Instytut Obrabiarek i TBM, Politechnika Łódzka

Instytut Obrabiarek i TBM, Politechnika Łódzka

Instrukcja do ćwiczenia nr 5

Temat ćwiczenia

PRZYRZĄDY MIKROMETRYCZNE ANALOGOWE

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z zasadą działania i wybranymi rozwiąza- niami konstrukcyjnymi przyrządów mikrometrycznych analogowych, sposobem sprawdzania i wzorcowania tych przyrządów oraz przykładami ich wykorzystania w pomiarach.

Program ćwiczenia:

1. Określenie podstawowych parametrów metrologicznych przyrządów mikrometrycznych wskazanych przez prowadzącego

2. Sprawdzenie błędów wskazań mikrometru do pomiaru wymiarów zewnętrznych 3. Regulacja wskazań (wzorcowanie) sprawdzanego mikrometru;

4. Pomiary za pomocą przyrządów mikrometrycznych wskazanych eksponatów

Literatura:

1. W. Jakubiec, J. Malinowski - „Metrologia wielkości geometrycznych”, Wydawnictwa Naukowo - Techniczne, Warszawa, 2004 r.

2. Józef Zawada – „Metrologia wielkości geometrycznych. Zagadnienia wybrane”- preskrypt PŁ, Łódź 2011 r;

Ł Ó D Ź 2011

Instytut Obrabiarek i TBM, Politechnika Łódzka

WYBRANE ZAGADNIENIA TEORETYCZNE

Przyrządy mikrometryczne to grupa przyrządów pomiarowych, w których funkcję wzorca pełni dokładnie wykonana śruba. Skok tej śruby, zwanej mikro-metryczną odtwarza znaną wartość długości wynoszącą najczęściej 0,5 mm lub 1 mm.

Przyrządy mikrometryczne służą do bezpośrednich pomiarów wymiarów liniowych:

zewnętrznych, wewnętrznych i mieszanych. Można je podzielić na przyrządy mikrometryczne ogólnego przeznaczenia oraz przyrządy mikrometryczne specjalne.

W grupie przyrządów mikrometrycznych ogólnego przeznaczenia wyróżnić można następujące odmiany:

- mikrometry do wymiarów zewnętrznych (mikrometry zewnętrzne);

- mikrometry szczękowe (mikrometry wewnętrzne);

- głębokościomierze mikrometryczne;

- średnicówki mikrometryczne;

a) dwustykowe;

b) trójstykowe;

- głowice i wkładki mikrometryczne;

Wybrane przykłady przyrządów mikrometrycznych ogólnego przeznaczenia przedsta- wiono na rys. 1.

Rys. 1. Przykłady różnych odmian przyrządów mikrometrycznych ogólnego przeznaczenia: a) mikrometru do wymiarów zewnętrznych; b) mikrometru szczękowego (do wymiarów wewnętrznych); c) średnicówki dwustykowej; d) głębokościomierza mikrometrycznego; e) średnicówki trójstykowej; f) głowicy mikro- metrycznej

a)

f) e)

b)

d)

c)

Instytut Obrabiarek i TBM, Politechnika Łódzka

Budowa i zasada działania przyrządów mikrometrycznych zostanie przedstawiona na przykładzie mikrometru do wymiarów zewnętrznych, pokazanego na rys. 2.

0-25 mm 0.01 mm Mitutoyo

0

2 3 7

35 40

30 45

25 5

4 5 6

1

0-25 mm 0.01 mm Mitutoyo

0 5 10152025

35 40

30 45

25

8

Rys. 2. Podstawowe elementy mikrometru do wymiarów zewnętrznych: 1 - kabłąk; 2 – kowadełko;

3 - wrzeciono; 4 - tuleja; 5 - bęben, 6 - sprzęgiełko; 7 – zacisk; 8 – śruba mikrometryczna

Mikrometr ten składa się z kabłąka 1, w którym zamocowana jest stała lub wymienna nieruchoma końcówka pomiarowa 2 zwana kowadełkiem. Z drugiej strony kabłąka zamoco- wana jest tuleja 4, wewnątrz której znajduje się nakrętka mikrometryczna. Z nakrętką tą współpra- cuje śruba mikrometryczna 8, zakończona ruchomą końcówką pomiarową 3 zwaną wrzecio- nem. Do śruby mikrometrycznej przymocowany jest bęben 5. Do obrotu bębna i związanej z nim śruby mikrometrycznej służy sprzęgło 6. Jest to sprzęgło przeciążeniowe (cierne lub zapadkowe), którego zadaniem jest zapewnienie stabilizacji nacisku pomiarowego. Zacisk 7 służy do unieruchomienia wrzeciona względem kabłąka i utrwalenia w ten sposób wyniku pomiaru.

Do odczytu wskazań przyrządów mikrometrycznych wykorzystuje się współrzędną kątowego położenia bębna względem tulei. Współrzędną tą określa się poprzez obserwację położenia podziałki naniesionej na obwodzie bębna względem linii odniesienia naniesionej na tulei.

Przemieszczenia obwodowe bębna są znacznie większe, niż odpowiadające im prze- mieszczenia osiowe. Wzajemny stosunek wielkości tych przemieszczeń:

k =   D / h

gdzie D oznacza średnicę bębna a h - skok śruby mikrometrycznej nazywamy przełożeniem mikrometru.

W przypadku przyrządów mikrometrycznych dość istotnym problemem jest konstrukcja części odczytowej tych przyrządów. Klasyczne rozwiązanie tego problemu przedstawiono na rys. 3.

Instytut Obrabiarek i TBM, Politechnika Łódzka

25 35 40

30 45

0 5

tuleja

bęben

c a)

²⁰

5 30 35

25 40 0

b)

Rys. 3. Typowa konstrukcja części odczytowej mikrometru (odczyty: 5,35 mm w przypadku a), 4.80 mm w przypadku b)

W przedstawionym wyżej przypadku całkowite milimetry odczytuje się z podziałki na- niesionej na tulei powyżej linii c. Przeciwwskaźnikiem jest lewa krawędź bębna. Setne części milimetra odczytuje się z podziałki umieszczonej na bębnie - rolę przeciwwskaźnika pełni tym razem linia c. Jeżeli skok śruby mikrometrycznej wynosi 0,5 mm (tak jest w tym przypad- ku), to podziałka na bębnie zawiera 50 działek elementarnych, a na tulei nanosi się pomocni- czą podziałkę (w prezentowanym przypadku jest to podziałka znajdująca się poniżej linii c).

Jeżeli podczas odczytu stwierdzimy, że najbliższa lewej krawędzi bębna jest kresa podziałki pomocniczej, to wartość odczytaną z podziałki bębna należy skorygować dodając do niej 50.

Przedstawione wyżej rozwiązanie odznacza się dużą prostotą i ze względów ekonomicznych jest często spotykane w praktyce. Posiada ono jednak kilka istotnych wad.

Najpoważniejszą z nich jest możliwość popełnienia błędu grubego zwanego „błędem półmili- metrowym”. Błąd ten można popełnić na dwa różne sposoby:

- nie korygując odczytu z bębna w sytuacji, gdy korekta powinna być dokonana;

- korygując odczyt (dodając 50) w sytuacji, gdy korekty dokonywać nie należy;

Brak wymaganej korekty odczytu z bębna wynika najczęściej z roztargnienia mierzą- cego natomiast niepotrzebna korekta wynika z błędnej oceny momentu „odsłonięcia kresy”.

Kresy naniesione na tulei mają pewną grubość (wg PN-82/M-53200 grubość ta może dochodzić do 0,25mm). Z tego powodu lewy brzeg kresy zaczyna być odsłaniany zanim kresa c wskaże na bębnie wartość 0. Przykładowo kresa o grubości 0,25mm, przy idealnym wyregu- lowaniu osiowego położenia bębna, zacznie się pokazywać już przy wskazaniu 38 , natomiast momentem jej odsłonięcia jest wskazanie 0. Dlatego też przy braku należytej koncentracji można uznać, że kresa została odsłonięta, chociaż w rzeczywistości fakt ten jeszcze nie nastą- pił (p. rys.4). Trudności interpretacyjne mogą się jeszcze zwiększyć w przypadku niezbyt precyzyjnego wyregulowania osiowego położenia bębna.

Rys. 4. Przykład wskazania mikrometru przy którym łatwo popełnić błąd półmilimetrowy (odczyt 3,96 zamiast poprawnego 3,46)

Instytut Obrabiarek i TBM, Politechnika Łódzka

Przyrządy mikrometryczne winny spełniać szereg warunków, które szczegółowo przed- stawione są w PN-82 / M-53 200 „Przyrządy mikrometryczne. Wymagania”. Jednym z pod- stawowych warunków jest spełnienie wymagań dotyczących dokładności.

Wg w/w normy za błąd przyrządu mikrometrycznego fi przyjmuje się różnicę pomię- dzy wartością xi wskazywaną przez przyrząd, a wartością poprawną x0, i, za którą przyjmuje się wartość nominalną użytego do sprawdzania mikrometru stosu płytek wzorcowych. Tak zdefiniowany błąd przyrządu mikrometrycznego stanowi wypadkową błędów spowodowa- nych różnymi czynnikami, w szczególności błędami skoku gwintu mikrometrycznego, błęda- mi naniesienia kres podziałek, błędami wynikającymi z ugięcia kabłąka i nierównoległości powierzchni pomiarowych.

W trakcie sprawdzania dokładności przyrządu mikrometrycznego wyznacza się błędy tego przyrządu dla określonych wartości x0, i. Wartości te dobiera się tak, aby były w przybliże- niu równomiernie rozłożone w zakresie pomiarowym przyrządu, a bęben przy odczycie zajmował różne położenia kątowe. Np. dla mikrometru o zakresie pomiarowym 0  25 mm zalecanymi wartościami są {0, 2.5, 5.1, 7.7, 10.3, 12.9, 15, 17.6, 20.2, 22.8, 25}. Dla przyrzą- dów o większych zakresach można stosować powyższe wartości powiększone o dolną granicę zakresu pomiarowego sprawdzanego przyrządu.

Na podstawie wyznaczonych wartości błędów f_i sporządza się wykres błędów jak na rys. 5a i ustala wartości trzech parametrów:

- błędu wskazania zerowego fA ( dla xi = A , gdzie A oznacza dolną granicę zakresu pomiarowego przyrządu);

- maksymalnego (co do wartości bezwzględnej) błędu fi;

- maksymalnej różnicy wartości błędów F ( F = f_{i , max} - f_{i , min}) ;

Dla powyższych parametrów norma PN - 82 / M - 53 200 ustala wartości dopuszczal- ne:

f_A  (2 + A/50) m; f_i  (4 + A/50) m; F  3 m;

Uwaga!

Ponieważ konstrukcja przyrządów mikrometrycznych umożliwia regulację wartości wskazań, więc uzyskany wykres błędów można poprawić poprzez symetryzację błędów ekstremalnych (względem linii zerowej ). Przypadek ten pokazano na rys. 5b.

2 4 6

-2

0 xi [mm]

fi [m]

2

-2

0 xi [mm]

fi [m]

A B

A B

a) b)

Rys. 5. Wykres błędów przyrządu mikrometrycznego: a) przed regulacją (f_A = 2m, f_i,max = 5m, F = 4 m); b) po regulacji (f_A = -1 m, f_i,max = 2 m, F = 4 m)

Instytut Obrabiarek i TBM, Politechnika Łódzka

PRZEBIEG ĆWICZENIA Zadanie 1

Dla wskazanych przez prowadzącego zajęcia przyrządów mikrometrycznych określić ich podstawowe parametry metrologiczne, w szczególności:

a) zakres pomiarowy z;

b) wartość działki elementarnej we; c) skok śruby mikrometrycznej h;

d) przełożenie przyrządu k;

Wartości parametrów wpisać w odpowiednie miejsce karty pomiarów Zadanie 2

Przeprowadzić badanie dokładności wskazań i dokonać oceny mikrometru do wymia- rów zewnętrznych. W tym celu należy:

1. Zamocować wskazany przez prowadzącego mikrometr w uchwycie.

2. Przygotować do pomiaru płytki wzorcowe z kompletu płytek do sprawdzania mikrometrów. W razie potrzeby rozkonserwować, przemyć w benzynie, przetrzeć powierzchnie pomiarowe czystą bawełnianą szmatką.

3. Za pomocą sprzęgła obrócić bęben mikrometru tak, aby doprowadzić do styku kowa- dełka i wrzeciona (pomiar długości x = 0). W końcowej fazie doprowadzania zwolnić prędkość obrotu, aby zminimalizować oddziaływanie dynamiczne (uderzenie wrzecio- na w kowadełko). Po osiągnięciu styku wrzeciona z kowadełkiem bardziej energicznie pokręcić sprzęgłem. Ten sposób postępowania stosować przy wszystkich dalszych pomiarach.

4. Odczytać wskazanie mikrometru z rozdzielczością do jednego mikrometra. Odczytaną wartość zanotować w odpowiedniej rubryce karty pomiarów.

5. Pomierzyć długości poszczególnych płytek z kompletu. Wyniki odczytane z rozdziel- czością do jednego mikrometra (0,1 działki) zanotować w odpowiednich rubrykach karty pomiarów.

6. Obliczyć błędy wskazań sprawdzanego mikrometru dla każdej z wielkości mierzonych przy czym błędy mierzonych płytek uznać za pomijalnie małe.

7. Sporządzić wykres błędów sprawdzanego mikrometru i na jego podstawie określić wartości parametrów stanowiących kryteria oceny dokładności wskazań;

8. Dokonać oceny dokładności wskazań sprawdzanego mikrometru. Dopuszczalne warto- ści dla poszczególnych parametrów stanowiących kryteria oceny poda prowadzący zajęcia. W przypadku, gdyby przyrząd nie spełniał wymagań, dokonać symetryzacji wykresu błędów (rys. 5) i wyregulować wskazania mikrometru (zadanie 3).

Zadanie 3

Dokonać regulacji wskazań (wzorcowania) wskazanego przez prowadzącego przyrządu mikrometrycznego. W tym celu należy::

1. Zamocować wzorcowany mikrometr (rys. 6) w statywie.

2. Za pomocą sprzęgła 6 obrócić śrubę mikrometryczną tak, aby doprowadzić do styku kowadełka i wrzeciona (pomiar długości x = 0) i zablokować obrót śruby dźwignią 7.

Instytut Obrabiarek i TBM, Politechnika Łódzka

3. Za pomocą będącego na wyposażeniu mikrometru klucza odkręcić nakrętkę 9 i zdjąć tuleję sprzęgła 6. Odsłoni się wkręt z gniazdem sześciokątnym służący do zabloko- wania położenia bębna 5 względem śruby mikrometrycznej.

4. Za pomocą klucza imbusowego zwolnić blokadę bębna poprzez nieznaczne wykręcenie wkrętu (wystarczy ćwierć obrotu). Odblokowany bęben można teraz obracać i prze- suwać osiowo.

5. Ustawić bęben tak, aby przyrząd wskazywał wartość określoną poprzez symetryzację wykresu błędów i jednocześnie lewa krawędź bębna znalazła się w osi kresy zerowej podziałki zgrubnej (na tulei). Dbając, aby bęben nie zmienił położenia delikatnie dokręcić śrubę blokującą to położenie.

6. Odblokować śrubę mikrometryczną (dźwignia 7), nasunąć tuleję sprzęgła 6 i odsunąć wrzeciono od kowadełka. Następnie ponownie zmierzyć długość x = 0 i ocenić popraw- ność wskazania. W przypadku, gdy wskazanie przyrządu jest niezadawalające czyn- ności 3 – 6 należy powtórzyć

7. W przypadku, gdy wskazanie przyrządu jest właściwe należy zdjąć tuleję sprzęgła, dokręcić nieco mocniej wkręt blokujący położenie bębna względem śruby mikrome- trycznej, nasunąć tuleję sprzęgła i zablokować ją nakrętką 9.

8. Przeprowadzić ponowne sprawdzenie dokładności wskazań wzorcowanego mikrometru zgodnie z procedurą przedstawioną w opisie zadania 2.

Uwaga:

Przedstawiona wyżej procedura wzorcowania jest właściwa tylko dla niektórych konstrukcji mikrometrów do wymiarów zewnętrznych (np. do mikrometrów f-my Baker).

W przypadku, gdyby prowadzący zajęcia zlecił wzorcowanie mikrometru o innej konstruk- cji należy wzorcowanie to przeprowadzić według jego wskazówek.

Zadanie 4

Za pomocą odpowiednio dobranych przyrządów mikrometrycznych pomierzyć wymiary eksponatu wskazane przez prowadzącego zajęcia Uzyskane wyniki zamieścić w karcie pomiarów.

1. Dla każdego z mierzonych wymiarów dobrać odpowiedni rodzaj przyrządu

2. Wykorzystując wzorce nastawcze (np. pierścienie wzorcowe w przypadku średnicó- wek) sprawdzić wskazanie przyrządu. Różnicę pomiędzy wartością wzorca a wska-

0

2 3 7

BAKER 1

0.01 mm

9

35 40

30 45

25 5

4 5 6

Rys. 6. Mikrometr do wymiarów zewnętrznych produkcji f-my Baker

Instytut Obrabiarek i TBM, Politechnika Łódzka

zaniem przyrządu potraktować jako systematyczny błąd wskazań _m i uwzględnić przy opracowywaniu wyniku pomiaru. Wartość tego błędu zapisać w odpowiedniej rubryce karty pomiarów;

3. Pomierzyć wskazane wymiary, odczyty wskazań przyrządów zamieścić w odpowied- nich rubrykach karty pomiarów;

4. Opracować uzyskane wyniki pamiętając, że

- wartość zaobserwowana poprawna xzp jest równa odczytowi wskazań  skorygo- wanemu o systematyczny błąd wskazań, czyli

x_zp =  - _m

- wartość zaobserwowana poprawna jest obarczona niepewnością, której wartość zale- ży od wielu czynników; w niniejszym ćwiczeniu wartość tej niepewności oszacuje- my w oparciu o dane statystyczne zawarte w tabeli 1.

Tabela 1. Przybliżone niepewności pomiarów dokonywanych za pomocą przy- rządów mikrometrycznych analogowych [w m]

Rodzaj przyrządu Wartość mierzonej wielkości

(1 – 25) mm (25 – 50) mm (50 – 75) mm Mikrometr zewnętrzny o

we = 0,01mm ±7 ±8 ±10

Mikrometr wewnętrzny

o w_e = 0,01mm ±10 ±12 ±14

Głębokościomierz mikr.

o we = 0,01mm ±14 ±16 ±18

Średnicówka

trójstykowa ±4 5± 6±

Opracowano na podstawie książki: W. Jakubiec i J. Malinowski „Metrologia Wielkości Geometrycznych” oraz katalogu f-my TESA”