Temat 4:

„Przyrządy suwmiarkowe,

mikrometryczne i czujniki”

Miernictwo i systemy
pomiarowe w budowie
maszyn

Rozwiązania konstrukcyjne przyrządów suwmiarkowych

suwmiarki

głębokościomierze wysokościomierze

wyposażone w dwie
szczęki pomiarowe,
z

których

jedna

stanowi

całość

z

prowadnicą
(szczęka

stała),

druga

—

z

suwakiem (szczęka
ruchoma)

wyposażone w suwak
z

poprzeczką

zawierającą
powierzchnię
pomiarową;

drugą

powierzchnię

po-

miarową

stanowi

zakoń-czenie
prowadnicy

stosowane w pomiarach
na płycie pomiarowej, z
ciężką podstawą opiera-
jącą się na płycie, której
powierzchnia

jest

po-

wierzchnią

pomiarową

(druga

powierzchnia

pomiarowa — na suwaku);

TYPY PRZYRZĄDÓW SUWMIARKOWYCH ORAZ PODSTAWOWE

WYMAGANIA METROLOGICZNE I TECHNICZNE

suwmiarka dwustronna z

głębokościomierzem (uniwersalna)

suwmiarka dwustronna

suwmiarka

jednostronna

głębokościomie

rz

suwmiarkowy

wysokościomier

z suwmiarkowy

RODZAJE WZORCÓW DŁUGOŚCI

kreskowy

zębatkowy elektroniczny

połączony z prowadnicą

przyrządu

suwmiarkowego

o działce elementarnej
1 mm

listwa zębata
wzorcowa

wzorzec
pojemnościowy

klasyczne, często stosowane rozwiązanie, wzorzec kreskowy
współpracujący z

noniuszem

— dodatkową podziałką na

suwaku do odczytywania wyniku pomiaru

NONIUSZ

w przyrządach z wzorcami kreskowymi
pełni rolę urządzenia ułatwiającego
odczytywanie

wskazań

i

zwiększającego dokładność odczytania

w przyrządach suwmiarkowych stosuje
się prawie wyłącznie noniusze o
dokładności odczytu

0,1 mm

i

0,05 mm

używanie noniuszy

0,02 mm

zanika,

ponieważ ich dokładność odczytu jest
porównywalna z błędem koincydencji

W przyrządach suwmiarkowych (metrycznych) stosuje się noniusze
o liczbie działek

(n) 10, 20

lub

50

, co przy działce wzorca

1mm

daje

zdolność odczytania długości odpowiednio

±0,1 mm

,

±0,05 mm

i

±0,02 mm

n — liczba działek elementarnych
noniusza

Równanie określające podziałkę noniusza ma postać:





ep

en

n

L

n

M

L

n

L













1

M — moduł noniusza, L

en

— długość działki elementarnej noniusza, L

ep

—

długość działki elementarnej wzorca prowadnicy, n — liczba działek
elementarnych noniusza

Równanie określające dokładność noniusza (zdolność odczytania

długości):

n

L

ep





0

1

2

3

4

5

6

7

8

1
0

9

noniusz

prowadnic

a

L

ep

L

en

L

n

Noniusz

ujemny

Noniusz

dodatni

1
0

9

8

7

6

5

4

3

2

0

1

noniusz

prowadnic

a

L

ep

L

en

L

n

Noniusze stosowane w przyrządach suwmiarkowych o

modułach 1 i 2 oraz dokładności odczytu 0,1 i 0,05 mm

Zasada odczytania wskazania za pomocą

noniusza











k

L

r

L

ep

r — liczba całkowitych działek elementarnych prowadnicy
k— liczba kresek noniusza od pierwszej (pierwszą oznacza się liczbą 0)

do k-tej będącej w koincydencji

L

ep

— długość działki elementarnej wzorca prowadnicy

 — dokładność odczytu noniusza

0

1

2

3

4

5

6

7

8

1
0

9

5

10

15

r

k

mm

L

7

,

4

1

,

0

7

1

4











Zasada działania suwmiarki ze wzorcem zębatkowym polega na
współpracy

kółka zębatego 2

z

zębatką wzorcową 1

połączoną z

prowadnicą. Podczas ruchu suwaka kółko obraca się, poruszając
(zwykle za pomocą odpowiedniej przekładni)

wskazówkę

urządzenia wskazującego 3

. Na podziałce odczytuje się pełne

milimetry i ich ułamki (np. co 0,05 mm), natomiast dziesiątki
milimetrów odczytuje się — zależnie od konstrukcji przyrządu —
również na urządzeniu wskazującym 3 (za pomocą drugiej
wskazówki) albo bezpośrednio na prowadnicy.

Przyrządy suwmiarkowe z

zębatkowym wzorcem

długości

Wyposażone są we

wzorce pojemnościowe

mające postać

cienkiego paska naklejonego na prowadnicę przyrządu; pasek ten
zawiera wiele elementów pojemnościowych (kondensatorów).
Analogiem mierzonego wymiaru jest robocza pojemność

wzorca 1

(naklejonego na prowadnicy) odpowiadająca danemu położeniu
suwaka, mierzona miniaturowym układem elektronicznym. Wynik
pomiaru widnieje na cyfrowym

urządzeniu wskazującym 2

zbudowanym z ciekłych kryształów; typowa wartość działki
elementarnej wynosi

0,01 mm

.

Przyrządy suwmiarkowe elektroniczne (cyfrowe)

Elektroniczny przyrząd suwmiarkowy

zapewnia wygodny i

dokładny pomiar oraz specjalne udogodnienia:

 możliwość zerowania wskazania w dowolnym miejscu

,

 przełączanie milimetry / cale

,

 wyjście do układów przetwarzania danych

(np. w celu

rejestrowania wyników pomiarów i ich obróbki statystycznej).

Wymagania metrologiczno-techniczne dotyczące

przyrządów suwmiarkowych

Właściwości

materiału

prowadnica i suwak — stal węglowa
narzędziowa o twardości 59 HRC lub
stal odporna na korozję o twardości
52 HRC

rysik

wysokościomierza

—

stal

stopowa narzędziowa do pracy na
zimno, twardość - 59 HRC

Podziałka

prowadnicy i

suwaka

na prowadnicy i suwaku powinna być
podziałka kreskowa

podziałka prowadnicy powinna być
oznaczona liczbami w centymetrach

dla podziałki noniusza zaleca się

moduł

2

szerokość

kresek

prowadnicy

i

noniusza powinna mieścić się w
przedziale

0,08-0,2mm

różnica szerokości dowolnych kres nie
powinna przekraczać

0,03 mm

; w

przyrządach

suwmiarkowych

z

noniuszem 0,1 mm dopuszcza się
różnicę 0,05 mm

kresy podziałek powinny być wyraźne,
proste, prostopadłe do powierzchni
prowadnicy;
cyfry

na

podziałce

powinny

być

wyraźne

Dopuszczalne błędy wskazań przyrządów suwmiarkowych

kreskowych

Dopuszczalne błędy wskazań przyrządów suwmiarkowych

elektronicznych





 

m

L

u



1

,

0

50





L – dolna granica przedziału w jakim mieści się

wartość zmierzona

dla przedziału [ 0 – 100)

L = 0

dla przedziału [ 100 – 200) L =100

P

- współczynnik proporcjonalności - skok śruby mikrometrycznej,

który w większości przyrządów wynosi

0,5 mm

Tak więc, po jednym pełnym obrocie śruba przesuwa się o

0,5

mm

, a po

1/50

obrotu — o

0,01 mm

PRZYRZĄDY MIKROMETRYCZNE

Realizowana zasada

pomiarowa

proporcjonalność przesunięcia

L

śruby mikrometrycznej w

czasie jej obracania w nieruchomej nakrętce do liczby

n

wykonanych obrotów

n

P

L





BUDOWA PRZYRZĄDÓW

MIKROMETRYCZNYCH

Korpusem przyrządu jest

kabłąk 1

, z którego

wysuwa się

wrzeciono 2

i w którym jest

osadzone

kowadełko 4

. Zespół zawierający

śrubę mikrometryczną 3

(stanowiącą całość z

wrzecionem), rozciętą

nakrętkę 6

połączoną z

tuleją 5

osadzoną w kabłąku oraz urządzenie do

kasowania

luzu

na

gwincie

(

pierścień

gwintowany 11

zaciskający nakrętkę 6) jest

właściwym przetwornikiem mikrometrycznym.
Śruba 3 jest obracana za pomocą

bębna 7

z

pierścieniem (pokrętłem) 8

i

sprzęgłem 9

.

Wrzeciono ze śrubą mikrometryczną można
unieruchomić

zaciskiem 10

Charakterystyka podziałek przyrządu mikrometrycznego

NA

TULEI

wartość działki elementarnej

0,5

mm

długość podziałki

25 mm

wskazówką jest krawędź bębna

NA

BĘBNIE

wartość działki elementarnej

0,01

mm

ilość działek elementarnych

50

wskazówką jest linia podstawowa
na tulei

0,5m

m

0

5

0

45

5

0,01 mm

Zależnie od przeznaczenia przyrządu - różnią się:

budową kabłąka,
kowadełka,
końcówki pomiarowej wrzeciona.

mikrometr do pomiarów

zewnętrznych o zakresie od 0 do

25

mikrometr do pomiarów

zewnętrznych ze zmniejszoną

średnicą wrzeciona i kowadełka

mikrometr do pomiaru kół

zębatych

mikrometr z

czujnikiem

Odmiany mikrometrów zewnętrznych

mikrometr z wydłużonym

kabłąkiem (do blach)

mikrometr do drutu

mikrometr do rur

mikrometr z wymiennymi

kowadełkami (o zwiększonym

zakresie pomiarowym)

Dwa zakresy pomiarowe:

5 – 30 mm
30-55 mm

Mikrometry wewnętrzne

Średnicówki mikrometryczne 2 - punktowe

mają dwie kuliste końcówki
pomiarowe

zwykle nie zawiera sprzęgła

najmniejsze średnicówki mają zakres pomiarowy

50-

75 mm

Średnicówki mikrometryczne 3 - punktowe

mają trzy końcówki pomiarowe rozmieszczone
co 120

o

możliwe są różne mechanizmy rozsuwania
końcówek

Głębokościomierze mikrometryczne

służą do mierzenia wymiarów mieszanych

składają się z głowicy mikrometrycznej osadzonej w
poprzeczce

Wymagania metrologiczno-techniczne dotyczące

przyrządów mikrometrycznych

Właściwości

materiału

elementów

pomiarowych

stal węglowa narzędziowa, twardość
62 HRC
stal odporna na korozję, twardość 52
HRC

elementy mikrometru nie powinny
być namagnesowane

Podziałka

tulei i bębna

podziałka tulei powinna być kreskowa
o

wartości

działki

elementarnej

równej skokowi gwintu śruby (

0,5 mm

lub

1 mm

)

podziałka

bębna

powinna

być

kreskowa z działką elementarną 0,01
mm

szerokość kresek podziałek powinna
zawierać się w przedziale

0,08 - 0,2

mm

; różnica w szerokości kres nie

powinna przekraczać

0,05 mm

wrzeciono przy zwolnionym zacisku
powinno

obracać

się

płynnie

i

swobodnie, bez luzów i zacięć

przyrząd mikrometryczny powinien
mieć sprzęgło do napędu wrzeciona
zapewniające nacisk pomiarowy

5-10

N

Dopuszczalne błędy wskazań przyrządów

mikrometrycznych kreskowych

Błąd obserwacji

 

m

A

u













 





50

4

A – dolna granica przedziału w jakim mieści się

wartość zmierzona

dla przedziału [ 0 – 50) L = 0

dla przedziału [ 50 – 100) L =50



 



m

mm

L

eb



1

001

,

0

01

,

0

1

,

0

1

,

0























L

eb

– wartość działki elementarnej na bębnie

Błąd dolnej granicy zakresu pomiarowego

błąd przyrządu mikrometrycznego dla dolnej granicy
zakresu pomiarowego

błąd o charakterze systematycznym

po wyznaczeniu jego wartości należy go wyeliminować z
surowego wyniku pomiaru wprowadzając poprawkę

KĄTOMIERZE

przeznaczone są do stykowego mierzenia wymiarów
kątowych
zawierają

kreskowy wzorzec kąta

oraz

noniusz kątowy

,

zapewniający zazwyczaj odczytanie kąta z błędem

±5'

wzorce kąta w kątomierzach mogą mieć podziałki o różnych
wartościach działki elementarnej (najczęściej 1 lub 2

o

)

korpus 1

,

liniał pomiarowy

2

,

podzielnia

(tarcza stała)

3

ze

wzorcem kąta (4x90°),

tarcza obrotowa

4

z

noniuszem

5

,

zacisk

tarczy

6

i

zacisk liniału

7

Kątomierz uniwersalny

zawiera wzorzec kreskowy wykonany na

podzielni

(tarczy)

szklanej, umieszczonej w

obudowie

1

; do odczytywania wskazań

służy

wziernik

2

z lupą; kątomierz ma dwa

ramiona pomiarowe

:

stałe

3

i

obrotowe 4

oraz

zacisk 5

Kątomierz optyczny

CZUJNIKI

są przyrządami przeznaczonymi do stykowych pomiarów
długości

metodą różnicową

aby dokonać pomiaru czujnikiem, trzeba ponadto
dysponować odpowiednim końcowym wzorcem długości

niezbędne są także pewne przybory pomocnicze: uchwyt
czujnika (ewentualnie łącznie ze stolikiem pomiarowym),
płyta pomiarowa itp.

łańcuch pomiarowy każdego czujnika zawiera

końcówkę

pomiarową

; jest to właściwy „czujnik"

urządzenie wskazujące czujnika może być

analogowe

,

cyfrowe

lub typu

sygnalizacyjnego

(kolorowe lampki)

między końcówką pomiarową a urządzeniem wskazującym
znajduje się jeden lub kilka

przetworników pomiarowych

; ich

zasada pomiarowa i konstrukcja mogą być bardzo
różnorodne

dobiera się wzorzec długości

o wymiarze możliwie bliskim polu

tolerancji sprawdzanego wymiaru;

czujnik mocuje się w uchwycie

i stawia na płycie pomiarowej

(niektóre czujniki są fabrycznie wyposażone w odpowiedni uchwyt
wraz ze stolikiem pomiarowym — czujnik indukcyjny, optimetr);

położenie czujnika ustala się przez regulację uchwytu

w taki

sposób, aby po oparciu końcówki pomiarowej o wzorzec
wskazanie czujnika było bliskie zeru (zerowanie wstępne);

obracając podzielnię lub dokonując innych manipulacji
doprowadza się do pokrycia wskazówki i wskazu zerowego
(

zerowanie dokładne

);

za pomocą nastawnych wskazówek

(lub w inny sposób, zależnie

od konstrukcji czujnika) oznacza się odchyłki graniczne
sprawdzanego wymiaru;

zamiast wzorca

umieszcza się pod końcówką pomiarową

mierzony przedmiot i odczytuje się zaobserwowaną odchyłkę od
wymiaru nastawionego (nominalnego).

Typowy pomiar za pomocą czujnika przebiega

następująco

Typowy pomiar za pomocą czujnika przebiega

następująco

Podział czujników ze względu na zasadę działania

przetwornika pomiarowego

 mechaniczne

,

w

których

przetwornik

jest

pewnym

mechanizmem zamieniającym ruch końcówki pomiarowej na
ruch wskazówki:

 dźwigniowe,

 zegarowe (z kołami zębatymi),

 sprężynowe,

 konstrukcji mieszanej, np. dźwigniowo-zębate;

 optyczne

; należą do nich także mieszane konstrukcje, np.

sprężynowo-optyczne;

 elektryczne

,

w

których

przetwornik

pomiarowy

jest

urządzeniem elektrycznym (względnie elektronicznym):

 elektrostykowe,

 indukcyjne,

 pojemnościowe.

Typowym przedstawicielem czujników

mechanicznych

jest bardzo

rozpowszechniony

czujnik

zegarowy

(zwany też

tarczowym

).

Głównymi elementami są:

1 — trzpień pomiarowy

z wymienną

końcówką 2

,

3 — tuleja prowadząca trzpień

, służącą jednocześnie do

mocowania czujnika,

4 — wskazówka główna

,

5 — podzielnia

obrotowa

z podziałką główną,

6 — wskazówka pomocnicza

,

7 — podziałka pomocnicza

,

8 —

obudowa

,

9 i 10 — nastawne wskazówki

do oznaczania odchyłek

granicznych

Czujniki zegarowe

są produkowane w wielu odmianach, z różnymi

działkami elementarnymi

(0,001 - 0,01 mm)

i zakresami

pomiarowymi (odpowiednio

1 -10 mm

, znane są też czujniki o

większym zakresie pomiarowym). Najbardziej rozpowszechniona
wersja — to czujnik o zakresie pomiarowym

10 mm

, z działką

elementarną

0,01 mm

. Pełny obrót głównej wskazówki takiego

czujnika odpowiada przesunięciu końcówki pomiarowej o

1 mm

;

na głównej podziałce jest więc

100 działek

. Podziałka pomocnicza

zawiera wtedy

10 działek

o wartości

1 mm

.

Do mierzenia średnic otworów służą

średnicówki

z

czujnikiem

zegarowym

,

potocznie

zwane

„średnicówkami

zegarowymi".

Średnicówka

jest

właściwie

specyficzną oprawką dla normalnego
czujnika zegarowego.

Czujnik

1

jest

zamocowany w

korpusie

3

za pomocą

zacisku

2

. W

dolnej części

5

przyrządu

znajduje się mechanizm zmiany
kierunku ruchu końcówki pomiarowej
o 90° —

dźwignia kątowa

10

, o którą

opiera się

trzpień pomiarowy

11

i

końcówka

przesuwna

6

.

Druga

końcówka

7

jest wymienna (zmiana

zakresu pomiarowego).

Mostek

8

, na

który działają

sprężyny

9

, służy do

osiowania średnicówki, opartej o
powierzchnię mierzonego otworu w 3
punktach: A, B, C.

Średnicówkę zeruje się po dobraniu odpowiedniej końcówki wymiennej. Do
zerowania można użyć:

płytek wzorcowych

zamocowanych w uchwycie;

mikrometru zewnętrznego

nastawionego na wymiar nominalny, z

zaciśniętym wrzecionem (przy mniej dokładnych pomiarach);

specjalnego nastawiaka

w postaci pierścienia o dokładnie znanej

średnicy wewnętrznej (produkcja masowa, częste zerowanie średnicówki).
Zakres pomiarowy średnicówki zegarowej nie przekracza zwykle

1 mm

, co

wynika z konstrukcji mechanizmu zmiany kierunku ruchu końcówki
pomiarowej. Dlatego czujniki stosowane w średnicówkach często nie mają
wskazówki pomocniczej, a tylko wskazówkę główną.

Należy zwrócić uwagę, że

przyrost mierzonej

średnicy uwidacznia się w zmniejszeniu
wskazania

czujnika

(wzrost

wskazania

czujnika

następuje

przy

wsunięciu

jego

końcówki pomiarowej !). Trzeba o tym pamiętać
wykonując pomiar czujnikiem, aby uniknąć
błędu nadmiernego.

Zasada działania czujników

sprężynowych

polega na wykorzystaniu

odkształcenia sprężyny podczas przesuwania końcówki pomiarowej.
Czujniki sprężynowe są przyrządami precyzyjnymi (o zastosowaniu typowo
laboratoryjnym), a do celów produkcyjnych używa się ich stosunkowo
rzadko. Czujniki te są stosowane z zasady wraz ze specjalnym uchwytem
zawierającym stolik pomiarowy.
Do zerowania stosuje się najczęściej płytki wzorcowe klasy

1

lub nawet

0

.

Czujniki sprężynowe krajowej produkcji noszą firmową nazwę

metrotest

;

zależnie od odmiany, działka elementarna wynosi (mm)

0,001

lub

0,0005

,

a zakres pomiarowy

±0,07

,

±0,06

lub

±0,035

.

Czujniki optyczne

oparte są na zasadzie tzw. „dźwigni optycznej";

wykorzystuje się zależność przesunięcia obrazu na ekranie od wychylenia
zwierciadła stanowiącego główny element przetwornika czujnika.
Odpowiednio duże przełożenie układu uzyskuje się przez zwiększenie
odległości ekranu od zwierciadła.

Przykładem czujnika optycznego może być przyrząd o firmowej nazwie

optimetr

.

Wartość działki elementarnej optimetru wynosi zwykle

0,001 mm

, a

zakres pomiarowy —

parę dziesiątych mm

.

Optimetr

jest czujnikiem

precyzyjnym, o podobnym zastosowaniu jak czujniki sprężynowe. Zaletą
jego konstrukcji (jak zresztą wszystkich czujników optycznych) jest mała
liczba ruchomych części — tylko trzpień pomiarowy i zwierciadło — a
więc niewielkie błędy wierności.

Przykładem czujnika optycznego może być przyrząd o firmowej nazwie

optimetr

.

Trzpień pomiarowy

1

(z

wymienną końcówką

10

) powoduje obrót

zwierciadła

2

opartego na

ostrzu

3

. Wiązka światła odbitego od

lusterka

8

wchodzi do

szklanej płytki 7

odbijając się wewnątrz od jej ściętej

powierzchni, a następnie przechodzi przez

płytkę

6

z naciętą podziałką.

Wiązka zmienia kierunek w

pryzmacie 5

, przechodzi przez układ

soczewek

4

i po odbiciu od

zwierciadła 2

wraca tą samą drogą, tworząc na matówce

płytki 6

rzeczywisty obraz podziałki.

Obraz ten jest przesunięty w
stosunku do samej podziałki
w dwóch kierunkach: w
poziomie,

aby

umożliwić

odczyt, i w pionie, zależnie
od

położenia

trzpienia

pomiarowego.
Pionowe przesunięcie obrazu
podziałki, będące analogiem
mierzonej

odchyłki

od

zerowego

ustawienia

czujnika, obserwuje się przez

okular

9

korzystając

z

nieruchomego
przeciwwskaźnika — kreski
na matówce.

Najprostszymi

czujnikami elektrycznymi

są czujniki

elektrostykowe

,

obecnie rzadko stosowane. Ich działanie polega na otwieraniu lub
zamykaniu obwodu zależnie od położenia końcówki pomiarowej; są to w
istocie mechaniczne czujniki dźwigniowe wyposażone w precyzyjne
mikrozestyki elektryczne. Czujnik jest wyposażony w urządzenie
sygnalizacyjne z kolorowymi lampkami (np. kolor zielony — wymiar w polu
tolerancji, czerwony — wymiar za mały, żółty — za duży). Czujniki
elektrostykowe zostały wyparte przez znacznie bardziej uniwersalne i
niezawodne czujniki indukcyjne.

Czujnik indukcyjny

działa na zasadzie zmiany indukcyjności cewki na

skutek zmiany położenia jej rdzenia, połączonego z trzpieniem
pomiarowym.

Trzpień pomiarowy 1

przesuwa się w

prowadnicy kulkowej 2

i połączony jest z

rdzeniem ferrytowym 3

, wspólnym dla zespołu dwóch

cewek 4 i 5

.

Mostek pomiarowy czujnika zawiera dwie równolegle gałęzie: ABC i ADC;
w każdej znajduje się jedna z cewek głowicy pomiarowej, stały opór R
oraz połowa oporności R

1

. Do punktów A i C doprowadzone jest napięcie

(zmienne) U z generatora wchodzącego w skład przyrządu. Gdyby mostek
był symetryczny (tzn. L1 = L2), napięcie UQ między punktami B i D
byłoby równe zeru.

Przykłady

zastosowania

czujników

indukcyjnych:

klasyczny pomiar metodą różnicową (jak
typowym

czujnikiem),

wskazanie

analogowe lub (znacznie wygodniejsze)
cyfrowe.
sprawdzanie tolerowanych wymiarów, po
nastawieniu granic pola tolerancji i poprzez
obserwację

lampek

sygnalizacyjnych

(urządzenie wskazujące może być wtedy
wyłączone).
pomiar z rejestracją wymiarów kolejnych
sztuk.
sterowanie

automatem

kontrolno

-

sortującym.
sterowanie obrabiarką w kontroli czynnej.