автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Исследование возможности совершенствования технологии юстировки телескопических оптических приборов

Введение

Глава I. Обзор методов и средств сборки, юстировки и контроля оптических приборов к настоящему времени Выводы по главе I

Глава II. Анализ причин большой трудоемкости юстировки телескопических оптических приборов

2.1. Недостатки традиционных методов юстировки телескопических оптических приборов

2.1.1 Многообразие влияния изменения положения оптического элемента системы на параметры изображения

2.2. Операции юстировки поля зрения и выходного зрачка оптической системы и сопутствующие взаимные влияния друг на друга

Выводы по главе II

Глава III. Способы и средства совершенствования технологии юстировки телескопических оптических приборов

3.1. Концепция системного подхода к юстировке оптических приборов

3.2. Использование прогрессивных контрольно-юстировочных приборов для юстировки и контроля

3.3. Диагностика срытых дефектов юстировки

3.3.1 Специализированные контрольно-юстировочные приборы для центрировки пучков лучей на всем оптическом тракте

3.3.2 Специализированные контрольно-юстировочные приборы для диагностики наклона изображения вдоль оптической оси

3.4. Контрольно-юстировочные приборы для одновременной юстировки параметров изображения в поле зрения и выходного зрачка телескопических оптических приборов

3.4.1. Системы совмещенных микроскопа и телескопической системы

3.5. Устройства отображения информации

3.6. Алгоритм последовательности действий при юстировке телескопических оптических приборов

Выводы по главе III

Глава IV. Экспериментальная часть

4.1. Теоретические и экспериментальные исследования зависимости повторных наводок оптического элемента при установке в заданное положение

4.1.1. Исходные предпосылки математической формализации процессов установки оптических элементов в заданное положение

4.1.2.Математическое описание процессов установки оптических элементов в заданное положение

4.1.2.1. Первая вероятностная модель

4.1.2.2. Вторая вероятностная модель.

4.1.2.3. Матричная модель

4.1.3. Графическое представление процесса юстировки

4.2. Экспериментальное определение числа повторных наводок при установке оптического элемента в заданное положение

4.3. Макетирование совмещенных систем микроскоп-телескоп Выводы по главе IV

В настоящее время оптические и оптико-электронные приборы находят широкое применение в различных областях деятельности человека.

Оптическими приборами (ОП) принято называть такие приборы, основную функцию которых выполняет оптическая система [1].

Оптико-электронными приборами (ОЭП) называются приборы, в которых информация об объекте вносится излучением с помощью оптической системы, а обработка информации сопровождается преобразованием излучения в электрический сигнал.

ОП и ОЭП выпускаются промышленностью многих стран мира в больших количествах и относятся к приборам точного приборостроения, они разнообразны по конструкции и назначению. Многие ОП являются сложными комплексами, в которые, кроме оптических схем и точных механизмов, входят различные электротехнические и электронные блоки и системы автоматики и ЭВМ.

Действие всех ОП основано на использовании потока лучистой энергии, поэтому некоторое изменение взаимного расположения оптических элементов вызывает изменение направления лучей и положения изображения. Таким образом, оптические свойства ОП зависят от точности взаимного расположения их оптических деталей.

Изготовление деталей без отклонения от номинальных размеров невозможно. Поэтому в процессе сборки выполняют регулировочные работы — юстировку, характерную для производства оптико-механических приборов. Юстировкой называется совокупность операций по регулировке, контролю и доведению прибора или узла до состояния, при котором он удовлетворяет определенным техническим требованиям.

С развитием высоких технологий, повышением уровня качества, точности и надежности изделий других отраслей промышленности, повышаются и требования к оптическим приборам: к их точности, 6 быстродействию, информативности, надежности работы и т.п. [2]. Все эти требования приводят к повышению требований к технологии изготовления ОП, к усложнению их конструкций, особенно к заключительным операциям - к сборке, юстировке и контролю, которые решающим образом определяют качество выпускаемых ОП. Эти операции с трудом поддаются механизации и автоматизации, а их удельная трудоемкость составляет 40-60 процентов от общей трудоемкости производства ОП [3]. Столь высокие затраты можно объяснить следующими обстоятельствами:

- Сложностью и разнообразием операций сборки и юстировки;

- Отсутствием научно обоснованной концепции юстировки и системного подхода к ней;

- Отсутствием хорошо отработанных технологических процессов сборки и методик юстировки;

- Отсутствие специализированного оборудования и приспособлений для сборки и юстировки, отвечающим требованиям технологичности и экономичности;

- Необходимость в достаточно высокой квалификации рабочих-юстировщиков при существующей технологии юстировки.

Юстировка является завершающим этапом технологического процесса сборки ОП. Юстировка узлов и всего прибора связана с процессом контроля и испытания. При юстировке необходимо определить величину перемещения оптической детали или узла в приборе, чтобы установить их в нужное положение, при котором прибор будет обеспечивать необходимые технические характеристики.

Юстировку и контроль осуществляют с помощью универсальных или специальных контрольно-юстировочных (КЮ) приборов, которые можно назвать оптическими приборами технологического контроля (ОПТК). К ним относятся универсальные приборы - коллиматоры, зрительные трубы, микроскопы, теодолиты, нивелиры, гониометры, уровни, автоколлиматоры и 7 специальные ОП. Специальные ОПТК представляют собой оптико-механические, оптико-электронные приборы, комплексы и устройства, соответствующие специфике юстируемого прибора, технологии сборки, юстировки и контроля. Специальные ОПТК разрабатываются и изготовляются в процессе подготовки производства при массовом и крупносерийном выпуске ОП и ОЭП, а также для операций юстировки, которые нельзя выполнять с помощью универсальных ОПТК.

Укрупненно технологический процесс оптико-механических приборов идет в следующей последовательности: механическая сборка —> оптическая сборка —> контроль —> юстировка —> контроль. После оптической сборки юстировке предшествует контроль, выявляющий отклонения характеристик собранного прибора или отдельных его узлов от их номинальных величин. Затем следует юстировка и совмещенный с ней контроль.

Специфика производства ОП в целом, и юстировки и контроля в частности, состоит в том, что почти каждый ОП может юстироваться различными способами, зависящими от особенности конструкции, технических требований, от назначения ОП. Поэтому существующие традиционные методы юстировки и ОПТК не являются обязательными и могут видоизменяться в зависимости от конкретных условий [2]. Существующие же методики юстировки и контроля ОП зачастую имеют недостатки, которые еще более увеличивают трудоемкость процесса юстировки, то есть увеличивают затраты времени и средств на юстировку и контроль.

Как уже было отмечено, из литературных источников [3] и по свидетельству опытных специалистов следует, что удельная трудоемкость сборки и юстировки ОП составляет около половины от общей трудоемкости всего производства ОП. Столь высокие затраты на юстировку ОП значительно повышают себестоимость оптического производства. К настоящему моменту подробный анализ причин высокой трудоемкости данного процесса отсутствует. Эти положения выдвигают актуальную задачу по исследованию 8 причин высокой трудоемкости юстировки ОП и созданию новых способов юстировки и контрольно-юстировочной (КЮ) аппаратуры, исключающих эти причины.

Данная диссертационная работа посвящена исследованию и совершенствованию технологии юстировки телескопических ОП.

Целью работы является теоретическое обоснование возможности совершенствования технологии юстировки телескопических ОП, разработка способов юстировки, повышающих производительность юстировки и качество ОП.

В соответствии с поставленной целью, в диссертационной работе решались следующие задачи:

• Анализ состояния существующих методов юстировки ОП и контрольно-юстировочной аппаратуры;

• Выявление недостатков, присущих традиционным методам юстировки и контроля телескопических ОП;

• Разработка способов устранения недостатков традиционных методов юстировки телескопических ОП;

• Проведение экспериментальных исследований с целью оценки эффективности применения разработанных способов юстировки телескопических ОП;

• Апробация макетов разработанных схем КЮ приборов для подтверждения теоретических положений.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и приложений. Каждая глава заканчивается выводами.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ IV:

Проведенный математический анализ, данные эксперимента и макетирование совмещенных систем микроскоп-телескоп позволяют сделать следующие выводы: 1. Математическое описание процесса юстировки как процедуры позиционирования оптического элемента в заданную точку с погрешностью, не превышающей поле допуска на юстировку данного элемента оптической системы, затруднено невозможностью точного учета субъективных особенностей оператора, выполняющего юстировку, и его действий. Выражения для теоретического расчета числа повторных установок юстируемого элемента в заданную точку носят вероятностный характер.

2. Существует матричная модель математического описания процесса юстировки сложной оптической системы. Данная модель позволяет определить элементы схемы, имеющие наиболее сильное влияние на параметры и качество изображения, строящегося оптической системой. Такой подход дает возможность находить оптические элементы, с помощью которых целесообразно производить юстировку, еще на этапе разработки технологии юстировки. Однако данная модель не дает возможности рассчитать число повторных установок юстируемого элемента в заданную точку. Существует возможность применять матричную форму описания для машинного моделирования процесса юстировки.

3. Основное экспериментальное исследование зависимости числа повторных установок юстируемого элемента оптической схемы в точку с заданными координатами с заданной точностью подтверждает высказанную причину больших затрат времени и средств на юстировку и возможность сокращения затрат времени и средств на юстировку.

4. Проведенные макетирование и испытания СМТ подтверждают возможность теоретически обоснованной одновременной юстировки и контроле поля зрения ОП и его выходного зрачка.

Экспериментально найдены оптимальные параметры СМТ.

5. Проведенное макетирование разработанных СМТ подтверждает возможность их реализации и применения по новой методике юстировки.

137

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе на основании теоретических и экспериментальных исследований доказана принципиальная возможность создания и применения способов юстировки и контрольно-юстировочной аппаратуры, позволяющих повысить производительность юстировочного процесса. В рамках диссертационной работы выполнено следующее:

1. Изучены литературные источники, посвященные сборке и юстировке ОП. Проанализировано состояние существующих методов и средств сборки, юстировки и контроля ОП к настоящему времени.

2. Исследована взаимосвязь процесса юстировки изображения в поле зрения и выходного зрачка телескопических ОП с основными свойствами оптических систем. Установлена причина раздельного проведения операций юстировки изображения в поле зрения и выходного зрачка, вытекающая из несовместимости в пространстве плоскостей изображения и выходного зрачка оптической системы.

3. Изучено влияние изменения положения одного и того же оптического элемента на положение изображения в поле зрения и на выходной зрачок в ходе юстировочного процесса.

4. Установлена причина неоднозначности результата юстировки изображения в поле зрения ОП и выходного зрачка сложных оптических систем и её итерационного характера, которая заключается в указанном вынужденном разделении операций юстировки изображения в поле зрения оптической системы и выходного зрачка, а также в многообразии влияния подвижек элемента оптической системы на параметры изображения.

5. Установлена связь высокой трудоемкости операций юстировки с неоднозначностью и итерационным характером процесса юстировки оптических систем.

138

6. Разработаны и исследованы схемы КЮ приборов, позволяющих совместить во времени операции юстировки и контроля изображения в поле зрения оптической системы и выходного зрачка.

7. С применением новых вышеупомянутых специализированных КЮ приборов разработан новый способ юстировки оптических приборов и получен патент на него.

8. Проведены экспериментальные исследования, доказывающие высказанное положение о целесообразности использования разработанного способа юстировки телескопических ОП.

9. Исследованы причины образования скрытых дефектов юстировки, понижающих качество изображения.

Ю.Предложены способы и средства диагностики скрытых дефектов юстировки, позволяющие исключить их возникновение.

11. Сформулирован принцип, исключающий образование скрытых дефектов юстировки, заключающийся в том, что устранение отклонения параметра от номинального значения необходимо производить тем ОЭ, который это отклонение вызвал, а не произвольно выбранным.

12.Произведены габаритные расчеты разработанных схем КЮ приборов. Разработан алгоритм последовательности действий при юстировке телескопических ОП, позволяющий устранить выявленные недостатки существующих методов юстировки.

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ. Основные результаты работы представлялись на Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-99», (19-21 октября 1999 г., Санкт-Петербург); на Юбилейной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, посвященной 100-летию ИТМО (ТУ) (29-31 марта 2000 г., Санкт-Петербург); на второй Международной конференции молодых ученых и специалистов «0птика-2001», (16-18 октября 2001г., Санкт-Петербург); на семинаре в техническом университете Ильменау (Германия) в

140

1. Чуриловский В. Н. Теория оптических приборов. М.: Машиностроение, 1966. - 564 с.

2. Бардин А. Н. Сборка и юстировка оптических приборов. М: Высшая школа, 1968. - 328с.

3. Погарев Г. В. Юстировка оптических приборов. Л: Машиностроение, 1982. -237 с.

4. Пер А. Г. Производство оптико-механических приборов. М: Оборонгиз, 1959.-338 с.

5. Русинов М. М. Габаритные расчеты оптических систем. М.: Недра, 1963. -400 с.

6. Русинов М. М. Юстировка оптических приборов. М.: Недра, 1969. - 326 с.

7. Гришин Б. С. Юстировка геодезических приборов.

8. Сухопаров С. А. Сборка и юстировка морских оптических дальномеров. -М.: Оборонгиз, 1961. 180 с.

9. Эрвайс А. В. Юстировка и ремонт оптико-механических измерительных приборов. М: Машиностроение, 1958. - 356 с.

10. Ельников Н. Т., Дитев А. Ф. Сборка и юстировка оптико-механических приборов. М: Машиностроение, 1974. - 351 с.

11. Ефремов А. А., Законников В. П., Подобрянский А. В., Сальников Ю. В. Сборка оптических приборов. М.: Высшая школа, 1983. - 319 с.

12. Гришин Б.С. Юстировка сложных оптических систем приборов. М.: Машиностроение, 1976. - 205 с.

13. Эрвайс А. В. Юстировка и ремонт оптиметров. М: Машгиз, 1948. - 139 с.

14. Эрвайс А. В. Юстировка и ремонт инструментальных микроскопов. М: Машгиз, 1949.-136 с.

15. Эрвайс А. В. Юстировка и ремонт универсальных микроскопов. М: Машгиз, 1949.- 131с.141

16. Эрвайс А. В. Юстировка и ремонт проекторов и оптических длиномеров. -М: Машгиз, 1951. 136 с.

17. Гукайло М. Я. Основные принципы конструирования оптическихконтрольно-юстировочных приборов. М.: Машиностроение, 1959. - 278 с.

18. Дубиновский А. М., ПанковЭ. Д. Стендовые испытания и регулировка оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1986. - 196 с.

19. Петров В. П. Контроль качества и испытание оптических приборов. JL: Машиностроение, 1985. —

20. Парвулюсов Ю. Б., Жерболодов Г. В. Обоснование принципа построения стенда для контроля точности геодезических угломерных приборов // Известия вузов. Приборостроение. 1996. - №2, специальный выпуск. - С.20-22.

21. Дич Л. Д., Латыев С. М. О состоянии исследований и разработок в области координатно-измерительных техники // Оптический журнал. 1994. - №9. -С.4-9.

22. Максимова Н. Ф., Соломатин В. А., Якушенков Ю. Г. Новые приборы для контроля качества оптических деталей и приборов // Известия вузов. Приборостроение. 1996. - №2. специальный выпуск. - С.26-30.

23. Губель Н. Н. Аберрации децентрированных оптических систем. Л.: Машиностроение, 1975. - 265 с.

24. Погарев Г. В. Оптические котировочные задачи. Справочное пособие. Л.: Машиностроение, 1974. - 224 с.

25. Сокольский М. Н. Допуски и качество оптического изображения. Л.: Машиностроение, 1989.-221 с.

26. Зверев В. А. Наклон изображения при децентрировке сферической поверхности // Оптико-механическая промышленность. 1989. - №10. - С. 29-31.

27. Сухопаров С. А. Многозрачковые монокулярные оптические приборы // Оптический журнал. 1995. - №8. - С. 62-66.142

28. Сухопаров С. А. Приборы с повышенной чувствительностью для фокусировки оптических систем // Оптико-механическая промышленность. -1970.-№10.-С.24-27.

29. Сухопаров С. А. Стереоскопические способы фокусировки оптических систем // Оптико-механическая промышленность. 1970. - №12. - С.3-6.

30. Сухопаров С. А., Пизюта Б. А. Фотоэлектрические методы измерения поперечной сферической аберрации приборов ночного видения // Известия вузов. Приборостроение. 1995. - Т. XVIII. - №6. - С.109-113.

31. Сухопаров С. А., Горлушкина Н. Н., Тимофеев А. Н. Повышение чувствительности индикации оптико-электронных прецизионных устройств автоматической фокусировки // Оптический журнал. 1994. - №9. - С.74-77.

32. Колючкин В. Я., Мосягин Г. М., Рязанов В. М., Чичварин Н. В. Оптико-электронные приборы контроля линейных и угловых перемещений объекта // Известия вузов. Приборостроение. 1996. - №2, специальный выпуск. -С.30-35.

33. Сухопаров С. А., Дмитриев В. А. Определение передаточных коэффициентов призм в главном сечении // Труды Новосибирского института инженеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии. Том XXXVI. Оптика и спектроскопия. - Н.: 1975. - С. 119 - 129.

34. Шульман М. Я. Автоматическая фокусировка оптических систем. JL: Машиностроение, 1990. - 379 с.

35. Сухопаров С. А. Теория и проектирование оптических приборов. Уч. пос. -Л.: ЛИТМО, 1988.-74 с.

36. Сухопаров С. А., Долинский И. М. Передаточные коэффициенты оптических систем // Оптико-механическая промышленность. 1967. - №4. -С. 10-14.

37. Сухопаров С. А., Литинская И. А. Системный подход к совершенствованию технологии юстировки // Известия вузов. Приборостроение. 2001. - №3. - С. 48-53.143

38. Сухопаров С. А., Литинская И. А. Повышение эффективности технологии юстировки оптических приборов // Известия вузов. Приборостроение. 2000. - Т43. - №4. - С.56-60.

39. Афанасьев В. А. Оптические измерения. М.: Высшая школа, 1981.-321 с.

40. Мальцев М. Д., Каракулина Г. А. Прикладная оптика и оптические измерения. М.: Машиностроение, 1968. -471 с.

41. Методы и средства испытаний, контроля и юстировки оптических приборов: конспект лекций. СПб: ИТМО (ТУ), 1998. - 162 с.

42. Сухопаров С. А., Горлушкина Н. Н., Тимощук И. Н. Проектирование и расчет пространственно-инвариантных объективов // Оптико-механическая промышленность. -1991. №1. - С.39 - 43.

43. Максутов Д. Д. Астрономическая оптика. Л.: Наука, 1979. - 395 с.

44. Патент на изобретение №2159948 РФ, 7 G 02 В 7/00. Способ юстировки оптического прибора / С. М. Латыев, С. А. Сухопаров, И. А. Литинская. -Заяв. №99117288 от 09.08.1999; Опубл. 27.11.2000, Бюлл.№33; Приоритет от 09.08.1999.

45. Кнороз И. В. Исследование и контроль характеристик позиционирования и плавности перемещения в оптических приборах: Дисс. канд. техн. наук. Л., 1985.- 180 с.

46. ГОСТ 16035-81. Показатели качества эргономические. Термины, определения, классификация и номенклатура. 1983.

47. Сухопаров С. А., Дмитриев В. А. Проектирование оптических приборов с помощью пространственно-передаточных коэффициентов // Сборник статей сотрудников кафедр ТОП и СОП. Л.: ЛИТМО, 1976. - С. 12 - 19.

48. R. Noennig/ Justierung in der Konstruktion. Festschrift zum 65. Geburtstag von Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil M. Schilling. TU Ilmenau, Fakultaet fuer Maschinenbau, Oktober 1999. S. 53-62.

49. Programmbeschreibung ILJUR95. TU Ilmenau, Fakultaet fuer Maschinenbau, 2000.144

50. Справочник конструктора оптико-механических приборов / М. Я. Кругер, В. А. Панов и др. 2-е издание. - Л.: Машиностроение, 1968. - 760 с.

51. Панов В. А., Андреев Л. Н. Оптика микроскопов. Л.: Машиностроение, 1976.-432 с.

52. Прикладная оптика: уч. пос. для приборостроительных специальностей вузов / Л. Е. Бебчук, Ю. В. Богачев, В. П. Заказнов и др. М.: Машиностроение, 1988. - 312 с.

53. Турыгин И. А. Прикладная оптика. М.: Машиностроение, 1966. - 431 с.

54. Слюсарев Г. Г. Методы расчета оптических систем. Л.: Машиностроение, 1969. - 672 с.

55. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969. - 366 с.

56. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов / И. Н. Бронштейн, К. А. Семендяев М.: ОГИЗ, 1948. - 556 с.145