Плотников В.С. Геодезические приборы

Подождите немного. Документ загружается.

отсчет, для теодолитов остальных типов допускается одностороннее

отсчитывание по лимбу. Проведение общего расчета точности и оптими-

зации параметров на основе системного подхода должно дать обосно-

ванный выбор схемы и параметров конструкции, установить оптималь-

ные требования и допуски, обеспечивающие точность центрировки,

точность системы отсчета и т.п. Ясно, что одностороннее отсчитывание

при прочих равных параметрах потребует более точной центрировки

лимба и алидады. При выборе общей схемы нельзя считать обоснован-

ным мнение, что "классическая" конструкция теодолитов обеспечива-

ет более высокую точность по сравнению с оптическими;

б) удобное расположение органов наведения, управления, отсчет-

ных устройств, уровней и так далее с целью обеспечения выполнения

всех операций наблюдателем без перемены его положения относительно

прибора, что повышает производительность и точность измерений. Если

горизонтирование, визирование, наблюдение за уровнями можно было

выполнять, не меняя положения, то отсчитывание по лимбам во многих

приборах требовало перемещения наблюдателя вокруг прибора. Поэто-

му требование удобного отсчета при расположении окуляра отсчетного

устройства рядом с окуляром зрительной трубы, в том числе и в систе-

мах с двусторонним отсчетом,

—

современное требование. Сюда же мож-

но отнести и соосное расположение наводящих и закрепительных винтов;

в) защиту основных частей прибора от пыли, воды и повреждений,

для чего предусматривают закрытую конструкцию основных частей;

г) компактность и минимальную массу, для чего необходимо винтов;

оптимальную схему компоновки в сочетании с выбором системы осей и

произвести выбор соответствующих материалов (например, технический

титан, сплав В95Т и др.);

д) уменьшение различных отклонений в процессе измерений от

принципиальной схемы прибора, надежность котировочных и регулиро-

вочных приспособлений, минимум деформаций, сдвигов и смещений

деталей и частей прибора;

е) оптимальную схему и качество зрительной трубы. В соответствии

с ГОСТом теодолиты типов Т15К и Т60 должны иметь зрительные тру-

бы с прямым изображением. Современные зрительные трубы должны

быть с ахроматической светосильной оптикой. В то же время в зависи-

мости от типа теодолита зрительная труба должна иметь сопоставимую

с другими частями и прибором в целом сложность и стоимость;

ж) обоснованность степени автоматизации операций и процессов

(фоторегистрация или автоматическая выдача отсчета, фоторегистрация

или фотоэлектрическая регистрация цели и т.п.).

Как видно, при разработке новых, особенно высокоточных, теодо-

литов, как и любых точных и сложных приборов, необходимо хорошо

изучить современный уровень развития техники в этой области и в дру-

гих областях, достижения в которых могли бы оказаться полезными.

Вот почему было обращено особое внимание на получение и создание не-

обходимой информации, ее систематизацию, анализ и использование.

В [1] совершенно справедливо отмечено, что создание нового высоко-

точного измерительного прибора, отвечающего современному уровню

развития техники, немыслимо

без

учета последних достижений науки,

техники

технологии.

Без

этого невозможно

применение новых прин-

ципов

конструировании частей

устройств прибора,

эти

новые прин-

ципы

должны оказаться самыми эффективными.

Приведенное выше разделение теодолитов

по

точности

на 3

груп-

пы,

произведенное

на

основе действовавшего ранее ГОСТ,

не

совсем

удачно,

так как не

учитывает существенные схемные

конструк-

тивные особенности теодолитов

той или

иной группы.

Так,

например,

во вторую группу входят теодолиты типов

Т2 и Т5,

тогда

как по

одной

из основных характеристик

оптической схеме отсчета

—

они

принци-

пиально различны:

Т2

—

двусторонним отсчетом,

Т5

—

односторон-

ним. Вероятно, было

бы

целесообразно выделить теодолиты типа

Т2

в отдельную группу,

как это

сделано

в [6].

Кроме того,

учетом пер-

спектив развития целесообразно выделить группу

точностью

вы-

ше

0,5".

В соответствии

этим

учетом классификации

по

ГОСТу

10529-79

при обосновании целесообразного параметрического ряда теодолиты

можно было

бы

разделить

на

пять групп:

а) особо точные (менее

0,5");

б) высокоточные

(от 0,5 до 1");

в) точные

(от 2 до 4");

г) технические средней точности

(от 5 до 25");

д) технические малой точности

(30" и

более).

Точные

технические теодолиты относятся

приборам массового

применения.

67.

Теодолиты массового применения

Технические теодолиты малой точности предназначены

для

про-

стейших измерений, поэтому

они

отличаются простым устройством,

небольшими размерами

малой массой. Диаметр горизонтального кру-

га

у них 50-80 мм,

вертикального

- 40-70

мм; увеличение зрительной

трубы

—20

Отсчетные устройства простейшего типа —

старых

конструкциях

нониусы,

более современных

штриховые, шкало-

вые

или

нониусные микроскопы. Отсчет

односторонний.

Из

теодоли-

тов,

выпускаемых

СССР,

этой группе можно отнести теодолит

ТЗО

еще

используемый

производстве теодолит

ТОМ. В

этих теодолитах

отсчет производят

по

микроскопу

индексом, увеличение которого

по-

рядка

цена деления лимба

10'.

Напомним,

что

шкаловые микро-

скопы требуют значительно большего увеличения (порядка

Боль-

шое разнообразие теодолитов малой точности выпускается зарубежными

фирмами. Среди

них

имеются теодолиты

металлическими лимбами

отсчетом

по

верньеру, однако подавляющее большинство теодолитов

имеет стеклянные лимбы.

центрировке осей

и к

точности уровней

высоких требований

не

предъявляется.

Технические теодолиты средней точности охватывают значи-

тельный диапазон различных

по

точности

уровню исполнения приборов

и являются самой массовой группой теодолитов.

этой группе также

имеются теодолиты

металлическими лимбами»

двухсторонним отсче-

том

по

верньерам,

но в

настоящее время

эти

приборы становятся ред-

костью. Подавляющее большинство приборов этой группы имеет стек-

лянные лимбы диаметром горизонтального —

70—95 мм,

вертикально-

го

— 50—80 мм. В

большинстве теодолитов отсчет односторонний,

к центрировке осей предъявляются высокие требования. Возможная

при современном уровне технологии точность центрировки осей

(по-

рядка

2 мкм) и

определяет предельную точность теодолитов

одно-

сторонним отсчетом.

Так, при

колебаниях положения

оси

алидады

в пределах

2 мкм при

диаметре лимба

90—100 мм

ошибка

направ-

лении из-за одного этого фактора будет порядка

4".

В качестве отсчетных устройств применяют чаще всего шкаловые

микроскопы,

также отсчетные микроскопы

простейшим оптическим

микрометром,

как

правило,

одной плоскопараллельной пластинкой.

Точность отсчитывания

по

шкаловому микроскопу определяется воз-

можностью оценки

на

глаз десятых долей интервала шкалы. Напомним,

что

при

наличии шкалового микроскопа требуются увеличение поряд-

ка

70 и

весьма малая ширина штрихов лимба

шкалы

порядка

—

3 мкм.

Учитывая,

что

современная технология вакуумного нанесения

хрома после деления штрихов

по

слою лака позволяет получать такие

тонкие штрихи,

последнее время стали отдавать предпочтение шкало-

вым микроскопам,

как

наиболее удобным

простым отсчетным уст-

ройствам. Однако, учитывая,

что

отсчет

этой группы теодолитов одно-

сторонний, следует особо тщательно проанализировать

приборах

5-секундной точности возможность применения шкалового микроскопа,

так

как

сама ошибка отсчета

при

цене деления шкалы

составляет

в лучшем случае

учетом измерений

при

двух положениях крута

по-

рядка 0,Ь60"/\/2

« 4".

Приведенная

в § 19

методика расчета точности

теодолита показывает,

что

необходимо учитывать большое количество

всевозможных частичных ошибок

влияний,

из

которых складывается

суммарная ошибка измерений. Кроме того, следует учитывать, что опти-

ческий микрометр

не

требует большого увеличения (обычно поряд-

ка

Теодолиты этой группы имеют зрительные трубы

увеличением

20-25

Осевые системы теодолитов,

как

правило, повторительные.

Закрепительные

наводящие винты

во

многих теодолитах коаксиаль-

ные (например,

теодолитах TE-D1,

TE-D2

завода MOM, ВНР).

Во многих теодолитах имеется компенсатор углов наклона

на

вер-

тикальном круге, например

теодолитах

Т5К, ОТШ

(СССР); FT-1A,

Th-3,

Th-4

(ФРГ);

К1-А

(Швейцария); ТЕ-Е6, TE-D1,

TE-D2

(Венгрия);

Theo-020

(ГДР).

Советский оптический теодолит типа

Т5

имеет цилиндрическую

повторительную систему вертикальной

оси,

оптический центрир. Зри-

тельная труба

ахроматической коррекцией

внутренней фокусировкой

имеет увеличение 25

, фокусное расстояние объектива 250 мм, угловое

поле 1,5°. Диаметры лимбов: горизонтального - 90 мм, вертикально-

го - 70 мм.

Отсчитывание по лимбам производится по одной стороне при помо-

щи шкалового микроскопа. Окуляр отсчетного микроскопа находится

рядом с окуляром зрительной трубы. Близкие параметры имеет теодо-

лит

Theo-020A

(ГДР). Эти теодолиты подробно описаны в литературе

[6,

26,33].

Точные теодолиты имеют оптическую систему и отсчетный мик-

роскоп с микрометром, основанные, как правило, на принципе совме-

щения, т.е. предусмотрен отсчет по двум противоположным сторонам

лимба.

Эти теодолиты обеспечивают наивысшую точность среди теодоли-

тов массового применения: 2—4". Система отсчета и оптическая схема

определяют конструкцию теодолита. Например, один из современных

теодолитов ДКМ2А ("Керн", Швейцария) имеет лимб с двумя кольцами

делений (см. § 47). Это определило оптическую схему, принцип отсчета

и конструкцию теодолита в целом. Системы осей неповторительные,

с поворотным горизонтальным лимбом (как правило).

Зрительные трубы точных теодолитов имеют увеличение порядка

, внутреннюю фокусировку, ахроматическую оптику. Диаметры го-

ризонтального и вертикального лимбов около 90 мм. Отсчет по лимбам

производится, как правило, оптическим микрометром методом совме-

щения изображения штрихов или биссектирования. Увеличение микро-

скопа

40-50

цена деления микрометра 1 или 2". Применяют оптиче-

ские микрометры с подвижными клиньями (Т2,ТБ-1 - СССР,

Theo-010-

ГДР);

с одной плоскопараллельной пластинкой для совмещения штри-

хов (Ти - "Аскания Верке", Зап. Берлин; FT-2 - ФРГ; TG-18 - Ита-

лия);

с двумя плоскопараллельными пластинками для совмещения

штрихов (TE-Bl - MOM, Венгрия;

V-406

- Великобритания; Т-2 -

"Вильд", Швейцария).

Из теодолитов этой группы приведем основные параметры совет-

ского теодолита Т2 и теодолита

Theo

010А ("Карл Цейсе", ГДР).

Теодолит Т2 - оптический теодолит с цилиндрической неповтори-

тельной системой вертикальной оси с разгрузкой внизу на шарико-

подшипнике, с поворотным лимбом. Теодолит имеет зрительную трубу

с апохроматической коррекцией и внутренней фокусировкой, увеличе-

ние трубы 25

, угловое поле 1°30\ фокусное расстояние объектива

250 мм. Отсчет двухсторонний способом совмещения с помощью опти-

ческого микрометра с двумя клиньями. Имеются накладной уровень

с ценой деления 10" и оптический центрир. Отсчетный микроскоп распо-

ложен рядом с окуляром зрительной трубы, снятие отсчетов по кругам

поочередное путем переключения. Штрихи горизонтального круга двой-

ные (бифилярные).

Теодолит

Theo

010А ("Карл Цейсе", ГДР) является оптическим тео-

долитом с цилиндрической неповторительной системой вертикальной оси

полукинематического типа, с поворотным горизонтальным кругом,

двусторонним отсчетом с помощью микрометра с подвижными клинья-

ми.

Имеются оптический центрир и компенсатор наклона на вертикаль-

ном круге с диапазоном ±4', средней ошибкой 0,3" и временем успоко-

ения менее 1 с. Зрительная труба линзовая; объектив - трехлинзовый

ахромат; диаметр входного зрачка объектива 40 мм; фокусное расстоя-

ние 270 мм; увеличение трубы — 30

; введение оборачивающей приз-

менной системы Аббе обеспечивает прямое изображение предметов.

Закрепительные и наводящие винты соосные. Средняя квадратическая

ошибка измерения горизонтального угла, определенного при двух по-

ложениях круга, составляет 2 " [26].

Теодолиты этой группы подробно описаны в [6, 7, 26].

§ 68. Высокоточные угломерные приборы и теодолиты

При разработке высокоточных, и особенно универсальных, угломерных

приборов соблюдаются те же общие принципы и особенности, но учет

и оптимизация параметров производятся более тщательно. Кроме того,

в конструкцию часто вводятся принципиально новые устройства, повы-

шающие производительность, точность выполнения отдельных опера-

ций, документальность измерений. К ним относятся фоторегистрация

положения алидады, фоторегистрация положения цели, фотоэлектри-

ческая регистрация и наведение.

В настоящее время оптические теодолиты хорошо зарекомендова-

ли себя и в высокоточной группе приборов, поэтому считавшееся бес-

спорным мнение о том, что высокую точность могут обеспечить лишь

приборы "классических" конструкций, можно считать ушедшим в исто-

рию.

Однако простота устройства, устойчивость и стабильность основных

узлов и деталей, простота регулировки и ремонта приборов, например,

с коническими осями, надежность и высокая точность до настоящего

времени определяют живучесть приборов классической схемы.

При проектировании высокоточных угломерных приборов особо

важным является устранение причин деформаций и различных смещений

частей приборов, приводящих к отклонению от предусмотренной прин-

ципиальной схемы. К таким случаям можно отнести деформацию частей

прибора под влиянием их массы, изменение пространственного положе-

ния деталей и, как следствие, изменение жесткости в определенном

направлении, что, например, приводит к изгибу (гнутию) труб астроно-

мических приборов. Неуравновешенность вращающихся частей прибора

часто служит причиной возникновения вредных усилий, приводящих

к деформациям и смещениям.

Условия уравновешенности и устойчивости определяются положе-

нием центра тяжести той или иной части или системы прибора относи-

тельно осей и опор. Например, уравновешенность алидадной части прибо-

ра относительно вертикальной оси вращения определяется координа-

той центра тяжести алидадной части относительно геометрического

центра оси (в радиальном направлении). При идеальном уравновеши-

вании эта координата должна быть равна нулю. Чем больше эта коорди-

Рис. 128. Треугольник устойчивости и поло-

жение центра тяжести для приборов:

1 —

теодолит

ОТ-02

без

центрировочиой

плиты;

2 —

ОТ-02

центрировочиой

пли-

той;

3 —

теодолит

Т05; 4 —

теодолит

Т1

ната (неуравновешенность), тем боль-

ше момент трения и неравномер-

ность влияния смазки, приводящие к

отклонению вращающейся части от ее

правильного положения, к неравно-

мерности хода и наклона.

Устойчивость теодолита зависит от

расположения подъемных винтов (уст-

ройств) и от высоты над ними центра

тяжести прибора. Из опыта установле-

но,

что теодолит получает достаточную

устойчивость лишь в том случае, если

диаметр, на котором расположены

подъемные устройства,больше высоты

центра тяжести прибора

[

На рис. 128 схематически показан

контур теодолита и нанесен равно-

сторонний треугольник устойчивости Т

с длиной стороны, равной диаметру расположения подъемных винтов.

Центр тяжести прибора должен находиться внутри треугольника устой-

чивости, и чем ближе к его нижнему основанию, тем лучше.

Показательно, что несоблюдение этого условия в теодолите Вильда

Т-3 или в отечественном теодолите ОТ-02 привело к недостаточной

устойчивости приборов, отразившейся на качестве измерений. Для ис-

правления этого недостатка в комплект упомянутых теодолитов была

включена тяжелая (свыше 3,5 кг) центрировочная плита. Без плиты

центр тяжести в этих приборах лежит на высоте около 170 мм при

диаметре окружности расположения винтов 165 мм.

Применение центрировочиой плиты снижает центр тяжести до

125 мм и делает прибор устойчивым, однако общая масса полевого

комплекта заметно повысилась по существу за счет балластного груза.

В [1] отмечается, что при проектировании новых теодолитов Т05

и Т1 указанные соотношения были выполнены и приборы оказались

устойчивыми. В Т05 при высоте центра тяжести ^ 175 мм подъемные

винты расположены на окружности диаметром 240 мм, в Т1 эти размеры

соответственно равны 120 и 172 мм. На рис. 128 показано положение

центра тяжести всех упомянутых приборов относительно треугольника

устойчивости. Хорошая устойчивость обеспечена и в теодолите ТТ 2/6"

при низком расположении центра тяжести относительно точки опоры.

Вот почему в гл. 5 было упомянуто, что применение разнесенных

Таблица

10.

Высокоточные теодолиты

особо точные универсальные угломерные

Главная труба

Горизонтальный круг

Название

о.

прибора,

се

о.

Q5 В

страна-изгото-

се

витель

О.

е|

а>

о.

S 5

5Г

ее

О.

Диам<

верст!

Увел»

Диам

Тип

спосо

делен

Увел!

Триангуляцион-

ный теодолит

ТТ2"/б".

СССР

Высокоточные теодолиты

65 520 65 220

Винтовой микро-

метр

(2")

Теодолит вы

со-

коточный оптиче-

ский Т

05,

СССР

500 62,0 180

Оптический мик-

рометр (клин.)

36 (1")

ОТ-02,

СССР

350 24

135

Оптический мик-

рометр (пласт.)

(0,2")

Теодолит Т-3,

"Вильд",

Швейцария

265

Длина

трубы

135 То же

ДКМ-3,

"Керн",

72 510 27 100

Оптический микро-

Швейцария

метр (пласт.)

(0,5")

Мнкроптик-3,

"Хильгер

Уотс", Велико-

британия

50 170

Длина

зритель-

ной тру-

бы

40 98

Оптический микро-

метр (пласт.)

(0,2")

Т1,

СССР

50 350 30 135

Оптический микро-

метр (клин.) (I")

приборы

Вертикальный круг

и ™

О X

u t

5 О R

в й)

Ну

о.

§•

>»

Уровни

наклад-

или на

0) о

X ,

« -

а "

Цена

деле!

ного

уров

алидаде,

8 £

5 5 а

Цена

деле!

ного

уров

алидаде,

Цена

на

ал»

НОГО

« ев

о.

•в-

ев

о.

Примечание

160

Шкаловой микро-

скоп

(6 )

2-3 6-10 27,5 60

130

Оптический микро-

метр (клин.)

(0,2")

(коит.)

18,8 34

Цсиа деления

накладного

уровня

Оптический микро-

метр (пласт.)

(0,2")

15,2

Выпускается

вариант

це-

ной деления

отсчетных

шкал

0,5 "

То

же

3,7

11,2

Выпускается

спецмодель

ТЗ-А для ав-

токоллимации

100

Оптический микро-

метр (пласт.)

(0,5")

(конт.)

12,2

15,3

Зеркально-

линзовая зри-

тельная труба,

труба-искатель

с увеличени-

ем

Оптический микро-

метр (пласт.)

(0,2")

14,5

Окуляр отсчет-

ного устрой-

ства встроен

в подставку

зрительной

трубы

Оптический микро-

метр (клин.)

(Г)

(конт.)

Может быть ис-

пользован для

астроопределе-

ния,

съемная

астрономичес-

кая сетка ни-

тей

Продолжение табл.

Главная труба Горизонтальный круг

Название

прибора,

того

ОТ-

стояние,

1С

го

при-

(цена

икроско-

страна-изгото-

витель

Диаметр

вхо;

верстия,

мм

Фокусное рас

мм

Увеличение,

Диаметр лим

Тнп

отсчетно]

способдения

деления)

Увеличение

пов,

крат

Особо точные универсальные угломерные

приборы

Трг, "Аскания",

500

32 200

Оптический микро-

ФРГ

метр (клин.)

(0,2")

Вильд Т-4,

70 600 80 240

Оптический микро-

"Вильд", Швейца-

метр (пласт.)

(0,1")

рия

Theo-002,

"Карл

65 940 75 250

Оптический микро-

Цейсе",

ГДР 59

метр (клин.)

(0,2")

шариковых опор дает преимущества

части устойчивости,

так как

центр

тяжести алидадной части можно максимально приблизить

по

высоте

к плоскости опор,

диаметр разнесенного опорного подшипника зна-

чительно больше,

чем

диаметр

оси

нормального

или

полукинематиче-

ского типа.

Уравновешивание отдельных узлов

деталей относительно опор

имеет прямое отношение

системе горизонтальной

оси.

Должно быть обеспечено одинаковое давление горизонтальной

оси

на лагеры.

При

разном давлении

на

лагерах возможны разные момен-

ты трения,

во

время врашения

оси

возможны

ее

сдвиги

азимутальном

направлении. Силы, например усилие наводящего винта, должны дей-

ствовать

плоскости симметрии между лагерами

во

избежание воз-

никновения моментов

сил в

горизонтальном направлении

смещения

оси.

Стремление

максимальной устойчивости, например,

теодолите

Т4 Вильда привело

значительным габаритам прибора (максимальное

увеличение расстояния между опорами). Горизонтальная

ось,

построен-

ная

по

кинематическому принципу, очень длинная

330 мм). Для

исключения азимутального смещения горизонтальной

оси в

лагерах

Вертикальный круг

Уровни

«Г

Диаметр

лимба,

мм

Тип

отсчетного

при-

способления

(цеиа

деления)

Увеличение

микроско-

пов,

крат

Цена

деления

наклад-

ного

уровня или

на

алидаде,

Цена

деления

уровня

на

алидаде

вертикаль-

ного

круга,

Масса

прибора

без

футл

ра,

кг

Масса

прнбора

фу

тляj

кг

Примечание

140

Оптический микро-

метр (клин.)

(0,2")

Ломаная зри-

тельная труба,

фото регистра-

ция отсчетов

135

Оптический микро-

метр (пласт.)

(0,2")

2-3

Ломаная зри-

тельная труба

200

Оптический микро-

метр (клин.)

(0,2")

62,5

Ком-

пенса-

торы

Ломаная зри-

тельная труба,

фото регист-

рация отсче-

тов

хомутик

наводящий винт трубы расположены точно посередине между

лагера

ми.

Применение разнесенных шариковых опор позволяет получить

не

только более устойчивую,

но и

более компактную конструкцию.

За

счет

разнесенных опор, сокращения габаритов зрительной трубы

диаметров

лимба

до 100 мм в

высокоточном оптическом теодолите ДКМ-3 ("Керн",

Швейцария) удалось уменьшить массу прибора

до ^12 кг.

Однако

его

точность ниже,

чем

точность теодолитов

лимбами большего размера

(порядка

200 мм).

Из высокоточных теодолитов зарубежных фирм, которые послу-

жили предметом сравнительного изучения

при

разработке высокоточ-

ных отечественных теодолитов

Т05 и

Т1, следует кроме ДКМ-3 назвать

теодолиты

Т-3

("Вильд", Швейцария); Микроптик-3 ("Хильгер

Уотс",

Великобритания). Теодолит

Т-3

Вильда имеет параметры, близкие

к па-

раметрам советского теодолита ОТ-02.

Параметры высокоточных теодолитов приведены

табл.

10.

Теодо-

литы этой группы имеют зрительные трубы

диаметром входного

отверстия объектива порядка

60 мм и

увеличение

от 30 до 65

Различ-

ные увеличения

во

многих приборах достигаются сменой окуляров.