L5 Pomiary warsztatowe

Do użytku wewnętrznego
Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego
POMIARY WARSZTATOWE
Ćwiczenia laboratoryjne
Opracowanie: Urszula Goik, Maciej Kabziński
Kraków, 2015
1
SUWMIARKI
Suwmiarka jest podstawowym narzędziem pomiarowym mechanika. Służy do pomiarów
zgrubnych i precyzyjnych, w zależności od klasy dokładności mierzonego przedmiotu – tak
zewnętrznych, jak i wewnętrznych oraz mieszanych.
Najbardziej rozpowszechnioną, w praktyce warsztatowej, jest suwmiarka noniuszowa,
dwustronna z głębokościomierzem, często nazywana suwmiarką uniwersalną, o zakresie
pomiarowym do 150 mm/6" (cali) i dokładności wskazań 0,05 mm/0,002" (niektóre suwmiarki
specjalistyczne posiadają większą dokładność pomiarów). Budowę suwmiarki noniuszowej
uniwersalnej przedstawiono na rys. 1.
Ponadto coraz częściej spotyka się suwmiarki z odczytem elektronicznym (cyfrowe), często
wykonane z włókien węglowych, innych kompozytów lub stopów metali lekkich. Główną ich zaletą
jest możliwość natychmiastowego i pewnego odczytu wartości zmierzonej bez zdejmowania
suwmiarki z przedmiotu. Wadą ich, jest mała odporność na wilgoć oraz działanie pól
magnetycznych i elektromagnetycznych. Produkowane są we wszystkich odmianach i zakresach
pomiarowych.
Kolejnym typem suwmiarek są suwmiarki czujnikowe z odczytem na tarczy cyfrowej. Przenoszenie
ruchu suwaka na mechanizm zegarowy czujnika następuje najczęściej za pomocą listwy zębatej.
Odczyt wartości zmierzonej ma charakter kombinowany. Wskazania pełnych milimetrów
odczytywane są na podziałce liniowej, a wskazania dokładne - z tarczy cyfrowej. W praktyce
warsztatowej ten typ suwmiarek jest rzadko stosowany.
Rys. 1. Suwmiarka uniwersalna: 1 - prowadnica, 2 – suwak z noniuszem, 3 - szczęki do pomiaru wymiarów
zewnętrznych, 4 - szczęki do pomiaru wymiarów wewnętrznych, 5 - wysuwka głębokościomierza.
Elementy pomiarowe suwmiarki
Suwmiarki, w zależności od konstrukcji, mogą posiadać kilka elementów pomiarowych,
których kształt jest związanych z ich przeznaczeniem metrologicznym (rys. 1):
– szczęki płaskokrawędziowe, służące do pomiarów zewnętrznych, np.: wałków, płyt itp., które
mają dwie charakterystyczne powierzchnie pomiarowe: płaską i krawędziową.
– szczęki krawędziowe, służące do pomiarów wewnętrznych, np. otworów. Kształtem nie różnią
się od szczęk płaskokrawędziowych oprócz tego, że są odwrotnie usytuowane, tego wymaga
technika pomiaru otworów. Kąt ich zaostrzenia wynosi najczęściej, 45o co pozwala mierzyć,
bardzo małe otwory.
– szczęki płaskowalcowane, służące do pomiaru otworów o średnicy powyżej 10 mm. Wynika
to stąd, że łączna grubość obu szczęk wynosi właśnie najczęściej 10 mm. Z powodu
2
konstrukcyjnego przeznaczenia do mierzenia dużych otworów, szczęki płaskowalcowane nie
mają krawędzi pomiarowych ostrzowych, lecz zaokrąglone promieniem, wynoszącym
najczęściej 5 mm.
– głębokościomierz jest najczęściej płaskim prętem o długości skalibrowanej z powierzchnią
oporową prowadnicy. Z jednej strony zakończony jest zaczepem do zamocowania w otworze
suwaka noniuszowego. Drugi, pomiarowy koniec ma charakterystyczne wybranie. Służy on
do omijania w czasie pomiaru promieni, zatoczeń itp. elementów utrudniających wykonanie
właściwego pomiaru. Klasycznym zastosowaniem głębokościomierza jest pomiar głębokości
otworów.
Odczyt wielkości mierzonej
Do odczytu mierzonej wielkości, wykorzystuje się podziałkę prowadnicy oraz podziałkę
suwaka (noniusz). Noniusz jest elementem, zwiększającym dokładność pomiaru, najczęściej
dziesięciokrotnie (w niektórych modelach suwmiarek – dwudziestokrotnie). W prawidłowo
wykonanym przyrządzie, pierwsza kreska skali noniusza („0”) pokrywa się z pierwszą kreską na
skali prowadnicy (wskazanie narzędzia musi odpowiadać rozstawowi szczęk).
W celu odczytania wymiaru przedmiotu należy, w pierwszej kolejności, odczytać całkowitą liczbę
milimetrów, korzystając ze skali umieszczonej na prowadnicy. Wymiar przedmiotu wyznacza
położenie pierwszej kreski („0”) noniusza (rys. 2-a). Następnie, znajduje się dziesiętne milimetra
(bądź setne, w przypadku suwmiarek o większej dokładności), poprzez znalezienie kreski noniusza,
pokrywającej się na skali głównej (na prowadnicy) (rys. 2-b).
Rys. 2. Przykładowy odczyt pomiaru na suwmiarce z suwakiem.
MIKROMETRY
Przyrządy mikrometryczne to przyrządy pomiarowe, w których funkcję wzorca pełni dokładnie
wykonana śruba. Skok tej śruby, zwanej mikrometryczną, 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.
Mikrometr (rys. 3.) składa się z kabłąka, w którym zamocowana jest stała lub wymienna
nieruchoma końcówka pomiarowa zwana kowadełkiem. Z drugiej strony kabłąka zamocowana jest
tuleja, wewnątrz której znajduje się nakrętka mikrometryczna. Z nakrętką tą współpracuje śruba
mikrometryczna, zakończona ruchomą końcówką pomiarową zwaną wrzecionem. Do śruby
mikrometrycznej przymocowany jest bęben. Do obrotu bębna i związanej z nim śruby
mikrometrycznej służy sprzęgło, którego zadaniem jest zapewnienie stabilizacji nacisku
pomiarowego. Zacisk służy do unieruchomienia wrzeciona względem kabłąka i utrwalenia w ten
sposób wyniku.
3
Rys. 3. Podstawowe elementy mikrometru: 1 – kabłąk, 2 – kowadełko, 3 – wrzeciono, 4 – tuleja, 5 – bęben z podziałką,
6 – część chwytowa bębna, 7 – zacisk, 8 – śruba mikrometryczna (we wnętrzu tulei), 9 - sprzęgiełko.
Zasada działania mikrometru i sposób odczytu wielkości mierzonej
Działanie mikrometru polega na przesuwie wzdłużnym obracanej śruby osadzonej w
nieruchomej nakrętce. Śruba mikrometryczna współpracująca z nakrętką stanowi wzorzec
odniesienia. Śruba zakończona jest powierzchnią pomiarową – wrzecionem. Skok śruby jest ściśle
określony i wynosi najczęściej 0,5 mm, ale może mieć również 1 mm. Oznacza to, że jeden jej
obrót powoduje przesuw wrzeciona o 0,5 mm, a 1/50 obrotu daje przesuw (pomiar) tylko 0,01 mm.
Na śrubie osadzony jest bęben pomiarowy.
Pomiar mikrometrem polega na umieszczeniu przedmiotu w kowadełku, doprowadzeniu wrzeciona
do przedmiotu (poprzez dokręcenie bębna) i zaciśnięciu zacisku. Następnie, na podziałce wzdłużnej
(umieszczonej na tulei), odczytuje się wartość w pełnych milimetrach, natomiast wartość
dziesiętnych i setnych części milimetra – na podziałce poprzecznej (na bębnie). Obydwie wielkości
sumuje się, uzyskują wymiar danego przedmiotu. Przykład odczytu pomiaru podano na rys. 4.
Rys. 4. Przykładowe wskazania mikrometru.
CZUJNIKI ZEGAROWE
Narzędziami pomiarowymi, stosowanymi przede wszystkim do pomiarów porównawczych, są
przyrządy czujnikowe. Umożliwiają one określanie odchyłki wymiaru badanego względem
wcześniej ustalonej wartości wzorcowej – ich porównanie. Wzorcem najczęściej jest płytka
wzorcowa długości. Bez udziału wzorców można mierzyć różnicę wymiarów jednego przedmiotu.
4
Czujnik składa się:
− organ przetwarzający (przetwornik) i powiększający,
− urządzenie wskazujące (miernik),
− urządzenie dotykowo-przesuwne i naciskowe (trzpień pomiarowy).
Ze względu na konstrukcję, rozróżnia się następujące rodzaje czujników:
− mechaniczne,
− optyczno-mechaniczne,
− interferencyjne,
− elektryczne,
− izotopowe,
− pneumatyczne.
Podstawowe cechy metrologiczne i konstrukcyjne to:
− wartość działki elementarnej,
− zakres pomiarowy podziałki (zakres wskazań),
− przełożenie pomiarowe (czułość),
− długość działki elementarnej,
− nacisk pomiarowy,
− niedokładność wskazań,
− niepowtarzalność wskazań (rozrzut wskazań),
− średnica trzpienia.
Czujniki mechaniczne
Najczęściej zastosowanie mają czujniki mechaniczne z odczytem zegarowym lub cyfrowym. Służą
do pomiarów małych wielkości geometrycznych poprzez ruch trzpienia i powiększenie wychylenia
nawet do 10 000 razy. Występują z reguły razem z urządzeniem mocującym, czyli podstawką.
Składają się zwykle z: a) miernika, b) organu przekładniowego, c) zespołu dotykowo-naciskowego.
Ze względu na rodzaj konstrukcji przekładni dzielą się na:
− zębate,
− dźwigniowe,
− dźwigniowo-zębate,
− dźwigniowo-śrubowe,
− sprężynowe.
Typowymi pracami pomiarowymi wykonywanymi za pomocą czujników są:
– przesuwanie powierzchni płaskiej, pochyłej, walca lub otworu w dowolnych kierunkach, w
płaszczyźnie prostopadłej do osi trzpienia pomiarowego w celu pomiaru odchyłek ich
kształtu,
– obrót walca lub otworu okrągłego celem pomiaru ich bicia,
– pomiar luzów w częściach maszyn, np. łożysk, kół zębatych itp.
Spośród czujników mechanicznych, czujniki zębate zegarowe są najczęściej stosowane. Ich zaletą
jest odporność na kurz, drgania i przeciążenia, często są wodoodporne i niemagnetyczne.
Najczęściej budowane są na zakres pomiarowy 10 mm i dokładność wskazań 0,01 mm. W
zakresach pomiarowych większych niż 1 mm wyposażone są w dodatkową, mniejszą skalę
milimetrową (zegar). Tarcza wskaźnikowa powinna być wyposażona w nastawne wskaźniki
tolerancji, przydatne zwłaszcza przy większej ilości pomiarów tej samej wartości. Końcówka
pomiarowa jest wymienna, wkręcana w trzpień na gwint. Pozwala to na jej dobór właściwy do
zmieniających się warunków pomiarowych, najczęściej jednak ma kształt kulisty, najbardziej
uniwersalny. Czujniki do pracy mocowane są w specjalnych uchwytach najczęściej z podstawą
magnetyczną. Budowę czujników zębatych przedstawiono na rys. 5.
5
Rys. 5. Czujniki zębate zegarowe, A – widok zewnętrzny: 1) wymienna końcówka, 2) trzpień pomiarowy, 3) tuleja
chwytna, 4) tarcza, końcówka do unoszenia trzpienia pomiarowego, 5) wskaźnik tolerancji, 6) duża wskazówka
(dokładna), 7) mała wskazówka; B – przekrój przez czujnik: 8 – trzpień pomiarowy, 9 – sprężyna naciskowa, 10 – koło
zębate, 11 – sprężyna kasująca luz, 12 – koło zębate wskazówki zgrubnej, 13, 14 – koła zębate wskazówki dokładnej.
ANALIZA STATYSTYCZNA BŁEDÓW POMIAROWYCH
Pomiar jest zbiorem operacji, mającym na celu wyznaczenie wartości wielkości mierzonej.
Wynik pomiaru jest pełny, gdy podany jest wraz z jego niepewnością. Ma to związek z tym, że
pomiar jest zwykle tylko oszacowaniem wartości wielkości mierzonej. Wynik pomiaru jest
najczęściej określany na podstawie serii obserwacji otrzymanych w warunkach powtarzalności.
Różnorodne wielkości, wpływające na wartość pomiaru, są źródłem błędu pomiarowego. Błąd ten
jest definiowany jako niezgodność wyniku pomiaru z rzeczywistą wartością wielkości mierzonej.
Wyróżnia się dwa rodzaje błędów: bezwzględny i względny.
Błąd bezwzględny jest różnicą algebraiczną między wynikiem pomiaru a wartością wielkości
mierzonej:
∆x = x − x0
gdzie:
x – wynik pomiaru,
x0 – wartość poprawna wielkości mierzonej
Błąd względny, z kolei, to iloraz błędu bezwzględnego i wartości wielkości mierzonej, stosowanej
do obliczenia błędu bezwzględnego:
∆x
ε=
x0
Najczęściej jednak poprawna wartość pomiaru jest nieznana, w związku z czym, wyznaczanie
niepewności pomiaru przeprowadza się metodami statystycznymi.
W pierwszej kolejności oblicza się średnią arytmetyczną wykonanej serii pomiarów, zgodnie z
równaniem:
n
∑ xi
x=
i =1
n
6
gdzie:
xi – wartości kolejnych pomiarów w danej serii,
n – liczba pomiarów w danej serii.
Następnie należy obliczyć odchylenie standardowe dla pojedynczego pomiaru, które jest miarą
rozrzutu wyników pomiaru wokół wartości średniej wyników wszystkich pomiarów:
n
∑ ( xi − x ) 2
s=
i =1
n −1
Odchylenie to, nazywa się błędem średnim kwadratowym i można je traktować jako wartość
niepewności standardowej pojedynczego pomiaru.
Na tej podstawie, wyznacza się błąd średni kwadratowy średniej arytmetycznej z danej serii
pomiarów:
s
sr =
n
WYKONANIE ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest wykonanie pomiarów długości i średnic wałków i znajdujących się w nich
otworów. Szczegółowe zadania pomiarowe są następujące:
1. Wykonanie pomiarów długości i średnic wałków w trzech miejscach, każdy pomiar w pięciu
powtórzeniach. Pomiary wykonuje się przyrządami podanymi przez prowadzącego.
2. Wykonanie pomiarów otworów w trzech miejscach, każdy pomiar w pięciu powtórzeniach.
Pomiary wykonuje się przyrządami wskazanymi przez prowadzącego.
3. Obliczenie wartości średniej pomiarów długości i średnic wykorzystywanych elementów,
dla każdego miejsca, dla każdego przyrządu.
4. Obliczenie wartości odchylenia standardowego dla pojedynczych pomiarów długości i
średnic wykorzystywanych elementów, dla każdego miejsca, dla każdego przyrządu.
Obliczenie wartości odchylenia standardowego dla średnich arytmetycznych z danej serii
pomiarów.
LITERATURA
1. Adamczak S., Makieła W. (2014): Metrologia w budowie maszyn. Zadania z rozwiązaniami.
Wydawnictwo WNT, Warszawa.
2. Norma PN-80/M-53202 „Narzędzia pomiarowe. Przyrządy mikrometryczne”.
3. Norma PN-79/M-53131 „Narzędzia pomiarowe. Przyrządy suwmiarkowe”.
4. Pomiary średnic otworów i wałków. Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu:
Metrologia i kontrola jakości. Katedra Technik Wytwarzania i Automatyzacji, Wydział
Budowy Maszyn i Lotnictwa, Politechnika Rzeszowska.
7