочные механизмы или не иметь их. В конструкции держа-
телей должна быть предусмотрена возможность крепления группы
деталей, размеры которых находятся в определенном диапазоне.
На рис. 81 показаны механизмы, предназначенные для крепления
деталей круглой и прямоугольной формы разных размеров.
Для крепления деталей средних размеров используется конструк-
ция, изображенная на рис. 81, а. На шайбе 5 в трех Т-образных пазах,
расположенных под углом 120° друг к другу, установлены винты 7
с втулкой 8 и гайками 6 и 9. На этих винтах крепится оптическая
деталь. Положение винтов выбирается при их перемещении вдоль
каждого паза в соответствии с размером детали и фиксируется гай-
кой 6. Регулировка положения втулки 8 по толщине детали осуществ-
ляется гайкой 9. Шайба 5 подвешена к угольнику 3 на двух шаровых
опорах 4, содержащих две конусные втулки с шариком и представляю-
щих ось качания шайбы. Ее положение определяет винтовой меха-
низм /, закрепленный на угольнике 3. Кинематическое замыкание
осуществляется двумя пружинами 2. Подвеска шайбы 5 с возмож-
ностью покачивания относится к юстировочному механизму и может
выполняться по-разному, например аналогично механизму покачива-
ния дифракционной решетки (см. рис. 27). Поворот всего механизма
может осуществляться относительно вертикальной оси, если уста-
новить ступицу угольника 3 на основании с помощью цилиндричес-
кой опоры.
Для крепления крупных оптических деталей используется меха-
низм, показанный на рис. 81, б. В нем кольцо 6 имеет три паза с вкла-
дышами 4, выполненными с направляющими в виде ласточкина хвос-
та и расположенными под углом 120° друг к другу. В каждом вкла-
дыше закреплен винт 8 с втулкой 10 и гайкой 9. Положение винта
определяется перемещением вкладыша 4, фиксация которого про-
128
Рис. 81. Механизмы крепления оптических деталей:^ - средних габаритных размеров;© — больших габаритных размеров;
в - прямоугольных деталей
9 Ключникова Л. В.
129
Рис. 82. Механизмы с наклонными зеркалами:^ - с вертикальной осью качания;
б — с двумя осями качания
изводится винтом 5. Положение втулки 10 относительно толщины
оптической детали определяет гайка 9. Кольцо 6 подвешено на
угольнике 7 с помощью трех винтовых опор, расположенных под
углом 120° друг к другу. Они обеспечивают юстировку оптической
детали. Каждая опора представляет собой винтовую втулку 3, рабо-
тающую на распор кольца 6 и угольника 7, и винт 2, прижимающий
их друг к другу. Для исключения деформации винтов при больших
углах наклона опора имеет сферические шайбы /.
Универсальный установочный механизм для жесткого крепле-
ния прямоугольных оптических деталей показан на рис. 81, в. Он
содержит два одинаковых бруска 6 и 3, выполненных в виде направ-
ляющих со скосами. К вертикальному бруску 6 приварена скоба
5, с помощью которой он крепится в любом месте бруска 3 винтами
4. Таким же образом на брусках крепятся скобы 7, которые исполь-
зуются для установки оптических деталей с помощью винтов 8.
130
Брусок 3 размещен на основании 1 и закреплен винтами 2. Механизм
имеет множество комбинаций, может использоваться и для крепления
оптических сборочных единиц. При креплении в скобах 7 оптичес-
ких деталей и сборочных единиц с малой жесткостью между ними
и винтами 8 требуется установить прокладки, например из картона.
Рассмотренный механизм отличается большой жесткостью несущих
брусков, а следовательно, и высокой стабильностью положения зак-
репленной детали.
Как отмечалось выше, при креплении наклонных зеркал необхо-
димо выполнять условие, обеспечивающее независимую юстировку.
В связи с этим механизмы их крепления менее универсальны. На
рис. 82 показаны механизмы с наклонными зеркалами, которые изме-
няют направление светового луча на 90° без возникновения дополни-
тельных дефектов за счет появления пространственной составляю-
щей.
На рис. 82, а изображен механизм с вертикальной осью качания.
В нем зеркало 3 крепится в оправе 7 угольниками 2. Оправа имеет
боковые выступы, на которые установлены пружинные шарниры,
связывающие ее с основанием 1 через скобу 4. Шарниры представля-
ют собой плоскую пружину 5, закрепленную на выступах оправы 7
планками 6 и винтами. Ребра деталей, формирующих зону деформации
пружины, должны быть взаимно параллельны с точностью до 0,02 мм.
С такой же точностью должны быть установлены зазоры между дета-
лями с обеих сторон пружины. Зазор не рекомендуется увеличивать
больше чем на 3 мм. Положение оправы 7 с зеркалом 3 опреде-
ляет винт 10, который перемещается при вращении его в резьбовой
втулке 9 на основании 1. Кинематическое замыкание выполняет
цилиндрическая пружина 8.
Оправу с зеркалом, пружинный шарнир, скобу и винтовой меха-
низм с цилиндрической пружиной можно использовать в других
механизмах. Например, они применяются без изменения в механизме
с двумя осями качания зеркала (рис. 82, б). Скоба с пружинным шар-
ниром, оправой и зеркалом крепится к основанию 2. На нем же уста-
новлен угольник 1 с резьбовой втулкой, винтом и неподвижным кон-
цом цилиндрической пружины кинематического замыкания. Таким
образом, в двух разных механизмах переменными деталями являются
только основания. Винтовая пара в рассмотренных .механизмах может
быть заменена электромеханическим приводом. Это позволит авто-
матизировать наклоны зеркала в процессе его эксплуатации.
Если механизм, показанный на рис. 82, б, установить на поворот-
ный стол и совместить ось его поворота с оптической осью падающего
на зеркало луча, то можно решать задачу управления отраженным
лучом в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, обеспечивая
независимую юстировку.
К установочным относятся устройства, позволяющие устанавли-
вать механизмы с оптическими деталями непосредственно на общее
9*
131
основание, например плиту, с возможностью их ориентации при
сборке и юстировке.
В оптико-механическом приборостроении существует большое
количество серийно выпускаемых установочных устройств в виде
регулируемых стоек [26, с. 20], которые позволяют создавать различ-
ные технические или физические системы на стандартизованных
рельсах. Для расширения их функциональных возможностей, т. е.
для использования в многомерных устройствах, элементную базу
необходимо крепить на плитах. Увеличивается и высота размещения
деталей оптической схемы, а это ведет к увеличению их ошибок
положения. Существующие регулируемые стойки с кинематическими
связями в виде винтового механизма у основания имеют недопусти-
мые погрешности. Для повышения их точности необходимо винтовой
механизм устанавливать не внизу, а вверху. Такая регулируемая
стойка показана на рис. 83. У нее вместо традиционного рейтера
используется основание 1 с втулкой 2. Данная конструкция позво-
ляет применять магнитный стол для крепления стойки на плите.
Вертикальная регулировка стола 10 двухступенчатая. Штанга 6 имеет
шпоночный паз и внутреннюю резьбу. Грубая установка штанги
выполняется вручную во втулке 2. Фиксация ее положения осуществ-
ляется винтом 3. Точное перемещение стола производится винтовым
механизмом при вращении винта 7 рукояткой 9, которая размещена
в корпусе 8, установленном на втулке 5. От разворота втулку удер-
живает винт 4. Таким образом, при вращении винта 7 втулка 5 с кор-
пусом 8 и столом 10 перемещается относительно штанги 6. С помощью
винта 4 осуществляется фиксация положения втулки 5.
При использовании регулируемых стоек для создания высокоточ-
ных систем нужно иметь в виду, что в условиях промышленной виб-
рации они не отличаются стабильностью положения. К их недостат-
кам можно отнести и низкую грузоподъемность. Не рекомендуется
на базе нескольких регулируемых стоек создавать крупногабаритные
конструкции.
Большую перспективу и особенно для высокоточных многомер-
ных пространственных оптических схем представляют установочные
столы с необходимым количеством степеней свободы, высокой точ-
ностью установки и стабильностью положения, немалую роль играет
простота и низкая стоимость их изготовления.
В установочных столах используют направляющие с трением упру-
гости [22, с. 474; 12 с. 484], с помощью которых можно выполнять без-
люфтовые покачивания в малых пределах с высокой точностью. Их
преимущества по сравнению с вышерассмотренными заключаются
в почти полном отсутствии сил трения, отсутствии зазоров и необходи-
мости в смазке, предельной простоте изготовления и в низкой стои-
мости. К недостаткам этих направляющих можно отнести малый угол
покачивания и низкую виброустойчивость. Такие направляющие в
виде пружинных шарниров установочных столов и юстировочных
механизмов показаны на рис. 84. На рис. 84, а изображен пружинный
132
133
Рис. 85. Установочный стол:а — с одной степенью свободы;
б - с двумя степенями свободы
шарнир с одной степенью свободы. Он содержит два угольника и плос-
кую пружину, закрепленную между ними с помощью планок, винтов
и штифтов. Ребра угольников и планок, определяющих зону дефор-
мации пружин, должны быть параллельны между собой с высокой
точностью. Обычно для выполнения этого требования в процессе
сборки используют концевые меры. Расчет ширины поля деформации
пружины h ведут из условия неподвижности оси деформации при выб-
ранной толщине пружины. Рекомендуется при толщине пружины
0,6 - 0,88 мм ширину поля ограничить 2-3 мм. Изгиб плоской пру-
жины обеспечивает одну степень свободы, т. е. покачивание одного
угольника относительно другого на угол а. Угол а нецелесообразно
принимать более 3*. Использование такого шарнира было показано
на рис. 33 для юстировки положения дифракционной решетки.
Покачивание в двух взаимно перпендикулярных плоскостях
на углы а и ₽ обеспечивает пружинный шарнир, показанный на
рис. 84, б. Конструктивно он ничем не отличается от предыдущего,
только на пружине выполнены две симметричные прорези, равные
134
ширине поля h, которые образуют шейку в центре пружины шири-
ной b и с радиусами г. Шейку рассчитывают из тех же условий, что
и пружину.
Необходимо иметь в виду, что в районе шейки поверхность про-
резей не должна иметь дефектов (уступов, трещин и т. п.), которые при
деформации материала пружины могли бы являться центром его раз-
рушения. Использование подобных шарниров позволяет создавать
установочные столы, которые качественно отличаются от существую-
щих координатных столов [26, с. 62].
На рис. 85 показаны установочные столы, в конструкции которых
используются рассмотренные выше пружинные шарниры. На рис. 85, a
изображен стол с одной степенью свободы. Между нижним основанием
3 и верхним основанием 2 с одной стороны установлен пружинный
шарнир Дас другой - винтовой механизм 5. Кинематическое замы-
кание выполняют пружины 4. Если пренебречь деформацией осно-
вания 2» то точность стола будет определять безлюфтовый пружинный
шарнир I. Чувствительность покачивания пропорциональна длине
стола, т. е. расстоянию шарнира ] до оси винта 5, и шагу винта.
Для покачивания оптического устройства в двух взаимно перпен-
дикулярных плоскостях используется установочный стол, конструк-
ция которого показана на рис. 85, б. Он также имеет нижнее 3 и верх-
нее 2 основания. Между ними с одной стороны установлен пружин-
ный шарнир /, имеющий симметричные прорези, а с другой - меха-
низм, содержащий вертикальный винтовой механизм 5 и два гори-
зонтальных винтовых механизма 6 на угольниках в верхнем основа-
ния 2 и опору 7 в нижнем основании 3. Пружины 4 выполняют кине-
матическое замыкание вертикального винта 5, перемещение которого
покачивает основание 2 относительно горизонтальной оси шарнира /.
С помощью винтов 6 основание 2 покачивается относительно верти-
кальной оси шарнира 1 и фиксируется ими при работе в упор, навстре-
чу друг другу.
Установочный стол с четырьмя степенями свободы показан на
рис. 86. Его конструкция проста в изготовлении и отличается высокой
точностью за счет отсутствия кинематических связей с люфтами
(рис. 86, а). Стол имеет три основания: нижнее 2, среднее 3, верхнее 4.
Попарно по z-образной схеме они соединены пружинными шарни-
рами 1 и 5 с двумя степенями свободы каждый. Напротив каждого
шарнира симметрично расположены винтовые механизмы: два вер-
тикальных 6 на основании 3 и две пары горизонтальных 7 на осно-
ваниях 2 и 4, работающих в упор, навстречу друг другу, с фиксацией
положения подвижных оснований. Пружины между основаниями
выполняют кинематическое замыкание.
При работе вертикальными винтами основание 4 наклоняется
относительно нижнего основания 2 на осях пружинных шарниров
1 и 5 на некоторые углы а1 и а2 с разными знаками. А это значит,
что если углы наклона равны, то основание 4 имеет линейное пере-
135
Рис. 86. Установочный стол с четырьмя степенями свободы',
а - конструкция;б - внешний вид
136
мещение Н (рис. 86, б), равное Н= + Ltgaf, где L - длина основания
от шарнира до оси винта; а, - угол начального (нулевого) положения
стола, at=«i = а2. Если ai¥=a2, то кроме линейного перемещения
основание 4 наклонится на угол Да, равный алгебраической сумме
углов ai и а2.
Боковые горизонтальные винты 7 основания 2 перемещают осно-
вание 3 на угол ± Рь а винты 7 основания 4 - на угол ± р2 относи-
тельно основания 3. Если углы равны и имеют разные знаки, то осно-
вание 4, линейно перемещается на величину В:
В = ±Ltg₽f, ₽, = Р1 = ₽2.
Если Pi ¥= рз, то кроме линейного перемещения основание 4 на-
клонится на угол Др, равный алгебраической сумме углов pj и р2.
Рис. 87. Механизмы перемещений:a - на трении
скольжения;б — на трении качения; в - внешний вид
(позицииб ив рис. 87 см. на стр. 138)
137
ty	Б~5
В *26
138
При автоматизации всех перемещений установочного стола его
кинематическую схему можно рассматривать как плоский простран-
ственный дифференциал с угловыми и линейными перемещениями
основания 4. При этом линейные перемещения являются производны-
ми от угловых. Отсутствие линейных направляющих повышает точ-
ность устройства и значительно упрощает его конструкцию.
В группе столов с одинаковой шириной и разной длиной можно
считать все детали унифицированными, кроме трех оснований, т. е.
коэффициент применяемости установочных столов рассмотренной
конструкции можно довести до 70 - 80%.
В качестве юстировочных используются механизмы перемещений
и поворотов. В отличие от вышерассмотренных они могут собираться
в отдельные сборочные единицы, которые отличаются большой уни-
версальностью. При этом их конструирование независимо от рабочих
размеров и величины перемещения может выполняться в определен-
ной последовательности. При создании элементной базы из групп рас-
смотренных ниже механизмов можно унифицировать большое коли-
чество деталей и технологию их изготовления.
На рис. 87 показаны механизмы линейных перемещений. Наиболее
характерны для оптических приборов механизмы линейного переме-
щения на трении скольжения, построенные на направляющих в виде
ласточкина хвоста (рис. 87, а). Такой механизм содержит основание
3 с двумя планками 2, установленными с наименьшим зазором отно-
сительно ползуна I. Планки крепятся винтами и фиксируются цилин-
дрическими штифтами, что позволяет производить их разборку
и чистку. Со стороны торцов к основанию 3 крепятся планки 5 с резь-
бовыми отверстиями для винтов 4. Винты управления могут быть
простыми и отсчетными.
Если перемещение ползуна обозначить через а и его рабочую пло-
щадку через АХ В (мм2), то на рис. 87, а даны основные габаритные раз-
меры (взята группа средних столов с номинальными размерами А =
= В = 60 мм и а = 20 мм). Механизм в центральной часта имеет отверстие,
что позволяет применять его для оптических деталей, работающих
в проходящем свете. Использовать подобный механизм для автомати-
зации перемещения нецелесообразно из-за большого трения в направ-
ляющих. Перспективны в этом отношении механизмы перемещения
с трением качения. Конструкция такого механизма изображена на
рис. 87, б. В его основу положены направляющие качения закрытого ти-
па [17, с. 176; 12, с. 161]. На основании 5 установлены и закреплены две
призматические планки 3, в которых на четырех шариках 2 переме-
щается каретка 1 с таким же профилем боковых стенок, как у планок.
Два сепаратора 4 удерживают шарики в определенном положении.
Перемещение сепараторов ограничено винтами 6. По торцу основания
закреплены планки. На планке 7 установлен отсчетный винтовой меха-
низм 9. Кинематическое замыкание выполняют пружины 8, закреплен-
ные одним концом на каретке I, а другим - на противоположной план-
ке 7. Если перемещение каретки обозначить через а и габаритные
139
Рис. 88. Механизм поворотам — на трении скольжения; б — на трении качения
40
размеры ее рабочей зоны через А х в (мм2), то на рис. 87, б даны основ-
ные габаритные размеры (для той же группы механизмов, показанных
на рис. 87, а). На рис. 87, в показан внешний вид расмотренного меха-
низма без боковых планок. Расчет направляющих и выбор материала
выполняют по отработанной методике [17, с. 177].
Для грубого и точного поворота относительно оси симметрии
используют механизмы, показанные на рис. 88.
Конструкция поворотного механизма с трением скольжения
изображена на рис. 88, а. Она содержит основание 4 и поворотную
шайбу 2. Для регулировки торцевого зазора между ними и коль-
цом 1 установлена кольцевая прокладка 3. Свободный поворот
шайбы 2 на угол до 360° производится вручную при освобожденном
хомуте 5. После установки нужного угла хомут 5 фиксируется вин-
том 6 на шайбе 2. Это позволяет производить точную установку шайбы
винтами 7, которые перемещают и фиксируют ее относительно упора 8,
закрепленного на основании 4.
Для обеспечения более легкого поворота используют направ-
ляющие качения. Такая конструкция показана на рис. 88, б. Механизм
поворота имеет основание 4 и поворотное кольцо 1. Между ними
и втулкой 3 размещен насыпной подшипник [17, с. 209]. Для регулиров-
ки зазоров при сборке подшипника служит кольцо 2. Как и в преды-
дущей конструкции, механизм имеет грубый и точный поворот
кольца 1 и втулки 3 с помощью хомута и винтового механизма, рабо-
141
тающего через упор на основании 4. Разница лишь в том, что в кон-
струкции используется отсчетный винтовой механизм и пружинный
упор.
Сочетание рассмотренных механизмов позволяет создавать раз-
личные конструкции с несколькини степенями свободы. Некоторые
примеры таких сочетаний показаны на рис. 89.
Для получения двухкоординатного стола линейных перемещений
достаточно соединить винтами основание с ползуном двух меха-
низмов (рис. 87, а), развернутых под углом 90° друг к другу. Рассмот-
рим две конструкции на базе двухкоординатного стола. На рис. 89, а
показан механизм с тремя степенями свободы. Он имеет вертикальную
ориентацию рабочего ползуна с тремя перемещениями: два в горизон-
тальной плоскости и одно - в вертикальной. Для взаимного креп-
ления однокоординатных механизмов используется унифицирован-
ный угольник, позволяющий создаьать еще ряд комбинаций.
На рис. 89, б показан механизм с тремя степенями свободы. Он
имеет горизонтальную ориентацию рабочего ползуна с тремя переме-
щениями: два линейных поперечных движения и один поворот вокруг
вертикальной оси ползуна. Для их взаимного крепления исполь-
зуется шайба. При создании элементной базы целесообразно все вспо-
могательные детали для получения сложных многокоординатных
механизмов унифицировать.
Глава 7
КОМПОНОВКА ПРИБОРА
Компоновка прибора осуществляется конструктором на этапе
выполнения эскизного проекта [17, с. 47]. Рассмотрим, как решается
этот вопрос на конкретном примере - при эскизной проработке фото-
повторителя (рис. 90). Основой для компоновки прибора является его
оптическая схема (рис. 90, а). Она позволяет выделить самостоятель-
ные оптические сборочные единицы: объектив 2, окулярную трубку
со светоделителем 3 и осветитель 5. Все они и негатив 6, стоящий
в плоскости предмета (ПЛ), центрированы и связаны друг с другом
размерами, отмеченными знаком «к*». Конструирование сборочных
единиц позволяет определить их установочные базы: для осветителя
(см. рис. 50) - база 5 (Б5), для репродукционного объектива (см. рис. 9,
б, в) - база 2 (Б2) и для Окулярной трубки (см. рис. 53) - база 3 (БЗ).
Каждая установочная база, с одной стороны, связана размерами с опти-
ческими деталями, а с другой, через оптическую схему - с другими
установочными базами. Этот факт позволяет осуществить предвари-
тельную компоновку прибора. При наличии таблицы взаимовлияния
деталей в оптической схеме все размеры между базами можно ограни-
чить допусками (линейными и угловыми), а это гарантирует качество
142
всей дальнейшей работы. Основные установочные базы Б2, БЗ и Б5
позволяют определить размеры, форму, вспомогательные и технологи-
ческие базы корпуса 4 прибора. Оптимально он представляет собой
цилиндр, на оси которого расположены базы Б2 и Б5. На расстоянии
57 мм от базы Б2 располагается ось базы БЗ с посадочной
плоскостью, отстоящей от оси корпуса на расстоянии 34 мм.
В процессе компоновки прибора необходимо оценить все юстиро-
вочные требования и обеспечить простоту и технологичность его
сборки. Так, если увеличение проекционной системы постоянно,
то расстояние между плоскостью предмета и базой Б2 должно соответ-
ствовать этому увеличению с учетом отклонений от расчетных опти-
ческих характеристик объектива. Это может выполняться сложным
механизмом фокусировки (см. рис. 66, о) или с помощью технологи-
ческой базы (БТ), позволяющей с необходимой точностью простыми и
надежными средствами обеспечить требуемое увеличение. Последнее
оправданно, так как выполняется один раз на этапе сборки прибора.
К базе Б5, работающей совместно с устройством регулировки
положения источника света в осветителе, высокоточных требований
не предъявляется. При номинальном положении источника света
в осветителе его базировка должна обеспечивать равномерное запол-
нение светом входного зрачка объектива.
База БЗ должна иметь возможность регулировки в направлении
размеров 34 и 57. Для ориентации светоделителя окулярная трубка
должна поворачиваться относительно своей Оптической оси. Это обес-
печивает нормальную работу проекционной системы и исключает
несоосность в системе наблюдения изображения, даваемого проек-
ционной системой.
В процессе создания эскизного проекта прибора (рис. 90, б) прежде
всего принимают решения по конкретному оформлению баз. Так,
в корпусе проекционной части созданы две нерегулируемые базы:
база Б2 для крепления объектива и база Б5 для крепления осветите-
ля. Технологическая база имеет возможность регулировки за счет
регулировочного кольца, которое позволяет выставить нужное рас-
стояние между плоскостью предмета и базой Б2 при условии сохране-
ния центрировки. База БЗ также может регулироваться кольцом
для установки окулярной трубки. Поворот трубки производится
на центрирующем пояске в пределах зазоров на винтах. Расстояние
от светоделителя до объектива (26 мм) выдерживается допусками.
При необходимости его коррекция осуществляется перемещением ах-
роматической линзы в окулярной трубке.
Совмещение плоскости изображения (ПИ) со светочувствитель-
ным слоем образца, расположенного на предметном столике основания
1 прибора, может выполняться за счет перемещения верхней части
столика. Допустимо перемещение всей проекционной части, но этот
вариант значительно усложнит конструкцию прибора.
На уровне выполнения технического проекта дорабатываются
основание /, предметный столик и рамка с негативом в плоскости
предмета.
143
144
Рис. 90. Фотоповторитель: а - оптическая схема; б - компоновка прибора
10 Ключникова Л. В.
145
Рассмотренная конструкция не содержит элементов автоматичес-
кого управления, вспомогательных систем обслуживания и т. п.
Это упрощает ее компоновку. Однако в рассмотренном примере харак-
терен факт основополагающего значения оптической схемы на этапе
выполнения эскизного проекта.
Таким образом, компоновка прибора - это комплексная задача,
которую решают на основе оптической схемы и технического задания,
электрической, кинематической и других схем, законов инженерной
психологии, технологии, техники безопасности и требований обеспе-
чения наименьших габаритных размеров. Основной конструкторской
базой при компоновке оптического прибора является его оптическая
ось. На этапе компоновки прибора оптическая схема - это закончен-
ный документ, который позволяет:
рационально разделить ее на составные части с выделением
самостоятельных сборочных единиц:
рассчитать точность положения каждой сборочной единицы,
сформулировать требования к юстировке и определить положения
юстировочных баз;
после- конструкторской проработки сборочных единиц опре-
делить их основные установочные базы со средствами юстировки
положения;
предварительно определить габаритные размеры прибора и его
вспомогательные и технологические базы.
На этапе компоновки прибора необходимо выполнять требования
к конструкции, определяющие ее технологичность, целесообразность
и удобство эксплуатации. Они могут быть сформулированы следую-
щим образом:
число деталей механизмов должно быть наименьшим;
необходимо использовать широкие допуски;
предпочтение следует отдавать размерам без допусков;
вместо назначения узких допусков следует по возможности при-
менять обрабатываемые в процессе сборки регулируемые детали;
конструкция должна обеспечивать возможность раздельного по-
следовательного выполнения следующих операций сборки: соедине-
ние, установка (грубая и точная) и закрепление - при возможности
обеспечить независимую юстировку оптической схемы [18. с. 43];
в конструкции должно быть наименьшее суммирование допусков.
С точки зрения техники производства хорошая конструкция обес-
печивает два важных преимущества: 1) механизм создается из более
простых и поэтому легче изготовляемых деталей; 2) появляется воз-
можность применения менее строгих допусков при одновременном
соблюдении точности взаимодействия. Эти преимущества уменьшают
трудоемкость сборки, юстировки и ремонта. Кроме этого, решается
задача взаимозаменяемости сборочных единиц.
Окончательный этап компоновки заключается в размещении его
вспомогательных устройств и средств обслуживания. Затем оформля-
ются органы управления и средства отображения информации. Эта
146
работа логически взаимосвязана с предварительно выполненной ком-
поновкой функциональной части прибора. Она дополняет и завершает
ее. Особое внимание при окончательной компоновке уделяется удов-
летворению инженерно-психологичским требованиям, предъявляемым
к приборам [21, с. 128].
Завершает компоновку прибора создание несущих конструкций,
кожуха, пульта управления и т. п. Этот этап работы целесообразно про-
водить в манере художественного конструирования, привлекая необ-
ходимых специалистов, которые практически могут работать над
моделью прибора, начиная с оптической схемы.
В связи с большим разнообразием оптических приборов невоз-
можно разработать методику их компоновки, относясь к ней как
к комплексной задаче с количественными и качественными требова-
ниями. Поэтому вышерассмотренная последовательность всех работ
может меняться. Если ограничить задачу компоновки прибора только
его комплектностью, то и тогда появляется ряд методов ее выполне-
ния [10, с. 92]. Обязательным при компоновке является создание реко-
мендованной системы базирования [5, с. 24]. Для исключения неяснос-
тей вся терминология должна соответствовать ГОСТ 21495-76*.
Глава 8
ПРИМЕРЫ КУРСОВЫХ ПРОЕКТОВ
ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ
В процесе выполнения курсового проекта, при выборе техниче-
ского решения, желательно знать как можно больше необходимых
типовых конструкций и уметь правильно их применять. Большую
помощь в этом может оказать самостоятельная работа с учебной и спра-
вочной литературой. Теоретический материал в нижеприведенных
примерах изложен в сокращенном виде и определяет круг вопросов,
которые учащемуся следует изучить и раскрыть в своей работе более
подробно.
Для выполнения расчетов и создания оптической габаритной
схемы пособие имеет приложения, позволяющие выбрать конструктив-
ные параметры оптических элементов.
8.1. ПРИМЕР КУРСОВОГО ПРОЕКТА МОНОКУЛЯРА
Задание на курсовое проектирование
Тема задания - монокуляр призменный.
Техническое задание: на базе зрительной трубы Кеплера выпол-
нить габаритный расчет и сконструировать монокуляр с призмой
АкР-60°.
ю*
147
Данные для расчета оптической схемы: Гт = 12х, 2са = 3е, D = 48 мм,
Sp# > 18 мм, Габаритные размеры призмы определить методом проф.
Турыгина. Припуски на крепление дать по боковым сторонам призмы.
Срезание светового пучка в призме не допускается. В оптическую
схему ввести визирную сетку. При создании оптической схемы исполь-
зовать данные приложений. Правильность габаритного расчета про-
верить графическим построением хода лучей. Конструкции объектива
и окуляра выполнить типовыми. Обеспечить перемещение окуляра
и установить жесткий наглазник. Призму с крышей закрепить плоской
пружиной со стороны крыши. От боковых смещений ограничить ее
вкладышами. Обеспечить удобство сборки и юстировки всех узлов.
Предусмотреть возможность крепления монокуляра за цилиндриче-
скую часть корпуса. К сборочному чертежу составить спецификацию.
По указанию преподавателя выполнить рабочие чертежи 6-8 основных
деталей. Например, линзы окуляра, оправы окуляра, барабана со шка-
лой, корпуса и т. п. При этом особое внимание уделить простановке
допусков на сопрягаемые размеры. Все чертежи должны соответство-
вать требованиям ЕСКД.
Курсовой проект тему выполнить в следующем объеме.
1. Графическая часть проекта: лист 1 - схема оптическая (формат
А2); лист 2 - сборочный чертеж разработки (формат А2); лист 3 - рабо-
чие чертежи деталей (формат АО-
2. Содержание расчетно-пояснительной записки: введение; обзор
существующих схем и конструкций; технические характеристики
прибора; расчетная часть проекта; описание конструкции; заключение;
литература.
Расчетно-пояснительная записка
Введение
В этой части расчетно-пояснительной записки необходимо отме-
тить ряд принципиальных факторов, говорящих об уровне развития
оптического приборостроения. Оптическая промышленность сегодня
выпускает свыше 600 наименований приборов, которые охватывают
все направления приборостроения и технологии, а также более 150
наименований оптических товаров народного потребления.
Далее целесообразно рассказать о повышении качества разработки
и совершенствовании производства оптико-механических приборов
на базовом предприятии. И в завершение необходимо остановиться на
особенностях и значимости рассмотренной группы приборов и перспек-
тивах их развития.
«р
/. Обзор существующих схем и конструкций
Много лет человечество использует оптические наблюдательные
приборы в различных областях своей деятельности. Подзорные или
зрительные трубы и бинокли стали нашими спутниками в театре, ту-
ристских походах, на спортивных площадках, охоте и т. д.
148
Из теории оптических систем [3, с. 205] известно, что наблюдатель-
ные или телескопические приборы служат для рассматривания удален-
ных от наблюдателя предметов в увеличенном виде. Параллельный
пучок, попадающий в телескопическую систему, выходит из нее парал-
лельным. Это соответствует условию нормальной работы визуального
прибора, т. е. прибора, в котором лучи и глаз наблюдателя взаимодей-
ствуют непосредственно. Для компенсации аметропии глаза в нем
предусмотрено диоптрийное перемещение окуляра. Все визуальные
приборы можно разделить на бинокулярные и монокулярные. Биноку-
лярные приборы имеют возможность наблюдения одновременно двумя
глазами, монокулярные, или монокуляры, предназначены для наблю-
дения одним глазом. Остановимся на монокулярах более подробно.
Итак, монокуляр - это оптическая зрительная труба для наблюдения
объекта одним глазом. Всякая зрительная труба может быть выпол-
нена по схеме Галилея или Кеплера.
Монокуляр по схеме Галилея состоит из объектива и отрицатель-
ного окуляра. В связи с этим система имеет положительное увеличение
(/об > 0, /ок < О, Гт = -/'^ / (-/оК) > 0), т. е. дает прямое изображение
предмета. Несмотря на это положительное свойство монокуляра, его
применение ограничено. Это объясняется тем, что в системе Галилея
промежуточное изображение предмета мнимое и поэтому практиче-
ского значения не имеет. Кроме того, в подобных системах угловое
поле зрения небольшое и зависит от положения глаза наблюдателя.
Зрительная труба Галилея используется в наблюдательных прибо-
рах с малым увеличением (театральный бинокль), в визирах фото-
камер, а также в качестве телескопической системы, изменяющей вы-
ходную апертуру в лазерных устройствах, исключающих концентра-
цию энергии в фокальной плоскости.
Монокуляр по схеме Кеплера состоит из объектива и положитель-
ного окуляра. В связи с этим система имеет отрицательное увеличение
(Гт < 0), т. е. изображение предмета перевернуто. Для получения пря-
мого изображения используют оборачивающие системы. Они могут
быть линзовыми или призменными [3, с. 218]. Их выбор зависит от усло-
вий эксплуатации прибора, т. е. взаимного положения наблюдателя
и объекта.
Основное преимущество схемы Кеплера заключается в том, что она
обеспечивает действительное изображение предмета, в плоскости кото-
рого можно установить сетку. Монокуляр с сеткой обладает новым
полезным качеством. У него между главной точкой объектива и зна-
ком на сетке образуется прямая, которая называется визирной линией.
Если наблюдаемый предмет совместить со знаком на сетке, т. е. с ви-
зирной линией, то это значит определить его истинное направление
относительно глаза наблюдателя. Такие приборы называются визи-
рами. Это качество позволило на базе монокуляра, выполненного по
схеме Кеплера, создать большое количество оптических приборов:
военных, наблюдательных, геодезических, астрономических, угломер-
ных, дальномерных и прицельных.
149
в визирах точность наведения, или точность визирования, зависит
от фокусного расстояния объектива, типа шкалы сетки и формы пред-
мета. В среднем ошибка наведения составляет 10-15" [3, с. 292].
Оптическая ось зрительной трубы и ее визирная ось могут не сов-
падать. Однако, с учетом того, что центральная часть поля зрения теле-
скопической системы обладает наилучшим качеством изображения,
желательно, чтобы обе эти оси были возможно ближе друг к другу.
Смещение знака сетки на величину д перпендикулярно к оси моноку*
ляра вызывает изменение направления визирной линии в пространстве
предметов на угол Ф, который может быть определен по формуле
Ф =7^-3438,
'об
где /об - фокусное расстояние объектива.
Для компенсации ошибки наведения используют или механизм
центрировки сетки, или эксцентриковые оправы для объектива, позво-
ляющие компенсировать смещение Д [11, с. 201]. При этом под осью
монокуляра понимают его базовую ось конструктивных элементов,
например корпуса.
Наряду с возможностью визирования монокуляр, выполненный
по схеме Кеплера, отличается отсутствием виньетирования при доста-
точно больших увеличении и угловом поле зрения. Его оптическая
схема универсальна с точки зрения расширения функциональных воз-
можностей приборов. Рассмотрим ряд примеров:
использование двух призм или зеркал позволяет создать перископ;
применение оборачивающих линзовых [22, с. 133] или призменных
[22, с. 190] систем позволяет получать прямое изображение объекта;
с помощью панкратической насадки к объективу или панкратиче-
ского окуляра можно плавно изменять увеличение монокуляра;
смена линз оптической схемы позволяет менять увеличение скач-
кообразно;
установка коллектива увеличивает угловое поле зрения моно-
куляра;
для наблюдения предметов, расположенных на конечном расстоя-
нии, помимо механической фокусировки объективом или окуляром,
может использоваться система с внутренней фокусировкой (рис. 51,6).
Собственно монокуляр имеет простую конструкцию, представляю-
щую собой цилиндрический корпус, в котором с одной стороны закреп-
лен объектив в оправе, а с другой - окуляр с сеткой. Для диоптрийного
перемещения окуляра используется специальная окулярная резьба
[22, с. 321].
По техническому заданию требуется сконструировать простейший
монокуляр с изломом оптической оси на основе призмы АкР-60. Одно-
временно призма должна выполнять функции оборачивающей системы.
Увеличение монокуляра постоянное. Объектив и окуляр упрощенные,
характерные для телескопических систем малого увеличения.
150
2.	Технические характеристики прибора
В соответствии с заданием на курсовое проектирование основными
техническими характеристиками монокуляра являются; видимое уве-
личение Гт = 12х; угловое поле зрения 2 со = 3°; диаметр входного
зрачка D = 48 мм; удаление выходного зрачка S^, > 18 мм; коэффициент
виньетирования = 0,7; угол отклонения луча со = 60°; тип призмы
АкР = 60°; перемещение окуляра ± 5 дптр.
3.	Расчетная часть проекта
Исходные данные для расчета оптической схемы монокуляра: уве-
личение Гт = 12х, угловое поле зрения 2 w = 3°, диаметр входного зрачка
D = 48 мм, удаление выходного зрачка Sp> 18 мм, перемещение оку-
ляра ± 5 дптр.
Задание на расчет: рассчитать и выбрать окуляр, рассчитать и вы-
брать объектив, определить световые диаметры объектива и окуляра,
уточнить удаление выходного зрачка, построить ход лучей в моноку-
ляре, определить параметры сетки, определить процент виньетирова-
ния, определить размеры призмы и ее положение, определить переме-
щение окуляра при N = ± 5 дптр, определить разрешающую способность,
построить габаритную схему монокуляра, определить коэффициент
пропускания.
Перед расчетом рекомендуется провести теоретический анализ
оптической схемы будущего прибора.
Монокуляр представляет собой наблюдательный прибор, в основу
которого положена зрительная труба Кеплера. Она содержит объектив
и положительный окуляр. Это значит, что увеличение монокуляра
отрицательно, т. е. Гт < 0. Призма, введенная в оптическую схему,
имеет двойное назначение. Она используется для излома оптической
оси на 60° и является оборачивающей системой. Увеличение призмен-
ной оборачивающей системы отрицательно, т. е. р = -Iх. Это значит,
что для получения полного оборачивания (по двум координатам) необ-
ходимо использовать призму с нечетным числом отражающих граней
и с крышей. Из этих соображений выбираем призму АкР = 60° [22,
табл. 4.6, с. 171] Призма изготовляется из стекла БК10 и имеет пара-
метры: a = D, С = 2D, h = l,094D, I = cD = 2,646D, где a - размер входной
и выходной граней; D - наибольший световой диаметр одной из граней
призмы; С - длина ребра крыши; h - высота; I - длина хода лучей;
с = 2,646 - коэффициент призмы.
Таким образом, увеличение ^энокуляра с призменной оборачи-
вающей системой является положительным.
Габаритный расчет монокуляра проводится без учета призмы, т. е.
для увеличения Гт = - 12х.
Определяем оптические характеристики окуляра и объектива
и подбираем их по каталогу.
151
Выбор окуляра. Определим угловое поле окуляра по формуле (3.4):
tgco' = — 12(-tgl,5*) = (-12)(-0,02618) = 0,31422; м' = 17,4е; 2(0' = 34,8е.
Такой угол имеют симметричный окуляр и окуляр Кельнера.
Выбираем симметричный окуляр потому, что у него наибольший зад-
ний отрезок S'f. Его фокусное расстояние определяем из предположе-
ния, что S/' *	** 0,75/'ОК- Отсюда /'ок =	/ 0,75 = 18 / 0,75 = 24 мм. По
полученным данным выбираем симметричный окуляр (см. приложе-
ние 5) с оптическими характеристиками: /'ок = 25 мм, 2ю' = 40е, Sf «
= -18,9 мм, S'f = 18,9 мм. Его конструктивные параметры приведены
ниже.
г, мм	d, мм	DC8.. ““
68,6		
21,0	и	22
-зол	7,5	
30,6	0,1	
-21,0	7,5	22
—68,6	и	
Эскиз оптической схемы окуляра изображен на рис. 91, а. Вершин-
ные отрезки окуляра равны:
5н= •5/’"’ /ок = "" 1^,9 "" (""25)= 6,1 мм;
S н" = S f f ©к = 13,9 — 25 — —6,1 мм.
Увеличение окуляра Гок = 250 //'ок = 250 / 25 = 10х.
Выбор объектива. Известно: Гт = -12х, D = 48 мм и /'ок = 25 мм.
Определим фокусное расстояние и относительное отверстие объектива
по формуле (3.9):	= _ (_ 12)25 = 300 мм;
D: /'об = 48 :300 = 1: 6,25.
Входной зрачок для монокуляра, как правило, совпадает с опра-
вой объектива, поэтому zp 'об = 300 мм.
Рис. 91. Оптические элементы монокуляра: а — окуляр;
б - объектив
152
По полученным данным выбираем объектив (см. приложение 6)
с оптическими характеристиками /^т> = 320 мм, относительное отвер-
стие 1:6,4, SF = -323,8 мм, S'F- = 306,7 мм. Его конструктивные пара-
метры следующие:
г, мм	d, мм	%™
110,4		
-120,6	9,8	54,0
-859,0	3,2	
Оптические характеристики выбранного объектива отличаются
от расчетного. Требуется пересчет конструктивных параметров через
коэффициент пересчета по формуле (3.1):
Кпвр = 300/320 = 0,937.
После пересчета получаем объектив с оптическими характеристи-
ками: /об “ 300 мм, относительное отверстие 1:6, SF = -303,4 мм,
S'F‘ = 287,4 мм. Его конструктивные параметры имеют следующие
значения:
Г, ММ	d, мм	
103,5	9,8	
-112,9		50,0
—804,8	3,2 •	
Эскиз оптической схемы объектива изображен на рис 91, б.
Вершинные отрезки объектива равны:
Sh= SF- fo5 = -303,4 + 300 = -3,4 мм;
S'# = S’f- /'об = 287,4 - 300 = -12,6 мм.
Выбранный объектив средней светосилы, достаточной для наблю-
дательного прибора.
Определим световые диаметры объектива и окуляра. Для обеспе-
чения заданного увеличения принимаем входной зрачок D = 48 мм за
световой диаметр объектива, т. е. D = Осв = 48 мм.
Для определения светового диаметра окуляра рассчитаем ход апе-
ртурного луча, падающего на край входного зрачка, когда hx = -D/2 =
= — 24 мм, и двух полевых лучей, проходящих через верхний и нижний
края входного зрачка, т. е. при т = ± 24 мм [3, с. 45]. Расчет высоты
Л1+1 и угла ai+1 ведем по формулам произвольного луча (3.10) и (3.11).
Для данных параметров имеем:
hj = -24 мм; «! = -&);
tgai = tg(-17,4°) = -0,02618;
d = /об + /ок = 300 + 25 = 325 мм;
tga2 = tg(_w) +
*1
Лб
-0,02618+ -^~=-0,10618;
эии
153
h2=hi- dtga2=-24 - 325(-0,10618)= 10,5 мм.
Световой диаметр окуляра Dra ок=2h2=21,0 мм.
Уточним удаление выходного зрачка. Из формулы (3.12) получим:
Zp-= 300/144 = 2,08 мм; Sp-= S'f'+ z'p-= 18,9 + 2,08 = 20,98 мм, т. е. удале-
ние более 18,0 мм, что соответствует заданию.
По расчетным данным строим на миллиметровой бумаге ход лучей
в монокуляре. Графическое построение подтверждает правильность
выполненных расчетов.
Определим параметры сетки из формулы (3.14). Световой диаметр
сетки Dc равен диаметру полевой диафрагмы Опд: Ос = 2 • 300 • 0,2618 =
= 15,7 мм. Принимаем Ос = 16 мм. Проверим полученный результат
через поле зрения окуляра:
Лс = 2 - 25 - 0,3639= 18,1мм.
Это говорит о том, что поле зрения окуляра имеет некоторый запас
и не срезает изображение сетки. Толщину сетки выбираем равной
dc = 1,5 ± 0,2 мм [22, табл. 4.15, с. 198]. Материал сетки БК10. Удлинение,
вносимое сеткой А<7С, рассчитываем по формуле (3.2):
Adc =
1,5713- 1
1,5713
1,5 = 0,54 мм.
Наименьший размер толщины штриха сетки t определим по формуле:
fmin = е/ок = 2,8 -10	• 25 = 0,007 мм,
где е - предельный угол разрешения глаза, 8 = Г.
Допустимую толщину штриха сетки в линейной мере можно опре-
делить по формуле (3.18):
t = 0,1 -25/250 = 0,01мм.
Расчеты показали, что практическую толщину штриха сетки сле-
дует взять равной 0,01 мм.
Определим процент виньетирования. Чтобы определить, имеет ли
место виньетирование и какова его величина, уточним высоту в обрат-
ном ходе. Известно, что а₽- = 27,08 мм. Тогда h2 = ap-tgco' = 27,08 • 0,36397=
= 9,8 мм. Отсюда действующий световой диаметр окуляра Осв ок = 2h2 =
= 19,6 мм. Это значит, что виньетирование существует и часть наклон-
ных пучков по краю поля зрения срезается. Виньетирование состав-
ляет с учетом формулы (3.13):
B =	Ю0 = 7%.
Для монокуляра эта величина очень незначительная. Такой моно-
куляр можно считать светосильным.
Определим размеры призмы и ее положение. Для определения раз-
меров призмы и ее положения используем графоаналитический метод
проф. И. А. Турыгина [3, с. 260].
154
При D > Ппд половину угла конуса между ними о найдем из
формулы
tgо =	~Опл =	= 0,0533; о = 3*.
2/об 2  300
Расчет размеров призмы ведем от ее выходной грани, расположен-
ной от полевой диафрагмы (сетки) на расстоянии /:
/ > 0,01/ок > 0,01 • 25s > 6,25.
Принимаем / = 10 мм.
Найдем световой диаметр D2 выходной грани призмы по формуле
D2 = Ппд + 2/tgo = 16 + 2 • 10 • 0,0533 = 17,0 мм.
Для определения светового диаметра входной грани призмы
найдем угол у:
где п - показатель преломления материала призмы; с - ее коэффи-
циент.
Угол У вводится в построение хода лучей (рис. 92, а) следующим
образом. На расстоянии /= 10 мм от сетки проводят след выходной
грани призмы. Из точки пересечения ее с оптической осью проводят
луч под углом у = 16,8е. Находят точку пересечения этого луча с верх-
ним наклонным лучом. Через нее проводят след входной грани приз-
мы. Расстояние между входной и выходной гранью призмы является
редуцированной толщиной развертки призмы Из построения опре-
деляем ее значение: с/ред = 36 мм. Отсюда длина оптической развертки
призмы dnp равна
dnp = ^редп = 36 • 1,5713 = 56,6 мм.
Наконец получим Dj = dnp / с = 56,6 / 2,64 = 21,44. Световой диаметр
реальной призмы следует округлить до ближайшего стандартного раз-
мера по ГОСТ 6636-69, т. е. принимаем = 22 мм.
Удлинение, вносимое призмой, найдем из формулы (3.2):
д ,	1,5713— 1	£ ЛЛ £
А ^пр ~ 1 5713 ^’6 ~ 20 fi
Длина ребра крыши призмы равна с = 2D\ = 44 мм. Расстояние от
объектива до призмы Ц найдем из формулы
h =/об + А^пр - /- <4тр = 300 + 20,6 - 10 - 56,6 = 254 мм.
Строим габаритную схему монокуляра. По результатам выполнен-
ных расчетов строим габаритную схему монокуляра (рис. 92, б).
155
нн0.
Рис. 92. Монокуляр: о - построение хода лучей; б - габаритная схема
156
Определим перемещение окуляра. Перемещение окуляра xs при
N=±5 дптр определим по формуле (3.19):
х5 = (25)2 - 5/1000 - + 3,125 мм.
Перемещение окуляра при N= 1 дптр равно
Xi = (25)2 •1/1000 = + 0,625 мм.
Определим разрешающую способность монокуляра. Теоретическая
разрешающая способность равна
.	140" 140"
Фтеор,- D =48 =2,9 ,
разрешающая способность реальной системы [3, с. 149] будет
- 12°" п
^реальн. 4g = 2,5 .
На основе расчета и в соответствии с ГОСТ 2. 412-81 вычерчиваем
на формате А2 оптическую схему монокуляра (рис. 93, а).
Определим коэффициент пропускания. При прохождении свето-
вого потока через оптическую систему часть света теряется на отраже-
ние, поглощение и рассеяние. Количество света, прошедшего через
систему, характеризуется коэффициентом пропускания [3, с. 136]. Для
непросветленных поверхностей его определяют по формуле (3.37).
В соответствии с оптической схемой d = 8,92 мм, Кр = 7, Фл = 3 и Зк = 2.
Тогда т = 0,99' • 0,967 - 0,94э - 0,932 = 0,9142 • 0,7514  0,8305 X 0,8648 =
= 0,4934. Принимаем т = 50%.
Определим коэффициент пропускания оптической схемы моно-
куляра хпр с просветленными поверхностями: наружные поверхности-
однослойное 43Р (р = 2%) и внутренние - многослойное 44Р.43Р (р = 1%).
В этом случае, если количество наружных поверхностей равно 2,
а внутренних 8, то = 0,99® >’2 • 0,98 • 0,99®  0,93 = 0,9142 • 0,9603 X
х 0,9227 х 0,8648 =* 0,7005. Принимаем тпр = 70%. Это говорит о том, что
просветление поверхностей деталей оптической схемы увеличило про-
пускание света на 20%.
4.	Описание конструкции монокуляра
Задание на курсовое проектирование и оптическая схема являются
основой для создания конструкции монокуляра. Эта работа выполнена
с учетом рекомендаций глав 4-7 (рис. 93, б).
Конструкция монокуляра содержит объектив 1, окуляр 2, сетку 3
и корпус 4 с закрепленной в нем призмой 6.
Объектив выполнен в виде сборочной единицы и состоит из двух-
линзового оптического блока, установленного в оправу и закреплен-
ного в ней промежуточным и резьбовым кольцами. Точность центри-
157
1 2
—Vr-
254,0
J 4
Оптические характеристики.
Видимое увеличение Гг- 12*.
Угловое поле 3 пространстве предметов
2а)~д<0* -
Разрешающая способность ’¥-2,5”
Поз	Наименование		Sf	
1,2	Обьектид	300,0	-303, ч	237,9
5,6	Окуляр	25,0	- 18,9	13,9
Зона	Поз	Обозначение	Наймем.	Кол.	Лримеч. •
	1	КП.ХХХХ. XX 001	Линза	1	
	2	КП XXXX. XX 002	Линза	1	
	J	КП XXXX. XX 003	Призма	1	
	Ч	КПХХХХXX, ООО	Сетка	1	
	б	КП.ХХХХ.ХХ 005	Линза	2	
	6	КП. ХХХХ.ХХ.006	Линза	2	
	КП.ХХХХ. XX 000 лз	
	Монокуляр Схема оптическая	
		
Рис. 93. Оптическая схема (о) и конструкция (б) монокуляра
СП
<©
рования оптической детали относительно наружного посадочного диа-
метра обеспечивается технологическим способом.
Симметричный окуляр представляет собой сборочную единицу.
Он имеет два одинаковых двухлинзовых оптических блока, установ-
ленных симметрично в оправу и закрепленных в ней с помощью резьбо-
вого и промежуточных колец. Одновременно на оправе крепятся жест-
кий наглазник и втулка с диоптрийной шкалой. Снаружи оправа имеет
окулярную резьбу, с помощью которой перемещается в резьбовой
втулке, закрепленной на корпусе 4. Резьбовая втулка на наружном
диаметре имеет штрих для отсчета по диоптрийной шкале. Конструк-
ция окуляра аналогична окулярам, показанным на рис. 43 и 55.
Сетка закреплена в оправе приклеиванием и имеет поперечное
перемещение в оправе 13. Гайка 14 фиксируется на торце оправы 13.
Перемещение и фиксация сетки осуществляются четырьмя винтами /7,
расположенными попарно под углом 90° друг к другу. Механизм пере-
мещения сетки аналогичен конструкции, показанной на рис. 55.
Крепление призмы 6 в корпусе 4 со стороны рабочих граней выпол-
няется пружинными упорами 12, гайкой 10 и втулкой 13. Регулировка
давления упора осуществляется винтом 16 и гайкой 18 через шайбу 11.
С торцевых поверхностей призма закреплена между полужесгкими
упорами на корпусе 4 и крышке 5. Крышка присоединяется к кор-
пусу винтами 15.
Таким образом, окуляр, сетка и призма закреплены с необходимой
точностью в корпусе 4. Их взаимосвязь с объективом 1 осуществляется
с помощью патрубка 7, который ввинчен в корпус 4. Патрубок имеет
наружный установочный диаметр, относительно которого объектив
центрирован при помощи посадочного диаметра с точностью
0,01-0,02 мм.
Г Крепление объектива I в патрубке 7 выполняется накидной гай-
кой 8 через кольцо 9, которое позволяет совместить фокальную плос-
кость объектива с плоскостью сетки (см. рис. 29, а). Установочный диа-
метр патрубка 7 является установочной базой монокуляра при креп-
лении его в прибор.
В соответствии с ГОСТ 2.108-81 (СТ СЭВ 2516-80) проект моноку-
ляра имеет спецификацию.
Заключение
Задание на курсовое проектирование выполнено полностью.
Произведенный аналитический расчет и графические построения
позволили создать оптическую схему и конструкцию монокуляра.
В процессе конструирования были использованы типовые конструкции
объектива, окуляра и сетки. Это значительно повысило технологич-
ность конструкции и дало возможность оптимизировать процессы
сборки и юстировки, в частности центрировку сетки.
Созданный монокуляр может быть использован в качестве визира
оптического прибора. Особенно он удобен при работе сидя.
160
Список литературы
В конце проекта помещают список использованной при курсовом
проектировании литературы.
8.2. ПРИМЕР КУРСОВОГО ПРОЕКТА ПРИБОРА
ДЛЯ КОНТРОЛЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ
Предложенный пример несколько превосходит объем курсового
проекта. Но он полезен тем, что позволяет, с одной стороны, продемон-
стрировать комплексный подход к решению усложненной задачи,
а с другой - показать проектирование двух классических устройств:
микроскопа и осветительной (проекционной) системы. К тому же,
в существующей литературе много теоретического материала по спо-
собам и средствам измерения шероховатости поверхности.
Задание на курсовое проектирование
Тема задания - измерительный прибор для контроля шерохова-
тости поверхности методом светового сечения.
Техническое задание: рассчитать габаритную оптическую схему
и выполнить проект прибора с параметрами:
линейное поле прибора 2,5 мм;
рабочий участок линейного поля прибора 2,0 мм;
измеряемые параметры Rzh #max;
пределы измерения (мкм) Rz = 20 10, Ra = 2,5 + 1,25;
точность измерения при использовании стандартной сетки винто-
вого окулярного микрометра типа МОВ-1-15 - 1,5 мкм;
режим работы - визуальное наблюдение и измерение;
угол между осветительной системой и микроскопом Ж;
угол наклона микроскопа относительно нормали к контролируе-
мой поверхности 45°;
для установки и крепления образца основание прибора должно
иметь установочный стол с двумя горизонтальными перемещениями
на ± 20 мм и одним вертикальным на ± 10 мм.
Данные для расчета габаритной оптической схемы прибора:
осветительная часть имеет предмет 2у = 3 мм, его изображение
2у' = 6 мм, передний отрезок 5 30 мм. В качестве источника света
используется лампа ОПВ-9 (Ф = 84 лм, с = 1,7 мм);
измерительный микроскоп имеет увеличение Гм = 100х, его опти-
ческий интервал Д 140 мм, увеличение окуляра Гок = 17х, для пере-
мещения сетки используется МОВ-1-15.
При расчете оптической схемы и выборе оптических элементов
использовать приложения учебного пособия. Правильность выполне-
ния расчета проверить графическим построением хода лучей на милли-
11 Ключникова Л. В.
161
метровой бумаге. Конструкции объективов, конденсора и окуляра
выполнить типовыми. Обеспечить диоптрийное перемещение окуляра
и установить жесткий наглазник. К сборочному чертежу приложить
спецификацию. По указанию преподавателя выполнить шесть-восемь
чертежей основных деталей. Вся конструкторская документация
должна соответствовать требованиям ЕСКД.
Курсовой проект выполнить в следующем объеме.
1. Графическая часть проекта: лист 1 - схема оптическая (формат
А2); лист 2 - сборочный чертеж прибора (формат А1); лист 3 - рабочие
чертежи деталей (формат А1).
2. Содержание расчетно-пояснительной записки: введение; обзор
существующих схем и конструкций; технические характеристики при-
бора; расчетная часть проекта; описание конструкции прибора; заклю-
чение; список литературы.
Расчетно-пояснительная записка
Введение
В этой части расчетно-пояснительной записки необходимо отме-
тить ряд принципиальных вопросов, говорящих о перспективах разви-
тия оптического приборостроения. Поскольку речь идет об измеритель-
ном приборе, рекомендуется сделать обзор измерительной техники
и дать классификацию оптико-механических измерительных приборов
[11, с. 45]. В заключение целесообразно отметить развитие измеритель-
ной техники на базовом предприятии.
/. Обзор существующих схем и конструкций
В соответствии с ГОСТ 2789-73* под шероховатостью поверхности
понимают совокупность неровностей с относительно малыми шагами,
образующих рельеф поверхности и рассматриваемых в пределах участ-
ка, длина которого выбирается в зависимости от характера поверх-
ности и равна базовой длине [11, с. 93].
Оценку шероховатости осуществляют качественным и количест-
венным методами. Качественный метод оценки основан на сравнении
обработанной поверхности с образцами шероховатости, количествен-
ный метод - на измерении параметров шероховатости специальными
приборами. Их можно разделить на три группы: контактные профило-
графы, профилометры, бесконтактные оптические приборы светового
сечения и рефлектометры [9, с. 129]. В зависимости от точности и пре-
делов измерения на базовой длине прибор каждой группы измеряет
соответствующие параметры шероховатости поверхности [9, табл. 3.16,
с. 132].
В качестве примеров рассмотрим несколько оптических измери-
тельных приборов (к каждому прибору необходимо выполнить прин-
ципиальную оптическую схему и дать описание ее работы).
162
Прибор светового сечения ПСС-2. Прибор предназначен для измере-
ния и фотографирования шероховатости с Rz от 20 до 0,16 мкм (ГОСТ
2789-73*) [9, с. 131]. Он также может измерять толщину прозрачных
пленок, которая находится в пределах 0,8-40 мкм. Прибор снабжен
планахроматическими объективами, позволяющими измерять неров-
ности на краю поля зрения, сменными щелями и фотокамерой типа
^Зоркий-4^ с размерами кадра 24 X 36 мм.
Микроинтерферометры. Эти приборы предназначены для измере-
ния параметров шероховатости поверхности с Rz от 0,8 до 0,05 мкм.
Они используются также для измерения глубины и профиля штрихов,
высоты ступеней, толщины прозрачных пленок и т. п. Одновременно
с визуальной оценкой измеряемых параметров большинство микроин-
терферометров содержит фотокамеры для их фотографирования.
Оптическая схема микроинтерферометра МИИ-4 [11, с. 94] пред-
ставляет собой сочетание интерферометра Майкельсона с отсчетным
микроскопом.
Оптический микропрофилометр МИИ-12. Микропрофилометр пред-
назначен для визуальной оценки и измерения высоты произвольно
расположенных неровностей на наружных поверхностях, обладающих
хорошей отражающей способностью [9, с. 131]. Измерение высоты неров-
ностей производится в диапазоне от 0,1 до 0,8 мкм.
Измерительный прибор светового сечения. По своим техническим
данным рассматриваемый прибор больше других отвечает требованиям
задания на курсовое проектирование. Поэтому будем считать его темой
курсового проекта.
Оптическая схема прибора содержит два канала: осветительную
систему и отсчетный микроскоп [11, с. 94, рис. 4.6]. Каналы располо-
жены под углом 90° друг к другу и симметрично относительно контро-
лируемой поверхности, т. е. под утлом ф « 45°.
Рис. 94. Принципиальная схема прибора: а - схема светового поля;
б - изображение поля зрения
И
163
На рис. 94 показана принципиальная оптическая схема прибора.
Световое поле образуется с помощью осветительной системы (рис. 94,а),
состоящей из источника света, щели S и объектива Оь Щель S, освещен-
ная источником света» проецируется объективом О\ на плоскость Pj
в точку 5'1. При наличии ступеньки (ммкронеровности) цель проеци-
руется на плоскость Ргв точку Si Точки Si и Sj образуют прямоуголь-
ный равнобедренный треугольник с катетом h (высота неровности)
и гипотенузой т. Из построения треугольника получим:
m2 = h2^h2s2h\
т = 2h2 = h\[~2.
Для определения величины h через т используют отсчетный мик-
роскоп, состоящий из объектива Оъ окуляра Ок и сетки, установлен-
ной в плоскости М. Предметные точки объективов О\ и Ог совмещены
и находятся в точке Si. При наличии микронеровностей h в поле зре-
ния микроскопа будут наблюдаться два изображения щели, разнесен-
ные на величину Ь (рис. 93, б):
b = SiS2= Роб/л = V 2 РОбЬ,
где Роб - увеличение объектива Оъ
Величину Ъ измеряют с помощью винтового окулярного микро-
мера типа МОВ-1-15, у которого в плоскости М расположена сетка с изо-
бражением двух перпендикулярных нитей (штрихов). Сетка перемеща-
ется с помощью микрометрического винтового механизма со шкалой.
На рис. 95 показан процесс
измерения высоты микро-
неровностей. Совмещая по-
следовательно горизонталь-
ный штрих МОВ с ли-
нией впадин (рис. 95, а),
а затем с линией выступов
(рис. 95, б), считывают со
шкалы винтового механизма
значение Ь.
Рис. 95. Схема измерения высоты неровностей:
a — совмещение штриха МОВ с линией впадин;
б — совмещение штриха МОВ с линией выступов
При объективе с увели-
чением Роб = 6х и окуляре
МОВ-1-15 прибор позволит
контролировать шерохова-
тость поверхности, выпол-
ненной с Rz от 20 до 6,3 мкм.
Перспективным для данного класса приборов, работающих на реги-
страции отраженного света, является прибор, оценивающий интеграль-
но шероховатость поверхности с помощью фотоэлектрического прием-
ника. Он также содержит осветительную систему и регистратор, рас-
считанный на работу не с глазом наблюдателя, а с фотоэлементом. Ре-
гистратор состоит из светофильтра, объектива и приемника. Контро-
лируемая поверхность по своей структуре близка к дифракционной
164
решетке с шагом А Если длина волны падающего на поверхность света
много меньше постоянной решетки (шага t), то, измеряя ее интенсив-
ность в нулевом диффракционном максимуме, можно контролировать
шероховатость поверхности с 10 до 0,8 мкм.
Конструкции измерительных приборов для контроля шерохова-
тости зависят от их оптической схемы. По конструктивным признакам
их можно разделить на две группы: микроскопы и профилометры-про-
филографы. Микроскопы теневого и светового сечения, растровые
и др. содержат стол для образца, вертикально расположенную опорную
конструкцию с размещенной на ней оптической схемой.
Профилометры-профилографы имеют горизонтально ориентирован-
ное основание с расположенными на нем механизмами и элементами
оптической схемы. Как правило, основание устанавливается на изме-
ряемую поверхность и обеспечивает необходимый зазор для оптичес-
кого или механического контакта.
В приборах много типовых оптических сборочных единиц: объек-
тивов, окуляров, осветителей с конденсорами, фотоприставок и т. п.
2. Технические характеристики прибора
Измерительный прибор предназначен для контроля шероховатости
поверхности в режиме визуального наблюдения и измерения парамет-
ров Rz = 20 * 10 мкм и Ra = 2,5 1,25 мкм с точностью 1,5 мкм.
Для установки образца прибор имеет стол с перемещениями: гори-
зонтальными (в двух перпендикулярных направлениях) на ± 20 мм
и вертикальным на ± 10 мм. Точность перемещений 0,01 мм.
Оптические характеристики прибора: линейное поле 2,5 мм; рабо-
чий участок линейного поля 2,0 мм; угол между осветительной систе-
мой и микроскопом 90°, осветительная система имеет: 2у = 3 мм,
2у ' = 6 мм, S 30 мм и лампу ОП8-9 (Ф = 84 дм, с = 1,7 мм).
Отсчетный микроскоп имеет: Гм = 100х, Гок = 17х, А * 140 мм,
N = ± 5 дптр.
5. Расчетная часть проекта
Габаритный расчет оптической схемы прибора произведем по час-
тям. Вначале рассчитаем осветительную систему, а затем микроскоп.
Перед габаритным расчетом произведем теоретический анализ
оптической схемы. Она содержит осветительную систему и микроскоп,
расположенные симметрично под углом 90* друг к другу. Оптическая
схема осветительной системы состоит из осветительной части (источ-
ника света и конденсора) и проекционной части (диафрагмы и проек-
ционного объектива). В осветительной части нить лампы проецируется
конденсором во входной зрачок объектива. В проекционной части
освещенная диафрагма проецируется в зону светового сечения.
Оптическая схема микроскопа состоит из положительных объек-
тива и окуляра. Предмет АВ находится перед объективом на расстоя-
нии, несколько большем, чем фокус объектива. Объектив образует
действительное увеличенное и перевернутое промежуточное изобра-
165
жение А' В' в передней фокальной плоскости окуляра. Изображение
А' В’ является предметом для окуляра. Он дает увеличенное изобра-
жение предмета в бесконечности. В передней фокальной плоскости
окуляра установлена сетка, которая видна в окуляре одновременно
с изображением предмета. Это позволяет производить необходимые
измерения.
А. Габаритный расчет осветительной системы. Исходные данные
для расчета: размер диафрагмы 2у = 3 мм; размер светового поля
2 у' = 6 мм; удаление светового поля от объектива S' ~ 30 мм; источник
света лампы ОП8-9 (Ф = 84 лм; с = 1,7 мм).
Задание на расчет: рассчитать и выбрать проекционный объектив;
уточнить удаление светового поля от объектива; рассчитать параметры
конденсора; построить ход лучей в осветительной системе и ее габарит-
ную схему.
Рассчитаем и выберем проекционный объектив. Увеличение объек-
тива из формулы (3.21) будет
Роб =-3/1,5 = -2Х.
Его фокусное расстояние определим, используя формулу (3.22):
Г	30 1А
/об = 1Z(Z2)= 10 мм-
По полученным данным выбираем объектив (см. приложение 8)
с оптическими характеристиками:	= 10,44 мм, Sy = -7,72 мм,
S'f =11,36 мм. Его конструктивные параметры следующие:
Рис. 96. Оптические элементы осветительной системы: а — объектив;
б — конденсор
Эскиз оптической схемы объектива изображен на рис. 96, а. Рассчи-
таем вершинные отрезки объектива:
SH = S'F - /об = -7,72 + 10,44 = 2,72 мм;
S'h =S'f - /об = 11,36- 10,44 = 0,92 мм.
166
Определим положение диафрагмы (предмета) относительно проек-
ционного объектива по формуле (3.24):
z =—(10,44/2) =—5,22 мм;
а = /об + (“*) = “ ЮЛ4 - 5,22 = -15,66 мм;
$=о-	=- 15,66- 0,92 = -16,58мм.
Уточним удаление светового поля. Определим угловое поле зре-
ния объектива:
tg« = f 41?1 = гНа = °’09578;u = 5>47’’
2ы = 10,94°.
Отсюда получим:
о' - y/tgЬ) = 3/0,9578 = 31,32 мм;
•5 = о ~~ S31,32 — 2,72 = 28,6 мм.
Определим диаметр входного зрачкаО со стороны диафрагмы. Уве-
личение в зрачках равно отношению (3.29)
Рр= 11,36/10,44 = 1,08.
Из формулы (3.30) имеем D = 5/1,08 = 4,63 мм.
Расчет конденсора ведем из условия, что нить накала лампы прое-
цируется на входной зрачок объектива. Увеличение конденсора опре-
делим по формуле (3.31)
- ₽к =-4,63/1,7 =-2,72\
Рассчитаем угол охвата конденсора о А, если известно о = о д = 5,47°.
Из формулы (3.32) имеем:
sin Од = 2,72 • 0,0953 = 0,25928; о А = 15°.
В осветительной части используется двухлинзовый симметричный
конденсор. Его линзы выполнены из материала К8. Для обеспечения
высокой светосилы его относительное отверстие должно быть близким
к единице. Принимаем DK/fK = 1/1,2. Диаметр конденсора берут больше
чем проектируемый предмет на 5-10 мм. Принимаем DK = 2у + 5,3 =
= 8,3 мм. Тогда
= 1,2DK = 1,2 • 8,3 = 9,96 ~ 10 мм.
Эквивалентную оптическую силу конденсора Фк определяют по
формуле (3.34): Фк = Ф1 + Ф2 = 2ФП. Отсюда f'n = 2/к = 2 • 10 = 20 мм. Ра-
диус линзы найдем по формуле q = f’n (п- 1) = 20(1,5163 - 1) = 10,3 мм,
отсюда г2 = °° и dH= 0,5 мм.
Толщина линзы d равна сумме стрелки прогиба сферической по-
верхности h и толщины края линзы dKp. Из формулы (3.35) получаем:
h = 10,3- 7106,7- 17,2 = 10,3- 9,46 = 0,87мм;d = 0,87 + 0,4 = 1 - 627мм.
Принимаем d = 1,5 мм. Таким образсм, находим параметры конденсора
/к = Ю мм, SF = 8,25 мм, Sjr = -8,25 мм и вершинные отрезки SH =
= 1,75 мм, S’H =-1,75 мм.
Эскиз конденсора изображен на рис. 95,6 .
167
Рис. 97. Осветительная система прибора: о — ход лучей; б - габаритная схема
168
Определим расстояние от задней главной плоскости Н'к конден-
сора до изображения источника света а кпри q = 21,24 мм:
ак= ^л+ 9 + 1°об1 = 1,5 + 21,24+ 15,66 = 38,4 мм,
где q - расстояние между конденсором и диафрагмой (предметом),
выбирается конструктивно. Оно не должно быть слишком малым,
иначе дефекты последней линзы конденсора будут отчетливо видны
в плоскости светового сечения. Кроме того, величина ак связана с f'K
формулой
Рк)’
Найдем положение источника света относительно передней глав-
ной плоскости Нк конденсора
° к 38,4 1 л ,
vT-14,1 мм>
Определим отрезки конденсора:
S=flK- SH= 14,1 - 1,75= 12,35 мм;
S' = ак- S’H = 38,4 - 1,75 = 36,65 мм.
Графическое построение хода лучей выполняем по результатам
габаритного расчета осветительной системы на миллиметровой бумаге
(рис. 97, а). Оно подтверждает правильность расчетов. Габаритная схема
(рис. 97, б) позволяет перейти к выполнению конструкторской доку-
ментации прибора.
Б. Габаритный расчет микроскопа. Исходные данные для расчета:
увеличение микроскопа Гм = -100х; увеличение окуляра Гок = 17х;
оптический интервал микроскопа Д 140 мм; перемещение окуляра
N + 5 дптр.
Задание на расчет: рассчитать и выбрать объектив; рассчитать и вы-
брать окуляр; рассчитать линейное поле зрения микроскопа и окуляра;
определить положение предмета относительно объектива; рассчитать
диаметр выходного зрачка и его удаление; построить ход лучей в мик-
роскопе; рассчитать предел разрешения микроскопа; определить глу-
бину резкости; определить перемещение окуляра; построить габарит-
ную схему микроскопа.
Выбор объектива. Из формулы (3.38) определим увеличение объек-
тива
Роб = -Гм/Гок = -100/17 = -5,9х.
Из соотношения 500А « Гм < 10004 выбираем минимальную апе
ртуру микроскопа, т. е.
4 = Гм/500 = 100/500 = 0,2.
Как известно, А = nsinoA, отсюда
sino4 = 4/п = 0,2 и оА = 11,5’.
169
Фокусное расстояние объектива предварительно рассчитываем по
Формуле
Роб - д'/об>
/об = -Д/(-Роб) = 140/5,9 = 23,72 мм.
По полученным данным выбираем объектив (см. приложение 8) с опти-
ческими характеристиками: /°б = 24,18 mm,Sf = -21,77 мм, SF = 23,68 мм
и А = 0,2. Его конструктивные параметры:
г, мм	d, мм	
13,1		
-8,6	2,9	9.0
39,9	1,5	
Эскиз оптической схемы объектива изображен на рис. 98, а. Вер-
шинные отрезки объектива будут равны:
SH = SF - /сб = -21,77 + 24,18 = 2,41 мм;
5я = /об “ /об = 23,68 “ 24,18 = -0,5 мм.
Уточняем оптический интервал микроскопа:
Д =/об Роб = 24,18 • 5,9 = 142,66 мм.
Выбор окуляра. Определяем фокусное расстояние окуляра по фор-
муле (3.48)	= 250/1? = и>758 = 15 мм
Из приложения 5 выбираем симметричный окуляр с оптическими
характеристиками: f'0K = 15 мм, 2ы = 52°, SF = -11,2mm,Sf = 11,2 мм. Его
конструктивные параметры следующие:
г, мм	d, мм	
35,11 13,93	10,0	15,0
-20,14	4,5	15,0
20,14	0,07	
-13,93	4,5	15,0
-13,11	10,0	15,0
Эскиз оптической схемы окуляра изображен на рис. 98, б. Вершин-
ные отрезки окуляра будут равны:
SH =SF- /ок =-11,2+ 15 = 3,8 мм;
5я =Sf -/'ок = 11,2-15 = -3,8 мм.
Рассчитаем линейное поле зрения микроскопа и окуляра. Линей-
ное поле зрения микроскопа определим по формуле (3.49):
500tg26° 500-0,4877
2у" “ юо “ foo “2,44 ММ’
170
Рис. 98. Оптические элементы микроскопа: а — объектив;
б — окуляр
Отсюда линейное поле зрения окуляра равно 2у - 2уроб =
« 2,44 • 5,9 = 14,4 мм. Проверим его значение со стороны окуляра:
2у' = 2/oKtg 26е = 14,6 мм. Принимаем световой диаметр сетки равным
диаметру полевой диафрагмы: 0^ = 2у = 14,5 мм.
Определим положение предмета относительно объектива по фор-
муле (3.50)
иоб = -(24,18)2/142,66 = -4,09 мм.
Отсюда передние отрезки объектива равны:
-аОб = “/об + (~2об)° “28,27 мм; -5об = -Sjr + (“Zo$) = -25,86 мм.
Уточним диаметр объектива: Ооб = 21 аоб IА = 11,3 мм.
Рассчитаем диаметр и удаление выходного зрачка. Диаметр выход-
ного зрачка D' можно рассчитать по формуле (3.44):
D' = 500-0,2/100 = 1 мм.
Его удаление определим из формул:
Zp = а об = /об + = 24,18 + 142,66 = 166,84 мм;
zp =-/оК/^р = 152/166,84 = -1,35мм.
Задние отрезки окуляра равны:
°р = Гок+*р = 15+ 1,35 = 16,35 мм;
Sp = S'f +Zp = 11,23 + 1,35 = 12,58 = 12,6 мм.
Проверим диаметры входного и выходного зрачков через увели-
чение в зрачках рр:
Рр = *р /Гок = 1,35/15 = 0,09; рр = D7D;
D = D7Pp = 1/0,09 = 11,1 мм;
D'=D₽p = 11,3-0,09 = 1,01 мм.
Можно считать, что диаметры зрачков совпадают с полученными
ранее результатами.
По результатам габаритного расчета строим на миллиметровой
бумаге ход лучей в микроскопе (рис. 99, а). Графическое построение
подтверждает правильность выполнения расчетов.
171
172
Найдем предел разрешения микроскопа. Предел разрешения мик-
роскопа определим по формуле (3.45):
б = 0,689/2-0,2 =1,47 мкм.
Для повышения точности (до б  1,25 мкм) необходимо установить
зеленый или синий светофильтр.
Рассчитаем перемещение окуляра для диоптрийной наводки по
глазу в пределах ± 5 дптр. Перемещение определим по формуле (3.19):
15а • 5
мм-
В пределах 1 дптр. Х] = ± 0,225 мм.
На основе габаритного расчета и выбранных объектива и окуляра
на миллиметровой бумаге строим габаритную схему микроскопа (рис.
98, б), которая позволит совместно с габаритной схемой осветительной
системы выполнить конструкторскую документацию прибора.
В. Создание оптической схемы прибора. Конструкторская докумен-
тация прибора начинается с создания его оптической схемы, выполнен-
ной в соответствии с ГОСТ 2.412-81. Схема вычерчивается на формате
А2 по результатам выполненного габаритного расчета (рис. 100, а).
В соответствии с заданием оптические оси осветительной системы
и микроскопа расположены под углом 90° друг к другу и симметрично
к плоскости образца, на которой находится точка их пересечения.
Источник света (лампа ОП8-9) проецируется конденсором 2 на входной
зрачок проекционного объектива, состоящего из линз 3 и 4. Для кор-
рекции длины волны использован светофильтр 1. Проекционный объек-
тив изображает диафрагму диаметром 3 мм в плоскости предмета,
которая рассматривается с помощью микроскопа.
Объектив микроскопа, состоящий из линз 5 и 6, проецирует изобра-
жение предмета в плоскость сетки 7, где оно рассматривается с по-
мощью симметричного окуляра. Окуляр состоит из линз 8 и 9, объеди-
ненных в два одинаковых линзовых блока.
4. Описание конструкции прибора
Конструкция измерительного прибора изображена на рис. 100, б.
Она выполнена в соответствии с техническим заданием и требова-
ниями оптической схемы.
Прибор имеет стойку с двухкоординатным столом 5, на которой
установлена с возможностью вертикального перемещения вилка 6.
Осветительная система и микроскоп представляют собой самостоятель-
ные сборочные единицы. Их сборка и юстировка могут производиться
независимо друг от друга. Вилка 6 имеет два отверстия, расположен-
ные под углом 90* друг к другу. В одно отверстие неподвижно встраи-
173
С бе тобой поток лампы накалибания Фо «= 3<f лм;
Измерительный микроскоп имеет: увеличение
Г = 100*, линейное поле 2у *2,94 мм, число бую
апертуру А = 0,2, предел разрешения 8=1,5мкм
Плоскость предмета
Зона	Поз.	Обозначение	Маимен.	Кол.	При меч.
	1	КП.ХХХХ. XX. 001	Светофильтр	1	
	2	КП.ХХХХ.XX.002	Линза	2	
	3	КП.ХХХХ. XX. 003	Линза	7	
	4	КП. ХХХХ. XX. 009	Линза	7	
	5	КП.ХХХХ. XX 005	Линза	7.	
	6	КП.ХХХХ. XX. 006	Линза	1	
	7	КП XXXX. XX. 007	Сетка	1	
	3	КП.ХХХХ. XX.008	Линза	2	
	9	КП.ХХХХ. XX. 009	Линза	2	
Поз.	Наименование	Г	sf	Sh
2	Конденсор	10,0	-3,25	6,25
3,9	Объектиб	10,9	-7,72	11,36
5,6	Объектиб	29,2	-21, 77	23,68
8,9	Окуляр	15,0	-11, 25	11,23
	КП. ХХХХ, XX. 000 ЛЗ	
	Измерительный прибор Схема оптическая	
		
Рис. 100. Измерительный прибор: а - схема оптическая; б - сборочный чертеж
вается микроскоп с возможностью юстировочного перемещения вдоль
оптической оси. Его положение в вилке фиксируется винтом 19.
Во втором отверстии вилки 6 на центрах 20 установлена с возмож-
ностью покачивания осветительная система. Положение центров фик-
сируется гайками 21. Покачивание осуществляется двумя винтами 77,
работающими навстречу друг другу.
Остановимся на конструкции сборочных единиц.
Осветительная система собрана в корпусе 9, к которому с одной
стороны на резьбе крепится объектив 1 с диафрагмой 13. Промежуточ-
ное кольцо между ними определяет расстояние, заданное оптической
схемой. С другой стороны на корпус навинчен патрубок 7, в котором
на трении перемещается стандартизованный патрон 23 с лампой. Фик-
сация патрона производится винтом 16. В центральной части корпуса
9 на внутренней резьбе закреплен конденсор. Его положение опреде-
ляет установочное кольцо 11. Объектив 1 и конденсор 3 выполнены
в виде самостоятельных сборочных единиц. Двухлинзовый объектив
собран в корпусе. Крепление линз в нем осуществляется с помощью
промежуточного и резьбового колец. Подобная конструкция и у кон-
денсора. В корпусе, выполненном в виде втулки, установлены свето-
фильтр и линзы конденсора. Их положения определяют промежуточ-
ные кольца. Крепление выполнено резьбовым кольцом. Для переме-
щения осветительной системы вдоль оптической оси корпус 9 установ-
лен во втулку 12. Со стороны объектива между торцами корпуса
и втулки установлена цилиндрическая пружина 14. Со стороны освети-
теля, закрепленного в патрубке 7, на корпус 9 навернута гайка 8, торец
которой упирается в торец втулки 12. Таким образом, при вращении
гайки 8 осветительная система перемещается на нужную величину
вдоль оптической оси. От разворота корпус 9 удерживает шпонка 10,
закрепленная на нем винтами 18 и скользящая по пазу, выполненному
во втулке 12. Одновременно шпонка определяет и перемещение
корпуса.
Микроскоп имеет предельно простую конструкцию. Общий корпус
15 с одной стороны имеет внутреннюю резьбу, на которой закреплен
объектив 2. С другой стороны он имеет наружный посадочный диаметр
для установки и крепления хомутом винтового окулярного микро-
метра 22 типа МОВ-1-15х [11, с. 62]. Окуляр 4 представляет собой резь-
бовую втулку с наружной окулярной резьбой, в которой с помощью
промежуточных и резьбового колец закреплены линзы окуляра. Кон-
струкция объектива 2 микроскопа аналогична конструкции проекцион-
ного объектива 1. Для удобства работы микроскоп можно развернуть
в любое положение относительно оптической оси.
В соответствии с ГОСТ 2.108-81 (СТ СЭВ 2516-80) к сборочному
чертежу прибора прилагается спецификация.
176
Заключение
Задание на курсовое проектирование выполнено полностью.
Произведенный расчет и графические построения позволили соз-
дать оптическую схему и конструкцию измерительного прибора.
В процессе конструирования были использованы типовые и стан-
дартизованные конструкции объективов, конденсора, окуляра и вин-
тового окулярного микрометра. Это упростило конструкцию и повы-
сило ее технологичность. Выбор и реализация необходимых подвижек
элементов прибора позволили оптимизировать процессы его сборки
и юстировки.
Созданный измерительный прибор может быть использован на
производстве для контроля шероховатости поверхности детали с Rz
от 20 до 6,3 мкм (ГОСТ 2789-73*).
Список литературы
В конце проекта помещают список использованной при курсовом
проектировании литературы.
12 Ключникова Л. В.
Приложение 2
РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовому проекту
по предмету__________________________________________________
Тема______________________________________________________
Учащийся__________________________________________________
Специальность_____________________________________________
Группа____________________________________________________
Руководитель проекта______________________________________
19.	. г.
180

181
ирилижспиа ч
е (разреша-
ющая спо - -	-	-	_	_	_	-	_	-	«2*	1-2"	3*	1-2" 1-2"	2"
собность)
Д</(±мм)	ь0,5-1 0,2-0,5 0,2-0,5	0,5 0,5-1 0,1-0,2	0,1	0,2-0,5	0,2	0,1	0,5	0,2	0,5	0,5-1 0,5-1 0,2-0,5
!2
Приложение 5
Окуляры телескопических систем
z. 5
Тип окуляров. Оптические характеристики	Конструктивные параметры окуляров				
	Номер поверх- ности	г	d	nD	D
Симметричные окуляры	1	33,11			
			10,0	1,6475	15
	2	13,93			
			4,5	1,5163	15
Г	«V	Г-	3	-20,14			
			0,07	1	
> кН	4	20,14			
			4,5	1,5163	15
	5	-13,93			
f = 15; 2о = 52°;			10,0	1,6475	15
Sf = —11,2;	= 11,2	6	-33,11			
	1	68,66			
			1,5	1,6164	22
А j	2	21,01			
			7,5	1,5163	22
Г = 25; 2(0 = 40°;	3	-30,85	П 1	1	
$£=-18,9; 5? = 18,9	4	30,85			
			7,5	1,5163	22
	5	-21,01			
			1,5	1,6164	22
	6	-68,66			
	1	109,65			
			2,5	1,6164	34
	2	33,73			
			12,0	1,5163	34
Г =40; 2(0 = 40°;	3	-49,20	п ?	1	
$£ = -30,2; $£’=30,2	4	49,20			
			12,0	1,5163	34
	5	-33,73			
			2,5	1,6164	34
	6	-109,65			
Окуляры Кельнера	1	66,18			
			6,0	1,5163	24,5
F [A	Г	2	-31,09			
•	1	кн *			18,0	1	
Uy	№	3	18,05			
			5,5	1,5399	14
	4	-13,54			
Г =25; 2(0=50°;			1,5	1,6199	14
Sp = — 7,4; £/•' = 9,0	5	-95,53			
6
5
D
)
>
I
183
Продолжение прил. 5
Тип окуляров. Опта характеристик]				Конструктивные параметры окуляров
				ческие	Номер и	поверх-	Т	d	Bp	D ности
1	156,89	13,0	1,5163	36 Г-39; 2(0-45’;	2	~38’15	27,2	1 3	29 41 Sf«-11,09; S'f-11,42	’	12,0	1,5163	29 4	~19,63	2,0	1,6475	29 5	-88,58				
1	б9>94	12,0	1,5163	44 2	-133,05 Г = 50; 2(0 = 45°;	33,3	1 3	3631 Sf = -17,33; S’f - 19,24	9,5	1,5399	28 4	-27.04 2,5	1,6475	28 5	-144,54				
Окуляр Эр F	фле	б	1	-56,01 1,7	1,6199	36,5 2	31,89 15,0	1,5163	36,5 3’	-31,89 Рп	г	1 О	4	70 78	
:	 СЧ 04 • оо я 1 II “ t	ь 0 = ' S'f	Ж а х) 70°; •'«1	Iх И	"	'	7,6	1,5163	36,5 5	-70,78 W	0,25	1 6	29,41 13,8	1,5163	36,5 7	-34,42 1,8	1,6199	36,5 7,0	8	-170,23	
Широкоугольные окуляры	1	—36,31 1,7	1,7398	27				
Г	S		м	2	23,12 9,2	1,М67	27 г 3	-23,12 __А	0,2	1
Г =18,6; SF=—7,4	! 2(0 Sj	г = 65° Г' = 1	и к ► 1,5	4	46,13 6,0	1,5467	27 5	-46,13 0,2	1 6	23,12 5,5	1,5467	27 7
184
Продолжение прил. 5
Тип окуляров. Оптические
характеристики
Г =38; 2ы = Ж;
•5/-=—22,79; 5^ = 24,55
Конструктивные параметры окуляров
Номер поверх- ности	г	d	nD	D
1	-157,04	12,0	1,5163	Я
2	-49,20	0,5	1	
3	59,16	17,0	1,5163	39
4	-43,65	4,0	1,7398	39
5	-218,80	0,5	1	
6	35,32	9,0	1,5163	39
7	539,50			
Приложение 6
Объективы телескопических систем (двухлинзовые)
Оптические характеристики						Конструктивные параметры							
г	D/Г	W	sp	SF	5 Г	151		'а	di		Марка стекла		D
											1-я лин- за	2-я лин- за	
22,5	1:4	10	—	-21,8	21,2	19,1	-7,5	-18,0	3,0	2,0	К8	ТФ1	5,6
60	1:3,8	8	-36	-58,4	57,3	36,3	-24,2	-80,5	4,0	1,5	К8	ТФ1	15,5
80	1:4	12	-41:4	-79,4	76,2	44,6	-33,3	-152,7	4,5	2,0	К8	Ф2	20,0
80	1:4	12	—	-78,4	76,6	53,2	-32,1	-91,8	5,5	2,8	К8	ТФ1	20,0
100	1:2,5	2,5	—	-98,2	93,3	60,4	-44,8	-143,4	10,1	2,5	К8	ТФ1	40,0
100	1:3,3	5	—	-97,4	97,2	86,6	-32,5	-85,1	6,1	2,1	К8	Ф2	30,0
. 100	1:4	11	—	-99,0	96,0	59,0	-42,3	-146,3	5,7	1,9	К8	ТФ2	26,3
• 140	1:4,4	14	—	-134,9	136,3	172,1	-541,6	-138,2	8,0	3,0	К8	Ф2	31,5
150	1:4,2	7,5	-155	-149,0	142,5	80,7	-111,9	-490,6	9,0	3,0	К8	Ф4	36,0
190	1:5,9	8	-190	-190,1	181,7	92,9	39,3	-564,9	4,4	8,7	ТФЗ	БФ7	32,0
200	1:4	12	-100	-194,4	197,0	131,1	55,0	-211,9	2,0	8,0	ТФ1	К8	50,0
220	1:6,2	12	—	-216,2	217,4	224,9	-64,7	-158,2	7,0	2,8	К8	Ф4	35,4
250	1:12	6	—	—247,6	249,8	319,9	—66,2	—159,2	4,4	2,7	К8	Ф1	21,0
300	1:8	5	—	-299,6	296,9	157,2	-136,4	-639,4	3,5	2,0	К8	ТФ1	34,0
560	1:7	6	—	-602,4	583,4	247,2	146,6	□о	9,0	11,0	ТФ1	КЗ	80,0
1000	1:10	3	—	-1002	982,1	402,8	-446,7	оо	14,0	10,0	КФ4	ТФ1	100,0
2000	1:8	1	—	-1998	1982	1219	-816,6	2780	30,0	20,0	К8	ТФ1	250,0
185
Приложение 7
Фотографические и проекционные объективы
Тип объективов. Оптические характеристики	Конструктивные параметры объективов				
	Номер поверх- ности	г	d	nD	D
Фотографические объективы
Г = 52; 1:3,5; 2а = 42°;
Sp= —44,66; Sp' = 35,59
1	19,14	3,1	1,6130	14,5
2	-81,31	6,3	1	
3	-19,54	1,6	1,6164	12,0
4	22,35	6,6	1	
5	237,70	2,6	1,6130	14,5
6	-22,35			
Г =75; 1:1,5; 2а = 18°;
Sp = -23,96; $£' = 44,10
1	56,43	6,9	1,6126	50,3
2	429,50	0,1	1	49.7
3	-180,37		1,6475	42.2
		1,7		
4	20,10			31,5
		16,0	1	
5	-29,78		1,6475	31,0
		3,3		
6	27,0			34,2
		15,0 0,2	1,6577	
7	-39,63			35,5
8	76,91		1 1,6577	34,2
		12,0		
9	-129,70			32,3
4	/			-Я	1	I	30,0 5,7 1,6126	28,6 2	1100 "	6,2	1
f = 100; 1 $£=—87,3	:3,5 9; J	2	а = 60° = 82,1		3	-74,0 1,9	1,6259	28,6 4	30,0 10,3	1 5	175,0 3,8	1,6126	28,6 6	-48,0
4					1	88,81	л	68,0 8,6	1,6227 2	441,86	л п	ч	66,8 ,	2,3 1 Г	3	55,91	60,6 	ж,	’	inn 1 6797
Г = 180; 1 $£=-197,	:2,8 V	5 ; 2	а = 14° = 83Д	V »	4	77’€6	юл	М982	55’4 5	-959’7°	14,5	1,6725	51'2 6	37,02- АЛЛ	38,8 39,8	1 7	186>80	шноА	30,8 3,8	1,7280 8	-2367,8	31,0
186
Продолжение прил. 7
Тип объективов. Оптические характеристики							Конст	руктивные параметры объективов			
							Номер поверх- ности	г	d	nD	D
Проекцио л		иные объективь		41х		Г	1	46,8	11,0 1,510	36,5 2	-39 9 ’	2,5 1,578	36,5 3	оо 32,5	1 4	66,5 ’	2,5 1,578	39,5 5	26’5	2,5	1 6	30,4 10,5 1,510	39,5 7	-134,8				
Г-’ Sp-	75; 37,3	1:2,1; 2ы = 23°; 9; S? = -45,5		Я V4 1 П S 1							
52,4	14,0	1,510	48,6 2	—47.9 ’	2,4	1,578	45,2 100; 1:2.1;	3	«	2Д	j 2а =23°; Sf=37,39;	4	88,5 Sjr<--45,5	5	35,3	зз	j 6	40,4	14,2 1,510	68,4 7	-181,3											
F	fz \ I				г		1	79,4 11,0	1,5163	51,3 2	-76,4 3,7	1,6199	50 3	00 90,2 1 4	56,6 9,8	1,5163	32,8 5	-46,6 2,0	1,6199	30 6	-492,2				
г- Sp-	lz< 1 \ ''г'ч 100; 1:1 38,9; 5		1; 2(0 ° 5°; Г =-29,6	л*							
187
Приложение 8
Объективы микроскопов
Тип микрообъективов. Оптические харак- теристики	Конструктивные параметры объективов				
	Номер поверх- ности	г	d	Марка стекла riD	D
Двухлинзовые объективы					
малого увеличения					
/' = 10,44; А = 0,25;	1	3,32			
			2,5	1,4338	5,0
Sf=-7,72; $> = 11,36;	2	-6,03	0,45	1,5696	8,4
р<10	3	23,99			
Г = 16,42; А = 0,2;	1	21,0			
			1,0	1,6475	4,8
$/=—14,14; $> = 15,65;	2	-6,9	3,5	1,5163	4,8
р < 10	3	-10,0			
Г-35,89; А = 0,1;	1	42,9			
			0,92	1,6488	7,6
SF= -34,69; 5'г = 35,36;	2	-14,29	1,73	1,5100	7,8
0 = 3	3	-22,46			
Г = 24,18; А - 0,2;	1	13,09			
			2,86	1,5163	9,0
5F= -21,77; S'p = 23,68;	2	-8,59	1,51	1,6138	10,6
р < 10	3	-39,99			
/' = 29,48; А «0,1;	1	16,75			
			2 Я	1 5163	6 4
SF= -28,01; $>=28,65;	2	-6,49	1,0	1,7398	7,2
СО II со.	3	-19,63			
	1	оо			5,8
			1,0	ТФ1	
Объективы ахроматы	2	8,9	2,0	КФ4	6,3
М-42 (8 X0,20);	3	-8;9	13,7	—-	6,3
Г = 18,4; 5 = 8,57;	4	144,4	1,0	ТФ1	7,5
система сухая (см. рис. 45)	5	13,67	2,0	КФ4	7,6
	6	-13,8			7,6
	1	оо	0,92	К2	1,0
.	Ч	{/	2	-0,78	0,05	—	
ОМ-41 (90 X 1,25);	3	—7,88	1,00	К5	1,55
Г «1,96;5«0 1;					
	4	-2,01	0,2	ТФ1	2,5
масляной иммерсии (см. рис. 4b)	5	-34,01	1,0	К2	3,0
	6	5,32	1,82	—	3,4
188
Продолжение прол. 8
Тип микрообъективов. Оптические харак- теристики	Конструктивные параметры объективов				
	Номер поверх- ности	г	d	Марка стекла nD	D
ОМ-41(90X 1,25);	7	-4,02	1,51	ТФ4	
	8	101,80		К5	4,4
/' = 1,96; 5 я 0,1;			1,0		
масляной иммерсии (см. рис. 46)	9	5,66	131		4,6
	10	-7,44			4,8
	1	оо	1,30	Кедровое	1,4
	2	-1,08	0,04	масло К2	23
	3	-11,08	1,40	—	3,1
	4	-2,8	0,25	КЗ 1	3,4
	5	сю			4,5
			0,90	—	
Объективы апохроматы	6	6,8	2,60	БФ27	4,7
ОМ-15 (60 ХОД);	7	-4,8	1,1		5,0
				Флюорит	
/' = 3,1; 5=0,22;	8	оо	2,35	—	5,0
масляной иммерсии, с ирисовой	9	—5,02	1,1	Флюорит	5,2
диафрагмой (см. рис. 47)	10	5,7	2,6	ЛФ1	5,5
	11	-12,8	0,02	Флюорит	5,7
	12	со	2,03	К15	5,7
	13	-7,03	1,2	Квасцы	6,2
	14	7,03	2,4	КФ4	6,2
	15	-112,9			6,5
	1	оо	2,0	ЛФ1	6,8
	2	-8,0	7,5	—	7,2
	3	со	13	К8	7,8
ОМ-18 (10X0,3);	4	13,57	13	Флюорит	83
/-15,1; 5 = 4,8;	5	-13,57	10,4	—	8,4
система сухая (см. рис. 48)	6	31,00	1,5	ЛФП	8,8
	7	12,40	2,0	Флюорит	9,0
	8	-12,40	1,5		9,4
	9	-21,38			9,4
189
Продолжение прил. 8
Тип микрообъективов. Оптические харак- теристики	Конструктивные параметры объективов				
	Номер поверх- ности	т	d	Марка стекла "D	D
	1	оо	4,0	ТК1	3,0
	2	—3,8	0,6	—	5,0
	3	-32,0	2,5	БК9	7,0
£	4	8,5	2,4	Флюорит	7,7
ОМ-21 (20 X 0,65);	5	-7,3	7,5	—	7,7
/' = 8,43; 5 = 0,67;	б	70,0	2,0	К8	11,0
система сухая (см. рис. 49)	7 8	-13Д 76,3	0,5	—	11,0 11,0
			1,0	КФ2	
	9	9,2	3,6	Флюорит	10,3
	10	-9,2	1,0	КФ1	10,3
	И	-64,1			10,3
	1	оо	1,7	КЗ	1,6
	2	-1,8	0,2	—	3,0
Эпиообъектив	3	оо	1,3	ТФ2	3,4
ЭО -1 (40 X 0,65);	4	4,2	1,5	КЗ	3,8
/'«6Д 3 = 0,7;	5	-4,6	3,4	—	3,8
система сухая (см. рис. 50)	6	26Л	1,0	Ф2	5,3
	7	5,6	1,8	КЗ	5,8
	8	-7,9			5,8
190
Приложение 9
Окуляры микроскопов (см. рис. 55). J
Окуляры Гюйгенса. Оптические характеристики.
Шифр	Г*	2Г	Г	Примечание
АМ-4	4	24	62	Прибор со шкалой
М-7	7	18	36	> со шкалой и сеткой
АМ-8	8	21	31,4	> с перекрестием
АМ-10	ю_.		-.25				> _ с повышенной центрировкой
М-11	15	8	17	» с перекрестием
Окуляры Гюйгенса. Конструктивные параметры
Шифр	Г1	г2аг.	гз			*3	Марки стекла		D	
							1-я линза	2-я линза	1-я линза	2-я линза
АМ-4	25,4	оо	17,8	4	53,6	2,5	К14	К14	20	8
М-7	22,8	OG	11,5	3	37,4	2,5	К8	К8	16,5	7
АМ-8	23,0	СО	11,9	5	31,6	2,0	К8	К8	, 20	10
АМ-10	24,1	оо	10,2	3	25,9	2,5	Ф1	К14		15	8 .
М-11	18,7	оо	7,5	3	16,8	1,5	ТФ1	К14	9	5
Оптические характеристики
и конструктивные параметры окуляров
Конструктивные параметры окуляров
Тип окуляра. Оптические характеристики	Номер поверх- • кости	г	d	Марка стекла	D
1	23,5	21,8 Окуляр компенсационный	4,0	Ф13 2	21,3 AM-13; Г«7х; Г»35,8;	37,7 3	11,1	8,7 2Г « 18; Од»12,8; 2о' = 28°;	4,0	ТК2 4	-7,1	Л	7,9 5F = 29,7; 5г = 1,3	1,0	Ф13 5	~	7,1					
	1	64,7		К8	20,4
Окуляр Кельнера	2		7,2		
		-57,9			20,4
АТ-18; Г «7х; f =36,0;	3		27,0		
		23,0			15,6
2Г =18; йд = 9,0; 2ог =29’;	4		7,2	ТК2	
		-14,5			14,2
= -11,64; S'F' = 12,53			1,8	Ф1	
	5	483,0			13,0
191
Продолжение прил. 9					
Тип окуляра. Оптические характеристики	Конструктивные параметры окуляров				
	Номер поверх- ности	г	d	Марка стекла	D
1	103>7	, О	ТА,	14’0 г	1>8	ТФ1 Окуляр симметричный	2	16,2	$	14,5 АТ-36; Г = 15х;/'«17,0;	3	-16,2	’	_	14,5 2/* = 12; Рд = 12,5; 2d)* « 41”;	4	16,2	Rg	14,5 5?»-П,6; 8г«11,6	5	-16,2	14,5 1,0	iwj 6	-103,7	14,0 1	«>	16,0 Окуляр ортоскопическии	4,5 К8 AM-I8; Г = 12,5х? /'« 20,1;	’	15,8 3	14,9	10,0 21' “16; 2d)'« 45°;	4,5 ТКЗ 4	-п,1	, Л	Ю,0 Sf=—5,3; Sr «7,2	л	1,0 Ф1 5	°°	10,0					
192
Приложение 10
Конденсоры осветителей
Оптические характеристики							Конструктивные параметры					
-₽	А	г	Sf	SF'	S	S'	Номер поверх- ности		г	d	Марка стекла	D
					Однолинзовые							
2		45,15	-43,8	35,2	-58	133,5		1	22,9*	1		
								2	-167,5	15	КВ	40
« у!	’ 45,8 X											
4,5	0,33	65,36	-56,6	63,7	-71	360,0		1 2	236 -43,4*	16	ТК2	50
* уз = 86,IX												
7.7	0,50	40,5	-29,3	37,8	-34,6	350,0		1 2	101,4 -24,6*	20	К8	45
•уЗ	= 49,2Х											
9,2	0,52	48,3	-45,7	35,3	-46,2	487,3		1 2	112,7 -26,2*	23	КВ	S6
• У2 - 52,3%												
					Двухлинзовые							
2,5	0,61	38,5	-24,7	24,6	-40,0	121,0		1 2 3 4	оо -30,5* 49,5 оо	%5 1,0 9,5	ЛК2 К8	60
* у2	= 60,9Х											
6,5	0,67	28,3	-15,3	25,9	-20,0	210,0		1	—43,6 -20,4 оо -29,0*	10	ТК2	
								3 4		1,0 13	м» то	32
*у2	= 58,0Х											
12,5	0,76	26,3	-11,2	23,2	-13,2	329		1 9	-76,2 -19,5 оо -24,8*	14	ЛК5	
								3 4		0,5 13	К8	46
•у2	= 4Э,ЗХ											
13 Ключникова Л. В.
193
Продолжение прил. 10											
Оптические характеристики							Конструктивные параметры				
-₽	А	Г	Sp	s'p	s	S'	Номер поверх- ности	г	d	Марка стекла	D
38,5	0,64	37,7 -21,5 32,1 -25.5 395	1	-63,4 2	-27,3	3	ТК2	44 3	оо	2 4	-40,3*	15>$	ТК2	54 * у2 =х56,4Х Трехлинзовые 5	0,52	33,6 -24,7 32,1 -31,4 200	1	-32,4	г	30,6 2	-22,2	5	ТК2	32.7 3	-57,3	0,1	35,9 4	-37,5	4	ТК2	37,2 0,1 5	102,5	40,6 6	-59,2	18	ТК2	41,0 8	0,5	56,9 -24,3 24,5 -31,4 480	1	135,5 2	_28>1	>5	ЛК5	46 3	-27,4	1 4	-203,7	7	ТФ5	48 5	112,7	0,5 6	-21,5*	23	ЛК5	60											
* у2 =44,9Х
194
Приложение 11
Окулярная трубка (см. рис. 53, а)
Светоделительный кубик: р: т= 1:10; размеры 30 Х30 ХЗО мм.
Ахроматическая линза: /' = 167,9; S f~ ”171,2; S'p = 156,6; увеличение 0,41х,
числовая апертура 0,04.
Окуляр: /'=16,7; Sf = 7,4; увеличение 15х.
Конструктивные параметры, мм
Номер по- верхности	г	d	D
Ахроматическая линза			
1	61,5	7,7	24
2	-208,0	5,4	24
3	406,4 Окуляр		24
1	-17,0	2,0	20
2	32,0		23
3	-26,5	9,5	23
4	00	0,5	30
5	-45,2	5,5	30
6	45,2	0,5	30
7	оо	5,5	30
8	26,1	0,8	24
9	18,3	11,2	19
Приложение 12
Осветитель с двухлинзовым конденсором (см. рис. 50, а)
Конденсор: /' = 40,9; Sf = -39,1; S р = 25,2; увеличение 7,8; числовая апертура 0,05.
Лампа тип КМГ9 = 70 с телом накала 2,6 х 2,6 мм, используется два светофильтра
из НС = 3 толщиной 2 мм.
Конструктивные параметры, мм
Номер поверх- ности	г	d	Марка стекла	D
1	-45,4	10,0	КУ1	36
2	-29,7			42
3	132,7	0,5		51
4	-30.6*	16,0	КУ1	51
* У5 = 61Х
13*
195
Приложение 13
Телеобъективы					
Оптические характеристики	Конструктивные параметры объективов				
	Номер поверх- ности	г	d	Марка стекла	Лев.
	1	60	7,5	К8	38,0
	2	-107,9			38,0
Телеобъектив			13,4	—	
f • = 219,63 SF - -705,38 Sy- = 40,17;	3	-65,6		ТФЗ	31,5
S„ =485,75 5^» =—179,46 Объектив	4	645	4,5 3,6		31,5
/' = 110,79 SF = -115,69 5д • = 76,9В;	5	95			30,0
S„ =-4,90 5^. =-33,81 Фокусирующая линза			5,0	ТК16	
	6	-205	3,5 55-67,7		30,0
/' = -41,26 SF = 42,72 5/- =41,63; SH = 1,46 5ц- = Q.31	7	329		Фк	27,5
	8	-87	2.9	ТФ2	8,5
	9	-17,8	2,1	ЛФ12	8,5
	10	22,7			8,5
	1	231,7	3	ТФЗ	50,2
	2	186,2	10	К8	49,6
	3	-258,2	7,8		49,4
Телеобъектив				—	
/• = 398,6 Объектив	4	100,9	7	ТФЗ	48,8
	5	61,9			46,8
/'=176,37			10	К8	
Фокусирующая линза /' = -125,15	6 7	-218,8 -119,7	3-10	—	45,6 27,8
			3,5	ТК14	
	8	38,64	4	ТФЗ	26,6
	9	54,45			25,8
196
Приложение 14
Системы Галипея
Оптические характеристики	Конструктивные параметры				
	Номер поверх- ности	г	d	Марка стекла	Пев,
Г =2*; 2(0=7°;	1	41,78	4	БФ7	16
/об = 64.86; /о'к = -32,5Т	2	-31,05	2	ТФ7	16
	3	—112,72	28		16
	4	-63,39	2,2	ТФ7	9
	5	-16,60	1,5	'БФ7	9
	6	20,8			9
Г* 3х; 2w=3°;	1	54,95	2,7	ТК16	16
/<Л=60; /ок = -20	2	-68,71	1,5	ТФ4	16
	3	206,1	0,5	—	16
	•4	52,36	2,1	ТК16	15,5
	5	1100	36	—	15,4
	6	78,89	1,5	ТК16	10
	7	16,67	2,5	—	9,5
	8	-12,73	2,5	ТФ4	9.0
	9	—3.63	1,5	ТК16	8,5
	10	-33,73			8,2
197
Приложение 15
Окуляры отрицательные систем Галилея
Оптические характеристики	Конструктивные параметры				
	Номер поверх- ности	г	d	Марка стекла	^св.
/'=-26,23;	L	33,27	3	ТФ4	8
SF= 27,62; 5/-= -27,44	2	-12,24	15	ТК2	8
	3	19,91			8
/' = -29,85;	1	-50,7	1,8	Ф1	12
SF= 31,01; 5/^-30,52	2	-27,54	1,2	ТК16	12
	3	29,24			12
/' = -95,8;	1	153,46	3	Ф1	12
SF= 99,88; $/- = -94,59	2	-48,53	1,5	БК8	12
	3	34,20			12
Приложение 16
Зависимость диаметра линзы от ее светового диаметра
Наименьший диаметр линзы равен	+ h.
Лев..	h	
	Крепление завальцовкой	Крепление кольцом
До 6	0,6	—
6-10	0,8	1,0
10-18	1,0	1>5
18-30	1,2	1»8
30-50	1,5	2,0
50-80	2,0	2,5
80 -120	—	3,0
120 -180	1—	4,0
180 - 260	—	5,0
260 - 360	—	6,0
360 - 500	—	8,0
198
Приложение 17
Допуски на соединение круглых оптических деталей с оправами
Точность центрирования		Допуск				Примеры приме- нения
Харак- теристика	Допуск на цен- трирование	на диаметры оптических деталей		на внутр си- ний диаметр оправы		
		центрирую- щих	нецентри- рующих			
	До 0,02	Ь8	d9	Н9	Линзы микрообъ- ективов	
Повышенная	<0,02	еб	dll	Н7	Линзы светосиль- ных фотообъекти- вов	
	<0,02	f7	dll	Н7	Точные детали: лин- зы. сетки, шкалы	
		h8	9	Н9	Линзы окуляров	
Средняя	0,02 - 0,05	е9; f9; е8	сП •	Н8; Н9	Детали телескопи- ческих приборов, сетки, шкалы	
Пониженная	св. 0,05	dll	—	НИ	Конденсоры, све- тофильтры, плос- кие зеркала, за- щитные стекла	
Приложение 18
Допуски на толщину линз в зависимости от Их диаметра
Тип линз	Диаметр линз, мм	Допуск, мм
Линзы объектов и обора- чивающих систем	До 50 50-100 Свыше 100	±(0,05-1,0) ±(0,1-0,2) ±(0,2-0,5)
Коллективы в фокальной плоскости, коллективы оку- ляров Кельнера	До 20 20-50 Свыше 50	±(0,1-0,2) ±(0,2—0,3) ±(0,3-0,5)
Прочие линзы, линзы оку- ляров, лупы	До 10 10-20 Свыше 20	±0,1 ±0,2 ±(0,3-0,5)
Примечание. Для оптических систем повышенной точности допуски
устанавливаются расчетом.
199
Приложение 19
Размеры фасок круглых оптических деталей
в зависимости от диаметра и способа их крепления
Диаметр, мм	Размер фаски при креплении кольцом, мм		Размер фаски при креп- лении завальцовкой, мм
	Несклеиваемая сторона	Склеиваемая сторона	
До 6	од*0-1	од*0-1	од*0-2
6-10	0д+0>2	ОД+0,2	0,3+0>2
10-18	0,2+°’3	ОД*».2	0,4+0.2
18-30	0,3+0’3	о,1+0»2	0.5+0.3
30-50	0,3+0’4	0,2+0’2	О,7+о>5
50-80	0,4+0’5	0,2+0>2	1,О+о>5
80-120	0,5+0’6	0,2+0>2	—
Свыше 120	07+0,8	02+0.2	—
Приложение 20
Шероховатость поверхности в зависимости от точности ее изготовления
Квалитет				Шероховатость Ra, мкм			
6-7	8-9	11	12	Отверстие		Вал	
		Размер, мм		цилиндри- ческое	не цилин- дрическое	неподвиж- ный	подвиж- ный
До 10	—	—	—	0,63	1,25	0.32	0,32
10-30	До 6	—	—	1,25	1,25	0,63	0,63
30—50	6-10		—	1,25	2,5	0,63	о,й
50—80	10-30	—	—	1,25	2,5	1,25	0,63
80-120	30-50	—	—	2,5	2,5	1,25	1,25
120-180	50-80	До 10	—	2,5	2,5	2,5	1,25
180-500	80-120	10-50	—	2,5	Яг = 20	2,5	1,25
Св. 500	120-180	50-80	До 10	Я, = 20	Яг = 20	2,5	1,25
—	180-500	80-120	10-80	Я, = 20	Я* = 40	^ = 20	2,5
—	Св. 500	120-500	80-36С	Яг = 20	Я, = 40	Ял = 20	2,5
—	—	Св. 500	360-500 Я2 = 40		Я2 = 40	Яг = 20	2,5
—	—	—	Св. 500	Я2 = 40	Яг = 40	Я, = 40	Я, = 20
200
Приложение 21
Шероховатость посадочных мест валов
и отверстий подшипников качения
Посадочная точности поверхность подшипников	Наименьший диаметр поверхности, мм До 80	80-500 Параметр шероховатости поверхности	мкм
РО Вал	Р6; Р5 Р4	1,25	2,5 0,63	1,25 0,32	0,63
Отверстие	РО корпуса	Р6; Р5; Р4	1,25	2,5 0,63	1,25
Торцы заплечи- РО ков валов и Р6; Р5; Р4 корпусов	2,5	2,5 1,25	2,5
201
Приложение 22
Поля допусков в посадках подшипников качения па вал и в корпус
Класс точности подшип- ника	Характеристика условий работы				Посадка подшипника	
	Место установ- ки	Рабочее состояние	Вид нагруже- ния	Ре- жим рабо- ты	в неотсчетных механизмах	в точных и от- счетных меха- низмах
Р0, Р6	Цирку- Вращается ляционное На вал 	 Не враща- Местное ется			Легкий и нормальный	1,6	16.j,6 h6, h7	h6	
	Цирку- Вращается ляционное				Js6	K6	
	В корпус Не враща- ется	Местное				H6	K6	
Р0, Р6	Цирку- Вращается ляционное На вал 	 Не враща- Местное ется			Нормальный и 1 тяжелый	m6,16	m6,16 h8	h7	
	Цирку Вращается MluS0HH0e В корпус  	 Не враща- ется	Местное				Мб, K6	N6, M6 J,7	J56	
На вал Р5, Р4 	 В корпус		Цирку- Вращается ляционное Не враща- ется	Местное Цирку- Врашается ляционное		Легкий и нормальный	16, if h5	
		Не враща- ется	Местное			¥	
202
Приложение 23
Допускаемое биение заплечиков (выступов) валов
и отверстий корпусов для подшипников качения, мкм
Диаметр, мм	Класс точности подшипников			
	Р0	Р6	Р5	Р4
।	Биение заплечиков валов			
До 50	20	10	7	4
50-120	25	12	8	6
120-250	30	15	10	8
Биение заплечиков отверстий корпусов
До 80	40	20	13	8
80-120	45	22	15	9
120-150	50	25	18	10
150-180	60	30	20	12
180-250	70	35	23	14
203
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Афанасьев В. А.» Жилин А. М., Усов В. С. Автоколлимационные приборы. — М.:
Недра, 1982. - 144 с.
2.	Бейзельман Р. Д.» Пипкин Б. В., Перепь Л. Я. Подшипники качения: Справочник. —
М.: Машиностроение, J 975. - 244 с.
3.	Гвоздева Н- П., Коркина К. И. Теория оптических систем и оптические измерения.—
М.: Машиностроение, 1981, — 384 с.
4.	Греям И. А. Оптические отсчетные системы в приборостроении и машиностроении.—
М.: Машгиэ, 1963. — 236 с.
5.	ГжировР. И- Краткий справочник конструктора. — Л.: Машиностроение, 1983. —
464 с.
6.	Елисеев Р. И: Геодезические инструменты и приборы. - М.: Недра, 1973. — 392 с.
7.	Ельников Н. Т.» Дятев А. Ф.э Юрусов И. К. Сборка и юстировка оптико-механиче-
ских приборов. - М.: Машиностроение, 1974. — 104 с.
8.	Ефремов А. А., Законников В. П. Сборка оптических приборов. — М.: Высш, шк.,
1983.- 296 с.
9.	Зубаков В. Г., Семибратов М. Н., Шпандель С. К. Технология оптических деталей.—
М.: Машиностроение, 1985. — 368 с.
10.	Кулагин В. В. Основы конструирования оптических приборов. — Л.: Машино-
строение, 1982. - 312 с.
И. Кулагин С. В., Гомеяюк А. С., ДиклревВ. Н. Оптико-механические приборы. - М.:
Машиностроение, 1984. — 349 с.
12.	Литвин Ф. Л. Проектирование механизмов и деталей приборов. — Л.: Машинострое-
ние, 1973. - 692 с.
13.	Мальцев М. Д. Расчет допусков на оптические детали. - М.: Машиностроение,
1974. - 167 с.
14.	Михельсон Н. Н. Оптические телескопы. — М.: Наука, 1976. - 384 с.
15.	Нагибина И. М., Прокофьев В. К. Спектральные приборы и техника спектроско-
пии. - Л.: Машиностроение, 1967. - 100 с.
16.	Орлов И. И. Основы конструирования: Справочно-методическое пособие. — М.:
Машиностроение, 1977. — Т. 1. — 646 с.
17.	Плотников В. С., Варфоломеев Д. И., Пустовалов В. Е. Расчет и конструирование
оптико-механических приборов. - М.: Машиностроение, 1983. - 256 с.
18.	ПогаревГ. В. Юстировка оптических приборов. - Л.: Машиностроение, 1982.-237 с.
19.	Плюснин А. К., Ердаков В. И., Пин Л. Г. Проектирование механических передач
приборов. — М.: Высш, шк., 1967. - 362 с.
20.	Скворцов Г. Е.» Панов В. А.» Поляков Н. И. Микроскопы. - Л.: Машиностроение,
1969. - 511 с.
21.	Справочник по инженерной технологии / Под ред. Б. Ф. Ломова. - Л.: Маши-
ностроение, 1982. — 366 с.
У 22. Справочник конструктора оптико-механических приборов / Под ред. В. А. Па-
нова. - Л.: Машиностроение, 1980. — 742 с.
23.	Тарабасов Н. Б., Учаев П. Н. Проектирование деталей и узлов машиностроительных
конструкций: Справочник. — М.: Машиностроение, 1983. — 239 с.
24.	Тнхменев С. С. Элементы точных приборов. — М.: Оборонгиз, 1956. — 262 с.
25.	Фаддеева Л. А. Теория механизмов и детали приборов. — Л.: Машиностроение.
1983. - 264 с.
26.	Шарловский Ю. В. Механические устройства малых оптических систем. — М.:
Машиностроение, 1979. — 128 с.
204
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие............................................................... 3
Глава 1 .Общие сведения о проектировании.................................. 4
1.1.	Общие положения.............................................   -
1.2.	Особенности и задачи учебного проектирования.................. 5
Глава 2. Методика учебного проектирования................................. 7
2.1.	Техническое задание на курсовое проектирование................ -
2.2.	Содержание и правила оформления пояснительной записки......... —
2.3.	Оформление графического материала............................. 9
Глава 3. Методика расчетов в курсовом проектировании..................... 14
3.1. Габаритный расчет оптических систем.......................... 16
3.2. Кинематический расчет механизмов............................. 36
Глава 4. Крепление оптических деталей.................................... 43
4.1. Крепление круглых оптических деталей.......................... —
4.2. Крепление некруглых оптических деталей....................... 52
Глава 5. Конструирование изделий с оптическими деталями.................. 58
5.1.	Конструирование объективов.................................... —
5.2.	Конструирование окуляров..................................... 76
5.3.	Конструирование осветителей с конденсорами................... 83
5.4.	Конструирование зрительных труб, микроскопов и оптических приспо-
соблений ......................................................... 90
Глава 6. Конструирование механизмов приборов............................. 99
6.1.	Общие положения............................................... —
6.2.	Направляющие.................................................. —
6.3.	Винтовые механизмы.......................................... 107
6.4.	Зубчатые передачи........................................... 115
6.5.	Рычажные механизмы . . ..................................... 119
6.6.	Отсчетные устройства .. ,................................... 123
6.7.	Установочные и юстировочные механизмы....................... 126
Глава 7. Компоновка прибора............................................. 142
Глава 8. Примеры курсовых проектов оптико-механических приборов......... 147
8.1. Пример курсового	проекта монокуляра .......................... —
8.2. Пример курсового проекта прибора дня контроля щероховатости по-
верхности ...................................................  161
Приложение 1............................................................ 178
Приложение 2..........................................................   180
Приложение 3...........................................................  181
Приложение 4............................................................ 182
Приложение 5............................................................ 183
Приложение 6............................................................ 185
Приложение 7............................................................ 186
Приложение 8............................................................ 188
Приложение 9............................................................ 191
Приложение 10..........................................................  193
Приложение 11 .......................................................... 195
Приложение 12............................................................. —
Приложение 13........................................................... 196
Приложение 14...................,.....................................   197
205
Приложение 15......................................................... 198
Приложение 16........................................................... —
Приложение 17......................................................... 199
Приложение 18........................................................... —
Приложение 19......................................................... 200
Приложение 20........................................................... -
Приложение 21......................................................... 201
Приложение 22 ........................................................ 202
Приложение 23 ........................................................ 203
Список литературы..................................................... 204
УЧЕБНОЕ ИЗДАНИЕ
Ключникова Любовь Васильевна
Ключников Владислав Владимирович
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ
ПРИБОРОВ
Редактор Н. А. Жукова
Обложка художника А. Ф. Каширских
Художественный редактор А. Н. Волкогонова
Технические редакторы Т. П. Малашкина, Т. М. Жилич
Корректор 3. С. Романова
Операторы О. Е. Стоменок, С. А. Михайлова,
О. Н. Ковалева, Т. В. Новикова