ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Оптико-механические измерительные приборы

1 23

Эти приборы находят широкое применение в промышленности, поскольку позволяют выполнять измерения с очень высокой точностью. По сравнению с механическими головками они имеют большие пределы измерений, могут иметь табло с цифровым отсчетом. При необходимости их можно использовать для автоматического управления производственными процессами.

Оптико-механические приборы бывают - контактные (оптиметры, длинномеры, измерительные машины) и бесконтактные (микроскопы и проекторы).

В оптиметрах используется принцип автокаллимации и оптического рычага (рис. 2.7). Если в фокальной плоскости объектива ОБ (рис. 2.7, а) расположить светящийся объект, например, шкалу, изображение каждого штриха А этой шкалы, расположенного на расстоянии n от оптической оси О, пройдя объектив и отразившись от зеркальной плоскости ЗП, расположенной под углом 90^о к оптической оси, и снова пройдя объектив ОБ, спроецируется также на фокальную плоскость симметрично точке О на расстоянии n' = n. Если зеркальную плоскость ЗП повернуть на угол j к оптической оси, каждое изображение штриха (например, точка О) сместится на расстояние t, определяемое двойным углом отражения 2j: t = F×2tgj, где F - фокусное расстояние объектива. В оптиметрах (рис. 2.7, б) перемещение h измерительного наконечника ИН приводит к повороту зеркала ЗП на плече а, поэтому передаточное отношение оптического рычага (при малых углах j)

i = t/h = 2F tgj / (а tgj) = 2F/а. (2.4)

Рис. 2.7. Оптические схемы:

а - автоколлимации; б - оптического рычага

В оптиметрах отечественного производства типа ОВО-1 F = 200 мм, а = 5 мм (i = 80), длина деления шкалы с = 0,08 мм, увеличение окуляра r = 12^х (видимый интервал деления шкалы А = с×r = 0,96 мм). С учетом увеличения окуляра полное передаточное отношение J = ir = 1000.

Внешний вид и оптическая схема оптиметров со шкалой, проецируемой на экран приведены на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Вертикальный экранный оптиметр типа ОВЭ-1:

а - внешний вид (А -- трубка; Б - измерительный наконечник; В - осветитель); б - оптическая схема

Луч света от источника 1 через конденсор 2, теплофильтр 8, линзу 4 и призму б освещает нанесенную на пластине 6 шкалу с 200-ми (±100) делениями. Через зеркало 7, объектив 8 и зеркало 9 шкала проецируется на поворотное зеркало 10, связанное с измерительным наконечником ИН. Отразившись от зеркала 10, изображение шкалы снова проецируется на другую половину пластины б с нанесенным неподвижным штрихом-указателем. С помощью объектива 18 и зеркал 12, 11 и 14 изображение шкалы с указателем проецируется на экран 15. Даже при больших передаточных отношениях прибор весьма компактный. Согласно ГОСТ 5405-75 выпускают оптиметры с окуляром (тип ОВО) проекционным (тип ОВЭ) экраном для вертикальных или горизонтальных измерений. Диапазон показаний шкал трубок оптиметра ±0,1 или ±0,025 мм, пределы измерений 0 - 180 мм (у горизонтальных 0 - 350 мм), измерительное усилие 0,5 - 2,0 Н, погрешность измерений от ±0,07 до ±0,3 мкм. Малые диапазоны показаний по шкалам позволяют применять оптиметры в основном для сравнительных измерений с использованием концевых мер длины (см. рис. 2.1).

Длинномеры

Для абсолютных измерений (вертикальных и горизонтальных) от 0 до 100 мм используют более массивные оптико-механические приборы - длинномеры.

Рис. 2.9. Вертикальный длинномер:

а - принципиальная схема; б - оптическая схема со спиральным нониусом; в - спиральный нониус; г - схема продольного растра с двумя решетками; д - схема растра с поперечными полосами

Вертикальный длинномер (рис. 2.9, а) состоит из предметного стола 1, на который устанавливают деталь Д, пиноли 3 с измерительным наконечником 2 и шкалой 4, отсчётного устройства 5, шайбы 6 для регулирования измерительного усилия и противовеса (ленты 7, груза 8 и демпфера 9). Отсчетное устройство может быть различным: с визуальным отсчетом по шкале спирального нониуса (типа ДВО, ГОСТ 14028-68), с визуальным отсчетом по шкалам, проецируемым на экран (типа ДВЭ и ДГЭ), с автоматическим цифровым отсчетом.

В длиномерах со спиральным нониусом (рис. 2.9, б) отсчетное устройство, кроме конденсора КД, объектива ОБ и окуляра ОК, имеет две стеклянные пластины. На неподвижной пластине нанесена шкала 11 с десятью штрихами и ценой деления 0,1 мм. На поворотной пластине 10 нанесены спираль Архимеда 13 и круговая шкала 12, имеющая 100 делений с ценой каждого 1 мкм. Для отсчета измеряемого размера детали с помощью ручки 15 и конической передачи 14 вращают круговую шкалу 10 до тех пор, пока штрихи двойной спирали не расположатся симметрично относительно соответствующего штриха миллиметровой шкалы 4 пиноли 8. Целые миллиметры отсчитывают по штрихам шкалы 4 (например 46 мм на рис. 5.9, в), десятые доли миллиметра - по шкале неподвижной пластины 11 (0,3 мм), сотые и тысячные доли миллиметра - по шкале круговой пластины 10 (0,062 мм).

Вертикальные и горизонтальные длинномеры имеют устройство с отсчетом измеряемой величины на экране с помощью оптического микрометра, что облегчает работу контролера. С помощью длинномеров можно выполнять абсолютные измерения в пределах 0 - 100 мм с измерительным усилием 2 - 2,5 Н. Погрешность отсчета, зависящая от контролируемой длины детали, не превышает 1 мкм.

Наиболее совершенными, но более сложными и дорогими являются цифровые отсчетные устройства, позволяющие выполнять дистанционный отсчет контролируемой величины. Преимущество этих устройств - высокая точность измерения в сочетании с возможностью автоматической регистрации результатов контроля, вычисления обобщенных характеристик на ЭВМ или введения результатов измерения в систему управления производственным процессом.

В длинномере, разработанном А.В. Мироненко, отсчетное устройство выполнено в виде растра с двумя решетками - измерительной, закрепленной на пиноли длинномера, и индикаторной, расположенной на корпусе прибора (рис. 2.9, г). Длина измерительного растра должна соответствовать пределам измерения, индикаторный растр может быть значительно короче. При наложении таких растров перемещении одного из них наблюдаются световые импульсы, частота которых определяется шагом растра q. Шаг растра q определяет и точность отсчета. Для увеличения передаточного отношения линии индикаторного растра располагают под некоторым углом j к линиям измерительного растра (рис. 2.9, д), образуя комбинационный растр с шагом G. При перемещении одного из растров в продольном направлении на шаг q комбинационные полосы перемещаются в поперечном направлении на шаг

G = q₁q₂/Dq (2.5)

где Dq = q₁ - q₂ - разность шагов растров.

Для подсчета полос и определения направления перемещения на растровую картину накладывают непрозрачную диафрагму со щелями, сдвинутыми, например, на величину G/4. При использовании реверсивного счетчика импульсов электрические сигналы, поступающие в определенном порядке от четырех фотоэлементов, складываются при прямом перемещении решеток растра и вычитаются при их обратном перемещении. Если при этом осуществить смещение (сканирование) щелей относительно комбинационных полос растра, можно по измеренному перемещению, соответствующему экстремальному значению светового потока, определить долю смещения измерительного растра в пределах одного шага.

Принцип действия отсчётного устройства растровой измерительной системы, основанной на нулевом методе, показан на рис. 2.10. Измерительная система имеет грубую и точную ступени отсчета. Грубая ступень позволяет выполнять отсчет целых и десятых долей миллиметра. Она имеет вид кодовой шкалы КШ, закрепленной вместе с измерительным растром на пиноли. Дорожки шкалы КШ образуют двоично-десятичный циклический код. Свет от конденсора КД, пройдя кодовую шкалу со щелью ЩЛ, попадает на фотодиоды матрицы, электрический сигнал с которых через усилители У2 - У5, детекторы Д2 - Д5 и нуль-органы НО2 - НО5 подается на блок индикации БИ.

Рис. 2.10. Схема отсчетного растрового устройства

Точная ступень служит для отсчета сотых, тысячных и десятитысячных долей миллиметра. Для этой же цели служит конденсор КД, растровое сопряжение Р_из - Р_ин диафрагмой и фотодиоды Ф. Сигнал с фотодиода через усилитель У1 и детектор Д1 поступает на нуль-орган НО1, который управляет преобразователем КТ и соответствующими разрядами цифр блока индикации БИ. Положения измерительного растра Р_из, при которых на выходе детектора напряжение отсутствует, принимают за нулевые. В результате при перемещении измерительного растра образуется шкала нулевых положений (с шагом 0,1 мм). Доли дополнительного смещения измерительного растра (в пределах шага 0,1 мм) определяются индикаторным растром путем его автоматического шагового смещения коммутатором КТ с помощью электромагнитного преобразователя ЭМ. При этом якорь Я и связанный с ним индикаторный растр смещаются до нулевого положения, что вызывает через нуль-орган НО1 и коммутатор КТ остановку растра. Это положение коммутатора фиксируется блоком индикации (цифры высших разрядов). Такие длинномеры имеют цену деления шкалы 0,1; 0,2; 0,5 и 1 мкм.

Интерферометры

Устройства, в которых для измерений использовано явление интерференции света, относятся к наиболее точным. Их применяют для аттестации концевых мер, калибров и образцовых деталей. В сочетании с лазерными источниками света они позволяют регистрировать изменение длины до 10^{-13 м.}

Промышленные интерферометры имеют окулярное, экранное или цифровое отсчетное устройство.

Интерферометры выпускают в виде двух модификаций - для вертикальных (мод. 264) и горизонтальных (мод. 273) измерений. Контактные интерферометры имеют переменную цену деления (от 0,05 до 0,2 мкм) и основаны на схеме Майкельсона (рис. 2.11).

В таких интерферометрах свет от источника 2 через конденсор 3 и светофильтр 4 падает на полупрозрачную разделительную пластину 5 откуда часть лучей попадает на зеркало 8, закрепленное на пиноли с измерительным наконечником, а часть через компенсирующую пластину 6 на индикаторное зеркало 1. Отраженные от обоих зеркал лучи света образуют в объективе 7 интерференционную картину с полосами равной толщины.

При освещении белым светом в голе зрения окуляра возникает центральная черная и боковые окрашенные полосы убывающей интенсивности (рис. 2.12, а). При вводе светофильтра 4 (см. рис. 2.11), создающего монохроматическое освещение, в поле зрения окуляр; возникают полосы одинаковой интенсивности, расстояние между которыми соответствует половине световой волны l светофильтра. При окулярных и экранных отсчётах по черной полосе определяю положение измерительного наконечника, а по монохроматическим полосам - цену деления шкалы интерферометра с помощью формулы

c = 0,5kl/m (2.6)

где k - число интерференционных полос, укладывающихся в m делениях шкалы.

Вертикальный контактный интерферометр (рис. 2.12, б) с окулярным отсчётным устройством 7 имеет стойку 1, по которой с помощью кремальеры 8 можно предварительно регулировать положения кронштейна с трубкой. Дополнительно более точное регулирование выполняют, перемещая стол 4 микрометрическим винтом 3 со стопором 2 и сдвигая шкалу трубки винтом 6 в пределах ±10 делений. Для исключения теплового воздействия оператора на измеряемые детали Д предусмотрен теплозащитный экран 5. Диапазон измерений подобных приборов 0 - 150 мм. Наличие экранов в контактных интерферометрах значительно облегчает их использование. Предельная погрешность показаний d, мкм, зависит от числа делений и шкалы, отсчитанных от нулевого штриха, цены деления шкалы с в мкм, и погрешности измерения длины световой волны Dl по аттестату (Dl £ ± 0,002 мкм)

d = ± (0,03 + 1,5 nc Dl/l).

В интерференционных устройствах с цифровой шкалой (см. рис. 5.11) в качестве воспринимающего элемента отсчетного устройства служит фотоумножитель ФЭУ, сигнал с которого через преобразователь П и усилители У1 и У2 подается через демодуляторы Д1 и Д2 на нуль-органы НО1 и НО2. Шаговый распределитель ШР выполнен в виде делителя напряжения. Зеркало 1, закрепленное на подвижных пластинах отсчётного пьезоэлектрического преобразователя, от источника переменного напряжения У, приводится в колебательное движение с амплитудой А = l/8. Тогда на вход фотоэлемента ФЭУ подается переменный сигнал с рядом гармонических составляющих. При взаимном смещении зеркал 1 и 8 в местах экстремумов освещенности, расположенных одно от другого на расстоянии l/4, сигнал первой гармоники становится равным нулю. Эти точки принимают за начало отсчета шкалы интерферометра. Дополнительное смещение зеркала 8 при измерениях определяют с помощью шагового распределителя ШР. Поскольку при дополнительных отклонениях напряжение на выходе демодулятора не равно нулю и нуль-орган показывает отклонение системы из нулевого положения, компенсирующее напряжение шагового распределителя служит мерой дополнительного смещения. Перемещение регистрируется блоком индикации (см. рис. 5.10).

Расширению производственных возможностей интерферометров (увеличению точности и диапазона измерений, скорости отсчета, нечувствительности к вибрациям, шуму, внешнему освещению и т. п.) способствует использование в качестве источников света лазеров. Это объясняется тем, что лазер обладает высокой монохроматичностью, малой расходимостью луча и большой интенсивностью светового потока. На основе лазеров созданы точные современные средства для измерения длин, скоростей, ускорений и оптических характеристик различных сред. Лазерные интерферометры применяют для измерения линейных перемещений до 1 м. В качестве источника монохроматического измерения в них используют гелий-неоновый лазер, стабилизированный по провалу Лэмба. Их применяют в отсчетных устройствах (рис. 2.13). координатно-измерительных машин, измерительных микроскопов, прецизионных станков и др. Внедрение лазерной интерферометрии позволяет, например, при изготовлении сверхминиатюрных интегральных радиоэлектронных схем в десятки раз уменьшить габариты вычислительных машин, ускорить точность поверки штриховых мер в 500 раз, повысить разрешающую способность до 10^-6 мкм при контроле размеров до 10 м и т. д.

При нивелировании направляющих крупногабаритных станков обеспечивается точность 2 мкм на 1 м длины (до нескольких десятков метров), а лазерный зенит-центр, например, позволяет контролировать вертикальность оси Останкинской телебашни с точностью до 6 мм.

Измерительные микроскопы

Эти оптические средства предназначены главным образом для бесконтактных измерений по одной, двум или трем координатам различных изделий (калибров сложных форм, шаблонов, фасонных резцов, вырубных штампов, резьбовых деталей и др.). В микроскопе (рис. 2.14, а) измеряемую деталь АВ помещают между источником света ИС с конденсором К и объективом ОБ (иногда для измерения используют отраженный свет от бокового источника ИС'). Пройдя через объектив, световой поток дает обратное, увеличенное и действительное изображение А₁В₁, которое может быть отображено на экране 9. При использовании окуляра ОК получают мнимое, обратное и еще раз увеличенное изображение А₂В₂. В существующих оптических схемах устанавливают оборачивающие призмы, которые дают прямые изображения измеряемых предметов.

Выпускают микроскопы с возможностью перемещений наблюдаемых объектов, расположенных на столах с каретками или поворотными приспособлениями, визирных микроскопов, расположенных на каретках, а также объектов и визирных микроскопов.

При измерениях перекрестье сетки (рис. 2.14, б) визирного микроскопа последовательно наводят на характерные точки или линии изображения детали ИД (например, сначала на левую, а затем на правую кромку). Отсчет перемещений кареток или столов с деталями осуществляют по лимбам (в инструментальных микроскопах), по шкалам и нониусам (в отсчетных микроскопах с окулярной или экранной оптикой), по цифровому табло (в автоматизированной системе отсчета).

В инструментальном микроскопе (рис. 2.15) с бинокулярным тубусом 3 измеряемую деталь устанавливают на стеклянном столе 2, положение которого определяют с помощью продольной (150 мм) и поперечной (75 мм) шкал. Изображения этих шкал вместе с нониусом проецируется на экраны 11 и 15. Деталь в нужное положение (в поле зрения тубуса) устанавливают грубым (свободным}, а затем точным (с помощью механизмов микроподач 1 и 10) перемещениями стола. Тубус 8 устанавливают в вертикальное положение с помощью соосных маховичков 7 (грубое и точное перемещения), измеряя перемещения по шкале 5 с нониусом, цена деления которого 0,1 мм. Поворачивая маховик 12, стойку 9 можно наклонить на угол (±15⁰), измеряемый через окно 13. При вертикальном положении стойки загорается лампочка 14. Поворотом рукоятки б изображение детали можно спроецировать на экран 4. С помощью сменных рамок 8 на изображение детали можно наложить изображения сеток с контролируемыми профилями резьбы, радиусами закруглений, углами и т. п.

Больший диапазон измерения и повышенную точность имеют универсальные микроскопы. Так, в микроскопе УИМ-23 (рис. 2.16, а) измеряемое изделие располагают на столе 7 или закрепляют в центровых бабках 4 и 12. Стол может перемещаться на каретках продольного 11 (х = 200 мм) и поперечного 8 ходов (у = 100 мм). При отжатых рукоятках 6 и 10 каретки можно легко перемещать от руки, точную подачу осуществляют после стопорения рукояток микровинтами 9 и 5. Положения кареток отсчитывают по шкалам (рис. 2.16, б) продольного и поперечного ходов, изображения которых проецируются на экраны 8 и 2. Кронштейн 15 с визирной системой 1 можно перемещать вертикально с помощью грубого 14 и точного винтов и наклонять с помощью винта 13 на угол ±12,5^о относительно вертикального положения. Цена деления линейных шкал 1 мкм, угловой - 1'. Предельные погрешности зависят от размеров изделия и, например, для цилиндрических деталей диаметром D мм составляют ± (6 + D/70) мкм. Опытные образцы микроскопов с отсчетными устройствами в виде растров и лазерных интерферометров позволяют значительно уменьшить погрешность измерения (до 0,3 мкм). Кроме того, они весьма удобны в использовании.

Проекторы

Предназначены для контроля и измерения деталей, спроецированных в увеличенном масштабе на экран. Проекторы могут работать в проходящем и отраженном свете. Их используют главным образом для контроля изделий со сложным профилем: шаблонов, плат, лекал, зубчатых колес, штампованных деталей, фасонных резцов и т. п. Свет от источника (рис. 2.17, а и б) через конденсор 1 параллельным пучком направляется на проверяемую деталь 2. Объективом 8 действительное обратное изображение детали через систему зеркал 5 - б проецируется на экран 4.

Контролируемое изображение детали на экране можно проверять различными методами, например сравнения: с вычерченным в увеличенном масштабе номинальным контуром; с двойным контуром, вычерченным в соответствии с предельными положениями годного профиля; показаний отсчетных устройств проектора; с помощью масштабных линеек; совмещением противоположных контуров детали.

В соответствии с ГОСТ 19795-82 выпускают проекторы типа ПИ с экраном диаметром до 250 мм; 2М - 400 мм и свыше 400 мм. Часовой проектор ЧП (рис, 2.17, в) состоит из осветителя 1, сменных конденсоров 3, -стола 5 с продольным и поперечным винтами 4 и 9 (цена деления 1 мкм); объектива б, зеркала 8 и экрана 7. Маховичок 2 служит для вертикального перемещения стола при фокусировке. Сменные объективы позволяют получить увеличение от 10 до 200^х. Серийно выпускают проекторы типа БП-ЗЦ с цифровым отсчетом перемещения стола.

Контрольные вопросы к главе 2.4

1 23