TEMAT:

POMIARY optyczne

i optyczno-stykowe

Materiały pomocnicze do zajęć laboratoryjnych z metrologii

Zeszyt 4

Temat ćwiczenia:

Pomiary współrzędnościowe optyczne i optyczno-stykowe

na mikroskopie warsztatowym

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest nabycie praktycznych umiejętności posługiwania się mikroskopem warsztatowym oraz ocena dokładności pomiarów. Urządzenie to daje możliwość pomiaru średnic otworów, rozstawienie osi otworów oraz zarysy krzywoliniowe przedmiotów, których grubość wynosi kilka milimetrów (np., wzorników kształtu wykonanych z niegrubej blachy). Ograniczeniem stosowania tej metody jest mała dokładność pomiaru przedmiotów o większej grubości.

2. Podstawowe terminy

Pomiar współrzędnościowy jest to pomiar, przy którym wyznacza się współrzędne określonych punktów mierzonego przedmiotu, a końcowy wynik pomiaru otrzymuje się w rezultacie obliczeń na podstawie zależności matematycznych.

Błędem pomiaru pośredniego jest błąd wyznaczenia wartości mierzonej za pomocą obliczeń. Jeżeli w trakcie pomiaru uzyskano wielkośći a, b i c, z dokładnością a, b i c, to błąd wyznaczenia wielkości x związanej z nimi zależnością matematyczną x=f(a, b, c) będzie wynosił:

(*)

gdzie
- są to pochodne cząstkowe funkcji f względem poszczególnych zmiennych.

3. Zadania pomiarowe

3.1. Wykonać pomiar odległości pomiędzy środkami otworów za pomocą głowicy podwójnego obrazu. Obliczyć błąd pomiaru pośredniego.

3.2. Wykonać pomiar średnic zadanych otworów oraz odległość między ich środkami za pomocą głowicy goniometrycznej. Obliczyć błąd pomiaru pośredniego.

3.3. Zmierzyć współrzędne zarysu krzywoliniowego i porównać uzyskane wartości z zadanymi.

3.4. Zmierzyć średnicę otworu za pomocą głowicy optyczno-stykowej i obliczyć błąd pomiaru pośredniego.

4. Opis mikroskopu

Rys. 1. Mikroskop warsztatowy: 1 - podstawa, 2 - obrotowy stół mierniczy, 3 - szyba w stole mierniczym, 4 i 5 - bębny śrub mikrometrycznych do przesuwów stołu, 6 - płytka oporowa, 7 - kółko do ręcznego obracania stołu, 8 - zacisk stołu, 9 - ucha do drążków ułatwiających przenoszenie mikroskopu, 10 - kolumna pochylna, 11 - kólko do pochylania kolumny, 12 - ramię, 13 - zacisk, 14 - tubus, 15 - otwór do urządzenia projekcyjnego, 16 - pierścień do nastawiania mikroskopu na ostrość, 17 - obiektyw, 18 - głowica okularowa, 19 - okular obserwacyjny, 20 - lupa do odczytywania kątów

Stół mikroskopu o średnicy 180 mm jest obrotowy o 360 i zaopatrzony w podziałkę kątową i noniusz.

Przesuwy stołu:

- wzdłużny: 25+125=150 mm

- poprzeczny: 25+25=50 mm

Wartość działki elementarnej na bębnach wynosi 0,01 mm.

Dokładność wskazań mikroskopu wynosi w µm (wg danych C. Zeissa):

(1)

gdzie:

L - wielkość mierzona w mm,

H - wysokość przedmiotu mierzonego w mm.

4.1. Pomiary za pomocą głowicy goniometrycznej

Głowica goniometryczna jest częścią składową mikroskopów miernicznych. Posiada ona siatkę linii prostych ciągłych i przerywanych pochylonych do siebie pod kątem 60 i 90 (rys. 2a).

Za pomocą głowicy goniometrycznej mozliwy jest pomiar kątów, do odczytywania których służy dodatkowa mała lupa przedstawiona na rys. 2b.

Rys. 2. a) Pole widzenia w okularze głowicy goniometrycznej, b) Pole widzenia w okularze lupy do odczytywania kątów; odczytanie na rysunku: 12034'

Ustawiając punkt przecięcia się linii na zarysie widocznym w okularze odczytuje się na bębnach współrzędne danego punktu zarysu. Dzięki temu można dokonywać pomiarów współrzędnościowych zarysu krzywoliniowego, średnic otworów, rozstawienie osi otworów itp.

a) Pomiar średnic i rozstawienia osi otworów.

Bębnom nastawczym śrub mikrometrycznych przesuwów stolika należy nadać takie położenia, aby w czasie pomiaru nie przekroczyć maksymalnej wielkości przesuwu stolika. Dotyczy to szczególnie przesuwu poprzecznego, gdyż wielkość przesuwu wzdłużnego może być zwiększana przez wstawienie między stolik mierniczy a wrzeciono śruby mikrometrycznej płytki wzorcowej o odpowiedniej wielkości.

Następnie należy nastawić wskazanie zerowe głowicy goniometrycznej i ułożyć mierzony przedmiot na stoliku mierniczym w położeniu najdogodniejszym do pomiaru. W razie potrzeby przedmiot może być umocowany za pomocą płytek dociskowych lub plasteliny. Po umocowaniu przedmiotu należy odpowiednio wyregulować ostrość widzenia przez okular obserwacyjny albo ostrość widzenia konturu przedmiotu na ekranie projektora.

Pomiarów można dokonywać w dwu podstawowych układach współrzędnych:

- w układzie prostokątnym x - y,

- w układzie biegunowym r - .

Przy pomiarze otworów stosowany jest przede wszystkim układ współrzędnych prostokątnych. W tym układzie za oś x przyjmuje się kierunek wzdłużnego przesuwu stołu mierniczego, za oś y - kierunek przesuwu poprzecznego.

Pomiar sprowadza się do określenia odległości l między odpowiednimi punktami przedmiotu o współrzędnych xm, ym, oraz xn, yn wg wzoru:

(2)

Chcąc zmierzyć średnice otworów płytki pokazanej na rys. 3 trzeba ją ustawić dłuższą krawędzią równolegle do osi x i mierzyć odcięte punktów: 1 i 2; 5 i 6; 9 i 10. Ze względu na to, że nie jest możliwe ustawienie głowicy mikroskopu dokładnie w osi otworu, należy obliczyć odcięte środków odcinków [1-2], [5-6] oraz [9-10], odpowiadające odciętym środków otworów O1, O2, i O3. Następnie można zmierzyć rzędne punktów 3 i 4; 7 i 8; 11 i 12, na podstawie których oblicza się rzędne punktów O1, O2, i O3.

W celu ustalenia wymiarów l1, l2, i l3 należy skorzystać ze wzoru (2).

Rys. 3. Schemat wielkości i położeń pomiarowych przy mierzeniu średnic

i rozstawienia osi otworów

b) Pomiar zarysu krzywoliniowego

Pomiar ten sprowadza się do sprawdzenia współrzędnych y odpowiadających zadanym wielkościom x (zob. rys. 4).

Rys. 4. Współrzędne zarysu krzywoliniowego

4.2. Pomiary za pomocą głowicy podwójnego obrazu

Głowica podwójnego obrazu służy do pomiaru odległości pomiędzy osiami otworów. Składa się ona z okularu i złożonej pryzmy, która daje dwa obrazy: bezpośredni i odbity. W miarę zbliżenia osi okularu do osi obserwowanego otworu odległość pomiędzy obrazami w okularze zmniejsza się aż do pełnego nałożenia się obrazów w chwili, gdy osie otworu i okularu będą się pokrywać. Wówczas należy odczytać wskazania na bębnach, po czym doprowadzić do wzajemnego nałożenia się obrazów drugiego otworu. Odległość między osiami otworów oblicza się na podstawie uzyskanych współrzędnych ze wzoru (2).

Za pomocą tej głowicy można dokonać pomiaru również otworów o kształtach innych niż okrągły. Rys. 5 przedstawia przykład pomiaru odległości pomiędzy otworami okrągłym i trójkątnym wyciętymi w płaskiej części (rys. 5a). Obserwacja przez okular mikroskopu daje dwa obrazy: prosty i odwrócony (rys. 5b). Przesuwając stolik tak, aby oś otworu okrągłego pokrywała się z osią okularu usyskuje się nałożenie obu obrazów tego otworu (rys. 5c) i odczytuje się współrzędne środka otworu. Podobnie postępuje się z drugim otworem (rys. 5d), po czym oblicza się odległość za pomocą wzoru (2).

Rys. 5. Pomiary za pomocą głowicy podwójnego obrazu

4.3. Pomiary za pomocą głowicy optyczno-stykowej

Głowica optyczno-stykowa jest urządzeniem pomocniczym służącym do pomiarów wewnętrznych: średnic otworów, szerokości rowków itp. Składa się ona z korpusu 3 (rys. 6), w którym znajduje się dźwignia poruszająca się w osi poziomej i zakończona końcówką pomiarową 5 z powierzchnią kulistą. Śruba 4 mocuje końcówkę pomiarową. Na osi dźwigni zamocowane jest płaskie lustro, które porusza się wraz z dźwignią i końcówką pomiarową. W korpusie głowicy znajduje się również szklana płytka z siatką w postaci trzech podwójnych kresek pionowych o odległości 0,01 mm pomiędzy nimi. Obraz kresek odbija się w lustrze i jest projektowany do głównego okularu mikroskopu. Ostrość obrazu kresek ustala się za pomocą pierścienia 2.

Rys. 6. Głowica optyczno-stykowa

Obrót pierścienia 6 o 180 zmienia kierunek nacisku pomiarowego, zgodnie z zaznaczonymi na pierścieniu strzałkami. Górny pierścień 1 służy do mocowania głowicy w oprawce mikroskopu. Po zamocowaniu głowicy i ustaleniu mierzonej części na stoliku pomiarowym należy doprowadzić do styku końcówki pomiarowej ze ścianką mierzonego otworu. Przy tym obrazy podwójnych kresek w okularze mikroskopu będą się znajdować po prawej i lewej stronie kreski głównej (rys. 7b).

Rys. 7. a) Schemat układu optycznego przystawki optyczno-stykowej: 1 - końcówka pomiarowa, 2 - źródło światła, 3 - płytka z naciętymi trzema parami podwójnych kres, 4 - zwierciadło uchylne, 5 - sprężyna, 6 - obiektyw mikroskopu, 7 - okular.

b) Pole widzenia w okularze mikroskopu z zamocowaną przystawką

Aby punkt styku końcówki znajdował się dokładnie na średnicy otworu należy przemieszczać stolik w kierunku poprzecznym (w jedną i drugą stronę) aż do chwili uzyskania punktu zwrotnego podwójnych kresek, czyli do momentu, kiedy zmieniają one kierunek ruchu. Miejsce to będzie odpowiadało największej cięciwie, czyli średnicy otworu (punkt 1 na rys. 8).

Rys. 8. Sposób ustawiania końcówki pomiarowej względem mierzonego otworu: 1 - prawidłowe (punkt zwrotny), 2 - nieprawidłowe

Wówczas przesuwem wzdłużnym stolika należy ustawić otwór tak, aby obraz podwójnych kresek był symetryczny względem kreski głównej okularu, i dokonać odczytu z bębna. Następnie obrotem pierścienia 6 zmienia się kierunek nacisku pomiarowego i doprowadza się do styku z przeciwległą ścianką otworu. Za pomocą przesuwu wzdłużnego ustala się znowu takie położenie stolika, aby kreski podwójne były symetryczne względem kreski głównej mikroskopu. Mierzona wartość średnicy otworu do wyznacza się z zależności:

do = x1 - x2 + dk (3)

gdzie:

x1 - pierwszy odczyt na skali przesuwu wzdłużnego,

x2 - drugi odczyt na skali przesuwu wzdłużnego,

dk - średnica końcówki pomiarowej.

Za pomocą głowicy optyczno-stykowej można mierzyć otwory o średnicy 5195 mm o głębokości do 13 mm.

5. Wykaz tematów uzupełniających do przygotowania

- rodzaje mikroskopów pomiarowych,

- pomiary za pomocą projekcyjnych przyrządów pomiarowych,

- odczyty wskazań za pomocą spirali Archimedesa,

- rodzaje błędów występujących przy pomiarach optycznych,

- błędy powstające na skutek uzyskania wyniku końcowego za pomocą obliczeń (błąd pomiaru pośredniego).

6. Literatura:

Григорьев И.А., Дворецкий Е.Р., Контроль размеров в машинострое-нии, Машгиз, Москва 1959.

Mechanik. Poradnik Techniczny, t. III, cz. 2/3, PTW, Warszawa 1958.

1

Zakład Metrologii i Systemów Pomiarowych

Politechnika Poznańska

Pl. Skłodowskiej-Curie 5

61-542 POZNAŃ

tel./fax [phone]

---