проектирование оптико-электронных приборов

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
УТВЕРЖДАЮ
Проректор-директор ИФВТ
___________
«___» ____________2011 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
«ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ»
НАПРАВЛЕНИЕ ООП 200400 ОПТОТЕХНИКА
КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ) БАКАЛАВР
БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ ПЛАН ПРИЕМА 2011 г.
КУРС_ 4_СЕМЕСТР_ 8_
КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ_6_
ПРЕРЕКВИЗИТЫ: «Физика», «Электротехника», «Математика»
КОРЕКВИЗИТЫ:
ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:
Лекции
Лабораторные занятия
Практические занятия
АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
ИТОГО
____36_____
____24_____
____0_____
____60____
____60_____
____120____
Час.
Час.
Час.
Час.
Час.
Час.
ФОРМА ОБУЧЕНИЯ ОЧНАЯ
ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ЭКЗАМЕН
ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЕ ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ кафедра Лазерной и световой
техники Институт физики высоких технологий
ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ:
д.ф.-м.н., профессор В.М. Лисицын
РУКОВОДИТЕЛЬ ООП:
к.ф.-м.н., доцент С.С.Вильчинская
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ:
д.ф.-м.н., профессор В.Ф.Штанько
2011 г.
.
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
Дисциплина “Проектирование оптико-электронных приборов” базируется
на знаниях студентов, полученных при изучении дисциплин “Оптика”,
“Начертательная геометрия и инженерная графика”, “Оптические материалы и
технологии”, “Прикладная оптика”.
Цели преподавания дисциплины: формирование знаний общих принципов
и этапов конструирования оптико-электронных приборов, обучению студентов
правилам работы с ЕСКД, изучению содержания процесса конструирования
деталей, конструктивных цепей, узлов и устройств, получение практических
навыков конструирования оптических приборов с использованием
современных CAD систем.
После изучения дисциплины студент должен знать:
- элементную базу оптических систем, оптической техники;
- основные принципы построения, методы проектирования оптико-электронных
приборов на базе системного подхода, включая этапы функционального,
конструкторского и технологического проектирования;
- требования стандартизации технической документации.
уметь применять:
- методы проектирования с использованием современных T-FLEX CAD систем
и исследования оптико-электронных приборов ;
- методы организации и проведения стандартных испытаний и технического
контроля оптико-электронной техники;
- методы оценки технико-экономической эффективности проектов новой
оптико-электронной техники.
Задачи изложения и изучения дисциплины. Достижение целей в курсе
обеспечивается проработкой теоретического материала на практических
занятиях путем анализа структурных элементов (деталей, соединений, цепей,
узлов и устройств) стандартных оптических и оптико-электронных
приборов, их функциональных схем. Знакомство и освоение современных TFLEX CAD систем. Контроль усвоения теоретического материала
осуществляется при сдаче коллоквиумов. Для получения практических
навыков работы с ЕСКД, с современными T-FLEX CAD системами. усвоения
принципов и содержания этапов конструирования студенты выполняют
курсовую работу по индивидуальному заданию, содержание которой
.
включает разработку функциональной схемы, структурный анализ, эскизное,
техническое
и
рабочее
конструирование.
Выполнение
этапов
проектирования контролируется ведущим преподавателем.
СОДЕРЖАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО РАЗДЕЛА ДИСЦИПЛИНЫ
Восьмой семестр (40 часов).
Основы конструирования деталей.
Введение. Единая система конструкторской документации (ЕСКД).
Назначение ЕСКД. Стандарты ГОСТ ЕСКД и их группы. Оформление
чертежей. Форматы. Масштабы. Надписи и расположение форматов.
Допуски и посадки гладких соединений. Содержание и этапы процесса
конструирования.
Структурные
элементы
конструкции.
Методы
конструирования. Основы конструирования деталей. Структурные элементы
деталей. Выбор формы, материала и размеров деталей. Показатели качества
конструкции детали.
Конструирование соединения деталей.
Типы соединений деталей. Показатели качества соединения. Выбор типа
соединения. Матрица оптимизации. Задачи конструирования соединения.
Классификация и свойства контактных пар. Классификация баз. Основы
базирования деталей. Геометрическая неопределенность контактных пар.
Преобразование классов контактных пар. Геометрическая неопределенность
базирования. Избыточное базирование в соединениях деталей. Методика
выявления и способы устранения избыточных связей. Принципы
конструирования соединений деталей. Соединение оптических деталей с
механическими.
Конструирование несущих систем.
Конструктивные цепи. Структурный анализ замкнутых конструктивных
цепей. Показатели качества конструктивных цепей. Функциональная
точность конструктивных цепей. Анализ ошибок. Базирование замкнутых
конструктивных цепей. Базирование ЗКЦ, содержащих оптические детали
(линзы, пластины, зеркала, призмы). Базирование механических систем
(зубчатые передачи). Признаки, условия образования и свойства узлов.
Согласование элементов конструкции. Компоновка конструктивных цепей и
узлов. Методы компоновки. Принципы ограничения вылетов рабочих
элементов.
Функциональные устройства и подвижные системы оптических
.
приборов
Виды функциональных устройств оптических приборов. Подвижные
системы оптических приборов. Элементарные типовые механизмы и
функции преобразования движения. Характеристики движения механизмов.
Функции преобразования движения механизмов (зубчатых, рычажных,
кулачковых). Системы отсчета обобщенных координат механизмов.
Функциональное назначение подвижных систем оптических приборов.
Основы проектирования функциональных устройств точного
позиционирования.
Назначение и виды позиционирования. Точность позиционирования.
Способы управления и режимы точного позиционирования. Порог
чувтвительности перемещения. Масштаб преобразования движения.
Проектирование функциональных устройств точного позиционирования.
Типы устройств и определение их параметров. Развитие устройств точного
позиционирования в астрофизических приборах.
СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО РАЗДЕЛА ДИСЦИПЛИНЫ
ГРУППОВЫЕ ЗАНЯТИЯ
Восьмой семестр (24 час.)
Целью практических занятий является закрепление знаний по общим
принципам и этапам конструирования оптических приборов, получение
навыков пользования стандартами ЕСКД, реализация теоретического материала
путем разработки и анализа простых конструктивных соединений,
кинематических цепей, узлов и устройств.
Основные темы практических занятий:
1. Стандарты ЕСКД. Правила оформления чертежей. 2 часа.
2. Детали оптических и механических систем. Структурные элементы деталей.
2 часа.
3. Матрица оптимизации выбора материала. Выбор формы и размеров детали.
Анализ структурных элементов конструкций. 2 часа.
4. Подвижные и неподвижные соединения деталей. Способы замыкания
сопряжений. Выбор типа соединения деталей. Матрица оптимизации. 2 часа.
5. Контактные пары. Классы контактных пар. 2 часа.
6. Принципы базирования деталей. Схемы базирования для типовых форм
деталей.Базирование оптических деталей (линз, зеркал, призм).2 часа.
7. Преобразование классов точности. Методика выявления избыточных связей.
.
Структурный анализ ЗКЦ на примере объектива, окуляра, зубчатых
механизмов. 2 часа.
8. Анализ ошибок положения оптических деталей, зубчатых колес. Матрица
влияния. 2 часа.
9. Базирование механических систем. Конструирование и компоновка узлов. 2
часа.
10 . Продольный и поперечный вылет. Принцип ограничения вылетов. Влияние
вылетов на точность. 2 часа.
11. Типовые механизмы перемещения (зубчатые, рычажные, кулачковые,
редукторы). Кинематические схемы и функции преобразования
вращательного движения в поступательное. 2 часа.
12. Структурные элементы цепей позиционирования, управления и
транспортирования. Отсчетные устройства. Чувствительность и масштаб
преобразования движения 2 часа.
ТЕМАТИКА КУРСОВОЙ РАБОТЫ
Восьмой семестр, объем консультаций 41 час, самостоятельной работы
56 часов.
Курсовая работа предназначена для практического освоения принципов
конструирования оптических приборов, стандартов ЕСКД, разработки
конструкции механических систем типовых оптических приборов. Каждый
студент выполняет курсовую работу в соответствие с индивидуальным
заданием, выдаваемым ему в начале семестра. Курсовая работа включает
разработку функциональной идеи, функциональной схемы, эскизное и
техническое
конструирование
устройства,
которые
отражаются
в
пояснительной записке и чертежах.
Примерные типовые темы курсовых работ:
- Разработка механической системы для прибора фокусировки солнечного
излучения;
- Разработка механической системы для трубы Кеплера;
- Разработка прибора для наблюдения механических напряжений
поляризационно-оптическим методом;
- Разработка устройства для измерения линейных размеров непрозрачных
микрообъектов с помощью лупы;
- Разработка устройства для визуального наблюдения и контроля линейных
размеров прозрачных предметов.
.
ПРОГРАММА САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОЗНАВАТЕЛЬНОЙ
ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Восьмой семестр, полный объем самостоятельной работы 112 часов, из них
56 часов для выполнения курсовой работы и 56 часов для самостоятельного
изучения вопросов теоретической части курса:
- состав, классификация и обозначение стандартов ЕСКД (классификационные
группы 0,1,2);
- стадии разработки конструкторской документации (ГОСТ 2.103-68)
- обозначение изделий и конструкторских документов (ГОСТ 2.201-80);
- основные и дополнительные форматы листов чертежей, шрифты, основные
надписи, нанесение размеров (ГОСТ 2.302-68; 2.304-68; 2.104-68; 2.307-68);
- правила выполнения чертежей и схем оптических изделий (ГОСТ 2.412-81);
- изучение способов крепления оптических схемных элементов (линз, призм,
дифракционных решеток, зеркал, шкал отсчетных устройств);
- изучение аналогов устройств привода оптических приборов и конструктивные
решения систем отсчета обобщенных координат;
Контроль выполнения заданий на самостоятельную работу осуществляется
при проведении коллоквиумов по трем модулям теоретической части курса.
Практическое усвоение требований ЕСКД контролируется на практических
занятиях, консультациях по курсовой работе, при выполнении которой
предусмотрены три контрольных точки в течении семестра
ТЕКУЩИЙ И ИТОГОВЫЙ КОНТРОЛЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗУЧЕНИЯ
ДИСЦИПЛИНЫ
1. Теоретические коллоквиумы.
Цель контроля: проверка знаний по теоретической части курса.
Способ оценки знаний: коллоквиумы проводятся по каждому из разделов курса
и оценивается по рейтинговой системе (максимальный балл за коллоквиум
определяется объемом материала разделов, включенных в коллоквиум).
Вопросы теоретического коллоквиума выдаются студентам заранее.
Коллоквиум должен быть сдан с оценкой не ниже “удовлетворительно”, в
противном случае студенту рекомендуется повторная подготовка и сдача во
внеурочное время.
2. Контроль выполнения курсовой работы.
Текущий контроль проводится во время обязательных консультаций в
соответствие с графиком, определяющим равномерное распределение работы в
течение семестра. В конце семестра курсовая работа оценивается по
пятибальной системе в виде дифзачета.
3. Экзамен.
.
Цель контроля: проверка знаний и умений по дисциплине.
Способы оценки знаний и умений: оценка знаний и умений производится по
пятибальной системе. С вопросами, включенными в экзаменационные билеты,
студенты знакомятся заранее.
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
1. Для закрепления знаний теоретического материала, практического изучения
функциональных схем, элементного структурного анализа механизмов и
устройств используются наглядные пособия в виде стандартных
спектральных приборов (спектрографы, монохроматоры УМ-2, ДМР-2,
МДР-23), микроскопов (Д11У11, МИ8), теодолит, отдельные узлы,
соединения и механизмы оптических приборов.
2. Технические описания стандартных оптических приборов.
3. Перечень рекомендуемой литературы:
1. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. М.:
Машиностроение, 19089. -360с.
2. Проектирование оптико-электронных приборов.Учебник /Под ред.
Ю.Г.Якушенкова. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Логос,2000.- 487 с.
3.
Савиных
В.П.
Оптико-электронные
системы
дистанционного
зондирования.Учебник. М.: Недра.1995.-314 с.
4. Кулагин В.В. Основы конструирования оптических приборов. Л.:
Машиностроение, 1982.
5. Плотников В.С., Варфоломеев Д.И., Пустовалов В.Е. Расчет и конструиро
вание оптико-механических приборов. М.: Машиностроение, 1983.
6. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Под ред. В.А.
Панова. Л.: Машиностроение, 1989.-742 с.
7. Михельсон Н.Н. Оптические телескопы. Теория и конструкция. М.: Наука,
1976.
8. Левин И.Я. Справочник конструктора точных приборов. М.: Оборонгиз,
1967.
9. Бабушкин С.Г. и др. Оптико-механические приборы. М.: Машиностроение,
1965.
10. Элементы приборных устройств. Курсовое проектирование. Под ред.
Тищенко О.Ф. М.: Высшая школа, 1978. -428 с.
Дополнительная литература.
1. Козлов М.П. Зубчатые передачи точного приборостроения. М.:
.
Машиностроение, 1969.- 398 с.
2. Елисеев С.В. Геодезические инструменты и приборы.М.:Недра, 1973.-364 с.
.
Приложение 1.
Фонд контролирующих материалов для текущего и рубежного
контроля учебной деятельности студентов
1. Перечень вопросов для коллоквиума по 1 модулю:
1. Из каких этапов состоит процесс проектирования оптико-электронных
приборов и их содержание.
2. Какие виды деталей Вы знаете? Элементы деталей и их назначение.
3. Из каких этапов состоит процесс конструирования деталей?
Охарактеризуйте содержание этапов.
4. Структурные элементы приборов и устройств.
5. Принципы выбора формы и материала для деталей. Составление
матрицы оптимизации выбора материала для детали.
6. Определение размеров деталей и их элементов.
7. По каким признакам классифицируются соединения деталей?
8. Представьте эскизы соединений деталей с различными типовыми
формами рабочих и базовых элементов.
9.
Способы
получения
неподвижных
соединений
деталей,
обеспечивающих их геометрическую определенность.
10. Основные задачи конструирования соединений деталей. Чем
определяется выбор типа соединений?
11. Что понимается под контактной парой? Классификация и свойства
контактных пар.
12. Геометрическая неопределенность контактных пар и причины ее
появления.
13. Преобразование классов контактных пар. Продемонстрируйте на
примерах соединений деталей.
14. Базирование оптических и механический деталей. Классификация баз.
15. Геометрическая неопределенность базирования. Условия применения
регулировок при базировании оптических рабочих элементов.
16. Условия возникновения избыточного базирования и его влияние на
точность. Принцип статической определенности конструкции.
17. Какие существуют методики выявления избыточных связей?
18.
Какими
способами
устраняются
избыточные
связи?
Продемонстрируйте устранение избыточных связей на примерах соединения
деталей.
19. Требования к соединениям оптических деталей с механическими.
Способы устранения децентрировок первого и второго рода.
2. Перечень вопросов для коллоквиума по 2 модулю:
1. Что понимается под конструктивной цепью? Что предусматривает
структурный анализ конструктивных цепей?
2. Этапы конструирования конструктивных цепей и их содержание.
3. По каким показателям оцениваются замкнутые конструктивные цепи
(ЗКЦ)?
4. Чем определяется функциональная точность конструктивных цепей?
.
5. Анализ ошибок ЗКЦ. Привести пример матрицы влияния на примере
объектива микроскопа.
6. Состав ошибок ЗКЦ и источники их возникновения.
7. Задачи базирования ЗКЦ. Монтажные основы и их виды.
8. Приведите эскизы конструкций базирования ЗКЦ с цилиндрической
конечной базовой деталью на монтажной основе с разными типовыми
поверхностями.
9. Требования к базированию ЗКЦ включающий оптический схемный
элемент (линзу, призму, дифракционную решетку, зеркало).
10. Приведите примеры вариантов базирования ЗКЦ, являющихся
несущими системами подвижных элементов зубчатой передачи.
11. Что понимается под узлами? Характеристики узлов.
12. Согласование структурных элементов конструкции. Виды
согласования.
13. Какие этапы включает в себя процесс компоновки конструкции?
14. Что понимается под продольным и поперечным вылетом рабочего
элемента? Принципы ограничения вылетов.
3. Перечень вопросов для коллоквиума по 3 модулю:
1. Какие группы функциональных устройств оптических приборов Вы
знаете?
2. Какие функции выполняют подвижные системы оптических приборов?
3. Что называется функцией преобразования движения?
4.
Представьте
кинематические
схемы
типовых
механизмов
преобразования вращательного движения в поступательное и их функции
преобразования движения.
5. Механизмы преобразования вращательного движения во вращательное и
их виды.
6. Представьте схемы конического, цилиндрического и червячного
дифференциалов.
7. Как определяется функция преобразования движения сложных
кинематических цепей. Приведите примеры.
8. Основные задачи, выполняемые подвижными системами оптических
приборов.
9. Что понимается под системой отсчета обобщенных координат
механизмов?
10. Приведите примеры структурных схем позиционирования
исполнительного элемента.
11. Структурный и параметрический синтез подвижных систем.
12. Показатели качества конструкции подвижной системы.
13. Назовите виды позиционирования оптических приборов.
14. Чем определяется точность позиционирования?
15. Что понимается под зоной рассеяния?
16. Какие Вы знаете способы управления позиционированием?
Приложение 2.
.
Примеры экзаменационных билетов
ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ №1
по дисциплине: ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
факультет: ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЙ
курс:
4.
1. Механизмы преобразования движения. Функция преобразования
движения. Привести примеры кинематических схем и ФПД простейших
механизмов и их сочетаний
2. Зона совмещений при ручном управлении. Вероятность совмещения и
способы уменьшения числа попыток.
Составил преподаватель:________________
Штанько В.Ф.
Утверждаю: Зав. каф. ЛиСТ
Лисицын В.М.
“_____”_____________2008 г.
ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ №2
по дисциплине: ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
факультет: ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЙ
курс:
4
1. Функциональные устройства оптических приборов и их виды.
Назначение подвижных систем оптических приборов.
2. Порог чувствительности перемещения. Основные причины, определяющие
порог чувствительности.
Составил преподаватель:________________
Штанько В.Ф.
Утверждаю: Зав. каф. ЛиСТ
Лисицын В.М.
“_____”_____________2008 г.
.
.