birmaga.ru
добавить свой файл

1

Московский Государственный Технический Университет

им. Н.Э. Баумана

Определение углов между

плоскими поверхностями детали.
Методические указания к лабораторной работе №___ по курсу

« Элементы приборных устройств ».


Москва 2002г.

Цель работы – изучение бесконтактного метода определения углов между плоскими поверхностями детали и погрешностей измерения.
Задача лабораторной работы – ознакомление с техникой измерений на гониометре Г5М и обработкой их результатов, измеряя углы между плоскими поверхностями деталей, указанные преподавателем.


Основные теоретические сведения.
1.Введение
Измерение – это процесс нахождения физической величины с помощью технических средств измерения. Оно применяется в науке и технике для контроля и управления научными экспериментами, контроля параметров изделий, различных технологических процессов, управления движением различных объектов и проч. Средством измерения является техническое устройство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические показатели согласно ГОСТ-у 8.009-72 (цена деления шкалы, диапазон измерений, пределы измерения и др.).

Метрология – это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства, а также способах достижения требуемой точности.

Точность измерений обычно характеризуется погрешностью измерения. Чем меньше погрешность измерения, тем больше его точность.

Погрешность измерения – это отклонение результата измерения (х изм) от действительного ( истинного ) значения измеряемой величины (хд.), определяемое из соотношения изм.изм.д.. Действительным обычно называют значение физической величины, найденное при измерении, т.е.значение образцовой меры или показание образцового средства измерения. Понятие истинного значения физической величины необходимо как теоретическая основа развития теории измерений. Оно соотносимо с понятием абсолютной истины и может быть получено в результате бесконечного процесса измерений с бесконечным совершенствованием методов и средств измерений.


Технические средства измерения (эталоны, меры, образцовые и рабочие средства измерения) и приёмы их использования в совокупности образуют метод измерения.

В зависимости от физического явления или эффекта, положенных в основу измерений, а также технических средств различают прямые и косвенные измерения.

При прямых измерениях искомую величину сравнивают непосредственно с мерой, либо определяют с помощью отсчётного устройства измерительного прибора. Мера –средство измерения, воспроизводящее и (или) хранящее физическую величину одного или нескольких заданных значений, выраженных в установленных единицах с необходимой точностью.

При косвенных измерениях искомую величину определяют расчётом по результатам прямых измерений других величин, связанных с ней определённой зависимостью y =f ( x1; x2 ......xn ), где

y – искомая величина;

x1 ; x2 ........ xn _-значения величин, полученных при прямых измерениях
2. Методы измерений.
По способу получения значений измеряемых физических величин различают: метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой.

Метод непосредственной оценки –метод измерения, при котором значение величины определяют по шкале отсчётного устройства измерительного прибора, прошедшего метрологическую поверку.

Метод сравнения с мерой – метод измерения, при котором измеряемую физическую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

По способу снятия отсчёта с технического средства метод сравнения с мерой разделяют на дифференциальный, нулевой, совпадения.

При дифференциальном методе измеряемая физическая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение. Причём на средство технического измерения воздействует разность сравниваемых величин. Например, измерение массы на рычажных весах уравновешиванием гирями (мерами массы с известным значением).


Нулевой метод – это метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля. Примером может служить измерения электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием.

Методом совпадения называют метод сравнения с мерой, при котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, определяют, используя совпадение штрихов шкал или периодических сигналов. Например, измерение размера штанген-инструментами, при которых наблюдают совпадение отметок шкал штанги и нониуса

Кроме того указанные методы делят на контактные и бесконтактные.

При измерениях контактным методом имеет место непосредственный контакт объекта измерения с чувствительным элементом прибора.

При бесконтактном методе такой контакт с объектом измерения отсутствует.
3. Погрешности измерений.
Погрешности измерения классифицируют по ряду признаков.

В зависимости от причин возникновения различают погрешности метода измерения, погрешности отсчёта, а также приборную и инструментальную погрешность. Все перечисленные погрешности измерения делят по виду на систематические, случайные и грубые.

Систематическими называют погрешности измерений, возникающие в результате действия постоянных причин, вызывающих эти погрешности. При повторных измерениях в одинаковых условиях они остаются постоянными по величине и знаку. Систематические погрешности возникают главным образом из-за конструктивных недостатков измерительных приборов, неправильности их установки, неточной градуировки шкал от изменения температуры, давления, влажности воздуха в помещении, где ведутся измерения и т.п. Влияние систематических погрешностей на результаты измерения может быть выявлено в процессе работы и учтено при обработке её результатов введением систематических поправок.

Случайными называют составляющие погрешности измерения, изменяющиеся по величине и знаку случайным образом в серии повторных измерений, проведённых с одинаковой тщательностью, одного итого же размера физической величины. Они неизбежны и неустранимы и всегда присутствуют в результате измерения. Причинами их возникновения могут быть непостоянство механических свойств материала деталей, различная точность их установки на измерительную позицию, нестабильность температурных условий и т.п. При помощи методов теории вероятностей и математической статистики можно приблизительно оценить только суммарное значение случайных погрешностей.


Грубыми погрешностями (промахами) называют такие погрешности, величины которых резко превышает допустимые значения и явно искажают результаты измерений. Источниками грубых ошибок может быть невнимательность наблюдателя, внезапное изменение внешних условий и т.п. Грубые погрешности выявляют при повторных измерениях и обязательно исключают из результатов измерений.

По способу выражения через результаты измерений различают погрешности абсолютные и относительные.

Погрешности, выраженные в единицах измеряемой физической величины, называют абсолютными. Если х –действительное значение, l - результат измерения, то \ х-l \ =  ,будет абсолютной погрешностью измерения.

Погрешности, выраженные в долях числовых значений измеряемых величин, называют относительными погрешностями. Их обычно выражают в процентах как   .

По обработке результатов ряда измерений погрешности классифицируют на средние арифметические и средние квадратические. Если результаты измерений одной и той же величины l 1 , l 2 ……..ln, то среднее арифметическое L= l 1 + l 2....+

+ l n /n=Σ l / n, где n – количество измерений.

Разности l1 - L = v1 , l2 - L =vn ,.... ln = vn называют абсолютными погрешностями  - го измерения.

Вопрос о выборе числа измерений может быть решён с помощью следующих правил:


  1. Если систематическая погрешность является определяющей, т.е. её величина значительно больше значения случайной погрешности, присущей рассматриваемому методу, то достаточно выполнить измерение один раз.
  2. Если случайная погрешность является определяющей, то следует производить несколько измерений. При этом их число необходимо выбирать таким образом, чтобы случайная погрешность среднего арифметического была меньше систематической ошибки. Практически число измерений должно быть около 10.


Рассеяние значений случайной погрешности измерения линейных и угловых размеров подчиняется закону нормального распределения вероятностей (закону Гаусса). Это рассеяние относительно центра группирования размеров определяется средней квадратической погрешностью, которую вычисляют по формуле Бесселя σ ={Σ v2i/n-1}½

При большом числе измерений сумма вероятностных погрешностей заданного ряда измерений равна нулю. Если Σ vn ≠ 0,то в результаты измерения вошли систематические погрешности, которые необходимо выявить и исключить.

Точность результата измерений характеризуется средней квадратической погрешностью S среднего арифметического, принимаемого за истинное значение измеряемой величины, т.е. S= σ / √ n ={ Σ  / n(n-1) }.½

Практическое поле рассеяния случайной погрешности при её распределении по закону Гаусса определяется как пред.= . Вероятность выхода случайной погрешности измерения за пределы  равна 00027.
4. Устройство и работа гониометра Г5М.
Гониометр Г5М является контрольно-измерительным прибором лабораторноготипа, предназначенным для следующих технических измерений:

углов между нормалями к плоским полированным поверхностям твёрдых прозрачных и непрозрачных деталей;

пирамидальности призм и т.п.

Гониометр – точный оптический прибор и требует бережного,

осторожного отношения. Внешний вид прибора показан на рис.1,где

1 –автоколлиматор с автоколлимационным окуляром 2;

3 –отсчётный микроскоп;

4 –стойка; 5 –столик; 6 –корпус;

7 –колпачок лампы подсветки; 8 –шнур электропитания с вилкой.
Описание конструкции Г5М.

Гониометр Г5М рис. 2,3 состоит из массивного корпуса (14) с двумя подъёмными винтами (12), автоколлиматора (1) с автоколлимационным окуляром-кубом (21),который закреплён с помощью кольца (20)отсчётного устройства (находящегося внутри корпуса) с микроскопом (22).Автоколлиматор и отсчётный микроскоп (22) установлены на стойке (23),которая неподвижно закреплена на корпусе прибора.


В средней части корпуса (14) жёстко закреплена осевая система со столиком (15), на который устанавливается измеряемая деталь с помощью приспособления для крепления образцов.

Внутри корпуса расположено отсчётное устройство, состоящее из стеклянного лимба, отсчётного мостика, соединяющего диаметрально противоположные штрихи лимба наблюдаемого в поле зрения отсчётного микроскопа, а также самого отсчётного микроскопа (22).Лимб освещается устройством подсветки, лампа которого закрыта колпачком (10).Конструкция столика (15) включает съёмный диск (7),закреплённый винтами (8),набор колец (30),позволяющих изменять высоту столика, и две подвижные части (верхний и нижний столик ),снабжённые микрометрическими винтами (17 и 18) для точного вращения столика, а также зажимными винтами (16 и 29).

Винты (6 и 9) осуществляют наклон столика в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Маховичок (3) служит для установки коллиматора на по шкале (19).

Автоколлимационный окуляр-куб (рис.4.1) предназначен для измерения углов между нормалями к плоским поверхностям детали в плоскости производимого измерения автоколлимационным методом.

Окуляр-куб состоит из корпуса 6,осветителя 10,проекционной сетки 3, окуляра 4, окулярной сетки 5, призмы-куба 7, контакта 8, кольца 9.

Свет от лампы 2 освещает проекционную сетку 3.Вид проекционной сетки показан на рис.4.2.

Светоделительная призма-куб 7 (рис.4.1) отражает свет, идущий от проекционной сетки 3 в объектив автоколлиматора, а свет, идущий от объектива, пропускает на окулярную сетку 5, где формируется автоколлимационное изображение проекционной сетки 3, отражённое от измеряемой детали. Полученное изображение наблюдается с помощью окуляра 4. Вид окулярной сетки 5 показан на рис.4.3.

На торце корпуса (14) рис.2 расположена панель блока питания рис5.

Прибор включается в сеть переменного тока общим выключателем, выходящим на переднюю панель 1.Сигнальная лампа 2,переключатель 3напряжения 220 В. или 127 В, держатель 4 с плавкой вставкой, общий выключатель 6 смонтированы на плате 5 блока питания. Блок питания находится внутри прибора и закрыт передней панелью 1.


Для крепления измеряемой детали на столике Г5М предусмотрено приспособление (рис.6),состоящее из пластины (1),гаек (2,4) и винта (3).Установка пластины по высоте и фиксация её в нужном положении производится гайками (2,4). Головка винта выполнена в виде направляющей, которая входит в паз столика гониометра.
5. Сведения по технике безопасности.


  1. Перед включением необходимо убедиться в наличии плавкой вставки 4 (рис.5).

  2. Произвести заземление прибора, подсоединив заземляющий провод к шпильке 11 (рис.2).

  3. При снятой панели 24 (рис.3) включать прибор в сеть запрещается.

  4. Установить переключатель 3 (рис.5) напряжения сети 127В 220В в положение, соответствующее напряжению питания сети.

  5. По окончании работ прибор необходимо обесточить, установив общий выключатель 6 (рис.5) в положение ВЫКЛ. и вынув вилку прибора из розетки сети.



6. Подготовка гониометра к измерениям.
Перед началом работы на гониометре Г5М необходимо:

  1. установить гониометр по уровню (26) рис.2.Для этого винтами (12) рис.2 добиться, чтобы пузырёк уровня находился посередине круговой риски его ампулы;

  2. выставить визирную ось автоколлиматора перпендикулярно к оси вращения столика. Для этого необходимо установить столик в горизонтальное положение по накладному уровню, имеющемуся в комплекте гониометра.

Установка столика в горизонтальное положение производится следующим образом. Установить накладной уровень на столик в продольном направлении и вывести пузырёк уровня на середину винтом 9.Повернуть столик с уровнем на 1800.Если пузырёк уровня не установился посередине ампулы уровня, то выставку производят винтом 9 и соответствующим винтом 12 (рис.2),исправляя каждым половину значения отклонения пузырька уровня от середины.

Поворотом столика с уровнем в исходное положение проверить достаточность выставки столика в горизонтальное положение. В случае надобности выставку повторить, затем установить накладной уровень в поперечном направлении винтом 6 и соответствующим винтом 12 вывести пузырёк на середину, как в предыдущем случае.


Дальнейшая проверка производится с помощью плоскопараллельной пластины, имеющейся в комплекте гониометра. Для этого пластину узкой полированной гранью (основанием) устанавливают на столике гониометра. Винтом 9 добиваются, чтобы перекрестие сетки автоколлиматора совпало с автоколлимационным изображением, полученным от пластины, т.е. полированная грань пластины была перпендикулярна к визирной оси автоколлиматора.

Повернув столик на 1800, проверяют совпадение по вертикали перекрестия автоколлиматора и его автоколлимационного изображения от второй грани пластины.

При несовпадении производят выставку винтом 9 и наводящим винтом 4 автоколлиматора, исправляя каждым из них половину значения несовпадения.

Выставку пластины производят до точного совмещения перекрестий.
7. Методика измерения углов между плоскими поверхностями деталей на гониометре Г5М.
После подготовки гониометра к измерениям, установить деталь на столике так, чтобы одна из плоских её поверхностей, угол между которыми определяется, была перпендикулярна визирной оси автоколлиматора. При этом автоколлимационное (отражённое) изображение проекционной сетки должно быть в поле зрения окуляра автоколлиматора. Вращением столика с лимбом совмещают вертикальный штрих автоколлимационного изображения проекционной сетки с вертикальным штрихом перекрестия окулярной сетки (рис.7) и снимают отсчёт А по лимбу и шкале отсчётного микроскопа. Поле зрения отсчётного микроскопа приведено на рис.7.

В левом окне наблюдаются изображения диаметрально противоположных участков лимба и вертикальный индекс для отсчёта градусов и десятков минут, а в правом окне – деления шкалы оптического микрометра и горизонтальный индекс для отсчёта единиц минут и секунд.

Чтобы снять отсчёт по лимбу, необходимо повернуть маховичок 13 ( рис.2 ) оптического изображения штрихов лимба в левом окне точно совместились. Число градусов будет равно видимой ближайшей левой от вертикального индекса 0 цифре (рис.7).Число десятков минут равно числу интервалов, заключённых между верхним штрихом, который соответствует отсчитанному числу градусов, и нижним оцифрованным штрихом, отличающимся от верхнего на 1800.


Число единиц минут отсчитывается по шкале микрометра в правом окне по левому ряду чисел.

Число десятков секунд – в том же окне по правому ряду чисел. Число единиц секунд равно числу делений между штрихами, соответствующими отсчёту десятков секунд, и неподвижным горизонтальным индексом. Положение, показанное на рис.7,соответствует отсчёту 00 15' 57''.

Затем поворотом столика с лимбом находят автоколлимационное изображение от второй плоской поверхности детали аналогично предыдущему. Разность отсчётов А–В=β определяет угол, который связан с углом между плоскими поверхностями α измеряемой детали через соотношение α=1800–β (см. рис.8.)Каждое измерение повторяется несколько раз
8. Порядок выполнения лабораторной работы.
1.Внимательно ознакомьтесь с основными теоретическими сведениями, устройством гониометра, методикой измерения, сведениями по технике безопасности и подготовкой гониометра к работе.

2.Ответьте на контрольные вопросы лабораторной работы, указанные в конце описания.

3.Получите разрешение преподавателя к проведению эксперимента.

4.Включите гониометр в сеть, затем установите общий выключатель 6 (рис.5) в положение СЕТЬ, при этом должны загореться сигнальная лампа на передней панели, лампа подсветки лимба, закрытая колпачком 10 ( рис.2),и лампа автоколлимационного окуляра 21 ( рис.3).

5.Проверить установку гониометра по уровню 26 ( рис.3 ).

6.Проверить и выставить столик гониометра 15 по накладному уровню в горизонтальное положение (см. поз.5 .)

7.Установить измеряемую деталь на столик так, чтобы одна из граней измеряемого угла располагалась приблизительно перпендикулярно к визирной оси автоколлиматора и оси винта 9 ( рис.1).При этом в поле зрения окуляра должно появиться автоколлимационное изображение перекрестия проекционной сетки от 1 грани измеряемого угла. Вращая рукой столик с лимбом, наблюдаем автоколлимационное изображение перекрестия от 11 грани угла . Далее действуя винтами 6 и 9 наклона столика добиться, чтобы смещение автоколлимационного штриха проекционной сетки относительно горизонтального штриха сетки окуляра при наблюдении 1 и 11 грани измеряемого угла было минимальным.


8.Вращением столика от руки вернуться к 1 грани, совместив вертикальные штрихи автоколлимационной сетки окуляра. Затем застопорив столик зажимным винтом 29, совместим более точно штрихи сеток винтом 18 (рис.3).

9.Снять отсчёт А1 по шкале оптического микрометра, сводя изображения диаметрально противоположных штрихов лимба вращением маховичка 13,наблюдая в отсчётный микроскоп.

10.Развести и снова совместить изображения штрихов с помощью микрометрического винта 18 и снять повторные измерения, сводя штрихи лимба маховичком 13 микрометра (произвести 3 ….5 измерений).

11.Вращением столика от руки, а затем микрометрическим винтом 18 произвести наведение автоколлиматора на 11 грань измеряемого угла детали и снять отсчёты аналогично предыдущим.

12.Результаты измерений занести в таблицу 1.

13.Определить значения измеряемого угла и погрешность результата измерения.

Таблица 1







1 грань




11 грань

 = А - В



00 - 

А1

 

В1

134058

120000

-0,5

59059

А2

254 0 58

В2


134056

1200 00

-2,9

59059

А3

254 0 58

В3

134058

120000

+1,4

59059

Среднее арифметическое

2540 

134 0 58 

120 0 00

-1,8

59059



Контрольные вопросы к лабораторной работе





  1. Что такое метрология, измерение, точность

  2. Классификация методов измерения.

  3. Погрешность измерения.

  4. Классификация погрешностей измерения.

  5. Средняя квадратическая погрешность.

  6. Как подготовить гониометр к работе

  7. В чём заключается методика измерения угла между плоскими поверхностями детали на гониометре

  8. Как снять отсчёт по лимбу

  9. Как определить число градусов, число десятков минут, число единиц минут, число десятков секунд и число единиц секунд

10.Из каких основных узлов состоит гониометр Г5М

11.Вид поля зрения отсчётного микроскопа.