PRZYRZĄDY SUWMIARKOWE I MIKROMETRYCZNE

Zakres i cel ćwiczenia

Zapoznanie się z obsługą i wykorzystaniem wybranych, uniwersalnych przyrządów suwmiarkowych i mikrometrycznych oraz opanowanie umiejętności poprawnego przedstawiania wynikó pomiarów i szacowania ich błędów.

Konieczne przyrządy i materiały

• suwmiarka jednostronna MAJd

• suwmiarka elektroniczna dwustronna z głębokościomierzem MAUa-E

• głębokościomierz suwmiarkowy MAGa

• wysokościomierz suwmiarkowy MARa

• wysokościomierz suwmiarkowy elektroniczny MARa-E

• mikrometr zewnętrzny z powierzchniami pomiarowymi płaskimi MMZb

• mikrometr wewnętrzny szczękowy jednostronny MMWd

• mikrometr czujnikowy z wbudowanym czujnikiem MMCc

• średnicówka mikrometryczna składana MMWc

Rys. 1. Mikrometr zewnętrzny z powierzchniami pomiarowymi płaskimi MMZb: a) przekrój, b) wskazanie 5,965 mm; 1) kabłąk, 2) kowadełko, 3) nakładki (węgliki spiekane), 4) wrzeciono ze śrubą mikrometryczną, 5) tuleja z nakrętką mikrometryczną, 6) tuleja z podziałką, 7) bęben z podziałką, 8) nakrętka do kasowania luzu, 9) tuleja sprzęgła ciernego, 10) sprężyna sprzęgła, 11) wkręt do mocowania bębna na wrzecionie, 12) nakrętka, 13) zacisk.

Rys. 2. Wysokościomierz suwmiarkowy MARa z noniuszem 0,02 mm; 1) prowadnica, 2) suwak, 3) szczęka suwaka, 4) podstawa, 5) śruby zaciskowe, 6) wkładka, 7) suwak pomocniczy, 8) nakrętka nastawcza, 9) śruba nastawcza, 10) rysik.

Rys. 3. Suwmiarka elektroniczna z głębokościomierzem MAUa-E/150

Rys. 4. Wysokościomierz suwmiarkowy elektroniczny MARa-E/300

Rys. 5. Głębokościomierz suwmiarkowy MAGa z noniuszem 0,1 mm: 1) poprzeczka, 2) wysuwka, 3) śruba zaciskowa, 4) wkładka.

Rys. 6. Mikrometr z czujnikiem wbudowanym MMCc: 1) kabłąk, 2) wrzeciono, 3) kowadełko, 4) zacisk, 5) podziałka czujnika, 6) wskazówka, 7) wskaźniki tolerancji, 8) tuleja, 9) bęben, 10) przycisk do cofania kowadełka.

Rys. 7. Mikrometr wewnętrzny szczękowy jednostronny MMWd: 1) szczęka przesuwna, 2) szczęka nieruchoma.

Rys. 8. Średnicówka mikrometryczna składana MMWc: 1) wrzeciono, 3) trzpień pomiarowy, 3) tuleja, 4) bęben, 5) przedłużacz, 6) trzpień przedłużacza

Rys. 9. Mikrometr do drutu MMSx.

Wymagane wiadomości

• zasady tolerowania wymiarów długościowych;

• metody pomiarowe - klasyfikacja;

• znajomość podstawowych parametrów metrologicznych, budowy i działania uniwersalnych przyrządów suwmiarkowych i mikrometrycznych;

• noniusz: przeznaczenie, rozwiązania, określenie błędu odczytu

• opracowanie wyników pomiarów bezpośrednich, obarczonych błędami przypadkowymi o rozkładzie normalnym, sposobami: „klasycznym” - Gaussa i z zastosowaniem statystyki t-Studenta oraz pomiarów pośrednich metodą różniczki zupełnej i prawdopodobieństwa.

Wybrane informacje o przyrządach suwmiarkowych i mikrometrycznych

Pomiary prowadzone przyrządami suwmiarkowymi i mikrometrycznymi stanowią realizację dotykowej metody pomiarowej.

Do prowadnicy bądź wysuwki przyrządu suwmiarkowego dołączony jest wzorzec długości. Może to być wzorzec kreskowy, z działką elementarną najczęściej równą 1 mm (pomiar metodą różnicową, koincydencyjną), wzorcowa zębatka (listwa zębata) lub wzorzec inkrementalny. W ostatnim przypadku (ew. również dla zębatki) wynik uzyskuje się w postaci cyfrowej ze wskaźnika odczytowego (pomiar metodą porównawczą, wychyleniową). Dla dostępnych w laboratorium przyrządów produkcji FWP - suwmiarki i wysokościomierza elektronicznego - wartość działki elementarnej wynosi 0,01 mm lub 0,0005'', a błąd wskazań: 0,03 mm lub 0,001''. Rolę wzorów długości pełnią tu wzorce inkrementalne typu pojemnościowego z kondensatorem różnicowym - jako czujnikiem wejściowym wartości mierzonej - którego obie strony (okładziny) dają przesuwać się względnie równolegle do siebie.

W tradycyjnych rozwiązaniach do odczytu wskazań metodą koincydencyjną służy noniusz liniowy, jest to dodatkowa podziałka kreskowa, umieszczona na suwaku bądź poprzeczce, zawierająca n (n = 10, 20, 50) działek elementarnych o łącznej długości L_n. Długość ta jest tak dobrana, ze spełnia zależność:

L_n = (m ∙ n ± 1) ∙ I

gdzie: I - wartość działki elementarnej regularnej podziałki wzorca,

m - całkowita liczba nieujemna, nazywana modułem noniusza.

Ponieważ noniusz zmniejsza użyteczny zakres pomiarowy wzorca, bardziej korzystna jest mniejsza jego długość. Stąd liczba działek wzorca w granicach długości noniusza L_n jest o jedną mniejsza od liczby działek noniusza.

Znajdują zastosowanie podziałki noniuszów: o module 1 dla błędu odczytu ± 0,02 mm oraz module 1 lub dwa dla błędów ± 0,05 mm i ± 0,1 mm. Błąd odczytu e_O określa się z zależności:

Z uwagi na sposób działania przyrządów mikrometrycznych , pomiary z ich użyciem prowadzone są metodą porównawczą wychyleniową. Zasada pomiarowa tu wykorzystana polega na proporcjonalności przesunięcia liniowego śruby - obracającej się w nieruchomej nakrętce - do kąta obrotu; rolę wzorca pełni podziałka śruby. Dla różnych odmian tych przyrządów wspólnym elementem konstrukcyjnym jest głowica mikrometryczna - zespół złożony z tulei, bębna i śruby mikrometrycznej, której skok gwintu równy jest 0,5 mm (lub 1 mm). Wartość działki elementarnej W_O na bębnie głowicy (50 lub 100 działek) równa jest wówczas 0,01 mm.

Ze względu na kumulację błędów skoku gwintu, ograniczony jest przesuw pomiarowy przyrządów mikrometrycznych - zazwyczaj do 25 mm; przy czym zakres pomiarowy, zależnie od przeznaczenia może się zawierać w różnych przedziałach. Sprzęgło do napędu wrzeciona zapewnić ma odpowiedni nacisk pomiarowy pomiędzy powierzchniami pomiarowymi (w granicach 0 - 10 N).

W mikrometrze z wbudowanym czujnikiem, nacisk pomiarowy wywierany jest przez sprężynę czujnika. Należy wówczas przy pomiarze doprowadzać do wskazania „0” na czujniku, a wynik odczytywać z głowicy mikrometrycznej.

Wartość działki elementarnej wbudowanego czujnika (zwykle z przetwornikiem dźwigniowo-zębatym) równa jest 0,002 mm, zakres pomiarowy - minimum ± 0,02 mm. Mikrometr ten może być także użyty jako sprawdzian czujnikowy, po unieruchomieniu wrzeciona, bez potrzeby nastawiania przyrządu z zastosowaniem dodatkowych, końcowych wzorców długości.

Ogólne zasady wykonania pomiarów i wyznaczania błędów granicznych

Odczyt wskazania przyrządu suwmiarkowego może następować w momencie dotyku powierzchni pomiarowych do przedmiotu (przy zachowaniu właściwego, wzajemnego ich usytuowania), bądź gdy jest to utrudnione, po przerwaniu kontaktu z przedmiotem. Należy wtedy wcześniej ustalić wzajemne położenie tych powierzchni samoczynnym zaciskiem lub przez dokręcenie śruby zaciskowej; następuje wówczas kasowanie luzów i unieruchomienie przesuwu. Do nastawiania na wymiar i realizacji niewielkich przemieszczeń może być przydatny suwak pomocniczy, występujący w przyrządach suwmiarkowych z noniuszem 0,02 mm, ew. 0,05 mm.

W niektórych przypadkach pomiaru wymiarów wewnętrznych lub pośrednich należy pamiętać o uwzględnieniu w wyniku pomiaru grubości szczęk pomiarowych (zwykle 10 mm).

Graniczny błąd pomiaru przyrządami suwmiarkowymi e_gr, przy niepewności pomiarowej ± 3s, wyznacza się z równości:

gdzie: e_O - błąd odczytu, wynikający z charakterystyki noniusza,

e_w - dopuszczalny błąd przyrządów suwmiarkowych (Uwaga: podana zależność e_w = ±(50 + 0,1·L) μm, gdzie L - wartość mierzona w mm oraz wyznaczone stąd wartości zamieszczone w PN-80/M-53130 dotyczą niepewności pomiarowej ± 2s),

e_h - odchyłka graniczna grubości pomiarowej szczęk równa: 0 - dla szczęk płaskokrawędziowych, ±0,03 mm - dla szczęk płaskowalcowych suwmiarek, ± 0,02 mm - dla szczęki płaskokrawędziowej wysokościomierzy.

Mikrometr w trakcie pomiaru może być trzymany w ręku albo zamocowany w uchwycie. Przed wykonaniem pomiaru przyrządem mikrometrycznym trzeba sprawdzić (ew. z użyciem końcowego wzorca długości) czy występuje błąd systematyczny. Ustalić poprawkę p, wpisując do protokołu wynik W z jej uwzględnieniem, interpolując wskazania do 0,001 mm.

W = (x + p) ± e_gr

gdzie:

e_O - błąd odczytu, e_O = ± 0,2 · W_O,

e_w - dopuszczalny błąd przyrządu mikrometrycznego wyznaczany z zależności: e_w = ± (4 + 0,02·A) μm, zaś A - wartość mierzona w mm,

e_L - odchyłki długości trzpieni predłużaczy dla średnicówek mikrometrycznych składanych:

Ln [mm]	13/25	50	100	200	300
eL [μm]	1	2	3	3,5	4

x - wynik odczytany (surowy)

Przebieg ćwiczenia

1. Pomiar suwmiarką i głębokościomierzem suwmiarkowym

Zmierzyć zadane wymiary elementu wg rys. 10. Obliczyć średnią arytmetyczną z wykonanych, w różnych przekrojach dla danego wymiaru, 3-krotnych pomiarów oraz oszacować graniczny błąd pomiaru.

Rys. 10

2. Pomiar suwmiarką i wysokościomierzem suwmiarkowym

Zmierzyć 3-krotnie wymiary elementów (ścianki i otworu) przedmiotu wg rys. 11. Obliczyć wysokość osi otworu: H_O = H₁ - 0,5 · D. Wyznaczyć błąd wysokości osi:

Rys. 11

3. Pomiar mikrometrem zewnętrznym i wewnętrznym

Zmierzyć 3-krotnie wymiary zadanego elementu wg rys. 12. (do pomiarów wymiarów zewnętrznych można wykorzystać mikrometr czujnikowy z wbudowanym czujnikiem o odpowiednim zakresie pomiarowym).

Rys. 12

4. Użycie mikrometru czujnikowego jako sprawdzianu

Zamocować mikrometr czujnikowy w uchwycie. Nastawić na głowicy mikrometrycznej uzgodniony z prowadzącym wymiar i zacisnąć wrzeciono. Ustawić granice pola tolerancji. Sprawdzić wymiary zewnętrzne zadanych elementów, odczytać ich odchyłki, kwalifikując jako „dobre”, „złe” i „do poprawy”.

5. Pomiar mikrometrem do drutu

Zmierzyć (3-krotnie) średnice zadanych próbek drutu i oszacować graniczny błąd pomiaru.

6. Pomiar średnicówką mikrometryczną (składaną)

Zmierzyć wstępnie średnicę wewnętrzną przeydzielonego pierścienia suwmiarką. Zestawić średnicówkę, dobierając odpowiednie przedłużacze. Wykonać 6 pomiarów średnicy, starając się kazdorazowo wywierać zbliżony nacisk pomiarowy (z uwagi na brak sprzęgła). Średnicówkę ustawiać w mierzonym otworze, stopniowo przemieszczając ją tak, aby w płaszczyźnie osi otworu uzyskać wymiar najmniejszy, zaś w płaszczyźnie przekroju poprzecznego wymiar największy. Oszacować błąd pomiaru stosując statustykę t-Studenta.

---