Измерительные линейки.

Линейки (рис. 9. 7) относятся к штриховым мерам и предназначены для измерения размеров изделий 14—18-го квалитетов точности прямым методом. Их конструкции однотипны. Линейка представляет собой металлическую полосу шириной 20…40 мм и толщиной 0, 5…1, 0 мм, на широкой поверхности которой выполнены деления. Линейки изготавливают с одной или двумя шкалами, верхними пределами измерений 150; 300; 500 и 1000 мм и ценой деления 0, 5 или 1, 0 мм. Линейки с ценой деления 1 мм могут иметь на длине 50 мм от начала шкалы полумиллиметровые деления.

Рис. 9. 7. Металлические линейки:
а — полосные; б — накладная

Измерительные линейки предназначены для измерений высот, длин, диаметров, глубин и других размеров в различных отраслях промышленности, в том числе в машиностроении. Их основное достоинство — простота конструкции, низкая стоимость, надежность и простота применения. Измерение производится прикладыванием линейки к измеряемому объекту, причем чаще всего нулевой штрих линейки совмещается с краем детали. Отсчет по шкале на другом краю детали дает искомый результат измерения. Однако при измерении диаметра отверстия могут сниматься два показания: с одной стороны отверстия и с другой. При вычитании из большего значения меньшего, получается диаметр.

Допустимые отклонения действительной общей длины шкалы линеек от номинального значения находятся в пределах ±(0, 10…0, 20) мм в зависимости от общей длины шкалы, а отдельных подразделений — не более ±(0, 05…0, 10) мм.

Поверку линеек, т. е. определение погрешности нанесения штрихов, производят по образцовым измерительным линейкам, которые называют штриховыми мерами. Погрешность такого сравнения не превышает 0, 01 мм.

Штангенинструмент. Предназначен для абсолютных измерений линейных размеров наружных и внутренних поверхностей, а также воспроизведения размеров при разметке деталей. К штангенинструменту относятся штангенциркули (рис. 9. 8, а—в), штангенглубиномеры и штангенрейсмасы.

Рис. 9. 8. Конструкции штангенциркулей:
а — типа ШЦ-I; б — типа ШЦ-II; в — типа ШЦ-III; г — отсчет по нониусу; 1 — штанга-линейка; 2 — измерительные губки; 3 — рамка; 4 — винт зажима рамки; 5 — шкала-нониус; 6 — линейка глубиномера; 7 — рамка микрометрической подачи

Основными частями штангенинструмента являются штанга-линейка 1 с делениями шкалы через 1 мм и перемещающаяся по линейке шкала-нониус 5. По штанге-линейке отсчитывают целое число миллиметров, а по нониусу — десятые и сотые доли миллиметра.

Для отсчета с помощью нониуса сначала определяют по основной шкале целое число миллиметров перед нулевым делением нониуса. Затем добавляют к нему число долей по нониусу в соответствии с тем, какой штрих шкалы нониуса ближе к штриху основной шкалы (рис. 9. 8, г).

Основные типы нониусов представлены на рис. 9. 9. Наибольшее распространение получили нониусы с точностью отсчета 0, 10; 0, 05 и 0, 02 мм.

Рис. 9. 9. Типы нониусов

В ГОСТ 166—89 «Штангенциркули. Технические условия» предусмотрены изготовление и использование трех типов штангенциркулей : ШЦ-I с ценой деления 0, 1 мм (см. рис. 9. 8, а), ШЦ-II с ценой деления 0, 05 и 0, 1 мм (см. рис. 9. 8, б) и ШЦ-III с ценой деления 0, 05 и 0, 1 мм (см. рис. 9. 8, в).

В штангу индикаторного штангенциркуля (рис. 9. 10) вмонтирована зубчатая рейка 2, по которой перемещается зубчатое колесо 3 индикатора, закрепленного на рамке 1. Перемещение зубчатого колеса передается на стрелку индикатора, показывающую единицы, десятые и сотые доли миллиметра.

Рис. 9. 10. Конструкция индикаторного штангенциркуля:
1 — рамка; 2 — зубчатая рейка; 3 — зубчатое колесо

Для линейных измерений в последнее время применяют штангенинструменты с электронным цифровым отсчетом (рис. 9. 11). В этих приборах вдоль штанги также располагается многозначная мера, по которой отсчитывается величина перемещения подвижной рамки. В качестве многозначной меры используются фотоэлектрические или емкостные преобразователи. Большинство штангенинструментов с электронным отсчетным устройством имеют возможность представления результата измерений непосредственно на шкале прибора либо на подключаемом к нему микропроцессоре. Цена деления таких приборов составляет 0, 01 мм.

Рис. 9. 11. Штангенциркуль с цифровым отсчетом

Штангенглубиномеры (ГОСТ 162—90 «Штангенглубиномеры. Технические условия») принципиально не отличаются от штангенциркулей и применяются для измерения глубины отверстий и пазов. Рабочими поверхностями штангенглубиномеров (рис. 9. 12) являются торцовая поверхность штанги-линейки 1 и база для измерений — нижняя поверхность основания 4. Для удобства отсчета результатов измерений, повышения точности и производительности контрольных операций в некоторых типах штангенглубиномеров вместо нониусной шкалы предусматривается установка индикатора часового типа с ценой деления 0, 05 или 0, 01 мм.

Рис. 9. 12. Штангенглубиномер:
1 — штанга-линейка; 2 — рамка микрометрической подачи; 3 — нониус; 4 — основание

Штангенрейсмасы (ГОСТ 164—90 «Штангенрейсмасы. Технические условия») являются основными измерительными инструментами для разметки деталей и определения их высоты. Они могут иметь дополнительный присоединительный узел для установки измерительных головок параллельно или перпендикулярно плоскости основания. Конструкция и принцип действия штангенрейсмаса по существу не отличаются от конструкции и принципа действия штангенциркуля. На заводах используют штангенрейсмасы с индикаторным и цифровым отсчетом показаний. В первом случае вместо нониусной шкалы на подвижной рамке 2 (рис. 9. 13) устанавливается индикатор часового типа с ценой деления 0, 05 или 0, 01 мм, а во втором — зубчатое колесо ротационного фотоэлектрического счетчика импульсов, которое находится в зацеплении с зубчатой рейкой, нарезанной на штанге прибора. За один оборот зубчатого колеса счетчик дает 1000 импульсов, показания которого передаются к цифровому показывающему или записывающему устройству. Погрешность измерений в этом случае может не превышать 10…15 мкм.

Рис. 9. 13. Штангенрейсмас:
1 — штанга-линейка; 2 — рамка; 3 — основание; 4 — державка; 5 — нониус

Микрометрические инструменты. К микрометрическим инструментам относятся гладкие микрометры (рис. 9. 14, а—в), микрометры со вставками, микрометрические глубиномеры (рис. 9. 15) и нутромеры (рис. 9. 16). Они предназначены для абсолютных измерений наружных и внутренних размеров, высот уступов, глубин отверстий и пазов и т. д.

Рис. 9. 14. Гладкий микрометр:
а — принципиальная схема; б — устройство микрометра; в — отсчетное устройство; 1 — корпус; 2 — неподвижная пятка; 3 — стебель; 4 — микрометрический винт; 5 — барабан; 6 — гайка микрометрической пары; 7 — устройство стабилизации усилия измерений (трещотка); 8 — ось продольной шкалы; 9 — продольная шкала; 10 — круговая шкала

Принцип действия этих инструментов основан на использовании винтовой пары (винт—гайка) для преобразования вращательного движения микрометрического винта в поступательное. Основными частями микрометрических инструментов (см. рис. 9. 14, а, б) являются корпус 1, стебель 3, внутри которого с одной стороны имеется микрометрическая резьба с шагом 0, 5 мм, а с другой — гладкое цилиндрическое отверстие, обеспечивающее точное направление перемещения микрометрического винта 4. На винт установлен барабан 5, соединенный с трещоткой 7, обеспечивающей постоянное усилие измерения (на микрометрические нутромеры трещотка не устанавливается).

Отсчетное устройство (см. рис. 9. 14, в) микрометрических инструментов состоит из двух шкал — продольной 9 и круговой 10. По продольной шкале отсчитывают целые миллиметры и 0, 5 мм, а по круговой — десятые и сотые доли миллиметра.

Гладкие микрометры типа МК (ГОСТ 6507—90 «Микрометры. Технические условия») выпускают с различными пределами измерений: 0…300 мм — через каждые 25 мм с диапазоном показаний шкалы 25 мм, а также 300…400; 400…500 и 500…600 мм. Предельная погрешность микрометров зависит от верхних пределов измерений и может составлять от ±3 мкм для микрометров МК-25 до ±50 мкм — для микрометров МК-500.

Выпускают микрометры с цифровым отсчетом всего результата измерений. Отсчетное устройство в таких микрометрах действует по механическому принципу.

Микрометрический глубиномер (ГОСТ 7470—92 «Глубиномеры микрометрические. Технические условия»), изображенный на рис. 9. 15, предназначен для абсолютных измерений глубин отверстий, высот выступов и т. д. Он имеет стебель 3, закрепленный на траверсе 5 с помощью гайки 4 фиксации. Одной измерительной поверхностью является нижняя плоскость траверсы, а другой — плоскость микрометрического винта, соединенного с подвижной пяткой 6. Микровинт вращается с помощью трещотки 1, соединенной с барабаном 2. В комплект микрометрического глубиномера входят установочные меры с плоскими измерительными торцами.

Рис. 9. 15. Микрометрический глубиномер:
1 — трещотка; 2 — барабан; 3 — стебель; 4 — гайка фиксации; 5 — траверса; 6 — подвижная пятка

Микрометрический нутромер (рис. 9. 16), соответствующий ГОСТ 10—88 «Нутромеры микрометрические. Технические условия», предназначен для абсолютных измерений внутренних размеров при приведении измерительного наконечника в соприкосновение со стенками проверяемого отверстия. Микрометрические нутромеры не имеют трещоток, поэтому плотность соприкосновения определяется на ощупь. Установка нутромера на нуль выполняется либо по установочному кольцу, либо по блоку концевых мер с боковиками, устанавливаемыми в струбцину.

Рис. 9. 16. Микрометрический нутромер:
1 — неподвижный наконечник; 2 — удлинитель; 3 — микрометрическая головка

Микрометрические нутромеры типа НМ выпускают с пределами измерений 50…75, 75…175, 75…600, 150…1250, 800…2500, 1250…4000, 2500…6000 и 4000…10000 мм. При необходимости увеличения пределов измерений используются удлинители.

Средства измерений и контроля с механическим преобразованием

Средства измерений и контроля с механическим преобразованием основаны на преобразовании малых перемещений измерительного стержня в большие перемещения указателя (стрелка, шкала, световой луч и т. д. ). В зависимости от типа механизма они подразделяются на рычажно-механические (рычажные), зубчатые, рычажно-зубчатые, пружинные и пружинно-оптические.

Рычажно-механические приборы применяют главным образом для относительных измерений, проверки радиального и торцового биения, а также для контроля отклонений формы деталей (отклонение от круглости — овальность, огранка; отклонение от цилиндричности — конусность, бочкообразность, седлообразность; отклонение от плоскостности — вогнутость, выпуклость и др. ).

В производственных условиях и измерительных лабораториях для абсолютных измерений широко применяются индикаторы или индикаторные измерительные головки с зубчатой передачей.

Индикаторы часового типа , соответствующие ГОСТ 577—68 «Индикаторы часового типа с ценой деления 0, 01 мм. Технические условия» (рис. 9. 17), относятся к приборам с зубчатой передачей. Они содержат измерительный стержень 1 с нарезанной зубчатой рейкой 5, зубчатые колеса 4, 6, 8 и 9, спиральную пружину 7 и стрелки 2, 3. Возвратно-поступательное перемещение измерительного стержня преобразуется в круговое движение стрелки. Один оборот стрелки соответствует перемещению измерительного стержня на 1 мм. Целые миллиметры отсчитываются по шкале при помощи малой стрелки 3. Шкала прибора имеет 100 делений; цена деления индикатора равна 0, 01 мм. Индикаторы часового типа выпускают двух классов точности (0 и 1) в двух модификациях: индикаторы типа ИЧ с перемещением измерительного стержня параллельно шкале и индикаторы типа ИТ с перемещением измерительного стержня перпендикулярно шкале. Выпускают также индикаторы часового типа с цифровым (электронным) отсчетом.

Рис. 9. 17. Индикатор часового типа (а) и его схема (б):
1 — измерительный стержень; 2, 3 — стрелки; 4, 6, 8 и 9 — зубчатые колеса; 5 — зубчатая рейка; 7 — спиральная пружина

Рычажно-зубчатые измерительные головки (рис. 9. 18) отличаются от индикаторов часового типа наличием наряду с зубчатой передачей рычажной системы, позволяющей увеличить передаточное число механизма и тем самым повысить точность измерений. При перемещении измерительного стержня 1 в двух точных направляющих втулках 8 поворачивается рычаг 3, который воздействует на рычаг 5, имеющий на большем плече зубчатый сектор, входящий в зацепление с зубчатым колесом (трибом). На оси триба установлены стрелка с втулкой, связанная со спиральной пружиной 6, выбирающей зазор. Измерительное усилие создается пружиной 7. Для защиты измерительного стержня от повреждения служит арретир 2.

Рис. 9. 18. Рычажно-зубчатая измерительная головка (а) и ее схема (б):
1 — измерительный стержень; 2 — арретир; 3, 5 — рычаги; 4 — зубчатое колесо (триб); 6 — спиральная пружина; 7 — пружина; 8 — направляющие втулки

Индикаторные нутромеры (рис. 9. 19) предназначены для относительных измерений отверстий глубиной 3…1000 мм. Они состоят из корпуса 11, отсчетного устройства 5 (индикатора), подвижного (измерительного) 13 и неподвижного (регулируемого) 9 стержней, равноплечего Г-образного рычага 8 и подвижного штока 2. При измерении диаметра отверстия стержень 13, перемещаясь в направлении, перпендикулярном оси отверстия, поворачивает рычаг вокруг оси и перемещает на ту же величину шток 2 и измерительный наконечник индикатора. Перемещение стрелки индикатора указывает на отклонение действительного размера проверяемого отверстия от размера настройки нутромера. Настройка индикатора на нуль осуществляется либо по установочному кольцу, либо по блоку концевых мер с боковиками, которые зажимаются в державке.

Рис. 9. 19. Конструкция индикаторного нутромера:
1 — ось вращения рычага; 2 — шток; 3 — трубка; 4 — пружина; 5 — отсчетное устройство (индикатор); 6 — предохранительный кожух; 7 — теплоизоляционная рукоятка; 8 — Г-образный рычаг; 9 — неподвижный (регулируемый) стержень; 10 — контргайка; 11 — корпус; 12 — шарик; 13 — подвижный (измерительный) стержень

Промышленность выпускает индикаторные нутромеры в соответствии со следующими стандартами: ГОСТ 868—82 «Нутромеры индикаторные с ценой деления 0, 01 мм. Технические условия» и ГОСТ 9244—75 «Нутромеры с ценой деления 0, 001 и 0, 002 мм. Технические условия».

К приборам с рычажно-зубчатой передачей относятся рычажные скобы и микрометры, рычажно-зубчатые измерительные головки и т. д. Эти приборы предназначены для относительных измерений наружных поверхностей.

В рычажных скобах (рис. 9. 20) в процессе измерения подвижная пятка 5, перемещаясь, воздействует на рычаг 18, зубчатый сектор которого поворачивает зубчатое колесо 14 и стрелку 11, неподвижно закрепленную на его оси.

Рис. 9. 20. Рычажная скоба — пассаметр (а) и ее схема (б):
1 — указатель предела действительных отклонений; 2 — предохранительный чехол; 3 — гайка фиксатора; 4 — неподвижная (регулируемая) пятка; 5 — подвижная пятка; 6 — корпус; 7 — кнопка арретира; 8 — шкала; 9 — стержень арретира; 10 — рычаг арретира; 11 — стрелка; 12 — зубчатый сектор; 13 — спиральная пружина; 14 — зубчатое колесо; 15 — объект измерения; 16 — микровинт для настройки; 17 — пружина; 18 — измерительный рычаг

Спиральная пружина 13 постоянно прижимает зубчатое колесо к зубчатому сектору, устраняя таким образом зазор. Микровинт 16 служит для настройки прибора на нуль по блоку концевых мер.

Промышленность выпускает также рычажные скобы с цифровым отсчетом измеряемой величины в миллиметрах, десятых и сотых долях миллиметра.

Средства измерений и контроля с оптическим и оптико-механическим преобразованием

Оптико-механические измерительные приборы находят широкое применение в измерительных лабораториях и в цехах для измерений размеров калибров, плоскопараллельных концевых мер длины, точных изделий, а также для настройки и поверки средств активного и пассивного контроля. Эти приборы основаны на сочетании оптических схем и механических передач.

Оптико-механические измерительные приборы. К таким приборам относятся пружинно-оптические измерительные головки (оптикаторы), оптиметры, ультраоптиметры, длиномеры, измерительные машины, интерферометры и ряд других приборов.

Оптиметр (рис. 9. 21) включает в себя измерительную головку 1, называемую трубкой оптиметра, и вертикальную или горизонтальную стойку 2. В зависимости от вида стойки оптиметры подразделяют на вертикальные, например ОВО-1 или ИКВ (см. рис. 9. 21, а), и горизонтальные, например ОГО-1 или ИКГ (см. рис. 9. 21, б). Выпускают также горизонтальные и вертикальные проекционные оптиметры (ОГЭ-1 или ОВЭ-02). У последних отсчет результата измерения производится по шкале, проецируемой на экран. Вертикальные оптиметры предназначены для измерения наружных размеров деталей, а горизонтальные — как наружных, так и внутренних.

Рис. 9. 21. Оптиметр:
а — вертикальный; б — горизонтальный; 1 — измерительная головка; 2 — стойка

В оптической схеме оптиметров реализованы принципы автоколлимации и оптического рычага.

Для контроля сложных корпусных деталей и деталей значительной длины, измерения расстояний между осями отверстий, лежащих в одной или разных плоскостях, контроля параметров плоских профильных шаблонов в прямоугольных и полярных координатах предназначены одно-, двух- и трехкоординатные измерительные машины . Двух- и трехкоординатные машины обеспечивают цифровой отсчет с автоматической выдачей результатов измерений на ЭВМ и последующим использованием полученных программ в станках с числовым программным управлением для изготовления аналогичных деталей (обработка по моделям).

Оптические измерительные приборы. Эти приборы находят применение в измерительных лабораториях для абсолютных и относительных измерений бесконтактным методом различных изделий сложного профиля (резьбы, шаблоны, кулачки, фасонный режущий инструмент) и малых габаритных размеров, а также точных измерений длин, углов и радиусов. К наиболее распространенным оптическим измерительным приборам относятся микроскопы (инструментальный, универсальный, проекционный), проекторы, оптические длино- и угломеры, делительные головки, столы и др.

Средства измерений и контроля волнистости и шероховатости

Измерения и контроль параметров волнистости и шероховатости поверхностей относятся к линейно-угловым измерениям очень малых величин. В производственных условиях измерению подлежат значения высоты неровностей более 0, 025 мкм и шаги — начиная с 2 мкм. В последнее время в некоторых отраслях промышленности удается измерять субмикронеровности высотой 5 пм и с шагом 0, 2 нм. Точность измерения, естественно, должна быть в несколько раз выше требуемой точности выполнения геометрических параметров деталей.

Поскольку шероховатость и волнистость поверхности деталей играют важную роль в эксплуатации узлов и механизмов, разработаны многочисленные методы и средства оценки параметров микронеровностей.

Наиболее простым методом контроля шероховатости поверхностей деталей в цеховых условиях является сравнение с образцами визуально или на ощупь (рис. 9. 22). В соответствии с ГОСТ 9378—93 «Образцы шероховатости поверхности (сравнения). Общие технические условия» образцы изготавливают из тех же материалов, что и контролируемые детали и обрабатывают теми же методами. Кроме того, форма образцов и основное направление неровностей поверхности должны соответствовать определенным указаниям.

Рис. 9. 22. Контроль шероховатости поверхности методом сравнения с образцами

В стандарте установлены ряды номинальных значений параметра шероховатости Ra поверхности образца в зависимости от воспроизводимого способа обработки и базовой длины для их оценки. Так, для шлифования значения Ra варьируются в пределах 0, 05…3, 2 мкм при базовой длине 0, 25…2, 5 мм, для точения и расточки — 0, 4…12, 5 мкм при базовой длине 0, 8…2, 5 мм, а для полирования — 0, 006…0, 2 мкм при 0, 08…0, 8 мм. Ширина образцов сравнения составляет не менее 20 мм, а длина — 20…50 мм. Образцами могут служить и готовые детали.

Однако визуальная оценка и оценка на ощупь субъективны, и полученные результаты могут вызвать недоразумения. Эти виды оценок особенно затруднительны при высокой точности обработки деталей.

Для количественного определения параметров неровностей применимы бесконтактные и контактные методы измерения.

Среди бесконтактных методов наибольшее распространение получили методы светового сечения, теневой проекции, электронной микроскопии, сканирующей туннельной микроскопии, микроинтерференционные, рефлектометрические и другие методы.

Считается, что средства измерений, реализующие метод светового сечения, позволяют измерять неровности поверхности высотой 0, 5…40 мкм с допустимыми погрешностями показаний 24 и 7, 5% для меньшего и большего значений высоты соответственно.

Основным вариантом профильного метода измерений параметров микронеровностей поверхности является контактный ( щуповый ) метод. Его сущность заключается в том, что остро заточенной игле, находящейся в контакте с исследуемой поверхностью, сообщают поступательное перемещение по определенной траектории относительно поверхности (рис. 9. 23, а). Ось иглы 2 располагают по нормали к поверхности 3. Опускаясь во впадины и поднимаясь на ее выступы во время движения ощупывающей головки 1, игла начинает колебаться относительно головки, повторяя по величине и форме огибаемый профиль поверхности.

Рис. 9. 23. Контактный (щуповый) метод измерения шероховатости поверхности:
а — принципиальная схема; б — схема профилометра; в — профилометр-профилограф; 1 — ощупывающая головка; 2 — игла; 3 — измеряемая поверхность; 4 — катушка индуктивности; 5 — генератор звуковой частоты; 6 — якорь; 7 — записывающий прибор; 8 — предметный столик; 9 — датчик; 10 — мотопривод; 11 — стойка; 12 — электронный блок; 13 — блок-приставка

Механические колебания иглы преобразуются, как правило, в подобные им электрические колебания при помощи электромеханического преобразователя того или иного типа. После преобразования сигнал поступает либо на шкалу прибора (при профилометрировании), либо на записывающий прибор в соответствующем горизонтальном и вертикальном масштабах (при профилографировании). Щуповые электромеханические приборы, предназначенные для измерения параметров шероховатости поверхности, называются профилометрами , а такие же приборы для записи микронеровностей — профилографами . Комбинированные приборы, которые позволяют количественно определять и графически изображать микронеровности, называются профилометрами-профилографами .

Преимущественное распространение получили профилометры и профилографы, у которых установлен индуктивный преобразователь. Это приборы как отечественного, так и зарубежного производства.

В соответствии со схемой, приведенной на рис. 9. 23, б, движение алмазной иглы 2 по микронеровностям в вертикальной плоскости вызывает соответствующее перемещение якоря 6 в индуктивной ощупывающей головке, и вместе с тем изменение воздушных зазоров между якорем и двумя расположенными по обеим сторонам оси его качения катушками 4. К одной из катушек якорь приближается, что увеличивает ее индуктивность, а от другой он в то же время удаляется, уменьшая ее индуктивность. Катушки и две половины первичной обмотки дифференциального входного трансформатора образуют мост, питание которого осуществляется от генератора 5 звуковой частоты (около 5 кГц). Одновременное, но противоположное изменение индуктивности катушек изменяет в измерительной диагонали моста напряжение, которое связано с перемещением ощупывающей иглы при ее механических колебаниях.

Схема профилометра-профилографа отечественного производства представлена на рис. 9. 23, в.

Измерение шероховатости производится путем ощупывания поверхности алмазной иглой с радиусом при вершине 10 мкм и фиксацией на табло значений параметров Ra, Rz, R_max, R_p, S_m и t_p или воспроизведения профиля на электротермической бумаге в прямоугольных координатах.

Средства измерений и контроля с электрическим и электромеханическим преобразованием

Электрические и электромеханические измерительные приборы характеризуются наличием единого источника энергии — электрического тока.

Широкое распространение в измерительной технике нашли электрические преобразователи, индуктивные, емкостные, электронные и фотоэлектрические приборы. Они отличаются высокой точностью, позволяют вести дистанционные измерения, имеют сравнительно небольшие габаритные размеры и обладают незначительной инерционностью.

Электрические преобразователи являются одной из составных частей электрических и электромеханических измерительных приборов.

В индуктивных приборах используется свойство катушки менять реактивное сопротивление при изменении ее некоторых параметров, определяющих значение индуктивности L. Для получения наибольшей индуктивности катушку, как правило, выполняют с магнитопроводом из ферромагнитного материала.

Индуктивные измерительные приборы могут быть бесконтактными и контактными. В первом случае контролируемая деталь (только из ферромагнитных материалов), непосредственно включенная в магнитную цепь, образует участок магнитопровода. Схема контактного безрычажного дифференциального индуктивного прибора с малым ходом показана на рис. 9. 24. Отклонение размеров контролируемой детали 9 вызывает перемещение измерительного стержня 8, на котором закреплен якорь 6, находящийся в воздушном зазоре между магнитопроводами катушек индуктивности 1 и 7. В зависимости от положения якоря меняется воздушный зазор у магнитопроводов, в результате чего индуктивное сопротивление одной катушки возрастает, а другой уменьшается. При этом нарушается равновесие моста, образованного катушками 1 и 7 и резисторами 2 и 4 (питание моста осуществляется от стабилизированного генератора 3 звуковой частоты). В результате в диагонали моста возникает ток, направление которого определяется отклонением измерительного стержня от среднего положения в ту или иную сторону. Отсчетный прибор 5, включенный в диагональ моста через фазочувствительный выпрямитель, показывает величину этого отклонения.

Рис. 9. 24. Схема индуктивного прибора:
1 и 7 — катушки индуктивности; 2 и 4 — резисторы; 3 — генератор; 5 — отсчетный прибор; 6 — якорь; 8 — измерительный стержень; 9 — контролируемая деталь

В емкостных измерительных системах используется принцип преобразования линейных перемещений в изменение электрической емкости конденсатора. По изменению емкости судят об изменении размера.

В фотоэлектрических измерительных приборах с помощью оптической системы, основанной на диафрагмировании или отражении светового потока и применении фотоэлемента, энергия света преобразуется в электрический сигнал, который, усиливаясь, поступает либо на показывающий прибор, либо в устройство для подачи команд.

Контроль калибрами

Для выполнения операций технического контроля в условиях массового и крупносерийного производства широко используют контрольные инструменты в виде калибров. Калибры — это тела или устройства, предназначенные для проверки соответствия размеров изделий или их конфигурации установленным допускам. Они применяются чаще всего для определения годности деталей с точностью, соответствующей 6—18-му квалитетам, а также в устройствах активного контроля, работающих по принципу «западающего» калибра.

С помощью предельных калибров выясняют, выходит ли контролируемый параметр за предельные значения или находится между двумя допустимыми, не определяя его численное значение. При контроле деталь считается годной, если проходная сторона калибра (ПР) под действием усилия, примерно равного весу калибра, проходит, а непроходная сторона калибра (НЕ) не проходит по контролируемой поверхности детали. Если проходная сторона не проходит, то деталь относят к бракованным с исправимым браком. Если проходит непроходная сторона, то деталь содержит неисправимый брак.

Виды гладких калибров для цилиндрических отверстий и валов устанавливает ГОСТ 24851—81 «Калибры гладкие для цилиндрических отверстий и валов. Виды». В системе ИСО гладкие калибры стандартизованы ISO 1938—1: 2015. Калибры предназначены для определения годности деталей с допуском от IT6 до IT18.

Для контроля отверстий используют предельные калибр-пробки различных конструкций согласно стандартам (ГОСТы 14807—93, ГОСТ 18360—93, 18367—93 и др. ). Некоторые из этих калибров представлены на рис. 9. 25. Предпочтение отдают односторонним предельным калибрам. Они сокращают продолжительность контроля изделий и расход материала.

Рис. 9. 25. Калибр-пробки:
а — со вставкой, имеющей конический хвостовик; б — с цилиндрической насадкой; в — полная; г — полная шайба

Для контроля валов применяют предельные и регулируемые калибр-скобы согласно стандартам (ГОСТы 18358—93, 18360—93, 18367—93 и др. ). Некоторые из этих калибров представлены на рис. 9. 26. По сравнению с предельными калибр-скобами регулируемые имеют меньшую точность и надежность и обычно используются для контроля размеров с допусками, соответствующими квалитетам точности не выше 8-го.

Рис. 9. 26. Калибр-скобы:
а — штампованная односторонняя; б — двухсторонняя; в — регулируемая (со вставками или передвижными губками)

По назначению предельные калибры (калибр-пробки и калибр-скобы) подразделяют на рабочие, приемные и контрольные. Рабочие калибры предназначены для контроля деталей в процессе их изготовления. Ими пользуются операторы и наладчики оборудования, а также контролеры завода-изготовителя. Приемные калибры применяют при приемке деталей представители заказчика.

Для того чтобы установить регулируемые и контролировать нерегулируемые калибр-скобы, а также для изъятия их из эксплуатации вследствие износа используют контрольные калибры (К—И), имеющие форму шайб. Несмотря на малый допуск контрольных калибров, они все-таки искажают установленные поля допусков на изготовление и износ рабочих калибров, поэтому вместо них, по возможности, целесообразно применять концевые меры длины или универсальные измерительные приборы.

Маркировка калибра предусматривает номинальный размер детали, для которого предназначен калибр, буквенное обозначение поля допуска изделия, числовые значения предельных отклонений изделия в миллиметрах (на рабочих калибрах), тип калибра (например, ПР, НЕ, К—И) и товарный знак завода-изготовителя.

Особую группу составляют калибры для контроля глубин и высот уступов , конструктивно представляющие ступенчатые пластины той или иной формы. В ГОСТ 2534—77 «Калибры предельные для глубин и высот уступов. Допуски» предусмотрены виды калибров с диапазоном размеров 1…500 мм 11—18-го квалитетов точности. С помощью калибров определяют годность изделия по наличию зазора между соответствующими плоскостями калибра и изделия. Вместо проходной и непроходной сторон у этих калибров имеются стороны, соответствующие наибольшему (Б) и наименьшему (М) предельным размерам изделия.

Основными методами контроля являются метод световой щели, или на просвет, методы надвигания, осязания, по рискам. От выбранного метода зависят и средства контроля. На рис. 9. 27, а представлен предельный калибр, используемый при контроле на просвет, на рис. 9. 27, б — калибр для контроля методом надвигания, на рис. 9. 27, в — для контроля методом осязания, а на рис. 9. 27, г — для контроля по рискам.

Рис. 9. 27. Калибры для контроля глубин и высот уступов:
а — предельный, используемый на просвет; б — для контроля методом надвигания; в — для контроля методом осязания; г — для контроля по рискам; 1 — направляющие плоскости; 2 — измерительная плоскость; 3 — риски; Б, М — стороны, соответствующие наибольшему и наименьшему предельным размерам изделия

Калибрами по методу на просвет контролируют допуски не менее 0, 04…0, 06 мм. Минимальные допуски изделий, контролируемых ступенчато-стержневыми калибрами и по осязанию, составляют 0, 03 и 0, 01 мм соответственно.

В системе ИСО предельные калибры для глубин и высот не стандартизованы.

Контроль наружных конусов выполняется конусными калибр - втулками, а контроль внутренних конусов — конусными калибр-пробками.

Для контроля точности цилиндрических резьб с помощью калибров применяют комплексный и дифференцированный (поэлементный) методы.

Номинальный шаг резьбы (или число ниток на дюйм) определяется с помощью резьбовых шаблонов (резьбомеров) (рис. 9. 28, а). Резьбовые шаблоны выпускают наборами для метрической резьбы с шагом 0, 4…6 мм (20 шаблонов) и дюймовой резьбы с числом ниток на дюйм 4—28 (17 шаблонов).

При наложении шаблона на профиль резьбы (рис. 9. 28, б, в) следует использовать наибольшую его длину, что повышает точность определения шага.

Рис. 9. 28. Резьбовые шаблоны (резьбомеры):
а — набор; б, в — принцип контроля

Точность размеров, формы и положения поверхностей у деталей с прямобочными шлицами, как правило, контролируют комплексными проходными калибрами: шлицевые втулки проверяют калибр-пробками, а шлицевые валы — калибр-кольцами. При необходимости производят также поэлементный контроль центрирующих и нецентрирующих диаметров, ширины впадин и шлицов специальными гладкими калибрами (рис. 9. 29).

Рис. 9. 29. Калибры для контроля элементов шлицевых валов (а) и элементов шлицевых отверстий (б):
D, d — наружный и внутренний диаметры шлицевых втулки и вала соответственно; b — ширина паза втулки и толщина зуба вала

Калибр-щупы — это нормальные калибры для проверки зазора между поверхностями (рис. 9. 30). Щупы представляют собой пластины с параллельными измерительными плоскостями. Они изготавливаются длиной 100 и 200 мм. Щупы длиной 100 мм могут выполняться в виде отдельных пластин и наборов (из четырех номеров).

Рис. 9. 30. Калибр-щупы и контроль с помощью щупов:
а — набор щупов; б — контроль отклонений от перпендикулярности; в — контроль отклонений от плоскостности

При применении щупов либо используется один из них, либо складываются несколько щупов для набора требуемой толщины.

Допустимые отклонения толщины новых щупов колеблются в пределах 5…15 мкм в зависимости от их номинальной толщины. При использовании набора щупов погрешность контроля увеличивается.

Поверочные линейки и плиты

Для лекальных, инструментальных и разметочных работ в машиностроении широко применяются поверочные линейки, плиты и лекальные угольники. Они предназначены для контроля отклонений от прямолинейности, плоскостности, перпендикулярности и углов наклона.

В соответствии с ГОСТ 8026—92 «Линейки поверочные. Технические условия» поверочные стальные линейки выпускают шести типов (рис. 9. 31): с двусторонним скосом ЛД, трехгранные ЛТ, четырехгранные ЛЧ, прямоугольного сечения ШП и хромированные ШПХ, двутаврового сечения ШД. Все они подразделяются на лекальные (типы ЛД, ЛТ, ЛЧ) и с широкой рабочей поверхностью (ШП, ШПХ, ШД).

Рис. 9. 31. Поверочные линейки:
а — с двухсторонним скосом ЛД; б — двутаврового сечения ШД; в — трехгранные ЛТ; г — твердокаменные мостики ШМ-ТК; д — четырехгранные ЛЧ; е — мостики ШМ; ж — прямоугольного сечения твердокаменные ШП-ТК; з — угловые трехгранные УТ; и — общий вид

Кроме стальных предусмотрены чугунные линейки с широкой поверхностью: мостики ШМ, угловые трехгранные УТ, а также твердокаменные линейки (ШП—ТК, ШМ—ТК, УТ—ТК). Длина линеек варьируется от 80 до 4000 мм.

Линейки типов ШМ и УТ изготавливают в двух исполнениях: с ручной шабровкой и с механически обработанными рабочими поверхностями. Параметр шероховатости рабочих поверхностей составляет Ra 0, 63…0, 04 мкм в зависимости от типа линейки и класса ее точности.

В соответствии с точностью изготовления линеек им присваивают соответствующие классы точности: лекальным линейкам — классы 0 или 1, а линейкам типов ШП, ШД и ШМ — классы 00; 0; 01; 1 или 2.

Средний полный срок службы стальных линеек должен составлять не менее 8 лет, а твердокаменных — не менее 10 лет.

Погрешность контроля поверочными линейками зависит от применяемого метода контроля, опыта оператора, условий контроля и составляет 1…5 мкм.

Контроль отклонений от прямолинейности и плоскостности поверочными линейками выполняют одним из трех методов: на просвет, методом линейных отклонений или «на краску».

При проверке на просвет лекальную линейку накладывают острым ребром на контролируемую поверхность (рис. 9. 32, а), а источник света помещают сзади линейки и детали (рис. 9. 32, б). При отсутствии отклонений от прямолинейности или плоскостности щели (между линейкой и поверхностью), через которую мог бы проходить свет, не образуется. Линейное отклонение определяют на глаз (рис. 9. 32, в) или сравнением с образцами просвета. В качестве таких образцов могут выступать концевые меры длины (рис. 9. 32, г). Минимальная ширина щели, наличие которой устанавливается на глаз, составляет 3…5 мкм. Контроль может выполняться как для открытых поверхностей, так и в углах (рис. 9. 32, д).

Рис. 9. 32. Контроль отклонений поверочными линейками:
а, б — контроль на просвет; в, г — определение линейных отклонений; д — контроль отклонений в углах

Схема контроля при помощи линеек с широкой рабочей поверхностью и концевых мер длины представлена на рис. 9. 33. При контроле прямолинейности детали 1 в направлении X—X поверочную линейку 3 укладывают на две одинаковые концевые меры 2, находящиеся на расстоянии 0, 233 длины линейки от ее концов. За измерительную базу принимается нижняя поверхность линейки с широкой рабочей поверхностью. Отклонение от прямолинейности определяется с помощью концевых мер длины, щупов или специального средства измерений с измерительной головкой. Описанный метод применим для контроля прямолинейности на длине не более 2000 мм, так как при большей длине линеек их прогиб начинает оказывать существенное влияние на точность контроля.

Рис. 9. 33. Контроль прямолинейности деталей:
1 — контролируемая деталь; 2 — концевые меры длины; 3 — поверочная линейка; 4 — измерительная головка; X—X — направление контроля

Контроль отклонений от плоскостности методом «на краску» выполняется линейками типов ШТ, ШД, ШМ и УТ, причем у линеек типов ШМ и УТ рабочие поверхности должны быть шаброваны. При этом способе контроля рабочую поверхность линейки покрывают тонким слоем краски (например, смесью берлинской лазури или сажи с машинным маслом), перемещают по контролируемой поверхности и определяют число (площадь) пятен краски, оставшихся на выступах этой поверхности в квадрате размерами 25× 25 мм. Погрешность контроля составляет 3…5 мкм.

Поверочные плиты (рис. 9. 34) согласно ГОСТ 10905—86 «Плиты поверочные и разметочные. Технические условия» изготавливают из чугуна или гранита с вариацией размеров от 250× 250 до 4000× 1600 мм. Рабочие поверхности чугунных плит должны быть подвергнуты ручной шабровке или механической обработке. Шероховатость рабочих поверхностей механически обработанных чугунных и гранитных плит соответствует Ra 1, 25…0, 32 мкм.

Рис. 9. 34. Поверочные плиты

Классы точности плит — 000; 00; 0; 1; 2 и 3.

Допуск плоскостности устанавливается в зависимости от класса точности и размеров плиты и может составлять, например, 1, 2 мкм для плиты размерами 250× 250 мм класса точности 000, а для плиты размерами 2500× 1600 мм класса точности 3—120 мкм.

Плиты изготавливают из чугуна, по физико-механическим свойствам не уступающего чугуну марки СЧ8, твердость которого составляет 170…229 НВ.

Применение гранитных плит, имеющих повышенную твердость рабочей поверхности и износостойкость, более слабую температурную и вибрационную зависимости, позволяет повысить точность контроля.

Гранитные плиты изготавливают из диабаза, габбро и разных видов гранита, имеющего предел прочности на сжатие не менее 264, 9 МПа.

Допустимая погрешность контроля отклонений составляет 3…5 мкм.

По заказу потребителя рабочие поверхности чугунных плит могут быть разделены на квадраты и прямоугольники продольными и поперечными рисками, а гранитные плиты могут иметь пазы и резьбовые отверстия.

Полный средний срок службы плит составляет не менее 10 лет.

Проверка отклонений от прямолинейности и плоскостности с помощью плит может выполняться методами, аналогичными рассмотренным ранее, с учетом того, что контролируемая деталь должна быть по размерам не больше плиты и имеется возможность определять отклонения с помощью набора щупов, концевых мер длины или специального шкального средства при использовании метода линейных отклонений («от плиты»). Погрешность контроля, как правило, не должна превышать погрешностей, характерных для контроля с помощью поверочных линеек.

Условия измерений и контроля

Рассмотрим ряд вопросов, связанных с условиями, в которых выполняются измерения и контроль объектов, и их влиянием на погрешность измерения. Ведь каждое измерение выполняется в конкретных условиях, которые характеризуются одной, а чаще несколькими ФВ. Это температура и влажность окружающей среды, давление, плотность и т. д. Все эти величины называются также внешними влияющими величинами . Они часто оказывают существенное влияние на выбор средств измерений, контролируемый объект и на саму измеряемую ФВ.

Поэтому вопросам нормирования условий проведения измерений и контроля уделяется серьезное внимание.

В соответствии с ГОСТ 21964—76 «Внешние воздействующие факторы. Номенклатура и характеристики» все внешние воздействующие факторы могут быть разделены на следующие классы:

климатические (температура, атмосферное давление, относительное давление, относительная влажность окружающей среды, ветер, туман, пыль, солнечное излучение и др. );
электромагнитные (колебания напряжения и частоты переменного электрического тока в сети, действие постоянных и переменных магнитных полей, электромагнитная совместимость и др. );
ионизирующие излучения естественного и искусственного происхождения;
механические (колебания, удары, линейные ускорения, механическое давление, сила и др. );
термические (тепловой удар, аэродинамический нагрев и др. );
специальные среды (кислотно-щелочные среды, отравляющие вещества, топлива и др. ).

Для обеспечения единства измерений к условиям их проведения предъявляют жесткие требования. Для средств измерений конкретного типа в нормативных документах или по результатам их поверки (калибровки) устанавливают единые нормальные условия измерений .

Это условия измерений, предписанные для оценивания средства измерений или измерительной системы или для сравнения результатов измерений. Нормальные условия измерений устанавливаются в нормативных документах на средства измерений конкретного типа или при их поверке (калибровке). Значение ФВ, соответствующее нормальным условиям, называют нормальным значением влияющей величины , и оно принимается за номинальное. Приведем номинальные значения наиболее широко распространенных влияющих ФВ:

Температура для всех видов измерений, °С (К)20 (293)
Давление воздуха для линейных, угловых измерений, измерений массы, силы света, измерений в спектроскопии, кПа (мм рт. ст. )101, 3 (760)
Относительная влажность воздуха для линейных, угловых измерений, измерений массы, измерений в спектроскопии, %58
Плотность воздуха, кг/м³ 1, 2
Ускорение свободного падения, м/с² 9, 8
Относительная скорость движения внешней среды0

Однако при выполнении измерений бывает трудно и даже невозможно поддержать установленные номинальные значения влияющих величин. Поэтому определяют пределы возможных изменений для каждой влияющей величины, которые называют нормальной областью значений влияющей величины . Согласно РМГ 29-2013 это — область значений влияющей величины, в пределах которой изменением результата измерений под ее воздействием можно пренебречь в соответствии с установленными нормами точности.

Например, нормальная область значений температуры при линейных измерениях в зависимости от уровня точности и диапазона размеров не должна отклоняться от установленной температуры 20°С более чем на ±0, 1°С для точных квалитетов и на ±4°С — для грубых квалитетов, а для угловых измерений эта величина не должна превышать ±3, 5°С, т. е. нормальные области значений влияющей величины — температуры должны находиться в следующих диапазонах, °С: 19, 9…20, 1; 16…24 и 16, 5…23, 5.

Аналогично устанавливают нормальные области значений других влияющих величин.

В соответствии с ГОСТ 8. 050—73 «ГСИ. Нормальные условия выполнения линейных и угловых измерений» требования к нормальным условиям зависят от допусков на измеряемую величину и допустимой погрешности измерений.

При подготовке к измерениям необходимо определить рабочее пространство — часть пространства (окружающего средство и объект измерений), в котором нормальная область значений влияющих величин находится в установленных пределах. Если рабочее пространство не установлено, то нормальные условия измерений следует обеспечивать во всем помещении, где выполняют измерения.

Для обеспечения нормальных условий измерений стандарт устанавливает продолжительность выдержки объектов измерения (контроля) и средств измерений до начала измерений в рабочем пространстве в условиях, соответствующих определенным требованиям, в течение 2…36 ч в зависимости от массы объекта и требуемой точности измерения.

В машиностроении при точных измерениях для поддержания нормальных условий применяются специальные средства защиты от воздействия влияющих величин. Так, влияние температуры исключают путем термостатирования — обеспечения определенной температуры в рабочем пространстве. Термостатировать можно средства измерений, производственные помещения (цехи, лаборатории), камеры.

В целях устранения вибрации и сотрясений используют амортизаторы — эластичные подвесы (струны, пружины и т. д. ), губчатую резину и т. д.

Средством защиты от влияния магнитного поля Земли служат экраны из магнитомягких материалов.

Для уменьшения влияния измерения атмосферного давления, применяют барокамеры.

Учесть действие совокупности влияющих величин сложно, а иногда и невозможно. В ГОСТ 8. 050—73 рекомендуется учитывать это действие посредством введения дополнительной погрешности или изменения показаний средств измерений. Для этого устанавливают рабочую область значений влияющей величины — такую область, в пределах которой нормируют дополнительную погрешность или изменение показаний средства измерений.

При выполнении измерений в сложных условиях, например при высокой или низкой температуре, определенной влажности, в агрессивных средах, обеспечить нормальные условия измерений невозможно. В таких ситуациях устанавливают менее жесткие, чем обычно, условия выполнения измерений, называемые рабочими условиями . Это такие условия, при которых значения влияющих величин заключены в пределах рабочих областей. Например, для измерительного конденсатора нормируют дополнительную погрешность, учитывающую отклонение температуры окружающего воздуха от нормальной.

При проектировании средств измерений и контроля определяют так называемые предельные условия измерений . С этими условиями связаны экстремальные значения измеряемой и влияющих величин, которые средство измерений может выдержать без разрушений и ухудшения его метрологических характеристик.

Выбор средств измерений и контроля

Правильный выбор средств измерений (контроля) обеспечивает получение достоверной информации об измеряемом объекте (а это гарантия качества изготавливаемых изделий) и позволяет оптимизировать затраты производства на контрольные операции.

Выбор средств измерений и контроля зависит от целого ряда факторов, таких, как масштаб производства, организационно-технические формы контроля, принятые на производстве, конструктивные особенности объекта измерения (контроля), экономические и другие факторы, а также от требований, устанавливаемых Р 50-609-309-01 «Правила выбора средств контроля».

Масштаб ( объем ) производства определяет тип средства измерений (контроля), необходимую производительность процесса измерения (контроля), а следовательно, и уровень его автоматизации или механизации.

Конструктивная форма , число контролируемых параметров , габариты и масса деталей также влияют на выбор типа средства измерений. Так, тяжелые детали больших габаритов измеряют и контролируют переносными средствами измерений и контроля. При большом числе контролируемых параметров рекомендуется применять многомерные средства измерений или контроля.

При выборе средства измерений необходимо учитывать материал контролируемой детали, жесткость ее конструкции и шероховатость поверхности с позиций повреждаемости объекта измерения. Измерение тонкостенных деталей и деталей из легких сплавов и пластмасс следует выполнять бесконтактным методом или средствами, требующими малых измерительных усилий.

На точность показания средств измерений существенное влияние оказывают погрешности различного типа. Оценка погрешности измерения должна выполняться комплексно, с учетом и самой погрешности измерения и условий измерений, при которых она должна проявиться. Точность показаний средства измерений определяется суммарной погрешностью , составляющими которой являются систематические и случайные погрешности. Большинство независимых случайных погрешностей подчиняются нормальному закону распределения, и поэтому их суммируют по правилам теории вероятности для независимых случайных величин.

Составляющие суммарной погрешности могут быть найдены по справочной литературе или экспериментальным путем. Суммарную погрешность измерения для конкретного средства измерений определяют по формуле

где ∆ _i _сист, ∆ _γ _сл — составляющие систематических и случайных погрешностей.

Суммарная погрешность может составлять 8…30% допуска контролируемого параметра. Ее величина зависит от назначения изделия и может быть равна, %: для ответственных изделий — 8, для менее ответственных — 12, 5…20, а для остальных — 25…30.

Средство измерений выбирают исходя из допустимой погрешности измерения [∆ ] и расчетной суммарной погрешности ∆ _Σ.

Допустимые погрешности измерений регламентированы ГОСТ 8. 051—81 «ГСИ. Погрешности, допускаемые при измерении линейных размеров до 500 мм» в зависимости от номинальных размеров и допусков на изготовление. Допустимые погрешности измерений приняты равными:

для грубых допусков [∆ ] = 0, 2Т;
для остальных допусков [∆ ] = 0, 35Т, где Т — допуск контролируемого параметра, задаваемый конструктором.

Запишем условие правильности выбора средства измерений:

∆ _Σ ≤ [∆ ].

Если это условие не выполняется, необходимо либо пересмотреть составляющие суммарной погрешности измерений и принять меры к их снижению, либо заменить средство измерений или его элементы.

Экономические показатели выбора средств измерений занимают важное место в процедуре выбора и его обоснования. К ним относят стоимость средства измерений, продолжительность его работы до ремонта, срок окупаемости, время настройки средства измерений и время, затраченное на измерение, необходимая квалификация оператора и др.

Из­ме­рительные ли­нейки.

Измерительные линейки.