Цель: Изучение оптических приборов

1. Оптические приборы.
2. Оптиметр
3. Оптический длинномер
4. Пневматическими измерительными приборами

Действие оптических (оптико-механических) приборов основано на использовании световой энергии. С помощью приборов, дающих действии­тель­ное изображение предмета и имеющих в плоскости изображений пластинки с делениями или перекрестием, можно про­изводить измерения двояким путем.

1. Оптическая система вместе с жестко с ней связанной штрихо­вой пластинкой может перемещаться относительно предмета. Точ­ность визиро­вания в основном обусловливается увеличением, дава­емым микроскопом. Величина перемещения измерительного прибо­ра равняется измеряемому размеру изделия. Погрешность при из­мерении этого перемещения входит целиком в результат измерения. Определение масштаба изображения в этом случае не обязательно.

2. Оптическая система неподвижна; штриховая пластина либо переме­щается в плоскости изображения предмета относительно са­мого изобра­жения, либо имеет шкалу. Средством измерения явля­ется оптическая система.

Точность визирования (контакта) с измеряемой поверхностью та же, что и в первом случае. Величина перемещения штриховой пластинки соот­ветствует размерам действительного изображения. Следовательно, в резуль­тат измерения входит погрешность масш­таба изображения, поэтому она должна быть точно известна, а изо­бражение строго подобно предмету. Для этого целесообразно при­менять телецентрический ход лучей.

Оптические приборы подразделяют на три разновидности:

1) приборы с оптическим способом визирования с измеряемой поверх­ностью и механическим измерением перемещения точки ви­зирования;

2) приборы с механическим соприкосновением с контролиру­емым из­делием и оптическим измерением перемещения точки со­прикосновения;

3) приборы с оптическим устройством для наблюдения конт­ролируе­мого изделия и оптическим измерением перемещения точки визирования.

1. К приборам первой разновидности относят инструментальные мик­роскопы и проекторы.

Микроскопы инструментальные предназначены для изме­рения наруж­ных и внутренних линейных и угловых размеров изде­лий в прямоугольных и полярных координатах (ГОСТ 8074—82). Они состоят из головки главного микроскопа и приспособления, с помощью которого либо сама головка, либо контролируемое изделие могут перемещаться в одном или двух взаимно перпен­дикулярных направлениях. Во многих конструкциях микроскопов окулярная штриховая пластинка может вращаться, что позволяет произ­водить, кроме линейных, и угловые измерения.

Величина перемещения измерительного стола определяется с по­мощью окулярного микрометра, концевых мер или штриховой меры. Отсчеты по шкалам чаще всего производят с помощью отсчетных окуляров с неподвижными делениями.

Инструментальные микроскопы используют чаще всего непо­средственно на рабочих местах, а также для измерения параметров резьбы. Изготовляют в основном двух видов: малая модель — ММИ и большая модель — БМИ, которые различаются диапазо­ном измерения.

Прибор ММИ имеет диапазон измерения 75 мм в продольном направлении и 25 мм в поперечном. Величина отсчета по микропаре 0,01 мм. При размере свыше 25 мм используют концевые меры длины. Прибор БМИ имеет диапазон измерения до 150 мм в про­дольном направлении и 50 мм в поперечном. Величина отсчета на микропаре 0,005 мм, что достигается в основном увеличением диа­метра барабана микропары. Появились микро­скопы, у которых микропара снабжается импульсными устройствами с цифровым отсчетом.

Проектором в машиностроении называется оптический при­бор, в котором оптическое устройство формирует изображение измеряемого объекта на рассеивающей поверхности, служащей эк­раном (ГОСТ 19795—82). Проектор служит для контроля и измере­ния изделий, имеющих сложный контур (профильные шаблоны). С помощью отраженного света можно измерять также контуры заточек, канавок, расстояние между центрами нескольких отвер­стий. Различают:

контроль увеличенного действительного изображения, спроектирован­ного на экран или матовое стекло;

измерение с помощью координатного измерительного стола и измери­тельного перекрытия на экране.

В первом случае необходимы объектив с телецентрическим хо­дом лучей и плоскостность изображения; масштаб изображения должен быть отъюстирован на расстояние экран — объектив. По­этому увеличенный профиль сравнения (эталонный образцовый чер­теж) должен лежать строго в плоскости проекционного экрана; чертеж не должен быть покрыт стеклянной пластинкой, так как иначе изменяется оптическая длина пути.

Необходим контроль масштаба изображения, который произ­водится путем измерения проекционного изображения с помощью точной шкалы. При необходимости увеличения меняют объектив и производят подгонку телецентрического хода лучей от осветителя.

Во втором случае предмет перемещают в прямоугольной систе­ме координат; оптическая система является только средством визи­рования. Не требуется точной юстировки масштаба изображения, так как он лишь повышает точность измерения или визирования.

2. Приборы второй разновидности основаны на получении авто­коллимационного изображения. Автоколлимацией называется ход световых лучей, при котором они, выйдя из некоторой части оп­тической системы параллельным пучком, отражаются от плоского качающегося зеркала и проходят систему в обратном направлении. К этим приборам относят: оптиметр вертикальный и горизонталь­ный; оптический длиномер вертикаль­ный и горизонтальный; ин­терферометр; измерительную машину; гониометр. Приборы этой группы применяют для измерения методом сравнения с установоч­ной мерой (размер концевых мер длины) или сравнением размера со шкалой, встроенной непосредственно в прибор.

Оптиметр — прибор для измерения линейных размеров срав­нением с мерой, преобразовательным элементом в котором являет­ся рычажно-опти­ческий механизм. Непосредственно измерительной головкой в этом приборе является трубка оптиметра, которая бы­вает окулярного и проекционного (экранного) типов. В трубке окулярного типа наблюдатель смотрит в окуляр и отсчитывает значения размера по шкале, а в трубке проекционного типа — отсчет производится на экране.

Оптиметры изготовляют в двух вариантах: вертикальные — с верти­кальной линией измерения и горизонтальные — с горизон­тальной линией измерения. Вертикальный оптиметр предназначен для контактных измерений при контроле наружных линейных раз­меров методом сравнения измеряемого изделия с концевыми мера­ми, калибрами или деталями-образцами. Гори­зонтальный опти­метр предназначен для тех же целей, но позволяет кроме измерений наружных размеров проводить измерения внутренних размеров.

Стол горизонтального оптиметра может совершать ряд линейных и угловых перемещений, позволяющих проводить точную установ­ку детали по линии измерения. Как вертикальные, так и горизон­тальные оптиметры выпускают с отсчетом в окуляре или на проек­ционном экране (ОВО-1, ОВЭ-02, ОВЭ-1).

Оптический длиномер — прибор для измерения линейных размеров сравнением со значением по шкале, встроенной в этот прибор и перемещающейся вместе с измерительным стержнем. Дробные значения отсчитываются по шкале с помощью нониуса, встроенного в специальный окулярный или проекционный микро­скоп.

В зависимости от конструкции стоек, в которых устанавливают длино­меры, они, как и оптиметры, бывают вертикальные и гори­зонтальные (ИЗВ-1; ИЗВ-2; ИЗВ-3). Горизонтальные длиномеры делят на группы в зависимости от их назначения.

Длиномеры на горизонтальных стойках типов ИЗВ предназначе­ны для тех же целей, что и горизонтальные оптиметры, но измере­ния здесь ведут непосредственным прямым методом, без примене­ния установочных мер длины. Горизонтальный длиномер типа ИКУ-2 предназначен для измерения наружных и внутренних линей­ных и угловых размеров в прямоугольных и полярных координатах.

Длиномеры и измерительные машины относят к группе прибо­ров, предназначенных для измерения больших длин по одной оси координат.

Погрешность измерения длиномером зависит от измеряемого размера и температурных условий. При рекомендуемых условиях измерения погреш­ность измерения составляет от 1,5 до 3 мкм, при использовании только шкалы длиномера. При измерении методом сравнения с концевыми мерами длины первого класса погрешность составляет от 1,5 до 2,5 мкм.

Гониометры служат для измерения углов бесконтактным ме­тодом с помощью автоколлиматора непосредственно по лимбу. Гониометры выпус­кают следующих типов: ГС-1, ГС-2, ГС-5, ГС-10, ГС-30 с ценой деления 1; 2; 5; 10 и 30" соответственно и по­грешностью измерения любого угла одним приемом из трех на­ведений и отсчетов на любом участке лимба соответственно 1; 2; 5; 10 и 30". Серийно выпускают гониометры типов ГС-1М, ГС-5, ГС-10 и ГС-30.

Принципиальная схема устройства гониометров в основном одинакова. В основании прибора на опорах неподвижно установ­лена ось вращения прибора, на которую крепится лимб, алидада и предметный столик. Лимб может вращаться совместно со столи­ком или совместно с алидадой. Алидада имеет отсчетное устрой­ство и колонку со зрительной трубой, к которой прилагаются автоколлимационные окуляры.

Отсчетное устройство представляет собой оптический микро­метр. У большинства гониометров на основании неподвижно укреп­лена колонка с установленным на нем коллиматором. Коллиматор служит для измерения углов и других различных оптических изме­рений.

Более точным и усовершенствованным прибором является гони­ометр-спектрометр ГС-1М. Серийно выпускаемые образцы имеют предел допус­каемой погрешности измерения углов ± 2 ".

Диаметр делительной окружности лимба составляет 412 мм, цена деления лимба 10", цена деления шкалы оптического микроме­тра 0,5"; диаметр предметного столика 150 мм.

Гониометры поверяют по ГОСТ 13419—74.

Оптические делительные головки (ОДГ). Головки предназ­начены для проведения угловых измерений и делительных работ. Выпускают делительные головки следующих типов: ОДГЭ-1, ОД-ГЭ-2, ОДГЭ-5.

Принцип действия ОДГ основан на сравнении контролируемых угловых величин с углами поворота их шпинделя, отсчитываемыми по точному лимбу. Основными деталями головки являются оп­тический лимб и шпиндель. Лимб неподвижно укреплен на шпин­деле внутри корпуса. Шпиндель вращается в подшипниках, закреп­ленных в корпусе головки. В нижней части корпуса головки рас­положен червяк, сцепляющийся с червячным колесом, закреплен­ным на шпинделе. Установленные углы отсчитывают с помощью отсчетного микроскопа.

ОДГ могут быть использованы как технологическое приспособ­ление для поворота изделий на заданный угол при легких работах на металлорежущих станках.

Делительные головки поверяют по ГОСТ 8.046—73.

Интерферометр — измерительный прибор, основанный на интер­ференции света. Принцип действия всех интерферометров одинаков и различаются они только способами получения так назы­ваемых когерентных пучков света, т.е. таких складываемых пучков, которые обладают постоянст­вом разности фаз: при их сложении определяется амплитуда суммарных колебаний.

Контактные интерферометры предназначены для измере­ния наружных размеров с использованием пластин стеклянных (ГОСТ 2923—75).

Диапазон измерения вертикального интерферометра до 150 мм, гори­зонтального — до 500 мм.

Погрешность измерения вертикальными интерферометрами при ис­пользовании концевых мер длины второго разряда составляет от 0,25 до 0,4 мкм. Эти интерферометры чаще всего используют для аттестации концевых мер длины на третий разряд.

Измерительная машина — прибор для измерения линейных размеров сравнением со шкалой, встроенной неподвижно в этот прибор, с отчетом дробных значений с помощью дополнительной шкалы, перемещающейся вместе с одним измерительным наконеч­ником и по трубке оптиметра (тип ИЗМ-1, 2, 4, 6). Принципиаль­ное построение машины аналогично опти­ческому длиномеру, т. е. имеется шкала с большим интервалом, который делится с по­мощью дополнительной шкалы, и устройство для отсчета значений с ценой деления 0,001 мм. Измерительные машины предназначены в основном для измерения больших размеров (более 1000 мм) и относятся к горизонтальному типу. Измерения на машине произ­водятся непосредст­венным методом или методом сравнения с ме­рой. При измерении методом сравнения с мером отсчитывается отклонение от настроенного размера с использованием шкалы трубки оптиметра.

Применяют измерительные машины в основном для аттестации больших концевых мер длины и очень часто — для определения размера микрометрических нутромеров после их сборки.

Технические характеристики задаются интервалом размера в об­щем диапазоне до 10000 мм. Погрешность измерения на машинах методом сравнения с мерой размеров до 500 мм от 0,4 до 2 мкм. При измерении методом непосредственной оценки, т. е. с исполь­зованием всех шкал, погрешность измерения при рекомендуемых условиях составляет от 1 до 20 мкм.

3. Основными представителями третьей разновидности оптичес­ких приборов являются универсальный микроскоп и универсальный измеритель­ный микроскоп (УИМ). К этому виду приборов относят­ся и бесконтактные интерферометры.

Универсальным микроскопом называется оптический при­бор для измерения линейных и угловых размеров в плоскости с визированием измеряемых точек или линий с помощью микроско­па и отсчетом значений размера по оптическим шкалам.

УИМ представляет собой двухкоординатную измерительную машину (КИМ). Если в КИМ определяется размер только в одном направлении, то в УИМ измерения производятся и в перпендику­лярном направлении. Положение продольных и поперечных салазок определяется по стеклянным шкалам с помощью отсчетных микро­скопов, снабженных окулярами со спиральным кониусом. При из­мерении резьб для повышения точности часто используют измери­тельные ножи.

УИМ имеет диапазон измерений в продольном направлении 200 мм, в поперечном 100 мм. Цена деления отсчетных линейных устройство 0,001 мм, а угломерного устройства Г. Изготовляют микроскопы для измерения размеров до 500 мм по продольной шкале и 200 мм — по поперечной. Отсчет размеров может производиться по проекционному устройству (экранный). В не­которых проекционных микроскопах имеется цифровой отсчет размера. Приборы обычно снабжаются всевозможной оснасткой для проведения различных измерений, поэтому они и называются универсальными.

Применение лазеров для линейных измерений. Исполь­зование лазеров, особенно газовых лазеров видимого диапазона, чрезвычайно расширило область применения оптических методов измерения расстояний и углов. Пространственная погрешность ла­зерного света позволяет коллимировать пучки с расходимостью, вызванной только дифракцией. Благодаря этому приборы с приме­нением лазера обеспечивают угловую точность около 1 мкрад при работе на расстояниях порядка сотен метров.

Лазеры создают излучение наиболее высокой интенсивности по сравнению со всеми известными источниками света. Интенсивность лазера превышает наибольшую интенсивность неотфильтрованных некогерентных источников света примерно в 10⁵ раз. Поэтому визирование можно выполнять путем непосредственной посылки пучка света в заданном направлении, а интерферометрические изме­рения проводить в нормально освещенном помещении и даже на открытом воздухе. Дистанции, на которых можно выполнять оп­тические измерения, возрастают при этом во много раз.

Одним из наиболее простых способов применения лазеров явля­ется метод визирования. Установив лазер, можно идти вдоль его условной «оптической струны», выверяя положения различных эле­ментов конст­рукции. Визирование может быть дополнительно обес­печено серво­контролем. Технику визирования широко применяют при сборке и монтаже самолетов, нефтехимического оборудования, кораблей, при нивелировании, проходке туннелей, юстировке мно­гоэлементных оптических систем, при строительстве больших со­оружений.

Основным и наиболее распространенным методом измерения с помощью лазеров является измерение длины с использованием обычной оптической интерференции для коротких дистанций и тех­ники модули­рованного света для длинных. Высокая временная ко­герентность газового лазера позволяет подсчитать число полос интерференции для значительно больших оптических путей.

Многие из существующих устройств для интерференционного измере­ния длины с помощью лазера имеют высокую точность. Точность каждого из них определяется главным образом степенью стабилизации частоты при­меняемого лазера и реально может быть порядка 10^–9 — 10^–10.

Высокая интенсивность луча лазера позволяет получить интер­ференционную картину, если в качестве отражателя в одном из плеч интерферометра использовать поверхность металла. Поэтому с по­мощью лазеров можно осуществлять также непрерывный интерферометрический контроль размеров деталей в производственном процессе.

Весьма перспективным является использование лазеров в много­координатных устройствах. Лазерные интерферометры и цифровая техника сделали доступными контроль крупногабаритных изделий по отклонениям размера, формы и расположения по новым мето­дам оценки (см. гл. 4).

Особое развитие получает голографическая интерферометрия. Голо­графический метод позволяет записать на фотоэмульсию свое­образную картину волнового поля, которую называют голограм­мой. Такая запись стала практически возможной с использованием лазера. Голографическая интер­ферометрия значительно расширяет область интерферометрических измере­ний и является одним из очень перспективных направлений развития техники линейных из­мерений.

В лазерных интерферометрах цехового назначения применяют лазерный измеритель перемещений ТПЛ-ЭОК1 с устройствами ав­томатического управления и ЭВМ. Цифровые растровые системы имеют унифицированную схему и оснастку, блок цифровой ин­дикации. Одно­временно информация выводится на специальную шину в двоично-десятичном коде. Имеется кнопка установки нуле­вого положения показаний, что дает возможность реализации изме­рений по методу сравнения с мерой. Преобразователь перемещается по стойке. Прибор имеет стойку и измерительный столик, позволя­ющий проводить измерения как в вертикальной, так и горизонталь­ной плоскости.

Фотоэлектрические устройства широко применяют для контроля раз­меров прокатываемых и протягиваемых изделий (полосы, лен­ты, трубы, проволока), при автоматизации измерений на проек­торах, в различных контрольно-сортировочных автоматах, а также в высокоточных растровых и интерференциальных измерительных системах.