|
|
|
|
|
|
||
Компоновкой называют процесс поиска и разработки рационального размещения элементов конструкции в заданном пространстве.
Именно в процессе компоновки создается конструкция будущего прибора, находится не только целесообразное взаимное расположение его модулей, устройств и узлов, но и определяются с учетом материалов оптимальные размеры и формы поверхностей деталей, отвечающие технико-экономическим требованиям задания и условиям производства. Так как от объема прибора зависит в известной степени его масса, занимаемая им площадь помещений, транспортные расходы и т.п., то общей тенденцией является стремление к уменьшению габаритов конструкции при компоновке (т.е. компактности конструкции).
Компоновка конструкции - сложный творческий процесс, наименее формализованный этап проектно-конструкторской деятельности, требующий от конструктора наряду со знаниями и опытом широкой эрудиции, воображения, интуиции, способности к эвристическому и ассоциативному мышлению.
Вместе с тем существенную помощь при компоновке оказывает системный подход, основанный на базовом и агрегатно-модульном методах проектирования (унификации), когда конструкция прибора создается, исходя из базовой модели комбинацией функциональных модулей и унифицированных элементов.
При компоновке прибора, создаваемого при индивидуальном проектировании, также целесообразно разбивать прибор на функциональные составные части: несущие (базовые), преобразовательные (рабочие), коммуникационные (соединительные), вспомогательные.
Осуществляя компоновку, следует идти от общего к частному. В начале определяют, будет ли прибор моноблочным, когда все его составные части располагаются в одном корпусе, либо он будет состоять из нескольких самостоятельных частей (корпусов), связанных определенным образом друг с другом.
Решение этого вопроса зависит от назначения прибора, его характеристик, условий эксплуатации, уровня унификации, достижений и развития техники и других факторов.
Например, одни из первых моделей персональных компьютеров (в частности "Commodore") имели конструкцию, в которой процессор, монитор и клавиатура располагались в одном корпусе. Дальнейшее развитие персональных компьютеров по пути блочно-модульной унификации привело к тому, что процессор, монитор и клавиатура стали выполняться в самостоятельных корпусах, как автономные функциональные блоки, соединенные друг с другом с помощью унифицированных разъемов и кабелей. Необходимость создания переносных компактных компьютеров и современные достижения техники снова делают актуальной моноблочную конструкцию персонального компьютера ("Notebook").
Еще одним примером могут служить конструкции автоколлиматоров. Визуальные автоколлиматоры выполняются, как правило, моноблочными, где в основании 1 (рис. 59, а) находятся наводящие и фиксирующие устройства, а оптико-механические элементы, узлы подсветки, питания и индикации расположены в трубе 2 Aвтоколлиматор "АК-1").
Фотоэлектрические автоколлиматоры, наоборот, как правило, содержат кроме оптико-механического блока 1 (рис. 59, б) автономный блок питания и регистрации 2, соединенный с ним с помощью разъемов и кабелей, а иногда и автономный блок подсветки 3, соединенный с оптико-электронным блоком оптическим жгутом. Тенденции же развития современных фотоэлектрических автоколлиматоров, основанных на позиционно-чувствительных приемниках, микросхемах и микропроцессорах, жидкокристаллических индикаторах, позволяют ожидать появления его моноблочной конструкции.
Следующий шаг - эскизная компоновка общей конструкции моноблока (или автономного устройства) и его основных элементов без детализации принятого решения.
Эскизную компоновку следует начинать с решения вопроса, какой будет несущая (базовая) часть конструкции и каким способом будут сопрягаться с ней функциональные устройства (блоки) и элементы изделия. Например, несущей частью конструкции может служить рама, стол, стойка, шкаф, шасси, штатив, кронштейн, труба и т.д., а функциональные блоки (модули), узлы и элементы могут устанавливаться путем выдвигания, нанизывания, накрытием [29]*, [47]*.
На рис. 60 изображена компоновка оптико-механического блока вертикального длиномера (ИЗВ-4), несущим элементом которого является основание и кронштейн 1; на его плоской поверхности монтируется корпус 2 измерительной пиноли 3, кронштейн привода 4, узел датчика перемещений с электронными платами 5 и другие функциональные узлы и элементы, накрываемые затем кожухом 6.
Подобным образом, только на горизонтальном столе, осуществляется компоновка ряда спектральных приборов. На рис. 61 изображена конструкция ультрафиолетового вакуумного звездного видеоспектрофотометра [64]*. Здесь на нижнем столе (плате) 1 размещены все узлы и элементы оптической схемы: узел сферического зеркала 2 (камерного объектива), привод 3 сканирующего плоского зеркала 4, щелевой коллиматор 5, дифракционная решетка 6. На верхней плате 7 установлена противосолнечная бленда 8, тепловой радиатор 9, электронные блоки 10 и другие узлы прибора, обеспечивающие функционирование видеоспектрометра.
Такой способ компоновки позволяет получить стабильную конструкцию и осуществить легкий доступ ко всем элементам прибора, сняв защитный кожух. Однако элементы оптической системы, смонтированные в кронштейнах, требуют при сборке на платах, как правило, более трудоемкой их юстировки по сравнению с тем, когда они монтируются в трубе (рис. 59) нанизыванием узлов.
Так как оптические приборы содержат функциональные устройства с различными физическими принципами действия (оптические, механические, электронные), которые должны располагаться в едином корпусе и быть защищены от внешних воздействий (посторонних засветок, механического контакта, загрязнений, влаги и т.п.), то часто несущим элементом является коробчатый корпус, получаемый литьем из металлических или пластмассовых материалов.
Примерами могут служить хорошо известные всем конструкции фотоаппаратов, видеокамер. Кроме того - автоматизированный сферометр ИЗС-11.
Командно-регистрационные устройства ОП выполняются, как правило, в виде автономных блоков по принципу блочно-модульной конструкции. На рис. 63 изображен подобный автономный блок, несущим элементом которого является стойка, в которую вдвигаются функциональные блоки (модули) 1-6.
Определив несущую часть конструкции, продолжают эскизную компоновку узлов и основных деталей моноблока: оптических (объективы, призмы, растры и т.п.), приводов (двигатели, зубчатые колеса, винтовые пары, рычаги, направляющие движения ...), источников и приемников излучения.
Второстепенные узлы, элементы и вспомогательные детали на этом этапе подробно могут не разрабатываться. Отдельные функциональные устройства, особенно унифицированные (электронные блоки, платы, редукторы, датчики ...), могут изображаться в конструкции в виде "кубиков", сопрягаемых с несущими частями конструкции.
Удобнее всего компоновку вести в масштабе 1:1 (если объект конструирования не является сверхминиатюрным или, наоборот, слишком большим).
Одно из основных правил компоновки - не останавливаться на одном (шаблонном или первом, пришедшим в голову) варианте конструкции, а попытаться разработать или отыскать несколько вариантов решения. Для дальнейшего анализа вариантов чаще всего достаточно иметь упрощенные их эскизы (наброски от руки), выполненные в одной-двух проекциях.
Всесторонний анализ найденных решений позволит выбрать наиболее рациональный и приступить к его детальной проработке и расчетам.
Залог успешной компоновки - учет технологичности изготовления и сборки деталей; удобство юстировки, обслуживания и ремонта объекта конструирования.
Осуществляя компоновку, следует применять индивидуальный метод унификации конструкции (см. п.3.1 ), максимально используя стандартизованные, унифицированные и заимствованные из ранее спроектированных приборов функциональные устройства, узлы, детали и элементы. Это позволит ускорить процесс конструирования, облегчить изготовление и повысить надежность. При этом также выполняется условие конструктивной преемственности - использование предшествующего опыта оптической промышленности, точного приборостроения и машиностроения путем введения в разработку рациональных проверенных на практике, идей, конструктивных решений и технологий.
Осуществляя компоновку конструкций, целесообразно выполнять следующие правила и приемы:
1. Исключать возможное вредное влияние отдельных функциональных устройств и элементов на другие (вследствие вибраций, температурного излучения, нагрузок и т.п.).
2. Производить рациональное членение конструкций на составные части (функциональные устройства, узлы), обеспечивающие параллельность сборки и независимость юстировки и контроля.
3. Сочетать компактность конструкции с удобствами сборки, юстировки, технического обслуживания и ремонта ОП и его узлов в процессе изготовления и эксплуатации прибора.
4. Шире использовать принцип конструктивной инверсии и совмещения функций элементов ОП.
5. Используя в качестве компоновочных элементов зеркально-призменные системы, следует располагать их, по возможности, в параллельном ходе лучей с небольшими аперутрами; не следует "разрывать" компоновочным элементом автономную функциональную систему (например, объектив, окуляр).
Рассмотрим примеры некоторых указанных правил и приемов.
На рис. 64, а изображена конструкция (компоновка) узла зубчатых колес 1, 2, заштифтованных на валу 4. Недостатком конструкции следует считать относительно большой габарит (L1) колес вдоль оси вала, необходимость двух штифтов (и двух резьбовых отверстий под стопорные винты) для крепления колес и в случае, если колеса изготавливаются из прутка, большой расход материала (зона 3).
В конструкции рис. 64, б, где зубчатое колесо 1 совмещает функции колеса и вала для напресованного на него зубчатого колеса 2, габарит (L2<L1). Уменьшено до одного количество штифтов и отверстий под стопорный винт, однако расход материала в заготовке под зубчатое колесо 1 остается достаточно большим.
Вариант (рис. 64, в), где используется принцип конструктивной инверсии** между зубчатыми колесами 1 и 2 (по сравнению с предыдущей конструкцией) расход материала существенно уменьшен.
На рис. 65, а показан фрагмент конструкции узла качания рычага 1 сканирующего устройства вокруг оси Y. Рычаг поворачивается вокруг вала 4, застопоренного винтом 3 в кронштейне 5. Размер L1 определяет возможные (нежелательные) наклоны рычага относительно осей Z и X из-за зазора (DC) в кинематической паре:
Благодаря использованию принципа инверсии (рис. 65, б), когда рычаг стопорится винтом 3 на валу и вращается вместе с валом 4 в кронштейне 5, удается (в тех же самых габаритах) увеличить базу, ограничивающую нежелательные наклоны рычага до размера L2 > L1.
Для уменьшения габарита L1 в конструкции крепления мениска резьбовым и упругим кольцами в оправе (рис. 66, а) можно, инвертируя резьбу с внутренней на наружную поверхности резьбового кольца и оправы, уменьшить габарит до L2 < L1 (так как t3 < t1, рис. 66, б).
Однако такое конструктивное решение несколько усложняет резьбовое кольцо, поэтому, инвертируя положение резьбового и упругого колец (рис. 66, в), можно получить габарит L3 < L2 .
Показанная на рис. 66, г конструкция крепления мениска завальцовкой позволяет оправе (благодаря упругому буртику) совмещать в себе функции также резьбового и упругого колец, благодаря чему можно получить L4 < L3.
Еще один пример компоновки с использованием принципа инверсии для упрощения конструкции корпуса 1 телеобъектива показан на рис. 67. В первоначальном варианте (рис. 67, а) изменение воздушного промежутка d между подвижным положительным 2 и неподвижным отрицательным 3 компонентами телеобъектива достигалось вращением оправы положительного компонента, сопрягаемого с корпусом по резьбе. Так как диаметр оправы компонента 2 и диаметр компонента 3 существенно различаются, конструкция корпуса 1 получилась сложной и нетехнологичной.
Второй вариант конструкции телеобъектива (рис. 67, б), где перемещается по резьбе оправа 4 отрицательного компонента (относительно неподвижного положительного), позволяет упростить конструкцию корпуса 5, создает возможность изготовить его из стандартной трубы, сократить расход материала.
На рис. 68 показано два варианта компоновки фиксирующей углоизмерительной головки, содержащей зеркальный полигон 1; положительный 2 и отрицательный 4 компоненты телеобъектива; компоновочное зеркало 3; светоделительную призму-куб 5; щелевую диафрагму 6, освещаемую конденсором и источником излучения 7, находящуюся в фокусе телеобъектива; позиционно-чувствительный (или обычный, но со щелью-анализатором) приемник излучения 8.
В первом варианте компоновочное зеркало установлено между компонентами телеобъектива в сходящемся пучке лучей. Поэтому требуется тщательная юстировка зеркала, так как его смещение вдоль оси Z и повороты вокруг осей X и Y вызовут децентрировку и порчу качества изображения.
Во втором варианте, зеркало установлено в параллельном ходе лучей, поэтому перечисленные погрешности его расположения не приведут к децентрировке объектива, порче качества изображения и необходимости юстировки.
Компонуя оптическую схему прибора, часто используют зеркально-призменные системы (ЗПС). При этом целесообразно учитывать свойства этих систем, позволяющие упростить процесс юстировки при сборке и выполнить конструкцию более устойчивой к разъюстировкам в процессе эксплуатации.
На рис. 69, а показана схема компоновки объектива 1 и фотоприемника 3 с помощью прямоугольной призмы 2. Для центрировки и фокусировки изображения на фотоприемник призму юстируют. Если сместить ее по оси Z (или в другом произвольном направлении), то появляется смещение изображения по приемнику вдоль оси X' и вдоль оси Z', т.е. юстировка является зависимой. Кроме этого, при такой подвижке возможны повороты призмы вокруг оси Y, которые вызовут смещение и наклон изображения.
Компоновка конструкции с помощью пента-призмы более предпочтительна, так как, сдвигая ее вдоль оси Х, добиваются центрировки изображения (его смещения вдоль оси Х'), а сдвигом вдоль оси Z - его фокусировки (смещения вдоль оси Z'). Кроме этого, возможный поворот пента-призмы вокруг оси Y не приведет к смещению изображения. Такая юстировка будет менее трудоемкой, так как является независимой.