Temat 4: „Przyrządy suwmiarkowe, mikrometryczne i czujniki”
Rozwiązania konstrukcyjne przyrządów suwmiarkowych
- suwmiarki
wyposażone w dwie szczęki pomiarowe, z których jedna stanowi całość z prowadnicą (szczęka stała), druga — z suwakiem (szczęka ruchoma)
- głębokościomierze
wyposażone w suwak z poprzeczką zawierającą powierzchnię pomiarową; drugą
powierzchnię po-miarową stanowi zakończenie prowadnicy
- wysokościomierze
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);
RODZAJE WZORCÓW DŁUGOŚCI - połączony z prowadnicą przyrządu suwmiarkowego
- kreskowy, o działce elementarnej 1 mm
klasyczne, często stosowane rozwiązanie, wzorzec kreskowy współpracujący z noniuszem —
dodatkową podziałką na suwaku do odczytywania wyniku pomiaru
- zębatkowy, listwa zębata wzorcowa
- elektroniczny, wzorzec pojemnościowy
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
Równanie określające podziałkę noniusza ma postać:
L = n ⋅ L = M ⋅ n ±1 ⋅ L
n
en
(
)
ep
M — moduł noniusza, Len — długość działki elementarnej noniusza, Lep — długość działki elementarnej wzorca prowadnicy, n — liczba działek elementarnych noniusza Równanie określające dokładność noniusza (zdolność odczytania długości): L
ep
∆ =
n
n — liczba działek elementarnych noniusza
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
Zasada odczytania wskazania za pomocą noniusza
L = r ⋅ Lep + k ⋅ ∆
r — liczba całkowitych działek elementarnych prowadnicy
k— liczba kresek noniusza od pierwszej (pierwszą oznacza się liczbą 0) do k-tej będącej w koincydencji
Lep — długość działki elementarnej wzorca prowadnicy
∆ — dokładność odczytu noniusza
L = 4 ⋅1+ 7 ⋅ 1
,
0 = ,
4 7 mm
Przyrządy suwmiarkowe z zębatkowym wzorcem długości
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 elektroniczne (cyfrowe)
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.
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
- 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 u = ±(50 +
L
1
,
0
) [ m
µ ]
L – dolna granica przedziału w jakim mieści się wartość zmierzona
dla przedziału [ 0 – 100)
L = 0
dla przedziału [ 100 – 200) L =100
PRZYRZĄDY MIKROMETRYCZNE
Realizowana zasada pomiarowa - proporcjonalność przesunięcia L śruby mikrometrycznej w czasie jej obracania w nieruchomej nakrętce do liczby n wykonanych obrotów
L = P ⋅ n
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
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
Odmiany mikrometrów zewnętrznych
Zależnie od przeznaczenia przyrządu - różnią się:
budową kabłąka,
kowadełka,
końcówki pomiarowej wrzeciona.
Dwa zakresy pomiarowe:
5 – 30 mm
30-55 mm
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 120o
- 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
A
u = ± 4 +
[µ m ]
50
A – dolna granica przedziału w jakim mieści się wartość zmierzona
dla przedziału [ 0 – 50) L = 0
dla przedziału [ 50 – 100) L =50
Błąd obserwacji
∆ = ±( 1,
0 ⋅ L
= ± 1
,
0 ⋅ ,
0 01 = ± ,
0 001
= ± µ
1
eb )
(
)
mm
m
Leb – 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 2o)
Kątomierz optyczny
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
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
Typowy pomiar za pomocą czujnika przebiega następująco
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).
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.
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.
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 R1. 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.