Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния проблемы 8
1.1 Обзор систем в ИК-области и их анализ 8
1.2 Проблемы реализации проекционного экрана. 10
1.3 Постановка задачи
1.3.1. Назначение. 13
1.3.2. Технические параметры. 14
ГЛАВА 2. Исследовательская часть 16
2.1 Исследуемые факторы 16
2.1.1. Энергетика 16
2.1.2. Коэффициент отражения 16
2.1.3. Коэффициент яркости 17
2.1.4. Оптические характеристики 20
2.1.5. фотометрические характеристики 21
2.2 Исследования угловых характеристик яркости обработанных поверхностей материалов для выбора оптимального варианта их обработки 25
ГЛАВА 3. Технология изготовления пластин с отражающей поверхностью 40
3.1 Технология изготовления растра 40
3.2. Изготовление отражающей поверхности технологией ударно матричной маркировки 42 CLASS ГЛАВА 4. Технологии тиражирования отражающей поверхности проекционного экрана 52 CLASS
4.1 Анализ потенциальных технологий тиражирования отражающей поверхности 52
4.2 Анализ технологии гальванокопирования 59
4.3 Выводы 75
ГЛАВА 5. Технология сборки проекционного экрана 76
5.1.Геометрические параметры 76
5.2. Теплотехнические характеристики 76
5.3. Состав проекционного экрана 77
5.4. Сборка проекционного экрана 80
Заключение 88
- Постановка задачи
- Коэффициент яркости
- Изготовление отражающей поверхности технологией ударно матричной маркировки
- Теплотехнические характеристики
Постановка задачи
Необходимое требование для оптических характеристик экрана – обеспечить работу экрана в определенном спектральном диапазоне и реализовать наилучшую чистоту поверхности с учётом производственных мощностей.
Спектральный диапазон экрана: видимый от 400 нм до 740 нм; инфракрасный до 12 мкм. Спектральный диапазон будет являться основным критерием для выбора необходимого материала и покрытия, а также качества его обработки. Чистота поверхности должна быть максимально возможной при использовании настоящей технологии, чтобы отражение не выглядело искажённым или размытым и не вносило каких-либо помех в отображаемый сценарий на экране. При шероховатой поверхности, поток света отражается под разными углами, поскольку поверхность неровная (это также называется рассеиванием) [59]. Возникает задача реализовать зеркальную поверхность или близкую к зеркальной.
Идеальная угловая характеристика, изображённая на рисунке 2.2, является чисто теоретической и физически не реализуема. Основным физическим смыслом является распределение энергетики в диапазоне углов от 0 до 30. В данном случае наилучшими параметрами будет обладать оптическая поверхность с угловой характеристикой, в которой для 0 коэффициент относительной яркости (Котн ярк.) соответствует 100%, для 30 -50% и после 30 идёт резкий спад Котнярк. При такой угловой характеристикеповерхность не будет обладать сильно выраженной зеркальной составляющей на углах до 10. Зеркальная составляющая может быть выражена яркими пятнами в виде источников света, что будет мешать качественной передаче изображения экраном. В данном случае поверхность также не будет являться диффузно-отражающей, т.к. энергия отражаемого света распределена в определённо заданном угле. Такую угловую характеристику можно условно назвать зеркально-рассеивающей. Экран с зеркально-рассеивающей поверхностью будет обладать наибольшим КПД в системе источник света (проектор) экран - приёмник (ОЭС).
Для инфракрасного диапазона подходят почти все материалы, приведённые в таблице 2.1. У полированной поверхности золота и серебра эти значения самые высокие и близки к ста процентам. Однако, даже у этих материалов значения коэффициента отражения резко падают при свете с длинной волны около 400-500 нм. Подобная картина наблюдается и у меди[61]. Наиболее подходящие значения коэффициента отражения в видимом и инфракрасном диапазонах отмечаются у алюминия.
Алюминиевый сплав АМГ-6 может быть использован в качестве материала крупногабаритных конструкций. Его легко найти в продаже.Сплав АМГ-6 используют при изготовлении среднезагрузочных конструкций. Он имеет высокие пластические характеристики как при комнатной, так и при повышенных температурах, и обладает высокой коррозионной стойкостью в различных средах [62]. Таким образом, наиболее целесообразным материалом для решения поставленной задачи выбран алюминиевый сплав АМГ-6.
Далее рассмотрим несколько образцов алюминиевых поверхностей. Необходимо найти поверхность с угловой характеристикой, наиболее схожей с той, что изображена на рисунке 2.3. 2.2 Исследования угловых характеристик яркости обработанных поверхностей материалов для выбора оптимального варианта их обработки
Задачей проводимого эксперимента являлся поиск зависимости индикатрисы спектральных коэффициентов яркости от микрогеометрии поверхности. Были проанализированы известные в мировой практике методы обработки отражающих поверхностей экранов, из которых оказалось возможным в условиях нашего предприятия реализовать следующие: пескоструйная обработка, нанесение краски ВИАМ на поверхность, обработка поверхности алмазным бором (фрезерование алмазным бором и нанесение микроштрихов), нанесение конических ячеек на поверхность различной глубины и диаметра и с различной степенью незамощенной поверхности, нанесение сферических ячеек на поверхность, равномерное нанесение сферических ячеек на поверхность [63].
Измерения проводились на гониоспектрофотометрической установке [64]. Относительный коэффициент яркости можно измерить с помощью цифровой камеры на базе ПЗС-матрицы и специальной электромеханической системы сканирования, позволяющей вращать камеру вокруг измеряемой поверхности с шагом в градусах с определённой точностью. Процесс измерения заключается в серии снимков, содержащих яркостные изображения объекта при различных углах засветки с заданной дискретностью. Данные попадают на компьютер и могут быть представлены в табличном или графическом виде. Для получения абсолютных значений коэффициента яркости необходимо произвести дополнительные измерения, заменив исследуемый объект на эталон, например, молочное стекло марки МС-20 с известными значениями коэффициента яркости. Дискретность измерений 1 градус, точность измерений 3%.
Коэффициент яркости
Перед началом тиражирования деталей необходимо настроить процесс нанесения растра. Экспериментальным путём определяется подача стола для её синхронизации с частотой колебания вибратора. Путём пробного прохода определяется глубина вдавливания матрицы в пластину для формирования ячейки в форме правильного сферического шестигранника с минимально возможными ребрами между ячейками.
Производительность будет зависеть от следующих параметров: подача мм/мин, синхронизированная с частотой ударов матрицей,уд./мин и количество шариков(стальных сфер) в матрице. Каждыйшарик в матрице при одном ударе создаёт одну ячейку. Зная площадь заготовки и количество ячеек в одном мм2, можно рассчитать примерное количество ячеек в заготовке. Например, матрица с 8-ю шариками за один удар создаёт 8 ячеек. При частоте 150 ударов в минуту за одну минуту такая матрица делает 8 х 150 = 1200 ячеек. Площадь правильного шестиугольника рассчитывается по формулам: (3.2), где S – площадь правильного шестиугольника, r – малый радиус шестиугольника. При диаметре ячейки 0,4 мм её площадь будет: мм2. (3.3), где Sяч – площадь ячейки. То есть, для изготовления заготовки 100 х 100 мм с площадью 10 000 мм2 потребуется нанести примерно 14434 ячейки или 12,03 минут без учёта времени холостого хода движения инструмента и перезакрепления заготовки.
Экспериментальным путём было установлено, что жёсткости станка хватает только для работы матрицей с 8-ю шариками. Один удар такой матрицы соответствует примерно 300 кг. Использование большего количества шариков в матрице увеличивает нагрузки на станок и размеры самой матрицы, а это, в свою очередь, усложняет процесс её изготовления, связанный с высокими требованиями к точности (неплоскостность 5 мкм).
На примере изготовления проекционного экрана, являющегося сегментом сферы 120 с радиусом 2м и состоящим из 951 пластины, рассмотрим применение описанной выше технологии.
Опытным путём выбрана частота 300 ударов в минуту. Таким образом, среднее время нанесения микрорельефа на одну заготовку 13,84 минуты (без учёта времени холостого хода движения инструмента и времени установки заготовки). Вся партия заготовок (951 штука) будет покрыта растром за 219,39 часов машинного времени. Время на установку заготовки 0,7 минуты, время холостого хода движения инструмента 110 мм 5 / 2000 = 0,275 мин. Коэффициент запаса на брак 10%. Из чего можно заключить, что общее время нанесения растра будет равно 219,39 ч + (0,7 мин + 0,275 мин) 951 шт. 1,1 / 60 = 236,39 часов.
Для нанесения растра на все пластины с оптическойповерхностью потребуется 236,39 часов машинного времени.
При сканировании матрицей на краях алюминиевой пластины образуется неравномерный микрорельеф. Это происходит по причине неодинаковости нагрузки матрицы на пластину. В момент входа и выхода матрицы давят не все, а только часть шариков при одинаковой нагрузке во время всего процесса. Зона детали с неравномерным микрорельефом считается нерабочей. Для того чтобы избежать появления такой зоны на детали необходимо увеличивать исходные размеры заготовки
Для размеров заготовки ширину и длину принимаем как «a» и «b». Размер матрицы 9,2 мм на 11,5 мм. Для ширины заготовки рассчитываем число необходимых целых проходов матрицей плюс 2 мм припуска на сторону. Для длины заготовки общую длину детали плюс длину матрицы сверху и снизу заготовки и припуск 2 мм на сторону. A=9,2 (a/9,2)+2 2, где А — ширина заготовки B=b+11,5 2+2 2=b+33, где В — длина заготовки На рисунке 3.10 показанконтур движения матрицы по заготовке. Рисунок 3.10. Контур движения матрицы по заготовке. Рассчитаем габаритные размеры заготовок пластинс оптическим покрытием. Таблица 3.3. Расчёт габаритных размеров заготовок пластин. Деталь a (по черт.) b (по черт.) кол-во проходов инструмента A (без округ) B (без округ) A B КП-О1.0О1 155 155 16,85 17 164,4 188,0 165 188 КП-01.002 128,07 133,81 13,92 14 136,8 166,8 137 167 КП-01.003 139,75 134,49 15,19 16 155,2 167,5 156 168 КП-01.004 118,63 142,6 12,89 13 127,6 175,6 128 176 КП-01.005 95,4 141,4 10,37 11 109,2 174,4 110 175 КП-01.006 116,11 141,77 12,62 13 127,6 174,8 128 175 КП-01.007 90,86 140,93 9,88 10 100,0 173,9 100 174 КП-01.008 103,84 141,05 11,29 12 118,4 174,1 119 175 КП-01.009 116,32 141,16 12,64 13 127,6 174,2 128 175 КП-01.010 96,16 140,7 10,45 11 109,2 173,7 110 174 КП-01.011 104,63 140,73 11,37 12 118,4 173,7 119 174 КП-01.012 112,58 140,74 12,24 13 127,6 173,7 128 174 КП-01.013 95,97 140,48 10,43 11 109,2 173,5 110 174 КП-01.014 101,42 140,47 11,02 12 118,4 173,5 119 174 КП-01.015 106,36 140,45 11,56 12 118,4 173,4 119 174 КП-01.016 108,91 80,42 11,84 12 118,4 113,4 119 114 Для качественного функционирования всей системы полунатурного моделирования следует придать особое значение именно технологии изготовления пластин с оптическимпокрытием купольного экрана проецирования.
Целью технологического процесса является изготовление алюминиевых пластин толщиной 8 мм с оптическим покрытием. Микрогеометрия пластин должна быть однородной, то есть необходимо обеспечить одинаковость ячеек. Как было описано выше, при изменении глубины вдавливания шарика в материал изменяется и конфигурация ячеек. При изменении глубины на 5 мкм для ячеек диаметром менее 0,5 миллиметра конфигурация начинает значительно отличаться, появляются области с зеркальной составляющей или ячейки приобретают неравномерную, неправильную форму с рваными краями, что способствует снижению коэффициента отражения. Равномерность микрогеометрии является главной причиной высоких требований к чистоте поверхности и плоскостности заготовки перед нанесением растра.
Изготовление отражающей поверхности технологией ударно матричной маркировки
На основе анализа рассмотренных ранее систем, сделаем вывод, что изготовление монолитных экранов либо экранов из больших панелей не является лучшим решением. Для реализации различной кривизны экран должен состоять из большого количества деталей с размерами, удобными для монтажа экрана.
Были рассмотрены различные варианты раскроя сферической поверхности. Среди них такие варианты как: аппроксимация сферы треугольными деталями, аппроксимация по принципу структуры молекулы фуллерена, шестигранная аппроксимация и др. При любом варианте аппроксимации сферической поверхности образуются зазоры между деталями, формирующими сферу. Основываясь на оптической схеме системы такой зазор не должен превышать 0,2 мм. К сожалению, используя программное обеспечение производства, реализовать раскрой в сферической системе координат невозможно.
С использованием современных систем трёхмерного моделирования в декартовой системе координат удалось реализовать порядовую аппроксимацию сферической поверхности из плоских деталей различного размера. При проецировании изображения в ближнем ИК-диапазоне поверхность экрана подвергается тепловому нагреву. Экран проецирования должен обладать достаточной степенью быстродействия, чтобы динамическая картина, проецируемая на экран, не оставляла тепловых следов. Для решения задач такого рода используются различные способы охлаждения, среди них: водяное охлаждение, азотное захолаживание, использование элементов Пельтье, пневмоохлаждение, использование термостатированного помещения. Проблемы создания эффективных систем и способов теплоотвода рассмотрены в [68 – 70].
В нашем случае для решения этой проблемы использован вариант с термостатированным помещением.
Принято решение использовать относительно толстые пластины с оптическим покрытием. При проецировании точечной горячей движущейся цели на поверхности экрана не остаётся тепловых следов.
На основании методики получения отражающей поверхности, разработанной в главе 3, были определены технические характеристики проекционного экрана и разработана его конструкция.
Сферический экран состоит из плоских пластин с растром.Охлаждение экрана проецирования достигается путём использования относительно толстых пластин при захолаживании помещения. Такой вариант является самым простым и дешёвым.
Из параметров оптико-электронных систем (ОЭС) вытекают требования к конструкции: размер растра, зазор между соседними элементами (разрешающая способность), перепады по высоте между краями соседних элементов (глубина резкости).
Сферический экран проецирования (СЭП) имеет в своём составе раму установки, каркас и комплект элементов экрана (см. рисунок 5.1).Рама установки удерживает купол и определяет положение СЭП в пространстве.Конструкция каркаса обеспечивает расчётный радиус кривизны экрана.Комплект элементов экрана с отражающей поверхностью устанавливается на каркас. Экран имеет форму усечённого сегмента сферы 120. Для изготовления СЭП были разработаны методики сборки рамы, каркаса и экрана. Также была разработана технологическая оснастка для обеспечения точности сборки. Остановимся более подробно на технологии сборки экрана проецирования.
Экран формируется комплектом элементов экрана, который состоит из алюминиевых пластин с микрорельефом на отражающей поверхности (см. рисунок 5.2).
Элементы крепятся на каркасе в определённой последовательности, отражающей поверхностью к центру экрана. Элемент экрана представляет собой алюминиевую пластину толщиной 8 мм с оптическим покрытием.
Теплотехнические характеристики
Дальномер необходимо зафиксировать так, чтобы точка начала отсчёта совпадала с центром сферы. Измерительное устройство устанавливается на стойку с рейтером и двумя поворотными столиками, один из которых поворачивается в плоскости пола, второй по нормали к первому.
Перед началом измерений необходимо выставить стойку с дальномером (см. рисунок 5.4). Для этого совмещают ось лазера на каркасе с центром стойки и осью дальномера при его вертикальном положении. При вращении дальномера в плоскости пола его лазерная точка должна попадать в центр лазерного имитатора оси, а лазерная точка имитатора оси точно в центр окна дальномера. Для упрощения этой задачи используется промежуточная точка, которую задаёт юстировочная стойка (позиция 1, рисунок 5.4).
Совмещение осей происходит путём добавления подкладок различной толщины под стойку с дальномером для выравнивания угловых смещений. Для устранения линейных смещений используется «плавающая» шайба внутри узла с поворотными столиками стойки дальномера (позиция 4, рисунок 5.3). Следует предотвратить качание стойки для повышения точности измерения.
Когда оси дальномера и имитатора оси совмещены, необходимо зафиксировать дальномер так, чтобы точка начала отсчёта совпадала с центром сферы. Это совмещение реализуется регулировкой рейтера по высоте. После окончательной установки стойки с дальномером можно приступать к измерениям.
Конструкция устройства для крепления оптического элемента состоит из Т-образного уголка(позиция 1, рисунок 5.5), который крепится к каркасу, державки(позиция 2, рисунок 5.5), крепящейся к уголку и элементас оптическим покрытием (позиция 3, рисунок 5.5), установленного на державке. В Т-образном уголке выполнены пазы для движения вперёд-назад и вверх-вниз. Через вертикальные пазы сборка крепится к каркасу двумя винтами М4х20 с гайками(позиция 4, рисунок 5.5). На рисунке 5.5 пазы отсутствуют. Пазы в деталях узла крепления были добавлены после пробной сборки экрана. Они существенно упростили процесс сборки благодаря увеличению подвижности элемента. Горизонтальные пазы в уголке обеспечивают крепление державки к уголку тремя винтами М3х10(позиция 5, рисунок 5.5). Державка выполнена индивидуально для каждого ряда элементов с угловым наклоном, обеспечивающим наклон пластины в сфере. В державке имеется 3 резьбовых отверстия для крепления её к уголку и 3 сквозных отверстия для крепления к ней элемента на три винта М3х8(позиция 6, рисунок 5.5). Всего в конструкции имеется 8 винтов, каждый из которых позволяет чётко выставить (наклонить и подвинуть) пластину с оптической поверхностью согласно свой траектории и относительно соседних пластин без ступенек и зазоров. Значение одних и тех же винтов на верхних, средних и нижних рядах экрана различается. Крепление уголка к каркасу винтами М4х20 всегда обеспечивает выставление пластины по высоте, также позволяет наклонить пластину в бок и сдвинуть её вдоль своего ряда. Винты М3х10 между державкой и уголком способствуют перемещению пластины вперёд-назад. Благодаря размеру отверстия в креплении деталейс оптической поверхностью к державке существует возможность смещения пластин для облегчения сборки. вид изнутри вид снаружи
Сборка экрана происходит при постоянном контроле радиуса при помощи стойки с дальномером. Вначале устанавливается центральная круглая пластина. Установку первой детали экрана следует выполнить таким образом, чтобы радиус от любой её крайней точки был одинаковый, а расстояние от центра детали до дальномера соответствовало 1999 мм. Затем устанавливается второй и последующие ряды деталей.Для этого следует контролировать расстояние до центра детали идо 4-х точек на углах детали (см. рисунок 5.6).Расстояние от центра СЭП до точки в углу детали может меняться на 1-2 мм в зависимости от ширины детали. Для широких пластин оно должно соответствовать 2000 мм. Расстояние до центра всех пластин должно быть одинаково. В нашем случае это 1998 мм.
Установка одной детали может осуществляться одним человеком с наружной стороны экрана. Для упрощения сборки узел уголок-державка-деталь собирается предварительно. Затем узел устанавливается на каркас, и по дальномеру с помощью восьми винтов крепления выставляется деталь. После установки одной детали должна быть проведена проверка на отсутствие щелей и ступенек. При изготовлении высокоточного многоэлементного экрана проецирования не обойтись без использования метода пригонки. К данному методу необходимо обращаться в случае невозможности использования метода неполной взаимозаменяемости. При методе пригонки требуемая точность сборки достигается путём изменения размера компенсирующей детали снятием слоя материала.
В рядах с большим количеством деталей при сборке может накапливается погрешность. В этом случае последняя деталь может либо устанавливаться с зазором, не удовлетворяющим требованиям, либо иметь меньший размер, чем отверстие под деталь (см. рисунок 5.7). В первом случае необходимо использовать деталь с большим припуском на сторону. Если же деталь не устанавливается, как показано на рисунке 5.7, то её необходимо припиливать по месту.