Микрометр , иногда называемый микрометрическим винтовым калибром , представляет собой устройство, включающее калиброванный винт, широко используемое для точного измерения компонентов [1] в машиностроении и обработке, а также в большинстве механических отраслей, наряду с другими метрологическими приборами, такими как циферблатные , нониусные и цифровые штангенциркули . Микрометры обычно, но не всегда, имеют форму штангенциркулей (противоположные концы соединены рамкой). Шпиндель представляет собой очень точно обработанный винт, а измеряемый объект помещается между шпинделем и наковальней. Шпиндель перемещается путем поворота храповой ручки или напёрстка до тех пор, пока измеряемый объект не будет слегка соприкасаться как шпинделем, так и наковальней.
Микрометры также используются в телескопах и микроскопах для измерения видимого диаметра небесных тел или микроскопических объектов. Микрометр, используемый с телескопом, был изобретен около 1638 года Уильямом Гаскойном , английским астрономом. [2]
Слово микрометр — это неоклассическое слово , образованное от греческого : μικρός , романизированного : micros , букв. «маленький» и греческого : μέτρον , романизированного : metron , букв. «мера». Согласно словарю Merriam-Webster Collegiate Dictionary [3] , это слово было заимствовано в английский язык из французского, и его первое известное появление в английской письменности относится к 1670 году. Ни метр , ни микрометр (мкм), ни микрометр (устройство), как мы их знаем сегодня, в то время не существовало. Однако люди того времени действительно нуждались и интересовались способностью измерять мелкие вещи и небольшие различия. Это слово, несомненно, было придумано в отношении этого начинания, даже если оно не относилось конкретно к его современным значениям.
Первый микрометрический винт был изобретен Уильямом Гаскойном в XVII веке как усовершенствование нониуса ; он использовался в телескопе для измерения угловых расстояний между звездами и относительных размеров небесных объектов.
В Лондонском музее науки хранится экспонат «Концевой измерительный инструмент Джеймса Уатта с микрометрическим винтом, 1776», который, по утверждению музея науки, вероятно, является первым изготовленным винтовым микрометром. Этот инструмент предназначен для очень точного измерения предметов путем помещения их между двумя наковальнями, а затем продвижения одного с помощью тонкого микрометрического винта до тех пор, пока оба не соприкоснутся с объектом, расстояние между ними точно регистрируется на двух циферблатах. Однако, как отмечает музей науки, существует вероятность, что этот инструмент был изготовлен Уаттом не около 1776 года, а в 1876 году, когда он был выставлен на Специальной выставке научных инструментов в Южном Кенсингтоне того года. [4]
Генри Модсли построил настольный микрометр в начале 19 века, который его сотрудники в шутку прозвали «лорд-канцлером», потому что он был окончательным судьей по точности измерений и правильности работы фирмы. [5] В 1844 году были опубликованы подробности о микрометре для мастерской Уитворта . [6] Он был описан как имеющий прочную раму из чугуна, противоположные концы которой представляли собой два тщательно обработанных стальных цилиндра, которые перемещались продольно под действием винтов. Концы цилиндров, где они встречались, имели полусферическую форму. Один винт был снабжен колесом, градуированным для измерения до десятитысячной доли дюйма. Его целью было снабдить обычных механиков инструментом, который, хотя и давал очень точные показания, все же не был бы очень подвержен сбоям из-за грубого обращения в мастерской .
Первая задокументированная разработка ручных микрометрических винтовых штангенциркулей была сделана Жаном Лораном Палмером из Парижа в 1848 году; [7] поэтому устройство часто называют palmer на французском языке, tornillo de Palmer («винт Палмера») на испанском языке и calibro Palmer («штангенциркуль Палмера») на итальянском языке. (Эти языки также используют однокоренные слова для микрометра : micromètre, micrómetro, micrometro .) Микрометрический штангенциркуль был представлен на массовом рынке в англоязычных странах компанией Brown & Sharpe в 1867 году, [8] что позволило проникнуть использованию инструмента в средний механический цех. Brown & Sharpe были вдохновлены несколькими более ранними устройствами, одним из которых была конструкция Палмера. В 1888 году Эдвард У. Морли повысил точность микрометрических измерений и доказал их точность в сложной серии экспериментов.
Культура точности и прецизионности инструментального цеха , которая началась с пионеров взаимозаменяемости , включая Грибоваля , Тусара , Норта , Холла , Уитни и Кольта , и продолжилась такими лидерами, как Модслей, Палмер, Уитворт , Браун, Шарп, Пратт , Уитни , Леланд и другими, выросла в эпоху машин и стала важной частью объединения прикладной науки с технологией . Начиная с начала 20-го века, никто больше не мог по-настоящему овладеть изготовлением инструментов и штампов , станкостроением или инженерией без некоторых знаний в области метрологии, а также наук химии и физики (для металлургии , кинематики / динамики и качества ).
Каждый тип микрометрического штангенциркуля может быть оснащен специализированными наковальнями и наконечниками шпинделя для конкретных измерительных задач. Например, наковальня может быть сформирована в форме сегмента винтовой резьбы , в форме V-образного блока или в форме большого диска.
Микрометры используют винт для преобразования малых расстояний [9] (которые слишком малы для непосредственного измерения) в большие вращения винта, которые достаточно велики для считывания со шкалы. Точность микрометра вытекает из точности форм резьбы, которые являются центральными в основе его конструкции. В некоторых случаях это дифференциальный винт . Основные принципы работы микрометра следующие:
Например, если ход винта составляет 1 мм, но большой диаметр (здесь, внешний диаметр) составляет 10 мм, то окружность винта составляет 10π, или около 31,4 мм. Таким образом, осевое перемещение на 1 мм усиливается (увеличивается) до окружного перемещения на 31,4 мм. Это усиление позволяет небольшой разнице в размерах двух похожих измеряемых объектов коррелировать с большей разницей в положении наперстка микрометра. В некоторых микрометрах еще большая точность достигается за счет использования дифференциального винтового регулятора для перемещения наперстка с гораздо меньшими приращениями, чем это допускает одинарная резьба. [10] [11] [12]
В классических аналоговых микрометрах положение барабана считывается непосредственно с отметок шкалы на барабане и втулке (названия деталей см. в следующем разделе). Часто включается шкала нониуса , которая позволяет считывать положение с точностью до доли наименьшей отметки шкалы. В цифровых микрометрах электронное считывающее устройство отображает длину в цифровом виде на ЖК-дисплее прибора. Существуют также механические цифровые версии, например, в стиле автомобильных одометров , где цифры «переворачиваются» .
Микрометр состоит из:
Микрометры — это высокоточные приборы. Правильное их использование требует не только понимания их работы, но и природы объекта и динамики между прибором и объектом при его измерении. Для простоты на рисунках и в тексте ниже предполагается, что вопросы, связанные с деформацией или определением измеряемой длины, незначительны, если не указано иное.
Шпиндель микрометра, градуированный для имперской и американской систем измерения , имеет 40 нитей на дюйм, так что один оборот перемещает шпиндель в осевом направлении на 0,025 дюйма (1 ÷ 40 = 0,025), что равно расстоянию между соседними делениями на втулке. 25 делений на барабане позволяют дополнительно разделить 0,025 дюйма, так что поворот барабана на одно деление перемещает шпиндель в осевом направлении на 0,001 дюйма (0,025 ÷ 25 = 0,001). Таким образом, показание дается числом целых делений, которые видны на шкале втулки, умноженным на 25 (число тысячных дюйма , которое представляет каждое деление), плюс число этого деления на барабане, которое совпадает с осевой нулевой линией на втулке. Результатом будет диаметр, выраженный в тысячных долях дюйма. Поскольку цифры 1, 2, 3 и т. д., указанные под каждым четвертым делением на обложке, обозначают сотни тысячных, показания можно легко снять.
Предположим, что напёрсток выкручен так, что градуировка 2 и три дополнительных подделения видны на втулке (как показано на рисунке), и что градуировка 1 на напёрстке совпадает с осевой линией на втулке. Тогда показание будет 0,2000 + 0,075 + 0,001 или 0,276 дюйма.
Шпиндель обычного метрического микрометра имеет 2 нити на миллиметр, и, таким образом, один полный оборот перемещает шпиндель на расстояние 0,5 миллиметра. Продольная линия на втулке градуирована с делениями в 1 миллиметр и 0,5 миллиметра. Наперсток имеет 50 делений, каждое из которых составляет 0,01 миллиметра (одна сотая миллиметра). Таким образом, показание дается количеством миллиметровых делений, видимых на шкале втулки, плюс деление на наперстке, которое совпадает с осевой линией на втулке.
Как показано на рисунке, предположим, что напёрсток был выкручен так, что на рукаве были видны деления 5 и одно дополнительное деление 0,5. Показание от осевой линии на рукаве почти достигает деления 28 на напёрстке. Наилучшая оценка составляет 27,9 делений. Тогда показание будет 5,00 (точное) + 0,5 (точное) + 0,279 (оценка) = 5,779 мм (оценка). Поскольку последняя цифра является «оценочной десятой», как 5,780 мм, так и 5,778 мм также являются разумно приемлемыми показаниями, но первое не может быть записано как 5,78 мм или, по правилам для значащих цифр , тогда оно принимается для выражения в десять раз меньшей точности, чем та, которую имеет прибор на самом деле! Но обратите внимание, что характер измеряемого объекта часто требует, чтобы округлялся результат до меньшего количества значащих цифр, чем то, на которое способен прибор.
Некоторые микрометры снабжены нониусной шкалой на корпусе в дополнение к обычной градуировке. Это позволяет проводить измерения с точностью до 0,001 миллиметра на метрических микрометрах или до 0,0001 дюйма на микрометрах дюймовой системы.
Дополнительный разряд этих микрометров получается путем нахождения линии на шкале нониуса гильзы, которая точно совпадает с линией на напёрстке. Номер этой совпадающей линии нониуса представляет собой дополнительный разряд.
Таким образом, показанием для метрических микрометров этого типа является число целых миллиметров (если таковые имеются) и число сотых долей миллиметра, как у обычного микрометра, а также число тысячных долей миллиметра, определяемое совпадающей штриховой чертой на шкале нониуса гильзы.
Например, измерение 5,783 миллиметра будет получено путем считывания 5,5 миллиметров на рукаве, а затем добавления 0,28 миллиметра, определенного напёрстком. Затем будет использован нониус для считывания 0,003 (как показано на изображении).
Показания дюймовых микрометров считываются аналогичным образом.
Примечание: 0,01 миллиметра = 0,000393 дюйма, а 0,002 миллиметра = 0,000078 дюйма (78 миллионных) или, в качестве альтернативы, 0,0001 дюйма = 0,00254 миллиметра. Таким образом, метрические микрометры обеспечивают меньшие приращения измерения, чем сопоставимые микрометры с дюймовыми единицами — наименьшая градуировка обычного микрометра с дюймовым отсчетом составляет 0,001 дюйма; нониусный тип имеет градуировку до 0,0001 дюйма (0,00254 мм). При использовании метрического или дюймового микрометра без нониуса меньшие показания, чем те, которые градуированы, конечно, могут быть получены путем визуальной интерполяции между градуировками.
На большинстве микрометров для поворота втулки относительно цилиндра используется небольшой штифтовой гаечный ключ , так что его нулевая линия смещается относительно отметок на напёрстке. Обычно во втулке есть небольшое отверстие для штифта гаечного ключа. Эта процедура калибровки отменит нулевую ошибку: проблему, заключающуюся в том, что микрометр показывает ненулевое значение, когда его губки закрыты.
Стандартный однодюймовый микрометр имеет деление считывания 0,001 дюйма и номинальную точность ±0,0001 дюйма [15] (« одна десятая », на языке машинистов). Для точного измерения как измерительный прибор, так и измеряемый объект должны иметь комнатную температуру; основными источниками ошибок являются грязь, проблемы с навыками оператора и неправильное использование (или злоупотребление) прибора. [16]
Точность микрометров проверяется путем использования их для измерения концевых мер , [17] стержней или аналогичных стандартов, длина которых точно и аккуратно известна. Если известно, что концевая мера составляет 0,75000 ± 0,00005 дюйма («семьсот пятьдесят плюс или минус пятьдесят миллионных», то есть «семьсот пятьдесят тысяч плюс или минус половина десятой»), то микрометр должен измерить ее как 0,7500 дюйма. Если микрометр измеряет 0,7503 дюйма, то он не откалиброван. Чистота и низкий (но постоянный) крутящий момент особенно важны при калибровке — каждая десятая (то есть десятитысячная дюйма) или сотая миллиметра «имеет значение»; каждая важна. Простое пятнышко грязи или просто слишком сильное сжатие скрывают истину того, может ли прибор правильно считывать данные. Решением является просто добросовестность — очистка, терпение, должный уход и внимание, а также повторные измерения (хорошая повторяемость гарантирует калибратору, что его метод работает правильно).
Калибровка обычно проверяет ошибку в 3–5 точках по всему диапазону. Только одну можно настроить на ноль. Если микрометр в хорошем состоянии, то все они так близки к нулю , что прибор, кажется, показывает по существу «-on» по всему своему диапазону; никакой заметной ошибки не видно ни в одной точке. Напротив, на изношенном микрометре (или том, который был изначально плохо сделан) можно «преследовать ошибку вверх и вниз по диапазону», то есть перемещать ее вверх или вниз в любую из различных точек по диапазону, регулируя муфту, но нельзя устранить ее во всех точках сразу.
Калибровка может также включать в себя проверку состояния наконечников (плоские и параллельные), храпового механизма и линейности шкалы. [18] Плоскостность и параллельность обычно измеряются с помощью прибора, называемого оптической плоскостью, представляющего собой стеклянный или пластиковый диск, отшлифованный с предельной точностью для получения плоских параллельных поверхностей, что позволяет подсчитывать световые полосы, когда наковальня и шпиндель микрометра прижаты к нему, выявляя степень их геометрической неточности.
Различные организации по стандартизации (такие как ISO , ANSI , ASME , [19] ASTM , SAE , AIA, армия США и другие) требуют от коммерческих механических мастерских, особенно тех, которые выполняют определенные категории работ (военная или коммерческая аэрокосмическая промышленность , атомная энергетика , медицина и другие), проводить калибровку микрометров и других измерительных приборов по графику (часто ежегодно), прикреплять к каждому измерительному прибору этикетку с указанием идентификационного номера и даты окончания срока калибровки, вести учет всех измерительных приборов по идентификационному номеру и указывать в отчетах о проверке, какой измерительный прибор использовался для конкретного измерения.
Не вся калибровка — это дело метрологических лабораторий. Микрометр можно откалибровать на месте в любое время, по крайней мере, самым базовым и важным способом (если не всеобъемлющим), измерив высококачественный калибр и отрегулировав его для соответствия. Даже калибры, которые калибруются ежегодно и в пределах срока годности, следует проверять таким образом раз в месяц или два, если они используются ежедневно. Обычно они проходят проверку OK, поскольку не требуют регулировки.
Точность самих калибровочных блоков прослеживается через цепочку сравнений до эталона, такого как международный прототип метра . Этот металлический брусок, как и международный прототип килограмма , поддерживается в контролируемых условиях в штаб-квартире Международного бюро мер и весов во Франции, которая является одной из главных лабораторий эталонов измерений в мире. Эти эталоны имеют региональные копии чрезвычайной точности (хранятся в национальных лабораториях разных стран, таких как NIST ), а метрологическое оборудование выполняет цепочку сравнений. Поскольку определение метра теперь основано на длине волны света, международный прототип метра не так уж необходим, как раньше. Но такие эталонные калибры по-прежнему важны для калибровки и сертификации метрологического оборудования. Оборудование, описываемое как «прослеживаемое NIST», означает, что его сравнение с эталонными калибрами и их сравнение с другими можно проследить по цепочке документации до оборудования в лабораториях NIST. Поддержание этой степени прослеживаемости требует некоторых расходов, поэтому прослеживаемое NIST оборудование стоит дороже, чем не прослеживаемое NIST. Но приложения, требующие наивысшей степени контроля качества, требуют затрат.
Микрометр, который был обнулен и проверен и оказался неисправным, можно восстановить до точности путем дальнейшей регулировки. Если ошибка возникает из-за износа деталей микрометра, потерявших форму и размер, то восстановление точности таким способом невозможно; вместо этого требуется ремонт (шлифовка, притирка или замена деталей). Для стандартных видов инструментов на практике проще и быстрее, а часто и не дороже, купить новый, чем заниматься восстановлением.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О МИКРОМЕТРЕ{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )ITTC – Рекомендуемые процедуры: образцы рабочих инструкций по калибровке микрометров.