KIERUNEK Mechatronika

Realizowany w ramach projektu „Politechnika XXI wieku” współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

ĆWICZENIE NR 6

Sprawdzanie i ocena właściwości metrologicznych uniwersalnych przyrządów pomiarowych

Projekt Politechnika XXI wieku współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego;

Nr umowy UDA-POKL.04.01.01-00-121/09

Sprawdzanie i ocena właściwości metrologicznych uniwersalnych

przyrządów pomiarowych

Systemy zapewnienia jakości oparte na normach ISO 9000 stawiają następujące wymagania dotyczące sprawdzania przyrządów pomiarowych:

• określić oraz wzorcować i regulować sprzęt i przyrządy kontrolne, pomiarowe i probiercze, które mogą wpływać na jakość wyrobu - co określony czas lub przed ich użyciem - przy wykorzystaniu legalizowanego sprzętu mającego trwałe i uznane odniesienie do wzorców krajowych; jeśli takie wzorce nie istnieją należy udokumentować zastosowaną podstawę wzorcowania,

• wprowadzić, dokumentować i utrzymywać procedury wzorcowania określające typ sprzętu, numery identyfikacyjne, umiejscowienie, częstotliwość sprawdzania, metodę sprawdzania, kryteria przyjęcia i czynności jakie mają być podjęte, gdy wyniki okażą się niezadowalające.

Powyższe wymagania mają za zadanie umożliwić utrzymywanie wyposażenia systemów pomiarowych w pełnej sprawności pomiarowej i zgodności z wzorcami odniesienia. Spełnianie tych wymagań zmusza nadzór techniczny do okresowej kontroli przyrządów pomiarowych. Kontrola przyrządów pomiarowych polega na sprawdzaniu ich właściwości metrologicznych, stwierdzeniu i poświadczeniu aktualnego stanu tych właściwości poprzez sporządzenie protokółu sprawdzania przyrządu pomiarowego. Protokół sprawdzania powinien zawierać wyraźne stwierdzenie o dopuszczeniu przyrządu do wykonywania pomiarów. Sprawdzanie przyrządów pomiarowych dotyczy wszystkich przyrządów pomiarowych będących na wyposażeniu danego systemu pomiarowego.

W pomiarach długości do najpopularniejszych uniwersalnych przyrządów pomiarowych należy zaliczyć przyrządy suwmiarkowe i mikrometryczne.

Suwmiarki uniwersalne zaliczane są do grupy uniwersalnych przyrządów pomiarowych potocznie nazywanych „przyrządy suwmiarkowe”. Do grupy tych przyrządów zalicza się suwmiarki uniwersalne, suwmiarki do pomiaru dużych wymiarów, suwmiarki modułowe, wysokościomierze i głębokościomierze suwmiarkowe. Cechą wspólną tej grupy narzędzi jest dodatkowa podziałka nazwana noniuszem. Podziałka ta umożliwiająca zwiększenie dokładności odczytu wskazań poprzez interpolację geometryczną działki.

Dokładność odczytu wskazań ΔW_o przy pomocy noniusza wyznacza się ze wzoru

(1)

gdzie: a_o - wartość działki elementarnej podziałki prowadnicy

n - ilość działek na podziałce noniusza

Dokładność odczytu wskazań suwmiarek uniwersalnych o zakresie pomiarowym (0÷140)mm wynosi 0,1mm lub 0,05mm. Przyrządy suwmiarkowe o większych zakresach pomiarowych i suwmiarki modułowe są wykonywane z noniuszem o dokładności odczytu 0,02mm.

Niezależnie od dokładności noniusza spotyka się przyrządy suwmiarkowe z noniuszem o module m=1 lub m=2. Moduł równy m=1jest modułem podstawowym. Noniusze z modułem m=2 pozwalają na lepszą ocenę koincydencji kres podziałki prowadnicy i noniusza.

Aktualnie grupa przyrządów suwmiarkowych została wzbogacona przyrządami takiej samej konstrukcji, ale w miejsce podziałek kreskowych wprowadzono cyfrowy odczyt wskazań. Dodatkowo wyposażono te przyrządy w szeregowe wyjście w standardzie cyfrowym TopoR-S umożliwiające transmisję wyników pomiarów do komputera. Przyrządy te dzięki interpolacji działki na drodze elektrycznej zapewniają dokładność wskazań ± 0,03mm i rozdzielczość podziałki 0,01mm.

Mikromierze zaliczane są do grupy uniwersalnych przyrządów pomiarowych potocznie nazywanych przyrządami mikrometrycznymi. Do grupy tych przyrządów zalicza się mikromierze do wymiarów zewnętrznych, wewnętrznych, głębokościomierze mikrometryczne, mikromierze talerzykowe, mikromierze do pomiaru średnicy podziałowej gwintu, średnicówki mikrometryczne. Cechą wspólną tej grupy narzędzi jest wzorzec długości w postaci bardzo dokładnie wykonanej śruby, której wartość podziałki gwintu p jest równa wartości działki elementarnej podziałki przyrządu a₀. W celu zwiększenia dokładności odczytu wskazań zastosowano dodatkową podziałkę umieszczoną na bębnie połączonym ze śrubą. Wykorzystanie właściwości linii śrubowej pozwoliło zwiększyć długość działki elementarnej l_ao, przez co zwiększono dokładności odczytu wskazań rys.1.

Rys.1. Wykorzystanie właściwości linii śrubowej do zwiększenia

długości działki elementarnej

Wartość a₀ działki elementarnej podziałki bębna jest związana z podziałką p śruby wzorem

(2)

Długość działki elementarnej l_ao podziałki bębna jest określona wzorem rys.4

(3)

Z uwagi na trudności technologiczne związane z bardzo dokładnym wykonaniem podziałki śrub mikrometrycznych, przyrządy te posiadają ograniczony zakres wskazań podziałki do 25mm (średnicówki mikrometryczne do 13mm).

Wartość działki elementarnej dla mikromierzy klasycznych jest równa a₀ = 0,01mm. Dokładność wskazań nie powinna przekraczać wartości ΔP ≤ ± 0,06mm w całym zakresie pomiarowym.

Przyrządy mikrometryczne (za wyjątkiem średnicówek) są wyposażone w sprzęgiełko przeciążeniowe, ograniczające nacisk pomiarowy do wartości 7±2N.

Aktualnie grupa przyrządów mikrometrycznych została wzbogacona przyrządami mikrometrycznymi w których w miejsce podziałek kreskowych wprowadzono cyfrowy odczyt wskazań. Dodatkowo wyposażono te przyrządy w szeregowe wyjście w standardzie cyfrowym OptoR-S umożliwiające transmisję wyników pomiarów do specjalnych drukarek lub komputera. Przyrządy te dzięki interpolacji działki na drodze elektrycznej zapewniają dokładność wskazań ± 0,003mm i rozdzielczość podziałki 0,001mm a zakres wskazań podziałki rozszerzono do 30 mm.

Przebieg ćwiczenia

1. Sprawdzanie suwmiarki uniwersalnej

1. Sprawdzić kompletność wyposażenia stanowiska laboratoryjnego we wzorce i pomoce pomiarowe.

2. Zapoznać się z zasadami odczytu i pomiaru suwmiarką oraz jej podstawowymi parametrami metrologicznymi i wymaganiami.

3. Sprawdzić stan ogólny suwmiarki [1].

4. Sprawdzić płaskość i prostoliniowość rys.2 płaskich powierzchni pomiarowych szczęk (do pomiaru wymiarów zewnętrznych), krawędzi pomiarowych (szczęk do pomiaru wymiarów wewnętrznych) za pomocą liniału krawędziowego obserwując szczelinę świetlną. Szerokość szczeliny należy ocenić wzrokowo poprzez porównanie jej ze szczeliną wzorcową [1].

Rys.2. Sprawdzanie płaskości i prostoliniowości powierzchni pomiarowych szczęk

do pomiaru wymiarów zewnętrznych i wewnętrznych za pomocą liniału krawędziowego 1

5. Sprawdzić równoległość powierzchni pomiarowych płaskich szczęk do pomiaru wymiarów zewnętrznych za pomocą płytek wzorcowych dla trzech położeń suwaka w zakresie pomiarowym odczytując wskazania dla dwóch położeń płytki „a” i „b” jak na rys.3. Jako odchylenie od równoległości przyjąć największą różnicę wskazań z trzech odczytów dla dwóch położeń płytki.

6. Sprawdzić równoległość krawędzi pomiarowych szczek do pomiaru wymiarów wewnętrznych za pomocą mikromierza w jednym położeniu suwaka, umieszczając płytkę wzorcową o wymiarze nominalnym N miedzy powierzchniami pomiarowymi płaskimi szczęk przeciwległych jak na rys.3. Jako odchylenie od równoległości przyjąć największą różnicę wskazań z pomiarów na całej długości pomiarowej.

Rys.3. Sprawdzanie równoległości krawędzi pomiarowych szczek do pomiaru wymiarów

zewnętrznych (bez mikromierza) i wewnętrznych za pomocą mikromierza

7. Wyznaczyć błędy wskazań przy pomocy płytek wzorcowych, co najmniej w trzech punktach równomiernie rozłożonych w całym zakresie pomiarowym suwmiarki, jak również w trzech punktach podziałki noniusza. Błędy wskazań należy wyznaczyć dla pomiarów zewnętrznych, wewnętrznych, i głębokości rys.4.

Rys. 4. Wyznaczanie błędów wskazań a) przy pomiarach zewnętrznych:

b) przy pomiarach wewnętrznych, c) przy pomiarach głębokości

2. Sprawdzanie mikromierza

8. Sprawdzić kompletność wyposażenia stanowiska laboratoryjnego do sprawdzania narzędzi pomiarowych we wzorce i pomoce pomiarowe.

9. Zapoznać się z zasadami odczytu i pomiaru mikromierzem oraz jego podstawowymi parametrami metrologicznymi i wymaganiami.

10. Sprawdzić stan ogólny mikromierza [1].

11. Sprawdzić płaskość powierzchni pomiarowych mikromierza przy pomocy płytki interferencyjnej jak na rys.5. Płytkę interferencyjną należy przykładać do dokładnie oczyszczonej powierzchni pomiarowej, ponieważ tylko wtedy będzie można zaobserwować prążki interferencyjne.

Metoda interferencyjna polega na przyłożeniu do badanej powierzchni płaskiej płytki interferencyjnej i zaobserwowaniu obrazu prążków interferencyjnych jak na rys.5.

Rys. 5. Zasada sprawdzania płaskości powierzchni pomiarowych mikromierza

przy pomocy płasko równoległej płytki interferencyjnej

Jeżeli obraz stanowią nie zamknięte prążki interferencyjne jak na rys.6a, odchylenie Δ od płaskości należy wyznaczyć ze wzoru

(4)

Jeżeli obraz stanowią zamknięte prążki interferencyjne jak na rys.6b, odchylenie Δ od płaskości należy wyznaczyć ze wzoru

(5)

gdzie: k - odległość pomiędzy sąsiednimi prążkami,

l - odchylenie od prostoliniowości w jednostkach równych odległości k prążków

n - liczba zaobserwowanych jednobarwnych prążków interferencyjnych

λ - długość fali światła, λ = 0,6 μm dla światła białego

Rys. 6. Obrazy prążków interferencyjnych przy sprawdzaniu odchylenia od płaskości

metodą interferencyjną: a) obraz prążków otwartych, b) obraz prążków kołowych

1. Sprawdzić równoległość powierzchni pomiarowych mikromierza przy pomocy kompletu płasko równoległych płytek interferencyjnych jak na rys.7. Przy sprawdzaniu równoległości metodą interferencyjną płytki interferencyjne należy przykładać do dokładnie oczyszczonych powierzchni pomiarowych, ponieważ tylko wtedy będzie można zaobserwować prążki interferencyjne. Odchylenie od równoległości jest to największa z wartości r (wzór 6) otrzymanych przy jednym z czterech położeń powierzchni pomiarowych. Pomiar przeprowadzić dwukrotnie przy zwolnionej i włączonej blokadzie wrzeciona.

Rys. 7. Zasada sprawdzania równoległości powierzchni pomiarowych

mikromierza przy pomocy płasko równoległej płytki interferencyjnej

Przebieg sprawdzania równoległości metodą interferencyjną polega na umieszczeniu płasko równoległej płytki interferencyjnej pomiędzy badanymi powierzchniami i zliczeniu liczby n₁ i n₂ prążków interferencyjnych na obu powierzchniach. Odchyłkę od równoległości r wyznacza się ze wzoru

(6)

Płasko równoległe płytki interferencyjne wykonywane są w kompletach 4 sztuki ze stopniowaniem wymiaru nominalnego równym 0,125mm. Tak dobrane stopniowanie umożliwia sprawdzenie równoległości powierzchni pomiarowych mikromierza co 0,25 obrotu bębna.

13. Sprawdzić wartość nacisku pomiarowego przy pomocy wagi uchylnej jak na rys.8.

Rys. 8.. Wyznaczanie nacisku pomiarowego przy pomocy wagi: 1 - waga uchylna,

2 - statyw, 3 - kulka zmniejszająca moment tarcia, 4 - sprzęgło mikrometru

14. Wyznaczyć błędy wskazań mikromierza. W tym celu należy:

• dla mikromierza o dolnej granicy zakresu pomiarowego A równej zero wyznaczyć błąd wskazania dolnej granicy zakresu pomiarowego f_A stykając bezpośrednio powierzchnie pomiarowe,

• dla mikromierza o dolnej granicy zakresu pomiarowego A większej od zera, błąd wskazania dolnej granicy zakresu pomiarowego f_A należy wyznaczyć używając płytki wzorcowej o długości nominalnej równej wartości dolnej granicy zakresu pomiarowego,

• jako błąd wskazania przyjąć różnicę między wskazaniem mikromierza a wartością nominalną dolnej granicy pomiarowej,

- błędy wskazań w innych punktach zakresu pomiarowego należy wyznaczyć dokonując pomiarów stosów płytek wzorcowych. Długości nominalne płytek wzorcowych należy tak dobrać, aby było możliwe wyznaczenie błędów wskazań w kilku równomiernie rozłożonych punktach zakresu pomiarowego stopniowanych co 0,12 podziałki śruby mikromierza. Zalecane wartości podano w tabl.7.1 [1]. Błędem wskazania w każdym punkcie zakresu pomiarowego jest różnica pomiędzy odczytanym wskazaniem a wartością nominalną mierzonej płytki wzorcowej. Przy wyznaczaniu błędów wskazań należy dokonywać odczytów wskazań obserwując podziałkę mikromierza poprzez lupę i wzrokowo interpolować działkę elementarną podziałki bębna mikromierza do wartości 2,5μm.

15. Z przebiegu sprawdzania suwmiarki i mikromierza sporządzić protokół uwzględniając zalecenia omówione w pkt.7..3.3. [1].

Zalecana literatura

Podstawowa:

1. Kujan K.: Technika i systemy pomiarowe w budowie maszyn laboratorium. WPL, (2004).

Uzupełniająca:

2. Jakubiec W. Malinowski J.: Metrologia wielkości geometrycznych. WNT 1993, 1999.

1

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0

1

2

3

πd_B

p

α

p =0,5mm

a₀ =0,01mm

0

5

10

15

0

5

10

1

1

0

5

10

15

0

5

10

N

0 ÷150mm

N

b)

a)

0

5

10

15

0

5

10

N=21,3

N=71,6

N=126,9

a)

0

5

10

15

0

5

10

N=71,6

N=126,9

N=21,3

b)

21,3

21,3

c)

71,6

126,9

150

n=3

Płasko równoległa płytka interferencyjna

n₂

n₁

n₃

l

k

a)

b)

n₂

n₁

Płasko równoległa płytka interferencyjna

Blokada wrzeciona

0,7±0,2kg

1

3

4

2

---