– Yêu cầu đối với phương án thiết kế:
+ Quy chính theo phương án mới với giải pháp không cần dùng bia hiệu chỉnh
hoặc điểm ngắm xa, rút ngắn cự ly trong hiệu chỉnh nhằm đáp ứng yêu cầu thực tiễn
thực hiện quy chính trong điều kiện không gian chật hẹp;
+ Giảm được các thao tác căng chỉ đầu nòng, tháo kim hỏa, lò xo kim hỏa tiết
kiệm thời gian;
+ Vẫn đảm bảo được độ chính xác như các phương pháp truyền thống đã áp dụng
trước đây;
+ Thiết bị có kết cấu đơn giản, đủ cứng vững có thể mang vác, vận chuyển cầm
tay, dễ sử dụng.
Nhận thấy bằng phương pháp quang học ta có thể thay thế điểm ngắm xa trong thực tế bằng một điểm ảo ở xa vô cùng khi tạo ảnh chữ thập đặt tại tiêu diện của một thấu kính. Sau khi qua thấu kính, ảnh của chữ thập sẽ được đưa ra xa vô cùng hay nói cách khác chùm sáng sau thấu kính là chùm song song. Người ta gọi hệ quang như vậy là ống chuẩn trực, có tác dụng tạo ra chùm song song thay thế cho chùm tia xuất phát từ vô cùng. Nếu có thể gá đặt ống chuẩn trực sao cho quang trục của nó song song với đường trục nòng, bẻ góc và phân nhánh chùm tia thành các chùm song song với chính nó đồng thời quan sát và hiệu chỉnh pháo thông qua kính ngắm cho chữ thập trên kính
vạch của kính ngắm trùng với chữ thập của ống chuẩn trực thì điều này hoàn toàn
tương đương với việc quy chính cho pháo bằng điểm ngắm xa. Trên cơ sở lập luận
trên, luận văn đề xuất một số phương án quy chính cho pháo 85mm D44 bằng phương pháp quang học không dùng bia hoặc điểm ngắm xa như sau:
28
2.2.1 Phương án 1
Sơ đồ nguyên lý:
Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý hệ quang phương án 1.
– Hệ quang bao gồm: Ống chuẩn trực và hệ đổi hướng chùm tia.
Ống chuẩn trực gồm: nguồn sáng, kính mờ, kính khắc vạch và vật kính chuẩn trực.
Hệ lái chùm tia gồm: Gương phản xạ 1, 2 và 3.
Hệ quang được gá trong thiết bị sao cho các nhánh chùm tia sau các gương phản xạ 2 và 3 song song với đường trục nòng pháo.
– Yêu cầu: Đảm bảo các nhánh chùm tia và trục nòng pháo song song do đó đòi
hỏi vị trí của các gương phản xạ phải có độ chính xác rất cao, gương 1 song song với
29
công chính xác, độ trụ nằm trong giới hạn cho phép và có trục vuông góc với quang trục ống chuẩn trực.
– Nguyên lý hoạt động:
Đặt ống trụ vào trong lòng nòng pháo. Ánh sáng từ nguồn sáng qua kính mờ tới
kính khắc vạch đặt tại tiêu diện của vật kính chuẩn trực. Sau khi qua vật kính chùm
sáng là chùm song song đi tới gương phản xạ 1 được đổi hướng 900, tới gương phản xạ 2 lại được đổi hướng 900. Sau đó lại tới gương phản xạ 3 (gương này có hai vị trí 1, 2) tiếp tục được đổi hướng 900. Tại vị trí 1, chùm sáng song song đi vào kính ngắm trực tiếp. Quan sát sự trùng nhau của hai chữ thập qua kính ngắm trực tiếp ta có thể xác định được trục nòng và quang trục của kính ngắm có trùng nhau hay không. Nếu không
trùng nhau ta hiệu chỉnh kính ngắm đến khi thấy hai chữ thập trùng nhau khi đó trục
nòng và quang trục kính ngắm đã song song với nhau. Sau đó trượt gương phản xạ 3
tới vị trí 2, ở đây chùm sáng được đổi hướng 900 để đưa vào kính ngắm toàn cảnh.
Quan sát qua kính ngắm toàn cảnh để kiểm tra độ song song quang trục với đường trục nòng.
– Ưu điểm của phương án:
+ Hệ đổi hướng chùm tia là các gương phẳng có không gian gá lắp nhỏ, trọng lượng không đáng kể;
+ Hệ quang bên ngoài ống trụ thuận lợi cho việc cung cấp điện nguồn sáng.
– Nhược điểm phương án:
+ Hệ đổi hướng chùm tia là hệ gương phẳng nên khó hiệu chỉnh để đảm bảo độ
chính xác vị trí;
+ Khó đảm bảo vuông góc giữa quang trục ống chuẩn trực và trục ống trụ;
+ Hệ quang bố trí bên ngoài nên phần cơ khí khá phức tạp, kích thước thiết bị lớn do vật kính chuẩn trực có tiêu cự dài hơn so với các loại vật kính khác.
30
2.2.2 Phương án 2
Sơ đồ nguyên lý:
Hình 2.8. Sơđồ nguyên lý hệ quang phương án 2.
Trong phương án 2, thay vì sử dụng các gương phản xạ của hệ lái chùm tia ta dùng các lăng kính lập phương ghép từ 2 lăng kính vuông góc AP – 90 có một mặt góc
vuông mạ phản xạ và mặt huyền mạ bán phản xạ. Hệ quang ống chuẩn trực được gá
trong lòng ống trụ lắp vào nòng pháo. Mỗi kính ngắm có một lăng kính lái chùm tia riêng.
– Yêu cầu: Các nhánh chùm tia song song với đường trục nòng pháo. Do đó quang
trục ống chuẩn trực phải song song với trục nòng đồng thời mặt góc vuông mạ phản xạ của lăng kính thứ nhất phải vuông góc với chùm tia, mặt huyền của các lăng kính 2 và 3 vuông góc với mặt huyền của lăng kính thứ nhất, khi phản xạ tạo ra 2 nhánh chùm tia song song.
31 – Nguyên lý hoạt động:
Chùm tia song song đi ra từ ống chuẩn trực được đổi hướng 900 trên mặt huyền
của các lăng kính. Sau khi qua hệ đổi hướng chùm tia, chùm tia ban đầu được phân
thành hai nhánh song song đi vào kính ngắm trực tiếp và kính ngắm toàn cảnh. Quan sát sự trùng nhau của các ảnh chữ thập và hiệu chỉnh kính ngắm hoàn toàn tương tự như phương án 1.
– Ưu điểm của phương án:
+ Hệ đổi hướng chùm tia là hệ lăng kính lập phương nên dễ dàng gá lắp và hiệu
chỉnh vị trí. Nhờ mặt góc vuông lăng kính được mạ phản xạ ta có thể kiểm tra độ vuông góc của nó với chùm tia bằng thị kính tự chuẩn trực.
+ Ống chuẩn trực lắp trong lòng ống trụ nên thiết bị có kết cấu cơ khí khá đơn giản, kích thước gọn nhẹ, dễ dàng mang vác và sử dụng.
– Nhược điểm của phương án:
+ Các lăng kính đòi hỏi không gian gá lắp lớn qua đó làm tăng kích thước và khối
lượng thiết bị hơn so với gương phẳng;
+ Việc cung cấp nguồn điện chiếu sáng có phần khó khăn hơn khi ống chuẩn trực
được lắp bên ngoài.
Kết luận: Phương án 2 dùng các lăng kính lập phương làm hệ đổi hướng chùm
tia và lắp ống chuẩn trực trong lòng ống trụ đã khắc phục được các nhược điểm của
phương án 1. Đặc biệt là khả năng kiểm tra và hiệu chỉnh vị trí các lăng kính dễ dàng nên đạt được độ chính xác quy chính cao. Mặc dù vẫn tồn tại một số nhược điểm nhưng các nhược điểm này không ảnh hưởng nhiều đến khả năng chế tạo cũng như sử dụng thiết bị, do vậy nội dung luận văn chọn phương án 2 là phương án nghiên cứu phân tích và thiết kế.
32
CHƯƠNG 3
THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHỤC VỤ QUY CHÍNH CHO PHÁO 85mm D44
Đa số các khí tài quang học hiện nay đều gồm hai phần chính là hệ thống quang học và kết cấu cơ khí. Trong đó hệ thống quang học sẽ quyết định chất lượng tạo ảnh. Kết cấu cơ khí đảm bảo vị trí tương quan giữa các linh kiện quang theo yêu cầu của hệ quang, giữa vũ khí với khí tài. Tất cả cùng quyết định nên độ chính xác của thiết bị. Trong thiết kế khí tài, thiết kế quang học được tiến hành trước thiết kế cơ khí.
3.1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUANG HỌC
3.1.1 Tổng quan về thiết kế hệ thống quang học
Chức năng chủ yếu của hệ thống quang học trong khí tài là tạo tín hiệu của vật thể để phục vụ cho quan sát hoặc biến đổi thành các tín hiệu điều khiển khác. Thiết kế quang học nhằm giải quyết ba nội dung chủ yếu:
– Tạo ảnh có vị trí, độ lớn… phù hợp với yêu cầu chiến kỹ thuật định trước;
– Khử quang sai bảo đảm chất lượng ảnh hay tín hiệu do hệ tạo nên;
– Giải quyết vấn đề quang năng trong tạo ảnh.
Về vị trí và độ lớn của ảnh, chủ yếu dựa vào lý thuyết hệ thống quang học lý tưởng để tính toán thiết kế kích thước, bao gồm: xác định số lượng và chủng loại linh kiện, cụm linh kiện và khoảng cách giữa chúng, thị giới…và các yêu cầu khác nếu có. Việc tính toán thiết kế kích thước thường được thực hiện đồng thời với phương án thiết kế tổng thể của khí tài. Thiết kế phương án và thiết kế kích thước có ý nghĩa quyết định
trong thiết kế toàn bộ khí tài. Chọn được phương án phù hợp không những bảo đảm
được các tính năng chiến kỹ thuật đặt ra mà còn làm cho thiết kế kỹ thuật các chi tiết, linh kiện được thuận lợi.
Việc thiết kế quang sai thường chiếm phần lớn thời gian thiết kế hệ thống quang học, nhằm tìm ra các kết cấu phù hợp đảm bảo khử quang sai hệ thống cho phù hợp với
33
yêu cầu đặt ra. Có nhiều phương pháp để giải quyết bài toán quang sai. Nhưng hiện nay sử dụng hai phương pháp chủ yếu sau:
– Phương pháp giải tích: căn cứ vào công thức quang sai sơ cấp, giải một số
phương trình đại số để tìm ra kết cấu ban đầu của hệ quang. Vì rằng phương pháp này sử dụng lý thuyết quang sai sơ cấp để tính toán nên kết quả tính toán thường chưa đáp ứng được yêu cầu về quang sai, nhất là đối với hệ có thị giới và khẩu độ tương đối lớn. Do đó, sau khi giải phương trình để tìm được kết cấu thường phải hiệu chỉnh kết cấu đó để thoả mãn yêu cầu về quang sai và các yêu cầu khác. Đối với những hệ có khẩu độ và thị giới không lớn thì phương pháp này dễ đạt được kết quả phù hợp với yêu cầu.
– Phương pháp cải biên: Dựa vào kinh nghiệm hoặc tư liệu của một hệ thống
tương tự với hệ thống cần thiết kế để lựa chọn kết cấu ban đầu. Sau đó tính đường
truyền để tìm quang sai của hệ thống đã chọn, nếu kết quả phù hợp với yêu cầu thì
chọn kết cấu đó, nếu không phù hợp với yêu cầu thì cải tạo các tham số như bán kính, chiết suất, khoảng cách giữa các bề mặt... Sau mỗi lần cải tạo cần tính lại quang sai so sánh và xem kết quả có phù hợp với yêu cầu hay không. Nếu kết quả phù hợp thì chọn kết cấu đó, ngược lại thì tiếp tục cải tạo kết cấu của hệ. Sau một số lần cải tạo kết cấu nếu không được thì phải thay đổi vật liệu hoặc chọn kết cấu khác để chỉnh sửa.
Quang năng cũng là một trong những vấn đề cơ bản và quan trọng mà bài toán
thiết kế quang học phải giải quyết. Đó chính là việc tính toán xem, lượng tổn hao
quang năng khi ánh sáng đi qua hệ thống và tìm giải pháp khắc phục để tăng quang năng của hệ thống như chọn các lớp mạ. Song trong phần lớn khí tài quang thường dùng nếu không có yêu cầu đặc biệt thì giải quyết vấn đề quang năng cho hệ quang không mấy khó khăn.
Như vậy, công việc của phần thiết kế quang học bắt đầu từ lựa chọn hệ quang
thiết kế, tính toán kích thước hệ thống, tính toán kết cấu. Cuối cùng lập sơ đồ quang học và bản vẽ chế tạo các linh kiện quang để đưa vào sản xuất.
34
3.1.2 Thiết kếống chuẩn trực
a) Giới thiệu về ống chuẩn trực
– Công dụng và cấu tạo
Ống chuẩn trực có tác dụng tạo ra chùm tia song song để thay thế cho chùm tia xuất phát từ vô cùng.
Theo nguyên lý tạo ảnh trong quang hình học: nếu vật được đặt tại tiêu diện của thấu kính sẽ tạo ảnh của vật đó ra xa vô cùng, nghĩa là chùm tia ló sau thấu kính là chùm song song. Ống chuẩn trực gồm: nguồn sáng, kính mờ, kính lưới và vật kính chuẩn trực.
Để đánh giá chất lượng của ống chuẩn trực người ta đánh giá chất lượng chùm song song, được quyết định bởi tiêu cự của vật kính chuẩn trực.
Hình 3.1. Sai lệch của kính vạch so với mặt phẳng tiêu diện.
Trên hình 3.1 ta có: ∆ BAM ∼∆ BF’O
BA AM
BF' F'O
⇒ =
(3.1) Trong đó:
AM = ∆ là sai lệch vị trí kính khắc vạch so với tiêu diện vật kính; BA=f’.tgε với ε là góc mở chùm song song so với quang trục;
35
Do ε rất nhỏ nên BA rất nhỏ vì vậy BF’ coi là nửa đường kính thông quang của vật kính chuẩn trực. Do đó: f'.tgD ε ∆= tgε=∆.D2 ∆.D2 f' 2f' 2f' 2 ε ⇒ ⇒ ≈ (3.2)
Chất lượng chùm song song càng cao khi góc mở ε càng nhỏ. Từ biểu thức (3.2) góc mở ε nhỏ khi ∆, D nhỏ và tiêu cự f’ lớn. Trong ống chuẩn trực thì quá trình lắp ráp có thể khống chế sai lệch ∆ giữa kính vạch và tiêu diện nhỏ, còn D phải đủ lớn để đảm bảo năng lượng sáng. Vì vậy ε sẽ càng nhỏ khi tiêu cự vật kính chuẩn trực càng dài.
– Phân loại ống chuẩn trực
+ Ống chuẩn trực tiêu cự dài
Công dụng:
Vật kính ống chuẩn trực tiêu cự dài thường có giá trị tiêu cự từ 0,4m trở lên. Tiêu cự càng lớn độ song song của chùm tia do ống tạo nên càng cao.
Ống chuẩn trực tiêu cự dài có kính khắc vạch đặt tại tiêu diện trước của vật kính hay thường gọi là “mia” dùng để kiểm tra độ phân giải và chất lượng tạo ảnh của các hệ thống quang học.
Kiểm tra ống chuẩn trực:
Đối với ống chuẩn trực phải kiểm tra độ sai lệch vị trí dọc trục của mia, thông thường độ sai lệch cho phép không lớn hơn 10”. Sai lệch vị trí dọc trục của mia được khắc phục bằng dịch chuyển vật kính dọc theo trục ống.
+ Ống chuẩn trực có tiêu cự và thị giới trung bình
Công dụng:
Chức năng của ống chuẩn trực có tiêu cự và thị giới trung bình là kiểm nghiệm, hiệu chỉnh các hệ quang có độ chính xác trung bình. Ngoài ra còn được dùng trong một số thiết bị đo lường khác.
36
Vật kính của ống chuẩn trực tiêu cự và thị giới trung bình thường là loại vật kính ghép hai thấu kính.
Thông số cơ bản:
Tiêu cự f’ từ 120 đến 350 mm; Thị giới 2ω từ 8 đến 250; Khẩu độ tương đối
' f D từ 8 1 đến 10 1 . + Ống chuẩn trực thị giới lớn (góc rộng) Công dụng:
Ống chuẩn trực thị giới lớn hay còn gọi là ống chuẩn trực góc rộng chủ yếu dùng để kiểm tra thị giới của các hệ vô tiêu.
Thông số cơ bản:
Tiêu cự f’ từ 200 đến 300mm; Thị giới 2ω trong khoảng 500; Khẩu độ tương đối
f' D từ 5 , 4 1 đến 7 1 .
Chức năng chủ yếu của ống chuẩn trực góc rộng là đo thị giới của các hệ quang nên bản thân vật kính của nó phải có thị giới rất lớn, chất lượng tạo ảnh có yêu cầu cao đối với cả chùm tia xiên, do vậy việc khử quang sai đối với chùm tia này yêu cầu rất chặt chẽ.
Từ tất cả các yêu cầu trên khiến vật kính của ống chuẩn trực góc rộng thường được lấy ra từ các vật kính chụp ảnh có thị giới lớn, tiêu cự ngắn.
b) Thiết kế vật kính ống chuẩn trực
– Xác định tiêu cự vật kính
Như đã trình bày ở trên tiêu cự vật kính chuẩn trực quyết định tới chất lượng chùm song song sau khi ra khỏi ống chuẩn trực.
Để quang sai vật kính, độ không chính xác thang chia kính lưới ảnh hưởng nhỏ tới độ chính xác khi kiểm tra, hiệu chỉnh cần có yêu cầu [3]:
37 f’v ≥ (3 ÷ 5).f’k
f’v, f’k : tiêu cự vật kính chuẩn trực và tiêu cự vật kính hệ kiểm tra.
Thiết bị thiết kế dùng để quy chính kính ngắm trên pháo 85mm, vì vậy tiêu cự vật kính hệ kiểm tra là tiêu cự vật kính của OΠ và ΠΓ-1, với hai khí tài này tiêu cự vật