Последний уровень раздела предыдущего изложения   Текущий уровень изложения предыдущего раздела   Текущий уровень изложения следующего раздела   Первый уровень изложения следующего раздела   Уровень: Глоссарии:


Введение

 

1.Роль и значение юстировки в процессе производства оптических приборов (ОП) можно характеризовать удельным весом затрат труда и средств на завершающие операции производства - сборку и юстировку.

Затраты на изготовление ОП можно разделить на 2 категории:

- затраты на изготовление деталей ОП,

- затраты на сборку и юстировку.

По 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 ОП невозможно обеспечить без юстировки и контроля выпускаемых ОП.

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 ОП.

Термин "технологический контроль" означает проведение контроля в процессе производства как составной части технологического процесса.

Эффективность процесса юстировки и технологического контроля зависит от подготовки и опыта разработчиков методик и средств юстировки, контроля, испытаний и квалификации исполнителей.

2. Понятия и определения

Юстировкой называется процесс, выполняемый во время или после сборки приборов и узлов, для достижения в них необходимых технических характеристик (показателей качества) путем устранения или компенсации погрешностей.

На практике и в отечественной литературе термин "юстировка" обычно применяют к оптическим приборам и узлам; термин "регулировка" - к механизмам и электромеханическим устройствам; термин "настройка" - к электронным приборам и устройствам. В немецкоязычной литературе термин "юстировка" применяется ко всем видам приборов, устройств и прецизионных машин.

Необходимость юстировки обуславливается тем, что ошибки при проектировании приборов и погрешности их изготовления (отклонения характеристик материалов, погрешности размеров, форм, положения деталей), обычно не позволяют получить непосредственно после сборки необходимых показателей качества (в первую очередь, качества изображения и точности). Требуется проведение дополнительных мероприятий по устранению или компенсации тех или иных погрешностей путем подвижек деталей, деформаций, дополнительной обработки, воздействия на их свойства или результат функционирования и т.д. для обеспечения заданных характеристик прибора или узла.

При эксплуатации приборов иногда также возникает необходимость их юстировки в результате действия эксплуатационных погрешностей и факторов (износ и старение элементов, изменение их положений и характеристик из-за влияния сил, вибраций, ударов, перепада температуры и т.п.).

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 некоторые примеры, показывающие необходимость осуществления юстировки в оптических приборах и узлах.

На рис.1. 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. 1

В лучшем случае, допуск на ΔZ не должен превышать дифракционной глубины резкости объектива TД: D Z _ ТД = 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.

Рассмотрим возможность обеспечения параллельности между собой осей пучков лучей, выходящих из окуляров бинокля (рис.2а).

Рис.2

Непараллельность осей возникает, в частности, из-за неравенства увеличений (Г1 , Г2 ) в трубках бинокля и непараллельности геометрических осей трубок D d .

Из-за неравенства увеличений, непараллельность осей D a равна:

D a = a 1 - a 2 = w (Г1 -Г2) = w D Г.

Допуск на непараллельность пучков лучей (исходя из физиологии зрительного аппарата человека) не должен превышать в вертикальной плоскости 15' (в горизонтальной плоскости он шире и достигает 40' при конвергенции осей и 20' при их дивергенции).

Определим допуск на относительную разность увеличений в трубках:

D Г/Г = D a / Г _ w = D a /wок =15'/25° = 1%,

где w , wок - половина угла зрения объектива и окуляра соответственно (в нашем примере

wок = 25 ° ).

Увеличение в трубках, как известно, равно отношению фокусных расстояний объектива и окуляров

Г1 = f 'об1 / f ' ок1 ; Г2 = f 'об2 / f 'ок2

Учитывая, что погрешность фокусного расстояния объектива в серийном производстве достигает 1%, окуляра 2-3%, максимальное вероятное значение разности увеличений трубок может достичь следующих значений:

Компенсировать эту погрешность можно юстировкой фокусного расстояния одного из окуляров, либо, что более рационально, учитывая крупносерийность производства биноклей, селекцией объективов и окуляров по фокусным расстояниям, комплектуя их таким образом, чтобы разность увеличений в трубках не превышала допустимого значения. Для этого поле рассеяния фокусных расстояний объективов и окуляров относительно их номинальных значений (f 'об.ном., f 'ок. ном.) разбивают на несколько диапазонов (групп), а затем, измеряя фактическое значение их фокусных расстояний, осуществляют комплектование по группам (рис.2,б).

Число комплектовочных групп будет зависеть от величины поля рассеяния, определяемого максимальными (f 'об.mах, f 'ок.mах) и минимальными (f 'об.min., f 'ок.min) значениями погрешностей фокусных расстояний.

Непараллельность геометрических осей трубок D d приводит к непараллельности осей пучков лучей на величину:

D a = (Г-1)D d = - Кy D d,

где Кy - угловой пространственный передаточный коэффициент (ППК).

Для бинокля, имеющего увеличение, например 6х (крат), получаем допуск на D d равный

D d = 15'/5х = 3'.

Такой допуск, учитывая, что он будет обусловлен погрешностями расточек отверстий под объективы и окуляры, зазорами в посадках, децентрировками самих объективов и окуляров и другими факторами, выдержать весьма сложно. Если же трубки бинокля имеют шарнир для раздвижки окуляров по базе глаз наблюдателя (ось шарнира в свою очередь должна быть параллельна оптической оси трубки), то обеспечить допуск практически невозможно и следует предусмотреть юстировку параллельности геометрических осей трубок и шарнира.

Процесс юстировки в общем случае заключается в следующем:

1) выявлении погрешностей прибора или его элементов, превосходящих допустимые значения.

2) выработке коррекционного юстировочного сигнала на исполнительное устройство, осуществляющее коррекцию.

3) воздействии юстировочным устройством на определенные cтруктурные элементы прибора (функциональные устройства, узлы детали) или специально вводимые в конструкцию компенсаторы с целью устранения недопустимых отклонений характеристик устройства от требуемых значений (исполнение коррекции).

4) фиксация юстируемых элементов для надежного закрепления их положения, состояния, свойств, измененных в результате юстировки.

5) измерении требуемых технических характеристик (контроль результатов юстировки) прибора или узла

3. Структурные схемы процесса юстировки

В табл.1 представлена рассматриваемая концепция понятия "юстировка".

Таблица1

Обобщенная структурная схема процесса юстировки представлена на рис.3.

Рис. 3

Здесь: 1 - прибор, узел, машина и т.п. - 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,Y0, q0, q0';

f0 - расчетные (номинальные) значения перечисленных параметров;

D qi, D qi ', D Yi и D qi0, D q'i 0, D Yi0 действительные и допустимые значения погрешностей;

DZK- коррекционный управляющий сигнал на исполнительное устройство;

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

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.

Юстировка по схеме вспомогательных измерений (рис.3а.) заключается в том, что погрешности конструктивных параметров, изменения влияющих факторов, отдельные погрешности выходных информативных параметров измеряются с помощью вспомогательных измерительных устройств. Их роль выполняют обычно контрольно-юстировочные приборы и устройства: измерительные микроскопы, автоколлиматоры, приборы измерения линейных величин (индикаторы, оптиметры, интерферометры и т.п.), датчики температуры и давления, лекальные линейки, пробные стекла и т.д.

Измеренные значения поступают затем в систему (устройство) сравнения, функцию которого выполняет, например, при автоматизированной юстировке процессор, а при не автоматизированной - оператор.

В системе сравнения заложена зависимость погрешностей выходных информативных параметров (частичных показателей качества) от первичных погрешностей и факторов

D Y D q, Dq '= fi (X,Y, qi, D qi, D qi '),

а также допустимые значения первичных погрешностей и факторов (D qi0, D q'i0) и их влияний

(D Yi0, DY' i0) в виде численных значений, таблиц, графиков.

На основании сравнения измеренных погрешностей и факторов с их допустимыми значениями (либо действительного и допустимого влияния погрешностей) система сравнения вырабатывает при

D qi > D qio; D Yi > D Yi0

управляющий сигнал D Z к на исполнительное устройство.

Исполнительное устройство (инструмент, приспособление, привод) при необходимости с привлечением вспомогательной энергии, воздействует на параметры структурных элементов или конденсаторов с целью устранения самой погрешности или ее влияния на качество.

По этой схеме происходит юстировка элементов прибора при поузловой сборке и отдельных показателей на его качество (регулировка фокусных расстояний объективов, их фокусировка, устранение наклона изображения, доводка направляющих поступательного и вращательного движения и т.д.). Типичными примерами являются, например измерение погрешностей толщин линз перед склейкой и их комплектация для получения требуемой толщины склейки; юстировка формы отражающей поверхности адаптивного зеркала по измеренным значениям погрешностей расположения составляющих элементарных зеркал; юстировка равенства измеренных амплитуд и номинального сдвига фаз сигналов фотоприемников, создающих квадратурный сигнал в датчиках перемещения (см. рис.4).

Рис. 4

Способ юстировки по схеме вспомогательных измерений обладает следующими особенностями:

1) юстируется не суммарный показатель качества (суммарная погрешность прибора), а только его составляющие, обусловленные отличием некоторых первичных, частичных или комплексных погрешностей от их номинального значения;

2) для измерения отклонения каждой погрешности от ее номинального значения необходимо иметь соответствующее вспомогательное измерительное устройство (ВИУ);

3) система сравнения должна содержать для компенсируемых погрешностей их допустимые значения;

4) результат юстировки в существенной степени зависит от качества ВИУ и оптимальной последовательности операций.

Юстировка по схеме образцовых сигналов основана на том, что на вход прибора (функционального устройства) подается образцовый сигнал (Xo), либо входной сигнал подается также на образцовый прибор (рис. 3,б).

Образцовый сигнал позволяет получить теоретическое (номинальное) значение (Yio) информативного сигнала путем расчета по номинальной функции прибора, а образцовый прибор или устройство - номинальным преобразованием сигнала.

Номинальное значение поступает в систему сравнения, где вычисляется разность значения Yi0 и действительного его значения Yi, поступившего с выхода прибора:

D YS i = Yi - Yio



Система сравнения на основании сравнения D YS ic его допустимым значением D Yio вырабатывает при D YS i > D YS iо управляющий сигнал D Z кj на исполнительное устройство.

В качестве образцового сигнала используется, например, волновой фронт эталонного источника светового излучения, эталоны угловых и линейных величин (шкалы, призмы, коллиматоры и т.д.) углы и расстояния между предметами, звездами, длина волн спектральных линий, и т.п.

Образцовыми преобразователями могут быть эталонные приборы, датчики, объективы и т.д. По этой схеме обычно производится окончательная юстировка прибора или его функциональных устройств. Типичным примером является компенсация комы объектива из-за децентрировки линз, когда по дифракционному изображению точки (или миры) судят о наличии недопустимой комы и устраняют ее смещением (или разворотом) определенной линзы объектива. По такой схеме юстируют также цену отсчета автоколлиматора, сравнивая его показания с эталонным автоколлиматором, либо задавая эталонные (с помощью репетитора) углы поворота автоколлимационному зеркалу, либо, имея отражатель, содержащий два зеркала, развернутых на эталонный угол друг относительно друга.

Юстировка по схеме образцовых сигналов обладает следующими особенностями:

1) юстируется показатель качества (суммарная погрешность) прибора или устройства, обусловленный действием всех действующих на него погрешностей;

2) необходим образцовый сигнал (Xо), либо образцовый прибор (устройство), позволяющие получить номинальное значение выходного сигнала (Yio);

3) юстировка производится в дискретных точках диапазона работы прибора, соответствующих значениям образцового сигнала (например, для определенной длины волны света, конкретного значения угла, дистанции и т.д.),

4) результат юстировки в существенной степени зависит от качества образцового сигнала прибора.

Целью курса "МиСИКиЮОП" является изучение особенностей методов и средств юстировки и контроля, осуществляемых в процессе производства и испытаний готовых оптических приборов.

Задачей курса является получение знаний и навыков разработки методик юстировки, схем и конструкций новых ОПТК (оптических приборов технологического контроля) и других средств юстировки и контроля ОП, навыков поверки, применения ОПТК для юстировки, контроля и испытаний ОП.

Цели и задачи курса достигаются чтением лекций, проведением лабораторных работ, выполнением контрольных и домашних заданий.