Метрология





Микрометры



Микрометрические инструменты

К микрометрическим инструментам относятся гладкие микрометры, микрометрические нутромеры, глубиномеры, а также рычажные микрометры, которые предназначены для абсолютных измерений наружных и внутренних размеров, высот уступов, глубин отверстий и т. д.
Принцип действия этих инструментов основан на использовании винтовой пары (винт-гайка) для преобразования вращательного движения микровинта в поступательное перемещение.
Цена деления таких инструментов 0,01 мм.

продольная и круговая шкала микрометра

Классическая конструкция микрометра включает скобу с запрессованной неподвижной пяткой и стеблем (иногда стебель присоединяют к скобе резьбой). Внутри стебля с одной стороны имеется микрометрическая резьба с шагом 0,5 мм, а с другой – гладкое цилиндрическое отверстие, обеспечивающее точное направление перемещения микровинта.
На винт насажен барабан, соединенный с трещоткой. Трещотка имеет на торце односторонние зубья, к которым пружиной прижимается штифт, обеспечивающий постоянное усилие измерения. Стопорное устройство служит для закрепления винта в нужном положении.

Отсчетное устройство микрометрических инструментов состоит из двух шкал: продольной и круговой. Продольная шкала имеет два ряда штрихов, расположенных по обе стороны горизонтальной линии и сдвинутых один относительно другого на 0,5 мм. Оба ряжа штрихов образуют одну продольную шкалу с ценой деления 0,5 мм, равной шагу микровинта.
Круговая шкала обычно имеет 50 делений (при шаге винта Р = 0,5 мм).
По продольной шкале отсчитывают целые миллиметры и 0,5 мм, по круговой шкале – десятые и сотые доли миллиметра.

Конструкция микрометра впервые была запатентована французским изобретателем Жаном Лораном Палмером в 1848 году под названием «круговой штангенциркуль с круговым нониусом». Однако серийное производство микрометров началось лишь через несколько лет, - после посещения двумя американскими инженерами Д. Брауном и Л. Шарле Парижской выставки, где они увидели изобретение Ж. Палмера и организовали его серийным выпуск.

Микрометры – очень популярный инструмент для измерения наружных диаметров, толщин и т.п. Благодаря простой конструкции, удобству в обращении, быстроте в работе и достаточно высокой точности измерений, они – самые употребляемые цеховые инструменты для линейных измерений. Каждый станочник, слесарь, технолог и конструктор имеет собственный микрометр. Большое разнообразие конструкций, позволяющие измерять самые разные наружные поверхности делают их универсальными инструментами.
Изготавливают микрометры многие зарубежные и отечественные фирмы – Mitutoyo (Япония), Tesa (Швейцария), Carl Mahr (Германия), Челябинский инструментальный завод (ЧИЗ) и Кировский инструментальный завод (КРИН).

устройство микрометра

Качество современных микрометров очень высокое. Точный шлифованный винт, беззазорное соединение винта и гайки, твердосплавные торцевые измерительные поверхности обеспечивают плавное перемещение винта без биения торцевой поверхности. Применение нержавеющих сталей и термообработки обеспечивает антикоррозийные свойства инструмента, сопротивление износу и коррозии.
Положительной особенностью микрометров является соблюдение принципа Аббе, что существенно повышает точность измерения.

Современные микрометры, микрометрические инструменты и приборы подразделяются на две группы:
- механические микрометры со штриховой отсчетной шкалой;
- электронные микрометры с цифровым отсчетом.

Согласно ИСО 3611-2010 микрометры со штриховым отсчетом называют микрометрами с аналоговой индикацией, а микрометры с цифровым отсчетом называют микрометрами с цифровой индикацией.

***

Механический микрометр со штриховым отсчетом

Основным элементом микрометра является микрометрическая винтовая пара. С ее помощью поступательное перемещение измерительной поверхности (торца) микрометрического винта связано с поворотом отсчетного барабана. Один оборот барабана микровинта соответствует перемещению торца микровинта на один шаг резьбы винта. В большинстве конструкций шаг резьбы винта составляет 0,5 мм, а на барабан наносят 50 или 100 делений. Таким образом, цена деления отсчета составляет 0,01 или 0,05 мм. Резьба винта шлифуется на высокоточных станках. Микрометрическая пара в приборах оформлена в виде отдельного узла – микрометрической головки.

Микрометрическая головка входит в состав микрометров различного назначения, нутромеров, глубиномеров, различных стационарных приборов в качестве измерительного узла или узла, задающего точные перемещения, и т. п.

В головке микрометрический винт перемещается совместно с барабаном относительно стебля, жестко соединенного с микрометрической гайкой. Микрометрические головки обычно имеют две шкалы (рис.1): круговую для определения дробных долей оборота и линейную для определения числа полных оборотов микрометрического винта. Линейная шкала и продольный штрих нанесены на наружной поверхности стебля (или на гильзе, одеваемой на стебель).
Цена деления линейной шкалы равна шагу винта, при шаге 0,5 мм наносятся две части шкалы с длиной деления 1,0 мм, сдвинутые друг относительно друга на 0,5 мм. Общая длина линейной шкалы определяется диапазоном измерительного перемещения микрометрического винта (обычно 25 мм).
Круговая шкала нанесена на скосе барабана, торец которого является указателем линейной шкалы. Указателем круговой шкалы служит продольный штрих линейной шкалы.

Диаметр барабана выбран таким, чтобы длина деления была около 1 мм. Для отсчитывания дробных долей деления круговой шкалы в некоторых случаях применяют нониус, аналогичный нониусу штангенциркуля со считыванием без параллакса. Цена деления нониуса составляет 0,001 мм. Однако применение нониуса имеет смысл только в том случае, когда отсчитываемые доли деления меньше погрешности микрометрической передачи.

Для стабилизации измерительного усилия предусмотрено специальное устройство (трещотка, или фрикцион), закрепленное на барабане. С помощью этого устройства на измерительной поверхности микрометрического винта создается усилие, лежащее для большинства случаев применения микрометрических головок в пределах 5-10 Н.

Микрометры являются универсальными инструментами для наружных измерений. Конструкция и метрологические характеристики микрометров определены ISO 3611:2010, DIN 863 и ГОСТ 6207-90.

***

Микрометр имеют скобу, в которую с одной стороны установлена микрометрическая головка, а с другой пятка, Конструкция микрометров предусматривает стопорное устройство для закрепления микрометрического винта. Измерительными поверхностями у микрометров являются параллельные плоскости торцов микрометрического винта и пятки, обычно имеющие диаметр 8 мм.

Для повышения точности измерений выпускают микрометры с диапазоном измерения до 100 мм с диаметром рабочих поверхностей (стебля и пятки) уменьшают до 6,5 мм. Для повышения износостойкости измерительные поверхности микрометров изготовляют из твердого сплава.
Скобы современных высокоточных микрометров выполняют с теплоизолирующим покрытием, чтобы уменьшить погрешности, вызываемые тепловым расширением при контакте с руками.

Для установки нулевого положения микрометры с нижним пределом измерений от 25 мм комплектуют установочными мерами. Цена деление большинства механических микрометров составляет 0,01 мм.
Выпускают также микрометры с ценой деления 0,05 мм и с нониусом с ценой деления 0,001 мм. Диапазон измерений микрометров до 1500 мм.

Микрометры для измерения диаметров более 500 мм (скобы) делают сварными из труб для облегчения и снабжают теплоизолирующими накладками. Микрометры снабжаются сменными наконечниками с приращением длины 25 мм.
Следует отметить, что измерение микрометрическим инструментами больших диаметров (более 500 мм) очень неудобная операция, требующая опыта и терпения.
Результат такого измерения не надежен.

***



Электронный микрометр с цифровым отсчетом

Несмотря на повсеместное распространение микрометров с штриховыми шкалами и нониусом, отсчет по двум штриховым шкалам и сложение их результатов неудобен, особенно при плохом зрении и недостаточном освещении. Поэтому появление электронных микрометров с цифровым отсчетом сделало процесс измерения значительно проще и удобнее, а в некоторых случаях и точнее.

электронный микрометр

Конструктивно электронный микрометр мало отличается от механического микрометра, но вместо штриховых шкал он снабжен инкрементным, как правило, емкостным преобразователем, небольшим электронным устройством и цифровым дисплеем.
Преобразователь аналогичен инкрементному преобразователю, применяемому в штангенциркуле. Он состоит из двух небольших дисковых пластин, на которых размещены изолированные друг от друга электроды. Один диск вращается вместе с винтом, второй неподвижен и удерживается шпонкой, расположенной вдоль винта. Оба диска перемещаются вместе с микровинтом на всю величину хода винта.

На скобе микрометра также расположен электронный микропроцессорный блок и цифровой дисплей с дискретностью показаний 0,01 или 0,001 мм. Высота цифр составляет 7-9 мм. На корпусе имеются две кнопки «вкл/выкл» и установка нуля. Установка нуля возможна как при сведенных пятках микрометра, так и любом месте диапазона измерения (например, для контроля партии одинаковых деталей).

Некоторые модели имеют дополнительные функции, например, сортировка по размерам, кодовый выход на внешние устройства и т.д. Вся электронная система питается от небольшой литиевой батарейки, срок службы которой 1,5 года или 2000 часов.

Электронные микрометры выпускаются с диапазоном измерения до 300 мм и степенью защиты от IP40 – до IP65 по стандарту DIN EN 60529 и ГОСТ 14254-96.

Кроме стандартных микрометров выпускают много специализированных моделей, например, для измерения толщины стенок труб со сферическими измерительными поверхностями, для измерения мягких материалов с измерительными поверхностями в форме дисков, для измерения среднего диаметра резьбы, для измерения длины общей нормали зубчатых колес с измерительными поверхностями в форме дисков, для измерения наружного диаметра многолезвийного инструмента и др.

***

Прогрешность при измерении микрометром

Суммарная погрешность измерения с помощью микрометра состоит из следующих составляющих:

  • погрешностей микрометрической головки;
  • отклонения от плоскостности и от параллельности плоских измерительных поверхностей винта и пятки (при различных углах поворота микрометрического винта и при его стопорении). При эксплуатации микрометров отклонения от параллельности измерительных поверхностей винта и пятки приводят к различной погрешности для разных форм измеряемых деталей (плоских, цилиндрических, сферических). Также различными будут деформации этих деталей под действием измерительного усилия;
  • деформации скобы микрометра под действием измерительного усилия;
  • погрешности установочных мер;
  • существенной составляющей погрешности измерения микрометрами (особенно микрометрами больших размеров) является температурная погрешность, вызываемая как разностью температур измеряемой детали и микрометра, так и нагревом микрометра, а иногда и контролируемой детали, теплом рук контролера (для уменьшения последней погрешности в микрометрах для измерения размеров свыше 50 мм предусмотрены теплозащитные накладки);
  • погрешность, возникающая у электронных микрометров из-за ошибок емкостного преобразователя.

Пределы допускаемой погрешности микрометров приведены в Таблице 1. Указанные значения погрешностей установлены в зависимости от диапазона измерений.

Предел допускаемой погрешности микрометрической головки (при выпуске ее в качестве отдельного изделия) оговорен ГОСТ 6507-78 «Микрометры с ценой деления 0,01 мм. Технические условия» в виде предельной погрешности δ = ±4 мкм.
Правильно было бы нормировать погрешность расстояний между двумя любыми точками - амплитудную погрешность, как это предусмотрено рекомендациями ИСО 3611-1978, так как механизм головки при установке барабана на нуль может занимать различные положения и при этом значение погрешности в каждой отдельной точке будет зависеть от положения нулевой точки.

Предельно допустимая погрешность G микрометра в любой точке диапазона измерений (25 мм) указана в Таблице 1.

Таблица 1

Диапазон измерения,
мм
Предельно допустимая погрешность G,
мкм
Отклонение от параллельности и плоскостности винта и пятки,
мкм
0 – 50
4
2
50 – 100
5
2
100 – 150
6
3
150 – 200
7
4
200 – 250
8
4
250 – 300
9
5
300 – 350
10
5
350 – 400
11
6
400 – 450
12
6
450 – 500
13
7

Указанная в таблице предельно допустимая погрешность G включает в себя погрешность микрометрической головки, погрешность от прогиба скобы микрометра и погрешность от неровностей и непараллельности измерительных поверхностей.

***

Проверка и калибровка микрометров

Калибровку и поверку микрометров осуществляют с помощью концевых мер длины в нескольких точках в диапазоне измерений согласно ISO 3611:2010, DIN 863 и ГОСТ 6207-90.
Концевые меры подбирают таким образом, чтобы была возможность предельную погрешность измерения G микрометра во всех точках диапазона измерения.
Например, рекомендуемые размеры концевых мер длины для проверки микрометров – 3,1; 6,5; 9,7; 12,5; 15,8; 19,0; 21,9 и 25 мм.

Для проверки отклонений плоскостности и непараллельности измерительных поверхностей микрометра (торца винта и пятки) необходимо три или четыре плоскопараллельных оптических стеклянных пластины с градацией по высоте в 1/4 или 1/3 шага микровинта (0,5 мм). Это обеспечивает проверку с трех или четырех положениях при полном повороте микровинта.
Для проверки пластину устанавливают между пяткой и торцом винта. Аккуратно перемещая пластину между измеряемыми поверхностями, определяют наименьшее количество интерференционных колец или полос на одной измерительной поверхности. К этому числу прибавляют количество колец или полос на другой измерительной поверхности.
При длине волны света примерно 640 нм ширина одной интерференционной полосы составляет 320 нм (0,32 мкм).

Методические указания к выполнению лабораторной работы по теме "Поверка микрометра"
(в формате Word, 4 печатных листа, 0,077 Мб)

***

Микрометрический глубиномер

Микрометрический глубиномер состоит из базирующей опоры, в которой закреплен микровинт с диапазоном измерения 25 мм, и сменных измерительных вставок разной длины. Общий предел измерения глубиномера до 300 мм.
Глубиномеры также как и микрометры выпускаются с механической шкалой и с электронным цифровым отсчетом.
Цена деления глубиномера – 0,01 мм. Отклонение от плоскостности базирующей опоры – 2 мкм. Допуск длины измерительных вставок ±(2 + L/75), где L – длина вставки.
Погрешность измерения с самой маленькой вставкой – 5 мкм.

***

Как правильно пользоваться микрометром поможет разобраться представленный здесь видеоролик.


***

Лабораторная работа по теме "Поверка микрометра"

Основные понятия о стандартизации