Сборка, юстировка, контроль объективов телескопических систем (линзовых, зеркальных)

В процессе эксплуатации приборов применяются также операции их "выверки", "настройки", "наладки", "калибровки" - представляющие собой мероприятия по ориентации прибора в пространстве, обеспечении необходимых режимов работы, введения поправок в цену деления (отсчет) и т.д., которые следует отличать от понятия "юстировка".

Рассмотрим пример, показывающий необходимость осуществления юстировки в телескопических приборах и узлах.

На рис.7. изображена конструкция телескопической трубки, в которой склеенный объектив строит изображение на сетке или ПЗС - приемнике. Из-за погрешности заднего вершинного фокального отрезка ( D S'_F) объектива 1, погрешности расстояния (D l) между опорными торцами трубки 2, изображение, строящееся объективом в фокальной плоскости, будет располагаться на расстоянии D Z от плоскости сетки или чувствительной площадки ПЗС - приемника 3.

Рис. 7. Конструкция телескопической трубки

 

В лучшем случае, допуск на ΔZ не должен превышать дифракционной глубины резкости объектива T_Д: D Z _ Т_Д = l /2 А'²,

где l - рабочая длина  волны излучения, А' - задняя апертура объектива.

Для светосильных объективов этот допуск равен обычно нескольким микронам, для несветосильных - нескольким десяткам микрон.

Например, для объектива  с фокусным расстоянием f' = 100 мм и световым диаметром 20 мм, при l = 0,55мкм получаем: D Z _ 0,55/2Ч 0,1² = 27,5 мкм

Выполнить такой допуск не представляется возможным, так как  даже если точно выдержан отрезок l, то обеспечить погрешность вершинного фокусного расстояния с такой точностью нереально. Известно, что в серийном производстве погрешность фокусных расстояний объектива достигает (0,5-1)%.

В нашем случае: D f ' D S '_f = (0,5-1)% Ч 100 мм = (0,5-1) мм, то есть в 20-40 раз может превышать допустимое значение.

Следовательно, в конструкции  телескопической трубки необходимо предусмотреть возможность юстировки  расстояния между объективом и сеткой (приемником) для совмещения плоскости  изображения с плоскостью сетки  с помощью ступенчатых компенсаторов, регулировочных устройств и т.п.

Обобщенная структурная  схема процесса юстировки объективов телескопических систем представлена на рис.8.

В общем случае исполнительное устройство воздействует на структурные  элементы так, что устраняются, уменьшаются  либо сами погрешности, либо результат действия погрешностей на тот или иной показатель качества прибора. Для выработки этого воздействия необходим управляющий коррекционный сигнал DZKна исполнительное устройство, который вырабатывается системой сравнения 3.

В систему сравнения поступают действительные значения погрешностей, полученные с помощью измерительных или эталонных устройств, а также их допустимые значения, известные из технических условий (ТУ) на объект юстировки. Если действительные значения погрешностей или показателей качества больше их допустимых значений, то вырабатывается коррекционный сигнал.

В зависимости от способа  получения управляющего сигнала  структурные схемы процесса юстировки  могут быть построены по схемам, аналогичным схемам компенсации  погрешностей; схеме вспомогательных измерений и схеме образцовых сигналов.

 

Рис. 8. Обобщенная структурная схема процесса юстировки

1 - объект юстировки;

2 - измерительное или эталонное устройство;

3 - система сравнения  погрешностей (параметров) с их допустимыми  значениями:

X, Y - информативные параметры входного и выходного, соответственно, сигналов;

q - конструктивные параметры объекта юстировки; q' - влияющие факторы (сила трения, нагрузка, температура, вибрации и т.п.);

f - функция, связывающая X и Y, X₀,Y_0, q₀, q_0';

f₀ - расчетные (номинальные) значения перечисленных параметров;

D q_i, D q_i ^', D Y_i и D q_i0, D q^'_{i 0}, D Y_i0 действительные и допустимые значения погрешностей;

DZK - коррекционный управляющий сигнал на исполнительное устройство;

DqK - юстировочное воздействие на структурные элементы, изменяющие их конструктивные параметры.

 

5. Контроль  качества объективов телескопических  систем

 

Процесс юстировки объективов включает в себя собственно технологическую (производственную) часть и контролирующую часть.

Технологическая часть  юстировки представляет собой производственный процесс по выполнению рабочих приемов  и операций оптической регулировки  элементов, схемы и конструкции. При этом критерием правильности результатов проведения операций юстировки являются в конечном счете показания оптических и других приборов. Эти приборы используются непосредственно в технологическом процессе юстировки. Такие приборы, которые непосредственно используются в процессе юстировки, называются оптическими приборами технологического контроля (ОПТК).

При аттестации, приемке (сдаче) готовых ОП используются контрольно-измерительные  приборы (оптические, механические, электротехнические и др.). Однако, весьма часто контрольно-измерительные приборы (КИП) используются совместно с ОПТК. Некоторые ОПТК содержат элементы КИП или КИП в целом. Такие приборы получили название контрольно-юстировочных (КЮ) ОП. Рассмотрим различные виды ОПТК.

Хотя для упрощения операции юстировки, повышения качества и производительности целесообразнее применять специализированные ОПТК, на практике, из-за недостатка времени на изготовление и материальных средств, весьма часто пользуются универсальными приборами, как для юстировки, так и для контроля.

Универсальными ОПТК называются такие приборы, которые могут использоваться для выполнения множества операций юстировки и контроля самых различных ОП.

К числу универсальных  ОПТК можно отнести: коллиматоры, автоколлиматоры; зрительные трубы, астрономические трубы, трубки наблюдательные, лабораторные с сеткой и шкалами; теодолиты; гониометры;  нивелиры; квадранты; уровни; микроскопы; лупы; фотометры; люксметры; осветители; поляриметры; интерферометры. Перечень этих приборов очень широк и может быть продолжен.

Следует заметить, что  использование готовых универсальных  ОПТК для контроля качества экономически не оправдано. Несмотря на то, что используются готовые ОПТК, имеющиеся в лабораториях, сборочных участках и отпадают затраты на изготовление ОПТК, применение универсальных ОПТК часто сопровождается экономическими потерями, превышающими затраты на новые специализированные ОПТК по следующим причинам:

- производительность  юстировки с универсальными ОПТК  понижается сложностью использования их, необходимостью выверки, согласования и поверки;

- возникают потери  времени при транспортировке  юстируемых изделий в лаборатории,  оснащенной универсальными ОПТК;

- привлечение высококвалифицированных  специалистов для приспособления  универсальных ОПТК к задачам юстировки и для использования их при юстировке;

- понижение качества  юстировки и в конечном счете  качества выпускаемых ОП вследствие  дополнительных погрешностей, вызванных  нестабильностью выверки и согласования  универсальных ОПТК с юстировочным  узлом или ОП.

При подготовке производства новых ОП производится разработка технологической  оснастки, в состав которой входят специализированные ОПТК.

Специализированные ОПТК применяются в следующих случаях:

- операцию юстировки нельзя выполнить с помощью универсальных ОПТК, или они не обеспечивают необходимую точность;

- необходимые универсальные ОПТК отсутствуют на сборочном участке;

- универсальные ОПТК невозможно использовать в производственных условиях (вибрация, нестабильность температуры, давления и т.п.);

- габариты универсальных ОПТК не позволяют разместить их на производственных участках;

- универсальные ОПТК не обеспечивают необходимой производительности при серийном или массовом производстве приборов (фотоаппаратов, биноклей и т.п.).

Специализированными ОПТК (СОПТК) называются такие, которые используются только для однотипных операций юстировки или контроля в узком диапазоне измеряемых, регистрируемых или контролируемых параметров.

СОПТК по сравнению с  универсальными ОПТК обладают существенными  преимуществами:

- минимизация рабочих приемов юстировки;

- простота обслуживания;

- минимизация поверок или полное устранение их (инвариантные СОПТК);

- сокращение времени согласования СОПТК или полное исключение операций согласования и выверки (инвариантные СОПТК)

- высокая производительность операций юстировки и контроля;

- более низкая себестоимость  СОПТК по сравнению с универсальными  ОПТК.

Внедрение СОПТК целесообразно  и экономично для крупносерийного  и массового производства ОП. Для мелкосерийного и единичного производства, особенно для юстировки опытных образцов, целесообразно использовать универсальные ОПТК

Унифицированные УСКЮ сочетают в себе положительные свойства универсальных  и специализированных ОПТК и поэтому  обладают преимуществами по сравнению  с ними.

УСКЮ представляют собой  агрегатно-блочные конструкции и  системы, состоящие из унифицированных  агрегатов, блоков и покупных изделий, позволяющих скомплектовать и собрать  ОПТК необходимый для выполнения или контроля операции и юстировки.

Блоки и агрегаты по своим размерам и параметрам соответствуют структурным размерным и параметрическим рядам, диапазон номенклатуры размеров и параметров которых охватывает все их значения, необходимые для компоновки любых ОПТК.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

В заключение можно сказать, что роль и значение юстировки в процессе производства оптических приборов можно характеризовать удельным весом затрат труда и средств на завершающие операции производства - сборку и юстировку. Затраты на изготовление оптических приборов можно разделить на 2 категории:

- затраты на изготовление  деталей оптических приборов,

- затраты на сборку  и юстировку.

По последним существующим статистическим данным соотношение затрат составляло до перестройки: по 1 категории - 40%, по 2 категории - 60%. Более высокие затраты на сборку и юстировку можно объяснить следующими обстоятельствами: сложностью и разнообразием операций сборки и юстировки, отсутствием хорошо отработанных технологических процессов сборки и методик юстировки, отсутствием специализированного оборудования и приспособлений для сборки и юстировки, необходимостью более высокой квалификации рабочих-юстировщиков.  С другой стороны выполнение требований к оптическим приборам невозможно обеспечить без юстировки и контроля выпускаемой продукции.

Производительность производства сильно зависит от эффективности методов и средств юстировки и технологического контроля. При недостаточной эффективности методов и средств юстировки и технологического контроля производство вынуждено идти на большие затраты, чтобы выполнить требования к оптическим приборам. А эффективность процесса юстировки и технологического контроля, в свою очередь, зависит от подготовки и опыта разработчиков методик и средств юстировки, контроля, испытаний и квалификации исполнителей.

 

 

 

Список литературы

 

1. Апенко М.И., Запрягаева Л.А., Свешникова И.С. Задачник по прикладной оптике / М.: Высшая школа, 2003. - 591 с.
2. Бардин А.Н. Сборник и юстировка оптических приборов / М.: Высшая школа, 2005. - 325с.
3. Запрягаева Л.А., Свешникова И.С. Расчет и оптических систем. / М.: Логос, 2000. - 581 с.
4. Кривовяз Л.М., Пуряев Д.Т., Знаменская М.А. Практика оптической измерительной лаборатории / М.: Машиностроение, 2004. - 333 с.
5. Крынин Л.И. Основы проектирования конструкций объективов / СПб.: ИВА, 2006. – 268 с.
6. Малов А.Н., Законников Обработка деталей оптических приборов. / М.: Машиностроение, 2006. - 304 с.
7. Новик Ф.С. и Ногин П.А. Киносъемочная оптика / М.: Искусство», 1968.- 325 с.
8. Прикладная оптика / под ред. Дубовика А.С - М.: Машиностроение, 2002. - 470 с.
9. Погарев Г.В. Юстировка оптических приборов Машиностроение, 2002. - 320 с.
10. Справочник конструктора оптико-механических приборов / под ред. Панова В.М. – М.: Машиностроение, 2000. - 742с.
11. Справочник технолога-оптика / под ред. М.А. Окатова, СПб.: Политехника, 2004. - 679 с.
12. Якушенков Ю.Г. Основы оптико-электронного приборостроения / М.: ЭКСМО, 2007.- 270 с.