remarks on designing mechatronic systems -...

Człowiek- najlepsza inwestycja

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Integracja zespołów optycznych i

optoelektronicznych

Leszek Wawrzyniuk

Integracja zespołów

optycznych i

optoelektronicznych

L. Wawrzyniuk: „Systemy mechatroniczne”

Optomechatronika

prof. dr hab. inż. K. Patorski „Optomechatronika” (wykład, II rok)

W ostatnich latach obserwuje się

dynamiczny wzrost wprowadzania technik

optycznych do układów i systemów

mechatronicznych. Powody tego nowego

trendu wynikają z unikalnych,

charakterystycznych cech technik

optycznych: bezkontaktowości

(nieinwazyjności) i nieczułości na szum

elektryczny.


optycznych i

optoelektronicznych


Podstawowe funkcje systemów

optomechatronicznych

(prof. dr hab. inż. K. Patorski „Optomechatronika” (wykład, II rok) )

Fuzja elementów optycznych i mechatronicznych

umożliwia generację szeregu funkcji:

1. Sensoring;

2. Sterowanie (wizyjne/optyczne sprzężenie

zwrotne);

3. Zdalne monitorowanie (skanowanie

optyczne, rozpoznawanie obrazów);

4. Przetwarzanie, przesyłanie,

przechowywanie, wyświetlanie danych;

5. Sterowanie oświetleniem i układami

optycznymi z zastosowaniem sensorowego

sprzężenia zwrotnego;

6. Obróbka materiału.


optycznych i

optoelektronicznych


Efekty synergistyczne w systemach


(prof. dr hab. inż. K. Patorski „Optomechatronika” (wykład, II rok) )

1. Tworzenie nowych funkcji i ich dodawanie do już istniejących;

2. Wzrost poziomu autonomii i inteligencji;

3. Optymalizacja parametrów użytkowych;

4. Podwyższanie poziomu funkcjonalności;

5. Optymalizacja szeregu właściwości takich jak precyzja, niski koszt, trwałość,

miniaturyzacja, itp.


optycznych i

optoelektronicznych


Konstruowanie urządzeń


Projekt konstrukcji optycznej

Opracowanie konstrukcji optycznej


optycznych i

optoelektronicznych


Schemat optyczny


optycznych i

optoelektronicznych


Konstrukcja optomechaniczna


optycznych i

optoelektronicznych


Konstruowanie urządzeń


udział optyka o specjalności konstrukcja zespołów optycznych

(obliczenia układu – optymalizacja, schemat optyczny),

wykonanie lub dobór elementów optycznych i

optoelektronicznych,

specyficzna konstrukcja mechaniczna zespołów

optomechanicznych

specyficzny montaż zapewniający wymagane parametry układu

optycznego (ew. justowanie, konstrukcja przyrządów specjalnych

do kontroli parametrów podzespołów układu optycznego)


optycznych i

optoelektronicznych


Kryteria oceny jakości konstrukcji

optomechatronicznej

• parametry układu optycznego (konstrukcja i korekcja układu optycznego, materiały, powłoki, tolerancje),

• konstrukcja mechaniczna,

zamocowanie elementów optycznych (bez deformacji i naprężeń) i ich zabezpieczenie przed uszkodzeniem w warunkach transportu, magazynowania i eksploatacji,

zapewnienie optymalnych warunków montażu i justowania,

minimalizacja szkodliwych odblasków i światła rozproszonego w przyrządzie,

uwzględnienie i kompensacja wpływu zmian warunków pracy na właściwości przyrządu (temperatura, obciążenia mechaniczne, narażenia środowiskowe),

• działanie mechanizmów nastawczych i regulacyjnych

• napędy, sterowanie i przetwarzanie informacji,


optycznych i

optoelektronicznych


Projektowanie układów optycznych

M. Leśniewski: „Projektowanie układów optycznych” WPW 1990

Ustalenie założeń konstrukcyjnych

Opracowanie koncepcji układu i obliczenia wstępne

(gabarytowe)

Obliczenia aberracyjno-optymalizacyjne

Wyznaczenie tolerancji wykonawczych

Sporządzenie dokumentacji (schemat optyczny, rysunki

detali)


optycznych i

optoelektronicznych



Ustalenie założeń konstrukcyjnych

określenie przeznaczenia i typu układu (oświetleniowy,

obrazujący, obiektyw, okular, luneta, transformujący

wiązkę promieniowania lasera…) i detektora (oko,

detektor punktowy, matryca…)

ustalenie optycznych parametrów użytkowych układu

(kąt pola widzenia, powiększenie…) wstępnej

konfiguracji elementów, przewidywanych ruchów

justerskich i eksploatacyjnych, czasami koniecznych

technologii wykonania,

ustalenie parametrów geometrycznych (np. wymiary

gabarytowe)

wymagania do części mechanicznej, elektronicznej i

sterowania wpływające bezpośrednio na układ optyczny


optycznych i

optoelektronicznych



Opracowanie koncepcji układu i obliczenia wstępne (gabarytowe)

Opracowanie koncepcji rozwiązania układu optycznego to ustalenie liczby,

rodzaju i rozmieszczenia elementów optycznych traktowanych jako

cienkosoczewkowe składniki układu doskonałego oraz zwierciadeł,

pryzmatów, płytek, filtrów itp.

Na etapie obliczeń wstępnych ustala się konkretny wariant układu

optycznego poprzez rozmieszczenie i rozkład mocy jego elementów.

Korzysta się z zależności optyki geometrycznej odniesionych do przestrzeni

przyosiowej. Biegi przyosiowe można wykorzystać do wyznaczenia:

ogniskowych, czołowych i płaszczyzn głównych

odległości elementów

położenia obrazów i wartości powiększeń

położenia źrenic

wymiarów powierzchni czynnych elementów.


optycznych i

optoelektronicznych



Obliczenia aberracyjno-optymalizacyjne

Celem obliczeń aberracyjnych jest:

realizacja fizyczna układu określonego na etapie obliczeń

wstępnych,

obliczenia i korekcja aberracji danego układu,

ocena jakości odwzorowania układu.

Stosunkowo łatwo jest wyznaczyć charakterystykę aberracyjną przy danych

parametrach układu optycznego. Natomiast znalezienie parametrów układu o

żądanych (wymaganych) aberracjach jest problemem nierozwiązanym do

końca. Stąd zadanie realizacji fizycznej układu może przebiegać różnymi

metodami:

doboru gotowych zespołów,

obliczeń układów na podstawie teorii (teoria III rzędu – do połowy XX

wieku),

automatycznej korekcji aberracji przy użyciu programów

komputerowych.


optycznych i

optoelektronicznych



Obliczenia aberracyjno-optymalizacyjne – parametry szkła


optycznych i

optoelektronicznych



Wyznaczenie tolerancji wykonawczych

geometrii detali optycznych (wartości promieni krzywizn, kształtu

powierzchni, grubości i średnicy soczewek, niecentralności,

piramidalności itp.)

materiałów optycznych (tolerancji współczynników załamania i

dyspersji, smużystości, pęcherzowatości, naprężeń itp.)

usytuowania zespołów i części (odległości między elementami układu

optycznego, niecentralności elementów i zespołów)

parametrów gabarytowych (ogniskowych elementów i zespołów,

odległości przedmiot – obraz, powiększenia itp.)


optycznych i

optoelektronicznych



Sporządzenie dokumentacji

Schemat optyczny:

rozmieszczenie części i zespołów, przysłon, płaszczyzn przedmiotu i

obrazu, źrenic układu, źródeł i detektorów, płaszczyzn oporowych lub

bazowych,

wymiary (odległości elementów, zakresy przemieszczeń i obrotów,

średnice przysłon i źrenic, wymiary powierzchni czynnych źródła i

detektora)

charakterystyka optyczna układu (charakterystyka techniczna całego

układu, parametry zespołów i części)

ruchy justerskie i eksploatacyjne

Rysunki części optycznych

Wytyczne do konstrukcji mechanicznej


optycznych i

optoelektronicznych



Sporządzenie dokumentacji


optycznych i

optoelektronicznych



Sporządzenie dokumentacji – detale optyczne - zalecenia

• grubość nominalna soczewki w najcieńszym miejscu

• grubość nominalna płytki okrągłej

• proporcje między grubością zwierciadła płaskiego a jego największym wymiarem liniowym

• średnice płytek i soczewek a ich średnice czynne przy różnych sposobach mocowania

• fazy dla elementów okrągłych i nieokrągłych

• pasowania płytek i soczewek w oprawach

• matowanie i czernienie obwodów i faz soczewek i płytek, nieczynnych optycznie powierzchni pryzmatów, klinów itd.


optycznych i

optoelektronicznych


Specyfika konstrukcji mechanicznej

zespołów optomechanicznych

Właściwości mechaniczne szkła

• gęstość od 2,2 g∙cm-3 dla fluorkowych kronów do ponad 6 g∙cm-3 dla ciężkich flintów

• moduł Younga 40-140∙103 MPa

• moduł sprężystości poprzecznej G = 20-45 GPa

• liczba Poissona μ = 0,16 – 0,3

Parametry wytrzymałościowe zależą od składu chemicznego i technologii

obróbki cieplnej (odprężanie), ale także wymiarów i kształtu detalu, stanu

powierzchni (obecność mikropęknięć, zmiany, które zaszły pod wpływem

warunków zewnętrznych, zwłaszcza wody), niejednorodności

wewnętrznych, naprężeń, temperatury:

• wytrzymałość na ściskanie 0,5-2 GPa,

• wytrzymałość na rozciąganie 20-90 MPa – zależy od jakości powierzchni i

kształtu elementu (przypadek szczególny - światłowody).


optycznych i

optoelektronicznych





O kruchości materiału mówimy, gdy naprężenia niszczące są znacznie większe od sprężystych, a trwałe odkształcenia plastyczne są nieznaczne w porównaniu ze sprężystymi. Kruchość zależy od temperatury, sposobu narastania obciążenia, stanu powierzchni, niejednorodności i naprężeń wewnętrznych. Szkło ulega złamaniu przy zginaniu lub rozciąganiu w wyniku propagacji w materiale mikroszczeliny Griffitha i kumulacji naprężeń u jej szczytu. Złamanie następuje bez widocznych oznak odkształcenia plastycznego.

Wytrzymałość elementu optycznego można zwiększyć metodą termiczną (hartowanie) lub chemiczną (wymiana jonów dyfundujących w głąb szkła np. po zanurzeniu w kąpieli solnej i podgrzaniu).

Łupliwość to zdolność kryształów do pękania lub rozdzielania się pod wpływem uderzenia lub nacisku wzdłuż płaszczyzn łupliwości. Wiele kryształów łupie się na kawałki o określonych formach geometrycznych –np. sól NaCl na sześciany.


optycznych i

optoelektronicznych




Właściwości mechaniczne szkła - twardość

Twardość jest charakteryzowana przez zarysowanie, odcisk diamentowej piramidki metodą Knoopa i przez wydajność szlifowania, przy czym wzajemna relacja wyników tych metod jest tylko częściowo zgodna.

Ze względów praktycznych stosuje się często metodę sklerometryczną(Martens – 1898) – zarysowanie wypolerowanej powierzchni igłą diamentową – miarą twardości jest siła potrzebna do uzyskania rysy o szerokości 10 μm wykonywanej diamentowym stożkiem o kącie wierzchołkowym 120˚ - symbol Hr.

Według ISO 9385 pomiar metodą Knoopa polega na wciskaniu ostrosłupa diamentowego o zdefiniowanych wymiarach w polerowaną powierzchnię szkła przez określony czas. Twardość jest charakteryzowana przez parametr Hk = 1,4233 P/d2 gdzie P = 0,9807 N – siła nacisku na piramidkę a d – dłuższa przekątna romboidalnego odcisku. Dla szkieł Hk zawiera się w przedziale 300 – 800.

Porównuje się także ścieralność szkła (Hs) – miarą jest stosunek czasu do objętości materiału usuniętego w procesie szlifowania swobodnym ścierniwem w ustalonych warunkach prowadzenia obróbki – twardość szlifierska odnoszona jest do twardości szkła BK7.


optycznych i

optoelektronicznych




Właściwości mechaniczne szkła - twardość

Przybliżone porównanie skal twardości

Twardość

zależnie od gatunku szkła 4,5-7,5 w skali Mohsa, 300 – 800 w skali Knoopa


optycznych i

optoelektronicznych





Odporność mechaniczna czynnych powierzchni szkieł:

• łatwość porysowania powierzchni lub uszkodzeń miejscowych; większość pokryta warstwami przeciwodblaskowymi, zwierciadlanymi, światłodzielącymi o różnej, często niewielkiej wytrzymałości mechanicznej,

• wyróżnia się zgodnie z normą 5 grup trwałości od najtrwalszej 0 do najsłabszej, wymagającej zaklejenia szkłem IV. Powłoki grup II i III są delikatniejsze niż polerowana powierzchnia niepokryta i wymagają specjalnych zabezpieczeń w konstrukcji obudowy.


optycznych i

optoelektronicznych




Właściwości termiczne szkła – rozszerzalność cieplna

• Niezwykle ważna właściwość ze względów konstrukcyjnych (zarówno

optycznych jak i mechanicznych), zwłaszcza dla dużych elementów.

• Miarą rozszerzalności cieplnej jest współczynnik rozszerzalności cieplnej

liniowej lub objętościowej, przy czym dla materiałów anizotropowych ma on

charakter kierunkowy. W większości materiałów jest dodatni, ale są też

materiały o ujemnym współczynniku, a w kryształach może być w

niektórych kierunkach dodatni, a w innych ujemny (kalcyt, beryl).

• W katalogach szkła optycznego podawane są współczynniki

rozszerzalności cieplnej liniowej dla dwóch przedziałów temperatur, dla

których zmiana współczynnika w funkcji temperatury przebiega niemal

liniowo (-30˚C do +70˚C i +20˚C do +300˚C).


optycznych i

optoelektronicznych




Właściwości termiczne szkła

Ciepło właściwe

Charakteryzuje zdolność zmiany temperatury – ilość ciepła pobranego

przez jednostkę masy przy zmianie temperatury o jeden stopień [J/(kg·K)].

Odporność termiczna

Miarą odporności termicznej jest największa różnica temperatur, jaką

przedmiot może wytrzymać bez pękania – zależy od właściwości

mechanicznych i termicznych, gradientu temperatury, nagrzewania czy

chłodzenia, stanu powierzchni, wymiarów i kształtu przedmiotu.

Poprawieniu odporności termicznej sprzyja hartowanie. Dla szkieł

odporność na zmiany temperatury jest silnie zróżnicowana od 35˚ dla

pospolitych szkieł sodowo-wapiennych, 140˚ dla szkła laboratoryjnego aż

do 800˚ dla szkła krzemionkowego.


optycznych i

optoelektronicznych




Właściwości termiczne szkła

Przewodność cieplna

Charakteryzuje zdolność wyrównywania temperatury [W·m-1·K-1], a więc

jest niezwykle istotna z punktu widzenia wytrzymałości na zmianę

temperatury, zwłaszcza zachodzącą szybko i lokalnie. Szkło o dużej

przewodności jest bardziej odporne na nagłe zmiany temperatury, małej

przewodności towarzyszy większa zdolność hartowania. Ma bardzo

istotne znaczenie także w procesach formowania szkła (stygnięcie).

Przewodność cieplna szkieł jest znacznie mniejsza niż metali i kryształów.

Materiały o dużej przewodności cieplnej stosuje się do transmisji wiązki

laserowej dużej mocy.


optycznych i

optoelektronicznych




Tworzywa sztuczne

W porównaniu ze szkłem optycznym tworzywa sztuczne są lekkie, łatwo

formowalne, tanie. Przy formowaniu termicznym elementom optycznym

można nadawać ostateczny kształt, niekiedy bardzo złożony, trudny do

uzyskania przy stosowaniu obróbki konwencjonalnej. Element optyczny

może być rozbudowany integralnie o elementy bazowe i dystansowe, co

bardzo ułatwia (i potania) montaż.


optycznych i

optoelektronicznych




Tworzywa sztuczne

Można barwić je w masie, dodatkowo polerować, nanosić powłoki na

powierzchniach. Są jednak niestabilne termicznie, a dopuszczalna

temperatura użytkowania jest niewysoka. Mają relatywnie małą odporność

na ścieranie (konieczne są powłoki utwardzające).

Gęstość 1,05 - 1,3 g/cm3, a w szczególnym przypadku TPX (P-methyl

pentene) 0,83 g/cm3, podczas gdy dla szkieł optycznych zawiera się w

przedziale 2,3 - 6,3 g/cm3

Twardość jest mała, w przeciwieństwie do szkła trudna do ilościowej oceny

ponieważ nie zależy ona wyłącznie od materiału, lecz także od sposobu

formowania powierzchni.

Powierzchnie optyczne elementów są relatywnie gładkie, wolne od rys,

kraterów i innych skaz powierzchniowych. Mikrogeometria powierzchni

odpowiada typowym wymaganiom dla optyki instrumentalnej, w rutynowo

produkowanych niewielkich elementach optycznych (do 10 mm średnicy)

odchyłki kształtu powierzchni mogą być utrzymane w granicach λ/2.


optycznych i

optoelektronicznych




Tworzywa sztuczne

Właściwości termiczne charakteryzuje przede wszystkim temperatura

użytkowa do +80 120°C, dla fluoropolimerów 250°C. Przewodność cieplna

większości polimerów jest o rząd wielkości mniejsza niż szkła, a rozszerzalność

cieplna większości z nich o rząd wielkości większa. Stąd przy pracy w

warunkach nierównowagi termicznej istnieje większe prawdopodobieństwo

występowania dużych gradientów temperatury i termicznej deformacji

powierzchni optycznie czynnych.

Współczynnik załamania zawiera się w przedziale 1,42 - 1,65 i maleje z

długością fali światła, co jest zjawiskiem typowym dla dielektryków. Liczba

Abbego - vd 20 - 60. Ze zmianą temperatury zmiana współczynnika załamania

jest duża, co najmniej o rząd wielkości większa, niż w typowych szkłach

optycznych (np. BK7: 1,5·10-6K-1, PMMA: -12,5·10-5K-1), ale ujemna, co

pozwala na budowę układów optycznych z kompensacją tych zmian przez

połączenie ze szkłami. Dwójłomność występuje zwłaszcza przy technologii

prasowania, szczególnie zauważalna przy elementach dużych i otrzymywanych

przy dużych gradientach temperatury,


optycznych i

optoelektronicznych




Zmiany współczynnika załamania pod wpływem czynników zewnętrznych

H - natężenie pola magnetycznego

E - natężenie pola elektrycznego

- naprężenie

- odkształcenie

D - indukcja elektryczna

B – współczynnik załamania

ΔB = Δ(1/n2)

a) efekt magnetooptyczny

b) efekt piezooptyczny

c) efekt elektrooptyczny

d) efekt elastootyczny

e) efekt piezoelektryczny prosty

f) efekt piezoelektryczny odwrotny

g) przenikalność elektryczna

h) sprężystość

H

E

D

B

a)

h) g)

f)

e)

d)

c)b)


optycznych i

optoelektronicznych




Wymagania ogólne stawiane oprawom elementów optycznych

• wykluczona możliwość niezamierzonego rozluźnienia czy przemieszczenia elementów w warunkach eksploatacji, transportu czy konserwacji, a więc także odporność na udary, wibracje, wstrząsy,

• brak szkodliwych deformacji i naprężeń w elementach optycznych (dopuszczalne niewielkie ściskające, wykluczone gnące i rozciągające),

• umożliwione prawidłowe pozycjonowanie części i justowanie przyrządu,

• wymagana szczelność połączenia,

• łatwe czyszczenie i konserwacja,

• zabezpieczenie szkła przed uszkodzeniem,

• wymagania specjalne (np. praca przy dużych wahaniach temperatur, odporność na działanie agresywnego środowiska).


optycznych i

optoelektronicznych




Oprawianie elementów optycznych - soczewki

Zawalcowanie (zawijanie)


optycznych i

optoelektronicznych




Oprawianie elementów optycznych

Zawalcowanie (zawijanie)

• Części małe i średniej wielkości; zawalcowanie na tokarce montażowej;

po zawinięciu krawędź oprawy nie powinna wystawać poza fazę

elementu szklanego, nie może mieć nierówności, zadziorów o które

mogłaby się zaczepiać wata przy czyszczeniu. Krawędź i wnętrze

oprawy czerni się matowo.

• Soczewki małe o dużej krzywiźnie mogą być centrowane na

powierzchni sferycznej opartej o wewnętrzną krawędź oprawy.

• Materiały dobrze skrawalne, nie korodujące, łatwo odkształcające się

plastycznie bez pęknięć i wykruszeń (MO59, PA6N).

• Możliwość centrowania uzyskanego zespołu względem osi optycznej

soczewki na specjalnej obrabiarce.


optycznych i

optoelektronicznych





Mocowanie gwintowanym pierścieniem

Średnice 10-100 mm, w oprawach metalowych o kształcie cienkościennej

tulei. Najczęściej pierścień z gwintem zewnętrznym (a), rzadziej

wewnętrznym (b). Gwinty z reguły średniej dokładności (6H/6g),

drobnozwojne o skokach 0,5, 0,75 i 1mm w zależności od średnicy, a przede

wszystkim od grubości ścianki oprawy


optycznych i

optoelektronicznych





Mocowanie gwintowanym pierścieniem

Jeden pierścień gwintowy może mocować kilka soczewek przedzielonych

pierścieniami dystansowymi o średnicach wewnętrznych odpowiadających

średnicom czynnym soczewek i zewnętrznych pasowanych luźno w

oprawie (zwykle d11). Powierzchnie pierścieni głęboko czarne i matowe.

Często pierścień dystansowy trafia także między pierścień gwintowany a

soczewkę zabezpieczając ją przed uszkodzeniem podczas dokręcania.


optycznych i

optoelektronicznych





Mocowanie elementami sprężystymi


optycznych i

optoelektronicznych





Mocowanie elementami sprężystymi i

oprawy uproszczone


optycznych i

optoelektronicznych





Połączenie klejone

Elementy do średnicy ok. 40mm – największa szczelność ale na ogół mała

odporność na duże zmiany temperatury. Kleiwa syntetyczne,

chemoutwardzalne o małym skurczu. Nie stosuje się klejów spajających w

podwyższonej temperaturze, bo po zakrzepnięciu w kleju powstają

naprężenia. Najmniejsze naprężenia dają kleje o małym skurczu, niezupełnie

twardniejące po zakrzepnięciu np. niektóre kleje epoksydowe. Wadą

połączeń klejonych jest brak możliwości sprawdzenia ich rzeczywistej

wytrzymałości (częste wady ukryte).


optycznych i

optoelektronicznych




Oprawianie elementów optycznych - pryzmaty

• pryzmat bazować na jednej z płaszczyzn opierając go na trzech punktach

(wysepkach) lub na płaszczyźnie oprawy o dokładnie płaskiej powierzchni

(naprężenia i deformacje),

• elementy ustalające i dociskające nie powinny dotykać ostrych krawędzi i

grani pryzmatów,

• żaden element oprawy nie powinien dotykać powierzchni czynnych

pryzmatu zwłaszcza z całkowitym wewnętrznym odbiciem (szczelina

minimum kilka dziesiątych mm),

• większość opraw musi zapewniać możliwość przesunięć i obrotów

justerskich,

• wskazane jest stosowanie elastycznych podkładek między ściankami

pryzmatu i metalowymi elementami dociskowymi oprawy (tworzywo

sztuczne, folie z miękkich metali, ircha, w sprzęcie laboratoryjnym korek,

karton, fibra) – można wówczas dopuścić pewne niedokładności

wykonania powierzchni oprawy.


optycznych i

optoelektronicznych




Oprawianie elementów optycznych - pryzmaty


optycznych i

optoelektronicznych




Oprawianie elementów optycznych – zwierciadła, liniały

Zwierciadła okrągłe, płaskie i sferyczne oprawia się metodami stosowanymi

dla soczewek. Zwierciadła są bardzo wrażliwe na odkształcenia powierzchni,

zaleca się więc stosować oprawy elastyczne.

Do zwierciadeł nieokrągłych stosuje się trzy metody przedstawione już dla

pryzmatów: zamocowanie kątownikami lub łapkami, ustalenie płytkami i

kształtem obudowy, klejenie najczęściej do oprawy ograniczającej kształtem

swobodę przemieszczeń.

Liniały - elementy bardzo cenne (często najdroższe w całym przyrządzie) a

jednocześnie bardzo delikatne i nieodporne na obciążenia mechaniczne.

Konieczne jest zabezpieczenie przed skutkami działania sił zewnętrznych i

rozszerzalności termicznej.

Musi też istnieć możliwość łatwej regulacji położenia liniału w trzech

płaszczyznach.

Wszystkie wkręty i elementy dociskające powinny mieć starannie

wypolerowane powierzchnie stykające się ze szkłem, aby uniemożliwić

zarysowanie i uszkodzenie liniałów w czasie regulacji.


optycznych i

optoelektronicznych




Projektowanie procesu montażu i justowania

określenie wymagań wartościujących parametry oceny układu

optycznego,

określenie ruchów justerskich (zakres, czułość),

podział przyrządu na węzły i podzespoły według kryterium

uwzględniającego:

• możliwość montażu i justowania (np. centrowania) kilku

elementów optycznych we wspólnej obudowie,

• możliwość montażu kolejnych węzłów w podzespoły i

zespoły wraz z ich justowaniem,

• możliwość oceny jakości (tj. stopnia spełnienia wymagań)

każdego węzła, podzespołu i zespołu,


optycznych i

optoelektronicznych




Montaż i justowanie

• rozdzielenie ruchów justerskich (niezależna realizacja) oraz

utrwalania pozycji,

• ergonomiczność procesu montażu i justowania (unikanie

kłopotliwych i czasochłonnych operacji wielokrotnego

montażu i demontażu),

• dostępność węzłów, podzespołów i zespołów podlegających

okresowej kontroli i konserwacji (także ewentualnej

naprawie lub wymianie),

• opracowanie schematu montażu z wykazem operacji

montażowych i justerskich (instrukcje, przyrządy).


optycznych i

optoelektronicznych




Montaż i justowanie - dokumentacja

• schemat montażu,

• wykaz operacji dla każdego podzespołu i zespołu,

• instrukcje do poszczególnych operacji,

• wykaz przyrządów montażowych, justerskich, kontroli –

specjalnych i uniwersalnych,

• wykaz wyposażenia specjalnego (aparatura wibracyjno-

udarowa, komory klimatyczne itd.),

• wykaz materiałów pomocniczych,

• warunki produkcji (oświetlenie, drgania, temperatura, czystość,

wilgotność)

• cechy pracowników (potliwość, nerwowość, łupież itd.)

• karty (norm, kosztów, skompletowań)


optycznych i

optoelektronicznych




Montaż i justowanie - przykład

Obliczyć długość tulei X jeśli zgodnie ze schematem optycznym

odległość między soczewkami ma być W ± ΔW


optycznych i

optoelektronicznych





gdddgddd

dgggdggg

hhwxhhxw

hhwxhhxw

HHWXHHXW

2121

2121

2121


optycznych i

optoelektronicznych





Strzałka czaszy sferycznej i jej odchyłka

4

22 D

RRH DD

R

DR

DR

HH

44

4

22

22

ΔR – odchyłka promienia czaszy, ΔD – odchyłka średnicy pierścienia


optycznych i

optoelektronicznych





Na tolerancję promienia sfery soczewki składają się dwa czynniki:

tolerancja sprawdzianu interferencyjnego (tablica)

odchyłka promienia ΔRS wykonywanej sfery od promienia R

sprawdzianu wyznaczana ze wzoru

gdzie Dp oznacza średnicę N-tego prążka dla długości fali λ.

Powyższy wzór jest stosowany gdy Dp /Rs ≤1, gdy Dp /Rs >1 odchyłka

promienia jest asymetryczna i wynosi dla powierzchni wypukłych:

a dla powierzchni wklęsłych

gdzie

2

24

p

s

D

NRR

cos12

cos1

NR

s

cos122

NR

s

cos12

cos1

NR

s

cos122

NR

s

R

D

2arcsin


optycznych i

optoelektronicznych




Minimalizacja szkodliwych odblasków i światła rozproszonego w przyrządzie

stosowanie odpowiednich powłok antyrefleksejnych na powierzchniach

czynnych elementów optycznych

pokrywanie matowych, niepracujących powierzchni elementów optycznych

matową, głęboko czarną emalią;

malowanie lub nakładanie matowych i głęboko czarnych warstw

tlenkowych na wewnętrznych ściankach metalowej obudowy, dobra emalia

powinna zachować prawie stały, bardzo mały współczynnik odbicia nawet

przy bardzo dużych kątach padania światła;

zastosowanie osłony przed układem (np. w aparatach fotograficznych,

kamerach, lunetach);

zastosowanie przysłon przeciwodblaskowych w układzie optycznym

(stałych, ale także np. trójkątnych, gwintopodobnych rowków

pierścieniowych na wewnętrznych, cylindrycznych ściankach. Generalnie

ściany wewnętrzne przyrządu nie powinny być zbyt gładkie, raczej drobny

mat o jednolitej, bezkierunkowej strukturze).


optycznych i

optoelektronicznych




Technologiczność konstrukcji

• skala produkcji,

• podział urządzenia na części ze względów technologicznych,

• wykorzystanie odpowiednich materiałów,

• technologiczność półfabrykatów i detali (odlewy, tłoczenie z blachy,

prasowanie z materiałów ceramicznych, proszki spiekane, obróbka

skrawaniem, tworzywa sztuczne i inne materiały),

• technologiczność sprawdzania,

• technologiczność montażu

Konstrukcja jest technologiczna, gdy przy założonej wielkości produkcji

umożliwia uzyskanie możliwie niskich kosztów przy zachowaniu

wymaganej jakości wykonania.

remarks on designing mechatronic systems -...

Documents