2.4. Измерительные приборы и инструменты

Измерительные приборы и инструменты предназначены для непосредственной оценки измеряемого параметра в принятых единицах измерения. Их подразделяют на универсальные и специальные.

В отличие от калибров представители данной группы имеют шкалу и указатель, при помощи которых можно определенно сказать о величине параметра. Например, определить размер детали, узнать температуру среды, установить плотность вещества и т.д. Это их преимущество.

В то же время инструменты отличаются друг от друга и по принципу действия, и по конструктивному оформлению, и по точности измерения, и по измеряемым параметрам (т.е. по назначению). Поэтому использование их при измерениях затруднительно, так как требуется высокая квалификация оператора (он должен знать устройство инструмента и хорошо владеть процедурой измерения детали); инструмент должен быть поверен и настроен; применять инструмент можно только в соответствии с его назначением.

2.4.1. Механизмы преобразования измерительных средств

Измерить деталь – значит сравнить ее размер с единицей измерения. Но чаще всего непосредственно это осуществить невозможно, так как измерять деталь требуется с высокой точностью. Поэтому существуют различные технические решения, конструктивно оформленные в механизмы преобразования, превращающие малые перемещения измерительного стержня в большие отклонения указателя отсчетного устройства измерительного прибора (инструмента). В настоящее время наиболее часто применяются следующие механизмы преобразования: нониусное устройство, микрометрическая пара, рычажная передача, зубчатая передача, рычажно–зубчатая передача, пружинная передача, оптико–механическая передача.

Нониусное устройство (черт.25) применяется в так называемых штангенинструментах, имеющих две шкалы: основную с ценой деления 1 или 0,5 мм и дополнительную, называемую нониусом, позволяющую производить отсчет перемещений измерительных поверхностей инструмента с точностью 0,1 или 0,05 мм. Принцип построения шкалы нониуса заключается в делении отрезка дополнительной шкалы, равного участку основной шкалы, содержащему (n–1) деление, на n делений. Если интервал деления основной шкалы а, то интервал деления шкалы нониуса а' определим

a = a(n–1)/n (31)

Черт. 25.Шкалы штангенинструмента: а – собственно шкалы; б – к схеме определения погрешности шкалы нониуса; в – ширина штрихов шкал основной и нониуса; 1 – основная шкала;.2 – шкала нониуса

Разность интервалов шкал основной и нониуса есть величина отсчета (чувствительность) инструмента

i = a – a . (32)

Заменив в выражении (32) значение интервала деления шкалы нониуса из (31), после преобразования получим основное, уравнение, определяющее точность отсчета по шкале нониуса

i = a/n . (33)

Для удобства отсчета по шкале нониуса применяют так называемые растянутые шкалы, на которых интервал деления шкалы нониуса увеличивают на число , кратное цене деления основной шкалы, называемое модулем нониуса. Тогда цену деления шкалы нониуса определим так:

а = а ·  – i

Обычно  = 1; 2.

Точность отсчета по растянутой шкале не изменяется.

Определение размера детали штангенинструментом проводят по этапам:

– определяют число штрихов основной шкалы, отделяемое нулевым штрихом нониуса, – это будет значение измеряемой величины в целых миллиметрах;

– находят номер штриха нониуса, который совпадает со штрихом основной шкалы и умножая этот номер на величину отсчета, узнают доли миллиметра, содержащиеся в измеряемом размере;

– складывают целую и дробную части, получают размер измеряемой детали.

Одной из основных составляющих погрешностей штангенинструментов является погрешность шкалы, зависящая от ширины штрихов "в" (черт.25б).

Замечаем, что перемещение шкалы нониуса в пределах ширины штриха "в" невооруженным глазом обнаружить невозможно. Следовательно, изменение размера детали, равное этой величине, остается не зарегистрированным оператором.

Как сказано выше, ширина штриха принимается равной 0,1а, где а – цена деления основной шкалы. Для большинства штангенинструментов а = 1 мм. Тогда погрешность отсчета по шкале нониуса равна 0,1 мм [38].

Микрометрическая передача имеет в своей основе точно изготовленную микрометрическую пару с шагом, равным 0,5 мм; гайку и винт с длиной, обеспечивающей продел измерения инструмента, как правило, не более 25 мм.

Микрометрический винт представляет собой стержень, свободный конец которого является измерительной поверхностью. С другой стороны к стержню прикреплен барабан 4 с нанесенной на него круговой шкалой 3 (черт. 26). Гайка конструктивно связана со стеблем 2, на котором нанесена продольная шкала 1, состоящая из сплошной продольной риски и двух рядов штрихов, расположенных с обеих сторон от риски. Штрихи в рядах нанесены с шагом в 1 мм, но ряды сдвинуты один относительно другого на 0,5 мм, образуя одну шкалу с шагом, равным шагу микрометрического винта.

Черт. 26. Отсчетное устройство микрометрических инструментов:

продольная шкала; 2 – стебель; 3 – круговая шкала; 4 – барабан

При повороте барабана на один оборот измерительный стержень, связанный с барабаном, переместится на шаг винта Р. Шкала барабана имеет n делений. При повороте барабана на одно деление измерительный стержень переместится на некоторую величину i, являющуюся ценой деления микрометрической передачи

i = P/n,

где Р – шаг винта, мм; n – число делений шкалы барабана.

В современных микрометрических передачах Р = 0,5 мм; n = 50.

Тогда i = 0,01 мм.

Пронумерованный ряд штрихов показывает целое число миллиметров, противоположный – половину миллиметра. Сотые доли миллиметра отсчитывают по шкале барабана. Указателем для отсчета числа делений продольной шкалы служит торец барабана 1. Указателем для шкалы барабана является продольная риска.

Основной источник погрешности микрометрической пары - накопленная погрешность шага на длине резьбы измерительного стержня. Это обстоятельство определяет предел измерения пары, равный 25 мм. Наличие двух рядов штрихов является причиной появления грубых ошибок на величину 0,5 мм, возникающих, когда путают пронумерованную и противоположную ей стороны шкалы стебля.

Рычажная передача – механизм, использующий принцип рычага и превращающий малые линейные перемещения измерительного стержня в значительные пропорциональные угловые перемещения стрелки. Конструктивные схемы рычажных передач сводятся к синусному и тангенсному механизмам (черт.27). При перемещении измерительного стержня 1 рычаг 2 поворачивается и перемещает указатель 3 относительно шкалы 4. Угол поворота указателя связан с перемещением измерительного стержня тригонометрическими зависимостями (35) для синусного механизма и (36) для тангенсного:

, (35)

, (36)

где  – угол поворота указателя (стрелки); х – величина перемещения измерительного стержня; l_S – расстояние от оси вращения рычага до центра шарика; l_t – расстояние между осью вращения рычага и траекторией центра шарика.

Для конкретного механизма размеры плеч l_S и l_t можно считать постоянными, следовательно, угол поворота указателя в данных механизмах зависит только от величины х. Как та так и другая зависимости нелинейные, т.е. на каждое очередное увеличение величины х на одно и то же приращение х отклонение стрелки  не будет равномерным, но с общим возрастанием угла  погрешность передачи будет возрастать все больше.

Нелинейность зависимостей (35) и (36) есть основной источник погрешности рычажной передачи. Так как погрешность передачи нелинейна и резко возрастает с увеличением параметра х, то приборы, использующие рычажную передачу, имеют малые пределы измерения по шкале. С целью улучшения данной метрологической характеристики применяют симметричные шкалы, что позволяет увеличить предел измерения.

Черт.27. Рычажная передача: а – синусный механизм; б – тангенсный механизм; 1 – измерительный стержень; 2 – рычаг; 3 – указатель (стрелка); 4 – шкала; l_S – расстояние от оси вращения рычага до центра шарика синусного механизма; l_t – расстояние от оси вращения рычага до траектории центра шарика тангенсного механизма, L – длина указателя (стрелки)

В настоящее время приборы, использующие только рычажные передачи, имеют ограниченное применение, но сами рычажные передачи широко используются в сочетании с другими отсчетными устройствами.

Зубчатая передача – механизм, состоящий из зубчатых пар и рейки, являющейся одновременно измерительным стержнем. Наиболее распространенными приборами с зубчатой передачей являются индикаторы часового типа с ценой деления шкалы 0,01 мм (черт.28).

Черт.28. Зубчатая передача: 1 – малое колесо, z₁ = 10; 2 – большое колесо, z₂ = 100; 3 – малое колесо (триб), z₃ = 16; 4 – измерительный стержень (рейка); 5 – стрелка–указатель; 6 – дополнительное колесо; 7 – волосок для устранения мертвого хода

Малые перемещения измерительного штока прибора 4 преобразуются зубчатой передачей в значительные вращательные движения стрелки–указателя. Передаточное отношение К механизма в общем виде можно записать уравнением:

, (37)

где y – путь конца стрелки указателя в линейных величинах; х – перемещение измерительного наконечника, (зубчатой рейки); m – модуль зубчатых колес и рейки; Z₂, Z₃, Z₄ – числа зубьев колес; R – радиус вращения конца стрелки указателя.

Числа зубьев колес и шаг рейки подобраны из условия, что полному обороту стрелки соответствует перемещение измерительного штока на 1 мм. Шкала прибора, относительно которой перемещается стрелка, имеет 100 делений. Тогда цена деления шкалы (в мм)

i = 1/100 = 0,01.

Основные источники погрешностей передачи: кинематическая точность колес и рейки (кинематические и геометрические эксцентриситеты, погрешности профиля и основного шага), погрешности монтажа деталей механизма (непараллельность и перекос осей, перекос колеса относительно оси), зазоры в цапфах осей. Наибольшее влияние на точность индикаторов оказывают погрешности первой зубчатой пары (рейка–триб), многократно увеличивающиеся последующим передаточным механизмом.

Отличительное свойство зубчатой передачи – большие пределы измерения с малыми габаритами механизма.

Рычажно–зубчатая передача есть объединение ранее рассмотренных рычажной и зубчатой передач. Соединение этих двух механизмов позволило устранить наиболее существенные источники их погрешностей, сохранив и объединив преимущества обеих передач – высокую точность рычажной и широкие пределы измерения зубчатой. Компоновка осуществляется заменой рейки рычагом с зубчатым сектором. Принципиальная схема рычажно–зубчатой передачи приведена на черт. 29.

Передаточное отношение К механизма определяется уравнением

, (38)

где у – перемещение конца стрелки, соответствующее движению измерительной пятки; х – смещение измерительного стержня при измерении детали; r₁, r₂ – плечи рычага, соответственно малое и большое; r₃ – радиус триба; l – длина стрелки.

Наиболее часто применяются механизмы с ценой деления шкалы 1-2 мкм и пределами показаний по шкале от 30 до 100 мкм.

Пружинная передача характеризуется высокой стабильностью и надежностью, отличается простотой конструкции и обеспечивает высокую точность, так как в ней отсутствуют погрешности от мертвого хода, трения, износа. Принцип дей­ствия передачи основан на зависимости между растяжением тонкой скрученной металлической ленты и поворотом ее среднего сечения относительно продольной оси. В некоторых механизмах применяют цилиндрические пружины.

Черт.29. Рычажно–зубчатая передача: r₁ – малое плечо рычага; r₂ – большое плечо рычага; l – длина стрелки; 1 – измерительный стержень; 2 – рычаг с зубчатым сектором; 3 – триб; 4 – стрелка; 5 – шкала; 6 – пружина

Наиболее часто пружинный элемент изготовляют из бериллиевой бронзы сечения: прямоугольного, вырезаемого из широкой полосы; вытянутого овала, получаемого прокаткой проволоки роликами, и овала с талией, после прокатки проволоки шариками (черт. 30).Последний профиль применяют чаще. Сечения полосы: 2h = 4; 6; 8; 18 мкм и соответственно 2а = 80, 100, 120, 180 мкм. Закрутку ленты выполняют в холодном состоянии. Концы полосы закрепляют и растягивают ее с усилием Р=3; 30; 60; 80 сН. Затем вращают среднюю часть l₁, получая скрученные в разные стороны участки l₂, каждый с числом витков n. После закрутки проводят искусственное старение.

Черт.30. Чувствительный элемент пружинной передачи: а – общий вид элемента; б – форма поперечного сечения элемента

В средней части ленты (на участке l₁) закрепляют показывающее устройство – легкую стеклянную стрелку толщиной 0,05-0,08 мм, что является основным недостатком приборов с пружинной передачей – отсчет показаний затруднителен.

Точность измерительных головок составляет 0,01-0,0 001 мм.

Оптико–механическая передача – сочетание оптической схемы и механической передачи. В оптической схеме используется закон отражения и преломления света. Механическая передача обеспечивает поворот отражающего устройства (черт.31).

При подъеме измерительного стержня 1 плечо 2 с зеркалом 3 поворачивается на угол , отклоняя луч света на угол 2 от вертикали. В сравнении с механическим рычагом (см. черт.27) угол отклонения указателя (оптического луча) возрос вдвое, т.е. передаточное отношение повысилось в два раза. Это основное преимущество оптико–механической передачи – повышение чувствительности, точности передаточного механизма при его неизменных габаритах. Следует также учитывать, что оптический луч безынерционен, отсутствуют погрешности от параллакса.

Черт.31. Оптико–механическая передача: 1– измерительный стержень; 2 – малое плечо рычага; 3 – зеркальце; 4 – отраженный луч света (оптический рычаг); 5 – излучатель

Оптический рычаг сочетают с различными механизмами, образуя рычажно–оптические и пружинно–оптические передачи.

Задание 15

1. Рассчитать параметры штангенциркуля с отсчетом по нониусу 0,01; 0,005 мм и микрометра, с отсчетом по барабану 0,005; 0,001 мм.

2. Почему приборы, использующие рычажный механизм, имеют симметричную шкалу?

3. Какой источник погрешностей устраняется в зубчатой передаче при введении в нее рычажного механизма?

4. Почему рычажный механизм заменяет первую ступень зубчатой передачи?

5. За счет чего увеличивается чувствительность и точность оптико–механической передачи?