Расчет и конструирование оптико-механических приборов - Плотников В.С., Варфоломеев Д.И., Пустовалов В.Е.

Author: Плотников В.С. Варфоломеев Д.И. Пустовалов В.Е.

Tags: компьютерные технологии приборостроение механика конструирование оптические приборы издательство машиностроение

Year: 1983

Similar

Проектирование оптико-электронных приборов

Нормирование точности

Метрология, стандартизация и сертификация. Издание 2-е

Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения

Text

В.С. Плотников, Д.И. Варфоломеев,
В.Е. Пустовалов
РАСЧ ЕТ
И КОНСТРУИРОВАНИЕ
оптико-механических
приборов
Книгу всегда можно найти тут:
rlbooks.narod.ru
bookfi.org
Djvu для сайта
src.lgg.ru
Предисловие
Со времени опубликования (1972 г.) первого издания учебника
«Расчет и конструирование оптико-механических приборов» про-
шло около десяти лет. За это время существенно изменилась про-
грамма курса, претерпели значительные изменения и разработаны
вновь многие Государственные и отраслевые стандарты, вне-
дряются стандарты СЭВ. В связи с этим возникла необходимость
в переработке учебника.
В соответствии с новой учебной программой курса компоновка
учебника претерпела большие изменения. Введен новый раздел
«Основы стандартизации», вновь написаны гл. 1, 2, 5, 8, сущест-
венно переработан и дополнен новыми сведениями материал, во-
шедший в гл. 3, 6, 7, 9, И, 12, 13, 15 и 17, практически заново
написана гл. 10.
Расположение материала в учебнике в основном соответствует
последовательности тем программы, утвержденной в 1975 г., что
значительно облегчает преподавание курса и изучение его учащи-
мися.
Гл. с 1 по 9 учебника написаны В. С. Плотниковым, с 10 по
13 — В. Е. Пустоваловым, с 14 по 18 — Д. И. Варфоломеевым.
Отзывы и пожелания по улучшению книги следует направлять
по адресу: 107076, Москва, Стромынский пер., д. 4, издательство
«Машиностроение».
Введение
Курс «Расчет и конструирование оптико-механических при-
боров» является одним из основных при подготовке техников-
конструкторов оптических приборов. При его изучении широко
используют сведения из курсов «Теория оптических систем и опти-
ческие измерения», «Основы стандартизации, допуски и техниче-
ские измерения», «Теория механизмов и детали приборов», «Опти-
ко-механические приборы» и др. В этом курсе из различных типов
механизмов и устройств предусмотрено изучение таких, которые
наиболее часто применяются в оптико-механических приборах.
Оптические приборы используются в самых различных от-
раслях народного хозяйства нашей страны.
Стекло как прозрачный материал было известно в глубокой
древности, однако первые оптические приборы —очки появились
в XIII в. Значительно позднее, в 1609 г., Галилео Галилей изобрел
и изготовил первый в мире телескоп. В том же XVII в. голландец
А. Левенгук изобрел микроскоп.
Научная разработка теории оптических приборов началась
с работ выдающихся ученых Р. Декарта, П. Ферма, И. Ньютона,
К. Гаусса. Большой вклад в XVIII в. в мировую науку и технику
внесли русские ученые М. В. Ломоносов и Леонард Эйлер, меха-
ники И. П. Кулибин и О. Н. Малофеев. Стройная теория оптиче-
ских приборов как самостоятельная наука появилась в конце
XIX в.
Только после Великой Октябрьской социалистической револю-
ции в нашей стране началось планомерное развитие отечественной
оптико-механической промышленности. Большую роль сыграл
в этом созданный в 1918 г. Государственный оптический институт
(ГОИ), ныне носящий имя академика С. И. Вавилова. Первым
директором ГОИ был выдающийся ученый академик Д. С. Рож-
дественский. В разное время в ГОИ работали такие выдающиеся
ученые, как академики И. В. Гребенщиков, А. А. Лебедев,
С. И. Вавилов, В. П. Линник, члены-корреспонденты АН СССР
Н. Н. Качалов, Д. Д. Максутов, А. И. Тудоровский и др. Под ру-
ководством этих ученых было налажено производство оптического
стекла, разработаны методы расчета оптических систем, создана
теория оптических приборов,
4
В послевоенные годы был освоен массовый выпуск фотоаппа-
ратуры и киноаппаратуры, налажено производство интерферен-
ционных, спектральных и других приборов, создан ряд уникаль-
ных оптических приборов. К последним относятся телескопы с диа-
метрами главных зеркал 2,6 и 6,0 м, не имеющие аналогов в миро-
вой практике.
Крупнейшим вкладом советской оптической промышленности
в развитие мировой науки и техники явилось создание фотокамер
для автоматических станций «Луна» и «Зонд», с помощью которых
была сфотографирована невидимая с Земли обратная сторона
Луны и проведены уникальные фотографические эксперименты.
С помощью фототелевизионных систем, снабженных отечествен-
ными объективами, была передана станцией «Луна-9» первая па-
норама лунной поверхности, осуществлялось наблюдение за пере-
движением по поверхности Луны автоматической станции «Луно-
ход-1», получены уникальные снимки поверхности Земли, Венеры
и других планет. Большое развитие получили приборы, работаю-
щие в невидимых областях спектра — ультрафиолетовом и ин-
фракрасном, и приборы с лазерами.
Дальнейшее развитие науки и техники в нашей стране преду-
сматривает соответствующее развитие оптического приборо-
строения.
РАЗДЕЛ I
Основы стандартизации
Глава 1
ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА СТАНДАРТИЗАЦИИ.
СТАНДАРТИЗАЦИЯ В ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
1. ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА СТАНДАРТИЗАЦИИ.
ОСНОВНЫЕ ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ СТАНДАРТИЗАЦИИ
Стандартизация — это плановая деятельность по установле-
нию обязательных правил, норм и требований, выполнение кото-
рых обеспечивает оптимальное качество продукции, повышение
производительности общественного труда и эффективности исполь-
зования материальных ценностей при соблюдении требований
безопасности. Она опирается на достижения науки, техники и
практического опыта и должна определять основу не только на-
стоящего, но и будущего.
В нашей стране разработана Государственная система стандар-
тизации (ГСС), которая состоит из комплекса взаимоувязанных
стандартов (ГОСТ 1.0—68 ... ГОСТ 1.5—68 и др.) и упорядочивает
проведение работы по стандартизации в масштабе всей страны.
Стандартизацией в масштабе страны руководит Государственный
комитет СССР по стандартам (Госстандарт СССР). В отраслях на-
родного хозяйства стандартизацией руководят соответствующие
отделы общесоюзных и республиканских министерств, головные и
базовые организации, отделы, лаборатории и бюро стандартизации
на предприятиях. В союзных республиках стандартизацией руко-
водят Советы министров или Госпланы республик через республи-
канские отделы и базовые организации по стандартизации.
Развитие стандартизации в международном масштабе осущест-
вляет Международная организация по стандартизации (ИСО).
Страны социалистического лагеря, входящие в Совет Экономиче-
ской Взаимопомощи (СЭВ), проводят большую совместную работу
по стандартизации.
Стандартами ГСС установлены основные понятия, цели и за-
дачи стандартизации; организация, методика проведения и плани-
рования работ по стандартизации; порядок разработки, утвержде-
ния, обращения и внедрения стандартов и других нормативно-
технических документов; порядок внесения изменений в стандарты;
контроль за соблюдением и внедрением стандартов; объекты стан-
дартизации, категории и виды стандартов; правила построения,
оформления и хранения стандартов.
Деятельность по стандартизации, связанная с повышением
качества продукции, направлена на решение следующих основ-
ных задач;
б
установление научно обоснованных требований к качеству го-
товой продукции на основе комплексной стандартизации качест-
венных характеристик конечной продукции, а также номенкла-
туры и характеристик сырья, материалов, полуфабрикатов и ком-
плектующих изделий;
разработку единой системы качества продукции, методов и
средств ее испытаний и контроля; установление необходимого
уровня надежности изделий с учетом их назначения и условий
эксплуатации;
установление единой системы норм, требований и методов
в области проектирования и производства продукции с целью
сокращения многообразия видов, марок и типоразмеров продукции.
2. КАТЕГОРИИ И ВИДЫ СТАНДАРТОВ
В зависимости от сферы действия ГСС предусматривает следу-
ющие категории стандартов: государственные (ГОСТ), отраслевые
(ОСТ), республиканские (РСТ) и стандарты предприятий (СТП).
Государственные стандарты обязательны для всех предприя-
тий, организаций и учреждений страны. Отраслевые стандарты
распространяются на все предприятия и организации данной от-
расли (например, станкостроительной, оптико-механической
и т. д.). Республиканские стандарты обязательны для всех пред-
приятий и организаций республиканского и местного подчинения,
расположенных на территории данной союзной республики, неза-
висимо от их ведомственной принадлежности. Стандарты пред-
приятий действуют только в их пределах.
Стандарты утверждаются соответствующими организациями:
ГОСТ — Госстандартом СССР; ОСТ — министерством (ведомст-
вом), являющимся ведущим в производстве данного вида продук-
ции; РСТ — Советами министров или Госпланами союзных рес-
публик; СТП — руководством предприятий. Особо важные
ГОСТы утверждает Совет Министров СССР.
Разрабатываются также по согласованным планам стандарты
СЭВ, действие которых распространяется на все страны, входя-
щие в Совет Экономической Взаимопомощи.
В зависимости от объектов и содержания стандарты разделяют
на несколько видов: стандарты технических условий (технических
требований); параметров (размеров); типов, марок, сортамента;
конструкции и размеров; правил приемки, методов испытаний;
типовых технологических процессов и др.
3. ДЕЙСТВУЮЩАЯ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ
В ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Стандартизация в оптико-механической промышленности яв-
ляется составной частью государственной системы стандартизации.
Действующая в оптико-механической промышленности норма-
тивно-техническая документация содержит все категории стан-
7
дартов. На многие оптико-механические приборы межотраслевого
применения, прошедшие государственную аттестацию, разрабо-
таны ГОСТы, отраслевые стандарты на приборы ограниченного
применения (например, контрольно-юстировочные), на технологи-
ческую оснастку и инструмент; разработаны СТП, ограничивающие
применяемую номенклатуру деталей, составных частей, материа-
лов. При конструировании оптико-механических приборов поль-
зуются прежде всего ГОСТами, входящими в Единую систему кон-
структорской документации (ЕСКД) (см. гл. 2), стандартами СЭВ
(СТ СЭВ) по допускам и посадкам. Однако для ограничения поса-
док по СТ СЭВ разработаны СТП на преимущественные стандарти-
зованные посадки, разрешенные к применению в оптико-механиче-
ских приборах (см. гл. 9).
При проектировании оптико-механических приборов (ОМП)
используют также ГОСТы Государственной системы обеспечения
единства измерений (ГСП), единой системы технологической до-
кументации (ЕСТД) и другие комплексы ГОСТов.
ГОСТы на оптические и оптико-механические приборы уста-
навливают основные типы приборов и их параметров, размеры,
нормы точности, технические требования, правила приемки, ме-
тоды испытаний и др. Разработаны, например, Государст-
венные стандарты на бинокли (ГОСТ 7048—72), теодолиты
(ГОСТ 10529—79), нивелиры (ГОСТ 10528—76), головки делитель-
ные оптические (ГОСТ 9016—77), микрометры окулярные винтовые
(ГОСТ 7865—77Е) и многие другие приборы.
Приведем для примера основное содержание ГОСТ 7048—72
«Бинокли. Типы и основные параметры. Технические требования».
ГОСТ устанавливает два типа биноклей: призменные-Б и гали-
леевские-БГ. Бинокли обоих типов разделяются на следующие
исполнения: Т —театральные; П — полевые и морские; Ш —
широкоугольные; О — с удаленным зрачком (для носящих очки);
Ф — с внутренней фокусировкой; Н — с постоянной базой. Даны
примеры условных обозначений биноклей. Например, бинокль
призменный полевой, высокосветосильный, с центральным фоку-
сировочным устройством, имеющий увеличение 7х и диаметр вход-
ного зрачка 50 мм, обозначают «Бинокль БПЦ 7x50
ГОСТ 7048—72». Приведены основные параметры различных би-
ноклей: обозначение, увеличение, диаметры входного и выходного
зрачков; угловое поле; удаление выходного зрачка; наибольшее
значение углового предела разрешения; пределы изменения сходи-
мости выходящих пучков лучей.
Определены технические требования: отклонения от номи-
нальных значений увеличений каждой трубки, углового поля,
пределов разрешения, диаметра выходного зрачка и других па-
раметров; нормальная работа полевых биноклей в пределах тем-
ператур от минус 40 до плюс 45° С и др.
Кроме общих ГОСТов на типы и основные параметры разра-
ботаны ГОСТы на конкретные приборы, аттестованные по качеству,
8
например ГОСТ 5.906—71 «Теодолит Т-2. Требования к качеству
аттестованной продукции». В этих ГОСТах установлены основные
параметры и размеры, более подробные технические требования,
правила приемки, методы испытаний; маркировка, упаковка,
транспортировка и хранение; гарантии изготовителя.
Глава 2
ЕДИНАЯ СИСТЕМА
КОНСТРУКТОРСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ (ЕСКД)
1, СОСТАВ И СОДЕРЖАНИЕ ЕСКД
Эта система устанавливает для всех предприятий страны поря'
док организации проектирования, единые правила выполнения
и оформления чертежей и ведения чертежного хозяйства, что упро-
щает проектно-конструкторские работы, способствует повышению
качества конструирования и качества изделий, обеспечивает одно-
значное чтение и понимание чертежей в разных организациях.
На основании ГОСТ 2.001—70 весь комплекс утвержденных
стандартов ЕСКД (свыше 100 стандартов) разделяется на следую-
щие классификационные группы:
0. Общие положения.
1. Основные положения (виды изделий, виды конструкторской
документации, стадии разработки, основные требования к черте-
жам, текстовые документы и т. д. — ГОСТ 2.101—68 ...
ГОСТ 2.115—70; ГОСТ 2.118—73 ... ГОСТ 2.121—73).
2. Классификация и обозначение изделий в конструкторских
документах — ГОСТ 2.201—80.
3. Общие правила выполнения чертежей — ГОСТ 2.301—68 ...
... ГОСТ 2.317—69.
4. Правила выполнения' чертежей изделий машиностроения
и приборостроения — ГОСТ 2.401—68 ... 2.422—70.
5. Правила обращения конструкторских документов (учет,
хранение, дублирование, внесение изменений) — ГОСТ 2.501—68.
... 2.503—74.
6. Правила выполнения эксплуатационной и ремонтной доку-
ментации — ГОСТ 2.601—68 ... 2.606—71.
7. Правила выполнения схем и обозначения условные графи-
ческие — ГОСТ 2.701—76 ... 2.707—72.
8. Правила^ выполнения документов строительных и судо-
строительных. ;
9. Прочие стандарты.
В последующих главах будут рассмотрены многие конкретные
ГОСТы, входящие в группы 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.
9
2. КОМПЛЕКТ КОНСТРУКТОРСКОЙ документации
НА ИЗДЕЛИЕ
Виды и комплектность конструкторских документов устанав-
ливает ГОСТ 2.102—68. К конструкторским документам на изде-
лие относят графические и текстовые документы, которые опреде-
ляют состав и устройство изделия и содержат необходимые данные
для его изготовления, контроля, приемки, эксплуатации и ремонта.
Комплект конструкторской документации содержит следующие
основные документы: чертежи деталей, сборочные чертежи, чер-
теж общего вида; теоретический чертеж, габаритные и монтажные
чертежи, схемы, спецификации, ведомости: спецификаций, покуп-
ных изделий и согласования их применения, технического пред-
ложения, эскизного и технического проектов; пояснительную за-
писку; технические условия, документы эксплуатационные по
ГОСТ 2.601—68 (паспорт, техническое описание и инструкция по
эксплуатации и т. д.).
Перечень конструкторских документов, кроме обязательных
по ГОСТ 2,102—68, выпускаемых на конкретное изделие, предна-
значенное для самостоятельной поставки, должен быть согласован
с заказчиком.
РАЗДЕЛИ!
Точность приборов
Глава 3
ОСНОВЫ ТОЧНОСТНОГО РАСЧЕТА ПРИБОРОВ
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.
ВИДЫ РАСЧЕТОВ ПРИБОРОВ НА ТОЧНОСТЬ
Одной из важнейших и обязательных задач проектирования
является расчет на точность основных частей и прибора в целом.
Точность прибора характеризуется заданной в ТЗ суммарной по-
грешностью всего прибора или суммарными погрешностями от-
дельных частей х. Основной целью расчета прибора на точность
является обеспечение заданной точности при оптимальных значе-
ниях параметров прибора, характеристик его схем, допусков на
детали и их сопряжения. От рационального выбора посадок и до-
пусков зависят себестоимость изготовления прибора, его надеж-
ность и долговечность в эксплуатации, степень взаимозаменяемости
деталей и узлов.
Основными видами расчета приборов на точность являются
проектный расчет и проверочный расчет.
Проектный расчет является основным видом расчета на точ-
ность. При проектном расчете точности на этапе эскизного проек-
тирования оценивают степень влияния на конечную точность
отдельных частичных погрешностей с целью рационального назна-
чения их допустимых величин и выбора наивыгоднейших параме-
тров конструкции при наиболее высоких характеристиках ее
технологичности и наилучшего выполнения требований ТЗ. На
этапах технического проекта и разработки рабочих чертежей
производят полный анализ технологичности конструкции, расчет
размерных цепей (см. гл. 4) и расчет допусков на технологические
первичные погрешности (размеры и сопряжения деталей и узлов)
по заданному допуску на суммарную погрешность механизма,
цепи, узла.
Проверочный расчет производят, когда требуется сравнить
несколько вариантов конструкции, а также тогда, когда допуски
на технологические первичные погрешности уже назначены и не-
обходимо проверить их соответствие заданной конечной точности
механизма, сборочной единицы или прибора. Проверочный расчет
часто производят сразу после проектного расчета с целью проверки
1 Иногда точность определяют величиной, обратной относительной погреш-
ности. Так, если относительная погрешность прибора 1/1000, то его точность
Т = 1000. Однако это определение нельзя считать установившимся.
11
результатов последнего, а также с целью внесения целесообраз-
ных изменений в значения частичных погрешностей и вычисления
затем суммарной погрешности.
2. ВИДЫ ПОГРЕШНОСТЕЙ. ИСТОЧНИКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ
Осуществление заданных параметров, законов движения и дру-
гих характеристик с абсолютной точностью возможно лишь теоре-
тически, т. е. в идеальных механизмах. В реальных меха-
низмах невозможно избежать различного рода отклонений от
идеального случая. Разница между реальным (действительным)
значением рассматриваемого параметра и его идеальным значением
составляет погрешность механизма по этому параметру.
Полная (суммарная) погрешность механизма, сборочной еди-
ницы или прибора состоит из многих отдельных, так называемых
частичных, погрешностей. Частичные погрешности более высо-
кого ранга, например погрешность отсчета, представляют собой
сумму более мелких частичных погрешностей.
Все погрешности независимо от причин и характера их воз-
никновения можно подразделить на две основных категории: си-
стематические и случайные.
Большинство погрешностей изменяют свои значения около ну-
ля в определенных небольших пределах. Они могут иметь любое
случайное значение в рамках этого предела (нуль, максимальное
положительное или отрицательное), причем установить заранее
конкретное значение таких погрешностей для определенного мо-
мента работы механизма не представляется возможным. Такие по-
грешности называются случайными. Средние значения случайных
погрешностей мало отличаются от нуля. Случайная погрешность
при одних и тех же условиях может возникнуть и не возникнуть
(например, погрешность отсчета по шкале, погрешность визиро-
вания и т. п.).
Систематическими погрешностями называются такие, которые
обязательно возникают при данных условиях. Действие этих по-
грешностей носит вполне определенный систематический характер,
определенным условиям соответствует определенное значение си-
стематической погрешности (абсолютная величина и знак). Систе-
матические погрешности подразделяют на постоянные и перемен-
ные. Постоянные систематические погрешности в процессе работы
прибора сохраняют свою величину и знак (например, погрешность
в длине мерной ленты, погрешность в размере шкалы и т. п.).
Переменные систематические погрешности в процессе работы меха-
низмов прибора изменяются по определенному закону (например,
погрешность эксцентриситета изменяется по периодическому за-
кону). .г!
Погрешности могут быть представлены в абсолютном и отно-
сительном виде. Например, при измерении расстояния I = 100 м
12
дальномером абсолютная погрешность составляла А/ = 10 см.
Относительная погрешность
Д/ 10 1
Z ~ 100-102 — 1000
Основными погрешностями оптико-механиче-
ских приборов являются:
1) теоретические погрешности прибора, т. е. погрешности,
не зависящие от качества изготовления прибора: а) отступления
от строгого математического решения задачи прибором (допу-
щения в формулах, решаемых механизмом), принятые с целью
упрощения конструкции (эти погрешности, как правило, являются
систематическими); б) погрешности оптических систем, связанные
с теоретическими возможностями их расчета (например, расчетные
значения аберраций); в) погрешности входных данных (например,
погрешности определения скорости и высоты самолета при аэро-
съемке) ;
2) первичные погрешности механизмов — погрешности разме-
ров, формы и положения деталей, возникающие при изготовлении
и работе механизма. Первичные погрешности механизмов, оказы-
вающие наибольшее влияние на их точность, подразделяют на сле-
дующие виды:
а) технологические первичные погреш-
ности, представляющие собой производственные погрешности
изготовления деталей (погрешности размеров, расположения и
формы рабочих поверхностей) и погрешности сборки (смещения,
перекосы и т. п.); характер проявления этих погрешностей слу-
чайный;
б) смещения в зазорах кинематических
пар. Величина смещения определяется величиной зазоров, а на-
правление смещения — направлением действующих усилий; за-
зоры являются технологическими погрешностями и носят случай-
ный характер;
в) силовые деформации деталей от сил тяже-
сти, внешних (нагрузочных) сил, сил трения и т. п. По характеру
проявления эти погрешности относятся к систематическим;
г) температурные деформации деталей;
изменение размеров деталей при изменении температуры по сравне-
нию с исходной (+20 °C) приводит к погрешностям, принимаемым
в расчет как систематические;
д) .влияние сил трения в кинематических
парах; силы трения вызывают деформации, износ, смещения
деталей в зазорах;
е) влияние колебаний и вибраций в процессе
работы; причинами колебаний и вибраций могут быть внешние
условия, неуравновешенность вращающихся частей и деталей,
зазоры и трение в кинематических парах, недостаточная жест-
кость несущих элементов, отсутствие или несовершенство аморти-
13
зирующих устройств и т. п. Первичные погрешности, возникаю-
щие в процессе работы прибора, называют э ксплуатацион-
н ы м и; к ним относятся силовые и температурные деформации,
влияние сил трения, износ, влияние колебаний и вибраций;
3) личные погрешности (ошибки), обусловленные ограничен-
ностью органов чувств человека, например, точность наведения
на предмет зрительной трубы наблюдателем ограничена разре-
шающей способностью глаза;
4) внешние погрешности, происходящие от влияния внешней
среды (действие температуры, давления, влажности, вибраций и
перегрузок, ветра и других внешних условий).
3. НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ ОБРАБОТКИ
ИЗМЕРЕНИЙ О КРИТЕРИЯХ ОЦЕНКИ ТОЧНОСТИ
Точность работы механизма или прибора в большинстве случаев оценивают
средним квадратическим отклонением о и предельной погрешностью ДПр- Среднее
квадратическое отклонение принимают в качестве меры рассеивания случайных
погрешностей. Среднее квадратическое отклонение при случайных погрешностях
данного ряда измерений выражается формулой
С)
у п — 1
где знак [ ] — гауссова сумма; v — разность между отдельным измерением
и средним арифметическим значением из ряда измерений; п — число измерений.
Зависимость между средним квадратическим отклонением о и предельной ДПр
погрешностью определяется законом распределения погрешностей.
Так, при распределении погрешностей по закону Гаусса (нормальный закон
распределения)
Дпр = Зег. (2)
При распределении погрешностей по закону равной вероятности
Дпр = КЗ о. (3)
4. МЕТОДЫ СУММИРОВАНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ
При выполнении расчетов на точность обычно пользуются
двумя методами суммирования погрешностей:
а) суммируют абсолютные значения отдельных погрешностей
(расчет при максимальном влиянии погрешностей);
б) суммируют погрешности с учетом законов теории вероятно-
стей (расчет при учете вероятного влияния погрешностей).
Первый метод расчета более простой, но его применение пред-
полагает, что все имеющиеся частные погрешности одновременно
оказывают максимальное влияние, на суммарную погрешность.
В действительности положение, когда все частные погрешности
имеют максимальное значение, маловероятно.
При одной и той же суммарной погрешности значения частных
погрешностей, рассчитанные при их максимальном влиянии, по-
лучаются значительно меньшими, чем при вероятностном методе
расчета. Это приводит к необходимости изготовления деталей и
14
сборки узлов с более высокой точностью, к завышению отдельных
параметров прибора и к повышению его стоимости. Поэтому рас-
чет при максимальном влиянии погрешностей может быть выпол-
нен в качестве предварительного, прикидочного расчета или в про-
стейших случаях, когда число отдельных частных погрешностей,
составляющих суммарную погрешность, невелико (три-четыре).
5. РАСЧЕТ НА ТОЧНОСТЬ ПРИ МАКСИМАЛЬНОМ ВЛИЯНИИ
ПОГРЕШНОСТЕЙ
Порядок расчета зависит от вида функции, связывающей ко-
нечную величину, погрешность которой определяется, с отдель-
ными составляющими ее величинами. При линейной зависимости,
когда конечная величина является суммой или разностью состав-
ляющих ее величин, порядок расчета заключается в простом сум-
мировании погрешностей. При более сложной зависимости поль-
зуются разложением функции в ряд Тейлора. Если
U = f (х, у, z . . . w),
где U — величина (параметр), суммарная погрешность которой
подсчитывается; х, у, z, ..., w — физические параметры, то
где Д£7, Az, Ду, Az, ..., Ада — погрешности;
, (у—') —частные производные при определенном
дх ]х„’ \ ду )Уа
значении аргументов.
Формула (4) показывает, что величина суммарной погрешно-
сти Д// определяется не только величинами приращений параме-
тров (частными погрешностями Дх, Ду, Az, ..., Ада), но и харак-
тером зависимости функции f от параметров.
Одночленные функции удобно предварительно логарифмиро-
вать, а затем уже дифференцировать.
Например,
логарифмируя, получаем
In а= In b + In с — In е.
Дифференцируя данное выражение, получаем
s da db . de de
a b ' c e '
Заменяя da, db, de и de соответствующими погрешностями,
а также заменяя знак — на + в правой части, что обычно делают
при расчете на максимальное влияние погрешностей, получим
_ = . щ ___ ж
а b 1 с е
(6)
15
Члены выражения (6) представляют собой относительные по-
грешности отдельных параметров.
Пример. При определении фокусного расстояния некоторых фотографиче-
ских камер используют коллиматор, учитывая известный принцип подобия
(рис. 1). В фокальную плоскость коллиматора устанавливают миру с известной
величиной отрезка I, изображение которого /' фотографируют камерой и затем
измеряют на пленке. При известном фокусном расстоянии коллиматора фокус-
ное расстояние камеры (к вычисляют по формуле
£ = -^ол. (7)
Оценим порядок погрешности определения фокусного расстояния камеры,
исходя из возможных параметров установки и достижимой в условиях производ-
ства точности измерений. Произведем расчет при максимальном влиянии погреш-
Рис. 1. Схема определения фокусного расстояния камеры с помощью коллиматора
ностей. Замечая, что формула (7) аналогична формуле (5), для оценки погреш-
ностей А/к применим сразу формулу (6):
/к 'кол
Величина отрезка Z на мире может быть измерена с предельной погрешностью
AZ = 5 мкм, отрезок I' на пленке — с погрешностью порядка 0,02 мм. Погреш-
ность установки на бесконечность коллиматора с фокусным расстоянием более
1000 мм при использовании известных методов может не превосходить 0,05 %.
При Z = 20 мм (ограничена полем камеры), Z' = 20 мм (примем, что =
= /'ол) погрешность &fK/f'K будет составлять
Д(к AZ' t AZ , Д/кол
f' I' 1 ' f
Ik 'кол
= + 0,0005= 1-10-a + 25- IO"? + 5-IO’4 = 175-10-6
или A/K = 0,175 % /' 0,2 %
Таким образом, погрешность определения фокусного расстояния камеры ука-
занным способом при расчете на максимальное влияние погрешностей будет равна
А/к ~ 0,2 % к-
6. РАСЧЕТ НА ТОЧНОСТЬ С УЧЕТОМ
ВЕРОЯТНОСТНОГО ВЛИЯНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ
При расчете погрешностей с использованием положений тео-
рии вероятностей производят суммирование средних квадратиче-
ских отклонений отдельных измерений или параметров. Среднее
16
квадратическое отклонение результата ряда измерений подсчиты-
вают по формуле (1).
При определении средних квадратических погрешностей от-
дельных параметров сначала определяют предельные погрешности,
а затем по формулам (2) и (3) переходят к средним квадратическим.
Если закон распределения неизвестен или если ошибки боль-
шой и малой величин равновероятны в установленных пределах,
то переход от предельной погрешности к средней квадратической
осуществляют по формуле (3), соответствующей закону равной ве-
роятности.
Итак, при учете вероятного влияния погрешностей может быть
принят следующий порядок расчета параметров [3]:
1) рассчитывают предельные погрешности как функции пара-
метров;
2) преобразуют предельные погрешности в средние квадрати-
ческие;
3) суммируют квадратические значения;
4) проводят окончательный выбор параметров.
При суммировании пользуются формулой средней квадратиче-
ской погрешности функции.
Средняя квадратическая погрешность нелинейной непрерыв-
ной и дифференцируемой функции
и = f (х, у, ..., w)
определяется выражением
<8>
где ох, — средние квадратические погрешности аргу-
ментов. " ;
Для линейной функции, выраженной в более общем виде:
г У 4~ 4“ ^2^2 4~ ‘ ‘ ’ 4“ СпХп
средняя жвайрэтическая погрешность
Оу = С2О2 -)-••• 4“ • (9)
Частные случаи:
у = с0 4- сх; у = Х1 4- х3;
Оу = | С | Од;, Оу = 01 -|- OjJ
У — с0 ± Xj ± х3 ± • ± хл;
Оу — о? -|- о! 4~ • • 4“ Ол
при О, = Оа = ол = О, Оу = о ]/ п-
17
Необходимо учитывать, что формулы (8) и (9) можно приме-
нять для оценки точности функции лишь таких аргументов (х, у, ....
..., w), которые являются независимыми.
Пример. Повторим расчет погрешности определения фокусного расстояния
камеры, рассмотренный в предыдущем примере, но при вероятном влиянии по-
грешностей.
В предыдущем примере при заданных параметрах получены следующие пре-
дельные погрешности:
^1 = 1.ю-3; _AL = 25 • 10~5;
/кол
Полагая, что все эти погрешности носят случайный характер и подчиняются
нормальному закону распределения, по формуле (2) найдем средние квадратиче-
ские отклонения указанных величин:
<г/' 1 Д/' 1.10-3
4_=^^8.10-5;
I о
Р7кол _5-10^ . 4
/кол - 3 •
Считая, что эти частичные погрешности независимы, средние квадратические
отклонения для нахождения суммируем по формуле (8):
/к
^ = 1/(лЦу+(ЛГу+(^^3,м,1о-..4.1о-.
ИЛИ
о/к = ±0,04 о/о/к.
Напомним, что при максимальном влиянии погрешностей получено Д/к =
Необходимо отметить, что уменьшение одной из частичных по-
грешностей незначительно влияет на изменение величины сум-
марной погрешности. Поэтому при расчете точности следует стре-
миться к тому, чтобы порядок величин отдельных частичных по-
грешностей, составляющих суммарную погрешность, был примерно
одинаковым.
7. РАСЧЕТ ПОГРЕШНОСТЕЙ С УЧЕТОМ СИСТЕМАТИЧЕСКИ
ДЕЙСТВУЮЩИХ ФАКТОРОВ И МЕРЫ ПО ИХ УСТРАНЕНИЮ
В отличие от случайных погрешностей влияние систематически
действующих факторов не ослабляется при простом многократном
повторении измерений.
18
Так, если суммарная погрешность одного измерения 0г состоит
из случайной и систематической частей, каждая из которых пред-
ставляет собой сумму частичных погрешностей, т. е.
9; = сл “У Асист, (Ю)
истинная погрешность 9„ среднего результата из п равноточных
измерений будет определяться по формуле
- +дсист. (Н)
Как видно, систематическая часть входит в погрешность ре-
зультата из п измерений полностью.
Это обстоятельство должно особо учитываться при выполнении
расчетов на точность, в результате которых должны быть не только
выявлены закономерности действия систематических погрешно-
стей, но и намечены меры по устранению или существенному умень-
шению их влияния на результаты измерений.
Уменьшение влияния систематических погрешностей может
быть достигнуто принятием следующих основных мер:
1) технологических (повышение точности изготовления дета-
лей и сборки, ужесточение допусков, совершенствование техноло-
гического процесса);
2) конструктивных:
а) изменение конструкции (изменение размеров, целесообраз-
ный выбор материалов и т. п.);
б) введение компенсаторов;
3) методических:
а) выбор методики измерений (и соответственно конструктив-
ной схемы) с целью превращения постоянной погрешности в зна-
копеременную или случайную;
б) введение поправок.
Самыми рациональными и эффективными являются конструк-
тивно-методические меры, так как технологические меры приво-
дят лишь к частичному уменьшению, а не к устранению система-
тических погрешностей при неизбежных дополнительных произ-
водственных затратах.
Эффективность применения конструктивно-методических мер
для борьбы с систематическими погрешностями особенно наглядно
видна на примере геодезических приборов. Например, коллима-
ционная ошибка, ошибка неравенства подставок цапф становятся
знакопеременными и исключаются измерениями при двух поло-
жениях круга; систематические погрешности деления лимба в ин-
струментах, допускающих перестановку лимба, приобретают слу-
чайный характер и в значительной степени уменьшаются; этало-
нирование и компарирование рабочих мер для линейных измере-
ний позволяет определить систематические погрешности и ввести
затем поправки в результаты измерений.
19
8. ВЫЧИСЛЕНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
С ЗУБЧАТЫМИ ПЕРЕДАЧАМИ
Степени точности зубчатых колес и их выбор. Все зубчатые
колеса и передачи по точности изготовления разделены на 12 сте-
пеней точности. Степени 1 и 2 являются перспективными и не со-
держат числовых значений допусков.
Степень точности зубчатой передачи выбирает конструктор,
исходя из конкретных условий работы передачи и предъявляемых
к ней требований. Для каждой степени точности стандартами
установлены нормы кинематической точности, плавности работы,
контакта зубьев, боковых зазоров.
Наиболее важными для передач отсчетного типа являются
нормы кинематической точности и боковых зазоров, так как они
определяют величину полной погрешности угла поворота колеса
за один оборот.
Кинематической погрешностью зубчатого колеса F'ir называется
наибольшая погрешность угла поворота колеса в пределах одного
оборота. Величина F'ir является комплексным показателем кине-
матической точности колеса, определяющим суммарное влияние
погрешностей всех отдельных параметров. Она выражается в ли-
нейных величинах и отсчитывается по дуге делительной окруж-
ности.
Расчет погрешностей зубчатой передачи. При конструировании
приборов конструктора интересуют в большинстве случаев угло-
вая погрешность передачи (погрешность поворота ведомого вала)
и погрешность мертвого хода.
Для предварительного выбора степени точности зубчатых
колес и ориентировочного расчета погрешности зубчатой передачи
удобно воспользоваться кривыми вероятных суммарных кинема-
тических погрешностей цилиндрических зубчатых колес в угловых
минутах Дф', приведенными на рис. 2.
В табл. 1 приведены значения допустимой кинематической по-
грешности прямозубых и узких косозубых цилиндрических зубча-
тых колес, выраженные в микрометрах для наиболее часто приме-
няемых степеней точности.
Суммарная угловая кинематическая погрешность Дф', необ-
ходимая для расчета, связана с допустимой линейной кинемати-
ческой погрешностью F’i следующей зависимостью:
2FJ-
Аср' = d~To:‘ р'’ (12)
где Ft — допуск на кинематическую погрешность, мкм; <1Я — диа-
метр делительной окружности зубчатого колеса, мм; da = tnz,
где т — модуль зацепления, г — число зубьев; Дф' — кинемати-
ческая погрешность в угловых минутах; р' — число угловых ми-
нут в радиане (р' = 3438 л? 3440).
20
Таблица 1
Допуски Ft на суммарную кинематическую погрешность
прямозубых и узких косозубых цилиндрических зубчатых колес
(по ГОСТ 9178—72 и ГОСТ 1643—72), мкм
Степень точности Модуль нор- мальный mni мм Диаметр колеса, мм
До 12 Св. 12 до 20 ^со СО о О са о С Pt Св. 50 до 80 Св. 80 до 120 Св. 120 до 200 СЧ СО 5 &
6 До 0,5 20 22 24 26 30 36 45 55
Св. 0,5 до 1 22 25 28 30 34 40 48 60
7 До 0,5 30 34 38 42 48 58 72 90
Св. 0,5 до 1 36 40 44 48 55 65 78 95
8 До 0,5 50 52 58 65 75 95 115 140
Св. 0,5 до 1 55 60 65 75 90 100 130 150
9 До 0,5 80 85 95 105 115 150 190 220
Св. 0,5 до 1 90 100 105 115 140 170 200 240
Расчет погрешности зубчатой передачи покажем на примере
передачи, изображенной на рис. 3, где колесо 1 — ведущее (вход-
ной вал), колесо 4 — ведомое (выходной вал). Требуется найти по-
грешность поворота ведомого колеса 4 (выходного вала). Каждое
колесо имеет собственную угловую кинематическую погрешность
Дсрг. Влияние собственной погрешности каждого из колес на сум-
марную погрешность выходного вала определится с учетом пере-
даточного отношения между ведомым (входным) и ведущим (вы-
ходным) валами. Так, составляющая суммарной погрешности вы-
ходного вала (колесо 4) из-за погрешности колеса 1 равна Дср^д,
где Дсрд — собственная погрешность колеса 1, iitl — передаточ-
ное отношение между колесами 4 и 1.
Рис. 2. Кривые суммарных погрешно-
стей зубчатого колеса
Рис. 3. Кинематическая схе-
ма зубчатой передачи
21
По аналогии погрешность, вносимая колесом 2, равна Дф2г4,2
и т. д.
Таким образом, суммарная погрешность выходного вала коле-
са 4 в рассматриваемой кинематической цепи
Аф = Дф1-14(1 + Дф2 • й,2 + Дфз’^*4,з + Д<р4, (13)
где Дф4 — собственная погрешность колеса 4.
Угловые погрешности колеса Дф для прикидочных предвари-
тельных расчетов находят по кривым, приведенным на рис. 2,
а для более точных расчетов подсчитывают по формуле (12), в ко-
торую подставляют значения Ft, выбираемые из табл. 1.
Погрешность червячной передачи, отнесенная к валу червяч-
ного колеса, для червячной пары выражается формулой
ДА
Дф = Дфк + -уу- Р , (14)
где Дфк — угловая погрешность червячного колеса; А/2— пре-
дельная накопленная погрешность осевого шага червяка; гя —
радиус делительной окружности червячного колеса.
Величины, входящие в формулу (14), выбирают из таблиц соот-
ветствующих ГОСТов и справочников по допускам и посадкам.
Глава 4
РАСЧЕТ РАЗМЕРНЫХ ЦЕПЕЙ
1. ЦЕЛИ РАСЧЕТА РАЗМЕРНЫХ ЦЕПЕЙ.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
В гл. 3 было указано, что от рационального выбора допусков на
отдельные сопрягаемые и координирующие размеры деталей и
сборочных единиц, от правильного соотношения взаимосвязанных
размеров зависит нормальное функционирование приборов, обес-
печение заданной точности и надежности. Кроме того, правильное
соотношение размеров и рационально назначенные допуски обес-
печивают экономически выгодное, оптимальное построение техно-
логического процесса изготовления деталей' и сборки приборов.
Установление рационального соотношения взаимосвязанных
размеров, правильное построение или оценка точности и оптималь-
ности технологического процесса, оценка точности сопряжений
деталей и сборочных единиц составляют основные задачи расчета
размерных цепей. Таким образом, расчет размерных цепей можно
отнести к одному из видов и этапов расчета приборов на точность.
Напомним известные из курса «Основы стандартизации, до-
пуски, посадки и технические измерения» основные понятия и
определения.
22
Размерной цепью называется совокупность взаимосвязанных
размеров, составляющих замкнутый контур и определяющих
взаимное расположение поверхностей и осей одной или несколь-
ких деталей.
По взаимному расположению размеров различают линейные,
плоскостные и пространственные размерные цепи.
Размеры, образующие размерную цепь, называются звеньями.
Различают замыкающее звено размерной цепи и составляющие
звенья.
Замыкающим или результирующим звеном
называется тот размер, который при изготовлении детали или
сборке непосредственно не выдерживается, а является результатом
выполнения остальных (составляющих) звеньев данной размерной
цепи.
При обработке деталей замыкающие размеры получаются авто-
матически при выдерживании заданных чертежом составляющих
размеров. Следует заметить, что из размеров одной детали может
быть составлено несколько размерных цепей и, таким образом,
среди размеров одной детали можно выделить соответственно не-
сколько замыкающих звеньев (по одному на каждую размерную
цепь).
На рис. 4 показана деталь и схемы размерных цепей. В данном
случае можно составить три размерные цепи.
Составляющие звенья обозначаются буквами А, В, С и т. д.
с соответствующими индексами в порядке номеров. Замыкающее
звено обозначается теми же буквами с индексом А.
По характеру влияния на размер замыкающего звена состав-
ляющие звенья могут быть увеличивающими или уменьшающими.
Если при увеличении составляющего звена размер замыкаю-
щего звена также увеличивается, это составляющее звеноПназы-
вается увеличивающим (на рис. 4 звено Л2). Я "•-> с
Звено, при увеличении которого замыкающий размер умень-
шается, называется уменьшающим (на рис. 4, а, б звенья Аг и Л3).
; Звено сборочной размерной цепи, которое определяет функци-
Af=30‘~°'2s

Рис. 4. Эскиз детали и схемы размер-
ных цепей
23
Рис. 5. Эскиз узла и
схемы сборочной раз-
мерной цепи
правление обхода
онирование сборочной единицы или меха-
низма, называется исходным (функциональ-
ным) размером (зазор, натяг, величина пе-
ремещения детали и т. д.). Исходя из пре-
дельных значений исходного (функциональ-
ного) размера, рассчитывают допуски и от-
клонения всех остальных размеров цепи.
В процессе сборки исходный размер, как
правило, становится замыкающим (рис. 5).
Замыкающее звено сборочной размерной
цепи может быть положительным, отрица-
тельным или равным нулю.
В сложных случаях для определения уве-
личивающих и уменьшающих звеньев реко-
мендуется следующее правило. Обходят раз-
мерную схему (см. рис. 5) по контуру в лю-
бом, но одном и том же направлении. На-
отмечают стрелками против каждого звена,
включая и замыкающее. Звенья, направление которых совпадает
с направлением замыкающего звена, относятся к уменьшающим,
звенья с противоположным направлением — к увеличивающим.
2. МЕТОДЫ РАСЧЕТА РАЗМЕРНЫХ ЦЕПЕЙ
Расчет размерной цепи производят для нахождения предель-
ных размеров или предельных отклонений всех звеньев, состав-
ляющих цепь, исходя из требований конструкции и технологии.
При решении размерных цепей различают прямую и обратную
задачи.
Прямая задача заключается в определении номинального раз-
мера и допуска (предельных отклонений) замыкающего звена по
заданным номинальным размерам и допускам ? составляющих
звеньев. Прямая задача чаще всего возникает при расчетах с целью
проверки правильности простановки размеров и допусков на чер-
тежах и при оценке точности технологического процесса обработки
детали или сборки.
Обратная задача заключается в определении допуска и пре-
дельных отклонений составляющих размеров по заданным номи-
нальным размерам всех звеньев цепи и по заданному допуску замы-
кающего (исходного) звена. Обратную задачу решают обычно при
выполнении проектного расчета.
Решение как прямой, так и обратной задач размерных цепей
можно выполнить, исходя из двух условий: условия полной взаимо-
заменяемости и условия неполной взаимозаменяемости.
Прямую задачу можно решить следующими методами:
I) методом расчета на максимум и минимум (условие полной
взаимозаменяемости);
24
II) теоретико-вероятностным методом (условие неполной взаи-
мозаменяемости) .
Обратную задачу можно решить:
I. При условии полной взаимозаменяемости:
1) методом равных допусков;
2) методом допусков одного квалитета точности;
3) методом подбора, основанным на статистических данных и
опыте конструктора;
II. При условии неполной взаимозаменяемости:
1) теоретико-вероятностным методом;
2) компенсационными методами:
а) селективной сборки;
б) регулировки замыкающего звена;
в) доработки замыкающего звена.
3. РЕШЕНИЕ ПРЯМОЙ ЗАДАЧИ
Рекомендуется следующий порядок решения прямой задачи
при расчете размерных цепей:
1) установить на чертеже все размеры, составляющие размер-
ную цепь;
2) выделить замыкающее звено;
3) построить размерную схему;
4) определить номинальный размер замыкающего звена;
5) определить допуск замыкающего звена;
6) определить предельные отклонения замыкающего звена;
7) определить предельные размеры замыкающего звена.
Расчет на максимум и минимум. Допустим, что первые три
пункта рекомендованного порядка расчета выполнены и состав-
лена размерная схема, приведенная на рис. 4. Рассмотрим в об-
щем виде дальнейший ход решения. Из чертежа и размерной схемы
(см. рис. 5) следует, что номинальный размер замыкающего звена
т п—\
лд = 2 лув- s лум, (15)
1 m-f-1
где Лув и ДуМ — размеры увеличивающих и уменьшающих звеньев;
т — число увеличивающих звеньев; п — число всех звеньев цепи,
включая замыкающее звено; п — 1 — число составляющих
звеньев.
Очевидно, что при сочетании наибольших увеличивающих и
наименьших уменьшающих размеров цепи замыкающий размер
будет иметь наибольшее значение, а при обратном сочетании —
наименьшее, т. е.
т л—1
Ai max “ ^ув. max ^ум min> 0^)
1 m-H
tn n—1
^Д min “ S ^ув* mln ^умшах1 0^)
1 /n-|-l
25
Рис. 6. Эскиз детали и схема размер-
ной цепи (к решению примера)
Напомним, что допуск замы-
кающего звена равен сумме
допусков всех составляющих
звеньев, т. е.
TA^^TAi. (18)
<=1
Предельные отклонения за-
мыкающего звена определя-
ются уравнениями:
т п — 1
ESA^ = S £8АуВ - S £/Аум; (19)
1 т-Н
т п—1
Е1А^ = S Е1АУВ - £ £8Аум, (20)
1 т-Н
где £8АД = АДшах — Ад — верхнее отклонение замыкающего
звена; EIA& = Адга1п —Ад — нижнее отклонение замыкающего
звена.
Для нахождения предельных размеров замыкающего звена, ко-
торые при рекомендуемом порядке расчета по формулам (16) и
(17) не определяются, напишем следующие зависимости:
Ад шах = Ад + £8Ад;
Лд mm — А^ + £/Ад.
(21)
Решение прямой задачи размерной цепи на максимум и мини-
мум покажем на примере.
Пример 1. На рис. 6 изображена деталь. Замыкающим звеном размерной
цепи трехступенчатого валика является средняя ступень. Даны номинальные
размеры и предельные отклонения всех составляющих размеров цепи. Требуется
определить номинальный размер, допуск и предельные отклонения замыкающего
эвена Лд.
Составляем размерную схему и определяем по изложенному выше правилу
обхода увеличивающие и уменьшающие звенья. В данном случае звено — уве-
личивающее, а звенья Л2 и Л3 — уменьшающие:
т л — 1
Лд = 2Лув- 2 Аум = 60 — (20 + 20) = 20 мм;
1 т+1
п— 1
ТЛД = 2 ТА = 0,15 + о,35 + 0,05 =0,55 мм;
1
£5ЛД = J ESA - £ £/Лум = 0 - (-0,20 - 0,05) = +0,25;
1 т-)-1
т п—1
£Мд= 2 £МУВ- 2 £5ЛУМ= (—0,15) -(+0,15 + 0) = -0,30;
1 т+1
А — 2о+0,25
ЛД — zu-0,30‘
26
После определения предельных отклонений рекомендуется произвести про-
верку правильности вычислений, для чего еще раз следует вычислить допуск за-
мыкающего звена по предельным отклонениям.
Проверка.
ТЛд = ESA& — Е1А^ = + 0,25 — (—0,30) = 0,55 мм.
Наконец находим предельные размеры замыкающего звена
Ад max = Л + = 20 + 0,25 = 20,25 мм;
mm = ЛД + Е1АЬ = 20 + (~°’3°) = 19’70 мм-
Следует заметить, что при решении детальных размерных цепей обычно ог-
раничиваются определением предельных отклонений замыкающего звена.
При решении сборочных размерных цепей необходимо определить и предель-
ные размеры, так как в этом случае замыкающее звено, как было указано, может
иметь не только положительное значение, но и отрицательное и равное нулю.
Поэтому окончательные выводы можно сделать лишь по значениям предельных
размеров, а не предельных отклонений.
Решение на максимум и минимум обеспечивает полную взаимозаменяемость.
Однако сочетания максимальных и минимальных значений увеличивающих и
уменьшающих звеньев мало вероятны, а при решении этим методом для обеспе-
чения необходимой точности замыкающего звена может появиться необходимость
чрезмерного ужесточения допусков составляющих звеньев. В ряде случаев такие
допуски оказываются технологически трудно выполнимыми, что экономически
не выгодно. Поэтому метод максимума — минимума может оказаться экономически
целесообразным лишь для цепей невысокой точности или для цепей, состоящих
из малого количества звеньев.
Понятие о теоретико-вероятностном методе. Решение этим методом теорети-
чески не обеспечивает полной взаимозаменяемости. Однако производственный
риск несоблюдения предельных значений замыкающего размера при расчете ве-
роятностным методом практически ничтожен.
При нормальном законе распределения погрешностей всех звеньев цепи
производственный риск (т. е. возможность возникновения брака) составляет
всего 0,27 %.
Так, если будет рассчитана вероятностным методом сборочная размерная цепь
какого-то узла, то из 1000 узлов, поступивших на сборку, только 3 узла не со-
берутся.
При этом с учетом не максимального, а вероятного влияния погрешностей
этот метод дает возможность расширить допуски составляющих размеров н сни-
зить затраты производства.
4. РЕШЕНИЕ ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ
МЕТОДАМИ ПОЛНОЙ ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТИ
Метод равных допусков. При этом методе расчета назначают
равные допуски на каждое из составляющих звеньев, т. е.
ТАг = ТА, = • • • = ТАп_. = ТорДг;
Метод весьма прост, но не учитывает зависимость величины
допуска от номинального размера. Поэтому его можно применять,
если номинальные значения составляющих размеров близки (на-
пример, входят в один интервал диаметров).
Метод допуска одного квалитета точности. При этом методе
учитывается зависимость величины допуска от номинального раз-
27
мера. Для всех составляющих размеров выбирают один и тот же
квалитет точности. Величина допуска выражается в единицах
допуска
г = О,5|<4Г^
где i — единица допуска; Л; ср — средний размер интервала, к ко-
торому относится данный линейный размер.
Тогда допуск в определенном квалитете точности будет нахо-
диться по формуле
ТЛ^а-ОД^Л^,
где а — число единиц допуска.
Принимаем по условию аг = а2 =«• • = ап-1 = аср.
Так как
TA^'^TAh
1
то
п—1
ТАь= 2 аор0,5 V’Acp-
1
Откуда
аср — n_J ______ >
0,5 J] |Д4гср
1
где ТЛд, мкм, а Лгср, мм.
По расчетному значению аср определяют квалитет точности
(ближайшее значение а по таблицам стандартов), выбирают по
номинальным размерам звеньев значения отклонений (допусков)
из таблиц, а затем производят корректировку и проверку по урав-
нению
2]тл{ = тлд.
!
РАЗДЕЛ III
Методика проектирования приборов
Глава 5
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ
К ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИМ ПРИБОРАМ
1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ
К ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИМ ПРИБОРАМ
Одним из определяющих комплексных требований, предъяв-
ляемых к любому точному прибору, является выполнение задан-
ных в техническом задании технических характеристик и параме-
тров в процессе эксплуатации прибора с достаточной надеж-
ностью при обеспечении минимума затрат на изготовление и экс-
плуатацию прибора, максимальных удобств в работе с прибором
и наивысшей производительности труда.
Основными характеристиками и параметрами, которые, как
правило, устанавливаются при проектировании прибора и опре-
деляют требования к нему, являются следующие:
1. Точность прибора. Характеризуется обычно допустимой по-
грешностью измерений при заданных условиях и методике изме-
рений, инструментальной погрешностью (абсолютной или относи-
тельной, предельной или средней квадратической).
2. Качество изображения оптических систем, определяемое
пределом разрешения, разрешающей способностью, уровнем абер-
раций и др.
3. Надежность функционирования, задаваемая обычно ве-
роятностью безотказной работы в заданных условиях за опреде-
ленный промежуток времени. Под надежностью функционирова-
ния понимается не только то, что прибор работает в заданных усло-
виях, но и что он сохраняет свои точностные и другие характери-
стики. Для этого необходимо обеспечить прочность и жесткость от-
дельных деталей и конструкции в целом при минимальных массе
и размерах, стабильность функциональных параметров отдельных
элементов, простоту и удобство юстировок и настройки.
4. Удобство эксплуатации, простота обслуживания и ремонта,
обеспечение безопасности, минимальное энергопотребление.
5. Условия работы прибора. Оптические приборы могут быть
предназначены для работы в полевых, лабораторных и специаль-
ных условиях. Нередко условия работы являются весьма слож-
ными и жесткими. Они характеризуются значительными перепа-
дами Температур (обычно +40 °C, а для специальных условий
+80 °C и более); относительной влажностью до 98 %, причем мо-
гут быть заданы условия работы в тропическом климате (см. п. 4
гл. 5); ускорениями при линейных и ударных нагрузках (они могут
29
достигать 15—20g, а для специальных условий — несколько со-
тен g); проникающими излучениями, влиянием невесомости, из-
быточным давлением и т. п.
6. Экономические требования. Конструкция должна быть воз-
можно простой, технологичной в изготовлении, удобной в экс-
плуатации и ремонте, должна иметь минимальную стоимость,
быть патентоспособной.
Следует учитывать эргономические требования и решения во-
просов промышленной эстетики, так как красивая форма, отделка,
окраска, удобное расположение отдельных элементов и органов
управления прибора определяют не только его внешний вид, но и
обеспечивают меньшую утомляемость, повышают производитель-
ность и точность измерений.
2. ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИИ ПРИБОРОВ
В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТИПА ПРОИЗВОДСТВА
Различают три основных типа производства: единичное, се-
рийное и. массовое. Тип производства в значительной степени оп-
ределяет требования к технологичности деталей, сборочных еди-
ниц и прибора в целом, к технико-экономическим показателям
конструкции. Технологичность конструкции определяется мини-
мальными затратами времени, труда и средств в условиях данного
производства. Необходимо учитывать, что самой дорогой и трудо-
емкой операцией при изготовлении деталей является механи-
ческая обработка резанием. С другой стороны, изготовление дета-
лей литьем, штамповкой, вытяжкой и т. д. требует изготовления
дорогостоящей оснастки — литейных моделей, форм и т. п. Оче-
видно, что при единичном и мелкосерийном производстве затраты
на изготовление дорогостоящей оснастки не окупятся, поэтому
при конструировании деталей для единичного и мелкосерийного
производства предусматривают механическую обработку резанием
на универсальном оборудовании. Сложные детали и корпусные
детали целесообразно изготовлять из отдельных элементов, при
значительных размерах — литьем в землю. При крупносерийном
и массовом производстве, наоборот, следует стремиться к макси-
мальному сокращению механической обработки резанием и приме-
нять точные виды литья (под давлением, по выплавляемым моде-
лям), штамповку и др.
Сократить механическую обработку можно также применением
цельнотянутого пруткового материала для изготовления гладких
деталей, для деталей сложной формы—фасонного проката, при-
чем при массовом и крупносерийном производстве может ока-
заться целесообразным выполнение нестандартного фасонного
проката по специальному заказу.
При крупносерийном и массовом производстве целесообразно
широко применять пластмассы, порошковые металлы и другие про-
грессивные материалы, позволяющие применять методы изготов-
30
ления без дальнейшей механической обработки, но требующие до-
рогостоящей оснастки. Особо тщательно прорабатывают возмож-’
ность унификации типоразмеров деталей и отдельных их элемен-
тов (резьб, посадочных поверхностей и т. д.), что позволит сокра-
тить ассортимент режущего и мерительного инструмента.
Различные требования предъявляются и к условиям сборки.
Для изделий крупносерийного и массового производства следует
предусматривать максимальное расчленение конструкции на от-
дельные самостоятельные сборочные единицы с условием, как пра-
вило, полной взаимозаменяемости как при сборке внутри отдель-
ных сборочных единип, так и при сборке частей и прибора в целом.
Необходимо предусмотреть функциональную взаимозаменяемость
покупных изделий. При единичном и мелкосерийном производстве
можно допустить значительный объем пригоночных работ, расши-
рив тем самым допуски на сопрягаемые и присоединительные раз-
меры отдельных деталей. В большей степени при крупносерийном
и массовом производстве уделяется внимание выполнению требо-
ваний инженерной эстетики, внешнему виду и отделке приборов.
3. ТИПОВЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
НА ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ПРИЕМКУ ПРИБОРОВ
Технические требования на изготовление и приемку приборов
излагаются в технических условиях (ТУ), которые являются не-
отъемлемой частью комплекта технической документации на изде-
лие (см. п. 2 гл. 2).
На предприятиях оптико-механической промышленности дейст-
вуют общие технические условия (ОТУ) на изготовление и приемку
приборов в виде ОСТ, в которых изложены типовые требования.
ОТУ на изготовление и приемку оптико-механических прибо-
ров содержат следующие основные требования:
организационно-технические, определяющие перечень техни-
ческой документации, гарантийные сроки работы и хранения при-
боров и др.;
к материалам, в том числе к стеклу для изготовления наруж-
ных оптических деталей, сеток и светофильтров; к налетостойкости
стекла; при этом указаны материалы для чистки оптики, смазоч-
ные и герметизирующие материалы;
к изготовлению деталей и узлов;
к качеству отделки (покрытий), в том числе к наружным по-
крытиям оптических деталей;
к электрической части прибора;
к комплектации, взаимозаменяемости основных частей, к за-
пасным частям, инструменту и принадлежностям;
к укладочным и упаковочным ящикам.
В ОТУ указываются основные методы испытаний, правила
приемки. На основе ОТУ на каждый прибор разрабатывают ТУ,
в которых указывают кроме общих частные требования, относя-
31
щиеся к конкретному прибору. Содержание ТУ излагают в соот-
ветствии с ГОСТ 2.114—70. По отдельным видам приборов разра-
ботаны ГОСТы на технические условия (см. п. 2 гл. 2).
4. ТРЕБОВАНИЯ К ПРИБОРАМ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫМ
ДЛЯ РАБОТЫ В УСЛОВИЯХ ТРОПИЧЕСКОГО КЛИМАТА
Области тропического климата занимают около 45 % суши
земного шара. Тропический климат принято делить на сухой —
ТС (степи и пустыни), влажный — ТВ (джунгли и саванны) и мор-
ской— ТМ (морские районы между 30° северной и южной ши-
роты).
Сухой тропический климат характеризуется
высокой температурой воздуха (до 55 °C), значительным перепадом
температуры (от +55 ч- +60 °C днем до минусовой ночью), силь-
ной радиацией солнца (при прямом солнечном освещении приборы
могут нагреваться до 80 °C), низкой относительной влажностью
(от 10 до 40 %), большим содержанием в воздухе песка и пыли.
Влажный тропический климат кроме солнеч-
ной радиации характеризуется сочетанием температур выше 20 °C
и относительной влажности до 90 % и более; сильными ливнями,
обильными росами и туманами.
Морской климат характеризуется сочетанием высо-
кой относительной влажности (до 80 % и более) при высокой тем-
пературе (до 40°) и содержанием солей во влажном морском
воздухе.
Сочетание высокой влажности и температуры приводит к ин-
тенсивному размножению плесневых грибов. Плесневые грибы
разрушают даже стекла оптических приборов.
Особенности тропического климата заключаются в том, что
климатические факторы действуют на приборы более интенсивно
и в течение более длительного времени, чем в областях с умерен-
ным климатом, а совместное воздействие нескольких факторов
особенно опасно.
Воздействие повышенной температуры приводит к размягче-
нию твердых связующих и изоляционных материалов, вытека-
нию смазки, деформации деталей из органических пластмасс;
ухудшению работы полупроводниковых приборов и изменению
их характеристик; к повышенному тепловому расширению дета-
лей и значительному изменению характера их сопряжений, ста-
рению пластических масс, электрической изоляции; растрески-
ванию лакокрасочных покрытий.
Солнечная радиация, кроме того, приводит к химическому из-
менению лаков, красок, большинства пластических материалов,
вызывает быстрое старение резины и других материалов.
Повышенная влажность воздуха приводит к гидролизу орга-
нических материалов деталей и к коррозии металлических дета-
лей. Детали из некоторых пластмасс набухают, при частом коле-
32
бании влажности р астрескиваются, теряют электрические харак-
теристики.
Дождевая вода, загрязненная растворенными в ней солями и
кислотами в промышленных районах, значительно усиливает кор-
розию металлических деталей и процесс разрушения деталей из
пластмасс. Брызги морской воды приводят к образованию очагов
коррозии.
Песок и пыль значительно ускоряют износ подвижных частей,
увеличивают трение, ухудшают электрическую изоляцию, нару-
шают качество полированных поверхностей деталей, в том числе
и оптических; ухудшают тепловой режим и уменьшают теплоот-
дачу узлов и деталей; ухудшают сопротивление электроизоля-
ционных изделий.
Основными причинами отказов и выхода из строя приборов
в тропическом климате являются неправильный выбор мате-
риалов, несовершенная конструкция и плохая технология произ-
водства.
Поэтому приборы изготовляют в тропическом исполнении, со-
ответственно для сухого, влажного и морского климата (ТС, ТВ,
ТМ) и, кроме того, для влажного и сухого тропических климатов
(Т). Оптико-механические приборы изготовляют, как правило,
в исполнении Т.
Для стран с тропическим климатом обычно дорабатывают при-
боры нормального исполнения, а не разрабатывают их специально.
При разработке новых приборов учитывают возможность их ра-
боты в тропическом климате.
Особое внимание уделяют выбору материалов. Мно-
гие материалы, рекомендованные для тропического исполнения,
изготовляют по обычным ГОСТам и ТУ. К маркам материалов,
изготовленных для стран с тропическим климатом, добавляют
букву Т. Например, шнур с резиновой изоляцией АШ, изготов-
ленный специально для стран с тропическим климатом, имеет
марку АШ-Т.
При выборе материалов и сплавов учитывают, что для прибо-
ров в тропическом исполнении должны применяться коррозионно-
стойкие материалы или надежно защищенные от коррозии. Для
тропических приморских районов следует выбирать такие сочета-
ния контактирующих металлических материалов, которые оказы-
вают слабое влияние на коррозию.
Алюминий и его сплавы требуют защиты покрытиями. Без по-
крытия разрешается применять кроме благородных металлов не-
которые хромистые стали, бронзы, титановые сплавы.
В условиях высокой влажности не рекомендуется применять
цинк, магний и их сплавы, а также вольфрам и молибден для кон-
тактов.
Оси, валы, защелки, храповики и другие аналогичные детали
рекомендуется делать из нержавеющих сталей или других материа-
лов, применяемых без защитных покрытий. Для повышения кор-
2
Плотников В. С. и др.
33
розионной стойкости незащищенные поверхности рекомендуется
полировать.
Резьбовой крепеж с диаметром резьбы до 6 мм делают из ла-
туни с никелевым покрытием толщиной 6 мкм или из коррозион-
но-стойких сталей без покрытий.
Необходимо учитывать, что пластмассы, в которые входят ор-
ганические наполнители (древесная мука, бумажная масса, тек-
стильное волокно), разрушаются не только от набухания, но и от
воздействия плесневых грибков.
Следует применять пластмассы с минеральными наполните-
лями (тальк, слюда, асбест).
Детали должны иметь простую конфигурацию и обтекаемые
формы без острых граней и углублений. Это относится и к корпус-
ным и наружным деталям, так как без углублений, пазов, высту-
пающих головок болтов, винтов влага и грязь не скапливаются,
а чистка поверхностей облегчается.
Выбор материалов и посадок для сопрягаемых деталей должен
обеспечить их надежную работу при перепадах температур. При
компоновке учитывают размещение узлов и элементов, выделяю-
щих тепло, предусматривая вентиляцию.
Для защиты от влажности и выпадения росы предусматривают
размещение прибора в уплотненном корпусе; поддув сухого воз-
духа; применение влагопоглотителей (силикагель); обогрев вну-
тренней полости прибора; герметизацию прибора и отдельных его
частей; применение усиленной вентиляции.
Герметизация должна быть надежной. Частичная герметизация
хуже ее полного отсутствия.
Для защиты оптических деталей от плесени рекомендуется
применять влагопоглотители в герметизированных внутренних
полостях; систематическую чистку приборов; стекло группы А по
ГОСТ 3514—76 или других групп при условии защиты; просвет-
лять стекла многослойными покрытиями; подвергать кислотно-
парафиновой защитной обработке все внешние поверхности дета-
лей, светофильтры, непросветляемые поверхности деталей во вну-
тренних полостях, просветляемые поверхности деталей из стекла
групп В и П; вводить фунгициды.
5. НАДЕЖНОСТЬ КОНСТРУКЦИИ
Основные понятия и терминология надежности установлены
ГОСТ 13377—75.
Надежность — свойство объекта выполнять заданные функции,
сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных
показателей в заданных пределах, соответствующих заданным
режимам и условиям использования, технического обслуживания,
ремонтов, хранения и транспортирования.
Надежность является комплексным свойством, которое вклю-
чает безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохра-
пяемость и другие показатели.
34
Количественно безотказность оценивают следующими единич-
ными параметрами:
1) вероятностью безотказной работы
где п — число наблюдаемых объектов; т — число работоспособ-
ных объектов к концу заданной наработки; например, Р — 0,99
означает, что из 100 объектов 99 оказались работоспособными.
Отсюда вероятность отказов <?=1 — Р;
2) наработкой на отказ То — средним временем работы между
двумя соседними отказами:
, ТР
0 ~ N ’
где ТР — суммарная наработка; N — число отказов за ТР-,
3) интенсивностью отказов Л (Д/)— отношением числа отка-
завших в единицу времени изделий к среднему числу работавших
изделий:

Ясно, что То = 1/Х. Чем меньше X, тем выше надежность изде-
лий. Для системы, состоящей из п независимых элементов:
= Б К,
т. е. частота отказов возрастает с увеличением числа элементов,
входящих в систему.
Недостаточная надежность приводит к большим затратам на
техническое обслуживание, ремонты, запасные части; вызывает
частые простои и аварии.
Для повышения надежности при конструировании необходимо
учитывать, что чем проще прибор, т. е. чем меньше в нем элемен-
тов, тем он надежнее; следует применять по возможности элементы
с минимальными значениями интенсивностей отказов; применять
резервирование систем и элементов.
При этом нельзя забывать, что повышение надежности, как
правило, связано с увеличением стоимости прибора.
6. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СТОИМОСТЬ ПРИБОРА
На стоимость прибора оказывают влияние следующие основные
факторы:
1) серийность выпуска, определяемая типом производства;
чем больше серия, тем меньше стоимость прибора;
2) вид исполнения — лабораторный, полевой, в тропическом
исполнении. К одному и тому же прибору в зависимости от вида
исполнения предъявляются разные требования. Лабораторный
прибор имеет минимальную стоимость, полевой должен удовле-
2* 35
творять дополнительным требованиям и стоит дороже, прибор
в тропическом исполнении (см. п. 4 гл. 5) стоит еще дороже;
3) технологичность конструкции (см. гл. 8); чем выше показа-
тели технологичности•с учетом типа производства, тем меньше
стоимость; следует выделить материалоемкость, расчленение на
сборочные единицы, коэффициент заимствованных, стандартных
и унифицированных узлов, деталей и элементов;
4) степень надежности; чем выше надежность прибора, тем
выше его стоимость;
5) рациональность конструкции и уровень технологии изго-
товления; рациональность конструкции может быть оценена выбо-
ром оптимальных, наиболее простых конструктивных решений,
обеспечивающих поставленную задачу; рациональность конструк-
ции определяется также целесообразным уровнем автоматизации;
уровень технологии оценивается степенью оснащенности техноло-
гического процесса изготовления и контроля;
6) патентная чистота;
7) простота и удобство обслуживания, поверок, юстировки
и ремонта.
Необходимо учитывать, что общая оценка затрат при исполь-
зовании любого прибора складывается из стоимости прибора и
затрат на его эксплуатацию. Например, чем меньше надежность
прибора, тем прибор дешевле, но потери при эксплуатации такого
прибора будут больше, чем более надежного, и наоборот. Прибор
может оказаться очень сложным в эксплуатации, дорогим в юсти-
ровке, ремонте и т. п. Эти последние факторы могут также войти
в оценку рациональности конструкции.
Глава 6
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ РАБОТ
НО СОЗДАНИЮ НОВЫХ ПРИБОРОВ
Основными видами работ, выполняемых при создании новых
оптико-механических приборов, являются научно-исследователь-
ские работы (НИР) и опытно-конструкторские работы (ОКР).
1. НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ РАБОТЫ
При создании современных приборов часто возникают принци-
пиально новые задачи, решение^которых требует глубоких и все-
сторонних теоретических и экспериментальных исследований.
Иногда такие задачи составляют определенную проблему или
группу проблем.
Очевидно, что до решения проблемных вопросов проектирова-
ние прибора явилось бы преждевременным, нецелесообразным.
36
С целью решения проблемных вопросов и получения необходи-
мого исходного материала для проектирования проводят научно-
исследовательские работы (НИР).
В зависимости от объема и содержания НИР в результате ее
осуществления составляют научно-технический отчет и создают
экспериментальный (или макетный) образец прибора, а также
составляют научно-технический отчет с рекомендациями по тех-
ническому заданию на ОКР-
2. ОПЫТНО-КОНСТРУКТОРСКИЕ РАБОТЫ
Опытно-конструкторскую работу (ОКР) выполняют после уста-
новления принципиальной технической возможности создания
прибора с целью разработки и изготовления опытного образца.
ГОСТ 2.103—68 устанавливает следующие стадии разработки
конструкторской документации: 1) техническое задание (ТЗ);
2) техническое предложение; 3) эскизный проект; 4) технический
проект; 5) разработка рабочей документации. Последняя стадия
состоит из следующих основных этапов:
1. Разработки конструкторских документов, предназначен-
ных для изготовления и испытания опытного образца (опытной
партии).
2. Изготовления и заводских испытаний опытного образца.
3. Корректировки конструкторских документов по результа-
там изготовления и заводских испытаний опытного образца.
4. Государственных, межведомственных, приемочных и дру-
гих испытаний опытного образца.
5. Корректировки конструкторских документов по результа-
там государственных, межведомственных, приемочных и других
испытаний.
6. Изготовления и испытания установочной серии.
7. Корректировки конструкторских документов по результа-
там изготовления, испытания и оснащения технологического про-
цесса ведущих составных частей изделия установочной серии.
8. Изготовления и испытания головной (контрольной) серии.
9. Корректировки конструкторских документов по результа-
там изготовления и испытания головной (контрольной) серии.
В зависимости от вида, назначения и сложности образца удель-
ный вес отдельных стадий и этапов может быть различным. Кроме
того, на многих стадиях, как правило, производится разработка и
изготовление макетов (макетирование) отдельных механизмов и
узлов для проверки схемных и конструктивных решений. Объем
работ по макетированию может быть значительным, однако его
нельзя выделить как самостоятельную стадию, так как необходи-
мость макетирования может возникнуть на многих из указанных
стадий (особенно на стадиях эскизного и технического проектов).
В результате проведения ОКР, как правило, изготовляют опыт-
ный образец прибора.
37
Глава 7
СОДЕРЖАНИЕ ОСНОВНЫХ СТАДИЙ
И ЭТАПОВ РАЗРАБОТКИ
1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
На стадии технического задания (ТЗ) производят разработку,
согласование и утверждение ТЗ.
Содержание и объем технического задания определяются ха-
рактером, сложностью и структурой разработки. Например, на от-
дельные части работы головным исполнителем выдаются веем со-
исполнителям, участвующим в разработке, частные технические
задания, объем которых значительно меньше.
Структура ТЗ определяется, как правило, СТП предприятия.
Например, согласно одному из СТП техническое задание включает
следующие основные разделы и пункты:
1. Введение (основание для разработки ТЗ и др.).
2. Цель разработки, назначение и область применения.
3. Источники разработки.
4. Технические требования, технические характеристики и
конструктивные особенности изделия:
1) состав изделия; 2) технические характеристики и принцип
действия; 3) конструктивные требования; 4) специальные требо-
вания; 5) требования к сырью и исходным материалам; 6) требова-
ния к оптической схеме; 7) требования к кинематической схеме;
8) требования к электрической схеме; 9) требования к надежности
и гарантийному сроку службы; 10) требования к транспортировке;
11) макетирование.
5. Требования безопасности и производственной санитарии.
6. Условия изготовления и требования к технологичности
изделия.
7. Требования к контролю и испытаниям.
8. Стадии разработки изделия и состав технической доку-
ментации.
9. Технико-экономические показатели.
10. Специальные требования.
И. Приложения.
2. ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ И ЕГО РАЗРАБОТКА
При разработке технического предложения (ГОСТ 2.118—73)
решают следующие основные вопросы:
1) подбирают и изучают материалы по теме задания, в том числе
патентные материалы;
2) устанавливают главные отличительные признаки прибора,
улучшающие и определяющие конструкцию по сравнению с су-
ществующими;
38
3) определяют принципиальную возможность выполнения за-
данных параметров; проводят необходимые расчеты, обоснования,
а в сложных случаях и эксперименты;
4) выявляют возможности заимствования идей или готовых
конструктивных решений из существующих приборов, анализи-
руют возможные варианты прибора;
5) составляют перечень необходимых научно-исследователь-
ских работ для определения возможности выполнения или улуч-
шения отдельных характеристик и параметров конструкции;
6) проводят технические и технико-экономические обоснова-
ния целесообразности разработки изделия с заданными параме-
трами на основе сравнительной оценки конструктивных и эксплуа-
тационных особенностей разрабатываемого и существующих из-
делий;
7) увязывают и окончательно формулируют все пункты ТЗ
(обычно совместно с представителями заказчика).
В соответствии с ГОСТ 2.102—68 на стадии технического пред-
ложения из обязательной документации разрабатывают ведо-
мость ТП и пояснительную записку.
Техническое предложение после согласования и утверждения
в установленном порядке является основанием для разработки
эскизного (технического) проекта.
3. эскизный ПРОЕКТ
Разработка схем. Эскизное проектирование (ГОСТ 2.119—73)
начинается с разработки основных схем прибора и выполнения
необходимых расчетов и обоснований принципиальных решений.
Виды и типы схем установлены ГОСТ 2.701—76.
Виды схем обозначают буквами, типы схем — цифрами. При-
ведем применительно к приборостроению основные виды и типы
схем.
Виды схем: электрические — Э; гидравлические — Г; пневма-
тические — П; кинематические — К, оптические — Л.
Типы схем: структурные — 1; функциональные — 2; принци-
пиальные — 3; соединений — 4; подключения — 5; общая — 6.
Схемы, входящие в состав конструкторской документации,
обозначаются шифром, например, схема электрическая принци-
пиальная обозначается шифром ЭЗ.
Структуоная схема определяет основные функциональные
части изделия, их назначение и взаимосвязи. На рис. 7 приведена
структурная схема электросекундомера с оптическим преобразо-
вателем для снятия отсчета. Принципиальная схема определяет
полный состав элементов и связей между ними и, как правило,
дает детальное представление о принципах работы изделия. В за-
висимости от характера и назначения изделия принципиальными
могут быть схемы различного вида, например, принципиальная
электрическая схема, принципиальная пневматическая схема и пр.
39
Прибор J
измерительный}
с оптическим
отсчетным
устройством
Измеряемые сигна.'пы-27в
Рис. 7. Структурная схема электросекундомера с оптическим отсчетным уст-
ройством
На рис. 8 приведена принципиальная электрическая схема
электросекундомера, структурная схема которого показана на
рис. 7.
При разработке сложного прибора или комплекса составляют
общую схему (рис. 9), определяющую составные части комплекса
и соединения их между собой на месте эксплуатации.
Кинематическая схема должна отражать кинематику, т. е.
движение различных звеньев механизма прибора. Кинематические
звенья и пары изображают условно (ГОСТ 2.703—68), так как
в их конструктивном изображении для пояснения характера дви-
жения нет необходимости.
Кинематическая схема должна содержать все без исключения
кинематические цепи и звенья, участвующие в движении, и точно
отражать взаимодействие и связь между ними. Кинематические
цепи рассчитывают по правилам, изложенным в соответствующей
учебной литературе [2]. Кинематическую схему вычерчивают
в виде развертки. В соответствии с ГОСТ 2.703—68 допускается
кинематические схемы вписывать в контур изображения изделия,
а также вычерчивать в аксонометрических проекциях. На рис. 10
в качестве примера приведена кинематическая схема электросе-
кундомера.
Оптическую схему составляют в соответствии с ГОСТ 2.412—68
на основе расчета оптической системы прибора с заданными в ТЗ
параметрами. Схему вычерчивают с соблюдением масштаба и ука-
занием размеров и параметров. На рис. 11 в качестве примера
приведена оптическая схема объектива (СТ СЭВ 139—74).
Разработка чертежей. Пояснительная записка к эскизному
проекту. На основе разработанных оптической, кинематической,
40
Рис. 8. Принципиаль-
ная электрическая схе-
ма электросекундоме-
ра:
В1 — переключатель;
В2 — тумблер; Г1 —
Г4 — гнезда; VI—
V6 — диоды; ИП1 —
электросекундомер;
КН1 — кнопка; Л1 —
ЛЗ — лампы; Р1—Р6 —
реле; ПР1 — предохра-
нитель; Тр1 — транс-
форматор; Ш1 — вилка
двухполюсная
Яёреключатель
рода работ
2208
Рис. 9. Общая схема аэрофотоаппарата
4}
Рис. 10. Кинематическая схема
электросекундомера:
1 — якорь; 2,3 — трибы; 4 — хра-
повое колесо; 5 — вилка; 6 — ку-
лачок; 7 — большая стрелка; 8 —
кнопка сброса; 9 — малая стрелка;
10 — кулачок; 11 — зубчатое коле-
со; 12 — постоянный магнит; 13 —
обмотка возбуждения; / — ось вил-
ки; II — ось большой стрелки;
III — ось малой стрелки
электрической и других схем, а также
выполненных расчетов приступают к
разработке чертежей общих
видов эскизного проекта.
Производят общую компоновку
(см. гл. 8) и взаимную увязку всех
частей, сборочных единиц, блоков и
элементов прибора. Чертежи выпол-
няют с упрощениями, наносят только
крупные основные сборочные еди-
ницы, заимствованные и покупные
изделия обозначают контурами, в
контурном изображении без подроб-
ной проработки показывают и дру-
гие составные элементы (например,
затвор фотоаппарата), внутреннее
содержание которых известно и его
подробное раскрытие не изменит
общих контуров и габаритных разме-
ров. Чертеж общего вида отражает
выбор оптимального варианта раз-
мещения сборочных единиц в задан-
ном объеме проектируемого изделия.
При разработке эскизного про-
екта конструктор должен учитывать
необходимость предварительного согласования стыковочных баз
со смежными организациями уже на этой стадии проектирования.
К таким стыковочным базам относятся габаритные размеры
(по объему и конфигурации); посадочные и присоединительные
размеры; крепление прибора; входные и выходные электрические
связи (питание, тип соединений и разъемов, длины кабелей, про-
водов, параметры управляющих или командных сигналов и т. п.);
монтажные требования и др.
Окончательное согласование стыковочных баз со смежными
организациями производят на стадии технического проекта.
Таким образом, в результате выполнения эскизного проекта
(ЭП) разрабатывают следующую обязательную документацию: ве-
домость ЭП и пояснительную записку. Кроме того, могут быть раз-
работаны:
1. Структурная, принципиальная, кинематическая, оптиче-
ская, электрическая и другие схемы прибора и его частей.
2. Чертежи общих видов прибора, его основных сборочных
единиц (общая компоновка без детальной конструктивной прора-
ботки), габаритные чертежи, теоретический чертеж.
Пояснительная записка к эскизному
проекту содержит следующие разделы (ГОСТ 2.119—73):
1) введение (с указанием на основании каких документов раз-
работан проект);
42
2) требования ТЗ;
3) теоретическую часть — назначение и область применения
проектируемого изделия, техническую характеристику, теоретиче-
ское обоснование конструкции, подкрепленное расчетами;
4) расчет кинематической, электрической и других схем и дан-
ные оптической схемы и аберрационного расчета. Расчеты на
прочность, жесткость и т. п. (по требованиям заказчика);
5) описание конструкции;
6) расчет ожидаемых ошибок прибора (в тех случаях, когда
это необходимо);
7) данные проверки на патентную чистоту;
8) степень выполнения пунктов ТЗ;
9) замечания и предложения по изменению ТЗ.
Документацию эскизного проекта после его завершения рас-
сылают заказчику и заинтересованным организациям, после чего
производят защиту эскизного проекта. На основе всесторонних
обсуждений составляют протокол (или акт) защиты с отражением
всех замечаний по эскизному проекту и порядка их устранения.
Особо отмечают изменения ТЗ. Протокол (акт) защиты утверждают,
как правило, организации, утвердившие ТЗ.
4. ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОЕКТ
Технический проект (ТП) отличается от эскизного детальной и
окончательной проработкой конструкции прибора. Разрабаты-
ваемые чертежи общих видов прибора и его частей, а также чер-
! Плоскость изображений
1
з
| Фокусное расстояние 51,3
Относительное отверстие 1:3,5
Размер кайра 18x24
Тномё^оТещийТсВ.
j деталей. [0,
Перечень деталей
Таблица 2
Обозначение Наименование Кол. Примечание
— ! - h Ринза 1
—- i — I ? Ринза 1
__ j- 1} Ринза 1
““ [ ! 4- Линза 1
Рис. 11. Оптическая схема объектива (СТ СЭВ 139—74)
43
тежи сборочных единиц конструктивно отрабатывают настолько,
чтобы можно было в дальнейшем выполнить рабочий чертеж каж-
дой детали.
Чертежи общих видов разрабатывают на основе технического
задания, эскизного проекта и замечаний к нему, а также уточнен-
ных схем и расчетов, например, в техническом проекте используют
окончательную, выполненную на основе аберрационного расчета
оптическую схему.
Одновременно с уточнением схем и расчетов производят уточ-
нение стыковочных баз со смежными организациями.
Обязательной документацией ТП (ГОСТ 2.102—68) являются
чертежи общего вида, ведомость ТП и пояснительная записка.
Кроме того, разрабатывают схемы, габаритные чертежи, ведо-
мость покупных изделий, патентный формуляр и др.
Пояснительная записка к техническому проекту содержит те же
разделы, что и записка к эскизному проекту, и, кроме того, раз-
дел по устранению замечаний эскизного проекта. Однако многие
разделы могут быть изложены короче, а некоторые, например тео-
ретическая часть, опущены. Раздел с описанием конструкции, на-
оборот, значительно расширен.
Технический проект рассылает и защищает разработчик в том
же порядке, что и эскизный проект. Технический проект утверж-
дает заказчик.
5. РАЗРАБОТКА РАБОЧЕЙ ДОКУМЕНТАЦИИ
На этом этапе разрабатывается техническая документация,
предназначенная для изготовления опытного образца. Обязатель-
ными (ГОСТ 2.102—68) являются чертежи сборочных единиц;
рабочие чертежи деталей; спецификации сборочных единиц. Кроме
того, разрабатывают установочные и монтажные чертежи, сводные
ведомости покупных изделий и деталей, стандартных деталей,
марок и сортамента применяемых материалов (при необходимости),
ведомость ЗИП (запасного инструмента и принадлежностей) и др.
Составляют текстовые документы: технические условия (ТУ);
техническое описание; инструкции (по эксплуатации, монтажу
и т. п.); формуляр; паспорт.
Контрольные сборочные чертежи (контрольные сборки) выпол-
няют по усмотрению разработчика для выявления ошибок и несо-
ответствий, имеющихся в рабочих чертежах деталей (см. гл. 9), до
изготовления самих деталей и их сборки в цехах. Контрольные
сборочные чертежи должны выполняться особо аккуратно и
добросовестно.
При выполнении контрольных сборочных чертежей значения
всех размеров считывают с рабочих чертежей деталей, откладывают
по масштабной линейке и тщательно переносят на сборочный
чертеж. Нельзя допускать простого переноса размеров с рабочих
чертежей, например, скалыванием. Так последовательно состав-
44
ляют сборочные чертежи сборочных единиц и прибора в целом
в необходимом числе проекций. Разбивка прибора на сборочные
единицы должна соответствовать технологическому процессу его
сборки. Сборочные единицы, которые могут собираться отдельно,
должны иметь сборочные чертежи. На чертежах деталей отмечают
все выявившиеся ошибки, которые затем исправляют.
Сборочные чертежи и рабочие чертежи деталей после нормо-
контроля и технологического контроля (ГОСТ 2.121—73) утверж-
дают в установленном порядке.
Составление технических условий и другой документации.
Технические условия (ТУ) должны содержать все отсутствующие
в чертежах необходимые технические требования на изготовление,
приемку и испытание изделия и его составных частей
(ГОСТ 2.114—70).
Технические условия содержат следующие раз-
делы:
а) вводную часть (наименование, определение и назначение
прибора), область применения, условия эксплуатации;
б) перечень состава комплекта (комплектность);
в) технические требования к материалам, отдельным деталям,
сборочным единицам и прибору, требования к покрытиям и
окраске;
г) правила, порядок и методику приемки, проверок и испыта-
ний;
д) технические требования к смазке, укладке, упаковке, кон-
сервации, хранению и транспортировке;
е) порядок маркировки;
ж) указания о гарантийных сроках службы.
При разработке ТУ необходимо на каждый параметр, размер
задать допускаемые отклонения. ТУ составляют на основе ТЗ,
чертежей и документации технического проекта, они должны отли-
чаться четким, конкретным изложением и точностью формули-
ровок. ТУ вместе с рабочими чертежами являются основным доку-
ментом, необходимым для изготовления, отладки, испытаний и
приемки прибора. Порядок согласования, утверждения и государ-
ственной регистрации технических условий определен ГОСТ
2.115—70.
Кроме рабочей конструкторской документации разрабатывают
эксплуатационную конструкторскую документацию по
ГОСТ 2.601—68 — техническое описание, инструкции по монтажу,
эксплуатации и др., ремонтную документацию по ГОСТ 2.602—-68.
6. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА
Опытный образец изготовляют в соответствии с рабочими черте-
жами деталей, сборочными чертежами сборочных единиц и прибора
в целом по техническим условиям на прибор и его крупные сбороч-
ные единицы.
45
При изготовлении деталей, сборочных единиц, отладке и
юстирсвке прибора в опытном цехе все замечания регистрируют
в специальной книге замечаний. Конструктор анализирует заме-
чания, тщательно проверяет необходимость внесения изменений
в чертежи и вносит эти изменения в установленном для опытных
чертежей порядке.
Возникающие замечания следует обязательно вносить в книгу,
затем их внимательно анализировать и устранять, так как измене-
ние деталей в опытном цехе без отражения этих изменений в черте-
жах приведет к возникновению недоразумений и к появлению
брака при дальнейшем изготовлении прибора (установочной пар-
тии, серии).
7. ИСПЫТАНИЯ ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ
Испытания опытных образцов подразделяют на предваритель-
ные и государственные.
Предварительные испытания проводят с целью предваритель-
ной проверки соответствия опытного образца заданным техниче-
ским условиям. Предварительными испытаниями являются кон-
структорско-доводочные и лабораторно-заводские испытания.
Государственные испытания проводят с целью полной про-
верки соответствия опытного образца заданным техническим усло-
виям и требованиям и выяснения возможности запуска таких
приборов в серийное или массовое производство.
Как предварительные, так и государственные испытания могут
быть лабораторными (стендовыми) и полевыми (полигонными,
летными).
Полевые испытания не проводят в случаях, если все техниче-
ские характеристики опытного образца можно проверить по ре-
зультатам лабораторных испытаний.
Конструкторско-доводочные испытания (КДИ) проводят по
программе, утвержденной разработчиком с целью выявления воз-
можностей прибора и его соответствия заданным техническим тре-
бованиям. Техническую документацию и опытные, образцы при
необходимости дорабатывают по результатам испытаний. Лабора-
торно-заводские испытания проводят по программе, согласованной
с заказчиком и утвержденной в установленном порядке. Резуль-
таты испытаний оформляют соответствующими актами с указа-
ниями о порядке и сроках устранения выявленных замечаний.
Согласно актам при необходимости производят доработку опытных
образцов и технической документации.
Государственные испытания проводит специальная государ-
ственная комиссия, в состав которой входят ведущие специалисты
по соответствующему направлению приборостроения, представи-
тели заказчика и разработчика, по программе, утвержденной
заказчиком или отраслевым научно-исследовательским институтом.
На государственные испытания направляются полностью дорабо-
46
тайные по результатам предварительных испытаний, тщательно
проверенные и отлаженные приборы. В акте государственных ис-
пытаний, кроме замечаний и порядка их устранения, дается заклю-
чение о возможности запуска прибора в серийное или массовое
производство.
Акт государственной комиссии является основанием для ут-
верждения образца к запуску в серийное производство.
Глава 8
КОМПОНОВКА ПРИБОРОВ
1. ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА —ОСНОВА КОМПОНОВКИ
ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКОГО ПРИБОРА
Компоновку прибора производят на этапах эскизного и техни-
ческого проектов. В п. 3 гл. 7 были даны пояснения о составлении
различных схем прибора на этапе эскизного проектирования,
в том числе указания о создании кинематической схемы прибора.
Основой компоновки оптико-механического прибора является
его оптическая схема.
Разработку и расчет оптической схемы производят на основе
технического задания (см. п. 1 гл. 7).
Оптический расчет обычно проводят в две стадии. На этапе
эскизного проекта производят габаритный расчет. Габаритный
(предварительный) расчет определяет общие габаритные размеры
всей системы, габаритные размеры призм, диаметр и положение
зрачков и пр. При габаритном расчете элементы оптической си-
стемы считают «тонкими», т. е. остаются неизвестными толщины
линз, действительные радиусы кривизны поверхностей.
На стадии технического проекта, если оптическая схема ока-
залась приемлемой, производят окончательный (аберрационный)
расчет оптической системы.
При аберрационном расчете,определяют и уточняют все геоме-
трические размеры оптических деталей, расстояния между ними
и сорт стекла с учетом необходимой коррекции системы. При
окончательном расчете учитывают допуски на размеры, точность
и качество поверхностей, допуски на характеристики оптического
стекла и составляют графики остаточных аберраций. В сложных
случаях иногда приходится производить несколько попыток рас-
чета (и габаритного, и аберрационного) оптической схемы до
получения удовлетворительного результата.
2. ВЫБОР ОСНОВНЫХ КОНСТРУКТОРСКИХ БАЗ
И РАЗМЕЩЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ И СИСТЕМ
Одной из основных задач правильной компоновки оптических
частей прибора является обеспечение качества изображения при
работе прибора в заданных условиях и других требований ТЗ и
оптической схемы.
47
При соблюдении общих принципов компоновки приборов
(см. п. 3 гл. 8) большое значение имеет выбор конструкторских баз
оптических деталей и узлов с оптическими деталями. При расчете
оптических систем предполагается, что оптическая система явля-
ется центрированной. Это основное условие должно быть
выполнено с необходимой точностью при обработке деталей, выборе
баз при компоновке и закреплении деталей в узле. Выполнение
условия центрирования начинается с отдельных линз, в которых
в процессе центрирования оптическая ось совмещается с геометри-
ческой осью, а последняя — с геометрической осью оправы.
В данном случае оптическая ось является конструкторской базой
линзы.
Конструкторскими базами оптических деталей и узлов могут
быть точки — узловая (главная) точка, вершина и фокус линзы,
точки фокусов оптической системы; линии — оптическая ось
линзы, оптическая ось системы, линии пересечения и ребра зеркал
и призм; плоскости — главная, фокальная плоскости линз и
сложной оптической системы, плоскости зрачков, плоскости
предмета и изображения, плоскость главного сечения и грань
призмы.
Основной конструкторской базой при компоновке центрирован-
ных оптических систем является оптическая ось. Под оптической
осью понимают прямую, которая проходит через центры кривизны
всех сферических поверхностей.
Оптическая ось в качестве конструкторской базы особенно
наглядно может быть показана на примере зрительных труб,
объективов различных назначений (см., например, рис. 105, 108),
окуляров.
В свою очередь, скомпованные оптические узлы (зрительные
трубы, объективы и т. п.) размещаются в приборе по отношению
к другим конструкторским базам — к осям вращения, к осям
уровней, к посадочным местам камеры и т. п.
При компоновке оптических узлов и элементов следует стре-
миться к тому, чтобы отдельные блоки и узлы были законченными
самостоятельными единицами, которые могли бы быть собраны и
проверены отдельно, а затем установлены в изделии. При этом
необходимо учитывать, что наименьшее влияние на качество ра-
боты оптической системы проявляется, когда между соседними
блоками предусмотрен параллельный ход лучей. Например, при
компоновке отсчетной оптической системы угломерных приборов
(теодолитов и др.) предусматривается параллельный ход лучей
между объективами оптических блоков, установленных на вра-
щающейся и неподвижной частях прибора. Только в этом случае
возможно обеспечить удовлетворительное качество изображения
при изменении взаимного положения блоков за счет эксцентриси-
тета и биения вертикальной оси. Этот вариант компоновки ока-
жется наивыгоднейшим и в любом другом случае, так как узлы
можно будет выполнять с меньшей точностью.
48
3. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ И СПОСОБЫ КОМПОНОВКИ
В связи с большим разнообразием оптико-механических прибо-
ров трудно разработать общую методику их компоновки.
Однако можно определить общие принципы, которые следует
учитывать при конструировании, и отметить основные способы
компоновки. К общим для любых приборов принципам компоновки
можно отнести следующие:
1. Обеспечение наименьших габаритов при соблюдении требо-
ваний ТЗ и других показателей и условий.
2. Рациональное деление прибора на составные части, сбороч-
ные единицы.
3. Обеспечение возможности сборки и юстировки отдельных
узлов, блоков и прибора в целом.
4. Исключение влияния отдельных блоков и элементов на
точность работы прибора, вредного взаимовлияния элементов
(наводок, вибраций, теплового излучения, бликов, деформаций
и т. п.).
5. Максимальное обеспечение показателей технологичности
конструкции с учетом типа производства.
6. Учет требований эргономики и технической эстетики.
7. Обеспечение удобного осмотра, ремонта и быстрой замены
отдельных элементов и узлов в процессе эксплуатации.
Основными способами компоновки при конструировании ОМП
являются следующие: 1) несущий элемент — труба или несколько
труб (объективы, окуляры, зрительные трубы, бинокль и т. п.);
2) жесткий, сплошной литой или сварной корпус; 3) крепление на
рамной конструкции из профильного проката; 4) крепление на
общей массивной монтажной плите (спектральные и другие лабора-
торные приборы); 5) на нескольких монтажных платах; 6) на
направляющих различного профиля (оптическая скамья и др.).
При конструировании несложных объективов, окуляров, зри-
тельных труб и приборов на их основе (бинокль, гониометр, авто-
коллимационные приборы и т. п.) вопросы компоновки решаются
относительно просто, так как размещение отдельных узлов опре-
деляется оптической схемой. В сложных случаях (см. п. 7 гл. 8)
принципиальные вопросы компоновки решаются на этапе эскиз-
ного проекта одновременно с выбором принципиальной схемы и
рационального размещения с учетом выполнения требований ТЗ
и основных принципов компоновки.
Рациональное деление прибора на составные части в процессе
компоновки имеет большое организационно-техническое и эконо-
мическое значение.
Кроме преимуществ, отмеченных в п. 3 гл. 8, это расширяет
конструктивную преемственность, т. е. возможность применения
в новых изделиях сборочных единиц из других изделий, находя-
щихся в действующем производстве.
При конструировании необходимо стремиться к максимальному
объединению отдельных деталей в сборочные единицы. Это имеет
49
Рис. 12. Пример рационального объединения деталей в подсборку
большое значение для рационализации технологии сборочных
процессов, уменьшения трудоемкости сборки, особенно в крупно-
серийном и массовом производстве.
На рис. 12 показан пример объединения деталей в сборочную
единицу. Сборку вала (рис. 12, а) со всеми его деталями нужно
производить на месте при сборке более крупной сборочной еди-
ницы, при этом зубчатое колесо надевают на вал внутри корпуса,
а шкив устанавливают и закрепляют после привертывания левой
крышки.
Для превращения вала вместе со всеми деталями в сборочную
единицу достаточно было так сконструировать узел, чтобы наруж-
ный диаметр зубчатого колеса D± был меньше наружного диаметра
П2 подшипников, и предусмотреть в диске шкива отверстия d
для обеспечения возможности крепления левой крышки (рис. 12, б).
В этом случае вал вместе со всеми насаженными на него дета-
лями устанавливают на месте и закрепляют в узле в предвари-
тельно собранном состоянии, что улучшает условия сборки на
производстве, а также условия разборки и сборки во время эк-
сплуатации.
При компоновке оптико-механических приборов, как правило,
прибор делят на отдельные узлы с заданными оптическими свой-
ствами (например, увеличением, качеством изображения и т. п.),
которые собирают и контролируют в процессе сборки параллельно
независимо друг от друга.
Кроме того, необходимо обеспечивать непрерывность процесса
сборки, без промежуточных разрывов, увеличивающих трудоем-
кость работ; свободный доступ к юстировочным элементам, возмож-
ность применения раздельных юстировочных устройств для устра-
нения каждого из источников погрешностей, стабильность поло-
жения отъюстированных механизмов и деталей.
Размещение деталей и сборочных единиц должно быть компакт-
ным, занимать наименьший объем, но в то же время обеспечивать
удобство сборки и юстировки.
50
Необходимо предусматривать также соблюдение правил безо-
пасности, например, отключение высокого напряжения при откры-
вании крышки и т. п.
4. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ конструкции
Необходимость оценки уровня технологичности конструкции
диктуется требованиями экономичности производства и повыше-
нием качества изделий. Различают два вида технологичности:
производственную и эксплуатационную.
Основными показателями производственной технологичности
конструкций является трудоемкость, себестоимость изготовления
и металлоемкость. Кроме того, технологичность конструкции опре-
деляется следующими вспомогательными показателями:
1) числом деталей и числом их наименований, характеризую-
щих степень применяемости;
2) показателями стандартизации, нормализации, заимствова-
нием деталей и узлов;
3) числом самостоятельных сборочных единиц, характеризую-
щих степень расчленения изделия;
4) показателем точности изготовления деталей;
5) показателями распределения деталей по видам заготовок
и способам изготовления;
6) показателями распределения сборочных единиц по степени
их сложности;
7) показателями степени унификации элементов конструкции
(диаметров, резьб, зубчатых и червячных передач и т. п.), марок
применяемых материалов и покрытий.
Технологичность — свойство конструкции, заложенное в ней
при проектировании, однако это понятие в известной степени
относительно, так как определяется уровнем технологии производ-
ства и появлением новых технологических процессов, а также
типом производства и объемом выпуска изделий.
Отрабатывая конструкцию на технологичность, конструктор
должен стремиться обеспечить простоту компоновочной схемы и
конструктивных частей и сборок; расчленение изделия на само-
стоятельные узлы, допускающие независимую сборку, контроль и
испытания; выбор простейших геометрических форм деталей, их
оптимальные размеры, рациональный выбор материалов, способов
изготовления; обоснованный выбор баз, системы простановки
размеров, допусков и шероховатости поверхностей; рациональный
выбор уровня взаимозаменяемости; максимальную унификацию
материалов, узлов и элементов конструкций.
5. РАЗМЕЩЕНИЕ СРЕДСТВ ПИТАНИЯ, УПРАВЛЕНИЯ
И АВТОМАТИЗАЦИИ
Средства и элементы питания, управления и автоматизации
в зависимости от их размещения могут оказывать существенное
влияние на точность, надежность и удобство эксплуатации при-
51
бора, поэтому при проектировании вопросы их правильной ком-
поновки не должны быть оставлены без внимания.
К таким элементам относятся электродвигатели, редукторы,
электрорадиоэлементы (трансформаторы, выпрямители, сопротив-
ления, конденсаторы, резисторы, электро- и радиолампы и т. п.).
Эти элементы могут вызывать механические колебания (виб-
рации), нагрев и другие нежелательные воздействия на измери-
тельные и другие части прибора, что изменяет характеристики
последних и приводит к потере точности и надежности.
Электродвигатели и редукторы привода в точных измеритель-
ных приборах, например кинофототеодолитах, как правило, уста-
навливают на отдельной платформе, а конечные звенья кинемати-
ческой цепи на измерительной части соединяют с двигателем и
редуктором эластичными муфтами и телескопическими карданными
валиками, что исключает влияние вибрации на измерительную
часть и обеспечивает нормальную работу кинематических цепей
при достаточно широких допусках сопрягаемых деталей. Кроме
того, электродвигатели и редукторы для снижения вибраций и
шума устанавливают на специально рассчитанные и подобранные
экспериментально амортизаторы. При размещении электродвига-
телей и редукторов должны быть предусмотрены доступ к ним и
удобство смазки, ремонта и замены.
Для лучшего отвода тепла и исключения влияния элементов,
выделяющих тепло, на элементы, не выделяющие тепла, следует
соблюдать общие правила: элементы, не выделяющие тепло, разме-
щают снизу (например, на металлической панели крепления),
а элементы, выделяющие тепло, — сверху.
К элементам, выделяющим тепло, относятся электродвигатели,
трансформаторы, полупроводниковые выпрямители, лампы, сопро-
тивления. К элементам, чувствительным к повышению темпера-
туры, относятся конденсаторы, транзисторы.
Для лучшего отвода тепла от электрорадиоэлементов
рекомендуется:
между источниками излучения (лампы, трансформаторы) и
остальными элементами прибора ставить металлические отполи-
рованные экраны, припаянные или приваренные к корпусу
прибора;
крепить трансформаторы на корпусе прибора или на шасси
с максимальной интенсивностью теплоотвода; место крепления
трансформатора не окрашивается, трансформатор должен быть
плотно прижат к теплоотводящей поверхности и иметь с ней
максимальную площадь соприкоснования;
резисторы следует располагать вертикально, а электро- и
радиолампы — горизонтально;
корпусные детали, не подвергающиеся радиации и выделяющие
тепло, а также экранирующие колпачки электронных ламп следует
окрашивать в черный цвет.
Для защиты от перегрева конденсаторов рекомендуется:
52
конденсаторы размещать в нижней части прибора и внизу
панелей; отделять их от шасси воздушной или теплоизоляционной
прослойкой; отделять от источников тепла полированными метал-
лическими экранами.
Для уменьшения нагрева от солнечной радиации наружные
поверхности корпусных деталей следует окрашивать в светлые
тона.
Блоки и разъемы, с помощью которых они подключаются
к схеме, должны иметь ключи и контрольные штифты, не допу-
скающие неправильное подсоединение или включение.
Рукоятки, кнопки, сигнальные лампы, шкалы указателей и
другие элементы настройки, контроля и управления должны
иметь письменные обозначения или маркировку и размещаться на
передних панелях в местах, удобных для контроля и управления.
В сложных случаях проводятся специальные исследования на
макетах для выявления наилучшего расположения органов управ-
ления, наилучшей формы, отделки, окраски и т. п. (учет требова-
ний эргономики и технической эстетики).
При компоновке прибора необходимо учитывать и условия
безопасности работы с прибором. Например,
необходимо предусмотреть механическую блокировку, препят-
ствующую открыванию крышки необесточенного прибора, осо-
бенно при наличии высокого напряжения
Приборы должны иметь встроенные системы контроля, сигна-
лизирующие о неисправности.
6. РАЗРАБОТКА ЧЕРТЕЖА ОБЩЕГО ВИДА
Вопросы компоновки решают в основном на этапах эскизного
и технического проекта. В результате выполнения технического
проекта создают чертежи общего вида прибора и его частей.
Разработка чертежей общего вида является самым ответствен-
ным и трудоемким этапом проектирования прибора. Чертеж общего
вида — это суммарный результат творческих поисков конструк-
тора, оптимальный и всесторонне обоснованный вариант конструк-
ции прибора, лучший из всех возможных вариантов решения по-
ставленной задачи. Чертежи общего вида выполняют по правилам,
изложенным в ГОСТ 2.119—73 и ГОСТ 2.120—73.
Чертеж общего вида должен содержать изображение изделия
(виды, разрезы, сечения, выносные элементы и т. п.), текстовую
часть и надписи, необходимые для понимания конструктивного
устройства изделия, взаимодействия его основных частей и прин-
ципа работы, данные о составе изделия.
-Чертеж общего вида должен отображать конструкцию изделия
во всех его подробностях, ибо он является основным документом,
по которому выполняются рабочие чертежи каждой детали. По-
этому чертеж общего вида должен выполняться весьма тщательно,
на нем должны быть обозначены форма и размеры каждой детали
и четко показаны их сопряжения.
53
На чертеже общего вида не допускаются упрощенные изобра-
жения элементов деталей; фаски, проточки, сбег резьбы и другие
элементы графически изображаются полностью.
Допускается показывать внешний вид стандартных элементов
конструкции, например, электродвигателей, потенциометров, но
детали их крепления и монтажа показывают подробно.
На чертеже общего вида допускается указывать ответственные
размеры — габаритные, установочные, присоединительные и поса-
дочные (например, расположение торцов полумуфт относительно
осей электродвигателя и редуктора, расстояние присоединитель-
ных плоскостей электродвигателя и редуктора до их осей, посадоч-
ные диаметры лимбов, подшипников качения и скольжения и т. п.).
Допускается также указывать в виде текстовой подписи техни-
ческую характеристику изделия и технические требования, необ-
ходимые для последующей разработки рабочих чертежей и другой
документации.
7. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ВОПРОСОВ КОМПОНОВКИ
При рассмотрении отдельных принципов компоновки были
приведены примеры наиболее удачных решений компоновки узлов.
К типичному для ОМП примеру компоновки прибора в целом
можно отнести орудийную панораму. При компоновке этого опти-
ко-механического прибора учтены все основные принципы. За
конструкторскую базу принята оптическая ось, относительно
которой размещены все оптические элементы (см. рис. 163). Отдель-
ными сборочными единицами являются головной отражатель
(см. рис. 72), узел привода вращающейся головки, узел призмы
Дове с сателлитом, корпус с колесом планетарной передачи, узел
объектива, узел окуляра с сеткой, узел отражательной прямо-
угольной призмы (см. рис. 51, б). Все эти узлы хорошо видны на
чертеже и пояснений не требуют.
В более крупную сборочную единицу — вращающуюся головку
входят труба с червячной шестерней, верхнее центральное колесо
планетарной передачи, лимб горизонтального поворота, узел
головного отражателя, узел призмы Дове с сателлитом.
В сборочную единицу нижней неподвижной части входят корпус
с узлом отражающей прямоугольной призмы, червячный механизм
горизонтального привода, нижнее центральное колесо планетар-
ной передачи, объектив, окуляр с сеткой.
Как уже отмечалось, вопросы компоновки решаются, в основ-
ном, на этапах эскизного и технического проектов. При этом име-
ется в виду выполнение общих принципов компоновки с учетом
необходимости выполнения пунктов ТЗ.
Рассмотрим решение общих вопросов компоновки прибора на
примере фоторегистрирующей камеры, предназначенной для фото-
графирования диких животных в определенном секторе съемки.
Одним из определяющих требований ТЗ является требование
обеспечения минимальных габаритов и массы.
54
Рис. 13. Примеры компоновки фотографической камеры
Фотографирование по специальной программе должно было
производиться на расстоянии 300—500 м, в секторе 120°. Фокусное
расстояние объектива = 300 мм, угловое поле 2со = 7°. При
сканировании сектора съемки должно быть обеспечено перекрытие
между снимками в пределах 8—10 %.
На рис. 13, а показана компоновка камеры в традиционном
варианте, причем для того, чтобы- перекрытие между снимками
оставалось неизменным при повороте камеры вокруг оси вращения
в заданном секторе съемки 120°, ось вращения необходимо раз-
местить так, чтобы она проходила через заднюю главную точку
объектива (поз. 1). Но при таком положении оси вращения радиус
обметания при повороте камеры в секторе 120° с учетом класси-
ческого расположения кассеты при ее ширине К будет г\ = Д +
+ К- Корпус прибора в виде плоской круглой коробки будет
в этом случае весьма громозд-
ким и основное условие ТЗ ока-
жется невыполненным. Для того
чтобы при классическом вари-
анте размещения кассеты раз-
местить ось вращения в кон-
структивном центре 2, напри-
f к + К
мер на радиусе г2 = —— >
надо лишь убедиться, что вели-
чина перекрытия будет доста-
точной для надежного фотогра-
фирования в пределах задан-
ного сектора не только без про-
пусков, но с некоторым запа-
сом. На рис. 14 точка Н' — ось
вращения камеры, проходящая
через главную точку объектива;
а» — половина угла поля; 1 —
положение оптической оси в
Рис. 14. К расчету перекрытия
55
центре сектора съемки; п — положение оптической оси на краю
сектора съемки; у — шаг сканирования с учетом необходимого
перекрытия; L — минимальное расстояние до объекта.
Из рис. 14 следует, что с увеличением угла сканирования
перекрытие при вращении камеры вокруг точки О, находящейся на
расстоянии г от главной точки объектива Н, изменяется.
Примем перекрытие Дю = 10 %, что при 2ю = 7° составит
Дю = 42'. Чтобы перекрытие уложилось в заданные ТЗ пределы,
его изменение должно составить не более 2 %, т. е. Дер «8'.
Из рис. 14 следует
где р' — число минут в радиане, р' = 3438.
Отсюда допустимая минимальная величина
_______________________ Д<рЛ
Г ~~ р' sin 60°
„ . OZ г опл 8-300-10» гр
При Дер = 8 , L = 300 м г = о.о6 а асг,- & 800 мм. Таким
1 ’ o4oo-V,obb
образом, ось вращения камеры можно расположить в любом
месте конструкции. Следовательно, если принять вариант при
классическом расположении кассеты и расположении оси в центре
Л К +к о
конструкции, радиус обметания г2 = —% , т. е. в 2 раза
меньше первоначального варианта. Это будет означать, что полу-
чен выигрыш в 4 раза по площади и примерно такой же по массе.
Однако в рассматриваемом случае целесообразно отказаться от
классического расположения кассеты и разместить катушки, как
показано на рис. 13, б. Тогда ось займет положение 3, а радиус
обметания будет еще меньше и составит г3 х что по меньшей
мере дает дополнительный выигрыш на половину ширины кассеты,
т. е. К/2.
Приведенные в п. 6 гл. 8 и других разделах гл. 8 примеры пока-
зывают, насколько тщательно необходимо решать вопросы компо-
новки, увязывая их с главными пунктами ТЗ, требованиями техно-
логичности конструкции, удобствами сборки и юстировки, умень-
шением влияния отдельных элементов друг на друга и на работу
прибора в целом, требованиями эргономики, технической эстетики
и безопасности работы с приборами.
Глава 9
РАЗРАБОТКА РАБОЧИХ ЧЕРТЕЖЕЙ ДЕТАЛЕЙ
1. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ И ТРЕБОВАНИЯ ЕСКД
ПРИ РАЗРАБОТКЕ РАБОЧИХ ЧЕРТЕЖЕЙ
Разработку рабочих чертежей деталей в соответствии
с ГОСТ 2.109—73, ГОСТ 2.310—68 и другими ГОСТами ЕСКД на
конкретные виды изделий производят на основании общих видов
56
технического проекта прибора и чертежей крупных сборочных
единиц.
При исполнении рабочего чертежа детали в зависимости от ее
конфигурации и сложности выбирают масштаб с таким расчетом,
чтобы все размеры хорошо разместились и легко читались, а кон-
фигурация деталей четко вырисовывалась. Деталь должна иметь
столько разрезов и проекций, сколько необходимо для полного
представления о ней, однако следует избегать лишних проекций и
разрезов. Д
На каждом чертеже детали указывают все данные, необходимые
для ее изготовления: размеры и допуски на них, шероховатость
поверхностей; допускаемые отклонения формы и расположения
поверхностей; материал; покрытие; массу. Кроме того, при необ-
ходимости, могут быть пояснительные надписи, например: терми-
ческая обработка, способ изготовления, размеры заготовки, указа-
ния о пригонке с сопрягаемой деталью, дополнительные требова-
ния к точности и т. п.
При разработке рабочих чертежей детали максимально исполь-
зуют стандарты, ЕСКД.
Особое место при разработке чертежей деталей занимает выбор
баз и простановка размеров.
2. ПОНЯТИЕ О БАЗАХ
По назначению базы подразделяют на конструкторские, техно-
логические и измерительные (ГОСТ 21495—76).
Конструкторской базой называют поверхность
или сочетание поверхностей, ось, точку, принадлежащие детали
или сборочной единице и используемые для определения их
положения в изделии. Конструкторские базы подразделяют на
основные и вспомогательные.
Если конструкторская база, принадлежащая данной детали
или сборочной единице, определяет их собственное положение
в изделии, она называется основной.
Если конструкторская база, принадлежащая данной детали
или сборочной единице, определяет положение в изделии присое-
диняемых других деталей и сборочных единиц, она называется
вспомогательной.
Во всех случаях, когда за конструкторские базы приняты
реальные поверхности, а не оси или точки, то детали в сборочной
единице контактируют по основным и вспомогательным поверх-
ностям (базам).
На рис. 15 показаны примеры основных и вспомогательных баз
(поверхностей). Поверхности стоек 2 и 5, контактирующие с осно-
ванием 1, являются основными, так как они определяют положе-
ние в узле самих стоек 2 и 5. Верхняя плоскость основания /,
определяющая положение не самого основания, а стоек 2 и 5,
является вспомогательной. Отверстия в стойках являются вспомо-
гательными поверхностями, а поверхности цапф вала 3 — основ-
57
7
Рис. 15. Основные и вспомога-
тельные базы
ними. Поверхность средней части вала 3
является вспомогательной, а контакти-
рующая с ней поверхность посадочного
отверстия шестерни 4 — основной.
Технологической базой
называется база, используемая для
определения положения заготовки или
изделия в процессе изготовления или
ремонта. Относительно технологиче-
ской базы посредством указанных раз-
меров определяется положение обра-
батывающего инструмента.
Измерительной базой
называется база, которая используется
для определения относительного положения заготовки или
изделия и средств измерений.
Конструкторская, технологическая и измерительная базы
в общем случае могут не совпадать. Лучшим вариантом является
совпадение баз.
з. простановка размеров на чертежах деталей
Чертежные правила простановки размеров известны из учеб-
ной литературы по техническому черчению.
Простановка размеров на рабочих чертежах деталей должна
согласовываться с характером и точностью сопряжения данной
детали с другими деталями конструкции.
Размеры должны быть .проставлены таким образом, чтобы в пер-
вую очередь обеспечивались конструктивно-сборочные требования
при наименьшей точности выдерживания размеров. Одновременно,
но не в ущерб конструктивно-сборочным требованиям, простановка
размеров должна являться фактором повышения технологичности
обработки и измерения деталей. Идеальным случаем можно считать
такой, когда все размеры были бы проставлены от конструкторских
баз. Однако в большинстве случаев такая простановка размеров
оказывается невозможной. Кроме того, следует учитывать, что
фактическая точность зависит от расположения поверхностей,
являющихся базирующими при изготовлении деталей, т. е. от
технологических баз.
Необходимо следовать известному правилу простановки разме-
ров в чертежах: проставлять точные размеры, влияющие на работу
механизма, непосредственно от конструкторских баз детали и по
кратчайшим размерным цепям (см. гл. 4).
При этом необходимо стремиться к тому, чтобы одна из кон-
структорских баз могла служить в качестве технологической базы
при изготовлении детали.
Если ни одна из конструкторских баз детали, связанных
между собой точными размерами, входящими в размерные цепи, не
может быть использована в качестве технологической базы, то
58
конструкция детали должна быть изменена с учетом возможности
выполнения точных размеров детали от технологических баз,
а размеры должны быть пересчитаны методами расчета размерных
цепей (см. гл. 4).
Простановка размеров, не входящих в расчетные размерные
цепи (так называемых свободных размеров), должна осуществ-
ляться от технологических баз, обеспечивающих удобство обра-
ботки и замера деталей.
Таким образом, конструктор должен в общих чертах представ-
лять себе технологию изготовления будущей детали, так как про-
становка размеров от технологических баз непосредственно за-
висит от технологического процесса изготовления детали.
Изменение технологии изготовления детали (например, перевод
на литье под давлением, штамповку и т. д. деталей, ранее изготов-
ляемых на токарно-фрезерном оборудовании) неизбежно приводит
к переработке и изменению чертежа детали. Создание чертежей,
неизменных при изменении технологии, в большинстве случаев
оказывается невозможным.
4. значение рациональной простановки размеров
Значение рациональной простановки размеров весьма велико.
При нерациональной простановке размеров вследствие суммирова-
ния допусков на изготовление деталей (см. гл. 4) отдельные их
элементы получают значительные отклонения от заданного номи-
нального положения. В таких случаях для обеспечения необходи-
мого взаимного сопряжения деталей требуется индивидуальная
пригонка, применение селективного метода сборки, необходимость
регулирования размеров либо высокая точность исполнения
сопряженных линейных размеров. Эти мероприятия связаны с не-
избежным повышением трудоемкости и стоимости производства,
а также со снижением взаимозаменяемости как при сборке, так и
при эксплуатации приборов.
Для иллюстрации приведем несколько примеров.
На рис. 16 показаны два варианта простановки размеров на
участке ступенчатого вала. В первом варианте (рис. 16, а) все
размеры даны «цепочкой». В этом случае точность расположения
торцов каждой ступени относительно торца Т последовательно
снижается, так как допуски на линейные размеры суммируются.
Наибольшее отклонение имеет расстояние от торца Т до оси отвер-
стия под шплинт на резьбовом хвостовике вала. Во втором ва-
рианте (рис. 16, б) каждый размер задан самостоятельно от торца
Т. В этом случае расстояние от торца Т до отверстия может быть
выдержано значительно точнее. Торец Т служит измерительной
базой при обработке вала. Он же является сборочной и конструк-
торской базой для деталей, насаживаемых на этот вал.
Для обеспечения возможности шплинтования гайки при проста-
новке размеров по первому варианту потребовалось бы ужесточить
допуски на линейные размеры, составляющие размерную цепь.
59
Рис. 16. Два варианта размеров
на участке ступенчатого вала,:
а — цепочкой; б — от базового тор-
ца Т
Рис. 17. Примеры простав-
ления линейных размеров:
а — цепочкой; б — от одной
. базы; в — комбинированный
Таким образом, для данного случая не следует давать размеры
«цепочкой». Однако это нельзя считать общим правилом, как
иногда ошибочно полагают, так как заданием всех линейных
размеров детали от одной базовой поверхности не всегда можно
удовлетворить все конструктивно-сборочные требования. Напри-
мер, деталь, изображенная на рис. 17, имеет ряд кольцевых про-
точек. При простановке размеров «цепочкой» согласно первому
варианту (рис. 17, а) ширина каждой проточки выполняется точ-
нее, так как задана непосредственно прямым размером, однако
точность расположения проточек последовательно уменьшается.
При простановке размеров согласно второму варианту (рис.
17, б) обеспечивается наибольшая точность расположения про-
точек, однако ширина каждой проточки определяется как разность
двух размеров и может колебаться в пределах суммы допусков на
эти размеры.
При третьем варианте простановки размеров (рис. 17, <?)
выдерживаются точно как ширина, так и положение проточек.
В симметричных деталях без отметки измерительной базы
размеры должны проставляться так, чтобы деталь можно было
изготовлять и измерять с любой стороны. На рис. 18 показаны
схемы простановки размеров на чертеже симметричного ступенча-
того валика. При простановке размеров по схеме, приведенной на
рис. 18, а особенно в сложных деталях, оценить соответствие де-
тали чертежу невозможно. На рис. 18, б показана одна из пра-
вильных схем простановки размеров. Если конструктивным
60
Разность размеров Я с обеих сторон не более Ot 1мм.
Рис. 18. Примеры простановки линейных размеров
размером является размер 5, следует применять схему, приведен-
ную на рис. 18, в.
Схема простановки размеров, определяющих положение сим-
метрично расположенных одной или нескольких поверхностей
(отверстий, выступов и т. п.) у симметричных деталей, показана на
рис. 19, причем нанесение размеров по схеме, приведенной на
рис. 19, а, б, рекомендуется для чертежей деталей серийного
производства, а по схеме, приведенной на рис. 19, в, г, — для
чертежей деталей единичного производства.
Размеры нескольких одинаковых элементов детали, как пра-
вило, наносят один раз с указанием на полке линии — выноски
числа этих элементов (рис. 20, а). Допускается указывать число
одинаковых элементов, как показано на рис. 20, б.
При нанесении размеров элементов, равномерно расположен-
ных по окружности детали, например отверстий, вместо угловых
размеров, определяющих взаимное расположение элементов, ука-
зывают только их число (рис. 21).
При нанесении размеров, определяющих расстояния между
равномерно расположенными одинаковыми элементами детали
(например, отверстиями), рекомендуется вместо всех размеров
наносить размер между соседними элементами и размер между
крайними элементами в виде произведения числа промежутков
между элементами на размер промежутка (рис. 22, а).
Рис. 19. Примеры^простановки размеров на расположение отверстий
61
Рис. 20. Примеры обозначения размеров
на отверстия в круглых деталях
Рис. 21. Примеры обозначения
размеров на отверстия в круглых
деталях
При большом числе размеров, нанесенных от общей базы,
допускается проставлять линейные и угловые размеры, как пока-
зано на рис. 22, б.
Предельные отклонения угловых размеров указывают только
числовыми величинами (рис. 22, в).
Перед размерным числом, характеризующим конусность, нано-
сят знак д, острый угол которого должен быть направлен в сто-
рону вершины конуса (рис. 22, а).
Особенности простановки размеров на чертежах деталей,
изготовляемых методом литья, штамповки и т. п. Рассмотрим
особенности простановки линейных размеров деталей, имеющих
необработанные поверхности, получаемые литьем, ковкой и дру-
гими видами заготовительных операций.

Рис. 22. Примеры простановки
угловых и линейных размеров
62
в)
В)
а)
Рис. 23. Схемы простановки размеров
в чертежах деталей, имеющих необрабо-
танные поверхности
На рис. 23 ""показана де-
таль, заготовка которой вы-
полнена литьем в землю.
Обрабатываются только оба
торца ступицы 7\ и Т2 и по-
садочная плоскость фланца
П. На рис. 23 приведены
три варианта простановки
размеров.
По первому варианту
(рис. 23, а) все размеры за-
даны от обработанного торца
ступицы Та. Размеры зада-
ны неправильно, так как
они не могут быть непосред-
ственно выдержаны при изго-
товлении детали. Литейные
поверхности получают свое
окончательное положение от-
носительно друг друга во
время отливки, когда обработанного торца Т2 еще не сущест-
вует. Во втором варианте (рис. 23, б) допущена еще более грубая
ошибка. Литейные поверхности заданы не от одной, а от разных
обработанных поверхностей.
Правильная простановка размеров представлена третьим ва-
риантом (рис. 23, в). Здесь все литейные поверхности связаны
между собой. При этом базовой поверхностью является необраба-
тываемая поверхность фланца А. Базой для задания размеров обра-
батываемых поверхностей служит левый торец ступицы 7\, от
которого заданы размеры /х и Z2. Система размеров, определяющих
литейные поверхности, связана с системой размеров обрабатывае-
мых поверхностей только одним размером /х.
5. ВЫБОР ДОПУСКОВ И ПОСАДОК
Выбор допусков и посадок оказывает существенное влияние на
основные технико-экономические показатели оптико-механических
приборов. Допуски и посадки определяют точность работы сопря-
жений, их надежность и стабильность при эксплуатации. Ужесто-
чение (уменьшение) допусков на изготовление деталей приводит
к повышению стоимости деталей и прибора в целом. Конструктор
должен стремиться к назначению наиболее целесообразного,
оптимального допуска.
Оптимальным допуском можно считать наибольший допуск, при
котором деталь или соединение может работать нормально. Дру-
гими словами, если нет технической и эксплуатационной необходи-
мости уменьшения допуска, то не следует этого делать, так как
технические показатели прибора от этого не улучшатся, а затраты
производства неоправданно^возрастут.
63
Сравнение Квалитетов ЕСДП СЭВ и
Число единиц допуска — 1 1,41 2 __ __ —
Квалитеты ИСО и СЭВ __ 01 0 1 2 3 4
Классы точ- ности ОСТ отверстие 02 03 04Б 05 06 07 08
вал 02 03 04 05 06 07 08
Назначение квалитетов и клас- сов точности Для концевых мер длины Для калибров и особо точных размеров
В табл. 2 дано сравнение квалитетов ИСО и классов точности
ОСТ.
Как видно из табл. 2, квалитеты точности 01; 0 и 1 предназна-
чены для концевых мер длины; квалитеты со 2-го по 4-й — для
калибров и особо точных изделий; для сопрягаемых размеров —
квалитеты с 5-го по 13-й, а квалитеты с 14-го по 17-й — для не-
сопрягаемых размеров.
Поэтому в сопряжениях 5-й квалитет точности для вала и
6-й квалитет для отверстия (класс точности 1) следует назначать
в исключительных случаях для особо ответственных точных соеди-
нений.
7-й и 8-й квалитеты назначают для точных соединений; 9-й и
10-й квалитеты — для соединений средней точности, а 11-й,
12-й и 13-й — для малоточных и грубых соединений.
Свободные (несопрягаемые) размеры, не влияющие непосред-
ственно на характер соединения и не входящие в размерные цепи,
выполняют, как правило, по 14-му и 15-му квалитетам (7-й и 8-й
классы точности ОСТ), а в точном приборостроении — по 12-му
квалитету (5-й класс точности).
Обозначение посадки на чертеже состоит из номинального
размера для обоих соединяемых элементов (отверстия и вала),
обозначаемого числом, за которым следует буквенное обозначение
основного отклонения и цифровое обозначение номера квалитета
точности сначала для отверстия, а затем для вала, например,
20 H%ld9, или 20 7/8 — d9, или 20 По обозначению посадки
легко определить, в какой системе она выполнена, так как основное
отверстие обозначается буквой Н, а основной вал — буквой h.
В приведенном примере обозначения посадка выполнена в системе
отверстия 7/8. Та же посадка в системе вала будет обозначена
20 О9//г8.
Так как в ЕСДП СЭВ поля допусков образуют сочетанием
любого из основных отклонений с допуском по любому из квали-
64
Таблица 2
классов точности ОСТ
7 10 16 25 30 40 64 100 160 200 250 400 640 1000 1600
5 6 7 8 — 9 10 И 12 — 13 14 15 16 17
09 1 2 2а 3 — За 4 — 5 — 7 8 9 10
1 2 2а — 3 — За 4 — 5 — 7 8 9 10
Для сопрягаемых размеров. Содержат посадки Для несопрягаемых и неответственных разме- ров и припусков
тетов, обеспечиваются широкие возможности для образования
большого числа полей допусков (490 для валов и 489 для отвер-
стий), а следовательно, большого разнообразия различных по-
садок.
Однако применение всех полей допусков было бы неэкономич-
ным. Для упорядочения выбора допусков и посадок, сокращения
номенклатуры инструмента и оснастки стандартами СЭВ установ-
лен ограничительный отбор полей допусков валов и отверстий для
различных интервалов размеров (СТ СЭВ 144—75 и СТ СЭВ
177—75).
При выборе посадок учитывают требуемую степень подвижности
или неподвижности соединения деталей и точности сопряжения.
Посадки с зазором обеспечивают гарантированный зазор, кроме
посадки, наименьший зазор при которой равен нулю. Посадки
с натягом обеспечивают гарантированный натяг и неподвижность
соединения без дополнительного крепления. Переходные посадки
не обеспечивают гарантированного натяга и для сохранения непод-
вижности соединения требуют дополнительного крепления (вин-
тами, штифтами, шпонками и т. д.).
При выборе посадок с натягом производится расчет сопряжения
на прочность. Расчет таких соединений отличается сложностью и
малой точностью из-за многих допущений и приближенных значе-
ний ряда характеристик материалов (модулей упругости, коэффи-
циентов Пуассона и др.), поэтому соединения с натягом после
расчета обязательно проверяют экспериментально в условиях,
близких к эксплуатационным. Расчет соединений с натягом приво-
дится в справочной и учебной литературе по основам взаимозаме-
няемости [2].
Общие рекомендации по выбору полей допусков для типовых
соединений деталей приведены в табл. 3.
Рекомендации для конкретных видов соединений даны в после-
дующих главах и в справочной литературе [91.
3 Плотников В. С. и др.
65
Таблица 3
Общие рекомендации по выбору посадок
Посадки по ОСТ Рекомендуемые замены по СТ СЭВ 144 — 75 Характеристики и применение
Пр гб; s6 Применяется для соединений с обеспеченной не-
Пр\3 Пр?ж л'8; и8 ц8 подвижностью без дополнительного крепления Разборка соединения недопустима, так как при
вторичной запрессовке прежняя его прочность не может быть получена Посадку /7Р1з следует применять при запрессовке в детали из материалов менее прочных, чем сталь (например силумин, дюралюминий). Запрессовку, особенно при больших размерах сопряжении, реко- мендуется производить при нагреве охватывающей детали
Г за nl Применяется в случае недопустимости деформа-
т тб цнн детален при запрессовке; при посадке зубча- тых колес и других деталей на валики с дополни- тельным креплением на шпонке или штифте; при посадке наружных колец шарикоподшипников
н k 6 Весьма часто применяется для плотных соеди- нений. Сборка и разборка таких соединений осу- ществляется без значительных усилий с помощью ручного молотка (посадка зубчатых колец, муфт,, поводков и других деталей, требующих центрировки с дополнительным креплением)
п J's6 (У'6) Широко применяется для посадки внутренних колец, шарикоподшипников и для тех же деталей, что и с напряженной посадкой, но с меньшей точ- ностью центрировки п с обеспечением легкой раз- борки
с йб Применяется для соединений, требующих легкой сборки, некоторой подвижности при минимальных зазорах
д £б Применяется для медленного движения детален с точным направлением
X fl Применяется для вращающихся детален, передви- гающихся с умеренной скоростью
С3 /г.8 Применяется для деталей, медленно перемещаю- щихся, с невысокой скоростью
Х3 1 Применяется для легкого вращения деталей не- высокой точности; для посадки отрицательных линз склеенной пары или отдельных линз, сеток в оправы
Ш3 d9 Применяется для посадки положительных линз склеенного блока в оправу
Ci fell Применяются для участков деталей, не требу-
С5 h!2 ющих точного изготовления, размеры которых входят в размерные цепи
66
П родолжение табл. 3
Посадки по ОСТ Рекомендуемые замены по СТ СЭВ 144 — 75 Характеристики и применение
Xi dll Применяется для соединений, в которых требуется
зазор для регулировки
Х5 612 То же
Jli 611, сП »
Примечания. Поля допусков предпочтительного применения подчеркнуты
(в соответствии с СТП).
6. УКАЗАНИЕ НА ЧЕРТЕЖАХ ПРЕДЕЛЬНЫХ ОТКЛОНЕНИЙ
ФОРМЫ И РАСПОЛОЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Предельные отклонения формы и расположения поверхностей
деталей указывают на чертежах посредством условных обозначе-
ний или текстом в технических требованиях (СТ СЭВ 368—76).
В табл. 4 приведены условные обозначения отклонений формы и
расположения поверхностей. Условное обозначение содержит
7/|&7г/ш|д|

А
Не пл о с ко стн о ст ь
поверхности. А не
Холее 0,02 ММ
*)
3)
Рис. 24. Обозначения на чертежах, допусков формы и расположения поверхностей
Таблица 4
Обозначение отклонений формы и расположения
поверхностей на чертежах
Отклонения формы Знак Отклонения взаим- ного расположения поверхностей Знак
Отклонения: • Отклонения:
от плоскост- Z / от параллель- //
ности ности
ОТ ПрЯМОЛИ- от перпепдику-
нейности лярности I
от цилиндрич- ности а от соосности ©
от круглости Q) от пересечения осей X
Отклонение про- филя продольного сечения (цилпнд- — от симметрично- сти
рической поверх- ности) отклонение на- клона
Допуск радиально- го или торцового бие- /
НИЯ
Полное радиальное (торцовое) биение £
знак, числовое значение (рис. 24, а), а при необходимости —
буквенное обозначение базы измерения (рис. 24, б). Эти данные
вписываются в рамку, разделенную на две или три части. Рамку
соединяют с контурной или выносной линией, к которой относится
допуск, прямой или ломаной линией, заканчивающейся стрелкой
(рис. 24, в). Базы обычно обозначают зачерненными треугольни-
ками (рис. 24, и, д).
Зависимые допуски расположения и формы обозначают услов-
ным знаком М, который помещают в рамке вместе с допуском или
базой (рис. 24, s). Пример обозначения суммарного допуска дан
на рис. 24, е. Допуски могут относиться к ограниченной длине
(рис. 24, а). Отклонения формы и расположения поверхности до-
пускается указывать текстом в технических требованиях
(рис. 24, ж).
Если в чертеже отклонения формы поверхностей не ограничи-
ваются и не оговариваются, то по своим величинам эти отклонения
должны находиться в пределах допуска на размер (за исключением
посадочных мест для подшипников качения).
Если требования к отклонению формы и расположения поверх-
ностей превышают требования к отклонению размера, то они обоз-
начаются условными знаками или текстом, как указано на рис. 24.
68
7. УКАЗАНИЕ НА ЧЕРТЕЖАХ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Обозначения шероховатости поверхностей регламентировано
ГОСТ 2.309—73 (СТ СЭВ 1632—79).
Шероховатости поверхностей деталей из металлов, пластмасс
и других материалов, кроме ворсистых (фетр и пр.), указывают на
чертежах численными значениями параметров Ra, Rz, Sm и др.,
которые надписывают над одним из знаков, соответствующих
способу обработки: \/ у/у/
Знаком у/ обозначают шероховатость поверхности, метод
получения которой не устанавливается.
Знаком обозначают шероховатость поверхности, полу-
чаемой удалением материала (точение, фрезерование, травление
и т. п.). Знаком обозначают шероховатость не подлежащих
обработке поверхностей применяемого для изготовления детали
сортового материала. Этот же знак применяют для обозначения
поверхности, получаемой без удаления материала, например
литьем, ковкой, объемной штамповкой и др. В этом случае знак
сопровождается указанием числовых значений параметров, на-
пример 2\/s (%а не более 20 мкм на базовой длине 0,8 мм).
Знак служит для размещения над его полкой дополнительных
сведений и указаний, например вида обработки поверхности.
Числовое значение параметра Ra указывают без символа, напри-
мер J^/ , остальные параметры указывают вместе с их символом,
например Rz . Если необходимо кроме наибольшего значения
параметра шероховатости ограничить его наименьшую величину,
ее указывают под наибольшим значением, например о,го/ (пара-
метр Ra должен находиться в пределах 0,20—0,40 мкм). Поверх-
ности, шероховатость которых не нормируется, не обозначают.
Если для всех поверхностей детали устанавливают одни и те же
требования к шероховатости, то в правом верхнем углу чертежа
ставят общий знак шероховатости, например Rz
Если поверхности одной и той же шероховатости преобладают,
ее обозначения наносят в правом верхнем углу чертежа, например
RZ\/(y)- Такое обозначение не допускается, если имеются
поверхности с ненормированной шероховатостью.
При выборе шероховатости поверхности необходимо учитывать,
что с повышением требований к ее параметрам резко возрастает
трудоемкость обработки.
8. ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ МАТЕРИАЛА ДЕТАЛЕЙ
Выбор материала детали определяется требованиями к его
физико-механическим свойствам, технологическими и экономи-
ческими требованиями к изготовлению и работе детали. Физико-
механические свойства материала должны обеспечить дабрхр-
способность детали в заданных условиях при ее минималь-
ной массе и габаритах, т. е. обеспечить необходимую прочность,
жесткость, износоустойчивость, антикоррозионную стойкость
и т. п.
Технологические требования предусматривают возможность
изготовления детали из выбранного материала по технологии,
определенной чертежами (например, литьем, штамповкой, реза-
нием и т. п.).
Экономические требования относятся к стоимости и дефицит-
ности материала, а также к технологичности детали для данного
вида производства (см. п. 2 гл. 5).
При выборе материала деталей необходимо учитывать конкрет-
ные требования к ее работе в сопряжении и в сборочной единице,
условия работы и их изменения. Например, в п. 4 гл. 5 приведены
рекомендации по выбору материалов для деталей приборов, рабо-
тающих в тропическом климате.
Для изготовления деталей приборов применяют самые различ-
ные материалы — металлы, пластмассы, резину, ткани, оптиче-
ские стекла и др.
Черные металлы—стали и чугуны — применяют для деталей
с повышенными требованиями в отношении прочности и жесткости
при невысокой стоимости. Детали из черных металлов нуждаются
в антикоррозионной защите.
При небольших нагрузках применяют цветные металлы и
сплавы, обладающие антикоррозионностью, антифрикционностью,
а некоторые из них — относительно небольшой массой. Необхо-
димо учитывать, что применение цветных металлов и сплавов
повышает стоимость деталей.
Дешевыми материалами с весьма ценными свойствами являются
пластмассы. Они обладают мягкостью, тепло- и электроизоляцией,
фрикционностью или антифрикционностью, понижением шума при
работе прибора, стойкостью против действия агрессивных сред и
др. Детали из пластмасс с армированными металлическими встав-
ками могут быть изготовлены высокопроизводительными методами,
что в значительной степени снижает трудоемкость и себестоимость
приборов, изготовляемых в серийном и крупносерийном произ-
водстве. Однако детали из пластмасс менее прочны, обладают
меньшей жесткостью и износостойкостью, чем металлические, что
70
йеобходймо учитывать. Ё п. 4 гл. 5 было указано, что детали иЗ
пластмасс подвержены старению и изменяют свои механические
свойства и размеры во времени, а также набухают при повышенной
влажности.
Конкретные рекомендации по выбору материала деталей даны
далее в соответствующих разделах при рассмотрении конструкций
отдельных узлов и сопряжений.
9. ПОКРЫТИЯ ДЕТАЛЕЙ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Покрытия, наносимые на поверхности деталей, применяют для
защиты от коррозии и придания декоративного вида. В некоторых
случаях покрытия наносят для увеличения износостойкости дета-
лей, снижения коэффициента трения и придания других свойств.
Покрытия подразделяют на гальванические (металлические),
неметаллические, неорганические и лакокрасочные. Выбор того
или иного вида покрытия определяется требованиями к внешнему
виду детали, материалам, из которого она изготовлена, условиями
ее эксплуатации. При конструировании следует учитывать, что
после покрытия размеры детали, как правило, изменяются по
сравнению с ее размерами до нанесения покрытия.
Гальванические (металлические) покры-
тия получают нанесением на поверхность детали электрохими-
ческим путем тонкого слоя металла, как правило, стойкого к кор-
розии. Гальванические покрытия прочно сцепляются с основным
металлом детали, обладают хорошими защитными свойствами,
прочны и в большинстве своем придают изделию декоративный
вид. Гальванические покрытия могут быть однослойными и много-
слойными, т. е. состоящими из последовательно нанесенных слоев
различных металлов. К гальваническим покрытиям относят по-
крытие хромом, никелем, цинком, кадмием и другими металлами.
Для увеличения коррозионной стойкости некоторые виды покры-
тий подвергают дополнительной обработке — пассивированию,
т. е. пропитке в солях различных металлов.
Неметаллические неорганические по-
крытия подразделяют на анодно-окисные, окисные, фосфат-
ные, окисно-фосфатные.
Анодно-окисные покрытия применяют для алюминия и его
сплавов, титана и его сплавов, меди и ее сплавов. В зависимости от
технологического процесса и состава могут быть получены покры-
тия защитные, защитно-декоративные, износостойкие, электроизо-
ляционные. Разновидностью анодно-окисного покрытия является
непрозрачное эмалевое покрытие алюминия и его сплавов. По
внешнему виду оно напоминает стеклянное эмалевое покрытие,
обладает стойкостью к резким перепадам температур, повышенной
твердостью и износоустойчивостью.
Анодно-окисные покрытия на меди и ее сплавах, на титане
и его сплавах применяют для получения светопоглощающих
покрытий.
71
Окисные покрытия применяют для оксидирования (воронения)
стали (кроме литейных деталей, металлокерамики и сборочных
единиц), для деталей из алюминия, магния и их сплавов. Покрытие
характеризуется невысокими защитными свойствами и применя-
ется как светопоглощающее и в качестве грунта под лакокрасочное
покрытие.
Фосфатные покрытия алюминия и его сплавов применяют для
деталей, где необходимо сочетание защитных свойств с сохранением
токопроводимости. Однако фосфатное покрытие на стали обладает
высоким электрическим сопротивлением и применяется в качестве
грунта под лакокрасочные покрытия.
Окисно-фосфатные покрытия на стали по механическим свой-
ствам аналогичны окисным, а по защитным свойствам выше окис-
ных. Покрытие в отличие от окисных можно применять для деталей
из металлокерамики, литейных деталей и сборочных единиц,
имеющих поры, зазоры и глухие полости.
Гальванические и неметаллические неорганические покрытия
нельзя наносить на собранные узлы, состоящие из деталей, изго-
товленных из разнородных металлов, так как при этом происходит
разрушение одного из них. Не рекомендуется применение некото-
рых покрытий для сборочных единиц и деталей, изготовленных
сваркой, клепкой и пайкой, так как в зазоры и сварочные раковины
попадает электролит, который оттуда не вымывается и вызывает
коррозию.
Лакокрасочные покрытия хорошо защищают
детали и сборочные единицы от коррозии, имеют декоративный
вид, а также легко могут восстанавливаться. Лакокрасочные
покрытия получают холодной и горячей сушкой. Первые менее
стойки к воздействию внешних факторов — влаги, растворителей,
бензина или масла. Их рекомендуется применять в случаях, когда
нагрев детали или сборочной единицы до 120—160 °C при горячей
сушке может вызвать коробление детали.
тмрытия
Рис. 25. Обозначение на чертежах покрытий и термообработки
72
В соответствии со стандартами в обозначение гальванических,
химических и анодизационных покрытий входит слово «Покрытие»,
способ его нанесения (при этом наиболее распространенное галь-
ваническое покрытие не обозначается), вид покрытия или металлы,
из которых оно состоит, в порядке нанесения слоев, толщина каж-
дого слоя, вид поверхности (матовый, блестящий и т. д.) и допол-
нительная обработка. Например, блестящее гальваническое хромо-
вое покрытие толщиной 3 мкм с подслоем меди в 30 мкм и подслоем
никеля в 18 мкм обозначают «Покрытие М 30, Н 18, X 3. б». Анод-
ное оксидирование алюминиевого сплава с пассивированием
в хромпике с поверхностью, не подвергаемой дополнительной обра-
ботке, обозначают: «Ан. оке. хр.».
В обозначение лакокрасочного покрытия входит слово «Покры-
тие», материал покрытия (эмаль, лак), цвет, внешний вид (класс)
и условия эксплуатации. Например, окраска молотковой эмалью
в чертежах должна быть обозначена «Покрытие эмаль МЛ 165
серебристый, III, А».
Если на деталь наносят несколько покрытий, то их указывают
в чертежах в порядке нанесения. Когда покрытие наносят не на
все поверхности, то об этом делают оговорку, например: «Покрытие
Ан. оке. хр., снаружи эмаль НЦ 216 серебристый, III, Н; внутри
эмаль НЦ 216 черный, III, Н; поверхность А без лакокрасочного
покрытия».
На чертежах указания по покрытиям приводят в технических
требованиях (рис. 25, а). Марки материалов покрытий и их
обозначения выбирают из стандартов предприятий (СТП).
Для придания специальных свойств материалы деталей подвер-
гают термической обработке: закалке, отжигу, нормализации,
цементации, азотированию и т. д.
На чертежах деталей, подвергающихся термической обработке,
указывают показатели свойств материала, полученных после этого
вида обработки. К ним относят твердость HRC, HRB, HRA
(по Роквеллу), НВ (по Бринелю), HV (по Виккерсу), предел проч-
ности сгв и др. При необходимости указывают и глубину обработки
h. Как правило, твердость и глубину обработки указывают в пре-
делах «от ... до». Например, закалка токами высокой частоты
глубиной около 1 мм (от 0,8 до 1,2 мм) с твердостью, измеряемой
по Роквеллу (шкала С), будет обозначена: «ТВЧ, h 0,8 ... 1,2;
HRC 50 ... 55».
Показатели свойств материала наносят на поле чертежа
(рис. 25, а, б) или указывают в технических требованиях.
РАЗДЕЛ IV
Конструирование типовых
оптических узлов
Детали, изготовленные из оптического стекла или другого
прозрачного для оптического излучения материала и входящие
в оптическую схему прибора, называют оптическими деталями.
К ним относятся различного рода линзы, призмы, зеркала, защит-
ные стекла, светофильтры, шкалы, сетки и другие детали. В каче-
стве прозрачных материалов, кроме оптического стекла, могут
применяться прозрачные пластмассы (например, органическое
стекло), различные кристаллы — горный хрусталь, рубин, исланд-
ский шпат, поваренная соль и другие материалы. Большинство
кристаллов в настоящее время выращивается в специальных лабо-
раториях искусственным путем, благодаря чему обеспечивается их
высокая прозрачность и однородность химического состава. При-
меняется также плавленый кварц, который используется для
особо ответственных зеркал, защитных стекол и линз, подвер-
гающихся воздействию высоких температур. Большей частью для
удобства изготовления и сборки прибора оптические детали
группируют в оптические узлы.
Глава 10
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ТИПОВЫХ
ИЗДЕЛИЙ СО СФЕРИЧЕСКОЙ ОПТИКОЙ
1. ЛИНЗЫ. ИХ ТИПЫ И КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Напомним известное из курса прикладной оптики определение
линзы: линзами называют оптические детали, изготовленные из
оптического стекла или другого прозрачного материала и ограни-
ченные поверхностями вращения. В большинстве своем линзы
ограничены сферическими поверхностями, которые при радиусе
кривизны, равном бесконечности, превращаются в плоские.
Линзы, одна или обе поверхности которых ограничены вращением
эллипса, параболы или другой, более сложной кривой, называют
асферическими. Линзы, ограниченные цилиндрическими поверх-
ностями, называют цилиндрическими.
По своей форме линзы могут быть: двояковыпуклые, плоско-
выпуклые, вогнутовыпуклые, двояковогнутые, плосковогнутые и
74
выпукловогнутые (рис. 26). Первые три типа линз относятся к по-
ложительным или собирательным линзам, вторые — к отрицатель-
ным или рассеивающим. Линзы вогнутовыпуклые и выпукловогну-
тые называют менисками (рис. 26, поз. 3, 6).
По своему назначению линзы могут быть: телескопических
систем, фотографических объективов, объективов микроскопов,
окуляров и конденсоров, лупы и др. Линзы объективов микроско-
пов и фотообъективов относятся к деталям высокой точности (см.
рис. 30). На их конструктивные элементы задают жесткие допуски.
В большинстве своем их изготовляют с пересчетом на плавку
стекла. Линзы телескопических систем и окуляров относятся
к линзам средней точности, но в отдельных случаях к ним также
предъявляются требования, как к высокоточным линзам. Линзы
конденсоров и луп, как правило, относятся к линзам низкой
точности. Допуски на их конструктивные элементы задают широ-
кими, а на отдельные из них, такие, как показатель преломления и
другие требования к стеклу, допуски можно не задавать совсем.
Конструктивнее элементы линзы можно разделить на две
группы. Первая группа — это элементы, определяемые при рас-
чете оптической системы. Они определяют оптические свойства
линзы, ее форму и размеры. Сюда относятся марка оптического
стекла, определяющая его показатель преломления и другие его
свойства, радиусы кривизны гг и г2, световой диаметр Dlt толщина
линзы по оси d.
Ко второй группе конструктивных элементов линзы относят
ее полный диаметр D (рис. 27) и фаски т.
После выполнения габаритного расчета оптической системы и
выбора способов крепления линз определяют полный диаметр
каждой линзы. При этом в оптической системе крепление линз
в оправах может выполняться как завальцовкой, так и закрепи-
тельными кольцами одновременно.
Рис. 26. Формы линз:
а — положительные; 1 — двояко-
выпуклая; 2 — плосковыпуклая;
3 — вогнутовыпуклая; б — отрица-
тельные; 4 — двояковогнутая; 5 —
плосковогнутая; 6 — выпукловог-
нутая
Рис. 27. Конструктивные элемен-
ты линз:
D — полный диаметр; Di — свето-
вой диаметр; t — толщина по краю;
d — толщина по оси; и г2 — ра-
диусы кривизны; m — фаска; а —
угол фаски
75
Таблица 5
Зависимость диаметра линзы от ее светового диаметра
Световой диаметр , мм Наименьший диа- метр D, мм Световой диаметр Dlt мм Наименьший диа- метр D, мм
при креп- лении заваль- цовкой при креп- лении кольцом при креп- лении заваль- цовкой при креп- лении кольцом
До 6 Св. 6 до 10 » 10 » 18 » 18 » 30 » 30 » 50 » 50 » 80 О-£-|-0,6 014-0,8 Oj+1,0 Di+1,2 Dj+1,5 0^2,0 ОН-1,0 Ох+1,5 Dj+1,8 Dj+2,0 Dj+2,5 Св. 80 до 120 » 120 » 180 » 180 » 260 » 260 » 360 » 360 » 500 — Dx+3,0 £>1+4,0 Dx-j-5,0 Di+6,0 Oi+8,0
При креплении линзы в оправе завальцовкой величина при-
пуска на световой диаметр Dx меньше, чем прикреплении линзы
закрепительным кольцом. Связь между полным диаметром линзы
D и ее световым диаметром Dx в зависимости от способа крепления
приведена в табл. 5. Полученные расчетные значения полного и
светового диаметра линзы округляются до ближайшего большего
диаметра по стандарту предприятия или по ГОСТ 6636—69.
Допуски на наружный диаметр линзы назначают по ОСТ
3-2124—81 (табл. 6) в зависимости от требований на центрировку
линзы в оправе. Для линз, которые входят в состав склеенной
линзы и по которым центрировка не производится, допуски на
диаметр назначают по графе 4 табл. 6. Для линз фотообъективов,
оправы которых растачивают под линзу при сборке, допуск на
диаметр может быть назначен /9 (Х3) по средней точности, а для
линз, по которым центрировка не производится, допуск назначают
<?11 (Л4). Иногда в этом случае для больших линз применяют до-
пуск с12 (Х5).
Так как при расчете оптической системы вначале толщину
линз принимают равной нулю (бесконечно тонкая линза), то в про-
цессе дальнейшего расчета осуществляют переход от системы тон-
ких линз к реальной, во время которого определяют толщину
линз.
Толщина линзы по оси не должна быть слишком малой, так как
при изготовлении очень тонкие отрицательные линзы деформиру-
ются и тем самым не обеспечивается необходимая точность. У поло-
жительных линз тонкие края не позволяют дать необходимый
припуск на центрировку, сделать фаски, а при закреплении линзы
в оправе на них могут появиться выколки.
Толщина положительной линзы по оси и ее диаметр связаны
следующим соотношением:
4d+10/s==D, (22)
76
Таблица 6
Допуски на соединение круглых оптических деталей с оправами
Точность центри- ровки Допуски Примеры применения
Харак- теристика Допуск на цен- трировку, мм На диаметры оптических деталей На внутрен- ний диа- метр оправы
центри- рующих нецен- трирую- щих
2 3 4 5 6
Повы- шенная До 0,02 h 8 (С,) d9 (Ш3) 7/9 (Л3) Линзы микрообъ- ективов
g 6 (Д) dll (Х4) Н7 (Л) Линзы светосиль- ных фотообъективов
/7(Х) Точная оптика: линзы, сетки, шкалы
Средняя Св. 0,02 до 0,05 h 8 (С3) d9 (Ш3) Я9 Я8 Я9. (Л) Линзы окуляров
/9; е8 cl 1 (Л4) Оптика телескопи- ческих приборов, сет- ки, шкалы
Пони- женная Св. 0,05 dU (Х4) — ни (Л) Конденсорные лин- зы, светофильтры, плоские зеркала, за- щитные стекла
где d — толщина линзы по оси; t — толщина линзы по краю;
D — диаметр линзы.
При расчете толщины d положительной линзы ее толщину по
краю t выбирают в зависимости от диаметра по ОСТ 3-490—71
(табл. 7). В табл. 7 приведены минимальные значения толщины t.
Для линз, находящихся в условиях вибраций, тряски и других
внешних факторов, толщина t не должна быть менее 0,050.
Толщина по краю положительных линз
Таблица 7
Диаметр D, мм Толщина t, мм Диаметр D, мм Толщина t, мм
До 6 Св. 6 до 10 » 10 » 18 » 18 » 30 » 30 » 50 » 50 » 80 1,0 1.2 1,5 1,5 2,0 2,5 Св. 80 до 120 » 120 » 180 » 180 » 260 » 260 » 360 » 360 » 500 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0
77
Толщину d по оси отрицательной линзы выбирают по ОСТ
3-490—71 в зависимости от ее диаметра, формы и требований
к точности. Для двояковогнутых и плосковогнутых линз толщина d
составляет (0,15 н-0,08) D, для выпукловогнутых (0,12 н-0,08) D.
Меньшее значение коэффициента соответствует менее точным
линзам. Связь между толщинами по оси d и по краю t с диаметром
отрицательной линзы определяется выражением
Ш + Зг^П. (23)
Допуски на толщину линзы по оси d назначают с симметричным
расположением поля допуска для возможности перешлифовки
линзы в случае появления при ее обработке царапин, выходящих
за пределы, допускаемых классом чистоты оптической полирован-
ной поверхности Р.
Ряд допусков на толщину линзы по оси, установленный ОСТ
3-490—71, приведен в табл. 8. Для линз точных оптических систем
допуски определяются при аберрационном расчете и округляются
до ближайшего значения, приведенного в табл. 8.
После определения толщины линзы производят расчет радиусов реальной
линзы по полученным во время предварительного расчета радиусам тонкой линзы.
Перерасчет радиусов выполняют по следующим формулам (приводятся без вывода):
радиус первой поверхности:
5,-,
_ ft {п — I) d .
ПГ 2 ’
S -- S -р Srj j
Рг =
1
(24)
S
радиус второй поверхности:
S'H' =- -f
ni\
s = s'
Гг_____
S’H,
(25)
я2 =—
1-------7
S
где SH — отрезок от вершины первой поверхности до передней
главной плоскости; S'h> — отрезок от вершины второй поверхности
до задней главной плоскости; s — расстояние от предмета до вер-
шины линзы; s' — расстояние от вершины линзы до изображения;
s — расстояние от предмета до вершины тонкой линзы; s' — рас-
стояние от вершины тонкой линзы до изображения; п — показатель
преломления стекла линзы; f — фокусное расстояние линзы;
7?! и — радиусы первой и второй поверхностей линзы; /у
и г2 — радиусы первой и второй поверхностей тонкой линзы;
а — толщина линзы по оси.
78
Таблица 8
Допуски на толщины линз
Ряд допусков, мм
±0,01
±0,02 ±0,03 ±0,05 ±0,07 ±0,1
±0,2 ±0,3 ±0,5 ±0,7
± 1,0
Применение допусков
Типы линз Диаметр D, мм Допу- скаемое откло- нение Примечание
Линзы объективов и оборачивающих систем До 50 Св. 50 до 100 Св. 1'00 ±0,3 ±0,5 ±1,0 Для оптических си- стем повышенной точ- ности (фотообъективы, объективы микроско- пов, астрономические объективы и др.) до- пуски устанавливают расчетом и округляют до ближайшего значе- ния ряда допусков
Коллективы в фокаль- ных плоскостях, коллек- тивы окуляров Кельне- ра До 20 Св. 20 до 50 Св. 50 ±0,3 ±0,5 ±1,0
Прочие линзы окуля- ров, линзы окуляров микроскопов и лупы До Ю Св. 10 до 20 Св. 20 ±0,2 ±0,3 ±0,5
Полученные радиусы линз оптической системы и их толщины
уточняются аберрационным расчетом, после чего значения ра-
диусов кривизны линз округляются до ближайших значений
по ГОСТ 1807—75.
Фаски на линзах по своему назначению можно разделить на
три группы: технологические; для крепления завальцовкой;
конструктивные.
Технологические фаски снимают для того, чтобы удалить мел-
кие выколки, образовавшиеся по краям линзы при центрировке.
Кроме того, технологические фаски снимают для предохранения от
выколок, которые могут появиться во время установки линзы
в оправу.
При склеивании детали на склеиваемой стороне фаску снимают
меньших размеров, чем на несклеиваемой, так как она должна
обеспечить только снятие выколок, получившихся при изготовле-
нии линзы.
Ргл.у,’,!. уда деталей от ВЫКОЛОК И ДО-
пуски на них зависят от диаметра линзы (табл. 9).
Фаски не снимают со стороны выпуклой поверхности, если
отношение диаметра линзы к радиусу кривизны равно или больше
1,5.
Фаски, предназначенные для крепления завальцовкой, выпол-
няют значительно больших размеров, чем фаски технологические,
79
Таблица 9 Размеры фасок для предохранения от выколок Размеры фасок дл: Таблица 10 крепления о в кой
Диаметр де- тали D, мм
Несклеивае- мая сторона Диаметр дета- Склеивае- ли D, мм мая сторона Размер фаски т, мм
0,1+"г2 о,3+0,3 0,4+°-2 0,5+о,з 0,7+0,5 ! ,0+0,5
До 6 О,!*0.1 До 6 О-’40’1 Св. 6 до 10
Св. 6 до 10 » 10 » 18 » 18 » 30 0,1+1'.'2 0,2+°.3 о,з+°.3 » 18 » 30 п , + о » 30 » 50 » 50 » 80
Св. 30 до 50 » 50 » 80 0,3+°-4 0,4+о,5 так как они должны обес- 0,2+°с печить надежное креп-
Св. 80 до 120 Св. 120 0,5+о,б 0,7+°.8 ление линзы в Одновременно эг оправе, га фаска центри-

рующей.
Величины фасок для крепления линз завальцовкой зависят от
диаметра линзы и приведены в табл. 10.
Расположение фасок на линзе зависит от отношения диаметра
D к радиусу кривизны поверхности и определяется углом наклона
фаски к цилиндрической образующей линзы (см. рис. 27). Углы
наклона фаски на выпуклых поверхностях изменяются от 45 до
25°, на вогнутых — от 45 до 90°. Большие углы на вогнутых по-
верхностях объясняются тем, что на них имеется острый край,
который требует значительного притупления для предотвращения
выколок. На плоских поверхностях фаски снимают под углом 45°.
Угол наклона фаски в производстве не контролируется и обес-
печивается технологией изготовления.
Фаски при изготовлении могут быть получены различными методами. Прн
мелкосерийном производстве фаски снимают с помощью фасетировочиой пла-
стины или абразивной фрезой. В крупносерийном производстве фаски снимают
с помощью фасетировочиой чаши.
Радиус фасетировочиой чаши подбирают из выражения
D
(26)
где D — полный диаметр линзы; R — радиус поверхности, с которой снимается
фаска.
В выражении (26) знак минус под корнем берется в случае вогнутой поверх-
ности.
Конструктивные фаски снимают для удаления излишков стекла
в том случае, если разность между световыми диаметрами на пер-
вой и второй поверхностях линзы велика. Большей частью эти
фаски снимают со стороны вогнутой поверхности (рис. 28). Угол
80
такой фаски обычно назна-
чают 45°. Иногда, когда
нельзя снять много стекла
из-за сравнительно малой
толщины линзы по краю,
следует снимать двойную
фаску — плоскую и под углом
45°. При этом размеры фа-
сок подбирают таким обра-
зом, чтобы толщина линзы
по краю не была менее
0,05.0.
Рис. 28. Конструктивные’фаски на лин-
зах
В некоторых случаях угол конструктивной фаски может быть
и отличным от 45°. Величины его выбирают конструктивно.
2. ОФОРМЛЕНИЕ РАБОЧИХ ЧЕРТЕЖЕЙ ЛИНЗ
Рабочие чертежи линз выполняют по ГОСТ 2.412—68 ЕСКД.
На рабочих чертежах сферические положительные линзы вы-
черчивают без разреза (рис. 29), поэтому на изображении линзы
будут нанесены линии пересечения сферических и цилиндрической
поверхностей. Таким образом ГОСТ предусматривает отличие
сферической линзы от цилиндрической. Торец последней плоский
и на его изображении никаких линий не будет. Кроме того, перед
Рис. 29. Пример выполнения рабочего чертежа положительной линзы
81
9557,5
8±O,5 [g]
22$
25,9*
[ТП?77]/?|—*
/.* Размерь/ для справок
2*1Деи,ентрировка, поверхности^
при опоре на поверхности 5ив
не более 0,005мм
'д-просвети. 9-УР.УЗР 250 no
0CT3-ig0i-73,K б50±50нм
У. Покрытие матовых поверх-
ностей эмалью ХС-593
ТУ 6-10-1569-78
5. Значения толщины, фокусного
расстояния и положения
(фокусов линзы могут изме-
няться при пересчете на.
плавка стекла.
НЗМ.
Иривер.
Т контр?
И&Ч.бЮРО
Н.контр.
nucm
Пс/оТ
375^
Ыпр>-пс,)
00нородн~
Дв. лучепр.
£а
бебсвил'ьн.
Пузь!рность
~SNs
Pf,-
_?!>__
Мл
&Rs
ЛФл
СВ.Фб
36
38
3
2
»
16
55
/43
0,5
________3_
-115,60
114,97
-121,19
85,0
1/2,2
969-XXXXXX 002
Ф101
Линза.
пит. Масса MaciumaS
0,8 //
лист j ластов /

Рис. 30. Пример выполнения рабочего чертежа отрицательной линзы
размерным числом радиуса пишут слово «цилиндр», например:
«цилиндр R20».
Отрицательные сферические линзы на рабочих чертежах изобра-
жают в разрезе (рис. 30) с тем, чтобы имелась возможность про-
ставить размеры всех ее элементов. Цилиндрические отрицательные
линзы изображают на рабочих чертежах без разреза, так как на
виде с торца могут быть показаны размеры всех ее элементов за
исключением длины. В связи с этим на чертежах цилиндрических
линз как отрицательных, так и положительных необходимо
давать вторую проекцию.
Мениски как положительные, так и отрицательные вычерчи-
вают на рабочих чертежах в разрезе.
Рабочие поверхности линзы на чертеже обозначают прописными
буквами русского алфавита, которые располагают на полках ли-
ний выносок, заканчивающихся стрелками.
На рабочем чертеже линзы должны быть проставлены все
размеры, необходимые для изготовления линзы. Так как на вы-
пуклых поверхностях фаски, как правило, не изображают, размер
фаски должен быть оговорен в технических требованиях по типу:
«фаски на поверхностях А и Б 0,5+°'ъх45°» или «фаски на поверх-
ности А (?,5+°'3х 45°, на поверхности Б 0,/+0’2х30°».
На чертеже необходимо указывать в качестве справочного
размера толщину линзы по краю.
82
Если линза по данному чертежу изготовляется окончательно,
то на изображении поверхностей условными знаками по ГОСТ
2.412—68 показывают виды покрытий (табл. И), а в технических
требованиях указывают способ получения покрытия и наносимые
вещества по ОСТ 3-1901—73. Кроме того, в технических требова-
ниях указывают покрытия лаками или эмалями, наносимые на
нерабочую поверхность линзы.
Если линза подвергается склеиванию, то, как правило, покры-
тия на нее не наносят и в чертеже линзы их не указывают. Исклю-
чением является склеиваемая поверхность, на которую при
необходимости наносят покрытие, например фильтровый слой.
В этом случае на чертеже указывают все требования к наносимому
покрытию.
С правой стороны поля чертежа помещают таблицу, в первой
части которой оговаривают требования к стеклу — допуски на
показатель преломления Дпе, дисперсию Л (пр, —Пс), пузыр-
ность и другие величины, оговоренные в стандартах и технических
условиях на стекло. Во второй части таблицы помещают требова-
Таблица 11
Обозначение специальных оптических покрытий на чертежах
по ГОСТ 2.412—68
Типы покрытий Сокращенные наименования Условные графиче- ские изо- бражения
Отражающие непрозрачные покры-
тия (зеркала):
внешнее Зеркал ьн.
заднее Зеркальн.
Светоделительные покрытия (полу- Светоделит.
прозрачные зеркала)
Просветляющие покрытия Просвета.
Покрытия-фильтры Фильтр.
Защитные прозрачные покрытия Защити.
Токопроводящие покрытия (обогре- Токопров. или Обо-
вающие и др.) грев.
Поляризующие покрытия Поляриз.
83
нйя к центрировке с, указывают допуски на изготовление сфери-
ческих поверхностей, выраженные в кольцах Ньютона N при
проверке пробным стеклом, отступления от сферичности поверх-
ности A7V — в долях колец N, чистоту оптических полированных
поверхностей Р.
В третьей части таблицы указывают расчетные данные — фо-
кусное расстояние положение переднего Sf и заднего S'f'
главных фокусов.
При необходимости в технических требованиях, записываемых
на поле чертежа, указывают сведения, которые не могут быть
изображены графически или записаны в таблице с требованиями
к стеклу и детали. Например, дают дополнительные требования
к чистоте оптических полированных поверхностей Р, пузырности,
приводят сведения о необходимости пересчета параметров линзы
в зависимости от плавки оптического стекла.
1. Клеить 0К72.ФТ5 по ОСТ3-3/58-75
2*ДецрнтрироВка при. опоре на поверхности. А и Г',
поверхность 6 не волее 0,05мм, поверхность В не
волее 0,005 мм
3. Ол а~ просветл. ТЗК. 12К по ОСТ 3-1901-73
Л = 580 ± 50 нм.
9: Покрытие матовых поверхностей, кроме поверх-
ности Д, эмалью ХС-59-3 ТУв-10-1569-78
5. Толщина линзы может изменяться в зависимости
от пересчета на плавки стекла
тХХХХХХОШВ
PtLlpdl.
npoSep.
Т, контр.
ПаЗп.
Дата
Ланза.
Сборочный, чертеж
Хзн.

И контр.
УтВеЫил
Рис. 31. Пример выполнения рабочего чертежа склеенной линзы
84
Основным документом на склеенную линзу является специфи-
кация. В спецификации в раздел «Документация» записывают сбо-
рочный чертеж и, при наличии, другие документы — инструкцию,
расчет, технические условия, в раздел «Детали» записывают все
чертежи простых линз, входящих в склеенную линзу.
Склеенную линзу изображают на сборочном чертеже в разрезе
(рис. 31). От изображения каждой простой линзы на чертеже вы-
носят номера позиций, под которыми они записаны в специфика-
ции. На поле чертежа помещают технические требования, в кото-
рых указывают марку клея, и приводят, если это необходимо,
требования к клеевому соединению. На полированных поверх-
ностях склеенной линзы условными знаками показывают виды
покрытий, а в технических требованиях указывают по ОСТ
3-1901—73 способ нанесения и вид наносимого материала. Для
неполированных поверхностей склеенной линзы указывают марку
эмали (или лака), которая должна быть нанесена.
В правом углу чертежа склеенной линзы помещают таблицу,
в которой приводят необходимые данные для изготовления и
расчетные данные (см. рис. 31).
Если после склейки необходимы обработка, проверка какого-
либо параметра склеенной линзы и т. п., то об этом записывают
в технических требованиях, помещаемых на сборочном чертеже.
Последовательность записи технических требований должна вы-
полняться в соответствии с ГОСТ 2.316—68 и ГОСТ 2.412—68.
3. СПОСОБЫ КРЕПЛЕНИЯ ЛИНЗ
Выбор способа крепления линзы (простой или склеенной)
зависит от требований к прибору, в котором эта линза применяется,
а также от размеров линзы. Крепление линзы должно быть надеж-
ным, без возможности смещения ее под действием механических
нагрузок и в то же время не вызывать деформаций и разрушение
при колебаниях температуры от крайней отрицательной до край-
ней положительной, заданных на прибор.
Крепление линзы можно осуществлять различными способами.
Наиболее часто применяют крепление завальцовкой, резьбовым
кольцом, резьбовым и промежуточным кольцами, резьбовым и
пружинным кольцами. Значительно реже применяют крепление
линз проволочным кольцом, лапками, планками и приклеиванием.
В одном и том же оптическом приборе или сборочной единице
(например, объективе) могут применяться различные способы
крепления линз, например кольцами и завальцовкой. Выбор
способа крепления линзы зависит от следующих факторов: назна-
чения прибора и условий его эксплуатации, размеров линз, вели-
чины воздушных промежутков и зазоров по краю между ними,
требований к качеству изображения.
Крепление завальцовкой надежно для линз диаметром до
80 мм в приборах, работающих при воздействии значительных
85
механических нагрузок — вибрационных, ударных, линейных,
при колебаниях температуры в диапазоне 100—120 °C.
Крепления резьбовым, резьбовым и промежуточным кольцами
обладают теми же достоинствами, что и крепление завальцовкой, и
применяются для линз диаметром свыше 10 мм.
Крепление резьбовыми и пружинным кольцами применяется
для линз диаметром свыше 50 мм в приборах, работающих в широ-
ком диапазоне температур. Механическая надежность его доста-
точно высокая, но все же ниже, чем у первых способов крепления.
Крепление пружинным и резьбовым кольцами вызывает наимень-
шие из описанных способов натяжения в стекле линзы и поэтому
обеспечивает высокое качество изображения.
Крепление линз лапками и пружинными планками применяют
в случаях, когда нет места для размещения закрепительных колец,
а крепление завальцовкой невозможно из-за габаритных размеров
линзы или по другим причинам. Эти виды крепления линзы
требуют значительного увеличения оправы по диаметру для раз-
мещения крепежных деталей.
Крепление приклеиванием применяют в основном для мало-
габаритных линз (до 5—6 мм в диаметре). Такое крепление не
всегда надежно при высокой температуре и повышенной влаж-
ности.
Крепление линз проволочным кольцом применяют только для
малоответственных оптических узлов, например конденсоров лю-
бительских фотоувеличителей. Оно не обеспечивает хорошей
центрировки линз и герметизации узла из-за наличия люфтов.
4. КРЕПЛЕНИЕ ЛИНЗ ЗАВАЛЬЦОВКОЙ
Крепление завальцовкой (рис. 32) производят с помощью спе-
циального инструмента — грабштихеля на токарном станке,
в шпиндель которого вставляют оправу с завальцовываемой лин-
зой. Тонкий край металлической оправы во время вращения
шпинделя станка грабштихелем загибается на фаску линзы. Тол-
щина развальцовываемого края оправы колеблется от 0,2 до
0,4 мм и выбирается в зависимости от полного диаметра D линзы.
При креплении завальцовкой край металлической оправы плотно
охватывает фаску линзы по всей окружности, но благодаря тому,
что край оправы тонок, он не вызывает заметных деформаций
даже у тонких отрицательных линз, особенно отрицательных
менисков.
Крепление завальцовкой применяют: 1) для линз диаметром
6 мм и менее; 2) для линз диаметром от 6 до 50 мм, когда требуется
надежность крепления и отсутствует место для размещения
резьбового кольца; 3) для линз диаметром от 50 до 80 мм при
отсутствии места для размещения резьбового кольца. В исключи-
тельных случаях крепление завальцовкой применяют и для линз
диаметром до 120 мм при отсутствии места для резьбового кольца.
86
Конструкция оправы для
крепления линзы завальцовкой
(рис. 33) определяется назна-
чением прибора или оптиче-
ского блока, в котором она
используется, а также местом
ее расположения (снаружи или
внутри блока) и технологией
сборки. Внутренний диаметр
оправы под линзу равен по
номинальному размеру полному
диаметру линзы и выполняет-
ся с допуском по ОСТ 2124—
81 (см. табл. 6). Для линз диа-
метром до 20 мм рекомендуется
Рис. 32. Крепление линз завальцовкой:
а ~ склеенной линзы (объектив телескопи-
ческой системы); б — одиночной линзы;
в — системы линз с промежуточными коль-
цами
применять допуск Я9. В опти-
ческих системах высокой точности (объективы фотоаппаратов
различного назначения и др.) внутренний диаметр оправы раста-
чивают по линзе при сборке объектива. Для выполнения расточки
внутренний диаметр оправы делают на 1—2 мм меньше диаметра
линзы и выполняют его с допуском Я12 (Л6), а для линз боль-
шого диаметра (свыше 100 мм) —с допуском ЯН (Л4). Световой
диаметр оправы
ZJ2 = Di + 0,2 мм,
(27)
где Я4— световой диаметр линзы.
Полученное значение Ь2 обычно округляют до ближайшего
нормального размера, но с таким расчетом, чтобы округленное
значение О, отличалось от значения, полученного по формуле
(27), не более чем на 0,3—0,4 мм. Допуск на световой диаметр
назначают ЯП (Л4).
Рис. 33. Конструкция оправ для крепления линз завальцовкой:
а, б —с центрировкой, на резьбе; в—с центрирующим пояском перед резьбой; г —с цен-
трирующим пояском после резьбы; д — методом автоколлимацин
67
Толщину b края оправы, предназначенного для завальцовки,
рассчитывают таким образом, чтобы с учетом допусков он был не
менее 0,2 мм для линз диаметром до 18—20 мм и 0,4 мм для линз
большего диаметра. Если толщина b края оправы получится
больше указанных размеров, то при завальцовке ее подрежут до
нужной толщины обратной стороной грабштихеля. Длина I края
под завальцовку должна быть 1,2—2,5 мм в зависимости от диа-
метра линзы. Во всех случаях размер I не должен превышать
1,5m (m — размер фаски под завальцовку). Размер поднутрения а
при конструкции оправы, изображенной на рис. 33, б, не должен
быть менее 1,5 мм для линз диаметром 6 мм и не менее 3 мм для
линз диаметром более 6 мм.
Глубина расточки h зависит от толщины линзы по краю или
выбирается конструктивно (см. рис. 33, а, б). Допуск на глуби-
ну h обычно назначают Я12 (Д5), а при растачивании по линзе,
когда глубина h выполняется с припуском на расточку при
сборке, допуск может быть назначен Я14 (Л7).
Если линза опирается на торец расточки вогнутой поверхно-
стью, то по торцу делают поднутрение (см. рис. 33, в), обеспечи-
вающее лучшую центрировку линзы по «сфере», а не «по краю».
Рекомендуемые углы поднутрения приведены в табл. 12.
Оправа с линзой или блоком линз в корпусе объектива или
прибора крепится, как правило, на резьбе (см. рис. 32, 33).
Диаметр резьбы с/р выбирают конструктивно. Шаг посадочной
резьбы оправы выбирают из ряда. 0,35; 0,5; 0,75; 1,0 и 1,5 мм
в зависимости от диаметра посадочной резьбы и толщины стенки
оправы. При этом толщина стенки оправы в канавке для выхода
резьбы с учетом допусков на внутренний диаметр оправы и диа-
метр канавки не должна быть менее 0,5 мм. Для линз диаметром
свыше 30 мм этот размер должен быть увеличен. Ширина и диа-
метр канавки для выхода резьбы стандартизованы. Допуск на
ширину и диаметр канавки обычно назначают Я14 (Л7) и Л14 (В7)
соответственно, однако в случае необходимости допуск на диаметр
канавки может быть ужесточен до Я12 (С6) и даже до /ill (С4).
При выборе шага резьбы Р, нарезаемой в упор, следует ру-
ководствоваться теми же условиями, что и при выборе диаметра
Таблица 12
Углы поднутрения а внутренних торцов оправ для
, вогнутых поверхностей
D К а D R а
До 0,4 15—20° От 1,3 до 1,5 60°
От 0,4 до 0,7 30° » 1,5 » 1,75 75°
»- 0,7 » 1.0 40° Св. 1,75 90°
» 1,0 » 1,3 50°
88
канавки для выхода резьбы, считая толщину стенки оправы по
внутреннему диаметру резьбы rfpl.
Точность выполнения резьбы на оправе зависит от способа
центрировки оправы в корпусе прибора. Центрировку оправы
с линзой в корпусе прибора производят на резьбе или с помощью
точного центрирующего пояска. Второй способ является предпоч-
тительным, однако выбор способа крепления зависит от возмож-
ности размещения центрирующего пояска на оправе с линзой или
в корпусе прибора.
Для центрировки оправы с линзой на резьбе применяют резьбу
точного класса. В этом случае на резьбу оправы назначают до-
пуск 4/г, если оправа подвергается химическому покрытию,
и fig, если оправа подвергается гальваническому покрытию, а
на резьбу корпуса назначают допуск 4Н5Н.
При центрировании оправы с линзой в корпусе с помощью
центрирующего пояска (см. рис. 33, в, г) применяют резьбу сред-
него класса точности с допуском б/i или fig для оправы. В корпусе
при этом выполняют резьбу с допуском 6Н. Допуск на центриру-
ющий поясок назначают Н6 (С), а на расточку для него в корпусе —
Н7 (Л). Эксцентриситет между резьбой оправы и центрирующим
пояском выбирают по ГОСТу. Величина эксцентриситета не дол-
жна быть более 0,02 мм. Длина резьбы/р должна быть не менее
6Р и не более ЮР. В необходимых случаях длина резьбы /р может
составлять 1,5—2Р.
Центрирующий поясок на оправе может располагаться перед
резьбой (см. рис. 33, в) или после нее (см. рис. 33, г) и выбира-
ется конструктивно. При расположении центрирующего пояска
перед резьбой его диаметр должен быть меньше внутреннего ди-
аметра резьбы tZpl по крайней мере на 0,5 мм. При расположении
центрирующего пояска после резьбы его диаметр должен пре-
вышать диаметр резьбы на 0,2 мм. Такое расположение центри-
рующего пояска является предпочтительным. Для линз диаметром
около 80 мм и более указанные разности диаметров центрирующего
пояска и резьбы должны быть увеличены до 1 —1,5 мм при распо-
ложении пояска перед резьбой и до 0,5—1 мм при расположении
его после резьбы.
Если центрировку линзы в оправе предполагается производить
по автоколлимации, то на оправе должна быть предусмотрена
резьба для ее установки на центрирующий патрон (см. рис. 33, д').
Диаметр резьбы выбирают конструктивно, однако длина резь-
бы 1а при этом не должна быть менее 5Р. Диаметр D оправы и ее
длина L должны быть заданы в чертеже с припуском на обработку
при установке линзы в оправу.
Если через световой диаметр оправы проходит расходящийся
пучок лучей, то ее отверстие необходимо расточить на конус
с тем, чтобы избежать срезания пучка контурами оправы. Угол
конуса расточки выбирают несколько больше угла конуса свето-
вого пучка. При расточке отверстия оправы на конус оставляют
89
Цилиндрическую поверхность («ленточку») шириной от 0,1 до
1 мм в зависимости от диаметра оправы. Без «ленточки» оправу
оставлять не следует, так как при ее отсутствии световой диаметр
оправы контролировать невозможно.
Материал оправ для крепления линз завальцовкой выбирают
в зависимости от назначения и условий работы прибора: применяют
алюминиевые сплавы Д1, Д16, В95, АМг-6; латуни ЛС 59-1
(отожженная в заготовке), Л63. Реже применяют стали (сталь 10,
сталь 20).
Оправы, устанавливаемые в приборе на резьбе, должны иметь
шлицы или отверстия под ключ. В отдельных случаях, когда опра-
ва слишком тонка или имеет декоративное значение, шлицы или
отверстия под ключ заменяют накаткой, наносимой на торце или
на периферии оправы. Размеры шлицев под ключ стандартизованы
отраслевыми стандартами или стандартами предприятия.
Оправы должны быть подвергнуты чернению — химическому
или анодизационному оксидированию в зависимости от материала.
В необходимых случаях внутреннюю поверхность оправы, мимо
которой проходит световой пучок, подвергают покрытию черной
глубокоматовой эмалью. На наружные поверхности оправ, не
связанные со световыми пучками и имеющие декоративное зна-
чение, наносят лакокрасочное или гальваническое покрытие в за-
висимости от требований к прибору.
Место завальцовки покрывают быстросохнущей краской (хлор-
виниловой или нитроэмалью) черного цвета, не снимая со станка,
сразу же после завальцовки.
5. КРЕПЛЕНИЕ ЛИНЗ КОЛЬЦАМИ
Крепление линз резьбовым кольцом (рис. 34) применяют,
когда невозможно применить крепление завальцовкой. Для линз
диаметром свыше 50 мм целесообразно применять крепление
резьбовым кольцом, а линзы диаметром свыше 80 мм, как правило,
крепят в оправах только резьбовым кольцом. Для линз диаметром
менее 10 мм крепление резьбовым кольцом не рекомендуется.
Положительные мениски с большой кривизной поверхности
(отношение D/R > 1,75) и диаметром свыше 30 мм крепят, как
правило, резьбовым кольцом (рис. 34, в).
Резьбовые кольца для крепления линз могут быть с внешней
(рис. 34, а) и внутренней резьбой (рис. 34, б). Последние приме-
няют для сокращения размеров оптической системы вдоль оп-
тической оси, а также при креплении линз с большой разностью
световых диаметров на их поверхностях.
Крепление линз резьбовым и промежуточным кольцами
(рис. 34, г). При креплении линз резьбовым кольцом вследствие
непараллельности осей оправы и гнезда под линзу, а также не-
перпендикулярности резьбы кольца и его рабочего торца может
возникнуть неравномерное давление торца резьбового кольца на
линзу, что приведет к нарушению центрировки, местным натяже-
90
Рис. 34. Крепление линз резьбовыми кольцами:
а — кольцо с внешней резьбой; б — кольцо с внутренней резьбой; в — кольцо с внеш-
ней резьбой для крепления мениска; г — резьбовое и промежуточное кольца; д — резь-
бовое и пружинное кольца
ниям в стекле и ухудшению качества изображения. Кроме того, при
завертывании резьбового кольца вращение последнего передается
на линзу и может вызвать ее проворачивание, что весьма нежела-
тельно, особенно для линз-большого диаметра. Чтобы избежать
этого, между линзой и резьбовым кольцом помещают промежуточ-
ное кольцо (рис. 34, г). Рабочий торец и посадочный диаметр
промежуточного кольца при необходимости могут быть обработаны
за один установ при сборке.
Весьма часто промежуточные кольца применяют при выдер-
живании воздушных промежутков между линзами, особенно в си-
стемах с низкой точностью (например, в конденсорах, лупах).
В высокоточных системах промежуточные кольца применяют для
разделения оправ с линзами и выдерживания воздушных проме-
жутков. Оптические системы такого рода называют насыпными,
так как в них все линзы (или оправы с линзами) и промежуточные
кольца имеют один и тот же диаметр и помещаются в корпусе по-
следовательно одна за другой, как бы насыпаются. Всю систему
линз и колец закрепляют в общем корпусе либо завальцовкой
(см. рис. 32, в), либо резьбовым кольцом (рис. 108).
Крепление линз резьбовым и пружинным кольцами. В прибо-
рах, работающих в широком диапазоне температур, перепад ко-
торых может достигать 120 °C и даже более, разность коэффици-
ентов линейного расширения материала оправы и стекла при не-
посредственном соприкосновении резьбового кольца с линзой мо-
жет вызвать натяжения в стекле, которые в значительной степени
могут повлиять на качество изображения и даже привести к раз-
рушению линзы.
Для того чтобы избежать недопустимых натяжений, между
резьбовым кольцом и линзой помещают упругое пружинное
91
кольцо (рис. 34, 5). Оно компенсирует изменение длины оправы
и, следовательно, уменьшает давление на линзу со стороны тор-
цов резьбового кольца и оправы.
Пружинные кольца применяют также для крепления тонких,
в основном отрицательных линз, особенно чувствительных к за-
жиму и работающих в условиях нормальных температур.
Крепление линз с помощью пружинного кольца применяют
для линз диаметром от 40 мм и выше, размещаемых в оправах, из-
готовляемых из цветных металлов или стали. Линзы диаметром
свыше 300 мм рекомендуется крепить всегда с применением пру-
жинного кольца.
Конструктивные элементы оправ и колец. Общие требования
при конструировании оправ для крепления линз резьбовыми коль-
цами те, же, что и для крепления завальцовкой. В настоящем под-
разделе будут рассмотрены только отличия в конструкции оправ,
связанные с применением резьбовых, промежуточных и пружин-
ных колеи.
Расточку гнезда под линзу (рис. 35) выполняют так же, как
при креплении завальцовкой. Для крепления линзы или блока
линз резьбовым кольцом с внутренней резьбой глубина расточки
должна быть на 0,5—1,5 мм менее толщины линзы (или блока)
с тем, чтобы внутренний торец резьбового кольца ее надежно за-
крепил (см. рис. 34, а). В случае, если крепление линзы осущест-
вляют с помощью промежуточного кольца, то при назначении
глубины расточки следует учитывать толщину по оси промежу-
точного кольца. Так же определяют глубину расточки h, если
в креплении участвует пружинное кольцо.
Глубина расточки под резьбу /гр для резьбового кольца
(с учетом канавки для выхода резьбонарезного инструмента)
должна быть выбрана таким образом, чтобы резьбовое кольцо
упиралось в линзу (промежуточное или пружинное кольцо),
а не в торец канавки. Длину
Рис. 35. Конструкция оправ для крепле-
ния линз резьбовыми кольцами;
а — для кольца с наружной резьбой и центри-
ровкой на резьбе; б — для кольца с наружной
резьбой и центрировкой на пояске; в — для
кольца с внутренней резьбой и центрировкой
на резьбе
резьбы /р на оправе для резь-
бового кольца с внутренней
резьбой также делают больше
длины резьбы резьбового
кольца на 0,5—1 мм (см.
рис. 34, б).
Шаг Рвн внутренней или
Диар наружной резьбы для
крепления резьбовых колец
выбирают из ряда: 0,35; 0,5;
0,75; 1,0; 1,5 мм в зависи-
мости от диаметра резьбы dp
и длины резьбового кольца
вдоль оси. Кроме того, при
назначении диаметра резьбы
следует также учитывать,
92
что ее внутренний диаметр dvl должен быть хотя бы на 0,2 мм
больше диаметра D линзы, а для линз диаметром 80 мм и более
эта величина должна быть увеличена до 0,5—1 мм. Если это
условие не будет выполнено, то при установке линзы в оправу
вследствие неизбежных перекосов при сборке возможно заклини-
вание ее в резьбе и образование выколок. Допуск на резьбу
оправы под резьбовое кольцо применяют 6Н или 6/г под кольцо
с внутренней резьбой.
Внутренний диаметр резьбы rfpl, при помощи которой оправа
крепится в корпусе, или диаметр центрирующего пояска должны
быть больше диаметра dK резьбового кольца с внутренней резьбой
на 0,5—1 мм с тем, чтобы обеспечить посадку оправы с линзой
в корпус.
При конструировании оправы канавки для выхода резьбона-
резного инструмента следует размещать так, чтобы канавки внут-
ри и снаружи оправы не располагались друг против друга, а были
смещены. Если смещение канавок выполнить не удается, то тол-
щина стенки оправы с учетом допусков на диаметр канавок дол-
жна быть не менее 0,5 мм. Для линз диаметром свыше 30 мм этот
размер должен быть увеличен до 1—3 мм в зависимости от диа-
метра линзы.
Рис. 36. Типы и конструктивные элементы резьбовых, промежуточных и пру-
жинных колец:
а — резьбовое закрепительное кольцо; б — то же, с расточкой на конус; в — закрепи-
тельное кольцо с внутренней резьбой; г — промежуточное кольцо; д — то же, с расточ-
‘ кой на конус; е — пружинное кольцо; afl — двойное пружинное кольцо
93
Резьбовые кольца с наружной резьбой (рис. 36, а, б) имеют
световой диаметр D2, который можно рассчитать по формуле
(27). Допуск на световой диаметр резьбового кольца назначают
ЯП (Д4), как и в оправе, но в случае, если кольцо стоит внутри
системы (после оправы по ходу лучей), его можно назначить
и Я12 (Д5). Диаметр dv и шаг Рг резьбы резьбового кольца с на-
ружной резьбой и диаметр dv и шаг резьбы оправы согласуют
между собой, учитывая при этом, что разность между внутрен-
ним диаметром резьбы и световым диаметром D2 должна быть
не менее 1,5 мм и только в случаях крайней необходимости не
менее 1 мм. В случае расходящегося пучка лучей внутреннюю
расточку резьбового кольца выполняют на конус.
Наружный диаметр кольца с внутренней резьбой (рис. 36, в)
должен быть больше диаметра резьбы Д, на 1,5—3 мм. Если резь-
бовое кольцо с внутренней резьбой контрят установочным вин-
том, то при назначении наружного диаметра кольца необходимо
учитывать длину винта. Толщину упора кольца s выполняют
в пределах от 0,5 до 1,5 мм, а при диаметре линзы более 180 мм
эта величина должна быть увеличена. Длину резьбы кольца
с внутренней резьбой выбирают в тех же пределах, что и для колец
с внешней резьбой. Световой диаметр резьбового кольца с внутрен-
ней резьбой рассчитывают по формуле (27) либо выбирают кон-
структивно, если крепление будет осуществляться за конструк-
тивную фаску.
Иногда с резьбовым кольцом совмещают диафрагму (см.
рис. 34, д), служащую для уменьшения светорассеяния. Поло-
жение диафрагмы определяется оптическим расчетом.
Для предотвращения от самоотвинчивания резьбовых колец
в процессе эксплуатации от воздействия различных видов нагру-
зок их необходимо контрить. Для этого применяют установочные
винты, завертываемые в резьбовое отверстие оправы или резьбово-
го кольца с внутренней резьбой. При недостатке места установоч-
ный винт может быть завернут в торец оправы и резьбового кольца
с внешней резьбой, для чего при сборке под установочный винт
засверливают резьбовое отверстие. Диаметр резьбы под установоч-
ный винт в этом случае указывают в сборочном чертеже. Резьбо-
вые кольца могут также контриться с помощью грунтовок или
уплотнителей.
Резьбовые кольца для завертывания в оправу или корпус
прибора должны иметь шлицы или отверстия под ключ, размеща-
емые на кольце через 180° или для колец диаметром свыше 200 мм
через 90°. Делать глубину шлица более одной трети толщины
кольца не рекомендуется, чтобы не нарушить прочность кольца.
Не рекомендуется также отверстия под ключ в резьбовом кольце
сверлить напроход.
Промежуточные кольца (рис. 36, г, д) изготовляют с наружным
диаметром, равным полному диаметру линзы с допуском dll.
Внутренний диаметр промежуточного кольца определяют по фор-
94
муле (27). Длину промежуточного кольца по оси, применяемого
для распределения затяжки по контуру линзы, определяют кон-
структивно, исходя из наличия места для его размещения. Длину
промежуточных колец для деталей диаметром 120—200 мм больше
10—15 мм делать не следует. Допуск на непараллельность торцов
промежуточных колец назначают 0,005—0,05 мм в зависимости
от требований к сборке. Длина по оси промежуточного кольца,
если оно служит для разделения линз, определяется из выражения
ha = аг Д- а2 d + А, (28)
где аг и а2 — стрелки прогиба .сферических поверхностей, взя-
тые с их знаками; d — воздушный промежуток между линзами;
А — припуск на подрезку кольца при сборке для выдерживания
воздушного промежутка.
Аналогичным образом рассчитывают и длину промежуточных
колец, служащих для разделения оправ с линзами, учитывая при
этом размеры оправ.
Пружинные кольца (рис. 36, е, ж) могут быть одинарные и
двойные. Последние применяют в том случае, когда одинарное
кольцо получается слишком жестким и не может обеспечить тре-
буемого усилия затяжки. Для создания упругих свойств на пру-
жинном кольце делают три паза, разделенных перемычками, рас-
положенными через 120°. Ширину паза кольца обычно назначают
в пределах 0,8—1 мм для колец средних диаметров и несколько
миллиметров для колец больших диаметров.
Для равномерного распределения нагрузки на линзу пружин-
ное кольцо снабжают тремя выступами, расположенными под
углом 120° на середине каждого упругого элемента кольца. При
сборке пружинное кольцо устанавливают в оправу так, чтобы его
выступы упирались в линзу. Высота опорных выступов составляет
0,5—1 мм. Угловые размеры выступов и перемычек между паза-
ми делают равными между собой и обычно выбирают в пределах
10—15°. Наружный диаметр пружинного кольца назначают рав-
ным полному диаметру линзы, а внутренний — ее световому диа-
метру. Длину простого пружинного кольца по оси (без высоты
опорных выступов) назначают равной не менее разности его на-
ружного и внутреннего диаметров, а двойного—не менее 1,5
от этой разности. Более подробно размеры пружинных колец
определены в стандартах предприятий.
Материал оправ выбирают в зависимости от назначения и ус-
ловий работы прибора. Применяют алюминиевые сплавы Д1,
Д16, латуни Л63, ЛС59-1, различные стали (20, 40, 45, 50),
титановые сплавы. Алюминиевые и титановые сплавы применяют
в приборах, в которых имеет большое значение их масса. Стали и
титановые сплавы для оправ применяют в приборах, работающих
в широком диапазоне температур, так как у этих материалов, осо-
бенно у титановых сплавов, коэффициент линейного расширения
близок к коэффициенту линейного расширения стекла. Латуни
95
Рис. 37. Крепление линз
проволочным кольцом:
а — в точеной оправе или
оправе из пластмасс; б —
в штампованной оправе
применяют в основном для лабораторных
приборов и приборов, работающих в жест-
ких условиях (например, морской ту-
ман).
Резьбовые и промежуточные кольца
выполняют из тех же материалов, что и
оправы, однако титановые сплавы для
них не применяют, а заменяют их ста-
лями. Пружинные кольца изготовляют из
сталей 45, 50, иногда из легированной
стали 40Х.
Все виды колец, так же как и оправы,
должны быть подвергнуты чернению. Вид
покрытия назначают в зависимости от ма-
териала детали и условий ее работы. Для
титановых сплавов применяют черное ни-
келирование.
Иногда для более полного уменьшения светорассеяния на сво-
бодные поверхности промежуточных, резьбовых колец и оправ
наносят рифление — ряд мелких параллельных канавок с профи-
лем метрической резьбы. Зависимость между диаметром и шагом
рифленой поверхности установлена ОСТ 3-777—81.
6. ДРУГИЕ ВИДЫ КРЕПЛЕНИЯ ЛИНЗ
Крепление линз проволочным кольцом (рис. 37, а) применяют
в простейших приборах. Оно не требует сложных оправ, закрепи-
тельных колец, применения резьбонарезного инструмента для
нарезки внутренних резьб с мелким шагом.
Оправы для крепления линз проволочным кольцом изготовляют
большей частью из пластмасс черного цвета (фенопласты, полисти-
ролы), штамповкой из листового алюминиевого сплава АД00,
реже точеными из сплавов Д16 и Д1. Материалом проволочных
колец является пружинная проволока диаметром 0,4—1 мм в за-
висимости от диаметра закрепляемой детали. Концы проволочного
кольца целесообразно загибать внутрь на размер, равный диамет-
ру проволоки, для возможности легкого изъятия кольца из оправы
в случае необходимости.
Для проволочного кольца в оправе делают канавку глубиной
в половину диаметра проволоки. Ширину канавки в точеных и
пластмассовых оправах делают больше диаметра проволоки в
1,5 раза и несколько смещают в сторону фаски линзы, обеспечивая
этим меньший ее люфт. Форма канавки приведена на рис. 37, а.
В штампованных оправах канавку не смещают от торца линзы,
а профиль ее делают полукруглым и в производстве оформляют
накаткой (рис. 37, б).
Крепление линз лапками (рис. 38) применяют для линз боль-
ших диаметров, обычно более 120 мм. Лапки изготовляют из
96
сплавов Д1, Д16, стали 20. Форма лапок может быть различной,
однако в основном они крепятся либо на торце оправы (рис. 38, а),
либо на ее периферии (рис. 38, б). Под лапки обязательно должны
быть проложены прокладки из эластичного материала — пробки,
картона. Каждая лапка крепится к оправе не менее чем двумя
винтами.
Крепление линз пружинными планками (рис. 38) применяют
в тех же случаях, что и крепление лапками для линз диаметром
40—80 мм, но не более 120 мм. Пружинные планки могут быть
прямыми (рис. 38, в) и изогнутыми (рис. 38, г). Материалом пру-
жинных планок является углеродистая стальная лента У8А
либо термообработанная, либо подвергаемая термообработке в про-
цессе изготовления. Так же, как и лапки, пружинные планки
крепятся к оправе двумя винтами.
Крепление линз приклеиванием (рис. 38, д, е) производят по
контуру или заливкой клея в фаску. В последнем случае фаску
на линзе и на оправе делают одинаковыми.
Для приклеивания линз применяют клеи — шеллачный, акри-
ловый, полиуретановый ПУ-2, эпоксидный ОК.-50П и герметики
УТ-32 и УТ-34. В изделиях, работающих в большом диапазоне
изменения температур, целесообразно применять клей ПУ-2 и
герметики, так как они обладают достаточной упругостью.
Тонкие отрицательные линзы, легко подвергаемые деформа-
циям, крепить в оправах с помощью клея не рекомендуется,
4 Плотников В. С. и др.
Рис. 38. Крепление линз
лапками, планками и при-
клеиванием:
а — размещение лапок по
торцу оправы; б — разме-
щение лапок по периферии;
в — крепление прямыми
планками; г — крепление
изогнутыми планками; д,
е — крепление линз при-
клеиванием
97
Рис. 39. Крепление линз большого диа-
метра:
а — крепление с фиксированным пружин-
ным кольцом; б — крепление линзы с по-
мощью шпонки для предохранения от про-
ворота; в — крепление лиизы с примене-
нием фиксатора
так как клей создает в них не-
допустимые натяжения, могу-
щие привести даже к разруше-
нию детали.
Крепление линз большого
диаметра осуществляется в
стальных или титановых опра-
вах. Оправы из алюминиевых
и медных сплавов для этой цели
не применяют, так как коэффи-
циент линейного расширения
их (ос = 23-Ю-6) в 2,5—6 раз
больше, чем коэффициент ли-
нейного расширения стекла
(ос = 4 10“6-ь-10 10~6). Крепле-
ние в стальных оправах выпол-
няют резьбовым и пружинным
кольцами, в титановых — резь-
бовыми и промежуточным коль-
цами. Для отрицательных линз
малой толщины (0,05—0,080)
при использовании титановых
сплавов также целесообразно
применять пружинные кольца.
В оправе желательно иметь три
выступа, по своим размерам идентичным выступам пружинного
кольца, а пружинное кольцо должно быть размещено так, чтобы его
выступы располагались против выступов оправы. Для выполне-
ния этого условия в пружинном кольце делают продольный паз,
а в оправу завертывают установочный винт с цилиндрическим
концом, которым винт входит в паз кольца и предохраняет его
от разворота (рис. 39, а). Так как выступы для опоры линзы в оп-
раве получают выборкой секторов по окружности опорного торца
и нарушают тем самым световой диаметр оправы, то на оправу
закрепляют кольцо или кожух с отверстием, равным световому
диаметру Dx.
Возможно также крепление линз большого диаметра лапками,
размещаемыми на образующих оправы. При этом также должно
быть выполнено условие крепления на трех точках (см. рис. 38, б).
Предохранение линз от проворота осуществляют постановкой
линзы на гермети-ки с помощью шпонки или фиксатора. Для креп-
ления с помощью шпонки или фиксатора на боковой поверхности
линзы фрезеруют паз, большей частью треугольной формы с уг-
лом при вершине 90°. Размеры паза выбирают таким, чтобы паз
размещался за пределами светового диаметра линзы. Для шпонки,
которая в этом случае большей частью имеет цилиндрическую
форму, в оправе фрезеруют паз, размерам которого по диаметру и
глубине должны соответствовать размеры шпонки (рис. 39, б).
98
При использовании фиксатора в оправе выполняют резьбовое от-
верстие, в которое завертывают фиксирующий винт со сфериче-
ским концом (рис. 39, в).
Глава 11
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ТИПОВЫХ
ИЗДЕЛИЙ С ПРИЗМАМИ, ЗЕРКАЛАМИ
И ПЛАСТИНАМИ
1. ПРИЗМЫ, ИХ ТИПЫ И НАЗНАЧЕНИЕ
Призмами называют оптические детали, изготовленные из
прозрачного материала, боковые грани которых пересекаются по
параллельным прямым, называемым ребрами, а основания таких
деталей представляют собой треугольники или многоугольники.
На боковых гранях призмы происходит преломление света или
его отражение.
Призмы применяют для изменения направления оптической
оси, смещения оптической оси, изменения направления линии
визирования, компенсации вращения изображения, оборачивания
изображения и т. п. В связи с выполняемыми в приборе функци-
ями призмы можно разделить на отражающие, разделительные,
спектральные, поляризационные и оптические клинья. Призмы
бывают простые и сложные. Сложные призмы состоят из двух или
более призм, склеенных или разделенных воздушным промежут-
ком. Кроме того, в приборах широко применяют призменные
блоки, например оборачивающую систему призменного бинокля.
Призмы имеют перед зеркалами следующие преимущества:
углы между гранями призмы не изменяются при различных
условиях эксплуатации и с течением времени; углы между зерка-
лами требуют юстировки с большой точностью, а в процессе экс-
плуатации могут нарушаться;
на гранях призмы с полным внутренним отражением потерь
света нет, у зеркал они достаточно велики; покрытия зеркал с те-
чением времени могут портиться;
некоторые призмы не могут быть заменены на зеркала (напри-
мер, призма Дове, призма Пехана, призмы спектроскопов и др.).
2. КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПРИЗМ
К конструктивным элементам призмы относятся: число отра-
жающих граней, углы между гранями, угол отклонения луча,
световые размеры призмы, фаски на двугранных и трехгранных
углах, а также показатель преломления и требования к стеклу,
из которого призма изготовлена.
Связь между отдельными элементами призм различных типов
и их конструктивные особенности изучаются в курсе «Прикладная
4* 99
РаъЬертка. прямоугольной.
Рис. 40. К габаритному расчету
призмы
оптика». При габаритном расчете
оптической схемы определяют зави-
симость линейных размеров призмы
от диаметра светового пучка.
Чаще всего на призму падает ко-
нический пучок лучей с круглым
основанием. Поэтому при расчете
размеров призмы задаются размерами
конуса пучка лучей и положением
одной из граней. При расчете раз-
меров призмы вводят эквивалентную
плоскопараллельную пластинку, в
которую развертывается призма.
В случае, когда известен диаметр
большего сечения пучка, падающего
на призму, габаритные размеры
призмы определяются его диамет-
ром Dx и необходимым припуском
размеров на крепление призмы и
предохранительное фаски.
Если же известен малый диаметр конуса (рис. 40) и его угол
2а, то расчет выполняют, пользуясь следующими формулами:
^imin = 2/tge', (29)
где I — длина хода луча в призме; Dr min — малый диаметр конуса
пучка лучей; е' — угол преломления, определяемый из выражения
, f S1П £ /л/-\\
Sin 8' —. — , (30)
в котором е' — угол преломления; е = а — угол падения луча
на грань призмы; п — показатель преломления стекла призмы.
В случае, если длина хода луча в призме неизвестна, то при-
меняют формулу
г, ^imln
(1 — 2fetge')’
(31)
, I ,
где k = —---отношение длины I хода луча в призме к ее свето-
вому диаметру Dx.
Значения Dx и I берут в справочных таблицах предприятия
или справочниках, например, в «Справочнике конструктора оп-
тико-механических приборов» [16].
При конструировании призмы следует учитывать явление
полного внутреннего отражения. Если угол падения луча на
внутреннюю отражающую грань призмы меньше предельного
значения угла полного внутреннего отражения егп, определяемого
из выражения
1
Sin 8m — п ,
(32)
100
Таблица 13
Фаски на ребрах призм для предохранения от выколок
Длина короткого Ширина фаски т, мм
На ребрах двугранного угла На трехгранных углах
ребра, мм
До 6 0,1+°.а 1,0+°-4
Св. 6 ДО 10 0,2+°>а 1,0+°-4
» 10 » 18 0,3+°-а 1,0+°>4
» 18 » 30 0,5+°.3 1,5+°>6
» 30 » 50 0,7+°.5 2,0+°-«
» 50 1,0+°>5 2,5+°.s
где п — показатель преломления стекла призмы, то грань следует
серебрить.
В качестве материала для призм применяют марки стекла К8
или БК10. Призмы из стекла БКЮ позволяют получить больший
угол поля зрения прибора, так как показатель преломления этого
стекла больше, чем у стекла К8. В приборах, к которым предъяв-
ляются требования по стойкости к радиоактивному излучению,
применяют призмы из стекол К108 и БКНО. Флинты для изго-
товления призм не применяют, так как они имеют большое свето-
поглощение и значительную окраску стекла.
Фаски на призмах снимают для предохранения от выколок и
удаления излишков стекла. Фаски для предохранения от выко-
лок снимают на всех ребрах двугранных углов под углом 90°
к биссектрисе угла, кроме крыши, на которой фаски не снимают
или снимают размером не более 0,03—0,05 мм. Кроме того, фаски
снимают на всех трехгранных углах призмы, причем их выполняют
с максимально возможным притуплением, которое определяют
из световых размеров. Размеры фасок, снимаемых на ребрах для
предохранения от выколок, приведены в табл. 13.
Конструктивные фаски и скругления (см. рис. 43; 51, б)
для удаления излишков стекла делают на нерабочих частях граней
призмы всегда, когда для этого имеется возможность. Размеры
и форма этих фасок определяют конструктивно.
Кроме фасок на нерабочих гранях призм, если этого требует
выбранный способ крепления призмы в оправе, фрезеруют пазы
и канавки. Размеры пазов и канавок выбирают конструктивно.
3. ДОПУСКИ НА ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПРИЗМ
Отклонения углов призм при их изготовлении снижают ка-
чество изображения. Кроме того, если призма качающаяся и слу-
жит для изменения направления линии визирования, то ошибки
изготовления существенным образом влияют на точность отсчета.
Если призма неподвижная, то погрешности изготовления ее углов
101
можно компенсировать разворотом призмы при сборке прибора,
однако слишком большие отклонения углов о” расчетных затруд-
няют юстировку.
Отступления граней призмы от плоскостюсти снижают ка-
чество изображения, так как в этом случае призма начинает дей-
ствовать не как плоскопараллельная пластика, а как линза
с очень большим фокусным расстоянием, внося не предусмотрен-
ные расчетом аберрации. Наибольшее влияние на качество изоб-
ражения оказывает сферичность отражающие граней и граней
крыши, в меньшей степени сказывается влияние преломляющих
граней.
Призма с отступлением углов от расчетные будет действовать
как оптический клин с малым углом и вносить в изображение
ошибки хроматизма.
Расчет угла клиновидности развертки пргзмы производят по
формуле (если призма стоит перед объективен)
0=О’2'г(^Л)’ (33)
где 0,2' = Г : 5 (Г — средняя разрешающая способность гла-
за, 5 — коэффициент, учитывающий наличие хроматизма в си-
стеме); 0 — преломляющий угол клина; Г — увеличение системы;
п — показатель преломления стекла призмь; v — коэффициент
дисперсии.
Если призма стоит перед окуляром оптической системы, то
в выражение (33) вместо увеличения Г следует подставить отно-
шение г/foK, и тогда оно примет вид
vf'
9 = 0,2' .°* , (34)
г (п — 1) ’ 4 '
где z — расстояние от входной грани призмы до фокальной пло-
скости объектива; /ок — фокусное расстояние окуляра.
Вычисленная по формулам (33) или (34) допускаемая величина
клиновидности развертки призмы раскладывается на углы, уча-
ствующие в построении изображения, в виде допуска на изготов-
ление этих углов. Допуски на углы призмы обычно назначают
симметричными со знаком±.
Допуски на углы призмы не назначают больше ±10', хотя
при расчете по формулам (33) и (34) они могут получиться и
больше. Получение углов призмы с допуском ±2—3' не представ-
ляет трудностей для производства, а при допусках более ±10'
затрудняются сборка и юстировка прибора.
Погрешность в изготовлении угла крыши в крышеобразных
призмах может вызвать хроматизм систем и двоение изображения.
Двоение в системе, содержащей призму с крышей, не будет за-
метно, если угол 6 между двумя пучками, отраженными от граней
крыши (рис. 41), не превышает 20". Поэтому допуск на угол крыши
рассчитывают, исходя из допустимого угла двоения,
102
Если принять 6 = 20" после
окуляра, то при пучке, соста-
вляющем угол [J с ребром крыши,
допуск на угол крыши
Л 20" ZQKS
Да = -.-----д-. (35)
4п cos р х ’
Если призма с крышей на-
ходится перед объективом си-
стемы с увеличением Г, то ве-
личина допуска должна быть
уменьшена и выражение (35)
примет вид
20"
Да = , P--R • (36)
4пГ cos р v ’
Рис. 41. Ход лучей в прямоугольной
призме с крышей, имеющей отклонения
угла крыши
Как видно из последнего выражения, допуск Да на угол крыши,
особенно если она стоит перед объективом, весьма мал. Поэтому,
чтобы несколько расширить допуск, целесообразно располагать
призму с крышей между объективом и окуляром вблизи от по-
следнего. В этом случае выражение (36) примет вид
л 207°к 1Т1\
Да = —-------д-, (37)
4nz cos р v '
где z — расстояние от фокальной плоскости объектива до входной
грани призмы; /ок— фокусное расстояние окуляра оптической
системы.
Пирамидальность призмы — непараллельность ребер призмы
между собой или отражающими гранями. При развертке призмы,
имеющей пирамидальность, получается оптический клин с кли-
новидностью в направлении, перпендикулярном плоскости раз-
вертки. Допуски на пирамидальность могут быть рассчитаны по
формулам (33) и (34). Так как допускаемая пирамидальность из
условия хроматизма значительно шире, чем это может быть полу-
чено при изготовлении призмы, то обычно допуск на пирамидаль-
ность назначают исходя из технических возможностей производ-
ства в пределах от 2' до 10' либо из допустимого отклонения луча
от номинального направления.
Допуски на линейные размеры призм назначают обычно по
h!2 (С5), реже для особо ответственных призм по /ill (С4), однако
в отдельных случаях (рис. 42) применяют специальные допуски
с симметричным полем (+) или /Д2 (С7И6).
4. ОФОРМЛЕНИЕ РАБОЧИХ ЧЕРТЕЖЕЙ ПРИЗМ
Рабочие чертежи призм выполняют по ГОСТ 2.412—68
ЕСКД.
На рабочем чертеже призму вычерчивают таким образом, чтобы
на главном виде призма была изображена своим основанием,
103
так как при этом видна ее характерная форма (рис. 42). Число
проекций призмы на чертеже должно быть наименьшим, но до-
статочным, чтобы были выявлены особенности конструкции и име-
лась возможность проставить все размеры, необходимые для из-
готовления. При необходимости на чертеже дают разрезы и сече-
ния с тем, чтобы выявить форму крыши, канавок или пазов. На
выносных линиях или на изображении призмы указывают шерохо-
ватость отдельных главным образом полированных поверхностей
и условные знаки покрытий. На поле чертежа в правом верхнем
углу указывают преобладающую шероховатость поверхностей.
В технических требованиях повторяют условный знак покрытия
и его обозначения. Предохранительные фаски на ребрах и трех-
гранных углах обычно не изображают, а размеры их указывают
в технических требованиях (см. рис. 42). Так же как и на черте-
жах линз, на чертежах призм помещают табличку с требованиями
к материалу, требованиями к изготовлению и расчетными дан-
ными .
На рабочих чертежах призм штрихпунктирной линией наносят
световые зоны граней, причем размеры световых зон указывают
без предельных отклонений. Длину хода луча I в призме указы-
вают в третьей части таблицы.
Как правило, нерабочие матовые поверхности призм окраши-
ваются эмалями. В этом случае указания об окраске помещают
в технических требованиях в соответствии с ГОСТ 2.310—68.
—
т
'и. на
1.<Раски. нареврах 0,3±а,3хУ5о. Фаыа
углах
2.®Л-просдегпл. УУР. УЗРпо 0CT3-1S01-73,
Л-520±50нм
3, Покрытие матовых поверхностей
эмалью ХС-5УЗ ТУ5-10-1681-78
Ч-. * Размер для справок ________
Ийндродн.
"ДвГнучепр'.
Светопогл
2В
_23_
1
Пессдальн.
пузырность
Ра
Ps
£
t min
15
ЗА
3
(7,3
0,2
7
Ж
3'

Нзн\лисп. h‘nOOK<JM ЮТ цата
Раэрао.
Лвовер.
'ТПГонтр'.
ТЖчпэнзРа
я кбнтр.
УтВгрЗип
ГОСТ351‘!-76
Пвизма
АР ~90°
~Xu'rn]fiaccs>tia£iurna^
Аист {Листов 1'

Рис. 42. Пример оформления рабочего чертежа призмы
104
5. КРЕПЛЕНИЕ ПРИЗМ
Призмы очень разнообразны, в связи с этим разнообразны и
методы их крепления. Наиболее распространенные методы креп-
ления призм следующие: 1) пружиной; 2) накладкой; 3) планками
и угольниками; 4) шпонкой; 5) приклеиванием.
Выбор способа крепления призмы зависит от ее размера, ус-
ловий работы прибора и призмы в приборе (подвижная или не-
подвижная), от места расположения призмы в приборе.
При выборе способа крепления в первую очередь необходимо
обращать внимание на достижение надежности крепления и
неподвижности призмы относительно оправы, так как малейшее
смещение призмы в оправе приводит к расстройству оптической
схемы прибора. В связи с этим призмы целесообразно ставить на
три опорные площадки или хорошо обработанную плоскость
(шлифованную или отшабренную). Это также исключит деформа-
цию призмы, приводящую к снижению качества изображения.
В деталях крепления и оправах под острые углы и ребра необ-
ходимо делать освобождения, а сами детали крепления распола-
гать так, чтобы они не вызывали натяжений в стекле, так как
последние могут привести к выколкам при сборке прибора и эк-
сплуатации.
Детали крепления и части оправы не должны попадать в пре-
делы световых размеров призмы и не должны касаться рабочих ча-
стей граней, на которых используется явление полного внутрен-
него отражения, так как на границе контакта этой грани с метал-
лом оправы явление полного внутреннего отражения исчезает.
В конструкции оправы в необходимых случаях должна быть
предусмотрена возможность юстировки, которая осуществляется
либо с помощью перемещения самой призмы, либо путем введения
в оправу юстировочных устройств, либо путем подрезки отдель-
ных поверхностей оправы.
При креплении призм применяют различного рода эластичные
прокладки из пробки, бумаги, картона или текстолита. Иногда
применяют фольгу и резину. В некоторых случаях вместо про-
кладки, разделяющей две призмы, наносят металлическую пленку
в вакууме.
- Крепление призм пружиной широко распространено благодаря
его надежности и отсутствия натяжений в призме при изменении
температуры. Крепление пружиной наибольшее распространение
получило для прямоугольных призм (рис. 43, 44), однако оно
применяется и для других видов призм, например для призмы-
ромб (см. рис. 71).
Сила давления пружины на призму в приборах, подвергающих-
ся ударам и вибрациям, должна превышать силу тяжести призмы
в 15—20 раз. Таким образом, для призмы массой 200 г давление
пружины должно составлять 30—40 Н. При ускорениях нагрузки
свыше 10g сила давления может быть увеличена против указанной
1Q5
А-А-
Рис. 44. Крепление прямоугольной призмы, в качаю-
щейся оправе:
1 — призма; 2 — оправа; 3 — крышка; 4 — накладка;
5 — винт; 5 — контргайка; 7 — пружина
Рис. 43. Крепление прямо-
угольной призмы е бинокле:
1 — пружина; 2 — корпус;
3 ~ призма
в 1,5—2 раза, а для лабораторных приборов — уменьшена на эту
же величину.
При высоких требованиях к качеству изображения силу дав-
ления пружины на призму следует регулировать на оптической
скамье. Для осуществления регулировки в конструкции крепле-
ния должны быть предусмотрены юстировочные устройства, на-
пример винт (см. рис. 44).
Давление пружины на призму должно осуществляться через
накладки и упругие прокладки (см. рис. 44) либо только через,
упругие прокладки (см. рис. 43). Однако последний вид сопряже-
ния пружины с призмой следует применять только при крайней
необходимости.
При креплении призмы пружиной боковые ее перемещения
устраняют, как правило, установочными винтами, завернутыми
в корпус прибора и давящими на призму через эластичные про-
кладки (см. рис. 44). Кроме этого, могут применяться и другие
способы крепления, предохраняющие призму от боковых пере-
мещений.
Крепление призм накладкой. Крепление накладкой широко при-
меняют для различного рода призм. Наиболее часто его применяют
для крепления прямоугольной призмы и пентапризмы. Крепление
накладкой просто, надежно и позволяет в некоторых случаях
производить юстировку призмы в оправе. Типовые конструкции
крепления призм накладкой приведены на рис. 45.
Высота стоек, на которые устанавливается накладка, должна
быть несколько больше высоты призмы, так как под призму и
под накладку должны быть помещены эластичные прокладки
из пробки, картона или других материалов.
Крепление призм планками и угольниками. Крепление призм
планками осуществляется, как правило, в оправах коробчатой
106
Рис. 45. Крепление призмы
накладкой:
а — прямоугольной; б —
пентапризмы; 1 — призма;
2 — оправа; 3 — накладка;
4 — стойка
формы. Этим способом можно крепить практически все виды призм.
Крепление планками производится за грани, через которые про-
ходит световой пучок. Поэтому при разработке конструкции креп-
ления необходимо размеры и форму планок выбирать таким об-
разом, чтобы они не попадали в пределы светового диаметра
(рис. 46).
Крепление призм угольниками большей частью применяют
совместно с креплением планками. Как правило, этот способ
Рис. 46. Крепление призм планками:
а — прямоугольной; б— полупентапризмы!
1 — оправа; 2 — призма; 3 — планка
Рис. 47. Крепление призмы план-
ками и угольниками:
а — прямоугольной; б — пентапризмы
107
Рис. 48. Крепление прямоугольной призмы угольниками
крепления применяется при установке призм на оправах типа плат
(рис. 47). Крепление угольниками не следует применять для де-
талей размером свыше 25—30 мм, так как при больших размерах
призм угольники не достаточно жесткие.
Для призм больших размеров, особенно прямоугольных, при-
меняют способ крепления угольниками, концы которых помещают
в канавки на нерабочих гранях призмы (рис. 48).
При креплении планками и угольниками обязательно приме-
няют упругие прокладки.
Крепление призм шпонкой применяют большей частью для
призм Дове, устанавливаемых во вращающихся оправах (рис. 49).
Для размещения сегментной шпонки на нерабочей грани призмы
фрезеруют паз. Глубину шпоночного паза выбирают такой, чтобы
он не срезал световой поток, проходящий через призму.
Для юстировки призмы на краях оправы делают пазы шириной
1—1,5 мм. С помощью установочных винтов края оправы можно
несколько отгибать, обеспечивая этим юстировки отражающей
грани призмы Дове параллельно оси вращения.
Сегментная шпонка должна свободно входить в паз призмы,
в противном случае целостность призмы при незначительных коле-
баниях температуры нарушается.
Крепление призм приклеиванием (рис. 50) применяют, когда
невозможно закрепить призму другим способом и для несоответ-
Рис. 49. Крепление призмы Дове шпонкой:
1 — призма; 2 — сегментная шпонка; 3 — оправа; 4 — установочные винты; 5 — уста-
новочный вннт
108
Рис. 50. Крепление призм:
а ~ приклеиванием; б — приклеиванием и
ственных призм небольших раз-
меров. Зачастую крепление
приклеиванием сочетают с
другими видами крепления
(рис. 50, б).
Крепление призм с крышей
можно выполнить теми же спо-
собами, что применяются для
обычных призм. При этом на
выбор крепления, безусловно,
влияет конструкция корпуса
или оправы. Весьма часто в
приборах для крепления кры-
шеобразных прямоугольных
призм применяют специаль-
ные детали — призмодержатели
(рис. 51, а). Как правило,
этот вид крепления применяют
в приборах, корпуса которых имеют форму колена (рис. 51, б).
Для обеспечения юстировки призмы внутри корпуса служат уста-
новочные кольца. Регулировка усилия нажима призмодержателя
на крышу призмы осуществляется посредством установочных
винтов или другим способом. Упругие свойства призмодержателю
придает паз, профрезерованный вдоль оси гнезда под крышу.
Одна из конструкций крепления пентапризмы с крышей приве-
дена на рис. 52. Крепление призмы осуществляется с помощью
двух лапок. Ребро крышки защищается обычно накладкой,
устанавливаемой на призме на клею. На рис. 54 показано
крепление башмачной призмы с крышей с применением на-
кладки.
Крепление призменных блоков
надо тщательно прорабатывать с
точки зрения конструкции. При
Рис. 51. Крепление призмы с крышей призмодержателем:
а — нормализованный призмодержатели; б — пример крепления; 1 — призма; 2 —
корпус; 3 — установочные кольца; 4 — призмодержатели; 5 — установочные винты;
6 — крышка
109
Рис. 52. Крепление пентапризмы с крышей в фотоаппарате:
1 — призма; 2 — корпус; 3 — лапка; 4 — накладка
этом необходимо обращать внимание на то, чтобы при крепле-
нии не было нарушено взаимное расположение призм в блоке.
В склеенных блоках усилия зажима должны быть направлены
так, чтобы не вызвать расклейку. В призменных блоках с воз-
душными промежутками эти промежутки должны сохраняться
равномерными по всей площади стыка.
Пример крепления одной из призм блока системы Малофеева—
Порро I приведен на рис. 45. Такое крепление применяют в приз-
менных биноклях, монокулярах и других приборах, где система
Малофеева—Порро I используется в качестве оборачивающей
системы. На рис. 50, б показано крепление блока склеенных
призм, используемых в дальномере фотоаппарата в качестве
светоделителя.
Рис. 53. Крепление призмы Пехана:
1 — накладка; 2 — призма; 3 — планка; 4 — оправа;
5 — вращающееся плато; 6 — винт; 7 — установоч-
ный винт
Pt с. 54. Крепление баш-
мачной призмы:
1 — оправа; 2 — призма;
3 — накладка; 4 — планка;
5 — дополнительный эле-
мент призмы
ПО
К призменным блокам могут быть также отнесены сложные
призмы — призма Пехана (рис. 53) и башмачная (рис. 54). В этих
призмах требуется очень точное выдерживание воздушного про-
межутка. Для этой цели на элементы призмы вне пределов свето-
вого диаметра в вакууме наносят разделительный слой из алюми-
ния толщиной 2—3 мкм или применяют прокладку из фольги.
6. КРЕПЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ КЛИНЬЕВ
Способы крепления оптических клиньев зависят от их формы,
а также от назначения прибора, в котором применяется клин.
Небольшие клинья некруглой формы крепят в оправах приклеи-
ванием. Некруглые клинья с размером свыше 18 мм могут кре-
питься в оправе накладками с обязательным применением эластич-
ных прокладок. При размерах клина свыше 50 мм можно приме-
нять крепление лапками, под которые должны быть проложены
эластичные прокладки.
Круглые оптические клинья диаметром до 50 мм можно крепить
завальцовкой (рис. 55, а). Фаски на клине под завальцовку при
этом способе крепления контролируют по тонкому краю клина.
Оптические клинья диаметром свыше 50 мм в оправах можно
крепить с помощью резьбового кольца (рис. 55, б). Для компенса-
Рис. 55. Методы крепления круг-
лых оптических клиньев:
а — завальцовкой; б — резьбовым
кольцом; в — фиксация клина в оп-
раве; 1 — шпонка; 2 — фиксатор;
3 — оптический клин; 4 — резьбо-
вое кольцо; 5 — клиновидная прок-
ладка; 6 — прокладка нз мягкой
резины
7 2 2 ‘t
Рис. 56. Крепление оптического клина
в оправе с помощью лапок:
1 — оптический клин; 2 — прокладка; 3 —
лапка; 4 — оправа
111
ции разнотолщинности клина между клином 3 и резьбовым коль-
цом 4 должна быть помещена клиновидная прокладка 5, которая
совместно с оптическим клином должна образовывать плоскопа-
раллельную пластинку. Для устранения влияния допусков на
изготовление клина и клиновидной прокладки 5 между проклад-
кой 5 и резьбовым кольцом 4 помещают мягкую резиновую про-
кладку толщиной 1—2 мм.
Очень часто в конструкциях для сокращения длины по оси
используют крепление круглых оптических клиньев с помощью
лапок (рис. 56). Так как лапки разного размера делать нецелесо-
образно, то все лапки изготовляют одного размера, а разницу
в толщине клина по краю в точках крепления компенсируют за
счет толщины эластичных прокладок.
Весьма часто требуется сохранить определенное положение
клина относительно оправы. В этом случае на оптическом клине
делают шпоночный паз, а в оправе — гнездо под шпонку
(рис. 55, в). Иногда вместо шпонки в паз клина вводят фиксатор,
устанавливаемый в оправе на резьбе.
7. ЗЕРКАЛА И ИХ КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
В оптических приборах применяют зеркала с различной фор-
мой отражающей поверхности — плоские, сферические и асфери-
ческие, изготовленные из оптического стекла или металла.
Зеркала, изготовленные из оптического стекла, имеют точ-
ные поверхности и участвуют в построении изображения наравне
с линзами и другими оптическими деталями. Зеркала, изготовлен-
ные из металла, применяются, как правило, в качестве отражате-
лей лучистой энергии в различного рода осветителях, а также
в приборах, в которых применение стеклянных зеркал невоз-
можно.
Зеркала могут изготовляться с внешним (наружным) и задним
(внутренним) покрытием. В первом случае к стеклянной заго-
товке не предъявляется высоких требований кроме поверхности,
на которую будет наноситься отражающий слой. Во втором случае
к стеклу, из которого изготовляется зеркало, предъявляются те
же требования, что и к линзам.
Плоские зеркала (рис. 57) применяют в тех случаях, когда они
дают выигрыш в весе по сравнению с призмами. Кроме того,
их используют в приборах с широкими пучками, изготовление
призм для которых вследствие больших габаритных размеров не-
возможно. Зеркала меньше, чем призмы, подвержены действию
температуры, особенно в процессе ее изменения. Точные зеркала
изготовляют с наружным покрытием. Зеркала с внутренним от-
ражающим слоем применяют в неответственных случаях (напри-
мер, для подсветки шкал).
При габаритном расчете оптической схемы размеры отражаю-
щей поверхности зеркала определяют по сечению светового пучка.
112
Рис. 57. Формы плоских зеркал
Так как сечение светового пучка зеркалом большей частью пред-
ставляет собой эллипс, то зеркало должно быть прямоугольной
формы. Все излишки стекла, особенно для крупногабаритных
зеркал, должны быть удалены, поэтому зачастую вместо прямо-
угольника зеркало получает форму неправильного восьмиуголь-
ника. В случае пирамидального пучка зеркало имеет форму тра-
пеции.
Для получения полных размеров некруглого зеркала к полу-
ченным световым размерам необходимо прибавить от 1 до 15 мм
на сторону (в зависимости от габаритных размеров зеркала)
для уменьшения влияния ошибок изготовления на краях отража-
ющей поверхности. Для круглых зеркал полные диаметры находят
по табл. 5.
Соотношение сторон в прямоугольном зеркале выбирают обычно
2 : 3 или 1 : 2. Соотношение сторон менее 1 : 2 для точных зеркал
брать не следует, так как в этом случае технологически трудно
получить точную поверхность под зеркальное покрытие. Радиус
кривизны сферического зеркала определяют при расчете оптиче-
ской схемы изделия.
Таблица 14
Соотношение между наибольшим размером зеркала и его толщиной
Точность зеркал Назначение зеркал Соотношение D
Особо точные Концевые отражатели дальномеров, зерка- ла интерферометров, зеркала аэрофотоаппа- ратов, расположенные за объективом От 1/5 до 1/7
Точные Зеркала визуальных систем наблюдатель- ных приборов (перископов, панорам, стерео- метров), зеркала аэрофотоаппаратов, распо- ложенные перед объективом, и телевизион- ных систем От 1/8 до 1/10
Грубые Зеркала осветительных систем От 1/10 до 1/25
113
Толщина зеркала зависит от его наибольшего размера и спо-
соба крепления. Основным критерием толщины зеркала является
его точность, так как чем точнее должно быть зеркало, тем больше
должна быть его толщина. При выборе толщины зеркала следует
придерживаться соотношений между наибольшим размером D
зеркала (диагональю или диаметром) и его толщиной I, приведен-
ных в табл.14.
Для сохранения точности зеркала при эксплуатации приборов
в условиях меняющихся температур зеркала изготовляют из
стекла ЛК-5, а в особо ответственных случаях — из плавленого
кварца, мало чувствительного к действию температуры. Для при-
боров, работающих в помещениях, зеркала могут быть изготовлены
из стекла 1\8, а мало ответственные зеркала из зеркального стекла.
Допуски на толщину зеркала обычно назначают с симметрич-
ным полем по 14-му квалитету — Д14 (СЛ47). Также с симметрич-
ным полем допуска /\ 14 (СЛ4,) назначают свободные размеры
зеркал. Габаритные размеры круглых зеркал обычно назначают,
114
как и для линз, с допуском Ml (Л\) или сП (Л4), а для прямо-
угольных или трапециевидных зеркал — с допуском /ill (С4)
или /г12 (С6) в зависимости от способа крепления зеркала.
Фаски на круглых зеркалах делают так же, как и на линзах,
на некруглых — как на призмах.
8. ОФОРМЛЕНИЕ РАБОЧЕГО ЧЕРТЕЖА ЗЕРКАЛА
Требования к оформлению рабочих чертежей зеркал, так же
как и других оптических деталей, изложены в ГОСТ 2.412—68.
Круглые плоские, сферические и асферические зеркала на чер-
теже обычно изображают в одной проекции с указанием всех не-
обходимых размеров и требований как на изображении, так и на
поле чертежа — в технических требованиях и таблице, помещае-
мой в правой части чертежа /рис. 58). Для зеркал, проворот кото-
рых вщриборе недопустим, показывают размеры и форму шпоноч-
ной канавки.
Некруглые зеркала изображают на чертеже, как правило,
в двух проекциях, показывая при этом штрихпунктирной линией
границы световой гоны с указанием ее размеров без предельных
отклонений (рис. 59).
В технических требованиях, помещаемых в табличке, указы-
вают требования к стеклу, изготовлению и расчетные данные. Для
плоских зеркал при необходимости указывают фокусное расстоя-
ние, которое допускается для данного зеркала. Если размерность
допускаемого фокусного расстояния выражена не в миллиметрах,
Рис. 59. Пример рабочего чертежа плоского некруглого зеркала
115
то ее указывают рядом с числовой величиной фокусного расстоя-
ния.
В технических требованиях, помещаемых на поле чертежа,
указывают дополнительные данные, которые не могут быть изо-
бражены графически или в табличке. Кроме того, после условного
знака покрытия помещают условные обозначения материала по-
крытия и способа его нанесения. Для зеркал с задним покрытием
в это обозначение входит также вид защитного слоя, наносимого
на покрытие. Нерабочие поверхности сферических и асферических
зеркал, входящих в состав зеркально-линзовых объективов, дол-
жны быть покрыты черной эмалью. Порядок записи технических
требований на чертежах установлен ГОСТ 2.316—68 и
ГОСТ 2.412—68.
9. КРЕПЛЕНИЕ ЗЕРКАЛ
Известно, что поворот зеркала на какой-либо угол вызывает
поворот луча на угол, равный удвоенному углу поворота зеркала.
Поэтому к креплению зеркал предъявляются особые требования,
которые должны соблюдаться при конструировании оправ и уз-
лов, содержащих зеркала. Суть этих требований заключается
в следующем:
конструкция крепления зеркала в оправе или корпусе при-
бора должна быть такой, чтобы была обеспечена полная неподвиж-
ность зеркала относительно оправы или корпуса; несоблюдение
этого условия в измерительном приборе вызовет ошибку измерения
в проекционном и фотографическом, особенно если прибор рабо-
тает в условиях вибраций, а также приведет к снижению качества
изображения;
конструкция крепежных элементов не должна вызывать напря-
жений и деформаций в стекле, так как даже местные деформации
и напряжения влияют на качество изображения; это происходит
вследствие того, что местные деформации разрушают гомоцентри-
ческий пучок лучей, превращая его в астигматический; для того
чтобы исключить деформации зеркала, следует применять эла-
стичные прокладки, пружинные кольца или обеспечить регули-
ровку зажима в местах крепления зеркала, кроме указанных спо-
собов снятия напряжений, может применяться консольное крепле-
ние, полностью исключающее натяжение в рабочей зоне зеркала;
в конструкции узла с зеркалом обязательно должна учиты-
ваться работа его в различных температурных условиях, так как
за счет разности в коэффициентах линейного расширения между
материалом оправы и стеклом зеркала могут возникнуть местные
деформации под действием температуры; для их исключения не-
обходимо применять материалы с коэффициентом линейного рас-
ширения, близким к коэффициенту линейного расширения стекла,
консольное крепление зеркала или можно использовать другие
методы, определяемые в каждом конкретном случае (пружинные
кольца и планки);
116
конфигурация зеркала, его размеры и масса играют сущест-
венную роль в креплении зеркала и наличии в нем деформаций;
в необходимых случаях следует применять дополнительные под-
водимые опоры, а в особо важных случаях (например, зеркала
телескопа) — разгрузочные приспособления, так как деформация
в крупногабаритных тяжелых зеркалах может - происходить
под действием силы тяжести и зависит от положения зеркала в про-
странстве.
Для крепления круглых зеркал применяют те же способы,
что и для крепления других круглых оптических деталей.
Неответственные, в основном осветительные, зеркала в мик-
роскопах крепятся завальцовкой или проволочным кольцом
(рис. 60, а, б). Зеркала невысокой точности диаметром до 80 мм
можно крепить резьбовым кольцом с эластичными прокладками
(рис. 60, в).
Точные круглые зеркала должны быть закреплены с примене-
нием упругих элементов — пружинных колец, планок или на-
кладок типа мембран (рис. 61)
При применении пружинных планок и мембран также обяза-
тельна постановка зеркала на три точки. Для этого используют
либо выступы оправы, либо прокладки из фольги.
Крепление точных зеркал можно осуществлять с помощью
лапок (рис. 62). В этом случае на оправе делаются три выступа,
на которых размещаются лапки и устанавливается зеркало
а) о) в) г)
Рис. 60. Крепление неответ-
ственных зеркал:
а, б, в — круглых; а — завальцов-
кой; б — проволочным кольцом;
в — резьбовым кольцом; г — эллип-
тического в трубчатом колене (/ —
зеркало; 2, 3 — опорные втулки)
Рис. 61. Крепление круглых
зеркал:
а — пружинным кольцом; 6 — на-
кладкой м
117
Рис. 62, Крепление зеркал лапками:
а — круглого, установкой лапок на торец; б — круглого, установкой лапок на образую-
щей оправе; в— плоского; г — устройство для регулирования усилия затяжки зеркала
(рйс. 62, а, б, в), либо лапки устанавливаются на боковых по-
верхностях оправы (рис. 62, б).
Между зеркалом и лапкой обязательно помещают упругую
прокладку. В приборах, работающих при резких изменениях тем-
ператур, желательно ставить прокладки из текстолита или гети-
накса между зеркалом и оправой и между зеркалом и лапкой.
Усилие зажима регулируется припиловкой лапок (рис. 62, а, в),
подвижкой лапки вдоль оси системы за счет зазоров между стер-
жнем винта и отверстием (рис. 62, б), регулировочным устрой-
ством (рис. 62, г).
Для крепления сферических некруглых зеркал также можно
применять лапки (рис. 63). При конструировании необходимо за-
давать размеры лапок так, чтобы их опорная плоскость была
направлена по касательной к поверхности зеркала в точке ка-
сания.
Рис. 63. Крепление не-
круглого сферического
зеркала . ,
118
Рис. 64. Консольное крепление зеркала:
а— накладкой; б — винтами с накладкой; 1 — зеркало; 2 — оправа; 3 — накладка;
4 — вннт
Для точных некруглых зеркал весьма часто применяют кон-
сольный метод крепления (рис. 64). Особенно часто его применяют
в прицельных приборах и дальномерах для крепления зеркал пен-
тагонального отражателя, заменяющего пентапризму. Консоль-
ный метод крепления зеркала обеспечивает отсутствие деформа-
ции рабочей поверхности при больших усилиях зажима, необхо-
димых для сохранения прочности конструкции.
10. ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ПЛАСТИНЫ
Плоскопараллельные пластины в оптических приборах приме-
няют в качестве защитных стекол, светофильтров, светоделителей
(полупрозрачные зеркала), шкал и сеток (расчет и конструиро-
вание сеток приведены в гл. 12). В зависимости от места располо-
жения плоскопараллельных пластин в оптической схеме прибора
к ним предъявляются различные конструктивные требования.
Светофильтры большей частью представляют собой плоско-
параллельные пластины из цветного, окрашенного в массе, стекла.
Их применяют в визуальных приборах и фотоаппаратах для улуч-
шения условий наблюдения и увеличения контраста изображения,
а также в некоторых других приборах.
В визуальных приборах светофильтры устанавливают внутри
системы или за окуляром. В первом случае требования к свето-
фильтру назначают при расчете оптической системы. Для свето-
фильтров, устанавливаемых за окуляром, отступление от плоско-
стности может быть 10—20 полос при клиновидности 10—15'.
Чистоту поверхности Р назначают по классу IV.
Диаметр светофильтров определяют при габаритном расчете
оптической системы и округляют до нормального диаметра по
ГОСТ 6636—69. Допуск на диаметр назначают dll (Х4) или
&11 (Л4). Толщина светофильтров визуальных приборов должна
119
быть наименьшей для уменьшения веса, но брать менее 1/20 от
диаметра ее не следует.
Требования к светофильтрам, применяемым в фотографии, бо-
лее жесткие. Эти светофильтры устанавливают перед объективом
фотоаппарата и в случае значительного отступления их поверх-
ностей от плоскостности возникают дополнительные, не учтенные
расчетом аберрации, в значительной мере влияющие на качество
фотографического изображения. Кроме того, светофильтр со зна-
чительными отступлениями поверхностей от плоскостности, пре-
вращаясь в линзу с большим фокусным расстоянием, смещают его
фокусировку. Чтобы избежать указанных нарушений, поверх-
ность светофильтров для фотоаппаратов должна иметь отступление
от плоскостности не более 1—2 полос и фокусность таких размеров,
чтобы не вызвать смещения плоскости изображения объектива за
пределы глубины резкости. Фокусность светофильтра рассчиты-
вают в каждом отдельном случае.
Для получения необходимой точности изготовления поверх-
ностей светофильтров фотоаппаратов толщина светофильтра не
должна быть менее 1/12 диаметра и только в исключительных слу-
чаях при диаметрах свыше 100 мм — 1/15. Требования к чистоте
полированных поверхностей для светофильтров фотоаппаратов
IV—V класс.
Крепление круглых светофильтров выполняют завальцовкой
или резьбовым кольцом в зависимости от диаметра. Крепление
некруглых светофильтров осуществляют лапками или планками.
Защитные стекла в оптических приборах предназначены для
защиты прибора от попадания в него пыли, грязи и влаги в том
случае, если первым элементом в схеме стоит качающаяся призма,
зеркало. В некоторых случаях защитное стекло ставят и перед
вращающимся клином.
Так как защитные стекла расположены в ходе лучей, то тре-
бования к ним определяют при расчете оптической системы.
Кроме того, при конструировании необходимо учитывать усло-
вия работы прибора, так как для ряда приборов необходимо про-
изводить расчет защитных стекол на прочность в связи с их работой
при повышенном или пониженном давлении.
Учитывая эти требования, толщина защитного стекла не дол-
жна быть меньше 1/7 диаметра или его наибольшего размера. Для
обеспечения герметизации прибора защитные стекла часто ставят
на «ласточкин хвост», для чего на них снимают фаску по всему кон-
туру под углом 60° к поверхности стекла (рис. 65).
К защитным стеклам, служащим для подсветки шкал, никаких
специальных требований не предъявляют. Их изготовляют из
зеркального стекла.
Светоделители (полупрозрачные зеркала) представляют собой
плоскопараллельные пластинки с нанесенными на них одним или
несколькими слоями покрытия, пропускающими половину
падающего на’ них света и отражающими его вторую половину.
12Q
Рис. 65. Формы защит-
ных стекол:
а — круглое; б — удлинен-
ное для установки на на-
правляющие типа «ласточ-
кин хвост»
Обычно светоделители применяют в интерферометрах, монокуляр-
ных дальномерах фотоаппаратов, автоколлимационных трубках
и окулярах и других приборах и располагаются под углом 45°
к оптической оси (см. рис. 85). Весьма часто в качестве светодели-
телей применяют прямоугольные призмы, склеенные гипотенуз-
ными гранями, на которые нанесено светоделительное покрытие
(см. рис. 50, 81, 82), при этом после склейки призмы превраща-
ются для одного направления луча в плоскопараллельную пла-
стину.
В большинстве случаев конструктивные требования к изготов-
лению светоделительной пластины определяют при расчете опти-
ческой системы. Если светоделители размещаются вблизи пло-
скости изображения, то требования к чистоте оптических поверх-
ностей должны назначаться по одному из трех классов 1—10,
1—20 и 1—40 по ГОСТу в зависимости от увеличения окуляра.
В остальных случаях чистота оптических поверхностей может
быть назначена по IV—VI классу.
Рабочие чертежи пластин оформляют по общим правилам для
оптических деталей и сборочных единиц (рис. 66). При этом в таб-
лице, помещаемой в правой части чертежа, указывают для цвет-
ных стекол спектральную характеристику, для бесцветных стекол
Дпе и А (пр' — tic) величину допускаемого фокусного расстоя-
ния /min. На поле чертежа в технических требованиях указывают
для светоделительных покрытий одну из следующих характери-
стик (с предельными отклонениями):
отношение коэффициента отражения р к коэффициенту про-
пускания т;
коэффициент отражения р;
коэффициент пропускания т;
среднюю рабочую длину волны света, на которую рассчитано
покрытие, если оно отличается от средней длины волны белого
света (550 мм);
угол наклона падающего светового пучка (при необходи-
мости).
Кроме того, для покрытий-фильтров указывают:
оптическую плотность для нейтральных фильтров;
длину волны Хтпах, отвечающую середине полосы пропускания,
полуширину полосы пропускания и другие характеристики
для интерференционных фильтров.
121
Рис. 66. Пример оформления чертежа светоделителя
11. ДЕТАЛИ ИЗ ВОЛОКОННОЙ ОПТИКИ
Детали из волоконной оптики можно разделить на две группы
по назначению: для передачи изображения и осветительные для
передачи света.
Для передачи света применяют различные гибкие волоконно-
оптические жгуты, которые могут быть помещены в зависимости
от назначения в поливинилхлоридной, силиконовой или металли-
ческой (в виде рукава) защитных оболочках. Волокна в этих жгу-
тах расположены бессистемно, вследствие чего передача изобра-
жения такими волоконно-оптическими жгутами невозможна.
Для передачи изображения применяют волоконно-оптические
жгуты типа Р с регулярным (упорядоченным) расположением
волокон. Жгуты передают изображение в масштабе 1:1. Их
изготовляют в таких же оболочках, что и осветительные жгуты.
Длина волоконно-оптических жгутов может быть от 250 до
1400 мм и более в зависимости от диаметра жгута, его назначения
и вида оболочки. Сечение жгута может быть круглым, квадратным
или прямоугольным.
Для передачи изображения с изменением масштаба изображения
(большей частью его уменьшением) применяют детали из
оптического волокна, называемые фоконами. Фокон изготовлен
из оптических волокон переменного сечения и представляет собой
122
Рис. 67. Детали из волоконной оптики:
а —волоконно-оптический жгут; 6. в — фоконы; г — волоконно-оптическая пластина
усеченный конус, на основание которого выходят торцы волокон
(рис. 67).
В случаях, когда из-за малого расстояния между предметом
и изображением невозможно установить проекционную систему,
применяют пластины из оптических волокон. Форма пластины
может быть различной (круглой, прямоугольной), ее выбирают
конструктивно. Толщину пластины назначают в зависимости от
расстояния от плоскости предмета до плоскости изображения.
Крепление фоконов и круглых пластин из волоконной оптики
осуществляется так же, как круглых деталей — завальцовкой или
с применением закрепительных колец. При этом на оптических
деталях должны быть сняты фаски, обеспечивающие контакт
торца фокона или пластины с плоскостью предмета с зазором,
величина которого оговаривается в оптической схеме. Некруглые
пластины из оптических волокон обычно крепят с помощью пла-
нок или накладок за фаски на пластине (рис. 68).
Крепление волоконно-оптических жгутов в приборах устанав-
ливает отраслевой стандарт. В стандарте оговорены допускаемые
Рис. 68. Крепление фоконов и пластин из волоконной оптики:
а — фокона; б -=- круглой пластины; в — прямоугольной пластины
123
радиусы изгиба жгута в зависимости от типа оболочки, максималь-
ные величины углов изгиба и другие необходимые для закрепления
параметры. Следует помнить, что гибкие жгуты должны быть
в приборе надежно защищены от влияния повышенной влажности.
12. КОНСТРУИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ УЗЛОВ
С ПРИЗМАМИ И ЗЕРКАЛАМИ
Оптические узлы оптико-механических приборов с применением
призм и зеркал очень разнообразны по своему назначению и кон-
структивному исполнению. Ниже рассмотрены некоторые из всего
многообразия оптических узлов.
Бинокулярное плато применяют во всех приборах, в которых
осуществляется наблюдение двумя глазами. К таким приборам
относятся: стереодальномер, стереокомпаратор, стереопланиграф,
стереоавтограф и др.
При конструировании бинокулярного плато приходится учиты-
вать, что расстояние между оптическими осями глаз — так назы-
ваемая глазная база — у различных людей колеблется от 52 до
76 мм. Поэтому основным назначением бинокулярного плато
является обеспечение раздвижки оптических осей установленных
на нем окуляров в указанных пределах с тем, чтобы наблюдатель
мог бы установить их по своей глазной базе. Наиболее часто встре-
чающиеся оптические схемы раздвижки окуляров (рис. 69) вы-
полняют с помощью:
а) ромбических призм; б) прямоугольных призм и другими
способами.
Выбор схемы раздвижки производится при проектировании
с учетом всех требований, предъявляемых к прибору.
Раздвижка окуляров (рис. 69, а) с помощью ромбических
призм широко применяется в различных приборах. Она осущест-
вляется путем вращения ромбических призм вокруг их оптических
Рис. 69. Оптические схемы раздвижки окуляров по базе глаз:
а — ромбическими призмами; б — прямоугольными призмами
124
Рас. 70. Схема раздвижка окуляров с реечным дифференциалом:
1 — окуляр; 2 — рейка; 3 — каретка; 4 — зубчатое колесо; 5 — корпус; 6 — рукоятка
осей на входной грани. Одновременное вращение ромбических
призм на равные углы осуществляется с помощью зубчатой пере-
дачи, связывающей обе окулярные головки плато. Изменение базы
между окулярами целесообразно осуществлять симметрично в обе
стороны от среднего положения.
Система, состоящая из двух прямоугольных и светоделитель-
ной призмы (рис. 69, б), имеет широкое применение в микроско-
пии. Ее особенность состоит в том, что между прямоугольными
призмами, направляющими лучи в окуляры, размещается скле-
енная призма, состоящая из двух прямоугольных призм, на грань
склейки которых нанесено светоделительное покрытие. Система
после раздвижки окуляров требует их подфокусировки. Связь
между окулярами для их одновременной подвижки может быть
выполнена с помощью реечного дифференциала (рис. 70).
В качестве примера конструктивного оформления бинокуляр-
ного плато приведена конструкция наиболее распространенного
типа плато с раздвижкой осей с помощью ромбических призм
(рис. 71).
Световые пучки каждой ветви оптической системы проходят
через отверстия в трубчатой оси 7, призмы-ромб 5 в окуляры 4.
Пружинные шайбы 8, проложенные между зубчатыми сектора-
ми 9 и плато 1, создают момент трения, препятствующий само-
произвольному смещению окуляров из положения, установленного
наблюдателем. Крайние положения окуляров относительно базы
ограничивает упор.
Узлы с призмами и зеркалами для изменения направления
оптической оси прибора. Для изменения направления оптической
оси прибора широко применяют призмы и зеркала. Выбор при-
менения призмы или зеркала определяется конструктивными и
эксплуатационными особенностями прибора, расположением эле-
мента в оптической схеме, диаметром светового пучка и рядом
других факторов.
Различного рода призмы применяют для работы в параллель-
ных пучках, которые имеют место перед объективом или между
линзами оборачивающей системы. Так, в качестве головного отра-
жателя применяют прямоугольную призму в различных периско-
125
пических приборах, особенно если в приборе используется на-
ведение по вертикали (рис. 72). В случаях когда такое наведение
не требуется, может применяться пентапризма. В приборах с вер-
тикальным наведением и обзором через зенит или надир приме-
няют призму-куб (рис. 73). В случаях, когда требуется вращение
изображения (например, в перископических приборах с круго-
вым обзором), применяют призмы Дове (рис. 163) или Пехана
(рис. 53), причем предпочтительнее применение первой, как более
простой по конструкции и изготовлению. В качестве концевых
отражателей дальномеров применяют пентапризмы.
Если пучок, направление которого необходимо изменить, имеет
достаточно большие размеры, то вместо призм должны приме-
няться зеркала. В параллельных пучках зеркало или система
зеркал может применяться в качестве головных отражателей пери-
скопических, приборов (рис. 74) или концевых отражателей даль-
номеров. При конструировании узлов с зеркалами надо помнить,
что некоторые призмы (например, призма Дове, призма-куб и
др.) не могут быть заменены на зеркала.
При наведении прибора по вертикали с помощью качающейся
призмы или зеркала поворот отражающей грани на угол а вызы-
вает поворот изображения на угол 2а независимо от расположения
оси вращения относительно отражающей грани. Однако наимень-
шие размеры призмы или зеркала будут при совмещений их оси
Рис. 71. Конструктивное оформление бинокулярного плато:
1 — плато; 2 — рукоятка диоптрийной наводки; 3 — палец; 4 — окуляр; 5 — призма-
ромб; 6 « корпус; 7 — трубчатая ось; 8 — пружинная шайба; .9 — зубчатый сектор
126
вращения с отражающей гранью.
Поэтому для уменьшения раз-
меров качающихся призм и
зеркал ось их вращения сле-
дует совмещать с отражающей
гранью (см. рис. 72; 74).
В отдельных случаях при
использовании зеркал с целью
сокращения размеров защитного
стекла и отдельных габаритных
размеров прибора ось качания
зеркала размещают не в точке
пересечения его с главной опти-
ческой осью, а с одним из край-
них лучей, верхним или ниж-
ним, ограничивающим поле зре-
ния (см. рис. 74).
В ряде случаев в приборе
требуется изменить направле-
ние оптической оси после объек-
тива, когда идут непараллель-
ные пучки лучей. Для этой
цели применяют различные от-
ражательные призмы: прямо-
Рис. 72. Головной отражатель с приз-
мой:
1 — корпус прибора; 2 — горизонтальный
лимб; 3 — корпус отражателя; 4 — защит-
ное стекло; 5 — барабан с призмой; 6 —
шкала вертикальных углов; 7 — рукоятка
вертикального наведения; 8 — подшипник
с индексом; 9 — червяк; 10 — подпятник;
11 — индекс; 12 — уплотнительное кольцо
угольные, дальномерного типа,
пентапризмы и др. Основным требованием к такому узлу яв-
ляется перпендикулярность осевого пучка входной грани
призмы. В связи с тем, что падающий пучок на входную грань
призмы Дове не удовлетворяет этому условию, призму Дове
не применяют в сходящемся пучке лучей, а заменяют ее приз-
мой Пехана.
По тем же причинам, что и призма Дове, не применяется
в сходящемся пучке призма-куб, если она должна быть исполь-
зована в качестве обзорной. В сходящемся пучке она вызовет
двоение изображения. Применение призмы-куб в сходящемся
пучке между объективом и окуляром возможно только в качестве
светоделителя. В этом случае отражающая грань призмы-куб
располагается под углом 45° к оптической оси, а сама призма не-
подвижна (см. рис. 50, б; 89).
Зеркала в телескопических приборах для работы в сходящемся
пучке лучей, как правило, не применяют, так как они значительно
ухудшают качество изображения за счет астигматизма, вызван-
ного отступлением поверхности зеркала от плоскостности, а если
применяют, то к ним предъявляют жесткие требования по плоско-
стности .
Видоискатели фотоаппаратов. Видоискатель служит для наве-
дения фотоаппарата на объект фотографирования и определения
границ снимаемого кадра. По своей конструктивной схеме видо-
127
искатели можно разделить на три типа: 1) рамочные или иконо-
метры; 2) телескопические; 3) зеркальные.
На одном фотоаппарате может быть несколько видоискателей
(большей частью — два) разных типов, например: иконометр и
телескопический, иконометр и зеркальный.
Иконометр представляет собой две рамки со сторонами,
пропорциональными сторонам снимка, и расставленные на таком
расстоянии между собой, чтобы из центра зрачка глаза через углы
рамок выходил пучок лучей, аналогичный пучку лучей, который
дает объектив (рис. 75).
Зеркальные видоискатели в фотоаппаратах
применяются двух типов. В первом случае видоискатель является
самостоятельным узлом фотоаппарата, состоящим из объектива,
коллектива и зеркала, расположенного под углом 45° к оптической
оси объектива. Во втором типе видоискателей в качестве объек-
тива используется съемочный объектив фотоаппарата. Фотоап-
парат с таким видоискателем называется зеркальным.
В настоящее время получили распространение зеркальные ви-
доискатели с хорошим объективом, в качестве которого исполь-
зуется светосильная ахроматическая линза, и коллективом зна-
чительных размеров, приближающихся к размеру кадра (см.
рис. 75). Такие видоискатели используют в двухобъективных
зеркальных (псевдозеркальных) фотоаппаратах. Видоискатели
этого типа могут иметь устройство для фокусировки съемочного
объектива фотоаппарата. Для этой цели на коллективе в его центре
Рис. 73. Головка вертикального об-
зора с приэмой-куб:
1 — корпус; 2 — призма-куб; 3 — оправа;
4 — зубчатое колесо; 5 — защитное стекло;
6 — сухарик
Рис. 74. Отражатель с качающим-
ся зеркалом:
А — прилив-противовес на оправе
128
Рис. 76. Видоискатель зеркального
фотоаппарата:
] — объектив; 2 — зеркало; 3 — кол-
лектив; 4 — пентапризма; 5 — окуляр
делают матовое пятно, по
которому наводят на резкость
путем перемещения по резьбе
объектива видоискателя, свя-
Рис. 75. Рамочный видоискатель-иконо-
метр и зеркальный видоискатель двух-
объективного фотоаппарата:
1 — передняя рамка иконометра; 2 — боко-
вая стенка шахты; 3 — задняя стенка шахты
с малой рамкой иконометра; 4 — крышка шах-
ты; 5 — пружина; 6 — коллектив; 7 — зер-
кало; 8 — корпус фотоаппарата; 9 — объек-
тив видоискателя; а — схема хода лучей в ико-
нометре
занного со съемочным объективом зубчатой передачей. Для улуч-
шения условий наблюдения за изображением на коллективной
линзе видоискатель снабжают складной светозащитной шахтой,
которая открывается при съемке и закрывается при переноске
фотоаппарата.
Применение съемочного объектива фотоаппарата в качестве
объектива зеркального видоискателя обеспечивает точную фоку-
сировку и оперативный выбор границ кадра в момент съемки
(рис. 76). Расстояние от точки пересечения оптической оси объек-
тива с зеркалом до матовой поверхности коллектива, на которой
образуется изображение в видоискателе, должно быть равно рас-
стоянию от этой же точки до эмульсионного слоя фотопленки.
При срабатывании затвора зеркало убирается из хода лучей и
закрывается окно с коллективом в корпусе фотоаппарата.
Очень часто в зеркальных аппаратах применяют призменный
монокуляр (см. рис. 76), состоящий из пентапризмы с крышей и
окуляра с увеличением 3—5 крат. Такая конструкция видоиска-
теля зеркального фотоаппарата обеспечивает удобство практически
при всех видах съемки.
Телескопические видоискатели состоят из
двух линз: объектива и окуляра (см. рис. 77 и 78, а). В болыпин-
5 Плотников В. С.
и Др.
129
стве случаев применяют обратную систему Галилея, в которой
роль объектива выполняет отрицательная линза, а окуляра —
положительная. Увеличение такого телескопического видоиска-
теля Г обычно бывает от 0,5 до 0,7.
Для конструирования телескопического видоискателя должны
быть заданы: увеличение Г, углы поля зрения по вертикали "ив
и горизонтали сог, толщина по оси d и расположение выходного
зрачка z относительно окуляра. Зрачок выхода 2р" выбирают
обычно 2—3 мм диаметром с тем, чтобы полностью использовать
при работе с видоискателем светосилу глаза. В малоформатных
фотоаппаратах толщина по оси большей частью равна размеру
фотоаппарата по толщине, уменьшенному на 2—3 мм, для фото-
аппаратов крупного и среднего формата расстояние d выбирают
конструктивно. Углы сов и иг определяют по формулам
tg ®В = 2/т- (38)
и
tg Йг = 2JT- ,
где а — вертикальная сторона снимка; b — горизонтальная сто-
рона снимка; Д — фокусное расстояние объектива фотоаппарата,
ифэкругляют в сторону уменьшения до целых градусов. Удаление
зрачка выхода г2 выбирают при конструировании в пределах
3—5 мм, так как при меньшем трудно пользоваться видоискате-
лем людям, носящим очки, а при большем затруднено совмещение
зрачка глаза со зрачком выхода видоискателя.
При габаритном расчете телескопического видоискателя (см.
рис. 77) определяют фокусные расстояния объектива /об и оку-
ляра /ок, положение входного зрачка zb а также его диаметр 2р'
и размеры линз — диаметр окуляра и стороны Ьв и Ь„ линзы
объектива по вертикали и горизонтали (объектив обычно имеет

Рис. 77. Телескопический видоискатель:
а — складной; б — схема к габаритному расчету; 1 — объектив; 2 — окуляр
130
прямоугольную форму со сторонами, пропорциональными раз-
меру кадра).
Для телескопической системы видоискателя справедливы вы-
ражения: d — f об + fox, г _ fos (39) /;к ’ J
откуда /;к = ст и /'б = -г/;к. (40)
Положение зрачков входа и выхода определяют из формулы
линзы:
1,1 — 1.
«2 ’’’ Z2 f'0K ’
*1 4 /об
(41)
Величину отрезка г{ в системе выражений (41) определяют по
формуле перехода
= ^2 + d. (42)
При решении системы уравнений (41) и (42) определяют поло-
жение зрачка входа относительно объектива видоискателя, а
диаметр его определяют из выражения
2р' = 2р"Г. (43)
Стороны прямоугольной объективной линзы видоискателя на-
ходят из выражений:
br = 2Zi tg сог + 2р';
&в = 2гг tg сов + 2р'. (44)
Так как углы поля зрения в пространстве предметов и в про-
странстве изображений связаны между собой через увеличение,
то
tg со; = tg согГ;
tgco; = tgcoBr. (4Ь)
Световые размеры линзы окуляра или диафрагмы прямоуголь-
ной формы определяют из выражений:
Ъ'г = 2z2 tg со; + 2р’;
&; = 2z;tgco; + 2p" (4Ь)
и световой диаметр
£ioK = K(WTW (47)
Б*
131
Удаление зрачка глаза. 10 мм
диаметр зрачка Змм
Размер сВетоВой. рамки. 8;'t * 5,8 мм
Угловое поле зрения
ранки ' 26°* 38° '
Рис. 78. Телескопический видоискатель со светящейся рамкой:
а — общий вид; б — оптическая схема; в — вид поля зрения; / — окуляр; 2 — объектив;
3 — светоделительная призма-куб; 4 — коллиматорная линза; 5 — призма; 6 — рамка-
маска; 7 — защитное стекло
По полученным световым размерам линз определяют их пол-
ные размеры и выбирают способ крепления. Крепление объектив-
ной линзы видоискателя может осуществляться приклеиванием,
планками или другим способом, выбираемым при проектировании.
Окулярная линза большей частью крепится в отдельной оправе
завальцовкой.
Выбор конструктивного оформления телескопического видо-
искателя производится при проектировании в зависимости от типа
и габаритных размеров фотоаппарата.
Так как изображения снимаемого предмета и оправы объектива
видоискателя, ограничивающей фотографируемый кадр, находятся
132
на разных расстояниях и не могут быть резко видимы одновременно,
снижается точность наведения фотоаппарата. Для устранения
этого недостатка в фотоаппаратах применяют видоискатели с про-
екционными системами, которые с помощью коллиматорной линзы
и светоделительной призмы проектируют в поле зрения видоиска-
теля изображения рамки (рис. 78).
Очень часто для удобства в работе в малоформатных фотоаппа-
ратах телескопический видоискатель объединяют вместе с дально-
мером.
Дальномеры фотоаппаратов. Дальномеры в фотоаппаратах
предназначены для определения расстояния до фотографиру-
емого предмета. В современных фотоаппаратах дальномер сопря-
жен с помощью механизма с объективом и поэтому одновременно
с измерением расстояния производится фокусировка объектива на
снимаемый предмет.
Принцип работы дальномера основан на том, что если на
один и тот же предмет посмотреть с двух разных точек одновре-
менно, то между направлениями визирования образуется угол <р,
называемый параллактическим углом (рис. 79). Расстояние В
между точками визирования называется базой дальномера. Из
треугольника, образуемого базой и предметом, видно, что расстоя-
ние до снимаемого предмета
L = -^-
tg<P ’
(48)
Рае. 79. Схема дальномера фотоаппарата:
а —- изображение в поле зрения дальномера предмета, находящегося на конечном рас-
стоянии, до наведения|об-ьектива на резкость; б — изображение предмета после наведе-
ния объектива на резкость; 1 н 2 -- концевые отражатели; 3 — окуляр
133
Рис. 80. Дальномер с вращающейся призмой:
а — конструктивное оформление; б — схема; 1 — светоделительное зеркало; 2 — за-
щитное стекло; 3 — пружина; 4 — объектив видоискателя; 5 — рычаг с призмой; 6 —
юстировочный клин; 7 — окуляр видоискателя; 8 — промежуточный рычаг с кулачком;
9 — окуляр дальномера; 10 — объектив фотоаппарата
Так как угол ф мал, то в выражении (48) тангенс угла можно
положить равным углу ф (в радианах).
Тогда выражение (48) примет вид
L=V- <49>
Как видно из выражения (49), для того чтобы измерить рас-
стояние L до снимаемого предмета, достаточно измерить парал-
лактический угол ф, так как между L и ф существует обратно
пропорциональная зависимость.
В фотоаппаратах применяют простейшие монокулярные даль-
номеры, основные принципы устройства которых заключаются
в следующем (см. рис. 79). На концах базы В под углом 45° к ней
расположены две отражающие поверхности 1 и 2, называемые
концевыми отражателями. Ими могут быть зеркала или грани
призм. Поверхность 1 — полупрозрачная с нанесенным на нее
светоделительным слоем. Благодаря этому при наблюдении в оку-
ляр 3 на отражающей поверхности 1 видно два изображения. Когда
предмет находится в бесконечности, то лучи а и b параллельны
между собой и после отражения от поверхностей 2 и 1 луч Ь'
совпадает с лучом а , прошедшим через полупрозрачный слой по-
верхности 1.
Если же предмет находится"на'конечном расстоянии, то лучи
а и bi образуют между собой угол ср, а их изображения а\'и bi
не совпадают между собой. Для того чтобы изображения а' и Ь]
совпали, необходимо луч Ь\ повернуть на угол ср. Для этой цели
в дальномере применяют различные компенсаторы —- вращающу-
юся призму или зеркало (рис. 80), цилиндрические линзы (рис. 81),
334
Рис. 81. Дальномер с цилиндрическими линзами:
а — схематическое устройство; б — схема работы компенсатора; 1 — окуляр; 2 — объек-
тив видоискателя; 3 —дополнительная призма; 4 — призма-ромб; 5 — ведущее кольцо
объектива; 6 — зубчатое колесо; 7 — червяк; 8 — червячное колесо; 9 — рукоят-
ка; 10 — зубчатое колесо; 11 — ведущий рычаг; 12 — отрицательная цилиндрическая
линза; 13 — положительная лиаза; 14 — рычаг компенсатора; 15 — ось рычага компен-
сатора
пару вращающихся клиньев (рис. 82) и др. Обычно перемещение
объектива фотоаппарата для фокусировки на снимаемый предмет
и перемещение компенсатора для измерения угла <р производятся
одновременно, для чего между дальномером и объективом распола-
гается рычажно-кулачковый (рис. 80) или зубчатый (рис. 82)
механизмы, которые обеспечивают связь между условием фоку-
сировки объектива, определяемым формулой Ньютона:
Рис. 82. Дальномер с парой вращающихся
клиньев:
а — кинематическая схема; б — схема хода
лучей; 1 — оправа объектива; 2 — рукоятка;
3 — зубчатое колесо; 4 и 5 — оптические
клинья в оправах; 6 — призма-ромб; 7 — до-
полнительная призма
Рис. 83. Рычажная система даль-
номера складного фотоаппарата:
1 — оправа с цилиндрической по-
ложительной линзой; 2 — оправа
с цилиндрической отрицательной
линзой; 3 — пружина; 4 — рычаг
компенсатора; 5 — ведущий рычаг;
6 — пружина; 7 — тяга; 8 — ле-
кало; 9 — юстировочный винт;
10 — объектив с поводком
135
и условием измерения параллактического угла <р по выражению
(49).
При конструировании дальномера базу его В выбирают кон-
структивно, исходя из наличия места на фотоаппарате. Обычно
В = 35 4-100 мм. Для дальномеров с базой свыше 70 мм рекомен-
дуется схема с применением ромб-призмы, обеспечивающая при
этом наименьшие его габариты при хорошем качестве изобра-
жения.
Вид связи компенсатора дальномера с объективом определяется
при выборе схемы дальномера. Для складных фотоаппаратов мо-
жет применяться рычажная система, подобная приведенной на
рис. 83. Расчет такой системы целесообразно производить графи-
ческим методом.
Для расчета рычажной системы дальномера с вращающейся
призмой (см. рис. 80) должен быть задан ход дальномерного торца
объектива. Соотношение плеч рычагов для получения угла пово-
рота призмы выбирают конструктивно, исходя из хода объектива.
Для определения передаточного отношения зубчатой передачи
в дальномере с парой вращающихся клиньев должен быть задан
угол поворота объектива.
При конструировании дальномера всегда необходимо преду-
сматривать устройства для его юстировки на дистанцию, устране-
ния двоения изображения по высоте, устранения наклона изоб-
ражения и его увода. Для этой цели могут быть использованы
подвижки элементов конструкции с помощью установочных
винтов или другим способом (см. рис. 80, 83).
Глава 12
КОНСТРУИРОВАНИЕ ОКУЛЯРОВ
1. ТИПЫ ОКУЛЯРОВ. ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ
Окуляром называется оптический узел, служащий для рас-
сматривания изображения, даваемого объективом или другой пре-
дыдущей оптической системой. По своему назначению и конструк-
тивным особенностям окуляры разделяют на: 1) окуляры телеско-
пических систем; 2) окуляры микроскопов; 3) автоколлимационные
окуляры.
В качестве окуляров телескопических систем используют
окуляры: Рамсдена, Кельнера, Эрфле первого и второго рода,
симметричный, широкоугольный и др.
В микроскопах в качестве основного типа применяют окуляр
Гюйгенса и ряд других, предназначенных для узких целей микро-
скопии.
В качестве автоколлимационных окуляров применяют окуляр
Кельнера с куб-призмой и двумя сетками, окуляр Аббе, окуляр
Гаусса и др.
136
Рис. 84. Оптические схемы некоторых окуляров:
а — Рамсдена; б — Кельнера; в — Эрфле первого рода; г — Эрфле второго рода; д —
симметричный; е — широкоугольный; ж — Гюйгенса
Оптические схемы некоторых окуляров телескопических си-
стем и микроскопов приведены на рис. 84, автоколлимационных —
на рис. 85.
На выбор типа окуляра и конструкцию его оправы существенно
влияют назначение прибора и условия его эксплуатации. Так
в полевых биноклях и геодезических инструментах, где большое
значение имеет масса прибора, применяются большей частью оку-
ляры Кельнера с возможностью диоптрийной наводки. Для при-
боров, работающих в условиях повышенной влажности или вра-
щающихся при работе, должны применяться окуляры с внутрен-
ней фокусировкой. В приборах, в которых для уменьшения влия-
ния постороннего света применяется несимметричный наглазник,
Рис. 85. Оптические схемы автоколлимационных окуляров:
а — с куб-призмой и двумя сетками; б — окуляр Аббе; в — окуляр Гаусса
13Z
недопустимо при наводке окуляра на резкость вращение его оп-
равы.
В измерительных микроскопах и геодезических инструментах
не может применяться окуляр Гюйгенса, так как из-за располо-
жения у него переднего фокуса между линзами невозможно при-
менение сетки.
Ниже рассмотрены особенности конструкций некоторых ти-
пов окуляров.
2. КОНСТРУИРОВАНИЕ ОКУЛЯРОВ ТЕЛЕСКОПИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Окуляры телескопических систем предназначены для рас-
сматривания изображения, даваемого объективом, и сетки, рас-
положенной в плоскости изображения. В связи с тем, что с при-
бором могут работать люди, страдающие аметропией глаз (близо-
рукостью или дальнозоркостью), для резкого видения изображе-
ния и штрихов сетки необходимо смещать фокальную плоскость
окуляра от ее нормального положения. В случае близорукости это
смещение будет направлено в сторону сетки, а в случае дальнозор-
кости— от сетки. Поэтому при конструировании окуляров не-
обходимо учитывать необходимость подвижки окуляра для его
фокусировки. Смещение окуляра обычно рассчитывается, исходя
из аметропии глаза +5 или ±7 диоптрий.
Перемещение окуляра для фокусировки (рис. 86) произво-
дится в тубусе 1 окулярного колена прибора на окулярной резьбе.
Окулярная резьба — это специальная мелкая многозаходная
трапецеидальная резьба, которая обеспечивает большое переме-
щение с малым углом поворота и легким и плавным ходом окуляра.
Длина резьбы в тубусе окулярного колена и на корпусе 2 окуляра
должна быть такой, чтобы обеспечить перемещение окуляра от его
среднего положения в обе стороны. При этом должны быть уч-
тены требования юстировки окуляра, так как его фокусное рас-
стояние выдерживается с допуском +2 %. В связи с этим, а также
для того, чтобы исключить качку за счет допускаемых зазоров
резьбы, длину резьбовой части корпуса окуляра устанавливают
менее 4—5 шагов резьбы.
Вращение окуляра на резьбе при его перемещении осуществ-
ляется соединительной муфтой 3, укрепленной на корпусе 2 с по-
мощью трех установочных винтов 4, которые своими коническими
концами, упирающимися в фаску корпуса, притягивают соеди-
нительную муфту к корпусу. На соединительной муфте на резьбе
установлена диоптрийная шкала 6 с нанесенными на ней деления-
ми. Для удобства пользования окуляром и защиты глаза от по-
стороннего света на соединительную муфту 3 навернут наглазник 5.
Описанная конструкция окуляра проста, но она имеет недоста-
ток, заключающийся в том, что при перемещении окуляра для фо-
кусировки происходит его вращение, а вместе с ним и вращение
наглазника. В такой конструкции невозможно применение несим-
138
Рис. 87 ^Окуляр телескопической системы с не-
симметричным. наглазником
Рис. 86. Окуляр телескопи-
ческой системы
метричного наглазника, исключающего попадание постороннего
света в глаз и облегчающего работу с прибором. Кроме того, эта
конструкция не может обеспечить полной герметизации и приме-
няется в приборах, в которых исключено попадание влаги через
окуляр.
Для обеспечения возможности установки несимметричного
наглазника следует применять конструкции с поступательным
перемещением окуляра 1 на скользящей шпонке 2, в качестве ко-
торой применен цилиндрический штифт (рис. 87). В такой кон-
струкции вращается на резьбе только ведущее кольцо 3, связанное
с корпусом окуляра винтом 4 и сухарем 5, заложенным в кольце-
вой паз корпуса.
При перемещении описанных выше окуляров происходит сме-
щение выходного зрачка прибора. Это исключает или, во всяком
случае, затрудняет применение налобника, что особенно важно
для приборов, вращающихся при работе. Кроме того, для такого
окуляра при наличии налобника затруднено пользование диоп-
трийной шкалой.
Таких недостатков не имеют окуляры с внутренней фокуси-
ровкой (рис. 88). В этой конструкции глазная линза 5, установлен-
ная в оправе 4 на корпусе окуляра 3, неподвижна.
Оправа с фокусирующим элементом 2 перемещается в корпусе 3
с помощью кремальеры 1, состоящей из трибки и зубчатой рейки,
по скользящей шпонке 7 относительно сетки 6. Фокусировка
в этой конструкции осуществляется за счет изменения воздуш-
ного промежутка между линзами окуляра.
Герметизацию всех видов окуляров производят установкой
глазной линзы на замазке, большей частью для этой цели приме-
няют полутвердые замазки или герметик УТ-32. Для герметиза-
ции вращающихся частей применяют сальники — на оси кремаль-
еры, на диоптрийной шкале или внутри окуляра (см. рис. 87).
Сальниковые уплотнения делают из приборного войлока, пропи-
танного консистентной смазкой, незамерзающей при минус 60 °C.
139
Рис. 88. Окуляр с внутренней фокусировкой
Рис. 89. Автоколлимсщионный окуляр:
1 — осветитель; 2 — сетка; 3 — установочных^: винт; 4 — сетка; 5 — окуляр; 6 — кор-
пус призмы; 7 — светоделительная призма; 8— накладка; 9 — корпус; 10— юстировочные
кольца
140
Автоколлимационные окуляры применяют в большинстве
своем в зрительных автоколлимационных трубках, являющихся
телескопическими системами и используемых для сборки и юсти-
ровки оптико-механических приборов. В этих окулярах изображе-
ние сетки, подсвеченное лампочкой, проектируется через объектив
трубы на зеркало и, отраженное от него, наблюдается в окуляр.
Для этой цели в автоколлимационном окуляре применяют свето-
делители (см. рис. 85) и устройства для подсветки сетки.
Автоколлимационные окуляры (рис. 89) отличаются от оку-
ляров телескопических систем наличием осветителя 1 и светодели-
теля, роль которого может выполнять куб-призма 7 или зеркало.
Сетки 2 и 4 в окулярах с куб-призмой должны быть сопряжены
с точностью ±0,2 диоптрии подрезкой юстировочных колец 10.
3. РАСЧЕТ ДИОПТРИЙНОЙ ШКАЛЫ И ОКУЛЯРНОЙ РЕЗЬБЫ
Для быстрой установки окуляра с учетом аметропии глаза
служит диоптрийная шкала окуляра (см. рис. 86). Пользуясь диоп-
трийной шкалой,наблюдатель, зная аметропию своего глаза, дол-
жен установить соответствующее деление диоптрийной шкалы
против индекса на окулярном колене прибора или корпуса оку-
ляра.
Деления диоптрийной шкалы обычно наносят через одну диоп-
трию с оцифровкой каждого деления в обе стороны от нулевого
деления, соответствующего нормальному глазу.
Диоптрийную шкалу и окулярную резьбу рассчитывают одно-
временно, так как они взаимосвязаны.
Диаметр окулярной резьбы dp выбирают при конструировании
окуляра по ГОСТ 5359—77, а по выбранному диаметру опреде-
ляют шаг резьбы Р.
Расчет выполняют в две стадии — предварительный, когда
определяют число заходов резьбы, и окончательный, когда по рас-
считанному числу заходов п определяют угол поворота шкалы Р
и угловое расстояние между штрихами а.
В ходе предварительного расчета задаются углом рпр, который
обычно выбирают в пределах от 270 до 320°. Угол менее 270°
нежелателен, так как требуется большое число заходов окуляр-
ной резьбы, а расстояния между штрихами на шкале будут не-
большими. Угол рпр более 320° брать не следует, так как при окон-
чательном расчете он может увеличиться и произойдет замыкание
шкалы до 360° и даже больше, что недопустимо.
Число заходов окулярной резьбы определяют по формуле
где N — число делений шкалы; Р — шаг окулярной резьбы;
Р„р — предварительный угол поворота диоптрийной шкалы;
/ок —фокусное расстояние окуляра.
141
Число делений шкалы N равно сумме абсолютных величин
заданных значений аметропии:
N = | + | -ЛЛ|. (52)
Если |+Л^| = |—Лд|, т. е. заданы симметричные значения
аметропии, что
N = 2ЛЛ. (53)
Число заходов резьбы п, полученное из расчета по формуле
(51), округляют до ближайшего целого числа заходов, имеюще-
гося в ГОСТ, после чего производят окончательный расчет угла
поворота диоптрийной шкалы р по формуле
= 36(W (f'0Kf
Р 1000/iP
Для определения углового расстояния а между штрихами
диоптрийной шкалы, которое должно быть задано в чертеже для
ее изготовления, необходимо полученный угол р разделить на
число делений шкалы:
В

N ’
(55)
4. окуляры микроскопов
В микроскопе в качестве основного типа окуляра применяют
окуляр Гюйгенса. Значительно реже применяют другие типы оку-
ляров — Кельнера, компенсационные, фотографические и др.
Окуляр Гюйгенса (рис. 90) состоит из двух линз —глазной 1
и коллектива 2, завальцованных в оправы. Оправы с линзами уста-
новлены на резьбе в тубусе 3 окуляра. Диафрагма поля зрения 4
в окуляре Гюйгенса помещается между линзами и удерживается
1
023fS
Рис. 90. Окуляр Гюйгенса
142
Рис. 91. Специальные окуляры микроскопов
в корпусе на трении. Положение диафрагмы поля зрения относи-
тельно линз определяется оптическим расчетом.
Окуляр Гюйгенса не имеет устройства для фокусировки, по-
следняя осуществляется подвижкой всего тубуса микроскопа.
Исключение представляют измерительные окуляры Гюйгенса и
Кельнера. Измерительный окуляр Гюйгенса (рис. 91, а) состоит
из корпуса 1, в котором жестко на резьбе установлена оправа 2
с коллективом 3 и измерительной сеткой 4. Измерительная сетка
окуляра помещается на месте диафрагмы поля зрения. Глазная
линза 5, закрепленная в оправе 6, может перемещаться относи-
тельно корпуса окуляра на окулярной резьбе для фокусировки
ее на сетку.
На рис. 91, б в качестве примера приведена конструкция ком-
пенсационного окуляра, который применяется с определенным
типом объектива и служит для компенсации его аберраций.
Корпуса всех окуляров микроскопов имеют гладкий посадоч-
ный диаметр. Диаметр корпуса стандартизован и равен 23 мм с до-
пуском /9 (Х3). Ответное отверстие в окулярном тубусе микро-
скопа для удобства установки окуляра имеет диаметр
23,2 ЯП (Л4). Для фиксации окуляра в осевом направлении слу-
жит опорный буртик на оправе глазной линзы (см. рис. 90) или
на корпусе окуляра (см. рис. 91, а).
5. СЕТКИ И ШКАЛЫ
Сетки и шкалы (рис. 92) представляют собой плоскопараллель-
ные пластинки с нанесенными на них перекрестиями или деле-
ниями и служащие для наведения оптического прибора или изме-
рения какой-либо величины, например угла, длины и т. п.
Сетки и шкалы устанавливают в плоскости изображения опти-
ческой системы. В связи с этим к сеткам предъявляют особые тре-
бования по чистоте обработки поверхности, к пузырности и бес-
свильности оптического стекла. В материале сетки пузыри не
допускаются и стекло по пузырности назначается 1-й категории,
по бессвильности стекло, из которого изготавливается сетка,
должно удовлетворять 2-й категории, классу В.
Диаметры и толщины сеток стандартизованы. В случаях, когда
стандартные размеры сеток не могут быть использованы при кон-
струировании, следует толщину сетки назначать равной 1/8—•
1/12, но не менее 1/15 диаметра. Сетки толщиной менее 1,5 мм
делать не рекомендуется.
Допускаемые отклонения на диаметры сеток назначаются с до-
пуском /9 (Х3), для сеток, у которых имеется возможность юсти-
ровки в "приборе, допуск на диаметр может быть расширен до
dll (Х4). В случае особой точности в установке сетки на диаметр
должен быть установлен допуск /i8 (С3). Допуски на толщину сетки
должны назначаться симметричными.
К*-’ Отклонения от плоскостности поверхностей сетки и клиновид-
ность ее практически не влияют на качество изображения опти-
143
Рис. 92. Основные виды
сеток\
I — визирные: а, б, в, г --
прицельных приборов; д —
геодезического инструмен-
та; 11 — измерительные:
е — микроскоп-микромет-
ра; ли — окулярного микро-
метра; 9 — шкалы измери-
тельного микроскопа
ческой системы. Поэтому допуски на неплоскостность поверхно-
стей сетки задаются в пределах 10—15 полос при подгонке под
пробное стекло, а клиновидность заготовки может быть от 10
до 15'.
Материал сетки должен выбираться в соответствии со спосо-
бами нанесения делений. При гравировке сетки алмазным резцом
может быть выбрано любое оптическое стекло. Для изготовления
сетки фотопутем назначают стекло К 8 или KJ08.
Если сетку предполагается изготовлять травлением, то дол-
жен быть взят баритовый крон BKJ0 или БК6. Можно в этом слу-
чае использовать и флинты Ф6 и БФ24.
Толщина штриха сетки, видимая после окуляра, не должна
быть в угловой мере меньше, чем разрешающая способность глаза,
т. е. менее 1'. Исходя из этого условия, минимальную толщину
штриха сетки определяют из выражения
^min — okj (56)
где 8 —разрешающая способность глаза 1', выраженная в ра-
дианах— 0,00029; /ок—фокусное расстояние окуляра.
Кроме этого условия, толщина штриха сеток прицельных при-
боров и геодезических инструментов в пространстве предметов
не должна быть более а = 0,5' или 0,00014 в радианной мере,
так как большая толщина штриха затрудняет точное наведение
прибора, т. е. (рис. 93)
= (57)
где Дб — фокусное расстояние объектива; а — угол в простран-
стве предметов, закрываемый штрихом сетки; tg а = 0,00014.
После расчета толщины штриха по формуле (57) необходимо
выполнить проверку по выражению (56). Если эти условия будут
144
выполнены, то будет обеспечено четкое различение штрихов сетки
на фоне наблюдаемых предметов. В случае, если при проверке ока-
жется, что рассчитанная по формуле (57) толщина штриха не удов-
летворяет условию (56), то толщина штриха должна быть опреде-
лена по выражению (56).
Очень часто в визирных сетках прицельных приборов делают
разрыв в центре перекрестия, обеспечивающий точность наведе-
ния и удобство наблюдения за целью (см. рис. 92, б — г). Величину
разрыва обычно делают в 3—4 тысячных дистанции. Для изготов-
ления сетки рассчитывают линейную величину разрыва, которую
находят из выражения
где п — угловая величина разрыва в тысячных дистанции; Дб —
фокусное расстояние объектива.
При расчете дальномерной сетки геодезического инструмента
(см. рис. 92, <Э) расстояние между дальномерными штрихами,
расположенными выше и ниже среднего штриха, рассчитывают по
формуле
7’ = ^, (59)
где Дб — фокусное расстояние объектива; К — коэффициент
дальномера 100 или 200.
Конструктивной особенностью сеток ночных приборов является
необходимость подсветки их штрихов (рис. 94) с помощью электри-
ческой лампочки. Для этой цели цилиндрическую поверхность
заготовки сетки полируют до шероховатости с Rz 0,05—Rz 0,1.
Штрихи сетки наносят травлением и для лучшего отражения
света заполняют краской.
Пример выполнения рабочего чертежа сетки приведен на
рис. 95. Как и на чертежах других оптических деталей, на чер-
теже сетки в правом углу помещена табличка с требованиями к
Рис. 93. К расчету ширины штриха визирных
«Д сеток
Рис. 94. Схема подсветки сетки
145
21 0,3
Me
ЯднброЗН.
^Олуче'др.
1%
'W
JT
"сйетспогл
ОЗёсдЗильн.
Тдузырность
Я
Л //
____Р
ЭТ7
~Г
28
1-20
2_[_ъг'
1. Ширина штрихов - 0,015 1 0,003мм
2.Разность штрихов по ширине у одной детали не долее 0,003мм
3 Разность штрихов по длине у одной, детали не более 0,015мм
5. Отклонение расстояний от начального штриха до любого
другого не более 0,005мм
5.Шрифт 0,5 по ТУ.. .
б Штриха а цифры изготовить
фотопутем по инетрукции. .
Фан светлый, штрихи и
цифры темные
Рис. 95. Пример выполнения рабочего чертежа сетки
стеклу, изготовлению детали и другими необходимыми данными.
В технических требованиях на поле чертежа указывают требо-
вания к ширине штрихов, их взаимному расположению, метод
получения штрихов и надписей. Если штрихи и цифры сетки вы-
полняются травлением или резцом, то указывают также «запуск»,
которым они заполняются.
6. СПОСОБЫ КРЕПЛЕНИЯ СЕТОК
Крепление круглых сеток в оправах производят завальцовкой
или резьбовым кольцом по аналогии с креплением линз (см. гл. 10).
Установка оправы с сеткой имеет существенное значение и
это следует учитывать при конструировании. В большинстве при-
цельных приборов оправу с сеткой закрепляют в корпусе прибора
или его окулярном колене резьбовым кольцом без возможности
ее юстировки в условиях эксплуатации (см. рис. 87; рис. 96, а).
Совмещение центра перекрестия с оптической осью системы
в этом случае производится за счет применения эксцентриковых
оправ объектива (см. гл. 13). Для выверки линий сетки относи-
тельно вертикальной или горизонтальной плоскостей используют
возможность поворота оправы с сеткой относительно корпуса
прибора до окончательной затяжки резьбового кольца. Для об-
легчения выполнения поворота сетки в ее оправе целесообразно
делать отверстия или шлицы под ключ.
146
В ряде случаев не имеется возможности совмещать оптическую
ось системы с перекрестием сетки за счет перемещения объектива
на эксцентриковых оправах, например, в геодезических инстру-
ментах, специальных окулярах измерительных микроскопов и
т. д. В таких приборах для совмещения оптической оси системы
с перекрестием сетки применяют подвижку оправы с сеткой в двух
взаимно перпендикулярных направлениях. Для этой цели приме-
няют специальные оправы сеток (рис. 96, б, в). При конструиро-
вании приборов с подвижкой сетки могут применяться два спо-
соба крепления сетки: при первом перемещение осуществляется
только при сборке и юстировке прибора или при его ремонте,
при втором — в процессе эксплуатации. Первый способ крепле-
ния применяется, как правило, в лабораторных приборах, не ис-
пытывающих толчков и ударов при эксплуатации и транспорти-
ровке. Сетки этих приборов юстируют при сборке прибора и до-
ступ к ним после окончательной сборки прибора невозможен.
Такая конструкция изображена на рис. 96, б. В ней оправа 1
с сеткой на трении установлена в промежуточную оправу 2. За
счет зазоров между корпусом 3 и оправой 2 с помощью четырех
юстировочных винтов 4 сетка может центрироваться относительно
оси вращения корпуса. Окончательно отъюстированная оправа
с сеткой оказывается зажатой юстировочными винтами от попереч-
Рис. 96. Крепление сеток:
а — крепление сетки в окулярном колене орудийной панорамы: 1 — оправа с сеткой;
2 — тубус окулярного холена; 3 — закрепительное кольцо; 4 — окуляр; бив — креп-
ление юстируемой сетки (б — лабораторного прибора; в — полевого прибора); 1 — оп-
рава с сеткой; 2 — промежуточная оправа; 3 — корпус; 4 — юстировочный винт; 5 —•
установочный винт; 6 — предохранительная крышка
147
кого перемещения, а от продольного перемещения ее предохраняют
затянутые до отказа установочные винты 5.
Второй способ крепления сетки применяют во многих полевых
приборах и инструментах, которые к месту работы доставляются
различными видами транспорта и перед работой проверяются
и при необходимости юстируются. В таких приборах к юстиро-
вочным винтам сетки (рис. 96, в) должен быть обеспечен удобный
доступ. Для предохранения головок винтов от случайных повреж-
дений иногда их закрывают предохранительной крышкой 6.
7. НАГЛАЗНИКИ И НАЛОБНИКИ
Для удобства совмещения зрачка глаза с выходным зрачком
оптической системы прибора, для защиты глаза от воздействия
постороннего света, а в полевых приборах также от ветра и дождя
служат наглазники. Наглазники бывают жесткие и мягкие.
Жесткие наглазники (рис. 97) устанавливают на окулярах раз-
личных лабораторных и полевых приборов, не испытывающих
толчков и тряски — астрономических, геодезических, полевых
и театральных биноклей и т. д.
Наглазники изготовляют из различного рода пластмасс —
эбонита или фенопласта. Наибольшее распространение имеют фено-
пласты черного цвета. Жесткие наглазники стандартизованы;
их выбирают в зависимости от требований к работе прибора и его
внешнему виду. При выборе размеров и формы наглазников необ-
ходимо также учитывать необходимость работы с прибором в оч-
ках или в противогазе. В приборах, предназначенных для работы
без противогаза, входной зрачок системы должен совпадать с плос-
костью, проходящей через наружный торец наглазника, а в при-
борах, служащих для наблюдения в противогазе или очках, вы-
ходной зрачок системы должен быть вынесен за пределы наглаз-
ника на 5—8 мм.
Мягкие наглазники в дополнение к обычным функциям за-
щищают глаз наблюдателя от ударов и вибраций. Кроме того,
они применяются в поворотных приборах (дальномерах и др.),
морских биноклях и т. д.
Типы мягких наглазников разнообразны. Форма их зависит
а — для крепления на окуляре кольцом;
Рис. 97. Типы жестких наглаз- 6 - «ля кРепления на буртике оправы
окуляра; в — упругим симметричны!»; г —
Никое упругий несимметричный
148
Рис. 99. Составные мягкие наглаз-
ники:
а — несимметричный; б — симметрич-
ный; в — с кожаной обтяжкой; г —
кольцо к наглазнику; 1 — губчатая ре-
зина; 2 — вулканизированная резина;
3 — металлическое кольцо; 4 — кожа-
ная обтяжка
Рис. 100. Налобники:
а — для опоры головы; б — для опоры
головы и защиты от постороннего света
от назначения прибора. По своей конструкции мягкие наглазники
разделяются на простые и составные.
Простые мягкие наглазники (рис. 98, а, б) изготовляют из
вулканизированной резины различных сортов. Для закрепления
простых мягких наглазников используется буртик на оправе оку-
ляра и кольцевая канавка в наглазнике или специальное закрепи-
тельное кольцо.
К мягким наглазникам относятся упругие наглазники, изго-
товляемые в форме гармошки (рис. 98, в, г) — симметричные и
несимметричные.
Составные мягкие наглазники изготовляют из вулканизиро-
ванной и губчатой резины (рис. 99, а, б) или из губчатой резины
с обтяжкой из кожи (рис. 99, в). В последнем случае в конструк-
ции наглазника применяется металлическое кольцо для его креп-
ления на оправе окуляра.
Налобники размещаются над окулярами и создают опору го-
лове, обеспечивая удобство в работе с поворотными приборами.
Формы и типы налобников разнообразны. Наиболее часто встре-
чающаяся конструкция налобника (рис. 100) состоит из подушки,
изготовленной из резины, иногда обтянутой кожей. К основанию
налобника прикрепляется металлическая фигурная планка, слу-
жащая для крепления налобника к прибору.
149
Глава 13
КОНСТРУИРОВАНИЕ ОБЪЕКТИВОВ И КОНДЕНСОРОВ
Объективом называется оптическая система или ее часть, слу-
жащая для получения действительного изображения предмета.
Объектив — это основная часть оптического прибора, от его ка-
чества зависит качество оптической системы в целом. Поэтому
при конструировании объективов должно быть уделено особое
внимание обеспечению качественной сборки и сохранению постоян-
ства взаимного расположения элементов объектива в процессе
эксплуатации.
По схеме оптики все объективы можно разбить на три типа:
1) линзовые; 2) зеркальные; 3) зеркально-линзовые.
По назначению объективы разделяют на следующие три основ-
ные группы: 1) объективы телескопических систем; 2) объективы
фотографические; 3) объективы микроскопов.
Группа объективов телескопических приборов включает все
три типа объективов. Две другие группы, как правило, бывают
линзовыми и, значительно реже, зеркально-линзовыми.
1. ОБЪЕКТИВЫ ТЕЛЕСКОПИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Телескопические системы широко применяются в приборах
и инструментах. Они являются основной частью различных гео-
дезических, астрономических, военных (прицельных, наблюда-
тельных угломерных и дальномерных) и лабораторных приборов.
В связи с этим к объективам телескопических приборов могут
предъявляться различные требования, которые необходимо учи-
тывать при конструировании.
Объективы телескопических систем, как правило, состоят из
двух линз, склеенных или разделенных воздушным промежутком.
В системах, к которым предъявляются особые требования к ка-
честву изображения (астрономические инструменты), применяют
зеркально-линзовые или зеркальные (с асферическими зеркалами)
объективы.
Объективы зрительных труб. Наиболее простая конструкция
объективов телескопических систем применяется в зрительных
трубах различных приборов. Они представляют собой оправу,
в которой закреплена склеенная линза (см. рис. 32, а, 34, г).
Крепление склеенной линзы может быть осуществлено различ-
ными способами и зависит от размеров оптических деталей и на-
значения прибора. При больших диаметрах линз, когда склейка
невозможна, линзы разделяют одна от другой тремя тонкими про-
кладками из фольги толщиной 0,08—0,1 мм, расположенными
под углом 120° за пределами светового диаметра.
Крепление объектива в тубусе прибора при отсутствии требо-
вания к его центрировке обычно осуществляют на резьбе. Од-
150
нако вследствие производственных допусков на изготовление
оптических и механических деталей фокальная плоскость объек-
тива не совпадает с плоскостью сетки. Поэтому простейшие объек-
тивы применяют в приборах, где фокусировку объектива и его
точную центрировку производят за счет других элементов системы,
например, путем перемещения сетки вдоль оси системы и в плос-
кости изображения.
В системах, где сетка в приборе закрепляется наглухо и не
может перемещаться вдоль оси и в плоскости изображения, при
работе с прибором и при сборке (многие прицельные приборы, ав-
токоллимационные трубки) возникает необходимость фокуси-
ровки объектива при сборке с тем, чтобы совместить его фокаль-
ною плоскость с плоскостью сетки. Для этой цели в конструкции
прибора следует предусматривать возможность подвижки объек-
тива в трубе прибора с последующей надежной его фиксацией.
В качестве компенсирующего устройства для фокусировки может
быть использована резьба на оправе объектива (рис. 101, я).
Возможно также выполнение подрезки оправы (рис. 101, б),
применение юстировочного кольца (рис. 101, в) или набора про-
кладок (рис. 101, г). При фокусировке с применением юстиро-
вочного кольца выполняют его подрезку, а при использовании
прокладок их набирают до необходимой толщины. Для выпол-
нения подрезки оправы или юстировочного кольца в их конструк-
ции должны быть предусмотрены соответствующие припуски.
В некоторых телескопических системах, например дальноме-
рах, требуется выполнять точную фокусировку объектива. Для
этой цели применяется устройство для точного перемещения объ-
ектива вдоль оптической оси системы (рис. 102), состоящее из
резьбовых колец 1 и 5. Резьбовое кольцо 1 может перемещаться
по внутренней резьбе тубуса 2 системы. Для возможности пере-
мещения кольца 1 в тубусе 2 имеется прорезь, а в кольце — от-
верстия под ключ. Резьбовое кольцо 1 через промежуточное коль-
Рис. 101. Устройства для фокусировки объектива телескопических систем:
н резьбой оправы; б — подрезкой оправы; в — юстировочным кольцом; г — проклад-
ками
151
Рис. 102. Объектив с точ-
ной фокусировкой:
1 и 5 — резьбовые кольца;
2 — тубус; 3 — промежуточ-
ное кольцо; 4 — оправа
объектива
цо 3 связано с оправой 4 объектива.
Фокусировка с помощью этого устройства
выполняется одновременным вращением
кольца 1 и кольца 5, перемещающихся
по внутренней и внешней резьбам тубусаД
и вызывающих перемещение оправы
объектива.
Объективы бинокулярных приборов.
Для получения стереоэффекта и умень-
шения утомляемости наблюдателя в бино-
кулярных приборах необходимо, чтобы
правая и левая трубы имели равное уве-
личение. Однако ввиду того, что фокус-
ные расстояния линз в производстве вы-
полняются с допуском ±2 %, равные фо-
кусные расстояния и, следовательно, рав-
ные увеличения в правой и левой трубах
могут быть получены только путем регу-
лировки. Для этой цели двухлинзовый объектив делают с воздуш-
ным промежутком, который можно изменять в процессе юсти-
ровки прибора и тем самым регулировать фокусное расстояние
объектива (рис. 103), компенсируя ошибки входящих в него
линз.
Конструктивно такой объектив состоит из двух оправ, уста-
новленных в корпусе 5: оправы 3 — с положительной линзой и
оправы 6 — с отрицательной. Расстояние между оправами регу-
Рис. 103. Объектив с регулировкой фокусного
расстояния:
1 — закрепительное кольцо; 2 — шпонка; 3 —
оправа с положительной линзой; 4 — распорное
кольцо; 5 — корпус; 6 — оправа с отрицатель-
ной линзой
Рис. 104. Объектив в эксцентрич-
ной оправе:
а — с креплением резьбовым коль-
цом; б — с креплением накладным1
кольцом; 1 — оправа; 2 — склеен-
ная линза; 3 — эксцентричная
втулка; 4 — корпус; 5 — резьбовое
кольцо; 6 — декоративная втулка;,
7 — накладное кольцо-
152.
лируют распорным кольцом 4, которое, перемещаясь по резьбе
одной из оправ, позволяет сближать или раздвигать линзы, из-
меняя тем самым воздушный промежуток между ними.
Конструкция; приведенная на рис. 103, позволяет после ре-
гулировки фокусного расстояния объектива производить фокуси-
ровку, смещая его блок вдоль оси путем перемещения по резьбе
корпуса 5 закрепительных колец 1.
При конструировании бинокулярных приборов необходимо
учитывать, что за счет сложения допусков на изготовление деталей
и ошибок при выполнении сборки возникает непараллельность.
визирных осей правой и левой зрительных труб, в то время как
для нормальной работы прибора оси должны быть между собой
параллельны. Устранение непараллельности визирных осей мо-
жет быть осуществлено применением объективов с эксцентричной
оправой 1 (рис. 104, а, б), которая установлена в эксцентричную
втулку 3. При одновременном вращении оправы 1 и втулки 3
производится необходимое смещение объектива.
Эксцентриситет оправы и втулки делают обычно 0,5—1 мм,
больше его делать не рекомендуется, так как суммарный эксцентри-
ситет, равный 1—2 мм, вполне достаточен для исправления не-
параллельности.
Кроме бинокулярных приборов объективы в эксцентричных
оправах применяют в некоторых прицельных приборах для сов-
мещения визирной и геометрической осей трубы.
Телеобъективы телескопических систем. Телеобъективы в те-
лескопических системах (рис. 105) применяют для сокращения
длины трубы, что очень важно в геодезических инструментах,
так как в них для получения больших увеличений используют
объективы с большим фокусным расстоянием. Вторым и очень
важным преимуществом телеобъектива в зрительной трубе яв-
ляется отсутствие подвижного окулярного колена. Фокусировку
Рис. 105. Телеобъектив зрительной трубы:
1 — корпус зрительной трубы; 2 — положительный компонент объектива (тслепозитив)
в оправе; 3 — оправа с отрицательной линзой (теленегатив); 4 — фокусирующий махови-
чок; 5 — ось; 6 — ведущий палец
153
объектива в этом случае производят подвижкой рассеивающей
линзы, которая в этом случае выполняет роль фокусирующего эле-
мента, а визирная ось зрительной трубы при фокусировке сохра-
няет постоянное положение.
При конструировании зрительных труб с телеобъективами
следует обращать внимание на центрировку компонентов теле-
объектива. Расточка под оправу 3 с фокусирующим элементом
в корпусе должна быть выполнена с допуском Н7 (Л) или, в край-
нем случае, Н9 (Л3), а сама оправа иметь посадку g6 (Д) или
f9 (Х3). Для обеспечения легкого и плавного хода длина оправы
фокусирующего элемента должна быть не менее двух ее диа-
метров.
Устройство для перемещения фокусирующего элемента теле-
объектива может быть выполнено различными способами. При
значительных величинах перемещения фокусирующего элемента
для его подвижки может быть использована кремальера или хо-
довая резьба.
При незначительных перемещениях фокусирующего элемента
для его перемещения может быть применен маховичок 4 (см.
рис. 105), свободно вращающийся на оси 5, укрепленной на при-
ливе корпуса зрительной трубы. На маховичке устанавливают
ведущий палец 6, который сквозь паз в тубусе 1 входит в отвер-
стие в оправе фокусирующего элемента 3. Паз в корпусе выпол-
няется по дуге окружности со средним радиусом, равным радиусу
установки пальца 6 на маховичке 4. Угол паза больше 120° де-
лать не следует, так как при больших значениях угла в начале
и конце движения на маховичке будут возникать значительные
усилия, которые могут привести к поломкам механизма.
2. ОБЪЕКТИВЫ ФОТОГРАФИЧЕСКИЕ
Группа фотографических объективов (см. рис. 107; 108) охва-
тывает объективы, применяемые в самых разнообразных аппара-
тах и устройствах и служащие для получения изображения на
различного рода светочувствительных слоях. По назначению из-
делий, в которых эти объективы применяются, группу фотографи-
ческих объективов можно разбить на подгруппы: 1) объективы даль-
номерных фотоаппаратов; 2) объективы зеркальных фотоаппа-
ратов; 3) объективы киносъемочных аппаратов; 4) объективы фо-
тоаппаратов с центральным затвором; 5) объективы аэрофотоап-
паратов; 6) специальные объективы! (репродукционные, про-
екционные, телевизионные и др.); 7) объективы с переменным
фокусным расстоянием; 8) зеркально-линзовые объективы.
Основной особенностью всех типов фотообъективов является
высокое качество изображения при значительных (до 120°) углах
поля зрения и фокусных расстояниях. Кружок рассеяния изобра-
жения точки не должен превышать у большинства объективов
0,02—0,03 мм. Большинство объективов снабжают ирисовой диаф-
154
Рис. 106. Блок, линз фотообъектива в оправе:
а — для установки на резьбе; б — для автоколлимациоиной сборки; 1 — склеенная линза;
2 — кольцо; 3 — оправа; 4 — склеенная линза
рагмой, служащей для изменения действующего отверстия объек-
тива. Многие фотообъективы применяют в самых разнообразных
температурных условиях и при пониженных или повышенных
давлениях воздуха. Все эти особенности фотообъективов необхо-
димо учитывать при конструировании.
Высокое качество изображения фотообъективов обеспечивается
не только оптическим расчетом, но и высокими требованиями
к центрировке линз и склеенных блоков между собой и выдержи-
ванию воздушных промежутков.
Многие фотообъективы изготовляют с пересчетом на плавку
стекла. Для этого на предприятиях-изготовителях составляют
таблицы влияний допусков на показатель преломления стекла Апе
и дисперсию А (пр—пс), а также отклонений толщин и радиусов
линз.
Высокая точность центрировки в мелкосерийном производстве
обеспечивается расточкой гнезда под линзу в оправе при сборке
с зазором 0,01—0,02 мм. Расточка гнезда под линзу должна вы-
полняться одновременно с обточкой центрирующего пояска или
посадочной резьбы. В сборочном чертеже указывают диаметр
расточки гнезда, необходимый зазор между оправой и линзой,
положение одной из вершин ее относительно базового торца и
воздушные промежутки, если линз несколько (рис. 106, я). В чер-
тежах оправ все размеры, которые выполняют при сборке, должны
быть заданы с припуском под обработку.
В крупносерийном и массовом производстве высокая точность
центрировки линз объектива достигается применением автоколли-
мационного метода сборки. В этом случае гнездо под линзу в оп-
раве растачивают окончательно, а на наружный диаметр и торцы
оправы дают припуск под обработку, которую выполняют при
сборке после закрепления линзы (рис. 106, б). Как правило, все
оправы в этом случае имеют один диаметр и как бы насыпаются
в корпус объектива. Такая конструкция называется насыпной.
Воздушные промежутки в таких объективах выдерживают за счет
подрезки торцов оправ.
Высокую точность центрировки можно получить в насыпной
конструкции объектива, в котором гнезда под линзы растачи-
ваются в оправах при сборке (см. рис. 108, а). Все оправы такого
объектива имеют равные диаметры и выполняются, как правило,
с зазором 0,01—0,02 мм по отношению к корпусу. Гнезда под лин-
зы растачивают на одной оправке, предварительно расточенной
по диаметру оправ до начала сборки. Воздушные промежутки
в этой конструкции выдерживают либо подрезкой торцов оправ,
либо должно быть отражено в сборочном чертеже каждой линзы,
либо подрезкой торцов промежуточных колец.
В отдельных случаях, когда для части линз объектива тре-
буется центрировка с точностью 0,005—0,01 мм, а для другой
части линз грубее — с точностью 0,01—0,03 мм, можно применить
автоколлимационный метод сборки и расточку гнезд под линзы
при сборке (см. рис. 107, в).
Объективы дальномерных и зеркальных фотоаппаратов. Каж-
дый объектив состоит из собственно объектива или, как его назы-
вают, оптического блока с механизмом диафрагмы и корпуса.
Корпус служит для размещения оптического блока и установки
объектива на фотоаппарат. Устройством для фокусировки корпус
разделяется на две части — подвижную и неподвижную, снабжен-
ные одна внешней, вторая внутренней резьбой. В качестве ходовой
резьбы применяют трапецеидальную или окулярную резьбы.
Число заходов и шаг резьбы выбирают в зависимости от требуе-
мого перемещения объектива при фокусировке. Величина пере-
мещения определяется оптическим расчетом и зависит от фокус-
ного расстояния и удалений фотографируемых предметов (для
дальномерных фотоаппаратов это обычно 1 м и бесконечность, для
зеркальных — 0,6 м и бесконечность). Угол поворота ведущего
кольца корпуса должен быть менее одного оборота, так как в про-
тивном случае деления дистанционной шкалы, соответствующие
установкам объектива на бесконечность и на конечные расстоя-
ния, совпадут, что недопустимо. Ведущее кольцо снабжают по-
водком или накаткой для пальцев руки и шкалой для отсчета
расстояний.
Объективы дальномерных фотоаппаратов (рис. 107, а), кроме
фокусирующего устройства, снабжают устройством для управле-
ния дальномером, состоящим из кольца, связанного с оптическим
156
блоком. У сменных объективов (рис. 107, б), фокусное расстояние
которых отличается от основного, величина перемещения при фо-
кусировке также отличается от величины перемещения основ-
ного объектива, а перемещение торца дальномерного кольца
должно быть таким же, как в основном объективе. Для выполне-
ния этого условия в объективах применяют дифференциальную
резьбу (расчет дифференциальной резьбы см. в гл. 16).
Объективы зеркальных фотоаппаратов (рис. 107, в) как основ-
ные, так и сменные не имеют устройства для управления дально-
мером.
Рис. 107. Объективы фото- и киноаппаратов:
а — объектив фотоаппарата с убирающимся тубусом; 1 — оптический блок; 2 — убираю-
щийся тубус; 3 — юстировочное кольцо; 4 — неподвижное кольцо корпуса; 5 — подвиж-
ное кольцо корпуса; б — сменный объектив фотоаппарата; 1 — дистанционное ведущее
кольцо; 2 — оптический блок; 3 — неподвижное кольцо корпуса; 4 — дальномерное
кольцо; в — объектив зеркального фотоаппарата; г — объектив киноаппарата; д — объек-
тив фотоаппарата с центральным затвором; L — рабочий отрезок объектива; F’ — зад-
ний главный фокус
157
Для уменьшения габаритных размеров при переноске корпус
объектива может быть изготовлен с убирающимся тубусом
(рис. 107, а), который при съемке выдвигают и устанавливают на
байонетный замок.
При конструировании объектива следует предусматривать
установку оптического блока в корпус объектива с помощью
юстировочного кольца, подрезаемого при сборке, или прокладок
для выдерживания рабочего отрезка L объективно! опорного торца
до точки заднего главного фокуса (см. рис. 107, а). Точность вы-
держивания рабочего отрезка для обеспечения взаимозаменяе-
мости сменных объективов должна быть не грубее ±0,02 мм.
Крепление объективов на фотоаппарате может осуществ-
ляться на резьбе или байонетном (штыковом) соединении. Как
резьбовое, так и байонетное соединения должны обеспечивать
установку объектива в корпус фотоаппарата с точностью 0,01 —
0,02 мм в осевом направлении.
Оптический блок объектива при конструировании следует
выполнять в виде отдельных оптических узлов, собранных в одном
общем корпусе. Способ центрировки узлов в оптическом блоке за-
висит от габаритных размеров объектива, требований к центри-
ровке отдельных линз в объективе и выбирается при проектиро-
вании. При этом центрировку узлов на резьбе следует применять
только в исключительных случаях.
Объективы киносъемочных аппаратов (рис. 107, г) более про-
сты по конструкции. В корпусе объектива размещается несколько
оправ с линзами и диафрагма. Киносъемочные объективы не имеют
устройства для фокусировки, так как обычно его размещают
в киносъемочном аппарате.
Объективы фотоаппаратов с центральным затвором. Конструк-
тивной особенностью таких объективов является то обстоятель-
ство, что компоненты объектива размещены в корпусе централь-
ного затвора (рис. 107, д). В соответствии с технологией сборки
компоненты объектива в затвор устанавливают после сборки
затвора. Поэтому и в конструкции компонентов объектива и в кон-
струкции затвора должна быть предусмотрена возможность рас-
точки посадочных мест и нарезания резьб для крепления компо-
нентов.
Весьма часто фокусировку на объект съемки у объектива,
размещенного в центральном затворе, осуществляют за счет
изменения воздушного промежутка между первой и второй лин-
зами объектива (см. рис. 107, д). Рабочий отрезок объектива при
этом сохраняется постоянным. При конструировании таких объ-
ективов целесообразно предусмотреть нарезку внутренней хо-
довой резьбы в корпусе затвора на базе посадочного места под
задний компонент, а нарезку резьбы на оправе первой линзы
выполняют одновременно с расточкой посадочного места подлинзу.
Объективы аэрофотоаппаратов. Объективы аэрофотоаппаратов
(аэрофотообъективы) являются специфической подгруппой фото-
158
объективов (рис. 108). Они должны работать в широком диапа-
зоне температур от —60 до 4-60 °C как установившихся, так и
переменных, при нормальном давлении и почти в вакууме, при
воздействии значительных вибраций и линейных нагрузок, в ус-
ловиях повышенной влажности. Эти объективы должны выдержи-
вать удары, возникающие при взлете и посадке самолета.
Фокусные расстояния аэрофотообъективов могут быть от 40—
50 до 1000 мм и более.
Условия эксплуатации и фокусное расстояние, а следовательно,
и размеры объектива предъявляют особые требования к конструк-
ции.
Для уменьшения натяжений в стекле при различных темпера-
турах оправы линз аэрофотообъективов изготовляют из титано-
вых сплавов, реже из сталей 20, 45, так как они имеют коэффи-
циент линейного расширения, близкий к коэффициенту линей-
ного расширения стекла. Уменьшение влияния переменной тем-
пературы (меняющейся с какой-либо скоростью) на изменение
фокусного расстояния достигается за счет теплоизоляции объек-
тива от окружного воздуха. В качестве теплоизоляционных ма-
териалов применяют различные пенопласты, оправы первой и
последней линз защищают теплоизоляционными кольцами из
текстолита (рис. 108, б). Корпуса длиннофокусных объективов
обычно изготовляют литьем в землю из алюминиевых сплавов
Рис. 108. Объективы аэрофотоаппаратов:
а —'"широкоугольный объектив насыпной конструкции; б — телеобъектив с устройством
подвижки задней линзы; 1 — задняя линза; 2 — теплозащитное кольцо оправы; 3 — ру-
коятка подвижки задней линзы; 4 — зубчатое колесо; 5 — теплозащитное кольцо; 6 —
корпус; 7 — склеенная линза; 8 — оправа; 9 — склеенная линза; 10 — теплозащитное
кольцо; 11, 12 — диафрагмы; 13 — линза; 14 — зубчатое колесо; 15 — упорное кольцо;
16 — неподвижный тубус; 17 — подвижный тубус
159
Ал2 или Ал9, короткофокусных — из алюминиевого проката
Д16, Д16Т, Д1.
Специальные объективы. Объективы для специальных видов
фотосъемки, а также проекционные и объективы телекамер кон-
струируют по аналогии с описанными выше объективами. Конкрет-
ный выбор конструкции оправы, наличие изменяемой или постоян-
ной диафрагмы и другие требования к объективу определяются
в техническом задании и при проектировании прибора.
3. СИСТЕМЫ С ПЕРЕМЕННЫМ ФОКУСНЫМ РАССТОЯНИЕМ
Оптические системы и объективы с плавно изменяющимся фо-
кусным расстоянием находят широкое' применение в различных
приборах, киносъемочной аппаратуре и телевидении, так как
в процессе съемки при неподвижной камере позволяют изменять
масштаб изображения. Оптические системы с переменным фокус-
ным расстоянием называются панкратическими или
трансфокаторами. Изменение фокусного расстояния
в панкратической системе достигается перемещением двух ком-
понентов 1 и 6 (рис. 109, а) по сложным законам путем вращения
трубы 3. При вращении трубы 3 ведущие пальцы 2, установленные
на оправах компонентов, перемещаются спиральными пазами
трубы 3 вдоль прямолинейного паза неподвижной трубы 4. Форму
спиральных пазов определяют при расчете оптической схемы
системы, поэтому каждому определенному положению компо-
нента 1 соответствует определенное положение компонента 6.
С целью упрощения изготовления спиральных пазов один из них
изготовляют по винтовой линии, а второй — по сложному за-
кону, учитывающему необходимые перемещения как первого,
так и второго компонентов. Описанные системы не нашли
широкого применения ввиду сложности их изготовления,
так как люфты в сочленениях не должны превышать 0,02—
0,05 мм.
На практике получили распространение объективы-трансфо-
каторы, не являющиеся точной панкратической системой. В этих
объективах (рис. 109, б) между двумя подвижными элементами,
находящимися в одной оправе 1, размещен неподвижный элемент 2.
Перемещение оправы с подвижными элементами осуществляется
большей частью кремальерой 3, так как этим обеспечивается удоб-
ство изменения фокусного расстояния объектива. Фокусировку
объектива на заданное расстояние осуществляют путем пере-
мещения первого компонента объектива по резьбе.
Объективы с переменным фокусным расстоянием имеют очень
сложную оптическую схему, так как при любом положении под-
вижных элементов объектива требуется сохранять аберрации
в заданных пределах. Поэтому для обеспечения хорошего качества
изображения в этих объективах предъявляются очень жесткие
требования к центрировке линз. Это обстоятельство необходимо
160
Рис. 109. Объективы с переменным фокусным расстоянием:
а — схема механизма панкратической системы (/ — передний подвижный компонент;
2 — ведущий штифт; 3 — поворотная труба; 4 — неподвижная труба; 5 — защитное
кольцо; 6 — задний подвижный компонент); б — объектив киноаппарата (/ — подвижный
элемент панкратики; 2 — неподвижный элемент паикратики; 3 — кремальера; 4 — зуб-
чатое колесо; 5 — рукоятка); в — схема оптики
учитывать при конструировании, выбирая способы крепления
оптических деталей и их оправ в корпусе объектива, обеспечи-
вающие получение соосности линз с высокой степенью точности.
4. ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫЕ ОБЪЕКТИВЫ
Зеркально-линзовые объективы применяют в различных опти-
ческих системах. Их используют в качестве объективов телеско-
пических систем, фото- и киноаппаратов и микроскопов. Приме-
няют зеркально-линзовые объективы в случаях, когда при срав-
6 Плотников В. С. и др.
161
Рис. ПО. Зеркально-линзовые объективы:
а — зеркально-линзовый объектив системы Д. Д. Максутова; б — зеркально-линзовый
объектив телескопа с креплением зеркал за ободок отверстия; 1— отрицательный мениск;
2 — зеркало; 3 — телеиегатив; 3 — бленда
162
нительно большом фокусном расстоянии необходимо сократить
размеры системы вдоль оси. В настоящее время почти исключи-
тельное применение нашли зеркально-линзовые (или, как их еще
называют, катадиаптрические) системы проф. Д. Д. Максутова.
Эти системы просты, так как не содержат асферических поверх-
ностей, обладают достаточной светосилой при отсутствии хрома-
тической аберрации. Зеркально-линзовый объектив Д. Д. Мак-
сутова состоит из отрицательного мениска 1, имеющего значи-
тельную толщину по оси и свободного от хроматизма, и сфериче-
ского вогнутого зеркала 2 (рис. НО, а). В центральной части вто-
рой поверхности мениска, имеющей другую кривизну, нанесено
также зеркальное покрытие, которое направляет лучи от телепо-
зитива (ими являются мениск и зеркало) в теленегатив 3. Зеркаль-
но-линзовые объективы требуют точной центрировки, которая
обеспечивается расточкой гнезд под линзы и зеркала при сборке.
Необходимо для уменьшения натяжений выбирать способы креп-
ления зеркала объектива, используя пружинные кольца или эла-
стичные прокладки. В больших объективах зеркала следует кре-
пить в трех точках. Малые натяжения возникают при креплении
зеркала на ободок отверстия (рис. НО, б).
В зеркально-линзовых объективах с проходом пучка лучей
через отверстие в главном зеркале имеют место паразитные пучки,
которые вызывают блики и светорассеяние в части оптической
системы, находящейся за зеркалом. Для уменьшения светорассея-
ния внутри объектива применяется бленда 4 (см. рис. 110, а),
размеры которой определяют при габаритном расчете оптики.
Для исключения бликов бленда должна быть покрашена в черный
глубокоматовый цвет.
В связи с тем, что в объективе применяют наружные зеркаль-
ные покрытия, целесообразно предусматривать герметизацию
объектива с помощью замазок или герметиков УТ-32 или УТ-34.
5. КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ИРИСОВОЙ ДИАФРАГМЫ
Во многих приборах, где требуется регулирование освещен-
ности в плоскости изображения, применяют изменяемые апертур-
ные диафрагмы. Изменяемые диафрагмы могут быть сменными,
револьверными (рис. 111) и ирисовыми (рис. 112).
На практике наибольшее распространение получила ирисовая
диафрагма, имеющая малые габаритные размеры и позволяющая
плавно изменять действующее отверстие. Ирисовая диафрагма
состоит из корпуса 1, коронки 7 и лепестков 4. В лепестках раскле-
паны оси 5, одна из осей входит в отверстие в корпусе, вторая на-
правлена в противоположную сторону и входит в паз коронки.
При повороте коронки ведущие оси, перемещаясь по ее пазам,
поворачивают лепестки вокруг неподвижных осей, изменяя от-
верстие диафрагмы. В фотообъективах зачастую диафрагма не
имеет корпуса, а его функцию выполняет корпус объектива. Для
6* 163
а) В)
6)
Рис. 111. Диафрагмы:
а — сменные; б — круглая револьверная; в —
плоская
стия 2ДШах, диаметр наименьшего
предохранения от самопро-
извольной разборки диа-
фрагмы служит резьбовое
кольцо 6. Вращение коронки
осуществляется с помощью
рукоятки 8 (в микроскопах),
с помощью ведущего кольца
со шкалой 2 (в фотообъек-
тивах), электродвигателем
через редуктор (в аэрофото-
объективах). Для уменьше-
ния потерь на трение в круп-
ногабаритных диафрагмах
аэрофотообъективов коронка
вращается на напыпном ша-
рикоподшипнике (рис. 112,е).
Исходными данными для
расчета диафрагмы служат
диаметр наибольшего отвер-
отверстия 27?min, толщина
диафрагмы по оси TR. Кроме того, для расчета шкалы диа-
фрагмы должны быть заданы диаметры промежуточных отвер-
стий 2Rt, 2Д2, . Ц ., 2Rt (где I — номер промежуточного отверстия
диафрагмы).
При расчете диафрагмы определяют радиусы лепестка RBH —
внутренний и Д11ар — наружный, радиус расположения осей
лепестка г, угол между осями лепестка у, число лепестков п,
толщину лепестка s, радиус закругления лепестка гъ углы пово-
рота коронки для разметки шкалы.
Расчет элементов диафрагмы выполняют по формулам, при-
веденным в табл. 15. В процессе расчета вычисляют вспомога-
Таблица 15
Наименование параметра Обозначение Расчетная формула
Диаметр наибольшего отверстия диафрагмы 2 $тах Задается в ТЗ на расчет диафрагмы
Диаметр наименьшего отверстия диафрагмы 2 Лдип То же
Диаметры промежу- точных отверстий диаф- рагмы 27?! 2Д2 ... 2Rt То же
Т о л щи на диафрагм ы по оси Задается в ТЗ на расчет диафрагмы „ sny или Тя 36QO
164
Продолжение табл. 15
Наименование параметра Обозначение Расчетная формула
Внутренний радиус лепестка ^ви ^вн = -Rmax
Радиус расположения осей лепестка г Г ~ "п ^ВН + О
+ }/77?вн — 37?rain (27?ви — 7?rajn)
Радиус закругления лепестка Г1 ri = г— 7?вн
Наружный радиус ле- пестка Пняр -^наР ~ Явн + — 2г 7?вН
Угол между осями ле- пестка У ? = 2arcsinfe^ 2г
Угол между отвер- стиями под оси лепестка или пазами коронки 8 8 = Р1—₽2
Вспомогательные углы ₽1 ^вн (^ви -^min)2 г>2 о ‘'нар . Pi — arccos пр /п р \ » -^Авн — Amin? о Явн — ^mln Ра —arccos „ *АВН
Число лепестков п 360° п ~ 8
Толщина лепестка S 360°Тд s пу
Угол поворота лепест- ка до отверстия диафраг- мы Оч щ = 2arcsin —— 2г
Угол поворота корон- ки до отверстия диаф- рагмы с номером i ф/ с°8 (^ + Tz-arctg...;-- - у; Я..+ Г !"Ч2+“‘) при i = 3 ч- 4 л -^вн — Ri (pi = 4arcsin —~r 1 2r
165
Рис. 112. Ирисовая диафрагма:
а — фотообъектива; б — микроскопа; в — аэрофотоаппарата; 1 — корпус; 2 — ведущее
кольцо; 3 — поводок; 4 — лепесток; 5 — ось лепестка; 6 — закрепительное кольцо;
7 —• коронка; 8 — рукоятка; 9 — электродвигатель
166
тельные углы |3lt (32> необходимые для расчета минимального числа
лепестков п, и угол поворота лепестка аг для расчета угла пово-
рота коронки <pz (для максимального отверстия диафрагмы <рг =
= Фо = 0).
Геометрическая связь между элементами диафрагмы видна на
рис. 113.
Полученное в процессе расчета число лепестков п округляют
до ближайшего целого значения в сторону увеличения.
По полученной толщине лепестка s подбирают материал и
толщину ленты, которая для лепестков может быть выбрана от
0,05 до 1 мм. При наличии места для размещения диафрагмы и
значительных размерах действующих отверстий (100 и более мм)
вместо Тл задаются толщиной лепестка. В этом случае величину Тя
для размещения лепестков рассчитывают по формуле табл. 15.
Для компенсации допусков рекомендуется рассчитанный по
формуле табл. 15 радиус расположения осей г для оси лепестка,
входящей в паз коронки, увеличить на 0,5—1 мм.
Рис. 113. Схема к расчету
ирисовой диафрагмы
167
1
Рис. 114. Конструктивные элементы лепестков и осей
Погрешность угла поворота коронки ср;, полученная по приб-
лиженной формуле, не превышает 4 %.
Основные конструктивные элементы лепестков и осей приве-
дены на рис. 114. В качестве материалов для изготовления лепе-
стков применяют ленты из инструментальной стали У8А, корро-
зионно-стойкой стали 12Х18Н9Т, алюминиевого сплава Д16,
магниевого сплава МА8. При толщине лепестка из стали 0,1 мм
и более и для лепестков из сплава Д16 с толщиной свыше 0,15 мм
около отверстия под ось лепестка целесообразно делать неболь-
шую, глубиной 0,2—0,3 мм, выдавку под расклепку конца оси.
Оси лепестка делают из латуни Л62 или при массовом произ-
водстве из латуни ЛС 59-1. Последнюю необходимо до токарной
обработки отжечь в заготовке с тем, чтобы снять холоднолом-
кость материала при расклепке. Выбор материала корпуса и ко-
ронки определяется назначением диафрагмы и ее габаритными
размерами. Корпуса диафрагм могут быть изготовлены из стали,
алюминиевого сплава Д16, латуни. Коронки изготовляют из
стали или латуни, реже из алюминиевых сплавов.
Все детали диафрагмы, кроме осей, должны быть обязательно
подвергнуты чернению. Целесообразно лепестки подвергнуть
пескоструйной обработке или глубокоматовому покрытию.
6. РАСЧЕТ ДИСТАНЦИОННОЙ ШКАЛЫ
Для расчета дистанционной шкалы объектива малоформатного
фотоаппарата должен быть задан ряд расстояний L, который на-
носится на шкалу и для которого этот расчет выполняется. Обычно
для малоформатных фотоаппаратов этот ряд выбирают следую-
щим: 1; 1,2; 1,5; 1,7; 2; 2,5; 3; 4; 5; 7; 10; 20 м и бесконечность.
Кроме того, должны быть известны полученные при оптическом
расчете фокусное расстояние /об, толщина объектива по оси %d
(или расстояние между главными плоскостями НН") и положения
переднего и заднего фокусов и S’f> относительно вершин пер-
вой и последней линз.
Для удобств при съемке расстояние до предмета L (рис. 115)
определяют в малоформатных фотоаппаратах и киноаппаратах
168
от плоскости пленки. По схеме, приведенной на рис. 115, можно
составить следующую зависимость между расстоянием L и со-
пряженными точками объектива в пространствах предметов и
изображения:
—z — f'o6 — HH' + f'o6 + z' = +L. (60)
На рис. 115 следует
fоб ~т нн -т f0(, = —Sp -j- Sp>. (61)
Обозначив правую и левую части выражения (61) через С,
после подстановки ее в выражение (60) получим
—z + С + z' — L = 0. (61')
Так как согласно формуле Ньютона
z = — ~г-, (62)
то после подстановки выражения (62) в выражение (6Г) и преобра-
зований будем иметь
(z')2 + (C-L)z' + (/;6)2 = 0. (63)
Решение этого уравнения дает два корня: z\ и г'2, из которых
удовлетворяют задаче расчета шкалы (если провести их исследо-
вание) корень иг, равный
4 = z'==±=^__j/(£=Ay__(/;6)3. (б4)
По выражению (64) рассчитывают значения перемещения
объектива малоформатного фотоаппарата при фокусировке его
на заданные расстояния. Для расчета шкалы необходимо найти
ее углы поворота в градусах при фокусировке фотоаппарата
на каждую из выбранных дистанций. Так как при z = оо z' = 0,
то положение бесконечности принимают за начальное, от которого
производят построение всей шкалы.
Рис. 115. Схема, к расчету' дистанционной шкалы фотообъектива
169
Для определения угла поворота дистанционной шкалы объек-
тива при выбранных шаге резьбы Р и ее числе заходов п необхо-
димо определить долю оборота а в градусах, приходящуюся на
перемещение объектива г', т. е.:
a = JL_360°. (65)
Полученные по выражению (65) значения углов а определяют
положение штрихов дистанционной шкалы объектива относительно
штриха, соответствующего установке объектива на бесконечность.
7. ОСОБЕННОСТИ конструкции микрообъективов
Объективы микроскопов представляют собой сложную опти-
ческую систему, отличающуюся от объективов фотоаппаратов
и телескопических систем тем, что они дают увеличенное изобра-
жение рассматриваемого предмета. Конструкции микрообъекти-
вов различны, они зависят от условий работы объектива. По
этому признаку микрообъективы можно разделить на группы —
«сухие», иммерсионные и эпиобъективы. «Сухие» микрообъективы
работают на воздухе.
Иммерсионные микрообъективы рассчитывают на работу с по-
кровным стеклом толщиной 0,17 мм и различной иммерсионной
средой — водной, масляной или глицериновой, служащих для
увеличения числовой апертуры микроскопа. Иммерсионную среду
помещают между покровным стеклом и фронтальной линзой объек-
тива.
Как «сухие», так и иммерсионные микрообъективы конструи-
руют в виде отдельных блоков, состоящих из оправы с закреп-
ленной в ней линзой. Сборку блоков в объектив можно произво-
дить либо свинчиванием, для чего на оправах делают резьбовые
части, либо путем установки отдельных блоков в корпус, т. е.
применяют насыпную систему. Ввиду того, что соединение блоков
между собой на резьбе не обеспечивает достаточной точности
центрировки, в настоящее время этот способ применяют только
для микрообъективов простейших микроскопов, а при конструи-
ровании микрообъективов, работающих с большими увеличе-
ниями, используют насыпные системы. В чертежах оправ насып-
ной системы их наружный диаметр задают окончательно, а гнездо
под линзу и торцы — с припуском под обработку при сборке.
Объективы «сухих» систем (рис. 116, а) сравнительно просты
по конструкции. Обычно их выполняют в виде тубуса 1 с устано-
вочной резьбой, в котором установлены несколько оптических
блоков и закреплены резьбовым кольцом 2. При значительных рас-
стояниях между блоками более одного диаметра необходимо при-
менять промежуточные кольца, за счет подрезки которых выдер-
живаются воздушные промежутки. В объективах, состоящих
из большего, чем два, числа блоков, необходимо предусматривать
170
Рис. 116. Объективы микроскопов:
а — «сухая» система: 1 — тубус; 2 — резьбовое кольцо; 3 — оптический блок; 4 — про-
межуточное кольцо; 5 — оптический блок (фронтальная линза); б — иммерсионный ми-
крообъектив: 1 — подвижный тубус; 2 — неподвижный тубус; 3 — пружина; 4 — резь-
бовое кольцо; в — эпиобъектив: 1 — объектив; 2 — параболическое зеркало
коррекцию центрировки. Для этого оправу второй линзы делают
несколько меньшего диаметра (на 0,3—0,5 мм) по сравнению с ос-
тальными оправами. При сборке с помощью выверенного окуляра
объектив юстируют путем подвижки второй линзы в плоскости,
перпендикулярной оптической оси, до получения наилучшего
качества изображения, после чего резьбовое кольцо закрепляют,
а четыре отверстия в тубусе, сделанные для юстировки, заполняют
каким-либо герметиком или клеем и защищают колпачком
(рис. 116, б).
Иммерсионные объективы (рис. 116, б) выполняют аналогично
«сухим» объективам. Однако при фокусировке микроскопа вслед-
ствие малого расстояния между фронтальной линзой и покров-
ным стеклом возможно повреждение к,ак фронтальной линзы,
так и покровного стекла с объектом наблюдения. Поэтому для
предохранения этих деталей при работе с микроскопом объектив
снабжают защитным устройством, состоящим из подвижного вну-
треннего тубуса 1 и пружины 3. При упоре фронтальной линзы
в покровное стекло подвижный тубус с объективом начинает
перемещаться во внешнем тубусе 2, сжимая пружину; возникаю-
щее при этом усилие ощущается рукой наблюдателя.
Эпиобъективы (рис. 116, в) используют для работы в отра-
женном свете. Эпиобъектив состоит из собственно микрообъектива
и параболического зеркала для освещения непрозрачного предмета.
Крепление объективов в тубусе микроскопа осуществляют на
резьбе. ГОСТ 3469—74 установлены два размера объективной
резьбы ОБ 4/5х 1/36" с углом профиля 55° [диаметр резьбы 4/5
дюйма (20,27 мм) и шаг 36 ниток на дюйм] и метрическая
171
М27х0,75. Последнюю резьбу применяют в объективах большого
диаметра.
Сопряжение объектива с тубусом металлографического микро-
скопа с верхним расположением предметного столика осуществ-
ляется на гладком центрирующем пояске.
8. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ
АСТРОНОМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТИВОВ
В телескопах-рефлекторах основной частью объектива является
главное зеркало, в большинстве случаев со сферической отражаю-
щей поверхностью. Требования к стабильности формы и качеству
отражающей поверхности весьма высоки. Допустимые деформа-
ции отражающей поверхности составляют десятые и даже сотые
доли микрометра. Поэтому зеркала телескопов с целью получе-
ния необходимой жесткости имеют значительную толщину, а
следовательно, и массу. Например, масса одного из стеклянных
зеркал диаметром 1100 мм составляет около 300 кг. Обычные спо-
собы крепления таких зеркал по аналогии с крупными линзами
не дают удовлетворительных результатов. Поэтому главное зер-
кало телескопа-рефлектора заключают в специальную оправу,
в которой предусмотрена так называемая система разгрузки зер-
кала. Зеркало устанавливают на специальные разгружающие
опоры. Для разгрузки крупных зеркал (рис. 117) чаще всего ис-
пользуют систему Ласселя, представляющую собой совокуп-
ность осевых 1 и радиальных 2 рычажных механизмов с грузами
на концах рычагов. Осевые опоры располагают по нескольким
радиусам и уравновешивают осевую составляющую Qx силы тя-
жести Qo зеркала. Радиальные разгружающие опоры располага-
ются равномерно по всему контуру зеркала и уравновешивают
радиальную составляющую Q2 силы тяжести Qo.
Рис. 117. Конструкция
разгрузочного устройства
зеркального объектива те-
лескопа:
1 — осевые рычаги; 2 —
разгружающие опоры; 3 —-
жесткая труба; 4 — опорные
чашки радиальных опор;
Qo — сила тяжести зеркала;
ср — угол наклона телескопа;
Qi — осевая составляющая
силы тяжести; Q2 — ра-
диальная составляющая
силы тяжести зеркала
172
Замена рычажных механизмов пружинами невозможна, так
как в зависимости от угла наклона <р телескопа величина осевой
и радиальной составляющих силы тяжести зеркала меняется.
По такому же закону меняются и составляющие силы тяжести
уравновешивающих грузов рычажных механизмов.
При разгрузке пружинами, усилие которых было бы постоянно
и не зависело от угла наклона ср, разгрузка при различных на-
клонах телескопа оказалась бы неосуществимой.
Для зеркал с большой кривизной отражающей поверхности
(с малым радиусом кривизны), например для зеркала в форме
концентрического мениска, изображенного на рис. 117, кроме
осевых и радиальных опор, необходима дополнительная опора
в центре на жесткую трубу 3. Это объясняется наличием опроки-
дывающего момента при несовпадении плоскости размещения
радиальных опор с центром тяжести зеркала.
При большом радиусе кривизны (в больших телескопах по-
рядка 10 и более метров) зеркало практически представляет
собой плоскую пластину и в дополнительном креплении в центре
нет необходимости.
При разгрузке плоских зеркал опорные пяты радиальных раз-
гружающих опор допускается не скреплять с поверхностью зер-
кала. При отсутствии крепления радиальных опор к поверхности
зеркала разгрузка осуществляется только опорами, лежащими
ниже горизонтальной оси, проходящей через центр тяжести зер-
кала О, т. е. по нижней полуокружности контура зеркала.
При разгрузке сферических зеркал с большой кривизной только
по нижней полуокружности контура зеркала из-за наличия
большого прогиба от изгиба вследствие радиальных сил, дейст-
вующих на зеркало, возникают недопустимые деформации отра-
жающей поверхности. Поэтому опорные пяты радиальных опор
в этом случае должны быть скреплены с поверхностью зеркала,
чтобы разгрузить зеркало не только по нижней, но и по верхней
полуокружности, т. е. по всему наружному контуру.
9. КОНСТРУИРОВАНИЕ КОНДЕНСОРОВ
Конденсоры служат для равномерного освещения проходя-
щим светом прозрачного предмета в различного рода проекцион-
ных устройствах и микроскопах. Равномерное освещение предмета
достигается тем, что с помощью конденсора изображение источ-
ника света проектируется во входном зрачке объектива. По своему
назначению конденсоры разделяют на конденсоры проекционных
систем и конденсоры микроскопов.
Так как входные зрачки объективов проекционных систем
(кинопроекторов, фотоувеличителей и т. д.) имеют довольно зна-
чительные размеры, то качество изображения источника света,
заполняющего зрачок, может быть невысоким. Поэтому к кон-
струкции конденсоров с углом поля зрения 50—60°, используе-
173
Вид A
без крышки
Рис. 118. Конденсоры:
проекционных систем: а — в точеной оправе; б — в штампованной оправе; широкоуголь-
ные проекционных систем: в — трехлинзовый; г — с асферической линзой; конденсоры
микроскопов: д — с апертурой 1, 2; е — с асферической параболической линзой
мых в проекционных системах, не предъявляется особых требо-
ваний по точности изготовления. В большинстве своем они со-
стоят из двух линз, помещенных в точеную или штампованную
оправу (рис. 118, а, б). Посадка линз в оправу конденсора выпол-
няется большей частью с допуском fell (Л4) или fel2 (Х6). Это
условие необходимо соблюдать при конструировании, так как кон-
денсоры обычно находятся вблизи мощных источников света и
подвергаются из-за этого значительному нагреву. Воздушный про-
межуток между линзами, как правило, в конденсорах выдержи-
вают за счет подрезки промежуточного кольца, разделяющего
линзы. Крепление линз в оправе конденсора осуществляют за-
крепительным кольцом (рис. 118, а), если оправа точеная, или от-
гибкой лапок, если оправа штампованная (рис. 118, б).
К широкоугольным (угол поля зрения свыше 60°) конденсорам
проекционных систем предъявляются более жесткие требования.
Они состоят из трех и более линз со сферическими или не менее
двух линз с асферическими поверхностями (рис. 118, в, г). Для
174
обеспечения требований к качеству изображения оправы таких
конденсоров изготовляют точеными, а воздушные промежутки
между линзами выдерживают при сборке с точностью порядка
±0,1 мм.
Для защиты от теплового излучения в конденсорах могут
применяться теплозащитные фильтры, размещаемые со стороны
источника света, а также различного рода вентиляционные уст-
ройства.
Корпуса конденсоров изготовляют из стали, алюминиевых
сплавов.
Требования к качеству изображения, даваемому конденсорами
микроскопов, в связи с тем, что диаметр входного зрачка объек-
тива микроскопа мал, а его глубина резкости невелика, очень
жесткие. Для получения хорошего качества изображения кон-
денсоры микроскопов имеют не менее двух линз, причем при
большой апертуре применяются асферические поверхности
(рис. 118, д, ё). Если объектив микроскопа работает с иммерсион-
ной средой, то между конденсором и предметным стеклом также
может помещаться иммерсионная среда. Эти особенности конден-
соров микроскопов необходимо учитывать при конструировании.
Так как микроскоп работает в стационарных условиях при
нормальной температуре, то посадка линз конденсора в оправы
должна осуществляться обычным методом, т. е. с допуском
/9 (Х3).
Оправы конденсоров микроскопов обычно изготовляют из
латуни.
РАЗДЕЛ V
Конструирование направляющих,
винтовых механизмов
и зубчатых передач
Глава 14
КЛАССИФИКАЦИЯ НАПРАВЛЯЮЩИХ
И НАПРАВЛЯЮЩИЕ ПОСТУПАТЕЛЬНОГО
ДВИЖЕНИЯ
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НАПРАВЛЯЮЩИХ
И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ
Направляющими называются устройства, обеспечивающие дви-
жение отдельных деталей или узлов в определенном направлении
с заданной точностью. Направляющие отличаются широким
разнообразием конструктивных решений и классифицируются
по следующим основным признакам:
1) в зависимости от вида движения подвижной детали направ-
ляющие подразделяют на две группы: а) направляющие поступа-
тельного движения (рис. 119, а, в)\ б) направляющие вращатель-
ного движения (рис. 119, б).
2) в зависимости от вида трения различают: а) направляющие
с трением скольжения (рис. 119, а, б); б) направляющие с трением
качения (рис. 119, в); в) направляющие с трением упругости
(рис. 119, г).
В отдельных случаях применяют направляющие с жидкостным
и воздушным трением. Однако такие направляющие редко исполь-
зуются в оптико-механических приборах, поэтому их конструк-
ции здесь не рассматриваются.
Для нормальной работы направляющего устройства необхо-
дим постоянный контакт (замыкание) между неподвижной и под-
вижной деталью. В зависимости от вида замыкания различают
открытые и закрытые направляющие.
Открытыми (рис. 119, а) называются направляющие, которые
обеспечивают движение в заданном направлении при наличии
внешней силы Р, прижимающей движущуюся деталь к направ-
ляющим поверхностям. Этой силой может быть сила тяжести
детали или давление пружины.
Закрытые направляющие (рис. 119, в) обеспечивают движение
детали в заданном направлении независимо от направления дей-
ствующих сил, так как направляющие поверхности охватывают
движущуюся деталь таким образом, что она имеет свободу пере-
мещений лишь в заданном направлении.
176
Рис. 119. Разновидности направляющих: Р — замыкающая сила;
S — направление перемещений; 1 — неподвижная деталь (направляющая); 2 — под-
вижная деталь (ползун)
Направляющие являются одним из наиболее ответственных
элементов приборов. От качества их работы в значительной сте-
пени зависят основные показатели работы прибора: точность,
надежность, долговечность, потребляемая мощность и т. д.
Направляющие, применяемые в оптико-механических прибо-
рах, должны отвечать следующим основным требованиям: а) они
должны обеспечивать заданную точность перемещений (точность
работы); б) сила или момент трения не должны превышать уста-
новленной величины; в) износ рабочих поверхностей трения
должен быть минимальным; желательно, чтобы в конструкции
была предусмотрена возможность компенсации износа; г) кон-
струкция направляющих должна быть надежной и технологич-
ной.
Для приборов, работающих при значительных колебаниях
температуры, эти требования должны соблюдаться и при изме-
нениях температуры. При оценке конструкции направляющих
принимают также во внимание габаритные размеры, массу, стои-
мость, ремонтопригодность и ряд других показателей.
2. НАПРАВЛЯЮЩИЕ ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ
С ТРЕНИЕМ СКОЛЬЖЕНИЯ
В направляющих поступательного движения подвижную де-
таль обычно называют ползуном, а неподвижную деталь, по
которой перемещается ползун, — направляющей де-
талью или просто направляющей.
В зависимости от формы рабочей поверхности различают н а п -
равляющиес цилиндрическими и плоскими
поверхностями (цилиндрические и плоские направляю-
щие).
В цилиндрических направляющих (рис. 120) основной направ-
ляющей поверхностью является цилиндрическая поверхность.
177
Рис. 120. Конструкции цилиндрических направляющих: 1 — основная направ-
ляющая; 2 — ползун; 3 — дополнительная направляющая
Плоские направляющие (рис. 121) представляют собой соче-
тание нескольких плоскостей. В поперечном сечении такие на-
правляющие обычно имеют треугольную, прямоугольную или
трапецеидальную форму.
При конструировании необходимо обеспечить, чтобы движе-
ние в заданном направлении осуществлялось только двумя основ-
ными направляющими плоскостями (в плоских направляющих)
178
или одной цилиндрической поверхностью (в цилиндрических на-
правляющих). Остальные поверхности должны быть замыкаю-
щими или поддерживающими. Примеры неправиль-
ных и правильных конструкций представлены на рис. 122.
Цилиндрические направляющие. На рис. 120 приведены отдель-
ные конструкции цилиндрических направляющих. Чтобы исклю-
чить возможность взаимного поворота ползуна относительно на-
правляющей, на одной из деталей обрабатывают выступ, а на дру-
гой — соответствующий паз в направлении, параллельном дви-
жению. При незначительных усилиях, стремящихся повернуть
ползун, в качестве выступа может быть использован штифт
(рис. 120, а) или головка винта (рис. 120, б). При значительных
усилиях целесообразно применять шпонку (рис. 120, в). Реже
используется способ, изображенный на рис. 120, г.
Если конструкция направляющих должна обеспечивать ми-
нимальные повороты, применяют дополнительную поддерживаю-
щую направляющую 3 (рис. 120, д). Для уменьшения углов пово-
рота ползуна дополнительную направляющую целесообразно
располагать возможно дальше от основной направляющей (раз-
мер /), поскольку суммарный угол поворота а равен
, S-f -4- S2
tga = 2 ,
где Si — зазор между ползуном и основной направляющей, мм;
S2 — зазор между ползуном и дополнительной направляющей, мм;
I — расстояние между направляющими, мм.
В целом цилиндрические направляющие отличаются высокой
технологичностью. Они могут быть обработаны с высокой точ-
ностью, их изготовление значительно проще, чем плоских, а
сборка не вызывает затруднений.
Основным недостатком цилиндрических направляющих яв-
ляется невозможность выборки зазора, возникающего в резуль-
тате погрешностей изготовления и износа трущихся поверх-
ностей.
Плоские направляющие. На рис. 121 представлены различные
конструкции плоских направляющих. Наибольшее применение
в приборостроении находят направляющие типа «ласточкин
хвост» (рис. 121, в, г). Их используют для обеспечения точных ли-
Рис. 122. Конструкции
направляющих'.
а, б — неправильные; в, г —
правильные конструкции
179
1 г з
Рис. 123. Направляющие с фторо-
пластовыми стержнями:
1 — стержень; 2 — ползун; 3 — кор
пус (основание)
нейных перемещений тубусов ми-
кроскопов, сеток, столов измери-
тельных приборов и т. п. Такие
направляющие относительно тех-
нологичны, обеспечивают возмож-
ность регулировки зазоров и ха-
рактеризуются высокой точностью
работы. Например, в микроскопах
такие направляющие (рис. 121, в)
позволяют производить сборку
с минимально необходимыми за-
зорами.
Различают нерегулируемые (рис. 121, в) и регулируемые
(рис. 121, а) направляющие. Нерегулируемые направляющие тре-
буют высокой точности выполнения рабочих размеров, так как
величина зазора в сопряжении не регулируется. Регулируемые
направляющие допускают регулировку зазоров за счет пере-
мещений регулировочных планок 2 (рис. 121, а) в пределах за-
зоров в проходных отверстиях под крепежные винты 1. После окон-
чательной регулировки положение планок относительно кор-
пуса 3 фиксируют штифтами 5. При необходимости выполнения
дополнительных регулировок, например для компенсации из-
носа, отверстия под штифты сверлят на новых местах планок.
Среди направляющих с трением скольжения наивысшую точ-
ность и плавность работы обеспечивает конструкция, схематически
изображенная на рис. 123. В этих направляющих с целью умень-
шения трения применены стержни 1 из фторопласта. Стержни
прикреплены к ползуну 2 и скользят по призматической ка-
навке и горизонтальной плоскости корпуса 3. Корпус и ползун
изготовлены из стали. Наряду с высокой точностью работы и
малой силой трения такие направляющие обладают высокой из-
носостойкостью, но могут выдерживать лишь малые силовые на-
грузки и допускают незначительные скорости перемещений пол-
зуна.
Заклинивание направляющих. Заклинивание механизма — яв-
ление, наблюдающееся в неправильно спроектированных кон-
струкциях и заключающееся в том, что сила, передаваемая веду-
щим звеном ведомому звену, не в состоянии привести последний
в движение. Чаще всего заклинивание направляющих вызывается
тем, что их размеры и конструкция не соответствуют системе сил,
действующих на ползун (силовое заклинивание), или может быть
вызвано изменением температуры (температурное заклинивание).
Силовое заклинивание. Возможность возникно-
вения такого заклинивания зависит от соотношения линейных
размеров (рис. 124), угла приложения силы а и коэффициента тре-
ния f.
Если точка А (рис. 124, а) приложения силы 7? находится на
оси направляющих и составляет с ней угол а, то в точках кон-
180
такта ползуна с направляющими возникнут реакции и F2.
Разложим силу R на две составляющие: Р — направленную вдоль
оси направляющих, и Т — перпендикулярную ей. Сила Р приво-
дит в движение ползун, а сила Т прижимает ползун к направляю-
щим, препятствуя за счет трения в опорах его движению. Со-
ставим уравнения равновесия ползуна
Fi = Ft + R sin а;
F2L ~ Rh sin а,
отсюда
Z7! = 7? sin
F2 = R-^~ sin а. (67)
Силы реакции FA и F2 вызывают возникновение силы трения
Q = (Л + F2) f. (68)
Заклинивание не произойдет, если составляющая Р = R cos а
будет больше силы трения Q, т. е.
Q <7 R cos а. (69)
Используя формулы (66)—(69), находим
R —— f sin a <Z R cos a
или
tg a < (2/1 + A) 7 ’
отсюда
— > - 2^tga___ (70)
h 1 - ftga ’
Заклинивание направляющих не произойдет, если будет вы-
полнено неравенство (70).
181
В отдельных случаях сила R может действовать параллельно
направляющим и приложена на расстоянии I от оси направляю-
щих (рис. 124, б). При этом сила R создаст момент М = RI.
Этот момент уравновешивается моментом пары сил, образованной
реакциями F в опорах Rl = FL.
Р.1
Две реакции опор F — -j— создают силу трения в направляю-
щих
Q = 2F/=-^-/.
Движение ползуна будет возможно лишь в случае, если
R > Q, т. е.
^~~f<R
ИЛИ
9/
(71)
Заклинивание не произойдет, если будет выполняться нера-
венство (71). При конструировании следует стремиться, чтобы
плечо I было минимальным. Опыт эксплуатации приборов показы-
вает, что для обеспечения плавного хода, небольшого износа и
отсутствия заклинивания рекомендуется пользоваться следую-
щими соотношениями:
1) для плоских направляющих прямоугольной формы
-^-/<0,25;
2) для направляющих типа «ласточкин хвост» при угле про-
филя а (рис. 121, г)
-у—г— f < 0,25;
3) для цилиндрических направляющих
4/<0,20.
Материалы деталей следует выбирать такими, чтобы коэффи-
циент трения пары был минимальным. Значения коэффициентов
трения скольжения (для наиболее часто применяемых пар мате-
риалов приводятся в табл. 16.
Температурное заклинивание. При кон-
струировании направляющих необходимо учитывать колебания
температуры, которым может подвергаться прибор при эксплуа-
тации. Например, для некоторых приборов рабочий интервал тем-
ператур задается в пределах от +50 до —50 °C, т. е. колебание
температуры составляет 100 °C.
За счет изменений температуры может наблюдаться как уве-
личение, так и уменьшение зазоров в направляющих. Увеличе-
182
Таблица 16
Коэффициенты трения скольжения различных пар материалов
Условия трения Коэффициент трения скольжения f
Сталь— бронза Сталь— латунь Сталь— чугун Ст а ле,— фто£ •> пласт-4 „ 1 Сталь— । тексто- лит Сталь — полиэти- лен НД
Без смазки 0,10—0,15 0,14—0,19 0,15—0,19 0,02— 0,10 0,22 0,03— 0,04
Со смазкой 0,09—0,13 0,13—0,15 0,05—0,15 — — —
ние зазоров может снизить точность работы направляющих.
При уменьшении зазора в сопряжении может возникнуть натяг,
сопряжение потеряет подвижность, произойдет заклинивание.
Если охватывающая деталь изготовлена из материала, имеющего
более высокий коэффициент линейного расширения, чем охваты-
ваемая деталь, заклинивание может произойти при снижении
температуры. И, наоборот, если охватывающая деталь имеет мень-
ший коэффициент линейного расширения, чем охватываемая,
заклинивание возможно при повышении температуры.
Сборка приборов обычно осуществляется при температуре около
20 °C. При этой температуре регулируют зазоры и контролируют
качество работы направляющих. Если прибор предназначен для
эксплуатации при температуре +50 °C, то при ее снижении до
—50 °C изменение температуры прибора по сравнению с темпера-
турой сборки составит А4 = — t0 = (—50) — 20 = —-70°, а при
нагреве до +50 °C — только A t2 = t2 — t0 = 50 — 20 = 30Q. По-
этому наибольшую опасность представляет охлаждение.
При проверке правильности выбора материалов, посадок и
точности обработки сопрягаемых деталей направляющих необхо-
димо рассчитать зазоры для минимальной и максимальной тем-
пературы.
Если при температуре t0 деталь имеет размер Ло, то при тем-
пературе t размер А детали определяется по формуле
А = Ло [1 +aA(t-t0)], (72)
где аА — коэффициент линейного расширения материала детали.
Минимальный зазор в сопряжении (50)min при t0 равен
(50)тИ1 = (^o)mln ' (^о)тах, (73)
где (Л0)тш — наименьший при заданной посадке линейный раз-
мер охватывающей детали; (В0)тах — максимальный при заданной
посадке линейный размер охватываемой детали.
183
Используя формулы (72) и (73), определим минимальный за-
зор при температуре t;
•^mln “ ^mln ' = (/4o)mln [1 -J- (t — /о)]
’ (^o)max [1 + aB (^ ’ Ml = [(-До)пНп —' (^о)тах] 4~
"Ь [(^o)mln &А ' (^о)тах ’ А>)"
Так как (Л0)т1п — (5о)тах = (S0)min, Э В ПрОИЗВвДвНИЯХ
(•^о)тт«А и (^0)тах“в линейные размеры можно принять рав-
ными Ао, т. е. (Ло)ш1п » (so)max Ло, то получим
Smin = (^o)mln + Л0 (t — t0) («а — <хв), (74)
где Smin — минимальный зазор при температуре t, мм; t0 — на-
чальная температура, °C (температура при сборке прибора обычно
t0 = 20 °C); t— заданная температура, °C; (S0)mill — минимальный
зазор при температуре t0, мм; Ао — номинальный размер сопря-
жения, мм; аА, ав — коэффициенты линейного расширения
материалов охватывающей и охватываемой детали.
Заклинивание не произойдет, если SmIn - 0, т. е. в сопряже-
нии сохраняется зазор. При SraI11 < 0 в сопряжении возникнет
натяг, который вызовет заклинивание направляющих. В случае
заклинивания необходимо назначить более свободную посадку
или применить материалы, имеющие одинаковые или мало разли-
чающиеся коэффициенты линейного расширения. В отдельных слу-
чаях целесообразно уменьшить (однако не в ущерб жесткости и
износоустойчивости) ширину или диаметр направляющих.
Пример. Рассчитать минимальные зазоры в цилиндрических направляю-
нч
щих 0 ПРИ температурах h = +50 °C и t2 = — 50 °C. Материал охваты-
вающей детали—латунь, охватываемой — углеродистая сталь.
По таблицам допусков находим, что 0 65777 = 0 65+0’03 и 0 65f7 =
= 0 65~8;gg, следовательно, минимальный зазор в сопряжении прн темпера-
туре сборки будет составлять (S0)mm = AmIn — 5max= 65 — 64,97 = 0,03 мм.
Согласно приведенным в табл. 17 данным принимаем аА = 19,2-10“8 и ав =
— 11,8-Кг6. По формуле (74) определяем, что при i = t± = +50 °C
(Si)mm =0,03 + 65 (50 — 20) (19,2- 10“в — 11,8-10~8) = 0,03 + 0,0144 =
= 0,0444 мм = 44,4 мкм.
Определим величину минимального зазора при t = t2 = —50 °C
(S2)mm = 0,03 + 65 (—50 — 20) (19,2 • 10~8 -11,8- IO-8) = 0,03 — 0,0337 =
= —0,0037 мм = —3,7 мкм.
Знак минус указывает, что в сопряжении при t2 - —50 °C может возник-
нуть натяг, равный 3,7 мкм, т. е. возможно температурное заклинивание направ-
ляющих, при температуре, близкой к —50 °C.
Заменим материалы деталей направляющих: охватывающую деталь будем
изготовлять из стали, а охватываемую — из латуни. Тогда ад = 11,8-10-8,
а <хв = 19,2-10~8. При t = tx == 50 °C
(Sl)min = °>03 + 65 (50 - 20) (11,8 10-е - 19,2-10-°) =
= 0,03 — 0,0144 = 0,0156 мм = 15,6 мкм,
184
При t — t% = —50 °C
(S2)min = °’03 + 65 (—50 — 20) (11,8 10-6 - 19,2.10-6) = 0,03 + 0,0337 =
= 0,0637 мм = 63,7 мкм.
Таким образом, минимальный зазор при колебаниях/температуры ±50 °C
будет изменяться в пределах 15,6—63,7 мкм, т. е. заклинивание не произойдет.
Следует также отметить, что при выбранном сочетании материалов наибольшие
зазоры будут наблюдаться при отрицательной температуре.
Выбор материалов. В целях уменьшения износа следует выби-
рать материалы с наименьшими коэффициентами трения. При
конструировании приборов, работающих в широком интервале
температур (например ±65 °C), желательно применять материалы,
имеющие одинаковые или мало отличающиеся коэффициенты ли-
нейного расширения (табл. 17).
При использовании различных материалов охватывающую
деталь следует изготовлять из материала с меньшим коэффициен-
том линейного расширения, так как перепад температуры при ох-
лаждении больше (по сравнению с /0 = 20 °C), чем при нагрева-
нии. При изготовлении направляющих широко используют сле-
дующие материалы: конструкционные стали 30; 40; инструменталь-
ные стали У8А и У10А, бронзы БрОбЦбСЗ, Бр010Ц2, Бр06,5Ф0,15;
чугун; латунь; фторопласт, полиэтилен НД; текстолит. Наиболее
часто применяемыми сочетаниями материалов являются: сталь—
бронза; сталь — латунь; сталь — чугун; сталь — различные пласт-
массы, причем стальные детали можно изготовлять как из зака-
ленной, так и незакаленной стали.
Для нормальной работы направляющих необходимо, чтобы
давление q на трущихся поверхностях не превышало допускаемой
величины, т. е.
7 р 7тах,
где <7тах —допускаемое давление, Па; N — сила, действующая
по нормали к поверхности трения, Н; F — площадь контакта, м2.
Таблица 17
Коэффициенты линейного расширения
Материал Коэффициент линейного расширения а.10“% 1 г"с“ Материал Коэффициент линейного расширения а-10“% 1 чГ
Бронза 18 Чугун 10,4
Дюралюминий 23 Титан 8
Инвар 1,6 Стекло 3—10
Латунь 19,2 Ситалл 0,7—20
Сталь углеродистая 11,8 Полиэтилен 100—800
Сталь легированная 20 Фторопласт 55-110
185
При малых скоростях перемещений ползуна (до 3 мм/с) допус-
каемое давление qmax = 1,2 ... 1,5 МПа, при больших скоростях
7тах = 0,4 МПа. Напомним, что 1 Па = 1 Н/м2; 1 МПа = 108 Па;
1 Н/см2 = 0,01 МПа.
Точность изготовления. Выбор квалитетов и посадок направ-
ляющих определяется в первую очередь требованиями точности
и температурными условиями работы прибора. Чем выше точность
прибора, тем плотнее должна быть посадка и точнее обработка.
Для направляющих точных приборов рекомендуется применять
посадку H7/g§ или H7lfl. В приборах, работающих при незначи-
тельных колебаниях температуры, можно использовать посадку
Hl/h£>. В особо ответственных случаях применяют посадки Я7//г6,
H7/js6, H7/k6 или Н7/п6 с последующей взаимной притиркой пол-
зуна с направляющей. Однако изготовление деталей с высокой
точностью размеров еще не гарантирует легкость хода и точность
работы направляющих. Большое влияние на качество работы на-
правляющих оказывают отклонения формы и от-
клонения расположения рабочих поверхностей на-
правляющих. Например, в регулируемых направляющих типа
«ласточкин хвост» (рис . 121, г) точность работы обеспечи-
вается:
1) плоскостностью и параллельностью обеих скошенных А
и опорных В плоскостей ползуна 4 относительно его общей оси;
2) плоскостностью скошенных плоскостей А регулировочных
планок 2;
3) точностью выполнения угла а = 60° как у ползуна, так и
у планок;
4) точностью регулировки зазоров, выполняемой перемеще-
нием регулировочных планок 2.
Наивысшая точность и плавность работы направляющих обес-
печивается дополнительной взаимной притиркой всех сопрягае-
мых плоскостей А и В.
Шероховатость рабочих поверхностей направляющих с тре-
нием скольжения обычно назначают в пределах Ra = 0,1 ...
... 1,6 мкм, а в направляющих с фторопластовыми стержнями —
Ra = 0,04 ... 0,16 мкм.
Длина сопряжения. Точность и плавность движения ползуна
зависят не только от точности обработки рабочих поверхностей,
но и от относительной длины сопряжения, т. е. от величины от-
ношения LIB. У направляющих типа «ласточкин хвост» за шири-
ну В направляющих (рис. 121, г) условно принимают расстояние
между серединами скошенных плоскостей паза. У цилиндриче-
ских направляющих шириной является диаметр D сопряжения
(рис. 120, в).
При конструировании направляющих не допускается соотно-
шение L/B <0,5 ввиду чрезвычайно низкой плавности работы и
возможности заклинивания. При L/B = 0,5 . . . 0,8 направляю-
щие работают удовлетворительно, а при L/B = 0,8. . . 1,5 —
186
хорошо и надежно. Дальнейшее увеличение относительной длины
сопряжения нецелесообразно, так как это приведет к увеличению
продольных габаритных размеров.
3. НАПРАВЛЯЮЩИЕ ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ
С ТРЕНИЕМ КАЧЕНИЯ
Общие сведения. Основными недостатками направляющих
с трением скольжения являются относительно большие силы тре-
ния и чувствительность к колебаниям температуры. Эти недо-
статки в значительной степени устранены в направляющих, в ко-
торых трение скольжения заменено трением качения. Для этого
между рабочими поверхностями направляющих помещают тела
качения (шарики или ролики) (рис. 125).
Поскольку при качении коэффициент трения значительно
меньше, чем при скольжении, то потери на трение в таких на-
Рис. 125. Направляющие с трением качения
187
правляющих (особенно при трогании с места) значительно умень-
шаются. Небольшие натяги не вызывают заклинивания направ-
ляющих с трением качения, поэтому такие направляющие значи-
тельно менее чувствительны к колебаниям температуры. В отдель-
ных случаях их специально собирают с небольшим натягом.
Особенно целесообразно применение направляющих с трением
качения в приборах со сложной кинематикой, так как наличие
большого числа движущихся частей вызывает значительные сум-
марные силы трения, которые, в свою очередь, приводят к возра-
станию упругих мертвых ходов и снижению точности работы.
К недостаткам направляющих с трением качения следует от-
нести некоторое увеличение габаритных размеров и стоимости из-
готовления. Дополнительное вредное влияние на точность работы
таких направляющих оказывают погрешности изготовления тел
вращения (шариков, роликов), поэтому точность работы направ-
ляющих с трением качения, как правило, ниже, чем направляю-
щих с трением скольжения.
В зависимости от формы тел качения различают направляющие
на шариках (рис. 125, б, в) и на роликах (рис. 125, а, г).
По форме рабочих поверхностей направляющие делятся на
цилиндрические (рис. 125, а, г) и призматические (рис. 125, б, в),
а по виду замыкания на открытые (рис. 125, б, г) и закрытые
(рис. 125, а, в).
Подвижную часть направляющих обычно называют карет-
кой, а неподвижную — основанием. Если при переме-
щении каретки оси роликов или шариков остаются неподвижными
относительно каретки или основания (рис. 125, а, а), то такие на-
правляющие называются направляющими с роликами (шариками),
закрепленными на осях. Часто в таких направляющих в качестве
роликов используют стандартные подшипники качения.
Если при перемещении каретки оси шариков или роликов пере-
мещаются как относительно каретки, так и относительно основа-
ния (рис. 125, б, в), то такие направляющие называют направляю-
щими с роликами (шариками), не закрепленными на осях. В та-
ких направляющих шарики перекатываются по каретке и основа-
нию на величину а/2, где а — ход каретки. Это обстоятельство
приводит к необходимости удлинять направляющие. Рабочую
длину направляющих L (рис. 126) рассчитывают по формуле
L = / + -g—Н 2/j,
где I — расстояние между крайними шариками (база); а — ве-
личина максимального перемещения каретки; lv — запас длины
с каждой стороны направляющей.
Желательно, чтобы на концах каретки было размещено по
одному или по два шарика. При больших силовых нагрузках и
больших расстояниях между шариками может быть установлено
по три шарика. Большое число шариков нежелательно, так как
188
Рис. 126. Взаимное расположение эле-
ментов в направляющих при крайних
положениях механизма
это может привести к тому, что
из-за погрешностей изготовле-
ния деталей направляющих
крайние шарики не будут ра-
ботать, в результате чего рас-
стояние между работающими
шариками (база) будет значи-
тельно уменьшено. В этом слу-
чае точность направляющих и
условия их работы ухуд-
шаются.
Выбор сепараторов. В общем
случае сепараторы служат для
выдерживания заданного расстояния между шариками (роликами)
и их положения относительно направляющих. Наличие сепара-
торов предотвращает- выход шариков за пределы направляющих.
Различают свободные сепараторы и сепараторы с принудительным
движением.
Свободные сепараторы (рис. 127, а) служат
только для выдерживания заданного расстояния между шариками
(роликами). Сепаратор 1 имеет отверстия диаметром D для
шариков и вырез, в который входит штифт 2, ограничива-
ющий перемещение сепаратора. Если ход каретки равен а, то
длина выреза I = + d, где d—диаметр ограничительного
штифта 2.
Свободные сепараторы следует применять только в горизон-
тальных направляющих, так как при их использовании в направ-
ляющих, работающих в вертикальном или наклонном положении,
может произойти (под действием силы тяжести шариков и сепа-
ратора или за счет вибраций) проскальзывание шариков с сепара-
тором в одно из крайних положений (рис. 127, б). В этом случае
движение каретки станет невозможным, так как ограничительные
Рис. 127. Направляющие со свободными сепараторами:
1 — сепаратор; 2 — ограничительный штифт
189
Рис. 128. Направляющие
с сепаратором принуди-
тельного движения
штифты не позволят сепаратору и шари-
кам свободно перемещаться вдоль на-
правляющих.
Сепараторы с принуди-
тельным движением обеспечи-
вают не только взаимное расположение
шариков, но и их положение относитель-
но каретки. Одна из конструкций таких,
сепараторов представлена на рис. 128.
На сепараторе 3 закреплена ось5, неко-
торой свободно вращается зубчатое ко-
лесо 4. Зубчатое колесо находится в
зацеплении с зубчатыми рейками 2 и 7,
неподвижно установленными на основа-
нии 1 направляющих и каретке 6.
При движении каретки зубчатое ко-
лесо будет перекатываться по рейкам и
при этом принудительно перемещать
сепаратор вдоль направляющих. Переме-
щение сепаратора зубчатым колесом не
будет препятствовать свободному пере-
катыванию шариков по направляющим,
так как скорость принудительного пере-
мещения сепаратора равняется скорости перекатывания шариков.
Жесткая кинематическая связь каретки с сепаратором (с помощью
зубчатого зацепления) исключает возможность дополнительных
перемещений сепаратора и шариков под действием их веса, виб-
раций или ударов.
Способы регулировки зазоров. Одним из факторов, отрицательно
влияющих на точность работы направляющих, являются зазоры
в сопряжениях рабочих поверхностей каретки с основанием.
В открытых направляющих зазоры выбираются автоматически
за счет действия замыкающей силы. В направляющих закрытого
типа предусматривают специальные регулировочные устройства.
В направляющих, изображенных на рис. 129, а, регулировка
зазора осуществляется двумя планками 2 и 4.
Зазоры между винтами и отверстиями в планках позволяют
перемещать планки по основанию 1 и тем самым регулировать
зазор в направляющих. После окончания регулировки планки
закрепляют винтами и заштифтовывают. В этой конструкции
каретка установлена на четырех шариках. Шарики (по два)
соединены свободными сепараторами 3.
При использовании шарикоподшипников часто применяют ре-
гулировку с помощью осей с эксцентричным расположением шеек.
Одна из конструкций с такой регулировкой показана на рис. 129, б.
Подшипник 3 неподвижно закреплен на эксцентриковой оси 1
гайкой 4. Шейка d оси 1 смещена в поперечном направлении отно-
сительно шейки D на величину е (эксцентриситет). Величина
190
эксцентриситета назначается в зависимости от пределов регули-
ровки. Обычно е = 0,2 ... 0,5 мм. При регулировке зазора S
вращают, используя шлицевой паз под отвертку, эксцентриковую
ось. За счет эксцентриситета е при вращении оси изменяется
величина зазора S. После регулировки ось фиксируют гайкой 2.
В конструкции шариковой опоры, представленной на рис. 129, в,
регулировка зазора осуществляется за счет резьбового соединения
стакана 2 с основанием направляющих 1. Одна из основных осо-
бенностей этой конструкции состоит в том, что при перемещении
каретки 6 рабочий шарик 4 не перекатывается по основанию в на-
правлении движения каретки. Рабочий шарик опирается по
окружности на ряд вспомогательных шариков 3. При движении
каретки рабочий шарик перекатывается по вспомогательным,
которые, в свою очередь, перекатываются в стакане опоры. Ко-
зырек 5 предохраняет шарики 3 и 4 от выпадения из стакана 2.
Расчет сил трения. Вследствие деформации материалов каса-
ние шарика и поверхности направляющей происходит фактически
не в точке, а по некоторой площадке, называемой площадкой
соприкасания. Поэтому при качении шарика возникает не только
трение качения, но и трение скольжения (верчения), величина
которого весьма существенна. Поэтому сопротивление 7? движе-
нию каретки будет складываться из сопротивления Rx, создавае-
мого трением качения шарика, и сопротивления, создаваемого
трением скольжения /?2, т- е-
/? = + /?2.
Рис. 129. Регулируемые направляющие
191
Для призматических направляющих с углом профиля а = 2|3
(см. рис. 129, а) сопротивление 7? рассчитывают по формуле
где М3 — момент трения скольжения (верчения) шарика, Н-м;
В этих формулах: d — диаметр шарика, м; Е — модуль упру-
гости материала, Па (см. табл. 18); F — сила натяга при сборке, Н
(обычно F = 10 ... 30 Н); k — коэффициент трения качения, м
(см. ниже); Q — нагрузка на каретку, Н; R — сила сопротив-
ления движению каретки, Н; z — число шариков; |3 — половина
угла профиля направляющих, град (обычно Р = ~ = 45°);
f — коэффициент трения скольжения (см. табл. 16).
Ориентировочные значения коэффициентов трения качения
Коффициент
Материал деталей трения качения
A-IO’?, м
Незакаленная сталь — незакаленная сталь ....... 5
Закаленная сталь — закаленная сталь ..................... 1
Чугун—чугун.............................................. 5
Выбор материалов и точность обработки. Для изготовления
деталей направляющих с трением качения чаще всего используют
стали 40Х, У8А, У10А, ХВГ, ШХ15, 38Х2МЮА.
Направляющие, работающие при малой нагрузке и при по-
ниженных требованиях к их точности и износу, могут изготов-
ляться из углеродистых сталей без термической обработки. Долго-
вечность работы таких направляющих значительно увеличивается,
если их канавки подвергнуть наклепу.
Детали точных направляющих, как правило, закаливают.
Однако при закалке деталей, изготовленных из конструкционных
и инструментальных углеродистых сталей, наблюдаются значи-
тельные деформации. Закалочные деформации можно значительно
уменьшить, если применить легированные инструментальные
Таблица 18
Модули упругости и допускаемые контактные напряжения
Материал Модуль упругости Е 10-“, Па Допускаемое ^контактное напря- жение <7тах 10-“>, Па
Сталь У10 2,1 0,5
Сталь кобальтовольфрамовая 1,3 0,5
Агат 1,0 0,5
Рубин, сапфир, корунд 3,6 0,5
192
стали ХВГ или 9ХС. При изготовлении направляющих сложного
профиля целесообразно использовать сталь 38Х2МЮА с циани-
рованием рабочих поверхностей.
Сепараторы обычно изготовляют из листовой стали или ла-
туни, в отдельных случаях используют пластические материалы.
Шероховатость рабочих поверхностей оказывает существен-
ное влияние на точность работы направляющих с трением качения.
Как правило, рабочие поверхности обрабатывают по Ra = 0,08 ...
0,32 мкм.
В направляющих обычно применяют стандартные шарики,
ролики и подшипники. Их точность устанавливается стандартами
[ГОСТ 3722—81 (СТ СЭВ 1990—79)]. Чаще всего используют
шарики и ролики из подшипниковой стали ШХ. Шарики диа-
метром до 45 мм имеют твердость HRC 62 ... 66 и шероховатость
Ra — 0,02 ... 0,63 мкм.
Глава 15
НАПРАВЛЯЮЩИЕ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Направляющие вращательного движения определяют при
сборке и сохраняют в процессе эксплуатации положение вра-
щающейся детали (узла) относительно заданных баз. Часто на-
правляющие вращательного движения называют опорами или
подшипниками.
Точность работы направляющих вращательного движения
определяется точностью положения оси вращающейся детали
(узла) относительно заданных баз и точностью вращения, которая
характеризуется радиальным и осевым биением вращающейся
детали.
В направляющих вращательного движения охватываемую
деталь обычно называют цапфой, а охватывающую — под-
шипником или втулкой. Классификация и требования,
предъявляемые к направляющим, изложены в п. 1 гл. 14.
2, НАПРАВЛЯЮЩИЕ С ТРЕНИЕМ СКОЛЬЖЕНИЯ
В зависимости от формы рабочей поверхности различают опоры
с цилиндрической (рис. 130, а), конической (рис. 130, б) и сфери-
ческой (рис. 130, в) рабочей поверхностью. Опоры могут быть
открытыми (рис. 130, г) и закрытыми (рис. 130, б, в).
Цилиндрические опоры. Отдельные конструкции цилиндриче-
ских опор приведены на рис. 131. В приборостроении диаметр
цилиндрических цапф обычно колеблется в пределах 0,08—
15 мм. В зависимости от диаметра цапфы изменяется и ее кон-
структивное оформление. Цапфы диаметром свыше 1 мм обычно
Плотников В. С. и др.
193
Рис. 130. Разновидности направляющих с трением скольжения:
Q — замыкающая сила; S — направление движения; / -г- цапфа; 2 — втулка (подшипник)
выполняют как одно целое с осью (рис. 131, а, г). Заплечики
у основания цапфы предохраняют ее от осевого сдвига и воспри-
нимают осевые усилия. Если материал оси не отвечает требова-
ниям, предъявляемым к материалу цапфы, последнюю выполняют
в виде отдельной детали, которую запрессовывают в ось
(рис. 131, б, в). Для уменьшения момента сил трения при дей-
ствии осевых сил в качестве осевой опорной поверхности исполь-
зуют сферический конец цапфы (рис. 131, s), упирающийся в пло-
скую поверхность, либо применяют шарик (рис. 131, б).
Часто подшипник выполняют в виде отверстия в плате или
корпусе прибора (рис. 131, а). Если материал платы или корпуса
не отвечает требованиям, предъявляемым к материалам подшип-
ников, то применяют дополнительную втулку (рис. 131, б—г).
Цилиндрические опоры имеют большую поверхность сопри-
косновения цапфы со втулкой. Поэтому такие опоры могут
работать при больших силовых нагрузках, обладают отно-
сительно высокой износостойкостью, но имеют большой
Рис. 131. Конструкции цилиндрических опор
момент сил трения по
сравнению с другими опо-
рами (кроме конических
опор). Основным недо-
статком цилиндрических
опор является сравнитель-
но невысокая точность их
работы, которая объяс-
няется наличием ради-
ального зазора в сопряже-
нии цапфы с подшипни-
ком. По мере износа рабо-
чих поверхностей зазор
увеличивается и точность
работы опоры заметно сни-
жается.
194
В цилиндрических опорах, как правило, радиальные зазоры
не регулируются. Осевые зазоры можно регулировать при сборке
с помощью регулировочных прокладок (рис. 131, г), регулировоч-
ных винтов (рис. 131, б) или подрезкой заплечиков цапфы.
Как уже указывалось, цилиндрические опоры имеют относи-
тельно большой момент сил трения, который рассчитывают по
формуле
1 ПЗ_ z/3
M = WQdf + ~Р
где Л1 — момент трения, Н-см; Q — радиальная нагрузка на
цапфу, Н; Р — осевая нагрузка на цапфу; Н; D - диаметр за-
плечика, см; d — диаметр цапфы, см; f — коэффициент трения
скольжения (табл. 16).
Для уменьшения трения в опоре и уменьшения износа жела-
тельно, чтобы материал подшипника не был одинаковым с мате-
риалом цапфы, а коэффициент трения пары был минимальным.
Обычно подшипники изготовляют из бронз БрО6,5Ф0,15;
БрО5Ц5С5; БрА9Ж4; БрБ2 и латуней ЛМцС 58-2-2; ЛКС 80-3-3;
ЛС 59-1.
При незначительных нагрузках применяют металлокерамиче-
ские материалы, получаемые путем прессования и последующего
спекания при высокой температуре смеси железного или бронзо-
вого порошка с графитом (железографитовые и бронзографитовые
подшипники). После изготовления такие подшипники выдержи-
вают в масле, нагретом до температуры 60—70 °C. Благодаря
пористой структуре подшипник хорошо пропитывается маслом
и поэтому длительное время может работать без подачи смазки
(самосмазывающийся подшипник).
В приборостроении широко применяют подшипники из пласт-
масс. Такие подшипники могут работать без смазки при относи-
тельно малом коэффициенте трения. При наличии смазки коэф-
фициент трения резко уменьшается. Подшипники из пластмасс
мало изнашиваются, хорошо работают в условиях вибраций и
ударов. Для изготовления таких подшипников используют фторо-
пласт, капрон, тефлон, текстолит и т. д.
В тех случаях, когда в опоре малого диаметра (до 2 мм), испы-
тывающей значительные силовые нагрузки, требуется снизить
трение и уменьшить износ, используют стандартные втулки из
искусственных или естественных минералов (агат, корунд,
рубин).
Точность обработки и посадки сопряжения подшипника с цап-
фой определяются в зависимости от требуемой точности работы
опоры. Обычно сопряжения выполняются по посадке 777Д7
или Н9/е8 при высоких требованиях к точности — по
посадке H7/g8 и HQ/g5.
Шероховатость рабочих поверхностей назначают в пределах
Ra 0,04 ... 1,25 мкм.
у*
195
Рис. 132. Опоры с конической рабочей поверхностью
В чертежах дополнительно указывают допуски формы и распо-
ложения рабочих поверхностей, так как эти погрешности сущест-
венно влияют на точность работы опор.
Конические опоры. Различают два вида конических опор:
опоры с конической рабочей поверхностью (рис. 132) и опоры на
центрах (рис. 133).
Опоры с конической рабочей поверх-
ностью. Основными конструктивными элементами таких опор
являются угол конуса 2а (рис. 132, а), длина рабочей части L
и диаметр rfrain.
В зависимости от требуемой точности работы направляющих
угол а выбирают в пределах 2—8°, причем при меньших значе-
ниях угла обеспечивается более высокая точность работы направ-
ляющих.
Рис. 133. Опоры на центрах
196
Величину rfmln назначают в зависимости от габаритных раз-
меров прибора, сйловых нагрузок, колебаний температуры и т. д.
Диаметр rfmax определяют по формуле
^max = ^min 4" 2L tg (Z.
При выборе длины конуса L следует учитывать, что точность
работы направляющих возрастает при увеличении L. Обычно
J _ (2 3) 4~ ^mln
Для уменьшения площади соприкосновения и снижения тре-
ния на средней части цапфы и втулки выполняют проточки I
глубиной 0,3—0,5 мм (рис. 132, а).
Для качественной работы направляющих необходимо, чтобы
контакт цапфы с втулкой осуществлялся по всей рабочей поверх-
ности сопряжения. Это может быть достигнуто, если углы конуса
цапфы и втулки будут равны между собой, а погрешности формы
деталей будут незначительными. Обеспечение точного сопряже-
ния конических поверхностей при раздельной обработке цапфы
и втулки является сложной технологической задачей. Поэтому
окончательную обработку сопрягаемых конических поверхностей
осуществляют путем взаимной притирки цапфы и втулки. Взаим-
ная притирка обеспечивает высокую точность конического сопря-
жения, но исключает возможность взаимозаменяемости деталей.
Кроме того, использование притирки усложняет и удорожает
изготовление деталей.
Различают конические направляющие с разгрузочными ус-
тройствами и без разгрузочных устройств.
Внаправляющих без разгрузочных ус-
тройств действие осевых сил полностью воспринимается
рабочей конической поверхностью. Связь между осевой нагруз-
кой Р (рис. 132, б) и вызванной ею нормальной силой N выражается
зависимостью
sin а
При малых углах а даже незначительные осевые нагрузки
вызывают большие давления на рабочих поверхностях направ-
ляющих.
При действии осевой Р и радиальной Q сил на рабочей кониче-
ской поверхности возникает давление
— L (d
max + dmin) ( rttga + •
Давление q не должно превышать допустимой величины qmax,
т. е. q < qmax. Для пары материалов бронза—сталь qmsx = 6 МПа,
для пары чугун—сталь qmx = 2,5 МПа.
197
При действии внешних сил в таких направляющих возникает
большой момент трения, величину которого можно рассчитать
по формуле
М - 0,25
Р (^max +rlin) f
sin а
+ 0,32
Q (+iax 4~ ^iDin) /
cos a
Конические опоры отличаются высокой точностью работы.
Это объясняется главным образом тем, что радиальные зазоры
в таких опорах автоматически выбираются под действием осевых
сил, не вызывая при этом радиальных смещений оси вращающейся
детали. Таким же образом осуществляется компенсация износа
трущихся поверхностей.
В направляющих с разгрузочными ус-
тройствами действие осевой силы воспринимается специаль-
ным устройством, поэтому на рабочих конических поверхностях
не возникает больших давлений. В качестве разгрузочного ус-
тройства чаще всего используют торцовую плоскость а—а
(рис. 132, в) или регулировочный винт (рис. 132, г). Разгрузоч-
ные устройства уменьшают момент трения, снижают износ рабо-
чих конических поверхностей и позволяют регулировать диаме-
тральный зазор в коническом сопряжении.
Зависимость между осевым перемещением / регулировочного
винта и вызванного этим перемещением изменением диаметраль-
ного зазора AS выражается формулой
AS = 2/ tg а. (75)
При малом шаге Р резьбы винта и малом угле конуса 2а можно
обеспечить высокую точность регулировки зазора. Рассчитаем
минимальное изменение диаметрального зазора, которое можно
получить при Р = 0,5 мм и а = 2° 52'. С помощью регулировоч-
ного винта [формула (83) ] можно обеспечить минимальное осевое
перемещение
I ЛРфпПП _____ 1 -0,5-1 г.
+1П — 360° 360° — 0,0014 мм.
По формуле (75) находим, что такому осевому перемещению
будет соответствовать изменение зазора в опоре
AS = 2Zmilltga = 2-0,0014-0,05 = 0,00014 мм.
Следовательно, чувствительность регулировки диаметрального
зазора в опоре будет составлять 0,14 мкм.
Из-за малых диаметральных зазоров конические опоры очень
чувствительны к изменению температуры. Поэтому при их кон-
струировании необходимо обращать особое внимание на выбор
материалов. Во избежание температурного заклинивания втулку
и цапфу следует изготовлять из материалов, имеющих одинаковые
или близкие по величине коэффициенты линейного расширения
198
Расчеты минимальных температурных зазоров следует выполнять
по формуле (74), приняв
Aq ~ ^шах-
Материалами для изготовления цапф обычно служат стали У8А
или У12А, закаленные до твердости HRC 50 ... 60; бронза
Бр06,5Ф0,15; латунь ЛАЖ60-1-1Л; ЛКС 80-3-3; ЛС 59-1. Для
втулок применяют перлитовый чугун, фосфористую бронзу или
латунь тех же марок.
Jg Более высокий класс чистоты обработки рабочих поверхностей
позволяет уменьшить трение и увеличить точность работы опоры.
Обычно шероховатость рабочей поверхности цапфы назначают
в пределах Ra = 0,16 ... 0,32 мкм, а втулки — Ra = 0,32 ...
... 0,63 мкм.
Опоры на центрах. Основными элементами опоры
на центрах являются коническая цапфа 1 (рис. 133), называемая
центром или керном, и втулка 2 (подшипник) с раззенкованным
цилиндрическим отверстием.
Угол конуса 2а центра назначают равным 60° (рис. 133, а),
а угол конического участка подшипника — 90°. Для больших
опор с целью увеличения опорной поверхности углы конуса центра
и втулки берутся одинаковыми и равными 60°. Линейные размеры
втулки d, d„ /j и /а нормализованы и назначаются в зависимости
от диаметра D.
При тщательном изготовлении опоры на центрах обеспечи-
вают относительно высокую точность работы, достигающую 1 —
2 мкм.
Опоры на центрах допускают регулировку зазоров за счет
осевых перемещений одного или двух подшипников (рис. 133, б).
При осевом перемещении I диаметральный зазор в опоре изме-
няется на величину
AS = 2/ tg 30° = 1,15/.
Опоры на центрах имеют малую площадь поверхности трения,
поэтому для них не опасны небольшие перекосы |3 оси центра отно-
сительно оси подшипника (рис. 133, в). Эта особенность опор на
центрах позволяет производить регулировку положения оси в по-
перечном направлении. Для этого чаще всего используют эксцен-
триковый центр 1 (рис. 133, в), который после регулировки фик-
сируется винтом 3.
Незначительная площадь поверхности трения не позволяет
применить опоры на центрах при силовых нагрузках более 20 Н
и высоких числах оборотов. Износостойкость таких опор невы-
сокая.
Однако небольшой радиус и малая поверхность соприкоснове-
ния обеспечивают малый момент трения в опоре. При действии
только осевой нагрузки Р момент трения в опоре
Pd
f.
1 2 sm а '
199
Рис. 134. Схемы к расчету моментов сил трения
При'действии только
радиальной нагрузки Q
М, f
4 cos а '
где d —диаметр цилин-
дрического отверстия
подшипника(рис. 134,а);
dv — рабочий диаметр
конуса центра, по кото-
рому последний касает-
ся подшипника (рис.
134, б).
Если на опору одновременно действуют осевая Р и радиаль-
ная сила Q, то момент трения в опоре
М =
d / Q
2 \ cos а
Расчеты на прочность опор на центрах производят по фор-
мулам Герца.
Таким образом, основными преимуществами опор на центрах
являются малые моменты сил трения, возможность регулировок
зазоров и положения вращающейся детали, относительно высокая
точность работы. К основным недостаткам таких опор относится
незначительная нагрузочная способность, небольшое допускаемое
число оборотов и невысокая износостойкость.
Обычно центры и опорные втулки изготовляют из стали У10А,
У12А, 40, 50. Для уменьшения износа детали закаливают до
НрС 50 ... 56. В некоторых конструкциях для уменьшения мо-
мента сил трения центры выполняют из закаленной стали, а под-
шипник — из агата (рис. 133, г). Шероховатость трущихся по-
верхностей назначают в пределах Ра = 0,16 ... 0,32 мкм.
Шаровые (сферические) опоры. Опоры со сферической рабочей
поверхностью состоят из цапфы 1 сферической формы (рис. 135, а)
и подшипника 2, имеющего либо полый конус (рис. 135, б, в},
либо полую сферическую поверхность (рис. 135, а). Подшипники
с полым конусом значительно проще в изготовлении и сборке.
В этом случае касание цапфы с подшипником происходит по
Рис. 135. Сферические опоры
200
узкому поясу, поэтому в таких опорах допускают лишь небольшие
силовые нагрузки и незначительные скорости вращения. Момент
сил трения в опорах с полым конусом при малых диаметрах цапфы
примерно равен моменту сил трения в опорах на центрах. Точность
работы достигает 10 мкм. Для уменьшения момента сил трения
угол конуса подшипника 2а (рис. 135, б) желательно назначать,
по возможности, большим. Однако с увеличением угла умень-
шается точность опоры. Обычно 2а = 90°.
В опорах с подшипниками, имеющими полую сферическую
поверхность, сопряжение цапфы с подшипником происходит по
значительной площади. Поэтому такие опоры могут работать при
больших силовых нагрузках и высоких числах оборотов, однако
момент сил трения в них значительно больше, чем в опорах с под-
шипниками в виде полого конуса.
Шаровая цапфа конструктивно выполняется либо за одно це-
лое с валом (рис. 135, а, в), либо в виде отдельного шарика
(рис. 135, б). Для предохранения шарика от выпадения его можно
завальцевать. Сферические опоры могут воспринимать как осе-
вые, так и радиальные нагрузки.
Сферические опоры допускают регулировку зазоров за счет
осевых перемещений одного или двух подшипников (рис. 135, б).
Для автоматической выборки зазора и устранения температур-
ного влияния один из подшипников может быть выполнен подвиж-
ным в осевом направлении и поджиматься пружиной (рис. 135, в).
Основной особенностью сферических опор является возмож-
ность их качественной работы при значительных перекосах р
(рис. 135, в) оси цапфы относительно оси подшипника. Поэтому
такие опоры широко применяют в различных установочных ус-
тройствах. Величина допускаемого перекоса определяется кон-
структивными особенностями опоры.
Шаровые цапфы обычно изготовляют из сталей 40, 50, У10А,
УША. В качестве вставных шариков применяют стандартные
шарики из подшипниковой стали ШХ. Подшипники обычно изго-
товляют из бронзы, латуни или стали 30. Шероховатость тру-
щихся поверхностей назначается в пределах Ra= 0,08 ... 0,32 мкм.
Разновидностью сферических опор являются опоры на
кернах. Такие опоры состоят из цапфы (керна) 1 конической
формы (рис. 136, а), имеющей на конце сферическую полирован-
ную поверхность малого радиуса гк, и подпятника 2 с внутрен-
ним конусом, оканчивающимся полированной сферой радиусом гп.
Отношение К = гп/гк = 3 ... 10. Радиусы закругления керна гк
колеблются в пределах 0,01—0,15 мм. Между керном и подпят-
ником оставляют осевой зазор So = 0,02-4—0,1 мм (рис. 136, б).
Регулировка зазора осуществляется за счет осевого перемещения
подпятника.
Очень малая поверхность соприкосновения керна с подпятни-
ком обусловливает в опоре чрезвычайно малые моменты трения.
Такие опоры допускают лишь незначительные силовые нагрузки
201
Рис. 136. Опоры на кернах
материала керна и подшипника,
и могут работать только при
малом числе оборотов (п <
<90 мин"1).
Точность работы опор на
центрах невысокая.
При расчете на прочность
проверяют, чтобы контактные
напряжения в зоне контакта
керна с подпятником не превы-
шали допускаемой величины
Ч- ]/0,2357V ( 1Z;n )2 <
> \ Ч^К 1 ч^п /
где q — контактные напряже-
ния, Па; гк и гп — радиусы
сферы керна и подпятника, м;
Ек и Еп — модули упругости
Па (табл. 18); N — наибольшая
нормальная реакция, действующая на керн со стороны подпят-
ника, Н; ртах — допускаемое контактное напряжение, Па(табл. 18).
Если условие прочности не удовлетворяется, т. е. q > ргаах,
то увеличивают гк и ги. Следует стремиться к тому, чтобы q было
как можно ближе к ршах, так как при увеличении гк увеличивается
момент трения.
Материалами керна в большинстве случаев служат стали У8А,
У10А, У12А, закаленные до твердости HRC 56 ... 62, кобальто-
вольфрамовые сплавы и титан ВТ 1-0, ВТ5, который после изго-
товления керна азотируется или цементируется, и немагнитные
коррозионно-стойкие сплавы. Материалами подпятников служат
синтетический сапфир, рубин, корунд, агат. В неответственных
случаях применяют бронзу, латунь.
Для увеличения износостойкости и уменьшения трения тру-
щиеся поверхности керна обрабатывают до Ra = 0,02 ... 0,04 мкм,
а подпятника — до Ra = 0,04 ... 0,08 мкм.
3. НАПРАВЛЯЮЩИЕ С ТРЕНИЕМ КАЧЕНИЯ
Общие сведения. Опоры вращательного движения с трением
качения широко используются в приборостроении. В зависимости
от формы тел качения различают опоры шариковые и роликовые.
В оптико-механических приборах ввиду малых силовых нагрузок
применяют в основном опоры на шариках (шарикоподшипники).
Основными преимуществами шарикоподшип-
ников по сравнению с подшипниками скольжения являются:
1) меньшие потери на трение, меньший момент трогания с места;
2) нечувствительность момента трения к колебаниям темпе-
ратуры, так как наружное и внутреннее кольца и шарики изго-
202
товляют обычно из материалов с одинаковым коэффициентом рас-
ширения;
3) применение шарикоподшипников позволяет использовать
для валиков материалы, плохо сопротивляющиеся износу;
4) невысокие требования к смазке (практически шарикопод-
шипники смазываются только при сборке и работают без добавле-
ния смазки до ремонта прибора).
По сравнению с подшипниками скольжения шарикоподшип-
ники имеют следующие недостатки:
1) высокая стоимость, особенно высокоточных подшипников;
2) шум при работе и менее плавное вращение;
3) увеличенные габаритные размеры.
Различают два вида шарикоподшипников, применяемых в при-
боростроении:
1) стандартные шарикоподшипники, изготовляемые специали-
зированными заводами в соответствии с действующими стандартами;
2) специальные шарикоподшипники, отвечающие специаль-
ным требованиям.
При конструировании желательно применять стандартные
подшипники. Использование специальных подшипников допу-
стимо лишь в случаях, когда требуемые эксплуатационные свой-
ства приборов не могут быть достигнуты при применении стан-
дартных шарикоподшипников.
Стандартные подшипники. Классификацию шарикоподшип-
ников производят по различным признакам. По направлению
действия воспринимаемой нагрузки различают: а) радиальные,
б) радиально-упорные, в) упорные подшипники.
К основным размерам подшипников (рис. 137, а) относятся
внутренний d, наружный D диаметры и ширина колец В. При
одинаковом внутреннем диаметре d подшипники могут иметь раз-
личные наружные диаметры D и ширину В. В зависимости от
наружного диаметра (при d =- const) для подшипников устанав-
ливаются (ГОСТ 3478—79) следующие серии диаметров: 0, 8,
Рис. 137. Основные присоединительные размеры и схемы проверки точности вра-
щения подшипников:
I и II — схемы проверки радиального и торцового биения наружного кольца; III и IV ~
схемы проверки радиального и торцового биения внутреннего кольца
203
9, 1, 7, 2, 3, 4 и 5 (сверхлегкие, особолегкие, легкие, средние
и тяжелые). Серии перечислены в порядке увеличения размера
наружного диаметра подшипников. В зависимости от ширины В
стандарт устанавливает следующие серии ширин: 7, 8, 9, О,
1, 2, 3, 4, 5 и 6 (узкие, нормальные, широкие и особоширокие).
Наиболее распространены подшипники легкой и средней серии
нормальной ширины. Различают также самоустанавливающиеся и
несамоустанавливающиеся подшипники.
Точность подшипников характеризуется точ-
ностью основных присоединительных размеров d, D и В
(рис. 137, а) и точностью вращения. Высокая точность основных
размеров обеспечивает возможность качественной установки под-
шипников в узлах приборов и их взаимозаменяемость.
Точность вращения подшипников характеризуется следующими
параметрами: а) радиальным и торцовым биением наружного
кольца (рис. 137, б); радиальным и торцовым биением внутрен-
него кольца (рис. 137, в). В зависимости от точности основных
размеров и точности вращения ГОСТ 520—71 устанавливает
следующие классы точности подшипников: 0, 6, 5, 4 и 2. Пере-
чень классов точности приведен в порядке повышения точности.
Класс точности (кроме класса 0, который не обозначается) указы-
вается через тире перед условным обозначением подшипника,
например 6—201, означает подшипник № 201 шестого класса
точности.
При выборе класса точности подшипника следует учитывать,
что стоимость подшипника резко возрастает с увеличением его
точности. Поэтому применять подшипники высокой точности
следует только в обоснованных случаях.
Наиболее часто в приборостроении используются подшип-
ники класса 6.
При больших числах оборотов и в тех случаях, когда тре-
буется обеспечить высокую точность вращения, применяют под-
шипники классов 5 и 4.
Подшипники класса точности 2 используют в гироскопических
и других прецизионных узлах и приборах.
Обработка посадочных мест под подшипники. Качество работы
подшипникового узла зависит не только от качества самого под-
шипника, но и в значительной степени от правильного выбора
посадок подшипника на вал и в отверстие корпуса, а также от
точности обработки посадочных мест под подшипник.
Система посадок. В зависимости от условий эксплуатации
возникает необходимость обеспечивать различные посадки в соеди-
нениях внутреннего кольца подшипника с валом и наружного,
кольца с корпусом. Стандартные подшипники изготовляют спе-
циализированные заводы, они имеют определенное, установленное
стандартом, расположение полей допусков на диаметры d и D
(величина поля допуска зависит от класса точности подшипника
и его размера). Поэтому обеспечение требуемой посадки может
204
быть достигнуто только за счет изменения предельных размеров
диаметров вала и отверстия в корпусе. Следовательно, сопряжение
наружного кольца подшипника с корпусом выполняют в системе
вала, а сопряжение внутреннего кольца с валом — в системе
отверстия.
Посадки должны предупреждать при эксплуатации провора-
чивание колец подшипников относительно посадочных поверх-
ностей вала и корпуса. Проворачивание колец приводит к износу
посадочных поверхностей, к потере точности вращения и выходу
из строя подшипника, а иногда и узла в целом. Чтобы предупре-
дить проворачивание колец, подшипник должен быть установлен
с натягом. Однако большие натяги деформируют кольца подшип-
ников, что, в свою очередь, может вызвать значительное умень-
шение радиального зазора в самом подшипнике, защемление тел
качения, перегрев подшипника при эксплуатации и выход его
из строя.
Из этих соображений установку подшипников целесообразно
производить с небольшим натягом.
Выбор посадок подшипников зависит, в основном, от величины,
направления и характера действующих на подшипник нагрузок.
По характеру действия нагрузок различают следующие виды
нагружения колец (рис. 138):
а) местное нагружение характеризуется тем, что
радиальная нагрузка действует в одном и том же направлении
относительно кольца;
б) циркуляционное нагружение характери-
зуется тем, что действие радиальной нагрузки последовательно
воспринимается всеми участками окружности дорожки качения
кольца;
в) колебательное нагружение, при таком на-
гружении кольцо подшипника воспринимает нагрузку, направле-
на u/ae/ww
а) В) В)
Рис. 138. Различные случаи нагружения колец подшипников:
Q — сила, действующая на вал; а — циркуляционное нагружение внутреннего и мест-
ное нагружение наружного кольца; б — местное нагружение внутреннего и циркуляцион-
ное нагружение наружного кольца; в — циркуляционное нагружение внутреннего и коле-
бательное нагружение наружного кольца подшипника
205
ние которой колеблется в определенных пределах относительно
кольца.
При местном нагружении кольца возникает опасность местного
износа его дорожки качения. Для предотвращения такого износа
применяют подвижную установку кольца, что .обеспечивает воз-
можность медленного периодического провертывания кольца на
валу или в корпусе под действием ударов или вибраций. Этим
достигается относительно равномерный износ дорожки качения
по всей окружности кольца. Долговечность подшипника значи-
тельно увеличивается. Кроме того, такая посадка устраняет воз-
можность температурного заклинивания и облегчает сборку и
разборку подшипниковых узлов. Кольца, испытывающие колеба-
тельное или циркуляционное нагружение, устанавливают по более
плотным посадкам. Следует также учитывать, что под действием
силовых нагрузок натяг в соединениях подшипников с валами
и корпусами уменьшается. Поэтому посадки должны быть тем
плотнее, чем тяжелее условия работы. Наиболее характерные
посадки колец шарикоподшипников приведены в табл. 19.
Квалитеты. Посадочные места под подшипники обрабатывают
обычно по допускам с 5-го по 7-й квалитеты. Квалитеты выбирают
в зависимости от класса точности подшипника. Чем выше точность
подшипника, тем точнее должны быть обработаны валы и отвер-
стия. Так, например, посадочные места под подшипники класса 2
обрабатывают по 5-му квалитету, а под подшипники классов О
и 6 — по 6-му и 7-му квалитетам.
На сборочных чертежах рядом с номинальным размером при-
водят условное обозначение поля допуска только посадочной по-
верхности под подшипник (см. рис. 140, а, б).
Шероховатость посадочных поверхностей под подшипники
также зависит от точности подшипника и назначается в пределах
Ra = 0,32 ... 1,25 мкм.
Допуски формы. При сборке узлов тонкие кольца подшипни-
ков могут легко деформироваться, принимая форму посадочных
Таблица 19
Поля допусков для установки шарикоподшипников
Вид нагружения кольца Поля допусков
вала (под внутреннее кольцо подшипника) отверстия корпуса (под наружное кольцо подшипника)
Местный ц5; /s6; Л5; Л6; g6; f7 Js6- Js7-, Н6; Н7, G7
Циркуляционный //.5; «6; m5; /пб; ko~, /го is^ is^ Мб; М7;М6;М7; ^6; К7
Колебательный JSG; Js7
206

Рис. 139. Перекос колец подшипников
мест вала или корпуса. По-
этому к точности формы поса-
дочных мест под подшипники
предъявляются повышенные тре-
бования. Так, конусообраз-
ность и овальность посадочных
поверхностей валов и отверстий
корпусов не должны превы-
шать: под подшипники клас-
сов точности 0 и 6 — половины
допуска на диаметр посадочной
поверхности; под подшипники
классов 5 и 4 — четверти до-
пуска на диаметр. Требования
к точности посадочных поверхностей приведены в СТ СЭВ 774—77.
Допуски расположения. Относительные перекосы у (рис. 139)
колец подшипников существенно снижают точность п долговеч-
ность работы подшипников.
Наиболее часто перекосы вызываются погрешностями распо-
ложения посадочных поверхностей под подшипники. Так, напри-
мер, в конструкции на рис. 139 перекос у вызван отклонением
от соосности расположения А посадочных отверстий корпуса
(значение отклонения показано в утрированном виде). Как сле-
дует из рисунка, перекос колец подшипников у == уь где у, —
перекос оси вала. Из тригонометрических соотношений находим
, А
где А — отклонение от соосности расположения отверстий под
подшипники; L — расстояние между подшипниками.
Аналогичное влияние на перекосы оказывают и отклонения
от соосности расположения посадочных шеек вала. Перекосы
колец подшипников могут быть также вызваны отклонениями от
перпендикулярности (осевым биением) опорных торцов Т вала
(см. рис. 139) и опорных торцов отверстий корпуса.
Допуски расположения посадочных поверхностей под под-
шипники назначают в зависимости от типа и класса точности при-
меняемых подшипников, частоты вращения, расстояния L между
подшипниками и других факторов. При этом требования тем
жестче, чем выше частота вращения, меньше L и выше класс
точности подшипников. Так, например, перекос колец шарико-
подшипников не должен превышать 1 ... 2' — для высокоскорост-
ных узлов при п ц? 30 000 мин-1 и 5' при п < 10 000 мин"1.
В приборостроении допуски расположения посадочных поверх-
ностей под подшипники назначают в пределах от нескольких мик-
рометров до нескольких десятков микрометров.
При изготовлении деталей эти требования проще всего обеспе-
чиваются обработкой обеих посадочных поверхностей с одного
207
установи. Поэтому желательно, чтобы конструкции деталей (ва-
лов и корпусов) допускали такую обработку. Обработка с одного
установа двух отверстий D в корпусах (рис. 140, в, г, е) легко
осуществима. Наличие буртиков в отверстиях корпуса (рис. 140, д)
делает обработку с одного установа двух отверстий под подшип-
ники практически невозможной.
Способы закрепления подшипников. Для предотвращения осе-
вых смещений подшипников относительно вала или отверстия
корпуса применяют различные способы осевого закрепления
(фиксации) подшипников. На рис. 140 приведены способы закреп-
ления подшипников, наиболее часто применяемые в приборо-
строении.
На валах подшипники закрепляются гайками (рис. 140, а),
разрезными пружинными кольцами (рис. 140, б), втулками
(рис. 140, в) и отдельными деталями (рис. 140, г). В корпусах
подшипники чаще всего закрепляют с помощью крышек (рис. 140,5)
и разрезных пружинных колец (рис. 140, а).
Наличие зазоров в шарикоподшипниках снижает точность
их вращения. Поэтому в ответственных случаях шарикоподшип-
Рис. 140. Способы закрепления подшипников
208
ники устанавливают в приборах с предварительным осевым натя-
гом, который выбирает радиальные и осевые зазоры и вызывает
некоторую упругую деформацию рабочих поверхностей подшип-
ника. Предварительный натяг применяют как для радиальных,
так и радиально-упорных подшипников.
Предварительный натяг осуществляется за счет относительного
осевого смещения колец подшипника. Требуемая величина на-
тяга может быть достигнута при сборке за счет соответствующей
установки и фиксации штифтами установочных деталей
(рис. 140, г). Однако в этом случае качество вцборки зазоров
зависит от опыта механика-сборщика и не поддается дальнейшей
регулировке. Поэтому предпочтительнее регулировать зазоры
гайками (рис. 140, д), хотя наличие резьбы несколько усложняет
конструкцию валика. Иногда для создания осевого натяга исполь-
зуют пружины (рис. 140, е) или другие упругие элементы.
В тех случаях, когда возникает опасность значительных тем-
пературных деформаций и температурного заклинивания под-
шипников, последние закрепляют в корпусе только с одного конца
валика, другой конец (плавающий) может свободно перемещаться
вдоль оси (рис. 140, в). Возможность осевых перемещений наруж-
ного кольца плавающего подшипника обеспечивается тем, что его
соединение с корпусом выполняют по посадке Н. Внутреннее
кольцо подшипника закрепляют на валике неподвижно.
Специальные подшипники. Если стандартные подшипники'не
отвечают предъявляемым требованиям, используют специальные
подшипники. Следует отметить, что их стоимость значительно
выше стоимости стандартных подшипников. Специальные подшип-
ники разделяются на следующие основные типы:
1) скоростные шарикоподшипники, рабочая частота
вращения которых превышает допустимую частоту вращения
аналогичных стандартных подшипников;
2) чувствительные шарикоподшипники, обладающие
меньшим по сравнению со стандартными подшипниками моментом
сил трения при трогании с места и во время установившегося
движения;
3) подшипники особых габаритов, которые
используют в случаях, когда предельные размеры узла не позво-
ляют применять стандартные подшипники.
На рис. 141, а—е приведены конструкции специальных под-
шипников. Наиболее широко применяются так называемые н а -
сыпные подшипники. Такие шарикоподшипники не
имеют сепараторов, поэтому иногда их называют бессепара-
торными.
На рис. 142 изображена распространенная конструкция насыпного подшип-
ника. Такие подшипники применяются преимущественно при малых числах обо-
ротов и больших диаметрах. Конструкция отличается простотой н технологич-
ностью. Для уменьшения трения в подшипнике рекомендуется, чтобы прямая О А,
проведенная через точки касания А и В шарика с наружным кольцом, и образую-
209
щая конуса внутреннего кольца пересекались в одной точке на оси подшипника
(точка О). Если задан радиус шариков г и радиус R окружности, проходящей че-
рез центры шариков, то указанное условие будет соблюдаться лишь при опреде-
ленном значении угла а конуса внутреннего кольца подшипника.
Определим значение угла а. В треугольнике АВС стороны ВС = АС = г.
Из подобия треугольников АВС и AOF находим, что OF = AF — R -{- г.
Тогда
Рис. 142. Радиально-упорный насыпной подшипник
210
Из треугольника OCF определяем
sin y ”
В треугольнике ОСЕ
Искомая величина а будет определяться как
а = Y — 13-
Значение у и р рассчитывают по формулам (76) и (77).
Определим число шариков г в подшипнике. Если принять расстояние между
центрами соседних шариков за t, то
. т t
sm т ~ w
где т — угловой шаг расположения шариков.
В насыпных подшипниках обычно принимают I 2,02г. Тогда
Искомая величина
_ 360° _ 180°
2 т т/2
Значение т/2 определяют по формуле (78). Рассчитанная таким образом ве-
личина г обычно не равняется целому числу, поэтому ее уменьшают до ближай-
шего целого числа гх (zj — число шариков в подшипнике).
В последнее время в приборах стали применять так называе-
мые проволочные подшипники (рис. 143, а).
В таких подшипниках шарики 1 перекатываются по кольцам 2,
изготовленным из стальной проволоки. Кольца укладывают в коль-
цевые проточки, обработанные в основании 5 и столе 3 прибора.
Концы проволок имеют плоский стык с небольшим зазором в пре-
делах 0,05—0,30 мм. В конструкции подшипника может быть
применен сепаратор 4.
Рис. 143. Проволочные подшипники
211
Проволочные подшипники отличаются относительной про-
стотой изготовления. При их применении значительно' умень-
шаются габаритные размеры приборов и облегчается их ремонт
(при износе достаточно заменить проволочные кольца и комплект
шариков). Кольцевые проточки, в которые укладывают проволоч-
ные кольца, могут быть обработаны непосредственно в корпусных
деталях прибора, причем эти детали могут быть изготовлены из
различных материалов. В проволочных подшипниках, кроме ша-
риков, нет ни одной закаленной детали. Диаметр таких подшип-
ников может изменяться в пределах от нескольких сантиметров
до нескольких метров.
Для увеличения долговечности и грузоподъемности произво-
дят нагартовку беговых дорожек шириной b (рис. 143, б) на про-
волочных кольцах, в результате которой радиус кривизны бего-
вой дорожки становится практически равным радиусу г шариков.
При значительных нагрузках, воспринимаемых подшипником, на
проволочных кольцах предварительно прошлифовывают дорожки
качения, а затем производят их нагартовку. Ширина дорожки
качения в этом случае b w (где d — диаметр шариков). При
малых нагрузках дорожки качения не шлифуют.
Точность вращения проволочных подшипников зависит в основ-
ном от точности формы кольцевых проточек и точности формы
колец. В отдельных конструкциях подшипников осевое биение
не превышает 1,5 мкм, а радиальное 3,5 мкм; начало износа ста-
новится заметным после 5 млн оборотов подшипника.
Проволочные подшипники по сравнению с подшипниками
обычной конструкции имеют меньшую грузоподъемность и не-
сколько большие потери на трение. Кроме того, они незначи-
тельно уступают последним по точности и плавности вращения.
Проволочные подшипники применяют в основном при малых
окружных скоростях (до 25 м/с).
Материалом для изготовления проволочных колец служит
высокопрочная пружинная сталь твердостью НВ 375—540. Диа-
метр проволоки обычно принимают равным dn = где d —
диаметр шариков.
Вертикальные осевые системы кинотеодолитов относятся к спе-
циальным подшипникам особых габаритов. В этих системах ис-
пользуются только подшипники качения, так как при значитель-
ной массе вращающихся частей и значительных угловых ускоре-
ниях требуется обеспечить минимальные моменты сил трения.
Преимущественное применение в этих системах находят специаль-
ные подшипники с плоскими опорными поверхностями (см.
рис. 141, е). Кроме того, применяются и проволочные подшип-
ники (см. рис. 143, а).
Момент сил трения в подшипниках качения ввиду чрезвычай-
ной сложности теоретического расчета определяют либо с помощью
212
приближенных расчетных формул, либо на основании эмпириче-
ских (опытных) данных. В самом первом приближении
М = 8d + 0,2- 10~3 ~R,
где Л4 — момент трения, Ншм; D и d— наружный и внутренний
диаметры подшипника, см; R — суммарная нагрузка на под-
шипник, Н.
Материалы подшипников. Детали подшипников, в том числе
и специальных, изготовляют из сталей ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ,
реже из сталей У10А, У12А и бериллиевой бронзы. Бериллиевая
бронза после термической обработки приобретает твердость, близ-
кую к твердости закаленной стали. Например, твердость стали
после термообработки составляет HRC 55 ... 60, а бериллиевой
бронзы HRC 43 ... 45. Для изготовления подшипников, работа-
ющих при повышенной влажности, используют сталь 95X18.
Кроме металлов, для изготовления подшипников качения при-
меняют пластмассы (фторопласт, полиформальдегиды, полиамиды
и т. д.). Такие подшипники бесшумны в работе, химически стойки,
способны выдерживать вибрационные и ударные нагрузки, имеют
малую массу, могут работать без смазки. Однако подшипники ка-
чения из пластмасс изменяют со временем свои размеры; имеют
меньшую точность; не могут применяться при высоких числах
оборотов, высоких температурах. Грузоподъемность таких под-
шипников меньше, чем подшипников, изготовленных из стали.
В настоящее время освоен выпуск шариков из ситаллов (стек-
локристаллический материал), которые тверже закаленной стали
и легче алюминия. Такие шарики выдерживают резкие смены
температуры, имеют малые потери на трение и высокую контакт-
ную прочность.
Смазка опор. Смазка, вводимая в опоры приборов, предохра-
няет их от коррозии, уменьшает износ, стабилизирует и умень-
шает, потери на трение, уменьшает шум и т. д.
Смазка опор в приборостроении имеет свои особенности,
которые заключаются в том, что смазочный материал, в большин-
стве случаев, вводится в опору только при сборке и в процессе
эксплуатации прибора не сменяется и не добавляется. Для сма-
зывания приборных подшипников чаще всего используют раз-
личные масла и консистентные смазки.
По отношению к оптическим деталям смазочные материалы
делят на две группы: рекомендуемые для применения в узлах,
непосредственно контактирующих с оптическими деталями, и
материалы для применения в узлах, не контактирующих с опти-
ческими деталями и находящимися не ближе 30 мм от них.
Из смазочных материалов первой группы в оптической про-
мышленности часто используют смазки АЦ-1, СОТ, КРОН-1,
ЛИТА и смазочные масла МС-6, МС-14, ВНИИНП-6, МБП-12
и веретенное масло. Из смазочных материалов второй группы
213
используют смазки ЦИАТИМ-221, ОКБ-122-7 и смазочное масло
132-08.
На работу подшипников в приборах оказывает влияние не
только качество смазки, но и ее дозировка. Недостаточное коли-
чество смазки в подшипниках, особенно работающих при высоких
числах оборотов, способствует резкому сокращению их долговеч-
ности. Избыток смазки приводит к увеличению трения и сниже-
нию чувствительности приборов. Оптимальное количество смазки
определяют экспериментальным путем. Обычно для смазывания
одного подшипника требуется смазочный материал в объеме
2—3 шариков подшипника.
4. ВЫСОКОТОЧНЫЕ ОПОРЫ ПРИБОРОВ
Из всех допусков на изготовление деталей оптико-механиче-
ских приборов наиболее жесткие относятся к деталям осевых
систем геодезических инструментов. Точность изготовления та-
ких деталей, как правило, выше 5-го квалитета.
Кроме того, к ним предъявляются очень высокие требования
по точности геометрической формы рабочих поверхностей. Ука-
занные требования объясняются тем, что применяемая методика
измерений и компенсирующие устройства не могут полностью
исключить влияние отдельных погрешностей осевых систем на
окончательные результаты измерений, выполняемых геодезиче-
скими инструментами.
Исходными данными для расчета точности осевых систем
являются угловые величины, в пределах которых допускаются
колебания осей. Рассмотрим зависимость между возможными
угловыми колебаниями Ау цапфы относительно втулки и зазо-
ром S. При малом значении угла А у в треугольнике АВС
(рис. 144), в котором АВ S, а АС СВ = L,
Ay" = ' (79)
где р" = 206 265 — число угловых секунд в 1 радиане; . D —
диаметр отверстия; d — диаметр вала.
Поскольку цапфа может совершать колебания в обоих направ-
лениях, то ее наибольшее угловое колебание будет составлять
2Ау. Определим максимальную величину зазора в осевой системе
двухсекундного геодезического инструмента. По техническим
условиям наибольшее угловое колебание 2Ау < 1". Приняв
L = 120 мм и 2Ау = 1", по формуле (79) находим
е Ду"/. _ 0,5-120 л оооч
S— р„ 206265 — 0,0003 мм.
Расчеты максимального зазора вертикальной оси тридцати-
секундного теодолита показывают, что при А у =15" и L =
= 75 мм S = 5 мкм. Однако на практике зазоры в осевых си-
стемах обычно оказываются несколько больше расчетных. Это
214
Рис. 144. Влияние за-
зора на величину на-
клона оси
объясняется наличием слоя смазки, имею-
щего определенную толщину. Естественно,
что при раздельном изготовлении цапфы и
втулки не представляется возможным по-
лучить соединение с такими точными зазо-
рами. Поэтому окончательная обработка
цапфы и втулки осуществляется путем при-
тирки, что исключает взаимозаменяемость
деталей.
Поскольку зазоры в высокоточных осях
весьма малы, значительно возрастает опас-
ность их температурного заклинивания. Не-
обходимо учитывать, что геодезические
инструменты используются, как правило, в
различных климатических условиях при
колебаниях температуры +50 °C. В этой
связи особое значение приобретает правильный выбор материа-
лов цапфы и втулки. Наименьшие температурные изменения
зазора будут наблюдаться в сопряжениях деталей, изготовлен-
ных из одинаковых материалов. Однако в таких опорах уве-
личивается опасность адгезии (приваривания) трущихся поверх-
ностей, в результате которой эти поверхности могут разру-
шиться (глубинное вырывание материала). Адгезия уменьшается,
если детали термически обработаны, а на их трущиеся поверхности
нанесено покрытие (например, оксидная пленка).
В высокоточных осевых системах часто применяют следующие
пары материалов: сталь ХВГ — чугун; сталь ШХ15 — сталь
ШХ15; сталь ХВГ — бронза и др.
Для обеспечения износоустойчивости необходима высокая
твердость материалов трущихся поверхностей. Требуемую твер-
дость получают в результате закалки, азотирования, нитриро-
вания.
Особое внимание при изготовлении высокоточных осевых
систем уделяется устранению внутренних остаточных напряже-
ний в материале деталей, так как деформации, возникающие от
этих напряжений, могут значительно снизить точность или за-
клинить систему. Остаточные деформации можно значительно
уменьшить за счет выбора соответствующих материалов и терми-
ческой обработки деталей (старения). Легированные стали меньше
подвержены остаточным деформациям, что и является основанием
для применения стали ХВГ при изготовлении осей высокоточных
геодезических инструментов. В настоящее время остаточные на-
пряжения снимают искусственным старением, которое полностью
вытеснило способ естественного старения.
В качестве высокоточных осевых систем используются, в основ-
ном, цилиндрические и конические опоры.
Открытые цилиндрические опоры. Наиболее типичным приме-
ром таких конструкций может служить горизонтальная опора
215
теодолита (рис. 145, а). Замыкание опоры осуществляется дей-
ствием пружины.
Точность работы открытой цилиндрической опоры зависит
только от погрешностей формы цапфы 1 и не зависит от погреш-
ностей втулки 2 (лагера) и ее износа. Применяемые способы об-
работки позволяют изготовлять цапфы с погрешностями формы
0,7—1,0 мкм, а в отдельных случаях даже до 0,3 мкм (цапфы
астрономических инструментов имеют более высокую точность).
Открытые цилиндрические опоры обеспечивают наивысшую
точность и применяются преимущественно в конструкциях гори-
зонтальных осей пассажных инструментов и триангуляционных
теодолитов.
Закрытые цилиндрические опоры. Точность работы таких
опор (рис. 145, б) зависит как от зазора, так и от отклонений
формы цапфы и втулки. Поэтому точность таких направляющих
ниже, чем цилиндрических открытого типа. Недостатками закры-
тых цилиндрических опор также являются:
а) больший момент трения;
б) существенное влияние износа на точность работы;
в) наличие мертвого хода;
г) высокая чувствительность к изменению температуры внеш-
ней среды и
д) невозможность регулирования зазора.
Изготовление высокоточных цилиндрических осей закрытого
типа связано со значительными технологическими трудностями.
Конические опоры. Широкое применение конических осей
в высокоточных оптико-механических приборах объясняется воз-
можностью регулировки зазоров и высокой точностью работы.
Точное сопряжение конической цапфы со втулкой может быть
достигнуто при изготовлении деталей на оборудование низкой
Рис. 145. Высокоточные опоры приборов:
а — открытая цилиндрическая опора: б —- закрытая цилиндрическая опора; в — кониче»
ская опора; г — опора с трением качения
216
-ища 'M
Основные характеристику, и область применения высокоточных опор’
Тип опоры Точность работы опоры Момент трения Влияние колеба- ний тем- пературы Износо- устой- чивость Область применения
Цн л и н др и чес кие открытые Наивыс- шая Малый Незна- читель- ное Высокая Горизонтадиные осп высокоточных инструментов
11,и л и и дри чески е закрытые Средняя Средний Среднее /Малая Вертикальные и горизонтальные оси теодолитов и нивелиров
Конические (с разгрузочным уст- ройством) Высокая Средний Среднее Высокая Вертикальные оси геодезических инструментов
На подшипни- ках качения Высокая Незна- читель- ный Незна- читель- ное Высокая Вертикальные оси геодезических инструментов
точности, так как окончательная обработка деталей осуществ-
ляется взаимной притиркой. В высокоточных осевых системах
в основном используются конические опоры с разгрузочными
устройствами (рис. 145, в).
Опоры с трением качения. Такие опоры применяют в некото-
рых конструкциях высокоточных осевых систем (рис. 145, а).
Использование специальных насыпных подшипников позволяет
обеспечивать точность работы опоры до 1 мкм.
Основные характеристики рассмотренных видов высокоточ-
ных опор и область их применения в геодезическом инструменто-
строении приведены в табл. 20.
Глава 16
ВИНТОВЫЕ МЕХАНИЗМЫ
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ
Винтовыми механизмами называются передаточные механизмы,
основными элементами которых являются винт и гайка. Винтовые
механизмы используются для преобразования вра-
щательного движения винта или гайки
в их поступательное перемещение. В винто-
вых механизмах величина линейного перемещения I прямо про-
порциональна углу поворота ср:
I = мм, (80)
где Р — шаг резьбы, мм; п — число заходов резьбы; ф — угол
поворота винта (гайки), град.
217
Возможны четыре варианта движений звеньев винтовых меха-
низмов . Г •
1. Гайка 2 (рис. 146, а) неподвижна, винт 1 вращается и дви-
жется поступательно. Этот вариант винтовых механизмов обеспе-
чивает наибольшую точность работы, технологичен и прост по
конструкции, так как гайка одновременно является и опорой
(подшипником) винта. Однако винт в конструкции работает кон-
сольно, поэтому его длина должна быть небольшой, в связи с чем
ход ползуна, как правило, не превышает 25 ... 50 мм. В таких
устройствах часто используют силовое замыкание, т. е. ползун
постоянно прижимается к торцу винта упругим элементом, на-
пример, пружиной 5. Винтовые механизмы, выполненные по ука-
занной схеме, широко применяются в различных приборах:
инструментальных микроскопах, геодезических приборах, коор-
динатных столиках и т. д.
2. Винт 1 (рис. 146, б) вращается, гайка 2 совершает посту-
пательное движение. Точность работы механизма ниже, чем у ме-
ханизма первого варианта. Конструкция сложнее и менее техно-
логична, так как винт вращается в опорах и поэтому требуется
обеспечивать соосность расположения винта и гайки. На
рис. 146, б представлена схема устройства с кинематическим за-
мыканием, однако часто используется и силовое замыкание.
Ввиду того, что винт установлен на двух опорах (не консольно)
и дополнительно поддерживается гайкой, его длина может быть
значительна. Поэтому механизм может обеспечивать большой ход
ползуна. Такие винтовые устройства применяют для перемещений
кареток оптических головок, координатных столиков и т. д.
3. Гайка 2 (рис. 146, в) вращается, винт 1, закрепленный
в ползуне 3, движется поступательно.
218
4. Гайка 2 (рис. 146, г), установленная в пазу ползуна 5,
вращается и выполняет вместе с ползуном поступательное движе-
ние. Винт 1 закреплен в корпусе 4 и остается неподвижным.
Последние два варианта конструкций винтовых механизмов
отличаются невысокой точностью и обычно используются для вы-
полнения установочных движений, например, в стойках оптиче-
ских скамей, стойках вертикальных оптиметров и т. д.
По назначению винтовые механизмы подразделяют на две
группы.
1. Отсчетные винтовые механизмы служат для измерения
с требуемой точностью линейных перемещений или для обеспе-
чения линейных перемещений на заданную величину. Поэтому
к этим механизмам предъявляются высокие требования в отно-
шении точности работы и сопротивляемости износу, так как по
мере износа снижается точность работы механизма. Отсчетные
винтовые механизмы, как правило, не испытывают значительных
силовых нагрузок и работают при небольших скоростях. По-
этому трение между винтом и гайкой, а также КПД механизма
не имеют существенного значения.
2. Неотсчетные винтовые механизмы обеспечивают только
перемещение отдельных деталей или узлов, но не выполняют
измерительных функций. Поэтому к точности работы таких ме-
ханизмов особых требований не предъявляется. Как правило,
неотсчетные винтовые механизмы испытывают существенные си-
ловые нагрузки и выполняют значительную работу. Поэтому
в таких механизмах большое значение имеет снижение потерь на
трение и повышение КПД.
Для определения угла поворота в винтовых механизмах часто
используют отсчетные устройства, состоящие из отсчетного ба-
рабана и индекса (указателя) (рис. 147). Указанный механизм
имеет две шкалы отсчета. Шкала
грубого отсчета а позволяет опре-
делять число полных оборотов
винта, а шкала точного отсчета б
Рис. 147. Винтовой механизм с от-
счетным барабаном:
1 -- гайка-корпус; 2 — винт; 3 — ре-
гулировочная гайка; 4 — отсчетный ба-
рабан; а — шкала грубого отсчета; б —
шкала точного отсчета
Рис. 148. Винтовые механизмы
винтовочного прицела:
1 — сетка; 2 — винт; 3 — барабан
углов прицеливания; 4 -- барабан
боковых поправок; 5 •— пружина;
6 — гайка
219
доли оборота. Цену деления i шкалы точного отсчета рассчиты-
вают по формуле
где п — число заходов резьбы; Р — шаг резьбы, мм; N — число
делений на барабане.
На рис. 148 приводится конструкция винтового механизма винтовочного
прицела. Перемещения кольца сетки 1 вверх-вниз и вправо-влево осуществляются
двумя винтовыми механизмами, винты которых совершают только вращательное
движение, а гайки — только поступательное. Движение одной гайки не мешает
движению другой, так как гайки имеют форму ползунков, перемещающихся по
Т-образным пазам кольца сетки.
2. ВЫБОР ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВИНТОВЫХ МЕХАНИЗМОВ
Тип резьбы. В приборостроении для изготовления винтовых
механизмов применяют главным образом стандартные резьбы
двух типов:
1) метрическую (СТ СЭВ 180—75; СТ СЭВ 181—75;
СТ СЭВ 182—75) с углом профиля а = 60°;
2) трапецеидальную (ГОСТ 9484—73;
СТ СЭВ 146—75; СТ СЭВ 185—75; СТ СЭВ 639—77) с углом про-
филя а = 30°.
Выбор типа резьбы определяется назначением винтового ме-
ханизма. В неотсчетных механизмах рекомендуется применять
трапецеидальную резьбу, так как трение в резьбовом соединении
уменьшается с уменьшением угла профиля. В отсчетных винтовых
механизмах, работающих при небольших нагрузках, используются
главным образом метрические резьбы.
Длину резьбы винта L (рис. 146, б) назначают в зависимости
от величины максимальных перемещений Дшах, обеспечиваемых
винтовым механизмом. Обычно
L = А тах I cl,
где / — длина резьбы гайки (рис. 146,6); а—некоторый запас
длины.
Диаметр резьбы d (рис. 146, б) назначают такой величины,
чтобы обеспечить достаточную жесткость винта при его изготов-
лении и эксплуатации. Обычно d 0,05Lj, где Lr — длина винта.
Расчетный размер округляют до ближайшего стандартного раз-
мера наружного диаметра резьбы (ГОСТ 9484—73; СТ СЭВ 181—75;
СТ СЭВ 182—75; СТ СЭВ 185—75).
Длину гайки I (рис. 146, б) (длина свинчивания) в целях
обеспечения прочности и износоустойчивости резьбы следует
принимать равной не менее диаметра резьбы d.
Шаг резьбы Р выбирают из конструктивных соображений
в соответствии с указанными выше стандартами. При этом необ-
220
ходимо учитывать, что трапецеидальную резьбу можно применять
только с шагом не менее 1,5 мм, так как при меньшем шаге тра-
пецеидальную резьбу технологически трудно нарезать и шлифо-
вать. Технологические возможности позволяют изготовлять ме-
трические резьбы с шагом не менее 0,25 мм. Однако изготовление
резьб с таким шагом вызывает серьезные трудности, а при экс-
плуатации такие резьбы быстро выходят из строя ввиду их интен-
сивного износа. Поэтому желательно, чтобы шаг метрической
резьбы был не менее 0,5 мм. Применение метрических резьб с мень-
шим шагом (но не менее 0,25 мм) допускается лишь в случаях
крайней необходимости (например, в геодезических приборах).
Число заходов п. Если шаг однозаходной резьбы не обеспе-
чивает достаточно быстрого линейного перемещения ведомого
элемента винтовой передачи, то применяют многозаходную резьбу.
Например, в бинокле для быстрой диоптрийной установки оку-
ляров используют шести- или даже восьмизаходную резьбу.
Применение многозаходных резьб в точных отсчетных механиз-
мах нежелательно, так как их точность значительно ниже, чем
однозаходных резьб.
Выбор материалов винта и гайки и их обработка. Отсчетные
винты выполняют из высококачественных углеродистых инстру-
ментальных сталей У8А или УЮА и закаливают до твердости HRC
55 ... 60. Рабочие поверхности таких винтов обрабатывают до
Ra = 0,16 ... 0,32 мкм. Однако при малых нагрузках (5 ... 10 Н)
допускается изготовлять винты из незакаленной стали, что прак-
тически не сказывается на их износостойкости. Незакаленные
винты обрабатывают до Rа = 0,32 ... 0,63 мкм.
Гайки изготовляют из бронзы марки БрО5Ц5С5 и БрА9Ж4,
латуни, незакаленной стали, антифрикционного чугуна и поли-
этилена низкого давления марки П. Полиэтилен обладает высокой
упругостью, очень малым коэффициентом трения и легко обраба-
тывается резанием. Винтовая пара с полиэтиленовой гайкой обес-
печивает высокую точность работы винтового механизма и может
работать без смазки.
3. ТОЧНОСТЬ РАБОТЫ ОТСЧЕТНЫХ ВИНТОВЫХ МЕХАНИЗМОВ
В большинстве случаев погрешность работы отсчетных винто-
вых механизмов характеризуется следующими составляющими:
1) погрешностью мертвого хода А/М.х, воз-
никающей за счет зазоров в резьбовой паре;
2) кинематической погрешностью AZK, воз-
никающей вследствие погрешностей резьбы;
3) п о г р ешностью шкалы Д/ш, обусловленной по-
грешностями изготовления и установки шкалы;
4) погрешностью считывания А/о, которая
определяется особенностями системы отсчета и физиологическими
свойствами глаз оператора.
221
Рис. 149. Примеры конструкций с радиальной выборкой зазора
В общем случае максимальная суммарная погреш-
ность А/ отсчетного винтового механизма
А/ = А/м. х + А/к А/ш + А/с. (82)
Погрешность мертвого хода и способы ее устранения. Из пере-
численных выше составляющих наибольшей, как правило, яв-
ляется погрешность мертвого хода. Эта погрешность возникает
вследствие зазоров в резьбовой паре. Для повышения точности
работы отсчетные винтовые механизмы снабжают специальными
устройствами, позволяющими значительно уменьшить погрешность
мертвого хода. Различают два способа уменьшения погрешности
мертвого хода: 1) радиальный; 2) осевой.
Радиальный способ регулирования осуществляется
за счет сжатия гайки в поперечном направлении с целью умень-
шения зазора между резьбами гайки и винта. Примеры конструк-
ций с радиальной выборкой зазора показаны на рис. 147; 149; 152.
Разрезная гайка со стяжным винтом (рис. 149, а) наиболее проста
по конструкции, но создает неравномерное обжатие и, следова-
тельно, вызывает неравномерный износ резьбы гайки. Лучшую
выборку мертвого хода обеспечивает гайка, выполненная в виде
цанги (рис. 149, б, в). Если такая гайка изготовляется из поли-
этилена, то продольные пазы в ней не делают, так как обжатие
гайки легко достигается за счет упругих деформаций полиэти-
лена.
При осевом способе регулирования в винтовом
механизме создают дополнительное осевое усилие постоянного
направления. За счет этого усилия боковой зазор в резьбовом
сопряжении постоянно выбирается в одну и ту же сторону и
поэтому не вносит дополнительных погрешностей при реверси-
ровании винтового механизма. Примеры конструкций с осевой
регулировкой зазора показаны на рис. 150. На рис. 150, а пред-
ставлен способ выборки мертвого хода с помощью жесткого эле-
222
Рис. 150. Примеры конструкций с осевой выборкой зазора
мента, а на рис. 150, б — пример выборки мертвого хода за счет
использования упругого звена (пружины). Последний выгодно
отличается тем, что по мере износа резьбового соединения мертвый
ход не возникает, так как увеличивающийся зазор выбирается
пружиной.
Рассчитаем величину обжатия АП гайки (рис. 151), необходи-
мого для выборки одинакового бокового зазора S при радиальном
способе регулирования для метрической (рис. 151, а) и трапе-
цеидальной резьбы (рис. 151, б):
ЛП — 5 — S - S
'м “ sin (ам/2) sin 30° ~ 0,50 ’
Д£) _____5____ — L? — _А .•
т sin (ат/2) sin 15° 0,26 ’
АДт = ^0,50
ADM 0,265
т. е. для выборки зазора в трапецеидальной паре за счет радиаль-
ного регулирования величина обжатия гайки должна быть почти
в 2 раза больше, чем при метрической резьбе. При большой ве-
личине обжатия нарушается геометрия резьбы гайки, кроме
того, возможно защемление витков резьбы по наружному и вну-
треннему диаметрам, что вообще не допускается при работе вин-
Рис. 151. Схема радиальной выборки зазора:
а — при метрической; б — при трапецеидг1льиой резьбе
223
тобой пары. Поэтому в резьбовых парах с метрической резьбой
обычно используют радиальный способ выборки зазора, а при
трапецеидальной — осевой.
На рис. 152 приведена конструкция микрометренного механизма винтового
окулярного микрометра МОВ-1-15* (ГОСТ 7865—77Е). Перемещения каретки 1,
на которой закреплена подвижная сетка микрометра, и измерение величины этих
перемещений осуществляются микрометренным механизмом. Под действием пру-
жин (пружины на рисунке не показаны) каретка постоянно прижимается упо-
ром 2 к коническому концу микрометренного винта 5. Стакан 6 двумя винтами
прикреплен к корпусу 4 микрометра. В коническое гнездо стакана вставлена цан-
говая гайка 7, в которой вращается микрометренный винт. На наружной поверх-
ности гайки обработаны три паза, из которых один паз b полностью перерезает
стенку гайки. При ввертывании регулировочной гайки 8 цанговая гайка вдви-
гается в коническое гнездо стакана, за счет чего диаметр ее резьбы уменьшается.
Таким образом регулируют зазоры в резьбовом соединении микрометренного
винта 5 с цанговой гайкой 7. Цилиндрический конец винта 13, располагаясь в пазу
цанговой гайки, предотвращает возможность ее поворота относительно стакана 6.
С помощью трех винтов 10 крышка 11 присоединена к фланцу микрометрен-
ного винта. На наружной поверхности крышки 11 обработана кольцевая канавка С
треугольного профиля. Соединение крышки с барабанчиком 9 осуществляется
тремя винтами 12, конические концы которых входят в канавку С крышки. При
отпущенных винтах 12 появляется возможность повернуть барабанчик относи-
тельно микрометренного винта и установить шкалу барабанчика в нулевое поло-
жение. На левый резьбовой конец винта навернута ограничительная гайка 3,
которая не позволяет вывернуть микрометренный винт из цанговой гайки. На
микрометренном винте нарезана резьба Мбх 1 мм. На барабанчике нанесена шкала,
имеющая N = 100 делений. Диаметр шкалы Dm = 25 мм. Рабочий ход каретки
А = 8 мм.
Кинематическая погрешность. В винтовых механизмах линей-
ные перемещения должны быть пропорциональны углу поворота
винта. Поэтому на графике (рис. 153) зависимость линейного
перемещения от величины угла поворота винта должна выра-
жаться прямой 1 (теоретическое перемещение). Однако вследствие
Рис. 152. Конструкция отсчетного механизма винтового окулярного микрометра
224
Рис. 153. Ошибка шага резьбы:
1 — теоретическое; 2 — действитель-
ное перемещение винта; Д/к — перио-
дическая; Д/к — ходовая ошибка
величиной AZ'
погрешностей изготовления резьбы
действительные перемещения (кри-
вая 2) реального винта всегда
отличаются от теоретических, т, е.
возникает кинематическая по-
грешность Д/к.
Различают два вида погрешно-
стей шага резьбы: 1) периодиче-
ские; 2) ходовые.
П ер и од иче ск ими (иногда
их называют местными или цик-
лическими) называют погрешно-
сти шага, которые периодически,
многократно повторяются на каж-
дом оборотерезьбы. Нарве. 153 пе-
риодическая погрешность третьего
витка резьбы характеризуется
Ходовыми (иногда их называют накопленными или
прогрессивными) называются погрешности шага, накопленные
на некоторой длине резьбы. На рис. 153 ходовая погрешность на
длине резьбы Ц характеризуется величиной Д/к.
Ходовые погрешности всегда больше периодических, так как
они измеряются на длине резьбы, которая обязательно должна
быть больше шага резьбы, а периодические — в пределах одного
шага резьбы.
Точность работы винтовой пары зависит как от точности из-
готовления винта, так и от точности изготовления гайки. Однако
погрешности изготовления винта оказывают большее влияние, чем
погрешности изготовления гайки, так как они влияют как на
периодические, так и на ходовые погрешности, а погрешности
изготовления гайки — только на периодические погрешности
винтовой пары.
Допуски на изготовление резьб устанавливаются соответству-
ющими стандартами (ГОСТ 16093—70; ГОСТ 17722—72 для ме-
трических и СТ СЭВ 185—75 для трапецеидальных резьб), которые,
однако, не регламентируют допустимые отклонения шага. Требо-
вания к точности шага резьбы конструктор должен устанавливать
отдельно и дополнительно оговаривать в чертежах.
Технологические возможности изготовления позволяют в на-
стоящее время производить обработку микрометрических винтов
с ходовой погрешностью на длине 25 мм порядка 2 мкм и периоди-
ческой погрешностью порядка 0,8 мкм.
4. МИНИМАЛЬНЫЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ-
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ВИНТОВОЙ МЕХАНИЗМ
На основании опытных данных установлено, что наименьший
угол поворота винта, ощущаемый рукой (при диаметре барабана
или головки винта 20—50 мм), равняется 0,5—1°. Поэтому по
8 Плотников В. С. и др. 225
Рис. 154. Дифференциальный вин-
товой механизм
формуле (80) минимальное пере-
мещение /Ш1П, которое можно обес-
печить винтовым механизмом,
будет равняться
1 __
Iram — 360о
(83)
где п — число заходов (обычно
в точных отсчетных механизмах
п = 1); Р — шаг резьбы, мм;
фты = 0,5-4-1° — наименьший ощу-
щаемый рукой угол поворота ба-
рабана.
Как уже указывалось, в винтовых механизмах не рекомендуется
назначать шаг резьбы менее 0,5 мм. Приняв п = 1, Р = 0,5 мм
и Фтш = 0,5°, по формуле (83) находим
' __ «РфиИп
mitl ~ 360°
1 0,5-0,5
360’
0,0007 мм.
Таким образом, для винтового механизма с шагом резьбы
Р — 0,5 мм минимальные перемещения определяются величиной
порядка 0,7 мкм. Однако в отдельных случаях, например при
геодезических измерениях, требуется обеспечить перемещения
меньше указанной величины.
Одним из устройств, с помощью которых можно получить тре-
буемые малые перемещения, является дифференциальный винто-
вой механизм. Указанный механизм (рис. 154) имеет два резьбо-
вых соединения: соединение корпуса 1 с винтом 2 по резьбе с ша-
гом Рг и соединение винта 2 со стержнем 3 по резьбе с шагом Р2.
Оба соединения имеют резьбы одного и того же направления.
Штифт 4 препятствует повороту стержня 3 относительно корпуса 1.
Если винт 2 повернуть на один оборот, то он ввернется в кор-
пус 1 и переместится поступательно на величину шага Рг. Одно-
временно винт 2 навернется на стержень 3 на величину шага
резьбы Р2. Стержень 3 с учетом взаимных перемещений деталей
механизма сместится относительно корпуса 1 на величину
Р = Pi - Рг, (84)
т. е. на разность шагов резьб, поэтому механизм и назван диффе-
ренциальным. Напомним, что дифференциальными называются
механизмы, в которых результирующее перемещение равно сумме
или разности составляющих перемещений.
Подбирая соответствующие сочетания шагов резьб Рх и Р2,
можно получить требуемую величину перемещений. Если, напри-
мер, в дифференциальном механизме использовать резьбы с ша-
гами Pi = 0,6 и Р2 = 0,5 мм, то результирующее перемещение
за один оборот винта будет иметь величину
Р = Pi — Р2 = 0,6 — 0,5 = 0,1 мм.
226
Приняв cpmln = 0,5°, по формуле (83) находим
U = = °>00014 мм = 0,14 мкм-
Таким образом, дифференциальный винтовой механизм поз-
воляет обеспечивать малые перемещения при использовании
резьб с относительно крупным шагом. Однако дифференциальные
винтовые механизмы имеют более низкую точность, чем обычные
винтовые, что объясняется наличием в дифференциальном меха-
низме двух резьбовых пар.
Глава 17
ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ
Зубчатые передачи используются в оптико-механических при-
борах главным образом для преобразования вращательного дви-
жения ведущего звена во вращательное или поступательное дви-
жение ведомого. Широкое распространение зубчатых передач
в приборостроении объясняется высоким КПД, компактностью,
надежностью работы, долговечностью, возможностью достижения
высоких передаточных чисел и простотой эксплуатации зубчатых
передач.
Конструкции зубчатых передач и условия их работы весьма
разнообразны, поэтому классификация зубчатых передач про-
водится по нескольким признакам.
Напомним, что по взаимному расположению осей различают
цилиндрические, конические, червячныеи
винтовые передачи. По числу ступеней зубчатые пере-
дачи делятся на одноступенчатые и многосту-
пенчатые. При этом они могут иметь передаточные числа
постоянные (редукторы) или меняющиеся ступенями (коробки
скоростей).
По характеру относительного движения зубчатых колес раз-
личают передачи с неподвижными и подвижными
осями вращения (к последним относятся планетарные
и дифференциальные передачи).
По виду зацепления зубьев различают передачи с внеш-
ним, внутренним и реечным зацеплением.
В зависимости от эксплуатационных требований зубчатые
передачи подразделяют на отсчетные, скоростные,
силовые и общего назначения.
В зависимости от расположения зубьев относительно образу-
ющей обода колеса передачи делят на прямозубые, ко-
созубы ей с к р и в о л ин ейными зубьями.
227
По форме профиля зубьев различают передачи с эвольвент-
ным и неэвольвентным зацеплением. Наи-
большее распространение в приборостроении и машиностроении
получило эвольвентное зацепление, обладающее рядом суще-
ственных преимуществ. Основные из них следующие:
1) при изменении межосевых расстояний двух сопряженных
колес правильность зацепления не нарушается;
2) при одинаковом модуле возможно зацепление и нормальная
работа зубчатых колес независимо от числа их зубьев;
3) эвольвентное зацепление отличается высокой технологич-
ностью нарезания, отделки и контроля зубьев; одним и тем же
инструментом, работающим по методу обкатки (червячные фрезы,
долбяки, гребенки, шеверы), можно обрабатывать зубчатые ко-
леса одного модуля с различными числами зубьев.
Обычно применяют эвольвентные зубчатые колеса с углом
профиля а = 20°. Из передач с неэвольвентным профилем в при-
боростроении используют передачи с циклоидальным и часовым
зацеплением.
Зубчатые передачи, применяемые в оптико-механических
приборах, обладают следующими характерными особенно-
стями.
1. Усилия, передаваемые в приборах, невелики, поэтому
размеры зубьев в большинстве случаев на прочность не рассчиты-
вают, а определяют исходя из кинематических, конструктивных
или технологических соображений. Лишь в отдельных случаях,
когда по условиям эксплуатации зубчатая передача будет под-
вергаться кратковременным силовым нагрузкам, значительно
превышающим нормальные, производят проверку отдельных гео-
метрических элементов зубчатой передачи на прочность по макси-
мальным нагрузкам. Появление подобных нагрузок в оптико-
механических приборах возможно при возникновении вибраций,
ударов, при внезапном торможении подвижной части системы
и в некоторых других случаях.
2. В конструкциях оптико-механических приборов применяют,
в основном, мелкомодульные зубчатые передачи (m < 1 мм).
Это объясняется отсутствием значительных силовых нагрузок и
необходимостью размещения передач в ограниченных по габарит-
ным размерам корпусах приборов.
3. Зубчатые передачи широко используют в отсчетных меха-
низмах, поэтому к ним предъявляют повышенные требования по
точности передачи движения (кинематическая точность и отсутствие
мертвого хода).
4. В приборах часто применяют передачи с большим переда-
точным числом каждой пары сопряженных колес. Это связано
со стремлением максимального увеличения кинематической точ-
ности работы передаточных механизмов за счет уменьшения числа
ступеней передачи, так как каждая пара колес является допол-
нительным источником появления погрешностей.
228
Наиболее широко в оптико-механических приборах исполь-
зуют прямозубые и косозубые цилиндрические зубчатые передачи,
конические и червячные передачи.
2. ПРЯМОЗУБЫЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ
В прямозубых цилиндрических передачах зубья распола-
гаются параллельно осям зубчатых колес. Прямозубые цилин-
дрические передачи являются наиболее распространенными в при-
боростроении, они обладают достаточно высокими эксплуатацион-
ными свойствами и отличаются высокой технологичностью. Основ-
ные размеры цилиндрических прямозубых передач представлены
на рис. 155 и в табл. 21.
Одним из основных параметров зубчатых передач является
модуль т. Напомним, что модуль равен отношению т =
где d — делительный диаметр, az — число зубьев. Значения мо-
дулей стандартизованы (СТ СЭВ 310—76). Наиболее часто в оптико-
механическом приборостроении используются следующие модули:
0,2; 0,25; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0; 1,25; 1,5; 2,0; 2,5; 3 и 4 мм.
Таблица 21
Основные параметры эвольвентных прямозубых цилиндрических
колес и передач
Наименование параметра Обозна- чение Расчетная формула
Модуль 1П ' Назначается из конструктивных сооб- ражений в соответствии с СТ СЭВ 310—76
Число зубьев 2 zx — шестерни; га — колеса;
Передаточное число и и = Z2/Z1
Делительный диаметр d d1 = mz^, d2 = тг2
Диаметр вершин зубьев da dal ~ m (г1 + 2);
Диаметр впадин зубьев df dfl = m (z, - 2,7) | j df2 = in (z2 — 2,7) / F dfl = « (z,-2,5)1 i MM df2 = m (z2— 2,5) J '
Ширина венца b b > 2m Назначается по ГОСТ 13733—77
Межосевое расстояние aa = 0,5 (Zj 4- z2) in
229
Рис. 155. Прямозубая цилиндрическая
передача
При конструировании зуб-
чатых передач, испытываю-
щих незначительные нагруз-
ки, модуль назначают из
конструктивных соображе-
ний. Выбирая модуль, сле-
дует учитывать, что при его
уменьшении уменьшаются га-
баритные размеры передачи,
но одновременно и снижает-
ся прочность зубьев.
Основной характеристи-
кой зубчатой передачи яв-
ляется передаточное
число и. Напомним, что
и = —, где zx— число зубьев шестерни, a z2— число зубьев
zi
колеса. В соответствии с ГОСТ 16530—70 шестерней назы-
вается зубчатое колесо передачи с меньшим числом зубьев, а
колесом — зубчатое колесо передачи с большим числом
зубьев. При одинаковом числе зубьев зубчатых колес передачи
шестерней называется ведущее зубчатое колесо, а колесом —
ведомое.
При выборе передаточного числа для одной ступени зубчатой
передачи необходимо учитывать, что при увеличении и возрастают
габаритные размеры L и du2 (см. рис. 155) передачи. Поэтому для
одной пары зубчатых колес обычно назначают и < 10. Следует
также учитывать, что в ответственных повышающих отсчетных
передачах обычно принимают и < 5. Повышающими называются
такие зубчатые передачи, у которых угловая скорость ведомого
зубчатого колеса больше угловой скорости ведущего. Если необ-
ходимо обеспечить передаточное число и > 10, то следует при-
менить червячные или многоступенчатые зубчатые передачи.
Поскольку межосевое расстояние
аа = 0,5 (Zi + z2) т,
то при и = const и т = const габаритные размеры передачи
могут быть уменьшены за счет уменьшения числа зубьев зубчатых
колес.
В этой связи целесообразно уменьшать число зубьев
передачи. Однако следует учитывать, что с уменьшением числа
зубьев снижается точность и плавность работы передачи, возра-
стают потери на трение, искажается эвольвентный профиль зуба
и снижается его прочность. Поэтому в ответственных отсчетных
передачах не допускается применение зубчатых колес с числом
зубьев менее 20—25 (zmln = 20н-25), а в неотсчетных — с числом
зубьев менее 14 (zmln = 14), причем при z < 17 требуется произ-
водить корригирование зубчатых колес.
230
3. КОСОЗУБЫЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ
В косозубых цилиндрических передачах зубья располагаются
не параллельно оси вращения, как в цилиндрической передаче
с прямыми зубьями, а под некоторым углом. Основные'размеры
цилиндрических косозубых передач представлены на рис. 156
и в табл. 22.
По сравнению с прямозубыми передачами косозубые передачи
обладают следующими преимуществами:
а) поскольку зубья косозубой передачи располагаются по
винтовой линии, они входят в зацепление не сразу по всей длине,
а постепенно по мере поворота зубчатого колеса. Это обеспечивает
более равномерное и плавное зацепление, поэтому шум при ра-
боте быстроходных косозубых передач значительно меньше, чем
при работе прямозубых передач;
б) так как межосевое расстояние косозубой передачи аи=
__ (?i + z~) "L., то за счет изменения угла наклона зубьев |3 ста-
COS р
Таблица 22
Основные параметры эвольвентных косозубых
цилиндрических зубчатых колес и передач
Наименование параметра Обозна- чение Расчетная формула
Модуль нормальный тп~т Назначается из конструктивных сооб- ражений в соответствии с СТ СЭВ 310—76
Число зубьев Z zx — шестерни; z2 — колеса
Передаточное число и и = ?2/гх
Угол наклона ₽ Назначают в пределах Р = 7 ... 25° ис- ходя нз конструктивных соображений
Делительный диаметр d , _ rnzj . , _ mza 1 ~~ cos Р ’ 2 ~~ cos Р
Диаметр вершин зубьев da ^£71 == 2m; da2 = 2m
Диаметр впадин зубьев df dfi — d, — 2,7in 1 _ , $=d2-2,7m] при m< 1 MM: df-i — di — 2,5m} , dZa=da-2,5m} при 1 MM
Ширина венца Ь b > 4m
Межосевое расстояние аа _ tn (?i + ?a) “ 2 cos P
231
Рис. 156. Косозубая цилиндрическая пе-
редача
ловится возможным подбор
зубчатых колес со стандарт-
ным модулем при заданном
межосевом расстоянии и за-
данном передаточном числе.
Так, например, при =
=z2 = 50 и т = 1 межосе-
вое расстояние при 0 = 0°
равняется А = 50 мм, при
0 = 30° А = 58 мм, а при
0 = 45° А = 71 мм.
В косозубых передачах
угол наклона зубьев
обычно назначают в преде-
лах 0 = 7... 25°. При кон-
струировании необходимо
учитывать, что с увеличением 0 улучшается плавность работы
передачи, но одновременно возрастает осевая составляющая
сил, возникающих в зацеплении. Следует отметить, что рабо-
тать в паре (находиться в зацеплении) могут только колеса,
имеющие одинаковый угол наклона зубьев. При наружном за-
цеплении одно колесо должно быть с правой, а другое — с левой
нарезкой зубьев. При внутреннем зацеплении оба колеса должны
иметь одинаковое направление нарезки зубьев;
в) в косозубой передаче можно уменьшить минимальное число
зубьев малого колеса. Минимальное число зубьев косозубого
колеса zK. Ш1П можно определить в зависимости от числа зубьев zmln
прямозубого колеса по формуле
^к. mln — ^mln COS3 0.
Недостатком косозубых колес является то, что в зацеплении
возникает осевая составляющая силы, воспринимаемая опорами
каждого вала.
4. КОНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ
Конические зубчатые
колеса применяют для пе-
редачи вращения между
осями, пересекающимися
под некоторым углом
Чаще всего в приборо-
строении применяют орто-
гональные конические пе-
редачи, у которых 2=90°.
По форме зуба кониче-
ские колеса бывают с
прямыми и криволиней-
ными зубьями. Наиболь-
шие. 157. Прямозубая коническая передача
232
Основные параметры конической ортогональной
зубчатой передачи с прямыми зубьями
Таблица 23
Наименование параметра Обозна- чение Расчетная формула
Внешний окружной модуль 1пе — т Назначается из конструктивных сообра- жений по СТ СЭВ 310—76
Число зубьев Z z±— шестерни; z2 — колеса
Передаточное число и и = Z2/?1
Угол делительного конуса 6 tg 61 = zJZi, tg 62 = Z2/zt
Межосевой угол в = 6X 62 = 90
Внешний делительный диаметр dg d-ei “ mz-j;
Внешний диаметр вер- шин зубьев d-ae daei "4 2m COS 6-^, &ae2 ~ 4“ cos ^2
Внешний диаметр впа- дин dfe — 2,5m COS dfe2 ~ de2 — 2,5m cos 62
Внешнее конусное рас- стояние Re _ d,, r-.rn.~t Г ч . 2 ^ = 2sln6 ИЛИ 2V 21+22
Ширина зубчатого вен- ца b Задается конструктором. Обычно b 0,3 Re или b 10m
шее распространение получили прямозубые колеса. Значения
модулей, применяемых для конических колес, те же, что и для
цилиндрических колес.
Понижающие конические передачи могут выполняться с пере-
даточными числами от 1 до 10. Повышающие передачи не рекомен-
дуется выполнять с передаточными числами, превышающими
3,15 (ГОСТ 19624—74).
Основные элементы эвольвентной конической передачи с пря-
мым зубом представлены на рис. 157 и в табл. 23.
5. ЧЕРВЯЧНЫЕ ПЕРЕДАЧИ
Червячные передачи применяют для передачи вращения между
двумя скрещивающимися осями.
Червячные передачи отличаются:
а) возможностью осуществления больших передаточных чисел
при сравнительно небольших габаритных размерах передачи;
233
Рис. 158. Червячная передача
б) бесшумностью и
плавностью работы;
в) ^возможностью само-
। торможения.
Недостатками червяч-
ной передачи являются:
а) относительно низ-
кий КПД;
б) необходимость при-
менения дорогостоящего
зуборезного инструмента,
так как для нарезания
червячного колеса тре-
буется червячная фреза,
основные параметры ко-
торой должны соответ-
ствовать основным раз-
мерам червяка;
в) высокие требования
сборки передачи.
к точности изготовления деталей и
Обычно движение передается от червяка к колесу, т. е. червяк
является ведущим элементом передачи. Наибольшее распростра-
нение получили ортогональные червячные передачи
с осями, перекрещивающимися под углом 90°. Основные элементы
таких передач представлены на рис. 158 и в табл. 24.
Таблица 24
Основные параметры червячной передачи с архимедовым червяком
Наименование параметра Обозна- чение Расчетная формула
Пере- дача Модуль т Назначается из конструктив- ных соображений по ГОСТ 19672—74 (СТ СЭВ 267— 76)
Передаточное число а и — zjz1= 7 ... 500
Межосевое расстояние аа = = 0,5 (z2 + q)m
Осевой шаг Pi = лот
Угол профиля ах ax — 20J
Ход витка Pzi Pzi = PiZi = Jtmzj
Червяк Число витков И z1 = 1 ... 4
234
Продолжение табл. 24
Наименование параметра Обозна- чение Расчетная формула
Червяк Коэффициент диамет- ра червяка q Назначают по ГОСТ 19672—74 (СТ СЭВ 267—76)
Делительный диаметр di di = qm
Диаметр вершин вит- ков dai
Делительный угол подъема У tgy = ^
Высота витка h± = 2,2m при m > 1; h± = 2,3m при 0,5 < m < 1
Длина нарезанной час- ти bi ft, > (11 4- 0,06z2) m при Z, X 1 и bt > (12,5 0,09z2) m при Zj = 3 и 4
Червяч- ное ко- лесо Число зубьев z2 z2 = uzi = 28 ... 500
Делительный диаметр d% d2 = z2m
Диаметр вершин daz “ d2 -ф- 2ш
Наибольший диаметр damz , 6m + ' i о T
Ширина венца bz b2 0,75dal при zx 3; b2 0,67dul при zx = 4
Радиус выемки R X) II ьэ|^ 1 5
Высота зуба Л2 = 2,2m при m > 1; h2 = 2,3m при 0,5 < m < 1
Условный угол об- хвата 26 bz sin 6 = j dai — 0,5m
Вследствие относительной простоты изготовления в приборо-
строении применяется преимущественно архимедов (вин-
товой) червяк, витки которого в осевом сечении имеют
прямолинейный профиль. Такие червяки имеют условное обозна-
чение ZA. Винтовой червяк можно нарезать на токарно-винторез-
235
йоМ станке резцом с прямолинейными режущими кромками. Угол
профиля червяка в осевом сечении = 20°.
Ряд модулей червячных передач установлен ГОСТ 19672—74
(СТ СЭВ 267—76) в пределах от 0,1 до 25 мм. В оптическом при-
боростроении наибольшее применение получили стандартные мо-
дули 0,3; 0,4; 0,5; 0,8; 1,0 мм. Однако следует учитывать, что при
применении модулей менее 0,5 мм усложняется изготовление
деталей передачи и ее сборка.
Обычно число заходов червяка zx = 1 -4-4. Следует иметь в виду,
что с увеличением zr снижается точность червячной передачи,
поэтому для отсчетных передач рекомендуется применять одно-
заходные червяки.
Минимальное число зубьев червячного колеса (22)min = 28.
В однозаходных передачах червячные колеса могут иметь любое
число зубьев в пределах z2 = 28-4-500. В многозаходных переда-
чах, кроме того, не рекомендуется принимать z2 кратным
так как в этом случае ухудшается приработка и снижается изно-
соустойчивость зубьев.
Диапазон передаточных чисел червячных передач колеблется
в пределах и = 7 ... 500.
Червяки желательно применять с углом подъема винтовой ли-
нии у = 18-4-24°, что соответствует более высоким значениям КПД
передачи. В передачах, где по условиям работы требуется само-
торможение, червяки выполняют с углом у = 4-4-6°, однако
КПД таких передач снижается и может уменьшиться до 0,50.
Для ограничения в выборе углов подъема витков червяка
ГОСТ 19672—74 (СТ СЭВ 267—76) устанавливает значения коэф-
фициентов диаметров червяков q. Напомним, что
где dx — делительный диаметр червяка; т — модуль.
С увеличением q возрастает жесткость червяка. В приборо-
строении применяют в основном наибольшие стандартные значе-
ния q = 12,5; 16; 20 и 25.
Рабочие поверхности витков червяков выполняются по Ra —
= 0,63 ... 2,5 мкм и зубьев червячных колес — по Ra = 1,25 ...
2,5 мкм.
6. КОНСТРУКТИВНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
Если наружный диаметр зубчатого колеса или червяка мало
отличается от диаметра вала< 3 (рис. 159, а), их изготов-
ляют как одно целое с валом.
При > 3 колеса изготовляют отдельно и затем устанавли-
вают на валы (рис. 159, б—л). Для обеспечения точного центри-
рования зубчатых колес на валах, а также при работе с ударными
236
нагрузками в приборостроении широко применяют посадки
Hl/ks и H7ljs 6. При этих посадках сборка и разборка требует
незначительных усилий. Хорошее центрирование обеспечивается
посадкой H7/h8. При невысоких требованиях к центрированию
зубчатых колес применяют посадки H8/h8 и H9/h8. При примене-
нии перечисленных посадок зубчатые колеса дополнительно за-
крепляют на валах чаще всего с помощью штифтов (рис. 159, б)
или шпонок (рис. 159, в).
Если зубчатое колесо должно перемещаться в осевом направ-
лении по валу (например, на скользящей шпонке) при одновре-
менном обеспечении точного центрирования, применяют посадку
H7lg8. Шестерни, свободно вращающиеся на валах, устанавли-
вают по посадкам H7lf7\ H8/f8; Н8/е8.
Длину ступицы / (рис. 159, б) определяют из конструк-
тивных соображений. При креплении колеса на валу штифтом
длина выступающей части ступицы /х должна быть не менее двух
диаметров штифта, а при креплении шпонкой длина ступицы I
должна быть больше длины шпонки по крайней мере на 1 мм.
237
Диаметр ступицы dr в основном определяется длиной штифта,
однако разность между диаметрами ступицы и вала должна быть
не менее 2 мм. При креплении колеса шпонкой диаметр ступицы
должен быть выбран таким образом, чтобы толщина Ьх (рис. 159, в)
стенки ступицы в месте шпоночного паза была нерменее 1 мм.
Для уменьшения массы и момента инерции в колесах диа-
метром^ свыше 50 мм следует делать выточки и отвер-
стия (рис. 159, в, г, ж). Одностороннюю выточку (рис. 159, г)
применяют в малонагруженных передачах или для сокращения
габаритных размеров в случае размещения внутри выточки эле-
ментов конструкции. Наиболее целесообразно выполнение сим-
метричных выточек с двух сторон (рис. 159, в). Это обеспечивает
правильное распределение нагрузки в диске колеса при его из-
готовлении и работе. Наибольший диаметр D выточки должен быть
не менее чем на 1 ... 3 мм меньше диаметра df впадин. Внутрен-
ний диаметр с?2 выточки определяется диаметром ступицы.
В передачах «часового типа» используются сборные конструк-
ции, состоящие из трибки и зубчатого колеса (рис. 159, д). Зубча-
тое колесо, изготовляемое большей частью из листового материала,
напрессовывают на цилиндрическую часть трибки и расклепы-
вают. При многозаходных червяках и больших их диаметрах чер-
вяки делают сборными, так как при этом сокращается расход
материала. В этом случае сопряжение червяка с валом произво-
дится по посадке /77//s6 и применяется крепление с помощью
штифтов (рис. 159, е).
При больших диаметрах зубчатых колес (da 100 мм) при-
меняют сборные зубчатые колеса. У таких колес
ступицу изготовляют из прутка, а зубчатый венец — из листо-
вого материала (рис. 159, ж). При такой конструкции значительно
сокращается расход материала и уменьшается трудоемкость то-
карных работ. Аналогичные конструкции применяют для зуб-
чатых колес, венцы которых изготовляют из текстолита или
других пластмасс. Сопряжение венца со ступицей производится
по одной из прессовых посадок, например HUpfr, Hl/rfr, H7/s6.
Для надежности соединения в дополнение к прессовой посадке
применяют винты, заворачиваемые в ступицу, и штифты. Чер-
вячные колеса с диаметром свыше 50 мм часто делают сборными —
стальная ступица и бронзовый или латунный зубчатый обод
(рис. 159, а). Нарезание зубьев в таких колесах производят в со-
бранном виде.
Для уменьшения габаритных размеров при установке на один
вал нескольких зубчатых колес применяют блоки зубча-
тых колес (рис. 159, и—л). Блоки могут иметь расточки под
шарикоподшипники (рис. 159, и) или закрепляться на валу с по-
мощью шпонки (рис. 159, к) или штифта (рис. 159, л). Расстояние
(см. рис. 159, л) между венцами соседних зубчатых колес блока
должно обеспечивать полный выход зуборезного инструмента при
нарезании колес.
238
7. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
К ИЗГОТОВЛЕНИЮ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
Требования к точности зубчатых колес и передач устанавли-
ваются соответствующими стандартами. По этим стандартам уста-
новлены 12 степеней точности изготовления зубчатых колес и
передач, обозначаемых в порядке убывания точности с 1-й по
12-ю степень. Однако некоторые степени точности являются пер-
спективными и допуски на них пока не установлены. Для каждой
степени точности установлены раздельно следующие нормы:
а) кинематической точности; б) плавности работы; в) контакта
зубьев; г) боковых зазоров.
Указанные виды норм точности могут взаимно комбиниро-
ваться и назначаться из различных степеней точности. Комбини-
рование позволяет предъявлять повышенные требования к одним
показателям точности, существенным с точки зрения эксплуата-
ции зубчатой передачи, и выполнять остальные показатели по
более грубым допускам. Выбор степени точности зубчатых
цилиндрических и конических колес производят следующим
образом:
4-ю и 5-ю степени точности применяют в особо точных
отсчетных передачах, к которым предъявляются жесткие тре-
бования в отношении кинематической точности и плавности ра-
боты;
6-ю степень точности применяют для зубчатых колес, работа-
ющих в высокоточных отсчетных передачах, в силовых передачах
малой мощности, к которым предъявляются требования бесшумной
работы при окружных скоростях свыше 8 м/с, в приборах высокой
чувствительности и измерительной аппаратуре.
Колеса 7-й степени точности применяют для работы при окруж-
ных скоростях 5—8 м/с при требованиях плавной и бесшумной
работы в следящих системах оптических и радиолокационных
устройств и других приборах.
8-ю степень точности назначают для зубчатых колес неотсчет-
ных и отсчетных передач средней точности при окружных ско-
ростях до 5 м/с. -
При выборе степени точности необходимо учитывать, что при-
менение 4-й и 5-й степени точности допускается в исключительных
случаях, так как изготовление и контроль колес такой точности
связаны с большими технологическими трудностями. Наиболее
часто используют 6, 7 и 8-ю степени точности. *
Характер сопряжения зубьев определяется боковым за-
зором jn между их нерабочими боковыми поверхностями
(рис. 160). Он необходим для компенсации погрешностей изготов-
ления и сборки передач, для размещения слоя смазки, устранения
опасности заклинивания зубьев одного зубчатого колеса во впа-
динах другого в результате тепловых и силовых деформаций.
От боковых зазоровзависит величина мертвого хода зубчатых
239
передач, поэтому гарантированный мини-
мальный зазор jn шт и допуск на него Т3п
назначают с учетом условий работы зубчатых
передач. Для мелкомодульных цилиндри-
ческих передач (т <С 1 мм) установлено
пять видов сопряжений: Я, G, F, Е, D и
четыре вида допусков Tjn\ h, g, f, e (обозна-
чения приведены в порядке увеличения ве-
личины допуска). Наиболее часто приме-
няется сопряжение F.
В технической документации точность
изготовления зубчатых колес и передач за-
дается степенями по нормам кинематиче-
ской точности, плавности работы и контакта
зубьев в передаче, а требования к боко-
Рис. 160. Боковой за-
зор в зубчатом зацеп-
лении
вому зазору — видом сопряжения и видом
допуска бокового зазора. Например, 7—8—9 — Gf ГОСТ 9178—72,
где первая цифра обозначает степень кинематической точности
вторая цифра — степень плавности и третья — степень контакта
зубьев; буквы обозначают вид сопряжения и вид допуска боко-
вого зазора. Если на все нормы точности назначены одинаковые
степени точности и допуск бокового зазора соответствует приня-
тому виду сопряжения, то в обозначении степень точности указы-
вают только один раз, а допуск бокового зазора отдельно не
дают, например, 7 — F ГОСТ 9178—72 (в данном случае по трем
нормам точности принята степень точности 7, вид сопряжения F
и на боковой зазор назначен допуск f). Передачи с регулируемым
межосевым расстоянием обозначают по типу: 7—8—8 Pf
ГОСТ 9178—72. В этом случае вместо вида сопряжения ставят
букву Р.
Шероховатость рабочих поверхностей зубьев выби-
рают в зависимости от степени точности зубчатых колес. Для сте-
пеней точности 4—10 следует назначать шероховатость в пределах
Ra = 0,63 ... 2,5 мкм.
Требования к точности заготовок зубчатых колес
стандартами не установлены. Эти требования назначаются в за-
висимости от степени точности зубчатого колеса, принятого тех-
нологического процесса обработки и методов измерения зубчатых
колес. В соответствии с рекомендациями ИСО при изготовлении
зубчатых колес 4—10-й степеней точности отверстия зубчатых
колес и опорные шейки валов обрабатывают по 4—8-му, а диа-
метры наружных цилиндров заготовок — по 7—9-му квалитетам
допусков.
Допускаемые значения радиального биения наружных ци-
линдров (окружности выступов зубьев) и торцовое биение базового
торца назначают по отраслевым стандартам и стандартам пред-
приятий.
240
8. СПОСОБЫ УСТРАНЕНИЯ МЕРТВОГО ХОДА
ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ
Одной из основных причин появления мертвого хода в зубчатых
передачах является наличие бокового зазора в зубчатых зацепле-
ниях. Однако мертвый ход возникает не только из-за наличия бо-
ковых зазоров между зубьями колес, но также вследствие зазоров
в опорах вращения, упругих и температурных деформаций дета-
лей передачи. Для уменьшения или устранения мертвых ходов,
вызванных боковыми зазорами в зубчатых зацеплениях, приме-
няют два метода:
регулирование межосевого расстояния зубчатой передачи;
обеспечение постоянного зацепления одноименными боковыми
поверхностями зубьев при работе передачи как в прямом, так
и обратном направлениях.
Выборку боковых зазоров в зубчатых зацеплениях методом
регулирования межосевых расстояний про-
изводят за счет сближения осей сопряженных зубчатых колес.
Обычно положение одного колеса остается неизменным, а сближе-
ние осей производят за счет радиального смещения оси второго
колеса. Для осуществления таких смещений применяют различ-
ные конструкции.. Часто регулировку осуществляют эксцентри-
ковыми осями и втулками.
Устранение мертвого хода методом обеспечения од-
нопрофильного зацепления может производиться
различными способами.
При незначительных углах поворота выходного ведомого звена
и малых нагрузках однопрофильное зацепление осуществляют
за счет постоянного действия дополнительного вращающего мо-
мента постоянного направления. Для создания такого момента
обычно применяют спиральную пружину 1 (рис. 161, а), установ-
ленную на валу выходного ведомого звена 2. Так как величина
момента, создаваемого спиральной пружиной, превышает в 1,5 ...
2,0 раза момент трения в механизме, то зазоры во всех звеньях
передаточного механизма (в том числе и зазоры в подшипниках)
выбираются постоянно в одну и ту же сторону независимо от на-
правления вращения ведущего колеса 3. В таких механизмах
максимальные углы поворота ведомого вала лимитируются до-
пустимым углом закручивания спиральной пружины 1. Для
выбора бокового зазора при значительных углах поворотов зуб-
чатых колес часто применяют составные (разрезные) зубчатые ко-
леса. Одна из конструкций таких колес представлена на
рис. 161, б. Поджимное колесо 5 устанавливают по посадке с за-
зором (например, по Ш/gty на ступице передающего колеса 4,
которое жестко закрепляют на валу передачи. Оба колеса имеют
одинаковые зубчатые венцы. Осевые перемещения подвижного
колеса 5 ограничены установочным кольцом 6. Плоская пру-
жина 9, работающая на изгиб, закреплена одним концом на го-
241
Б
ловке винта 8. Опираясь центральной частью на ступицу колеса 4,
пружина свободным концом действует на винт-упор 7, стремясь
повернуть поджимающее колесо 5 относительно колеса 4.
При сборке зубчатой передачи подвижное колесо поворачи-
вают (в пределах зазоров между отверстиями D и головками вин-
тов) относительно передающего колеса. При этом пружина 9
дополнительно изгибается, создавая вращающий момент. В таком
положении составное зубчатое колесо вводят в зацепление с пар-
ным зубчатым колесом 10 передачи (рис. 161, в). Под действием
пружины подвижное колесо 5 поворачивается на ступице и тем
самым выбирает боковой зазор jn в зубчатом сопряжении. Враща-
ющий момент, создаваемый пружиной, назначают в 1,5 ... 2 раза
больше момента, передаваемого составным зубчатым колесом.
Поэтому независимо от направления вращения зубчатой передачи
движение передается только одноименными боковыми поверхно-
стями зубьев передающего 4 колеса и парного колеса 10.
Принцип выборки боковых зазоров с помощью составных
зубчатых колес применяют не только в цилиндрических, но и в ко-
нических, червячных и реечных зубчатых передачах. В качестве
упругих элементов в составных колесах могут быть использо-
ваны пружины различных типов (например, винтовые). Основным
недостатком зазоровыбирающего устройства с составным зубчатым
колесом является то, что оно выбирает зазор лишь только в одной
паре сопряженных зубчатых колес, а не во всей цепи передачи.
9. МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС И ЧЕРВЯКОВ
При выборе материала для зубчатых колес следует руковод-
ствоваться следующим. Колеса зубчатой пары должны изготов-
ляться из разнородных материалов, так как применение однород-
242
ных материалов приводит к быстрому износу зубьев. Исключение
составляют тихоходные ручные приводы, где допускается приме-
нение однородных материалов.
Меньшее колесо зубчатой пары — шестерню следует изготов-
лять из более прочного, а большее колесо — из менее прочного
материала. Такие требования к выбору материалов объясняются
тем, что шестерня имеет более тонкий зуб по сравнению с коле-
сом и, следовательно, для создания равнопрочной пары, работа-
ющей на изгиб, для шестерни необходимо применение более проч-
ного материала. Кроме того, каждый зуб шестерни подвергается
большему числу циклов нагружения, чем зубья колеса.
Чаще всего для изготовления зубчатых колес применяют
различные стали, латунь, бронзу, алюминиевые сплавы и пласт-
массы.
Из сталей наибольшее применение для изготовления зубчатых
колес, используемых в оптических приборах, получили кон-
струкционные стали 40, 45, 50, 40Х, 20ХНЗА, ЗОХНЗА, корро-
зионно-стойкие стали 20X13 и 40X13 и инструментальная сталь
У8А. При конструировании зубчатых передач рекомендуется
назначать следующие комбинации марок сталей для изготовления
колес пары: сталь 50 — сталь 40, сталь 40Х — сталь 45, сталь
40X13 — сталь 20X13 (с закалкой до различных твердостей);
сталь 20ХНЗА — сталь У8А с термообработкой и т. д. На первом
месте в приведенной рекомендации указан материал шестерни.
Зубчатые колеса из сталей 40, 45 и 50 используют в зубчатых
передачах малой мощности без термообработки. Эти стали не
рекомендуется закаливать ввиду большой поводки. Зубчатые
колеса из стали 20ХНЗА применяют в узлах оптических прибо-
ров, испытывающих большие ударные нагрузки (например,
в аэрофотозатворах). Сталь 40Х для зубчатых передач может
применяться как без термообработки для малонагруженных пере-
дач, так и с термообработкой для нагруженных передач. Корро-
зионно-стойкие стали 20X13 и 40X13 используют с термообработ-
кой до HRC 24 ... 32 для зубчатых колес, работающих в условиях
большой влажности или в парах агрессивных сред (кислотных
и щелочных). Сталь У8А без термообработки применяют для
изготовления трибов в передачах часового типа, а с термообработ-
кой до различной твердости — для колес тяжелонагруженных
зубчатых передач.
Для тихоходных или малонагруженных зубчатых передач
применяют также алюминиевые сплавы Д16Т и В95Т со специаль-
ным твердым анодированием.
Пластмассы применяют для зубчатых и червячных колес раз-
личных малонагруженных тихоходных и быстроходных передач,
от которых требуется бесшумность при работе. Зубчатые колеса
могут изготовляться из текстолита марок ПТК., ПТ с про-
питкой в трансформаторном масле в условиях вакуума, ка-
прона, различных полиамидов, полиформальдегида и его сопо-
243
лимеров и фторопласта. Применение капрона и полиамидов для
зубчатых колес рекомендуется для приборов, работающих в усло-
виях нормальной влажности. При повышенной влажности капрон
впитывает в себя влагу и увеличивается в объеме, а при понижен-
ной — уменьшается. Это приводит к нарушению работы пере-
дачи. Термореактивные пластмассы типа фенопластов и АГ-4В
применять для зубчатых колес не рекомендуется, так как фено-
пласты имеют малую прочность, а АГ-4В, будучи механически
обработана, обладает абразивными свойствами. Зубчатые колеса
из фторопласта обеспечивают высокий КПД и бесшумность ра-
боты передачи на высоких скоростях. Однако этот материал сле-
дует применять только в исключительных случаях, так как он
выделяет вредные пары при прессовании заготовок.
Бронзы БрО5Ц5С5 и БрА9Ж4 применяют для изготовления
червячных колес, испытывающих в процессе работы значительный
износ от трения скольжения. Латунь ЛС 59-1 применяют для из-
готовления зубчатых колес, работающих в паре со стальными
трибами, а также для зубчатых и червячных колес, работающих
в условиях повышенной влажности при небольших (до 2 м/с)
окружных скоростях в малонагруженных передачах.
Червяки, работающие в паре с колесом из цветного металла
или пластмассы, изготовляют из различных сталей. Обычно
применяют стали 45, 50, реже У8А и 40Х. Как правило, червяки
подвергают термообработке до твердости HRC 48 ... 52 с после-
дующей шлифовкой рабочих поверхностей витков.
Применение многих материалов для изготовления точных
зубчатых и червячных колес ограничено трудностью получения
достаточно малой шероховатости боковых поверхностей зубьев.
Например, для стали 35 минимальная шероховатость, получае-
мая при зубофрезеровании без финишных операций, составляет
Ra = 2,5 мкм. Такую же минимальную шероховатость имеют
зубья колес, изготовленных из текстолита и полиамидных смол.
Поэтому эти материалы применяют для изготовления колес не
выше 7-й степени точности.
10. ПЛАНЕТАРНЫЕ И ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ
ЗУБЧАТЫЕ МЕХАНИЗМЫ
Механизм, в котором оси одного или нескольких зубчатых
колес являются подвижными, называется планетарным.
Кинематические схемы отдельных планетарных механизмов пред-
ставлены на рис. 162.
Звено 4, на котором установлены зубчатые колеса с подвиж-
ными осями, называется водилом. Зубчатые колеса 3, оси
которых подвижны, называются сателлитами. Неподвиж-
ная ось, вокруг которой вращается водило, называется основ-
ной осью. Зубчатые колеса 1 и 2, находящиеся в зацеплении
с сателлитами, и оси которых совпадают с основной осью, назы-
244
б) в)
Рис. 162. Планетарные и
дифференциальные зубча-
тые механизмы:
а, б, в — схемы планетара
ных; г, д, е — схемы диф-
ференциальных механизм
мов; ж *— конструкция ко*
нического дифференциала; Л
2 — центральные колеса;
3 — сателлит; 4 — водило
ваются центральными или солнечными коле-
сами. При вращении водила 4 сателлиты 3, вращаясь вокруг своих
осей, в то же время перемещаются вместе с водилом. Этим они
напоминают движение планет, откуда и произошел термин «пла-
нетарные механизмы» или «планетарные передачи».
В планетарных механизмах (см. рис. 162) одно из центральных
колес (колесо 1) является неподвижным. Такие механизмы обла-
дают одной степенью свободы. Принцип работы планетарного
механизма рассмотрим на примере работы планетарного редук-
тора, изображенного на рис. 162, б. В этом редукторе ведущим
элементом является водило 4, а ведомым — центральное ко-
лесо 2 с числом зубьев z±. Второе центральное колесо 1 жестко
соединено с корпусом редуктора и при работе механизма остается
неподвижным. При вращении водила 4 зубчатые колеса z2 и z3
сателлита 3 начинают перекатываться по центральным колесам
z± и z4. Так как z2 7^ z3, то при вращении водила сателлит застав-
ляет центральное зубчатое колесо 2 медленно вращаться.
245
Рис. 163. Планетарный механизм орудийной
панорамы:
а — конструктивное оформление; б — схема
Планетарный редук-
тор, изображенный на
рис. 162, б, позволяет по-
лучать большие переда-
точные числа. Так, напри-
мер, при zx = 100, z2 -
==s 99, z3 = 100 и z4 = 101
передаточное число и =
= 10 000. Расчет переда-
точных чисел планетар-
ных механизмов произво-
дят по формулам, кото-
рые подробно рассматри-
ваются в учебной литера-
туре [1].
По сравнению с обыч-
ными зубчатыми передача-
ми планетарные передачи
отличаются существенно
меньшими габаритными
размерами и массой. Так,
переход от обычных
передач к планетарным
обеспечивает уменьшение
массы в 1,5—5 раз. На-
ряду с малыми габарит-
ными размерами и массой
планетарные передачи от-
личаются высокой надежностью и малыми потерями на трение.
Особенно целесообразно применять планетарные передачи в слу-
чае, если требуется получить большие передаточные числа при
малых габаритных размерах передачи.
На рис. 163 изображен планетарный механизм орудийной панорамы. Ука-
занный механизм служит для вращения призмы Дове 6, которая применена для
устранения наклона изображения, вызванного поворотом головной призмы 1
отражателя вокруг вертикальной оси. При вращении призма Дове поворачивает
изображение на угол, вдвое больший, чем угол поворота головной призмы. Поэ-
тому планетарный механизм панорамы должен обеспечивать замедленный вдвое
поворот призмы Дове по сравнению с углом поворота призмы 1 отражателя.
Планетарный механизм панорамы состоит из двух центральных колес 7
и 10, сателлита 9, вращающегося на оси 8. Ось сателлита укреплена на водиле,
являющемся оправой 5 призмы Дове. Оправа 5 вращается в трубчатых осях цен-
тральных колес, как в подшипниках. Центральное колесо 10, соединенное с кор-
пусом 2, получает вращение от червяка 4 горизонтальной наводки через червяч-
ное колесо 3. Центральное колесо 7 механизма неподвижно закреплено на корпусе
панорамы. Благодаря этому между вращающейся головкой панорамы и призмой
Дове существует требуемое передаточное отношение (=1:2. Особенностью рас-
смотренного планетарного механизма является наличие в нем одного сателлита.
Такое устройство обеспечивает плотное, без люфтов, зубчатое зацепление, невы-
полнимое в обычных конструкциях планетарных механизмов с двумя и более
сателлитами.
246
В дифференциальных зубчатых механизмах
(рис. 162, г—е), в отличие от планетарных, подвижными являются
все центральные колеса. Такие механизмы обладают двумя или
большим числом - степеней свободы.
Дифференциальные зубчатые механизмы применяются:
1) для сложения двух или нескольких вращательных движе-
ний, поступающих от независимых источников, в одно движение;
2) для расчленения одного вращательного движения на два
(например, для передачи движения от одного двигателя к двум
потребителям).
В дифференциальных зубчатых механизмах подвижными яв-
ляются все три вала; валы двух центральных колес 1 и 2
(рис. 162, ж) и вал водила 4. Если дифференциальный механизм
используется для суммирования двух вращательных движений,
то два его вала являются ведущими, а третий вал — ведомым.
Если требуется произвести расчленение одного вращательного
движения на два, то один вал механизма будет ведущим, два
остальных — ведомыми.
11. ЧЕРВЯЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ С ВЫКЛЮЧАЮЩИМСЯ ЧЕРВЯКОМ
Червячные передачи с выключающимся червяком находят
широкое применение в прицельных приборах, делительных го-
ловках и других отсчетных механизмах. Такие механизмы позво-
ляют вывести червяк из зацепления с червячным колесом, повер-
нуть червячное колесо отдельно от червяка в требуемое положение
и затем снова ввести червяк в зацепление. Выключение червяка 5
(рис. 164, а) осуществляется путем поворота с помощью отводки 1
эксцентриковой втулки 2 (положение механизма II). После пере-
Рис. 164. Выключающийся червяк:
а — конструкция (/ — червяк включен; И — червяк выключен); б — схема зацепления;
в — червячный лимб с выключающимся червяком
247
становки червячного колеса 4 в требуемое положение возвратная
пружина 6 поворачивает эксцентриковую втулку против часовой
стрелки, возвращая червяк в исходное положение I.
Для того чтобы получить легкий и свободный выход червяка
из зубьев червячного колеса и избежать заклинивания у выклю-
чающихся червяков, применяют зацепление с углом исходного
профиля 30° (рис. 164, б) вместо обычно принятого угла 20°.
В связи с этим у выключающихся червяков уменьшена высота
зуба h до 2,18 модуля, но при этом высота головки зуба ha, как
в обычных передачах, выполняется равной модулю. В отсчетных
передачах применяют только однозаходные отключающиеся
червяки.
Червячный механизм с отключающимся червяком позволяет
получить практически беззазорную передачу, обеспечивающую
высокую точность работы. В этой передаче боковой зазор в за-
цеплении выбирается с помощью возвратной пружины 6, которая
прижимает червяк к червячному колесу. Осевой зазор между
червяком 5 и эксцентриковой втулкой 2 выбирается пружинным
подпятником 3.
Во многих устройствах и приборах, предназначенных для из-
мерения угловых величин, применяют червячные лимбы
(рис. 164, в).
Для удобства работы и быстрой перестановки лимба на нужное
деление в конструкциях червячных лимбов используют отклю-
чающийся червяк. Широкое распространение червячные лимбы
получили в различных делительных головках.
Глава 18
СПОСОБЫ КРЕПЛЕНИЯ И РАСЧЕТ
ОТСЧЕТНЫХ ШКАЛ
1. СПОСОБЫ КРЕПЛЕНИЯ ТОЧНЫХ ШКАЛ
Способы крепления шкал на валиках отсчетных механизмов
весьма разнообразны и зависят от условий работы отсчетного
механизма и его применения.
Наибольшее распространение имеют пять основных способов
крепления:
1) зажимными винтами;
2) зажимной гайкой;
3) установочными винтами;
4) крепление шкал с возможностью их быстрой установки на
любое деление без поворота валика;
5) крепление шкал с применением ограничителей поворота.
При первом способе крепления (рис. 165, а) бортик шкалы 1
зажимается винтами 3 между маховичкофм 4 и фланцем 2, непо-
248
Рис. 165. Способы крепления шкал: а—зажимными винтами;
б — зажимной гайкой; в, г — установочными винтами
движно закрепленным на валике 5. При таком способе крепле-
ния, отпустив винты 3, можно установить шкалу на нуль или
любое другое деление. Этот способ весьма прост в производстве,
надежен в эксплуатации и удобен при ремонте.
При втором способе (рис. 165, б) закрепление шкалы 2 осу-
ществляется с помощью зажимной гайки 6. Этот способ является
более надежным, так как вращающий момент с маховичка 5 пере-
дается на фланец 3 и валик 1 с помощью двух поводковых паль-
цев 4, концы которых расклепаны в отверстиях фланца.
Крепление шкалы с помощью установочных винтов
(рис. 165, в, г и рис. 152) может применяться только в приборах,
не испытывающих значительных ударных нагрузок. Установоч-
ные винты 2 затягивают после установки шкалы 1 в нулевое
положение. Для удобства закрепления под концы стопорных
винтов на маховичке 3 делают коническую канавку (рис. 165, в).
Ось канавки на 0,1—0,2 мм смещена относительно отверстий под
винты 2 с таким расчетом, чтобы при их затяжке получился натяг
шкалы в сторону торца маховичка 3. Если в конструкции канавка
не может быть выполнена, то под концы стопорных винтов должна
быть сделана засверловка (рис. 165, г).
Для быстрой перестановки шкалы на любое деление без пово-
рота валика применяют устройства с жесткой фиксацией и фикса-
цией трением. При жесткой фиксации (рис. 166, а) вращающий
момент с маховичка 2, на котором нанесена шкала, передается
на валик 1 с помощью мелких зубцов («мышиный зуб»), обрабо-
танных на торцах этих деталей. При оттягивании маховичка
вправо зубцы выходят из зацепления и шкала может быть повер-
нута относительно валика на требуемый угол. После того как
маховичок будет отпущен, пружина 3 введет зубцы в зацепление,
надежно соединяя шкалу с валиком. Обычно высоту зуба назна-
чают не более 0,2 мм, а угол профиля — 90°. Устройства с жесткой
фиксацией могут применяться в приборах, испытывающих удар-
ные и вибрационные перегрузки.
В конструкции с фиксацией трением (рис. 166, б) связь махо-
вичка 4 и шкалы 3 с пустотелым валиком 2 осуществляется за
249
Рис. 166. Способы крепления, обеспечивающие возможность быстрой перестановки
шкал:
а — с жесткой фиксацией; б — с фиксацией трением
счет трения в коническом сопряжении, которое замыкается пру-
жиной 1. При оттягивании маховичка вправо шкала отключается
от валика. Для обеспечения надежного трения и легкого отклю-
чения угол конуса следует назначать в пределах 20—25°.
Если в конструкции прибора необходимо ограничить угол
поворота валика, применяют различные типы ограничителей
поворота. Конструкция ограничителя с кулачковыми шайбами
(рис. 167, а) отличается простотой и надежностью работы. Огра-
ничитель состоит из набора кулачковых шайб 2, свободно враща-
ющихся на ступице фланца 3, который с помощью штифта непо-
движно соединен с валиком 1. При вращении маховичка 4 палец 5
захватывает кулачок ближайшей к нему шайбы и увлекает ее
в сторону вращения. При дальнейшем вращении первая шайба
своим кулачком увлекает вторую, вторая — третью и т. д. до тех
пор, пока кулачок последней шайбы не упрется в неподвижный
палец 6. При вращении рукоятки в обратную сторону работа
механизма повторяется в обратном порядке.
Число кулачковых шайб К рассчитывают по формуле
Рис. 167. Ограничитель
угла поворота с кулачко-
выми шайбами:
а — конструкция ограни-
чителя; б — шайба
250
к 180 (п — 1) + 7
Л 180 — а ’
где п — число оборотов валика; а — угол выступа кулачка шайбы
(рис. 167, б). Значение угла у определяют по формуле tgy/2 =
= -Х-, где d — диаметр пальца (рис. 167, а); 7?— расстояние
от оси пальца до оси валика.
2. ВЫБОР И РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ОТСЧЕТНЫХ ШКАЛ
При выборе и расчете элементов отсчетных шкал и отсчетных
приспособлений в целом необходимо учитывать заданную точность
отсчитывания, условия отсчитывания, разрешающую способ-
ность глаза. Эти факторы определяют выбор принципа отсчитыва-
ния, размеры элементов отсчетной шкалы, необходимость введе-
ния оптической системы.
Известны следующие три наиболее распространенных в оптико-
механических приборах принципа отсчитывания:
1) оценка десятых долей интервала шкалы на глаз (отсчет
по индексу);
2) оценка совпадения (совмещения) двух штрихов — одного
на продолжении другого (например, отсчет по верньеру);
3) оценка установки одного штриха посредине между двумя
другими (биссектрирование), например, отсчет по микроскоп-
микрометру.
За расстояние наилучшего зрения для глаза принимают 250 мм.
С этого расстояния интервал 6 между штрихами шкалы (рис. 168)
будет виден под углом у, а малое линейное смещение отсчетного
индекса 6Х — под углом Учитывая, что угол ух мал, можно
написать
/л 81 //
— "250“ Р ’
где р" — число секунд в радиане (р" = 206 265).
Углом у" и определяется предельный угол
если принять предельно различимые вели-
чины 6хдля различных условий наблюдения.
Предельно различимые линейные смеще-
ния 6j, а следовательно, и предельные углы
разрешения, обозначаемые рг, зависят от
формы объектов наблюдения.
Так, при наблюдении двух объектов,
находящихся рядом и близких по форме
к кружкам, рг = 60-е-120". При наблюдении
двух протяженных объектов угол разреше-
ния уменьшается.
। В табл. 25 приведены углы разрешения
и предельные линейные смещения для раз-
личных способов отсчитывания. Из таблицы
разрешения глаза,
Рис. 168. Линейные
смещения, и уговой пре-
дел разрешениля глаза
«51.
Таблица 25
Углы разрешения и предельные линейные смещения
Способ отсчитывания Угол разрешения рг, угл. с Наименьшее заме- чаемое линейное смещение мм
Оценка десятых долей интервала 80—120 0,1—0,15
Оценка совпадения двух штрихов 8—20 0,01—0,02
Оценка биссектрированием 8—30 0,01—0,03
следует, что при оценке десятых долей интервала на глаз (отсчет
по индексу), при предельной ошибке отсчета 0,1 деления шкалы,
если положить ее соответствующей наименьшей замечаемой ве-
личине смещения б1( т. е. 0,1—0,15 мм, размер интервала шкалы
должен быть равен 1—1,5 мм. Это подтверждается и эксперимен-
тальными данными. Установлено, что при предельной ошибке
отсчета около 0,1 деления шкалы наивыгоднейшим является рас-
стояние между штрихами шкалы 1,0—1,5 мм, а видимая толщина
штрихов и индекса должна составлять 0,1—0,15 мм, т. е. 0,1 ши-
рины интервала.
, Рассчитаем линейную шкалу для следующих данных: изме-
ряемый диапазон L = 20 мм; точность отсчета А = 0,05 мм;
способ отсчета — по индексу. Положим, что минимальное ви-
димое линейное смещение при заданных условиях наблюдений
6Х = 0,15 мм. Заданная точность отсчета выше. Следовательно,
необходимо либо изменить способ отсчета, либо повысить разре-
шающую способность введением оптической системы. Угловое
расстояние ух, разрешаемое глазом совместно с оптической систе-
мой их увеличения, меньше разрешающей способности глаза в v раз,
т. е. у = pr/v. Необходимое увеличение оптической системы в дан-
ном случае можно найти сопоставлением величин А и 6, т. е.
Полагая, что предельная ошибка отсчета составляет 0,1 ин-
тервала, видимую величину интервала принимаем 6Х = 1,5 мм.
Действительная величина интервала
6 = А = Jzl = о,5 мм.
v 3 ’
L 20
При L = 20 мм число делений шкалы п = -у = -уу =
= 40 дел. Аналогично рассчитывают круговые шкалы и шкалы
для отсчета угловых величин. В последнем случае точность от-
счета и цену деления щкалы задают в угловой мере,
252
Список литературы
1. Борисов С. И., Зуев Ф. Г. Основы технической механики и детали меха-
низмов приборов. Учебник для техникумов. М.: Машиностроение, 1977. 341 с.
2. Допуски и посадки/В. Д. Мягков, М. А. Палей, А. Б. Романов. В. А. Бра-
гинский. Справочник в 2-х ч. 5-е изд., Л.: Машиностроение, 1978. 1032 с.
3. Елисеев С. В. Геодезические инструменты и приборы. Основы расчета,
конструкции и особенности изготовления. Изд. 3-е. М.: Недра, 1973. 392 с.
4. Ельников Н. Т., Дитев А. Ф., Юрусов И. К. Сборка и юстировка оптико-
механических приборов. М.: Машиностроение, 1974. 350 с.
5. Ефремов А. А., Законников В. П., Подобрянский А. В. Сборка приборов.
М.: Высшая школа, 1978. 296 с.
6. Ковалев М. П., Сивоконеико И. М., Явленский К. Н. Опоры приборов.
М.: Машиностроение, 1967. 192 с.
7. Козлов М. П. Зубчатые передачи точного приборостроения. Изд. 2-е,
М.: Машиностроение, 1969. 399 с.
8. Козловский Н. С., Виноградов А. Н. Основы стандартизации, допуски,
посадки и технические измерения. Учебник для техникумов. М.: Машинострое-
ние, 1979. 224 с.
9. Кругер М. Я-, Кулижнов Б. М. Конструирование оптико-механических
приборов. М.: Машгиз, 1948. 220 с.
10. Левин И. Я. Справочник конструктора точных приборов. 2-е изд. М.:
Оборонгиз, 1962. 727 с.
11. Литвин Ф. Л. Проектирование механизмов и деталей приборов. Л.:
Машиностроение, 1973, 693 с.
12. Мальцев М. Д. Расчет допусков на оптические детали. М.: Машинострое-
ние, 1974. 68 с.
13. Милосердии Ю. В., Лакин Ю. Г. Расчет и конструирование механизмов
приборов и установок. Учебное пособие для вузов. М.: Машиностроение, 1978.
320 с.
14. Оптико-механические приборы/С. Г. Бабушкин, М. Г. Беркова, К- Р. Голь-
дин, Н. Я. Крупп, К. А. Муниц, С. А. Сухопарое, К- И. Тарасов, М.: Машино-
строение, 1965, 365 с.
15. Первицкий Ю. Д. Расчет и конструирование точных механизмов. Л.:
Машиностроение, 1965. 548 с.
16. Справочник конструктора оптико-механических приборов /Под общ.
ред. В. А. Панова. 3-е изд. Л.: Машиностроение, 1980. 742 с.
17. Сухопарое С. А. Сборка и юстировка морских оптических дальномеров.
М.: Оборонгиз, 1961. 180 с.
18. Турыгин И. А. Прикладная оптика. М-: Машиностроение, ч. 1, 1965.
362 с., ч. 2, 1966. 431 с.
19. Тхоржевский В. П. Конструирование и изготовление приборов для стран
с тропическим климатом. М.: Машиностроение, 1971. 194 с.
20. Чурабо Д. Д. Детали и узлы приборов. Справочное пособие. М.: Машино-
строение, 1975. 557 с.
21. Чуриловский В. Н. Теория оптических приборов. Л.: Машиностроение,
1966. 564 с.
22. Элементы приборных устройств. Курсовое проектирование/ Под общ.
ред. О. Ф. Тищенко, Учебное пособие для вузов. В 2-х ч. М.: Высшая школа.
Ч. 1, 1978, 328 с.; ч. 2, 1978. 232 с.
253
Оглавление
Предисловие........................................................... 3
Введение.............................................................. 4
Раздел!. ОСНОВЫ СТАНДАРТИЗАЦИИ.................................. 6
Глава 1. Государственная система стандартизации. Стандартизация
в оптико-механической промышленности ............................ 6
1. Государственная система стандартизации. Основные цели и задачи
стандартизации..................................................... 6
2. Категории и виды стандартов .................................... 7
3. Действующая нормативно-техническая документация в оптико-
механической промышленности ....................................... 7
Глава 2. Единая система конструкторской документации (ЕСКД) ... 9
1. Состав и содержание ЕСКД ........................................ 9
2. Комплект конструкторской документации на изделие................ 10
Раздел II. ТОЧНОСТЬ ПРИБОРОВ ........................................ 11
Глава 3. Основы точностного расчета приборов......................... 11
1. Общие сведения. Виды расчетов приборов на точность...... 11
2. Виды погрешностей. Источники погрешностей............... 12
3. Некоторые сведения из теории обработки измерений о критериях
оценки точности............................................. 14
4. Методы суммирования погрешностей .............................. 14
5. Расчет на точность при максимальном влиянии погрешностей ... 15
6. Расчет на точность с учетом вероятностного влияния погрешностей 16
7. Расчет погрешностей с учетом систематически действующих факто-
ров и меры по их устранению....................................... 18
8. Вычисление погрешностей кинематических цепей с зубчатыми пере-
дачами .......................................................... 20
Глава 4. Расчет размерных цепей ..................................... 22
1. Цели расчета размерных цепей. Основные понятия и определения 22
2. Методы расчета размерных цепей................................ 24
3. Решение прямой задачи ......................................... 25
4. Решение обратной задачи методами полной взаимозаменяемости 27
Р а з де л III. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРИБОРОВ .... 29
Глава 5. Основные требования, предъявляемые к оптико-механическим
приборам........................................................... 29
1. Общие требования, предъявляемые к оптико-механическим приборам 29
2. Требования к конструкции приборов в зависимости от типа произ-
водства .......................................................... 30
3. Типовые технические требования на изготовление и приемку при-
боров ............................................................ 31
4. Требования к приборам, предназначенным для работы в условиях
тропического климата ........................................ 32
5. Надежность конструкции......................................... 34
6. Факторы, влияющие на стоимость прибора........................ 35
254
Глава 6. Основные виды работ по созданию новых приборов............. 36
1. Научно-исследовательские работы................................ 36
2. Опытно-конструкторские работы ................................. 37
Глава?. Содержание основных стадий и этапов разработки.............. 38
1. Техническое задание............................................ 38
2. Техническое предложение и его разработка....................... 38
3. Эскизный проект ............................................... 39
|4. Технический проект............................................ 43
5. Разработка рабочей документации ............................... 44
6. Изготовление опытного образца ................................. 45
7. Испытания опытных образцов .................................... 46
Глава 8. Компоновка приборов ....................................... 47
[1. Оптическая схема — основа компоновки оптико-механического
прибора.......................................................... 47
2. Выбор основных конструкторских баз и размещение оптических де-
талей и систем .................................................. 47
3. Общие принципы и способы компоновки............................ 49
:4. Технологичность конструкции .................................. 51
5. Размещение средств питания, управления и автоматизации .... 51
6. Разработка чертежа общего вида................................. 53
17. Примеры решения вопросов компоновки........................... 54
Глава 9. Разработка рабочих чертежей деталей........................ 56
1. Общие указания и требования ЕСКД при разработке рабочих чер-
тежей ........................................................... 56
2. Понятие о базах.........................................• . 57
3. Простановка размеров на чертежах деталей...................... 58
4. Значение рациональной простановки размеров................... 59
5. Выбор допусков и посадок...................................... 63
6. Указание на чертежах предельных отклонений формы и располо-
жения поверхностей .............................................. 67
7. Указание на чертежах обозначения шероховатости поверхностей . . 69
8. Общие рекомендации по выбору материала деталей................. 70
9. Покрытия деталей и термическая обработка....................... 71
Р а з д е л IV. КОНСТРУИРОВАНИЕ ТИПОВЫХ ОПТИЧЕСКИХ
УЗЛОВ ............................................................. 74
Глава 10. Расчет и конструирование типовых изделий со сферической
оптикой ........................................................... 74
1. Линзы, их типы и конструктивные элементы....................... 74
2. Оформление рабочих чертежей линз .............................. 81
;3. Способы крепления линз........................................ 85
4. Крепление линз завальцовкой.................................... 86
'5. Крепление линз кольцами....................................... 90
6. Другие виды-крепления линз ................................. 96
Глава И. Расчет и конструирование типовых изделий с призмами, зер-
калами и пластинами................................................ 99
1. Призмы, их типы и назначение............................... 99
2. Конструктивные элементы призм ................................ 99
3. Допуски на изготовление призм.............................. 101
' 4. Оформление рабочих чертежей призм .......................... ЮЗ
5. Крепление призм............................................. 105
j 6. Крепление оптических клиньев.................................. Ш
7. Зеркала и их конструктивные элементы......................... 112
8. Оформление рабочего чертежа зеркала.......................... 115
9. Крепление зеркал ............................................ 116
10. Плоскопараллельные пластины ................................ 119
11. Детали из волоконной оптики................................. 122
12. Конструирование оптических узлов с призмами и зеркалами .... 124
255
Глава 12. Конструирование окуляров ............................ 136
1. Типы окуляров. Выбор конструкции............................ 136
2. Конструирование окуляров телескопических систем............. 138
3. Расчет диоптрийной шкалы и окулярной резьбы................. 141
Д. Окуляры микроскопов......................................... 142
5. Сетки и шкалы .............................................. 143
6. Способы крепления сеток .................................... 146
7. Наглазники и налобники ..................................... 148
Глава 13. Конструирование объективов и конденсоров............... 150
1. Объективы телескопических систем............................ 150
2. Объективы фотографические................................... 154
3. Системы с переменным фокусным расстоянием................... 160
14. Зеркально-линзовые объективы............................... 161
]5. Конструирование и расчет ирисовой диафрагмы................ 163
6. Расчет дистанционной шкалы.................................. 168
\7. Особенности конструкции микрообъективов.................... 170
[8. Особенности конструкции крупногабаритных астрономических объ-
ективов ....................................................... 172
9. Конструирование конденсоров ................................ 173
Разделу. КОНСТРУИРОВАНИЕ НАПРАВЛЯЮЩИХ, ВИНТО-
ВЫХ МЕХАНИЗМОВ И ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ ... 176
Глава 14. Классификация направляющих и направляющие поступатель-
ного движения ................................................... 176
р. Общие сведения о направляющих и их классификация............ 176
2. Направляющие поступательного движения с трением скольжения 177
3. Направляющие поступательного движения с трением качения . . . 187
Глава 15. Направляющие вращательного движения.................... 193
1. Общие сведения............................................ 193
2. Направляющие с трением скольжения ......................... 193
3. Направляющие с трением качения............................. 202
4. Высокоточные опоры приборов................................. 214
Глава 16. Винтовые механизмы .................................... 217
1. Общие сведения и классификация ..................... 217
2. Выбор основных параметров винтовых механизмов............... 220
3. Точность работы отсчетных винтовых механизмов............... 221
4. Минимальные перемещения. Дифференциальный винтовой меха-
низм .......................................................... 225
Глава 17. Зубчатые передачи...................................... 227
1. Общие сведения и классификация............................. 227
2. Прямозубые цилиндрические передачи......................... 229
| 3. Косозубые цилиндрические передачи......................... 231
4. Конические передачи........................................ 232
5. Червячные передачи ........................................ 233
6. Конструктивное оформление зубчатых колес................... 236
7. Технические требования к изготовлению зубчатых колес....... 239
8. Способы устранения мертвого хода зубчатых передач.......... 241
9. Материалы, применяемые для изготовления зубчатых колес и чер-
вяков ........................................................ 242
10. Планетарные и дифференциальные зубчатые механизмы.......... 244
11. Червячные механизмы с выключающимся червяком............... 247
Глава 18. Способы крепления и расчет отсчетных шкал.............. 248
1. Способы креплении точных шкал............................... 248
2. Выбор и расчет элементов отсчетных шкал..................... 251
Список литературы................................................ 253
В. С. Плотников, Д. И. Варфоломеев,
В. Е. Пустовалов
РАСЧЕТ
И КОНСТРУИРОВАНИЕ
оптико-механических
приборов
Допущено Министерством высшего и среднего
специального образования СССР
в качестве учебника для техникумов
ИЗДАНИЕ 2-е, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ
МОСКВА «МАШИНОСТРОЕНИЕ» 1983
ББК 34.9
П39
УДК 68!.4
Рецензенты Л. В. Ключникова и канд. техн, наук В. П. Петров
Плотников В. С., Варфоломеев Д. И., Пустовалов В. Е.
П39 Расчет и конструирование оптико-механических при-
боров. Учебник для техникумов. Изд. 2-е, перераб.
и доп. — М.: Машиностроение, 1983. — 256 с., ил.
В пер.: 80 к.
Изложены основы расчета и конструирования типовых узлов и деталей
оптико-механических приборов: объективов, окуляров, направляющих, зуб-
чатых передач, винтовых механизмов. Рассмотрены этапы проектно-конструк-
торских работ, дана общая методика проектирования и расчета точности при-
боров.
Учебник предназначен для учащихся техникумов. Он также может
быть полезен для студентов вузов соответствующих специальностей и для
специалистов, работающих в области оптического приборостроения.
п 2706000000—190 оо ББК 34.9
П 038(01) 83 19°'83 6П5.8
ИБ № 3287
Василий Сергеевич Плотников
Дмитрий Иванович Варфоломеев
Владимир Евгеньевич Пустовалов
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ
Редактор Л. К* Тучкова
Художественный редактор С. С. Водчиц
Технический редактор Т. С. Старых
Корректоры И. М. Борейша и Л. Л. Георгиевская
Оформление художника Л. С. Вендрова
Сдано в набор 08.06.82. Подписано в печать 10.01.83. Т-04005.
Формат бОХЭО^хв- Бумага типографская № 2
Гарнитура литературная. Печать высокая. Усл. печ. л. 16,0.
Уч.-изд. л. 17,32, Тираж 8000 экз. Заказ 186. Цена 80 к.
Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Машиностроение»
107076. Москва, Б-76, Стромынский пер., д. 4.
Ленинградская типография № 6 ордена Трудового Красного Знамени
Ленинградского объединения «Техническая книга» им. Евгении Соколовой
Союзполиграфпрома прн Государственном комитете СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.
193144, г. Ленинград, ул. Моисеенко, 10.
© Издательство «Машиностроение», 1983 г.
В.С. Плотников, Д.И.Варфоломеев,
В.Е. Пустовалов