05 семестр / К экзамену-зачёту / Ответы на экзаменационные вопросы / отвыеты на вопросы / Принципы констр. конспект 2010

26

замыкающую силу Θ в первом варианте равна (без учета сил трения) самой силе: R ; а во

появляется составляющая сила T tg , которая может привести к изгибу и повороту

(относительно оси Х) штока в зазоре направляющих.

Рис. 2.24. Схемы к расчету влияния расположения базирующей поверхности

При изготовлении, в первом варианте, необходимо обеспечить параметр l, в то время как во втором случае обеспечиваются параметры lи .

Таким образом, на этом элементарном примере можно убедиться в том, что выполнение принципа ограничения смещения деталей в соединениях позволяет повысить точность, надежность и технологичность конструкции.

Рис. 2.25. Погрешность при разных типах направляющих

Следовательно, цилиндрические направляющие вращательного движения предпочтительней конических (см. рис. 2.21); направляющие поступательного движения Т-

погрешность передачи движения винтовым механизмом с остроугольной резьбой больше, чем при трапециевидной резьбе и ленточной (рис. 2.27, а, б, в), либо, когда винт выполнен с трапециевидной резьбой, а гайка с прямоугольной (ленточной) (рис. 2.27, г).

27

Рис. 2.26. Влияние угла кулачкового механизма на точность

Рис. 2.27. Влияние типа резьбы на точность соединения

На рис. 2.29, а изображена часть конструкции объектива, воздушный промежуток d между линзами которого выдерживается с помощью промежуточного кольца размером l. Из-за нарушения принципа ограничения смещений на погрешность воздушного промежутка ( d ) будет влиять не только погрешность размера l кольца ( l ), но и погрешность диаметров кольца ØD1 и

ØD2.

Рис. 2.28. Нарушение принципа ограничения смещения

Например,

где R1,R2 - радиусы сферических поверхностей линз.

28

Кроме этого, данное соединение может быть критично к изменениям температуры при различных коэффициентах линейного расширения материалов линз и кольца, приводящих к разности изменений соответствующих диаметров кольца и линз, обуславливающих появление деформаций и децентрировок оптических компонентов.

Устранение указанных недостатков достигается в некоторых конструкциях путем выполнения линз с так называемым П-образным буртиком (рис. 2.28, б), что позволяет выполнить принцип ограничения смещений.

Нарушение рассматриваемого принципа приводит, например, к тому, что при фиксации положения подвижной каретки 1, несущей проекционную систему универсального измерительного микроскопа УИМ-23, винтом 2 происходит значительное ее смещение вдоль оси Х (рис. 2.29). Более правильно для направляющих типа “ласточкин хвост” осуществлять фиксацию в направлении оси Y, для которого принцип ограничения смещений выполняется.

Рис. 2.29. Неверная фиксация направляющих типа «ласточкин хвост»

Рис. 2.30. Влияние длины базы опор на точность расположения зеркала

1.1.5. Принцип ограничения поворотов

Согласно этому принципу связи, накладываемые базовой деталью на присоединяемую, должны располагаться на возможно большем базисе. Тогда погрешность углового положения присоединяемой детали при прочих равных условиях будет наименьшей.

На рис. 2.30, а, б изображена схема конструкции соединения вала 1 с подшипниками 2 для поворота зеркала вокруг оси Y. Вариант, показанный на рис. 2.30, а уступает варианту, изображенному на рис. 2.30, б, так как база В1 между подшипниками, ограничивающая возможные повороты вала относительно осей Z, X (например, из-за биений внутренних колец

подшипников Z,X 2 B) меньше базы В2 при одном и том же габарите L конструкции.

Рассмотрим вариант крепления мениска в оправе резьбовым кольцом, опирающимся на сферическую поверхность мениска (рис. 2.31, а), и вариант, где контакт резьбового кольца происходит с плоской фаской мениска (рис. 2.31, б). Очевидно, что при малых расстояниях b между центрами кривизны сферических

29

поверхностей линзы С1, С2 ее поворот относительно осей Х, Y в первом варианте будет определяться главным образом величиной зазора C в посадке, в пределах которого возможен разворот X ,Y C/(R2 cos ).

Рис. 2.31. Влияние на точность крепления мениска резьбовым кольцом

Во втором случае повороты мениска относительно осей Х, Y из-за возможных дефектов (биений, перекосов) опорных торцов деталей t будут меньше, благодаря большей базе В, ограничивающей указанные повороты, и тому, что обычно t C; X ,Y tB.

1.1.6. Принцип ограничения продольного и поперечного вылетов рабочих элементов

“Вылетом” рабочего элемента называют расстояние между ним и центром его возможного поворота в соединении. Суть принципа заключается в ограничении продольного или поперечного (иногда того и другого) вылетов, что позволяет уменьшить нежелательные (опасные) линейные смещения РЭС вдоль координатных осей при возникновении поворота рабочей детали относительно базовых элементов соединения из-за погрешностей формы сопрягаемых поверхностей, деформаций, зазоров и т.п.

На рис. 2.32, а изображена конструкция соединения оправы объектива с тубусом, где узловая точка О объектива, представляющая РЭС, имеет продольный вылет L относительно центра поворота Са оправы из-за погрешностей сопрягаемых поверхностей А. В результате возникает смещение (децентрировка) узловой точки вдоль осей Х, Y, пропорциональные вылету L при наклонах оправы на угол : X , Y L .

Сопряжение оправы с тубусом по поверхности Б (рис. 2.32, б) позволяет избавиться от L, так как здесь узловая точка объектива и центр возможного поворота (Сб) лежат в одной плоскости (совпадают), что не вызывает децентрировки объектива при наклонах оправы.

Базирование оправы линзы (рис. 2.32, в) в кронштейне, устанавливаемом на рейтере, приводит к тому, что узловая точка линзы РЭС имеет поперечный Н и может иметь продольный L вылеты относительно возможного центра поворота оправы С.

30

Рис. 2.32. Влияние продольного и поперечного вылетов

В результате при повороте оправы на угол РЭС имеет смещение (расфокусировку)

вдоль оси Z ( Z H ) и децентрировку вдоль оси Х ( X L ). Пунктиром на этом

рисунке изображена конструкция кронштейна, позволяющая ограничить вылет L.

На рис. 2.33, а, б показаны конструкции соединения прямозубого колеса с валом. Вылет Н для прямозубого колеса неопасен, так как приводит к смещению РЭС вдоль образующих зубьев при наклоне на угол (для косозубого и конического колес этот вылет будет опасным), а продольный вылет L при возникновении создает радиальное биение зубчатого венца, поэтому должен быть ограничен (т.е. вариант конструкции на рис. 2.33, а предпочтительней варианта на рис. 2.33, б).

Рис. 2.33. Влияние продольного и поперечного вылетов зубчатого колеса

Отверстие 1 под препарат (или сетку, фотоприемник) в ползуне (рис. 2.34), перемещающимся вдоль оси Y, выполнено с учетом рассматриваемого принципа, отверстие 2 с нарушением его. Поэтому при возникновении поворотов ползуна вокруг осей X, Y,

32

оправы, ØD0, Dк. размера t. Это может вызвать либо деформацию линзы (и оправы), либо смещение линзы в зазоре. Например, когда посадка линзы в оправу по ØD обеспечивает необходимый температурный зазор, деформация или зазор возникают из-за несоответствия изменений ØD0 и t линзы и оправы. Пружинное кольцо, помещенное между линзой и резьбовым кольцом (рис. 2.35, б) позволяет избежать указанных недостатков (при достаточном температурном зазоре в посадке), так как компенсирует осевое изменение размеров линзы и оправы, а также изменение ØD0, Dк.

Расчет термокомпенсатора (рис. 2.36, а) производится на основании зависимости

2Lk k t D0 0 t Dл л t ,

где Lk – размер компенсатора; D0 – диаметр оправы; Dл – диаметр линзы; к , 0 , л -

коэффициенты линейного расширения материалов компенсатора, оправы и линзы, соответственно; t - изменение температуры. Так как D0 Dл 2Lk , то

LK Dл 0 л 2 k 0 . (*)

Чтобы не возникали температурные деформации дифракционной решетки 1, зафиксированной в оправе 2 юстировочными винтами 3 (рис. 2.36, б), необходимо чтобы ширина “в”, размер паза а оправы и коэффициенты линейного расширения оправы 0 , решетки p и винтов в , причем p 0 в или в 0 p ,

подчинялись соотношениям, аналогичным выражению (*): a b 1 ( 0 p )/( в 0 ) ;

a b p 0 в .

Рис. 2.36. К расчету термокомпенсатора

1.2.Принципы конструирования узлов и функциональных устройств оптических приборов

Узлы и функциональные устройства (ФУ) представляют собой более сложные, чем соединения, сборочные единицы, состоящие из большего числа деталей и элементов, которые могут выполнить совместно с другими составными частями ОП (или самостоятельно)

определенную функцию. Это, например, объективы, окуляры, механизмы, сканирующие устройства, устройства крепления источников и приемников излучения, затворы, диафрагмы,

столики, датчики и т.п. В узлах и ФУ целесообразно различать рабочие (исполнительные), базовые

33

(несущие) и эталонные (образцовые) детали и рабочие (РЭУ), базовые (БЭУ) и эталонные (ЭЭУ)

элементы.

Основные показатели качества узлов и ФУ — точность (расположения РЭУ относительно БЭУ и ЭЭУ) передачи и преобразования информации, качество создаваемого изображения,

надежность и технологичность.

Рассматриваемые в следующих разделах принципы заключаются в общих правилах конструирования механических и оптических ФУ прибора, позволяющих оптимизировать их структуру, внутренние связи и взаимодействие элементов с целью повышения упомянутых показателей качества создаваемых ФУ.

1.2.1.Принцип Аббе

По этому принципу, называемому также принципом исключения компараторной

погрешности, эталонный элемент устройства должен быть расположен соосно с рабочим элементом (или измеряемым объектом). В этом случае уменьшается погрешность взаимного линейного расположения эталонного и рабочего элементов при возникновении поворотов деталей из-за технологических или эксплуатационных погрешностей (зазоров, погрешностей формы контактирующих поверхностей, деформаций, биений и т.п.).

Рис.44 Схемы, поясняющие принцип Аббе

На рис. 44 показан классический пример, давший название принципу с поперечным (рис. 44, а) и продольным (рис. 44, б) компараторами. На каретке 1, перемещаемой вдоль оси Y,

установлены эталонная (Э) и поверяемая (П) шкалы, взаимное положение штрихов которых измеряется с помощью отсчетных микроскопов М1, М2.

34

В поперечном компараторе, из-за поворотов каретки (∆φz) вокруг оси Z, обусловленных

погрешностями направляющих, возникает значительная погрешность измерения ∆Y1 первого

порядка малости, пропорциональная расстоянию H между шкалами (рис. 44, в):

∆Y1 = НSin∆φz ≈ Н∆φz

Чтобы исключить погрешность первого порядка, Аббе предложил расположить эталонную

и поверяемую шкалы соосно, преобразовав компаратор в продольный (компаратор Аббе). В этом

случае погрешность измерения из-за поворотов каретки будет лишь второго порядка малости (рис.

44, г):

Y2 L L' LSin2 ( ) L 2

2 2

Рассмотрим типовые примеры на соблюдение и нарушение этого принципа в некоторых устройствах ОП. На рис. 45 изображена измерительная пиноль 1

Рис.45 Пример правильной установки измерительного растра – дифракционной решетки

длиноизмерительной машины, перемещающаяся в шарикоподшипниковых направляющих 2. Эталонным элементом пинолиявляется измерительный растр (дифракционная решетка) 3, установленный для соблюдения принципа Аббе соосно с наконечником (РЭУ), контактирующим с измеряемым объектом. Если бы растр был установлен так, как показано пунктирной линией (на верхней поверхности пиноли), то из-за неизбежных поворотов пиноли при ее движении вдоль оси Y возникала бы значительная погрешность измерения.

С явным нарушением принципа Аббе выполнена конструкция окулярного микрометра типа МОВО (ГОСТ 7865-77), схема которого изображена на рис. 46. Здесь 1— подвижная сетка с маркой в виде би-штриха и косого креста, а также грубой шкалой; 2 — точная шкала (лимб); 3, 4

— цилиндрическое и цилиндроконическое колеса; 5 — гайка; 6 — винт; 7 — пружина. Перемещение (Y) марки подвижной сетки осуществляется гайкой 5 при повороте винта 6 и связано с поворотом лимба зависимостью

YZ3KP X Z42

где Z4, Z3 — числа зубьев соответствующих колес; К, Р — число заходов и шаг резьбы винтового механизма; X — угол поворота точной шкалы.

При движении сетки из-за погрешностей направляющих происходит ее поворот вокруг оси Z (∆φz), что вызывает погрешность расположения марки сетки относительно изображения объекта наблюдения и гайки отсчетного винтового механизма, так как объект наблюдения (марка) и винтовой механизм (гайка) расположены несоосно (имеется вылет Н):

35

∆Y∆φz≈ Н∆φz.

На рис. 47 изображены схемы конструкций фотоэлектрического индикатора перемещений, используемого в некоторых случаях вместо широко известного механического индикатора часового типа.

Рис.46 Окулярный микрометр выполнен с нарушением принципа Аббе

1- подвижная сетка, 2 –точная шкала (лимб). 3 ,4 – зубчатые колеса, 5 – гайка, 6 – винт, 7 – пружина.

Величина перемещения измерительной пиноли 1, контактирующей, сферическим (или плоским) рабочим элементом (РЭУ) с поверяемым объектом, определяется с помощью линейного позиционно-чувствительного приемника 3 (например, типа "Мультискан"), на котором светодиодом 2 создается световая зона. При смещении световой зоны по приемнику снимаемое с него электрическое напряжение изменяется по соотношению

U U0 X

L0

где L0=18 мм — длина чувствительной площадки приемника; U0 — номинальное напряжение; X

— величина смещения световой зоны (служит мерой искомого перемещения пиноли). Конструкция, показанная на рис. 47, а, выполнена с нарушением принципа Аббе, так как

позиционный приемник, являющийся эталонным элементом устройства (ЭЭУ), установлен несоосно с рабочим элементом пиноли. Поэтому повороты (∆φz) пиноли вокруг оси Z, возникающие при ее движении, приведут к дополнительному смещению световой зоны по приемнику на величину

∆Y∆φz≈ Н1∆φz,

т.е. вызовут погрешность измерения первого порядка.

Во втором варианте конструкции (рис. 47, б, в), где принцип Аббе соблюден, эти дефекты приведут к погрешности измерения второго порядка малости.

Расположение эталонного элемента устройства соосно с рабочим элементом, являясь