Загрузил
okruzhnova.irina
Лекции по метрологии
1 Лекция 1 Общие сведения и положения метрологии. Физические величины и их измерения В практической жизни человек всюду имеет дело с измерениями. На каждом шагу встречаются и известны с незапамятных времен измерения таких величин, как длина, объем, вес, время и др. Велико значение измерений в современном обществе. Они служат не только основой научно-технических знаний, но имеют первостепенное значение для учета материальных и планирования, для внутренней и внешней торговли, для обеспечения качества продукции, взаимозаменяемости узлов и деталей и совершенствования технологии, для обеспечения безопасности труда и других видов человеческой деятельности. Метрология имеет большое значение для прогресса естественных и технических наук, т.к. повышение точности измерений – одно из средств совершенствования путей познания природы человеком, открытий и практического применения точных знаний. Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Метрология – metron – мера; logos – понятие (греч.) Основными задачами метрологии являются (по РМГ 29-99): - установление единиц физических величин, государственных эталонов и образцовых средств измерений; - разработка теории, методов и средств измерений и контроля; - обеспечение единства измерений; - разработка методов оценки погрешностей, состояния средств измерения и контроля; - разработка методов передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средствам измерений. В зависимости от решаемых задач различают три раздела метрологии: - теоретический; - законодательный; 2 - прикладной. 1.1 Краткая история развития метрологии Потребность в измерениях возникла в незапамятные времена. Для этого в первую очередь использовались подручные средства. Например, единица веса драгоценных камней – карат, что в переводе с языков древнего юга-востока означает «семя боба», «горошина»; единица аптекарского веса – гран, что в переводе с латинского, французского, английского и испанского означает «зерно». Многие меры имели антропометрическое происхождение или были связаны с конкретной трудовой деятельностью человека. Так, в Киевской Руси применялись в обиходе вершок – длина фаланги указательного пальца; пядь – расстояние между концами вытянутых большого и указательного пальцев; локоть – расстояние от локтя до конца среднего пальца; сажень – от «сягать», «достигать» т.е. можно достать; косая сажень – предел того, что можно достать: расстояние от подошвы левой ноги до конца среднего пальца вытянутой вверх правой руки; верста – от «верти», «поворачивая» плуг обратно, длина борозды. Древние вавилоняне установили год, месяц, час. Впоследствии 1/86400 часть среднего периода обращения Земли вокруг своей оси (суток) получила название секунды. В Вавилоне во II в. до н.э. время измерялось в минах, которая равнялась промежутку времени ( равному примерно двум астрономическим часам), за который из принятых в Вавилоне водяных часов вытекала «мина» воды, массой около 500 г. Затем мина превратилась в привычную для нас минуту. Со временем водяные часы уступили место песочным, а затем более сложным маятниковым механизмам. Важнейшим метрологическим документом в России является Двинская грамота Ивана Грозного (1550 г.). В ней регламентированы правила хранения и передачи размера новой меры сыпучих веществ – осьмины. Ее медные экземляры рассылались по городам на хранение выборным людям – старостам, соцким, целовальникам. С этих мер надлежало сделать клейменые деревянные 3 копии для городских померщиков, а с тех, в свою очередь, - деревянные копии для использования в обиходе. К обращению в России Метрологической реформой Петра I были допущены английские меры, получившие особенно широкое распространение на флоте и в кораблестроении, - футы, дюймы. В 1736 г. по решению сената была образована Комиссия весов и мер под председательством главного директора Монетного двора графа М.Г.Головкина. В состав комиссии входил Леонард Эйлер. В качестве исходных мер комиссия изготовила медный аршин и деревянную сажень, за меру веществ было принято ведро московского каменномостского питейного двора. Важнейшим шагом, подытожившим работу комиссии, было создание русского эталонного фунта. В России указом «О системе Российских мер и весов» (1835 г.) были утверждены эталоны длины и массы – платиновая сажень и платиновый фунт. Идея построения системы измерений на десятичной основе принадлежит французскому астроному Г.Мутону, жившему в XVII в. Позже было предложено принять в качестве единицы длины одну сорокамиллионную часть земного меридиана. На основе единственной единицы – метра – строилась вся система, получившая название метрической. В соответствии с международной Метрологической конвенцией, подписанной в 1875 г., Россия получила платиноиридиевые эталоны единицы массы №12 и 26 и эталоны единицы длины №11 и 28, которые были доставлены в новое здание Депо образцовых мер и весов. В 1892 г. Управляющим депо был назначен Д. И. Менделеев, которую он в 1893 г. Преобразует в Главную палату мер и весов – одно из первых в мире научно-исследовательских учреждений метрологического профиля. Метрическая система в России была введена в 1918 г. Декретом Совета Народных Комиссаров «О введении Международной метрической системы мер и весов». Дальнейшее развитие метрологии в России связано с созданием системы и органов служб стандартизации. 4 Развитие естественных наук привело к появлению все новых и новых средств измерений, а они, в свою очередь, стимулировали развитие наук, становясь все более мощным средством исследования. 1.2 Правовые основы метрологической деятельности в РФ Законодательная база метрологии основывается на следующих правовых актах: 1 Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» от 27.04.93.№4871-1 в редакции 2003 г. 2 РМГ 29-99. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения. 3 МИ 2247-93 ГСИ. Метрология. Основные термины и определения. 4 ГОСТ 8.417-81 ГСИ. Единицы физических величин. 5 ПР 50.2.006-94 ГСИ. Поверка средств измерений. Организация и порядок проведения. 6 ПР 50.2.009-94 ГСИ. Порядок проведения испытаний и утверждения типа средств измерения. 7 ПР 50.2.014-94 ГСИ. Аккредитация метрологических служб на право поверки средств измерений. 8 МИ 2277-94 ГСИ. Система сертификации средств измерений. Основные положения и порядок проведения работ. 9 ПР 50.2.002-94 ГСИ. Порядок осуществления государственного метрологического надзора за выпуском, состоянием и применением средств измерений, аттестованными методиками выполнения измерений, эталонами и соблюдением метрологических правил и норм. 10 ПР 50.2.004-94 ГСИ. Порядок осуществления государственного метрологического надзора за количеством фасованных товаров в упаковках любого вида при их расфасовке и продаже. 11 ПР 50.2.017-95 ГСИ. Положение о российской системе калибровки. 5 12 Постановление Госстандарта России от 8 февраля 1994 г. № 8 «Порядок лицензирования деятельности по изготовлению, ремонту, продаже и прокату средств измерений» (зарегистрировано в Минюсте РФ 9.12.94 № 741). 13 Постановление Госстандарта России от 08.02.94. № 94 «Порядок осуществления государственного метрологического надзора за количеством товаров, отчуждаемых при совершении торговых операций» (09.12.94 № 740). 14 Постановление Госстандарта России от 28.12.95 № 95 «Порядок аккредитации метрологических служб юридических лиц на право проведения калибровочных работ» (28.02.96 № 1037). 15 Постановление Госстандарта России от 8.02.94 № 8 «Требования к государственным центрам испытаний средств измерений и порядок их аккредитации» (13.07.94 № 635). 16 ИСО 10012-1:1992. «Требования, гарантирующие качество измерительного оборудования. – Часть 1. Система подтверждения метрологической пригодности измерительного оборудования». МИ – рекомендации государственных метрологических научных центров Закон «Об обеспечении единства измерений» осуществляет регулирование отношений, связанных с обеспечением единства измерений в РФ, в соответствии с Конституцией РФ. Основные статьи закона устанавливают: - основные понятия, применяемые в Законе; - организационную структуру государственного управления обеспечением единства измерений; - нормативные документы по обеспечению единства измерений; - единицы величин и государственные эталоны единиц величин; - средства и методики измерений. 6 1.3 Основные понятия измерения. Система единиц физических величин Физическая величина – свойство общее в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуальное для каждого (масса, длина, время, сила). Для определения количественного отношения требуется проводить измерение. Основным свойством физической величины является ее размерность. Единица физической величины – физическая величина фиксированного размера, которой условно (по определению) присвоено числовое значение, равное единице и которая применяется для количественного выражения однородных с ней физических величин (F = H; m = кг; L = м и т.д.). Развитие науки и техники привело к появлению множества используемых мер, что вызвало значительные трудности. Поэтому возникла необходимость разработки международной системы единиц физических величин и обеспечения единства измерения. Измерение – совокупность операций по применению системы единиц физических величин для получения значения измеряемой физической величины. Или другими словами измерение – это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Под системой единиц физических величин понимают совокупность основных и производных единиц физических величин, образованную в соответствиии принципами, принятыми для заданной системы физических величин. Наиболее распространенная в мире Международная система единиц (СИ), содержащая 7 основных единиц и ряд производных. В качестве основных единиц приняты метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела, характеристика которых приведены в таблице 1. Производная единица - это единица производной физической величины, образованная в соответствии с уравнениями, связывающими ее с основными единицами или с основными и уже определенными производными (таблица 2). 7 Различают кратные и дольные единицы физических величин (таблица 3). Истинное значение физической величины величины, которая идеальным образом - значение физической отражает в качественном и количественном отношении соответствующие средства объекта. Действительное значение – значение физической величины, найденное экспериментально и приближающееся к истинному значению настолько, что может быть использовано вместо него. Таблица 1 – Основные единицы физических величин системы СИ (7) Величина Единица измерения Обозначение Наименование Размерность Рекомендуемые Наименова- Русс- Между- обозначения ние кое народное Длина L l метр м m Масса M m килограмм кг kg Время T t секунда c s Сила эл.тока I I ампер A A Термодинамическая Q T кельвин K K N n,v моль моль mol J J кандела кд cd температура Количество вещества Сила света Технические измерения определяют класс измерений, выполняемых в производственных и эксплутационных условий, когда точность измерения определяется непосредственно средствами измерения. Единство измерений – состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам единиц, воспроизводимых первичными эталонами, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы. 8 Единство измерений обеспечивается сходимостью результатов измерений; воспроизводимостью результатов измерений; правильностью результатов измерений. Сходимость – это близость результатов измерений значений одноименных величин, полученных одним и тем же методом, идентичными средствами измерений. Воспроизводимость результатов измерений характеризуется близостью результатов измерений одной величины, полученных различными средствами измерений (одной и той же точности) различными методами. Правильность результатов измерений определяется правильностью как самих методик измерений, так и правильностью их использования в процессе измерений, а также близостью к нулю систематической погрешности измерений. Средство измерения – техническое устройство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики. Для хранения или воспроизведения (повторения) одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью используют средство измерения называемое мерой (мера длины, мера массы и т.д.). Так как применяемые при измерениях методы и технические средства не являются идеальными, а органы восприятия не могут идеально воспринимать показания приборов, после завершения измерения остается некоторая неопределенность в знании объекта, называемая погрешностью результатов наблюдений. Погрешность измерения – отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины ∆Хизм = Хизм – Х т.к. истинное значение ФВ неизвестно, то ∆Хизм = Хизв - Хдейств 9 Таблица 2 – Производные единицы системы СИ, имеющее специальное название Величина Единица измерения Выражение Наименование Размерность Наимено- Обозначе- через основные вание ние и производные единицы Си Плоский угол радиан рад м∙м-1= 1 Телесный угол стерадиан ср м2∙м-1=1 Частота T-1 герц Гц с-1 Сила, вес LMT-2 ньютон Н м∙кг∙с-2 Давление, механическое L-1MT-2 паскаль Па м-1∙кг∙с-2 напряжение Энергия, работа, L2MT-2 джоуль Дж м2∙кг∙с-2 количество теплоты Мощность L2MT-3 ватт Вт м2∙кг∙с-3 Количество TI кулон Кл с∙А электричества Электрическое L2MT-3I-1 вольт В м2∙кг∙с-3∙А-1 напряжение, потенциал, электродвижущая сила Электрическая емкость L-2M-1T4I2 фарад Ф м-1∙кг-1∙с4∙А2 Электрическое L2MT-3I-2 ом Ом м2∙кг∙с-3∙А-2 сопротивление Электрическая L-2M-1T3I2 сименс См м-2∙кг-1∙с3∙А2 проводимость Поток магнитной L2MT-2I-1 вебер Вб м2∙кг∙с-2∙А-1 индукции Магнитная индукция MT-2I-1 тесла Тл кг∙с-2∙А-1 Индуктивность L2MT-2I-2 генри Гн м2∙кг∙с-2∙А-2 Световой поток J люмен лм кд∙ср -2 -2 Освещенность L J люкс лк ∙кд∙ср -1 Активность T беккерель Бк с-1 радионуклида Поглощенная доза L2T-2 грей Гр м2∙с-2 ионизирующего излучения Эквивалентная доза L2T-2 зиверт Зв м2∙с-2 излучения 10 Таблица 3 – Множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц и их наименований Множи- Приставка Обозначение тель приставки Множи- Приставтель ка Обозначение приставки между- русское между- русское народн. народн. 1018 экса Е Э 10-1 деци d д 1015 пета Р П 10-2 санти с с 1012 тера Т Т 10-3 милли m м 109 гига G Г 10-6 микро µ мк 106 мега М М 10-9 нано n н 103 кило k к 10-12 пико р п 102 гекто h г 10-15 фемто f ф 101 дека da да 10-18 атто а а Существует четыре основных вида погрешностей измерения: - погрешности метода измерения, погрешности, обусловленные методиками выполнения измерений; - погрешности средств измерений; - погрешности органов чувств наблюдателей (личностные погрешности); - погрешности, обусловленные влиянием условий измерений. Все эти погрешности дают суммарную погрешность, состоящую из двух составляющих – случайной и систематической. Случайная погрешность – составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) при повторных измерениях, проведенных с такой же тщательностью, одной и той же физической величины (при многократных измерениях длины линейкой или рулеткой). Систематическая погрешность – составляющая погрешности результата измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при 11 повторных измерениях одной и той же физической величины (погрешность, связанная с износом инструмента при обработке детали). Систематическая погрешность возникает из-за несовершенстваметода измерений, погрешности средств измерений, из-за влияния внешних условий, погрешности градуировки и поверки и т.д. В результатах измерения всегда присутствуют оба вида погрешности и часто одна из них значительно превышает другую. В этих случаях меньшей пренебрегают. Случайная погрешность характеризует точность измерений, систематическая – качество измерений. Различают также абсолютную и относительную погрешности. Абсолютная погрешность – погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины. Относительная погрешность – это погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности к действительному или измеренному значению измеряемой величины (в долях или процентах). Кроме обычной погрешности различают грубую погрешность – промах. Промах – погрешность результата отдельного измерения, входящего в ряд измерений, которое для данных условий резко отличается от остальных результатов этого ряда. Лекция 2 Виды и методы измерений 1 По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения методы измерений подразделяются на: - статические, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени (измерения размеров тела; постоянного давления); - динамические, в процессе которых измеряемая величина изменяется и является непостоянной во времени (измерения пульсирующих давлений, вибраций) 12 2 По способу получения результатов измерений (виду уравнения измерений) методы измерений разделяют на: - прямое измерение – искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных (измерение штангенциркулем, микрометром, угломером ); - косвенное измерение – искомое значение величины находят по результатам измерений других размеров, связанных с искомой определенной зависимостью (измерение среднего диаметра резьбы с помощью 3-х проволочек); - совместные измерения – измерения, производимые одновременно (прямые или косвенные) двух или нескольких неодноименных величин; целью этих измерений является нахождение функциональной зависимости между величинами (зависимость длины тала от температуры, эл.сопротивления проводника от давления и т.п.); - совокупные – это такие измерения, в которых значения измеряемых величин находят по данным повторных измерений одной или нескольких одноименных величин при различных сочетаниях мер или этих величин; результаты совокупных измерений находят путем решения системы уравнений, составляемых по результатам нескольких прямых измерений (массы отдельных гирь набора находят по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь). 3 По условиям, определяющим точность результата измерения – 3 класса: - измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники (эталонные измерения и измерения физических констант – абсолютное значение ускорения свободного падения); - контрольно-поверочные измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторое заданное значение (измерения, выполняемые лабораториями госнадзора за внедрением и соблюдением стандартов и состоянием измерительной техники и заводскими измерительными лабораториями с погрешностью заранее заданного значения); - технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений (измерения на машиностроительных предприятиях). 13 4 По способу выражения результатов измерений различают: - абсолютное измерение – измерение основано на прямых измерениях величины и (или) использовании значений физических констант (измерение размеров деталей штангенциркулем или микрометром); - относительное измерение – измерение, где полученную величину сравнивают с одноименной, играющей роль единицы или принятой за исходную (измерение диаметра вращающей детали по числу оборотов соприкасающегося с ней аттестованного ролика) 5 В зависимости от совокупности измеряемых параметров изделия различают: - поэлементный (дифференцированный) метод – измерение каждого параметра изделия в отдельности (овальности, огранки цилиндрического вала); - комплексный метод – измерение суммарного показателя качества (а не физической величины), на который оказывают влияние отдельные его составляющие (измерение радиального биения цилиндрической детали, на которое влияют эксцентриситет, овальность и др.) Существуют следующие методы измерений: 1 По способу получения значений измеряемых величин различают: - метод непосредственной оценки – метод измерения, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия (измерение длины или размеров деталей микрометром, угломером и т.д.); - метод сравнения с мерой – метод измерения, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (измерение диаметра калибра микрокатор устанавливают на нуль по блоку концевых мер длины, а результаты измерения получают по отклонению стрелки микрокатора от нуля, т.е. сравнивается измеряемая величина с размером блока концевых мер, о точности размера судят по отклонению стрелки микрокатора относительно нулевого положения) 2 При измерении линейных величин различают: 14 - контактный метод – измерение происходит при непосредственном соприкосновении измерительных поверхностей с поверхностью контролируемого объекта; - бесконтактный метод - измерение происходит без соприкосновения с измеряемой поверхностью (проекционные аппараты). 3 В зависимости от измерительных средств, используемых в процессе измерения, различают: - инструментальный метод основан на использовании специальных технических средств, в том числе автоматизированных и автоматических; - экспертный метод оценки основан на использовании данных нескольких специалистов (широко применяется в квалиметрии, спорте, искусстве, медицине); - эвристические методы оценки основаны на интуиции (используется способ попарного сопоставления, когда измеряемые величины сначала сравниваются между собой попарно, а затем производится ранжирование на основе результатов этого сравнения); - органолептические методы оценки основаны на использовании органов чувств человека (осязания, обоняния, зрения, вкуса и слуха), часто используются измерения на основе впечатлений (конкурсы мастеров искусств, соревнования спортсменов). Методика выполнения измерений Основная потеря точности при измерениях происходит не за счет возможной метрологической неисправности применяемых средств измерений, а в первую очередь за счет несовершенства методов и методик выполнения измерений. В целом точность измерения зависит от: - точности применяемого средства измерения; - точности метода измерения; - влияния внешних факторов. Под методикой выполнения измерений понимают совокупность методов, средств, процедур, условий подготовки и проведения измерений, а также 15 правил обработки экспериментальных данных при выполнении конкретных измерений. По Закону РФ «Об обеспечении единства измерений» измерения должны осуществляться в соответствии с аттестованными в установленном порядке методиками. Разработка методик выполнения измерений должна включать: - анализ технических требований к точности измерений, изложенных в стандарте, технических условий или технических заданий; - определение конкретных условий проведения измерений; - выбор испытательного и вспомогательного оборудования, а также средств измерений; - разработку при необходимости нестандартных средств измерений; - исследование влияния условий проведения измерений и подготовки испытуемых объектов к измерениям; - определение порядка подготовки средств измерений к работе, последовательности и количества измерений; - разработку или выбор алгоритма обработки экспериментальных данных и правил оформления результатов измерения. Методики выполнения измерений перед их вводом в действии должны быть аттестованы или стандартизированы. Средства измерений Средство измерения – это техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства. Средства измерения классифицируются по виду, принципу действия и метрологическому назначению. По метрологическому назначению средства измерений делятся на образцовые и рабочие. Образцовые предназначены для поверки по ним других средств измерений как рабочих, так и образцовых менее высокой точности. 16 Рабочие средства измерений предназначены для измерения размеров величин, необходимых в разнообразной деятельности человека. Различают следующие виды средств измерений: - мера – это средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера; - измерительные устройства, которые подразделяются на измерительные приборы и измерительные преобразователи; измерительные установки и измерительные системы. Измерительный прибор – средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительный преобразователь – средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Измерительная установка – совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем и расположенная на одном месте. Измерительная система – совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления. Измерительные приборы классифицируются: - по назначению; - конструктивному устройству; - по степени автоматизации. По назначению измерительные приборы разделяются на: - универсальные; 17 - специальные; - для контроля. По конструктивному устройству измерительные приборы делятся на: - механические; - оптические; - электрические; -пневматические. По степени автоматизации различают измерительные приборы: - ручного действия; - механизированные; - полуатоматические; - автоматические. Универсальные измерительные приборы подразделяются на: - механические: - простейшие инструменты – проверочные измерительные линейки, щупы, образцы шероховатости ; - штангенинструменты – штангенциркуль, штангенглубиномер, штангенрейсмус, штангензубомер; - микрометрические инструменты – микрометр, микрометрический нутромер, микрометрический глубиномер; - приборы с зубчатой передачей – индикаторы часового типа; - рычажно-механические – миниметры, рычажные скобы. - оптические: вертикальный и горизонтальные оптиметры; малый и большой инструментальные микроскопы; универсальный микроскоп; концевая машина; проекторы; интерференционные приборы; - пневматические: длинномеры (ротаметры); - электрические: электроконтактные измерительные головки; индуктивные приборы; профилографы; профилометры; кругломеры. Специальные измерительные приборы предназначены для измерения одного или нескольких параметров деталей определенного типа (приборы для 18 измерения (контроля) параметров коленвала, распредвала, параметров зубчатых колес, диаметров глубоких отверстий. Классификация средств измерений представлена на рисунке 1. Средства измерения представлены на рисунках 2 – 10. Рисунок 1 – Классификация средств измерений Функциональный Масштабный Передающий Промежуточный По функции преобразования По положению в измерительной системе По способу представления величин Измерительные установки Первичный Цифровой Аналоговый По методу измерения Измерительные приборы Сравнения Прямого действия (непоредственной оценки) По типу вычислительного устройства Измерительные устройства Вычисляющий сложения функций Интегрирующий Суммирующий По способу представления показаний Многозначные Регистрирующий По способу представления величин Меры Показывающий Цифровой По методу измерения Однозначные Аналоговой Сравнения Прямого действия (непосредственной оценки) 1 Средства измерений Измерительные системы Измерительные преобразователи 1 1 – штанга с неподвижными губками; 2 – губки; 3 – стопорный винт рамки; 4 – рамка; 5 – нониус; 6 – глубиномер 1- губки; 2 – стопорный винт рамки; 3 – рамка; 4 – движок микрометрической подачи; 5 – стопорный винт; 6 – штанга; 7 – винт микрометрической подачи; 8 – гайка микрометрической подачи; 9 – нониус Рисунок 2 – Штангенциркули: а – простейший; б – усовершенствованный 2 а б 1 – планка (нониус); 2 – штанга; 3 – рамка; 4 – основание; 5, 6 – сменные ножки Рисунок 3 – а) Штангенглубиномер б) Штангенрейсмус 3 1 – скоба; 2 – неподвижная пята; 3 – стопор; 4 – стебель; 5 – разрезной хвостовик; 6 – гайка; 7 – микрометрический винт; 8 – колпачок; 9 – трещотка; 10 – барабан Рисунок 4 – Микрометр 1 – защитный удлинитель; 2 – корпус; 3 – стопорный винт; 4 – микрометрический винт; 5 – колпачок; 6 – барабан; 7 – стержень; 8 – пружина; 9 – трубка Рисунок 5 – Микрометрический нутромер: а – микрометрическая головка; б – удлинитель (набор) 4 Микрометрический нутромер состоит из микрометрической головки (рис.5а) и набора микрометрической удлинителей головки такое (рис.5б). Отсчетное же, у как устройство микрометра. Конец микрометрического винта 4 и конец стержня защитного удлинителя 1, ввертываемого в корпус 2 прибора, - измерительные поверхности нутромера. В нутромере нет устройства, ограничивающего измерительное усилие. В измеряемом отверстии его устанавливают наощупь, поэтому погрешность при измерении нутромером значительно больше, чем при измерении микрометром, хотя точность отсчета у них одинакова – 0,01 мм. Нутромер проверяют по установочной мере, изготовленной в виде скобы, определяя расстояние между ее внутренними измерительными плоскостями. Если показания нутромера не равно 75 мм, то его устанавливают на 0. Для этого, не вынимая нутромера из установочной меры, стопорным винтом 3 закрепляют микрометрический винт 4. Затем, придерживая барабан 6, отвертывают колпачок 5, отсоединяя тем самым барабан от микровинта. Установив барабан в нужное положение, его соединяют с микровинтом колпачком 5 и вторично проверяют, правильно ли настроен нутромер, используя установочную меру. Удлинитель состоит из стержня 7, длина которого указана на трубке 9, предназначенной для присоединяя стержня к нутромеру и предохранения его от повреждений. При завертывании удлинителя пружина 8 плотно прижимает стержень к измерительной поверхности нутромера. Микрометрические нутромеры выпускают с пределами измерения 75…175; 75…600; 150…1260; 600…2500. 5 1 – стопорный винт; 2 – микрометрическая головка (барабан); 3 – трещотку; 4 – измерительный стержень; 5 – основание; 6 – сменные измерительные стержни; 7 – установочная мера Рисунок 6 – Микрометрический глубиномер Микрометрический глубиномер состоит из основания 5, микрометрической головки 2 и измерительного стебля 4, запрессованного в основание. Нижняя плоскость основания и конец измерительного стержня – измерительные поверхности прибора. Для увеличения диапазона измерений глубиномер снабжен сменными измерительными стержнями 6. пределы измерения глубиномеров: 0…100 и 0…150 мм. На нуль глубиномер с измерительным стержнем 0…25 мм устанавливают на поверочной плите. Для этого основание прижимают к плите, а затем, вращая микрометрический винт за трещотку 3, доводят вторую измерительную поверхность до соприкосновения с плитой. Закрепив измерительный стержень стопорным винтом 1, прибор устанавливают на нуль. При использовании остальных измерительных стержней глубиномер устанавливают на нуль по установочным мерам 7. Сила, с которой при измерении основание необходимо прижимать к детали, должна превышать измерительное усилие. Индикатор часового типа – наиболее распространенный прибор для относительных измерений (рисунок 7). Наша промышленность выпускает 6 индикаторы следующих типов: ИЧ-2; ИЧ-5; ИЧ-10; ИЧ-25; ИЧ-50; ИТ-2 с ценой деления 0,01 мм. Цифра в обозначении типа прибора указывает предел измерений в мм. 1 – измерительный стержень; 2 – трибка; 3 – двойное зубчатое колесо; 4 – малая стрелка; 5 – накатанный ободок; 6 –гильза; 7 – пружинный волосок; 8 – дополнительное зубчатое колесо Рисунок 7 – Индикатор часового типа Измерительный стержень 1, имеющий в средней части нарезанную рейку, перемещается вверх и вниз внутри гильзы 6. При своем перемещении он вращает двойное зубчатое колесо 3, которое, в свою очередь, приводит во вращение трибку 2 вместе со стрелкой, закрепленной на одной с ней оси. Дополнительное зубчатое колесо 8 с пружинным волоском 7 устраняет погрешность от бокового зазора в зубчатых зацеплениях и зазоров в опорах. Колесо 8 постоянно удерживает в зацеплении зубчатые колеса, причем во время хода измерительного стержня вверх или вниз зацепление происходит по одной стороне зубьев. Передаточные отношения в индикаторе подобраны так, что передвижению стержня индикатора на 1 мм соответствует один оборот 7 стрелки. Так как шкала имеет 100 делений, цена деления шкалы индикатора равна 0,01 мм. Для установки на нуль шкалу индикатора поворачивают за накатанный ободок 5. Число оборотов большой стрелки индикатора или число целых миллиметров хода измерительного стержня индикатора определяют по перемещению малой стрелки 4. Цена деления шкалы малой стрелки равна 1 мм. Пределы измерения индикаторов часового типа: от 0 до 2,5; 10; 25 и 50 мм. У индикатора лишь одна измерительная поверхность – конец измерительного стержня, поэтому измерять индикатором можно только в сочетании с другими приборами и приспособлениями. Примеры применения индикаторов представлены на рисунке 8 и 9. Индикаторы со стойкой и индикаторные скобы устанавливают по концевым мерам. Для этого подбирают блок, размер которого равен номинальному размеру измеряемой поверхности, и помещают его на столик. Измерительный стержень индикатора приводят в соприкосновение с блоком плиток и закрепляют в положении, когда малая стрелка индикатора укажет на цифру 1 или 2. Тем самым создают запас хода стержня индикатора на случай, если размер детали будет меньше номинального. После этого шкалу индикатора поворачивают за ободок, чтобы нулевой штрих совпал с концом большой стрелки. Отклонения стрелки от нуля при измерении будут равны отклонениям размера детали от номинального размера. а – Индикаторная скоба 8 б – Индикаторный нутромер в – Индикаторный глубиномер Рисунок 8 – Примеры применения индикатора 9 Рисунок 9 – Схема измерения индикатором: а – радиального биения при помощи прямого рычага; б – торцевого биения при помощи углового рычага Рисунок 10 – Измерение индикатором радиального биения Рычажно-механические приборы Рычажно-механические приборы с точностью отсчета до 0,001 мм просты в изготовлении и надежны в эксплуатации. Их широко применяют на машиностроительных заводах и в ремонтных предприятиях. Представителями этих приборов являются: - микрокатор; - микатор; - рычажные скобы; - рычажный микрометр 10 а б 1 – регулировочный винт; 2 – стрелка; 1 – винт; 2 – винт; 3 – винт; 3 – пружина; 4 – пружинный угольник; 4 – кронштейн; 5 – пружинящий диск; 6 – измерительный стержень; Рисунок 11 – Микрокатор: а – схема микрокатора; б – установка на размер прибора Микрокатор – измерительный стержень 6 подвешен на пружинящем диске 5 и горизонтальной части пружинного угольника 4. Чувствительная пружина 3 скручена за середину так, что левая и правая части образуют спирали различного направления. Один конец пружины регулировочными винтами 1 11 привернут к корпусу прибора, другой к вертикальной части пружинного угольника. К средней части чувствительной пружины прикреплена стрелка 2. При перемещении стержня 6 вниз или вверх пружинный угольник поворачивается и растягивает или сжимает чувствительную пружину. Стрелка при этом отклоняется. Все подвижные части этого прибора скреплены между собой, зазоры в соединениях отсутствуют, поэтому чувствительность данного прибора высокая. Микрокаторы выпускают с ценой деления 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 5; 10 мкм и с пределами измерения ± 30 делений шкалы. Микрокатор, как и индикатор, используют только в сочетании с другими приборами и приспособлениями. Его наиболее часто применяют с тяжелой стойкой С-I или C-II (рис.11б). На размер микрокатор устанавливают по концевым мерам длины. Вначале блок концевых мер, размер которого равен номинальному размеру измеряемой детали, размещают на столике, затем кронштейн 4 с микрокатором опускают почти до соприкосновения измерительного наконечника с блоком концевых мер. В таком положении кронштейн закрепляют стопорным винтом 3. После этого, вращая винт 1 микрометрической подачи, поднимают стол до тех пор, пока наконечник микрокатора не соприкаснется с блоком концевых мер и стрелка микрокатора не совместится с нулем шкалы. Добившись этого, стопорят стол винтом 2. Микатор – принцип действия аналогичен микрокатору, применяется для головок приборов с присоединительным размером 8h7 и легкими стойками. 12 1 – подвижная пята; 2 – рычаг; 3 – отводка; 4 – трибка; 5 – стопорный винт; 6 – защитный колпачок; 7 – винт микрометрической подачи Рисунок 12 – Рычажная скоба На рисунке 12 представлена рычажная скоба. Рычажная скоба относится к группе механических стрелочных приборов и предназначена для сравнительных измерений путем определения отклонений от заданного размера (блока плиток). Приборы этого типа построены по принципу использования рычажнозубчатой передачи. Они бывают шести типоразмеров. Рычажные скобы изготавливают с пределами измерения 0…25; 25…50; 50…75; 75…100; 100…125; 125…150 мм, цена деления шкалы 0,002 мм. При измерении подвижная пятка 1 рычажной скобы передает движение рычагу 2, большое плечо которого заканчивается зубчатым сектором. Сектор, поворачиваясь, вращает трибку 4, на оси которой укреплена стрелка. Скобу настраивают по концевым мерам. Для этого снимают защитный колпачок 6. ослабляют стопорный винт 5 и, вставив между измерительными поверхностями блок плиток, размер которого равен номинальному размеру измеряемой детали, вращают винт 7 микрометрической подачи до тех пор, пока стрелка прибора не встанет на нулевой штрих шкалы. В этом положениизавертывают стопорный винт и надевают защитный колпачок. При установке измеряемой детали между пятками скобы следует пользоваться отводкой 3, которая позволяет отклонять подвижную пятку, что уменьшает износ измерительных поверхностей. При перестройке на новый размер рычажную скобу надо заново настраивать по концевым мерам. 13 1 – стрелка; 2, 3 – измерительные пятки; 4 – стопор; 5 – барабан; 6 – колпачок; 7 – стебель; 8 – крышка; 9 – указатели границ; Рисунок 13 – Рычажный микрометр Рычажный микрометр представлен на рисунке 13. При измерении барабан 5 прибора вращают до тех пор, пока стрелка 1 рычажного механизма не встанет на нуль. Затем барабан продолжают вращать до совпадения ближайшего штриха шкалы со штрихом на стебле 7. К показанию, полученному по микрометру, прибавляют размер отклонения от нуля стрелки рычажного механизма со своим знаком. При измерении партии одинаковых деталей рычажным микрометром можно пользоваться как скобой. Для этого его настраивают на номинальный размер, а по шкале отсчитывают отклонения от данного размера. Указатели 9 границ поля допуска облегчают работу контролера. Отвернув крышку 8, устанавливают обе стрелки специальным ключом по верхнему и нижнему отклонениям размера. Деталь будет годной, если стрелка при измерении остановиться между указателями. Чтобы прибор настроить на нуль, между измерительными пятками 2 и 3 следует вставить установочную меру и вращать барабан 5 до тех пор, пока стрелка 1 рычажного механизма не совпадет с нулем. В этом положении микрометрический винт фиксируют стопором 4. отвернув колпачок 6 и освободив барабан, его поворачивают до совмещения нулевого штриха с продольной риской на стебле 7. После этого, завертывая колпачок 6, закрепляют барабан. Точность настройки проверяют по установочной мере. 14 Оптико-механические и оптические приборы Точность отсчета можно повысить без увеличения габаритов и массы прибора, используя оптическое плечо. Наиболее распространенный оптико-механический прибор – это оптиметр. Оптиметр – оптико-механический сравнительный прибор. Его работа основана на принципе оптического рычага и явления автоколлимации (рисунок 14). В основу принципа автоколлимации положено свойство объекта превращать пучок расходящихся лучей, исходящих из источника света, расположенного в фокусе объектива, в пучок параллельных лучей и затем собирать этот пучок, отраженный плоским зеркалом, в том же фокусе объектива. Или автоколлимационными системами называются системы, проектирующие изображение шкалы при помощи зеркала в плоскость самой шкалы. 1 – измерительный стержень; 2 – пружина; 3 – окуляр; 4 – отражение; 5 – шкала; 6 –боковое зеркало; 7 – источник света; 8, 9 – линзы; 10 – нижнее зеркало; 11 – шарнир; Рисунок 14 – Измерительная головка оптиметра 15 Измерительная головка оптиметра представляет собой Г-образную трубку, на одном конце которой находится окуляр 3, а на другом – измерительный стержень 1, заканчивающийся вправленным в него закаленный шариком, упирающимся в зеркало 10 оптиметра. Зеркало, укрепленное на шарнире 11, пружиной 2 постоянно прижимается к измерительному стержню (измерительное усилие составляет 2 Н). Свет от внешнего источника 7 с помощью бокового зеркала 6 направляется в щель, где освещает шкалу 5 прибора. Отражение шкалы через систему призм 8 и линз 9 направляется на нижнее зеркало10, находящееся в контакте с измерительным стержнем и от него – в окуляр 3. Перемещение измерительного стержня приводит к повороту зеркала, а следовательно, к перемещению отражения 4, видимого в окуляр 3 оптиметра. Шкала прибора неподвижна и в окуляр невидима, перемещается только отражение шкалы в зависимости от положения измерительного стержня и нижнего зеркала. Положение отражений шкалы определяется относительно указателя в форме треугольника со стрелкой, расположенного в центре поля, видимого в окуляр. При перемещении измерительного стержня отражение шкалы перемещается относительно указателя вверх или вниз. Цена деления оптиметра 0,001 мм, предел показаний прибора ±100 делений, или ±0,1 мм. Головку оптиметра можно использовать только в сочетании с тяжелой стойкой. В зависимости от измерения различают вертикальный и горизонтальный оптиметры. Вертикальный оптиметр настраивают так же, как и микрокатор, который также используется с тяжелой стойкой (рисунок 16) 16 Горизонтальный оптиметр более универсален (рисунок 15). Его можно использовать как для наружных, так и для внутренних измерений. 1 – массивное основание; 2 – направляющая; 3 – кронштейны; 4 – микровинт; 5 – пиноль; 6 – сменный наконечник; 7 – предметный столик; 8 – трубка; 9 –оптическое устройство; Рисунок 15 – Горизонтальный оптиметр К массивному основанию 1 прикреплена направляющая 2, на которой установлены передвижные кронштейны 3, фиксируемые в нужном положении стопорными винтами. На левом кронштейне закреплена пиноль 5 с микровинтом 4, перемещающим стержень со сменным наконечником 6, торец которого является одной из измерительных поверхностей. На правом кронштейне закреплена измерительная головка оптиметра, трубка 8 которого предназначена для соединения с кронштейном. оптическое устройство 9 устанавливают под углом, удобным для выполнения измерений. Измерительный стержень головки оптиметра является второй измерительной поверхностью. При измерении наружных размеров блок концевых мер, необходимых для настройки, устанавливают на предметный столик 7, помещенный на основании 1. В процессе измерения на предметный столик устанавливают измеряемую деталь. 17 Для измерения снабжают внутренних специальными размеров рычажными горизонтальный оптиметр приспособлениями – измерительными дугами. Рисунок 16 – Оптиметр вертикальный К оптическим приборам относятся инструментальные микроскопы, рисунок которого представлен на рисунке 17. 18 1 – микрометрический винт; 2 – стол; 3 – объектив; 4 – рифленое кольцо; 5 – тубус; 6 – отсчетный микроскоп; 7 – визирный окуляр; 8 – прилив; 9 – кронштейн; 10 – маховичок; 11 – стойка; 12 – стопорный винт; 13 – ось; 14 – маховик; 15 – основание; Рисунок 17 – Инструментальный микроскоп Инструментальные микроскопы предназначены для измерения углов и линейных размеров резьбовых калибров, метчиков, резьбовых фрез, шаблонов, фасонных резцов и др. На литом чугунном основании 15 имеются направляющие, по которым на шариковых опорах перемещается стол 2 в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Стол перемещается двумя микрометрическими винтами 1 в пределах 0…25 мм. Чтобы увеличить предел измерения прибора в продольном направлении (до 75 мм у ММИ и до 150 мм у БМИ), между концом микровинта и измерительным упором стола микроскопа вставляют концевую меру необходимого размера. 19 Верхнюю часть стола с предметным стеклом можно поворачивать относительно основания для совмещения линии измерения с направлением продольного и поперечного перемещения стола. К основанию микроскопа на оси 13 крепится стойка 11, по которой перемещается кронштейн 9 с тубусом 5. Стойка 11 при помощи маховичка 14 может наклоняться вокруг оси 13 в обе стороны на угол до 12,5º, что необходимо для измерения резьб. Микроскоп фокусируют маховичком 10, перемещающим кронштейн 9 вверх или вниз. После грубой настройки кронштейн стопорят винтом 12. Для точной настройки используют рифленое кольцо 4, при вращении которого тубус передвигается по направляющим относительно кронштейна. В нижней части тубуса установлен объектив 3, в верхней части – сменная окулярная угломерная головка ОГУ-21(сменная) с визирным окуляром 7 и отсчетным микроскопом 6. Все головки дают 10-кратное увеличение изображения измеряемой детали. В комплекте микроскопа имеется проекционная насадка типа НП-7, на экране которой можно получить изображение, наблюдаемое в окуляре. Крепят насадку в отверстие прилива 8. Средний диаметр резьбы можно также измерить и на вертикальном длинномере, который представлен на рисунке 18. По массивной стойке 6 вращением гайки 5 кронштейн 2 может устанавливаться на требуемой высоте и закрепляться винтами 1, 4. В кронштейне при опущенном винте 12 свободно движется измерительный шпиндель 11, опускающийся под собственным весом и поднимаемый за гирьку 9. На одном конце шпинделя укреплен измерительный наконечник 10. Второй конец шпинделя при при помощи стальной ленты 18 и блочной системы соединен с противовесом, помещенным в масляной ванне, внутри полого цилиндра 20 для того, чтобы шпиндель поднимался и опускался плавно и без ударов. Вес измерительного шпинделя уравновешивается противовесом. Измерительное усилие регулируется плоскими разновесами 19, надеваемыми на выступ верхней части шпинделя. В измерительном шпинделе помещается миллиметровая шкала. 20 Окулярный спиральный микрометр расположен в корпусе отсчетного микроскопа 17. На основании прибора 7 укреплен ребристый столик 8, предназначенный для измерения плоских и цилиндрических деталей. 1 – винт; 2 – кронштейн; 3 – осветитель; 4 – винт; 5 – гайка; 6 – стойка; 7 – основание; 8 – столик; 9 – гирька; 10 – измерительный наконечник; 11 – измерительный шпиндель; 12 – стопорный винт; 13 – колесико; 14 – окуляр; 15 – винт; 16 – головка; 17 – отсчетный микроскоп; 18 – стальная лента; 19 – разновес; 20 – цилиндр. Рисунок 18 – Вертикальный длинномер 21 Для измерения шероховатости поверхности по параметру RZ на наружных плоских и цилиндрических поверхностях применяется двойной микроскоп МИС-11, который представлен на рисунке 19. Действие микроскопа основано на бесконтактном методе светового сечения, заключающемся в том, что при освещении поверхности пучком лучей, направленным к данной поверхности под некоторым углом α, граница света и тени на поверхности наблюдается в виде ломаной линии, сходной с профилем микронеровностей поверхности а) – изображение щели (деформированное); б) – устройство микроскопа; 1 – корпус; 2 – кронштейн; 3 – винт; 4 – осветительный микроскоп; 5 – визуальный микроскоп; 6 – окулярный микрометр; 7 – винт осветительного тубуса; 8 – винт для микрофокусировки; 9 – контролируемая деталь; 10 – стол; 11 – кольцо для регулирования ширины щели; 12 – гайка для установки кронштейна; 13 – стопорный винт; 14 – винт для фиксации стола; 15 – стойка; 16 – траверса; 17 - окуляр Рисунок 19 – Двойной микроскоп 22 Двойной микроскоп состоит из массивного основания на котором укреплена колонна 15, несущая кронштейн 16 с тубусами микроскопа 17 и осветителя 11. По колонне кронштейн перемещается гайкой 12, а фиксируется в нужном положении винтом 13. При помощи кремальеры 3 и микрометрического механизма 8 (точная установка) тубусы могут быть передвинуты по высоте. Предметный поворотный столик 10 микроскопа может перемещаться микровинтом 18 в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Цена деления барабана окулярного микрометра – 0,01 мм. Более совершенной моделью среди оптико-механических приборов являются универсальные микроскопы УИМ-21 и УИМ-23, которые предназначены для измерения длин, углов, элементов резьб, зубчатых передач, конусов и различных профилей изделий и представлены на рисунках 20 и 21. 1 – окулярная головка; 2 – станина; 3 – стол; 4 – направляющие; 5 – бабка; 6, 7 – головки; 8 – направляющие; 9 – каретка; 10, 11 – винты; 12, 13 – микровинты; 15, 16 – отсчетные микроскопы; 17 – кронштейн; 18 – колонка; 19 – винт; 20 – головка; 21 – кольцо; 22 – головка; 23 – шкала (углы наклона); 24 – окуляр; 25 – маховик; 26 - окуляр Рисунок 20 – Универсальный измерительный микроскоп УИМ-21 23 Методы измерений – проекционный и осевого сечения в прямоугольных и полярных координатах. Универсальный микроскоп УИМ-23 по устройству аналогичен УИМ-21 и отличается от него наличием проекционного приспособления, позволяющего наблюдать контур детали, штриховую сетку и деталь, отсчет по шкалам путем наблюдения их изображений не через окуляры, а на небольших, удобно расположенных экранах 15 и 16. На экране проекционного устройства 1 наблюдается изображение контура детали и совмещенные при измерении с линиями контура линии штриховой сетки. 1 – проекционное устройство; 15, 16 – экраны; Рисунок 21 – Универсальный измерительный микроскоп УИМ-23 24 Лекция 3 Метрологические характеристики измерительных средств Метрологическая характеристика средства измерения и контроля – это характеристика одного из свойств средства измерения, влияющая на результат измерения и его погрешность. Основными нормируемыми характеристиками измерительных средств для технических измерений являются по ГОСТ 8.009-84: - диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы пределы погрешности прибора; - диапазон показаний (измерений по шкале) – область значений шкалы, ограниченная ее начальным и конечными значениями; - пределы измерения – наибольшее или наименьшее значение диапазона измерения; - цена деления шкалы – разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы; - длина (интервал) деления шкалы – расстояние между осями двух соседних отметок шкалы; - чувствительность – свойство, отражающее способность реагировать на изменение измеряемой величины; - стабильность – свойство, отражающее постоянство во времени метрологических показателей. Основная метрологическая характеристика измерительного средства – это погрешность измерения – это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Точность измерения – это качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Для обобщенной характеристики точности средств измерения, определяемой пределами допустимых погрешностей, а также другими свойствами вводят понятие класс точности средств измерения. Классы точности средств измерения определяются в стандартах. 25 Основные метрологические характеристики инструментов представлены в таблице 4. Таблица 4 – Метрологические характеристики инструментов Наименование Штангенциркуль типа ШЦ-I; ШЦТ-I ШЦ-II Цена деления шкалы, мм Дипазон показаний шкалы, мм Предел измерения инструмента, мм Предельная погрешность, мкм 0,1 0,05 125 160 200 250 160 200 250 25 0…125 0…160 0…200 0…250 0…160 0…200 0…250 0…25 25…50 50…75 70…100 и т.д. ± 150…170 0…2 0…5 0…10 0…25 10 12 15 22 ШЦ-III 0,1 Микрометр гладкий типа МК для измерения наружных размеров 0,01 Индикатор часового типа ИЧ, ИТ ИЧ 0,01 0,01 0,01 0,01 ± 50 ± 70 ± 70 ± 80 ± 2,0 ± 2,5 ± 2,5 ± 2,0 Каждое измерение осуществляется в конкретных условиях, которые характеризуются одной или несколькими физическими величинами: температурой, влажностью, давлением, плотностью, ускорением свободного падения и т. д. ГОСТ 21964-76 делит все внешние воздействующие факторы на: - климатические; - электромагнитные; - ионизирующие излучения; - механические; - термические; 26 - специальные среды. Для средств измерений устанавливают единые нормальные условия измерения, т.е. условия, характеризуемые совокупностью влияющих величин, при которых изменением результата измерений пренебрегают вследствие малости. Значение физической величины, соответствующее нормальным условиям, называют нормальным значением влияющей величины (оно принимается за номинальное). Номинальные значения влияющих физических величин: - температура для всех видов измерений, º С (К) 20 (273); - давление воздуха для линейных, угловых измерений, измерений массы, силы, света, измерений в спектроскопии, кПа (мм.рт.ст.) 101,3 (760); - относительная влажность воздуха для линейных, угловых измерений, измерений массы, измерений в спектроскопии, % 58; - плотность воздуха, кг/м3 1,2; - ускорение свободного падения, м/с2 9,8. Все средства измерений делят на классы точности, которые дают их обобщенную метрологическую характеристику. Классы точности присваиваются средствам измерений с учетом результатов государственных приемочных испытаний. Обозначения классов точности наносятся на циферблаты, щитки и корпуса средств измерений, приводятся в нормативно-технических документах. Классы точности могут обозначаться буквами (М, С) или римскими цифрами (I, II, III и т.д.). Обозначение классов точности по ГОСТу 8.401-80 может сопровождаться дополнительными условными знаками: - 0,5; 1,6; 2,5 и т.д; - 0,5√; - ○ (кружок, в нем цифра 0,1, 0,4, 1,0 и т.д); - 0,02/0,01 27 Лекция 4 Методы и средства контроля гладких цилиндрических соединений Контроль – это процесс получения и обработки информации об объекте (параметре детали, механизма, процесса и т.д.) с целью определения нахождения параметров объекта в заданных пределах. Классификация видов контроля 1 По возможности (или невозможности) использования продукции после выполнения контрольных операций различают неразрушающий и разрушающий контроль. - При неразрушающем контроле соответствие контролируемого размера (или значения) норме определяется по результатам взаимодействия различных физических полей и излучения с объектом контроля. В зависимости от природы физических полей и излучений виды неразрушающего контроля разделяются на следующие группы: - акустические; - радиационные; - оптические; - радиоволновые; - тепловые; - магнитные; - вихревые; - электрические; проникающих веществ - При разрушающем несоответствия) контроле контролируемого определение размера (или соответствия (или значения) норме сопровождается разрушением изделия (объекта контроля), например, при проверке изделия на прочность. 28 2 По характеру распределения по времени различают непрерывный, периодический и летучий контроль. - Непрерывный контроль состоит в непрерывной проверке соответствия контролируемых размеров (или значений) нормам в течение всего процесса изготовления. - При периодическом контроле измерительную информацию получают периодически через установленные интервалы времени τ. Период контроля τ может быть как меньше. так и больше времени одной технологической операции τоп. Если τ = τоп, то периодический контроль становится операционным ( или послеоперационным). - Летучий контроль проводят в случайные моменты времени. 3 В зависимости от исполнителя контроль разделяется на: самоконтроль, контроль мастером, контроль ОТК (отдел технического контроля) и инспекционный контроль (специально уполномоченным представителем). Инспекционный контроль в зависимости от того, какая организация уполномочила представителя проводить контроль подразделяется на: - ведомственный; - межведомственный; - вневедомственный; - государственный (выполняется контролером Госстандарта) 4 По стадии технологического (производственного) процесса отличают: входной, операционный и приемочный (приемосдаточный) контроль. - Входному контролю подвергают сырье, исходные материалы, полуфабрикаты, комплектующие изделия, техническую документацию и т.п., т.е. все то, что используется при производстве продукции и ее эксплуатации. - Операционный контроль проводится на всех операциях производственного процесса. 29 - Приемочный контроль готовых, сборочных и монтажных единиц осуществляется в конце технологического процесса. 5 По характеру воздействия на ход производственного (технологического) процесса контроль делится на активный и пассивный. - При активном контроле его результаты непрерывно используются для управления технологическим процессом. Активный контроль совмещен с производственным процессом в единый контрольно-технологический процесс, он выполняется автоматически. - Пассивный контроль осуществляется после завершения либо отдельной технологической операции, либо всего технологического цикла изготовления детали или изделия. Он может быть ручным. автоматизированным и автоматическим. 6 В зависимости от места проведения различают подвижный и стационарный контроль. - Подвижный контроль проводится непосредственно на рабочих местах, где изготавливается продукция (у станка, на сборочных стендах и т.д.). - Стационарный контроль проводится на специально оборудованных рабочих местах. Он применяется при необходимости создания специальных условий контроля; при наличии возможности включения в технологический цикл стационарного рабочего места контролера; при использовании средств контроля, которые применяются только в стационарных условиях; при крупносерийном и массовом производстве. 7 По объекту контроля отличают контроль качества выпускаемой продукции, товарной и сопроводительной документации, технологического процесса, средств технологического оснащения, прохождения рекламации, соблюденияусловий эксплуатации, а также контроль технологической дисциплины и квалификации исполнителей. 30 8 По числу измерений отличают однократный и многократный контроль. 9 По способу отбора изделий, подвергаемых контролю, отличают сплошной и выборочный контроль. - Сплошной (100%) контроль всех без исключения изготовленных изделий применяется при индивидуальном и мелкосерийном производстве, на стадии освоения новой продукции, по аварийным параметрам (размерам), при селективной сборке. - Выборочный контроль проводится во всех остальных случаях, чаще всего при крупносерийном и массовом производстве. Для сокращения затрат на контроль большой партии изделий контролю подвергается только часть партии – выборка, формируемая по определеннымправилам, обеспечивающим случайный набор изделий. Если число бракованных изделий в выборке превышает установленную норму, то вся партия бракуется. Поверка и калибровка средств измерений Контроль средств измерений на предмет их пригодности к применению в мировой практике осуществляется двумя основными видами: поверкой и калибровкой. Поверка средств измерений – совокупность операций, выполняемых органами государственной метрологической службы с целью определения и подтверждения соответствия средства измерений установленным обязательным требованиям. Средства измерений, подлежащие метрологическому контролю и надзору подвергаются поверке при выпуске из производства или ремонта, при ввозе по импорту, при продаже и выдаче на прокат, а также при эксплуатации. Правилами ПР 50.2.006-94 «ГСИ. Поверка средств измерений. Организация и порядок проведения» установлено, что поверку средств измерений осуществляют органы государственной метрологической службы (ГСМ), 31 государственные научные метрологические центры (ГНМЦ), а также аккредитованные метрологические службы юридических лиц. Поверка проводится физическим лицом, аттестованным в качестве поверителя в соответствии с правилами ПР 50.2.012-94 «ГСИ. Порядок аттестации поверителей средств измерений», по нормативным документам, утвержденным по результатам испытаний с целью утверждения типа. Если средство измерения по результатам поверки признано пригодным к применению, то на него и (или) техническую документацию наносится оттиск поверительного клейма и (или) выдается «Свидетельство о поверке». Если средство измерения признано негодным к применению, то оттиск клейма и «Свидетельство о поверке» аннулируются и выписывается «Извещение о непригодности». Существуют следующие виды поверок: - Первичная поверка – проводится для средств измерений утвержденных типов при выпуске их из производства, после ремонта, при ввозе из-за границы. При утверждении типа средств измерений единичного производства на каждое из них оформляется сертификат об утверждении типа; первичную поверку данные средства измерений не проходят. - Периодическая поверка проводится для средств измерений, находящихся в эксплуатации, через определенные межповерочные интервалы. Необходимость поверки обусловлена возможность метрологических показателей Периодичность поверки утраты измерительным из-за временных зависит от и других временной средством воздействий. нестабильности метрологических характеристик, интенсивности эксплуатации и важности результатов, получаемых с помощью средств измерений. Калибровка средств измерений В настоящее время в РФ с переходом к рынку возникла необходимость поиска новых форм организации метрологической деятельности, которые соответствовали бы рыночным отношениям в экономике. Одной из таких форм 32 является организация Российской системы калибровки (РСК), схема которой приведена на рисунке 22. Госстандарт России Центральный орган РСК Научно-методический центр РСК Совет РСК Регистрация органов аккредитации Аккредитующие органы (государственные научные метрологические центры, органы Государственной метрологической службы) Аккредитация Метрологические службы юридических лиц, аккредитованные на право проведения калибровочных работ Аккредитация Средства измерения Рисунок 22 – Схема Российской службы калибровки 33 Контроль средств измерений на предмет их пригодности к применению в мировой практике осуществляется двумя основными видами: поверкой и калибровкой. Калибровка выполняемых средства измерений калибровочной – это лабораторией совокупность с целью операций, определения и подтверждения действительных значений метрологических характеристик и (или) пригодности средства измерений к применению в сферах, не подлежащих государственному метрологическому контролю и надзору в соответствии с установленными требованиями. Результаты калибровки калибровочным знаком, средств наносимым измерений на средства удостоверяются измерений, или сертификатом о калибровке, а также записью в эксплутационных документах. Поверку (обязательная госповерка) может выполнять, как правило, орган государственной метрологической службы, а калибровку – любая аккредитованная и не аккредитованная организация. Поверка обязательна для средств измерений, применяемых в сферах, подлежащих Государственному метрологическому контролю (ГМК), калибровка – процедура добровольная, поскольку относится к средствам измерений, не подлежащих ГМК. Предприятие вправе самостоятельно решать вопрос о выборе форм и режимов контроля состояния средств измерений, за исключением тех областей применения средств измерений, за которыми государства всего мира устанавливают свой контроль – это здравоохранение, безопасность труда, экология и т.д. Желание иметь конкурентоспособную продукцию побуждает предприятие иметь измерительные средства, дающие достоверные результаты. Внедрение системы сертификации продукции дополнительно стимулирует поддержание измерительных средств на соответствующем уровне. Это согласуется с требованиями систем качества, регламентируемыми стандартами ИСО серии 9000. 34 Построение Российской системы калибровки (РСК) основывается на следующих принципах: - добровольность вступления; - обязательность получения размеров единиц от государственных эталонов; - профессионализм и компетентность персонала; - самоокупаемость и самофинансирование. Основное звено РСК – калибровочная лаборатория. Она представляет собой самостоятельное метрологической службы предприятие предприятия, или подразделение которое может в составе осуществлять калибровку средств измерений для собственных нужд или для сторонних организаций. Если калибровка проводится для сторонних организаций, то калибровочная лаборатория должна быть аккредитована органом РСК. Аккредитацию осуществляют государственные научные метрологические центры или органы Государственной метрологической службы в соответствии со своей компетенцией и требованиями, установленными в ГОСТ 51000.2-95 «Общие требования к аккредитующему органу» Методы поверки (калибровки) и поверочные схемы Применяются 4 метода поверки (калибровки) средств измерений. 1 Метод непосредственного сличения поверяемого (калибруемого) средства с эталоном соответствующего разряда. В основе метода лежит проведение одновременных измерений одной и той же физической величины поверяемым (калибруемым) и эталонным приборами. При этом определяют погрешность как разницу показаний поверяемого и эталонного средств измерений, принимая показания эталона за действительное значение величины. Достоинства этого метода: - простота; - наглядность; - возможность применения автоматической поверки (калибровки); - отсутствие потребности в сложном оборудовании. 35 Применяется в таких областях, как электрические и магнитные измерения, для определения напряжения, частоты и силы тока. 2 Метод сличения с помощью компаратора основан на использовании прибора сравнения, с помощью которого сличаются поверяемое (калибруемое) и эталонное средства измерения. Потребность в компараторе возникает при невозможности сравнения показаний приборов, измеряющих одну и ту же величину, например, двух вольтметров, один из которых пригоден для постоянного тока, а другой – переменного. Поэтому в схему поверки (калибровки) вводится промежуточное звено – компаратор, в нашем примере компаратор – потенциометр. Компаратором может служить любое средство измерения, если оно одинаково реагирует на сигналы как поверяемого (калибруемого), так и эталонного измерительного прибора. Достоинством данного метода является последовательное во времени сравнения двух величин. 3 Метод прямых измерений применяется, когда имеется возможность сличить испытуемый прибор с эталонным в определенных пределах измерений. В целом этот метод аналогичен методу непосредственного сличения, но методом прямых измерений производится сличение на всех числовых отметках каждого диапазона. Метод прямых измерений применяют, например, для поверки или калибровки вольтметров постоянного электрического тока. 4 Метод косвенных измерений используется, когда действительные значения измеряемых величин невозможно определить прямыми измерениями либо когда косвенные измерения оказывают более точными, чем прямыми. Этим методом определяют вначале не искомую характеристику, а другие, связанные с ней определенной зависимостью. Искомая характеристика определяется расчетным путем. Например, при поверке (калибровке) вольтметра постоянного тока эталонным амперметром устанавливают силу тока, одновременно измеряя сопротивление. Расчетное значение напряжения сравнивают с показателями калибруемого (поверяемого) вольтметра. Метод 36 косвенных измерений обычно применяют в установках автоматизированной поверки (калибровки). Для обеспечения правильной передачи размеров единиц измерения от эталона к рабочим средствам измерения составляют поверочные схемы, устанавливающие метрологические соподчинения государственного эталона, разрядных эталонов и рабочих средств измерений. Поверочные схемы – это схемы передачи информации о размерах единиц при их централизованном воспроизведении. Поверочная схема – это утвержденный в установленном порядке документ, регламентирующий средства, методы и точность передачи размера единицы физической величины от государственного эталона или исходного образцового средства измерений рабочим средствам измерений. Поверочная схема может быть: государственной и локальной. Государственная поверочная схема устанавливает передачу информации о размере единицы в масштабах страны. Она возглавляется государственными или специальными эталонами. Локальные поверочные схемы предназначены для метрологических служб министерств (ведомств) и юридических лиц. Государственные поверочные схемы разрабатываются исследовательскими институтами Госстандарта РФ, научно- держателями государственных эталонов. Локальная поверочная схема уточняет требования государственной схемы применительно к специфике данного ведомства. Она возглавляется рабочими эталонами. Государственные поверочные схемы утверждаются Госстандартом РФ, а локальные – ведомственными метрологическими службами или руководством предприятия. 37 Контроль гладких цилиндрических деталей Для контроля гладких цилиндрических изделий типа валов и втулок в крупносерийном и массовом производстве с допуском IT6…IT17 применяются предельные гладкие калибры (ГОСТ 2216-84), представленные на рисунке 22 и 23. Калибры для валов называют скобами, а для отверстий – пробками. Калибры – это измерительные инструменты, которые предназначены для определения не числовых измеряемых параметров, а для определения того, выходит ли величина контролируемого параметра за нижний или верхний предел или находится в допустимых пределах. По назначению предельные калибры делят на рабочие и контрольные. Рабочие калибры предназначены для контроля изделий в процессе их изготовления. Комплект рабочих предельных калибров для контроля размеров гладких цилиндрических деталей состоит из проходного калибра Р-ПР (им контролируют предельный размер, соответствующий максимуму материала проверяемого объекта) и непроходного калибра Р-НЕ (им контролируют предельный, соответствующий минимуму материала проверяемого объекта). Деталь считается годной, если проходной калибр под действием силы тяжести или силы, примерно равной ей, проходит, а непроходной калибр не проходит по контролируемой поверхности детали. В этом случае действительный размер детали находится между заданными предельными размерами. Если проходной калибр не проходит, то деталь с исправимым браком. Если непроходной калибр проходит, то деталь с неисправимым браком. Калибры для валов представляют собой жесткие одно-двусторонние скобы. Наиболее распространены односторонние предельные скобы. Применяют также регулируемые скобы, которые можно настраивать на разные размеры. 38 Калибры для отверстий представляют собой одно- или двусторонние пробки. Наиболее распространены рабочие пробки со вставками, имеющие конический хвостовик. Контрольные калибры используются для установки регулируемых калибрскоб и контроля нерегулируемых калибр-скоб. Контрольные калибры, изготовленные в виде шайб, предназначены для проверки скоб при их изготовлении (К-ПР, К-НЕ) и при их эксплуатации (К-И), что позволяет своевременно изымать скобу из обращения Контркалибры к калибрам-пробкам для отверстий не предусмотрены, так как их легко проверить универсальными измерительными средствами. Для контроля отверстий с номинальными размерами до 100 мм изготавливают полные калибры-пробки, представляющие собой втулки с точной рабочей поверхностью. Для номинальных размеров до 30 мм их изготавливают из твердых сплавов, а для больших размеров – из инструментальной стали. Внутренней поверхностью эта втулка прочно надета на валик с коническим хвостовиком. Хвостовики вставляются в конические отверстия ручек калибров. Чаще всего полные пробки двусторонние. Для контроля калибров с номинальными размерами свыше 100 мм изготавливают неполные калибры-пробки. При маркировке на калибр наносят номинальный размер детали, для контроля которого предназначен калибр, буквенное обозначение поля допуска изделия, цифровые величины предельных отклонений изделия (на рабочих калибрах), тип калибра и товарный знак завода-изготовителя. Например: 60Н7(+0,03) ПР ∆. 39 1 – двухсторонние двухпредельные с вставками (1…6 мм); 2 – двухсторонние двухпредельные с вставками (3…50 мм); 3 односторонние однопредельные с вставкой (50…75 мм); 4 – односторонние двухпредельные (6…500 мм); 5 – двухсторонние двухпредельные с насадками (30…100 мм); 6 – листовые двухсторонние двухпредельные (18…100 мм); 7 – листовые двухсторонние двузпредельные (50…300 мм); 8 – односторонние однопредельные неполные с ручкой (50…150 мм); 9 – двухсторонние двухпредельные неполные с накладкой (150…300 мм); 10 – штихмасы-нутромеры (250…1000 мм); 11 – двухсторонние двухпредельные неполные регулируемые (30…100 мм) (в скобках указаны размеры контролируемых деталей) Рисунок 22 – Основные виды калибров-пробок 40 1 – листовые двухсторонние двухпредельные (1…50 мм); 2 – листовые односторонние двухпредельные (1…70 мм); 3 – листовые круглые односторонние двухпредельные (1…180 мм); 4 – штампованные односторонние двухпредельные (3…50 мм); 5 – штампованные односторонние двухпредельные с ручками (50…170 мм); 6 – штампованные двухсторонние двухпредельные (30…100 мм); 7 – регулируемые односторонние двухпредельные (до 330 мм) Рисунок 23 – Основные виды калибров-скоб 1 19
