Глава 16. Оптические измерительные приборы

16.1 Оптиметры

Оптиметром называется рычажно-оптический прибор, предназначенный для точных относительных измерений геометрических величин. Типы, основные параметры и технические требования устанавливаются в ГОСТ 5405—75. Оптиметр состоит из оптического устройства — трубки оптиметра, устройства крепления трубки и столика для базирования измеряемой детали.

Оптическая схема оптиметра основана на использовании оптического рычага и автоколлимационной системы. На рис. 71, а, б показана оптико-механическая схема трубки оптиметра. Свет от источника излучения 7 направляется зеркалом 8 на скошенную грань осветительной призмы 9 и, отразившись от нее, освещает сетку 6, расположенную в фокальной плоскости объектива 4 автоколлиматора. На сетке (рис. 1, б) справа в светлом прямоугольном окне на темном фоне нанесена шкала в ±100 делений и от-счетный индекс-штрих. Шкала перекрыта со стороны окуляра призмой 9 и смещена относительно оси на некотором расстоянии b. Пройдя через шкалу, лучи попадают в прямоугольную призму 5 и отклоняются по выходе из нее на 90° (это сделано для умень-

шения габаритных размеров трубки). Затем лучи вместе с изображением штрихов шкалы проходят объектив 4, а из него параллельным пучком падают на зеркало 3, отражаются от него и в обратном ходе дают автоколлимационное изображение шкалы на сетке 6. Автоколлимационное изображение шкалы симметрично самой шкале вертикальной оси z сетки. Так как левая половина сетки прозрачна, то изображение шкалы наблюдается в виде черных штрихов на светлом фоне. Если зеркало 3 перпендикулярно к оптической оси объектива, то нулевые штрихи шкалы и их автоколлимационное изображение совместятся на горизонтальной оси х сетки с индексом-штрихом.

Рис. 1. Оптическая схема вертикального оптиметра

Перемещение автоколлимационного изображения шкалы относительно индекса-указателя отсчитывается по принципу оптического рычага. Если после установки измеряемого объекта 1 измерительный стержень 2 переместится и наклонит зеркало 3, то изо-

бражение сетки сместится параллельно вертикальной оси сетки (параллельно действительной сетке). Это смещение наблюдается в окуляре 10 трубки оптиметра. К оптиметру прилагается проекционная насадка ПН-16, облегчающая процесс измерения.

Рис. 2. Оптическая схема ультраоптиметра ОВЭ-2

Оптическая схема ультраоптиметра ОВЭ-02, показанная на рис. 2, представляет сочетание схем автоколлиматора и схемы многократного отражения. Лучи света от источника излучения 1

через конденсор 2, теплофильтр 3, линзу 4 падают на осветительную призму 5, освещают окно с прозрачной шкалой, нанесенной на плоскопараллельной стеклянной пластине 15, расположенной в фокальной плоскости объектива 14. В поле зрения экрана прибора видны удлиненные штрихи с цифрами, нанесенными через десять малых делений. Шкала имеет по обе стороны ±100 делений (200 делений).

Лучи света выходят из пластины 15, отражаются от зеркала 16, входят в объектив 14, а из него параллельным потоком вместе с изображением шкалы попадают на неподвижное зеркало 12, отражаются от него на качающееся зеркало 11. Здесь происходит многократное отражение. Далее лучи с автоколлимационным отражением шкалы возвращаются к пластине 15, на которой проецируется изображение шкалы в плоскости штриха-индекса. Совмещенные изображения шкалы и штриха-индекса проецируются через зеркальную систему 8, 9, 10 на экран 13.

Фокусировка и центровка лампы 1 производится по ее •нити с наводкой на резкость объективом 6 и проецированием ее резкого изображения на экран 13 посредством зеркальной системы 8, 9,10.

Осевое перемещение измерительного стержня 17 вызывает наклон зеркала на некоторый угол а, вследствие чего автоколлимационное изображение шкалы на экране также будет перемещаться относительно неподвижного штриха-индекса пропорционально углу 2а. На зеркалах 12 и 11, являющихся оптическими умножителями, пучок лучей претерпевает одиннадцать отражений.

По расположению линий измерения оптиметры разделяются на вертикальные и горизонтальные. Вертикальные оптиметры — станковые приборы с базирующим устройством в виде стойки с вертикальной осью расположения. Горизонтальные оптиметры — стан-

ковые приборы с горизонтальной осью расположения трубки оптиметра.

По ГОСТ 5405—75 настольные оптиметры выпускаются следующих типов: вертикальные (модели ИК.В-2, ИК.В-3); горизонтальные (модели ИКГ-2, ИКГ-3); окулярные (модели ИКВ-2, ИКГ-2, ИКГ-3). Диапазон измерений приборов: ИК.В-2 от 0 до 180 мм; ИКВ-3 от 0 до 200-мм (только при наружных измерениях); ИКГ-2 и ИКГ-3 от 0 до 500 мм при наружных и от 0 до 400 мм при внутренних измерениях. Цена деления трубки оптиметра 1 мкм; диапазон измерений по шкале ±0,2 мм; предел допускаемой погрешности ±0,2 мкм на участках шкалы от 0 до ±0,06 мм. Размах показаний не более 1 мкм. Измерительное усилие при наружных измерениях не более 200 сН.

16.2 Измерительные машины

Измерительные машины — оптико-механические контактные приборы, предназначенные для точного измерения деталей больших размеров методом непосредственного измерения или сравнения с мерой.

В конструкциях машины принцип Аббе не соблюден, так как обычно линия измерения и шкала расположены в параллельных плоскостях. При использовании же принципа Аббе длина машины увеличилась бы на две длины измеряемой детали.

Конструкция измерительной машины показана на рис. 3. На массивной чугунной станине 1 по параллельным направляющим перемещается задняя бабка 3 с закрепленным в ее пиноли 6 измерительным наконечником, осевое перемещение которого осуществляется штурвалами 2 микроподачи. Бабка в продольном направлении перемещается кремальерным механизмом. Вместе с бабкой перемещается осветитель 4 и левый коллиматор 15 с преломляющей призмой 14. В передней бабке 10 установлен отсчетный микроскоп 11 и трубка оптиметра 9 с измерительными наконечниками. Бабка в пределах 100 мм перемещается вращением Штурвала 12. При этом предусмотрено стопорение бабки в нужном положении. Одновременно с бабкой перемещается и закрепленный па ней правый коллиматор 15 с преломляющей призмой 14.

Для отсчета размеров в пределах диапазона измерений в станине установлена дециметровая шкала 7, в которой через каждые 100 мм вставлены девять стеклянных пластин 8 с биссекторами. Под передней бабкой установлена стеклянная шкала 13 длиной 100 мм с делениями через 0,1 мм.

Рис. 3. Принципиальная схема измерительной машины

Для установки машины в нулевое положение заднюю бабку помещают над левой (нулевой) пластиной с биссектором, при этом

оптическая ось осветителя располагается над окном биссекторной шкалы. Лучи света от лампы 4 через конденсор 5 освещают биссектор, проходят преломляющую призму 14, и коллиматор 15 собирает их в параллельный пучок. Так как бисеектор находится в фокусе коллиматора, то в параллельном пучке получается бесконечно удаленное изображение биссектора. Далее, это изображение попадает в правый коллиматор 15, проходит через призму 14 и накладывает изображение нулевого биссектора на расположенную в фокусе коллиматора шкалу 13. Перемещая переднюю бабку 10, добиваются совпадения нулевого штриха с серединой биссектора. Затем микровинтом 12 приводят измерительные наконечники в соприкосновение друг с другом и устанавливают шкалу трубки оптиметра на нуль. После этого стопорят винт пиноли.

При измерении переднюю бабку отодвигают от задней, совмещают последнюю с требуемым биссектором миллиметровой шкалы. Измеряемую деталь устанавливают на линии измерения с помощью предметного стола или люнетов, перемещают переднюю бабку до момента, когда измерительные наконечники обеих бабок коснутся измеряемой детали. При этом изображение шкалы оптиметра не должно выходить из поля зрения трубки оптиметра. Далее, перемещая бабку 10, совмещают ближайшие деления шкалы 13 с изображением биссекторного штриха и снимают отсчет. Число дециметров определяют по номеру пластины шкалы 13, снимая с помощью микроскопа 11 отсчет с точностью 0,1 мм, а сотые и тысячные доли миллиметра определяют по шкале трубки оптиметра.

Измерительные машины ИЗМ-1, ИЗМ-2, ИЗМ-4 выпускаются с верхними диапазонами измерений 1, 2 и 4 м. Диапазон измерений ИЗМ-1 от 0 до 1000 мм при наружных и от 1 до 900 мм —при внутренних измерениях; ИЗМ-2 от 0 до 2000 мм при наружных и от 1 До 1900 —при внутренних измерениях; ИЗМ-4 от 0 до 4000 мм при наружных и от 1 до 3900 — при внутренних измерениях. Цена деления 1 мкм. Допускаемая погрешность биссекторной шкалы _± (0,3 + 9-10~³£) мкм, шкалы с отсчетным устройством с= = 0,1 мм ± (0,7+1,5-10^-3L), где L — номинальный размер, мм.

Составляющие погрешности измерения на измерительных машинах аналогичны погрешностям оптиметра. Однако важной для машин является температурная составляющая. Предельные погрешности измерений методом непосредственной оценки наружных размеров 1—500 мм составляют от ±1 до ±6 мкм, а при измерении методом сравнения —от ±1 до ±2 мкм; внутренних размеров 13—500 мм методом сравнения с концевыми мерами от ± 1,5 до ±9 мкм.

16.3 Длиномеры

Длиномеры — оптико-механические приборы контактного типа, в которых шкала совмещена с линией измерения (полное использование принципа Аббе).

Рис. 4. Оптическая схема вертикального длиномера ИЗВ-2

Принципиальная схема вертикального длиномера ИЗВ-2 показана на рис. 4. Измерительный шток 4 имеет продольное окно, в которое вставлена стеклянная шкала 5, имеющая 100 делений с интервалами через 1 мм. Шкала 5 освещается источником света 1 через светофильтр 2 и конденсор 3. Изображение миллиметровой шкалы объективом 11 проецируется в плоскость сеток 7 и 8окуляра 6 спирального микрометра. Призмы 9 и 10 отклоняют пучок лучей, выходящий из объектива на 45°.

Рис. 5. Оптическая схема вертикального проекционного длиномера ИЗВ-3

Вертикальный проекционный длиномер ИЗВ-3 (рис. 5) отличается от длиномера ИЗВ-2 тем, что здесь вместо окулярного микрометра применено отсчетное проекционное устройство с оптическим микрометром. Свет от лампы / проходит конденсор 2, светофильтр 3, осветительные линзы 4 и падает на отражательное зеркало 5, освещает участок миллиметровой шкалы 6, перемещающейся вместе с измерительным штоком 7. Изображение этого участка шкалы объективом 8 через призменную систему 9, линзы 10 и плоскопараллельную пластину // проецируется на неподвижную сетку 13 (шкала десятых долей миллиметра с индексом). Лимб 12 имеет шкалу тысячных долей миллиметра. Лимб и сетка находятся в фокальной плоскости объектива 16. Изображение миллиметровых штрихов, десятых и тысячных долей миллиметра, а также индекс проецируется коллективной линзой 14, объективом 16 и зеркальной системой 15, 17, 18 на экран 19.

На длиномере проводят абсолютные измерения концевых мер, диаметров гладких предельных калибров, корпусных деталей с разгювысотными плоскостями. При использовании малогабаритных угломерных устройств на них можно измерять профили малогабаритных дисковых кулачков.

ТЗГТ7-Л7 ^П-------~~«тт_л „ _п *^тгл VO

Рис. 6. Схема горизонтального длиномера ИК.У-2

Принципиальная схема длиномера ИКУ-2 показана на рис. 6. На направляющих станины / установлена измерительная бабка 6, в которой на линии измерения (с соблюдением принципа Аббе)

установлена измерительная пиноль 23. На правом конце пиноли крепится миллиметровая шкала 9 длиной 100 мм, а на левом конце— трубка оптиметра. При этом ее измерительный стержень 4 может перемещаться относительно пиноли 23 и поворачивать зеркало 5 трубки оптиметра. Грубое перемещение измерительного стержня производится штурвалом 13, а точное — микровинтом 10. В верхней части установлен экран и осветительная система. Свет, идущий от лампы 8, разделяется на два пучка. Первый пучок преломляется призмой 7, освещает участок миллиметровой шкалы и проецирует изображение шкалы объективом 11 в плоскость неподвижной биссекторной шкалы 12 с ценой деления 0,1 мм общей Длиной 1 мм. Совмещенные изображения штрихов шкал 9, 12 объективом 14 проецируются на участок 15 экрана 17. Второй пучок преломляется в призме 7 и направляется на разделительный кубик, где, отразившись от полупрозрачной грани, падает на осветительное зеркало 20. Далее проходит оптиметровую шкалу 21 и ее Изображение объективом 22 проецируется на зеркало 5 трубки оптиметра. Автоколлимационное изображение оптиметровой шкалывозвращается на полупрозрачную грань кубика 19, проходит ее и„ отразившись от зеркала 20, направляется объективом 18 на участок 16 оптиметровой шкалы экрана 17. Деталь устанавливается на предметном столике 24 и ощупывается измерительными наконечниками 2, 3. Таким образом, в измерительной бабке складываются два независимых перемещения — измерительной пиноли 23 вместе с миллиметровой шкалой 9 в пределах 100 мм и измерительного стержня 4 трубки оптиметра в пределах 100 мкм. Эти перемещения фиксируются на экране по шкалам 15, 16.

Измерительная бабка 6 вместе с измерительным наконечником 3 штурвалом 13 подводится к измеряемой детали. Микровинтом 10 перемещают измерительную пиноль 23 вместе со шкалой 9 до совмещения миллиметровой шкалы с ближайшим биссекторньш штрихом неподвижной шкалы десятых долей миллиметра. Отсчет снимают по шкале 15, прибавляя или вычитая из него показание шкалы 16 трубки оптиметра.

Основные типы и технические характеристики вертикальных и горизонтальных длиномеров приведены в ГОСТ 14028—68.

В эксплуатации находятся вертикальные и горизонтальные длиномеры следующих типов: вертикальные ИЗВ-1, ИЗВ-2, экранные ИЗВ-3 с диапазоном показаний 100 мм, диапазоном измерений О—250 мм и отсчетом 0,001 мм; горизонтальные ИКУ-2 с диапазоном показаний 100 мм, диапазоном измерений 500 мм и от 1 до 400 мм соответственно для наружных и внутренних размеров и отсчетом 0,001 мм.

Основные преимущества этих длиномеров — повышенная точность измерения (в 3 раза), повышенная производительность (в 2 раза), облегчение ручного и полуавтоматического управления процессом измерения, абсолютные измерения с высокой точностью и относительные от аттестованного значения образцовой меры с выводом результата измерения на цифровое табло и цифропечатающее устройство.

Основные технические характеристики вертикального длиномера с цифровым отсчетом ИЗВ-4 следующие: предел измерения О—160 мм; дискретность отсчета 0,2 мкм; основная погрешность прибора ± (0,4 + L/500) 10³ мм, где L — измеряемая длина в мм.

Горизонтальный длиномер с цифровым отсчетом ИЗГ-4 имеет следующие основные характеристики: пределы измерения наружных размеров 0—500 мм, внутренних — 10—400 мм; дискретность отсчета 0,2 мкм; основная погрешность ± (0,3-М0~³L) мм, где L — измеряемая длина в мм.

Предел допускаемой погрешности длиномера нормируется в зависимости от номинального размера L и типа прибора: для вертикальных ±(1,4 + L/100) мкм (ИЗВ-1); ±(1,4 + 1/140) мкм (ИЗВ-2)'; для горизонтальных ± (1,4 + L/100) мкм (ИКУ-2)—при наружных измерениях и ± (1.9 + L/140) мкм при внутренних изме-

рениях. Размах показаний не более 0,4 мкм, измерительное усилие 200 сН.

Основными составляющими погрешности измерения длиномерами являются: погрешность отсчета по спиральному микроскопу— не более 0,001 мм при двукратных измерениях: погрешность отсчета по оптическому микрометру — не более 0,001 мм; погрешности перепада измерительного усилия вследствие температурных деформаций.

Предельные погрешности измерения длиномерами составляют от 1,5 2,5 мкм в зависимости от условий применения.

Поверка длиномеров регламентирована ГОСТ 8.114—74 и МУ—№ 341. При поверке применяют концевые меры 4-го разряда. Учитывая применение больших концевых мер, существенное внимание должно уделяться выравниванию их температуры. Для этого обычно концевые меры помещают на металлическую плиту блоков концевых мер на 1—2 ч и более при длине мер соответственно до 100 мм и 100—250 мм.

16.4 Катетометры

Катетометры — приборы для бесконтактного дистанционного измерения в труднодоступных местах вертикальных и горизонтальных координат изделий, которые трудно измерить обычными методами.

Катетометр (рис. 7, а) состоит из следующих основных частей: визирного устройства — зрительной трубы 3, перемещаемой по направляющим 1, устройства 4 для установки зрительной трубы в горизонтальное положение (уровень или автоколлиматор), шкалы 5 и отсчетного устройства 2 (микроскоп, нониус, лупа). На рис. 7, б показана оптическая схема катетометра КМ-6, состоящая из зрительной трубы и отсчетного микроскопа с осветительной системой. В зрительную трубу входят объектив 10 с насадочными линзами 8, светофильтр 9, фокусирующая линза 11, сетка 13 и окуляр 15. Отсчетный микроскоп включает микрообъектив 2, куб-призму 3, масштабную сетку 12 и окуляр 14.

Осветительная часть микроскопа, предназначенная для подсветки шкалы 1, состоит из лампы 7, конденсора 6, светофильтра 5 и зеркала 4.

В отсчетном микроскопе лучи света от лампы 7 проходят конденсор 6, светофильтр 5, отражаются от зеркала 4, проходят куб-призму 3 и через микрообъектив 2 попадают на отражающую поверхность миллиметровой шкалы 1; затем отражаются от нее и в обратном направлении проходят микрообъектив 2, куб-призму 3, 'И изображение штриха проецируется на масштабную сетку 12. Совмещенное изображение штриха и масштабной сетки наблюдается в окуляр 14. При измерении координат катетометром ориентировочно определяют расстояние от объекта измерения до объектива зрительной трубы. Выставляют ось колонки в вертикальное положение по уровню. Поднимают измерительную каретку на высотувыбранной точки объекта и с помощью механического визира грубо выставляют зрительную трубу. Наводят окуляр зрительной трубы на резкое изображение объекта. Зрительную трубу наводят на выбранную точку а объекта так,.чтобы ее изображение расположилось в правой половине сетки посредине углового биссектора на уровне горизонтального штриха. Снимают первый отсчет по масштабной сетке. После перемещения измерительной каретки в положение второй точки б снимают второй отсчет. Размер измеренного отрезка есть разность между двумя отсчетами.

Рис. 7. Катетометр

В соответствии с ГОСТ 19719—74 катетометры изготовляют двух типов: В — вертикальный для измерения вертикальных координат; У — универсальный с приспособлением для измерения горизонтальных координат.

Однокоординатные вертикальные катетометры КМ-6, КМ-8, КМ-9 имеют пределы измерения 0—200, 0—500 и 0—1000 мм и погрешности отсчетного устройства ±1,5; ±2 и ±2 мкм соответственно.

Двухкоординатный универсальный катетометр КМ-7 имеет предел измерения 300X300 мм; погрешность отсчетного устройства ±2 мкм; трехкоординатный модернизированный катетометр КМ-9 имеет предел измерения 1000 мм; погрешность отсчетного устройства ±2 мкм.

Пределы допускаемой погрешности катетометров при измерении по образцовым шкалам 2-го разряда не должны превышать ±(10 + L/100) мкм при диапазонах измерения по шкалам 40— 320 мм и ±(10 + L/50) мкм — по шкалам 500—1250 мм, где L — расстояние от переднего торца объектива зрительной трубы до объекта измерения.

При измерении координат катетометрами возникают погрешности вследствие нарушения принципа компарирования, неточности изготовления отдельных элементов конструкции, погрешностей установки визирных марок на изделие и температурных погрешностей.

16.5 Сферометры

Сферометры — приборы, предназначенные для измерения радиусов кривизны сферических поверхностей косвенным измерением высоты шарового сегмента. Принципиальная схема сферометра ССО (ИЗС-7) показана на рис. 8, а. В корпус стаканообразной формы 4 в верхней части установлено сменное измерительное кольцо 1, на торце которого под углом 120° запрессовано три шарика 10 для базирования измеряемой детали. Внутри корпуса по точным направляющим может перемещаться измерительный стержень 9 с контактным шариком на верхнем конце. В продольном пазу стержня крепится миллиметровая стеклянная шкала 6, подсвечиваемая отраженным от зеркала 3 световым потоком осветителя 2. Изображение миллиметровой шкалы проецируется микрообъективом 7 в плоскость шкал спирального окулярного микрометра 8. Противовес 5 обеспечивает подъем измерительного стержня до контакта (с определенным усилием) шарика с поверхностью сферы.

При измерении радиусов кривизны выпуклых поверхностей, последняя опирается на внутреннюю поверхность кольца, а вогнутых поверхностей — на наружную поверхность кольца, т. е. по точкам Ki, Кг (рис. 8, б).

Рис. 8. Сферометр ССО (ИЗС-7)

При измерении на кольцо устанавливают образцовую стеклянную пластину и снимают первый отсчет; поместив на кольцо измеряемую деталь, снимают второй отсчет. Разность отсчетов и есть высота шарового сегмента.

Радиусы кривизны сферических поверхностей /?₄ и R_z определяются по формулам: для выпуклой сферы Ri — r² + h²/2h— q; для вогнутой сферы Rz=r² + h²j2h + Q.

ГОСТ 11194—76 предусматривает выпуск кольцевых контактных сферометров типов: ССО (ИЗС-7) —стационарный с оптическим отсчетным устройством с установкой детали на приборе; СНО (ИЗС-8)—накладной с оптическим отсчетным устройством с установкой прибора на деталь; СНМ (ИЗС-9)—механическое устройство, измерение сравнением с концевой мерой.

Диапазон измерения радиусов на сферометрах ССО, СНО, СНМ от 10 до 40000 мм: диапазон шкал сферометров ССО, СНО от 0 до 30 мм, а СНМ от 0 до 100 мм; цена деления 1,0 мм; цена деления шкалы отсчетного устройства 0,001 мм.

16.6 Инструментальные и универсальные микроскопы

Инструментальные и универсальные микроскопы — измерительные оптико-механические приборы широкого применения. Их используют в метрологических лабораториях машиностроительных заводов для измерения линейных и угловых геометрических величин.

Рис. 9. Оптическая схема инструментального микроскопа

Инструментальные измерительные микроскопы предназначены для измерения в проходящем и отраженном свете наружных и внутренних геометрических размеров, углов изделий по угломерной головке и столу, резцов, фрез, кулачков, шаблонов и других деталей.

Оптическая схема (большого инструментального микроскопа (БМИ) показана на рис. 9. Свет от лампы 1 проходит парабол-лоидный конденсор 2, линзу 3, светофильтр 4, ирисовую диафрагму 5, отражается от зеркала 6 и с измененным направлением в 90° направляется в линзу 7, а из нее параллельным пучком освещает измеряемый объект, расположенный на предметном столе 8 или в центрах бабки. Объектив 9 проецирует изображение предмета в фокальную плоскость окуляра 14, где установлена сетка 13 угломерной окулярной головки. В задней фокальной плоскости объектива расположена диафрагма 10, сопряженная с ирисовой диафрагмой, в результате чего создается телецентрический ход лучей.

Призма 11 обеспечивает получение прямого изображения и изменяет направление оптической оси в удобном для наблюдателя направлении. Защитное стекло 12 предохраняет от загрязнения оптические детали при смене окулярной головки.

На схеме показана угломерная головка, состоящая из окуляра 14, стеклянного лимба 18 со шкалой от 0 до 360° с ценой деления 1°, сетки 13, которая может вращаться вместе с лимбом; отсчетно-го микроскопа с объективом 17, окуляром 15 с сеткой 16, осветительного устройства 20 и светофильтра 19.

В окулярной головке наблюдают изображение контура объекта и сетку. Симметрично диаметральной штриховой линии справа и слева нанесены по две параллельные штриховые линии на расстоянии 0,3 и 0,9 мм соответственно положению рисок от края измерительных ножей, когда они находятся в контакте с измеряемой поверхностью детали. При наводке совмещаются соответствующие риски ножа и сетки, что значительно повышает точность измерения.