2.3 Штангенинструменты

Штангенинструменты (ШИ) – самые популярные инструменты для  измерения линейных размеров изделий, который применяется уже более 100 лет. Благодаря простой конструкции, удобству в обращении и быстроте в работе, они – самые употребляемые инструменты для линейном измерении.  Из всех (ШИ) самый распространенный – штангенциркуль. Каждый станочник, слесарь, технолог и конструктор имеет собственный штангенциркуль (ШЦ). Большое разнообразие форм  измерительных ножек, позволяющих измерять самые разные поверхности (внутренние, наружные, проточки, выточки, глубину, длину), делают ШЦ универсальными инструментами. ШИ  выпускают многие зарубежные фирмы – Tesa (Швейцария), Mitutoyo (Япония). Carl Mahr (Германия)  и отечественные фирмы – Челябинский инструментальный завод (ЧИЗ) и Кировский инструментальный завод (КРИН). Так же в продаже имеются китайские штангенинструменты, к которым следует относиться с определенной осторожностью.
В настоящее время выпускают три группы ШИ:
      – механические ШИ  с отсчетов по штриховой шкале, оснащенные нониусом;
      – ШИ с отсчетом по циферблату;
      – электронный ШИ  с цифровым отсчетом.
      ШИ с отсчетом по штриховой шкале (штангенциркули, штангенглубиномеры, штангенрейсмасы, штангенугломеры и др.) имеют штангу (отсюда их название) c матовым хромированным покрытием для безбликового считывания, на которой нанесена основная шкала, и нониус — вспомогательную шкалу, служащую для точного отсчета долей делений.
Устройство штангенинструментов определяется их назначением. Качество современных штангенинструментов очень высокое. Изготовление точной  направляющей штанги и рамки обеспечивает ее перемещение. Изготовление штанги и рамки их закаленной  нержавеющей стали обеспечивает  антикоррозийные свойства инструмента,  сопротивление износу и коррозии. Также выпускают модели изготовленные из углепластика. Такие ШИ удобны для измерения магнитов и имеют практически нулевую теплопроводность, что уменьшает температурную погрешность при измерении.
 
Штангенциркули
 В 1868 году фирма Carl Mahr (Германия) начала выпускать стальные и латунные(!) штангенциркули. Конечно, инженеры фирмы знали, что латунь самый не подходящий материал для прибора, но его было легко обрабатывать. Интересно, что с тех пор (150 лет) конструкция штангенциркуля принципиально не изменилась.
    Штангенциркули  (ШЦ) выпускаются по ГОСТ 166—89  и  международному стандарту  DIN 862  с двусторонним или односторонним расположением губок, для наружных и внутренних измерений и с выдвижным щупом  для измерения глубин    (рис. 2.3.1).

Рис. 2.3.1   ШЦ с нониусом с отсчетов по штриховой  шкале

Основными частями ШЦ являются: прямоугольная штанга, две измерительные губки одна неподвижная, выполненная заодно со штангой, другая – подвижная, перемещающаяся по штанге. Некоторые модели снабжены подвижной рамкой с микрометрической подачей для точного подведения губки к измеряемой поверхности  или колесиком для создания постоянного измерительного усилия. Губки для внутренних измерений ШЦ  имеют цилиндрическую измерительную поверхность с радиусом не более половины суммарной толщины губок. Размер  сдвинутых губок для внутренних измерений (обычно 10 мм) маркируется на их боковой поверхности и определяет наименьший внутренний размер, который может быть проверен этим ШЦ. При всех внутренних измерениях к отсчету по шкале следует прибавлять маркерованный размер губок.

Подвижная губка (ползун) снабжена зажимом чаще выполненным в виде винта.

ШЦ со штриховой шкалой снабжены нониусом для точного отсчета части деления основной шкалы.. Каждое пятое деление штанги и нониуса должно быть отмечено удлиненным штрихом, а каждое десятое деление штанги — более длинным штрихом, чем пятое деление, и соответствующим числом. Плоскость, на которой нанесены деления нониуса,  имеет ровный край, перекрывающий штрихи штанги не менее чем на 0,5 мм. Длина видимой части коротких штрихов штанги и коротких штрихов нониуса должны находиться в пределах от 2 до 3 мм. Штрихи нониуса должны доходить до края. Расстоя­ние от верхней кромки края нониуса до поверхности шкалы штанги с целью уменьшения погрешности от параллакса не должно превышать 0,22 мм при величине отсчета по нониусу 0,05 мм и 0,3 мм при величине отсчета 0,1 мм. При сдвигании губок ШЦ до соприкосновения просвет между из­мерительными поверхностями не должен превышать 0,003 мм при величине отсчета по нониусу 0,05 мм и 0,006 мм при вели­чине отсчета 0,1 мм. При затягивании зажима рамки допуска­ются вдвое большие просветы. При измерении ШЦ  размер определяется отсчетом по шкале штанги, произведенным относительно нуле­вого штриха нониуса. Отсчет по нулевому штриху нониуса по­зволяет определить целое число делений шкалы, заключающееся в измеренном (или

Рис. 2.3.2  Нониус ШЦ с отсчетом по штриховой  шкале

установленном) размере. Оценка части де­ления, заключающейся между нулевым штрихом нониуса и бли­жайшим штрихом, расположенным со стороны начала основной шкалы, производится с помощью шкалы нониуса. Схема нониуса с показана на рис. 2.3.2 и 2.3.4.  Основная шкала штанги имеет цену деления 1,0 мм. Интервал делений нониуса при величиной отсчета 0,1 мм обычно равен 0,9 или 1,9 мм, а число делений 10.

Нониус

Рис.2.3.3  Отсчет по нониусу с ценой деления 0,1 мм

В нулевом положении нониуса нулевые штрихи нониуса и шкалы совпадают, а послед­ний штрих нониуса (десятый) совпадает с девятым или девят­надцатым делением шкалы. Если нониус сдвинуть вправо на 0,1 мм, то его первый штрих совпадет с ближайшим делением шкалы, при сдвиге на 0,2 мм совпадет второй штрих, при сме­щении на 0,3 мм — третий штрих и т. д.  (рис. 2.3.3)Таким образом смеще­ние нониуса вправо в пределах 1,0 мм определяется номером штриха нониуса, совпавшим с делением шкалы. В общем случае таким же образом определяется смещение нониуса относительно любого штриха шкалы.   Это смещение, выраженное в десятых долях или сотых (рис. 2.3.2) миллиметра, прибавленное к целому числу миллиметров, заключенному между нулевыми штрихами шкалы и нониуса, определяет размер, на который установлен ШЦ. Таким образом, нониус позволяет заменить глазомерную оценку деления по взаимному расположению штрихов шкалы и отсчетного штриха более точной оценкой по совпадению штрихов шка­лы и нониуса. Кроме нониусов с величиной отсчета 0,1 мм, применяются удлиненные нониусы с величиной отсчета 0,05 и в редких случаях  0,02 мм. На рис. 2.3.2   даны примеры отсчета по этим но­ниусам.

Во всех случаях величина отсчета по нониусу, цена деления шкалы штанги, интервал и число делений нониуса связаны опре­деленной зависимостью. Знание этих зависимостей необходимо для проектирования новых видов ШИ, а также других типов приборов, в которых для повышения точности от­счета используется нониус. Примем следующие обозначения: с — величина отсчета по нониусу (например, 0,05 мм); у — модуль (обязательно целое число); α — интервал делений шкалы штанги (например, 1,0 мм); b — интервал делений нониуса; n — число деле­ний нониуса; — длина шкалы нониуса.

Величина отсчета по нониусу определяется равенством

               с = α/n

В общем случае интервал деления нониуса определяется равенством                                              

Ь = у·α — с,

или после подстановки значения с   

        b = (уп — 1) α /n

Длина нониуса, выраженная в делениях основной шкалы, будет равна

ℓ = nb =(yn — 1) α.

Например, можно определить число делений, интервал делений и дли­ну нониуса при цене деления шкалы 1,0 мм и величине отсчета по нониусу 0,05 мм. Модуль нониуса у  выбираем из конструктивных соображений с учетом удобств отсчета. Примем модуль у = 2. Тогда                           

     n = α/с = 1/0,05 = 20                             

  b = (уп – 1) α /n = (2·20 – 1)/20 = 1,95 мм                               ℓ = (yn – 1)•α = 2•20 – 1 = 39 мм.

Следует отметить, что у современных ШЦ отсчет по нониусу усовершенствован и обеспечивает небольшую погрешность от параллакса (рис. 2.3.4). Так же современные ШЦ имеют притертые рамку и штангу, причем штанга имеет две узких направляющих дорожки приподнятые над штриховой шкалой. Это обеспечивает перемещение рамки без люфтов и не изнашивает штриховую шкалу. Поверхности измерительных притерты губок, что также способствует повышению точности измерения. Предельная допустимая погрешность ШЦ с нониусом составляет 0,05 мм..

Рис.  2.3.4   Конструкция нониуса без параллакса при считывании

Выпускают ШЦ с отчетом по штриховой шкале с диапазоном измерения от 125 до 2000 мм.

Штангенциркуль  с отсчетом по циферблату (рис. 2.3.5) отличаются отсутствием нониуса, который заменен небольшим циферблатом диаметром 30-35 мм со стрелкой. Для привода стрелки на штанге установлена узкая зубчатая рейка с малым   шагом, например, 0,199 мм. С рейкой взаимодействует шестерня, передающая движение рамки через зубчатое колесо  на стрелку (рис.2.3.4).    

Рис. 2.3.5  ШЦ с отсчетом по циферблату

Шестерни зубчатой передачи выполнены закаленными со шлифованными зубьями. Люфт в передаче выбирается с помощью спиральной пружинки и дополнительного зубчатого колеса (рис. 2.3.6 ).

Рис. 2.3.6     Зубчатая передача циферблатного ШЦ

Таким образом,  миллиметры отсчитываются по шкале, расположенной на штанге, а доли миллиметра по циферблату.  За каждый миллиметр,  пройденный рамкой, стрелка индикатора делает полный оборот. Предел измерения циферблатных штангенциркулей до 300 мм. Цена деления отсчета – 0,01 – 0,02 мм. Точность циферблатного ШЦ не выше точности нониусного, так как основная погрешность ШЦ, вызываемая нарушением принципа Аббе остается, а вместо погрешности отсчета по нониусу добавляется погрешность зубчатой передачи. Основной эксплуатационный недостаток нониусных и циферблатных ШЦ – неудобный отсчет результатов измерений по штриховой шкале и нониусу или циферблату и складывание их результатов особенно в условиях плохого освещения.  Этот недостаток полностью исключен в современных инструментах, оснащенных инкрементной электронной системой с цифровой индикацией.

n

Электронный (цифровой) штангенциркуль  (рис. 2.3.7)

Конструктивно электронный ШЦ   мало отличается от механического, но вместо точной шриховой шкалы и нониуса он снабжен инкрементным, как правило, емкостным линейным энкодером, небольшим  электронным устройством и цифровым дисплеем.

Рис. 2.3.7     Электронный (цифровой) штангенциркуль

Инкрементный энкодер состоит из гибкой линейки и съемника, выполненных из диэлектрического материала (например, из фольгированного стеклотекстолита). Линейка представляет собой многослойную гибкую  ленту с нанесенным на ней магнитным слоем. На изнаночной стороне нанесен клей и линейка приклеевается по всей длине  штанги ШЦ. На магнитном слое выполнены прямогугольные шрихи (электроды). Ширина магнитных прямоугольников и промежутков между ними обычно одинакова (рис. 2.3.8) и определяет чувствительность и точность измерительной системы. На ползуне ШЦ расположена небольшая считывающая шкала (съемник), с нанесенным на ней магнитным слоем. Работу инкрементного емкостного энкодера можно рассмотреть на примере, показанном на рис. 2.3.7 [4].  Хотя на практике применяют и другие конфигурации шкал, работающих на том же принципе.              Рис. 2.3.8  Инкрементный емкостной энкодер

Энкодер состоит из двух плоских шкал.  На одной шкале 1 (линейке) нанесены одинаковые прямоугольные электроды 2 с постоянным шагом ℓ. На эти электроды от специального генератора подаются периодические напряжения, имеющие одинаковую форму и амплитуду, но сдвинутые по фазе. Указанные электроды являются передающими. Расположенный на той же шкале длинный электрод 3 является приемным. На другой шкале 5 с постоянным шагом L нанесены электроды связи 4, некоторые из которых перекрывают и передающие и приемный электроды и осуществляют емкостную связь части передающих электродов с приемным. Отношение между шагом  передающих электродов и шагом электродов связи  составляет  L/ℓ = m, где   m – целое число и означает число передающих электродов, размещенных на интервале, равном шагу L. Нормальная работа инкрементного емкостного преобразователя обеспечивается m-фазной системой питания передающих электродов для создания периодической пространственной волны. Все напряжения периодические, имеют идентичную форму, одинаковую амплитуду и обеспечивают заданный сдвиг фаз Δφ = 2π/m. Периодические напряжения передающих электродов создают волну, распространяющуюся между двумя пластинами. Часть этой волны попадает на приемный электрод и выходной сигнал преобразователя подается на фазочувствительное устройство, которое может определить момент времени t1, когда фаза выходного сигнала достигает значения φ0, если подвижная шкала смещена относительно неподвижной на величину х1. При смещении подвижной шкалы на величину х2 та же фаза φ0 достигается в момент времени t2. Измеряя сдвиг фазы выходного сигнала можно получить величину перемещения подвижной пластины преобразователя относительно неподвижной. Причем однозначность связи фазы с перемещением до определенных значений не зависит от скорости и ускорения движения подвижной шкалы относительно неподвижной. Инкрементные емкостные преобразователи выгодно отличаются небольшой мощностью, потребляемой для считывания информации со шкалы. Поэтому емкостные преобразователи наиболее удобны для применения в ручных измерительных приборах  с жесткими ограничениями рамке  ШЦ также расположена   электронная микропроцессорная схема и цифровой дисплей с дискретностью показаний 0,01 мм. Высота цифр составляет 7-9 мм. На корпусе рамки имеются две кнопки «вкл/выкл» и установка нуля. Установка нуля возможна как при сведенных губках штангенциркуля, так и любом месте штанги (например, для контроля партии одинаковых деталей).  Некоторые модели имеют дополнительные функции, например, сортировка по размерам, кодовый выход на внешние устройства и т.д. Вся электронная система питается от небольшой литиевой  батарейки, срок службы которой 1,5 года или 20000 часов. Некоторые  фирмы вместо емкостных энкодеров  применяют индуктивные или магнитные инкрементные энкодеры (раздел 3.2).

Выпускают ШЦ также с абсолютными (кодовыми) энкодерами.Их преимущество в том, что они не требуют установки нуля перед каждым измерением. Достаточно установить нуль в начале эксплуатации и энкодер помнит положение рамки в любом положении, даже при выключении и включении питания.Электронные ШЦ выпускаются со степенью защиты от IP40 – до IP67 (герметичные) по стандарту DIN EN  60529 и ГОСТ 14254-96. Диапазон измерения электронных энкодеров от 125 до 300 мм. Предел допустимой погрешности 0,03-0,04 мм.

Суммарная погрешность измерения с помощью ШЦ  состоит из следующих составляющих: – погрешность Δ1, возникающая от ошибок нанесения штрихов шкалы на штанге и на нониусе. Это систематическая погрешность, но она  не известна и не может быть учтена и компенсирована, поэтому ее учитываю как случайную; – погрешность Δ2, возникающая из-за нарушения принципа Аббе. Это случайная погрешность  первого порядка, зависящая от длины губок, зазоров в направляющей ползуна и усилия прижима губки к измеряемой детали; – погрешность Δ3, возникающая из-за ошибок отсчета по штриховой шкале и нониусу. Это случайная погрешность; – погрешность Δ4, возникающая из-за неодинакового усилия  прижима губки к измеряемой детали. Это случайная погрешность, возникающая из-за деформации контролируемой поверхности измерительными губками; – погрешность Δ5, возникающая из-за отклонений температуры изделия и ШЦ от нормальной температуры. В процессе измерения ШЦ, а иногда и контролируемую деталь держат в руках. Поэтому температура измеряемой детали и ШЦ переменная, что  вызывает  случайную погрешность; – погрешность Δ6, возникающая от перекосов губок ШЦ относительно измеряемой детали; Cуммарная погрешность выражается как

ΔΣ = ±2σ= √∆12 + ∆22 + ∆3+ ∆42 + ∆52 + ∆6 

У  электронного ШЦ ,дополнительно возникает  погрешность Δ7 из-за  ошибок инкрементного емкостного энкодера, но отсутствует погрешность штриховых шкал Δ1 и отсчета по ним Δ3. Таким образом, погрешность электронного ШЦ вычисляется по формуле

ΔΣ = ±2σ= √ ∆22 + ∆42 + ∆52 + ∆62 + ∆72

Из этих формул видно, что основные и наиболее значимые составляющие  погрешности механического и электронного ШЦ – погрешности, обусловленные нарушением принципа Аббе и отклонением температуры.  Поэтому наличие инкрементного преобразователя и цифрового отсчета не не повышает точность электронного ШЦ, несмотря на меньшую  дискретность отсчета (0,01 мм) и более удобное считывание показаний. Фирмы – изготовители часто приводят эмпирические формулы для расчета погрешности измерения. Так, фирма Tesa (Швейцария) приводит следующие формулы для ориентировочного расчета предельно допустимой погрешности измерения  штангенциркулем с нониусом или циферблатом с ценой деления нониуса 0,1 или 0,05 мм

Δlim = (20 + ℓ/10 мм) мкм

Для штангенциркулей  с ценой деления нониуса 0,02 мм

Δlim = (22 + ℓ/50 мм) мкм.

Однако во всех случаях практически  предельно допустимая погрешность измерения ШЦ будет более 50 мкм.

ШЦ так же, как и другие средства измере­ния, подлежат обязательной поверке и калибровке. Поверку и калибровку ШЦ проводят в соответствии с ГОСТ 8.113-85.

Поверку погрешностей показаний ШЦ и других штангенинструментов производят с помощью концевых мер длины в нескольких точках диапазона измерений. При поверке губки штангенциркуля должны быть перпендикулярны широким нера­бочим плоскостям мер. Поверка показаний производится при свободной и закреплен­ной рамке для двух положений блока мер на ближнем и даль­нем расстоянии от штанги. Губки ШЦ должны прижиматься к мерам с усилием, обеспечивающим нормальное скольжение по рабочим  поверхностям мер..

  Штангенглубиномеры

     Глубиномеры предназначены для измерения глубины расположения выточек, проточек, углублений и  глухих отверстий.
Простейшим глубиномером снабжены штангенциркули с небольшим диапазоном измерения 125 и 200 мм. Они имеют тонкий выдвижной щуп, соединенный с подвижной губкой ШЦ (рис. 2.3.6). Измерительной базой служит торец штанги. Точность такого глубиномера не высока. Некоторые модели ШЦ снабжают съемной опорой (рис. 2.3.9), которая крепится на штангу ШЦ и несколько  повышает точность и удобство измерения глубины.

                                      Рис. 2.3.9   Съемная опора

Выпускают  специальные механические и электронные  глубиномеры, предназначенные только для измерения глубины (рис. 2.3.10).  Такие глубиномеры снабжены базовой опорой и жесткой подвижной штангой, перемещающейся в опоре без люфта.       Механические глубиномеры имеют отсчет по шкале и нониусу, электронные –  снабжены инкрементным емкостным энкодером и цифровым дисплеем с дискретностью отсчета 0,01 мм. Электронные глубиномеры с цифровым отсчетом значительно удобнее в эксплуатации.

Выпускают глубиномеры с диапазоном измерения 200, 300,  500 и 1000 мм. Особенность штангенглубиномера по сравнению со  штангенциркулем состоит в том, что при измерении глубиномером соблюдается принцип Аббе. Однако возникает погрешность от неперпендикулярности базовой плоскости и подвижной штанги.

Погрешность штангенглубиномера  составляет 20 мкм для диапазона измерения 200 мм и 30 мкм для диапазона измерения 300 мм. Конструкция штангенглубиномера полностью повторяет конструкцию ШЦ.

Рис. 2.3.10  Электронный штангенглубиномер 

  

Штангенрейсмасы

Штангенрейсмасы (ГОСТ 164-90) предназначены для разметочных работ на плите  и для измерения высоты деталей, уста­новленных на плите.  Штангенрейсмас – это простейший высотомер, который чаще используется для разметки деталей на плите (рис. 2.3.10). При разметке штангенрейсмас устанавли­вают на заданный размер и, перемещая по плите вдоль размеча­емой заготовки, наносят острием разметочной ножки на верти­кальной поверхности заготовки горизонтальную линию. Для измерения высотных размеров вместо разметочной ножки  ус­танавливают измерительную, имеющую нижнюю плоскую и верхнюю с острым ребром измерительные поверхности. При ис­пользовании верхней измерительной поверхности к величине отсчета должен прибавляться размер ножки      

Штангенрейсмасы  выпускаются в механическом (рис. 2.3.11) исполнении со шкалой и нониусом   и в электронном исполнении с инкрементным емкостным энкодером и  цифровым отсчетом.

         Рис. 2.3.11  Механический штангенрейсмас   со шкалой и нониусом

       Штангенрейсмасы выпускают с диапазоном измерения 200,300, 600 и 1000 мм. Цена деления нониуса 0,02 мм. У электронного штангенрейсмаса дискретность отсчета 0,01 мм. Погрешность штангенрейсмаса с диапазоном измерения 200 мм составляет 0,04 мм, с диапазоном измерения 1000 мм составляет 0,08 мм.

Электронный штангенрейсмасс (рис. 2.3.12)имеет жесткое

штангенрейсмас ц

Рис. 2.3.12  Электронный (цифровой) штангенрейсмас

чугунное основание, на котором закреплена вертикальная штанга. На  штанге  установлен индуктивный линейный энкодер. По штанге  перемещается ползун, в котором расположен горизонтальный шток с измерительным шариком на конце. На ползуне расположена электроника с цифровым дисплеем и элементы питания.

Как и при работе со штангенциркулем, факторы, вызывающие
ошибки при измерении, включают ошибки от параллакса, избыточное измерительное усилие из-за нарушения принципа
Аббе, а также ошибки теплового расширения из-за разницы
температур высотомера и детали.
Существуют также и другие факторы погрешности, причиной которых является особенность конструкции штангенрейсмаса. В частности погрешности из-за не параллельности (изгиба) штанги и не перпендикулярности основания.

 

 

 1  Чудов В.А., Цидулко Ф.В.,  Фрейдгейм Н.И.  Размерный контроль в машиностроении. М, Машиностроение, 1982, 328 с.

2     Городецкий Ю.Г. Конструкция, расчет и эксплуатация измерительных инструментов и приборов. Машиностроение, 1971, 376 с

 3.   Вороничев П.П и др. Инкрементные емкостные преобразователи перемещений. М.: Датчики и системы, 2001, №2

4. Этингоф М.И. Современный штангенциркуль,Измерительная техника. 2012. №8