4.2 Инструментальные микроскопы

Микроскоп (от микро… и греч. skopeo — смотрю), оптический прибор для получения сильно увеличенных изображений объектов (деталей или их структуры). Человеческий глаз представляет собой естественную оптическую систему, характеризующуюся определённым разрешением, т.е. наименьшим расстоянием между элементами наблюдаемого объекта (воспринимаемыми как точки или линии), при котором они ещё могут быть отличены один от другого. Для нормального глаза при удалении от объекта на так называемое расстояние наилучшего видения (D = 250 мм) минимальное разрешение составляет примерно 0,08 мм (а у многих людей — около 0,20 мм).

Размеры многих деталей небольшие и часто имеют неправильную форму и их трудно, а часто невозможно измерить универсальным инструментом. Для наблюдения и изучения подобных объектов и предназначены микроскопы, различных типов. С помощью микроскопов определяют форму и размеры деталей. Микроскоп даёт возможность различать структуру (шероховатость поверхности) с расстоянием между элементами до 0,20 мкм.

схема

Рис. 4.2.1   Оптическая схема микроскопа в проходящем свете

Рассматриваемый объект  7 располагают на предметном стекле 10. Конденсор 6 концентрирует на объекте пучок света, отражающегося от зеркала 4. Источником света в М. чаще всего служит специальный осветитель, состоящий из лампы 1 и линзы-коллектора 2).  Диафрагмы — полевая 3 и апертурная 5 ограничивают световой пучок и уменьшают в нём долю рассеянного света, попадающего на деталь  «со стороны» и не участвующего в формировании изображения.

. Лучи света, исходящие от объекта 7, преломляясь в объективе 8, создают перевёрнутое и увеличенное действительное оптическое изображение 7′ объекта. Это изображение рассматривают через окуляр 9. При визуальном наблюдении микроскоп  фокусируют так, чтобы изображение 7′ находилось непосредственно за передним фокусом окуляра. В этих условиях окуляр работает как лупа: давая дополнительное увеличение, он образует мнимое изображение 7″ (по-прежнему перевёрнутое); проходя через оптические среды глаза наблюдателя, лучи от изображения 7″ создают на сетчатке глаза действительное изображение объекта. Обычно 7″ располагается на расстоянии наилучшего видения D от глаза. Если сдвинуть окуляр так, чтобы изображение 7′ оказалось перед фркусом, то изображение, даваемое окуляром, становится действительным и его можно получить на экране или цифровой матрице.

Общее увеличение микроскопа равно произведению линейного увеличения объектива на угловое увеличение окуляра.

Разумеется, технически возможно применить в микроскопах. объективы и окуляры, которые дадут общее увеличение, значительно превышающее 1500. Однако, обычно это нецелесообразно. Большие увеличения не являются самоцелью – – назначение микроскопа состоит в том, чтобы обеспечить различение как можно более мелких элементов детали и ее поверхности, т.е. в максимальном использовании разрешающей способности микроскопа. А она имеет предел, обусловленный волновыми свойствами света. (В геометрической оптике, в рамках которой выше было рассмотрено образование изображения в микроскопе, отвлекаются от этих свойств света, но предел возможностей микроскопа определяют именно они). Согласно общей закономерности, наблюдая объект в каком-либо излучении с длиной волны l, невозможно различить элементы объекта, разделённые расстояниями, намного меньшими, чем l. Эта закономерность проявляется и в микроскопах. Изображение испускающей монохроматический свет точки, даваемое даже идеальным (не вносящим никаких искажений) объективом, не воспринимается глазом как точка, так как вследствие дифракции света фактически является круглым светлым пятнышком конечного диаметра d, окруженным несколькими попеременно тёмными и светлыми кольцами (так называемое дифракционное пятно, пятно Эри, диск Эри).

Теория микроскопа была разработана Эрнстом Аббе в 1925 году. Несколько позднее с его участием был выпущен резьбоизмерительный микроскоп, затем инструментальный и универсальный микроскоп, снабженные координатным предметным столом. Примернов таком виде, но конечно, сильно усовершенствованные микроскопы выпускаются до настоящего времени.

      Инструментальные  микроскопы (ИМ) предназна­чены для измерения линейных размеров в прямоугольных и по­лярных координатах и для  измерения углов. На микроскопах измеря­ют все основные элементы наружной резьбы у резьбовых калиб­ров, метчиков, резьбовых фрез и прочих изделий с резьбой. Проверяют изделия и калибры сложных форм: шаблоны, фасонные резцы, резцовые твердосплавные пластины, фрезы, вырубные штампы и т. п. Широкая область применения инструментальных  микроскопов делает их необходимыми приборами для измерительных лабораторий и цехов машиностроительных заводов.

ИМ давно применяют для измерений в цехах и лабораториях. Однако долгое время эти измерения были чрезвычайно неудобны и трудоемки, потому что измерения проводили перемещением измеряемой детали от одной точки к другой с помощью микрометрических винтов. Результатом измерения являлась разность показаний микровинтов в обеих  точках. Для получения результата к перекрестию ИМ подводили одну точку (или линию) и отмечали показание микровинта. Шестизначное число записывали на бумаге. Затем подводили к перекрестию вторую точку и опять записывали на бумаге показание микровинта. Теперь из первого показания вычитали второе и получали расстояние между точками (линиями). Измерения проводили в двух координатах X и Y. Поэтому ИМ можно считать первой координатно-измерительной машиной.

У современных ИМ  для отсчета перемещений измеряемой детали вдоль координат  используют оптоэлектронные  инкрементные линейные энкодеры(стеклянные шкалы), цифровой отсчет и электронные блоки с реверсивным счетчиком или компьютеры. Теперь ничего не надо записывать и вычитать – все делает ПО __электронного блока или компьютера ИМ.

ИМ   выпускают зарубежные и отечественные фирмы – Tesa (Швейцария), Mitutoyo (Япония), Microtechnica (Германия), Starret (Великобритания),  Nicon Metrology (Япония),   Новосибирский  приборостроительный завод (г. Новосибирск) и др.

В России ИП выпускаются по ГОСТ   8074—82.

 Рис. 4.2.2  Инструментальный микроскоп

Все ИМ  устроены принципиально одинаково и отличаются, в основном, габаритными размерами, пределами измерений и набором принадлежностей.

Микроскопы (рис. 4.2.2) имеют литое жесткое чугунное основание, на котором на шариковых направляющих установлен предметный стол, перемещающийся в двух взаимно перпендикулярных направле­ниях X и Y с помощью микрометрических устройств. Стол снабжен оптоэлектронными инкрементными энкодерами и цифровым отсчетом для определения его перемещений  с измеряемым изделием. Дискретность отсчета по координатам X и Y составляет 0,001 и 0,0005 мм.  Пределы перемещения стола 100х50; 150х100 и 250х150  мм. Погрешность перемещения стола –

 U = (2 + 0,02L) мкм,

где L в мм.

В центральной части верхнего стола вставлено предметное стекло, которое обеспечивает возможность освещения снизу для наблюдения в микроскоп контура изделия на освещенном фоне при измерениях теневым методом. Основополагающим принципом любого оптического измерения является отображения измеряемых элементов с повышенной контрастностью. Лучше всего контрастность отображается на внешних границах объектов. В этом случае измерение можно проводить в проходящем свете. Для такого измерения больше подходят плоские изделия.

Для освещения применяют галогенные  или светодиодные осветители холодного света. Кроме того, ИМ снабжены коаксиальным относительно объектива или выносным  оптоволоконными осветителями для освещения измеряемого изделия  сверху или сбоку. Такие осветители выделяют мало тепла, что  уменьшает температурные погрешности измеренияи уменьшает хроматическую аььеррацию.

На основании установлена также стойка с вертикальной направляющей, по которой перемещается кронштейн  с объективом. Кронштейн с объективом можно  перемещать с помощью маховичков, расположенных с двух сторон, для точной  фокусировки объектива.

Оптическая система состоит из телецентрических сменных объективов и окуляра.

В современных ИМ применяют телецентрические объективы. Преимущества телецентрической оптики состоит в том, что световые лучи параллельны оптической оси в пространстве предмета и изображения и при изменении рабочего расстояния в пределах телецентрического диапазона линейное увеличение остается неизменным и, тем самым, предотвращаются ошибки в масштабе. Это особенно важно при работе с небольшим или фиксированным увеличением.

С практической точки зрения удобно сочетать объективы с большим и малым увеличением, чтобы можно было измерять быстро и в одном изображении  элементы деталей с  широкими и с жесткими допусками. Помимо этого, объектив с малым увеличением позволяет легче позиционировать деталь в поле изображения, Обе задачи решаются применением сменных объективов с жестким креплением или расположенных на поворотной турели. Обычно для решения задачи достаточно двух объективов.

Объективы имеют увеличение 5х, 10х и 20х, а  окуляр имеет  увеличение 10х. Таким образом, общее увеличение оптической системы ИМ составляет 10х, 50х, 100х и 200х.

Для металлографических и научных целей выпускают микроскопы с увеличением до 1000х, но для линейных измерений в машиностроении  такое увеличение избыточно. Кроме того, при большом увеличении сильно уменьшается поле зрения.

В окуляре имеется стеклянная пластина,  называемая сеткой, на которой нанесены две сплошные линии под углом 60°, пунктирный крест и четыре параллельные пунктирные линии, отстоящие от центральной линии на расстояниях, соответствующих 0,3 и 0,9 мм.

Между объективом и окуляром расположена оборачи­вающая призма, которая служит для получения прямого изображения объекта.

Свет осветителя  через предметное стекло направляется на измеряемый объект. Теневой контур объекта проек­тируется объективом  в плоскость сетки  окулярной головки. Изображение контура объекта и сетка рас­сматривают через окуляр.

Сетка может поворачиваться. Угол пово­рота сетки составляет 3600  и опреде­ляется по градусной шкале угломерного устройства, встроенного в окуляр.

Центр пересечения штрихов сетки  и центр окружности деле­ний градусной шкалы должны совпадать с геометрической осью вращения. При правильной юс­тировке сетки точка пере­сечения штрихов при пово­роте сетки на полный обо­рот не должна смещаться относительно края непод­вижного изображения объ­екта. Правильность юсти­ровки угломерного устройства  проверяется через 90° путем измерения угла лекальным угольником при разных его положениях.

Окулярные головки юстируются  так, что при установке их на микроскоп продольная линия окулярной сетки в нулевом поло­жении совпадает с продольным направлением измерения.

Кроме того, ИМ оснащают  двумя центровыми баб­ками (правая и левая), приз­матическими подставками, призмами, струбцинками  и пр. Эти принад­лежности расширяют возможно­сти измерений на ИМ изделий различной конфигурации.

Выпускают также микроскопы с бинокулярным тубусом  для наблюде­ния двумя глазами с целью снижения утомляемости.

Также ИМ снабжают профильными окулярными сетками  с изображением профилей резьбы, дуг окружностей, концентрических окружностей с шагом 0,25; 0,125; 0,05 и 0,025 мм,  и т.п. выполненных в виде плоских рамок, вставляемых в микроскоп.

ИМ снабжены микропроцессорным электронным блоком (рис. 4.2.2), имеющим цифровой дисплей и кнопки управления. Блок имеет реверсивный счетчик, позволяющий вычислять величину перемещения стола при движении в координатных направлениях.

Процесс измерения линейных размеров на микроскопах за­ключается в последовательном совмещении пунктирных линий штриховой сетки окулярной головки с линиями изделия, ограни­чивающими измеряемый размер. При каждом совмещении, осу­ществляемом перемещением стола в продольном или поперечном направлениях, производится отсчет по показаниям электронного блока. Разность отсчетов определяет измеряемый размер.

При измере­нии угловых размеров совмещение достигается поворотом штри­ховой сетки и перемещением стола. Угол определяется по раз­ности отсчетов  угломерной головки. Совмещение пунктирных линий с теневым контуром производят так, чтобы половина толщины линии находилась в пределах теневого кон­тура, а другая половина — вне его. Точность совмещения пунк­тирных линий значительно выше, чем сплошных.

При изме­рении на современных микроскопах с цифровым отсчетом в прямоугольных координатах X и Y деталь уста­навливают своими исходными базами  параллельно поперечному и продольному направлениям измерения и, при необходимости, закреп­ляют прижимом.

Начальную точку измерения совмещают с центром штрихов окулярной сетки и нажимают соответствующие функциональные кнопки на электронном блоке. На цифровом дисплее блока появляются координаты начальной точки или координаты обнуляются. Стол микроско­па перемещают в продольном и поперечном направлениях в соответствии с координатами заданных точек. В каждой точке, с которой совмещают центр штрихов окулярной сетки,  нажимают соответствующие функциональные кнопки на электронном блоке. На цифровом дисплее высвечивается расстояние между точками, вычисленное реверсивным счетчиком электронного блока.

Электронный блок снабжен программным устройством, которое позволяет вычислить и автоматизировать некоторые измерительные операции:

– пересчет координат, что позволяет не выравнивать измеряемую деталь;

– измерение диаметра отверстия по нескольким точкам (от 3 до 50). Это позволяет точно определить диаметр окружности;

– точки пересечения прямой и окружности, двух окружностей и др. (рис. 4.2.3).

 

  Рис. 4.2.3  Примеры вычисления комбинаций геометрических элементов, измеренных на ИМ

Поверку суммарной погрешности    продольного и поперечного перемещения предметного стола (X и Y) произ­водят при помощи устанавливаемой на столе штриховой шкалы.

Кроме того, у инструментальных микроскопов поверяют все элементы, влияющие на точность измерений: прямолинейность движений, взаимную перпендикулярность направлений переме­щений стола, совпадение центра перекрестия штриховой сетки с осью вращения, увеличение объектива основного мик­роскопа при пользовании угломерным устройством и профильными сетками и др.

Таким образом, современные ИМ значительно удобнее  в эксплуатации по сравнению с микроскопами предыдущего поколения. Точные перемещения предметного стола с измеряемой деталью, цифровой отсчет результатов перемещений и измерений, хорошее освещение измеряемой детали без искажений картинки, высококачественные телецентрические объективы с большим увеличением и, главное,  программное обеспечение, позволяющее вычислять геометрические элементы измеряемых деталей.

 

Однако, точность измерения на микроскопах не велика и составляет обычно не менее 5,0 мкм.

 

 

Микроскопы. Скворцов Г.Е., Панов В.А., Поляков Н.И., Федин Л.А. Л.: Машиностроение, 1969, 511 с.

Райнер Кете.  Микроскоп. Мир книги, 2008