ÚPRAVA ZAMĚŘOVACÍ KAMERY PRO DÁLKOVOU LASEROVOU SPEKTROSKOPII

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF MACHINE AND INDUSTRIAL DESIGN

ÚPRAVA ZAMĚŘOVACÍ KAMERY PRO DÁLKOVOU LASEROVOU SPEKTROSKOPII MODIFICATION OF TARGETING CAMERA FOR A REMOTE LASER SPECTROSCOPY

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS

AUTOR PRÁCE

TOMÁŠ KLEMPA

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2013

Ing. MICHAL BRADA



Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství Ústav konstruování Akademický rok: 2012/2013

ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE student(ka): Tomáš Klempa který/která studuje v bakalářském studijním programu obor: Strojní inženýrství (2301R016) Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma bakalářské práce: Úprava zaměřovací kamery pro dálkovou laserovou spektroskopii v anglickém jazyce: Modification of Targeting Camera for a Remote Laser Spectroscopy Stručná charakteristika problematiky úkolu: Cílem práce je konstrukční návrh redukce mezi čip a objektiv kamery s vloženou závěrkou a návrh montáže pro připevnění kamery na zařízení s těmito parametry: elektronicky ovládaná závěrka, předpoklad využití stávajícího objektivu a čipu. Cíle bakalářské práce: Bakalářská práce musí obsahovat: (odpovídá názvům jednotlivých kapitol v práci) 1. Úvod 2. Přehled současného stavu poznání 3. Analýza problému a cíl práce 4. Varianty konstrukčního řešení 5. Optimální konstrukční řešení 6. Diskuze 7. Závěr 8. Bibliografie Forma bakalářské práce: průvodní zpráva, výkresy součástí, výkres sestavení Typ práce: konstrukční Účel práce: výzkum a vývoj

Seznam odborné literatury: TOMÁŠEK, Z. Fotografické přístroje. 3. aktualizované vyd. Praha: Merkur, 1985, 251 s. SHIGLEY, J. E, MISCHKE, Ch. R, BUDYNAS, R. G. Konstruování strojních součástí. Brno: VUTIUM, 2008. 1300 s. ISBN 978-80-214-2629-0.

Vedoucí bakalářské práce: Ing. Michal Brada Termín odevzdání bakalářské práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2012/2013. V Brně, dne 14.11.2012 L.S.

_______________________________ prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. Ředitel ústavu

_______________________________ prof. RNDr. Miroslav Doupovec, CSc., dr. h. c. Děkan fakulty

ABSTRAKT BakaláĜská práce se zabývá úpravou zamČĜovací kamery pro dálkovou laserovou spektroskopii. ZamČĜovací kamera bude použita na jednotce dálkové laserové spektroskopie sloužící pro zkoumání vlastností dálkové laserové spektroskopie v laboratoĜi ÚFI VUT v BrnČ a pro studium vlivu externího prostĜedí na schopnost analýzy. Práce obsahuje struþný pĜehled souþasného stavu poznání, návrhy konstrukþních variant a popis þástí navrhovaného zaĜízení.

KLÍýOVÁ SLOVA ZamČĜovací kamera, objektiv, bajonet, CS-mount, elektronická závČrka, laserová spektroskopie, spektroskopie laserem buzeného plazmatu, LIBS, Remote LIBS.

ABSTRACT The bachelor thesis deals with the modification of targeting camera for remote laser spectroscopy. Targeting camera will be used on remote laser spectroscopy unit to study its features in laboratory of Institute of Physical Engineering on University of Mechanical Engineering Brno and to study the affect of external environment to analytic ability. The thesis contains a brief overview of the current stage of knowledge, designs of stroctural variations and the description of parts of designed device.

KEYWORDS Targeting camera, lens, mount, CS-mount, electronic shutter, laser spectroscopy, laser induced breakdown spektroskopy, LIBS, Remote LIBS.

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE KLEMPA, T. Úprava zamČĜovací kamery pro dálkovou laserovou spektroskopii. Brno: Vysoké uþení technické v BrnČ, Fakulta strojního inženýrství, 2013. 45 s. Vedoucí bakaláĜské práce Ing. Michal Brada.

ýESTNÉ PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že tuto bakaláĜskou práci Úprava zamČĜovací kamery pro dálkovou laserovou spektroskopii jsem vypracoval samostatnČ, pod vedením vedoucího bakaláĜské práce ing. Michala Brady a uvedl v seznamu všechny použité literární zdroje.

V BrnČ dne 24. kvČtna 2013 _________________________ Tomáš Klempa, v.r.

POĆEKOVÁNÍ Tímto bych rád podČkoval ing. Michalu Bradovi za vedení a pomoc pĜi psaní bakaláĜské práce a za možnost podílet se na zajímavém projektu. Dále bych chtČl podČkovat doktoru Petru Šperkovy za umožnČní použití profilometru v tribologické laboratoĜi na Ústavu konstruování. Také bych chtČl podČkovat svojí rodinČ za možnost studovat a za psychickou podporu pĜi studiu.

2%6$+

OBSAH 

ÚVOD 1 PěEHLED SOUýASNÉHO STAVU POZNÁNÍ 1.1 Laserová spektroskopie 1.2 Objektivy 1.3 Optické bajonety 1.3.1 Bajonety fotografických pĜístrojĤ 1.3.2 Bajonety laboratorních zaĜízení 1.3.3 Bajonetové redukce 1.4 Elektronicky ovládané závČrky 1.4.1 Melles Griot 04UTS2xx 1.4.2 Uniblitz DSSxx 1.4.3 Thorlabs SHB1 2 ANYLÝZA PROBLÉMU A CÍL PRÁCE 2.1 Formulace Ĝešeného problému a jeho analýza 2.2 Vymezení cílĤ práce 2.3 Návrh metodického pĜístupu k Ĝešení 3 VARIANTY KONSTRUKýNÍHO ěEŠENÍ 3.1 Propojení objektivu a kamery, návrh redukce 3.1.1 Varianta redukce A 3.1.2 Varianta redukce B 3.2 PĜipojení k mČĜícímu zaĜízení 3.2.1 Varianta pĜipojení A 3.2.2 Varianta pĜipojení B 3.3 Elektronické závČrky 3.3.1 ZávČrka Melles Griot 04UTS218 3.3.2 ZávČrka Uniblitz DSS25 3.3.3 ZávČrka Thorlabs SHB1 3.4 VýbČr optimálního konstrukþního Ĝešení 4 OPTIMÁLNÍ KONSTRUKýNÍ ěEŠENÍ 4.1 Konstrukþní návrh 4.2 Kalibrace a zmČna pracovní vzdálenosti 4.3 Výpoþet rozmČrĤ zobrazované plochy 4.4 Silový rozbor 4.4.1 Výpoþet tuhosti pružiny 4.4.2 Kontrola zatížení stavČcích šroubĤ Thorlabs 4.4.3 HertzĤv tlak 4.5 PĜedpokládaný cenový rozpoþet 5 DISKUZE 6 ZÁVċR 7 BIBLIOGRAFIE 8 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK, SYMBOLģ A VELIýIN 9 SEZNAM OBRÁZKģ A GRAFģ 10 SEZNAM TABULEK 11 SEZNAM PěÍLOH 11.1 Výkresová dokumentace

13 15 15 16 16 16 19 20 20 21 21 22 23 23 24 24 25 25 25 26 27 27 28 29 29 29 29 29 31 31 32 33 34 34 35 36 36 37 39 40 42 43 44 45 45

VWUDQD



Ò92'

ÚVOD TémČĜ okamžitČ po objevení prvního laseru, byla zaznamenána þetná pozitiva pro jeho použití v oblasti spektroskopie, konkrétnČ k vytvoĜení plazmatu na povrchu vzorku následkem úþinkĤ procesu, zvaného laserová ablace. Tehdejší problém s nedostupností vysoce výkonných pulzních laserĤ bránil vývoji, a proto se toto odvČtví spektroskopie zaþalo plnČ rozvíjet až o dvacet let pozdČji. Od té doby se spektroskopie laserem buzeného plazmatu rozšíĜila takĜka do všech odvČtví prĤmyslu a vČdy, což znaþí vysokou popularitu této metody. Jednou z mnoha modifikací této metody je dálková laserová spektroskopie, kdy je laserový paprsek zaostĜen na vzdálenost desítek až stovek metrĤ a vzniklé záĜení je sesbíráno pomocí teleskopu. Tato metoda vznikla jako odpovČć na potĜeby nČkterých souþasných oborĤ analyzovat prvky na nepĜístupných þi nebezpeþných místech nebo detekovat nebezpeþné látky na dálku (napĜ. radioaktivní prvky). [1] Laserový paprsek je pĜiveden do osy teleskopu pomocí soustavy rovinných zrcátek. ZáĜení vybuzeného plazmatu je sesbíráno teleskopem a posláno do jeho výstupu, kde je umístČn spektrometr. Dále je potĜeba použití zamČĜovací kamery, která umožní pĜesné zacílení analyzovaného vzorku. Tato práce je vČnována konstrukþnímu návrhu zamČĜovací kamery, rozboru problému s jejím umístČním a tvorbČ výkresové dokumentace. PĜedpokládaným výstupem by mČla být jednotka zamČĜovací kamery se snímacím þipem chránČným proti záĜení plazmatu, schopná poskytnout obraz zamČĜeného místa s variabilním pĜiblížením. Na konci práce jsou nastínČny možné další smČry vývoje.

VWUDQD



3ě(+/('628ý$61e+267$9832=1È1Ë

1 PěEHLED SOUýASNÉHO STAVU POZNÁNÍ



První kapitola objasní technologii laserové spektroskopie, jak funguje a k jakým úþelĤm se používá, þemuž je vČnována první podkapitola. Další podkapitola struþnČ vysvČtlí skladbu a vlastnosti rĤzných druhĤ objektivĤ. TĜetí podkapitola pojedná o bČžnČ používaných optických bajonetech, jak pro pĜístroje fotografické tak laboratorní, a také o používaných redukcích mezi tČmito typy. V poslední podkapitole se nachází nČkolik elektronických závČrek a informace o nich.

1.1 Laserová spektroskopie Laserová spektroskopie, celým názvem spektroskopie laserem buzeného plazmatu þi LIBS (z. angl. Laser-Induced Breakdown Spectroscopy), patĜí mezi moderní metody materiálové analýzy. Metoda umožĖuje zjišĢovat chemické složení zkoumaného vzorku relativnČ nedestruktivní cestou, pĜiþemž vzorek mĤže být v libovolném skupenství. Pokud není možné se ke vzorku z jakéhokoliv dĤvodu dostat na bližší vzdálenost, je vhodné použít metodu dálkové laserové spektroskopie, konkrétnČ metodu s využitím sbČrného teleskopu.



Obr. 1-1 Sestava s teleskopem pro dálkovou laserovou spektroskopii [1]

Princip metody je následující. Pulsní ablaþní laser vytvoĜí svČtelný svazek, který je následnČ zaostĜen a soustavou zrcátek pĜiveden do osy teleskopu, þímž na zkoumaném materiálu vytvoĜí malý bod s vysokou intenzitou záĜení (GW/cm2). Laserem vytvoĜené plazma na povrchu vzorku následnČ chladne, emitované elektromagnetické záĜení plazmatu je zachyceno pomocí sbČrné optiky (teleskopu) a optickým vláknem dopraveno do spektroskopu. Tento rozloží paprsek podle vlnové délky. Rozložené záĜení dopadá na þip a výsledný signál je zanesen do grafu jako závislost intenzity signálu na vlnové délce. Každý chemický prvek má specifickou vlnovou délku emitovaného záĜení a proto není tČžké z grafu zjistit jednotlivé prvky zkoumaného vzorku. VWUDQD



3ě(+/('628ý$61e+267$9832=1È1Ë

V praxi se laserová spektroskopie používá v prĤmyslu, nejþastČji ve slévárenství (analýza složení slitiny již pĜi tavbČ), dále ve vČdČ (biologie, archeologie), v armádČ (detekce složení pyrotechniky na dálku), pro prĤzkum vesmíru (vesmírné vozítko Curiosity na Marsu) a ve spoustČ dalších oblastí. [1, 6]

1.2 Objektivy Objektiv, jako jedna ze dvou hlavních souþástí zobrazovacího celku, slouží k zaostĜení svČtelného paprsku na snímací rovinu zobrazovací kamery. Mohou být výmČnné anebo v levnČjších konfiguracích pevnČ spojeny s kamerou. Objektivy jsou tvoĜeny soustavou þoþek v takovém uspoĜádání, aby navzájem mezi sebou korigovali své optické vady (astigmatismus, chromatickou aberaci a zkreslení). Podle tohoto uspoĜádání se objektivy dČlí na monokly, periskopy, triplety, objektivy Gaussova typu a další. ýoþky jsou v objektivu umístČny samostatnČ nebo se nČkteré tmelí dohromady a tvoĜí tzv. skupinu, þímž se minimalizuje nČkterá optická chyba. Další dČlení, v dnešní dobČ asi hlavní, je z pohledu ohniskových vzdáleností. DČlí se na objektivy: • s pevnou ohniskovou vzdáleností • s promČnnou ohniskovou vzdáleností Každý z tČchto typĤ má ještČ další dČlení podle rozsahu ohniskových vzdáleností: • širokoúhlé – ohniskové vzdálenosti do 30mm • základní – ohniskové vzdálenosti kolem 50mm • teleobjektivy – ohniskové vzdálenosti nad 70mm U objektivĤ s promČnným ohniskem se tyto kategorie þasto prolínají a existují i objektivy širokorozsahové s rozsahem ohniskových vzdáleností 18-300mm, na úkor toho objektiv trpí špatnou svČtelností a optickými vadami. [10]

1.3 Optické bajonety Bajonety neboli tvarové upínací prvky slouží k rychlému a pĜesnému spojení dvou þástí. PĤvodnČ byl zkonstruován pro potĜeby pČší armády jako rychlé a pevné pĜipojení bodáku ke konci hlavnČ muškety. Odsud se bajonetové upínání postupnČ rozšíĜilo témČĜ do všech odvČtví prĤmyslu a ve strojírenství je hojnČ využíváno. [2] V následujících kapitolách se budeme zabývat pouze bajonety používanými v optice, nejþastČji pro spojování objektivu s tČlem kamery. 1.3.1 Bajonety fotografických pĜístrojĤ V prvopoþátcích fotografie, kdy se pro poĜízení snímkĤ používaly mČchové fotoaparáty, byly objektivy napevno pĜipevnČny k pĜední desce fotoaparátu. Tyto byly ovšem pouze studiová zaĜízení a nebylo tĜeba objektivy mČnit. Poté co se fotoaparáty pĜesunuly do amatérského prostĜedí a fotografové je mČli pĜi sobČ na cestách, zaþal se klást dĤraz na variabilitu a s tím pĜišla i nutnost objektivy pohotovČ vymČnit. Jelikož objektivy fotografických pĜístrojĤ jsou témČĜ vždy válcovité, je nasnadČ vyrábČt kruhové bajonety, které se upínají nasazením a pootoþením o urþitý úhel. V podstatČ existují dva základní typy bajonetĤ. Starší typ, který se ne vždy nazývá VWUDQD



3ě(+/('628ý$61e+267$9832=1È1Ë

bajonetem, a to závitový a modernČjší typ s tvarovými prvky. V následujících podkapitolách si osvČtlíme detailnČjší princip jednotlivých typĤ, jejich výhody a nevýhody a oblasti jejich použití. 1.3.1.1 Závitové bajonety Závitové bajonety byly hned prvním poþinem na poli upevnČní objektivu k tČlu kamery. NejbČžnČjšími zástupci tohoto typu jsou bajonety M42 (závit M42x1) a C-mount (závit 1-32 UN 2A, vČtšinou pro filmovací kamery, pozdČji také pro laboratorní úþely). V podstatČ jednoduchá výroba zaruþovala pĜesné a pevné spojení obou souþástí, þímž si závit zajistil obrovské rozšíĜení. PĜesnost je zde myšlena ve smyslu souososti objektivu a samotného tČla. S pĜíchodem propracovanČjších objektivĤ, aĢ už s promČnlivou ohniskovou vzdáleností nebo s ostĜícím kroužkem se stupnicí zaostĜené vzdálenosti, pĜišel požadavek na jednotné natoþení objektivu po našroubování k tČlu fotoaparátu tak, aby ryska pro odeþet vzdáleností byla vždy na vrchní stranČ objektivu. Tento požadavek nebylo vcelku tČžké dodržet, staþilo vyĜezat závit, bajonet našroubovat na kontrolní šablonu a podle ní teprve oznaþit rozmČry, sloužící pro pĜipojení k tČlu objektivu. Odchylka cca deseti stupĖĤ od požadované polohy byla pro daný úþel zanedbatelná, neboĢ nijak nebránila používání objektivu.



Obr. 1-2 Bajonet se závitem M42 [11]

Problém s touto výrobní nepĜesností nastal v dobČ pĜíchodu elektroniky, kdy byly na objektiv pĜidány kontakty. Tyto kontakty byly na jedné þásti pružnČ uložené vodivé tyþinky a na þásti druhé, zpravidla na tČle fotoaparátu, se museli kontakty protáhnout podél závitového bajonetu, aby kompenzovaly výše zmínČnou nepĜesnost. Jiným nedostatkem se stal fakt, že závitové bajonety nemČli jiné zajištČní proti povolení než vlastní samosvornost. Pokud se v objektivu zaneslo uložení ostĜícího nebo pĜibližovacího kroužku, jejich zhoršený chod, navzdory stoupání závitu M42x1, þasto samovolnČ závit povoloval a tím znemožĖoval práci s objektivem.

VWUDQD



3ě(+/('628ý$61e+267$9832=1È1Ë

Obr. 1-3 TČlo fotoaparátu s bajonetem M42 s kontakty [12]

1.3.1.2 Bajonety s tvarovými prvky S výše zmiĖovaným problémem nepĜesnosti natoþení objektivu se s pĜehledem vypoĜádají bajonety s tvarovými prvky. Bajonet má opČt dvČ þásti, na tČle a na objektivu, které do sebe zapadají. Po zasunutí se objektivem otáþí kolem osy až k dorazu, kde je poloha zajištČna pojistkou na pružince. Spojování a rozebírání objektivu a fotoapará-

Obr. 1-4 Bajonet Nikon s tvarovými prvky a kontakty [14] VWUDQD



3ě(+/('628ý$61e+267$9832=1È1Ë

tu je tak mnohem rychlejší a jemnČjší. Díky dorazĤm a pĜesnČ umístČné pojistce se eliminuje jakékoliv jiné natoþení než požadované a pojistka navíc brání samovolnému uvolnČní objektivu. PĜesná pozice umožĖuje použití témČĜ libovolného poþtu kontaktĤ, což je v moderním svČtČ elektroniky a automatiky jasným pĜínosem a dĤvodem, proþ tento typ bajonetĤ naprosto vytlaþil bajonety závitové ze sféry moderních fotografických pĜístrojĤ. Ovšem mají i své nedostatky. Aby se zajistil plynulý chod, je mezi obČma þástmi vĤle, jak ve smČru radiálním, tak axiálním. VĤli v axiálním smČru zachytávají pružná tČlíska, radiální vĤle zĤstává nezachycena. Pro toto existuje jednoduché vysvČtlení. Aby byla zachována správná a stále stejná pracovní vzdálenost objektivu od snímacího þipu v tČle kamery (angl. flange focal distance, dále jen FFD), musí být objektiv pĜitlaþován ke kameĜe, naproti tomu malá radiální vĤle nemá prakticky vliv na výslednou zobrazovací kvalitu soustavy. Další nevýhodou je fakt, že každý výrobce má svĤj vlastní tvar a rozmČry bajonetu a tak vČtšinou nelze kombinovat fotografické pĜístroje a objektivy rĤzných výrobcĤ.

Obr. 1-5 Flange focal distance (FFD) (Založeno na [13])

1.3.2 Bajonety laboratorních zaĜízení KvĤli þasto minimální hloubce ostrosti se u laboratorních pĜístrojĤ klade dĤraz na rovnobČžnost zobrazované a snímací roviny. Jelikož jiná pĜesnost není striktnČ požadována, zaþali se v tomto odvČtví používat jednoduché, kompaktní a ve své dobČ velice rozšíĜené závitové bajonety C-mount. Tento typ se používá pĜedevším pro zobrazovací kamery, okuláry mikroskopĤ a pro laserovou aplikaci ho využívá firma Edmund Optics. Objektivy mikroskopĤ jsou v EvropČ povČtšinou standardizovány normou DIN a jsou osazeny závitem RMS (0.8"-36 UN). Dalšími typy využívanými pro vČdu a výzkum jsou bajonety T-mount (M42x0,75; teleskopy a mikroskopy) a S-mount (M12x0,5; zobrazovací kamery).



VWUDQD



3ě(+/('628ý$61e+267$9832=1È1Ë

Firma Thorlabs používá pro své úþely pĜevážnČ vlastní závit SM1 (1.035"-40 UN) a novČjší typ C-mount bajonetu, CS-mount, který se vyznaþuje o 5mm kratší FFD oproti svému pĜedchĤdci. 1.3.3 Bajonetové redukce Pro spojení dvou þástí rozdílných výrobcĤ do jednoho celku se þasto musí používat bajonetové redukce a nČkdy dokonce není možné je spojit, nebo po spojení chybí nČkteré vlastnosti. Aby byly zachovány pĤvodní vlastnosti, musí þásti splĖovat jeden pĜedpoklad, a to že FFD kamery musí být menší než FFD objektivu (nebo alespoĖ stejné, pokud je bajonet kamery vČtší než bajonet objektivu). Pokud toto splnČno není, vČtšinou ztratíme možnost zaostĜit na nekoneþno. Tato chyba se dá korigovat pĜidáním spojné þoþky do redukce, kde þoþka prodlouží FFD objektivu, ovšem kvalita optické soustavy výraznČ poklesne vlivem této þoþky, u které nejsou bČžnČ korigovány optické vady. Z tohoto dĤvodu se v pĜesné optice redukce s vloženým optickým þlenem prakticky nepoužívají. Drtivá vČtšina laboratorních zobrazovacích kamer je v dnešní dobČ osazena bajonetem CS-mount, který se svou 12,5 mm FFD nemá problém s pĜipojením k takĜka kterémukoliv objektivu nebo optické soustavČ pomocí jednoduché bajonetové redukce bez optického þlenu.

Obr. 1-6 Redukce Canon EOS na CS-mount [15]

1.4 Elektronicky ovládané závČrky Jelikož energie záĜení laserem buzeného plazmatu je v rozsahu 12-24,5 eV, je toto záĜení pro snímací kameru s polovodiþovým CMOS þipem relativnČ nebezpeþné a mohlo by zpĤsobit její poškození. Proto je tĜeba þip pĜed tímto záĜením bČhem analýzy chránit. Jako ideální Ĝešení se nabízí použití elektronicky ovládané závČrky, jejíž jednoduchá konstrukce s malými zástavbovými parametry je spolehlivá a ovládání je uživatelsky nenároþné. [4] VWUDQD



3ě(+/('628ý$61e+267$9832=1È1Ë

1.4.1 Melles Griot 04UTS2xx Série elektronických závČrek UltraThin™ je navrhnuta firmou CVI Melles Griot pro OEM aplikace, které požadují kompaktní velikost, nízkou hmotnost a nízkonapČĢové ovládání. ZávČrky UltraThin mohou být umístČny v jakékoliv pozici díky tĜem montážním otvorĤm. ZávČrka je v klidu v zavĜené pozici a pro udržení otevĜené pozice je potĜeba udržovat na solenoidu napČtí. CVI Melles Griot k elektronickým závČrkám nabízí ovladaþe, které vytváĜí kalibrované þasovací signály. Tyto ovladaþe nabízí volbu rychlosti závČrky, funkci Bulb (otevĜení nebo zavĜení závČrky do zmČny signálu) a þasovou expozici. Napájení pro ovladaþ poskytuje externí stejnosmČrný zdroj 12V 2,5A. [5]



Obr. 1-7 ZávČrky Melles Griot UTS [5]

1.4.2 Uniblitz DSSxx ZávČrky typu DSS od spoleþnosti Uniblitz jsou navrhnuty speciálnČ na pĜání zákaz-



Obr. 1-8 ZávČrka Uniblitz DSS25 [8] VWUDQD



3ě(+/('628ý$61e+267$9832=1È1Ë

níkĤ, kteĜí stále více požadovali kompaktní elektronicky ovládanou centrickou závČrku bez vyþnívajících aktuátorĤ a jiných zavazejících souþástí. Tyto požadavky závČrky DSS naprosto splĖují. Jsou navíc z obou stran ploché, pĜipevnČní lze Ĝešit þtyĜmi dČrami na rozteþné kružnici posunutými o 72° nebo tĜemi dČrami kótovanými od os závČrky. ZávČrka je dvojpoziþní a na rozdíl od závČrky CVI Melles Griot není potĜeba žádná pĜídržná síla v otevĜené þi zavĜené pozici. Síla je potĜebná pouze pro zmČnu pozice lamel závČrky z otevĜené polohy do zavĜené nebo naopak. ZávČrka je napájena stejnosmČrným napČtím 12V a pro ovládání slouží driver ED12DSS nebo VDM1000. [8] 1.4.3 Thorlabs SHB1 Spoleþnost Thorlabs nabízí sadu SHB1 obsahující elektronicky ovládanou závČrku a ovladaþ. Samotná závČrka potĜebuje stejnČ jako závČrka firmy CVI Melles Griot pro udržení otevĜeného stavu udržovat napČtí. Nabízí se i možnost dávkování, kdy jsou lamely otevírány a zavírány frekvencí 10-15 Hz. ZávČrka je osazena na jedné stranČ vnitĜním SM1 závitovým bajonetem, dále je možné použít tĜi montážní díry, popĜípadČ vložit závČrku do objímky, kterou firma Thorlabs rovnČž nabízí. [9]

Obr. 1-9 ZávČrka Thorlabs SHB1 [9]

VWUDQD



$1$/é=$352%/e08$&Ë/35È&(

2 ANYLÝZA PROBLÉMU A CÍL PRÁCE



2.1 Formulace Ĝešeného problému a jeho analýza



V laboratoĜích Ústavu fyzikálního inženýrství FSI VUT v BrnČ je v souþasnosti používána jednotka pro výzkum vlastností dálkové laserové spektroskopie vzduchem. Konstrukþním návrhem této jednotky se zabýval ing. Michal Brada ve své diplomové práci. Jeho cílem bylo vytvoĜit kompaktní celek, který v sobČ obsahoval laserovou jednotku, fokusaþní optiku, sbČrný teleskop s optikou a vlastní spektrometr. To vše mČlo být souþástí zaĜízení, které umožĖovalo uživatelsky pĜívČtivé zamíĜení a zaostĜení paprsku na zkoumaný pĜedmČt. Navrhnutá jednotka je také pĜíležitostnČ využívána pro výzkum vlastností v externím prostĜedí mimo laboratoĜ. Zobrazovací jednotka byla Ĝešena pouze okrajovČ, a tak bylo zvoleno jednoduché Ĝešení propojení bČžného fotografického teleobjektivu a laboratorní CMOS kamery bČžnČ dostupnou redukcí. PĜipojení k jednotce a nastavení zajišĢuje fotografická stativová hlava. KonkrétnČ se jedná o teleobjektiv Canon EF 70-300mm f/4-5.6 IS USM se stabilizací obrazu, dále CMOS kamera DCC1645C od spoleþnosti Thorlabs, redukce C-mount na Canon EOS od firmy Baader a nakonec kulová stativová hlava Triopo RS-1. [7]

Obr. 2-1 Souþasné Ĝešení (zamČĜovací kamera je patrná vpravo) [7] VWUDQD



$1$/é=$352%/e08$&Ë/35È&(

Používáním tohoto zaĜízení bylo zjištČno, že stávající Ĝešení zobrazovací jednotky je nevyhovující, zejména kvĤli tČmto nedostatkĤm: • mnoho stupĖĤ volnosti kulové hlavy velice stČžuje nasmČrovat zamČĜovací kameru na místo, kam dopadá laserový paprsek, • nutnost pĜeostĜit pĜi každé zmČnČ ohniskové vzdálenosti svČdþí o tom, že použitá redukce nezachovává optimální FFD, • nutnost pĜed každým mČĜením zakrýt objektiv originální krytkou, kvĤli ochranČ CMOS þipu pĜed záĜením plazmatu. Hlavním požadavkem je tedy navrhnout jednotku zamČĜovací kamery, která bude jednoduše a pĜesnČ nastavitelná a která vhodnČ využije pĤvodního objektivu a snímací CMOS kamery, kterou bude zároveĖ chránit pĜed záĜením plazmatu.

2.2 Vymezení cílĤ práce Primárním cílem této bakaláĜské práce je konstrukþní návrh zamČĜovací jednotky, která bude souþástí mobilního zaĜízení pro dálkovou laserovou spektroskopii. Jelikož toto zaĜízení slouží k laboratorním a výzkumným úþelĤm a jedná se o samostatný exponát, není tĜeba uvažovat nad ekonomiþností sériové výroby. Návrh by mČl pĜedevším: • obsahovat souþasný objektiv a kameru ze stávajícího Ĝešení, • zajistit spojení objektivu se správnou vzdáleností mezi zobrazovacím þipem a bajonetem objektivu tak, aby nebylo nutné pĜeostĜovat pĜi zmČnČ ohniska, • zahrnovat použití elektronicky ovládané závČrky pro ochranu CMOS þipu • zajistit pĜipojení kamery ke stávající aparatuĜe a její jednoduché zamČĜení do bodu, kam míĜí laser. Vedlejší cíl zahrnuje tvorbu výkresové dokumentace, prĤvodní zprávy a rozbor možného dalšího použití a jiných úprav na zaĜízení.

2.3 Návrh metodického pĜístupu k Ĝešení Práce na projektu je rozdČlena do nČkolika fází. Jelikož je konstruování iteraþní proces, fáze se vČtšinou navzájem prolínají, nČkdy je dokonce nutné se v pokroþilém stádiu procesu vrátit témČĜ ke koĜenĤm a pozmČnit kritický uzel a na nČho navazující promČnné. První fáze je vČnována teoretickému zjištČní skuteþné FFD a z toho plynoucí tloušĢku redukce a její experimentální ovČĜení. V další fázi je tĜeba najít vhodnou závČrku s odpovídajícími parametry, tak aby se dala umístit do redukce. Z tohoto hlediska bude kritickým parametrem její tloušĢka. TĜetí fáze se zabývá návrhem nČkolika možností konstrukþního Ĝešení a výbČrem jednoho optimálního Ĝešení, ve kterém bude projekt pokraþovat. Poslední fáze je vČnována konstrukci, tvorbČ výkresové dokumentace a prĤvodní zprávy a je zde nastínČn smČr dalšího možného postupu pĜi vývoji.

VWUDQD



9$5,$17<.216758.ý1Ë+2ě(â(1Ë

3 VARIANTY KONSTRUKýNÍHO ěEŠENÍ



Kapitola je rozdČlena do dvou þástí. První þást popíše navržené varianty propojení objektivu se snímací kamerou, zatímco druhá þást se zamČĜí na problematiku umístČní a pĜipojení zamČĜovací jednotky ke stávajícímu zaĜízení.

3.1 Propojení objektivu a kamery, návrh redukce Pro spojení objektivu a snímací kamery je tĜeba zkonstruovat redukci. Pro správnou kompatibilitu s kamerou a objektivem musí být redukce na pĜední stranČ osazena vnitĜním bajonetem Canon EF, na stranČ zadní se jedná o vnČjší závitový bajonet CS-mount. Dále je tĜeba pĜi návrhu redukce dopĜedu poþítat s její délkou, tak aby byla zachována správná FFD. Bajonety Canon EF jsou konstruovány na FFD 44 mm, zatímco CS-mount používá FFD o velikosti 12,5 mm. StČžejní je dodržet FFD použitého objektivu, z þehož plyne, že délka redukce musí být 31,5 mm. Také vnitĜní prĤmČr redukce musí být dostateþný na umístČní závČrky. 3.1.1 Varianta redukce A Návrh této varianty je možno vidČt na Obr. 3-1. Jako tČlo redukce (a) je použita jednoduchá holá trubka, osoustružená na požadované rozmČry. Bajonet Canon EF (b) je také zhotoven podle vlastní výkresové dokumentace, která vychází z mČĜených hodnot originálního bajonetu. Zadní deska s bajonetem CS-mount je rozložena na dva díly. Prvním je zadní kryt se závitovým otvorem (d), závit má rozmČry podle bajonetu CS-mount. Kryt je opatĜen tĜemi podlouhlými otvory pro šrouby, každý o úhlové délce 100°. Tímto je zajištČno nastavení v rozmezí 300°. Druhý díl tvoĜí oboustranná redukce s vnČjšími závity CS-mount (c). ZávČrka (e) je v tomto pĜípadČ pĜišroubována k zadnímu krytu pomocí tĜí šroubĤ.





Obr. 3-1 Varianta redukce A

VWUDQD



9$5,$17<.216758.ý1Ë+2ě(â(1Ë

Výhody varianty: • jednoduchost výroby tČla a zadního krytu, • využití zakoupené oboustranné redukce CS-mount. Nevýhody varianty: • složitost výroby bajonetu Canon EF, • nutnost použití více dílĤ, což s sebou pĜináší zvýšenou nepĜesnost, • chybí 60° pro nastavení požadované polohy 3.1.2 Varianta redukce B Ve druhé variantČ návrhu redukce, která je patrná na Obr. 3-2, je tČlo (a) jednotky o poznání þlenitČjší. PĜedevším zde najdeme osazení pro závČrku (d), ke kterému je tato pĜišroubována pomocí þtyĜ šroubĤ. Další osazení je zde pro pĜesné umístČní zadní desky (c), která je v tomto pĜípadČ soustružen z jednoho kusu a po obvodu je vysoustružena V-drážka, díky které se mĤže zadní deska zajistit pomocí tĜí stavČcích šroubĤ v plném rozsahu 360°. Dále je zde použit originální bajonet Canon EF (b) z vyĜazeného kinofilmového fotoaparátu, který poskytla firma AWH Servis. Poslední þástí, která na pĜedchozí variantČ chybí, je pojistka (e). Tato je vytlaþována proti objektivu tlaþnou pružinou. Výhody varianty: • použití originálního bajonetu Canon EF, což znaþnČ zvýší pĜesnost, • možnost natoþení zadního þlenu v plném rozsahu 360°, • menší poþet použitých þlenĤ opČt zvýší výslednou pĜesnost. Nevýhody varianty: • složitČjší obrábČní zadního þlenu.

Obr. 3-2 Varianta redukce B VWUDQD



9$5,$17<.216758.ý1Ë+2ě(â(1Ë

3.2 PĜipojení k mČĜícímu zaĜízení Dalším úkolem je pĜipojit zamČĜovací kameru ke stávající mČĜící jednotce. Toto spojení musí v první ĜadČ zaruþit pĜesné zacílení zkoumaného vzorku, z þehož plyne, že musí být zajištČna pĜesná kalibrace. 3.2.1 Varianta pĜipojení A První varianta pĜipojení, kterou lze vidČt na Obr. 3-3, má následující konstrukci. Pro pĜipojení k jednotce slouží základová deska (a), která využívá již osazených dČr pro þtyĜi šrouby M8. Na pĤvodní jednotce jsou použity šrouby M8x40 s válcovou hlavou s vnitĜním šestihranem, které bude potĜeba vymČnit za šrouby M8x50 se zápustnou hlavou s vnitĜním šestihranem. Druhou hlavní þástí je polohovací celek, který se skládá ze stavČcí plotny (b), redukce (f) a distanþního þlenu mezi nimi. Spojení základové desky a polohovacího celku tvoĜí pĜítlaþná sestava (e). Tato je tvoĜena šroubem s nákružkem, který se šroubuje do základové desky, ke které pĜes distanþní pružinu a kulovou podložku pĜitlaþuje polohovací celek. Pro pĜesné natáþení kolem osy pĜítlaþného šroubu slouží stavČcí šroub (c), pro nastavování ostatních smČrĤ slouží skupina tĜí stavČcích šroubĤ (d) na stavČcí plotnČ.





Obr. 3-3 Varianta pĜipojení A

Výhody varianty: • Jednoduché Ĝešení za použití bČžnČ dostupných souþástí, • po úvodní kalibraci snadná zmČna úhlu podle vzdálenosti vzorku, • využití stávajících pĜipojovacích otvorĤ. Nevýhody varianty: • Nutnost mČnit úhel sevĜení pĜi zmČnČ vzdálenosti mČĜení.

VWUDQD



9$5,$17<.216758.ý1Ë+2ě(â(1Ë

3.2.2 Varianta pĜipojení B Tato varianta je od pĜedchozí naprosto odlišná a je patrná z Obr. 3-4. Jednotka zamČĜovací kamery (a) je zde napevno uchycená k pohyblivé þásti mČĜícího zaĜízení, konkrétnČ ke sbČrnému teleskopu (b). Pro pĜivedení obrazu do kamery slouží soustava rovinných zrcátek (c) použitá ve stávajícím zaĜízení pro pĜivedení laserového paprsku do osy teleskopu. Do této soustavy je vloženo jednosmČrné zrcátko (d), laserový paprsek (e) tak zrcátkem projde, zatímco snímaný obraz (f) z druhé strany se odrazí do objektivu. Jelikož je zamČĜovací jednotka pevnČ spojena s teleskopem, kalibrace se provádí na jednosmČrném zrcátku pomocí kinematického držáku firmy Thorlabs. Po kalibraci není tĜeba jednotku pĜestavovat, neboĢ obraz pĜichází z osy teleskopu. Výhody varianty: • Obraz je veden z osy objektivu, a tak není potĜeba jednotku pĜestavovat na rĤzné vzdálenosti, • Jednodušší konstrukce. Nevýhody varianty: • Vysoké cenové náklady (kinematický držák, jednosmČrné zrcátko), • ztráta malé þásti energie laserového paprsku pĜi prĤchodu zrcátkem.

Obr. 3-4 Varianta pĜipojení B

VWUDQD



9$5,$17<.216758.ý1Ë+2ě(â(1Ë

3.3 Elektronické závČrky



3.3.1 ZávČrka Melles Griot 04UTS218 ZávČrka Melles Griot vychází z jejich Ĝady ultra tenkých elektronických závČrek, optimalizovaných pro OEM aplikace. ZávČrka disponuje malými zástavbovými rozmČry o prĤmČru 57,8 mm a nejvČtší tloušĢce 13,6 mm, kterou zbyteþnČ navyšuje vyþnívající aktuátor. Finanþní náklady þiní € 325,- (cca 8400,- Kþ).



3.3.2 ZávČrka Uniblitz DSS25 Tuto závČrku vyvinula firma Uniblitz speciálnČ na pĜání svých zákazníkĤ, kde hlavním požadavkem byly co nejmenší zástavbové rozmČry. To splĖuje prĤmČr 57,2 mm a konstantní tloušĢka pouhých 5,1 mm. Cena závČrky je $ 420,- (cca 8300,- Kþ).



3.3.3 ZávČrka Thorlabs SHB1 ZávČrka sama o sobČ má kompaktní rozmČry (prĤmČr 57,2 mm a konstantní tloušĢku 9,7 mm), bohužel je nabízena pouze v kombinaci s objemnČjší Ĝídící jednotkou, což se projevuje i na vyšší cenČ € 739,5 (cca 19 100,- Kþ).



3.4 VýbČr optimálního konstrukþního Ĝešení



Po diskuzi s vedoucím práce, zvážením všech kladĤ a záporĤ jednotlivých variant, byla s ohledem na použití vybrána varianta redukce B spolu s variantou pĜipojení A. Varianta redukce B je zvolena z následujících dĤvodĤ. Jednotka LIBS je v souþasnosti používána pouze pro výzkumné úþely a nepoþítá se s jejím zaĜazením do sériové výroby, a proto si mĤžeme dovolit použít originální bajonet Canon EF z vyĜazeného fotografického pĜístroje. Po konzultaci s obrábČcím technikem byla také ponechána ve variantČ B zadní deska tak, jak je zobrazena na Obr. 3-2 (c). U této se nejprve uvažovalo s nahrazením z varianty A nebo s rozebráním dĜíve používané redukce C-mount na Canon EOS od firmy Baader a použitím jejího zadního þlenu. Po konzultaci s obrábČcím technikem bylo rozhodnuto ponechat Ĝešení podle varianty B a zadní þlen vyrobit. Také použití profilovaného tČla je velice výhodné a zvýší výslednou pĜesnost. V redukci je použitá závČrka firmy Uniblitz DSS25, jež byla vybrána pro své kompaktní zástavbové rozmČry, þistý design, energetickou nenároþnost a cenu. Varianta pĜipojení A je zvolena s ohledem na druh použití. Jednotka je používána pĜevážnČ v laboratoĜi na konstantní vzdálenost a tuto je jen zĜídka potĜeba mČnit. Proto není potĜeba získávat obraz z osy teleskopu, kde je použití jednosmČrného zrcátka navíc pĜíliš nákladné.

VWUDQD



237,0È/1Ë.216758.ý1Ëě(â(1Ë

4 OPTIMÁLNÍ KONSTRUKýNÍ ěEŠENÍ



Následující kapitola se vČnuje detailnČjšímu popisu výše vybraného konstrukþního Ĝešení, jeho podrobnČjšímu návrhu a nČkolika hlavním výpoþtĤm, jako výpoþet zobrazované plochy, silovému rozboru, výpoþtu tuhosti pĜítlaþné pružiny atd.

4.1 Konstrukþní návrh



Obr. 4-1 Celkový pohled

Hlavními þástmi výsledné konstrukce jsou objektiv (a), redukce (b), CMOS kamera (c), stavČcí deska (d) a základová deska (e) (Obr. 4-1). UspoĜádání redukce již bylo popsáno v kapitole 3.1.2, to stejné platí i o pĜipojení, jež je popsáno v kapitole 3.2.1. Celková montáž poté vypadá následovnČ. K redukci je zepĜedu pĜipojen objektiv Canon EF 70-300mm f/4-5,6 IS USM, zezadu je poté našroubována zobrazovací CMOS kamera Thorlabs DCC1645C. Redukce je napevno uchycena ke stavČcí plotnČ (e), která je podle Obr. 4-2 pĜitlaþována k základové desce (b). PĜítlaþnou sílu obstarávají hned dva þleny. Prvním þlenem je pĜítlaþný šroub s nákružkem (a), který je zašroubován do základové desky a pĜes distanþní trubiþku (c) a kulovou podložku (d) pĜitlaþuje stavČcí plotnu. Pro zachování pĜítlaþné síly i pĜi povolení šroubu je zde tlaþná pružina (f). Ustavení polohy je zajišĢováno pomocí þtyĜ stavČcích šroubĤ. Všechny tyto šrouby mají rozmČr M3x0,25 pĜi délce 12 mm, styk je zajištČn kalenou ocelovou kuliþkou a hlava je osazena vnitĜním šestihranem. Nabízí je firma Thorlabs spoleþnČ s bronzovými lisovacími pouzdry, které jsou v návrhu též použity. Pro pĜipojení sestavy zamČĜovací jednotky k mČĜicímu zaĜízení slouží þtyĜi díry pro šrouby M8 se zapuštČnou hlavou.

VWUDQD



237,0È/1Ë.216758.ý1Ëě(â(1Ë

Obr. 4-2 PĜítlaþný šroub s pružinou

4.2 Kalibrace a zmČna pracovní vzdálenosti

Obr. 4-3 Justaþní šrouby pro kalibraci

Kalibrace se provádí již výše zmínČnými justaþními šrouby M3x0,25 firmy Thorlabs. Natavení se provádí pomocí šroubĤ (a), (b) a (c) z Obr. 4-3, kde se pomocí tČchto šroubĤ nastaví osa objektivu tak, aby pĜi zmČnČ úhlu šroubem (d) ležela stále v jedné rovinČ s osou teleskopu. Šroubem (d) se poté nastavuje úhel naklopení a tím i pracovní vzdálenost. PrimárnČ se zaĜízení nastaví na pracovní vzdálenost 6 m a v pĜípadČ potĜeby zmČnit pracovní vzdálenost se otoþí šroubem (d) proti smČru hodinových VWUDQD



237,0È/1Ë.216758.ý1Ëě(â(1Ë

ruþiþek o poþet otáþek dle Tab. 4-1. Po dokonþení nastavení se jemnČ dotáhne šroub (e) pro vymezení pružné vĤle. Tab. 4-1 Poþet otáþek šroubu pĜi zmČnČ pracovní vzdálenosti ze šesti metrĤ

Pracovní vzdálenost [m]

6

7

8

9

10

11

12

13

Poþet otáþek stavČcího šroubu

0,00

0,78

1,37

1,83

2,19

2,49

2,74

2,95

Pracovní vzdálenost [m]

14

15

16

17

18

19

20

Poþet otáþek stavČcího šroubu

3,13

3,29

3,43

3,55

3,66

3,75

3,84

4.3 Výpoþet rozmČrĤ zobrazované plochy



Obr. 4-4 Schéma zobrazované a promítnuté úhlopĜíþky; uf-úhlopĜíþka zobrazovacího þipu, uz-úhlopĜíþka zobrazované plochy, lf-ohnisková vzdálenost, lz-pracovní vzdálenost

Pro výpoþet úhlopĜíþek poslouží schéma na Obr. 4-4. Podle nČho dosadíme do jednoduchého vzorce (4.1) a hodnoty zobrazíme v tabulce pro rĤzné kombinace mČĜených a ohniskových vzdáleností. Do rovnice se zanáší hodnoty uf = 5,9 mm, lf = (70..300) mm, lz = (6..20) m. ௟

‫ݑ‬௭ ൌ ‫ݑ‬௙ ή ௟೥

೑

(4.1)

Z Tab. 4-2 jsou patrné rozmČry úhlopĜíþek zobrazovaných ploch, které se pĜi pĜepoþtu na rozmČry stran s pomČrem 5:4 pohybují od 88x70 mm pĜi pracovní vzdálenosti 6 m a ohniskové vzdálenosti 300 mm a po 1312x1050 mm pĜi pracovní vzdálenosti 20 m a ohnisku 70 mm. Z této tabulky je také patrné, že pĜijatelnČ velkou zobrazovanou plochu o rozmČrech 350x280 mm, þemuž odpovídá úhlopĜíþka pĜibližnČ 450 mm, jsme schopni získat pĜi všech pracovních vzdálenostech.

VWUDQD



237,0È/1Ë.216758.ý1Ëě(â(1Ë

Tab. 4-2 ÚhlopĜíþky zobrazované vzdálenosti pĜi rĤzných kombinacích ohniskové a pracovní vzdálenosti

KŚŶŝƐŬŽǀĄǀnjĚĄůĞŶŽƐƚ;ƵĨ΀ŵŵ΁Ϳ

ƉƌĂĐŽǀŶşǀnjĚĄůĞŶŽƐƚ ;ůnj΀ŵ΁Ϳ

Ƶnj΀ŵŵ΁ ϳϬ

ϭϬϬ

ϭϱϬ

ϮϬϬ

ϮϱϬ

ϯϬϬ

ϲ

ϰϵϵ͕ϴϭ

ϯϰϴ͕ϭϬ

ϮϯϬ͕ϭϬ

ϭϳϭ͕ϭϬ

ϭϯϱ͕ϳϬ

ϭϭϮ͕ϭϬ

ϵ

ϳϱϮ͕ϲϳ

ϱϮϱ͕ϭϬ

ϯϰϴ͕ϭϬ

Ϯϱϵ͕ϲϬ

ϮϬϲ͕ϱϬ

ϭϳϭ͕ϭϬ

ϭϮ

ϭϬϬϱ͕ϱϯ

ϳϬϮ͕ϭϬ

ϰϲϲ͕ϭϬ

ϯϰϴ͕ϭϬ

Ϯϳϳ͕ϯϬ

ϮϯϬ͕ϭϬ

ϭϲ

ϭϯϰϮ͕ϲϳ

ϵϯϴ͕ϭϬ

ϲϮϯ͕ϰϯ

ϰϲϲ͕ϭϬ

ϯϳϭ͕ϳϬ

ϯϬϴ͕ϳϳ

ϮϬ

ϭϲϳϵ͕ϴϭ

ϭϭϳϰ͕ϭϬ

ϳϴϬ͕ϳϳ

ϱϴϰ͕ϭϬ

ϰϲϲ͕ϭϬ

ϯϴϳ͕ϰϯ

4.4 Silový rozbor 4.4.1

Výpoþet tuhosti pružiny

Obr. 4-5 Silový rozbor

Známé parametry: Fg = 9,7 N; l = 89,7 mm; h = 52,8 mm; r = 35 mm; Į = 60°. Rovnice statické rovnováhy: σ ‫ܨ‬௫ ൌ Ͳǣ‫ܨ‬௣ െ ‫ܨ‬ଶ െ ‫ܨ‬ଷ െ ‫ܨ‬ସ ൌ Ͳ σ ‫ܨ‬௬ ൌ Ͳǣ‫ܨ‬௢ଶ ൌ Ͳ σ ‫ܨ‬௭ ൌ Ͳǣ‫ܨ‬௢ଵ െ ‫ܨ‬ଵ െ ‫ܨ‬௚ ൌ Ͳ σ ‫ܯ‬஺௫ ൌ Ͳǣ‫ܨ‬ଵ ή ‫ ݎ‬െ ‫ܨ‬௚ ή ݈ ൌ Ͳ σ ‫ܯ‬஺௬ ൌ Ͳǣ‫ܨ‬௚ ή ݄ ൅ ‫ܨ‬ଷ ή ‫ ݎ‬ή •‹ ߙ െ ‫ܨ‬ସ ή ‫ ݎ‬ή •‹ ߙ ൌ Ͳ σ ‫ܯ‬஺௭ ൌ Ͳǣ‫ܨ‬ଶ ή ‫ ݎ‬െ ‫ܨ‬ଷ ή ‫ ݎ‬ή …‘• ߙ െ ‫ܨ‬ସ ή ‫ ݎ‬ή …‘• ߙ ൌ Ͳ Neznámé parametry: {F1, F2, F3, F4, Fp, Fo1, Fo2}.

VWUDQD



(4.2) (4.3) (4.4) (4.5) (4.6) (4.7)

237,0È/1Ë.216758.ý1Ëě(â(1Ë

Úloha je jedenkrát staticky neurþitá, neboĢ je sedm neznámých parametrĤ a pouze šest rovnic statické rovnováhy. Z Obr. 4-5 je patrné, že síla F3 bude nejmenší a proto pro ni mohu stanovit poþáteþní pĜedpoklad ‫ܨ‬ଷ ൐ Ͳǡ aby byl zachován kontakt mezi stavČcím šroubem a podložkou. Z rovnic (4.2), (4.6) a (4.7) vyjádĜím: ‫ܨ‬ଷ ൌ ݂ሺ‫ܨ‬௣ ሻ ൐ Ͳ.

(4.8)

Po úpravách vypadá rovnice následovnČ: ‫ܨ‬ଷ ൌ Po dosazení:

ி೛

ଶήሺଵାୡ୭ୱ ఈሻ

ி೒ ή௛

െ ଶή௥ήୱ୧୬ ఈ ൐ Ͳ,

௛ ଵାୡ୭ୱ ఈ

‫ܨ‬௣ ൐ ‫ܨ‬௚ ή ௥ ή

ୱ୧୬ ఈ

.

(4.9) (4.10)

‫ܨ‬௣ ൐ ʹͷǡ͵ͶͷܰǤ

Výsledkem je minimální síla pružiny, pĜi které ještČ nedojde ke ztrátČ kontaktu mezi stavČcím šroubem a opČrnou podložkou. Tato síla musí být zaruþena i pĜi povolení pĜítlaþného šroubu o cca 3 mm pĜi kalibraci. Z toho plyne, že tato minimální síla je požadována pĜi pracovní délce pružiny cca 13 mm. Na základČ tČchto údajĤ je vybrána nejbližší silnČjší pružina, aby nedocházelo ke zbyteþnému pĜetČžování stavČcích šroubĤ. Jako vhodná se jeví pružina C.150.125.0250.I nabízená firmou Vanel. 4.4.2 Kontrola zatížení stavČcích šroubĤ Thorlabs Další výpoþtovou þástí je kontrola únosnosti justaþních šroubĤ. Výpoþet zaþíná stanovením potenciálních kritických sil. TČmito jsou síly F1 a F4 z Obr. 4-5. Sílu F1 vypoþteme snadno z rovnice (4.5) a sílu F4 stanovíme z rovnic (4.2), (4.6) a (4.7). Kritická velikost síly F4 se poþítá pĜi dotažení pĜítlaþného šroubu. Z toho plyne, že zatČžovací síla Fp je rovna souþtu síly pružiny pĜi pracovní délce 10 mm a síly sevĜení pĜítlaþného šroubu. Výsledky jsou:



‫ܨ‬ଵ ൌ ʹͶǡͻܰǢ ‫ܨ‬ସ ൌ ʹͳǡͺܰǤ

Firma Thorlabs garantuje pĜípustné zatížení šroubu až do hodnoty ‫ܨ‬௠௔௫ ൌ ͺͷܰ. Koeficient bezpeþnosti pro únosnost stavČcích šroubĤ je tudíž ݇௦ ൌ ͵ǡͶ.

VWUDQD



237,0È/1Ë.216758.ý1Ëě(â(1Ë

4.4.3 HertzĤv tlak PĜi kontrole napČtí v dotyku mezi kuliþkou a stykovou plochou podle Hertzovy teorie se vychází z následujícího vzorce:

‫݌‬௠௔௫ ൌ

య

ඥ଺ήிభ గ

ή൭

మ భషഋమ భ ାభషഋమ ಶభ ಶమ భ భ ା ೃభ ೃమ

Pro dotyk ocelové kuliþky a ocelové plochy platí:

൱

మ య

(4.11)

‫ܨ‬ଵ ൌ ʹͶǡͻܰǢߤଵ ൌ ߤଶ ൌ Ͳǡ͵Ǣ‫ܧ‬ଵ ൌ ‫ܧ‬ଶ ൌ ʹͲͲ‫ܽܲܩ‬Ǣܴଵ ൌ ͹ǡͷ݉݉Ǣܴଶ ൌ λ

Po dosazení parametrĤ do rovnice (4.11) získáme hodnotu ‫݌‬௠௔௫ ൌ Ͷ͸ͻͶ‫ܽܲܯ‬. Tato hodnota je zároveĖ hodnotou tlakového napČtí tČsnČ pod povrchem. Je patrné, že hodnota v Ĝádech jednotek GPa je pĜíliš velká i pĜi zatížení tĜetinovou silou oproti síle dovolené. Toto je zpĤsobeno velice malým polomČrem kuliþky. Firma Thorlabs patrnČ pĜipouští deformaci kuliþky, na které se vytvoĜí malá dosedací ploška, která se již dále nezvČtšuje. PrĤmČr deformované plošky se zjistí ze vzorce:

య

ܽൌඪ

ͳ െ ߤଶ ͳ െ ߤଶ ͵ ή ‫ܨ‬ଵ ή ൬ ‫ ܧ‬ଵ ൅ ‫ ܧ‬ଶ ൰ ଵ

ͳ ͳ ͺ ή ቀܴ ൅ ܴ ቁ ଵ ଶ

ଶ

Výsledkem je hodnota ܽ ൌ ͲǡͲͷ݉݉. [16]

4.5 PĜedpokládaný cenový rozpoþet V Tab. 4-3 se nachází pĜehled jednotlivých komponent s jejich cenami. Výsledná cena je pĜibližnČ 10 000 Kþ. Její pĜevážnou þást tvoĜí cena závČrky. Dalším významným prvkem jsou komponenty od firmy Thorlabs, ceny ostatních položek jsou oproti výsledné cenČ minimální. Cena za obrábČcí práce není uvažována, neboĢ tyto budou realizovány v dílnách ÚFI VUT Brno. Tab. 4-3 Cenový rozpoþet

Komponenta ZávČrka Uniblitz DSS25 Duralové souþásti Adjustaþní šrouby Thorlabs s lisovacími bronzovými vložkami Pružiny Spojovací materiál Celkem

VWUDQD



Cena (Kþ) 8 300,200,1 200,100,150,9 950,-

',6.8=(

5 DISKUZE



Z konstrukþního hlediska je zadání splnČno. ZamČĜovací jednotka: • obsahuje již dĜíve použitý objektiv Canon a CMOS kameru Thorlabs, • zachovává FFD objektivu Canon, • obsahuje elektronicky ovládanou závČrku Uniblitz, • umožĖuje pĜipojení ke stávající aparatuĜe, • je snadno a hlavnČ pĜesnČ nastavitelná, • umožĖuje snadné pĜestavení pĜi zmČnČ pracovní vzdálenosti. Hlavním problémem pĜi Ĝešení úkolu byla FFD neodpovídající teoretickému výpoþtu. PĜi sestavení pokusného modelu podle teoreticky získaných rozmČru jsme stále nebyli schopni mČnit ohniskovou vzdálenost, aniž bychom museli pĜeostĜit. Problém s chybnou FFD potvrdilo i kontrolní mČĜení za použití jedné z funkcí profilometru v tribologické laboratoĜi na Ústavu konstruování. Tato vzdálenost by mČla být 12,5 mm, ovšem v našem pĜípadČ byla pĜibližnČ o 0,5 mm kratší, což zpĤsobilo rozostĜení pĜi zmČnČ ohniskové vzdálenosti. Tuto vadu se podaĜilo odstranit jednoduchým pĜestavením adjustaþní objímky kamery. Po této úpravČ již bylo vše v poĜádku a pĜi zmČnČ ohniska nebylo nutno pĜeostĜovat. V kapitole 4.3 jsem zjistil rozmČry zobrazovaných ploch pĜi rĤzných kombinacích pracovních a ohniskových vzdáleností a z Tab. 4-1 je patrné, že jsme schopni získat zobrazovanou plochu o rozmČrech 350x280 mm pro libovolnou kombinaci tČchto vzdáleností. V silovém rozboru je z rovnic statické rovnováhy a poþáteþní podmínky spoþítána síla pĜítlaþné pružiny. Z této síly jsou vyjádĜena zatížení v kritických místech. Únosnost šroubĤ podle mezní hodnoty výrobce je zajištČna. Tato mezní hodnota je 85 N, zatímco nejvíce namáhaný šroub je zatížen silou 24,9 N. Koeficient bezpeþnosti tak vychází ݇௦ ൌ ͵ǡͶ. U výpoþtu kontaktního tlaku podle Hertzovy teorie už výsledek není tak uspokojivý. Kontaktní napČtí zde vyšlo v Ĝádu jednotek GPa, což dávám za vinu malému polomČru kuliþky, kterou jsou šrouby osazeny. Firma Thorlabs zde patrnČ pĜipouští trvalou deformaci kuliþky a dosedací plošky. PrĤmČr deformované kontaktní plošky je 0,05 mm, což je opravdu zanedbatelná hodnota. PĜedpokládaná cenová nároþnost vychází tČsnČ pod hranicí 10 000,- Kþ, pĜiþemž pĜevážnou þást tvoĜí elektronická závČrka s cenou 8 300,- Kþ.

VWUDQD



=È9ċ5

6 ZÁVċR



PĜi Ĝešení tohoto bakaláĜského projektu konstrukþního zamČĜení byly splnČny všechny hlavní i vedlejší cíle. Výsledný konstrukþní návrh splĖuje požadavky zadání a umožĖuje navíc zmČnu pracovní vzdálenosti. V rozsahu této práce se uvažuje s intervalem pracovních vzdáleností od šesti do dvaceti metrĤ, což je pro bČžné mČĜení a zkoušky vlastností dostaþujících. Nastavit zaĜízení pro extrémní vzdálenosti (100 i více metrĤ) je možné, úhel naklopení se ovšem musí dodateþnČ dopoþítat. V první fázi projektu probíhaly konzultace s vedoucím práce, pĜi kterých jsme jasnČ stanovili požadavky na výsledný návrh. Také jsem si rozšíĜil znalosti v oblasti spektroskopie, objektivĤ, fotografických pĜístrojĤ a optiky obecnČ. V další fázi byla provedena mČĜení pro zjištČní FFD kamery, tČžištČ objektivu, váhy elektronické závČrky atd. NáslednČ bylo vymodelováno nČkolik variant a z nich vybrána optimální, která se dále rozvíjela v konstrukþním návrhu. Nakonec bylo provedeno nČkolik výpoþtĤ pro správné dimenzování souþástí, popĜípadČ jejich kontrolu. Na základČ konstrukþního návrhu bude vyroben prototyp zamČĜovací jednotky, na kterém se budou testovat jeho vlastnosti a pĜípadné nedostatky. Znalosti z tČchto mČĜení se použijí pĜi konstrukci další zamČĜovací jednotky, která bude použita na zaĜízení Remote LIBS v rámci probíhajícího projektu. Toto zaĜízení je navrhováno jako plnČ mobilní jednotka pro mČĜení pomocí dálkové laserové spektroskopie v terénu. Pracovní vzdálenost od vzorku se tak bude lišit témČĜ pĜi každém mČĜení, a proto navrhuji použití elektromechanických prvkĤ pro plynulou a pĜesnou zmČnu úhlu mezi osou objektivu a teleskopu a také pro zmČnu ohniskové vzdálenosti. Dále bych využil možnosti objektivu, jež disponuje vlastním motorkem pro ostĜení a kontakty vyvedl do základní Ĝídící jednotky.

VWUDQD



%,%/,2*5$),(

7 BIBLIOGRAFIE [1] NOVOTNÝ, K. et al. Spektroskopie laserem buzeného plazmatu (LIBS). ýeskoslovenský þasopis pro fyziku, 2010, vol. 60, no. 4-5, p. 280-285. [2] Cold Steel: The History of the Bayonet. BBC. BBC: News [online]. 2002 [cit. 2013-04-24]. Dostupné z: http://news.bbc.co.uk/dna/place-lancashire/plain/A847532. [3] NOVOTNÝ, J. et al. Vývoj mobilní aparatury pro dálkovou laserovou spektroskopii: laboratorní sestava. Jemná mechanika a optika. 2009, vol. 54. no. 7-8. p. 200203. [4] MARTIŠOVITŠ, Viktor. Základy fyziky plazmy: uþebný text pre magisterské štúdium. 1. vyd. Bratislava: Univerzita Komenského, 2006, 189 s. ISBN 80-2231983-X. [5] CVI LASER OPTICS AND MELLES GRIOT. CVI Laser Optics and Melles Griot: UltraThin Electronic Shutters [online]. Albuquerque (NM), © 2000-2013 [cit. 2013-05-03]. Dostupné z: https://www.cvimellesgriot.com/Products/UltraThin-Electronic-Shutters.aspx. [6] FORTES, F. J.; LASERNA, J. J. The development of fieldable laser-induced breakdown spectrometer: No limits on the horizon. Spectrochimica Acta Part B-Atomic Spectroscopy. 2010, vol. 65, no. 12, p. 975-990 [7] BRADA, M. Polohovací jednotka pro laserovou spektroskopii. Brno: Vysoké uþení technické v BrnČ, Fakulta strojního inženýrství, 2012. 74 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Daniel Koutný, Ph.D. [8] VINCENT ASSOCIATEC. Uniblitz: Shutter Systems [online]. Rochester (NY), © 2013 [cit. 2013-05-03]. Dostupné z: http://www.uniblitz.com/product/product.aspx?productName=DSS25&housing=B1 &bfID=1&mount=&so=&hto=&tab=0&NL=No&ESS=No&EC=No. [9] THORLABS, Inc. Thorlabs: Diaphragm Shutter with Controller [online]. Newton (NJ), © 1999 - 2013 [cit. 2013-05-03]. Dostupné z: http://www.thorlabs.de/NewGroupPage9.cfm?ObjectGroup_ID=6619. [10] TOMÁŠEK, Z. Fotografické pĜístroje. 3. aktualizované vyd. Praha: Merkur, 1985, 251 s. [11] LEITAX. Zeiss Contax Planar 85/1.4 [online]. 2012 [cit. 2013-05-16]. Dostupné z: http://www.leitax.com/conversion/contax/Planar_8514/. [12] WEST YORKSHIRE CAMERAS. Praktica LLC body only Black [online]. © 2012 [cit. 2013-05-16]. Dostupné z: http://wycameras.com/shop/praktica-llc-body-only-black/.

VWUDQD



%,%/,2*5$),(

[13] MIKE'S PRAKTICA HOME. Praktica MTL 3 cut model [online]. © 1998 2010 [cit. 2013-05-16]. Dostupné z: http://www.praktica-collector.de/200_Praktica_MTL3cut%20model.htm. [14] DIGITAL PHOTOGRAPHY REVIEW. Mount.jpg [online]. © 2008 [cit. 201305-16]. Dostupné z: http://a.img-dpreview.com/lensreviews/nikon_50_1p4_n15/Images/mount.jpg. [15] BAADER. T2- und C-Mount Adapters [online]. © 2010 [cit. 2013-05-16]. Dostupné z: http://www.baader-planetarium.de/sektion/s17a/s17a.htm. [16] SHIGLEY, J. E, MISCHKE, Ch. R, BUDYNAS, R. G. Konstruování strojních souþástí. Brno: VUTIUM, 2008. 1300 s. ISBN 978-80-214-2629-0.

VWUDQD



6(=1$0328ä,7é&+=.5$7(.6<0%2/ģ$9(/,ý,1

8 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK, SYMBOLģ A VELIýIN ᢌ q= q5 z= z5 z7 z8 z| z#= z#5 zc y o m mi m‚ cak€ d …= …5 ti t‚ Š µ1 µ2

VWUDQD



`aab `rskb `rskb `{b `{b `{b `{b `{b `{b `{b `{b `aab `b `aab `aab `ab `ƒskb `aab `aab `aab `aab `aab `‹b [-] [-]

cdeafdghi#da#jk lcm#nop a#gtmcdtu #votmwop a#gtmcdtu #vg#hgk"xcm#"yp xmk= xmk5 xmk7 xmk8 vxy#j}xmk xmkce#~x"x k#tcxvmkw ly#nd#t~t= xmkce#~x"x k#tcxvmkw ly#nd#t~t5 cxvmkw }xmk dkah #xmpz|j#h€ #tw vhm~h‚chw #v‚kvxuh xvkjf"xy#nd#t~t dkah #xmpz|j#hp #y o#j}j‚g}mh #v cdk"#j xj‚g}mh #v ak€a}m xvmkoc#gmh„hdv‚h dkah #ce#~h xmvkjf"x"ynd#t~e c#m#afdoj#votmwop c#m#afdoj#vg#hgk"xcm#"yp †ym#cxwok‡ƒˆ‰wct †ym#cxwok‚#~dk‚#jk l#~mkv d#‚vhw Œ†yhmnd#t~e Poissonova konstanta kuliþky Poissonova konstanta dosedací plochy

6(=1$02%5È=.ģ$*5$)ģ

9 SEZNAM OBRÁZKģ A GRAFģ Obr. 1-1 Sestava s teleskopem pro dálkovou laserovou spektroskopii [1] Obr. 1-2 Bajonet se závitem M42 [11] Obr. 1-3 TČlo fotoaparátu s bajonetem M42 s kontakty [12] Obr. 1-4 Bajonet Nikon s tvarovými prvky a kontakty [14] Obr. 1-5 Flange focal distance (FFD) (Založeno na [13]) Obr. 1-6 Redukce Canon EOS na CS-mount [15] Obr. 1-7 ZávČrky Melles Griot UTS [5] Obr. 1-8 ZávČrka Uniblitz DSS25 [8] Obr. 1-9 ZávČrka Thorlabs SHB1 [9] Obr. 2-1 Souþasné Ĝešení (zamČĜovací kamera je patrná vpravo) [7] Obr. 3-1 Varianta redukce A Obr. 3-2 Varianta redukce B Obr. 3-3 Varianta pĜipojení A Obr. 3-4 Varianta pĜipojení B Obr. 4-1 Celkový pohled Obr. 4-2 PĜítlaþný šroub s pružinou Obr. 4-3 Justaþní šrouby pro kalibraci Obr. 4-4 Schéma zobrazované a promítnuté úhlopĜíþky; uf-úhlopĜíþka zobrazovacího þipu, uz-úhlopĜíþka zobrazované plochy, lf-ohnisková vzdálenost, lz-pracovní vzdálenost Obr. 4-5 Silový rozbor



15 17 18 18 19 20 21 21 22 23 25 26 27 28 31 32 32

33 34

VWUDQD



6(=1$07$%8/(.

10 SEZNAM TABULEK Tab. 4-1 Poþet otáþek šroubu pĜi zmČnČ pracovní vzdálenosti ze šesti metrĤ Tab. 4-2 ÚhlopĜíþky zobrazované vzdálenosti pĜi rĤzných kombinacích ohniskové a pracovní vzdálenosti Tab. 4-3 Cenový rozpoþet

VWUDQD



33 34 36

6(=1$03ěË/2+

11 SEZNAM PěÍLOH



11.1 Výkresová dokumentace Název výkresu ZamČĜovací jednotka Redukce Bajonet Canon Bajonet CS-mount Objímka Pojistka Páka pojistky ýep pojistky Distanþní þlen StavČcí plotna Podložka A Základová deska ýlen stav. šroubu Podložka B Distanþní trubiþka

ýíslo výkresu A2-TC-00 A3-TC-00/01 A4-TC-00/01/01 A3-TC-00/01/02 A3-TC-00/01/03 A4-TC-00/01/04 A4-TC-00/01/04/01 A4-TC-00/01/04/02 A4-TC-00/02 A3-TC-00/03 A4-TC-00/04 A3-TC-00/05 A4-TC-00/06 A4-TC-00/07 A4-TC-00/08

Formát A2 A3 A4 A3 A3 A4 A4 A4 A4 A3 A4 A3 A4 A4 A4

VWUDQD