Разработка конструкции оптико-механической части сканирующего прибора

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФИЛИАЛ ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ МЭИ»

В Г. СМОЛЕНСКЕ

Кафедра ОЭС

Курсовой проект по дисциплине

«Проектирование оптико-электронных приборов»

«Разработка конструкции оптико-механической части сканирующего прибора»

Смоленск 201



Содержание

Аннотация

Техническое задание

Исходные данные

Введение

1. Выбор и обоснование схемы оптико-механической части сканирующей системы

2. Предварительный габаритный расчёт оптической системы

2.1 Расчёт конструктивных параметров объектива

2.2 Расчет допусков на оптические детали объектива

2.3 Определение основных габаритных размеров оправы объектива

3. Расчет конструктивных параметров сканирующей системы

4. Выбор двигателя и кинематический расчет

4.1 Выбор двигателя

4.2 Разработка крепления узла

4.3 Кинематический расчет сканирующей системы

5. Расчёт времени выхода прибора на рабочий режим

6. Выбор фотоприемника

7. Выбор стандартных деталей

8. Выбор крепления и материалов узлов прибора

9. Компановка прибора

Заключение

Список литературы

Содержание

Приложения



Аннотация

Автор: Тема: «Разработка конструкции оптико-механической части сканирующего прибора».

Курсовой проект содержит:

45 страниц, 15 рисунков, 10 таблиц, 10 литературных источников, 32 приложения.

В данной работе, на основе анализа технической литературы, разработана сканирующая система, удовлетворяющая условию и техническому заданию. Рассчитана оптическая и механическая часть прибора. Разработаны чертежи всех нестандартных деталей, оформлена спецификация на прибор.



Техническое задание

Разработать конструкцию оптико-механической части сканирующего прибора с возможностью фокусировки объектива.

1. Провести анализ ТЗ и технической литературы;

2. Произвести обоснование оптико-механической части сканирующей системы ;

3. Произвести предварительный габаритный расчёт оптической системы (расчёт конструктивных параметров, допусков, габаритных размеров оправы объектива);

4. Произвести расчет конструктивных параметров оптико-механической системы.

5. Выполнить кинематический расчёт сканирующей системы, выбрать двигатель, разработать узел крепления двигателя, произвести расчет механической передачи, выполнить расчет кулачка, замыкающей пружины, сконструировать узел крепления оптического клина;

6. Произвести расчет времени выхода прибора на рабочий режим;

7. Выполнить выбор фотоприемника;

8. Произвести выбор стандартных деталей;

9. Выбрать и обосновать материалы и технологии всех нестандартных элементов узла с учётом минимального веса, габаритов, а также обеспечения надлежащей прочности, надёжности конструкции и обеспечения технической эстетики;

10 Выполнить компоновку прибора.



Исходные данные

Таблица 1. Исходные данные

Тип объектива	Двухлинзовый несклеенный
Материалы линз	ТК-23 ТФ-104 (ТФ-4)
f 'об, мм	80
D:f 'об	1:6
h1/h2	1,05
Ф'1 пр.	2,3
Дfдоп., %	0,8
Глубина фокусировки, %	9
Сканирующий элемент	Клин
Вид развертки	Коническая
Закон сканирования	Равномерный
Частота, Гц	20
2б, °	1
2в, °	6



Введение

Оптико-электронными называются приборы, в которых информация об исследуемом или наблюдаемом объекте переносится оптическим излучением, а ее первичная обработка сопровождается преобразованием энергии излучения в электрическую энергию. В состав этих приборов входят как оптические, так и электронные звенья, причем и те и другие выполняют основные функции данного прибора, а не являются вспомогательными устройствами. Структура многих современных оптико-электронных приборов включает большое число различных по своей физической природе и принципу действия звеньев, поэтому оптико-электронные приборы часто называют оптико-электронными системами (ОЭС). Для преобразования многомерного оптического сигнала в одномерный электрический, содержащий информацию о распределении параметров оптического сигнала, в ОЭП используется сканирование - процесс последовательной непрерывной или дискретной выборки значений оптического сигнала с целью его преобразования и получения электрического сигнала, параметры которого однозначно соответствуют параметрам оптического сигнала. Наиболее часто в ОЭП выполняется преобразование пространственного распределения потока (яркости, освещенности) в электрический сигнал. Поэтому обычно сканированием называют последовательный просмотр (развертку) сравнительно большого поля обзора малым мгновенным угловым полем в целях получения электрического сигнала, мгновенные значения которого пропорциональны значениям исследуемого параметра поля (яркости, освещенности). Сканирующие системы могут включать и оптическую систему, создающую изображение, и приемник излучения, выдающий электрический сигнал. По физической сущности явлений, лежащих в основе их работы 6 сканирующие системы, или по способу реализации развертки поля обзора сканирующие системы могут быть классифицированы на оптико- механические, вибрационные, фотоэлектронные, электрооптические, акустооптические и т.д. В оптико-механических сканирующих системах оптическая система сопрягается с механическим устройством, изменяющим пространственное положение ее оптической оси. Значительную группу оптико-механических устройств составляют сканирующие преломляющие элементы - плоскопараллельные пластины, призмы, клинья. Как правило, в них осуществляется вращение преломляющего элемента с высокой скоростью, иногда совместно с поступательным движением. К достоинствам подобных устройств можно отнести возможность получать достаточно стабильную скорость сканирования, простоту реализации линейных, спиральных и розеточных траекторий, простота механизма привода. Основные недостатки: большие потери за счет поглощения в материале элементов, значительные аберрации и расфокусировки, ограничивающие поле обзора, невысокие скорости сканирования, ограниченные инерционность привода, образование дополнительных помех за счет бликов на гранях, невысокие массогабаритные показатели по сравнению с электронными сканирующими элементами [1].

Данный курсовой проект посвящен расчету оптико-механической сканирующей системы, в которой в качестве сканирующего элемента применяется оптический клин.



1. Выбор и обоснование схемы оптико-механической части сканирующей системы

Составим обобщенную функциональную схему на основе данных

Рисунок 1.1 - Обобщённая схема сканирующей системы:

1 - оптический клин; 2 - объектив;

3 -приёмник оптического излучения; 4 - электродвигатель

Объектив в данной системе предназначен, для получения изображения исследуемого поля на ПОИ. По условию технического задания сканирование осуществляется с помощью оптического клина с синусоидальным законом сканирования и розеточной разверткой. Оптический клин приводится во вращения с помощью электродвигателя. Все конструктивные элементы (кроме электродвигателя) размещаются на главной оптической оси.

ПОИ располагается за фокальной плоскостью объектива таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность использования чувствительной поверхности. После преобразования в фотоприемнике оптического сигнала в электрический последний через электронный тракт, в котором происходит его обработка и фильтрация от помех, поступает на оконечное устройство, представляющее сигнал в виде, удобном для восприятия человеком, или на исполнительный механизм.

Вывод: проектируемый прибор будет удовлетворять всем требованиям технического задания, несмотря на простоту конструкции.



2. Предварительный габаритный расчёт оптической системы

2.1 Расчёт конструктивных параметров объектива

Объектив состоит из двух линз. Согласно условию, марка стекла первого компонента - ТК-23 (= 1,5749), второго - ТФ-104 (= 1,6169). Требуемые параметры объектива: =80 мм, = 1:6. Из конструктивных положений выберем несклеенный объектив с первой положительной и второй отрицательной линзами. Расчёт будем вести, пользуясь формулами для тонких компонентов. В результате будут найдены конструктивные и оптические параметры линз.

Оптическая сила линз рассчитывается по формуле:

(2.1)

где - приведённая оптическая сила линзы; фокусное расстояние объектива.

Рассчитаем оптическую силу первой линзы:

Приведённая оптическая сила объектива рассчитывается:

(2.2)

Исходя из этого, рассчитаем приведённую оптическую силу второй линзы:

Оптическая сила второй линзы:

Найдём фокусные расстояния линз:

(2.3)

Для одиночной линзы оптическая сила вычисляется по формуле:

где и - радиусы первой и второй поверхности соответственно. Рассчитаем радиусы поверхностей, предположив для что .

Рассчитаем световые диаметры линз:

Рассчитаем полные размеры линз. Обе линзы будем крепить методом завальцовки. Тогда полный диаметр линзы будет определяться:

где - припуск на завальцовку линзы, - полный диаметр линзы. Для линз со световым диаметром от 10 до 18 припуск на завальцовку равен 1,0 мм, тогда для первой линзы:

Так как обе линзы будут закреплены в одной оправе, то целесообразно сделать их диаметры одинаковыми для удобства их закрепления. Тогда диаметр второй линзы будет равен 14,33 мм.

Вершино-фокусные расстояния компонентов:

Рассчитаем расстояние между компонентами:

; (2.17)

мм.

Для предохранения острых краев второй линзы от выколов при сборке, уменьшения массы стекла, на линзы наносим фаски (под углом 45^о): m=0,2^{+ 0,2}

Параметры рассчитанного объектива приведены в таблице 2.1. На рис. 2.1 представлено расположение компонентов объектива. Каждая линза - в приложении 1 и 2 соответственно.

Таблица 2.1. Конструктивные и кардинальные параметры объектива

Объект	r, мм	d, мм	Dл, мм	t, мм	SF,мм	S'F, мм
1 линза	40,79	1,98	14,33	0,72	-35,12	33,88
	-40,79
2 линза	-40,79	0,72		2,65	58,46	-59,34
	20,40

Рисунок 2.1 - Размеры оптических компонентов объектива

Ширину фаски для каждой линзы выберем в зависимости от их диаметра по справочным данным [2]. Для деталей с диаметром от 10 мм ширина фаски для предохранения от выколок для несклеиваемых поверхностей составляет m=0,4^{+ 0,2}.

Выберем угол наклона фасок 45° для двух линз.



2.2 Расчёт допусков на оптические детали объектива

Расчёт допусков на отклонение показателя преломления материала линз.

Расчёт допусков на отклонение показателя преломления материала линз. Расчёт будет проводиться по формуле:

.(2.18)

где - допустимое изменение фокусного расстояния,

- характеризует закон распределения погрешности,

- число оптических элементов.

Согласно условию мм.

Результаты расчёта:

,

Категории первого и второго стёкол: 2-я и 4-я соответственно.

Расчёт допусков на радиусы кривизны. Допуск на радиус кривизны рассчитывается по формуле:

(2.19)

где p=4 - число поверхностей.

Результаты расчета:

Допуски на радиусы кривизны стекол:

Класс точности пробных стекол - 1.

Рассчитали допустимое число колец Ньютона, с помощью формулы:

Где - допустимый астигматизм, =0,05 мм, тогда:

Расчет допусков на температурную деформацию:

Таблица 2.2. Параметры линз объектива

Линза	Марка стекла
1	ТК-23	1,5891	1,5915	35	55
2	ТФ-104	1.7400	1,7462	45	78

где в - коэффициент температурного приращения показателя преломления; б - коэффициент линейного расширения.

Допуск на температурную деформацию радиусов кривизны:

Где - радиус кривизны; - диапазон изменения температуры ().

Допуск на температурную деформацию показателя преломления:

(2.22)

Допуск на деформацию оптической силы компонентов:

Тогда измерение оптической силы компонента :

Для первой линзы:

Для второй линзы:

Допуск на температурную деформацию фокусного расстояния объектива:

Допуск для номинальных размеров

Решим задачу методом равного квалитета. Данный метод достаточно прост и учитывает зависимость допуска от номинального размера.

Рис.2.2. Размерная цепь объектива

На рис. 2.2: А₁ , А₂ , А₃ - увеличивающиеся звенья; А замыкающее звено

Размеры, составляющие цепь, выполнены по 7-му квалитету.

Таким образом, допуск для номинальных размеров будет [3]:

где - коэффициент точности размерной цепи; - среднее значение интервала, к которому отклоняется данный линейный размер.



37,12

При этом выполняется условие , что свидетельствует о правильности расчёта.

2.3 Определение основных габаритных размеров оправы объектива

Предполагает обеспечение её базирования, ориентирования и закрепления в соединении с базовой механической основой, называемой оправой [4]. При выборе типа крепления и разработке конструкции узла необходимо обеспечить выполнение следующих общих требований:

крепление должно быть надежным, т.е. во время работы прибора положение линзы относительно оправы не должно изменяться;

замыкающие усилия, необходимые для осуществления сопряжения между линзой и оправой, не должны вызывать опасных деформаций и напряжений;

базовая основа узла, ориентирующие и крепежные детали или их элементы, должны быть расположены вне габаритов светового пучка. Поверхности этих элементов, находящиеся вблизи пучка, не должны быть причиной появления рассеянного света и бликов в системе;

крепления должны быть технологичны, как в отношении изготовления деталей, так и в отношении сборки. Оправу объектива изготавливаем из латуни ЛС59-1 путем литья под давлением с последующей обработкой. Обработку заготовки будем производить на токарном станке, тонкий край оправы будем загибать на фаску линзы. В качестве материала оправы была выбрана латунь ЛС59-1 по следующим причинам:

латунь легко поддается пластической деформации, значит она обладает высокой пластичностью;

из нее получают хорошие отливки, т.к. она обладает хорошей текучестью и малой склонностью к ликвации;

латунь обладает сравнительно высокими механическими свойствами и является наиболее дешевым из медных сплавов. Чертежи оправы объектива и дополнительных деталей приведены в приложении. Достоинствами выбранного метода крепления объектива являются:

высокая надежность крепления;

отсутствие пережимов в стекле при правильной технологии процесса завальцовки;

высокоточное совмещение оптических и механических баз и отсутствие необходимости юстировочных работ после крепления оптической детали. К недостаткам способа можно отнести:

падение надежности крепления с увеличением габаритных размеров детали;

отсутствие возможности компенсации термических деформаций.

.

Рис. 2.2 Конструкция оправы для крепления объектива завальцовкой

Размеры оправы объектива выбираются с использованием следующих соотношений:

Внешний диаметр оправы D₁ примем равным 22 мм. На внешней стороне оправы (l₃ = 3 мм, l₄ = 4 мм) будет сделана накатка для удобства фокусировки объектива. Ширина крепежной кромки оправы l₁ = 0,5 мм. Толщины S₁ = 0,05 мм; S₂ = 0,3 мм.

Расстояние l₂ находится из суммы:

где толщины первой и второй линз по краю.

При определении длины внешней резьбы учли возможность фокусировки в переделах 8%, тогда приняли:

где ,

P - шаг внешней резьбы.

Для крепления оправы объектива внутри прибора использовали метрическую резьбу М200,5. Тогда примем h=7,5 мм. Внутренний диаметр промежуточного кольца d₂ определили аналогично параметру D для оправы объектива, где в качестве D_СВ приняли наибольший из световых диаметров оптических поверхностей, на границах воздушного промежутка, выдерживаемого с помощью кольца. Внешний диаметр кольца D₂ равен диаметру d оправы:

d₂ = D = 13,83+0,2=14,03 мм;

D₂ = d = 14,33 мм.

Ширину кольца h₁ найдем из выражения:

Рис.2.3 Оправа с закрепленным объективом

В дополнение выполнили чертежи рассчитанных линз (приложения 1-2), оправы объектива с промежуточным кольцом (приложения 3-4), крепления оправы (приложение 5), сборочный чертеж объектива (приложения 6-7).

Вывод: рассчитали объектив и его оправу - один из важнейших узлов оптико-механической части сканирующего прибора. Разработанный объектив полностью удовлетворяет требованиям оптико-электронного прибора. В качестве крепления объектива было выбрано крепление завальцовкой. Оно позволяет избежать проведения юстировочных работ, т.к. перекос и децентрировка линз исключается обработкой наружного диаметра оправы и подрезкой опорных торцов. К достоинствам такого типа крепления можно отнести: тонкую пружинную кромку, не способную создавать усилия, приводящие к избыточным разрушающим усилиям, а также компенсацию осевых температурных деформаций.

3. Расчет конструктивных параметров сканирующей системы

Оптический клин, установленный перед объективом, изменяет ход лучей таким образом, что изображение светящейся точки отклоняется на некоторый угол. Если клин вращается вокруг направления падающих на него лучей, то выходящий луч движется по образующей прямого кругового конуса с углом при вершине:

Принцип сканирования оптическим клином приведен на рис. 3.1.

Рис.3.1. Принцип сканирования оптическим клином

Пунктирной линией показан оптический клин и ход лучшей при повороте на 180 сканирующий объектив оптический фотоприемник

Рассчитали конструктивные параметры сканирующего элемента, задавшись параметрами:

1. Марка стекла ТК-23 (n=1,5915)

2. Угол 2в=6

3. Толщина несущего слоя

4. Расстояние от клина до объектива S=40 мм

Из формулы (3.2) получим:

Световой диаметр клина выбрали равным световому диаметру первой линзы объектива:

Оптический клин будет крепиться в оправе методом завальцовки с использованием промежуточного кольца. Припуск на завальцовку примем равным 1,0 мм, тогда полный диаметр клина будет равен:

Рассчитали максимальную толщину клина по краю :

Клин приведен в приложении 8.

Конструирование узла крепления оптического клина

Оптический клин будет крепиться в оправе методом завальцовки с использованием промежуточного кольца, повторяющего в поперечном сечении форму клина (рис. 3.2).

Рис.3.2 Оптический клин в оправе

Одновременно с этим оправа будет служить ведомым звеном кинематической схемы, приводимым в движение электродвигателем через ремень. Конструкция оправы будет включать в себя шкив. Материал оправы - дюралюминий - Д16. Приложение 9.

Кольцо служит для закрепления оптического клина и в поперечном сечении повторяет его форму:

Внешний диаметр кольца равен полному диаметру клина:

Внутренний диаметр равен световому диаметру клина:

Приложение 10. Конструкцию оправы и её размеры привели на рис. 3.3.

Рис.3.3 Конструкция оправы оптического клина

Размер оправы оптического клина выбираются с использованием следующих соотношений:

зазор 0,03 мм нужен для компенсации обжатия оправы при посадке подшипника с натягом;

Ширину участка определили из выражения:

.

Толщина крепёжной кромки оправы b=0,2 мм

Диаметр

Участок оправы длиной выполняет функцию бленды, закрывая оптический клин от посторонних засветок.

Диаметр примем равным 15 мм, а расстояние .

На участок оправы будет запрессован подшипник с соответствующим натягом.

Ступенька диаметром и препятствует продольному перемещению подшипника.

Для фиксации положения оси вращения оптического клина используется подшипник марки 204 ГОСТ 8338-75 [3] (рис.3.4), его параметры приведены в таблице 3.1

Рис. 3.4 Подшипник 174

Таблица 3.1. Параметры подшипника

d, мм	D, мм	В, мм	r, мм	Масса, кг
17	47	5	1,5	0,108

Ведомый шкив кинематической схемы выполнен одним элементом с оправой и имеет размеры: , радиус скругления канавки .

Вывод: в данной главе выполнили расчет сканирующей системы, включающий в себя расчет сканирующего элемента и его оправы. Основным недостатком сканирующих систем на оптических клиньях является наличие значительных аберраций в основном за счет хроматизма даже при небольших углах обзора. Одно из существенных преимуществ - наличие «оптической редукции» между углом поворота клина и углом отклонения оптической оси прибора.

4. Кинематический расчет сканирующей системы

4.1 Выбор электродвигателя

Исполнительный двигатель является одним из основных элементом следящих систем. Его стоимость, масса, габаритные показатели, быстродействие во многом определяют аналогичные параметры всей системы. Поэтому выбор исполнительного двигателя является одним из наиболее ответственных этапов проектирования сканирующей системы. Выбор определяется целым рядом факторов: родом тока генератора, который может быть рекомендован к использованию; конструктивными особенностями двигателя; эксплуатационными характеристиками и т.д. При жестких ограничениях на массу и габаритные размеры двигателя предпочтение следует отдать быстроходным двигателям, как имеющим меньшую удельную массу на единицу мощности. Кроме того, более предпочтительным является использование двигателей постоянного тока, так как они имеют ряд преимуществ: меньшие габариты и вес; более высокий КПД; лучшая линейность механических и регулировочных характеристик [4]. Так как в нашей системе используется двигатель с малой мощностью и малыми массой и габаритными размерами, то будем выбирать двигатель по нагрузочному моменту и частоте вращения.

Согласно ТЗ должна реализовываться частота развертки f = 20 Гц, для чего двигатель должен обладать частотой вращения не менее 1200 об/мин. Провели расчет передаточного отношения:

Проведем расчет передаточного отношения:

где и ? число оборотов в минуту ведущего и ведомого звена; и ? диа- метры ведущего и ведомого шкивов.

Тогда:

Нагрузочный момент рассчитывается по формуле:

где ? нагрузочный момент; J ? момент инерции вращающихся деталей; Е ? угловое ускорение звеньев. Момент инерции найдём по формуле:

где ? момент инерции ведущего звена; ? момент инерции ведомого звена.

Момент инерции цилиндра массой m и радиусом R рассчитывается по формуле:

Рассчитаем момент инерции ведущего шкива, представив его в виде двуx цилиндров радиусом = 8,0 мм и = 10,0 мм и высотой ? = 6 мм (материал шкива - алюминиевый сплав АЛ-4 (с = 2,65 г/ см³)). Шкив на рис. 4.1.

Рис.4.1 Ведущий шкив

Рассчитаем момент инерции ведомого звена, которое состоит из оправы, кольца, оптического клина, внутренней обоймы подшипника. Для упрощения расчётов представим каждый из компонентов в виде цилиндров и определим их момент инерции. Внутренняя обойма подшипника (плотность стали подшипника с = 8,0 г•см³):

Оправу клина (плотность материала оправы составляет = 2,73 г•см³) будем рассматривать как совокупность двух цилиндров, тогда её момент инерции:

Рассчитаем момент инерции оптического клина (плотность стекла TK-23 с = 3,24 г•см³):

Момент инерции кольца (плотность кольца с = 2,73 г•см³):

По формуле (4.3) найдём момент инерции вращающихся деталей:

Угловое ускорение Е найдем по формуле:

где ? рабочая частота вращения колеса;

? начальная частота вращения колеса ( = 0);

ф = 0,01 ч 0,1 с ? время выхода двигателя на рабочий режим.

Нагрузочный момент будет равняться по формуле (4.2):

В соответствии с полученным значением момента, выберем микродвигатель серии ДПР-32-Н1-08 [5] (рис. 4.2), его характеристики приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1. Характеристики двигателя ДПР ? 32 ? H1 - 08

Номинальные данные	Пусковой режим
UH	MH., мН·м		IН, (макс)	Мп. мН·м	IП, (макс)
12	2,45	2500	0,18	4,9	0,7

Рис. 4.2 - Конструкция микродвигателя серии ДПР исполнения H1

Микродвигатели серии ДПР являются двухполюсными электрическими машинами постоянного тока закрытого исполнения с возбуждением от постоянных магнитов. Корпус электродвигателя 7, являющийся одновременно магнитопроводом, представляет собой цилиндр, выполненный из магнитомягкой стали. В корпусе имеются закрываемые защитной лентой 8 окна для доступа к щёткодержателям. К корпусу с помощью винтов крепятся подшипниковый щит 10 и индуктор. Индуктор состоит из постоянного магнита 5 цилиндрической формы с аксиальным отверстием, втулки 13 из нержавеющей стали, предназначенной для установки шарикоподшипника, и прилива 4 из алюминиевого сплава. Прилив объединяет в жесткий узел (индуктор) постоянный магнит и втулку и имеет фланец с отверстиями для крепления индуктора к корпусу. Подшипниковый щит 10 состоит из стальной втулки 11, предназначенной для установки шарикоподшипника 12 и залитой алюминиевым сплавом. Щит 10, к которому жестко крепится суппорт 9 со щёткодержателями, имеет овальные пазы для регулировки положения щёток и установки их на нейтрале. Корпус, индуктор и подшипниковый щит в качестве антикоррозийного покрытия имеют химическое никелирование. Поверхности корпуса, индуктора и щита, находящиеся внутри электродвигателя, за исключением посадочных мест, покрыты электроизоляционной эмалью. Якорь 6 электродвигателей серии ДПР - полый, бескаркасный. Он состоит из вала, коллектора с обмоткодержателем и обмотки якоря. Вал выполнен из нержавеющей стали. Коллектор выполнен из меди и опрессован пластмассой. Коллектор, представляющий с обмоткодержателем один узел, напрессован на вал на накатке.

Обмотка якоря простая петлевая, выполнена из мягких секций, намотанных проводом с эмалевой изоляцией, и пропитана термореактивным компаундом на основе эпоксидной смолы. После формовки и полимеризации пропитанного компаунда якорь представляет собой жесткий монолитный узел. В подшипниковом щите и индукторе установлены два радиальных однорядных шарикоподшипника 12. В индукторе шарикоподшипник запирается подшипниковой крышкой 3, которая крепится к индуктору винтами. Регулировка величины осевого люфта производится регулировочными шайбами 14. Суппорт 9 защищает шарикоподшипник в подшипниковом щите 10 от попадания на него смазки из шарикоподшипника. На выходном конце вала имеются упорная втулка 2, сегментная шпонка 1 и резьба, предназначенные для соединения электродвигателя с приводным механизмом.

Рис.4.3 К определению размеров двигателя ДПР-32-Н1-08



Таблица 4.2. Габаритные и установочные размеры ДПР -32-Н1-08

d30	20
d25	15
d1	М20,25
L30
L37
L1	7,5
L10	16,6
dzz	2
Вес, кг	0,08

4.2 Разработка узла крепления двигателя

Крепление двигателя при своей простоте должно обеспечивать надёжное его закрепление на корпусе прибора, а также возможность натяжения ремня в пределах 5 мм. Двигатель будет установлен на подставке (приложение 22) и крепиться к корпусу прибора двумя хомутами. На валу двигателя установлен шкив, закреплённый гайкой.

4.3 Кинематический расчёт сканирующей системы

Вращение сканирующего элемента осуществляется с помощью электродвигателя ДПР - 32 - H1-08 через ременную передачу (рис. 4.3). В данном случае использована передача трением с круглым в поперечном сечении ремнём диаметром 2 мм. Достоинства ременной передачи:

- Возможность работы с высокими скоростями;

- Плавность и малошумность работы;

- Предохранение механизмов от резких колебаний нагрузки и ударов;

- Защита от перегрузки за счёт проскальзывания по шкиву;

- Простота конструкции, отсутствие необходимости смазочной системы;

- Малая стоимость.

Рис.4.4. Ременная передача: 1 - ведомый шкив; 2 - ремень; 3 - ведущий шкив

Проведём расчёт основных геометрических параметров по рис. 4.4. Межосевое расстояние а определяется по таблице 4.1.

Таблица 4.4. Зависимость межосевого расстояния от диаметра ведомого шкива и передаточного соотношения

i	1	2	3	4	5	6
a/d2	1,5	1,2	1,0	0,95	0,9	0,85

Если i = 2,1, значит:

а=1,2·d₂=1,5•33=39,6 мм.

Угол между ветвями ремня г найдём из треугольника ДО₁АО₂:

Где

тогда угол в радианах равен:

Угол охвата ремнём малого шкива:

Угол охвата ремнём большого шкива:

Длина ремня (без учёта деформации на шкивах) определяется как сумма длин прямолинейных участков и длин дуг охвата ремнём малого и большого шкивов:

Используя разложение в ряд Маклорена с точностью до первых двух членов получим:

Передача работает с неизбежным упругим скольжением ремня по шкивам, как так силы натяжения ведущей F₁ и ведомой F₂ ветвей ремня при передачи полезной нагрузке различны. Тогда, по закону Гука, различно и относительное удлинение ветвей е₁ и е₂. Натяжение ремня по ведущему шкиву падает, ремень укорачивается и проскальзывает по шкиву. На ведомом шкиве ремень удлиняется и вновь проскальзывает. Скольжение происходит не по всей дуге охвата a, а на её части в, называемой дугой скольжения. Сила трения ремнём и шкивами передаётся в основном на дугах скольжения.

Со стороны набегания ремня находится дуга сцепления, на которой ремень движется совместно со шкивом без проскальзывания. Окружная скорость каждого шкива равна скорости набегающей ветви ремня. По мере роста нагрузки на передачу дуга скольжения растёт, когда она достигает всей дуги охвата, начинается буксование передачи.

Рассмотрим поведение участка ремня единичной длины на ведущей ветви. В момент входа участка ремня в контакт со шкивом он испытывает относительное удлинение е₁ под действием силы натяжения F₁. Двигаясь после этого вместе со шкивом, участок ремня в момент схода со шкива испытывает относительное удлинение е₂ под действием силы натяжения F₂. Таким образом, во время движения вместе со шкивом длина участка ремня уменьшается и ремень проскальзывает относительно шкива. Это явление проскальзывание ремня на шкиве из-за различной упругой деформации в ведущей и ведомой ветвях называется упругим скольжением.

Рис.4.5 Взаимодействие ремня со шкивами

Упругое скольжение ремня равно разности относительных удлинений ветвей ремня:

Обычно упругое скольжение находится в пределах 0,01 … 0,02 и растёт с увеличением нагрузки. В рассматриваемом случае примем упругое скольжение .

Окружные скорости на шкивах:

где d ? диаметр шкива;

n ? частота вращения.

Тогда:

Окружная скорость на ведомом шкиве меньше скорости на ведущем вследствие скольжения:

Передаточные соотношения:

.

Сила предварительного натяжения ремня вычисляется по формуле:

где А ? площадь поперечного сечения ремня;

= 2,0 МПа ? напряжение от предварительного натяжения ремня. Тогда:

Сила, действующая на валы:

где z = 1 ? количество ремней. Тогда:

Вывод: в данной главе был произведён кинематический расчёт механической части прибора. Был выбран электродвигатель серии ДПР-32-H1-08, характеристики и размеры которого приведены в таблице 4.1 и 4.2 соответственно.



5. Расчёт времени выхода прибора на рабочий режим

Время выхода прибора на рабочий режим равно времени, за которое двигатель разовьёт скорость, равную скорости холостого хода:

где n₀ - частота вращения вала двигателя на холостом ходу;

Т_М ? электромеханическая постоянная времени, с;

t ? время, с.

Электромеханическая постоянная может быть найдена следующим образом:

где 0,17 • 10^-5 кг • м² - момент инерции якоря;

- приведённый к валу двигателя момент инерции подвижных частей механизма, кг • м²;

- электромеханическая постоянная времени при холостом ходе.

Выразим из формулы (5.1) время, за которое двигатель разовьет частоту вращения 0,9·;

Вывод: в данной главе был произведён расчёт времени выхода прибора на рабочий режим, которое составляет 0,48 секунды.



6. Выбор фотоприёмника

Приемник излучения в разрабатываемом приборе должен удовлетворять ряду требований:

- Все излучение, проходящее через объектив, должно попадать на рабочую поверхность приемника;

- Максимальная рабочая частота приемника должна быть больше частоты сканирования прибора;

- Спектральная область чувствительности приемника должна удовлетворять рабочему спектральному диапазону сканирующей системы;

- Приемник должен обладать большой спектральной чувствительностью при малых собственных шумах.

- Инерционные приемника излучения, используемого в сканирующей системе, должны обеспечивать восприятие приемником изменения сигнала в процессе сканирования. Постоянная времени приемника излучения должна удовлетворять условию:

где f = 20 Гц - частота развертки.

При выборе приемника излучения необходимо, чтобы он имел как можно большую чувствительность, наименьшие собственные шумы, соответствующую спектральную характеристику чувствительности (рабочий спектральный диапазон сканирующей системы не задан) и т.д.

В качестве приёмника выберем фотодиод ФД-265А (рис. 6.1), параметры которого сведены в таблицу 6.1 [6]. Расположим приемник в задней фокальной плоскости объектива. Стойка фотоприемника приведена в приложении 19. Узел ФПУ и спецификация в приложении 20 и 21 соответственно.

Таблица 6.1. Параметры фотодиода

SI, не менее, мкА/лм	lТ не более, мкА	Дл, мкм	лмакс, мкм	UP, В	ф, с	Площадь чувствительной поверхности, мм
7,5·10-3	0,1	0,4..1,1	0,75..0,9	4	5·10-6	1,4х1,4

Рис. 6.1 - Конструкция ФД-265А

Вывод: в данной главе в качестве ПИ был выбран кремниевый ФД-265А. Он предназначен для применения в качестве приемников и датчиков ИК-излучения в составе оптико-электронной аппаратуры, систем фотоэлектрической автоматики, вычислительной и измерительной техники и других приборов.



7. Выбор стандартных изделий

В целях обеспечения унификации элементов изделия должны максимально использоваться стандартные детали и узлы. Ассортимент используемых деталей по возможности минимален.

Таблица 7.1. Стандартные детали

№	Деталь	Место крепления	ГОСТ	Количество, шт	Размеры
1	винт	опора объектива к корпусу прибора	ГОСТ 11644-75	2	М5 - 6g Ч 20
2	винт	сканирующая система к корпусу прибора	ГОСТ 11644-75	2	М2,5 ? 6g Ч 16
3	винт	узел сканирующего элемента на опоре	ГОСТ 11644-75	2	М2,5 ? 6g Ч 4
4	винт	узел ФПУ к корпусу прибора	ГОСТ 11644-75	2	М2 ? 6g Ч 14
5	винт	фотодиода к стойке	ГОСТ 1477-93	1	М2 ? 6gЧ 2,5
6	винт	двигателя к корпусу	ГОСТ 1477-93	4	М 5 ? 6g Ч 55
7	гайка		ГОСТ 15526-70	4
8	винт	ведущего шкива к двигателю	ГОСТ 11644-75	4	М3 ? 6g Ч 6
9	винт	уголки для стенок корпуса между собой	ГОСТ 11644-75	8	М3 ? 6g Ч 6
10	винт	Крышка корпуса	ГОСТ 11644-75	4	М3 ? 6g Ч 6
11	винт	Стенки корпуса ко дну	ГОСТ 11644-75	8	М5 ? 6g Ч 6

Вывод: в данной главе произведен выбор стандартных деталей для скрепления элементов прибора.



8. Материалы и технологии изготовления нестандартных изделий

Для обоснованного выбора материалов для деталей механизмов необходимо знание физико-механических, химических и технологических свойств материалов и соответствие этих свойств, взаимно связанных эксплуатационным, технологическим и экономическим требованиям. Эксплуатационные требования определяются функциональным назначением и условиями работы деталей в механизме. Для получения деталей малой массы следует выбирать материалы с удовлетворяющей условиям прочностью, твердостью и другими характеристиками, но меньшей удельной массой (плотностью). Технологические требования определяются минимальной трудоемкостью технологии изготовления деталей, наиболее просто обрабатываемые с использованием простого и доступного технологического оборудования. Из экономических соображений необходимо применение наиболее дешевых и широко распространенных материалов и технологий. Так как все элементы конструкции узла расположены внутри корпуса прибора, нет необходимости прибегать к использованию покрытий для удовлетворения требований технической эстетики. Более того, так как мы предусматриваем герметичность изделия, влияние внешней среды будет сведено к минимуму, то есть применение лакокрасочных, гальванических или других видов дорогостоящих покрытий является экономически нецелесообразным.

Таким образом, в качестве материалов для изготовления деталей выбираем следующие:

- Линзы (марки стекол заданы ТЗ): шлифование, полирование;

- Промежуточное кольцо - резина: штамповка, точение;

- Узел объектива - латунь ЛС59-1: литье с последующей инструментальной обработкой;

- Сканирующий элемент (клин) - стекло ТК-23, являющееся устойчивым к воздействию внешней среды, дешевое: шлифование и полирование;

- Промежуточное кольцо - дюралюминий Д16: штамповка, вытачивание;

- Оправа клина - дюралюминиевый литейный сплав Д16, обладающий хорошей обрабатываемостью и высокой коррозийной стойкостью: литье с последующей инструментальной обработкой;

- Стойка сканирующего элемента - сталь 10: литье с последующей инструментальной обработкой;

- Ведущий шкив - сплав АЛ-4: точение, резка;

- Хомут - латунь ЛС59-1: резка, точение, шлифование, гибка;

- Узел крепления ФПУ - сплав АЛ-4: литье с последующей инструментальной обработкой;

- Диэлектрическая прокладка - пропитанная бумага: прессование;

- Стойка под двигатель - резина МБС-С: вытачивание;

- Хомут на двигатель - латунь ЛС59-1: резка, точение, шлифование, гибка;

- Корпус прибора - сплав дюралюминия Д16, обладающий хорошей обрабатываемостью и высокой коррозийной стойкостью: литье с последующей инструментальной обработкой;

- Уголок для скрепления стенок - сплав Д16: резка, точение, шлифование, гибка.

ПРИМЕЧАНИЕ: всё стойки под элементы и стенки корпуса покрыты чёрной эмалью АК-512, чтобы избежать засветок.

Вывод: были определены материалы всех нестандартных изделий на основании экономичности, прочности и технологическим требованиям конструкции.



9. Компановка прибора

Схема компоновки прибора полностью централизована. При этом все блоки прибора располагаются в одном корпусе. Такая схема свойственна стандартно установленным приборам. Данная компоновочная схема обладает следующими достоинствами:

- Компактность;

- Минимальная длина межблочных связей;

- Возможность обеспечения одновременной защиты от внешних воздействий;

- Удобство сборки-разборки;

- Заменимость деталей.

Чертежи корпуса и крышки корпуса привели в приложениях.

Сборочный чертеж так же представлен в приложении.



Заключение

В результате выполнения курсового проекта была рассчитана оптико-механическая сканирующая система, являющаяся составной частью сканирующей ОЭС и позволяющая проводить линейный просмотр поля обзора с частотой сканирования 20 Гц.

В процессе разработки оптической части произведен расчет объектива системы. Так как рабочий спектральный диапазон в ТЗ не указывался, то выбор приемника излучения основывался, прежде всего, на требуемом быстродействии и величине чувствительной поверхности. Спроектированная сканирующая система способна работать в видимой и ближней инфракрасной зонах.

Система обладает невысокой инерционностью среди подобных систем, определяемой временем выхода в рабочий режим, которое составляет 0,48 с.

Выбранная компоновочная схема и система креплений обеспечивает простоту сборки-разборки, простой дизайн прибора, сравнительно небольшие габариты.

Данный прибор является экспериментальным образцом и может использоваться для учебных целей в лабораторных условиях. После проведения испытаний, устранения выявленных недостатков круг применений может быть существенно расширен. Использование прибора в нормальных условиях делает нецелесообразным герметизацию прибора, расчет амортизатора для защиты от вибраций и ударов и т.д. Данные расчеты узлов крепления могут выполняться в соответствии с требованиями заказчиков на основании отдельного технического задания.

Графический материал приведен в приложении.



Литература

1. Мирошников М. М. Теоретические основы оптико-электронных приборов: Учебное пособие для втузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.:Машиностроение, 1983. - 696 с.

2. Парвулюсов Ю. Б., Родионов С. А. и др. Проектирование оптико- электронных приборов: Учебник. Изд. 2-е, перераб. и доп. Под ред. Ю. Г. Якушенкова. - М. Логос, 2000. - 488 с.

3. Гавриленков В.А. Сборник задач по прикладной оптике и оптическим измерениям. Методическое пособие. - Смоленск: СФ МЭИ, 2001.-50 с.

4. Толстоба Н. Д., Цуканов А. А. Проектирование узлов оптических деталей. Учебное пособие. - СПб., 2002.

5. Панов В.А., Кругер М.Я. Справочник конструктора оптико-механических приборов: Справочник - 3-е изд., перераб. и доп. - Л.:Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1980. - 742 с.

6. Перемыщев Д.А. и др. Расчет размерных цепей., Колл. авт./ Под редакцией Д.А. Перемыщева. - М.: МЭИ, 1992. 20 с.

7. Микродвигатели для систем автоматики (технический справочник) под ред. Э.А. Лодочникова, Е. М. Юферова, М., «Энергия», 1969. 272 с.

8. Дунаев П.Ф. Леликов О.П. Конструирование узлов и деталей машин: Учеб. Пособие для техн. спец. ВУЗов. - 5 изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1998.- 447с.

9. Боголюбов С.К. Черчение. Учебник для средних специальных учебных заведений. 2-е изд., испр. - М.:Машиностроение, 1989 - 336 с

10. Копылов И. П. Электрические машины: Учеб. для вузов. - 2-е изд., перераб. - М.: Высш. Шк.; Логос; 2000. - 607 с., илл.

Размещено на Allbest.ru

...