Введение. Метрология (от греческого «метро»

Введение.
Метрология (от греческого «метро»- мера, «логос»- учение)- наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и требуемой точности (МИ-2247-93 «Рекомендация. Метрология. Основные термины и определения. »).
Метрология как наука и область практической деятельности, возникла в древние времена.
Основой системы мер, в древнерусской практике, послужили древнеегипетские единицы
измерения, а они, в свою очередь, были заимствованы в Древней Греции и Риме.
Наименования мер и их размеры соответствовали возможностям осуществления измерений « подручными» способами не прибегая к специальным устройствам. Так на Руси основными единицами длины, были пядь и локоть, причѐм пядь служила основной древнерусской мерой длины и означала расстояние между концами большого и указательного
пальца взрослого человека. Позднее, когда появилась другая единица- аршин, пядь(1/4
аршина) постепенно вышла из употребления.
Мера «локоть» пришла к нам из Вавилона и означала расстояние от сгиба локтя до конца
среднего пальца руки.
С 18 века в России стали применяться «дюйм», заимствованный в Англии (назывался он
«палец»), а также английский «фут». Особой русской мерой была «сажень» равная трѐм
локтям (152 см), и «косая сажень»(248см).
Указом Петра 1 русские меры длины были согласованны с английскими, и это по существу - первая ступень гармонизации с европейской.
Метрическая система мер была введена впервые во Франции в 1840 году. Значимость еѐ
принятия подчеркнул Д.И, Менделеев, предсказав большую роль всеобщего распространения метрической системы, как средства содействию «будущему желанному сближению
народов».
Метр, как основная единица длины, равный одной десятимиллионной части четверти парижского меридиана, был установлен в 1791 году Французским Национальным Собранием в период принятия метрической системы мер. В 1799 году на основе измерений дуги
четверти меридиана был изготовлен эталон в виде платиновой концевой меры, переданной на хранение в Национальный Архив Франции. Метр представляет собой платиновую
линейку шириной 25 мм, толщиной 4 мм и расстоянием между концами 1 м.
Повторные измерения дуги меридиана выполненные в 19 веке показали, что длина принятого метра несколько короче «подлинного естественного» метра. Международная коммисия созданная по инициативе Петербургской академии наук в 1872 году предложила отказаться от «естественного» эталона метра и принять в качестве исходной мер метр Архива.
В соответствии с решением этой комиссии были изготовлены эталоны метра в количестве
31 шт. в виде штриховой меры из сплава платины и иридия. Из них метр № 6 оказался при
00с равным метру Архива и был принят в качестве международного прототипа метра. 30
других эталонов были распределены между государствами, Метрической Конвенции. Каждый эталон представляет собой брусок длинной 102 см, в поперечном сечении форму X,
как бы вписанную в квадрат со стороной 20 мм. Эталон метра №28 полученный Россией в
1889 году был в дальнейшем утверждѐн в качестве государственного эталона СССР.
В 1927 году 7 Генеральная конференция по мерам и весам утвердила следующее определение метра действовавшее до 1960 г. «единиц длинны метр - определяется расстоянием при 00с между осями двух средних штрихов, нанесѐнных на платино-иридивом бруске,
хранящемся в Международном бюро мер и весов и принятом в качестве прототипа метра
1 Генеральной конференции по мерам и весам при условии, что эти линейки находятся
при нормальном атмосферном давлении и поддерживается двумя рамками диаметром не
менее 1 см, расположенными симметрично на расстоянии 571 мм один от другого».
Требования к повышению точности (платино-иридивый эталон обеспечивает точность
воспроизведения не более 0,1-0,2 мкм) и целесообразность установления естественного
эталона привели к тому, что на 11 Генеральной конференции в 1960 году в качестве эталона длины был принят метр выраженный в длинах световых волн.
В резолюции отмечалось, что международный прототип уже не обеспечивает требуемой
точности и желательно принять естественный и неразрушаемый эталон, поэтому конференция решила:
1. Метр, есть длина, равная 1650763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2р10 и 5d5 атома криптона- 86.
2. определение метра действовавшее с 1889г отменяется.
3. Международный прототип метра утверждѐн 1 Генеральной конференцией по мерам и весам в1889г будет хранится в МБМВ в тех же условиях.
Переход на новое определение позволил воспроизводить метр в отдельных метрологических лабораториях и повысить точность воспроизведения более чем в 10 раз.
Физический принцип применения эталонного источника излучения для выражения метра
в длинах световых волн заключается в следующем:
Известно, что возбуждѐнные пары и газы излучают свет, в спектре которого имеется ряд
линий-линейчатый спектр. Каждая линия в спектре, соответствующая им злучению с определѐнной волны даѐт монохроматический свет. Расположение линий в спектре и их
длины волн находятся в строгом соответствии с атомным строением вещества излучаю-
щего элемента. При этом атомы могут находятся только в определѐнных энергетических
состояниях.
С развитием науки и техники требовались новые измерения и новые эталоны. Первоначально прототипы единиц искали в природе исследуя макрообъекты. Так секундой считали часть периода обращения Земли вокруг оси. Постепенно поиски переместились на
атомный и внутриатомный уровень. В результате уточнялись «старые» единицы (меры) и
появлялись новые. В 1983 году было принято новое определение метра:
Метр это длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 долго секунды.
Это стало возможным после того как скорость света в вакууме(29979245м/с) метрологи
приняли в качестве физической константы.
Единицы прошлых лет.
Наименование единицы и еѐ дольные
Перевод в единицы СИ или кратные и
дольные
1 верста=50 саженей=1500 аршин
1,0668км
1сажень= 3 аршина=48вершков
2,1336м
1аршин=16вершков
71,120см
1сажень=7 футов=84 дюйма
2,1336м
1 фут=12дюймов=120линий
0,3048м
1дюйм=10линий=100точек
2,54см
1линия=10точек
2,54мм
Линейно угловые измерения.
1.Метр-длина пути, проходимая в вакууме за интервал времени, равный 1/299792458 с
СКП=5*10-9.
Таблица 1
Приставка
Множитель на который ум- Сокращѐнное обозначение
ножается единица
Русское
Латинское
Тера
1012
Т
Т
Гига
109
Г
Г
Мега
106
М
М
Кило
103
К
К
Гекто
102
г
h
Дека
10
Да
Da
Деци
10-1
Д
D
Санти
10-2
С
C
Милли
10-3
М
M
Микро
10-6
Мк
M
Нано
10-9
Н
П
Пико
10-12
П
Р
Фемто
10-15
Ф
F
Атто
10-18
а
a
Специальные единицы.
Х - для измерения в ядерной физике.
А0- ангстрем. Для измерения световых волн в спектроскопии.
Астрокомическая единица для измерения в солнечной системе.
Световой год - для измерения межзвѐздных расстояний в галактике.
Парсек - для измерения межгалактических расстояний.
Наименование
еди- Сокращѐнное обозначение единицы
ницы
русское
Латинское,
ское
Метр
М
Сантиметр
См
Миллиметр
Мм
Микрон
Мк
Ангстрем
А0
Х-единица
Икс-ед
Ярд
-
Фут
-
Дюйм
-
Миля
-
Морская миля
М.миля
Астрономическая
А.Е.
Переводный множигрече- тель
единица
Световой год
С.В.год
Парсек
ПК
СК первое определение метра.
1791г. французским национальным собранием. Метр, как основная единица длинны, равная одной 10-ти миллионной части четверти парижского меридиана.
Метр-архив представляет собой пластиковую линейку, шириной около 25 и толщиной
около 4-х мм и расстоянием м/д концами равному 1м.
В1872 г изготовили архивный метр из платино-идиевого бруска.
Второе определение метра.
(11 генер-ой конференцией в 1960 г.): метр - есть длина, равная 1650763,73 длины волны
в вакууме излучения, соответствующего перехода между уровнями 2р10 и 50/5 атомов
крептона 86.
V
E2
E1
h
V-частота излучения атома связана с переходом с одного энергетического составляющего
на другой.
Е2-энергия уровня, с которого совершается переход.
Е1- на который совершается переход.
с
v
1
- волновое число.
Единицы измерения углов.
Для плоского угла-радиан.
Для телесного угла - стерадиан.
Радиан-угол между двумя радиусами круга, вырезающей на окружности дугу, длина которой равна радиусу (это плоский угол).
Стерадиан - телесный угол, вершина которого расположена в центре сферы, вырезающей
на поверхности сферы площадь равную площади квадрата со стороной равной радиусу
сферы.
Наименование
ницы
Радиан
еди- Сокращѐнные обозначения
Рус.
Лат.
рад
rad
Перевод в систему
СИ.
Единица измерения
угла
градус
0
0
180
рад=0,01745329
Г л а в а X
ИЗМЕРЕНИЕ РЕЗЬБЫ
§ 63. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ РЕЗЬБЫ
Основой резьбы является винтовая линия, получаемая путем наворачивания на прямой круговой цилиндр диаметра d треугольника ABC. При этом сторона АВ треугольника образует
винтовую линию, характеризующуюся тремя параметрами: диаметром d, шагом S и углом
подъема φ. В данном случае полученная винтовая линия называется правой, если же ее образовывать стороной CD треугольника, то линия будет называться левом (рис. 256).
Рис. 256. Образование винтовой линии
Если на поверхность цилиндра нанести еще одну винтовую линию, сдвинутую относительно
первой на половину шага, то получится двухзаходная винтовая линия. Подобным образом можно
получить трех-заходную, четырехзаходную и многозаходную винтовые линии.
Поверхность резьбы образуется при винтовом движении но цилиндрической или конической
поверхности какой-либо простой геометрической фигуры, своей плоскостью проходящей через
ось цилиндра. Форма геометрической фигуры определяет профиль резьбы: треугольную, квадратную, трапецеидальную, круглую и др. Резьба может быть как правой, так и левой, как
однозаходной, так и многозаходной.
Резьба, образованная на цилиндрической поверхности, называется цилиндрической; на
конической поверхности — конической. Наружная резьба образуется на наружной цилиндрической или конической поверхности, внутренняя — на внутренней поверхности. Согласно
ГОСТ 11708—66, основными параметрами цилиндрической резьбы являются следующие:
ось резьбы — прямая, относительно которой происходит винтовое движение плоского контура, образующего резьбу (рис. 257);
профиль резьбы — контур сечения резьбы в плоскости, проходящей через ее ось; боковые
стороны профиля — прямолинейные участки профиля, принадлежащие винтовым поверхностям;
угол профиля α — угол между боковыми сторонами профиля;
углы наклона сторон β, γ — углы между боковыми сторонами профиля и перпендикуляром к
оси резьбы. Для резьб с симметричным профилем углы наклона сторон равны половине угла
профиля и/2;
половина угла профиля α/2 — угол между боковой стороной профиля и перпендикуляром,
опущенным из вершины исходного профиля симметричной резьбы на ось резьбы; наружный
диаметр резьбы d — диаметр воображаемого цилиндра, описанного вокруг вершин наружной
резьбы или впадин внутренней резьбы;
средний диаметр резьбы d2 — диаметр воображаемого, соосного с резьбой цилиндра, образующая которого пересекает профиль резьбы в точке, где ширина канавки равна половине
номинального шага резьбы;
внутренний диаметр резьбы d 1 — диаметр воображаемого цилиндра, вписанного во впадины
наружной резьбы или в вершину внутренней резьбы;
шаг резьбы S — расстояние между соседними одноименными боковыми сторонами профиля
в направлении, параллельном оси резьбы;
ход резьбы t — расстояние между ближайшими одноименными боковыми сторонами профиля,
принадлежащими одной и той же винтовой поверхности, в направлении, параллельном оси
резьбы, причем в однозаходной резьбе ход равен шагу, в многозаходной — произведению шага
на число заходов;
высота исходного профиля Н — высота остроугольного профиля, полученного путем продолжения боковых сторон профиля до их пересечения (относится к резьбам с треугольным
профилем);
высота профиля h1 — расстояние между вершиной и впадиной профиля в направлении, перпендикулярном к оси резьбы;
сбег резьбы — участок неполного профиля в зоне перехода резьбы к гладкой части детали;
длина резьбы — длина участка поверхности, на котором образована резьба, включая сбег
резьбы и фаску;
длина свинчивания — длина соприкосновения винтовых поверхностей наружной и внутренней резьб в основном направлении;
угол подъема резьбы φ — угол, образованный касательной к винтовой линии в точке,
лежащей на среднем диаметре резьбы, и плоскостью, перпендикулярной к оси резьбы
tg
t
Sn
d2
d2
,
где n — число заходов резьбы.
§ 64. СИСТЕМА ДОПУСКОВ РЕЗЬБОВЫХ ИЗДЕЛИИ
Для обеспечения взаимозаменяемости резьбового соединения необходимо, чтобы действительные значения диаметров резьбы, шага и угла профиля не превышали предельных контуров
резьбы на всей длине свинчивания. На рис. 258 жирной линией показан номинальный контур
резьбы, являющийся предельным контуром—-наименьшим для гайки, наибольшим для болта.
Рис. 258. Предельные контуры резьбового соединения
Основным параметром, определяющим характер соединения, является средний диаметр. За
отклонение среднего диаметра резьбы принимают разность между действительным и номинальным значением среднего диаметра резьбы.
Отклонением шага резьбы ∆S является разность между действительным и номинальным расстоянием в осевом направлении между двумя любыми точками одноименных боковых сторон,
расположенными на линии пересечения боковой поверхности резьбы с цилиндром или конусом
среднего диаметра в пределах длины свинчивания или заданной длины.
Отклонением угла наклона стороны профиля называется разность между действительным
и номинальным углами наклона стороны профиля. Для резьбы с симметричным профилем это
отклонение является отклонением половины угла профиля ∆α/2.
При наличии отклонения в шаге ∆S для обеспечения условий свинчивания резьбовых деталей
необходимо, чтобы разность средних диаметров болта и гайки fs компенсировала погрешность ∆S. Эту разность можно получить или за счет уменьшения среднего диаметра резьбы
болта, или за счет увеличения среднего диаметра резьбы гайки (рис.259).
Диаметральную компенсацию погрешности шага fs подсчитывают по формуле
fS
S
ctg
2
,
здесь ∆S является наибольшим отклонением шага резьбы. Для метрической резьбы при угле
профиля α, равным 60°, fs = 1.732∆S; для дюймовой резьбы при α = 55 fs= 1,921 ∆S;
для упорной резьбы при γ = 3° и β = 30° fs = 3,175 AS.
Отклонения половины угла профиля резьбовых деталей можно также компенсировать соответствующей разностью их средних диаметров, получаемой или в результате уменьшения
среднего диаметра резьбы болта, или увеличения среднего диаметра резьбы гайки. Диаметральную компенсацию погрешностей половины угла профиля fa можно получить из нижеследующих
формул.
На рис. 262 показано расположение полей допусков болтов и гаек согласно ГОСТ 16093—70.
Расположение полей допусков резьбы определяется основным отклонением; верхним для
болтов и нижним для гаек. Отклонения отсчитывают в направлении, перпендикулярном к оси
резьбы.
Стандартом установлены следующие степени точности, определяющие допуски диаметров
резьбы болтов и гаек:
наружного диаметра болта — 4, 6, 8-я степени точности;
среднего диаметра болта — 4, 6, 7, 8-я степени точности;
внутреннего диаметра гайки — 5, 6, 7-я степени точности;
среднего диаметра гайки — 4, 5, 6, 7-я степени точности.
Установлены три группы длины свинчивания: S (малые), N (нормальные) и L (большие). Если длина свинчивания, к которой относится допуск резьбы, принадлежит к группе L
или к группе 5 и при этом она меньше, чем вся длина резьбы, то она должна быть указана в
обозначении резьбы, например, Ml2-7g6g — 30. Здесь за обозначением резьбы (M12) следует
обозначение поля допуска среднего диаметра резьбы болта (7g) и поля допуска наружного
диаметра болта (6g). Для гаек обозначается поле допуска внутреннего диаметра. Цифра, стоящая
в обозначении поля допуска диаметра (7 или 6), показывает степень точности, а буква (g)
указывает основное отклонение. В случае совпадения обозначении поля допуска среднего
диаметра с полем допуска наружного и внутреннего диаметров, их не повторяют. Цифра 30
указывает на длину свинчивания. Нормальную длину свинчивания в обозначение не вносят.
Посадки резьбовых деталей обозначают дробью, в числителе которой указывают поле допуска
гайки, а в знаменателе поле допуска болта — M12-6H/6g. Поля допусков болтов и гаек для трех
классов точности приведены в табл. 18.
При длине свинчивания, относящейся к группе L, допускается применение дополнительных полей
допусков; при длине свинчивания группы 5 применение класса точности «грубый» не рекомендуется. В рамках (см. табл. 18} даны значения полей допусков предпочтительного применения.
Допускается применять поля допусков, образуемые сочетанием полей допусков на средний
диаметр и диаметр выступов, взятых из разных классов точности. Выбор полей допусков в
зависимости от назначения резьбовых соединении стандартом не установлен.
В ГОСТ 16093—70 нормируются отклонения на средний диаметр резьбы и частично на наружный и внутренний. Допуск среднего диаметра является суммарным и предназначен для
компенсации отклонений собственно среднего диаметра, шага и половины угла профиля.
§ 65. КОМПЛЕКСНЫЙ КОНТРОЛЬ РЕЗЬБЫ
Комплексный контроль обеспечивает соблюдение предельных, контуров сопрягаемых резьб
на длине их свинчивания. При этом одновременно проверяют средний диаметр, шаг, половину угла
профиля, внутренний и наружный диаметры резьбы путем сопоставления действительного
контура резьбовой детали с предельными. Этот метод контроля прост и используется как в
массовом, так и в индивидуальном производстве.
При комплексном контроле применяют предельные резьбовые калибры. При конструировании калибров необходимо соблюдать принцип Тейлора (принцип подобия), заключающийся в
том, что при контроле посадок проходную сторону проверяют на сопрягаемость, непроходную
сторону — по размерам отдельных ее параметров. В случае, когда несколько параметров связаны
между собой функциональной связью (например, при контроле приведенного среднего диаметра
проверяют и отклонение шага, и половину угла профиля), достаточно контролировать один из
параметров.
В соответствии с принципом Тейлора проходные калибры должны являться прототипом сопряженной резьбовой детали. Поэтому проходные резьбовые калибры, предназначенные для
комплексного контроля приведенного среднего диаметра резьбы, имеют полный профиль резьбы и
длину, равную длине свинчивания. Непроходным калибром контролируют один из основных
параметров резьбы — собственно средний диаметр. С целью снижения влияния ошибок шага и
угла профиля на результат контроля, калибр имеет укороченный профиль и небольшое число
витков (2,5—3).
На рис. 263 приведено расположение полей допусков по среднему диаметру резьбы калибров для диаметров от 1 до 600 мм среднего и грубого классов точности по ГОСТ 16093—70.
Для примера определим предельные и исполнительные размеры по среднему диаметру рабочих калибров для проверки резьбы гаек М16-7Н.
По ГОСТ 9150—59 находим номинальный средний диаметр резьбы d2= 14,701 мм; по
ГОСТ 16093—70 находим допуск + 265 мкм и по ГОСТ 1623—61 находим предельные
отклонения калибров.
Допуски на шаг калибров установлены в зависимости от д лины нарезанной части
калибров. Калибры считаются годными, если от клонения по шагу превысят норму,
но будут скомпенсированы за счет недоиспользования допусков на половину угла
профиля. В той же мере это положение распространяется и на допуски на половину
угла профиля, которые могут быть выше нормы за счет недоис пользования допусков
на шаг.
Резьбовые калибры-кольца бывают жесткими и регулируемыми. Жесткие нерегулируемые кольца применяют с ограничениями вследствие сложности их изготовления
и быстрой потери точности при эксплуатации вследствие износа. Б качестве измер ительного контактного элемента резьбовых скоб используют кольцевые и винто вые
ролики, конические и призматические вставки-гребенки. Резьбовые калибры-пробки выполняют
цельными или со вставками. Цилиндрические пояски непроходных калибров служат для направления при контроле.
На рис. 264 показана схема прибора для измерения приведенного среднего диаметра наружной
резьбы с помощью резьбовых полуколец. Измерительные элементы в виде полуколец подобны
сопряженной детали, что приближает процесс контроля к условиям эксплуатации резьбовых
сопряжений. Нажимая на кнопку 5 с помощью рычажной передачи, приподнимают полукольцо 2,
связанное с корпусом прибора посредством плоских пружин 3. В отверстие 4 между верхним и нижним
полукольцом вводят измеряемую деталь. Кнопку отпускают, и верхнее полукольцо иод действием
собственного веса и плоских пружин прижимается к контролируемой резьбе. Отсчетное устройство 1,
связанное с верхней подвижной гайкой, укажет на размер приведенного среднего диаметра.
Приведенный средний диаметр можно измерять переносным прибором, выполн е н н ы м в в и д е
с к о б ы (рис. 265). Измерительный прибор (рычажную или электроконтактную головку) вставляют в
стойку скобы и кинематически связывают с верхним
подвижным контактным элементом,
выполненным в виде резьбовой гребенки. При контроле прибор показывает значение приведенного
среднего диаметра резьбы.
Производительным методом контроля внутреннего диаметра является контроль с помощью
расщепленного калибра (рис. 266). На станине прибора устанавливают неподвижную 1 и
подвижную губку 4. Между губками для создания усилия контакта вводят распорную пружину. С
губками жестко связаны две половины разъемного цилиндрического калибра 2 и 3. Индикаторная
головка 5, контактирующая с подвижной губкой 4, показывает отклонение измеряемой резьбы.
Конструктивно приборы этого типа могут быть выполнены как стационарными, так и переносными.
Методы и средства поверки резьбовых цилиндрических калибров, выпускаемых ИЗ производства,
ремонта и находящихся в эксплуатации, установлены ГОСТ 12734—67.
Температура помещения, в котором поверяют калибры, должна быть 20° С с допускаемыми
отклонениями, указанными в стандарте. Перед поверкой калибры следует выдерживать в помещении,
в котором проводится поверка, на металлической плите или деревянном столе не менее установленного срока.
Результаты поверки калибров органами технической службы предприятия-изготовителя оформляют путем выдачи выпускного аттестата или контрольного талона. Допускается оформлять результаты поверки нанесением на каждый калибр знака ОТК и даты выпуска калибра.
При несоответствии требованиям, указанным в ГОСТ 12734—67, калибры к выпуску и применению
не
Рис. 266. Схема прибора для контроля внутреннего диаметра с помощью расщепленного
калибра
§66. ПОЭЛЕМЕНТНЫЙ КОНТРОЛЬ РЕЗЬБЫ ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ НАРУЖНОЙ РЕЗЬБЫ
В случае, когда допуски даны на каждый параметр резьбы, применяют дифференцированный
(поэлементный) метод контроля, при котором каждый параметр резьбы (собственно средний
диаметр, шаг и половину угла профиля) измеряют отдельно. По этим параметрам дают заключение о годности резьбы.
Средства и методы контроля должны обеспечивать независимость измерений каждого из
параметров резьбы. Отдельные элементы резьбы ввиду трудоемкости измеряют, в основном, при
контроле точных резьб: резьбовых калибров (пробок); резьбонарезного инструмента; ходовых и
микрометрических винтов.
Наиболее распространенным методом контроля среднего диаметра наружной резьбы является измерение с помощью проволочек. Проволочки закладывают во впадины резьбы (рис. 267) и
измеряют размер М с помощью какого-либо контактного прибора (рычажной головки, оптиметра
и др.). Чаше всего средний диаметр определяют с помощью трех проволочек. Двумя проволочками
измеряют резьбы малой длины, например, у резьбовых непроходных калибров. С помощью одной
проволочки определяют средний диаметр резьб свыше 100 мм.
Рис. 267. Измерение среднего диаметра наружной резьбы с помощью проволочек
Диаметр проволочек выбирают таким, чтобы касание их с профилем резьбы происходило в
зоне среднего диаметра.
Диаметры проволочек, соответствующие указанному выше условию, называются наивыгоднейшими.
Наивыгоднейший диаметр проволочок для резьб с симметричным профилем подсчитывают по
формуле
использовании трех проволочек наивыгоднейшего диаметра, вычисляют по формуле
d2
M3
1
d (1
sin
1
)
2
Sctg
2
;
2
метрической резьбы
d2 = M3 — 3d + 0,866S.
При измерении симметричной резьбы с помощью двух проволочек средний диаметр
d2
M2
1
d (1
sin
1
)
2
Sctg
S2
2
8( M 2
d)
.
2
При измерении симметричной резьбы с помощью одной проволочки
d2
M1
M1
d (1
1
sin
)
1
2
Sctg
2
d0 ,
2
где М 1 — результат измерения в первоначальном положении; М1—результат измерения
после поворота детали на 180°. Это измерение проводят с целью исключения влияния эксцентричности детали на результат измерения d2.
Как следует из вышеприведенных формул, погрешность измерения среднего диаметра резьбы
зависит от погрешностей прибора, определяющего размер М; погрешности проволочек ∆d;
погрешности шага резьбы ∆ S и погрешности половины угла профиля ∆(α/2).
При точных измерениях необходимо пользоваться приборами, вносящими меньшие погрешности в показания (например оптиметрами).
Поправку для компенсации погрешности размера проволочек подсчитывают по формуле
d2
1
1
sin
d,
2
где
d
0 ,5
d2
d1
d3
;
2
∆d1, ∆d2, ∆d3 – погрешности размеров отдельных проволочек
(вторая и третья проволочки работают в паре).
Для метрической резьбы
d2
1,5
d2
d1
d3
2
.
В этой формуле погрешности размеров отдельных проволочек берут со своими знаками.
Поправка для компенсации погрешности шага
Sctg
s
d2
2
2
для метрической резьбы
∆Sd2=0,866∆S .
При измерении среднего диаметра резьбы проволочками наивыгоднейшего диаметра исключается влияние погрешности половины угла профили резьбы на точность измерения.
При точных измерениях среднего диаметра необходимо вводить поправку на угол подъема
резьбы, так как при измерении проволочка располагается во впадине резьбы не перпендикулярно к ее оси, как предполагалось при выводе формулы, определяющей средний диаметр, а
параллельно направлению подъема винтовой линии.
Поправку на угол подъема для метрической резьбы определяют по формуле
S 2 d cos
d2
ctg
2
2
2 2 d 22
0,076
S 2d
d 22
.
Поправку ∆ φ d2 берут всегда с отрицательным знаком.
Деформации проволочек, вследствие действия на них измерительного усилия прибора, также
влияют на точность определения среднего диаметра резьбы.
Рис. 268. Конструктивное выполнение проволочек
На рис. 268 показано конструктивное выполнение проволочек. Их изготовляют по ГОСТ
2475—62 трех типов: I — проволочки гладкие; II — проволочки ступенчатые трех исполнений,
имеющие измерительные поверхност и , расп о ложен н ые в средн е й част и (см. рис. 268) и III
— ролики.
Проволочки выпускают двух классов точности: класса 0—для контроля резьбовых изделий с
допуском среднего диаметра от 4 до 8 мкм и класса 1—для резьбовых изделий с допуском
среднего диаметра свыше 8 мкм.
Поверка проволочек и роликов проводится согласно инструкции 127—63 «По поверке проволочек и роликов для измерения среднего диаметра резьбы». Приборы, на которых проверяют
проволочки и ролики, должны находиться в помещении, в котором проводят поверку, не
менее суток, а проволочки и ролики в подготовленном для поверки виде— не менее 2 ч.
Отклонения температуры помещения от нормальной (20° С) не должны превышать ±5° С.
Проволочки и ролики следует размагнитить; их рабочие поверхности не должны иметь
царапин; вмятин и следов коррозии.
Поверке подлежат шероховатость рабочих поверхностей; огранка рабочих поверхностей;
прямолинейность образующей рабочих поверхностей; рабочий диаметр; конусность и овальность, а
также внешний вид проволочек и роликов. Проволочки и ролики, удовлетворяющие требованиям
ГОСТ 2475—62 и инструкции 127—63, признаются годными и на них выдается свидетельство с
указанием класса точности.
Средний диаметр резьбы с помощью проволочек можно измерять гладкими и рычажными
микрометрами, измерительными головками различного типа, вертикальными и горизонтальными
оптиметрами и длиномерами.
На рис. 269 показан гладкий микрометр с проволочками для измерения резьбы. Проволочки при
измерении должны занять положение, показанное на рис. 267. Касание их с профилем резьбы
должно происходить по средней доведенной поверхности; перекос не допускается.
Наиболее точно определить средний диаметр резьбы с помощью трех проволочек можно на
оптиметре (рис. 270). В этом случае погрешность показания прибора сводится к минимуму.
При горизонтальном положении детали проволочки подвешивают на кронштейне,
укрепленном на трубке оптимера. По известным теоретическим параметрам резьбы подсчитывают размер М3 и по нему подбирают блок концевых мер. По этому блоку оптиметр устанавливают на нуль. Сняв со столика блок концевых мер, помещают на него измеряемую резьбу.
Перемещая столик с резьбой в вертикальном направлении, находят такое его положение, когда
оптиметр дает наибольшее показание; затем, покачивая столик в горизонтальной плоскости
вокруг вертикальной оси, находят наименьшее показание. Полученные показания должны
совпасть и определить искомый размер М3 в данном сечении. Разность между полученным
размером М3 и установленным по блоку концевых мер определяет отклонение среднего диаметра
резьбы от номинального размера.
При установке пробки в вертикальном положении наибольшее показание оптиметра находят
при перемещении столика с деталью в горизонтальной плоскости перпендикулярно к линии
измерения, а наименьшее показание — при покачивании столика эксцентриком вокруг горизонтальной оси. Два показания должны совпасть и также определить размер М3.
С целью определения отклонений от правильной геометрической формы средний диаметр
находят в нескольких сечениях, например, в трех — в середине и на концах резьбы. Б каждом
сечении средний диаметр измеряют в двух направлениях, расположенных под углом 90°.
Средний диаметр наружной резьбы можно измерить с помощью сферических наконечников.
Нижний сферический контактный элемент закрепляют в нижней неподвижной державке индикаторной скобы (см. рис. 265), а верхний сферический элемент — в верхней подвижной державке,
которая другим концом упирается в измерительный наконечник индикаторной головки. Упор,
перемещаемый микрометрическим винтом, служит для правильной установки измеряемой резьбы
относительно наконечников.
Измерение резьбы с помощью сферических контактных элементов имеет преимущество перед
методом измерения с помощью проволочек. Этот метод более точен, так как в данном случае
отсутствует погрешность, зависящая от ориентации проволочек по углу подъема резьбы.
Недостатком метода является повышенный износ шариковых наконечников и возникающая
погрешность измерения вследствие деформации контактирующих элементов.
Поправку для компенсации остальных погрешностей, а также наивыгоднейший диаметр сферических наконечников подсчитывают так же, как и для проволочек.
При сравнительно неточных измерениях среднего диаметра симметричной резьбы можно
использовать резьбовые вставки в сочетании с микрометрами и индикаторными приборами. На рис.
271 показана установочная мера и пять вставок (призматическая, коническая, коническая
укороченная, плоская и шаровая). Вставки устанавливаются в специальные отверстия шпинделя и
пятки микрометра.
Микрометрами с резьбовыми вставками можно измерять средний диаметр метрических,
дюймовых и трапецеидальных резьб.
К микрометру прилагают набор вставок. Причем каждая пара вставок предназначена для
определенного интервала шагов. Например, 0,4-0,5; 0,6—0,8; 1,0—1,5; 1,75-2,5; 3,0-4,5; 5,06,0 мм (для метрической резьбы) и 28—24 нитки, 20—26 ниток, 14—41 ниток, 10—8 ниток, 7—
5 ниток, 4,5—3 нитки на 1" (для дюймовой резьбы). Для трапецеидальной резьбы каждую пару
вставок применяют для определенного шага.
Погрешности микрометров со вставками при поверке их по аттестованным резьбовым калибрам
не должны превышать значений, указанных в ГОСТ 4380—63.
Рис. 271. Резьбовые вставки
Контроль среднего диаметра с помощью резьбовых вставок основан на определении среднего диаметра как расстояния между боковыми сторонами профиля, измеренного перпендикулярно к
оси резьбы. Поэтому действительный средний диаметр будет зависеть от погрешности шага ∆S
и угла профиля резьбы ∆α.
Зависимость между погрешностью измерений среднего диаметра ∆d2 погрешностями шага ∆S и
угла профиля ∆α определяют по формуле
d2
S ctg
ctg
r
sin
sin
,
где ∆S — погрешность шага резьбы, мм; β, γ и ∆β, ∆γ —углы наклона сторон профиля резьбы,
угловые минуты и погрешности углов наклона сторон профиля резьбы, рад; ∆r — расстояние от
точек пересечения линии измерения и среднего диаметра резьбы с боковой стороной профиля.
На результат измерения также влияют и погрешности угла профиля резьбовых вставок.
В зависимости от погрешностей шага резьбы, угла профиля резьбы и вставок погрешность
измерения собственно среднего диаметра наружной резьбы составляет примерно 0,025—0,2 мм.
При установке микрометра по резьбовому образцу, у которого погрешности шага и угла
профиля близки к нулю, точность измерений повышается. Но здесь погрешности измерений для
резьбовых изделий могут достигнуть 0,1 мм и для резьбовых калибров 0,02 мм. Увеличение
точности измерения можно достигнуть за счет укорочения рабочих поверхностен вставок, но в этом
случае они быстро изнашиваются.
Применение вместо микрометров более точных приборов, например, рычажных микрометров
или индикаторных приборов не компенсирует погрешности, связанные с отклонениями резьбы и
вставок. Эти приборы можно использовать для измерения резьбонарезного инструмента грубых
степеней точности.
Резьбовые микрометры поверяют по ГОСТ 8004—65.
Собственно средний диаметр наружной резьбы можно измерить бесконтактным проекционным
методом на универсальном или инструментальном микроскопах (рис. 272). Центральная пунктирная линия штриховой сетки универсальной окулярной головки (рис.273) совмещается с диаметрально противоположными сторонами профиля измеряемой резьбы.
Для получения резкого изображения контура резьбы колонку микроскопа наклоняют так,
чтобы оптическая ось тубуса совпала с направлением винтовой линии резьбы. Угол наклона
колонки микроскопа
arctg
S
d2
.
Кроме того, для точного измерения необходимо правильно определить диаметр диафрагмы,
устанавливаемый в соответствии со средним диаметром и углом профиля измеряемой резьбы.
Разность отсчетов при визировании пунктирной линией на диаметрально противоположные стороны
профиля резьбы и дает значение собственно среднего диаметра резьбы.
Однако этот метод измерения d2 весьма неточен. Погрешность измерения вызывается тем, что
наблюдаемое в окуляр микроскопа контурное изображение резьбы является искаженным осевым
сечением резьбы. В окуляре виден контур винтовой поверхности (обозначенный буквой В на рис.
274), перекрывающий ниже расположенное осевое сечение резьбы А.
Рис. 274. Искажение осевого сечения резьбы
С целью устранения искажений профиля резьбы средний диаметр и другие параметры резьбы
измеряют специальными измерительными ножами. Схема установки ножей для измерения среднего
диаметра приведена на рис. 275.
Ножи крепят в специальном приспособлении, установленном на опорные плоскости продольной
каретки. С целью уменьшения износа рабочей поверхности нож передвигают только в направлении,
перпендикулярном к оси резьбы. Скольжение ножа по поверхности резьбы не допускается.
Ножи подводят к профилю резьбы вплотную так, чтобы между лезвием ножа и боковыми
сторонами профиля не было просвета.
Диафрагму микроскопа при измерении открывают полностью. Перемещая каретки микроскопа в
продольном и поперечном направлениях и вращая штриховую сетку окулярной головки, совмещают соответствующую пунктирную линию бб' или гг', ИЛИ соответственно вв', или дд' (в
зависимости от размера ножа) с риской ножа. При этом точку перекрестия штриховой сетки
устанавливают примерно посередине боковой стороны профиля. При таком положении центральная
пунктирная линия должна совпасть с лезвием ножа и соответственно с профилем резьбы в
осевом сечении.
По спиральному нониусу поперечного микроскопа (при измерениях на универсальном микроскопе) или по барабану поперечного микровинта (при измерениях на инструментальном микроскопе) производят отсчет. Затем, перемещая поперечную каретку, вводят диаметрально противоположный контур резьбы в поле зрения микроскопа. Вращая штриховую сетку, совмещают одну из
боковых пунктирных линий с риской второго ножа. Производят второй отсчет. Разность двух
отсчетов даст значение среднего диаметра резьбы, измеренного в определенном сечении по
соответствующим сторонам профиля.
Погрешность измерения среднего диаметра резьбы может возникнуть вследствие непараллельности оси изделия линии измерения. Ее можно устранить путем измерения по правым и левым сторонам профиля. Среднее арифметическое двух проведенных измерений даст значение собственно
среднего диаметра резьбы, которое сравнивают с допускаемыми размерами резьбы по ГОСТ
16093—70, после чего по среднему диаметру дастся заключение о годности резьбы.
При измерении с помощью ножей погрешность измерений среднего диаметра ∆d2 зависит от
погрешности шага ∆S и погрешностей углов наклона сторон профиля ∆β и ∆γ:
d2
S1
S 2 ctg
0,582
2
sin
r
где — 0,5h ≤ ∆r ≤0,5h (h — высота профиля резьбы). Устанавливая при измерении перекрестие
штриховой сетки посредине боковой стороны профиля, тем самым исключаем влияние погрешностей углов наклона сторон профиля.
Погрешность измерений среднего диаметра ∆d2 зависит и от погрешности в нанесении рисок на
поверхности ножа
2 l
d2
sin
,
2
где ∆l — погрешность расстояния между лезвием ножа и риской (зависит от погрешности
нанесения рисок или износа лезвия ножа). В случае применения двух ножей
l1
l
l2
2
.
Погрешность размера ножа по высоте ∆h также влияет на измерение d 2:
d2
d2
d 22
4
h
2
.
Суммарная погрешность измерения среднего диаметра резьбы с помощью ножей на
универсальном микроскопе для диаметров до 100 мм составляет 2,5—4,5 мкм. При измерении
резьбы с мелкими шагами суммарная погрешность измерений может увеличиться из-за
неточности установки лезвия ножа по профилю осевого сечения резьбы.
При измерении шага резьбы без ножей колонку микроскопа наклоняют на угол подъема резьбы. При правильной установке угла левая и правая стороны профиля видны в окуляре одинаково резко.
Под объектив микроскопа подводят конец резьбовой детали, при этом ось центров, в
которые крепят деталь, устанавливается параллельно направлению продольного перемещения
стола микроскопа.
Центральную пунктирную линию штриховой сетки наводят на боковую сторону профиля предпоследнего витка резьбы. При этом перекрестие располагается приблизительно в середине высоты
профиля. Производят первый отсчет по шкале продольного хода. Затем, перемещая стол с
деталью в продольном направлении, визируют ту же линию штриховой сетки на Другую
боковую сторону резьбы (но не последнего витка). Производят второй отсчет. Разность двух отсчетов даст значение шага реьбы Sn, соответствующее измеренному числу витков.
Так как в ГОСТ 16093—70 допускаемое отклонение относится к любому числу витков в
пределах длины свинчивания, предельные значения Sn подсчитывают как сумму и разность
номинального значения n шагов и допускаемого отклонения. Годность резьбы устанавливают
путем сравнения действительного значения Sn с предельными.
При измерении может возникнуть погрешность вследствие перекоса оси изделия относительно
продольного перемещения каретки микроскопа
S
S n tg
2
где Sn — измеряемая длина, мм; ∆φ — перекос оси изделия относительно продолного перемещения каретки микроскопа.
С целью уменьшения этой погрешности необходимо, как уже указывалось выше, точно устанавливать деталь и для компенсации возможного перекоса измерять резьбу по двум сторонам
профиля. Среднее арифметическое из двух измерений даст действительное значение шага
Sn
S nправ
S nлев / 2
При измерении резьб малых диаметров (менее 3 мм) с целью исключения влияния перекоса
резьбы (как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости) шаг измеряют с двух сторон
детали. За значение Sn принимают среднее арифметическое из четырех измерений.
Предельные погрешности измерения шага без ножей составляют для универсального микроскопа 2,0—3,5 мкм, для инструментального микроскопа 3—4 мкм.
Однако, несмотря на то, что искажение контура осевого сечения резьбы при измерении шага,
значительно меньше влияет на точность измерения, чем при измерении среднего диаметра, более
точное значение шага можно получить с помощью ножей.
Предельные погрешности измерения шага с помощью ножей на универсальном микроскопе
составляют 1,5—3 мкм, на инструментальном микроскопе 2,5—3,5 мкм.
401
Глава XIV
ПОГРЕШНОСТИ И ВЫБОР СРЕДСТВ ПРИ ЛИНЕЙНЫХ ИЗМЕРЕНИЯХ
§ 81. ВЛИЯНИЕ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ НА РЕЗУЛЬТАТЫ РАЗБРАКОВКИ
При контроле линейных или угловых размеров в зависимости от поставленной цели:
1) определяют действительный размер измеряемой детали в абсолютных величинах
(например, при аттестации деталей, используемых в качестве образцовых) ;
2) определяют размер контролируемой детали в пределах предписанных для нее предельных отклонений и признают ее годной или негодной (например, при приемочном
контроле готовой продукции).
В этих случаях погрешность измерения по-разному влияет на получаемые результаты
измерения. В первом случае (при аттестации контролируемого размера) погрешность измерения приводит к тому, что детали присваивают действительный размер, достоверность
которого определяется только погрешностью, имевшей место в момент измерения.
Во втором случае (при приемочном контроле) погрешность измерения взаимодействует с фактическими размерами многих деталей. При этом погрешность измерения влияет
на окончательные результаты приемки (т. е. на определение «годен» или «брак») только
тех деталей, фактические размеры которых находятся близко к границам поля допуска.
Естественно, что погрешности измерения будут влиять и на те размеры, которые находятся ближе к центру группирования. Однако для таких размеров погрешности измерения
уже не могут способствовать забракованию годной продукции или, наоборот, бракованную продукцию считать годной. Влияние погрешностей измерения на такие размеры будет сказываться только на их перераспределении внутри поля допуска.
Таким образом, при приемочном контроле на результаты измерения влияют не только
погрешность измерения, но и фактические размеры деталей.
Поскольку фактические (технологические) размеры обработанных деталей имеют определенный закон распределения, а погрешность измерения зависит от состояния и конструкции измерительного средства и условий проведения измерений и тоже имеет определенный закон распределения, сочетание технологического размера контролируемой детали и погрешности измерения является случайным событием и подчиняется законам теории вероятностей.
Технологические (контролируемые) размеры подчиняются нормальному закону распределения или закону существенно положительных величин (закону Максвелла).
При неизвестном законе распределения рекомендуется использовать нормальный закон
для оценки параметров разбраковки при измерении Отклонений размеров и закон существенно положительных чисел при оценке колебаний размеров (т. е. отклонений формы и
расположения поверхностей: некруглости, непрямолинейности, биения, эксцентриситета
и т. д.).
Погрешности измерения в большинстве случаев подчиняются нормальному закону и
значительно реже - закону равной вероятности.
Точность измерения характеризуется величиной А мет(σ)
Амет(ζ) =
мет
100%,
изд
где Амет(σ) - погрешность измерения; σ мет (или σ изм) - среднее квадратическое отклонение
распределения погрешности измерения, мкм; ∆ИЗД - допуск на контролируемый размер,
мкм.
Например, при контроле размеров с допуском ∆ИЗД = ± 20 мкм и предельной по-
грешностью измерения ± 4 мкм контролируемые размеры и погрешность измерения подчиняются нормальному закону погрешность измерения
Амет(ζ) =
8
6 40
100
3,3 %.
Пусть технологическое распределение размеров деталей подчиняется нормальному
закону распределения (∆тех=2δтех=6ζтех), а применяемый метод измерения имеет предельную погрешность, равную нулю (рис. 338, а). Тогда все детали с размерами, не выходящими за границы поля допуска, будут признаны годными, а все действительно бракованные детали будут забракованы. Распределение измеренных таким образом деталей определилось бы усеченной кривой нормального распределения (на рис. 338, а площадь под
этой кривой заштрихована).
В реальных условиях, когда имеет место погрешность измерения В (рис.338, б), кривая
нормального распределения измеренных размеров деталей будет отличаться от технологического распределения (рис.339)
Действительно, по результатам измерения (из-за погрешности измерения) часть бракованных деталей, т. е. тех, у которых размеры выходят за предельные допускаемые значения (однако близки к этим значениям) будут неправильно приняты как годные. И наоборот, часть деталей, размеры которых не выходят за предельные допускаемые значения
(однако близки к ним), будет неправильно забракована.
Влияние погрешности измерения оценивают следующими параметрами (см. рис. 339):
т - вероятностью принятия бракованных деталей [или количеством деталей в процентах общего числа измеренных, имеющих отклонения, выходящие за обе допускаемые границы и принятые в числе годных (неправильно принятые)];
n - вероятностью забракования годных деталей [или количеством деталей в процентах
общего числа измеренных, имеющих отклонения, находящиеся в допускаемых границах и
забракованные (неправильно забракованные)];
с - вероятностной предельной величиной выхода размера за каждую границу допуска у
неправильно принятых деталей.
Определим величины т, n и с приближенным методом на конкретном примере.
Допустим, что следует разбраковать детали, технологические размеры которых (технологическое распределение) выходят за границу установленного допуска так, что
∆изд=±δизд=±1,8ζтех(рис. 340, а). Размеры проверяют с погрешностью, составляющей 10%, т.е.
мет
мет ( )
изд
100 %
10 % или
мет
0,1 .
изд
Так как погрешность измерения подчиняется нормальному закону распределения, то
3 изм
3 мет 0,1 3 2 изм 0,1 3 2 1,8 тех , т.е. изм 1,08 тех (рис. 340, б).
изм и
изм
Последнее выражение указывает на то, что предельная погрешность измерения влияет
на разбраковку тех деталей, отклонения размеров которых от границы поля допуска соответствуют значениям, не превышающим 1,08ζтех.
Участок технологического распределения от начала, соответствующего 1,08ζтех (граница поля допуска), до 2,88ζтех (граница влияния погрешности измерения: 1,8ζтех + 1,08ζтех =
2,88ζтех) разбивают на шесть интервалов (установлено, что это оптимальное число интервалов) , имеющих следующие границы в долях ζтех: 1,8-1,98; 1,98-2,16; 2,16-2,34; 2,342,52; 2,52-2,70; 2,70-2,88.
На шесть интервалов разбивают и участок протяженностью 1,08ζ тех, расположенный к
центру группирования, т.е. от 1,8ζтех (граница поля допуска) до 0,72ζтех (граница влияния
погрешности измерения: 1,8ζтех-1,08ζтех=0,72ζтех, имеющих следующие границы в долях
ζтех: 0,72-0,90; 0,90-1,08; 1,08-1,26; 1,26-1,44; 1,44-1,62; 1,62-1,80.
Также на шесть интервалов в одну сторону от центра группирования и на шесть интервалов в другую сторону от центра группирования (а всего на двенадцать интервалов),
соответствующих интервалам технологического распределения, распределяют погрешность измерения, причем каждый интервал имеет протяженность О,5ζмет = 0,5ζизм..
Вероятность того, что погрешность измерений больше, чем среднее отклонение в интервале участков технологического рассеивания, будет равна 0,5 - Ф (Z), где Z соответствует средним значениям интервалов, на которые разбит участок от О до 3ζизм, т.е.
0,5 - Ф(Z=25) = 0,5 - 0,0987 = 0,4013,
0,5 – Ф(Z=75) = 0,5- 0,2734 = 0,2266
и т. д.
Значения функции Ф (Z) определяются из табл. 13 (см. Тюрин Н. И. Основы метрологии. М., Изд-во стандартов, 1976).
Полученные значения вероятности для погрешности измерения являются постоянными
для всех расчетов при различных технологических распределениях (см. рис. 340, 6) и используются как постоянные множители.
Вероятность того, что размеры изделия появятся на данном участке технологического
распределения, будет определяться площадью соответствующего участка, например
Ф(Z=1,98) -Ф(Z=1,80) = 0,4761- 0,4641 = 0,0120;
Ф(Z=2,16) -Ф(Z=I,98) = 0,4846- 0,4761 = 0,0085
и т. д. Полученные значения вероятностей приведены на рис. 340, а для всех участков.
Определим вероятность того, что изделие с размерами, выходящими за границы поля
допуска и находящимися в интервале 1,8ζтех-1,98ζтех, будет признано годным. Это вероятность сложного события, определяемая совпадением двух простых событий: первого, когда размеры детали должны находиться в указанном интервале (вероятность такого события определяется значением 0,0120), и второго, когда погрешность измерения должна
быть больше, чем средний размер изделия в указанном интервале (вероятность такого события определяется значением 0,4013). Следовательно, вероятность того, что данное изделие будет признано годным определится произведением указанных вероятностей 0,0120
Х 0,40 13 = 0,0048156.
Аналогично, вероятность того, что негодное изделие с размерами, находящимися в интервале 1,98ζтех-2,16ζтех, будет признано годным, определится произведением вероятностей 0,0085 Х 0,2266 =0,0019261 и т. д.
Вероятность неправильного принятия бракованных изделий (величина т) будет являться суммой вероятностей по всем участкам, т. е.
0,0120 х 0,4013=0,00481560
0,0085 х 0,2266=0,00192610
0,0058 х 0,1056=0,00061248
0,0037 х 0,0401=0,00014837
0,0024 х 0,0122=0,00002928
0,0015 х 0,0030=0,00000450
______________________________
Σ= 0,00753633 для
каждой границы поля допуска и 2 Σ= 0,00753633 х 2=0,01507266 для обеих границ
Если отбросить 0,27 % (как это обычно принято для нормального закона распределения), то полная вероятность неправильного принятия бракованных изделий т=0,015072660,0027=0,0l2372б6, или около 1,24 % .
Аналогично определяют вероятность ошибочно забракованных изделий (величину п).
Только в этом случае рассматривают участки, расположенные от границы поля допуска в
направлении к центру группирования технологического распределения.
Сумма вероятностей по отдельным участкам составит:
0,0167 х 0,4013=0,00670171
0,0223 х 0,2266=0,00505318
0,0289 х 0,1056=0,00305184
0,0363 х 0,0401=0,00145563
0,0440 х 0,0122=0,00053680
0,0517 х 0,0030=0,00015510
__________________________________________
Σ= 0,01695426 для каждой границы поля допуска и 2 Σ= 0,1695426 х 2=0,03390852 для обеих границ
В этом случае не нужно отбрасывать 0,27 % случаев, поскольку рассматриваемая зона
не располагается с края технологического распределения. Таким образом, полная вероятность ошибочно забракованных изделий п составляет 3,39 % всех измеренных изделий.
Для определения значения возможного выхода размеров за границы допуска с следует
найти для границ каждого из интервалов, на которые разделено технологическое распределение, полные вероятности приема бракованных изделий и соответствующие им значения выхода с.
В рассматриваемом примере для полной вероятности неправильного принятия бракованных изделий по одной границе допуска, т. е. для 0,00753633, значение с равно предельной погрешности измерения, т. е. 0,6δизд (δизд = 0,6δизд). Следующая сумма вероятностей объединяет все участки, кроме крайнего, и равна 0,00753633-0,0000045=0,00753183, а
с=0,50иçä. Последующие суммы вероятностей и значения с будут равны:
0,00753183 - 0,00002928=0,0750255; с= 0,4 δизд ;
0,00750255 - 0,00014837=0,00735418; с= 0,3 δизд ;
0,00735418 – 0,00061248=0,00674170; с=0,2 δизд ;
0,00674170 – 0,00192610=0,00481560; с=0,1 δизд .
Подсчитанное ранее значение вероятности неправильного принятия бракованных изделий с учетом 0,27 % по одной границе допуска
составит
0,01237266
2
=
=0,00618633 и находится между вероятностями 0,00481560, где с= 0,1 δизд и 0,00674170,
где с= 0,2 δизд. Интерполируя эти два значения, находим, что с=0,171 δизд или 17,1% одностороннего отклонения.
В соответствии с рассмотренной методикой были рассчитаны значения т, п и с для
различных соотношении ∆изд , ζтех и А мет(ζ) и построены графики (рис. 341).
На графиках сплошные линии соответствуют распределению по нормальному закону
как размеров, так и погрешностей измерения; пунктирные линии - нормальному закону
распределения размеров и распределения погрешностей измерения по закону равной вероятности.
При неизвестном законе распределения погрешности измерения рекомендуется значения т, п и с определять как средние из значений, найденных по нормальному закону распределения и закону равной вероятности.
Распределение по закону существенно положительных величин (как уже указывалось
выше) имеет место в том случае, когда определяют колебание контролируемого размера.
Основная особенность распределения существенно положительных величин заключается в том, что оно имеет одно граничное значение, равное нулю, и не носит симметричного характера. При этом требуется рассчитывать неправильно принятые и неправильно
забракованные изделия для всего распределения, а не для одной границы допуска, как это
было для нормального закона.
Поэтому при определении результатов разбраковки нужно совмещать нижнюю границу технологического распределения с нижней границей поля допуска, а выход за границу
поля допуска будет иметь место только у одной - верхней границы поля допуска. Размер
выхода за границу поля допуска с определяют по отношению ко всему допуску.
С учетом указанных особенностей были построены графики для определения значений
m, п и с (рис. 342).
На этих графиках сплошные линии соответствуют распределению размеров по закону
существенно положительных величин, а погрешностей измерения - по нормальному закону; пунктирные линии - распределению размеров по закону существенно положительных
величин, а погрешностей измерения - по закону равной вероятности.
При неизвестном законе распределения погрешности измерения значения т, п и с определяют как средние из значений, найденных по указанным законам.
Параметры т и с на рис. 341 и 342 определены с доверительной вероятностью 0,9973.
Вся зона технологического распределения для закона существенно положительных величин равна 3,44ζкруг в круговых средних квадратических отклонениях или 5,25ζ лин в линейных средних квадратических отклонениях. Соотношение между ζкруг И ζлин следующее:
ζлин = O,655ζкруг
Параметры разбраковки на рис. 341 даны при симметричном ;расположении допуска
относительно центра группирования контролируемых деталей, а на рис. 342 при совмещении начала координат распределения с нулевым отклонением.
Проанализируем полученные графики параметров разбраковки.
Они характеризуют точность технологического процесса, поскольку определяются зависимостью ∆изд/δтех (δтех - среднее квадратическое отклонение распределения погрешности
изготовления), т. е. результаты разбраковки в большей мере зависят от состояния технологического процесса, чем от погрешности измерения.
Каждая кривая на рис. 341 и 342 соответствует определенному значению погрешности
измерения Амет(ζ) В процентах. В соответствии с ГОСТ 8.051-73 приняты значения Амет(ζ) от
1,6 до 16% контролируемого допуска.
Участки кривых, расположенных левее экстремального значения, не имеют практического значения, поскольку они характеризуют очень неточные технологические процессы,
дающие большое количество бракованных деталей. Вместе с тем, концы этих кривых располагаются тем ниже (следовательно, тем меньше будут значения т, n и с), чем грубее будут изготовлять детали, т. е. чем меньше будет отношение ∆изд/ζтех.
Это кажущееся противоречие объясняется тем, что имеет место приближение к случаю, когда все изготовленные детали будут бракованными, а также тем, что с уменьшением отношения ∆изд/ζтех погрешность измерения по отношению к технологическому распределению уменьшается, вследствие чего влияние погрешности измерения на результаты
разбраковки тоже уменьшается.
Так, если ∆изд/ζтех =4 и Амет(ζ) = 16 %, то ζизм/∆изд = 0,16; ζизм=6ζизд·0,16 и 2δизм≈∆изд. Тогда 2δизм=∆изд=4ζтех, т. е. погрешность измерения очень велика.
Однако при отношении ∆изд/ζтех = 1, т. е. когда количество действительного брака
очень велико, при том же значении А мет (ζ) = 16%
2δизм=∆изд=ζтех
т. е. погрешность измерения по отношению к технологическому распределению уменьшилась в 4 раза.
Каждый из приведенных на рис. 341 и 342 графиков имеет экстремальное значение. Эти
значения не очень велики. Следовательно, как бы ни был плох технологический процесс, погрешность измерения (при принятом ее значении по ГОСТ 8.051—73) не может привести
к неправильному принятию или неправильному за бракованию большого количества деталей.
В табл. 20 приведены возможные предельные значения параметров разбраковки, соответствующие экстремальным значениям кривых на рис. 341 и 342.
Таблица 20
Амет(ζ) %
1,6
3
5
8
10
12
16
Предельные значения параметров разбраковки,
полученные по законам распределения измеряемых
размеров
нормальному
существенно положи(рис.341)
тельных величин (рис.342)
m
n
m
n
0,37
- 0,7-0,75
0,15-0,25
0,4-0,5
0,39
0,87 - 0,9 1,2-1,3
0,6-0,7
0,7-0,9
1,6 - 1,7
2,0-2,25
1,2-1,25
1,5-1,53
2,6 - 2,8
3,4-3,7
1,9-2,2
2,4-2,8
3,1 - 3,5
4,5-4,75
2,5-2,75
3,2-3,8
3,75 - 4.1 5,4-5,8
3,0-3,25
3,55-4,2
5,0 - 5,4
7,8-8,25
3,9-4,35
5,2-5,5
c/∆изд
0,01
0,03
0,06
0,1
0,14
0,17
0,25
Предельные параметры разбраковки, указанные в табл. 20, учитывают влияние только
случайной составляющей погрешности измерения (так же как и кривые на рис. 341 и 342
характеризуют влияние только случайных величин).
Систематические погрешности изготовления и измерения могут быть исключены введением соответствующих поправок. Если это по каким-либо причинам осуществить невозможно, то их влияние на параметры m, n и с может быть учтено в соответствии с методикой, изложенной в ГОСТ 8.051—73.
Ниже рассмотрены примеры использования графиков, приведенных на рис. 341 и 342.
Пример А. Требуется найти результаты разбраковки деталей, для которых размеры
должны быть в пределах предписанного допуска ∆ изд=40 мкм. Погрешность измерения δ
изд подчиняется нормальному закону и равна ±12 мкм. Технологический процесс создает
разброс размеров деталей в пределах 80 мкм (6ζтех=80 мкм).
По
приведенным
данным
устанавливаем,
что
А мет (
изм
)
3
100
изд
12
3 40
100
10 %;
80
тех
6
13 ,3 мкм , тог да
изд
40
тех
13 ,3
3.
По рис. 341, а находим, что при данных условиях неправильно принятых деталей будет
2% {т. е. из 100 проверенных деталей две бракованные попадут в число годных).
Из рис. 341, б видно, что 4,2% деталей будет неправильно забраковано (т. е. из
100 проверенных деталей четыре годных будут признаны бракованными).
По рис. 341,6 находим, что у неправильно принятых деталей относительное значение
выхода размера за одну из границ допуска с/∆ изд = 0,11, откуда с =0,11 · 40 = 4,4
мкм, т. е. указанные 2% неправильно принятых деталей могут иметь отклонения в пределах
∆ изд +2с =40+2· 4,4=48,8 мкм.
Пример Б. Требуется определить результаты разбраковки, если допуск на радиальное
биение составляет 22 мкм. Погрешность измерения ζ изм равна 1,7 мкм (закон распределения погрешности измерения неизвестен). Технологический процесс обеспечивает получение деталей с радиальным биением в пределах 33 мкм.
По приведенным данным устанавливаем, что
А мет (
изм
)
100
изд
33
тех . лин
5, 25
изд
22
тех . лин
6 ,3
1,7
22
100
8 %;
6,3 мкм ,
3,5 .
Последовательно по графикам находим, что при данных условиях неправильно принятых деталей будет 0,75% (см. рис. 342,а); неправильно забракованных 1,6% (см. рис.
342,б); относительная величина выхода размера за границу допуска
с
0 ,06 (см. рис.
изд
342, в ) , откуда с = 0,06 х 22= 1,3 мкм. Таким образом, 0,75% деталей могут иметь биение, равное 22+1,3 =23,3 мкм вместо допускаемых 22 мкм.
Пример В. Требуется определить результаты разбраковки при контроле размера. Погрешность измерения составляет Амет(ζ) =10%. Состояние технологического процесса и
закон распределения погрешности измерения неизвестны. Допуск Дизд равен 60 мкм.
В этом случае можно воспользоваться табл. 20, в которой для данной погрешности
измерения получаем: максимальное количество неправильно принятых деталей 3,3% (как
среднее значение из приведенных данных); неправильно забракованных — 4,63%; выход
размеров за границу поля допуска у неправильно принятых деталей 2с∆изд = 2-0,14-60—
16,8 мкм, т. е. 3,3% неправильно принятых деталей будут иметь допуск 60+16,8 = 76,8 мкм
вместо допускаемого 60 мкм.
При использовании графиков, приведенных на рис. 341 и 342, можно решать и обратные задачи, т. с, задаваясь количеством неправильно принятых или неправильно забракованных деталей (или значением выхода размера за границу допуска), можно установить
требования в отношении погрешности измерения и требуемой точности технологического
процесса.
С помощью графиков можно определять, в какой мере целесообразно переходить на более
точные или менее точные методы измерения, и определять также последствия такого перехода в отношении результатов разбраковки (можно решать и ряд других задач). Сказанное выше никоим образом не должно затушевывать одну из основных задач метролога на
предприятии — всемерно способствовать тому, чтобы технологический процесс обеспечивал изготовление деталей в границах допуска, что улучшает качество изготовляемой продукции. Тогда отпадает необходимость в приемочном контроле, а измерительные средства
могут быть использованы для анализа технологического процесса и наблюдения за состоянием этого процесса.
§ 82. УСТАНОВЛЕНИЕ ПРИЕМОЧНЫХ ГРАНИЦ
Поскольку погрешности измерения влияют на результаты разбраковки деталей, принимают специальные меры, направленные на уменьшение этого влияния. Одной из них является установление производственных допусков. Приемочные границы могут совпадать с границами допуска (принимаемого по стандарту или другому нормативному документу) или не совпадать с ними. Тогда
вводится уменьшенный, так называемый
производственный допуск.
Возможны следующие случаи установления приемочных границ:
а) приемочные
границы
совпадают с границами
поля до
пуска (рис. 343, а).
Этот случай
является
наиболее
распространенным.
При
контроле
границы
поля допуска принимают такими же, как и при изготовлении.
При
этом на результаты
рассортировки дета
лей
влияет
погрешность
измерения, и некоторая часть браРис.343. Варианты установления
кованных деталей будет приня приемочных границ:
та
в
числе
годных,
а
некоторая
часть годных деталей будет
А- при распределении размеров деталей
по
ошибочно отнесена к браку;
нормальному закону; Б- при распределении
б) введение производственколебаний размеров деталей по закону
ного допуска на полную посущественно положительных величин
грешность измерения. Этот
случай встречается тогда, когда нельзя допустить, чтобы хотя бы одна бракованная деталь прошла в число годных с любыми отклонениями. Для этого допуск сокращают на
погрешность измерения (рис. 343, б). При этом деталь изготовляют и измеряют в соответствии с этими уменьшенными допусками, называемыми производственными.
Значение производственного допуска ∆пр для нормального распределения в рассматриваемом случае
∆пр=∆изд - 2δизм,
где ∆изд —допуск на изготовление, принятый по стандарту; δизм — предельная погрешность
метода измерения; для закона существенно положительных величин
∆пр=∆изд - δизм.
в) введение производственного допуска при вероятностном учете погрешности измерения. В этом случае производственный допуск отличается от ∆изд не на полное значение погрешности измерения, а на значение вероятностного выхода за границу допуска неправильно принятых деталей, т. е. на величину с, которую определяют по рис. 341, в и 342, в.
Приемочные границы смещаются внутрь поля допуска, при этом для нормального закона
распределения размеров деталей производственный допуск
∆пр=∆изд – 2с ,
а закона существенно положительных величин производственный допуск
∆пр=∆изд - с (рис. 343, в).
С введением производственных допусков (как с учетом максимального, так и частичного
влияния погрешности измерения) резко возрастает количество неправильно забракованных
деталей за счет тех деталей, размеры которых выходят за границы уменьшенного производственного допуска, но не выходят за пределы допуска ∆изд.
При введении производственных допусков целесообразно повторно проверить забракованные детали с целью выявления ложного брака, пользуясь при этом графиками, показанными на рис. 341 или 342.
Технико-экономический расчет должен определить, в какой мере приемлемо введение
производственного допуска. Если окажется, что большое количество неправильно забракованных деталей приносит значительный ущерб производству, то нужно повысить точность
измерения деталей или улучшить технологический процесс их изготовления.
В ГОСТ 8.051—73 имеется указание, что при введении производственного допуска смещение не должно превышать половины нормируемого предела допускаемой погрешности
измерения у каждой приемочной границы (величины δизм) .
В стандарте имеются две основные таблицы (табл. 1, 2), в которых указаны пределы
допускаемых погрешностей измерения для допусков и посадок в общесоюзной системе допусков и посадок ОСТ (табл. 1) и в системе ИСО (СЭВ) (табл.2), зависящие от допусков
∆изд, сведенные в ряды точности (от 1 до 15-го ряда в табл. 1 и от 2 до 16-го ряда в табл. 2),
в которых точность уменьшается с увеличением ряда.
Имеется указание, что при определении параметров разбраковки рекомендуется принимать Амет(ζ) , равное 16% для рядов 1—6; 12% для рядов 7—8 к 10% для 9-го ряда и грубее.
В стандарте предусмотрено два возможных способа установления приемочных границ
с учетом погрешности измерения: выбором соответствующего квалитета (класса точности)
и посадки (этот способ предпочтительней) и введением производственного допуска.
1-й способ. Приемочные границы устанавливают совпадающими с границами полей
допусков по существующим стандартам. Это значит, что влияние погрешности измерения
уже учтено выбором того или другого класса точности (или квалитета ИСО (СЭВ) и вида
посадки детали.
Пример. При проектировании вала диаметром 100 мм установлено, что исходя из условий его эксплуатации отклонения его размеров должны соответствовать скользящей
посадке класса 2, т. е. Ø100 С или Ø100 -0,023.
По табл. 3 стандарта устанавливаем, что такой вал должен быть отнесен к 5-му
ряду точности, а по табл. 1 стандарта определяем предел допускаемой погрешности, равный
6 мкм (δИЗМ=6 мкм).
Поскольку нет указаний о точности технологического процесса, по табл. 20 для
Aмет(σ) =16% находим m = 5,2 как среднее значение из приведенных данных (так как закон
распределения погрешности измерения, неизвестен) и с=0,25∆изд=0,25-0,023=0,006 мм.
Таким образом, среди годных деталей может оказаться до 5,2% неправильно принятых
деталей с наибольшими отклонениями +0,006 и —0,029 мм.
Если полученные данные не повлияют на эксплуатационные показатели вала, то на чертежах указывают первоначально выбранный класс точности и посадку. В противном случае выбирают другой класс точности или другую посадку (соответственно проводят аналогичные расчеты).
2-й способ. Вводится производственный допуск, т. е. приемочные границы смещаются
внутрь относительно границ, устанавливаемых стандартами на допуски и посадки.
При введении производственного допуска могут быть два варианта в зависимости от
того, не известка или известна точность технологического процесса.
Вариант 1. При назначении допускаемых отклонений точность технологического процесса неизвестна. Тогда в соответствии с указанием ГОСТ 8.051—73 предельные отклонения изменяются у каждой границы на половину предельной допускаемой погрешности измерения δизм. Для примера, рассмотренного выше, новые границы будут определяться от.
клонениями Ø 100 00,,003
020
Вариант 2. При назначении допускаемых отклонений точность технологического процесса известна (т. е. известна величина δтех).
Пусть ∆изд/ζтех = 4, тогда при Амет(ζ)=16% по рис. 341, в находим, что с/∆изд=0,1 и с = 0,0023
мм.
Поскольку для этого случая приемочные границы должны сократиться каждая на величину с, новые границы будут определяться отклонениями Ø 100 00,,002
021 .
УДК 531.717.8:53.089.68:006.354
Группа
TS4
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
СТАНДАРТ
СОЮЗА
ССР
Государственная система обеспечения единства
измерений
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СПЕЦИАЛЬНЫЙ ЭТАЛОН И
ОБЩЕСОЮЗНАЯ ПОВЕРОЧНАЯ СХЕМА ДЛЯ СРЕДСТВ
ГОСТ
ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ШЕРОХОВАТОСТИ Rmax и
Rz В ДИАПАЗОНЕ 0,025-1600 мкм
8.296-78
State system for ensuring the uniformity of measurements. State special standard and allunion verification schedule or instruments measuring surface roughness parameters Rmax
and Rz in range 0,025 -l6O0 mkm
Постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министроа СССР от 4
апреля 1978 г. № 937 срок введения установлен
с 01.01. 1979 г.
Настоящий стандарт распространяется на государственный специальный эталон и общесоюзную поверочную схему для средств измерений параметров шероховатости Rmax
и Rz в диапазоне 0,025— 1600 мкм и устанавливает назначение государственного специального эталона единицы длины в области измерении параметров шероховатости
Rmax и Rz в диапазоне 0,1-1000 мкм— микрометра (мкм), комплекс основных средств
измерений, входящих в его состав, основные метрологические параметры эталона и порядок передачи размера единицы длины в области измерений параметров шероховатости Rmax и Rz от специального эталона при помощи вторичных эталонов и образцовых
средств измерении рабочим средствам измерений с указанием погрешностей И основных методов поверки.
1. ЭТАЛОНЫ
1.1. Государственный специальный эталон
1.1.1. Государственный специальный эталон предназначен для воспроизведения и
хранения единицы длины в области измерений параметров шероховатости Rmax и Rz в
диапазоне 0,1- 1000 мкм и передачи размера единицы при помощи вторичных эталонов
и образцовых средств измерений рабочим средствам измерений, применяемым в народном хозяйстве СССР, с целью обеспечения единства измерений в стране.
1.1.2. В основу измерений параметров шероховатости Rmax и Rz в диапазоне 0,025 1600 мкм, выполняемых в СССР, должна быть положена единица, воспроизводимая
указанным государственным эталоном.
1.1.3. Государственный специальный эталон состоит из комплекса следующих средств
измерений:
источник монохроматического излучения — образцовый газовый, оптический квантовый генератор (ОК.Г) 1-го разряда, стабилизированный по провалу Лэмба;
микроинтерференционная установка, состоящая из микроинтерферометра, устройств
для объективного наведения и дополнительных средств измерения линейных перемещений;
мера шероховатости.
1.1.4. Диапазон значений длины, соответствующих параметрам1 шероховатости Rmax и
Rz воспроизводимых эталоном, составляем 0,1 - 1000 мкм.
1.1.5. Государственный специальный эталон обеспечивает воспроизведение единицы
со средним квадратическим отклонением результата измерений (S), не превышающим 0,005 мкм в диапазоне 0,1— ] мкм и 0,05 мкм в диапазоне 1 — 1000 мкм при неисключенной систематической погрешности (Θ), не превышающей 0,005 мкм в
диапазоне 0,1—1 мкм и 0,05 мкм в диапазоне 1 - 1000 мкм.
1.1.6, Для обеспечения воспроизведения единицы длины в области измерений параметров шероховатости Rmax и Rz с указанной точностью должны быть соблюдены правила хранения и применения эталона, утвержденные в установленном порядке.
1.1-7. Государственный специальный эталон применяют для передачи размера единицы длины в области измерений параметров шероховатости Rmax и Rz рабочим эталонам методом прямых измерений.
1.2. Вторичные эталоны
1.2.1. Б качестве рабочих эталонов применяют эталонные наборы мер, выполненных в
виде плоскопараллельных пластин с неровностями периодического профиля на рабочей поверхности в диапазоне параметров шероховатости Rmax и Rz 0,1 - 1000 мкм.
1.2.2. Средние квадратические отклонения результата поверки (So) рабочих эталонов,
приведенные к верхнему пределу диапазона, не должны превышать 0,8% в диапазоне
0,1 — 1 мкм и 0,1% б диапазоне 1 - 1000 мкм.
1.2.3. Рабочие эталоны применяют для передачи размера единицы образцовым средствам измерений 1-го разряда методом прямых измерений или сличением при помощи
компаратора (прибора! сравнения параметров шероховатости).
2. ОБРАЗЦОВЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
2.1. Образцовые средства измерении 1-го разрядя
2.1.1. В качестве образцовых средств измерений 1-го разряда применяют образцовые
приборы (микроинтерферометры, интерференционные микровысотомеры, контактные
профилографы) и образцовые меры шероховатости (ОМШ).
2.1.2. Пределы допускаемых погрешностей ( δ0) образцовых средств измерений 1го разряда, приведенных к верхнему пределу диапазона, не должны превышать 3% в
диапазоне 0,1—1 мкм и 0,3% в диапазоне 1—1000 мкм.
2.1.3. Образцовые средства измерений 1-го разряда применяют для поверки образцовых средств измерений 2-го разряда методом прямых измерений.
2.2. Образцовые средства измерений 2-г о
разряда
2.2.1. В качестве образцовых средств измерений 2-го разряда применяют образцовые
приборы (микроинтерферометры, интерференционные
микровысотомеры,
контактные профилографы) и ОМШ.
2.2.2. Пределы допускаемых погрешностей образцовых средств измерений 2-го разряда, приведенных к верхнему пределу диапазона, не должны превышать 5% в диапазоне
0.1-М мкм и 1% в диапазоне 1 - 1000 мкм.
2.2.3. Образцовые средства измерений 2-го разряда применяют для поверки образцовых 3-го разряда и рабочих средств измерений методом прямых измерений.
2.2.4. Соотношение пределов допускаемых приведенных погрешностей образцовых
средств измерений 1 и 2-го разрядов должна быть не более 1:1,5,
2.3. Образцовые средства измерений 3-г о разряда
2.3.1. В качестве образцовых средств измерений 3-го разряда применяют образцовые
приборы (микроинтерферометры, интерференционные микровысотомеры, контактные
профилографы, приборы светового и теневого сечений) и ОМШ.
2.3.2. Пределы допускаемых погрешностей образцовых средств измерений 3-го разряда,
приведенных к верхнему пределу диапазона, не должны превышать 8% в диапазоне 0,1
- l мкм и 3% —в диапазоне l - l000 мкм.
2.3.3. Образцовые средства измерений 3-го разряда применяют для поверки рабочих
средств измерений методом прямых измерений.
2.3.4. Соотношение пределов допускаемых приведенных погрешностей образцовых
средств измерений 2 и 3-го разрядов должно быть не более 1:1,5.
3. РАБОЧИЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
3.1. В качестве рабочих средств измерений применяют микроинтерферометры, растровые измерительные микроскопы, приборы светового и теневого сечений, контактные профилографы-профилометры, образцы шероховатости поверхности (сравнения) и
детали-образцы шероховатости поверхности.
3.2. Пределы допускаемых погрешностей (∆о) рабочих средств измерений составляют
от 4 до 50% •
3.3. Соотношение погрешностей образцовых и рабочие средств измерений должно
быть не более 1:3.
Глава 12
ИЗМЕРЕНИЕ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
НОРМЫ И ПОКАЗАТЕЛИ ТОЧНОСТИ ЗУБЧАТЫХ
КОЛЕС
Качество машин в большой степени зависит от работы зубчатых механизмов, наиболее распространенных среди механических передач других типов
благодаря своим технико-экономическим показателям. Зубчатые передачи используют в любом станке, автомобиле, подъемнике и кране, в счетно-решающих механизмах, измерительных
приборах и др.
Зубчатые передачи предназначены для передач вращения от одного вала к другому и для
получения большей или меньшей скорости вращения. По конструктивному выполнению их делят на цилиндрические с параллельными осями; конические с пересекающимися осями и
винтовые (гиперболоидные) со скрещивающимися осями. Передачи могут быть как внешнего, так и внутреннего зацепления.
ГОСТ 16530—70 и ГОСТ 16531—70 устанавливают термины и определения, относящиеся к
геометрии и кинематике зубчатых передач. Самой распространенной передачей является
эвольвентная зубчатая передача,
у которой теоретические торцовые профили зубьев колес являются эвольвентами
концентрических окружностей (рис. 297).
Окружность, развертка которой является теоретическим торцовым профилем зуба колеса, называется основной окружностью.
Траектория общей точки контакта зубьев при еѐ движении относительно неподвижного звена
зубчатой передачи называется линией зацепления, длина которой в данном случае составляет gα. Активная часть линии зацепления ограничивается точками пересечения линии зацепления с окружностями вершин зубьев. Угол между линией зацепления и прямой, перпендикулярной к межосевой линии, является углом зацепления αtω. Модуль эвольвентного зацепления mα есть линейная величина в π раз меньшая шага зацепления Ра, причем шаг
зацепления определяется как расстояние по контактной нормали между
контактными точками одноименных профилей соседних зубьев. Шаг зацепления равен основному нормальному шагу. Значение модуля и шага стандартизированы. Диаметр делительной окружности равен произведению числа зубьев колеса на модуль. Угловой шаг равен 360°,
деленным на число зубьев колеса.
Для нормальных колес полная высота зуба hсоставляет 2,25 mа и складывается из высоты головки зуба hа=mа и высоты ножки зуба hƒ=1,25mа. Радиальный зазор при этом составляет 0,25 mа.
С целью улучшения качественных показателей зацепления (устранения подреза рабочей
части профиля зуба, утолщения ножки коррегируют. В связи с изменением радиусов начальных окружностей коррегированных колес (у нормальных колес начальная окружность
совпадает с делительной) изменятся и другие параметры , за исключением радиусов основных
окружностей.
Погрешности, возникающие при нарезании зубчатых колес, можно свести к четырем видам: радиальные 2; тангенциальные 1; осевые погрешности
обработки 3 и погрешности производящей поверхности инструмента 4
(рис.298).
Рис. 297. Эвольвентная зубчатая передача:
1 — окружность впадин; 2 — основная окружность;
3 — начальная окружность; 4 — окружность вершин;
5 — основной окружной шаг; 6 — линия зацепления;
7 — дуга зацеплени
Радиальные погрешности обработки, обусловленные изменением радиального расстояния
между инструментом и нарезаемым колесом, возникают из-за погрешностей базирования изделия
на станке, радиального биения инструмента и периодических колебаний положения шпинделя
изделия или инструмента.
Погрешности базирования нарезаемого колеса на станке, создающие в изделии эксцентриситет, могут возникнуть вследствие наличия биения оправки стола станка относительно оси
вращения, биения заготовки из-за зазора при посадке ее на оправку, биения центров станка
относительно оси вращения станка и ряда других причин.
Погрешности изготовления инструмента, биение оправки под инструмент и биение посадочных мест инструментального шпинделя приводят к радиальному биению инструмента.
Погрешности обработки, обусловленные радиальным биением инструмента, особенно значительны при зубофрезеровании и зубодолбении.
Возникшие в результате зубообработки радиальные погрешности постоянны в любом осевом сечении колеса.
Тангенциальные погрешности возникают вследствие наличия погрешностей звеньев кинематической цепи станков, особенно, конечных червячных пар, делительных дисков и ходовых винтов.
Эти погрешности нарушают точное деление в станках с делительным устройством и обкат
инструмента и колеса при нарезании его по методу обката.
Тангенциальные погрешности постоянны по каждой контактной линии.
Осевые погрешности появляются при перекосе оси изделия, неточности направляющих
станка, а иногда вследствие погрешности кинематической цепи станка. Эти погрешности нарушают
продольный контакт зубьев, при этом в любом торцевом сечении колеса они остаются постоянными.
Погрешности изготовления инструмента, а также неточности колеса, обусловленные дискретностью процесса резания, вызывают погрешности производящей поверхности.
Погрешности профиля и контактной линии косозубых колес могут явиться следствием неточности формы производящей поверхности инструмента, а погрешности угла профиля инструмента приводят к отклонениям основного шага и направления контактной линии.
Совместное проявление перечисленных выше погрешностей зубообработки вызывает неточности размеров, формы и расположения зубьев обрабатываемых зубчатых колес. При последующей работе зубчатого колеса в качестве элемента передачи эти неточности приводят к неравномерности его вращения; неполному прилеганию поверхностей зубьев; неравномерному распределению
боковых зазоров, что вызывает дополнительные динамические нагрузки, нагрев, вибрации и шум
в передаче.
Поэтому для обеспечения требуемого качества передачи назначают допуски на точность изготовления колес и точность монтажа передачи. Стандартами допусков у нас охвачены все виды
зубчатых передач: цилиндрические; конические; червячные и реечные как с мелкими (до 1
мм), так со средними (до 8 мм) и с большими модулями. Для наиболее распространенных
цилиндрических зубчатых передач существует ГОСТ 1643—72, разработанный в соответствии с
рекомендациями Международной организации по стандартизации (ИСО) и Совета Экономической
взаимопомощи (СЭВ).
ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАКОПЛЕННОЙ ПОГРПЕШНОСТИ И НЕРАВНОМЕРНОСТИ ШАГА
За накопленную погрешность шага принимают погрешность, возникающую при взаимном
расположении двух одноименных профилей зубьев на одной окружности колеса, проходящей
посередине высоты зуба, с центром на рабочей оси колеса, в перпендикулярном к его оси сечении.
На рис. 307 даны диаграммы кинематической погрешности F'гт
и накопленной погрешности шага Fpr . Последняя погрешность, как видно из диаграммы,
меньше первой, так как дает дискретные значения непрерывной кривой кинематической погрешности.
Известны три метода измерения накопленной погрешности шага: метод измерения углового
шага, метод измерения погрешности на полуокружности и метод измерения равномерности
окружных шагов.
При методе измерения углового шага определяют отклонение в угловом положении зубьев
относительно их номинального углового положения, создаваемого угломерным устройством.
Схемы приборов для измерения углового шага показаны на рис. 308, а. Контролируемое
зубчатое колесо 2 связано поводковым устройством со шпинделем углового лимба 1 с ценой
деления (1—2)". Измерительная каретка 6 перемещается в плоскости, перпендикулярной к оси
центров, и несет измерительный наконечник 5 и отсчетное устройство 4.
Угломерный лимб поворачивает контролируемое колесо ровно на 1/z часть окружности.
Измерительный наконечник входит во впадину и соприкасается с боковой поверхностью зуба.
Погрешность углового положения зуба вызывает отклонение наконечника, что фиксирует
отсчетное устройство. После измерения одного шага каретку отводят в радиальном направлении,
лимб снова поворачивает колесо на следующий угловой шаг, и процесс измерения повторяется.
Вместо углового лимба могут быть применены делительные диски 3 с числом впадин, кратным или
равным числу зубьев измеряемого колеса.
Угловые шагомеры модели БВ-5035 позволяют измерять колеса диаметром 5—160 мм с модулем
0,3—1,25 мм, а шагомеры модели БВ-5015 — колеса диаметром 20—400 мм с модулем 1—10 мм.
Основным недостатком метода измерения углового шага является его трудоемкость, связанная с
точной установкой лимба и отсчетом по нониусному устройству с точностью 1".
При измерении накопленной погрешности шага на части окружности ее определяют как разницу
результатов последовательных измерений расстояний по дуге окружности между двумя одноименными сторонами двух зубьев колеса.
Этот метод измерения осуществляют приборами 17750 и 17200 (рис. 308,б).
Рис. 308. Схема контроля накопленной погрешности шага методой измерения углового
шага (а) и измерения погрешности на полуокружности (б)
Контролируемое колесо 2 устанавливают на один вал с кулачком 8 и вращают от электродвигателя. Прибор имеет две измерительные каретки с неподвижным координирующим наконечником
9 и подвижным измерительным наконечником 10, связанным с отсчетным устройством.
При измерении, кулачок 8 занимает положение, показанное на схеме. Измерительные каретки
сближаются, и координирующий наконечник, контактируя с боковой поверхностью зуба,
фиксирует колесо в определенном положении. Пружина 7 служит для обеспечения постоянства
контакта зуба с координирующим наконечником. Измерительный наконечник, входя в диаметрально противоположную впадину, воздействует соответствующим образом на отсчетное устройство.
Вращаясь, кулачок далее отводит измерительные каретки от зубчатого колеса, которое
поворачивается. Затем каретки сближаются, и процесс измерения повторяется.
Прибор 17750 позволяет измерять колеса диаметром 5-160 мм с модулем 0,3—1,5 мм. Прибор 17200 измеряет колеса диаметром 40—400 мм с модулем 1 —10 мм.
В результате измерения накопленной погрешности шага на части окружности разностным
методом получают заниженное значение накопленной погрешности. Однако этот метод измерения
более производителен, так как он механизирован и с применением специальных устройств может
быть автоматизирован. Приборы, основанные на схеме рис. 308, б, просты и надежны, в них
отсутствуют точный угловой лимб и вращающийся шпиндель.
При измерении равномерности окружных шагов последовательно измеряют соседние окружные шаги и сравнивают их с любым
произвольно выбранным шагом, по которому был настроен прибор. Для этого метода используют
станковые (рис. 309, а, б) и накладные (рис. 309, в) шагомеры.
В станковых шагомерах контролируемое колесо, устанавливаемое в центрах, поворачивают до
соприкосновения боковой поверхности зуба с жестким или чувствительным упором до положения, когда головка показывает нуль. Измерительный наконечник, контактируя с одноименной
поверхностью соседнего зуба, действует на отсчетное устройство, фиксирующее отклонение шага.
Рис. 309. Схема измерения равномерности окружных шагов
В накладных шагомерах для измерения крупногабаритных зубчатых колес два неподвижных
наконечника помещают на наружном цилиндре колеса, а третий на боковой поверхности зуба.
Кроме этого, имеются еще два наконечника, опирающиеся на торец колеса. Измерительный
наконечник касается одноименной боковой стороны смежного зуба.
Метод измерения равномерности окружных шагов имеет ряд существенных недостатков,
ограничивающих его применение. Точность определения накопленной погрешности зависит от
погрешности измерения каждого шага. В случае, если последняя погрешность является систематической, она может значительно снизить точность контроля, особенно при больших числах зубьев
колеса.
Результат измерения также зависит от точности расположения измерительного и координирующего наконечников на одной окружности колеса. Наконечники устанавливают визуально, что не
может
обеспечить высокую точность измерения. При использовании накладных шагомеров базирование
неподвижных наконечников по наружному цилиндру колеса может внести погрешность в измерение
вследствие возможного биения наружной окружности относительно оси колеса.
Ряд зарубежных фирм («Иллинойс», «Матрикс», «Хефлер» а др.) выпускают полуавтоматические приборы для измерения равномерности и накопленной погрешности шага.
В этих приборах контролируемое зубчатое колесо вращается непрерывно. Измерительная
каретка с двумя чувствительными наконечниками перемещается в радиальном направлении.
Наконечники вводятся в две соседние впадины и при определенном угловом положении колеса
контактируют с одноименными боковыми поверхностями двух смежных зубьев. В момент, когда
один из наконечников занимает положение, соответствующее нулевому показанию связанного с
ним отсчетного устройства, показания второго отсчетного устройства автоматически регистрирует
самописец. После этого каретку отводят от контролируемого колеса и повторяют процесс измерения.
Таким образом, на ленте самописца вычерчивают линии, соответствующие отклонениям шагов
от номинального или иного шага, по которому настроек прибор. Кроме этого, в приборе имеется
суммирующее устройство, сигналы от которого, попадая в самописец, записываются в виде кривой
накопленной погрешности окружного шага.
ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЛЕБАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО МЕЖОСЕВОГО
РАССТОЯНИЯ
При окончательном контроле зубчатых колес степеней точности 5—9 применяют метод определения колебаний измерительного межосевого расстояния между контролируемым и измерительным
колесами при их совместной обкатке в двухпрофильном (беззазорном) зацеплении.
Этот метод широко используют при серийном и массовом производстве зубчатых колес из-за
высокой производительности и конструктивной простоты средств измерений. Высокая производительность метода обеспечивается совмещением в одной контрольной операции проверок зубчатого
колеса по трем нормам: кинематической точности, плавности работы и размеру бокового зазора
Недостатком метода является то, что при контроле выявляются только радиальные составляющие погрешности обработки, а тангенциальные или совсем не выявляются, или выявляются
частично. Поэтому в комплексах контроля двухпрофильный контроль дополняют определением
колебания длины общей нормали или погрешности обката, являющихся тангенциальными
составляющими кинематической погрешности колеса.
Принципиальная схема прибора для комплексного двухпрофильного контроля показана на рис.
310. Одно из колес (обычно контролируемое) устанавливают на неподвижной оси, другое
(измерительное) — на оси, смонтированной на плавающей каретке. Беззазорное зацепление
обеспечивается пружиной. При вращении колес погрешности контролируемого зубчатого колеса
вызывают изменение межосевого расстояния, регистрируемого измерительной головкой или
самописцем.
Полученная при записи диаграмма (рис. 311) характеризует колебание измерительного межосевого расстояния во всех фазах зацепления. Показателем радиальной составляющей кинематической погрешности колеса является величина F"lr характеризующая наибольшее колебание
измерительного межосевого расстояния на одном обороте контролируемого зубчатого колеса;
показателем плавности работы — величина f"ir , характеризующая наибольшее колебание
межосевого расстояния при повороте на один зуб (на одном угловом шаге).
Для определения показателей, характеризующих боковой зазор в передаче, между осями
прибора предварительно устанавливают номинальное (теоретическое) измерительное межосевое
расстояние а" (см. рис. 310), рассчитываемое по формуле
а"
rвк
rви
cos
t m
,
где rвк и rви — радиусы основных окружностей контролируемого и измерительного зубчатых колес;
atwm — угол зацепления при контроле.
Этому расстоянию соответствует нулевая линия на диаграмме (см. рис. 311). Действительное
межосевое расстояние получится после введения колес в плотное зацепление, а отклонение его в положительную или отрицательную сторону (линия O1O'1) будет определяться в основном толщиной
зубьев контролируемого колеса, т. е. величиной, характеризующей боковой зазор в передаче.
Наибольшие отклонения точек кривой относительно нулевой линии (величины +Аa"e и Аа"i) в
пределах оборота контролируемого колеса и будут предельными размерами бокового зазора в передаче.
ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИАЛЬНОГО БИЕНИЯ
ЗУБЧАТОГО ВЕНЦА
Радиальное биение зубчатого венца Frr определяют по наибольшей разности расстояний от оси
вращения колеса до делительной прямой элемента исходного контура, условно наложенного на профили зубьев колеса (рис. 312).
Причиной радиального биения является неточность установки заготовки колеса на станке, а также
наличие эксцентриситета делительного червячного колеса станка. Кроме того, на радиальное
биение в значительной мере влияют биение и перекос зуборезного инструмента.
Радиальное биение, вызывая изменение угловой скорости колеса, вносит в передачу кинематическую погрешность. Радиальное биение измеряют или специальными приборами —биениемерами,
или на универсальных зубоизмерительных приборах, предназначенных для определения ряда
параметров зубчатого колеса, в том числе и радиального биения.
Во всех случаях радиальное биение определяют по положению измерительного наконечника,
соприкасающегося с боковыми поверхностями двух соседних зубьев колеса (рис. 313). При контроле
выявляется радиальная составляющая общей кинематической погрешности зубчатого колеса (рис.
314).
Измерительные наконечники, применяемые в отечественных приборах, имеют форму зуба исходного
контура в виде усеченного конуса с углом при вершине 2а (обычно 40°). Наконечники такой формы
обеспечивают контакт в точках постоянных хорд впадин зубьев, обрабатываемых инструментом при
одном и том же угловом положении колеса, непосредственно определяющим изменение бокового
зазора в передаче. Применение наконечников другой формы (сферической, цилиндрической) не
может обеспечить касания с профилями зубьев по точкам постоянных хорд впадин из-за имеющегося различного утонения зубьев на каждом колесе, а также из-за корригирования зацепления. В
исключительных случаях (при отсутствии биениемеров) радиальное биение для некорригированных
колес можно измерять с помощью калиброванного ролика .
Промышленность выпускает биениемеры нескольких типов, с помощью которых можно контролировать цилиндрические и конические колеса 4-й степени точности и грубее с мелкими и средними
модулями внешнего и внутреннего зацепления.
Рис. 315. Биениемер модели 25002
Прибор модели 25002 (рис. 315) состоит из станины, имеющей центры, в которые установлена
оправка с контролируемым зубчатым колесом. Измерительная каретка прибора снабжена
штоком с прикрепленным к нему измерительным наконечником, модуль которого соответствует
модулю измеряемого колеса. При контроле наконечник последовательно вводят во все впадины
колеса. Наибольшая разность показаний индикаторной головки, связанной со штоком,
характеризует радиальное биение зубчатого венца. При контроле конических колес измерительный узел поворачивают по шкале на угол делительного конуса колеса. Предел допускаемой
основной погрешности в соответствии с ГОСТ 8137—74 составляет 1 — 10 мкм в зависимости
от типоразмера и класса точности прибора.
Фирмы ФРГ {«Шоппе и Фазер», «Хефлер») выпускают биениемеры, в которых поворот
контролируемого колеса, отвод и подвод измерительного наконечника и регистрация результатов
измерения на диаграмме осуществляются автоматически.
ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ ОБЩЕЙ НОРМАЛИ
За длину общей нормали принимают расстояние между двумя параллельными плоскостями,
касательными к двум разноименным профилям зубьев.
Общая нормаль к эвольвентным поверхностям зубьев является одновременно касательной к
основной окружности колеса. Длина ее W представляет собой сумму нескольких шагов
зацепления рв и толщины зуба sв по дуге основной окружности колеса (рис. 316).
W=pв (zn - 1) + s0 ,
Рис. 316. Длина общей нормали
где zn — число зубьев, находящихся на длине общей нормали.
При обработке зубьев в результате погрешностей обката длина общей нормали непрерывно
меняется, увеличиваясь на одном участке зубчатого венца и уменьшаясь на другом. Поэтому
колебание длины общей нормали Vwr используют в качестве показателя кинематической погрешности колеса (тангенциальной составляющей) и определяют как разность между наибольшей и
наименьшей действительной длиной общей нормали на колесе
VWr=W1-W2
В то же время, поскольку в формулу длины общей нормали входит толщина зуба, отклонение ее действительной длины от номинального (теоретического) значения будет определять
боковой зазор в передаче. Поэтому стандарт нормирует как один из показателей норм бокового
зазора отклонение средней длины общей нормали AWmr от номинальной
AWmr=Wm-W.
Среднюю длину общей нормали Wm находят как среднее арифметическое из всех действительных
длин общих нормалей по зубчатому колесу.
Длину общей нормали измеряют с помощью накладных приборов - нормалемеров (микрометрических и индикаторных) или станковых универсальных зубоизмерительных приборов, имеющих
приспособления для измерения длины общей нормали.
Микрометрические нормалемеры, называемые микрометрами зубомерными типа МЗ, предназначены для измерения длины общей нормали колес 7-й степени точности и грубее. Их выпускают
четырех типоразмеров с предельными значениями измеряемой величины W: 25; 50; 75 и 100 мм.
От обычных микрометров они отличаются наличием тарельчатых губок и теплоизоляционных
накладок (рис. 317). При выборе микрометра того или иного типоразмера предварительно
определяют примерную длину общей нормали, как третью часть диаметра измеряемого колеса.
Предел допускаемо!': основной погрешности этих приборов не превышает 4 мкм.
Рис. 317. Измерение длины общей нормали зубомерным микрометром
Индикаторные нормалемеры, предназначенные для измерения длины общей нормали колес
степени точности выше 7-й методом сравнения с мерой представляют собой зубомерные индикаторные скобы, состоящие из полой трубки, на которой крепят две измерительные губки, оснащенные твердым сплавом. Одна из губок связана с измерительной головкой, другая имеет возможность
перемещаться вдоль оси трубки для настройки на требуемый размер. В СССР выпускают
индикаторные нормалемеры нескольких конструкций, предназначенные для измерения длины
общей нормали колес внешнего и внутреннего зацепления различных размеров и модулей. Выпускаемые сейчас приборы моделей БВ-5045 и ББ-5046 отличаются от выпускавшихся ранее
моделей отсутствием рычага, передающего перемещение подвижной губки индикатору. Пределы
допускаемых основных погрешностей этих приборов зависят от измеряемой длины общей нормали,
класса точности прибора и составляют в соответствии с ГОСТ 7760—74 от 3 до 25 мкм при цене
деления измерительной головки 2,5 и 10 мкм. Кроме того, изготовляются также зубомерные
рычажные микрометры.
При измерении колебания длины общей нормали нормалемер настраивают по произвольной
группе зубьев на размер, а затем определяют наибольшую разность показаний при измерении
других групп колеса.
Число зубьев, охватываемых губками нормалемера, находят по формуле (с округлением до
ближайшего целого числа)
zn = z/9 + 0,5.
При измерении отклонения средней длины общей нормали предварительно подсчитывают
номинальное значение длины общей нормали по формуле, которая для прямозубых колес имеет
следующий вид:
W = m cos а (π (zn — 0,5) +z inv а + 2х tg а],
где m — модуль колеса; а — угол исходного контура; inv а —инволюта (эвольвентная функция)
угла исходного контура, определяемая по таблицам инволют; х-—коэффициент смещения
исходного контура; z — число зубьев колеса.
Для некорригированных колес, при а = 20° предыдущая формула принимает вид
W=m [2,952 (zn — 0, 5) + 0,0l4z].
Обычно на основе этой формулы составляют таблицы, по которым длину общей нормали
вычисляют путем умножения модуля колеса на коэффициент, соответствующий числу зубьев
колеса. Далее нормалемер настраивают на номинальный размер W, по концевым мерам длины
измеряют зубья колеса всех групп и определяют отклонение средней длины общей нормали по
формуле для AWmr которое сравнивают с допускаемыми предельными отклонениями по стандарту.
Преимущество метода измерения с помощью нормалемеров — простота измерения и отсутствие промежуточной базы. Недостаток— неполное выявление кинематической погрешности, а
также то, что контроль проводят не относительно оси вращения колеса.
Измерение резьбы.
Основой резьбы является винтовая линия, получаемая путѐм поворачивания на прямой
круговой цилиндр диаметра d треугольника.
при этом сторона АВ треугольника образует винтовую линию, характеризующуюся тремя
параметрами: диаметром d, шагом S, и углом падения . Такая винтовая линия называется правой, если образуется стороной СД, то называется левой.
если на поверхность цилиндра нанести ещѐ одну линию сдвинутую относительно первой,
получим двухзаходную. Можно получить 3х заходную, 4хзаходную, многозаходную.
Поверхность резьбы образуется при винтовом движении по цилиндрической или конической поверхности простой геометрической фигуры, своей плоскостью проходящей через
ось цилиндра. Форма геометрической фигуры определяет профиль резьбы: треугольную,
квадратную, круглую и т.д.
Резьбы бывают правые и левые, однозначные и многозначные, цилиндрические, конические, внутренние.
Согласно ГОСТ 11708, основными параметрами цилиндрической резьбы являются:
Ось резьбы - прямая, относительно которой происходит винтовое движение плоского контура образующего резьбу.
Профиль резьбы - контур сечения резьбы в плоскости, проходящей через еѐ ось.
боковые стороны профиля - прямолинейные участки профиля принадлежащие винтовым
поверхностям.
Угол профиля
- угол между боковыми сторонами профиля.
,
2
углы между боковыми сторонами профиля и перпендикуляром к оси резьбы.
угол для симметричного профиля.
d- наружный диаметр резьбы- диаметр воображаемого цилиндра описанного вокруг вершин наружной резьб или впадин внутренней.
D2 средний диаметр воображаемого цилиндра пересекающего профиль в точке где ширина канавки равна половине номинального шага резьбы.
D1-внутренний диаметр резьбы- диаметр воображаемого цилиндра вписанного во впадины
наружной или вершины внутренней резьбы.
S шаг резьбы- расстояние между соседними одноименными боковыми сторонами профиля
в направлении параллельной оси резьбы.
t-ход резьбы- расстояние между ближайшими одноимѐнными сторонами профиля принадлежащим одной и той же винтовой поверхности в направлении параллельной оси. В однозаходной резьбе ход равен шагу, в многозаходной произведению шага на число заходов.
Hвысота исходного профиля – высота остроугольного профиля, полученного продолжением сторон профиля до их пересечения( для треугольных профилей).
H- высота профиля- расстояние между вершиной и впадиной.
Сбег резьбы - участок неполного профиля в зоне перехода резьбы к гладкой части детали.
Длина резьбы - длина поверхности, на которой образована резьба, включая сбег и фаску.
Длина свинчивания - длина соприкосновения наружной и внутренней резьбы.
- угол подъема резьбы - угол образованный касательной к винтовой линии в точке лежащей на среднем диаметре резьбе и плоскостью перпендикулярной к оси резьбы:
tg
t
Sn
d2
d2
где n- число заходов.
Допуски резьбовых изделий.
Для обеспечения взаимозаменяемости резьбовых соединений необходимо, чтобы действительные значения диаметров резьбы шага и угла профиля не превышали предельных контуров резьбы на всей длине свинчивания.
Номинальный контур резьбы, является предельным контуром - наименьшим для гайки и
наибольшим для болта. Основным параметром определяющим характер соединения является средний диаметр. За отклонение среднего диаметра принимают разность между действительным и номинальным значением среднего диаметра резьбы. По ГОСТ 16093 расположение полей допусков определяется основным отклонением верхним для болтов и
нижним для чаек. Стандартом установлены следующие степени точности для болтов и чаек:
 4,6,8 ст. точности для наружного диаметра болта;
 4,6,7,8 ст. точн. для среднего диаметра болта;
 5,6,7 ст. точн. для внутреннего диаметра гайки;
 4,5,6,7 ст. точн. Для среднего диаметра гайки.
Уменьшение точности с увеличением номера квалитета.
Методы контроля резьб.
Комплексный контроль - обеспечивает соблюдение предельных контуров сопрягаемых
резьб на длине их свинчиваемости.
При этом одновременно проверяют средний диаметр, шаг, половину угла профиля, внутренний и наружный диаметры резьбы путѐм сопоставления действительного контура с
предельным.
При комплексном контроле применяют предельные резьбовые калибры. При конструировании калибров применяют принцип Тейлора (принцип подобия), когда при контроле посадок проходную сторону проверяют на сопрягаемость, непроходную по размерам отдельных еѐ параметров. Проходные калибры имеют полный профиль резьбы и длину равную длине свинчивания. Непроходным контролируют одним из основных параметров средний диаметр. Калибры имеют укороченный профиль и небольшое число витков (2,53).
Резьбовые калибры- кольца бывают жѐсткими и регулируемыми. Жѐсткие калибры применяют реже из-за сложности изготовления и быстрого износа. На рис. (стр.388) приведена схема прибора с раздвижными резьбовыми калибрами для контроля болтов и гаек.
Поэлементный контроль - обычно применяется для контроля точных резьб: резьбовых
калибров пробок, резьбонарезного инструмента, ходовых и микрометрических винтов.
Наиболее распространѐнным методом является метод трѐх проволочек для измерения
среднего диаметра резьбы.
Микрометры со вставками.
С помощью ножей на микроскопах, с помощью перекрестия и угломерной головки.
Измерение ходовых винтов на автоматических машинках и интердерометром, измерительных ИЗМ.
Измерение внутренней резьбы нутромерами.
Измерение внутренних резьб с помощью слепков и отливок (из гипса).
Лабораторная работа №32.
Калибры резьбовые. Определение среднего диаметра резьбы методом трѐх проволочек.
1 Цель работы.
Изучить устройство резьбовых калибров и их технические данные. Проверить резьбовой
калибр- пробку методом трѐх проволочек. Обработать результаты измерений, оформить
их протоколом установленной формы. Дать заключение о годности.
2 Применяемые приборы и оборудование.
Резьбовые калибры-пробки ПР по ГОСТ 24997-81, горизонтальный оптиметр по ГОСТ
5405-75 или горизонтальный длинометр типа ИКУ-2, приспособления к приборам , средства поверки резьбовых калибров по ГОСТ 8.128-74.
3 Общие сведения.
В технике главным образом применяются метрические резьбы диаметрами от 0,25 до 600
мм и шагами от 0,075 до 6 мм.
Система допусков и посадок для этих резьб установлена ГОСТ 16093-81, разработанным с
учѐтом рекомендаций СЭВ РС 2272-69 и ИСО Р965. Стандарт определяет расположение
полей допусков и допуски на диаметры резьбы болтов и гаек.
Отклонения по всем диаметрам отсчитываются в направлении, перпендикулярном к оси
резьбы от номинального профиля, положение которого соответствует нулевой линии при
графическом изображении полей допусков. Это положение относится и к среднему диаметру. Для отклонений средних диаметров нулевая линия совпадает с образующей среднего цилиндра резьбы. Отклонения, располагающиеся ниже номинального контура, счи-
таются отрицательными, а выше - положительными. Основные отклонения указывают на
положение полей допусков в отношении номинального контура резьбы.
В стандарте установлены два ряда основных отклонений: h,e ,d для резьбы болтов; H, Gдля резьбы гаек. Основные отклонения h и H принимаются равными 0, т.е. соответствуют
резьбе со скользящей посадкой. Основные отклонения e ,d ,g для диаметров резьбы болта
задаются со знаком «минус», основное отклонение G для диаметров резьбы гайки - со
знаком «плюс». Этими отклонениями образуются посадки с зазорами. Для наружного
диаметра болтов установлены 4,6 и 8-я степени точности; для среднего диаметра-4,6,7 и 8я; для внутреннего диаметра-5,6 и 7-я степени точности; для среднего диаметра-4,5,6 и 7я.
Допуски на все диаметры резьбы для степени точности 6 приняты за основные.
Обозначение поля допуска складывается из цифры, указывающей степень точности, и буквы, определяющей основное отклонение, например, 6h ,6g, 6H.
Обозначение поля допуска резьбы состоит из обозначения поля допуска среднего диаметра, помещѐнного на первом месте и обозначения поля допуска наружного диаметра для
болтов и внутреннего - для гаек. Например, 7h6h или 5H6H. Здесь поля допусков по среднему диаметру резьбы и по вершинам резьбы не совпадают.
Посадки резьбовых деталей обозначают дробью, в числителе которой указывают обозначение поля допуска гайки, а в знаменателе-обозначение поля допуска болта. Например,
М12-6H\6g; M12*1-6H\6g.
В ГОСТ 16093-81 для резьбы болтов в таблицах задаются следующие предельные отклонения полей допусков: верхнее-для наружного, среднего и внутреннего диаметров; нижнее - для наружного и среднего диаметров. Для внутреннего диаметра резьбы болта нижнее отклонение не регламентируется. Но оно ограничивается косвенно формой впадин т
резьбы болтов.
Для резьбы гаек задаются следующие предельные отклонения: нижнее - для всех трѐх
диаметров; верхнее - для среднего и внутреннего. Верхнее предельное отклонение для наружного диаметра гайки не устанавливается.
Согласно ГОСТ 8.128-74 для определения среднего диаметра точных резьб, в частности
среднего диаметра резьбовых калибров, применяются в основном два метода: трѐх, двух и
одной проволочки (рис.1). И осевого сечения на универсальных микроскопах.
Необходимость использования специальных методов измерения при определении среднего диаметра вызвана невозможностью нахождения положения среднего диаметра обычными методами, так как неизвестно его точное расположение в отличии от положения наружного и внутреннего диаметров.
Наиболее точный метод определения среднего диаметра- с помощью специальных калибров- проволочек. Чаще всего используется метод трѐх проволочек, погрешность которого
указана в таблице.
Сущность метода заключается в том, что проволочками измеряют искомый средний диаметр косвенным путѐм. Во впадины резьбы закладывают три калиброванные проволочки
одинакового номинального диаметра и контактным прибором (длинномером, вертикальным или горизонтальным оптиметром и т.д.) измеряют размер М3, т.е. определяют расстояние между образующими проволочек. Зная размер М и шаг резьбы Р, можно найти
средний диаметр по формуле
d2
M3
P * ctg
1
dn 1
sin
a
a
2
2
2
для метрической резьбы с
60 0 эта формула имеет вид
d 2 M 3 3d n 0 .866 P .
Для того чтобы погрешности половины угла профиля не влияли на точность определения
среднего диаметра d2 , применяют проволочки так называемого наивыгоднейшего диаметра, образующие которых касаются профиля резьбы по линии среднего диаметра. В этом
случае диаметр проволочек подсчитывают по формуле:
d нг
P
2 cos
2
согласно ГОСТ 2475-62 калиброванные проволочки и ролики для измерения среднего
диаметра резьбы должны изготавливаться трѐх типов: 1-проволочки гладкие; 2проволочки ступенчатые трѐх исполнений: А, Б, В;3-ролики.
Средство измере- Пределы изме- Погрешность в мкм, для диаметров, мм
ния
рения, мм
1-18
18-50
50-100
Горизонтальный
оптиметр; оптикомеханическая измерительная машина;
концевая
мера 4-го разряда;
проволочка класса
0
Горизонтальный
оптиметр; концевая мера 5-го разряда; проволочка
класса 0
Вертикальный оптиметр; концевая
мера 5-го разряда;
проволочка класса
1
Вертикальный оптиметр; концевая
мера 5-го разряда;
проволочка класса
1
Рычажный микрометр; проволочки
класса 1.
Микрометр класса
1-100
1-100
1-100
1-100
1-50
1-600
1,4
1,4
1,5
2,6
2,7
2,8
1,6
1,7
1,8
3,0
3,1
3,2
7
7
От 8 до 25
-
-
-
0;
проволочка
класса 1.
Микрометр класса 1-600
От 11 до 30
1;
проволочка
класса 1.
По точности изготовления проволочки и ролики должны выпускаться двух классов: 0 и 1.
Проволочки и ролики подбираются в зависимости от шага измеряемой резьбы. В приложении 5 к ГОСТ 8.128-74 приведена таблица, по которой можно подбирать проволочки
наивыгоднейшего диаметра.
4 Порядок выполнения работы.
Проволочки и ролики поверяют по ГОСТ 8.297-78.
Цилиндрические резьбовые калибры-пробки поверяют по ГОСТ 8.128-74.
Температура помещения, в которой проводят поверку калибров, должна быть 200С с установленными допустимыми отклонениями. Относительная влажность воздуха в помещении не должна превышать 80 %.
Перед поверкой калибры должны быть очищены от смазки, промыты бензином марки Б70 по ГОСТ 1012-72, протѐрты чистой хлопчатобумажной салфеткой и выдержаны в помещении, где будет проводиться поверка, на металлической плите или деревянном столе.
1. при внешнем осмотре не должно быть обнаружено дефектов, влияющих на внешний вид и эксплуатационные качества калибров.
2. шероховатость поверхности определяют сравнением с образцами шероховатости
поверхности с Ra 2,5 до Ra 0,16 мкм по ГОСТ 9378-75.
3. средний диаметр резьбы определяют методом трѐх проволочек. Рекомендуемыми
средствами поверки являются оптические вертикальные и горизонтальные длинномеры, а также вертикальные и горизонтальные оптиметры (ГОСТ 8,128-74).
Средний диаметр метрической резьбы методом трѐх проволочек определяют по формуле:
d 2 M 3 3d n 0.866 P (C ) .
Где С-поправка.
В этой формуле неизвестны две величины d2 и M3- расстояние между образующими
проволочек, помещѐнных во впадины резьбы. Прежде всего, определим M3. для этого в
приведѐнную формулу подставим d2 теоретическое. Так как калибр-пробку ПР применяют для контроля начала поля допуска резьбы гайки, т.е. оно служит для контроля
наименьшего среднего диаметра гайки, то в нашем случае d2=18,376 мм. В приложении 5 к ГОСТ 8,128-74 для шага резьбы Р= 2,5 мм наивыгоднейший диаметр проволочек типа 2-Б равен 1,441 мм. M3= d2+3dn-0,866Р+(С). Подставим в формулу числовое
значение M3=18,376+3*1,441-0,866*2,5+(С)=20,534+(С).
Суммарная поправка С=С1+С2+С3+С4+С5, где С1-поправка, учитывающая действительное отклонение угла профиля
или углов наклона сторон профиля
1и
2,
т.е. отклонение действительного значения от номинального (вводится только при использовании проволочек ненаивыгоднейшего диаметра; в противном случае поправка
не вводится); С2-поправка, учитывающее действительное отклонение шага резьбы Р ;
С2=0,9* Р , где Р =Рn\n( Рn-действительное значение шага, т.е. сумма шагов на участке n полных витков; Р - номинальное значение шага). В нашем случае Р =2мкм,
следовательно, С2=0,9*2=1,8 мкм; С3-поправка, учитывающая действительное отклонение диаметров проволочек d n (вводится только при пользовании проволочками
класса точности, не соответствующими требованиям, приведѐнным в табл. 8 ГОСТ
8,128-74). В нашем примере проволочки выбраны по таблице 8 ГОСТ 8,128-74, т.е. для
рабочих калибров выбраны проволочки класса 1; С4-поправка, учитывающая расположение проволочек под углом к оси резьбы, отличающимся на 900 на угол подъема
резьбовой канавки; С5- поправка, учитывающая контактные деформации проволочек,
наконечника и калибров под действием измерительного усилия.
В приложении 6 к ГОСТ 8,128-74 дана поправка на С4 +С5.
при измерительном усилии средства измерения (оптические длинномеры либо оптиметры) порядка 2Н поправка при диаметре резьбы 20 мм и шаге 2,5 мм составит-1,4
мкм. Следовательно, суммарная поправка С= С2 +С4+С5=+1,8-1,4=+0,4 мкм. Значит
М=20,534+0,0004=20,5344 мм.
Настроим горизонтальный оптиметр по блоку концевых мер 5-го разряда, равному
М=20,5344 мм. Можно настроить оптиметр на размер М=20,53 мм, а затем при расчѐтах учесть, что блок был меньше. Кроме того, пользоваться таким блоком удобнее.
На измерительные стержни трубки оптиметра и пиноли установим гладкие ленточные
наконечники типа НГЛ-1 с измерительной поверхностью размером 1*8 мм класса1 по
ГОСТ 11007-66. Если ось резьбы располагается вертикально, то измерительные поверхности наконечников должны также располагаться вертикально, так как проволочки, помещѐнные во впадины резьбы, располагаются горизонтально и наоборот. Следовательно, при горизонтальном расположении калибра, измерительные поверхности наконечников располагаются горизонтально, а проволочки - вертикально. Установка
резьбового калибра показана на рис.2 Резьбовые детали, в том числе и резьбовые калибры, с диаметром резьбы до 60 мм закрепим в горизонтальных центрах оптиметра 1.
При размере резьбы свыше 60 мм калибр-пробку 3 устанавливают вертикально. Наконечники сводят и устанавливают на глаз параллельно, а затем, регулируя винтами
трубки пиноли, находят по шкале минимальную точку возврата. Этим самым устанавливают их поверхности параллельно, а оси вдоль линии измерения. Кронштейны разведѐм, и на дополнительный столик поместим блок концевых мер, равный М 3. меры на
плавающем столике укрепим так, чтобы середина блока на глаз располагалась посередине паза стола. Наконечники подведѐм к блоку и закрепим стопорные винты кронштейнов.
Микрометрической подачей пиноли подведѐм наконечники к блоку и установим шкалу примерно в нулевом положении. Вращая стол рукояткой и эксцентриком, найдѐм
минимальную точку возврата шкалы. Микрометрической подачей пиноли снова установим шкалу на нулевом делении. Снимем блок и укрепим на столе горизонтальные
центры с измеряемой резьбой. Во впадины резьбы с одной стороны поместим две проволочки 4, условно называя их левой и правой (они находятся на одной бирке), а с
другой под виток-одну проволочку, условно названную отдельной. Проволочки подвесим на кронштейны 2. осторожно введѐм резьбу между настроенными наконечниками,
а затем поместим проволочки. Поднимая стол с резьбой (если ось резьбы располагается горизонтально), находим максимальную точку возврата шкалы, а вращая рукоятку
стола в горизонтальной плоскости - минимальную.
По полученной точке возврата шкалы произведѐм отсчѐт.
Затем проверим нулевую установку. Если установка не сбилась, т.е. начальный нуль не
отличается от конечного нуля более чем на 0,2 мкм, то результаты измерения будем
считать годными.
ИЗМЕРЕНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ МЕТОДОМ СВЕТОВОГО
СЕЧЕНИЯ НА ДВОЙНОМ МИКРОСКОПЕ
1. Цель работы
Изучить устройство приборов для определения шероховатости поверхности, основанные на методе светового сечения (двойные микроскопы МИС-II, ПСС-2), их технические
и метрологические данные Настроить прибор. Определить шероховатость поверхности на
двойном микроскопе. Обработать результаты измерений и оформить их протоколом установленной формы. Дать заключение о годности изделия.
2. Применяемые приборы и оборудование
Двойной микроскоп МИС-II или ПСС-2 и принадлежности к нему, объектмикрометр ОМП по ГОСТ 7513—75, деталь, шероховатость поверхности которой необходимо
определить
3. Общие сведения
Под шероховатостью поверхности согласно СТ СЭВ 638—77 и ГОСТ 2789—73
понимают совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами на базовой длине l. Базовая длина l — длина базовой линии, используемая для выделения неровностей, характеризующих шероховатость поверхности и для количественного определения
ее параметров Для количественной характеристики шероховатости поверхности выбирают
минимальную длину участка, необходимую для надежного определения шероховатости,
включающую в себя одну или несколько базовых длин.
Приборы, применяемые для определения шероховатости поверхности, подразделяют
на приборы бесконтактного и контактного действия.
К приборам бесконтактного действия относят приборы, основанные на методе светового сечения, такие как двойные микроскопы типов МИС-П и ПСС-2 и микроинтерферометры различных типов, и в первую очередь микроинтерферометры типов МИИ-4 и МИИ-9.
Сущность метода светового сечения (рис. 1) заключается в следующем. Световой
поток, проходящий через узкую прямоугольную щель и направленный на исследуемую поверхность под некоторым углом, как бы сечет ее плоскостью перпендикулярно к следам обработки, следам неровностей и, изображение щели, отражаясь от поверхности, претерпевает искривление, характеризующее конфигурацию неровностей поверхности По форме и
размеру изгиба изображения щели судят о неровностях поверхности.
Узкая прямоугольная щель / (рис. 1,а), освещаемая лампой, проецируется конденсором 5 микроскопа на шероховатую поверхность 4. Отражение изображения щели от измеряемой поверхности рассматривается через визуальный измерительный микроскоп, состоящий из объектива 3 и окуляра 2 с винтовым микрометром. В местах неровностей изображение щели в фокальной плоскости окуляра 2 будет воспроизводить профиль исследуемого участка поверхности (рис. 1,5)
Величина деформации щели зависит от высоты неровностей поверхности. На этой
зависимости основан принцип действия прибора.
Высоту неровности Я определяют из выражения
b
Н=----------;
2βsin α.
b
Н=---------β √sin α.
при α. = 45°,
где b — размер искривления изображения щели в фокальной плоскости окуляра, измеренный винтовым окулярным микрометром; β — увеличение объектива α —угол наклона измерительного микроскопа.
Двойной микроскоп МИС-II (рис. 2) представляет собой систему, состоящую из визуального измерительного и проекцирую-щего микроскопов, с помощью которых можно определить высоты неровностей микропрофиля в пределах 0,8—62,5 мкм. На массивном основании 24 установлена колонка 12, на которой подвижным кронштейном 13 укреплен держатель 10 тубусов проецирующего 19 и визуального 3 микроскопов В верхней части визуального микроскопа установлен окулярный винтовой микрометр с окуляром увеличением 15х
Перемещая гайку 16 по резьбе колонки, можно установить держатель тубусов вместе с микроскопами на любой высоте и в нужном положении закрепить винтом 14. Для
фокусировки микроскопов на объект служит маховичок 11 грубой подачи и маховичок 9
микрометрического механизма. Предметный столик 27 для установки и перемещения проверяемых объектов вместе с объектом передвигается в двух взаимно перпендикулярных
направлениях микрометрическими винтами 20 и 26, поворачивается вокруг вертикальной оси
и фиксируется стопорным винтом 25. К столику прилагается призма 28 для установки цилиндрических объектов.
Для измерения поверхностей различной шероховатости в комплект микроскопа
включают четыре пары сменных объективов: I, 2, 23, 22 и 21 типов ОС-39, ОС-40, ОС-41 и
ОС-42. Прилагаемые к различным экземплярам приборов светового сечения объективы не
всегда идентичны, поэтому необходимо определять цену деления круговой шкалы барабана
винтового оку-лярного микрометра, причем для каждой пары сменных объективов самостоятельно (см. табл. 1).
Таблица 1
Объектив
Цена деления шкалы барабана для объективов
ОС 39
ОС-40
ОС-41
ОС-42
Апертура
0,13
0,30
0,37
0,50
Фокусное расстояние, мм
25,0
13,5
8,0
4,25
Увеличение, крат
(с учетом
дополнительной линзы)
5,8
10,5
18,0
34,5
87
157
270
517
и окуляром 10*
38
62
105
205
Линейное поле зрения, мм
2,00
1,08
0,67
0,33
6,3—62,5
3,2—18,7
1,6—10.0
0,8—3,2
Общее увеличение, крат:
а) с MOB— 1X15
б) с микрофотонасадкой
Пределы
измерения
высот неровностей, мкм
Цена деления jб барабана MOB
при измерении высот
стей, мкм
неровно-
0,821—0,861 0,450—0.474 0.269—0.285 0.139—0,145
То же, при измерении шагов
неровностей, мкм
1,161—1,218 0,636—0,670 0,380—0,403 0,197—0,205
Допускаемая погрешность
показаний, %
7,5—13,5
10,5—18
13,5—21
21—24
4. Порядок выполнения работы
Настройка микроскопа и подготовка к измерению
Устанавливают соответствующие объективы по табл. 1 в зависимости от ожидаемых результатов измерений, т. е. от величины неровностей поверхности. Проецируют светящуюся щель (в осветителе установлена электрическая лампочка 8 В, 9 Вт) на измерительный стол, пользуясь перемещением подвижного кронштейна 13 (см. рис. 2) по вертикальной колонке 12 и реечной подачей маховичка 11.
Устанавливают горизонтальную нить перекрестия окулярной сетки параллельно
изображению края щели, для чего открывают стопорный винт 6 и поворачивают винтовой
окулярный микрометр на нужный угол и снова стопорят винтом. При таком расположении
направление перемещения нитей составляет со щелью угол 45°. Поднимают кронштейн 13
гайкой 16 и устанавливают на измерительный стол контролируемую деталь. Кронштейн
закрепляют винтом 6
Вращая маховичок 11 реечной подачи, приводят изображение щели в поле зрения окуляра 7
и фокусируют его так, чтобы резко изображенный участок поверхности оказался в середине поля зрения.
Для получения четкого резкого изображения щели, расположенной в середине поля
зрения микроскопа, дополнительно нужно воспользоваться винтом 18 и гайкой 17. Винтом 18
совмещают край изображения щели с участком резкого изображения поверхности. При
этом второй край щели может быть виден размытым (принимается во внимание только
один край щели). 'Если при таком совмещении фокусировка микроскопа на щель сбивается, ее восстанавливают гайкой 17, вращение которой приводит к осевому перемещению
объектива /. Снова совмещают винтом 18 край щели с участком резкого изображения поверхности.
При измерении цилиндрической детали ее устанавливают на призме 28 в такое положение, при котором образующая цилиндра располагается параллельно изображению края
щели.
Для правильного измерения шероховатости поверхности необходимо цилиндрическую деталь устанавливать так, чтобы визуальный микроскоп был точно сфокусирован на
образующую цилиндрической поверхности. Для наводки микроскопа на эту образующую
следует перемещать деталь микрометрическими винтами 20 и 26 столика. Поворачивая
столик 27 при одновременном наблюдении картины в поле зрения окуляра, осуществляют
более точную установку детали. Цену деления шкалы барабана определяют по образцовой
шкале объект-микрометра, который устанавливают вместо образца на стол микроскбпа.
Отжав стопорный винт 6 {см. рис. 2) поворачивают винтовой окулярный микрометр так,
чтобы изображение шкалы объект-микрометра совмещалось с изображением щели и перемещение перекрестия при вращении барабана 8 происходило параллельно краю щели (рис.
3). Затем зажимают стопорный винт 6. Деления шкалы объект-микрометра должны быть расположены перпендикулярно краю щели. Перекрестие окулярного микрометра совмещаютс одним из крайних штрихов шкалы объект-микрометра, и производят отсчет по шкале барабана(см. рис. 3). При вращении барабана перекрестие перемещается на другой крайний
штрих объект-микрометра. Производят второй отсчет. Разность отсчетов даст количество
делений, пройденных перекрестием по шкале объектмикрометра с ценой деления 0,01 мм
.
Рис.3
Полные обороты барабана отсчитывают биссектором, перемещающимся относительно неподвижной шкалы окуляра одновременно с перекрестием.
Цену деления шкалы окулярного микрометра определяют по формуле
zm
i=-------,
2N
где z — число делений шкалы объект-микрометра, пройденных перекрестием окулярного
микрометра; т — цена деления шкалы объект-микрометра; N — разность отсчетов по
шкале барабана, полученных при двух совмещениях перекрестия, выраженная в делениях
барабана; цифра 2 в знаменателе формулы учитывает наклон тубуса под углом 45°, а также
то обстоятельство, что при измерении детали окулярный микрометр поворачивают на угол
45°.
Измерение шероховатости
поверхности на микроскопе МИС-II.
На столе микроскопа устанавливают проверяемую деталь. Для получения изображения щели от проверяемой поверхности, открывают стопорный винт кронштейна 14 (см. рис
2), опускают кронштейн с микроскопами и получают изображение щели, отраженной от
проверяемой поверхности, примерно посередине поля зрения окуляра.
Для точной установки светящейся щели можно воспользоваться реечной подачей
тубусов. Пользуясь винтом 18 и гайкой 17, добиваются резкого изображения щели в сере-
дине поля зрения микроскопа. Чтобы щель была перпендикулярна следам обработки, резко
наводят один ее край.
Для определения высоты неровностей нужно воспользоваться горизонтальной линией
перекрестия, которая предварительно должна быть выставлена параллельно прямолинейному краю щели. Горизонтальную линию перекрестия окулярного микрометра вращением барабана 8 (см. рис. 2) последовательно совмещают сначала с верхним краем изображения неровностей, а затем с нижним. При каждой наводке производят соответственно
отсчеты по шкале барабана. Разность отсчетов от линии, параллельной средней линии даст
величину неровностей поверхности h1, h2, h3, ... и т. д., выраженных в делениях шкалы барабана винтового окулярного микрометра. Для определения высоты неровностей hi, в
мкм необходимо знать цену деления шкалы барабана.
Для измерений высоты неровностей микроскопами МИС-II используют параметр
Rz. Для средней линии, имеющей форму отрезка прямой, Rz представляет собой среднее
расстояние между пятью высшими точками выступов и пятью низшими точками впадин,
находящихся в пределах базовой длины, измеренное от линии, параллельной средней линии и не пересекающей
5
5
Rz= 1∕5(∑himax -∑hmin),
i=1
i=1
где himax — расстояние от i-й высшей точки i -го выступа по линии, параллельной средней;
himin — расстояние от низшей точки i -й впадины до той же линии.
Для определения Rz выбирают пять наибольших неровностей в пределах поля зрения
микроскопа, измеряют высоту каждой из выбранных неровностей от гребня до дна впадины, вращая микрометрический винт окулярного микрометра, и производят отсчет по шкале барабана. Результаты измерений заносят в протокол.
Пример обработки результатов измерений при определении шероховатости
поверхности по ГОСТ 2789—73. При измерении применяли винтовой окулярный микрометр с ценой деления шкалы барабана i=0,9 MKM при следующих значениях ординат точек
профиля — вершин himax и впадин himin
hi max
hi min
14,6
8,1
18,1
19,5
11,0
11,5
19,0
7,5
17,3
9,6
∑hi max =88,5
∑hi min=47,7
Отсюда Rz=88,5-47,7 *0,9=7,7 мкм
5
Полученный результат сравнивают с числовыми значениями параметров шероховатости,
приведенными в приложении 1 к ГОСТ 2789—73, и определяют годность детали.
5. Обработка результатов измерений
ПРОТОКОЛ
Измерения шероховатости поверхности методом светового
сечения на двойном микроскопе
Технические и метрологические данные
бора
Тип
_____________
Оптическая схема, при-
прибора
Цена деления _____________
Предел
____________
измерения
Погрешность
_______
измерения
Формула
определения
Схемы определения
ценыцены
деления
деления
окулярного
микрометвинтового
окулярного
микрометра
ра
Результаты измерений
№ Первый
отп/п счет по окулярному мик
рометру N1
Схемы измерения шероховатости
поверхности
Второй от- Разность от- Высота не ровсчет по оку- счетов
ностей мкм
5
лярному
N= N1- N2, hi =N·i
Rz= 1∕5∑hi
мнк рометру
i=1
N2
1.
2.
3.
4.
5.
Заключение о годности детали (на основании ГОСТ 2789—73)_______________
Фамилия учащегося__________________ Группа__________________________
Дата выполнения работы______________ Дата сдачи работы________________
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
1. ЭЛЕКТРОКОНТАКТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Измерительным преобразователем (ГОСТ 16263—70) называется средство измерения,
предназначенное для выработки сигнала информации о значениях измеряемых физических величин в удобной для передачи и дальнейшего преобразования форме, но не
поддающееся непосредственному восприятию наблюдателем. Измерительной преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации, называется передающим измерительным преобразователем, а преобразователь, к которому подведена измеряемая величина, называется первичным измерительным преобразователем.
Принцип действия электроконтактных передающих преобразователей заключается в использовании перемещений измерительного стержня, замыкающего электрическую цепь.
Электроконтактные преобразователи обычно предназначаются для оценки размера
контролируемой детали в определенных пределах и для определения числового значения измеряемой величины. Некоторые модели электроконтактных преобразователей
снабжены отсчетными устройствами в виде индикаторов часового типа, работающих
параллельно с электрическими контактами. Электроконтактные преобразователи по
назначению разделяются па предельные и амплитудные.
Предельные электроконтактные преобразователи предназначаются для того, чтобы установить, находятся ли размеры контролируемых деталей в пределах заданного поля допуска, амплитудные — для контроля амплитуды непрерывно изменяющегося размера, т. е. для контроля разности между наибольшим и наименьшим значениями проверяемого размера (в частности, для контроля погрешности геометрической
формы или взаимного расположения поверхностей).
Предельные преобразователи применяются для сортировки деталей на размерные
группы, Эти преобразователи разделяются на однопредельные, двух предельные и
многопредельные. Наибольшее распространение получили двухпредельные преобразователи. Они применяются для сортировки деталей натри группы: брак исправный
(брак +), годные и брак неисправный (брак —) *.
*Число контактных пар, т. е. система контактов преобразователей, замыкающихся
при определенном положении измерительного стержня, всегда на единицу меньше числа
размерных групп, на которые преобразователи сортируют детали.
На рис. 34 представлены принципиальные схемы двухпредельных преобразователей
моделей 228 и 233. Во втулках корпуса 8 перемещается измерительный стержень 1
со сменным наконечником. Перемещение измерительного стержня вызывает поворот вокруг оси 5 двуплечего рычага 4, несущего подвижные контакты 2 и 7. На рис.
34, а малое плечо рычага — расстояние от оси 5 рычага до точки его контакта с упором 9, большое плечо —длина рычага от оси поворота 5 до подвижных контактов 2
или 7. На рис. 34, б малое плечо рычага —расстояние от точки контакта измерительного стержня 1 с рычагом 4 до оси призматической опоры 5; большое плечо —
длина рычага от оси опоры 5 до подвижных контактов 2 или 7.
При крайних отклонениях рычага 4 замыкается один из контактов 2 или 7. Измерительное усилие создает пружина 10. Неподвижные контакты 3и6 регулируются
при помощи микрометрических винтов,
Преобразователь настраивается на размер по двум образцовым деталям, с размерами, соответствующими предельным размерам контролируемых деталей.
Трехконтактные преобразователи применяются для сортировки контролируемых
деталей на две размерные группы годных деталей, а также на брак исправимый
(брак+) и неисправимый (брак —). Эти преобразователи находят применение в различных измерительных установках, где требуется выдача трех команд в определенной
последовательности. Трехконтактные преобразователи моделей 229 и 230 (рис. 35),
выпускаемые заводом «Калибр», имеют схему, аналогичную схеме двухконтактного
преобразователя модели 228, и отличаются они только тем, что имеют три регулируемых контакта, причем у преобразователя модели 229 два контакта расположены
в верхней части, a y преобразователя модели 230 — в нижней части. Выдача команд
у этих преобразователей производится не в последовательности расположения контактов. В
частности, у преобразователя модели 229 при перемещении измерительного стержня 7 снизу вверх сначала размыкается нижняя пара контактов 1 и2, что влечет зa собой замыкание
средней пары контактов 3 и 4, а затем верхней пары контактов 5 и 6. Вследствие этого трехконтактные преобразователи для каждой группы контактов имеют различные пределы измерения; общий предел измерения, равный 1 мм, у преобразователя модели 229 находится между
нижней и средней парами контактов, а между средней и верхней парами контактов он составляет 0,02—0,03 мм. У преобразователя модели 230 при перемещении измерительного
стержня сверху вниз сначала размыкается верхний контакт, затем замыкается средний и дальше — нижний контакт, поэтому общий предел измерения, равный 1 мм, находится у этой
модели между верхней и средней парой контактов, а между средней и нижней он равен
0,02—0,03 ям.
Амплитудные преобразователи по сравнению с предельными получили значительно
меньшее распространение.
Рис. 35. Принципиальные схемы трехконтактных
преобразователей завода «Калибр»: а — модели229; б — модели 230
Схема амплитудного преобразователя показана на рис. 36. Измерительный стержень 6, подвешенный на пружинном параллелограмме, связан с фрикционной планкой 8, которая с помощью
плоской пружины поджимается к подшипнику 2. На наружном кольце подшипника установлен рычаг 5 с подвижными контактами 4 и 7, контактирующими с контактами 1 и 3, из которых контакт 3 является регулируемым. Радиус наружного кольца подшипника 2 выполняет
роль малого плеча рычажной передачи. Большое плечо передачи — длина рычага 5.
Измерительное усилие преобразователя создается пружиной, вставленной в полый измерительный стержень 6.
Амплитудный преобразователь можно настраивать по образцовой детали, имеющей величину
перепада размера, соответствующую контролируемой детали. Настройка производится с помощью настроечного винта либо с помощью отсчетной (индикаторной) головки. Шкальные
электроконтактные преобразователи представляют собой сочетание механизмов, имеющих
стрелочное устройство для визуального отсчета, и электрических контактов— для выдачи команды. Изготовляются эти преобразователи заводом «Красный инструментальщик» ГОСТ
11703—66 с использованием рычажно-зубчатого механизма (тип ЭГР). Ранее ЛИЗ по тому
же ГОСТ 11703—66 были выпущены электроконтактные преобразователи с пружинным механизмом (тип ЭГП). Схема рычажно-зубчатого преобразователя представлена на рис.
37. Измерительный стержень 1, расположенный в направляющих втулках корпуса 18, взаимодействует с рычагом 16, имеющим зубчатый сектор 7. Этот сектор находится в зацеплении с
другим сектором 11, на одной оси с которым расположен третий сектор 4. По обеим сторонам
сектора 4 расположены подвижные электрические контакты 10 и 12. Вторая пара неподвижных контактов 8 и 13 установлена на плоских пружинах 15 и настраивается с помощью винтов 9 и 14. Сектор 4 находится в зацеплении с трибкой 17, на ось которой насажена стрелка
6. Беззазорное зацепление сектором 4 с трибкой обеспечивается спиральной пружиной (волоском), один конец которой закреплен на трибке, а другой — на корпусе. Измерительное
усилие создается пружиной 6, воздействующей на рычаг 3. Этот рычаг вместе с винтом 2
служит для подъема измерительного стержня (арретирования).
При перемещении измерительного стержня освобождается рычаг 16, который приводит в
движение секторы 11 и 4. При этом в зависимости от размеров контролируемых детален
произойдет замыкание одного из подвижных контактов на секторе 4 с неподвижными кон-
тактами. Одновременно происходит поворот стрелки, с помощью которой по шкале преобразователя можно отсчитывать величину перемещения измерительного стержня.
Основные технические характеристики электроконтактных преобразователей, выпускаемых в СССР, приведены в табл. 22.
2. ИНДУКТИВНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Действие этих приборов основано па принципе преобразования линейных перемещений измерительного наконечника в изменения напряжения индуктивным методом.
При перемещении измерительного стержня 1 (рис. 38) преобразователя перемещается якорь 2 относительно катушек 3 сердечника 4,
Рис. 38. Принципиальная схема
образователей
работы
индуктивных
пре-
что вызывает изменение напряжения на выходе трансформатора 6. Катушки и две
половины первичной обмотки входного трансформатора образуют балансный мост,
питание которого осуществляется от генератора частоты 5. Полученное изменение
напряжения усиливается электронным блоком 7, на выходе которого подключается
записывающий 9 или показывающий 8 приборы.
Индуктивные преобразователи разделяются на простые и дифференциальные. Простые индуктивные преобразователи имеют одну катушку, а дифференциальные—
две катушки, включенные в измерительную схему, т. е. имеются два магнитопровода с общим якорем.
Бюро взаимозаменяемости разработало дифференциальные индуктивные преобразователи моделей БВ-6009, БВ-6033М, БВ-6067М осевого действия и преобразователь модели БВ-6039 бокового действия.
Преобразователи моделей БВ-6ОЗЗМ, БВ-6067М и БВ-6039 работают с отсчетным
устройством БВ-3103, модели БВ-6009 с отсчетным устройством модели БВ-6070М.
Отсчетные устройства БВ-6070М и БВ-3103 представляют собой электроблок, состоящий из стабилизатора, генератора, демодулятора, усилителя и микроамперметра.
Эти отсчетные устройства могут работать как с одним преобразователем, так и с двумя одновременно. В этом случае отсчетное устройство фиксирует величину суммарных перемещений измерительных наконечников преобразователей. Технические
данные этих приборов приведены в табл. 23.
На рис. 39 показана схема работы индуктивного измерительного прибора, основанного
на изменении индуктивности, вызываемого изменением воздушного зазора между катушками и якорем. Прибор состоит из отсчетного устройства1 и выносного преобразователя 6. Якорь 8 подвешен на плоской пружине между полюсами магнитов 5 и 7.
Катушки электромагнитов включены в мост, питаемый переменным током через
трансформатор 3 и стабилизатор напряжения 2. Перемещение якоря под действием
измерительного стержня 4 вызывает изменение зазоров, а следовательно, и индуктивности катушек. По такой схеме работает прибор Куйбышевского авиационного
института, предназначенный для измерения наружных размеров гладких точных изделий.
Технические данные этого прибора приведены в табл. 23.
Завод «Калибр» выпускает индуктивные преобразователи двух типов: преобразователь БВ-844, работающий с электрическим самописцем БВ-662, и преобразова-
тель, работающий с регистрирующими измерительными приборами моделей 254 или
260.
Преобразователь БВ-844 (рис. 40, а) смонтирован в цилиндрическом корпусе 1, в
котором расположены две катушки индуктивности 2. Обмотки катушек соединены в
мостик с обмотками дифференциального трансформатора.
На
измерительном
стержне 3, подвешенном на
пружинах мембранного типа, помещены два диска 4. Эти диски при движении измерительного стержня меняют зазоры в магнитных цепях катушек, тем самым меняя их
индуктивности: при возрастании индуктивности одной из катушек снижается индуктивность другой. Это ведет к разбалансу моста.
Электрический самописец БВ-662 (рис, 40, б), выполняемый по ГОСТ 10383—63,
предназначен для записи результатов измерений размерных параметров на основе
самобалансирующего моста перемен ного тока (рис. 41). В данном случае два плеча
моста образуют индуктивный преобразователь, а два других — реохорд самописца.
Автоматическая балансировка моста осуществляется сервомотором М, питающимся
от усилителя напряжения разбаланса У. Напряжение разбаланса возникает за счет
изменения индуктивности преобразователя, соединенного шлангом с самописцем.
Рис.40. Схема индуктивного преобразователя БВ-844 (а) и электрического самописца БВ662 (б)
Напряжение, снимаемое с реохорда, предварительно проходит через фазосдвигающую цепь Ф.
Самописец дает возможность записать на лепте миллиметровой бумаги линейные перемещения с определенным увеличением, указанным в табл. 24.
Пишущее устройство самописца (рис. 40, б) имеет движущуюся по двум направляющим каретку 4 с укрепленным на ней пером 3. На нижней части каретки
закреплен ползунок-щетка 1, опирающийся на реохорд 2. Каретка приводится в движение фазочувствительным серводвигателем типа 2АСМ-50 при помощи капроновой
нити. Лентопротяжный механизм приводится в действие от сельсинного дистанционного привода. Самописец питается переменным током. Скорость движения диаграммной ленты 120 мм/мин. Габаритные размеры самописца: 363X318X205 мм, вес
14 кг.
Таблица 24
Увеличения, диапазон измерении и
БВ-662
Масштаб записи по
вертикали( увеличение)
500:1
1000:1
2000:1
5000:1
погрешность
Диапазон измерений самописца в
мкм
±200
±100
±50
±20
самописца
Допускаемая
погрешность на ленте в
мкм ( не более)
±4,0
±2,0
±1,0
±0,5
Рис. 41,
Самобалансирующий мост
переменного тока, применяемый в самописцах
БВ-662
Принципиальная схема другого индуктивного преобразователя показана на рис. 42.
Такие преобразователи выпускаются для осевого и бокового действия. Технические характеристики индуктивных преобразователей завода «Калибр» приведены в табл. 25.
В качестве регистрирующих измерительных приборов к
индуктивным преобразователям осевого и бокового действия
заводом «Калибр»
выпускаются две модели приборов: модель 260 (рис. 43) выпускается 2-го класса. (ГОСТ 10383—63) и комплектуется отсчетным устройством и самописцем; модель 254 (рис. 44) —
3-го класса и может быть использована только в качестве самописца. Технические параметры этих приборов аналогичны:
пределы измерения ±400; ± 200; ± 80; ± 40; ± 20; ± 8; ±
4мкм; соответственно увеличение самописца 100 : I; 200 : 1;
500: 1; 1000: 1; 2000 : 1; 5000 : 1; 10000 : 1; цена деления отсчетного устройства прибора модели 260 : 20; 10; 5; 2; 1; 0,5 и 0,2 мкм, координаты
записи самописца — прямоугольные, рабочая ширина поля записи 80 мм.
Габаритные
размеры
записывающего
прибора
214х237х
Х225мм,
электронного блока — 246X466X430 мм. Вес прибора —
28 кг.
Рис.49. Принципиальная схема малогабаритного индуктивного преобразователя осевого
действия:
1 —измерительный стержень; 2—сферическая опора; 3 —рычаг; 4 — корпус; 5'—
коромысло; 6 — катушки; 7— кож; 8 — якорь; 9 — опор
Погрешность показывающего прибора не превышает ± цены деления шкалы.
Погрешность записи при статическом режиме:
а) составляющая от ширины поля записи не более ±2%;
б) составляющая от амплитуды записи не более ±3%
При динамической режиме дополнительная погрешность от амплитуды
более ±5%.
записи — не
3. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ПНЕВМОЭЛЕКТРОКОНТАКТНЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Ф о т о э л е к т р и ч е с к и е п р е о б р а з о в а т е л и разработаны на базе механизма
пружинно-оптической головки, в которую встроен блок соответствующих фотосопротивлений. Работа преобразователя осуществляется следующим образом. При перемещении измерительного стержня 1 (рис. 45) поворачивается угловая подвеска 2, растягивая пружину 4, на
которой укреплено зеркальце. Это приводит к повороту зеркала на угол, пропорциональный перемещению измерительного стержня, На зеркало проектируется луч света от осветителя; отражаясь, этот луч попадает на фоторезистор 5, что резко уменьшает его омическое
сопротивление. Ток, протекающий через фоторезистор, резко возрастает и обеспечивает
срабатывание высокоомного реле.
Фотоэлектрические преобразователи обычно применяются для контрольно-сортировочных
устройств.
Многокомандные фотоэлектрические преобразователи ПФС, изготовляемые Ленинградским инструментальным заводом, обеспечивают сортировку деталей на различное число
групп.. Технические характеристики этих фотоэлектрических преобразователей ПФС
дамы в табл. 26.
П н е в м о э л е к т р о к о н т а к т н ы е п р е о б р а з о в а т е л и и отсчетные устройства
к ним по принципу действия делятся на простые и дифференциальные. По конструктивным
признакам они разделяются на мембранные, мембранно-компенсационные и сильфонные.
Принципиальная схема работы мембранного преобразователя показана па рис. 46. Воздух под постоянным давлением через трубку 4 поступает в пневматическую сеть прибора и
разветвляется: одна ветвь воздухопровода направляет воздух через входное сопло 5 в измерительное сопло 10, другая ветвь направляет воздух через входное сопло 3 в сопло 2. Размер
рабочего отверстия этого сопла регулируется винтом 1. Обе ветви воздухопровода соединены с
камерой 6, в которой помещена мембрана 8. Если давление воздуха в обеих ветвях воздухопровода будет одинаковым, то мембрана будет находиться в покое. Если же (из-за изменения зазора г между соплом 10 и контролируемой деталью 11) равенство давлений в каме-
рах нарушится, то мембрана прогнется в ту или иную сторону и замкнет один из контактов 7 или 9, связанных с чувствительным элементом измерительного механизма.
По этой схеме работает пневмоэлектроконтактный мембранный преобразователь
БВ-Н-808.
Принципиальная схема работы мембранно-компенсацнонного преобразователя показана на рис. 47. Отличается он от мембранного преобразователя тем, что здесь на
мембране 4, разделяющей камеры 1 и 6, закреплен конический клапан. Изменение зазора z между измерительным соплом 5 и деталью приводит к разности давлений в
камерах 1 и 6, что вызывает прогиб мембраны. Конический клапан при этом занимает
положение, при котором обеспечивается равенство расхода воздуха через сопла 2 и 5,
и давление в камерах уравнивается. Положение конического клапана можно определить но отсчетному устройству — индикатору или по замыканию электроконтактов 3,
связанных с чувствительным элементом. Из мембранно-компенсациониых преобразователей завод «Калибр» ранее выпускал модели 244, 243, 245 — с различным числом
контактов, для разбраковки деталей на различное число групп.
Простейшими первичными и з м е р и т е льными п н е в м а т и ч е с к и м и п р е о б р а з о в а т е л я м и являются пневматические пробки и кольца, изготовляемые по
ГОСТ 14864—69 и 14865—69, а также малогабаритные контактные преобразователи
прямого и обратного действия модели 302, пневматические контактные преобразователи бокового действия модели 345 производства завода «Калибр» и сопла измерительные, выполненные по типу сопел, изготовляемых по отраслевым нормалям
ОНБВ-9-68 и ОНБВ-10-68. Через соединительный шланг измерительная оснастка
присоединяется к штуцеру отсчетного устройства.
В качестве отсчетного устройства для пневматических преобразователей могут быть
использованы пневмоэлектрические сильфонные устройства, представленные на
рис. 48. Чувствительным элементом в этих отсчетных устройствах являются сильфоны 3 и 10, свободные концы которых связаны с пружинным параллелограммом
2. Давление в сильфоне 3 регулируется винтом 9. Сильфон 10 ( сильфон - тонкостенная металлическая гофрированная трубка) соединяется шлангом с преобразователем, и давление в этом сильфоне зависит от величины зазора между измерительным
соплом преобразователя и образующими контролируемой детали. Изменение
этого зазора воздействует через сильфон на пружинный параллелограмм. Это регистрируется поворотом стрелки 11 по шкале. Одновременно перемещается плавающий контакт 6 и подвижные контакты 4 и 5, расположенные против настроечных контактов 5 и 7.
Наличие жестких и плавающих контактов делает это отсчетное устройство универсальным. Оно может применяться как для оснащения пневматических контрольных автоматов, так и для пневматических приборов со световой сигнализацией.
При контроле правильности геометрической формы деталей используется плавающий контакт. При контроле предельных размеров это отсчетное устройство работает с
противодавлением, получаемым регулировочным винтом 9 (в данном случае канал
1 глушится).
В настоящее время пневмоэлектрические дифференциальные сильфонные устройства выпускаются заводом «Калибр» трех моделей: 235, 236 и 249, используемых в
промышленности для контроля правильности геометрической формы и многодиапазонной сортировки деталей.
а)
Рис. 48. Отсчетное пневмоэлектричесильфонное устройство для пневматических преобразователей: а - общий вид;
б -— схема работы
ское
Кроме вышерассмотренных преобразователей, существуют э л е к т р о н н ы е
и
е м к о с т н ы е . В электронных преобразователях типа механотронов используется
зависимость электрических характеристик электронных ламп от положения электродов.
Электронный преобразователь представляет собой электровакуумный прибор, в котором управление электронными токами осуществляется путем перемещения электродов. Причем
изменени е напряжения электрического поля внутри прибора прямо пропорционально величине смещения ПОДВИЖНОГО электрода — анода, связанного с измерительным
стержнем) относительно другого, неподвижного электрода — катода. Так как при этом
происходит изменение анодного тока с одновременным усилением его, электронные
преобразователи могут работать без усилителя.
Механотроны обладают малым "внутренним сопротивлением, значительной чувствительностью по току и перемещениям (не менее 3 мка/мкм), большими пределами измерения (до ± 100 мкм) и малой вариацией в показаниях (не более ± 0,04 мкм). Высокая
чувствительность по току позволяет измерять электрический сигнал механотрона непосредственно стрелочным электроизмерительным прибором. Долговечность работы механотрона — до 2000 ч.
Московским заводом электровакуумных приборов (МЗЭВП) серийно выпускаются
механотронные преобразователи. Это сдвоенные диодные механотроны, предназначенные для особо точных и длительных измерений линейных размеров. Принципиальная
схема такого механотрона показана на рис. 49. В качестве источника питания для механотронов завод освоил выпуск универсальных блоков питания Б.621.05.
На основе диодных механотронов заводом «Калибр» выпущены малогабаритные
измерительные системы для измерения линейных размеров (БВ-3040У; БВ-3041 и
БВ-3066). В частности, измерительная система БВ-3040У состоит из механотронного преобразователя и малогабаритного электроблока. Прибор имеет три диапазона
измерений: + 50; ±25 и ±5 мкм. Цена деления шкалы отсчетного устройства: 1;
0,5 и 0,1 мкм. Погрешность системы не превышает ± цены деления шкалы.
Механотронные преобразователи перемещения выпускаются также и рядом иностранных фирм.
Основные параметры механотронных преобразователей перемещения приведены в статье Г. С. Берлина [10]. Что касается
емкостных преобразователей, то следует сказать, что принцип
действия их аналогичен индуктивным с той лишь разницей, что
вместо якоря индуктивных катушек в этих преобразователях
перемещается конденсаторная пластина, изменяющая емкость
и
реактивное сопротивление электрической цепи. Измеряя эту
емкость, определяют размер изделия. Эти преобразователи
имеют высокую точность измерения {доли микрометров) и незначительное измерительное усилие, Однако из-за сложности электронных схем емкостные преобразователи широкого применения в промышленности не получили.
Рис.
49.
Схема
сдвоенного
диодного
механотрона с двумя подвижными анодами:
1 — катод; 2 — аноды; 3 —никелевая траверса; 4 — газопоглотитель;
5 — мембрана; 6 — стержень; 7 — переходное кольцо; 8 — стеклянный баллон;
9 — керамические изоляторы; 10 — слюдяные пластины; 11— подогреватель
Линейно угловые измерения
1. Метр – длина пути, проходимая светом в вакууме за интервал времени, равным
1/299792458 с СКП = 5*10-9
Таблица 1
Приставка
Тера
Гига
Мега
Кило
Гекто
Дека
Деци
Санти
Милли
Микро
Нано
Пико
Фемто
Атто
Множитель на который
умножается
единица
1012
109
106
103
102
10
10-1
10-2
10-3
10-6
10-9
10-12
10-15
10-18
Сокращенное обозначение
Русское
Латинское
Т
Г
М
К
г
да
д
с
м
мк
н
п
ф
а
Т
Г
М
К
h
da
d
с
м
м
п
p
f
а
Специальные единицы
Х – для измерения в ядерной физике
А0 – ангстрем. Для измерения световых волн в спектроскопии.
Астрокосмическая единица для измерения в солнечной системе.
Световой год – для измерения межзвездных расстояний в галактике.
Парсек – для измерения межгалактических расстояний.
Наименование единицы
метр
сантиметр
миллиметр
микрон
ангстрем
х-единица
ярд
фут
Дюйм
Миля
Морская миля
Астрономическая
единица
Световой год
Парсек
Сокращенное обозначение единицы
Русское
Латинское, греческое
м
m
см
сm
мм
mm
мк
А0
А0
Икс-ед
Х
–
yd
–
ft
–
in
–
m.mile
м.миля
m.mile
Переводный множитель
Основная единица
10-2м
10-3м
10-6м
10-10м
10-13м
0,9144м
0,3048м
0,0254м
1609,344м
1,852м
А.Е.
С.В.год
ПК
1,496*1011м
9,46*1015м
3,086*1016
U.A
PS
СК Первое определение метра
1791г. Французским национальным собранием. Метр, как основная единица длины, равная одной 10-ти миллионной части четверти парижского меридиана.
Метр – архив представляет собой пластиковую линейку, шириной около 25 и
толщиной около 4-х мм и расстоянием м/д концами равному 1 м.
В 1872г изготовили архивный метр из платино-иридиевого бруска.
Второе определение метра
(11 генер-ой конференцией в 1960 г.): метр – есть длина, равная 1650763,73 длины
волны в вакууме излучения, соответствующего перехода между уровнями 2р10 и 50/5
атомов крептона 86.
V
Е2
Е1
h
V – частота излучения атома связана с переходом с одного энергетического составляющего на другой.
Е2 - энергия уровня, с которого совершается переход.
Е1 - на который совершается переход.
с
1
- волновое меню м-1.
Единицы измерения углов
Для плоского угла – радиан.
Для телесного угла – стерадиан.
Радиан – угол между двумя радиусами круга, вырезающей на окружности дугу,
длина которой равна радиусу (это плоский угол).
Стерадиан – телесный угол, вершина которого расположена в центре сферы, вырезающей на поверхности сферы площадь равную площади квадрата со стороной равной
радиусу сферы.
Наименование единиц Сокращенные обозначения
Рус.
Лат.
Радиан
рад
rad
Градус
0
Перевод в систему СИ
Единица измерения угла
0
180
Минута
рад =0,01745329
Задание:
Вопросы для самостоятельной подготовки.
Основные метрологические понятия: метрология, метрологическое обеспечение,
единица физических величин, система физических величин, измерение, размерность физических величин (размер), измерение физической величины, виды измерений, методы
измерений, средства измерений, метрологические свойства и метрологические характеристики СИ, единство измерений, точность СИ, погрешности СИ, виды погрешностей.
Измерение физической величины
Измерение – это совокупность операций по применению технических средств,
хранящих единую единицу физической величины обеспечивающих нахождение соотношения измерений величины с ее единицей уравнения измерения характеризуется
Q
x[ Q ] n
Q - значение физической величины;
X - числовое значение измеряемой величины в принятой единице;
[Q ] - выбранная для измерения единица.
Методы понятия вида
Физическая величина – одно из свойств физического объекта (физической системы) явления или процесса (общее в качественном отношении для многих физических
объектов, но в количественном отклонении индивидуальная для каждого из них).
Единица физической величины – это физическая величина фиксированного
размера, которой условно присвоено числовое значение равное единице, и применяемая
для космического выражения однородных с ней величин.
Цель измерения – это получение значения физической величины в форме наиболее удобной для пользования. С помощью измерительного прибора уравнивают размер
величины, информация которой преобразуется в перемещение указателя с единицей хранимой шкалой этого прибора.
Виды измерения
Равноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, восполненных
одинаковыми СИ. В одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью.
Неравноточные – ряд измерений какой-либо физической величины выполненных различными по точности СИ и (или) в разных условиях.
Однократное измерение выполняют 1 раз.
Многократное – измерение физической величины одного и того же размера, результат которого получен из следующих друг за другом измерений, т.е. состоящего из ряда однократных измерений. Пример: измерение длины на компараторе.
Статистические измерения неизменная во времени, физическая величина применяемой с измеряемой задачей за неизменную на протяжении времени измерений.
Пример: измерение длины при нормальной температуре земельного участка.
Динамическое измерение измеряющееся по размеру физических величин. (Измерение расстояния до уровня земли со снижающегося самолета).
Абсолютное измерение основано на прямых измерениях одной или нескольких
основных величин и (или) с использованием основных констант.
Например: измерение силы F m * g
Относительное измерение отношения величины к одноименной величине играющей роль единицы.
Абсолютная погрешность – погрешность измерения, выраженная в единице измеренной величины.
Хn
Хn
Хо,
где
Х n - значение абсолютной погрешности поверяемого СИ;
Х - значение той же самой величины, найденное с помощью поверяемого СИ;
Х - значение СИ, принятое за базу для сравнения – это действительное значение.
Относительная погрешность – погрешность измерения, выраженная отношением абсолютной погрешности к действительному значению Х о измеряемой или воспроизводимой данным СИ.
Точность определяется показателями абсолютной и относительной погрешности.
Хn 100 %
относительная погрешность
Хо
Приведенная погрешность – это относительная погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности СИ к условно принятому значению величины постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона.
Условно принятое значение величины называется нормирующим значением.
Часто за нормирующее значение принимают верхний предел измерения, приведенную погрешность обычно выражают в 100%.
Х n / QN
Методы измерений
Методы измерений – совокупность использованных приемов (способов), сравнения измеряемой величины с ее единицей, в соответствии с выбранным принципом измерения.
Систематическая погрешность – составляющая погрешности результата измерения остающаяся постоянной или же закономерно изменяющейся при повторных измерениях одной и той же величины. И в зависимости от характера измерения систематические погрешности подразделяются: постоянные, прогрессивные, периодические.
Постоянная погрешность – которая длительное время сохраняет свое значение.
Прогрессивная погрешность – непрерывно возрастающая или убывающая.
Периодическая погрешность – значение которой является периодическая функция времени, или перемещение указателя измерительного прибора, наиболее часто встречается инструментальная (аппаратная) обусловленная погрешностью применяемого СИ.
Субъективная погрешность обусловлена индивидуальными особенностями оператора.
Неисключенная систематическая погрешность (НСП) обусловлена погрешностями вычисления и введением поправок, на влияние системных погрешностей θ.
Случайная погрешность – изменяется случайным образом по знаку и значению
в серии повторных измерений при данной доверительной вероятности.
Среднеквадратическая погрешность это характеристика рассеивания результатов единичных измерений одной и той же величины вследствие влияния случайных
погрешностей
2
N
( хi
S
х)
i 1
n 1
где х – результат i-го измерения.
х - среднее арифметическое значение величины из n единичных результатов.
n - количество измерений.
Единство измерений – состояние измерений характеризуется тем, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах
равны размерам единиц воспроизводимых первичными эталонами, партии результата измерения известны и с заданной вероятностью не выходят за установленные пределы.
Обеспечение единства измерений – деятельность метрологических служб, направленная на достижение и поддержание единства измерений в соответствии с законодательными актами, а также правилами и нормами, установленными государственными
стандартами и другими нормативными документами по обеспечению единства измерений.
Испытание СИ – это обязательное испытание образцов средств измерения в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора с целью утверждения типа средств измерений.
Утверждение типа – (это решение уполномоченного на это государственного органа управления) решение о признании типа СИ указанным для применения на основании
результатов их испытаний государственным научным метрологическим центром (СНИИМ) или другой специализированной организацией (аккредитованным Госстандартом
России) (НЦОМ).
Поверка СИ – установление органом государственной метрологической службы
(или другим официально уполномоченным органом (организации)) пригодности СИ к
применению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и подтверждение их соответствий установленных обязательным требованиям.
Поверка между первичной, периодической, внеочередной.
Первичная поверка – сразу после производства, и после ремонта, а также при
привозе СИ при продаже в результате поверке выдается свидетельство о поверке.
Периодическая поверка – поверка СИ, которые находятся в эксплуатации через
установленные межповерочные интервалы времени (обычно межповерочный интервал в 1
год) в лабораторных условиях в 2 года.
Калибровка – совокупность операций, устанавливающих соотношение между
значением величины полученных с помощью данного СИ и соответственным значениям
величины определенным с помощью эталона с целью определения остальных метрологических характеристик этого СИ.
Поверке подвергается вся СИ, которая начинается в сфере государственного контроля и надзора, а калибровке нет. В калибровке нет межкалибровочного интервала (ставится клеймо, а не выдается свидетельство).
Нормальные условия измерений при поверке ГОСТ 8.39
Устанавливается нормальное значение, при котором должна производится поверка, если эти условия не выполняются, результаты поверки между не действительны.
Нормальные условия: температура, влажность, давление.
P=160 мм. рт. ст., t = 20º C ± 3%, влажность 60%.
Содержание и построение поверочных схем.
Поверочные схемы должны состоять из текстовой части и чертежа.
Поверочная схема - способ передачи единицы измерения от эталонов к рабочим
средствам измерения.
Поверочные схемы: государственные, отраслевые и локальные.
В государственном – на государственном уровне, отраслевые – в конкретной отрасли, локальные – на уровне предприятия.
ГОСТ 8.001 ГСИ содержание и построение поверочных схем.
Элементы, которые входят в поверочные схемы.
Для государственного эталона a = 25
Прямоугольники рабочих эталонов b = 40 мм или 50 мм, а=20 или 25 мм при горизонтальном положении.
При вертикальном
b = 25 или 30 мм
а = 20 мм
Рабочие средства измерения при горизонтальном положении
b = 20 или 25 мм
а = 18 мм
при вертикальном
b = 18 мм
а = 20 или 25 мм
Метод поверки
Круг d = 20 мм и овал ширина 30 мм 40 высота 20 мм.
Поверочные схемы единиц длины и плоского угла.
Для СИ длина назначается в диапазонах, например ГОСТ 8.503 ГСИ Государственная поверочная схема для СИ длина в диапазоне 24 до 75000 м.
Рекомендация ГСИ Государственная поверочная схема для СИ длины в диапазоне
1 10-6 50м МИ 2000 –90 и длин волн в диапазоне 0,2 50 мкм.
Государственная поверочная схема для СИ плоского угла 8.016.
Г л а в а VI
ОТКЛОНЕНИЯ ФОРМЫ И РАСПОЛОЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ И ИХ ИЗМЕРЕНИЕ
§47. ОТКЛОНЕНИЯ ФОРМЫ ПЛОСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
В ГОСТ 10356—63 «Отклонения формы и расположения поверхностей» установлено следующее
определение отклонений формы: отклонение формы есть отклонение формы реальной поверхности или реального профиля от формы геометрической поверхности или геометрического профиля.
Шероховатость поверхности при рассмотрении отклонений формы исключается.
Так как волнистость поверхности не исключается при рассмотрении отклонений формы, то в
соответствии со стандартом ее следует определять совместно с отклонениями формы.
Отклонения формы плоских поверхностей характеризуются или непрямолинейностью или
неплоскостностью.
Непрямолинейность (отклонение от прямолинейности) определяется наибольшим расстоянием
от точек реального профиля до геометрического, неплоскостность (отклонение от плоскостности) —
наибольшим расстоянием от точек реальной поверхности до геометрической.
При определении непрямолинейности в качестве геометрического профиля принимают прямую,
а при определении неплоскостности —- плоскость.
Отклонения точек реального профиля зависят от того, каким образом задается прямая, выбранная в качестве геометрического профиля.
Действительно, если за такую прямую принять линию, соединяющую крайние точки реального
профиля Р и Q (рис. 137), то непрямолинейность H1 определится как расстояние СС1 ОТ самой низкой точки С до этой прямой плюс расстояние ВВ1 от самой высокой точки В до этой прямой, т. е. Н1
= СС1 + ВВ1.
Если провести прямую, соединяющую две наиболее выступающие точки реального профиля А и В, то непрямолинейность Н2 = СС3.
ГОСТ 10356—63 в качестве геометрического профиля рекомендует прилегающую прямую.
Прилегающей прямой называется пря- мая, соприкасающаяся с реальным профилем и
располагающаяся по отношению к нему так, чтобы расстояние от его наиболее удаленной точки
до этой прямой было наименьшим.
В рассматриваемом случае такой прямой является прямая MN, которую проведем так, чтобы
расстояния от нес крайней левой точки профиля Р и точки С были одинаковыми. Непрямолиней- ность Н3= СС2.
Сопоставляя полученные значения непрямолинейности, можно видеть, что Н 1 и Н 2 больше Н3
т. е. наименьшее значение непрямолинейности получается по отношению к прилегающей прямой.
Аналогично и неплоскостность может быть определена по отношению к прилегающей плоскости, т. е. к плоскости, соприкасающейся с реальной поверхностью вне материала детали и
расположенной по отношению к реальной поверхности таким образом, чтобы расстояние от
наиболее удаленной точки реальной поверхности до этой плоскости было наименьшим.
Поскольку представление о форме реального профиля или реальной поверхности можно
получить только на основании результатов их измерения, то в практике имеют дело не с
реальными, а с измеренными профилями и поверхностями.
Измеренный профиль — это профиль, воспроизведенный в результате измерения любого
сечения реальной поверхности.
Измеренная поверхность — это поверхность, воспроизведенная в результате измерения
реальной поверхности.
Поскольку определения непрямолинейности и неплоскостности идентичны, ГОСТ 10356—63
устанавливает единые нормы точности на эти отклонения (десять степенен точности).
Определение отклонений от прилегающей прямой пли плоскости позволяет снимать наименьшее количество материала для получения отклонений в пределах установленного допуска. Однако
существенным недостатком при этом является то, что положение прилегающих прямой и плоскости
не может быть определено до тех пор, пока на основании результатов измерений не будет
воспроизведен профиль или поверхность, после чего необходимо провести вычисления или
графические построения. Все это требует дополнительного (и довольно значительного времени) и
высокой квалификации контролеров.
Во многих случаях построение прилегающих прямой или плоскости не является обязательным.
Действительно, если профиль вогнутый, то прилегающая прямая совпадает с прямой, соединяющей крайние точки профиля; если профиль выпуклый, то прилегающая прямая проходит через
самую высокую точку профиля и параллельна прямой, соединяющей крайние точки профиля. В
обоих случаях непрямолинейность определяется наибольшим отклонением от линии, соединяющей крайние точки профиля, которое будет также равно отклонению от прилегающей прямой.
Если точки профиля расположены по обе стороны от прямой, соединяющей крайние точки
профиля, то за отклонение от прямолинейности можно принять сумму абсолютных значений
наибольшего положительного и наибольшего отрицательного отклонений от этой прямой.
Поскольку эта сумма всегда несколько больше отклонения от прилегающей прямой, то в тех
случаях, когда она не превышает допускаемых отклонений, можно не прибегать к определению
прилегающей прямой.
Аналогично и для поверхностей. Если отклонения всех точек поверхности от исходной плоскости
имеют один знак, то с предельным отклонением от плоскостности сравнивают наибольшее
отклонение. Если точки измеренной поверхности имеют и положительные, и отрицательные
отклонения от исходной плоскости, то с предельными отклонениями от плоскостности сравнивают
сумму абсолютных значений наибольшего положительного и наибольшего отрицательного
отклонений.
Из сказанного ясно, что необходимость построения прилегающих прямой и плоскости возникает
не очень часто. Методику построения прилегающих прямой и плоскости можно найти в Методических указаниях № 287 «По поверке поверочных и разметочных плит» и в книге Медянцевой
Л. Л., Горбачевой В. В. и Шаровой Е. Е. «Контроль прямолинейности и плоскостности
поверхностей».
Методика измерения отклонений от прямолинейности и плоскостности сводится, таким образом,
к определению реальных отклонений от исходных прямых и плоскостей.
§ 48. ИЗМЕРЕНИЕ ОТКЛОНЕНИЙ ФОРМЫ ПЛОСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
В зависимости от того, на каком физическом явлении основано создание исходных прямых и
плоскостей, от которых определяются значения непрямолинейности и неплоскостности, имеют место
следующие принципы измерения: механические, гидростатические, оптико-механические и
оптические (рис. 138).
МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ИЗМЕРЕНИЯ
НЕПРЯМОЛИНЕЙНОСТИ И НЕПЛОСКОСТНОСТИ
Поверка с помощью поверочных линеек и плит
В соответствии с ГОСТ 8026—64 поверочные линейки изготовляют следующих типов:
лекальные с двусторонним скосом (ЛД); лекальные трехгранные (ЛТ); лекальные четырехгранные (ЛЧ); поверочные линейки с широкой рабочей поверхностью прямоугольного сечения (ШП) и
двутаврового сечения (ШД); поверочные линейки с широкой рабочей поверхностью — мостики
(ШМ); поверочные линейки угловые трехгранные (УТ).
ГОСТ 8026—64 устанавливает два класса точности для лекальных линеек (0 и 1) и три
класса точности для поверочных линеек
(0,1 и 2).
Лекальные линейки с двусторонним скосом (ЛД) изготавливаются длиной 80, 125, 200, 320 и
500 мм. Допускаемое значение непрямолинейности от 0,6 мкм (для линеек класса точности 0 и
длиной 80 и 125 мм) до 4 мкм (для линеек класса точности 1 и длиной 500 мм).
Поверочные линейки следует поверять по ГОСТ 12332—66.
Поверочные и разметочные плиты изготовляют согласно ГОСТ 10905—75.
Плиты изготовляют из чугуна с шаброванными и нешаброванными (шлифованными или
строгаными) рабочими поверхностями. Качество шабровки плит определяют по числу пятен в
квадрате со стороной 25 мм. Для плит классов 01 и 0 количество пятен должно быть не меньше
30, для плит класса 1 — не менее 25, класса 2 —не менее 20.
В настоящее время плиты стали делать из гранита размерами 250X250; 400X400; 400X630;
630X1000 и 1000X1600 мм. Неплоскостность плит соответствует классу 0 ГОСТ 10905—75.
Гранитные плиты имеют ряд преимуществ перед чугунными: отсутствуют напряжения (поскольку граниты в течение длительного времени прошли естественное старение), что обеспечивает
стабильность размеров плит во времени; твердость гранита очень высока (5—6 единиц по
шкале Мооса), что увеличивает срок их службы и позволяет упростить конструкцию (не
требуются ребра жесткости); коэффициент теплового расширения гранитов в 1,5—2 раза ниже, чем
у чугуна, поэтому плиты из гранита меньше деформируются из-за изменения температуры. Граниты
имеют очень высокий коэффициент демпфирования (в 15—20 раз выше, чем у чугуна). Это
является особенно важным, поскольку плиты часто используются в производственных условиях и
подвергаются действию вибраций.
Все перечисленные преимущества (а также дешевизна гранитов) должны привести к тому, что
в скором времени наша промышленность освоит их серийное изготовление.
Сущность метода поверки непрямолинейности и неплоскостности при помощи лекальных и
поверочных линеек и плит заключается в том, что проверяемую поверхность детали сличают с их
рабочими поверхностями.
Рабочее ребро лекальной линейки помещают на проверяемую поверхность и на глаз оценивают
просвет между ними. Невооруженным глазом можно обнаружить просвет в 1—2 мкм.
Для более точной оценки просвета используют «Образец просвета»(рис. 139), составляемый
из концевых мер 1 различных размеров (обычно с разностью 1 мкм), и притертых к стеклянной
пластине 3, и лекальной линейки 2, опирающейся на две крайние меры одинакового размера.
Лекальные линейки согласно ГОСТ 12332—-66 поверяют сличением «на просвет» с контрольным бруском. Точность такого метода недостаточна, поэтому необходимо создание более точных и
объективных методов поверки,
При поверке непрямолинейности поверочными линейками с широкими рабочими поверхностями
проверяемую и исходную поверхности сличают при помощи концевых мер длины или измерительных
показывающих приборов.
Поверку проводят следующим образом. На боковой поверхности линейки наносят отметки,
соответствующие проверяемым точкам контролируемой поверхности. В этих же точках необходимо знать отклонения от прямолинейности исходной поверхности поверочной линейки, чтобы потом
их учесть.
При сличении с помощью концевых мер две концевые меры одинакового номинального размера
(например, 10 мм) устанавливают под отметками линейки, соответствующими точкам наименьшего прогиба. Расстояния между исходной поверхностью линейки и контролируемой поверхностью
определяют, подбирая соответствующие блоки концевых мер.
Отклонения Hni от прямой PQ, соединяющей конечные точки профиля проверяемой поверхности (рис. 140),
Hni=b0-bi-ci-H0i ;
сi
b0
bn
n
i,
где bo — размер блока концевых мер в первой проверяемой точке; bi — размер блока концевых
мер в любой проверяемой точке; bn — размер блока концевых мер в последней проверяемой точке;
Н0i — отклонения от прямой P1Q1, соединяющей крайние точки профиля исходной поверочной
линейки; i— номер проверяемой точки ( i = 0, 1,2, . . . , n ) .
Отклонения от прямолинейности с помощью поверочной линейки с двумя параллельными
рабочими поверхностями и измерительного показывающего прибора определяют при установке
линейки на опоры в точках наименьшего прогиба от нижней пли верхней рабочей поверхности
поверочной линейки.
Если исходной поверхностью является нижняя рабочая поверхность линейки, то отклонения Hni
точек профиля контролируемой поверхности от прямой PQ, соединяющей крайние точки профиля
(рис. 141)
Hni= r0-ri- (H0i-bi) = r0-r1-H0i+bi
bt,
где bi
rn
r0
n
i ; ri - расстояние между проверяемой и исходной поверхностями в любой
проверяемой точке (i = 0, 1, 2, .,., n); Н0i — поправка, равная отклонению профиля от прямой P1Q1,
соединяющей крайние точки поверочной линейки.
Поскольку измерительный прибор установлен наконечником вверх, то при увеличении
расстояния между поверхностями показания измерительного прибора будут уменьшаться и
наоборот. Поэтому rо -ri = аi-а0 где а0, аi— показания измерительного прибора соответственно в
нулевой и любой другой проверяемой точке, Тогда выражение для отклонения точек профиля
примет вид
При установке измерительного прибора в нулевой точке (а0 = 0) это выражение будет таким:
H ni
an
ai
n
i
H 0i .
Если исходной поверхностью является верхняя рабочая поверхность поверочной линейки, отклонения Hni точек профиля контролируемой поверхности от прямой PQ, соединяющей крайние точки
профиля (рис. 142),
H ni
bi
r0
rn
ri
r0
n
bi
H 0i ,
где
i.
В этом случае, поскольку измерительный прибор находится в обычном положении, с увеличением расстояния между поверхностями увеличиваются и отсчеты по шкале прибора, следовательно,
r0-ri=a0-ai
и выражение для Hni при ао = 0 примет вид
H ni
an
n
i
ai
H 0i .
Измерение непрямолинейности
сличением с натянутой струной
В данном случае исходной прямой является струна, натянутая параллельно контролируемой
поверхности.
Определяют расстояния li от струны mn до проверяемой поверхности PQ (рис. 143). В качестве
отсчетного устройства чаще всего используют микроскоп, поэтому в литературе иногда этот
метод относят к оптико-механическим.
Сличение с натянутой струной рекомендуется применять для проверки непрямолинейности
вертикальных поверхностей, так как при измерении горизонтальных поверхностей вносится
погрешность за счет прогиба струны.
В первой и последней точках устанавливают одинаковые показания отсчетного устройства l0 .
Тогда отклонения Hi любой точки профиля от прямой, соединяющей крайние точки профиля,
Hi = li – l0 ,
где li— показания отсчетного устройства в любой измеряемой точке.
Случайные погрешности измерения с помощью натянутой струны определяются: 1) погрешностью совмещения изображения струны со штрихами микроскопа (отсчетного устройства); 2)
погрешностью отсчета; 3) погрешностью контактирования микроскопа с проверяемой поверхностью; 4) погрешностью за счет колебания струны во время измерения.
На основании экспериментальных данных установлена следующая формула для определения
среднего квадратического отклонения случайных погрешностей ζ1:
ζ1= 12 0,002 L4 мкм,
где L — измеряемая длина, м.
Первый член подкоренного выражения представляет собой квадрат среднего квадратического
отклонения, полученного за счет трех первых погрешностей. Второй член определяется четвертой
погрешностью.
Струну
при
хранении
обычно
наматывают
на
катушку,
поэтому
в
свободном
состоянии
она
имеет
форму
синусоиды.
Такая
форма
струны
сохраняется
даже
под
натяжением,
поэтому
погрешность
за счет синусоидальности струны Д2 носит систематический характер и может быть определена в
микрометрах
по
формуле
Еd
2
4
32 RT
,
где E — модуль упругости, кгс/см2; d—диаметр струны, см; R —радиус закругления струны в
свободном состоянии, см; Т — натяжение струны, кгс,
Погрешность за счет синусоидальности струны достигает 0,01—0,02 мм.
Таким образом, погрешность измерения непрямолинейности для поверхностей длиной 10 м
составляет величину порядка 33 мкм, а для поверхностей длиной 30 м — порядка 135 мкм.
Метод натянутой струны может быть рекомендован для проверки непрямолинейности поверхностей длиной более 5 м и не выше степени точности VI по ГОСТ 10356—63.
Оценка неплоскостности методом
«пятен на краску»
Шаброванные плиты и линейки типа ШМ широко применяют в качестве образцовых
поверхностей при оценке неплоскостностн по методу «пятен на краску». Для этого исходную
поверхность покрывают тонким слоем краски (берлинский лазури или сажи) и сопрнкасают с
проверяемой поверхностью. Размер исходной поверхности должен быть не меньше размера
проверяемой, иначе будет невозможно судить о степени неплоскостности всей проверяемой
поверхности.
При соприкосновении краска переносится на более высокие участки поверхности, поэтому по
распределению окрашенных пятен можно судить о характере рельефа поверхности, хотя невозможно определить числовое значение отклонений.
Метод «пятен на краску» в сочетании со способом «трех плит попарно» псе еще широко
используют при оценке неплоскостности как в СССР, так и за рубежом. При этом критерием
хорошей плоскостности является равномерное распределение окрашенных пятен по всей
поверхности на всех сличаемых плитах.
Погрешность этого метода значительно возрастает с увеличением размеров проверяемых
поверхностей за счет деформации нх поп собственным весом из-за недостаточной жесткости.
Например, при проверке «на краску» двух двухметровых мостиков погрешность измерения изза недостаточной жесткости достигает 20 мкм. что составляет 50% всего допуска. Поэтому
применение линеек типа ШМ длиной более 2 м для оценки неплоскостности методом «пятен на
краску» недопустимо.
Из-за невозможности количественной оценки отклонений от плоскостности этот метод можно
рекомендовать для контроля правильности технологического процесса, но не для измерения неплоскостности.
Измерение неплоскостности сферометрами и карусельными
плоскомерами
Сферометры и карусельные плоскомеры дают возможность определять числовые значения
отклонении от плоскостности непосредственно по отсчетному устройству.
Сферометр (рис. 144) состоит из корпуса 1 с тремя жесткими опорами 2, 3 и 4, образующими
исходную плоскость. В центре корпуса помещен микрометрический винт 5 (отсчетное устройство).
Перед измерением сферометр располагают на плоской стеклянной пластине или поверочной
плите класса 0, наконечник микровинта соприкасают с плоскостью и устанавливают
микровинт на нуль. Затем сферометр переносят на проверяемую поверхность и снимают
показание микровинта
в момент
соприкосновения
его с проверяемой поверхностью.
Основным недостатком сферометра является то, что отклонение от плоскостности можно
получить только для одной центральной точки поверхности. На точность
определения
неплоскостности в этой точке влияют: неплоскостность поверхности, по которой микровинт
устанавливали на нуль, и точность отсчетного устройства (погрешность микровинта — 0,003 мм).
Рис. 144. Сферометр
В Экспериментальном научно-исследовательском институте металлорежущих станков
(ЭНИМС) разработана более удачная конструкция аналогичного прибора — карусельный
плоскомер. Прибор позволяет измерять отклонения от плоскостности, в которой рычаг 1
вращается вместе с измерительным показывающим прибором 2 (рис. 145).
Плоскомер устанавливают в середине проверяемой поверхности, на которой произвольно
выбирают три базовые точки, определяющие исходную плоскость. Обычно их выбирают вблизи
трех углов проверяемой поверхности. Регулировочными винтами, вмонтированными в
основание прибора (на рис. 1 4 5 не показаны), добиваются, чтобы показания измерительного прибора в этих точках были равны нулю. Это предусмотрено конструкцией системы,
позволяющей перемещать измерительный прибор в любую точку проверяемой поверхности.
Зятем на поверхности отмечают точки, в которых должны быть проведены измерения, и
определяют отклонения в этих точках от исходной плоскости. Перемещение измерительного
прибора в одной плоскости обеспечивается вращением его вокруг двух строго параллельных
осей 1 и11 и отсутствием осевого биения.
Карусельные плоскомеры предназначены для проверки неплоскостности поверхностей
размером от 400 до 900 мм. Погрешность плоскомера не должна превышать ±0,0025 мм.
ГИДРОСТАТИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ИЗМЕРЕНИЯ
НЕПРЯМОЛИНЕЙНОСТИ И НЕПЛОСКОСТНОСТИ
Гидростатические принципы измерения непрямолинейности и неплоскостности поверхностей основаны ил свойстве поверхности жидкости принимать горизонтальное положение.
Эта поверхность и является исходной плоскостью при измерениях.
Гидростатические принципы объединяют;
1. Метод измерения с помощью свободно налитой жидкости.
2. Метод измерения с помощью сообщающихся сосудов.
3. Метод измерения с помощью уровней.
Метод измерения с помощью свободно налитой жидкости
При измерении непрямолинейности резервуар с жидкостью (обычно водой) устанавливают рядом с проверяемой поверхностью, на которую помещают стойку с микрометрической головкой, имеющей наконечник в виде иглы. Стойку перемещают последовательно
в намеченные точки проверяемой поверхности и каждый раз иглу приводят в контакт с
поверхностью жидкости и производят отсчет по микровинту. Момент контакта иглы с
поверхностью жидкости может быть определен па глаз по возникающему на конце иглы мениску или в момент загорания лампочки, если игла замыкает электрическую цепь.
Последний способ несколько повышает производительность и точность измерений.
Аналогично измеряют неплоскостность. Только при этом резервуар с жидкостью устанавливают непосредственно па проверяемую поверхность.
Точность измерения невысока. Погрешность составляет не менее 0 , 1 мм. Она определяется погрешностью распределения давления по длине измерения и температурными
погрешностями. Перепад давления всего в одну миллионную нормального давления создает разность уровней па открытой поверхности воды в 0,01 мм. При изменении
температуры от 15 до 25°С скорость испарения жидкости с открытой поверхности
колеблется от 0,03 до 0,17 мм/ч.
Поскольку практически невозможно корректировать результа ты измерения в зависимости от скорости испарения жидкости, погрешность измерения значительно возрастает.
Метод измерения с помощью свободно налитой жидкости в настоящее время применяют
редко из-за низкой точности и громоздкости измерительной установки.
Метод измерения с помощью сообщающихся сосудов
Этот метод измерения значительно точнее, чем пр едыдущий. В его основу положено
свойство жидкости устанавливаться в сообщающихся сосудах на одном уровне.
Сообщающиеся сосуды могут быть открытыми и закрытыми. В открытых сосудах
имеют место те же погрешности, характерные для метода свободно налитой жидкости.
Кроме того, добавляется еще одна погрешность за счет перепада уровней столбов
жидкости из-за изменения температуры, достигающая 0,2 мм
для
водяных столбов
высотой 1 м при разности их температур 1 С. Поэтому данный метод широко не
распространен.
В закрытых гидростатических головках практически исключается влияние внешних условий. Выпускаемые заводом «Калибр» гидростатические уровни состоят из нескольких
измерительных голосок (закрытых резервуаров), соединенных между собой гибкими
шлангами (рис. 146).
В измерительную головку 3 вмонтирован микрометрический глубиномер 1. Нижние части
измерительных головок соединены между собой с помощью шлангов 4. Соединенные
верхними шлангами 2 верхние полости резервуаров образуют общую воздушную систему,
в которой устанавливается одинаковое давление воздуха.
ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ПРИНЦИПЫ ИЗМЕРЕНИЯ НЕПРЯМОЛИНЕЙНОСТИ И НЕПЛОСКОСТНОСТИ
СУЩНОСТЬ оптико-механических принципов измерения непрямолинейности заключается в том,
что профиль проверяемой поверхности сравнивают с лучом света (оптической осью), который распространяется прямолинейно и, следовательно, может быть принят за исходную прямую.
Оптико-механические принципы объединяют автоколлимационный и коллимационный методы,
а также метод визирования.
Автоколлимационный и коллимационный методы
При проверке непрямолинейности автоколлимационным и коллимационным методами измеряют
углы наклона последовательно расположенных участков, равных шагу измерения l, по
отношению к исходной прямой, заданной оптической осью трубы (рис. 150). При наклоне
заркала 1 на угол α отраженный луч возвращается в автоколлиматор 2 под углом 2α, что
вызывает смещение изображения светящейся марки па отсчетной шкале, расположенной в фокальной плоскости окуляра автоколлиматора на величину ε.
Из рис. 150 видно, что
ε = f tg2α ,
где f — фокусное расстояние объектива автоколлиматора. Поскольку углы малы, то tg2α≈2α и
ε=2fα.
Из рис. 150 также видно, что tgα= h/l или α≈ h/l,
где h—разность высот двух соседних проверяемых точек; l— шаг измерения.
Делая соответствующие подстановки, получаем, что ε = 2/h/l. Таким образом, при измерении
автоколлиматором чувствительность определяется лишь фокусным расстоянием объектива и шагом
измерения.
Коллиматоры, смещающие изображение в два раза меньше, чем автоколлиматоры, практически
не используются и здесь рассматриваться не будут.
В настоящее время как отечественная, так и зарубежная промышленность выпускает многочисленные модели автоколлиматоров.
Непрямолинейность с помощью автоколлиматора измеряют два наблюдателя. Один перемещает
по проверяемой поверхности зеркало, второй производит отсчеты по шкале автоколлиматора. Отклонения Hi ; от прямой, соединяющей крайние точки профиля поверхности, вычисляют по формуле
i
Hi
C
mk
k 1
i
n
n
mk ,
k 1
где C = 4,8- 10-6l ; тk — разность между отсчетом по шкале автоколлиматора на участке с
порядковым номером i и отсчетом на первом участке (при нумерации точек от 0 до n порядковые
номера точек и участков совпадают); l — шаг измерения.
На основании теоретических и экспериментальных исследовании установлено, что погрешность ∆
измерения автоколлиматором выражается формулой
AlL
0,0002
H2
l
мкм,
где l — шаг измерения, м; L — длина проверяемой поверхности, м; H— отклонение от
прямолинейности, мкм.
Коэффициент А зависит от цены деления шкалы автоколлиматора (для цены деления 2" А
=4,0).
Точность измерения автоколлиматором в значительной степени зависит от изменения давления
и температуры на участке между зеркалом и автоколлиматором, поскольку эти параметры
вызывают искривление луча света. Погрешность (в микрометрах) вследствие этих причин
выражается формулой
0,12 ( t ) N L2 ,
где ( t) N — составляющая температурного градиента, нормальная к проверяемой поверхности,
°С/м; L — длина проверяемой поверхности, м.
Скорость изменения температуры в цеховых условиях обычно колеблется в пределах 0,5—
1°С/м, Для наибольшего значения 1 С/м ∆ = 0 , 1 2 L2 мкм.
При измерении непрямолинейности поверхностей длиной более 10 м этой погрешностью
пренебрегать нельзя.
Автоколлиматоры применяют и для измерения неплоскостности.
Проверка автоколлиматоров осуществляется в соответствии с ГОСТ 15806—70.
Метод визирования с помощью зрительных труб
Сущность метода
визирования
заключается в измерении расстояний от проверяемой
поверхности до оптической оси зрительной трубы, принятой за исходную прямую.
Измерения проводят с помощью зрительной трубы 2 и визирной марки 1 (рис. 151) следующим
образом. Зрительную трубу помещают на проверяемую поверхность или рядом с ней. Визирную ось
зрительной трубы устанавливают параллельно прямой, проходящей через крайние точки О О
проверяемой поверхности. При этом отсчеты х0 и хп в этих точках будут одинаковыми. Затем
визирную марку помещают последовательно во все проверяемые точки и производят каждый раз
отсчеты хi по оптическому микрометру зрительной трубы. Разность отсчетов (xi — х0) будет равна
отклонениям hi соответствующих точек проверяемого профиля от прямой, соединяющей крайние его
точки.
Если отсчеты в первой (0) и последней (n) проверяемых точках оказались не равными, то
hi = (xi -
xо) - (xn — x о )i/n ,
где xi — отсчет в любой проверяемой точке ( i = 0, 1,2, . . . , n ) .
Большим преимуществом визирного метода по сравнению с автоколлимационным является то,
что он не требует сложной
обработки результатов измерений. Однако недостаток его
заключается в необходимости перефокусировки при изменении расстояния между зрительной
трубой и маркой. Это изменяет цену деления отсчетного устройства и может привести к
смещению
исходной прямой, что вносит дополнительные погрешности в результаты
измерения. Этот недостаток можно устранить, применяя различные оптические схемы зрительных труб. Одной из них является система двойного изображения. Его получают или с помощью
призменнолинзовых устройств и автоколлимационной афокальной оборачивающей системы,
или с помощью призм двойного изображения, которые устанавливают перед объективом или
монтируют в трубе.
Использование афокальных систем ограничивает интервал измерений и снижает точность.
Системы двойного изображения требуют очень тщательной юстировки и индивидуальной
подгонки оптических элементов.
В последнее время стали применять новый оптический элемент — аксикон, обладающий свойством трансформировать совокупность точек, расположенных вдоль оптической оси Б изображение точки в фокальной плоскости. Однако аксикон пока еще широко не распространен вследствие
очень высоких требований к точности изготовления и обусловленных этим технологических
трудностей.
Разработан более простой объектив, ограниченный сферическими поверхностями, который
обладает свойствами аксикона. Этот объектив позволяет получить практически безаберрационное
изображение прямой на больших отрезках.
Ниже описываются наиболее распространенные зрительные трубы отечественного производства.
Зрительная труба IIIIС-11 состоит из собственно зрительной трубы и марок, встроенных в
подставки разной высоты. При помощи винта зрительная труба фокусируется на марку,
находящуюся на различных расстояниях от объектива зрительной трубы. Марка представляет
собой стеклянную пластинку, на которой нанесены концентрические окружности и два взаимно
перпендикулярных штриха. Радиусы соседних окружностей отличаются на 2 мм.
Оптическая схема прибора показана на рис. 152. Объект, который может находиться на любом
расстоянии от зрительной трубы проецируется объективом 2 и фокусирующей линзой 3 в
плоскости сетки 4. Оборачивающая система 5 и окуляр 6 образуют микроскоп в который
рассматривают сфокусированное на сетке изображение объекта.
Смещение изображения объекта относительно оптической оси зрительной трубы измеряют
оптическим микрометром, состоящим из плоскопараллельной пластины 1 и отсчетных
барабанов.
Зрительную трубу можно использовать как автоколлиматор, если подсветить сетку 4 источником спета 8, свет от которого проходит к конденсору 9, зеркалу 10 и полупрозрачной пластине 7.
Погрешность зрительной трубы ± ( 1 0 + 5L) мкм, где первый член характеризует погрешности самого прибора (случайные и неисключенные систематические погрешности), а второй зависит
от измеряемой длины L, м.
К случайным погрешностям относятся: погрешность визирования, возникающая вследствие
непрямолинейности направляющих, по которым перемещается фокусирующая линза; погрешность
наведения креста н и ч е й окуляра на изображение марки; погрешность
отсчета и погрешность из-за нестабильности контакта основания марки с проверяемой
поверхностью.
Систематическими погрешностями, которые практически нельзя исключить, являются: погрешность из-за изменения линейного увеличения трубы в зависимости от расстояния и погрешность
вследствие неточности изготовления кулачков отсчетного механизма (неточность изготовления
кулачков вызывает линейное смещение визирного луча при наклоне плоскопараллельной
пластины).
Основную часть погрешности составляет погрешность визирования, обусловленная непрямолинейностью направляющих, по которым перемещается фокусирующая линза,
Прибор ППС-П может быть рекомендован для проверки изделий размером свыше 2000 мм,
начиная со степени точности VIII по ГОСТ 10356-63.
Оптическая струна ДП-477 (рис. 153) состоит из марки и визирной трубы. Нить лампы 1
проецируется коллектором 2 на точечную диафрагму 3 (эта часть оптической системы / образует
точечную марку, снабженную пятью точечными
диафрагмами 3 для работы на разных
расстояниях).
Визирная труба // состоит из объектива 5, обладающего свойствами аксикона, и наблюдательного микроскопа ///, снабженного двумя сменными микрообъективами ОМ-5 (10• 0,30) х и
ОМ-27 (20 · 0,40)х и двумя окулярами типа АТ-38 с перекрестием и круговыми сетками. Поскольку
объектив имеет свойства аксикона, исключается необходимость перефокусировки и, следовательно, исключаются связанные с ней погрешности.
Изображение диафрагмы 3 марки проецируется объективом 5 в предметную плоскость
микроскопа ///, микрообъектив 6 и преломляющую призму 9, которая переносит изображение в
плоскость окулярной сетки 8, где его рассматривают в окуляр 7.
Плоскопараллельная пластина 4 является оптическим компенсатором. Наклоны ее позволяют
измерять смещение точечной диафрагмы 3 относительно оптической оси.
При измерении марку перемещают вдоль проверяемой поверхности. Из-за непрямолинейности
поверхности точечная диафрагма смещается относительно оси, что вызывает смещение ее
изображения в предметной плоскости микроскопа /// ив плоскости окулярной сетки 8. Вращая
микрометрический винт (на схеме не показан) и наклоняя пластину 4, совмещают изображение
диафрагмы со штрихом сетки и производят отсчеты по барабану винта в микрометрах.
Серийно выпускаемая оптическая струна ДП-477М имеет погрешности: 0,0025 мм на длине
0,5 м и 0,025 мм на длине 5 м, а в общем виде 0,005L мм
Оптическая струна может быть рекомендована для измерения непрямолинейности и неплоскостности поверхностей размером 1000—4000 мм, начиная со степени точности VI, а свыше
4000 мм — со степени точности VI1 по ГОСТ 10356—63.
Зрительные трубы широко применяют и за рубежом (Англия, США, ГДР и др.)- Наиболее
точной является труба типа FF-1 (ГДР) с ценой деления отсчетного устройства 0,001 мм.
П о в е р к а з р и т е л ь н ы х т р у б . Основной погрешностью визирных труб типа ППС-П
является погрешность визирования, определяемая в основном точностью изготовления
направляющей, по которой перемещается фокусирующая линза.
Эта погрешность может быть определена несколькими методами, в том числе и на специальной установке (рис. 154).
Погрешность визирования проверяемой трубы 1 выявляют последовательным визированием на мнимые изображения марки 3, расположенные в пространстве на одной прямой,
практически на любом расстоянии от измеряемой трубы. Это достигается с помощью установки,
состоящей из зеркала 4, устанавливаемого за маркой, и объектива 2, устанавливаемого перед
маркой. Благодаря объективу 2 перемещение зеркала от марки до половины фокусного расстояния объектива обеспечивает возможность получения мнимого изображения марки практически на
любом расстоянии от проверяемой трубы.
Если зеркало перемещать параллельно самому себе, то изображение центра перекрестия
неподвижно стоящей марки будет менять свое положение, но все время оставаться на прямой
линии, являющейся перпендикуляром, проведенным из центра перекрестия марки к поверхности
зеркала.
Для того чтобы исключить погрешность, которую может внести перемещающееся зеркало, его
после каждого перемещения устанавливают с высокой точностью по автоколлиматору 5.
Зрительная труба типа ДП-477 не имеет погрешности фокусирования на марку в связи с
отсутствием фокусирующей линзы.
Поэтому основной ее погрешностью является погрешность наведения и отсчета. Эту погрешность
определяют с объективом увеличением 8х и маркой диаметром 0,05 мм путем десятикратного
совмещения изображения марки с центром перекрестия сетки зрительной трубы при помощи
оптического компенсатора.
Погрешность не должна превышать 0,0025 мм на расстоянии 5 м между маркой и зрительной трубой.
Оптические линейки
Принцип действия оптической линейки основан на измерении отклонений профиля проверяемой
поверхности от профиля исходной прямой, заданной лучом, проходящим через центры зеркальнолинзовых объективов, образующих афокальную автоколлимационную систему.
Рис. 155. Схема оптических линеек ИС-43 и ИС-З6
Наиболее широко распространены оптические линейки типов ИС-43 и ИС-36, выпускаемые
отечественной промышленностью. Принципиальная оптическая схема линейки указанных типов
представлена на рис. !55. Лучи света от лампочки 6, пройдя через призму 5, линзу 4, призму 17 и
левую половину кубика 12, освещают визирную марку 2 и через зеркально-линзовые объективы 1
и 13 создают изображение визирной марки 2 на полевой диафрагме 3.
Микрообъектив 11 переносит увеличенное изображение визирной марки 2 в плоскость биссекторной
сетки 7. Проекционный окуляр 9 проецирует биссектор и изображение визирной марки 2 в плоскость
экрана, совмещенную с коллективом 8.
Объективы 1 и 13 образуют автоколлимационную афокальную систему с увеличением β= - 1х .
Афокальная система обладает тем свойством, что расстояние вдоль оси системы между предметом
и его изображением постоянно и не зависит от положения предмета на оси. Поэтому изображение
визирной марки при движении измерительной каретки вдоль оси всегда остается резким па экране
проекционного окуляра. Смещение щупа 18 измерительной каретки, возникающее из-за непрямолинейности проверяемого профиля, вызывает смещение изображения визирного штриха относительно изображения биссектора. Это смещение измеряют по барабану отсчетного устройства с ценой
деления 0,001 мм.
Основными узлами прибора являются корпус 14 и измерительная каретка, перемещающаяся
по проверяемой поверхности на роликах 16 и 19. В корпус вмонтирована оптическая часть
прибора, а каретка содержит осветительную и измерительную его части. В верхней части
каретки установлен проекционный микроскоп, состоящий из микрообъектива 11, винтового
окулярного микрометра 10 и проекционного окуляра. В этот окуляр входят объектив 9 с
увеличением 3х и плосковыпуклый коллектив 8.
Для установки линейки на проверяемую плоскость служат опоры 15 и 20. Одну из них регулируют по высоте. Опоры создают трехточечную установку линейки, так как одна из опор имеет две
точки касания с проверяемой плоскостью.
Оптическая линейка имеет регистрирующее устройство для записи профилограммы (волнограммы) проверяемого профиля, на миллиметровой бумаге, что позволяет использовать ее и для
измерения волнистости поверхности.
При измерениях оптическими линейками необходимо предварительно добиться одинаковых
отсчетов в крайних положениях измерительной каретки, что достигается с помощью винта
регулируемой опоры. Разность отсчетов не должна превышать 0,25 мкм для линейки ИС-43 и 0,5
мкм для линейки ИС-36.
Затем, перемещая каретку вдоль паза, устанавливают ее в проверяемые точки. Совмещая
визирный штрих с биссектором, производят отсчеты по барабану микрометрического винта.
Отклонения Hi от прямой, соединяющей концы проверяемого профиля, определяют по формуле
CL,
Нi=ai-a0 ,
где аi — среднее значение из трех отсчетов по микрометру, соответствующих
точке
поверхности с порядковым номером i; а0 — среднее значение из шести отсчетов, соответствующих крайним точкам.
Без перестановки линейки можно измерять отклонения от прямолинейности на длине 800 мм
линейкой ИС-43 и на длине 1600 мм линейкой ИС-36. Если измеряемая длина больше указанной, то
наносят отметку в точке, от которой будут начинать вторую серию измерений. Отметку наносят
таким образом, чтобы следующий участок поверхности перекрывал проверенный на 1/4 его
длины. Установив одинаковые отсчеты в первой и последней точке, выполняют вторую серию
измерений и т. д. до тех пор, пока проверяемая поверхность не будет проверена по всей длине.
Погрешность измерения линейки ИС-36 определяют по формуле
±( 1,2 + 4,5 · 10 -3 H) мкм,
где Н — отклонение от прямолинейности, мкм.
Первый член формулы определяется случайными и неисключенными систематическими погрешностями измерения. К основным случайным погрешностям относятся погрешности: наведения биссектора на визирный штрих отсчетного устройства; нестабильности контакта измерительного
наконечника. К систематическим погрешностям, которые практически нельзя исключить, относятся
погрешности, возникающие вследствие: непараллельности оптической оси прибора относительно
прямой, соединяющей крайние точки проверяемого профиля поверхности; разнофокусировки
объективов автоколлимационной системы; касания щупом проверяемой поверхности разными
точками сферы при наклоне измерительной каретки. Второй член формулы определяется
отклонением от прямолинейности проверяемой поверхности. Из-за малого значения второй член
не играет существенной роли, поэтому погрешность пратиче-ски определяется первым членом.
Оптическая линейка ИС-43 отличается от линейки ИС-36 тем, что корпус линейки значительно легче, и ее погрешность за счет большего увеличения микрообъектива (10 х вместо 5х)
значительно меньше. Погрешность линейки ИС-43 равна ± (0,5 + 0,5- 10-3Н) мкм. Достоинствами
линеек ИС-36 и ИС-43 являются: простота конструкции, большие пределы измерения и
сравнительно простая методика измерения. Линейки мало чувствительны к тряске и вибрациям,
их показания выражаются в линейных, а не в угловых величинах (что значительно упрощает
обработку результатов измерений).
К недостаткам относятся: невозможность измерений в вертикальной плоскости и большая
масса каретки и корпуса у линейки ИС-36.
Изготовлен опытный образец новой линейки ИС-49, в которой предусмотрена автоматическая
регистрация отклонений от прямолинейности.
Оптико-механические плоскомеры
Определение непрямолинейности и неплоскостности с помощью автоколлиматоров и зрительных труб связано с большой трудоемкостью как при производстве измерении, так и при обработке
полученных результатов. Поэтому в последнее время стали появляться плоскомеры, позволяющие
непосредственно измерять отклонения от исходной плоскости.
Отечественный оптический плоскомер, разработанный в Государственном оптическом институте им. С. М. Вавилова (ГОИ), показан на рис. 156. Плоскомер состоит из двух частей:
неподвижной / и поворотной //. На неподвижной части прибора закреплен объектив 6 в виде
сферического мениска и микрообъектив 3. В поворотную часть прибора входят окуляр 5 с сеткой
4, пентапризма 2 и плоскопараллельная пластина 8.Объектив 6, обладающий свойствами
аксикона, служит для получения в предметной плоскости микроскопа изображения светящейся
марки, находящейся на любом расстоянии от визирной трубы прибора. Пентапризма преломляет
оптическую ось прибора под углом 90° и применяется для получения плоскости визирования при
вращении ее вокруг оптической оси. Плоскопараллельная пластина 8 при качании ее вокруг оси
позволяет компенсировать совмещение изображения светящейся марки относительно плоскости
визирования.
Смещение измеряют микрометрическим винтом 7. Неподвижная часть прибора установлена
на трех регулируемых по высоте опорах с магнитами 1, при включении которых прибор
фиксируется на проверяемой поверхности.
Визирная марка III содержит источник света 12, конденсор 11 и точечную диафрагму 9,
перемещаемые по высоте микрометрическим винтом 10. Визирная марка фиксируется на
поверхности постоянным магнитом 13.
Неплоскостность проверяют следующим образом. На проверяемую поверхность устанавливают три одинаковые марки. Регулируя опоры плоскомера, добиваются, чтобы изображения
светящихся точек всех трех марок находились в центре перекрестия сетки прибора. При этих
условиях можно считать, что плоскость визирования прибора, совмещенная с плоскостью,
определяемой тремя светящимися точками визирных марок, является исходной плоскостью.
Устанавливая теперь визирную марку в любую точку проверяемой поверхности, можно
определить отклонение от исходной плоскости по отсчетному барабану микрометрического
пиита 7,
Проверку можно проводить и с одной визирной маркой, поочередно помещая ее в три различные точки поверхности и устанавливая по ней исходную плоскость.
§ 49. ОТКЛОНЕНИЯ ФОРМЫ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Отклонения формы цилиндрических поверхностей стандартизованы в ГОСТ 10356—63. Отклонения формы подразделяют на элементарные и комплексные.
Элементарные отклонения формы характеризуют отклонения в поперечном и продольном
сечениях цилиндрических деталей и сводятся к следующим элементарным фигурам: эллипсу;
правильному многодужнику; прямолинейным (но не параллельным) образующим; симметрично
выпуклым; симметрично вогнутым и эквидистантно изогнутым образующим.
Указанным отклонениям формы в стандарте были оставлены ранее применявшиеся названия,
соответственно: овальность, огранка (в поперечном сечении цилиндрической детали); конусообразность, бочкообразность, седлообразность и изогнутость (в продольном сечении) (рис. 159).
Элементарные отклонения формы определяются значениями ∆, которые находят из выражении, приведенных на рис. 159. Технологические погрешности являются причинами возникновения перечисленных элементарных отклонений формы.
Детали будут иметь какое-либо из элементарных отклонений формы только в том случае,
когда соответствующая причина имеет доминирующее влияние во время обработки детали. В
большинстве случаев форма деталей определяется совокупностью технологических погрешностей,
среди которых нет доминирующих. Поэтому отклонения формы в большинстве случаев носят
неопределенный характер и характеризуются только отклонением. Вследствие этого возникает
необходимость в установлении комплексных отклонений формы, определяющих только значение
отклонений. По ГОСТ 10356—63 предусматривается три комплексных отклонения формы:
нецилиндричность, некруглость и отклонение профиля продольного сечения.
Нецилиндричность — комплексный показатель для цилиндрической поверхности в целом,
определяемый совокупностью отклонений формы реальной поверхности от формы правильного
цилиндра.
За величину нецилиндричности принимают наибольшее отклонение реальной цилиндрической
поверхности от прилегающего правильного цилиндра, имеющего (для вала) наименьший возможный диаметр и описанного вокруг реальной поверхности вала (см. рис. 159), имеющего
(для отверстия) наибольший возможный диаметр и вписанного в реальную поверхность отверстия.
Некруглость — комплексный показатель для поперечного сечения цилиндра, определяемый
совокупностью отклонений формы реального сечения от формы правильной окружности.
За величину некруглости принимают наибольшее отклонение реального профиля от прилегающей правильной окружности, имеющей (для вала) наименьший возможный диаметр и описанной
вокруг реального сечения вала (см. риг. 159); имеющей (для отверстия) наибольший возможный
диаметр и вписанной в реальное сечение отверстия.
Отклонение профиля продольного сечения — комплексный показатель для продольного сечения
цилиндра, определяемый совокупностью отклонений формы реального сечения от формы, образованной двумя параллельными прямыми.
За величину отклонения профиля продольного сечения принимают наибольшее отклонение
реального профиля от прилегающих параллельных прямых, максимально сближенных между
собой (для вала — см. рис. 159) и максимально удаленных друг от друга (для отверстия).
§50. ИЗМЕРЕНИЕ ОТКЛОНЕНИЙ ФОРМЫ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
По ГОСТ 10356—63 установлено десять степеней точности для нормирования отклонений формы
цилиндрических поверхностей. Величины, приведенные в стандарте, могут быть непосредственно
использованы в качестве предельных значений нецилиндричиости, некруглости, отклонения
профиля продольного сечения, огранки и изогнутости, т. е. таких отклонений формы, которые
выявляются при радиальных измерениях, как разности радиусов (см. рис. 159).
Для получения предельных значений овальности, конусообразности, бочкообразности и седлообразности, т. е. таких отклонении формы, которые выявляются при диаметральных измерениях,
как разности диаметров (см. рис. 159), указанные в стандарте величины должны удваиваться с
последующим округлением до ближайшего числа.
Радиальные (радиусные) измерения являются универсальными. С их помощью могут быть
выявлены все без исключения нормируемые отклонения формы.
Диаметральные (двухконтактиые) методы измерения отклонений формы были стандартизованы потому, что они доступны и широко распространены в промышленности. Двухконтактные
методы измерения отклонений формы могут быть осуществлены как с помощью универсальных
измерительных средств, так и на специально' сконструированных устройствах и приспособлениях.
Изогнутость нельзя обнаружить при диаметральных измерениях. Она может быть определена
при вращении детали на плоском столике (рис. 160, а) пли на ножевых опорах (рис. 160,6). В
первом случае изогнутость равна разности показаний стрелочного измерительного прибора при
повороте детали на 360°, во втором случае — разности показаний, деленной на два.
В промышленном производстве используют метод измерения огранки в призмах (трехконтактный метод измерения).
ТРЕХКОНТАКТНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ОГРАНКИ
С помощью трехконтактных методов измерения (два контакта опорные, а третий — контакт с
измерительным наконечником показывающего прибора) измеряют огранку с нечетным числом
граней n (n = 3, 5, 7, 9 и т. д.), которая не может быть выявлена при диаметральных измерениях.
Трехконтактный метод измерения можно также считать и методом измерения волнистости,
поскольку не определено, при каком числе граней неровности будут называться огранкой, а при
каком — волнистостью (эта граница не имеет принципиального значения, а носит условный
характер).
Разность показаний измерительного прибора S при вращении детали па опорных контактах
связана с огранкой ∆ог зависимостью,
S= K ог ∆ог
где Ког — коэффициент воспроизведения огранки.
Коэффициент Ког зависит от углов, характеризующих взаимное расположение наконечников
трехконтактных устройств. Для симметричных устройств
измерительный
наконечник
расположен по
биссектрисе угла между опорными контактами (рис. 161, а). Такие устройства рекомендуются при
измерениях огранок с различным числом граней, причем угол призмы выбирают таким, чтобы
коэффициент воспроизведения огранки Ког, был равен для удобства расчета единице, или, в крайнем
случае, целому числу.
В табл. 13 приведены коэффициенты воспроизведения огранки симметричных трехконтактных
устройств с различными углами γ.
Если заранее неизвестно число граней n, целесообразно пользоваться такими симметричными трехконтактными устройствами, при измерении в которых коэффициенты Kог одинаковы
для возможных в данной партии деталей сочетаний n.
В табл. 14 даны сочетания величин n (в том числе и некоторых четных их значений), для
которых коэффициенты воспроизведения Ког одинаковы как для отдельных величин n (гармоник), входящих в данное сочетание, так и для их сумм.
Наибольшей универсальностью обладают несимметричные трехконтактные устройства с
параметрами: γ=120°, β = 30° и γ = 60о, β=60° (рис. 161,б).
В обеих схемах линии измерения параллельны одной из граней призмы. Эта схемы дают одинаковое значение коэффициента воспроизведения Kог=2 для первых и практически наиболее часто
встречающихся огранок с n = 3; 5; 7 и 9.
Схема с γ=120° и β = 30° позволяет измерять и овальность (n = 2) с коэффициентом
воспроизведения К=2,38, который с погрешностью 19% может быть принят также равным 2.
КРУГЛОМЕРЫ
Наиболее точными приборами для измерения отклонений формы являются формографы, за
которыми укрепилось название кругломеры. В кругломерах используют метод «образцового
вращения», т. е. осуществляют базирование но образцовой цилиндрической детали — шпинделю
прибора.
Шпиндель вращается настолько точно, что его ось все время остается в пределах цилиндра
диаметром, равным нескольким сотым долям микрометра. Пренебрегая такими значениями,
можно считать, что ось вращения шпинделя остается в пространстве неподвижной. Тогда
траектория движения жестко связанного со шпинделем преобразователя будет окружностью
настолько точной, что она может быть принята за образцовую.
Чтобы сопоставить профиль детали с этой окружностью, нужно до начала работы произвести
центрирование оси детали с осью шпинделя.
Сущность метода «образцового вращения» пояснена рис. 162, на котором представлена блоксхема кругломера. Проверяемую деталь 9 устанавливают на стол 8, который может перемещаться
в горизонтальной плоскости по двум взаимно перпендикулярным направлениям с помощью
микрометрических винтов 7. Таким образом предварительно центрируют деталь.
Над деталью располагается прецизионный шпиндель 13 с закрепленным на нем преобразователем 11 с щупом 6.
При вращении преобразователя вокруг детали колебания щупа, вызываемые отклонениями
формы и волнистостью поверхности, будут в свою очередь вызывать колебания якоря 4 относительно опоры 5. Колебания якоря меняют воздушный зазор между якорем и Ш-образным
сердечником 12, на котором имеются две катушки 10.
Катушки 10 и две половины первичной обмотки дифференциального трансформатора 2 образуют балансный мост, который питается от генератора звуковой частоты 1. Обмотку катушки
сердечника выводят к токосъемным кольцам 14, сигнал с которых снимают токосъемными
щетками.
Изменение зазора между якорем и Ш-образным сердечником изменяет напряжение на выходе
дифференциального трансформатора. Полученные изменения напряжения усиливаются электронным блоком 3. Сигнал с выхода электронного блока подается на записывающий прибор 15.
Шпиндель вращается от синхронного электродвигателя 19, через привод шпинделя 18,
представляющего собой коробку скоростей. Синхронно со шпинделем вращается электротермический диаграммный диск 17, на котором перо 16 записывающего прибора оставляет след. После
одного оборота диска (и соответственно одного оборота детали) на диаграмме записывается
круглограмма исследуемого поперечного сечения.
Кругломеры стандартизованы ГОСТ 17353—71, по которому кругломеры делятся на два
основных типа: тип I — с вращающимся преобразователем (блок-схема такого кругломера
была показана на рис. 162) и тип II — с вращающейся проверяемой деталью (вращающимся
столом).
Достоинством кругломеров типа I является то, что наиболее ответственный узел прибора —
шпиндель не нагружен массой измеряемой детали. Нагрузка на шпиндель определяется только его
собственным весом и весом преобразователя и всегда постоянна, что создает благоприятные
условия для обеспечения высокой точности вращения шпинделя.
В кругломерах типа II деталь устанавливают на столе-шпинделе и производят центрирование.
В процессе измерения деталь вращается вместе со столом относительно неподвижного преобразователя, размещенного на отдельной стойке. На кругломерах типа II проще сочетать измерение
некруглости с измерением взаимного расположения различных сечений детали, что достигается
простой перестановкой преобразователя.
В обоих случаях (и для кругломеров типов I и II) круглограмма представляет собой фиксированные отклонения радиусов-векторов ri'. от некоторой постоянной величины (радиуса записи R0,
направленных от оси шпинделя прибора (точка 0) к поверхности в измеряемом сечении детали
с центром в точке 0' (рис. 163). Эксцентриситет е будет тем меньше, чем тщательнее произведено
центрирование детали, однако невозможно добиться полного совпадения точек 0 и 0'.
§ 51. ОТКЛОНЕНИЯ РАСПОЛОЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ
И ИХ ИЗМЕРЕНИЕ
Абсолютное большинство деталей имеет сложную конфигурацию, состоящую из многих
поверхностен. Одни из этих поверхностен являются базовыми и относительно этих поверхностей
определяют положение других (рассматриваемых или контролируемых) поверхностей. Базой
может быть не только поверхность, но и совокупность поверхностей, линий или точек (например,
две опорные шейки вала или цилиндрический буртик и торец втулки).
В ГОСТ 10356—63 установлено, что отклонения формы следует исключать при рассмотрении
отклонении расположения. Это достигается тем, что реальные поверхности (при определении
отклонений расположения) заменяют прилегающими к ним поверхностями. Тогда за центры,
оси, плоскости симметрии реальных профилей и поверхностей принимают соответственно
центры, оси, плоскости симметрии прилегающих профилей и поверхностей. Исключением являются
такие отклонения расположения, как радиальное и торцовое биение, определяемые по точкам
реального профиля. В этом случае отклонения формы, которые будут влиять на результаты измерений, следует рассматривать как составляющую погрешности измерения.
Независимая оценка отклонений формы и расположения имеет как технологическое, так и
функциональное обоснование.
Технологическое обоснование заключается в том, что причины возникновения отклонений
формы и расположения независимы И различны, и их раздельная оценка способствует
дальнейшему изучению этих причин.
Функциональное обоснование заключается в том, что погрешности формы и расположения
поверхностей оказывают различное и независимое влияние на сборку и функционирование
механизма. Если отклонения формы влияют в основном на характер соединения сопрягаемых
поверхностей; равномерность зазоров или натягов, герметичность и т. д., то отклонения
расположения сказываются, прежде всего, на собираемости деталей и точности их расположения
в механизме.
Определения отклонений расположения, установленные в ГОСТ 10356—63, относятся к поверхностям одной и той же детали, но эти определения можно применять и к поверхности разных
неподвижных деталей, находящихся в собранном виде.
Отклонением расположения называется отклонение от номинального расположения рассматриваемой поверхности, ее оси или плоскости симметрии относительно баз или от номинального
взаимного расположения рассматриваемых поверхностей.
Отклонения от номинального взаимного расположения поверхностей рассматривают только
при отсутствии баз.
Номинальное расположение поверхностей определяется номинальными линейными или угловыми размерами между ними. Эти размеры задаются на чертеже детали. Если номинальные размеры
расположены друг относительно друга под углом 0° (угол между параллельными или соосными
поверхностями) или 90° (угол между перпендикулярными поверхностями или осями), то их часто не
проставляют на чертеже, а задают самим изображением детали.
Размеры, характеризующие расположение поверхностей, в одних случаях (например, для
плоскостей) определяют непосредственно от этих поверхностей, а в других (для цилиндрических,
конических, сферических поверхностей, призматических пазов и выступов) — от их осей,
плоскостей или центров симметрии.
Все эти размеры определяют расположение не реальных поверхностей, а заменяющих их
прилегающих поверхностей или их элементов.
ЗАВИСИМЫЕ И НЕЗАВИСИМЫЕ ДОПУСКИ
РАСПОЛОЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ
В зависимости от условий работы детали отклонения расположения ее поверхностей и допуски на
изготовление этих поверхностей могут быть связаны между собой, т. е. проявляться совместно,
или быть независимыми друг от друга.
В каждом их этих двух случаев необходим особый подход как к нормированию отклонений,
так и к выбору методов и средств их контроля. В соответствии с этим ГОСТ 10356—63 устанавливает два вида допусков расположения — зависимые и независимые.
Зависимым называется допуск расположения, определяемый не только заданными на чертеже
значениями предельных отклонений расположения поверхностей, но и зависящий от допусков на
изготовление этих поверхностей.
Значение зависимого допуска расположения поверхностей, проставляемое на чертеже, соответствует только таким условиям, при которых предельные размеры координируемых поверхностей
обеспечивают «максимум материала», т. е. если это охватывающие поверхности (отверстия), то
зависимые допуски расположения, проставленные на чертеже, справедливы только для наименьших
предельных размеров отверстий, а если охватываемые поверхности (вал ы ) , — то только для
наибольших предельных размеров валов.
Когда эти условия не выполняются, допуски расположения поверхностей увеличиваются по
сравнению со значением, проставленным на чертеже. Это превышение допусков расположения
зависит как от значений допусков на изготовление координируемых поверхностей, так и от
заданных условий сборки (например, поверхности должны быть собраны с определенным
гарантированным зазором). Поясним сказанное на примере.
Допуск на расстояние между осями отверстий (допуск расположения) у двух одинаковых
деталей (рис. 174) — зависимый. Детали соединяются с помощью двух болтов Ø5-0,2 , причем для
свободного прохода болтов должен быть предусмотрен гарантированный зазор z1= 0,2 мм.
Естественно, что этот зазор должен
быть
получен и в том случае, если диаметры
отверстий имеют наименьший предельный
(Ø 5,2 мм), а диаметры болтов—наибольший предельный размер (Ø5 мм), как
это
показано
на рис. 175, а. Эти отклонения между осями отверстий и проставляют на чертеже
(±0,2 мм на рис. 174).
Рис. 174. Пример назначения
зависимого допуска
(между осями отверстии)
Если диаметры отверстий изготовлены по верхнему предельному размеру (Ø5,5 мм), то
зазор между отверстием и стержнем болта (диаметр болта 5 мм) увеличивается на 0,3 мм и
составляет 0,5 мм.
В этом случае сборка деталей будет обеспечена и при большем, чем задано в чертеже,
отклонении межосевого расстояния (рис. 175, б), которое составит
z 2 = ± (0,2 + 0,3) = ±0,5 мм.
Следовательно, без ущерба для собираемости деталей можно превысить допуск расположения
поверхностей для зависимых допусков.
Зависимые допуски расположения назначают для деталей, которые сопрягаются с контрдеталями одновременно по двум или большему числу поверхностей и для которых требования взаимозаменяемости сводятся к обеспечению собираемости при заданных условиях (например, при
определенном значении гарантированного зазора).
Зависимыми допусками, как правило, ограничиваются такие отклонения расположения, как
несоосность, несимметричность и смещение оси от номинального расположения.
Контроль расположения поверхностей при зависимых допусках очень прост. Его осуществляют
комплексными проходными калибрами, представляющими собой прототипы сопрягаемых деталей.
Признаком годности детали является собираемость (вхождение) калибра. Основные положения
по применению таких калибров и расчету их исполнительных размеров установлены в ГОСТ
16085—70.
Независимым называется допуск расположения, значение которого определяют только заданным (на чертеже или в технических требованиях) предельным отклонением расположения. Этот
допуск не зависит от допусков координируемых (рассматриваемых) поверхностей и не должен
быть превышен при любых (в пределах установленного допуска) действительных размерах
рассматриваемых поверхностей.
Независимые допуски назначают в тех случаях, когда необходимо помимо собираемости
обеспечить особые требования в отношении функционирования деталей.
Независимые допуски расположения назначают, например, на межосевые расстояния в корпусах зубчатых передач, на несоосность посадочных мест под подшипники качения и т. д.
Для контроля независимых допусков расположения применяют универсальные измерительные
средства.
КЛАССИФИКАЦИЯ ОТКЛОНЕНИИ РАСПОЛОЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ, ИХ
ЭЛЕМЕНТОВ И ПРИМЕРЫ ИХ КОНТРОЛЯ
Ниже рассматриваются основные виды расположения поверхностей, характеризуемые расположением их элементов.
Непараллельность и перекос осей являются частным случаем углового размера, номинальное
значение которого равно 0°. Значение непараллельности определяют в единицах длины.
Непараллельность осей поверхностей вращения — наиболее часто встречающийся случай
непараллельности. При этом оси могут не лежать в одной плоскости и, следовательно, не
пересекаться. При контроле непараллельности и перекоса осей используют обычные универсальные средства (штангенциркули, микрометры, индикаторные скобы и др.).
Измерение непараллельности и перекоса осей /-/ и II—II отверстий в головках шатуна показано
на рис. 176. Здесь ось /—/ является базовой и поэтому должна быть выверена так, чтобы быть
параллельной плоскости поверочной плиты, Измеряемое отклонение оси II—II в положении а равно
разности показаний отсчетного измерительного прибора на заданной длине L и характеризует непараллельность осей. Разность показаний измерительного прибора в положении б определяет
перекос осей.
Неперпендикулярность и торцовое биение. Неперпендикулярность является частным
случаем отклонения углового размера, номинальное значение которого равно 90°.
Неперпендикулярность плоскостей, осей или оси и плоскости определяют как отклонение угла
между плоскостями, осями или осью и плоскостью от прямого (90°), выраженное в единицах
длины на заданной длине.
Схема измерения неперпендикулярности осей показана на рис. 177. Оправка 2
определяет положение рассматриваемой оси отверстия детали 1, а оправка 5 — базовой оси.
Оправку 5 вместе с измерительным прибором 3 поворачивают на 180° (второе положение
оправки изображено пунктиром). В осевом направлении положение оправки фиксирует упор 4,
Разность двух отсчетов определяет неперпендикулярность на длине L. Торцовое биение, относящееся к этой же группе отклонений, находят по точкам реального профиля, поэтому оно является
суммарным результатом неперпендикулярности торцовой поверхности к базовой оси и отклонений
формы торца по линии измерения.
Рис. 177. Схема измерения неперпендикулярности осей
При контроле торцового биения деталь должна вращаться
относительно оси базовой
поверхности (при закреплении детали в призме, патроне, на оправке и т. д.) и фиксироваться
осевым упором.
Торцовое биение равно разности показаний отсчетного измерительного прибора за один оборот
детали, если упор находится со стороны неконтролируемого торца (рис. 178, а, б ) , и половине
разности показаний, если упор соприкасается с измеряемым торцом (рис. 178, в ) .
Несоосность и радиальное биение. Существует три основных вида расположения соосных
поверхностей 1 и 2 — смежное, разнесенное и вписанное (рис. 179). Несоосность для всех
перечисленных видов выражается или в параллельном смещении осей, или в угловом, или в
сочетании линейного и углового смещений. При выборе базовой оси различают два случая:
если в технических условиях указана базовая поверхность (которая назначается в зависимости
от условий сборки или функционирования детали), то ось этой поверхности принимают за
базовую;
если базовая поверхность не указана, то за базовую ось принимают общую ось.
Введение общей оси необходимо потому, что нельзя произвольно принимать какую-либо из
рассматриваемых поверхностей за базовую. Рассматриваемые поверхности равноценны и
несоосность будет определяться не одной, а всеми рассматриваемыми поверхностями, т. е.
относительно общей оси.
Нахождение общей оси зависит от двух основных методов контроля несоосности.
1. Если
несоосность
контролируют
комплексным
калибром,
за
общую
ось
принимают
ось
калибра
(несоосностью
измерительных
поверхностей калибра
пренебрегают).
Комплексный
калибр для
смежного расположения соосных поверхностей показан на рис. 181.
2. Если
несоосность
определяют
с
помощью
универсальных
из
мерительных средств, то за общую ось принимают прямую, проходящую через середины
отрезков осей крайних поверхностей.
Радиальное биение измеряют по точкам реальной поверхности, следовательно, оно представляет собой суммарную величину несоосности (эксцентриситета) и отклонения формы (некруглости)
проверяемого поперечного сечения.
Эксцентриситет есть смещение центра сечения относительно оси вращения. Эксцентриситет
вызывает вдвое большее, а некруглость — такое же радиальное биение.
Допуски на несоосность в случае, когда базовая поверхность указана, а также в случае общей
оси могут быть зависимыми и независимыми.
При зависимых допусках контроль производится комплексными калибрами
(например,
таким калибром, который показан на рис. 181).
При независимых допусках несоосность определяют по радиальному биению. Деталь устанавливают по заданным базовым поверхностям и находят разность между наибольшим и наименьшим показаниями измерительного прибора при повороте детали на один оборот (рис. 182). Эта
величина и характеризует радиальное биение. Несоосность равна половине радиального биения.
Схема измерения несоосности двух шеек вала А и Б относительно их общей оси (при независимых допусках) показана на рис. 183. Деталь 1 устанавливают на ножевые опоры 3, располагаемые в серединах шеек. Несоосность каждой шейки будет равна половине радиального биения,
определяемого по стрелочному измерительному прибору 2, в крайних сечениях шеек при
вращении вала.
Несимметричность есть отклонение от совпадения плоскостей симметрии поверхностей или
плоскости симметрии с осью поверхности вращения. Для определения действительного значения
несимметричности применяют универсальные измерительные средства.
Например, несимметричность ∆ поверхностей I и II относительно оси отверстия (рис. 184)
равна полуразности показаний измерительного прибора в двух положениях детали А и В (при
повороте детали на 180°), т. е. ∆ =(А-В)/2 .
Непересечение осей. Погрешности расположения осей, которые номинально должны лежать
в одной плоскости и пересекаться под заданным углом, оценивают двумя показателями:
отклонением угла между осями и непересечением осей — кратчайшим расстоянием между
ними (номинально это расстояние должно быть равно нулю).
Пример непересечения осей отверстий в корпусной детали показан на рис. 185. В сечении,
соответствующем точке пересечения осей, измеряют расстояние от плоскости поверочной
плиты до верхних образующих оправок, пригнанных к проверяемым отверстиям. Значение
непересечения Д определяют как разность высот в положениях А и Б с учетом диаметров
оправок dA и dB, т. е.
(А
dA
2
)
(B
dB
2
)
(A
B)
dA
dB
2
.
ШТРИХОВЫЕ МЕРЫ ДЛИНЫ
Меры длины, служащие для воспроизведения одного или нескольких известных
значений длины, подразделяют на:
штриховые, у которых размер, выраженный в определенных единицах, а также
размер их частей, определяется расстоянием между осями двух соответствующих штрихов
(например, брусковые штриховые меры, измерительные линейки, рулетки);
концевые, у которых размер, выраженный в определенных единицах, определяется расстоянием между плоскостями, ограничивающими меру (например, плоскопараллельные концевые меры длины).
Брусковые штриховые меры применяют как для непосредственного измерения
линейных размеров или расстояний, так и в качестве шкал приборов и станков. Их также
используют в качестве образцовых мер длины при поверке рабочих мер длины, приборов
для линейных измерений и проверки станков.
Основные типы, параметры, размеры брусковых штриховых мер и технические
требования к ним регламентированы ГОСТ 12069–66 «Меры длины штриховые». Стандарт устанавливает, что по конструкции поперечного сечения брусковые штриховые меры
могут быть четырех типов:
I – Н-образной формы на номинальный размер шкалы от 500 до 1400 мм или
формы прямоугольного желоба на номинальный размер шкалы от 1600 до 4000 мм.
II – прямоугольной формы на номинальный размер шкалы от 100 до
1000 мм;
III – полусферической, пятигранной и прямоугольной форм на номинальный размер шкалы от 250 до 1600 мм;
IV – трапецеидальной формы на номинальный размер шкалы 1000 мм.
Штриховые меры изготовляют однозначными и многозначными.
Однозначные штриховые меры длины имеют два штриха, нанесенных по концам
меры.
Многозначные штриховые меры имеют шкалу штрихов, нанесенных через определенные интервалы по всей длине меры или на отдельных ее участках. Шкалы таких
многозначных штриховых мер изготовляют с дециметровыми, сантиметровыми или миллиметровыми делениями.
По точности штриховые меры длины делят на шесть классов: 0, 1, 2, 3, 4 и 5.
Классы
точности
устанавливают
в
соответствии
с
допускаемыми
отклонениями действительной длины шкалы мер на различных интервалах измерений. В
табл. 1 приведены допускаемые ГОСТ 12069–66 отклонения действительной длины шкалы мер для различных размеров интервалов шкал от 100 до 4000 мм для всех шести классов штриховых мер длины.
Таблица 1
Формулы накопленной погрешности шкал, применяемые для приближенного вычисления предельных погрешностей промежуточных интервалов (между любыми штрихами) для классов точности мер 0; 1; 2; 3; 4 и 5 соответственно следующие: 0,5+0,5l; 1 +
1 l; 2 + 2 l; 5 + 5 l; 10+ 15 l и 20+30 l.
Результат вычислений по этим формулам получается в микрометрах при подстановке длины l в метрах.
Отклонения действительной длины шкалы штриховых мер от номинальных значений, указанные в табл. 1, относятся к нормальной температуре 20° С при положении
мер классов 0; 1 и 2 на цилиндрических опорах, на расстоянии 0,22 L от концов меры; мер
класса 3 – на поверхности, плоскость которой соответствует степени точности III; а мер
классов 4 и 5 – на поверхности, плоскость которой соответствует степени точности IV по
ГОСТ 10356–63.
Брусковые штриховые меры длины изготовляют из материалов, указанных ниже:
Материал
Инвар (Ni 36%)
Инварстабиль (Ni 58%)
Сталь
Стекло оптическое
Температурный коэффициент удлинения, 106
ºС-1
1,0±0,5
11,5±0,5
11,5±1,0
10,0±0,5
У штриховых мер длины типа I штрихи шкалы наносят на нейтральной плоскости
мер, у мер типов II, III, IV – на верхней или боковой поверхностях. Начальный (нулевой)
штрих шкалы штриховой меры должен находиться на расстоянии не менее 15 мм от торца
меры.
ПОВЕРКА ШТРИХОВЫХ МЕР ДЛИНЫ
Штриховые меры длины поверяют по ГОСТ 16216–70 «Меры длины штриховые.
Методы и средства поверки», ГОСТ 8.131–74 «Государственная система обеспечения
единства измерений. Меры длины штриховые, образцовые 2-го разряда», инструкции 68–
59 «По поверке ленточных метров-компараторов» и инструкции 85–55 «По поверке
складных метров (металлических и деревянных»). При поверке штриховых мер длины
выполняют следующие операции:
1. Внешний осмотр штриховой меры.
2. Определение ширины штрихов и их качества.
3. Проверка прямолинейности оси меры и ее боковой поверхности.
4. Поверка отклонения от плоскостности шкаловой поверхности и основания
штриховой меры.
5. Поверка общей длины меры и ее подразделений.
Отклонения от общей длины и отдельных подразделений штриховых мер определяют компараторами или измерительными машинами.
Компараторы состоят из двух основных частей. Первая из них предназначена для
поддержания сравниваемых мер и может перемещаться в трех взаимно перпендикулярных
направлениях. Второй частью компаратора являются два микроскопа с окулярными микрометрами, посредством которых рассматриваются штрихи на сравниваемых мерах и отмечается их относительное положение. Окулярные микрометры снабжены неподвижными
взаимно перпендикулярными нитями и подвижной парой паутинных нитей, натянутых на
специальной каретке, сопряженной с высокоточным микрометрическим винтом. Каретка
позволяет измерять в каждом микрометре небольшие разности между положением видимого в поле зрения штриха меры и положением «нуль-пункта» микроскопа – точки пересечения неподвижных нитей. Эти разности выражаются числом целых оборотов и долей
микрометрического винта.
Для сравнения длины двух штриховых мер между собой их укладывают параллельно друг другу на раму, перемещаемую в поперечном направлении, и приводят их поверхности со штрихами в одну горизонтальную плоскость. Затем одну меру подводят под
объективы микроскопов. Подвижную пару нитей наводят микрометрическими винтами на
конечные штрихи меры так, чтобы последние находились между нитями, и наблюдают
отсчеты по микрометрам.
После этого поперечным передвижением рамы подводят под микроскопы другую
меру М1. Так как сравниваемые меры весьма близки по длине друг к другу, то конечные
штрихи второй меры подойдут почти к тому же самому месту под микроскопом и будут
видны наблюдателю в окуляре. Затем снова наводят подвижные нити на конечные штрихи
меры и производят новые отсчеты по микрометру. Таким образом сличают между собой
обе штриховые меры.
Помимо описанного выше компаратора с поперечным перемещением мер существуют компараторы с продольным перемещением микроскопов. В них меры располагают
параллельно друг другу так, чтобы их начальные штрихи подводились под микроскопы,
расположенные друг от друга на некотором расстоянии и укрепленные неподвижно на передвигаемой каретке. Когда нити в окулярах обоих микроскопов будут установлены на
начальных штрихах образцовой и поверяемой меры, микроскопы перемещают вдоль мер
до конечных или промежуточных их штрихов, на которых снова устанавливают нити окуляров. По отсчетам микрометров обоих микроскопов, как в случае описанных выше компараторов, находят разность длин двух мер, а зная длину образцовой меры, определяют
длину поверяемой меры.
У штриховых мер обязательной поверке подлежат общая длина и длина дециметровых подразделений. Отдельные сантиметровые и миллиметровые подразделения поверяют в выборочном порядке.
Отклонения общей длины поверяемой меры и отдельных ее подразделений на
компараторе определяют методом сличения с соответствующими подразделениями меры
длины 1-го разряда по способу продольного или поперечного компарирования.
Меру длины 1-го разряда и поверяемую меру устанавливают в ванне или на столе
компаратора на специальные подставки-опоры так, чтобы шкаловая поверхность меры
располагалась в горизонтальной плоскости.
При поверке мер длины методом продольного компарирования сравниваемые меры помещают на столе компаратора так, чтобы оси их лежали на одной прямой, параллельной направлению хода стола. Сравниваемые меры могут занимать различные положения относительно микроскопов компаратора.
Перед измерениями сравниваемые меры тщательно устанавливают; при этом
штрихи поверяемой меры, наблюдаемые через левый микроскоп, и штрихи меры 1-го разряда, рассматриваемые через правый микроскоп, должны быть отчетливо видны по всей
длине шкалы каждой из этих мер. Если температурные коэффициенты удлинения меры 1го разряда и поверяемой меры различны, то рядом с мерами на специальной подставке
помещают термометр.
Сравнение поверяемой меры с мерой 1-го разряда проводят не менее чем при двух
измерениях в следующем порядке:
производят отсчеты по шкале термометров;
наблюдают в правый микроскоп нулевой штрих меры 1-го разряда, а в левый –
нулевой штрих поверяемой меры;
каждое наблюдение состоит из трех наведений биссектора окулярного микрометра на штрих с последующим подсчетом по барабану микрометра;
передвигают стол компаратора вдоль оси и наблюдают в обоих микроскопах
штрихи поверяемого подразделения (0–1), (0–2),..., (0–10) дм поверяемой меры;
повторяют наблюдение конечных штрихов в обратном порядке: сначала – в левом, а затем – в правом микроскопах;
передвигают стол в обратном направлении и последовательно наблюдают штрихи
всех поверяемых подразделений в обратном порядке до начального штриха;
вторично производят отсчеты по шкале термометра.
При поверке методом поперечного компарирования микроскопы компаратора устанавливают так, чтобы в поле зрения левого микроскопа наблюдался начальный (нулевой) штрих меры 1-го разряда, а в поле зрения правого микроскопа – конечный штрих поверяемого интервала. В этом положении микроскопы закрепляют. Регулировочными винтами компаратора меру 1-го разряда и поверяемую меру устанавливают так, чтобы их оси
были параллельны друг другу и оси компаратора. Изображение штрихов исходной и поверяемой мер должно быть резким. Если температурные коэффициенты расширения мер
различны, то рядом с ними на специальной подставке помещают термометр.
Поверку на компараторе производят в следующем порядке:
производят отсчет по шкале термометра;
наблюдают в левый и правый микроскопы соответственно начальный и конечный
штрихи меры 1-го разряда;
перемещая ванну или стол компаратора, подводят под микроскопы поверяемую
меру;
наблюдают в левый и правый микроскопы соответственно начальный и конечный
штрихи поверяемого интервала меры. Каждое наблюдение состоит из трех наведений биссектора левого микроскопа на начальный штрих и из трех наведений биссектора правого
микроскопа на конечный штрих;
вторично производят отсчет по термометру.
Измерительные металлические линейки являются рабочими штриховыми мерами
и предназначены для линейных измерений путем непосредственного сравнения измеряемых размеров со шкалой меры.
Линейки изготовляют со шкалами на пределы измерений 150, 300, 500 и 1000 мм.
Цена делений шкалы линеек, как правило, 1 мм и, в редких случаях, 0,5 мм. Линейки с верхним пределом измерений до 500 мм имеют ширину 18–22 и толщину 0,4–
0,6 мм, а линейки с пределом измерений 1000 мм – ширину 30–40 и толщину 0,8–1,0
мм.
Измерительные линейки изготовляют из стальной пружинной термообработанной
ленты со светлой полированной поверхностью. На линейки наносят антикоррозийное
хромовое покрытие толщиной слоя не менее 3 мкм.
В соответствии с ГОСТ 427–75 отклонения общей длины линеек и расстояний от
любого штриха до начала или конца шкалы их номинального значения не должны превышать ±0,1 мм на длине до 300 мм, ±0,15 мм на длине свыше 300 до 500 мм и ±0,2 мм на
длине свыше 500 до 1000 мм.
Шкалы металлических измерительных линеек поверяют по образцовой штриховой мере длиной до 1 м.
Измерительные металлические рулетки (ГОСТ 7502–69) предназначены для измерений путем непосредственного сравнения определенных расстояний и размеров со
шкалой рулетки.
Основными типами измерительных металлических рулеток являются:
1) РС – самосвертывающаяся стальная кнопочная рулетка длиной 1 и 2 м;
2) РЗ – рулетка стальная длиной 2; 5; 10; 20; 30 и 50 м;
3) РЖ – рулетка желобчатая длиной 1 и 2 м.
В зависимости от типа, класса точности (1, 2 и 3) и длины рулеток установлены
допускаемые отклонения их действительной длины: от ±0,4 до ±7 мм на всю длину рулетки; от ±0,2 до ±0,4, мм на метровое и дециметровое подразделения; от ±0,1 до ±0,3 мм на
сантиметровое подразделение и от 0,05 до ±0,2 мм на миллиметровое.
При измерении рулетками суммарная погрешность измерений складывается из
погрешности градуировки шкалы и отсчета; температурной погрешности; непараллельности шкалы рулетки и оси изделия; провисания рулетки или удлинения ее вследствие натяжения.
Рабочие рулетки поверяют по образцовым стальным рулеткам 2-го разряда.
Для поверки образцовых рулеток 2-го разряда и других мер длины соответствующей точности во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева разработана образцовая 1-го разряда рулетка длиной 20 м.
Отклонения общей длины этой рулетки и длины отдельных ее подразделений от
соответствующих номинальных значений составляют:
1) отдельные миллиметровые подразделения ±0,02 мм;
2) отдельные сантиметровые подразделения ±0,02 мм;
3) отдельные дециметровые подразделения ±0,05 мм;
4) отдельные метровые подразделения ±0,05 мм.
Рулетка представляет собой металлическую ленту с измерительной шкалой и барабан, на который наматывается лента. От загрязнений и механических повреждений рулетку предохраняет кожух. Образцовую рулетку 1-го разряда поверяют на оптико-механическом компараторе сличением с рабочим эталоном – четырехметровым жезлом.
ОБРАЗЦОВЫЕ ШТРИХОВЫЕ МЕРЫ ДЛИНЫ
В метрологической практике применяют следующие образцовые штриховые меры: образцовую штриховую меру длиной 1 м 1-го разряда; образцовую штриховую меру
длиной 1 м 2-го разряда; образцовые измерительные рулетки 1-го и 2-го разрядов; образцовые шкалы 1-го и 2-го разрядов.
Образцовая штриховая мера длиной 1 м 1-го разряда изображена на рис. 4. Она
представляет собой жесткую металлическую линейку 4, имеющую скошенные (один или
оба) края под углом 45 или 35°. На наклонных поверхностях нанесены шкалы – основная с
ценой деления 0,2 мм и вспомогательная с ценой деления 1 мм. Мера снабжена направ-
ляющим ребром 3, по которому могут перемещаться две лупы 1 с семикратным увеличением, и термометром 2.
Рисунок 1 - Образцовая штриховая мера 1-го разряда
Иногда при проверке образцовых штриховых мер длиной 1 м 1-го разряда, изготовленных из латуни и инвара (при этом на линейке делается соответствующая надпись),
вводят соответствующую температурную поправку, учитывающую разность коэффициентов теплового расширения материала образцовой и рабочей штриховых мер.
Если однометровая штриховая мера 1-го разряда изготовлена из стали, т. е. из такого же материала, как и поверяемая им стальная измерительная линейка, то температурную поправку не вносят.
Допускаемая погрешность шкалы однометровой образцовой штриховой меры 1-го
разряда составляет ±0,05-мм, а погрешность аттестации ±0,01 мм.
Образцовый метр-компаратор 2-го разряда (рис. 2) предназначен для поверки рабочих штриховых мер, общая длина которых равна расстоянию между их торцами. Он состоит из:
а) жесткой стальной линейки 5 прямоугольного сечения, на верхней поверхности
которой нанесена шкала общей длиной 1020 мм и ценой деления 1 мм;
б) неподвижной стальной измерительной губки /, скрепленной с рамкой и насаженной на линейку, и второй подвижной губки 2, перемещающейся по ней. Для удобства
поверки подразделения брусковых мер подвижная губка может быть подъемной или метркомпаратор снабжен второй рамкой с подъемной губкой.
Внутренние поверхности неподвижной и подвижной губок являются измерительными. На скошенной внутрь кромке подвижной рамки нанесена шкала нониуса 3, позволяющего производить отсчет с погрешностью не более 0,1 мм.
Образцовые металлические рулетки 2-го разряда служат для поверки рабочих металлических линеек. По своей конструкции они соответствуют рулеткам типа РС.
Образцовые рулетки 2-го разряда поверяют стальными рулетками 1-го разряда.
Рисунок 2 - Образцовый метр-компаратор 2-го разряда
Рабочие рулетки и образцовые рулетки 2-го разряда поверяют по образцовым рулеткам 1-го разряда на специальном столе путем их сравнения. При этом лента рулетки
должна находиться в натянутом состоянии, для чего к ней подвешивают груз массой 5 кг
(сила натяжения равна примерно 50 Н).
Образцовые рулетки 2-го разряда можно поверять также с помощью однометровой образцовой штриховой меры 1-го разряда'. Рулетки 1-го разряда поверяют на штриховом компараторе.
Образцовые шкалы 1-го и 2-го разрядов предназначены для поверки шкал измерительных приборов.
Шкалы 1-го разряда используют для поверки шкал 2-го разряда I шкал измерительных приборов (универсальные микроскопы, измерительные машины и т. п.). Шкалы
2-го разряда применяют для поверки шкал измерительных приборов (инструментальные
микроскопы, длинномеры и т. п.) и самих приборов.
Образцовые шкалы можно изготовлять в виде брусков прямоугольного сечения из
различных материалов – сплавов никелевой ;тали (инвар, платинит, сплав 58% никеля и
42% железа); нержавеющей стали; сплавов драгоценных металлов; оптического стекла I
кварца.
На верхней полированной плоскости шкал 1-го и 2-го разрядов нанесены штрихи
через каждый миллиметр по всей ее длине. Пер-5ый или последний миллиметр шкалы 1го разряда имеет подразде-1ения 0,1 мм либо на той же плоскости меры до начального
штриха или после последнего штриха основной шкалы наносится дополнительная шкала
длиной 1 мм с подразделениями через 0,1 мм. Сантиметровые, а иногда и миллиметровые
штрихи шкал имеют соответствующие числовые обозначения.
Ось меры у шкал 1-го и 2-го разрядов обозначается по всей ее (.лине двумя взаимно параллельными продольными линиями с расстоянием между ними 0,1–0,3 мм.
У стеклянных шкал ось меры обозначается только по концам меры без пересечения ее штрихов.
Стеклянные образцовые шкалы, как правило, имеют покровное текло, предохраняющее их шкаловую поверхность от повреждений.
Поверку с помощью шкал проводят на приборах, снабженных микроскопами. Перед началом измерений поверяемую и образцовую шкалы устанавливают на столе компаратора таким образом, чтобы продольная ось каждой шкалы была параллельна направлению перемещения стола. Все штрихи каждой из шкал должны быть отчет-пиво видны в
соответствующий микроскоп. При пользовании стеклянными шкалами их штрихи должны
рассматриваться в проходящем свете.
Допускаемые погрешности образцовых шкал 1-го разряда от ±0,2 до ±0,5 мкм в
зависимости от длины шкалы; шкал 2-го разряда ±0,5 мкм.
ЭТАЛОННЫЕ ШТРИХОВЫЕ МЕРЫ ДЛИНЫ
В период с 1889 по 1960 г. до принятия нового определения метра, выражаемого в
длинах световых волн, в основу его определения был взят международный прототип. Он
представлял собой эталонную штриховую меру Х-образного сечения, изготовленную из
платино-иридиевого сплава (90% платины и 10% иридия) длиной 102 см. Х-образная
форма была придана ему потому, что при этом он имел наименьшую массу при наибольшей жесткости. На средней нейтральной плоскости, менее всего подвергающейся деформации, с обоих концов метра имелись две отполированные площадки, на которых были
нанесены три вертикальных штриха с интервалом между собой 0,5 мм. Длина в 1 м определялась расстоянием между осями средних штрихов при температуре 0° С. Перпендикулярно этим штрихам вдоль оси меры были нанесены два штриха на расстоянии 0,2 мм
друг от друга.
В соответствии с решением XI Генеральной конференции по мерам и весам 1960
г. платино-иридиевый прототип метра стали хранить в Международном бюро мер и весов
в таких же условиях, какие были установлены в 1889 г. I Генеральной конференцией по
мерам и весам.
Во Всесоюзном Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском
институте метрологии им. Д. И. Менделеева (ВНИИМ) хранятся также следующие эталоны-копии метра, являющиеся вторичными эталонами, заменяющими при метрологических
работах первичный эталон:
а) платино-иридиевые эталоны метра № 28 и № 11 из серии первоначально изготовленных по заказу Международного бюро мер и весов в количестве 31 шт. В 1957–1958
гг. на эталон № 11 была нанесена шкала с дециметровыми делениями, делением первого
дециметра на сантиметры и первого сантиметра на миллиметры. После нанесения новых
штрихов эталон № 11 был заново аттестован в Международном бюро мер и весов;
б) платино-иридиевый эталон М 20 такого же поперечного сечения как метры №
28 и № 11, отличающийся от них тем, что его отградуировали не при 0°С, а при нормальной температуре 20° С;
в) платино-иридиевый эталон № 2, имеющий Н-образное сечение, длиной, равной
1 м, являющийся одновременно и штриховой и концевой мерой;
г) платино-иридиевый эталон № 4, имеющий такую же форму поперечного сечения, как и метры № 28 и № 11, но длину, равную полусажени в старых русских мерах
(1,06680 м). Он имеет три шкалы: метра, аршина и ярда, что позволяет найти точные соотношения между метрическими, старыми русскими и применяющимися в Англии и США
мерами длины.
В метрологических институтах СССР' находятся рабочие штриховые эталоны
длины, применяемые для поверки по ним образцовых мер длины и образцовых приборов
для измерения длины первого разряда, а также для поверки особо точных рабочих мер и
измерительных приборов.
Рабочие штриховые эталоны длины изготовляют из некоторых сплавов, например, инвара (36% никеля и 64% железа), имеющего очень малый температурный коэффициент расширения; платинита (42% никеля и 58% железа), температурный коэффициент
расширения которого близок к температурному коэффициенту иридистой платины и инварстабиля (58% никеля и 42% железа), температурный коэффициент которого близок к
температурному коэффициенту углеродистой стали, служащей для изготовления образцовых мер длины.
Эти рабочие эталоны представляют собой брусковые штриховые меры Нобразной и прямоугольной форм.
Для аттестации точных штриховых мер, применяемых в станкоинструментальной промышленности, метрологическим отделом Экспериментального научно-исследовательского института металлорежущих станков (ЭНИМС) изготовлена эталонная штриховая мера длины, аттестованная ВНИИМ им. Д. И. Менделеева в качестве
рабочего штрихового эталона.
ПОВЕРОЧНАЯ СХЕМА ДЛЯ ШТРИХОВЫХ МЕР ДЛИНЫ
Поверочная схема представляет собой исходный документ, устанавливающий
метрологическое соподчинение эталонов, образцовых средств измерений и порядок передачи размера единиц образцовым и рабочим средствам измерений.
На рис. 3 в сокращенном виде приведена поверочная схема для штриховых мер
длины в соответствии с ГОСТ 8.020–75. Схема разделена на три части: эталоны, образцовые средства измерений и рабочие средства измерений.
Рисунок 3 – Сокращенная поверочная схема для штриховых мер длины
Во главе поверочной схемы для штриховых мер и поверяемых по ним средствам
измерений стоит Государственный первичный эталон единицы длины – комплекс средств
для воспроизведения единицы длины – метра в длинах световых волн первичного эталонного излучения криптона-86 в соответствии со спецификацией.
Государственный первичный эталон единицы длины обеспечивает воспроизведение метра со средним квадратическим отклонением результата измерений S0 = 5-10-9.
В верхней части общесоюзной поверочной схемы для штриховых мер длины и
поверяемых по ним средствам измерений находятся эталоны-копии в виде платиноиридиевые штриховых мер и мер для сличения интерферометров до 1 м со средним квад-
ратическим отклонением результата поверки S = (0,01–0,02 L) мкм, а также эталон-копия
в виде комплекса средств для абсолютных измерений Длины в длинах волн вторичных
эталонных излучений криптона-86, ртути-198 или кадмия-114 и стабилизированных гелий-неоновых лазеров. Эталоны-копии с первичным эталоном длины сличают посредством абсолютных интерференционных измерений.
Размер метра при его воспроизведении передается вторичным эталонам – платино-иридиевым метрам № 11, М20° и № 2, по своему метрологическому назначению играющим роль эталонов-копий, а также эталонным штриховым мерам, применяемым при
периодическом контроле правильности абсолютных измерений длины на интерференционных установках метрологических институтов с использованием вторичных эталонных
длин волн.
Платино-иридиевый метр № 2 является одновременно штриховой и концевой мерой, и действительную длину его как концевой меры можно определять с помощью горизонтального интерферометра ВНИИМ.
Действительную длину подразделений шкалы метров № 11 и М20° определяют
или измерением на интерференционном компараторе в длинах волн первичного эталонного излучения, или применяя метод калибровки.
Вторичные эталоны хранят и применяют в метрологических институтах страны и
органах ведомственной метрологической службы.
Платино-иридиевые штриховые эталоны – метр № 28, прежде служивший первичным эталоном, и мера П-4, имеющая подразделения в единицах русской, английской и
метрической систем в поверочную схему не входят. Их хранят как архивные эталоны.
В качестве рабочих эталонов служат наборы, состоящие из мер длиной 1 мм – 4 м.
К рабочим эталонам отнесены также трехметровый платиновый жезл Н15 и четырехметровый инварный жезл № 1903.
Действительные значения рабочих эталонов длиной 1 мм – 4м определяют как
интерференционным методом с использованием вторичных эталонных длин волн, так и
сличением с вторичными платино-иридиевыми эталонами посредством компараторов
ВНИИМ.
Действительные значения длины подразделений рабочих эталонов метра и дециметра определяют, или используя вторичные эталонные длины волн, или сличая рабочие
эталоны со вторичными эталонами – платино-иридиевыми метрами № 11 или М20°, или
калибруя их на однометровом компараторе.
Трех- и четырехметровые жезлы поверяют сличением с вторичными эталонами на
четырехметровом компараторе ВНИИМ.
Рабочие эталоны также хранят и используют в метрологических институтах и органах ведомственной метрологической службы.
Образцовые штриховые меры длины применяют во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева, а также в других метрологических институтах страны, лабораториях государственного
надзора за стандартами и измерительной техникой и лабораториях предприятий.
Образцовые штриховые меры 1-го разряда поверяют во ВНИИМ и других метрологических институтах сличением с рабочими эталонами или измерением интерференционным методом с использованием вторичных эталонных длин волн. Образцовые штриховые меры 2-го разряда поверяют в органах метрологической службы страны (по образцовым мерам 1-го разряда).
Кроме того, миллиметровые и сантиметровые подразделения Штриховых мер повышенной точности можно поверять сличением их с образцовыми штриховыми мерами
первого разряда или методом калибровки.
В качестве образцовых штриховых мер 2-го разряда можно использовать метрыкомпараторы, штангенциркули, а также штриховые метры и другие меры.
КОНЦЕВЫЕ МЕРЫ ДЛИНЫ
Плоскопараллельные концевые меры длины (рис. 4) имеют форму прямоугольного параллелепипеда с двумя плоскими взаимно параллельными измерительными поверхностями. Они предназначены для передачи размеров от длины основной световой волны
до размеров изделия. С их помощью хранят и воспроизводят единицы длины, поверяют и
градуируют меры и измерительные приборы, такие, как оптиметры, микрометры, штангенциркули и др. Меры используют также для установки на ноль при относительных измерениях, для непосредственных измерений размеров изделий, а также для особо точных
разметочных работ и наладки станков.
Рисунок 4 – Плоскопараллельные концевые меры длины
Концевые меры, служащие для поверки и градуировки средств измерений, называют образцовыми, а меры, применяемые для измерения изделий и разметочных работ, –
рабочими.
Основные параметры и размеры плоскопараллельных концевых мер длины и технические требования к ним установлены ГОСТ 9038–73 и ГОСТ 8.166–75.
Номинальная длина концевой меры (в любой точке) есть длина перпендикуляра,
опущенного из одной из измерительных поверхностей на ее противоположную измерительную поверхность.
Отклонение длины концевой меры от номинальной есть наибольшая по абсолютному значению разность между длиной меры в любой точке и номинальной длиной меры.
Отклонение от плоскопараллельности концевой меры есть разность между ее
наибольшей и наименьшей длиной.
ГОСТ 9038–73 устанавливает номинальные длины концевых мер и градации между ними, приведенные ниже.
Номинальные значения
Градация
длины концевых мер, мм
через мм
От 0,991 до 1,01 вкл.
0,001
» 1,991 » 2,009 »
0,001
» 0,1
» 0,7
»
0,01
» 1
» 1,5
»
0,01
» 0,1
» 2,0
»
0,1
» 0,5
» 25
»
0,5
» 1,0
» 25
»
1,0
» 10
» 100
»
10
» 25
» 200
»
25
» 50
» 300
»
50
» 100
» 1000
»
100
Концевые меры длины комплектуют в наборы, обеспечивающие возможность получения блока концевых мер любого размера до третьего десятичного знака. Блок составляют путем притирки измерительной поверхности одной концевой меры к измерительной
поверхности другой. Притираемость концевой меры – свойство ее измерительных поверхностей, обеспечивающее прочное сцепление концевых мер между собой, а также с пло-
ской стеклянной или кварцевой пластиной при прикладывании или надвигании одной меры на другую или меры на пластину.
Притираемость мер объясняется молекулярным притяжением в присутствии тончайших слоев смазки. Пленка смазки, толщина которой приблизительно равна 0,02 мкм,
остается на концевых мерах при обычно применяемых методах их промывки в бензине.
Полное удаление смазки ведет к значительному (в десятки раз) уменьшению силы сцепления концевых мер. Для обеспечения притираемости шероховатость измерительных поверхностей должна быть не больше по параметру Rz чем 0,065–0,050 по ГОСТ 2789–73.
Размер блока концевых мер равен сумме размеров концевых мер, входящих в его
состав.
Для соединения в блок концевых мер длиной более 100 мм, а также меры длиной
100 мм, входящих в наборы из мер длиной 100 мм и выше, имеются два отверстия для соединения мер в блок с помощью стяжек. Отверстия для стяжек располагаются на расстоянии 25 мм от измерительных поверхностей.
В машиностроении широко применяются наборы концевых мер, состоящие из: 83
мер (набор № 1); 38 мер (набор № 2) и 112 мер (набор № 3). В каждый набор кроме того
входят две пары дополнительных (защитных) мер с номинальным размером 1 и 1,5 (или 2)
мм. Защитные меры притираются к концам блока всегда одной и той же стороной и служат для предохранения основных мер набора от износа и повреждения. Защитные меры в
отличие от основных мер набора имеют срезанный угол и дополнительную буквенную
маркировку.
На каждую концевую меру наносят значение ее номинальной длины. На мерах 5,5
мм и менее значение номинальной длины наносят на одной из измерительных поверхностей. Знаки наносят на максимальном удалении от середины измерительных поверхностей. На мерах более 5,5 мм значение номинальной длины наносят на нерабочей поверхности. На защитных мерах, кроме указанной маркировки, делают также отличительный
знак.
Для расширения области применения концевых мер при контрольных и разметочных операциях выпускают наборы принадлежностей, в состав которых входят:
1) державки для крепления блоков концевых мер;
2) основание, предназначенное для установки державки с блоком мер;
3) стяжки, используемые для крепления блоков с мерами более 100 мм;
4) зажимной сухарь для крепления стяжками блоков концевых мер с боковиками;
5) плоскопараллельные боковики для наружных измерений;
6) радиусные боковики для внутренних и наружных измерений;
7) центровой и чертильный боковики для разметочных работ.
В последнее время концевые меры длины изготовляют из твердых сплавов, высокая износоустойчивость которых обеспечивает им длительный срок службы. Параметры
этих мер и технические требования к ним регламентированы в ГОСТ 13581–68 «Меры
длины концевые плоскопараллельные из твердого сплава».
ГОСТ 9038–73 «Меры длины концевые плоскопараллельные» устанавливает в основном четыре класса точности концевых мер: 0; 1; 2 и 3. Класс точности концевых мер
определяется точностью их изготовления: отклонением длины мер от номинального значения и отклонением их от плоскопараллельности. Кроме того, по специальному соглашению сторон могут изготовляться меры класса 00 с более высокими показателями точности.
В табл. 2 приведены отклонения длины концевых мер от номинального значения
и от плоскопараллельности для различных номинальных значений длины концевых мер
всех четырех классов точности.
ГОСТ 8.166–75 устанавливает дополнительно еще два класса точности плоскопараллельных концевых мер длины: 4 и 5. В табл. 3 приведены допускаемые отклонения
длины концевых мер классов точности 4 и 5 от номинального значения и от плоскопараллельности.
Если класс точности концевых мер определяется точностью их изготовления, то
по точности аттестации концевых мер, т.е. погрешности действительного значения длины
и отклонению от плоскопараллельности делят концевые меры на пять разрядов: 1,2,3,4 и
5.
Разделение концевых мер на классы относится к рабочим мерам, применяемым
при измерениях. Класс меры является характеристикой меры с точки зрения правильности
ее размера. Для измерений используют концевые меры того класса точности, у которого
предельные отклонения длины не превышают требований, допускаемых при данном измерении.
Таблица 2
Таблица 3
Разделение же концевых мер на разряды относится к образцовым мерам, служащим для проверки и градуировки. В этом случае необходимо знать поправки к номинальному значению каждой меры, отклонения от плоскопараллельности и предельные погрешности определения значения каждой меры.
Предельные погрешности действительного значения длины концевых мер соответствующего разряда и отклонения их от плоскопараллельности не должны превышать
значений, указанных в табл. 4.
Формулы предельных погрешностей действительного значения длины для разрядов мер 1, 2, 3, 4 и 5 соответственно следующие: ±(0,02 + 0,2l); ±(0,05+0,5 l); ±(0,1 + 1 l);
±(0,2+2 l) и ±(0,5 + 5 l). Для мер класса 1 и 2 до 100 мм, которым присвоен государственный Знак качества, установлены меньшие допускаемые отклонения.
Таблица 4
ПОВЕРКА КОНЦЕВЫХ МЕР ДЛИНЫ
Основные положения о методах, средствах и условиях поверки концевых мер
длины установлены ГОСТ 8.166–75.
Размер длины концевой меры при нормальных условиях определяется расстоянием между двумя поверхностями. Одна из них является свободной измерительной поверхностью меры, а вторая плоской поверхностью вспомогательной пластины, к которой мера
притерта другой своей измерительной поверхностью.
Нормальными условиями поверки и применения концевых мер являются: температура 20° С; атмосферное давление 101325 Па (760 мм рт. ст.); давление водяных паров в
воздухе 1333 Па (10 мм рт. ст.); вертикальное и горизонтальное положение мер длиной до
100 мм и горизонтальное положение мер длиной свыше 100 мм при расположении мер узкой нерабочей поверхностью на двух опорах, находящихся на расстоянии 0,211l от концов
меры, где l – номинальный размер меры; отсутствие внешних сил, изменяющих длину меры (кроме силы тяжести и силы сцепления между мерой и вспомогательной пластиной).
Все методы поверки плоскопараллельных концевых мер можно разделить на контактные и бесконтактные.
Контактные методы измерений осуществляются с помощью концевых измерительных машин, оптиметров, оптикаторов и контактных интерферометров.
Бесконтактные методы измерения концевых мер основаны на явлении интерференции света и осуществляются с помощью интерференционного компаратора (абсолютный интерференционный метод); с помощью интерференционного компаратора (относительный интерференционный метод) и с помощью плоских стеклянных пластин (сравнительный интерференционный метод).
Выбор методов и средств поверки концевых мер регламентируется ГОСТ 8.166–
75 в зависимости от разряда, по которому аттестуют поверяемую концевую меру, и класса, к которому будет отнесена концевая мера после поверки, и номинального размера концевой меры.
ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ МЕТОД ТОЧНЫХ ЛИНЕЙНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
Наиболее точными методами измерения концевых мер являются методы, основанные на интерференции света, т. е. сложении двух когерентных световых колебаний,
приходящих в одну точку. Когерентными колебаниями называют колебания одинаковой
частоты и поляризации, сохраняющие постоянную разность фаз. Когерентные колебания
обычно получают от одной светящейся точки путем расщепления светового луча на два.
Если в одну точку приходят два когерентных колебания с равными амплитудами
и с разными фазами, выражаемые уравнениями
то результирующее колебание выражается уравнением
где y1 и y2 – расстояние точек от положения равновесия; φ1 – фаза первого колебания; φ2– фаза второго колебания; φ – фаза результирующего колебания.
Амплитуда результирующего колебания
При φ1 = φ2=2kπ, т. е. когда в одну точку приходят два колебания а и b с одинаковой фазой, амплитуды их складываются и колебания усиливаются (рис. 5,а).
Рисунок 5 – Интерференция двух колебаний с фазами:
а - одинаковой; б - противоположными
Если в одну точку приходят два колебания с противоположными фазами, амплитуды их вычитаются, а при равенстве амплитуд колебания уничтожаются (рис. 5,б).
Разность фаз φ1 – φ2 двух световых колебаний можно выразить через оптическую
длину пути.
Обозначим через х1 и х2 геометрические пути световых пучков, соответствующие
расстояниям от источников до рассматриваемой точки волнового поля, а через п1 и п2 –
показатели преломления сред, в которых распространяются колебания. Тогда оптическая
разность хода
Максимум энергии в данной точке (φ1 – φ2) =2kπ будет получен, если
Во всех точках волнового поля, для которых оптическая разность хода равна целому числу длин волн, колебания усиливаются, т. е. наблюдается свет. В точках же, для
которых оптическая разность 'хода равна нечетному числу полуволн
происходит ослабление колебаний, и при равенстве амплитуд слагаемых колебаний в этих точках поля энергия равна нулю, т.е. наблюдается полная темнота. Таким образом, картина интерференции света представляет собой ряд светлых и темных полос.
Как указывалось выше, явление интерференции света имеет место, когда складываются два когерентных колебания, получаемые от одного источника света. Тогда разность фаз этих колебаний определяется только оптической разностью хода.
Явление интерференции хорошо наблюдается в случае прохождения света через
клинообразное прозрачное тело.
Возьмем клинообразную стеклянную пластину (рис. 6).
Рисунок 6 – Интерференция света в клинообразной пластине
Пусть источник света S посылает лучи на пластину. Часть лучей отразится от поверхности АВ стекла в виде луча МО; часть лучей войдет внутрь клина, преломится на некоторый угол, отразится от нижней поверхности пластины СD в точке М1 и выйдет из
пластины в точке Р под некоторым углом преломления в виде луча РО. Оба эти луча пересекутся в точке О. Лучи SМО и SМ1О проходят различные пути и придут в точку О с
различными фазами. Разность фаз будет зависеть от разности хода лучей. Если разность
хода равна четному числу полуволн, то в точке О будет видна светлая полоса; если разность хода равна нечетному числу полуволн, то будет видна темная полоса. Если источник света S испускает белый свет, светлые полосы оказываются радужными. Когда на
пластину будут падать однородные лучи, например, красные (которые можно получить
при пропускании белого света через светофильтр из красного стекла), световые полосы
окажутся ярко-красными, а темные полосы совершенно черными. Таким образом, в раз-
личных местах клина в зависимости от его ширины будут видны темные и светлые полосы.
Возьмем теперь две стеклянные пластины с совершенно гладкими поверхностями,
положим на край одной из них коконовую нить и прижмем к ней вторую пластину. Между
пластинами образуется узкий воздушный клин. Если на поверхность одной пластины направить лучи света, то получится картина, подобная описанной выше. Часть лучей света
будет отражаться от верхней поверхности, ограничивающей воздушный клин, другая
часть – от нижней поверхности. В месте пересечения лучей будут наблюдаться светлые и
темные интерференционные полосы. В точке соприкосновения обеих поверхностей будет
темная полоса. В том месте, где толщина пластины такова, что разность хода лучей составляет одну полуволну, появится светлая полоса. Там, где разность хода лучей равна
двум полуволнам, возникнет снова темная полоса, при трех полуволнах – светлая и т. д.
Предположим, что толщина коконовой нити равна 2,7 мкм. Если определить число темных полос на пластине при красном свете, то можно увидеть, что оно равно восьми. Следовательно, на самом широком месте воздушного клина разность хода между лучами равна восьми световым волнам. А так как в воздушном клине луч проходит путь дважды, то
толщина его в самом широком месте равна четырем волнам. Отсюда можно заключить,
что длина одной волны красного света приблизительно равна 2,7 : 4 = 0,68 мкм. Если взять
синий свет, то число темных полос будет около двенадцати и длина1 волны синего света
окажется равной 2,7 : 6 = 0,48 мкм.
Следовательно, синие полосы будут уже и чаще расположены, чем красные. Таким простым опытом можно определить приблизительно длину световых волн различных
цветов. Зная же длину световой волны и число полос, можно найти толщину воздушного
слоя.
Очевидно также, чем больше будет угол воздушного клина, тем гуще расположатся полосы, и чем меньше будет угол, тем реже расположатся полосы.
На явлении интерференции света основано устройство интерференционного компаратора, служащего для определения длины метра в длинах световых волн.
АБСОЛЮТНЫЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕВЫХ МЕР
Абсолютный интерференционный метод измерения плоскопараллельных концевых мер заключается в измерении длины меры непосредственно в длинах световых волн.
На рис. 7 дано схематическое изображение хода лучей в интерферометре.
Рисунок 7 – Схема хода лучей в интерферометре
Свет от источника В проходит через объектив А и параллельным пучком падает на
призму С, где разлагается на лучи определенного цвета. Далее свет попадает на полупосеребренную пластину S1 и разделяется на два пучка: один из них, отразившись от пластины
S1, проходит через пластину S2, отражается от зеркала F и после отражения и прохождения через пластины S2 и S1 собирается объективом М в точке H. Другой пучок проходит
через пластину S1, отражается от поверхности S концевой меры К и от поверхности пластины Q, к которой она притерта, отражается далее от пластины S1 и собирается в точке Н.
Наблюдатель в точке H увидит вблизи зеркала F мнимое изображение пластины Q с притертой к ней концевой мерой К. Изменением расстояния между пластиной S1 и концевой
мерой К можно добиться такого положения, чтобы зеркало F оказалось посредине между
изображением верхней поверхности концевой меры и изображением верхней поверхности
пластины Q.
Если столик, на котором установлена мера К, немного наклонить, то между зеркалом F и поверхностями S и Q образуется угол – воздушный клин. Пучки лучей, собранные
в точке H, дадут две системы параллельных интерференционных полос (рис. 8). Одна система образуется лучами, отраженными от мнимого изображения поверхности S (см. рис.
7) и зеркала F, а вторая – лучами, отраженными от мнимого изображения поверхности Q и
зеркала F.
Рисунок 8 – Интерференционные полосы
На поверхности зеркала F выгравирован крест, тонкие линии которого видны на
фоне интерференционной картины. Установив грани концевой меры параллельно нитям
креста и точку пересечения последних в середине меры, винтами изменяют наклон столика так, чтобы интерференционные полосы были параллельны вертикальной черте. Интерференционная картина дает смещение полос. Если поверхности S и Q строго параллельны,
то полосы будут также параллельны (рис. 8, a). Если при этом расстояние h между поверхностью S и пластиной Q точно равно целому числу волн, то параллельные полосы на концевой мере и на пластине Q совпадут (рис. 8, б) и смещения полос не будет. Если поверхности S и Q не параллельны, полосы будут располагаться под углом друг к другу (рис. 8,
в). Толщина воздушного слоя, равная длине концевой меры
где k – целое число волн или порядок интерференции; f – дробная его часть; λ–
длина световой волны.
Целое число порядка интерференции k определяют по методу совпадения дробных частей. Для этого проводят измерения при нескольких (не менее трех) различных
длинах волн, т. е. при различных линиях спектра. При этом длина концевой меры должна
быть предварительно измерена каким-либо способом с погрешностью до 1–0,5 мкм.
Так как длины волн не одинаковы, то в одной и той же толщине h будет содержаться неодинаковое число волн.
В настоящее время существуют таблицы, в которых приведены значения дробных
частей для различных длин воздушной прослойки и различных линий спектра, начиная от
1 мкм до 200 мм через каждые 1 мкм; сконструированы специальные линейки (типа логарифмических), позволяющие быстро определять длину по наблюдаемым дробным числам.
Дробная часть порядка интерференции представляет собой соотношение
где х – расстояние от точки пересечения нитей креста (или от одной из нитей) до
середины ближайшей к ней темной полосы меньшего порядка; b – расстояние между серединами двух смежных темных полос.
Это отношение оценивается на глаз. При ярких и не слишком частых полосах (а
их устанавливают около пяти на поверхности концевой меры) можно определить смещение с погрешностью до 0,05 полосы, а при некотором навыке – до 0,02.
Для меры длиной 100 мм эта погрешность равна 0,1 мкм.
При абсолютном методе измерения концевых мер необходимо учитывать влияние
температуры; барометрического давления; влажности окружающего воздуха и др.
Абсолютный интерференционный метод измерения срединной длины концевых
мер в длинах световых волн применяют для измерения образцовых концевых мер 1-го
разряда и рабочих мер класса 00.
СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ
ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНЫХ КОНЦЕВЫХ МЕР
Измерения длины и отклонений от плоскопараллельности образцовых концевых
мер 2, 3 и 4-го разрядов производятся методом сравнения их с мерами более высокого
разряда. Измерения длины образцовых мер осуществляются сравнительным интерференционным методом путем сравнения с мерами 1-го разряда. Допускается поверку концевых
мер 2-го разряда проводить абсолютным интерференционным методом. Для поверки концевых мер 2-го разряда по концевым мерам 1-го разряда сравнительным интерференционным методом обе меры одинакового номинального размера притираются к плоской стеклянной пластине так, чтобы они соприкасались между собой вдоль длинных сторон. Затем
их помещают на столик интерферометра и устанавливают его таким образом, чтобы интерференционные полосы на образцовой плите были параллельны ее короткой стороне.
Измерения могут быть проведены и в белом свете. В поле зрения видны радужные цветные полосы кроме двух темных полос по одной на каждой мере, соответствующих разности хода, равной нулю. Сосчитав, сколько цветных полос и их долей находится
между этими темными полосами, и принимая, что одна полоса при белом свете соответствует длине 0,29 мкм, определяют с большой точностью разность в микрометрах между
длинами мер 1-го и 2-го разрядов.
Иногда в качестве источника света используют зеленую линию гелия. В этом случае одна полоса соответствует длине 0,25 мкм.
Характер расположения интерференционных полос для различных соотношений
между сравниваемыми мерами такой же, как на рис. 8.
Для поверки концевых мер 3 и 4-го разрядов применяют сравнительный интерференционный метод с помощью контактных интерферометров. В метрологической практике применяют также сравнительный интерференционный метод измерения концевых мер
с помощью плоских стеклянных пластин для интерференционных измерений, который
используют для поверки концевых мер 3-го разряда по образцовым мерам 2-го разряда и
для поверки концевых мер 4-го разряда по образцовым мерам 3-го разряда. С его помощью измеряют также длину концевых мер класса точности 1. Метод заключается в изме-
рении разности высот воздушного клина путем определения взаимного смещения интерференционных полос.
Сравнительный интерференционный метод осуществляется следующим образом.
Поверяемая 1 и исходная 2 меры (рис. 9, а, б) притираются нижними измерительными поверхностями к плоской, стеклянной пластине. Меры помещают рядом, вплотную (исходная слева, поверяемая справа) так, чтобы средние точки измерительных поверхностей по
возможности находились на одной прямой, параллельной их коротким ребрам.
Рисунок 9 – Поверка концевых мер сравнительным интерференционным методом
Длину поверяемой меры определяют следующим образом. Стеклянную пластину
с притертыми к ней мерами располагают так, чтобы передние нерабочие поверхности мер
были обращены к наблюдателю. После этого на свободные измерительные поверхности
мер накладывают верхнюю стеклянную пластину, устанавливая ее ребро скоса параллельно коротким ребрам мер.
Слегка нажимая на верхнюю стеклянную пластину и изменяя ее наклон, добиваются того, чтобы:
на одной из мер была видна первая, считая от ребра клина, темная полоса и полосы на поверяемой мере установились бы параллельно короткому ребру меры;
первая темная полоса на большей мере, т. е. на той мере, на которой полосы отстоят от ребра клина дальше, приблизительно совпала своей серединой со средней точкой
меры.
Если интерференционные полосы на поверяемой мере искривлены, то их устанавливают так, чтобы параллельно короткому ребру расположились стягивающие их хорды.
Затем производят первый отсчет Δl1. При этом могут возникнуть три случая:
1) первая полоса на поверяемой мере 1 отстоит от ребра клина дальше, чем на исходной мере, т. е. поверяемая мера больше исходной (рис. 10). В этом случае первую полосу на поверяемой мере совмещают приблизительно с серединой меры (полосы на поверяемой мере параллельны ее короткому ребру) и, проведя мысленно через середину этой
полосы линию СD, параллельную коротким ребрам мер, оценивают на глаз на исходной
мере 2 (вдоль мысленно проведенной линии, параллельной длинному ребру меры и проходящей через ее середину) дробную часть δ расстояния между двумя соседними полосами, отсекаемую линией СD со стороны ребра скоса стеклянной пластины.
Рисунок 10 – Интерференционные полосы в случае, когда поверяемая мера больше исходной
Для получения отсчета Δl1 к дробной части б прибавляют целое число полос п
(чаще всего равное нулю), расположенных между линией СD и первой полосой на исходной мере. При этом, если первая полоса на исходной мере не видна (в случае большой
разности длин мер), то добиваются ее появления, наклоняя верхнюю стеклянную пластину
в сторону исходной (меньшей) меры. Ориентировка полос на поверяемой мере при этом
безразлична. Отсчету д/1 в этом случае приписывают положительный знак;
2) первая полоса на поверяемой мере 1 расположена ближе к ребру клина, чем на
исходной мере 2, т. е. поверяемая мера меньше исходной (рис. 11). В этом случае отсчет
производят аналогично описанному выше с тем, однако, отличием, что теперь первая полоса устанавливается посредине исходной меры, а дробную часть б оценивают и целое
число полос определяют на поверяемой мере.
Рисунок 11 – Интерференционные полосы в случае, когда поверяемая мера меньше исходной
Следует помнить, что при нахождении дробной части δ полосы на поверяемой
мере должны быть параллельны ее короткому ребру. Отсчету Δl1 приписывают отрицательный знак;
3) если первые интерференционные полосы на обеих мерах находятся на одинаковом расстоянии от ребра клина (рис. 12 а, б) т. е. их середины лежат на одной прямой
СD, параллельной их коротким ребрам, то поверяемая и исходные меры равны между собой В этом случае отсчитанное значение Δl1 равно нулю.
Рисунок 12 – Интерференционные полосы в случае, когда поверяемая мера равна
исходной
С помощью интерференционного метода проверяют плоскостности измерительных поверхностей.
При наложении плоской стеклянной пластины на измерительную поверхность
концевой меры в случае идеальной плоской поверхности интерференционные полосы
будут прямыми (рис. 13, а); при выпуклой (рис. 13, б) или вогнутой (рис. 13, в) поверхности интерференционные полосы искривляются. Характер искривления полос следующий:
при выпуклой поверхности (рис. 13, б) средняя часть полосы расположена дальше от ребра воздушного клина, образованного между пластиной и концевой мерой, чем крайние
точки; при вогнутой (рис. 13, в) – ближе. Значение кривизны поверхности определяется
стрелой прогиба полосы, выраженной в долях расстояния
Рисунок 13 – Интерференционные полосы при плоской, выпуклой и вогнутой поверхностях
ПОВЕРОЧНАЯ СХЕМА ДЛЯ КОНЦЕВЫХ МЕР ДЛИНЫ И ПОВЕРЯЕМЫХ ПО НИМ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ
Поверочная схема для концевых мер длины и поверяемых по ним приборам в сокращенном виде приведена на рис. 14.
Во главе поверочной схемы находится Государственный первичный эталон единицы длины в виде комплекса средств для воспроизведения единицы длины –метра в длинах волн первичного эталонного излучения криптона-86. Там же в поле эталонов помещены сличаемые с ним при помощи абсолютных интерференционных измерений:
а) эталон-копия в виде комплекса средств для абсолютных измерений длины в
длинах световых волн вторичных эталонных излучении. Среднее квадратическое отклонение результата измерений S0 = (2-7)·10-8;
б) эталоны сравнения со средним квадратическим отклонением результата поверки S = (0,01÷0,02) мкм и рабочие эталоны S = (0,02÷0,05) мкм в виде плоскопараллельных
концевых мер длины 10–1000 мм.
Размер метра передается эталонным плоскопараллельным концевым мерам длиной 5–100 мм, изготовленным из кристаллического или плавленого кварца, а также эталонным концевым мерам длиной до 1 м, предназначенным для периодического контроля
правильности абсолютных измерений длины, проводимых в метрологических институтах
на интерферометрах с использованием вторичных эталонных длин световых волн.
Образцовые плоскопараллельные концевые меры длины 1-го разряда поверяют
абсолютным интерференционным методом, используя вторичные эталонные длины волн,
во ВНИИМ и других метрологических институтах страны. Эти меры применяют только
для поверки образцовых мер 2-го разряда и рабочих концевых мер класса 0.
Поверять образцовые концевые меры длиной до 50 мм можно также абсолютным
интерференционным методом, используя длины волн излучений естественных криптона,
кадмия и гелия.
Рисунок 14 – Сокращенная поверочная схема для концевых мер длины
Образцовые плоскопараллельные концевые меры длины 2-го разряда поверяют
сравнительным интерференционным методом по образцовым мерам длины 1-го разряда.
Их применяют для поверки образцовых концевых мер длины 3-го разряда, концевых мер
длины класса 1 и измерительных приборов высокой точности (оптических, пружинных с
ценой деления 0,1 мкм, контактных интерферометров и др.).
Концевые меры длины 2-го разряда длиной 2000 мм поверяют измерительными
машинами с интерференционным отсчетным устройством, поверенных, в свою очередь,
шаговым методом по образцовым мерам длины 1-го разряда.
Концевые меры длины 2-го разряда хранят и применяют в метрологических институтах, ЛГН и лабораториях предприятий.
Образцовые плоскопараллельные концевые меры длины 3-го разряда длиной до
100 мм поверяют по образцовым концевым мерам длины 2-го разряда сравнительным интерференционным методом или на контактных интерферометрах.
Концевые меры длиной от 100 до 2000 мм поверяют при помощи концевых измерительных машин.
Концевые меры длины 3-го разряда служат для поверки образцовых концевых
мер длины 4-го разряда методами, аналогичными применяемым для поверки мер 3-го разряда; для поверки концевых мер длины класса 2, а также для поверки некоторых мер и измерительных приборов, показанных на схеме. Последние можно поверять по образцовым
концевым мерам длины 2-го разряда класса 0 без введения поправок на отклонения длины
образцовых мер от номинальных размеров.
Концевые меры длины 4-го разряда служат для поверки мер 5-го разряда и мер
класса 3, а также для поверки различных мер и измерительных приборов. Эти последние
можно поверять по образцовым концевым мерам длины 3-го разряда классов 0 и 1 без
введения поправок.
Образцовые концевые меры длины 5-го разряда длиной до В 250 мм поверяют методом сличения с образцовыми мерами на оптиметрах, а от 250–2000 мм – при помощи
концевых измерительных В машин и непосредственно по шкале образцовых концевых
измерительных машин 4-го разряда.
Вт Образцовые концевые меры длины 5-го разряда (нутромеры), В: пределы измерений которых до 10 м, поверяют непосредственно по шкалам образцовых измерительных машин 3-го разряда.
Образцовые концевые меры длины 5-го разряда служат для поверки концевых
мер длины классов 4 и 5, а также различных рабочих измерительных приборов методом
сличения с образцовыми мерами при помощи концевых измерительных машин и других
оптико-механических измерительных приборов.
В качестве образцовых концевых мер длины 4-го и 5-го разрядов можно применять как плоскопараллельные концевые меры длины, так и меры со сферическими и цилиндрическими измерительными поверхностями.
Образцовые концевые меры длины 3-го, 4-го и 5-го разрядов хранят и применяют
в ЛГН и измерительных лабораториях предприятий.
В сокращенной поверочной схеме, приведенной на рис. 14, на соединительных
линиях в кружочках, обозначенных цифрами, даны методы поверки, приведенные в полной поверочной схеме. Эта схема для концевых мер длины приведена в ГОСТ 8.020–75
«Государственная система обеспечения единства измерений. Государственный первичный
эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений длины», введенном в действие 1 января 1976 г.
Г ла в а V
Ш е р о х о в а т о ст ь п о в ер х н о сти и ее и зм ер ен и е
§ 43. ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ
Шероховатость поверхности уже давно стандартизована как в СССР, так и в других странах. С
01.01.1975 г. введены в действие ГОСТ 2789—73 и ГОСТ 2.309—73 «Шероховатость поверхности.
Параметры, характеристики и обозначения». Новый ГОСТ 2789—73, как и старый ГОСТ 2789—59
основан на системе М (системе средней линии), т. е. системе, в которой в качестве базовой линии для отсчета параметров оценки Шероховатости выбрана средняя линия профиля. На этой же системе
базирования основано большинство стандартов других стран.
ГОСТ 2789—59 предусматривал только два параметра для оценки шероховатости поверхности: Ra и
Rz. Эти параметры оценивают высоту неровностей. Для оценки шероховатости в ГОСТ 2789—59 было
установлено 14 классов, причем самым точным являлся 14-й, а самым грубым класс 1 (табл. 10). По
ГОСТ 2789—73 требования к шероховатости поверхности устанавливают указанием числовых
значений параметров взамен классов шероховатости.
Табл. 10 взята из ГОСТ 2789—73. Она оставлена в целях преемственности с ГОСТ 2789—59 и с учетом
того, что до 1980 г, в экономически обоснованных случаях разрешается сохранять нормирование
шероховатости поверхности с помощью классов шероховатости в технической документации,
разработанной до введения в действие ГОСТ 2789—73 (т. е. до 1 января 1975 г.). .
Табл. 30 имеет некоторые отличия от таблицы, помещенной в ГОСТ 2789—59;
а)числовые значения параметров шероховатости Ra и Rz заданы здесь в виде диапазонов, верхние
пределы которых соответствуют значениям этих параметров в табл. 2 и 3 ГОСТ 2789—59;
б)
каждый
класс
определен
только
по
одному
из
параметров
(Ra
или
Rz),
при
учете
возможностей
измерения
этих
параметров
существующими измерительными средствами. По старому стандарту разрешалось определять класс
шероховатости по обоим параметрам, что нередко приводило к конфликтным ситуациям. Предложенное уточнение класса шероховатости сделано для однозначности контроля.
По ГОСТ 2789—73 номенклатура параметров, для оценки шероховатости поверхности значительно
расширена. Всего предусмотрено шесть параметров: три высотных — Ra, Rz и Rmax; два шаговых -S и
Sm; параметр tp.
Основными терминами и определениями, устанавливаемыми ГОСТ 2789—73, являются следующие.
Шероховатость поверхности — совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами
на базовой длине.
Неровности профиля — выступы и впадины профиля (рис. ПО).
Выступ профиля — часть профиля в пределах тела, расположенная между соседними точками
пересечения профиля со средней линией.
Впадина профиля — часть профиля в пределах среды, расположенная между соседними точками
пересечения профиля со средней линией.
Линия выступов профиля —линия, эквидистантная средней линии, проходящая через высшую точку
профиля в пределах базовой длины.
Линия впадин профиля — линия, эквидистантная средней линии, проходящая через низшую точку
профиля в пределах базовой длины.
Базовая линия (поверхность)—линия
(поверхность) заданной геометрической формы,
определенным образом проведенная относительно профиля (поверхности) и служащая для оценки
геометрических параметров поверхности.
Базовая длина l — длина базовой линии, используемая для выделения неровностей, характеризующих
шероховатость поверхности, и для количественного определения ее параметров.
Средняя линия профиля m — базовая линия, имеющая форму номинального профиля и
проведѐнная так, что в пределах базовой длины среднее квадратическое отклонение профиля до этой
линии минимально.
Шаг неровностей профиля — длина отрезка средней линии, пересекающего профиль в трех.соседних
точках и ограниченного двумя крайними точками.
Средний шаг неровностей Sm — среднее арифметическое значение шага неровностей профиля в
пределах базовой длины.
Шаг неровностей профиля по вершинам — длина отрезка сред-ней линии между проекциями на нее
двух наивысших точек соседних выступов профиля.
Средний шаг неровностей профиля по вершинам S — среднее арифметическое значение шага
неровностей профиля по вершинам в пределах базовой длины.
Отклонение у профиля (в системе М) —расстояние между любой точкой профиля и средней линией,
измеренное по нормали, проведенной к средней линии через эту точку профиля.
Среднее арифметическое отклонение профиля Ra — среднее арифметическое абсолютных значений
отклонений профиля в пределах базовой длины
Наибольшая высота неровностей профиля Rmax— расстояние между линией выступов профиля
и линией впадин профиля в пределах базовой длины.
Опорная длина профиля ηр — сумма длины отрезков bi в пределах базовой длины, отсекаемых на
заданном уровне bi в материале выступов измеряемого профиля линией, эквидистантной средней линии.
Относительная опорная длина профиля tp— отношение опорной длины профиля к базовой длине.
Уровень сечения профиля р — расстояние между линией выступов профиля и линией, пересекающей
профиль эквидистантно линии выступов.
Числовые значения базовой длины l выбирают из ряда: 0,01; 0,03; 0,08; 0,25; 0,80; 2,5; 8; 25 мм.
Параметр Ra выбирают из ряда, содержащего 42 значения от 100 до 0,008 мкм.
Значения Rz и Rmax выбирают из ряда, содержащего 49 значений от 1600 до 0,025 мкм.
Средний шаг неровностей Sm и средний шаг неровностей по вершинам S выбирают из ряда,
содержащего 38 значений от 12,5 до 0,002мм.
Относительная опорная длина профиля tp задается значениями; 10; 15; 20; 25; 30; 40; 50; 60; 70; 80 и
90%.
Числовые значения уровня сечения профиля р выбирают из ряда: 5; 10; 15; 20; 25; 30; 40; 50; 60; 70;
80 и 90% от Rmax.
Отметим две основные особенности, характеризующие новизну и прогрессивность ГОСТ 2789—73.
1. Расширена номенклатура параметров для оценки шероховатости поверхности. Параметры Ra и Rz,
взятые из ГОСТ 2789—59, представляют собой среднюю высоту неровностей профиля (Ra — всех
неровностей, Rz — наибольших неровностей), параметр Rmax — полную высоту профиля.
Наибольшую информацию о состоянии поверхности дает интегральный параметр Ra. Он имеется во
всех национальных стандартах стран, где нормируется шероховатость поверхности. Параметр Rz менее
информативен, его следует назначать только в тех случаях, когда оценить шероховатость по параметру
Ra невозможно.
Целесообразность введения третьего высотного параметра Rmax определяется тем, что Rmax отделяет
слой поверхности, затронутый обработкой, а также тем, что в некоторых случаях (особенно для малых
поверхностей) приходится оценивать шероховатость по меньшему, чем пять, числу неровностей.
Шаговые параметры S и Sm характеризуют взаимное расположение (расстояние)
характерных
точек
неровностей — вершин. (максимумов) профиля и точек пересечения профиля со средней
линией, в которых значение y= 0 (т. е. «нулей профиля»). Нормирование этих параметров для
поверхностей, профиль которых описывается процессами, близкими к случайным (как правило, это
поверхности, полученные шлифованием, полированием, доводкой, электроэрозионной и пескоструйной
обработкой), позволяет нормировать спектральные характеристики профиля, выражаемые через
корреляционную функцию профиля.
Параметр tp содержит наибольшую информацию о высотных свойствах профиля, так как он
показывает распределение высот неровностей по уровням сечения профиля р. В продольном направлении
tp характеризует фактическую площадь контакта при контактировании шероховатых поверхностей на
заданном уровне сечения. Характеристика tp достаточно полно описывает форму неровностей профиля,
что позволяет нормировать многие важнейшие эксплуатационные свойства поверхности, которые
зависят от высотных свойств профиля и определяются формой неровностей.
На рис, 111, а показаны три профиля, имеющие одинаковые значения высотных параметров (Rz,
Rmax), шаговых параметров (S, Sm), но имеющих различную форму неровностей. Эксплуатационные
свойства этих поверхностей для многих случаев функционирования совершенно различны. Об этом
различии хорошо информирует параметр tp. Опорная длина профиля цр, полученная для всех трех
профилей на одинаковом уровне сечения, например, на уровне сечения р различна (рис. 111, б). Для
первого профиля tp≈40%,для второго профиля tp≈25%, для третьего профиля tp≈15%.
ГОСТ 2789—78 предусматривает также возможность использования дополнительных характеристик:
направления неровностей и вида обработки (получения) поверхности. Предусматриваются следующие
типы направлений неровностей поверхности: параллельное
и перпендикулярное (соответственно параллельно и перпендикулярно к линии, изображающей на чертеже
поверхность, к шероховатости которой устанавливаются требования); кругообразное и радиальное
(соответственно кругообразное и радиальное по отношению к центру поверхности, к шероховатости
которой
устанавливаются
требования);
перекрещивающееся
и
произвольное.
2. Требования к шероховатости поверхности по ГОСТ 2789—73 следует устанавливать указанием
числовых значений параметров взамен классов. Это более сложно, но правильнее, прогрессивнее и
распространено во всех странах. Такой способ нормирования шероховатости поверхности дает
конструктору свободу при выборе параметров, базовых длин и их значений и тем самым позволяет более эффективно влиять на обеспечение заданных эксплуатационных показателей поверхности.
Числовое значение параметра (параметров) и базовых длин можно указывать тремя способами:
наибольшим значением, номинальным значением (тогда указываются допускаемые отклонения от
номинального значения) и диапазоном значений.
Обозначения требований к шероховатости поверхности в соответствии с ГОСТ 2789—73 и правила
нанесения их в технической документации определены ГОСТ 2.309—73. Ценным материалом
являются «Методические указания по внедрению ГОСТ 2789—73», разработанные Всесоюзным научноисследовательским институтом метрологической службы (ВНИИМС).
Все включенные в ГОСТ 2789—73 параметры могут быть во всем числовом диапазоне измерены
приборами, выпускаемыми отечественной и зарубежной промышленностью. Перечень приборов,
выпускаемых отечественной промышленностью, приведен в табл. 11.
Многие вопросы, связанные с определением стандартизованным параметров шероховатости, и, в
частности, методика проведения средней линии на профилограмме, рассмотрены в МИ 41—75
«Mетодика выполнения измерений параметров шероховатости поверхности по ГОСТ 2789—73 при
помощи приборов профильного метода».
§ 44. ОЦЕНКА ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ПО ПЛОЩАДИ
Как было показано в предыдущем параграфе, все стандартизуемые параметры шероховатости
определяются по профилю поверхности. Следовательно, основным является профильный метод оценки
шероховатости. Такой метод принят во всем мире и зафиксирован в соответствующих нормативных
документах. Однако детали машин контактируют друг с другом по поверхности и, следовательно, было
бы более правильно оценивать шероховатость по поверхности, а не по профилю. Однако теория такого
метода оценки шероховатости очень сложна, и в настоящее время ее только начинают разрабатывать.
К методу оценки шероховатости по поверхности (площади) относится субъективный метод оценки
шероховатости поверхностей деталей сравнением с образцами. Визуально (на глаз) или осязательно
(царапая ногтем или ребром монеты) сравнивают поверхности образцов, собранных в наборы по
классам шероховатости (ГОСТ 2789—59), с поверхностями деталей. При сравнении определяют, к
какому классу шероховатости относится сравниваемая поверхность детали. Поскольку классы
шероховатости по ГОСТ 2789—73 упразднены, сравнение следует проводить непосредственно по
значениям параметров Ra или Rz. Для этого необходимо провести перемаркировку наборов образцов,
добавив к старой маркировке, содержащей класс шероховатости, значения параметров Ra или Rz.
По ГОСТ 9378—60 предусмотрено изготовление стальных и чугунных образцов плоской и
цилиндрической формы с шероховатостью поверхности от 4 до 13-го классов шероховатости следующими способами обработки (получения) поверхности: наружным точением; расточкой; развертыванием;
торцовым и цилиндрическим фрезерованием; строганием; круглым, плоским, торцовым и внутренним
шлифованием; полированием и доводкой.
Сравнивают поверхности, полученные одним и тем же способом обработки, так как внешний вид
механически обработанных поверхностей, имеющих одинаковые диапазоны значений параметра Ra, в
значительной степени зависит от способа обработки.
Поверхности рабочих образцов должны быть аттестованы в соответствии с ГОСТ 14026—68, по
которому ее проводят в основном с помощью профилографа-профилометра модели 201.
Сравнение поверхностей детали и образца невооруженным глазом дает более или менее
удовлетворительные результаты только для относительно грубых поверхн остей (примерно от
Ra = 0,6—0,8 мкм и больше).
Метод оценки шероховатости поверхности сравнением с образцами может быть несколько
модернизирован, если применять лупы и специальные микроскопы сравнения. Например,
компараторный микроскоп сравнения МС-48 позволяет одновременно видеть и исследуемую поверхность
(на одной половине поля зрения) и поверхность образца (на другой половине поля зрения) при
одинаковом увеличении (до 80х) и одинаковой освещенности. Это дает возможность повысить точность
оценки шероховатости поверхности и оценивать поверхности с меньшими значениями параметра Ra,
§ 45, ИЗМЕРЕНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ
ПОВЕРХНОСТИ
ПРОФИЛЬНЫМ МЕТОДОМ ПРИБОРАМИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПРОФИЛЯ
В настоящее время широко распространены и выпускаются серийно только контактные (щуповые)
приборы: профилографы и профилометры системы М. Эти приборы стандартизованы ГОСТ 19209—73 и
ГОСТ 19300—73.
Профилографом называется прибор, регистрирующий координаты профиля поверхности.
В профилографах современных конструкций координаты профиля поверхности регистрируют с
помощью электротермического записывающего прибора. Записанная профилограмма несет максимальную информацию о профиле поверхности, а также является исходным документом для
определения всех нормируемых по ГОСТ 2789—73 параметров (см. рис.110).
Контактным профилометром системы М называется контактный (щуповой) прибор, служащий для
измерения шероховатости поверхности по системе М.
И профилографы, и профилометры относятся к контактным приборам, т. е. к таким, в которых
информация поступает от ощупывающего исследуемый профиль щупа (алмазной иглы), имеющего
очень небольшой радиус кривизны вершины, чтобы касаться дна впадин неровностей при ощупывании.
В указанных стандартах отмечается, что радиусы кривизны вершин щупов должны выбираться из
ряда: 2+2, 5±1; 10±2,5 мкм по ГОСТ 9017—59.
Профилографы и профилометры подразделяют на два типа в зависимости от эксплуатационного
назначения:
А — для записи координат (профилографы) или измерения (профилометры) номинально
прямолинейных профилей;
Б — для записи координат
(профилографы)
или измерения (профилометры)
одной или
нескольких
номинально непрямолинейных форм профилей. В зависимости от параметров
метрологических характеристик профилографы и профилометры каждого типа делятся на две
группы:
I —для исследовательских работ и лабораторных измерений повышенной точности;
II—
для
измерений
В
процессе
послеоперационного
контроля.
Допускается конструктивное объединение профилографа и профилометра в одном приборе.
Одной из самых основных характеристик профилографов являются увеличения, с которыми
регистрируют координаты профиля поверхности:
Vv — вертикальное увеличение (масштаб преобразования координат профиля в направлении
перемещения щупа, нормальном К номинальному профилю поверхности);
Vh — горизонтальное увеличение (масштаб преобразования координат профиля в направлении
перемещения щупа вдоль номинального профиля поверхности).
Под масштабом преобразования понимают соотношение между зарегистрированным значением
измеряемой величины и перемещением щупа в соответствующем направлении. При записи
профилограммы под масштабом преобразования понимают отношение перемещения пера,
записывающего профилограмму, к перемещению щупа в соответствующем направлении.
Значения Vv у профилографов во много раз больше значений Vh. По ГОСТ 19299—73 диапазон
значений вертикальных увеличений для профилографов всех типов должен быть от 100х до 500000х, а
горизонтальных увеличений от 10х до 10000х.
Таким образом, профилограммы не отражают действительного положения точек исследуемого
профиля, а как бы «сплющены» в горизонтальном направлении.
Отечественные профилометры системы М имеют шкалу, по которой в зависимости от выбранного
передаточного отношения, т. е. отношения перемещения указателя к перемещению щупа определяют
значения интегрального параметра Ra.
В зависимости от числовых значений параметров нормируемых метрологических характеристик,
учитывающих погрешности при всех значениях вертикальных и горизонтальных увеличений (у профилографов) или при всех значениях передаточного отношения (у профилометров) устанавливают
три степени точности: 1, 2 и 3.
Значения длины трассы ощупывания у профилометров должны зависеть от значения отсечки шага:
Отсечка шага, мм
0,025
0,08
0,25
0,8
2,5
8,0
Длина трассы ощупывания,
0,12-0,5
0,4-2
1,25-5
2,4-8
5-15
16-40
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ
Электрические фильтры являются обязательной составной частью электрических профилографов
и профилометров. Они предназначены для исключения влияния волнистости и отклонений формы и
выявления структуры шероховатости поверхности в «чистом виде».
Схематически такой принцип измерения представлен на рис. 112. Для исключения влияния
волнистости реальный профиль А разбивается на отрезки, длиной l, соответствующей базовой длине:
через каждый отрезок проводят среднюю линию, затем отрезки средних линий выпрямляют и
получается кривая В с отфильтрованной волнистостью, которая и представляет собой записанный
прибором реальный профиль А.
Этот процесс происходит в электрических профилографах с помощью фильтров, причем процесс
фильтрации осуществляется непрерывно, и средняя линия также не имеет разрывов (как это показано на
рис. 112).
Таким образом, электрические фильтры пропускают высокочастотные и блокируют низкочастотные
гармоники, на которые раскладывается профиль. Предельным значением длины волны, отделяющей
пропускаемые от блокируемых длин волн, является отсечка шага.
Отсечкой шага (λв) называется значение длины волны Я, численно равное базовой длине l и
условно принимаемое за верхнюю границу пропускания профилографа или профилометра.
Кривые на рис. 113 (1 — допускаемые значения; 2 — номинальное значение) характеризуют
амплитудно-частотную характеристику отечественных профилографов и профилометров. По оси абсцисс
отложена длина пропускаемых волн (или отношение длин волн к значению отсечки шага); по оси
ординат — отношение амплитуд К, пропускаемых фильтром, к действительным амплитудам волн в
процентах.
Если бы все высокочастотные гармоники, имеющие длину волн λвч≤ λв, пропускались бы через фильтр
с амплитудой, равной ее действительным значениям, а все низкочастотные гармоники, имеющие длину
волн λвч > λв, полностью подавлялись бы фильтром, то характеристика фильтра представляла бы собой
прямую АС с отвесно падающей частью — прямой CD.
На самом деле затухающая часть характеристики фильтра — пологая, и ее крутизна определяется
применяемыми двухзвенными RС-фильтрами, стандартизованными по линии ИСО, для которых
прямолинейный отрезок на затухающей части характеристики имеет наклон 12 дБ на октаву.
Граничные значения волн, равные λ=λВ, пропускаются фильтром с коэффициентом 0,75 или 75%, т.
е. амплитуды граничных значений волн будут записаны с амплитудой, составляющей 75%
действительной. Амплитуды длин волн, вдвое превышающих предельные, т. е. равные 2λв, будут записаны
с высотой, равной приблизительно 43% действительной амплитуды и т. д.
ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ ПРОФИЛОГРАФЫ И ПРОФИЛОМЕТРЫ
В Советском Союзе уже более двух десятилетий налажен серийный выпуск профилометров. В
настоящее время серийно выпускаются многие модели профилографов и профилометров, причем
профилографы конструктивно объединены в одном приборе с профилометрами.
Завод «Калибр» выпускает следующие модели профилографов-профилометров: 201, 202, 252.
На приборах моделей 201 и 202 можно измерять шероховатость поверхности по интегральному
параметру Ra, значение которого определяют по шкале (при этом приборы выполняют функции профилометров), или записывать профилограмму поверхности на бумажную ленту в прямоугольных
координатах (при этом приборы выполняют функции профилографов).
Возможно также записывать волнограмму поверхности с помощью щупа диаметром 2 мм и
специального приспособления на длине трассы ощупывания ~ 40 мм (на приборе модели 201) и
~ 35 мм (на приборе модели 202).
Прибор модели 201 (рис. 114) предназначен для измерения неровностей поверхностей, геометрические
профили которых представляют собой прямые линии, т. е. на плоскостях, на образующих гладких
цилиндров и конусов и т. д. Прибор относится к типу А1.
Прибор модели 202 относится к приборам типа Б1. С его помощью можно измерять не только
неровности прямолинейных, но и криволинейных профилей. В комплект прибора входят устройства и
приспособления, позволяющие измерять неровности на поверхностях радиусом закругления от 4 до 80
мм, на выпуклых и выгнутых поверхностях шариков и роликов диаметром от 1 до 25 мм, а также
на эвольвентной поверхности зубчатых колес с модулем от 3 мм и выше.
Предусмотрена возможность измерения поверхностей деталей больших габаритных размеров, так
как на приборе имеется стойка с выносной опорой.
Кроме того, возможно измерение шероховатости малых отверстий диаметром от 3 мм и пазов от 3
мм.
Принцип действия приборов моделей 201 и 202 основан на преобразовании индуктивным методом
колебаний ощупывающей поверхность иглы в колебания напряжения.
На рис. 1 3 5 представлена блок-схема приборов моделей 201, 202 и 240 без записывающего
устройства.
Рис. 115. Блок-схема приборов моделей 201, 202 и 240 (без записывающего устройства)
Магнитная система преобразователя состоит из сдвоенного Ш-образного сердечника 4 с двумя
катушками 3. Катушки и две половины первичной обмотки дифференциального трансформатора 6
образуют мост, питающийся от генератора звуковой частоты 5.
При движении алмазной иглы 1, ощупывающей неровности поверхности, начинает колебаться якорь
2 относительно опоры 10. При этом меняются воздушные зазоры между якорем и сердечником, а
следовательно, и токи в плечах моста. На выходе дифференциального трансформатора 6 возникает
напряжение, пропорциональное величинам неровностей, усиливаемое электронным блоком 7. На
выходе блока подключают показывающий прибор 8 или записывающий прибор 9.
Новый профилограф-профилометр модели 252, относящийся к типу А1, создан работниками
завода «Калибр». Он специально предназначен для метрологического обеспечения параметров оценки
шероховатости поверхности, предусмотренных ГОСТ 2789—73.
Как и в приборах моделей 201 и 202, запись профилограмм производится с помощью электротермического записывающего прибора в прямоугольных координатах.. Принципиально новым у прибора
модели 252 является наличие цифрового отсчетного устройства (вместо шкального), на котором можно
отсчитывать не только значения параметра Ra, но и ряд других величин. А именно: число шагов
неровностей по средней линии n (зная длину трассы ощупывания, можно легко определить значение
параметра Sm); высоту наибольшего выступа Нmах и глубину наибольшей впадины Hmin (сумма этих
величин определит значение параметра Rmax); относительную опорную длину профиля tp на
стандартизованных уровнях сечения р.
Прибор позволяет измерять и волнистость поверхности на длине трассы 50 мм.
Прибор успешно прошел испытания и рекомендован к серийному выпуску.
Техническая характеристика профилографа-профило метр а м о д е л и 252
Параметры шероховатости поверхности, определяемые по показыв ающему
устройству:
Ra — среднее арифметическое отклонение профиля;
Нmах — высота наибольшего выступа профиля;
Hmin — глубина наибольшей впадины профиля;
tp — относительная опорная длина профиля;
n — число шагов неровностей в пределах длины трассы ощупывания (по базовой линии)
Пределы измерения, мкм;
для профилографа Rz
0,02—250
для профилометра:
Ra
0,02—100
Hmах, Hmin
0,1—100
tp, %
0—100
n
до 1000
Остановимся на двух отечественных моделях профилометров: 240 и 253.
Профилометр модели 240 выпускался ранее заводом «Калибр». Он нашел широкое применение в
заводских лабораториях и цехах. Прибор типа А11 — индуктивный. Его принципиальная блок-схема
показана на рис. 115 (без записывающего устройства). Пределы измерения параметра Ra от 0,02 до 2,5
мкм.
Сейчас завод «Калибр» приступил к серийному выпуску профилометра модели 253. Прибор
цеховой, относится к приборам типа Аll (рис. 116).
Рис. 116. Цеховой профилометр модели 253: 1— механотронный преобразователь; 2 — привод; 3
— электронный блок; 4 — столик; 5 — призма; 6—стойка
В профилометре применен механотронный преобразователь.
Линейные колебания иглы преобразуются в электрические сигналы преобразователем,
представляющим собой механически управляемую электронную лампу — механотрон (рис. 117). подвижный анод которого посредством тонкой мембраны 1 связан с щупом 2, На щупе укреплена
алмазная игла 3 радиусом закругления 10 мкм. Механотрон вставлен в корпус 5, на передней части
которого расположена твердосплавная опора 4. Механотрон укреплен в корпусе посредством кольца 8
со штырем 7, упирающимся в лунку винта 6 под усилием пружины 11.
Такая конструкция крепления позволяет регулировать положение механотрона для точной установки
щупа относительно опоры. Положение щупа регулируется и фиксируется винтами 14, упирающимися
в кольцо 10. Снизу механотрон закрыт крышкой 9. Преобразователь соединен со штоком привода
вилкой разъема 13 и зафиксирован штифтом 12.
К прибору прилагаются стойка и призма для измерения цилиндрических деталей (см. рис. 116).
§ 46. ИЗМЕРЕНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ
ПРОФИЛЬНЫМ МЕТОДОМ ПРИБОРАМИ
ОДНОВРЕМЕННОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПРОФИЛЯ
К настоящему времени разработаны только бесконтактные приборы одновременного преобразования профиля, — контактные приборы являются перспективными.
Уже несколько десятилетий существуют интерферометры (микроинтерферометры) и приборы
светового сечения. Несколько позже появились приборы теневого сечения, а несколько лет назад —
растровые приборы для измерения шероховатости поверхности.
Интерферометры (приборы типа МИИ), приборы светового сечения (приборы типа ПСС) и
приборы теневого сечения (приборы типа ПТС) стандартизованы ГОСТ 9847—61 «Приборы
оптические для определения шероховатости поверхности». В ближайшее время этот стандарт
намечен к пересмотру.
Все перечисленные приборы позволяют, используя тот или иной принцип одновременного
преобразования профиля, наблюдать преобразованную и увеличенную картину сечения исследуемой
поверхности и производить отсчеты величин для определения параметров Rz, Rmax, S и Sm.
ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ
Принцип действия интерферометров основан на интерференции света. Интерферометры позволяют
измерять только небольшие высоты неровностей (не превышающих ~ 1 мкм), так как при больших
значениях интерференционная картина пропадает.
Действие интерферометров основано на следующей принципиальной оптической схеме (рис. 119).
Свет от источника L проходит через конденсор К и диафрагму D и разделяется полупрозрачной
пластинкой М на два когерентных пучка. Один из пучков падает через микрообъектив О1 на исследуемую поверхность S1 отразившись от которой снова попадает в объектив 01и фокусируется
в плоскости В, являющейся фокальной плоскостью окуляра Ок.
Второй пучок проходит разделительную пластинку М и микрообъектив О2, падает на зеркало сравнения
S2, наклоненное относительно оптической оси на небольшой угол (для объектива с увеличением 40х
угол наклона зеркала не более 3°). Объектив О2 проецирует изображение зеркала сравнения S2 также в
плоскости изображения В. В результате сложения этих двух когерентных пучков света в плоскости В
возникают интерференционные полосы, искривленные соответственно профилю исследуемой поверхности.
Интерферометры предназначены для измерения неровностей, высота которых не превышает 1 мкм.
Верхний предел измерения определяется, в основном, глубиной изображения
интерферометра, зависящей от апертуры объектива и увеличения прибора.
По ГОСТ 9847—61 для интерферометров (микроинтерферометров) общее увеличение должно быть
не менее 500х и 700х, апертура объектива не менее 0,50 и 0,65 и линейное поле зрения не менее 0,32 мм
и 0,20 мм.
Апертура объектива определяет разрешающую способность интерферометра, т. е. способность
давать раздельное изображение двух точек или линий. Разрешающую способность находят по выражению
d = λ/2A ,
где d — наименьшее расстояние между двумя штрихами или точками, наблюдаемое с помощью
интерферометра раздельно (разрешающая способность), мкм; λ — длина волны света, мкм;
A= n sinu— числовая апертура объектива; n — показатель преломления среды, находящейся между
предметом и объективом; u- половина угла, образуемого крайними лучами от точки предмета, которые
еще могут войти в отверстие объектива.
При наблюдении ступеней апертура объектива не будет влиять на точность воспроизведения
изображения. При любой высоте ступени (если она не превышает глубины изображения интерферометра) ступень будет строиться без искажения.
При наблюдении других неровностей (например, полученных после шлифования, полирования и т.
п.) числовая апертура объектива будет непосредственно влиять на точность воспроизведения этих
неровностей. Радиусы вершин и впадин таких неровностей настолько малы, что будет иметь место
недоощупывание, зависящее от разрешающей способности прибора.
Рис. 120. Уменьшение высот измеряемых на оптических приборах неровностей за счет
недоощупывания
Для определения влияния числовой апертуры объектива на величины недоощупывания рассмотрим
отдельную неровность с параметрами: угол раскрытия α>90° и радиус впадины r≤25 мкм, которые
наиболее часто встречаются у неровностей, полученных при тонком шлифовании и доводке (рис. 120).
Если ширина риски a<d, где d — разрешающая способность интерферометра, то точки С и D сольются
в одну точку, и прибор «не разрешит» данного расстояния.
Если предположить, что расстояние AB=d, то изображение риски примет вид, представленный на рис.
120 штриховой ломаной линией CED. Глубина риски Но уменьшится за счет недоощупывания на Дh,
которую можно найти из сегмента ANB:
h
r
1
2
4r 2
d2
d2
8r
.
Профиль обработанной поверхности представляет собой совокупность неровностей с острыми
вершинами и впадинами, радиусы закругления которых значительно меньше 25 мкм. Тогда недоощупывание будет иметь место не только во впадинах, но и на вершинах неровностей, а общее
недоощупывание ∆hОБЩ будет состоять из недоощупывания во впадине и на вершине. Его определяют по
формуле
Из табл. 12 следует, что величины недоощупывания резко возрастают с уменьшением высот
неровностей.
Величины недоощупывания в значительной мере определяют пределы измерения интерферометров и
выбор числовых апертур.
В Советском Союзе выпускают следующие интерферометры: МИИ-4; МИИ-9; МИИ-10; МИИ-11 и
МИИ-12.
Интерферометр МИИ-4 предназначен для визуальной оценки, измерения и фотографирования
неровностей, имеющих высоту (параметр Rz) от 0,03 до 1 мкм. Апертура прибора — 0,65.
В поле зрения прибора видны одновременно исследуемая поверхность и интерференционные полосы,
искривленные соответственно неровностям. Искривление измеряют винтовым окулярным микрометром
МОВ-1-15.
Прибор МИИ-4 является двухлучевым интерферометром, т.е. таким, в котором имеется одно поле
интерференции два зрачка, являющихся изображением источника света (апертурной диафрагмы). От взаимного
расположения этих зрачков относительно друг друга зависит масштаб искривления интерференционных полос, их направление и интервалы между ними.
Рис. 121. Оптическая схема интерферометра МИИ-4
На рис. 121 показана оптическая схема интерферометра МИИ-4.
Светящаяся нить лампы накаливания 1 проецируется конденсором 2 в плоскость ирисовой апертурной
диафрагмы 3 (диаметр диафрагмы от 0,5 до 5 мм). Полевая диафрагма, расположенная в передней
фокальной плоскости проекционного объектива 4 изображается им в бесконечности. Апертурная
диафрагма 3 этим же объективом 4 проецируется в выходные зрачки объективов 7 и 8 (выходные зрачки
совпадают с последними поверхностями линз объективов).
Параллельный пучок лучей по выходе из объектива 4 падает на разделительную пластинку 5, на одной из
сторон которой нанесен полупрозрачный слой алюминия. Разделительная пластинка имеет такую
толщину, при которой отраженные от передней неалюминированной поверхности пучки лучей не
попадают в объектив 7 и не создают вторичных изображений.. Разделительная пластинка 5 делит
падающий на нее пучок света, на два. Пучок, отраженный от пластинки 5, попадает в объектив 7 и
собирается в его фокусе на испытуемой поверхности. После отражения от этой поверхности пучок света
идет в обратном направлении, проходит объектив 7, пластинку 5 и собирается в фокальной плоскости
объектива 10, где наблюдается изображение исследуемой поверхности. Зеркало 11 направляет пучок
лучей в визуальный тубус.
Второй пучок света, пройдя разделительную пластинку, падает на пластинку 6 и объектив 5. Для
компенсации разности хода в обеих ветвях пластинка 6 может поворачиваться вокруг горизонтальной
оси. Толщина пластинок 5 и 6 одинакова. Пройдя объектив 8, пучок лучей собирается в его фокусе на
зеркале 9, отразившись от которого идет в обратном направлении, снова проходит через объектив 8}
пластинку в и падает на разделительную пластинку 5. Лучи этого пучка света, отразившись от
пластинки 5, так же, как и лучи первой ветви, собираются в фокальной плоскости объектива 10, где
можно наблюдать изображение зеркала 9 (по отдельным точкам и пылинкам, находящимся на его
поверхности).
После разделительной пластинки 5 лучи обеих ветвей интерферируют между собой, образуя резкое
изображение интерференционных полос в бесконечности. Объектив 10 переносит изображение этих
полос в свою фокальную плоскость, где они и рассматриваются с помощью интерференционного
окуляра 15. В поле зрения прибора одновременно наблюдаются интерференционные полосы и изображение исследуемой поверхности, наложенные друг на друга, причем интерференционные полосы
искривлены соответственно неровностям исследуемой поверхности.
При рассмотрении интерференционной картины в белом свете в центре наблюдается белая
ахроматическая полоса, по обеим сторонам которой расположены две черные полосы с цветными каймами, и дальше по три-четыре цветные полосы с каждой стороны. Эта картина объясняется тем, что
белый свет сложен и имеет спектр различных длин волн.
При работе в монохроматическом свете в поле зрения прибора наблюдаются чередующиеся темные и
светлые полосы. Для получения монохроматического света в интерферометре используют интерференционные светофильтры с узкой полосой пропускания — зеленого и желтого цвета.
При фотографировании зеркало 11 выключается из хода лучей, и свет, пройдя через специальный
фотоокуляр 12 и отразившись от зеркала 13, падает на поверхность матового стекла или фотопленку
14.
Линейное поле зрения с окулярным винтовым микрометром 0,32 мм, при фотографировании — 0,1
мм.
Изгибы интерференционных полос можно измерять двумя способами: на глаз или с помощью
винтового окулярного микрометра MOB-I-I5*.
При измерении на глаз величину искривления а сравнивают с расстоянием между полосами b
(рис. 122). На рис. 122 а ^-~Ь.
О
Расстояние между интерференционными полосами соответствует половине длины волны. Для белого света
А, = 0,6 мкм. Следовательно, azz —0,3=0,2 мкм. Среднее арифметическое из пяти значений а определит
параметр Rz.
Рис. 122. Определение высоты неровностей на интерферометрах
При измерении изгиба а винтовым окулярным микрометром перекрестие наводят на край полосы,
изгиб которого выбран для измерения, и делают отсчет N1 по шкале барабана окулярного винтового
микрометра (см. рис. 122). Вращая барабан, наводят перекрестие на соседнюю (или любую другую n-ю
полосу) и делают второй отсчет N2. Затем перекрестие совмещают с вершиной изгиба края полосы и
делают третий отсчет N 3. Изгиб (А), выраженный в долях интервала между соседними полосами (в
долях b) будет равен
h
N2
N3
N1
N2
n,
где n - число полос между первым и вторым положением перекрестия.
Интерферометр МИИ-9 имеет более простую конструкцию, чем прибор МИИ-4. Он однообъективный с
апертурой 0,5. Увеличение прибора 500х и 700х при наблюдении и 125х — при фотографировании.
Прибор имеет тот же диапазон измерений, что и прибор МИИ-4, т. е. предназначен для измерения
неровностей, имеющих высоту (параметр Rz) от 0,03 до 1 мкм.
Интерферометр МИИ-10 — иммерсионно-репликовый интерферометр, предназначенный для
измерения неровностей, имеющих высоту (параметр Rz) от 0,1 до 10 мкм.
Неровности высотой от 0,1 до 1 мкм измеряют методом обычной двухлучевой интерференции;
неровности высотой от 0,2 до 10 мкм измеряют иммерсионно-репликовым методом.
Сущность иммерсионно-репликового метода заключается в том, что рассматривают не саму
исследуемую поверхность, а ее отпечаток—реплику. Отпечаток поверхности получается на прозрачной
нитроцеллюлозной кинопленке, смачиваемой ацетоном и накладываемой на исследуемый участок
поверхности. Затем отпечаток (реплику) помещают в специальную камеру с иммерсионной жидкостью, которую устанавливают под объективом прибора, т. е. в одну из ветвей интерферометра.
Иммерсионно-репликовым методом могут быть измерены неровности как металлических, так и
неметаллических поверхностей, если только они не растворяются в ацетоне. Достоинством метода (кроме расширения пределов измерения) является также возможность измерения шероховатости в
труднодоступных местах (боковой поверхности профиля резьбы, поверхности зуба шестерни, внутренней
цилиндрической поверхности и т. д.). Можно также измерять шероховатость поверхности деталей, не
снимая их со станка.
Иммерсионная камера представляет собой две стеклянные пластинки, наложенные одна на другую. В
нижней пластинке имеется небольшое сферическое углубление, куда наливают несколько капель
иммерсионной жидкости и помещают полученный с поверхности отпечаток 1 (рис. 123). Нижняя
поверхность 2 нижней пластинки посеребрена и представляет собой зеркало. Применяя иммерсионные
жидкости с различными показателями преломления, можно изменять цену интерференционной полосы
в широких пределах, поскольку она зависит от показателя преломления пленки и иммерсионной
жидкости.
Длина хода лучей I
Такое «огрубление» цены интерференционных полос позволяет измерять шероховатость
поверхностей наиболее распространенных в машиностроении.
Задаваясь величиной К и, можно подобрать значения nР и nи. С помощью этого метода можно
измерять высоты неровностей до 20 мкм.
Интерферометр МИИ-11 — многолучевой интерферометр, в котором интерференционная картина
возникает в результате многократных отражений в воздушном клине между исследуемой поверхностью и
интерференционной пластинкой. Прибор дает возможность очень точно отсчитывать различные ступеньки,
слои и отдельные дефекты поверхности. Неровности, образующие собственно шероховатость, прибор не
измеряет. У интерферометра МИИ-11 большое поле зрения, равное 3 мм. Пределы
измерения
прибора от 0,005 до 1 мкм.
Интерферометр МИИ-12 может быть назван микропрофилометром, поскольку он позволяет
рассматривать узкую щель (профиль) поверхности. Интерферометр МИИ-12 является уникальным
прибором, измеряющим высоты неровностей на таких поверхностях, на которых следы обработки
расположены произвольно (в результате обработки хонингованием, электрополировкой и т. п.), а также
на таких поверхностях, на которых следы обработки имеют вид отдельных пор.
Пределы измерения прибора (параметр Rz) от 0,03 до 0,8 мкм. Длина рабочего участка 0,25 мм.
B приборе применен интерференционный объектив системы Захарьевского и спектральная насадка,
имеющая спектральную призму, с помощью которой развертывается узкая полоска (щель) с
изображением исследуемой поверхности в спектр. В спектре видны чередующиеся черные и цветные
интерференционные полосы равного хроматического порядка. Расстояния между интерференционными
полосами получаются неравными, так как в красной части спектра полосы шире, чем в синей (от λ кр =
0,6563 мкм до λсин=0,48б1 мкм). Это учитывается в специальных таблицах, прилагаемых к прибору,
которыми следует пользоваться при измерениях.
ПРИБОРЫ СВЕТОВОГО СЕЧЕНИЯ
Принцип действия приборов светового сечения основан на получении изображения профиля
поверхности с помощью наклонно направленных к поверхности лучей. Приборы позволяют измерять
средние высоты неровностей (примерно от 80 до 0,8 мкм), которые наиболее часто встречаются на
поверхностях деталей машин. Поскольку в конструкции приборов светового сечения предусмотрены два
микроскопа, их часто называют двойными микроскопами.
В Советском Союзе имеются две модификации приборов светового сечения — двойные микроскопы
МИС-11 и ПСС-2.
Принципиальная схема метода светового сечения представлена на рис. 124, а. Освещенная узкая
щель проецируется микроскопом на ступенчатую поверхность Р1—Р2. Направление падения света показано стрелками. Изображение светящейся щели на ступенчатой поверхности займет положение S2
на нижней части ступеньки Р2 и положение S1на верхней части ступеньки Р1. Отразившись от поверхности, лучи попадают в микроскоп наблюдения, расположенного под углом 90° к оси
проецирующего микроскопа. В поле зрения микроскопа наблюдения изображение щели будет иметь вид,
показанный на рис. 124, б. Смещение b изображения S2" относительно S1" определяет высоту
ступеньки h.
Оптическая схема двойного микроскопа изображена на рис. 125. Проецирующий (или осветительный)
микроскоп состоит из лампочки 1; защитного стекла 2; двухлинзового коллектора 3\ цилиндрической
щели 4; зеленого светофильтра 5; ахроматических линз 6 и 7 и сменного объектива 9.
Ширина щели 0,1, длина 7 мм. Для компенсации кривизны изображения объектива щель искривляется
по цилиндрической поверхности радиусом 12,5 мм, вследствие этого размытость изображения щели при
наблюдении в окуляр незначительна. Щель располагается перпендикулярно к плоскости чертежа.
Ахроматическая линза 7 является компенсационным выравнивателем.
Коллектор 3 вместе с ахроматическими линзами 6 и 7 дает изображение нити лампы во входном
зрачке объектива микроскопа, а щель с помощью этих же двух ахроматических линз и сменных
объективов 9 изображается на исследуемой поверхности 8, на которой она рассматривается с помощью
микроскопа наблюдения.
Микроскоп наблюдения состоит из окулярного винтового микрометра 10 и дополнительной линзы 7. Б
обоих микроскопах применяют парные объективы 9, коррегированные для бесконечно удаленного
изображения.
Так как микроскоп наблюдения наклонен под углом 45° к нормали исследуемой поверхности, то
смещение щели b будет пропорционально не h, a h/sin 45° (рис, 124, б).
Смещение b отсчитывают винтовыми окулярными микрометрами МОB-1-15Х (на приборе МИС-11)
или МОВ-4-15х (на приборе ПСС-2), дающими дополнительное увеличение в 15х. Отсчет производят по
горизонтальной нити перекрестия, перемещающейся под углом 45° к направлению измерения величины
b.
Это означает, что перемещение произойдет на величину
b
b
sin 45 
(см. рис. 124, б).
Таким образом,
h
b
Гм
2
,
где Гм — общее увеличение прибора.
При определении параметра Rz измеряют расстояния от высших до низших точек профиля от линии,
параллельной средней линии профиля, т. е. базовой линии. Поэтому изображение изогнутой щели
(искривление щели определяется высотой неровностей исследуемой
поверхности) должно быть расположено вдоль горизонтального диаметра поля зрения, а горизонтальная
нить креста окулярного винтового микрометра должна быть установлена параллельно кромке
изображения щели (линии гребешков). Для этого сначала нить подводят к вершине измеряемой
неровности (рис. 126, а), а затем к впадине (рис. 126, б) и по разности отсчетов определяют высоту
неровности, Такие последовательные перемещения проводят для каждой из высот измеряемых
неровностей.
Наименьший предел измерения приборов светового сечения определяется чувствительностью и разрешающей
способностью объектива микроскопа.
Чувствительность — минимальную высоту ступеньки hmin рую еще можно измерить, определяют по формуле
h min
b min
Гм
2
где b'min — минимальное видимое смещение изображения щели, измеренное с помощью окулярного винтового
микрометра (экспериментальные исследования показали, . что b' m i n =0,l5 мм) (см. рис. 124, б).
Выше (для интерферометров) было установлено, что разрешающая способность микроскопов является
основным фактором, влияющим на величину недоощупывания.
Вершины неровностей, полученных точением, строганием и фрезерованием, имеют закругленную форму
радиусом,
большим
25
мм,
поэтому
недоощупывание
на
вершинах
не
будет
иметь
места.
Наименьший
предел
измерения
(наименьшую
высоту
неровностей)
Нпpmin определяют по формуле
H пр min
h min
h
d2
b min
Гм
2
8r
Вершины неровностей, полученных шлифованием, имеют остроконечную форму радиусами закругления меньше,
чем 25 мм, поэтому недоощупывание будет иметь место не только во впадинах, но и на вершинах неровностей, и
значение Hпрmin определяют по формуле
H пр min
h min
b min
hобщ
Гм
2
d2
4r
Наибольший предел измерения (наибольшую высоту измеряемых неровностей) определяют для приборов
типа ПСС по формуле
H прmax
1
7 AГ sin 45 
,
здесь А — апертура объектива микроскопа; Г=VобГок— видимое увеличение микроскопа; Vоб — линейное
увеличение объектива; Гок — видимое увеличение окуляра.
В двойных микроскопах МИС-11 и ПСС-2 предусмотрены по четыре сменных объектива, с помощью которых
измеряют весь диапазон значений высот неровностей.
Двойной микроскоп ПСС-2 имеет примерно те же технические данные, что и микроскопы МИС-11, но обладает
лучшими оптическими характеристиками (поскольку в нем применены планахроматические объективы),
позволяющие значительно увеличить точность отсчета. Кроме того, диаметры линейного поля зрения приборов
ПСС-2 имеют большие значения, что приближает их к значениям базовых длин для поверхностей тех классов
шероховатости по ГОСТ 2789—73, которые могут быть измерены.
Прибор ПСС-2 оснащен окулярным винтовым микрометром МОВ-4-15х с внутренней системой отсчета,
позволяющей не отрывать взгляда от картины, наблюдаемой в окуляр, Это увеличивает удобство работы с
прибором и повышает точность отсчетов.
ПОВЕРЯЕМЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И СРЕДСТВА ПОВЕРКИ
ДВОЙНЫХ МИКРОСКОПОВ
Двойные микроскопы должны поверять по Инструкции 147—58, по которой поверке должны подлежать:
качество и кривизна изображения щели; параллельность направления перемещения координатного столика его
верхней плоскости; погрешность микрометрических винтов координатного столика; погрешность механизма
подвижной сетки окулярного винтового микрометра; погрешность показаний прибора и др.
Из всех перечисленных основных элементов, подлежащих поверке, только погрешность показаний прибора
должна периодически проверяться не только при выпуске из производства и после ремонта, но и во время
эксплуатации двойных микроскопов. Эта поверка является наиболее ответственной, ее проводят с помощью
специальных одноштриховых мер, собранных в наборы, которые должны иметь свидетельства об их поверке..
Одноштриховые меры (рис. 127) представляют собой стальные пластины размером 35x35X8,5 мм, на
доведенной поверхности которых нанесены риски с V-образной формой поперечного сечения.
Глубина рисок 80; 40, 20; 10; 6,3; 3,2 и 1,6 мкм *, что соответствует классам шероховатости 3, 4, 5, 6,
7, 8 и 9 по параметру Rz. Длина рабочей части риски органичена двумя поперечными рисками. В середине
рабочей части риски на расстоянии 0,05 мм от края нанесены два отпечатка, отмечающие локальный
участок меры.
Приборы с объективами, имеющими апертуру 0,13 (прибор МИС-11) или 0,11 (прибор ПСС-2),
поверяют по мерам с глубиной риски 80, 40, 20, 10 и 6,3 мкм; с объективами, имеющими апертуру 0,30
(микроскопы МИС-11 и ПСС-2) по мерам с глубиной риски 20, 10, 6,3 и 3,2 мкм и т .д.
Рис. 127. Одноштриховая мера
Поверку осуществляют следующим образом. Одноштриховую меру устанавливают на
координатный столик прибора. Микроскоп фокусируют и настраивают на резкое изображение щели на
доведенную (рабочую) поверхность меры. Перекрестие окулярного винтового микрометра устанавливают
приблизительно в центре поля зрения так, чтобы горизонтальная линия перекрестия была параллельна
изображению края щели. Затем меру перемещают и располагают так, чтобы изображение локального
участка меры находилось в центре поля зрения; изображение отпечатков, ограничивающих локальный
участок, находилось в пределах изображения щели, а края риски меры были бы параллельны
вертикальной линии перекрестия, т. е. чтобы горизонтальная линия перекрестия была перпендикулярна к
направлению риски. Микроскоп снова настраивают на резкое изображение щели.
Перекрестие устанавливают так, чтобы горизонтальная линия перекрестия совпала с изображением
края щели от доведенной (рабочей) поверхности меры (рис. 128, а); производят и записывают первый
отсчет а,. Затем горизонтальную линию перекрестия перемещают до совмещения ее с изображением края
щели от дна риски; производят и записывают второй отсчет а 2 (рис. 128,6).
Глубину риски а в делениях шкалы барабана определяют как разность отсчетов (а1—а2),
умноженную на cos 45°.
Глубину риски измеряют три раза. Затем прибор расфокусировывают и вновь настраивают на резкое
изображение того же локального участка меры и вновь три раза измеряют глубину риски. Подобную
установку проводят еще раз, и глубину риски определяют как среднее арифметическое из девяти
измерений (аср).
Глубину риски локального участка меры Н лизм
H лизм
а ср Ссos 2 45 
a ср С
2
в микрометрах вычисляют по формуле
,
где аСР — среднее арифметическое значение глубины риски в делениях шкалы барабана окулярного
винтового микрометра; С — цена деления шкалы барабана для объектива, с которым проводили поверку,
мкм.
Подобным образом поверяют прибор со всеми объективами с помощью соответствующих
одноштриховых мер.
Затем подсчитывают погрешность показаний прибора для данного объектива по каждой из мер по
следующей формуле:
5 =
я
H лизм
Н лдейств
H лдейст
100 %
где H лизм — глубина риски, определенная на приборе, мкм;
H л дейст - глубина риски по аттестату, мкм.
ШТРИХОВЫЕ МЕРЫ ДЛИНЫ
Меры длины, служащие для воспроизведения одного или нескольких известных значений длины, подразделяют на:
Штриховые, у которых размер, выраженный в определенных единицах, а также размер их частей, определяется расстоянием между осями двух соответствующих штрихов
(например, брусковые штриховые меры, измерительные линейки, рулетки);
Концевые, у которых размер, выраженный в определенных единицах, определяется
расстоянием между плоскостями, ограничивающими меру (например, плоскопараллельные концевые меры длины).
Брусковые штриховые меры применяют как для непосредственного измерения линейных размеров или расстояний, так и в качестве шкал приборов и станков. Их также используют в качестве образцовых мер длины при поверке рабочих мер длины, приборов
для линейных измерений и проверки станков.
Основные типы, параметры, размеры брусковых штриховых мер и технические требования к ним регламентированы ГОСТ 12069–66 «Меры длины штриховые». Стандарт
устанавливает, что по конструкции поперечного сечения брусковые штриховые меры могут быть четырех типов:
I – Н-образной формы на номинальный размер шкалы от 500 до 1400 мм или формы
прямоугольного желоба на номинальный размер шкалы от 1600 до 4000 мм.
II – прямоугольной формы на номинальный размер шкалы от 100 до 1000 мм;
III – полусферической, пятигранной и прямоугольной форм на номинальный размер
шкалы от 250 до 1600 мм;
IV – трапецеидальной формы на номинальный размер шкалы 1000 мм.
Штриховые меры изготовляют однозначными и многозначными.
Однозначные штриховые меры длины имеют два штриха, нанесенных по концам меры.
Многозначные штриховые меры имеют шкалу штрихов, нанесенных через определенные интервалы по всей длине меры или на отдельных ее участках. Шкалы таких многозначных штриховых мер изготовляют с дециметровыми, сантиметровыми или миллиметровыми делениями.
По точности штриховые меры длины делят на шесть классов: 0, 1, 2, 3, 4 и 5.
Классы точности устанавливают в соответствии с допускаемыми отклонениями действительной длины шкалы мер на различных интервалах измерений. В табл. 1 приведены
допускаемые ГОСТ 12069–66 отклонения действительной длины шкалы мер для различных размеров интервалов шкал от 100 до 4000 мм для всех шести классов штриховых мер
длины.
Формулы накопленной погрешности шкал, применяемые для приближенного вычисления предельных погрешностей промежуточных интервалов (между любыми штрихами)
для классов точности мер 0; 1; 2; 3; 4 и 5 соответственно следующие: 0,5+0,5l; 1 + 1l; 2 + 2
l; 5 + 5 l; 10+ 15 l и 20+30 l.
Результат вычислений по этим формулам получается в микрометрах при подстановке длины l в метрах.
Отклонения действительной длины шкалы штриховых мер от номинальных значений, указанные в табл. 1, относятся к нормальной температуре 20°С при положении мер
классов 0; 1 и 2 на цилиндрических опорах, на расстоянии 0,22 L от концов меры; мер
класса 3 – на поверхности, плоскость которой соответствует степени точности III; а мер
классов 4 и 5 – на поверхности, плоскость которой соответствует степени точности IV по
ГОСТ 10356–63.
Брусковые штриховые меры длины изготовляют из материалов, указанных ниже:
Материал
Температурный коэффициент удлинения,
106 ºС-1
Инвар (Ni 36%)
1,0±0,5
Инварстабиль (Ni 58%)
11,5±0,5
Сталь
11,5±1,0
Стекло оптическое
10,0±0,5
У штриховых мер длины типа I штрихи шкалы наносят на нейтральной плоскости
мер, у мер типов II, III, IV – на верхней или боковой поверхностях. Начальный (нулевой)
штрих шкалы штриховой меры должен находиться на расстоянии не менее 15 мм от торца
меры.
ПОВЕРКА ШТРИХОВЫХ МЕР ДЛИНЫ
Штриховые меры длины поверяют по ГОСТ 16216–70 «Меры длины штриховые.
Методы и средства поверки», ГОСТ 8.131–74 «Государственная система обеспечения
единства измерений. Меры длины штриховые, образцовые 2-го разряда», инструкции 68–
59 «По поверке ленточных метров-компараторов» и инструкции 85–55 «По поверке
складных метров (металлических и деревянных»). При поверке штриховых мер длины
выполняют следующие операции:
1. Внешний осмотр штриховой меры.
2. Определение ширины штрихов и их качества.
3. Проверка прямолинейности оси меры и ее боковой поверхности.
4. Поверка отклонения от плоскостности шкаловой поверхности и основания штриховой меры.
5. Поверка общей длины меры и ее подразделений.
Отклонения от общей длины и отдельных подразделений штриховых мер определяют компараторами или измерительными машинами.
Компараторы состоят из двух основных частей. Первая из них предназначена для
поддержания сравниваемых мер и может перемещаться в трех взаимно перпендикулярных
направлениях. Второй частью компаратора являются два микроскопа с окулярными микрометрами, посредством которых рассматриваются штрихи на сравниваемых мерах и отмечается их относительное положение. Окулярные микрометры снабжены неподвижными
взаимно перпендикулярными нитями и подвижной парой паутинных нитей, натянутых на
специальной каретке, сопряженной с высокоточным микрометрическим винтом. Каретка
позволяет измерять в каждом микрометре небольшие разности между положением видимого в поле зрения штриха меры и положением «нуль-пункта» микроскопа – точки пересечения неподвижных нитей. Эти разности выражаются числом целых оборотов и долей
микрометрического винта.
Для сравнения длины двух штриховых мер между собой их укладывают параллельно
друг другу на раму, перемещаемую в поперечном направлении, и приводят их поверхности со штрихами в одну горизонтальную плоскость. Затем одну меру подводят под объективы микроскопов. Подвижную пару нитей наводят микрометрическими винтами на конечные штрихи меры так, чтобы последние находились между нитями, и наблюдают отсчеты по микрометрам.
После этого поперечным передвижением рамы подводят под микроскопы другую
меру М1. Так как сравниваемые меры весьма близки по длине друг к другу, то конечные
штрихи второй меры подойдут почти к тому же самому месту под микроскопом и будут
видны наблюдателю в окуляре. Затем снова наводят подвижные нити на конечные штрихи
меры и производят новые отсчеты по микрометру. Таким образом сличают между собой
обе штриховые меры.
Помимо описанного выше компаратора с поперечным перемещением мер существуют компараторы с продольным перемещением микроскопов. В них меры располагают
параллельно друг другу так, чтобы их начальные штрихи подводились под микроскопы,
расположенные друг от друга на некотором расстоянии и укрепленные неподвижно на передвигаемой каретке. Когда нити в окулярах обоих микроскопов будут установлены на
начальных штрихах образцовой и поверяемой меры, микроскопы перемещают вдоль мер
до конечных или промежуточных их штрихов, на которых снова устанавливают нити окуляров. По отсчетам микрометров обоих микроскопов, как в случае описанных выше компараторов, находят разность длин двух мер, а зная длину образцовой меры, определяют
длину поверяемой меры.
У штриховых мер обязательной поверке подлежат общая длина и длина дециметровых подразделений. Отдельные сантиметровые и миллиметровые подразделения поверяют в выборочном порядке.
Отклонения общей длины поверяемой меры и отдельных ее подразделений на компараторе определяют методом сличения с соответствующими подразделениями меры
длины 1-го разряда по способу продольного или поперечного компарирования.
Меру длины 1-го разряда и поверяемую меру устанавливают в ванне или на столе
компаратора на специальные подставки-опоры так, чтобы шкаловая поверхность меры
располагалась в горизонтальной плоскости.
При поверке мер длины методом продольного компарирования сравниваемые меры
помещают на столе компаратора так, чтобы оси их лежали на одной прямой, параллельной
направлению хода стола. Сравниваемые меры могут занимать различные положения относительно микроскопов компаратора.
Перед измерениями сравниваемые меры тщательно устанавливают; при этом штрихи
поверяемой меры, наблюдаемые через левый микроскоп, и штрихи меры 1-го разряда,
рассматриваемые через правый микроскоп, должны быть отчетливо видны по всей длине
шкалы каждой из этих мер. Если температурные коэффициенты удлинения меры 1-го разряда и поверяемой меры различны, то рядом с мерами на специальной подставке помещают термометр.
Сравнение поверяемой меры с мерой 1-го разряда проводят не менее чем при двух
измерениях в следующем порядке:
производят отсчеты по шкале термометров;
наблюдают в правый микроскоп нулевой штрих меры 1-го разряда, а в левый – нулевой штрих поверяемой меры;
каждое наблюдение состоит из трех наведений биссектора окулярного микрометра
на штрих с последующим подсчетом по барабану микрометра;
передвигают стол компаратора вдоль оси и наблюдают в обоих микроскопах штрихи
поверяемого подразделения (0–1), (0–2),..., (0–10) дм поверяемой меры;
повторяют наблюдение конечных штрихов в обратном порядке: сначала – в левом, а
затем – в правом микроскопах;
передвигают стол в обратном направлении и последовательно наблюдают штрихи
всех поверяемых подразделений в обратном порядке до начального штриха;
вторично производят отсчеты по шкале термометра.
При поверке методом поперечного компарирования микроскопы компаратора устанавливают так, чтобы в поле зрения левого микроскопа наблюдался начальный (нулевой)
штрих меры 1-го разряда, а в поле зрения правого микроскопа – конечный штрих поверяемого интервала. В этом положении микроскопы закрепляют. Регулировочными винтами компаратора меру 1-го разряда и поверяемую меру устанавливают так, чтобы их оси
были параллельны друг другу и оси компаратора. Изображение штрихов исходной и поверяемой мер должно быть резким. Если температурные коэффициенты расширения мер
различны, то рядом с ними на специальной подставке помещают термометр.
Поверку на компараторе производят в следующем порядке:
производят отсчет по шкале термометра;
наблюдают в левый и правый микроскопы соответственно начальный и конечный
штрихи меры 1-го разряда;
перемещая ванну или стол компаратора, подводят под микроскопы поверяемую меру;
наблюдают в левый и правый микроскопы соответственно начальный и конечный
штрихи поверяемого интервала меры. Каждое наблюдение состоит из трех наведений биссектора левого микроскопа на начальный штрих и из трех наведений биссектора правого
микроскопа на конечный штрих;
вторично производят отсчет по термометру.
Измерительные металлические линейки являются рабочими штриховыми мерами и
предназначены для линейных измерений путем непосредственного сравнения измеряемых
размеров со шкалой меры.
Линейки изготовляют со шкалами на пределы измерений 150, 300, 500 и 1000 мм.
Цена делений шкалы линеек, как правило, 1 мм и, в редких случаях, 0,5 мм. Линейки
с верхним пределом измерений до 500 мм имеют ширину 18–22 и толщину 0,4–0,6 мм, а
линейки с пределом измерений 1000 мм – ширину 30–40 и толщину 0,8–1,0 мм.
Измерительные линейки изготовляют из стальной пружинной термообработанной
ленты со светлой полированной поверхностью. На линейки наносят антикоррозийное
хромовое покрытие толщиной слоя не менее 3 мкм.
В соответствии с ГОСТ 427–75 отклонения общей длины линеек и расстояний от
любого штриха до начала или конца шкалы их номинального значения не должны превышать ±0,1 мм на длине до 300 мм, ±0,15 мм на длине свыше 300 до 500 мм и ±0,2 мм на
длине свыше 500 до 1000 мм.
Шкалы металлических измерительных линеек поверяют по образцовой штриховой
мере длиной до 1 м.
Измерительные металлические рулетки (ГОСТ 7502–69) предназначены для измерений путем непосредственного сравнения определенных расстояний и размеров со шкалой рулетки.
Основными типами измерительных металлических рулеток являются:
1) РС – самосвертывающаяся стальная кнопочная рулетка длиной 1 и 2 м;
2) РЗ – рулетка стальная длиной 2; 5; 10; 20; 30 и 50 м;
3) РЖ – рулетка желобчатая длиной 1 и 2 м.
В зависимости от типа, класса точности (1, 2 и 3) и длины рулеток установлены допускаемые отклонения их действительной длины: от ±0,4 до ±7 мм на всю длину рулетки;
от ±0,2 до ±0,4, мм на метровое и дециметровое подразделения; от ±0,1 до ±0,3 мм на сантиметровое подразделение и от 0,05 до ±0,2 мм на миллиметровое.
При измерении рулетками суммарная погрешность измерений складывается из погрешности градуировки шкалы и отсчета; температурной погрешности; непараллельности
шкалы рулетки и оси изделия; провисания рулетки или удлинения ее вследствие натяжения.
Рабочие рулетки поверяют по образцовым стальным рулеткам 2-го разряда.
Для поверки образцовых рулеток 2-го разряда и других мер длины соответствующей
точности во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева разработана образцовая 1-го разряда рулетка
длиной 20 м.
Отклонения общей длины этой рулетки и длины отдельных ее подразделений от соответствующих номинальных значений составляют:
1) отдельные миллиметровые подразделения ±0,02 мм;
2) отдельные сантиметровые подразделения ±0,02 мм;
3) отдельные дециметровые подразделения ±0,05 мм;
4) отдельные метровые подразделения ±0,05 мм.
Рулетка представляет собой металлическую ленту с измерительной шкалой и барабан, на который наматывается лента. От загрязнений и механических повреждений рулетку предохраняет кожух. Образцовую рулетку 1-го разряда поверяют на оптико-механическом компараторе сличением с рабочим эталоном – четырехметровым жезлом.
ОБРАЗЦОВЫЕ ШТРИХОВЫЕ МЕРЫ ДЛИНЫ
В метрологической практике применяют следующие образцовые штриховые меры:
образцовую штриховую меру длиной 1 м 1-го разряда; образцовую штриховую меру длиной 1 м 2-го разряда; образцовые измерительные рулетки 1-го и 2-го разрядов; образцовые
шкалы 1-го и 2-го разрядов.
Образцовая штриховая мера длиной 1 м 1-го разряда изображена на рис. 1. Она
представляет собой жесткую металлическую линейку 4, имеющую скошенные (один или
оба) края под углом 45 или 35°. На наклонных поверхностях нанесены шкалы – основная с
ценой деления 0,2 мм и вспомогательная с ценой деления 1 мм. Мера снабжена направляющим ребром 3, по которому могут перемещаться две лупы 1 с семикратным увеличением, и термометром 2.
Рис. 1. Образцовая штриховая мера 1-го разряда
Иногда при проверке образцовых штриховых мер длиной 1 м 1-го разряда, изготовленных из латуни и инвара (при этом на линейке делается соответствующая надпись),
вводят соответствующую температурную поправку, учитывающую разность коэффициентов теплового расширения материала образцовой и рабочей штриховых мер.
Если однометровая штриховая мера 1-го разряда изготовлена из стали, т. е. из такого
же материала, как и поверяемая им стальная измерительная линейка, то температурную
поправку не вносят.
Допускаемая погрешность шкалы однометровой образцовой штриховой меры 1-го
разряда составляет ±0,05-мм, а погрешность аттестации ±0,01 мм.
Образцовый метр-компаратор 2-го разряда (рис. 2) предназначен для поверки рабочих штриховых мер, общая длина которых равна расстоянию между их торцами. Он состоит из:
а) жесткой стальной линейки 5 прямоугольного сечения, на верхней поверхности которой нанесена шкала общей длиной 1020 мм и ценой деления 1 мм;
б) неподвижной стальной измерительной губки /, скрепленной с рамкой и насаженной на линейку, и второй подвижной губки 2, перемещающейся по ней. Для удобства поверки подразделения брусковых мер, подвижная губка может быть подъемной или метркомпаратор снабжен второй рамкой с подъемной губкой.
Внутренние поверхности неподвижной и подвижной губок являются измерительными. На скошенной внутрь кромке подвижной рамки нанесена шкала нониуса 3, позволяющего производить отсчет с погрешностью не более 0,1 мм.
Образцовые металлические рулетки 2-го разряда служат для поверки рабочих металлических линеек. По своей конструкции они соответствуют рулеткам типа РС.
Образцовые рулетки 2-го разряда поверяют стальными рулетками 1-го разряда.
Рис. 2. Образцовый метр-компаратор 2-го разряда
Рабочие рулетки и образцовые рулетки 2-го разряда поверяют по образцовым рулеткам 1-го разряда на специальном столе путем их сравнения. При этом лента рулетки
должна находиться в натянутом состоянии, для чего к ней подвешивают груз массой 5 кг
(сила натяжения равна примерно 50 Н).
Образцовые рулетки 2-го разряда можно поверять также с помощью однометровой
образцовой штриховой меры 1-го разряда'. Рулетки 1-го разряда поверяют на штриховом
компараторе.
Образцовые шкалы 1-го и 2-го разрядов предназначены для поверки шкал измерительных приборов.
Шкалы 1-го разряда используют для поверки шкал 2-го разряда I шкал измерительных приборов (универсальные микроскопы, измерительные машины и т. п.). Шкалы 2-го
разряда применяют для поверки шкал измерительных приборов (инструментальные микроскопы, длиномеры и т. п.) и самих приборов.
Образцовые шкалы можно изготовлять в виде брусков прямоугольного сечения из
различных материалов – сплавов никелевой ;тали (инвар, платинит, сплав 58% никеля и
42% железа); нержавеющей стали; сплавов драгоценных металлов; оптического стекла I
кварца.
На верхней полированной плоскости шкал 1-го и 2-го разрядов нанесены штрихи через каждый миллиметр по всей ее длине. Пер-5ый или последний миллиметр шкалы 1-го
разряда имеет подразде-1ения 0,1 мм либо на той же плоскости меры до начального
штриха или после последнего штриха основной шкалы наносится дополнительная шкала
длиной 1 мм с подразделениями через 0,1 мм. Сантиметровые, а иногда и миллиметровые
штрихи шкал имеют соответствующие числовые обозначения.
Ось меры у шкал 1-го и 2-го разрядов обозначается по всей ее (.лине двумя взаимно
параллельными продольными линиями с расстоянием между ними 0,1–0,3 мм.
У стеклянных шкал ось меры обозначается только по концам меры без пересечения
ее штрихов.
Стеклянные образцовые шкалы, как правило, имеют покровное текло, предохраняющее их шкаловую поверхность от повреждений.
Поверку с помощью шкал проводят на приборах, снабженных микроскопами. Перед
началом измерений поверяемую и образцовую шкалы устанавливают на столе компаратора таким образом, чтобы продольная ось каждой шкалы была параллельна направлению
перемещения стола. Все штрихи каждой из шкал должны быть отчет-пиво видны в соответствующий микроскоп. При пользовании стеклянными шкалами их штрихи должны
рассматриваться в проходящем свете.
Допускаемые погрешности образцовых шкал 1-го разряда от ±0,2 до ±0,5 мкм в зависимости от длины шкалы; шкал 2-го разряда ±0,5 мкм.
ЭТАЛОННЫЕ ШТРИХОВЫЕ МЕРЫ ДЛИНЫ
В период с 1889 по 1960 г. до принятия нового определения метра, выражаемого в
длинах световых волн, в основу его определения был взят международный прототип. Он
представлял собой эталонную штриховую меру Х-образного сечения, изготовленную из
платино-иридиевого сплава (90% платины и 10% иридия) длиной 102 см. Х-образная
форма была придана ему потому, что при этом он имел наименьшую массу при наибольшей жесткости. На средней нейтральной плоскости, менее всего подвергающейся деформации, с обоих концов метра имелись две отполированные площадки, на которых были
нанесены три вертикальных штриха с интервалом между собой 0,5 мм. Длина в 1 м определялась расстоянием между осями средних штрихов при температуре 0° С. Перпендикулярно этим штрихам вдоль оси меры были нанесены два штриха на расстоянии 0,2 мм
друг от друга.
В соответствии с решением XI Генеральной конференции по мерам и весам 1960 г.
платино-иридиевый прототип метра стали хранить в Международном бюро мер и весов в
таких же условиях, какие были установлены в 1889 г. I Генеральной конференцией по мерам и весам.
Во Всесоюзном Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте метрологии им. Д. И. Менделеева (ВНИИМ) хранятся также следующие эталоныкопии метра, являющиеся вторичными эталонами, заменяющими при метрологических
работах первичный эталон:
а) платино-иридиевые эталоны метра № 28 и № 11 из серии первоначально изготовленных по заказу Международного бюро мер и весов в количестве 31 шт. В 1957–1958 гг.
на эталон № 11 была нанесена шкала с дециметровыми делениями, делением первого дециметра на сантиметры и первого сантиметра на миллиметры. После нанесения новых
штрихов эталон № 11 был заново аттестован в Международном бюро мер и весов;
б) платино-иридиевый эталон М 20 такого же поперечного сечения как метры № 28
и № 11, отличающийся от них тем, что его отградуировали не при 0°С, а при нормальной
температуре 20° С;
в) платино-иридиевый эталон № 2, имеющий Н-образное сечение, длиной, равной 1
м, являющийся одновременно и штриховой и концевой мерой;
г) платино-иридиевый эталон № 4, имеющий такую же форму поперечного сечения,
как и метры № 28 и № 11, но длину, равную полусажени в старых русских мерах (1,06680
м). Он имеет три шкалы: метра, аршина и ярда, что позволяет найти точные соотношения
между метрическими, старыми русскими и применяющимися в Англии и США мерами
длины.
В метрологических институтах СССР' находятся рабочие штриховые эталоны длины, применяемые для поверки по ним образцовых мер длины и образцовых приборов для
измерения длины первого разряда, а также для поверки особо точных рабочих мер и измерительных приборов.
Рабочие штриховые эталоны длины изготовляют из некоторых сплавов, например,
инвара (36% никеля и 64% железа), имеющего очень малый температурный коэффициент
расширения; платинита (42% никеля и 58% железа), температурный коэффициент расширения которого близок к температурному коэффициенту иридистой платины и инварстабиля (58% никеля и 42% железа), температурный коэффициент которого близок к температурному коэффициенту углеродистой стали, служащей для изготовления образцовых
мер длины.
Эти рабочие эталоны представляют собой брусковые штриховые меры Н-образной и
прямоугольной форм.
Для аттестации точных штриховых мер, применяемых в станко-инструментальной
промышленности,
метрологическим
отделом
Экспериментального
научноисследовательского института металлорежущих станков (ЭНИМС) изготовлена эталонная
штриховая мера длины, аттестованная ВНИИМ им. Д. И. Менделеева в качестве рабочего
штрихового эталона.
ПОВЕРОЧНАЯ СХЕМА ДЛЯ ШТРИХОВЫХ МЕР ДЛИНЫ
Поверочная схема представляет собой исходный документ, устанавливающий метрологическое соподчинение эталонов, образцовых средств измерений и порядок передачи
размера единиц образцовым и рабочим средствам измерений.
На рис. 3 в сокращенном виде приведена поверочная схема для штриховых мер длины в соответствии с ГОСТ 8.020–75. Схема разделена на три части: эталоны, образцовые
средства измерений и рабочие средства измерений.
Рис. 3. Сокращенная поверочная схема для штриховых мер длины
Во главе поверочной схемы для штриховых мер и поверяемых по ним средствам измерений стоит Государственный первичный эталон единицы длины – комплекс средств
для воспроизведения единицы длины – метра в длинах световых волн первичного эталонного излучения криптона-86 в соответствии со спецификацией.
Государственный первичный эталон единицы длины обеспечивает воспроизведение
метра со средним квадратическим отклонением результата измерений S0 = 5-10-9.
В верхней части общесоюзной поверочной схемы для штриховых мер длины и поверяемых по ним средствам измерений находятся эталоны-копии в виде платино-иридиевых
штриховых мер и мер для сличения интерферометров до 1 м со средним квадратическим
отклонением результата поверки S = (0,01–0,02 L) мкм, а также эталон-копия в виде комплекса средств для абсолютных измерений Длины в длинах волн вторичных эталонных
излучений криптона-86, ртути-198 или кадмия-114 и стабилизированных гелий-неоновых
лазеров. Эталоны-копии с первичным эталоном длины сличают посредством абсолютных
интерференционных измерений.
Размер метра при его воспроизведении передается вторичным эталонам – платиноиридиевым метрам № 11, М20° и № 2, по своему метрологическому назначению играющим роль эталонов-копий, а также эталонным штриховым мерам, применяемым при периодическом контроле правильности абсолютных измерений длины на интерференционных установках метрологических институтов с использованием вторичных эталонных
длин волн.
Платино-иридиевый метр № 2 является одновременно штриховой и концевой мерой,
и действительную длину его как концевой меры можно определять с помощью горизонтального интерферометра ВНИИМ.
Действительную длину подразделений шкалы метров № 11 и М20° определяют или
измерением на интерференционном компараторе в длинах волн первичного эталонного
излучения, или применяя метод калибровки.
Вторичные эталоны хранят и применяют в метрологических институтах страны и
органах ведомственной метрологической службы.
Платино-иридиевые штриховые эталоны – метр № 28, прежде служивший первичным эталоном, и мера П-4, имеющая подразделения в единицах русской, английской и
метрической систем в поверочную схему не входят. Их хранят как архивные эталоны.
В качестве рабочих эталонов служат наборы, состоящие из мер длиной 1 мм – 4 м. К
рабочим эталонам отнесены также трехметровый платиновый жезл Н15 и четырехметровый инварный жезл № 1903.
Действительные значения рабочих эталонов длиной 1 мм – 4м определяют как интерференционным методом с использованием вторичных эталонных длин волн, так и сличением с вторичными платино-иридиевыми эталонами посредством компараторов ВНИИМ.
Действительные значения длины подразделений рабочих эталонов метра и дециметра определяют, или используя вторичные эталонные длины волн, или сличая рабочие эталоны со вторичными эталонами – платино-иридиевыми метрами № 11 или М20°, или калибруя их на однометровом компараторе.
Трех- и четырехметровые жезлы поверяют сличением с вторичными эталонами на
четырехметровом компараторе ВНИИМ.
Рабочие эталоны также хранят и используют в метрологических институтах и органах ведомственной метрологической службы.
Образцовые штриховые меры длины применяют во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева, а
также в других метрологических институтах страны, лабораториях государственного надзора за стандартами и измерительной техникой и лабораториях предприятий.
Образцовые штриховые меры 1-го разряда поверяют во ВНИИМ и других метрологических институтах сличением с рабочими эталонами или измерением интерференционным методом с использованием вторичных эталонных длин волн. Образцовые штриховые
меры 2-го разряда поверяют в органах метрологической службы страны (по образцовым
мерам 1-го разряда).
Кроме того, миллиметровые и сантиметровые подразделения Штриховых мер повышенной точности можно поверять сличением их с образцовыми штриховыми мерами
первого разряда или методом калибровки. В качестве образцовых штриховых мер 2-го
разряда можно использовать метры-компараторы, штангенциркули, а также штриховые
метры и другие меры.
КОНЦЕВЫЕ МЕРЫ ДЛИНЫ
Плоскопараллельные концевые меры длины (рис. 4) имеют форму прямоугольного
параллелепипеда с двумя плоскими взаимно параллельными измерительными поверхностями. Они предназначены для передачи размеров от длины основной световой волны до
размеров изделия. С их помощью хранят и воспроизводят единицы длины, поверяют и
градуируют меры и измерительные приборы, такие, как оптиметры, микрометры, штангенциркули и др. Меры используют также для установки на ноль при относительных измерениях, для непосредственных измерений размеров изделий, а также для особо точных
разметочных работ и наладки станков.
Рис. 4. Плоскопараллельные концевые меры длины
Концевые меры, служащие для поверки и градуировки средств измерений, называют
образцовыми, а меры, применяемые для измерения изделий и разметочных работ, – рабочими.
Основные параметры и размеры плоскопараллельных концевых мер длины и технические требования к ним установлены ГОСТ 9038–73 и ГОСТ 8.166–75.
Номинальная длина концевой меры (в любой точке) есть длина перпендикуляра,
опущенного из одной из измерительных поверхностей на ее противоположную измерительную поверхность.
Отклонение длины концевой меры от номинальной есть наибольшая по абсолютному значению разность между длиной меры в любой точке и номинальной длиной меры.
Отклонение от плоскопараллельности концевой меры есть разность между ее наибольшей и наименьшей длиной.
ГОСТ 9038–73 устанавливает номинальные длины концевых мер и градации между
ними, приведенные ниже.
Номинальные значения
длины концевых мер, мм
От 0,991 до 1,01 включительно
От 1,991 до 2,009 включительно
От 0,1 до 0,7 включительно
От 1 до 1,5 включительно
От 0,1 до 2,0 включительно
От 0,5 до 25 включительно
От 1,0 до 25 включительно
От 10 до100 включительно
От 25 до 200 включительно
От 50 до 300 включительно
От 100 до 1000 включительно
Градация
через мм
0,001
0,001
0,01
0,01
0,1
0,5
1,0
10
25
50
100
Концевые меры длины комплектуют в наборы, обеспечивающие возможность получения блока концевых мер любого размера до третьего десятичного знака. Блок составляют путем притирки измерительной поверхности одной концевой меры к измерительной
поверхности другой. Притираемость концевой меры – свойство ее измерительных поверхностей, обеспечивающее прочное сцепление концевых мер между собой, а также с пло-
ской стеклянной или кварцевой пластиной при прикладывании или надвигании одной меры на другую или меры на пластину.
Притираемость мер объясняется молекулярным притяжением в присутствии тончайших слоев смазки. Пленка смазки, толщина которой приблизительно равна 0,02 мкм,
остается на концевых мерах при обычно применяемых методах их промывки в бензине.
Полное удаление смазки ведет к значительному (в десятки раз) уменьшению силы сцепления концевых мер. Для обеспечения притираемости шероховатость измерительных поверхностей должна быть не больше по параметру Rz чем 0,065–0,050 по ГОСТ 2789–73.
Размер блока концевых мер равен сумме размеров концевых мер, входящих в его состав.
Для соединения в блок концевых мер длиной более 100 мм, а также меры длиной 100
мм, входящих в наборы из мер длиной 100 мм и выше, имеются два отверстия для соединения мер в блок с помощью стяжек. Отверстия для стяжек располагаются на расстоянии
25 мм от измерительных поверхностей.
В машиностроении широко применяются наборы концевых мер, состоящие из: 83
мер (набор № 1); 38 мер (набор № 2) и 112 мер (набор № 3). В каждый набор кроме того
входят две пары дополнительных (защитных) мер с номинальным размером 1 и 1,5 (или 2)
мм. Защитные меры притираются к концам блока всегда одной и той же стороной и служат для предохранения основных мер набора от износа и повреждения. Защитные меры в
отличие от основных мер набора имеют срезанный угол и дополнительную буквенную
маркировку.
На каждую концевую меру наносят значение ее номинальной длины. На мерах 5,5
мм и менее значение номинальной длины наносят на одной из измерительных поверхностей. Знаки наносят на максимальном удалении от середины измерительных поверхностей. На мерах более 5,5 мм значение номинальной длины наносят на нерабочей поверхности. На защитных мерах, кроме указанной маркировки, делают также отличительный
знак.
Для расширения области применения концевых мер при контрольных и разметочных
операциях выпускают наборы принадлежностей, в состав которых входят:
1) державки для крепления блоков концевых мер;
2) основание, предназначенное для установки державки с блоком мер;
3) стяжки, используемые для крепления блоков с мерами более 100 мм;
4) зажимной сухарь для крепления стяжками блоков концевых мер с боковиками;
5) плоскопараллельные боковики для наружных измерений;
6) радиусные боковики для внутренних и наружных измерений;
7) центровой и чертильный боковики для разметочных работ.
В последнее время концевые меры длины изготовляют из твердых сплавов, высокая
износоустойчивость которых обеспечивает им длительный срок службы. Параметры этих
мер и технические требования к ним регламентированы в ГОСТ 13581–68 «Меры длины
концевые плоскопараллельные из твердого сплава».
ГОСТ 9038–73 «Меры длины концевые плоскопараллельные» устанавливает в основном четыре класса точности концевых мер: 0; 1; 2 и 3. Класс точности концевых мер
определяется точностью их изготовления: отклонением длины мер от номинального значения и отклонением их от плоскопараллельности. Кроме того, по специальному соглашению сторон могут изготовляться меры класса 00 с более высокими показателями точности.
В табл. 2 приведены отклонения длины концевых мер от номинального значения и
от плоскопараллельности для различных номинальных значений длины концевых мер
всех четырех классов точности. ГОСТ 8.166–75 устанавливает дополнительно еще два
класса точности плоскопараллельных концевых мер длины: 4 и 5. В табл. 3 приведены допускаемые отклонения длины концевых мер классов точности 4 и 5 от номинального значения и от плоскопараллельности. Если класс точности концевых мер определяется точ-
ностью их изготовления, то по точности аттестации концевых мер, т.е. погрешности действительного значения длины и отклонению от плоскопараллельности делят концевые меры на пять разрядов: 1,2,3,4 и 5. Разделение концевых мер на классы относится к рабочим
мерам, применяемым при измерениях. Класс меры является характеристикой меры с точки зрения правильности ее размера. Для измерений используют концевые меры того класса точности, у которого предельные отклонения длины не превышают требований, допускаемых при данном измерении.
Таблица 2
Таблица 3
Разделение же концевых мер на разряды относится к образцовым мерам, служащим
для проверки и градуировки. В этом случае необходимо знать поправки к номинальному
значению каждой меры, отклонения от плоскопараллельности и предельные погрешности
определения значения каждой меры.
Предельные погрешности действительного значения длины концевых мер соответствующего разряда и отклонения их от плоскопараллельности не должны превышать значений, указанных в табл. 4.
Формулы предельных погрешностей действительного значения длины для разрядов
мер 1, 2, 3, 4 и 5 соответственно следующие: ±(0,02 + 0,2l); ±(0,05+0,5 l); ±(0,1 + 1 l);
±(0,2+2 l) и ±(0,5 + 5 l). Для мер класса 1 и 2 до 100 мм, которым присвоен государственный Знак качества, установлены меньшие допускаемые отклонения.
Таблица 4
ПОВЕРКА КОНЦЕВЫХ МЕР ДЛИНЫ
Основные положения о методах, средствах и условиях поверки концевых мер длины
установлены ГОСТ 8.166–75.
Размер длины концевой меры при нормальных условиях определяется расстоянием
между двумя поверхностями. Одна из них является свободной измерительной поверхностью меры, а вторая плоской поверхностью вспомогательной пластины, к которой мера
притерта другой своей измерительной поверхностью.
Нормальными условиями поверки и применения концевых мер являются: температура 20° С; атмосферное давление 101325 Па (760 мм рт. ст.); давление водяных паров в
воздухе 1333 Па (10 мм рт. ст.); вертикальное и горизонтальное положение мер длиной до
100 мм и горизонтальное положение мер длиной свыше 100 мм при расположении мер
узкой нерабочей поверхностью на двух опорах, находящихся на расстоянии 0,211l от концов меры, где l – номинальный размер меры; отсутствие внешних сил, изменяющих длину
меры (кроме силы тяжести и силы сцепления между мерой и вспомогательной пластиной).
Все методы поверки плоскопараллельных концевых мер можно разделить на контактные и бесконтактные.
Контактные методы измерений осуществляются с помощью концевых измерительных машин, оптиметров, оптикаторов и контактных интерферометров.
Бесконтактные методы измерения концевых мер основаны на явлении интерференции света и осуществляются с помощью интерференционного компаратора (абсолютный
интерференционный метод); с помощью интерференционного компаратора (относительный интерференционный метод) и с помощью плоских стеклянных пластин (сравнительный интерференционный метод).
Выбор методов и средств поверки концевых мер регламентируется ГОСТ 8.166–75 в
зависимости от разряда, по которому аттестуют поверяемую концевую меру, и класса, к
которому будет отнесена концевая мера после поверки, и номинального размера концевой
меры.
ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ МЕТОД ТОЧНЫХ ЛИНЕЙНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
Наиболее точными методами измерения концевых мер являются методы, основанные на интерференции света, т. е. сложении двух когерентных световых колебаний, приходящих в одну точку. Когерентными колебаниями называют колебания одинаковой частоты и поляризации, сохраняющие постоянную разность фаз. Когерентные колебания
обычно получают от одной светящейся точки путем расщепления светового луча на два.
Если в одну точку приходят два когерентных колебания с равными амплитудами и с
разными фазами, выражаемые уравнениями
y1
a sin
2 t
1
T
и y2
a sin
2 t
T
2
то результирующее колебание выражается уравнением
y1
a sin
2 t
T
где y1 и y2 – расстояние точек от положения равновесия; φ1 – фаза первого колебания; φ2 – фаза второго колебания; φ – фаза результирующего колебания.
Амплитуда результирующего колебания
A
2 a cos
1
2
2
При φ1 = φ2=2kπ, т. е. когда в одну точку приходят два колебания а и b с одинаковой
фазой, амплитуды их складываются и колебания усиливаются (рис. 5,а).
Рис. 5. Интерференция двух колебаний с фазами: а - одинаковой; б - противоположными
Если в одну точку приходят два колебания с противоположными фазами, амплитуды
их вычитаются, а при равенстве амплитуд колебания уничтожаются (рис. 5,б).
Разность фаз φ1 – φ2 двух световых колебаний можно выразить через оптическую
длину пути. Обозначим через х1 и х2 геометрические пути световых пучков, соответствующие расстояниям от источников до рассматриваемой точки волнового поля, а через п1
и п2 – показатели преломления сред, в которых распространяются колебания. Тогда оптическая разность хода
L1
L2
( x 1 n1
x 2 n2 )
Максимум энергии в данной точке (φ1 – φ2) =2kπ будет получен, если
L1
L2
2
2
Во всех точках волнового поля, для которых оптическая разность хода равна целому
числу длин волн, колебания усиливаются, т. е. наблюдается свет. В точках же, для которых оптическая разность 'хода равна нечетному числу полуволн
L1
L2
(2
1)
2
происходит ослабление колебаний, и при равенстве амплитуд слагаемых колебаний в
этих точках поля энергия равна нулю, т.е. наблюдается полная темнота. Таким образом,
картина интерференции света представляет собой ряд светлых и темных полос.
Как указывалось выше, явление интерференции света имеет место, когда складываются два когерентных колебания, получаемые от одного источника света. Тогда разность
фаз этих колебаний определяется только оптической разностью хода. Явление интерференции хорошо наблюдается в случае прохождения света через клинообразное прозрачное
тело.
Возьмем клинообразную стеклянную пластину (рис. 6).
Рис. 6. Интерференция света в клинообразной пластине
Пусть источник света S посылает лучи на пластину. Часть лучей отразится от поверхности АВ стекла в виде луча МО; часть лучей войдет внутрь клина, преломится на некоторый угол, отразится от нижней поверхности пластины СD в точке М1 и выйдет из
пластины в точке Р под некоторым углом преломления в виде луча РО. Оба эти луча пересекутся в точке О. Лучи SМО и SМ1О проходят различные пути и придут в точку О с
различными фазами. Разность фаз будет зависеть от разности хода лучей. Если разность
хода равна четному числу полуволн, то в точке О будет видна светлая полоса; если разность хода равна нечетному числу полуволн, то будет видна темная полоса. Если источник света S испускает белый свет, светлые полосы оказываются радужными. Когда на
пластину будут падать однородные лучи, например, красные (которые можно получить
при пропускании белого света через светофильтр из красного стекла), световые полосы
окажутся ярко-красными, а темные полосы совершенно черными. Таким образом, в различных местах клина в зависимости от его ширины будут видны темные и светлые полосы.
Возьмем теперь две стеклянные пластины с совершенно гладкими поверхностями,
положим на край одной из них коконовую нить и прижмем к ней вторую пластину. Между пластинами образуется узкий воздушный клин. Если на поверхность одной пластины
направить лучи света, то получится картина, подобная описанной выше. Часть лучей света
будет отражаться от верхней поверхности, ограничивающей воздушный клин, другая
часть – от нижней поверхности. В месте пересечения лучей будут наблюдаться светлые и
темные интерференционные полосы. В точке соприкосновения обеих поверхностей будет
темная полоса. В том месте, где толщина пластины такова, что разность хода лучей составляет одну полуволну, появится светлая полоса. Там, где разность хода лучей равна
двум полуволнам, возникнет снова темная полоса, при трех полуволнах – светлая и т. д.
Предположим, что толщина коконовой нити равна 2,7 мкм. Если определить число темных полос на пластине при красном свете, то можно увидеть, что оно равно восьми. Следовательно, на самом широком месте воздушного клина разность хода между лучами равна восьми световым волнам. А так как в воздушном клине луч проходит путь дважды, то
толщина его в самом широком месте равна четырем волнам. Отсюда можно заключить,
что длина одной волны красного света приблизительно равна 2,7 : 4 = 0,68 мкм. Если
взять синий свет, то число темных полос будет около двенадцати и длина1 волны синего
света окажется равной 2,7 : 6 = 0,48 мкм.
Следовательно, синие полосы будут уже и чаще расположены, чем красные. Таким
простым опытом можно определить приблизительно длину световых волн различных цветов. Зная же длину световой волны и число полос, можно найти толщину воздушного
слоя.
Очевидно также, чем больше будет угол воздушного клина, тем гуще расположатся
полосы, и чем меньше будет угол, тем реже расположатся полосы.
На явлении интерференции света основано устройство интерференционного компаратора, служащего для определения длины метра в длинах световых волн.
АБСОЛЮТНЫЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕВЫХ МЕР
Абсолютный интерференционный метод измерения плоскопараллельных концевых
мер заключается в измерении длины меры непосредственно в длинах световых волн. На
рис. 7 дано схематическое изображение хода лучей в интерферометре.
Рис. 7. Схема хода лучей в интерферометре
Свет от источника В проходит через объектив А и параллельным пучком падает на
призму С, где разлагается на лучи определенного цвета. Далее свет попадает на полупосеребренную пластину S1 и разделяется на два пучка: один из них, отразившись от пластины
S1, проходит через пластину S2, отражается от зеркала F и после отражения и прохождения через пластины S2 и S1 собирается объективом М в точке H. Другой пучок проходит
через пластину S1, отражается от поверхности S концевой меры К и от поверхности пластины Q, к которой она притерта, отражается далее от пластины S1 и собирается в точке Н.
Наблюдатель в точке H увидит вблизи зеркала F мнимое изображение пластины Q с притертой к ней концевой мерой К. Изменением расстояния между пластиной S1 и концевой
мерой К можно добиться такого положения, чтобы зеркало F оказалось посредине между
изображением верхней поверхности концевой меры и изображением верхней поверхности
пластины Q.
Если столик, на котором установлена мера К, немного наклонить, то между зеркалом
F и поверхностями S и Q образуется угол – воздушный клин. Пучки лучей, собранные в
точке H, дадут две системы параллельных интерференционных полос (рис. 8). Одна система образуется лучами, отраженными от мнимого изображения поверхности S (см. рис.
7) и зеркала F, а вторая – лучами, отраженными от мнимого изображения поверхности Q и
зеркала F.
Рис. 8. Интерференционные полосы
На поверхности зеркала F выгравирован крест, тонкие линии которого видны на фоне интерференционной картины. Установив грани концевой меры параллельно нитям креста и точку пересечения последних в середине меры, винтами изменяют наклон столика
так, чтобы интерференционные полосы были параллельны вертикальной черте. Интерференционная картина дает смещение полос. Если поверхности S и Q строго параллельны,
то полосы будут также параллельны (рис. 8, a). Если при этом расстояние h между поверхностью S и пластиной Q точно равно целому числу волн, то параллельные полосы на концевой мере и на пластине Q совпадут (рис. 8, б) и смещения полос не будет. Если поверхности S и Q не параллельны, полосы будут располагаться под углом друг к другу (рис. 8,
в). Толщина воздушного слоя, равная длине концевой меры
h
(
f)
2
где k – целое число волн или порядок интерференции; f – дробная его часть; λ– длина световой волны.
Целое число порядка интерференции k определяют по методу совпадения дробных
частей. Для этого проводят измерения при нескольких (не менее трех) различных длинах
волн, т. е. при различных линиях спектра. При этом длина концевой меры должна быть
предварительно измерена каким-либо способом с погрешностью до 1–0,5 мкм.
Так как длины волн не одинаковы, то в одной и той же толщине h будет содержаться
неодинаковое число волн.
В настоящее время существуют таблицы, в которых приведены значения дробных
частей для различных длин воздушной прослойки и различных линий спектра, начиная от
1 мкм до 200 мм через каждые 1 мкм; сконструированы специальные линейки (типа логарифмических), позволяющие быстро определять длину по наблюдаемым дробным числам.
Дробная часть порядка интерференции представляет собой соотношение
f
x
b
,
где х – расстояние от точки пересечения нитей креста (или от одной из нитей) до середины ближайшей к ней темной полосы меньшего порядка; b – расстояние между серединами двух смежных темных полос. Это отношение оценивается на глаз. При ярких и не
слишком частых полосах (а их устанавливают около пяти на поверхности концевой меры)
можно определить смещение с погрешностью до 0,05 полосы, а при некотором навыке –
до 0,02. Для меры длиной 100 мм эта погрешность равна 0,1 мкм. При абсолютном методе
измерения концевых мер необходимо учитывать влияние температуры; барометрического
давления; влажности окружающего воздуха и др.
Абсолютный интерференционный метод измерения срединной длины концевых мер
в длинах световых волн применяют для измерения образцовых концевых мер 1-го разряда
и рабочих мер класса 00.
СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ
ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНЫХ КОНЦЕВЫХ МЕР
МЕТОДЫ
ИЗМЕРЕНИЙ
Измерения длины и отклонений от плоскопараллельности образцовых концевых мер
2, 3 и 4-го разрядов производятся методом сравнения их с мерами более высокого разряда.
Измерения длины образцовых мер осуществляются сравнительным интерференционным
методом путем сравнения с мерами 1-го разряда. Допускается поверку концевых мер 2-го
разряда проводить абсолютным интерференционным методом. Для поверки концевых мер
2-го разряда по концевым мерам 1-го разряда сравнительным интерференционным методом обе меры одинакового номинального размера притираются к плоской стеклянной
пластине так, чтобы они соприкасались между собой вдоль длинных сторон. Затем их помещают на столик интерферометра и устанавливают его таким образом, чтобы интерференционные полосы на образцовой плите были параллельны ее короткой стороне.
Измерения могут быть проведены и в белом свете. В поле зрения видны радужные
цветные полосы кроме двух темных полос по одной на каждой мере, соответствующих
разности хода, равной нулю. Сосчитав, сколько цветных полос и их долей находится между этими темными полосами, и принимая, что одна полоса при белом свете соответствует
длине 0,29 мкм, определяют с большой точностью разность в микрометрах между длинами мер 1-го и 2-го разрядов.
Иногда в качестве источника света используют зеленую линию гелия. В этом случае
одна полоса соответствует длине 0,25 мкм.
Характер расположения интерференционных полос для различных соотношений
между сравниваемыми мерами такой же, как на рис. 8.
Для поверки концевых мер 3 и 4-го разрядов применяют сравнительный интерференционный метод с помощью контактных интерферометров. В метрологической практике применяют также сравнительный интерференционный метод измерения концевых мер
с помощью плоских стеклянных пластин для интерференционных измерений, который
используют для поверки концевых мер 3-го разряда по образцовым мерам 2-го разряда и
для поверки концевых мер 4-го разряда по образцовым мерам 3-го разряда. С его помощью измеряют также длину концевых мер класса точности 1. Метод заключается в измерении разности высот воздушного клина путем определения взаимного смещения интерференционных полос.
Сравнительный интерференционный метод осуществляется следующим образом.
Поверяемая 1 и исходная 2 меры (рис. 9, а, б) притираются нижними измерительными поверхностями к плоской, стеклянной пластине. Меры помещают рядом, вплотную (исходная слева, поверяемая справа) так, чтобы средние точки измерительных поверхностей по
возможности находились на одной прямой, параллельной их коротким ребрам.
Рис. 9. Поверка концевых мер сравнительным интерференционным методом
Длину поверяемой меры определяют следующим образом. Стеклянную пластину с
притертыми к ней мерами располагают так, чтобы передние нерабочие поверхности мер
были обращены к наблюдателю. После этого на свободные измерительные поверхности
мер накладывают верхнюю стеклянную пластину, устанавливая ее ребро скоса параллельно коротким ребрам мер.
Слегка нажимая на верхнюю стеклянную пластину и изменяя ее наклон, добиваются
того, чтобы:
на одной из мер была видна первая, считая от ребра клина, темная полоса и полосы
на поверяемой мере установились бы параллельно короткому ребру меры;
первая темная полоса на большей мере, т. е. на той мере, на которой полосы отстоят
от ребра клина дальше, приблизительно совпала своей серединой со средней точкой меры.
Если интерференционные полосы на поверяемой мере искривлены, то их устанавливают так, чтобы параллельно короткому ребру расположились стягивающие их хорды.
Затем производят первый отсчет Δl1. При этом могут возникнуть три случая:
1) первая полоса на поверяемой мере 1 отстоит от ребра клина дальше, чем на исходной мере, т. е. поверяемая мера больше исходной (рис. 10). В этом случае первую полосу на поверяемой мере совмещают приблизительно с серединой меры (полосы на поверяемой мере параллельны ее короткому ребру) и, проведя мысленно через середину этой
полосы линию СD, параллельную коротким ребрам мер, оценивают на глаз на исходной
мере 2 (вдоль мысленно проведенной линии, параллельной длинному ребру меры и проходящей через ее середину) дробную часть δ расстояния между двумя соседними полосами, отсекаемую линией СD со стороны ребра скоса стеклянной пластины.
Рис. 10. Интерференционные полосы в случае, когда поверяемая мера больше исходной
Для получения отсчета Δl1 к дробной части б прибавляют целое число полос п (чаще
всего равное нулю), расположенных между линией СD и первой полосой на исходной мере. При этом, если первая полоса на исходной мере не видна (в случае большой разности
длин мер), то добиваются ее появления, наклоняя верхнюю стеклянную пластину в сторо-
ну исходной (меньшей) меры. Ориентировка полос на поверяемой мере при этом безразлична. Отсчету д/1 в этом случае приписывают положительный знак;
2) первая полоса на поверяемой мере 1 расположена ближе к ребру клина, чем на исходной мере 2, т. е. поверяемая мера меньше исходной (рис. 11). В этом случае отсчет
производят аналогично описанному выше с тем, однако, отличием, что теперь первая полоса устанавливается посредине исходной меры, а дробную часть б оценивают и целое
число полос определяют на поверяемой мере.
Рис. 11. Интерференционные полосы в случае, когда поверяемая мера меньше исходной
Следует помнить, что при нахождении дробной части δ полосы на поверяемой мере
должны быть параллельны ее короткому ребру. Отсчету Δl1 приписывают отрицательный
знак;
3) если первые интерференционные полосы на обеих мерах находятся на одинаковом расстоянии от ребра клина (рис. 12 а, б) т. е. их середины лежат на одной прямой СD,
параллельной их коротким ребрам, то поверяемая и исходные меры равны между собой В
этом случае отсчитанное значение Δl1 равно нулю.
Рис. 12. Интерференционные полосы в случае, когда поверяемая мера равна исходной
С помощью интерференционного метода проверяют плоскостности измерительных
поверхностей. При наложении плоской стеклянной пластины на измерительную поверхность концевой меры в случае идеальной плоской поверхности интерференционные полосы будут прямыми (рис. 13, а); при выпуклой (рис. 13, б) или вогнутой (рис. 13, в) поверхности интерференционные полосы искривляются. Характер искривления полос следующий: при выпуклой поверхности (рис. 13, б) средняя часть полосы расположена дальше от
ребра воздушного клина, образованного между пластиной и концевой мерой, чем крайние
точки; при вогнутой (рис. 13, в) – ближе. Значение кривизны поверхности определяется
стрелой прогиба полосы, выраженной в долях расстояния
Рис. 13. Интерференционные полосы при плоской, выпуклой и вогнутой поверхностях
ПОВЕРОЧНАЯ СХЕМА ДЛЯ КОНЦЕВЫХ МЕР ДЛИНЫ И
ПОВЕРЯЕМЫХ ПО НИМ СИ
Поверочная схема для концевых мер длины и поверяемых по ним приборам в сокращенном виде приведена на рис. 14. Во главе поверочной схемы находится Государственный первичный эталон единицы длины в виде комплекса средств для воспроизведения
единицы длины –метра в длинах волн первичного эталонного излучения криптона-86. Там
же в поле эталонов помещены сличаемые с ним при помощи абсолютных интерференционных измерений:
а) эталон-копия в виде комплекса средств для абсолютных измерений длины в длинах световых волн вторичных эталонных излучении. Среднее квадратическое отклонение
результата измерений S0 = (2-7)·10-8;
б) эталоны сравнения со средним квадратическим отклонением результата поверки S
= (0,01÷0,02) мкм и рабочие эталоны S = (0,02÷0,05) мкм в виде плоскопараллельных концевых мер длины 10–1000 мм.
Размер метра передается эталонным плоскопараллельным концевым мерам длиной
5–100 мм, изготовленным из кристаллического или плавленого кварца, а также эталонным
концевым мерам длиной до 1 м, предназначенным для периодического контроля правильности абсолютных измерений длины, проводимых в метрологических институтах на
интерферометрах с использованием вторичных эталонных длин световых волн.
Образцовые плоскопараллельные концевые меры длины 1-го разряда поверяют абсолютным интерференционным методом, используя вторичные эталонные длины волн, во
ВНИИМ и других метрологических институтах страны. Эти меры применяют только для
поверки образцовых мер 2-го разряда и рабочих концевых мер класса 0.
Поверять образцовые концевые меры длиной до 50 мм можно также абсолютным
интерференционным методом, используя длины волн излучений естественных криптона,
кадмия и гелия.
Рис. 14. Сокращенная поверочная схема для концевых мер длины
Образцовые плоскопараллельные концевые меры длины 2-го разряда поверяют
сравнительным интерференционным методом по образцовым мерам длины 1-го разряда.
Их применяют для поверки образцовых концевых мер длины 3-го разряда, концевых мер
длины класса 1 и измерительных приборов высокой точности (оптических, пружинных с
ценой деления 0,1 мкм, контактных интерферометров и др.).
Концевые меры длины 2-го разряда длиной 2000 мм поверяют измерительными машинами с интерференционным отсчетным устройством, поверенных, в свою очередь, шаговым методом по образцовым мерам длины 1-го разряда.
Концевые меры длины 2-го разряда хранят и применяют в метрологических институтах, ЛГН и лабораториях предприятий.
Образцовые плоскопараллельные концевые меры длины 3-го разряда длиной до 100
мм поверяют по образцовым концевым мерам длины 2-го разряда сравнительным интерференционным методом или на контактных интерферометрах.
Концевые меры длиной от 100 до 2000 мм поверяют при помощи концевых измерительных машин.
Концевые меры длины 3-го разряда служат для поверки образцовых концевых мер
длины 4-го разряда методами, аналогичными применяемым для поверки мер 3-го разряда;
для поверки концевых мер длины класса 2, а также для поверки некоторых мер и измерительных приборов, показанных на схеме. Последние можно поверять по образцовым
концевым мерам длины 2-го разряда класса 0 без введения поправок на отклонения длины
образцовых мер от номинальных размеров.
Концевые меры длины 4-го разряда служат для поверки мер 5-го разряда и мер класса 3, а также для поверки различных мер и измерительных приборов. Эти последние можно поверять по образцовым концевым мерам длины 3-го разряда классов 0 и 1 без введения поправок.
Образцовые концевые меры длины 5-го разряда длиной до В 250 мм поверяют методом сличения с образцовыми мерами на оптиметрах, а от 250–2000 мм – при помощи концевых измерительных В машин и непосредственно по шкале образцовых концевых измерительных машин 4-го разряда.
Вт Образцовые концевые меры длины 5-го разряда (нутромеры), В: пределы измерений которых до 10 м, поверяют непосредственно по шкалам образцовых измерительных
машин 3-го разряда.
Образцовые концевые меры длины 5-го разряда служат для поверки концевых мер
длины классов 4 и 5, а также различных рабочих измерительных приборов методом сличения с образцовыми мерами при помощи концевых измерительных машин и других оптико-механических измерительных приборов.
В качестве образцовых концевых мер длины 4-го и 5-го разрядов можно применять
как плоскопараллельные концевые меры длины, так и меры со сферическими и цилиндрическими измерительными поверхностями.
Образцовые концевые меры длины 3-го, 4-го и 5-го разрядов хранят и применяют в
ЛГН и измерительных лабораториях предприятий.
В сокращенной поверочной схеме, приведенной на рис. 14, на соединительных линиях в кружочках, обозначенных цифрами, даны методы поверки, приведенные в полной
поверочной схеме. Эта схема для концевых мер длины приведена в ГОСТ 8.020–75 «Государственная система обеспечения единства измерений. Государственный первичный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений длины», введенном в действие 1 января 1976 г.
Таблица 5.
Приставка
Множитель на который Сокращенное обозначение
умножается единица
Русское
Латинское
12
Тера
10
Т
Т
Гига
109
Г
Г
6
Мега
10
М
М
Кило
103
К
К
Гекто
102
г
h
Дека
10
да
da
Деци
10-1
д
d
-2
Санти
10
с
с
Милли
10-3
м
м
-6
Микро
10
мк
м
Нано
10-9
н
п
-12
Пико
10
п
p
Фемто
10-15
ф
f
Атто
10-18
а
а
Специальные единицы
Х – для измерения в ядерной физике
А0 – ансктрем. Для измерения световых волн в спектроскопии.
Астрокомическая единица для измерения в солнечной системе.
Световой год – для измерения межзвездных расстояний в галактике.
Парсек – для измерения межгалактических расстояний.
Таблица 6.
Наименование единицы
метр
сантиметр
миллиметр
микрон
анкстрен
х-единица
ярд
фут
Дюйм
Миля
Морская миля
Астрономическая
единица
Световой год
Парсек
Сокращенное обозначение единицы
Русское
Латинское, греческое
м
m
см
сm
мм
mm
мк
А0
А0
Икс-ед
Х
–
yd
–
ft
–
in
–
m.mile
м.миля
m.mile
Переводный множитель
А.Е.
С.В.год
ПК
1,496*1011м
9,46*1015м
3,086*1016
U.A
PS
Основная единица
10-2м
10-3м
10-6м
10-10м
10-13м
0,9144м
0,3048м
0,0254м
1609,344м
1,852м
Первое определение метра
1791г. Французским национальным собранием. Метр, как основная единица длины,
равная одной 10-ти миллионной части четверти парижского меридиана.
Метр – архив представляет собой пластиковую линейку, шириной около 25 и толщиной около 4-х мм и расстоянием м/д концами равному 1 м. В 1872г изготовили архивный метр из платино-придиевого бруска.
Второе определение метра
(11 генеральной конференцией в 1960 г.) метр – есть длина, равная 1650763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего перехода между уровнями 2р10 и 50/5
атомов криптона 86.
V
Е2
Е1
h
V – частота излучения атома связана с переходом с одного энергетического составляющего на другой.
Е2 - энергия уровня, с которого совершается переход.
Е1 - на который совершается переход.
с
1
- волновое меню м-1.
Единицы измерения углов
Для плоского угла – радиан.
Для телесного угла – стерадиан.
Радиан – угол между двумя радиусами круга, вырезающей на окружности дугу, длина которой равна радиусу (это плоский угол).
Стерадиан – телесный угол, вершина которого расположена в центре сферы, вырезающей на поверхности сферы площадь равную площади квадрата со стороной равной
радиусу сферы.
Наименование единиц
Сокращенные обозначения
Перевод в систему СИ
Рус.
Лат.
Радиан
раd
rad
Единица измерения угла
Градус
0
0
рад =0,01745329
Минута
180
Измерение физической величины
Измерение – это совокупность операций по применению технических средств, хранящих единую единицу физической величины обеспечивающих нахождение соотношения
измерений величины с ее единицей уравнения измерения характеризуется.
Q
x[ Q ] n
Q - значение физической величины;
X - числовое значение измеряемой величины в принятой единице;
[Q ] - выбранная для измерения единица.
Физическая величина – одно из свойств физического объекта (физической системы) явления или процесса (общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отклонении индивидуальная для каждого из них).
Единица физической величины – это физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение равное единице, и применяемая для
космического выражения однородных с ней величин.
Цель измерения – это получение значения физической величины в форме наиболее
удобной для пользования. С помощью измерительного прибора уравнивают размер величины, информация которой преобразуется в перемещение указателя с единицей хранимой
шкалой этого прибора.
Равноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, восполненных
одинаковыми СИ. В одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью.
Неравноточные – ряд измерений какой-либо физической величины выполненных
различными по точности СИ и (или) в разных условиях.
Однократное измерение выполняют 1 раз.
Многократное – измерение физической величины одного и того же размера, результат которого получен из следующих друг за другом измерений, т.е. состоящего из ряда
однократных измерений. Пример: измерение длины на компараторе.
Статистические измерения неизменная во времени, физическая величина применяемой с измеряемой задачей за неизменную на протяжении времени измерений.
Пример: измерение длины при нормальной температуре земельного участка.
Динамическое измерение измеряющееся по размеру физических величин. (Измерение расстояния до уровня земли со снижающегося самолета).
Абсолютное измерение основано на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) с использованием основных констант.
Например: измерение силы F m * g
Относительное измерение отношения величины к одноименной величине играющей роль единицы.
Абсолютная погрешность – погрешность измерения, выраженная в единице измеренной величины.
Хn
Хn
Хо,
где
Х n - значение абсолютной погрешности поверяемого СИ;
Х - значение той же самой величины, найденное с помощью поверяемого СИ;
Х - значение СИ, принятое за базу для сравнения – это действительное значение.
Относительная погрешность – погрешность измерения, выраженная отношением
абсолютной погрешности к действительному значению Х о измеряемой или воспроизводимой данным СИ.
Точность определяется показателями абсолютной и относительной погрешности.
Хn 100 %
относительная погрешность
Хо
Приведенная погрешность – это относительная погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности СИ к условно принятому значению величины постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона.
Условно принятое значение величины называется нормирующим значением. Часто
за нормирующее значение принимают верхний предел измерения, приведенную погрешность обычно выражают в 100%.
Х n / QN
Методы измерений – совокупность использованных приемов (способов), сравнения
измеряемой величины с ее единицей, в соответствии с выбранным принципом измерения.
Систематическая погрешность – составляющая погрешности результата измерения остающаяся постоянной или же закономерно изменяющейся при повторных измерениях одной и той же величины. И в зависимости от характера измерения систематические
погрешности подразделяются: постоянные, прогрессивные, периодические.
Постоянная погрешность – которая длительное время сохраняет свое значение.
Прогрессивная погрешность – непрерывно возрастающая или убывающая.
Периодическая погрешность – значение которой является периодическая функция
времени, или перемещение указателя измерительного прибора, наиболее часто встречается инструментальная (аппаратная) обусловленная погрешностью применяемого СИ.
Субъективная погрешность обусловлена индивидуальными особенностями оператора.
Неисключенная систематическая погрешность (НСП) обусловлена погрешностями вычисления и введением поправок, на влияние системных погрешностей θ.
Случайная погрешность – изменяется случайным образом по знаку и значению в
серии повторных измерений при данной доверительной вероятности.
Среднеквадратическая погрешность -это характеристика рассеивания результатов
единичных измерений одной и той же величины вследствие влияния случайных погрешностей
2
N
( хi
S
х)
i 1
n 1
где х – результат i-го измерения.
х - среднее арифметическое значение величины из n единичных результатов.
n - количество измерений.
Единство измерений – состояние измерений характеризуется тем, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах
равны размерам единиц воспроизводимых первичными эталонами, партии результата измерения известны и с заданной вероятностью не выходят за установленные пределы.
Обеспечивание единства измерений – деятельность метрологических служб, направленная на достижение и поддержание единства измерений в соответствии с законодательными актами, а также правилами и нормами, установленными государственными
стандартами и другими нормативными документами по обеспечиванию единства измерений.
Испытание СИ – это обязательное испытание образцов средств измерения в сферах
распространения государственного метрологического контроля и надзора с целью утверждения типа средств измерений.
Утверждение типа – (это решение уполномоченного на это государственного органа управления) решение о признании типа СИ указанным для применения на основании
результатов их испытаний государственным научным метрологическим центром (СНИИМ) или другой специализированной организацией (аккредитованным Госстандартом
России) (НЦОМ).
Поверка СИ – установление органом государственной метрологической службы
(или другим официально уполномоченным органом (организации)) пригодности СИ к
применению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и подтверждение их соответствий установленных обязательным требованиям.
Поверка между первичной, периодической, внеочередной.
Первичная поверка – сразу после производства, и после ремонта, а также при привозе СИ при продаже в результате поверке выдается свидетельство о поверке.
Периодическая поверка – поверка СИ, которые находятся в эксплуатации через установленные межповерочные интервалы времени (обычно межповерочный интервал в 1
год) в лабораторных условиях в 2 года.
Калибровка – совокупность операций, устанавливающих соотношение между значением величины полученных с помощью данного СИ и соответственным значениям величины определенным с помощью эталона с целью определения остальных метрологических характеристик этого СИ.
Поверке подвергается вся СИ, которая начинается в сфере государственного контроля и надзора, а калибровке нет. В калибровке нет межкалибровочного интервала (ставится
клеймо, а не выдается свидетельство).
Нормальные условия измерений при поверке ГОСТ 8.39
Устанавливается нормальное значение, при котором должна производится поверка,
если эти условия не выполняются, результаты поверки между не действительны.
Нормальные условия: температура, влажность, давление.
P=160 мм. рт. ст., t = 20º C ± 3%, влажность 60%.
Содержание и построение поверочных схем.
Поверочные схемы должны состоять из текстовой части и чертежа.
Поверочная схема - способ передачи единицы измерения от эталонов к рабочим
средствам измерения.
Поверочные схемы: государственные, отраслевые и локальные.
В государственном – на государственном уровне, отраслевые – в конкретной отрасли, локальные – на уровне предприятия.
ГОСТ 8.001 ГСИ содержание и построение поверочных схем.
Элементы, которые входят в поверочные схемы.
Для государственного эталона a = 25
Прямоугольники рабочих эталонов b = 40 мм или 50 мм, а=20 или 25 мм при горизонтальном положении.
При вертикальном
b = 25 или 30 мм
а = 20 мм
Рабочие средства измерения при горизонтальном положении
b = 20 или 25 мм
а = 18 мм
при вертикальном
b = 18 мм
а = 20 или 25 мм
Метод поверки
Круг d = 20 мм и овал ширина 30 мм 40 высота 20 мм.
Поверочные схемы единиц длины и плоского угла.
Для СИ длина назначается в диапазонах, например ГОСТ 8.503 ГСИ Государственная поверочная схема для СИ длина в диапазоне 24 до 75000 м.
Рекомендация ГСИ Государственная поверочная схема для СИ длины в диапазоне
1 10-6 50м МИ 2000 –90 и длин волн в диапазоне 0,2 50 мкм.
Государственная поверочная схема для СИ плоского угла 8.016.