2.1 Плоскопараллельные концевые меры длины

   КОНЦЕВЫЕ МЕРЫ ДЛИНЫ И ИХ НАЗНАЧЕНИЕ

Плоскопараллельными концевыми мерами длины (КМД) называют меры, имеющие форму прямоугольного параллелепипеда или реже ци­линдра с двумя плоскими взаимно параллельными измеритель­ными поверхностями (рис. 2.1). КМД – меры длины с постоянным значением размера между двумя взаимно параллельными измерительными плоскостями.

Концевые меры длины  давно применяют для точных измерений линейных размеров, как на производстве, так и в лабораториях и   считают самым надежным и точным средством измерений. Однако в последнее время с появлением электронных  приборов, бесконтактных лазерных интерферометров, длинномеров, высотомеров,  координатно-измерительных машин и других приборов для абсолютных измерений применение, назначение и роль концевых мер длины при технических измерениях существенно изменились.

КМД, выполненные в виде стальных прямоугольных  параллелепипедов, впервые были изготовлены фирмой Иогансон (Швеция) и представлены на Всемирной выставке в Париже  1900 году (!). Поэтому в просторечии КМД долгое время назывались плитками Иогансона, а со временем просто плитками.

Производство КМД  в СССР впервые было налажено на Тульском и Сестрорецком заводах, а начиная с 30-х гг. КМД  выпускались серийно, их

производство было сосредоточено на инструментальных заводах «Калибр» (Москва) и «Красный инструментальщик» (Киров).

Концевые меры (рис.2.1.1) применяют для хранения и материального воспроизведения Государственного первичнрго эталона единицы длины, для поверки и калибровки мер и измери­тельных приборов, для установки приборов на ноль при отно­сительных измерениях, для непосредственных измерений раз­меров изделий, а также для особо точных разметочных работ и наладки станков. Главное достоинство КМД в том, что они являются точным  материальным носителем размера, КМД сохраняют размер и форму в течение многих лет.

Рис. 2.1.1     Керамические концевые меры длины

Концевые меры, служащие для поверки и калибровки  из­мерительных средств, называют образцовыми.

Концевые меры, применяемые для измерения размеров из­делий для разметочных работ и т.п., называют рабочими.

  Точность концевых мер длины

Большое разнообразие в применении мер вызывает необхо­димость в мерах различной точности, поэтому введено их деление на классы (в зависимости от точности изготовления и области применения).

Класс точности концевых мер определяется точностью их из­готовления: величиной отклонения срединной длины мер от но­минального размера, отклонения их от плоскопараллельности и качеством притираемости.

Технические требования, форма и размеры концевых мер,
их комплектования в наборы, классификация их по точности и пра-
вила поверки и калибровки установлены ГОСТ 9038—90,  международным стандартом ISO 3650:1998, а также Европейским стандартом EN  ISO 3650:1998.

Особенностью стандарта ISO 3650:1998 является:

– введение новой системы классов точности КМД (в частности отмена класса 00),                  – введение требований, касающихся  погрешности измерений при декларировании соответствия согласно ISO 14253-1:1998, т.е. касающихся предельно заданного допуска.

– пересмотр некоторых определений и обозначений в соответсвии с применяемыми в настоящее время рекомендациями (рис.2.2).

Стандартом ISO 3650:1998 установлено четыре класса точности (допуска) КМД:

– КМД класса точности 2 обычно используют как «Рабочие эталоны» в измерительных лабораториях для установки приборов и инструментов при относительных измерениях и их калибровки, а также для настройки контрольных приспособлений и станков.

– КМД класса точности 1 в основном используют как «Рабочие эталоны» в измерительных лабораториях и контрольных пунктах  для калибровки приборов и инструментов и для точных измерений;

– КМД класса точности 0 используют в качестве «Исходного эталона» (Образцового средства)  в калибровочных и измерительных лабораториях в термоконстантных помещениях для поверки и калибровки КМД, приборов,  инструментов и калибров и для выполнения очень точных измерений;

– КМД класса точности К используют в качестве «Исходного эталона» (Образцового средства)  в калибровочных и измерительных лабораториях государственных метрологических институтов и сертифицированных центров  для поверки и калибровки КМД, эталонов длины,   приборов, инструментов и калибров. КМД класса точности К являются самым точным эталоном.

Под размером плоскопараллельной концевой меры длины (рис.2.1.2) понимается ее срединная длина ℓс, которая определяется длиной перпендикуляра, опущенного из середины одной из измеритель­ных поверхностей меры на противоположную измерительную поверхность.

Длина плоскопараллельной концевой меры в данной точке определяется длиной перпендикуляра, опущенного из данной точки на противоположную измерительную поверхность.

Наибольшая  по абсолютной величине положительная или отрицательная разность между длиной меры в любой точке и срединной ее длиной ℓс определяет предельное отклонение длины tv  (плоскопараллельность меры), причем зона шириной 0,5-2,0 мм вдоль краев измерительной поверхности во внимание не принимается.

Рис 2.1.2  Размеры КМД

Номинальная длина ℓn,  срединная длина ℓс    

В табл. 2.1.1 указаны  предельные отклонения длины ℓnв любом месте  номинального размера   в зависимости от класса точности согласно  ISO 3650:1998.

Рабочие (измерительные) поверхности притирают (полируют) и  на кромках выполняют скругленные фаски, Это обеспечивает притираемость мер при прикладывании или надвигании одной концевой меры на другую.

Таблица 2.1.1

Номинальный    диапазон  ℓn, мм Класс    точности К,     мкм Класс    точности 0,             мкм Класс    точности  1,              мкм Классточности 2, мкм
        0,5 – 10            0,2            0,12           0,2           0,45
        10 – 25            0,3            0, 14           0,3           0,60
        25  — 50            0,4            0,20           0,4           0,80
        50 – 75            0,5            0,25           0,5           1,00
        75 –100             0,6            0,30           0,6           1,20
        100 – 150             0,8            0,40           0,8           1,60
        150 – 200             1,0            0,50           1,0           2,00
         200 – 250             1,2            0,60           1,2           2,40
         250 – 300              1,4            0,70            1,4            2,80
         300 – 400              1,8            0,90             1,8            3,60
         400 – 500               2,2            1,10              2,2            4,40
         500 – 600               2,6             1,30               2,6            5,00
         600 – 700               3,0             1,50                3,0            6,00
         700 – 800               3,4              1,70                3,4             6,50
         800 – 900                3,8               1,90                3,8             7,00
         900 – 1000                4,2                2,0                4,2             8,00

В табл. 2.1.2  указаны допуски плоскостности  tf  мер в зависимости от класса точности согласно  ISO 3650:1998.

Таблица 2.1.2

Номинальный    диапазон  ℓn, мм  Класс точности  К, мкм  Класс точности  0, мкм   Класс точности  1, мкм   Класс точности  2, мкм
     0,5 — 150         0,05         0,10         0,15         0,25
    150 – 500         0,10         0,15         0,18         0,25
    500 –1000         0,15         0,18         0,2         0,25

Концевые меры длины комплектуются в наборы, обеспечивающие возможность получения блока (соединения) концевых мер любого (в пределах определенного диапазона) размера до третьего десятичного знака.

Блок концевых мер образуется путем притирания концевых мер друг к другу.

Притираемостью концевых мер называется их способность сцепляться между собой или с плоскими кварцевы­ми и стеклянными пластинами при надвигании или прикладывании одной меры на другую, или меры на пластину. Явление притираемости объясняется молекулярным притяжением в при­сутствии тончайших слоев смазки. Пленка или капли смазки, толщина ко­торой приблизительно равна 0,02 мкм, остается  в микропорах концевых мер при обычно применяемых методах их притирки и вытекающие на поверхность в результате разрежения, возникающего в процессе притирки [3, 5].  При промывке рабочих поверхностей мер  спиртом их притираемость может ухудшиться. Лучше промывать меры  в специальном очистителе, не содержащем кислоты. Полное удаление смазки ведет к значительному (в десятки раз) уменьшению силы сцепления концевых мер. В качестве защитной смазки также лучше применять масло, не содержащее кислоты.

После того как меры притерлись друг к другу, сила, которую необходимо приложить для их сдвига превышает 30 Н.

Для обеспечения притираемости измерительные поверхности КМД должны быть тщательно обработаны и иметь высокую плоскостность – при притирке к стеклянной пластине должны отсутствовать интерференционные полосы. Это означает, что неплоскостность рабочей поверхности меры менее 0,1 мкм. Шероховатость  рабочей  поверхности мер не должна  превышать Rа ≤ 0,063 мкм.

При составлении блока мер следует учитывать, что адгезийное взаимодействие между мерами при притирке приводит к деформации мер, некоторому изменению их плоскостности и размера. При этом деформация меры увеличивается с увеличением длины меры, а притирка к одной мере двух мер (с двух сторон) вызывает удвоенную деформацию этой меры. С учетом этого, а также с учетом удобства в эксплуатации бло­ки следует собирать из минимального числа мер, а при собира­нии блоков из нескольких мер для высокоточных измерений сле­дует меру большей длины устанавливать с краю. При притирке мер длиной до 3 мм из-за наличия у них отклонений от плоскост­ности в свободном состоянии могут возникать дополнительные погрешности блока мер. Погрешности блоков КМД с учетом отклонений длин мер при изготовлении или с учетом погрешно­стей аттестации мер, а также погрешностей от притирки при со­ставлении блока приведены в качественной экспериментальной  работе [3].

Размер блока отличается от размеравходящих в него КМД не менее 0,1—0,05 мкм для каждого промежуточного слоя.

Для точных измерений, особенно в случае длительного пользования блоком одного раз­мера, целесообразно производить аттестацию размера блока в со­бранном виде. При эксплуатации следует учитывать, что проч­ность соединения мер в блоке падает с уменьшением температуры, а также с течением времени.

Для расширения эксплуатационных возможностей КМД пре­дусмотрены  наборы принадлежностей к ним  (ГОСТ 4119—76). В комплекты принадлежностей входят державки (струбцины) и боковики различных размеров и формы. Это позволяет осуществлять с помощью КМД измерения как на­ружных, так и внутренних размеров, калибровку координатно-измерительных машин (рис. 2.1.3), высотомеров и т.п., а также прове­дение

Рис.2.1.3  Набор из пяти КМД для калибровки КИМ

разметки. Следует помнить, что при стягивании мер в струбцинах или стяжками возникают деформации и возмо­жен некоторый перекос боковиков. Например, деформация блока мер длиной 100 мм при минимальном нормируемом усилии сжатия (350 Н) равна 0,7 мкм.

Меры выпускаются наборами. Чем больше КМД в наборе, тем легче  получить любой размер при использовании меньшего числа мер, чем это возможно при малых наборах. Поэтому большие наборы обеспечивают более высокую точность (меньше накопленная погрешность мер, входящих в блок).

Кроме наборов, выполненных из одного материала, выпускают наборы мер из разных материалов. Например, в набор из стальных мер включают несколько твердосплавных или керамических мер с наиболее часто употребляемыми размерами (т.е. больше изнашиваемых).

Наборы выпускают с разной градацией размеров, например, наборы   с градацией размеров 0,001 мм или наборы больших мер с градацией размеров 25—100 мм.

Из всех возможных вариантов составления блока следует выбирать тот, при котором заданный размер составляется из наименьшего числа мер и, следовательно, обеспечивается наименьшая погрешность размера блока.

 Материал концевых мер длины

Основное отличие современных   КМД – изготовление их не только из  высоколегированной стали, но также из твердого сплава и керамики.

Стальные меры, изготовленные, например, из хромистых сталей 120ХГ, ХГ, ШХ15 и X, имеют хорошее сцепление с другими мерами и предметными столиками измерительных стоек, высокую износостойкость измерительных рабочих поверхностей и большой срок службы. Стальные меры закалены и подвергнуты искусственному старению, что позволяет им сохранять размер в течение длительного времени. Твердость их рабочих поверхностей  составляет не менее 800 HV.   Коэффициент теплового линейного расширения – (10,8)х10-6 0С-1  Недостаток стальных КМД  в их чувствительности к царапинам и износу рабочих поверхностей и возможность их коррозии. Стальные меры требуют тщательного ухода, так как перед измерением с них следует снять защитную смазку, а после использования вновь смазать. Кроме того, стальные меры  чувствительны к изменению температуры, в том числе нагреваются от рук оператора (рис. 1.4).

тепловая погрешность мерРис. 2.1.4  Изменение размера  КМД длиной 100 мм от рук оператора

КМД, изготовленные из твердого сплава (карбида вольфрама), в 10 раз прочнее, чем стальные меры. И обладают очень хорошей притираемостью. Твердость рабочих поверхностей твердосплавных мер составляет не менее 1400 НV. Коэффициент теплового линейного расширения (4.23)х10-6 0С-1. Недостаток твердосплавных КМД  – их большой     вес.  Это не позволяет  собирать из твердосплавных  КМД блоки большого размера.

КМД, изготовленные из циркониевой керамики, исключительно устойчивы к износу и царапинам рабочих поверхностей. Керамика не подвержена коррозии, поэтому в отличии от стальных и твердосплавных керамические КМД не боятся влажных рук контроллера. Керамические КМД имеют самый длительный срок службы и наибольшую стабильность по сравнению с мерами из других материалов (рис. 2.1.5).

                               

               Рис. 2.1.5  График износостойкости КМД из различных материалов

Это позволяет увеличить их межповерочный интервал. Керамические КМД не намагничиваются, не притягивают пыль и не требуют специального ухода для защиты от коррозии. Твердость рабочих поверхностей керамических КМД составляет 1350 НV.  Коэффициент теплового линейного расширения (9.7)х10-6  0С-1.

Концевые меры, изготовленные из указанных материалов,   стабильны и сохраняют размеры в течение длительно времени.

В таблице 2.1.3 приведены характеристики стальных и керамических КМД.

Таблица 2.3

Характеристика материала Циркониевая керамика    Сталь
Твердость по Виккерсу (HV)     1350       800
Коэффициент теплового линейного расширения (10-6  0С-1) 9,7±0,5 10,8±0,5
Сопротивление изгибу (МПа)       1270       1960
Число Пуассона         0,3          0,3
Масса    (г/см3)         6,0          7,8
Модуль продольной упругости (Н/мм2) 206000 206000
Теплопроводность (W/мoK)          2,9         54,4

Как видно из табл. 2.1.3  керамические и стальные меры имеют практически одинаковый коэффициент теплового линейного расширения. Это позволяет составлять блоки концевых мер из стальных и керамических мер, а также делает стальные и керамические меры полностью взаимозаменяемыми. Таким образом, керамические меры, также как стальные,     надежно  обеспечивают единство средств измерений в машиностроении

К концевым мерам можно отнести плоскопараллельные стек­ла (пластины), применяемые для проверки плоскостности и притираемости КМД и проверки плоскостности точных поверхностей, например, столиков стоек. Стекла выпускаются различных  диаметров (50-75 мм)  и толщиной 15-20 мм,  неплоскостностью менее 0,125 мкм.

  Поверка и калибровка концевых мер длины

В иерархической цепи передачи размеров от эталона длины (метра) КМД играют важную роль как стабильный материальный носитель постоянного размера. Перенос единицы длины, базирующийся на специфической длине волны света, на эталонные КМД производится  с помощью фундаментальных интерферационных измерений. Полученные таким образом эталонные меры  длины класса К переносятся на  другие меры в соответствии с поверочной схемой.

Хотя КМД применяют  для измерений и для настройки приборов при относительных измерениях, но их главное назначение – передача размеров от эталона длины и обеспечение единства измерений. Для этой цели были разработаны поверочные схемы и выпускают меры разной точности по классам и разрядам, каждый из которых поверяют определенными приборами.

Но самым важным качеством КМД в отличие от большинства современных электронных и оптических средств измерений, является то, что они являются материальным носителем размера. В этом качестве пока КМД ничем заменить нельзя.

Первым инструментом, примененным в 19-ом веке для калибровки только что изобретенных C.E.Johansson КМД, был изготовленный специальный микрометр повышенной точности.

В дальнейшем точность поверочных приборов повышалась и в настоящее время достигла очень высоких (возможно предельно достижимых) значений. Причем точные приборы, позволяющие поверять и калибровать КМД, перестали быть  специальными и имеются во многих лабораториях. Более того, все КМД могут поверяться   с помощью, например, индуктивных и инкрементных фотоэлектрических  компараторов,   имеющихся в продаже, и методы измерения на этих приборах хорошо отработаны. Это обстоятельство также укорачивает и упрощает поверочную схему КМД. Хотя следует иметь в виду, что это достаточно дорогие устройства и работа на них требует высокой квалификации. Недостаток всех поверочных высокоточных измерительных средств состоит в том, что  погрешности измерения мер  малы (например, менее 0,05 мкм) и результаты измерений  трудно перепроверить на других приборах.

Применяют несколько методов поверки и калибровки КМД:

  Метод непосредственного (прямого) измерения

Метод непосредственного измерения наиболее  удобный способ  поверки и калибровки КМД, учитывая то обстоятельство, что в настоящее время появились высокоточные измерительные средства с большими диапазонами измерений  и с цифровым отсчетом.

Для непосредственного измерения КМД в настоящее время  применяют бесконтактные лазерные интерферометры и инкрементные фотоэлектрические компараторы.

Интерференционные приборы являются наиболее естественными и точными средствами измерений, так как основаны на передаче размера единицы длины через длину световой волны.

Абсолютный интерференционный метод позволяет с помощью специальных бесконтактных лазерных интерферометров производить измерение мер непосредственно в длинах волн.  Современные лазерные интерферометры снабжены устройством для компенсации ошибок от воздействия окружающей среды:  изменений температуры, изменения давления воздуха и влажности. Однако более надежным при точных измерениях является соблюдение нормальных условий применения  в помещении, в котором производятся измерения (термоконстантные помещения).

При абсолютном интерференционном методе измерений длина измеряемой меры определяется непосредственно по числу полуволн однородного (монохроматического) света, соответствующему данному размеру. Трудностью таких измерений являлось подсчет большого числа интерференционных полос. Полосы  отсчитывают от базы, в качестве которой служит поверхность стеклянной пластины,  к которой притерта измеряемая мера, до свободной поверхности поверяемой меры.

Однако в современных лазерных интерферометрах подсчет полос автоматизирован и осуществляется компьютером или микропроцессором, снабженных реверсивным счетчиком полос.

Абсолютный интерференционный метод основан на сравнении длины измеряемой меры с длиной волны света. Достоинство эталона – длины волны света – состоит в том, что он легко воспроизводится и не изменяется со временем.

Абсолютный интерференционный метод применяют, главным образом, для поверки КМД класса К в сертифицированных метрологических центрах.

При таких точных измерениях не только соблюдаю нормальные условия окружающей среды, но также измеряют температуру воздуха, поверяемой меры и измерительного приспособления (стойки) с  точностью 0,1–0,2 оС с помощью платиновых термометров сопротивления, а также влажность и давление воздуха  и вносят компенсационные поправки в результат измерения. Однако в системе компенсации заложена некоторая неопределенность. Формулы, по которым рассчитываются компенсационные поправки, не всегда соответствуют физической сущности возникающих ошибок. Некоторые формулы являются эмпирическими. Таким образ,  нет уверенности, что поправки вычислены правильно.

Размер КМД при нормальных условиях определяется расстоянием между двумя поверхностями, из которых одна является свободной измерительной поверхностью меры, а вторая плоской поверхностью вспомогательной  пластины (например, стеклянная пластина), к которой мера притерта другой своей измерительной поверхностью. Следует отметить, что такой метод вносит некоторую погрешность, потому что поверхность стеклянной пластины, к которой притерта мера и собственно притертая поверхность меры не  идентичны. Но, по-видимому, эта погрешность не велика.

Нормальными условиями поверки являются: температура +20 °С, давление 101 325 н/м2, отсутствие внешних сил, изменя­ющих длину меры (кроме силы тяжести и силы сцепления меж­ду мерой и вспомогательной пластиной). КМД  до 100 мм поверяют в вертикальном положении,   КМД  длиной свыше 100 мм поверяют в горизонтальном положении при установке меры узкой нерабочей поверхностью на две опоры, расположенные на расстоянии 0,21 ℓ (ℓ – длина меры) от ее концов (точки Эйри).

Точность  измерения длины мер до 100 мм с помощью бесконтактного  лазерного интерферометра с компенсацией ошибок от изменений внешних условий составляет:

U = ±(0,015 + 0,5·ℓ) мкм,

где ℓ в м.

Производители КМД и в современной заводской практике обычно не используют бесконтактный лазерный интерферометр, а поверку и калибровку  КМД производят преимущественно с помощью  инкрементных фотоэлектрических  приборов с цифровым отсчетом (компараторов) путем сравнения поверяемой меры с образцовой КМД с мерой  более высокого класса К.

Для непосредственного измерения КМД (рис. 2.1.6) применяют специальные  компараторы, снабженные инкрементными оптоэлектронными    измерительными головками и микропроцессорным блоком или компьютером с цифровым отсчетом. Компараторы измеряют меры во всем диапазоне измерения головки, например, 25  мм путем сравнения их размера  с одной образцовой КМД (эталоном). Это удобно и выгодно иметь один эталон при поверке целого набора КМД. Такие компараторы  выпускает, например, фирма Tesa (Швейцария).

Рис. 2.1.6  Непосредственное измерение КМД на высокоточном компараторе

Подобные компараторы  основаны на дифференциальном методе измерения. Эталон и поверяемая мера  по очереди измеряются с двух сторон двумя преобразователями. Поверяемая мера и эталон установлены рядом на столике стойки и поочередно перемещаются в измерительную позицию под щупы преобразователей. Один преобразователь установлен под столиком и контактирует с нижней поверхностью меры или эталона, второй установлен в стойке и контактирует с верхней поверхностью меры или эталона. Нижний преобразователь имеет диапазон измерений  1,0 мм, верхний – 25  мм. Дискретность  отсчета – 0,01 или 0,005 мкм.

Столик с поверяемой мерой и эталоном перемещаются под щупами по программе или вручную. Измерительные щупы преобразователей арретируются электродвигателем или вакуумом. Измерительное усилие  нижнего щупа 0,63 Н, верхнего – 1,0 Н создается с помощью электродвигателя.

Компаратор снабжен устройством для измерения температуры воздуха и материала, состоящим из нескольких высокоточных платиновых датчиков температуры. Один закрепляется на поверяемой мере другой на стойке и т.д.  Результаты измерения температуры поступают в электронный блок и вносятся поправки в результаты измерения длины в зависимости от отклонений температуры воздуха и КМД от нормальной. Точность измерения температуры составляет  0,1–0,2 оС.

Результаты измерения и компенсационные поправки обрабатываются  в микропроцессорном блоке и высвечиваются на цифровом дисплее с дискретностью 0,01 мкм..

Поверяемую меру измеряют в пяти точках: в середине и по углам, отступая на 2 мм от края. Срединную длину поверяе­мой меры определяют как алгебраическую сумму срединной длины образцовой меры (указанной в свидетельстве) и разности показаний прибора при измерении этих мер в средних точках. Отклонение от плоскопараллельности поверяемой концевой ме­ры принимают равным наибольшему по абсолютному значению отклонению длины меры в одном из углов относительно ее сре­динной длины (рис. 2.1.2).

Точность  измерения длины мер до 100 мм на компараторе с двумя инкрементными оптоэлектронными линейными энкодерами   с компенсацией ошибок от изменений температуры составляет:

Повторяемость – 0,015  мкм.

Погрешность измерения

U = ±(0,015 + 0,5·ℓ) мкм,

где   ℓ в м.

 

М.И. Этингоф. Роль концевых мер длины в современных технических измерениях.  Измерительная техника №3, 2012