Исследование возможности совершенствования технологии юстировки телескопических оптических приборов

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.

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.

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 2001 г., Санкт-Петербург) — на семинаре в техническом университете Ильменау (Германия) в.