Лабораторная работа № 8 Контроль цилиндрических деталей на вертикальном оптиметре. Определение погрешностей формы

Цель и задачи работы

Цель работы состоит в ознакомлении с конструкцией верти­кального оптиметра; получении практических навыков измерения на нем.

Задачи работы:

- ознакомиться с конструкцией и настройкой верти­кального оптиметра.

- измерить контролируемую деталь на вер­тикальном оптиметре ОВО-1;

- научиться пользования нормативами откло­нений формы цилиндрических поверхностей;

- выполнить отчет о работе (прил. 8).

Теоретическая часть

Общие сведения об оптиметрах

Оптиметры относятся к рычажно-оптическим приборам, их конструкция основана на применении механического и оптического ры­чага. Метод измерения при применении оптиметров – контактный, от­носительный. Абсолютным методом можно измерять только детали, размеры которых не превосходят пределов измерения по шкалам при­боров.

Работа оптиметра основана на принципе автоколлимации.

Автоколлимацией называется способность объектива превращать пучок лучей, исходящих от источника света, расположенного в фокальной плоскости и на главной оптической оси объектива, в параллельные лучи и затем, после отражения от плоского зеркала, снова собирать их в фокальной плоскости в одну.

Ход лучей в трубке оптиметра можно проследить по схеме, представленной на рис. 1.

Перемещение измерительного стержня 7, на конце которого закреплен наконечник, вызывает поворот зеркала 6 и перемещение отраженного луча относительно неподвижного указателя. Шкала освещается зеркалом 11 (рис. 1). Погрешность показаний оптиметра в пределах всей шкалы не более ±0,0003 мм.

Рис. 1. Вертикальный оптиметр: 1 – трубка оптиметра, 2 – основание;

3 – стойка, 4 – кронштейн, 5 – стол; 6 – гайка микрометрической подачи;

7 – измерительный стержень с наконечником; 8 – регулировочные винты,

9, 12, 15 – стопорные винты, 10 – окуляр, 11 – зеркало, 13 – стопорное кольцо, 14 – рукоятка

Трубка оптиметра закрепляется в кронштейне 4, который может перемещаться в вертикальном направлении по колонке 3 и закрепляется в любом положении стопорным винтом 12.

Измеряемые изделия помещаются на плоском столе 5 оптиметра, установленном перпендикулярно к линии измерения с помощью регулировочных винтов 8. Стол имеет микрометрическую вертикальную подачу, осуществляемую вращением гайки 6.

На рис. 2, а изображена принципиальная схема устройства труб­ки оптиметра ОBО-1.

б а

Рис. 2. Схема отражения оптиметра: а – принципиальная схема устройства труб­ки оптиметра, б – упрощенной схемы хода лучей

Пучок лучей от постороннего источника света А направляется зеркальцем 5 в щель, преломляясь в призме 1, освещает стеклян­ную пластинку 2 с нанесенной на ней шкалой.

Шкала пластины 2 расположена в фокальной плоскости объектива 3, и поэтому лучи, рисующие ее изображение, выходят из объек­тива параллельным пучком. Отразившись от зеркала 5, они таким же параллельным пучком входят обратно в объектив 3 и создают отра­женное изображение шкалы в фокальной плоскости объектива на пластине 2. При этом отраженное изображение обращено зеркально по отношению к основному как по горизонтальной оси X, так и по вертикальной Z. Отраженное изображение шкалы и видно в окуляре наблюдателю.

При наклоне зеркала 5 на некоторый угол α, отраженное изображение сместится на некоторую величину t (рис. 2, а).

Зеркало 5 прижимается пружиной 6 к измерительному стержню 7 прибора. При измерении детали стержень 7, смещаясь, поворачи­вает зеркало вокруг оси 8, на угол α. Таким образом, пучок параллельных лучей падает на зеркало под углом α к перпенди­куляру, проведенному к плоскости зеркала в точке падения. Угол между падающим и отраженным лучами равен 2α.

Как отмечалось ранее, отраженное изображение зеркально об­ращено относительно основного. По оси X отраженное изображение шкалы будет смещено на постоянную величину в, равную смещению шкалы относительно главной оптической оси объектива. Это смеще­ние дает возможность наблюдать в окуляре отраженное изображение шкалы отдельно от самой шкалы, закрытой от наблюдателя экраном.

Смещение шкалы t по оси Z будет изменяться при изме­нении угла α, т.е. при изменении размера детали. Соотношение между смещением S измерительного стержни и смещением t изо­бражения шкалы по отношению к неподвижному указателю находим из упрощенной схемы хода лучей, изображенной на рис. 2, б. В упрощен­ной схеме отсутствуют смещение по оси X и исключена призма 3, имеющая лишь конструктивное значение. Введение ее позволяет уменьшить габариты прибора, а контролеру производить измерения, сидя за прибором.

Из упрощенной схемы видно, что величина смещения измеритель­ного наконечника S=a∙tgα, где a – расстояние между осью вращения зеркала и осью измерительного наконечника. Величина t=F∙tg2α где F – фокусное расстояние объектива 3, откуда пе­редаточное отношение прибора i=(F∙tg2α)/(a∙tgα).

Как видно из схемы рис. 2 в передаточное отношение оптичес­кого рычага, кроме отношения линейных величин F и a, вхо­дят отношение тангенсов углов 2α и α, поэтому передаточное отношение оптического рычага равно удвоенному отношению плеч, т.е. существенно отличается от передаточного отношения механического рычага.

Необходимое лабораторное оборудование и приборы

Для выполнения работы необходимо:

- вертикальный оптиметр;

- набор плоскопараллельных концевых мер длины;

- комплект призм;

- контролируемая деталь.

Меры безопасности

1. Запрещается настройка, регулировка и любые другие действия с приборами без предварительного ознакомления с ними.

2. Работая на приборе, запрещается применять излишнее усилие, так как все детали и механизмы у исправного прибора должны перемещаться плавно и без заеданий.

3. Измерительные поверхности приборов надлежит протереть сухой мягкой полотняной тканью.

4. Студент обязан следить за чистотой на рабочем месте.

5. Студент должен по окончании работы сдать приборы и инструменты в исправном и комплектном состоянии.

Задание

1. Изучить метрологические характеристики вертикального оптиметра.

2. Ознакомиться с устройством вертикального оптиметра.

3. По маркировке на торце вала определить его номинальный размер. Набрать блок плоскопараллельных концевых мер на этот размер и настроить прибор на нуль. Измерить валик.

4. Сравнивая действительный размер валика с предельными раз­мерами, предусмотренными ГОСТ 25347-82, определить для какого поля допуска он может быть использован.

5. Измерить погрешности формы. Определить степень точности изготовления валика.

Методика выполнения задания

Вертикальный оптиметр ОBО-1

Вертикальный оптиметр служит для измерения наружных размеров. Он имеет такие характеристики:

цена деления шкалы 0,001 мм

пределы измерения по шкале +0,1 мм

верхний предел измерения наружных размеров 180 мм

измерительное усилие не более 200±20 гс

погрешность показаний измерительного устройства

на участке шкалы от 0 до ±0,06 мм ±0,0002 мм

свыше +0,06 мм ±0,0003 мм

Перемещение измерительного стержня на 1 мкм вызывает перемещение шкалы на одно деление.

Расстояние между штрихами шкалы (интервал) равен 0,06 мм. Изображение шкалы наблюдается в окуляр с увеличением 12 . Таким образом, видимое в окуляр расстояние между штрихами равно 0,08∙12=0,96 мм. Передаточное отношение оптиметра с учетом увеличе­ния равно 960.

Верхняя плоскость основного столика 5 (рис. 1), на котором производит­ся измерение наружных размеров деталей, должна быть перпендику­лярна оси измерительного стержня. Для проверки их взаимной пер­пендикулярности на стержне укрепляют плоский измерительный стержень 7. Затем к столику прибора слегка притирают плоскопарал­лельную концевую меру длины небольшого размера (от 10 до 20 мм).

Опустив винт 12, вращением стопорного кольца 13 опускают кронштейн с трубкой оптиметра до соприкосновения измерительного наконечника 7 с мерой. Столик должен быть при этом застопорен винтом 8. Момент касания будет заметен по движению изображения шкалы в окуляре. Застопо­рив столик, производят ряд перемещений концевой меры.

Как видно на рис. 3, при движении концевой меры по переко­шенному столику показания прибора изменяются от а до в.

а б

Рис. 3. Движение концевой меры по переко­шенному столику: а – измерение показания а, а – измерение показания в

Вращением установочных винтов 8 добиваются такого положения столика, чтобы при продвижении концевой меры по столику под из­мерительным наконечником в любом направлении показания прибора оставались бы неизменными, при этом край концевой меры должен доходить только до середины измерительной поверхности наконечни­ка (рис. 3, б).

В дальнейшем в процессе работы к винтам 8 притрагиваться нельзя.

Установка прибора на нуль

По чертежу из­меряемого объекта или по маркировке на самом объекте измерения определяют номинальный и предельные размеры объекта и, учитывая пределы измерений по шкале прибора, подсчитывают размер блока концевых мер, по которому прибор должен быть установлен на нуль. Возможные отклонения от размера установочной меры не должны вы­ходить за пределы шкалы. Наиболее удобно составлять блок из концевых мер с размером, близким к размеру, соответствующему ее редине поля допуска объекта измерения.

За нулевое деление обычно принимают штрих шкалы, отмеченный цифрой 0. В случае необходимости за нуль может быть принят какой-либо другой штрих, лежащий в ее центральной части.

Измерительный наконечник подбирают в зависимости от формы детали.

Концевые меры тщательно промывают бензином, протирают по­лотенцем, притирают друг к другу и затем, притирают нижней из­мерительной плоскостью блока к столику оптиметра 5. Поверхность столика также должна быть промыта бензином и протерта.

В приборах, не имеющих проекционного устройства, вращением осветительного зеркальца 11 пучок света от какого-либо источника направляется в осветительную щель. Через окуляр 10 должно быть видно светлое освещенное поле и часть шкалы. В оптиметре типа ОВЭ-1 с проекционным экраном просто включают освещение.

Отпустив винт 12, вращением кольца 13 производят грубую настройку прибора. Момент касания наконечника о блок плиток будет заметен по движению изображения шкалы. Кронштейн следует опус­кать плавно, не допуская удара о блок.

После этого кронштейн закрепляют в данном положении винтом 12. Окончательная установка прибора на ноль производится таким образом: при отпущенном винте 9 вращением гайки 6 перемещают столик до тех пор, пока против неподвижного указателя не устано­вится нулевой штрих шкалы. После этого винтом 9 закрепляют по­ложение столика. Нулевую установку прибора следует проверить, приподнимая и опуская 2–3 раза наконечник рукояткой 14. Если после ориентирования изображение шкалы не будет возвращаться в исходное положение, следует отпустить винт 9 и установить при­бор на ноль.

Установив окончательно шкалу на нуль, рукояткой 14 снова приподнимают наконечник 7 и, удалив со столика блок концевых мер, заменяют его объектом измерения.

Измерение на оптиметре

При соприкосновении измерительного наконечника с поверхностью измеряемого объекта изображение шкалы сместится относительно указателя. Величина смещения нулевого штриха шкалы относительно неподвижного указателя соответствует отклонению из­меряемого размера от размера блока. Отклонение, т.е. показание прибора, может иметь как положительный, так и отрицательный знак, определяемый по значкам (+) или (–), имеющимися по обеим сторо­нам от нулевого штриха шкалы.

Если объект измерений имеет цилиндрическую форму, то, во избежание перекоса, следует плотно прижимать его двумя пальцами к столику и, слегка прокатывая его под наконечником, следить за движением шкалы. Наибольшее показание будет соответствовать раз­меру диаметра.

Действительный диаметр будет равен алгебраической сумме раз­мера блока и показания прибора.

После окончания измерения проверяется нулевое показание при­бора. Для этого объект измерения удаляется со столика и под из­мерительным наконечником вновь устанавливается блок концевых мер. Ошибка в положении изображения нулевого штриха не должна превы­шать половины деления шкалы [14].

Измерение цилиндрической детали и контроль отклонений ее формы

Предельные отклонения формы указываются на чертежах при наличии особых требований, вытекающих из условий работы деталей. В остальных случаях отклонения должны ограничиваться полем допуска на размер. ГОСТ 24642-81 дает основные определения формы и распо­ложения поверхностей. В частности, для цилиндрических деталей да­ны следующие определения.

Некруглость (отклонение от круглости) – наибольшего расстояния точек реального профиля цилиндрических поверхностей в поперечном сечении до прилегающей (охватывающей) окружности (рис. 4).

а б

∆=(d_max–d_min)/2

Рис. 4. Отклонение от круглости: а – овальность, б – огранка

Частными видами отклонения от круглости являются овальность и огранка.

Овальность – отклонение от круглости, при котором реальный профиль представляет собой овалообразную фигуру, наименьший и наибольший диаметры которой находятся во взаимноперпендикулярных направлениях рис. 4.

Огранка – отклонение от круглости, при котором реальный профиль представляет собой многогранную фигуру. Огранка подраз­деляется по числу граней. В частности, огранка с нечетным числом граней характеризуется тем, что диаметры профиля поперечного се­чения во всех направлениях одинаковы рис. 4.

Огранка определяется путем, трехточечного измерения, т.е. при установке детали в призму рис. 4, б. При повороте детали под из­мерительным стержнем изменение показаний прибора укажет на нали­чие, огранки. По разности наибольшего и наименьшего показаний при­бора и по углу призмы вычисляется величина огранки. Наиболее час­то применяют призмы с углом 60° и 90°.

Обозначая величину огранки через ∆ со значком, укалываю­щим число Граней, а через h – разность показаний прибора, со значком, указывающим на угол призмы, получим

. (2)

Так как не при всяком угле призмы можно выявить огранку с любым числом граней, а число граней не всегда заранее известно, то иногда прибегают к последовательному изменению в призме с уг­лом 60°, а затем с углом 90°.

Отклонения профиля продольного сечения характеризуются ГОСТ 24642-81, как отклонения от прямолинейности и параллельности об­разующих. Частными видами отклонения профиля продольного сечения являются конусообразность, бочкообразность и седлообразность.

Конусообразность – отклонение профиля продольного сечения, при котором образующие прямолинейны, но не параллельны (рис. 5, а).

Бочкообразность – отклонение профиля продольного сечения, при котором образующие непрямолинейны и диаметры увеличиваются от краев к середине сечения (рис. 5, б).

а б

в г

∆=(d_max–d_min)/2

Рис. 5. Отклонение профиля продольного сечения: а – конусообразность,

б – бочкообразность, в – седлообразность, г – некруглость

Седлообразность – отклонение профиля продольного сечения, при котором образующие непрямолинейны и диаметры уменьшаются от краев к середине сечения (рис. 5, в).

Количественно конусообразность, бочкообразность и седлооб­разность оцениваются так же как и отклонение профиля продольного сечения т.е. как наибольшее расстояние ∆ от точек образующих реальной поверхности, лежащих в плоскости, проходящей через ее ось до соответствующей стороны прилегающего цилиндра в пределах нор­мируемого участка.

Общим случаем отклонений цилиндрической детали является отклонение от цилиндричности определяемое, как наибольшее расстоя­ние от точек реальной поверхности до прилегающего цилиндра, в пределах нормируемого участка.

Измерение диаметра детали

Размер блока концевых мер, по которым производилась нас­тройка оптиметра на нуль, и показания прибора при измерении ди­аметра записывают в протокол. Затем, учитывая размер блока, под­считывают действительные размеры во всех измеряемых сечениях и заносят в соответствующую таблицу. Измеренным размером вала счи­тается размер, наибольший из полученных при измерении в различ­ных сечениях и направлениях, подсчитанный путем алгебраического суммирования показания прибора с размером установочной меры [11].

Измеренный размер сравнивают с предельными размерами детали по стандарту ГОСТ 25347-82 и дается заключение о годности детали.

Измерение величины огранки

Для измерения величины огранки цилиндрическую деталь устанавливают в призме. Призму с проверя­емой деталью устанавливают на столике прибора так, чтобы ось из­мерительного стержня была перпендикулярна оси детали и пересекла ее. В этом положении устанавливают прибор на нулевой штрих и от­мечают на поверхности детали начальную точку измерения в данном сечении.

Медленно вращая деталь в призме, избегая осевого смещения, замечают наибольшее и наименьшее показание прибора за полный оборот детали и заносят в таблицу, в графу, соответствующую сечению 1. То же самое проделывают и для сечения 2 и 3 (рис. 4).

Абсолютная величина разности h между наибольшим и наимень­шим (с учетом знака) показаниями прибора в каждом сечении харак­теризует величину огранки, но не является ее величиной, величина огранки ∆ может быть приближенно подсчитана по формуле (2).

Измерение отклонений формы

Для определения овальности и по­грешности формы продольного сечения деталь укладывают на плоский столик оптиметра так, чтобы под измерительным наконечником нахо­дилось проверяемое сечение, например, сечение 1, направления I (рис. 6). Карандашом на поверхности детали проводят прямую, т.е. отмечают образующую ци­линдра, с которой следует начинать измерение, в каждом сечении. Покатывая деталь под наконечником так, чтобы измерять, а не близлежащую хорду, отмечают и записывают в отчет показание, соответ­ствующее сечению 1; затем, повернув деталь на 90° снова, прокатывают деталь под измерительным наконечником и полу­чают показание, соответствующее сечению 2, направления II. Те же операции проделывают для сечений 2 и 3.

Рис. 6. Измерение отклонений формы

Таким образом, полу­чается шесть показаний прибора, по которым находят:

- погреш­ность формы поперечного сечения для данной ступени детали;

- погрешность формы продольного сечения с указанием характера ее (т.е. конусообразность, бочкообразность или седлообразность).

Контрольные вопросы

1. Метрологические характеристики вертикального оптиметра.

2. Устройство и принцип действия вертикального оптиметра.

3. Установка оптиметра на нуль.

4. Отклонения формы цилиндрической детали.

5. Измерение отклонений формы.

6. Измерение величины огранки.

7. Измерение диаметра детали.

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

- титульный лист;

- название и цель работы;

- краткое изложение основных теоретических вопросов;

- краткое описание порядка выполнения работы;

- формулы расчетов и таблицы результатов выполнения задания.