4. Устройство и эксплуатация универсальных средств для измерений относительным методом

К относительным измерениям относятся те, которые состоят в определении отклонений от заданных величин.

Приборы для относительных измерений обладают высокой точностью и универсальностью. Их диапазон измерений ограничен пределами шкалы отсчитывающего устройства и поэтому очень мал. Отклонения могут оцениваться с точностью от 0,01 до 0,0005 мм в зависимости от типа измерительной головки. Приборы можно использовать и для абсолютных измерений, если искомый размер не превышает предела измерения шкалы головки.

К наиболее распространенным приборам для относительных измерений относятся индикаторные нутромеры и скобы, рычажные скобы, миниметры, рычажные микрометры и др. Отсчетные устройства всех этих приборов обычно оформлены в виде универсальных рычажно-зубчатых или оптических измерительных головок.

Отсчитывающие устройства (измерительные головки)

Индикатор (часового типа) с зубчатой передачей - один из наиболее распространенных приборов в ремонтном производстве. Принцип действия его основан на преобразовании возвратно-поступательного движения измерительного стержня во вращательное движение стрелки при помощи зубчатого передаточного механизма.

Зубчатые измерительные головки с ценой деления 0,01 мм изготовляются следующих основных типов:

• ИЧ02, ИЧ05, ИЧ10 и ИЧ25 - перемещение измерительного стержня параллельно шкале, диапазоны измерений соответственно 0…2, 0…5, 0…10 и 0…25 мм.

• ИТ02 – перемещение измерительного стержня перпендикулярно к шкале и диапазон измерений 0…2 мм.

Индикаторы типа ИЧ05 и ИЧ10 выпускаются в корпусе диаметром 60 мм, а индикаторы ИЧ02 и ИТ02 - в корпусе диаметром 42 мм (малогабаритные)

Рис.4.1 Индикатор часового типа: 1-корпус; 2- стопорный винт; 3 – основная шкала; 4 – ободок; 5 – шкала счетчика оборотов; 6 – основная (большая) стрелка; 7 – ушко; 8 – гильза; 9 – измерительный стержень; 10 – наконечник измерительного стержня; 11 – головка; 12 – возвратная пружина; 13, 14, 15 и 17 – зубчатые колеса; 16 – спиральная пружина

На рис.4.1 представлена принципиальная схема индикатора типа ИЧ. Зубчатая рейка, нарезанная на измерительном стержне, находится в зацеплении с зубчатым колесом 14 на оси которого жестко закреплено колесо 13. В свою очередь с зубчатым колесом 13 находится в зацеплении колесо 17. На оси этого колеса неподвижно закреплена стрелка 6. Линейное перемещение измерительного стержня вызывает поворот зубчатых колес 14 и 15.

Зубчатое колесо 13 вращает колесо 17, а стало быть, и стрелку индикатора. У нормальных индикаторных головок поступательному перемещению измерительного стержня на 0,01 мм соответствует перемещение стрелки на одно деление шкалы; полный оборот стрелки соответствует перемещению измерительного стержня на 1 мм, т.к. шкала индикатора разбита на 100 делений.

С зубчатым колесом 17 находится в зацеплении и колесо 15, к оси которого присоединена спиральная пружина 16. Другой конец спиральной пружины прикреплен к корпусу головки. Пружина 16 и зубчатое колесо 15 введены в конструкцию для того, чтобы обеспечивать работу передачи на одной стороне профиля зуба, благодаря чему выбираются боковые зазоры между зубьями колес 13, 17 и 15 и, следовательно, уничтожается погрешность мертвого хода.

Пружина 12 удерживает измерительный стержень в крайнем нижнем положении. Измерительное усилие, создаваемое этой пружиной, находится в пределах 1,2…2,2Н и в сильной степени влияет на точность показаний прибора. Для стабилизации измерительного усилия в таких головках или применяют длинные пружины, или вводят специальные приспособления.

По такой схеме изготовляют многие типы индикаторных головок.

Индикатор часового типа состоит из следующих деталей. С корпусом 1 (рис. 4.1) подвижно соединен ободок 4, который в свою очередь связан со шкалой 3. Шкала вместе с рифленым ободком 4 может поворачиваться относительно корпуса головки, и, таким образом, любое деление шкалы может быть совмещено с концом стрелки 6. В необходимом положении шкалу закрепляют винтом 2. Для определения целых оборотов основной стрелки имеется маленькая стрелка 5 со своим циферблатом. Измерительный стержень 9 перемещается в направляющей гильзе 8. Гильза служит для крепления головки к измерительным и контрольным приборам. Ее диаметр равен 8 мм. В торец измерительного стержня 9 может быть ввернут наконечник 10. Наконечники имеют различное конструктивное оформление и назначение. В процессе измерения, когда деталь должна быть подведена под наконечник, измерительный стержень поднимают вверх за головку 11. Пределы измерения индикаторной головки определяются осевым ходом измерительного стержня.

Индикаторы часового типа выпускаются классов точности 0 и 1. Основные допускаемые погрешности этих индикаторов приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Допускаемая погрешность индикаторов часового типа

Класс	Допускаемая погрешность, мкм, в пределах участка шкалы, мм
точности	0,1	1	0...2	0...5	0...10	0...25
0 1	4 6	8 10	10 12	12 16	15 20	22 30

Индикатор с рычажно-зубчатой передачей. К рычажно-зубчатым измерительным головкам относятся индикаторы ИГ и многооборотные индикаторы МИГ, выпускаемые с ценой деления 0,001 и 0,002 мм.

Многооборотный индикатор МИГ имеет те же основные узлы, что и индикатор ИЧ. На циферблате нанесено 200 делений круговой шкалы и расположен указатель числа оборотов стрелки, полное число оборотов которой равно 5. Механизм многооборотного индикатора (рис.4.2) содержит две рычажные и две зубчатые передачи. Перемещение измерительного стержня 1 передается рычагу 11, а затем рычагу 10 зубчатого сектора 2, который находится в зацеплении с трибом 4 (трибом в приборостроении называется зубчатое колесо с числом зубьев z  18). Зубчатое колесо 5, посаженное на одну ось с трибом 4, вращает триб 3 и закрепленную на его оси стрелку 6. На оси зубчатого колеса 8, зацепляющегося с трибом 3, установлен указатель 7 числа оборотов стрелки и пружинный волосок 9.

Рис. 4.2 Схема многооборотного индикатора типа МИГ: а – схема; б - механизм

Весь механизм многооборотного индикатора (рис. 4.2 б) собран на плате 2, которая пружинами 1 прижимается к упору рычага 3 и винту 4 установки индикатора на нуль. Штифт 5 обеспечивает движение измерительного стержня без поворота, а винт 6 ограничивает нижнее положение стержня.

Основные допускаемые погрешности рычажно-зубчатых измерительных головок приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Метрологические показатели индикаторов

Тип	Цена деления	Пределы измерений	Допускаемая погрешность, мкм, на участке шкалы от нулевого штриха в пределах
индикатора	Мм	мм	200 делений	1мм	2мм	+30 делений	св.+ 30 делений
1 ИГ 2 ИГ 1 МИГ 1 МИГП 2 МИГ 2 МИГП	0,001 0,002 0,001 0,001 0.002 0.002	+0,05 +0,1 1 1 2 2	- - 2 1,5 3 2,5	- - 2,5 1,8 4,0 3	- - - - 5 3,5	0,4 0,8 - - - -	0,7 1,2 - - - -

Рис. 4.3 Пружинная измерительная головка ИГП: а – схема; б – внешний вид

Пружинные измерительные головки являются наиболее точными рычажно-механическими приборами. Они выпускаются трех основных типов:

• ИГП - микрокаторы;

• ИПМ - микаторы (малогабаритные);

• ИРП - миникаторы.

В качестве чувствительного элемента в этих приборах (рис. 4.3 а) используется специальная пружина 2, завитая спирально от середины в разные стороны и закрепленная по концам на плоских пружинах. К середине пружины приклеена стрелка 3. Перемещение измерительного стержня 7 вызывает изменение длины пружины 2 и поворот ее средней части. Смещение стрелки относительно шкалы прибора пропорционально перемещению измерительного стержня. Преимущества пружинных передач: высокая чувствительность ленточных пружин, обеспечивающая большую точность измерений; отсутствие шарниров и зазоров.

Основные параметры пружинных измерительных головок приведены в таблице 4.3.

Таблица 4.3 - Основные параметры пружинных головок различных типов

Тип головки	Цена деления шкалы	Диапазон измерений		Допускаемая погрешность на любом участке шкалы			Размах показаний в делениях шкалы
			мкм
Микрокаторы				Число делений
				до 30		св. 30
01ИГП 02ИГП 0 ИГП	0,1 0,2 0,5	+4 +6 +15		0,1 0,15 0,25		0,15 0,2 0.4	1/3
1ИГП 2ИГП 5ИГП 10ИГП	1 2 5 10	+30 +60 +150 +300		0,4 0,8 2,0 3,0		0,6 1,2 3,0 5,0	1/4
Микаторы				Число делений
				до 30		до 60
02-ИПМ	0,2	+10		0,15		0,3	1/2
05-ИПМ	0,5	+25		0,3		0,5	1/4
1-ИПМ 2-ИПМ	1 2	+50 +100		0,5 1,0		1,0 2,0	1/5
Миникаторы				Число делений
				до 20		до 40
ИРП	1 2	+40 +80		0,5 1		1 2	1/3

У микрокаторов (рис. 4.3 а) ленточная пружина 2 закреплена на угольнике 1 и консольной пружине 4, установленой на угловом выступе. Изменяя положение пружины 4 с помощью винтов, которыми она крепится к выступу, регулируют натяжение ленточной пружины и устанавливают прибор на нуль. Измерительный стержень 7 подвешен на мембранах 6 и жестко связан с угольником 1. Перемещение стержня вызывает поворот угольника вокруг точки а и растяжение пружины. Измерительное усилие создается пружиной 5.

Пружинная передача микрокатора (рис.4.3 б)размещена в корпусе 1 к которому присоединена измерительная гильза 5. Положение шкалы 2 регулируется в пределах + 5 делений винтом 4 для установки прибора на нуль. Указатели 3 поля допуска перемещаются рычажками, расположенными на задней стенке корпуса. На конце гильзы с помощью хомута 6, зажимаемого винтом 7, установлен арретир 8 (рычаг), соединенный с измерительным наконечником 9 со сферической поверхностью. Фиксатором 10 измерительный стержень зажимают при транспортировании.

Оптико-механическая измерительная головка (оптиметр) - измерительная головка, в которой механический рычаг сочетается с оптическим. Головка оптиметра является самой распространенной из всех оптических головок. Она применяется при измерениях, требующих высокой точности, и даже при переаттестации концевых мер.

Работа оптиметра основана на принципе автоколлимации. Автоколлимацией называется способность объектива превращать пучок лучей, исходящих из точки О, расположенной в фокальной плоскости 3 (рис. 4.4 а) на фокусном расстоянии F от объектива 1, в параллельные лучи и затем, после отражения от плоского зеркала 2, снова собирать их в фокальной плоскости в одну точку.

Рис. 4.4 Автоколлимация (оптическая схема): а – ход лучей, когда плоскость зеркала параллельна фокальной плоскости; б – ход лучей, когда плоскость зеркала повернута под углом к фокальной плоскости; 1 – объектив; 2 – зеркало; 3 – фокальная плоскость; 4 – измерительный стержень

Допустим, что источник света находится на оптической оси и в фокальной плоскости, но плоскость зеркала 2 повернута на некоторый угол  к оптической оси (рис. 4.4 б). В этом случае световые лучи, исходящие из точки О, после линзы пойдут параллельно оптической оси. На схеме эти лучи обозначены векторами ad и ad. Отразившись от зеркала, которое повернуто на угол , лучи отклоняются на угол 2 и пойдут в направлении dc и dc. В результате изображение светящейся точки О переместиться в точку В на расстоянии Н.

Если поворот зеркала связан с перемещением стержня 4, который расположен относительно оси поворота плоскости на расстоянии l, то передаточное отношение системы будет равно

. (4.1)

Вследствие малой величины угла  можно им пренебречь и считать, что tg22. Тогда формула примет вид

. (4.2)

Рис. 4.5 Трубка оптиметра: 1 – измерительный стержень; 2 – пружина; 3 – окуляр; 4 – стеклянная пластинка с нанесенной на ней шкалой; 5 – трехгранная призма; 6 – зеркало; 7 – источник света; 8 – призма; 9 – объектив; 10 – зеркало; 11 - ось

Из формулы видно, что передаточное отношение К не зависит от расстояния между объективом и зеркалом. Эта особенность позволяет делать головку оптиметра небольших размеров.

Устройство самой трубки оптиметра приведено на рис. 4.5.

Свет из источника 7 при помощи зеркала 6 направляется в трехгранную призму 5. Дальше лучи света, отражаясь от грани призмы, проходят через прозрачную стеклянную пластину 4, на которой нанесена шкала. На рисунке эта шкала показана на черном фоне. Изображение шкалы проходит через призму 8, где лучи преломляются на и идут через объектив 9. Пройдя объектив, лучи направляются параллельным пучком к зеркалу 10 и, отражаясь от него, идут обратно. Обратные лучи проходят тот же путь и дают на стеклянной пластинке 4 отраженную шкалу. Так осуществляется автоколлимация в головке оптиметра.

Если измерительный стержень 1 переместить на какую-то величину, то это сейчас же вызовет угловое отклонение зеркала 10, которое вращается вокруг оси 11. Угловое отклонение зеркала приведет к вертикальному перемещению отраженной шкалы. Размер этого перемещения оценивается относительно неподвижного указателя. За перемещением шкалы наблюдают через окуляр 3. Зеркало 10 связано с измерительным стержнем 1 пружиной 2, которая создает измерительное усилие в пределах 1,8...2 Н.

В трубке оптиметра фокусное расстояние F (расстояние от объектива 9 до оси окуляра 3) равно 200 мм, а плечо l от оси измерительного стержня до оси качания зеркала - 5 мм. Поэтому передаточное отношение трубки

Отсюда следует, что при перемещении измерительного стержня 1 на 1 мкм отраженная шкала переместиться на 80 мкм, но поскольку отсчет ведется через 12-кратный окуляр, то общее увеличение трубки оптиметра будет равно не 80, а 960. Это значит, что перемещение измерительного стержня не 0,001 мм сместит изображение на одно деление, интервал которого в поле зрения окуляра составит 0.96 мм.

По положению линии измерений оптико-механические приборы делят на вертикальные (В) и горизонтальные (Г), а по способу отсчета показаний - на окулярные (О) и экранные (Э). Пример маркировки оптиметра: ОВО - оптиметр вертикальный окулярный. Метрологические показатели основных типов оптиметров приведены ниже.

ОВО-1 ОГО-1

Показатели: ОВЭ-02 ОВЭ-1 ОГЭ-1

Диапазон измерения, мм 0...100 0...200 0...500

Цена деления, мкм 0,2 1,0 1,0

Пределы измерения по

шкале, мм +0,025 +0,1 +0,1

Допускается основная погреш-

ность, мкм, на участке шкалы

мм:

от 0 до +0,015 + 0,07 — —

св. + 0,015 + 0,1 __ __

от 0 до +0,06 ___ +0,2 +0,2

св. 0,06 ___ +0,3 +0,3

Вариация показаний, мкм 0,2 0,1 0,1