Оптические приборы

С помощью оптических приборов, дающих действительное изображение предмета и имеющих в плоскости изображений пластинки с делениями или перекрестием можно производить измерения двояким путем.

1. Оптическая система вместе с жестко связанной с ней штриховой пластинкой может перемещаться относительно предмета. Точность визирования в основном обуславливается увеличением, даваемым микроскопом. Величина перемещения является измеряемой величиной размера. Погрешность при измерении входит целиком в результат измерения.

2. Оптическая система неподвижна. Штриховая система либо перемещается в плоскости изображения предмета относительно самого изображения, либо имеет шкалу. Средством измерения является оптическая система. Точность визирования (контакта) с измеряемой поверхностью та же, что и в первом случае. Величина перемещения штриховой пластинки соответствует размерам действительного изображения. Следовательно, в результат измерения входит погрешность масштаба изображения, поэтому она должна быть точно известна, а изображение строго подобно предмету.

Оптические приборы подразделяют на три разновидности:

1) приборы с оптическим способом визирования с измеряемой поверхностью и механическим измерением перемещения точки визирования;

2) приборы с механическим соприкосновением с контролируемым изделием и оптическим измерением перемещения точки соприкосновения;

3) приборы с оптическим устройством для наблюдения контролируемого изделия и оптическим измерением перемещения точки визирования.

К приборам первой разновидности относят инструментальные микроскопы и проекторы.

Микроскопы инструментальные предназначены для измерения наружных и внутренних линейных и угловых размеров изделий в прямоугольных и полярных координатах. Они состоят из головки главного микроскопа и приспособления, с помощью которого либо сама головка, либо контролируемое изделие могут перемещаться в одном или двух взаимно перпендикулярных направлениях. Во многих конструкциях микроскопов окулярная штриховая пластинка может вращаться, что позволяет производить как линейные, так и угловые измерения. Величина перемещения измерительного стола определяется с помощью окулярного микрометра, концевых мер или штриховой меры. Отсчеты по шкалам производят чаще всего с помощью отчетных окуляров с неподвижными делениями. Наиболее часто на инструментальных микроскопах проводят измерения параметров резьбы.

Инструментальный микроскоп малой модели (ММИ) имеет диапазон измерений в продольном направлении 75 мм, в поперечном – 25 мм. Цена деления резьбовой микропары перемещения – 0,01 мм, При размере свыше 25 мм используют концевые меры длины.

Инструментальный микроскоп большой модели (БМИ) имеет диапазон измерения в продольном направлении 150 мм, в поперечном – 50 мм. Цена деления резьбовой микропары – 0,005 мм, что достигается за счет увеличения диаметра барабана. Появились микроскопы, у которых микропара снабжается импульсным устройством с цифровым отсчетом.

Проектором в машиностроении называется оптический прибор, в котором оптическое устройство формирует изображение измеряемого объекта на рассеивающей поверхности, служащей экраном. Проектор служит для контроля и измерения изделий сложного профиля, например профильных шаблонов. Можно измерять контуры заточек, канавок, расстояние между центрами отверстий.

Различают:

- контроль увеличенного действительного изображения, спроектированного на экран или матовое стекло;

- измерение с помощью координатного измерительного стола и измерительного перекрытия на экране.

Приборы второй разновидности основаны на получении автоколлимационного изображения. Автоколлимацией называется ход световых лучей, при котором они, выйдя из одной части оптической системы параллельным пучком, отражаются от плоского качающегося зеркала и проходят систему в обратном направлении. К этим приборам относятся: оптиметр вертикальный и горизонтальный; оптический длинномер вертикальный и горизонтальный; интерферометр; измерительная машина; гониометр.

Оптиметр – прибор для измерения линейных размеров сравнением с мерой, калибром или деталью-образцом, преобразовательным элементом в котором является рычажно-оптический механизм. Измерительной головкой служит трубка оптиметра окулярного или проекционного (экранного) типа. В трубке окулярного типа отсчитываются значения размеров по шкале, наблюдаемой в окуляре, в трубке проекционного типа отсчет производится на экране.

Оптиметры изготавливают в двух вариантах – вертикальные с таким же расположением линии измерения и горизонтальные – с горизонтальной линией измерения. Вертикальный оптиметр служит для контактных измерений при контроле наружных линейных размеров, а горизонтальный – для наружных и внутренних размеров.

Оптический длинномер – прибор для измерения линейных размеров сравнением со значением по шкале, встроенной в этот прибор и перемещающейся вместе с измерительным стержнем. Дробные значения отсчитываются по шкале с помощью нониуса, встроенного в специальный окулярный или проекционный микроскоп. В зависимости от конструкции стоек, в которых устанавливают длинномеры, они, как и оптиметры, бывают вертикальные и горизонтальные.

Длинномеры на горизонтальных стойках типа ИЗВ предназначены для тех же целей, что и горизонтальные оптиметры, но измерения здесь ведут прямым методом без применения установочных мер длины. Горизонтальный длинномер типа ИКУ предназначен для измерения наружных и внутренних линейных и угловых размеров в прямоугольных и полярных координатах.

Длинномеры и измерительные машины предназначены для измерения больших длин по одной оси координат. Погрешность измерения длинномером при рекомендуемых условиях, в том числе температурных, составляет от 0,001 до 0,003 мм.

Гониометры служат для измерения углов бесконтактным методом с помощью автоколлиматора непосредственно по лимбу. Выпускают гониометры типов ГС-1, ГС-2, ГС-5, ГС-10 и ГС-30 с ценой деления соответственно 1, 2, 5, 10 и 30".

Прибор имеет ось вращения, установленную на опорах в основании. К оси прибора крепится лимб, алиада и предметный столик. Лимб может вращаться совместно со столиком или совместно с алиадой. Алиада имеет отсчетное устройство и колонку со зрительной трубой, к которой прилагаются автоколлимационные окуляры.

Интерферометр – измерительный прибор, основанный на интерференции света. Контактные интерферометры предназначены для измерения наружных диаметров с использованием стеклянных пластин. Диапазон измерения вертикального интерферометра до 150 мм, горизонтального – до 500 мм.

Погрешность измерения вертикальным интерферометром при использовании концевых мер длины второго разряда составлят от 0,25 до 0,40 мкм. Эти интерферометры чаще всего используют для аттестации концевых мер длины на третий разряд.

Измерительная машина – прибор для измерения линейных размеров сравнением со шкалой, встроенной неподвижно в этот прибор, с отсчетом дробных значений с помощью дополнительной шкалы, перемещающейся с одним измерительным наконечником и по трубке оптиметра. В машине имеется шкала с большим интервалом, который делится с помощью дополнительной шкалы, и устройство для отсчета значений с ценой деления 0,0001 мм. Измерительные машины предназначены в основном для измерения больших размеров (более 1000 мм) и относятся к горизонтальному типу. Измерения на машине производятся непосредственным методом или методом сравнения с мерой. В последнем случае отсчитывается отклонение от настроенного размера с использованием шкалы трубки оптиметра.

Применяют измерительные машины в основном для больших концевых мер длины и очень часто для определения размера микрометрических нутромеров после их сборки. Погрешность измерения методом сравнения с мерой до 500 мм составляет от 0,0004 до 0,002 мм. При измерении методом непосредственной оценки, т. е. с использованием всех шкал, погрешность измерения при рекомендуемых условиях составляет от 0,001 до 0,020 мкм.

Основными представителями третьей разновидности оптических приборов являются универсальный микроскоп и универсальный измерительный микроскоп.

Универсальный микроскоп (УИМ) используется для измерения линейных и угловых размеров в плоскости с визированием измеряемых точек или линий с помощью микроскопа и отсчетом значений по оптическим шкалам. УИМ представляет собой двухкоординатную измерительную машину. Положение продольных и поперечных салазок определяется по стеклянным шкалам с помощью отсчетных микроскопов, снабженных окулярами со спиральным нониусом. При измерении резьб для повышения точности часто используют измерительные ножи.

УИМ имеет диапазон измерений в продольном направлении 200 мм, в поперечном – 100 мм. Цена деления отсчетных линейных устройств 0,001 мм, угломерного устройства – 1".

Изготавливают микроскопы с диапазоном измерений 500х200 мм. В некоторых микроскопах имеется проекционное устройство и цифровой отсчет размера. Микроскопы снабжаются различной оснасткой для проведения разнообразных измерений, поэтому они называются универсальными.

Применение лазеров для линейных измерений. Использование лазеров, особенно газовых лазеров видимого диапазона, чрезвычайно расширило область применения оптических методов измерений расстояний и углов. Пространственная погрешность лазерного света позволяет коллимировать пучки с расходимостью, вызванной только дифракцией. Благодаря этому приборы с применением лазера обеспечивают угловую точность около 1 мкрад при работе на расстоянии порядка сотен метров.

Благодаря высокой интенсивности лазерного излучения твизирование можно выполнять путем непосредственной посылки пучка света в заданном направлении, а интерферометрические измерения проводить в нормально освещенном помещении и даже на открытом воздухе.

Одним из наиболее простых способов применения лазеров является техника визирования. Установив лазер, можно идти вдоль его условной «оптической струны, выверяя положение различных элементов контролируемой конструкции. Технику визирования широко применяют при сборке и монтаже самолетов, нефтехимического оборудования, кораблей, при нивелировании, проходке тоннелей, при строительстве больших сооружений.

Наиболее распространенным методом измерения с помощью лазера является измерение длины с использованием обычной оптической интерференции для коротких дистанций и техники модулированного света – для длинных дистанций. Точность лазерных приборов определяется главным образом степенью стабилизации частоты применяемого лазера и реально может быть порядка 10^-9 – 10^{-10 мм.}

С помощью лазеров можно осуществлять непрерывный интероферометрический контроль размеров деталей в производственном процессе. Лазерные интерферометры и цифровая техника сделали доступным контроль крупногабаритных изделий по отклонениям размеров, формы и расположения поверхностей.

Одним из перспективных направлений развития техники линейных измерений является голографическая интерферометрия с использованием лазера.

В лазерных интероферометах цехового назначения применяют лазерный измеритель перемещений ТПЛ-ЭОК1 с устройствами автоматического управления и ЭВМ. Прибор имеет кнопку установки нулевого положения, что дает возможность реализации измерений по методу сравнения с мерой. Прибор имеет стойку и измерительный столик, что позволяет проводить измерения как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости.

6 СТАНДАРТИЗАЦИЯ ОСНОВНЫХ НОРМ ВЗАИМОЗАМЕНЕМОСТИ