Mikroskop warsztatowyInstrukcja pomiarowa

Instytut Fizyki Politechniki WrocławskiejLaboratorium Pomiarów Optycznych

WSTĘP TEORETYCZNYMikroskop warsztatowy jest przeznaczony do precyzyjnych pomiarów długości oraz kątów.Szczególnym przeznaczeniem mikroskopu warsztatowego może być pomiar parametrówgeometrycznych wyrobów i narzędzi gwintowanych oraz narzędzi pomiarowych. Mikroskopwarsztatowy w szczególnych wypadkach może być również używany do pomiarówsprawdzianów.

13

14

15

rys. 1. a rys. 1 b

Mikroskop warsztatowy składa się z następujących zespołów podstawowych:– oświetlacza.– podstawy z mikrometrycznym wzdłużnym i poprzecznym ruchem stołu wraz z

urządzeniami odczytowymi wielkości przesunięć– tubusu mikroskopu zawierającym obiektyw i układ pryzmatyczny– głowicy okularowej z siatką ogniskową.Mikroskop warsztatowy duży MWD ma sztywną podstawę, na której zmontowane są sankipodłużne i poprzeczne. Na sankach poprzecznych znajduje się stół obrotowy 1 (Rys. 1a).Mierzony przedmiot kładzie się na stole z okrągłą szklaną płytką przedmiotową lub tezzamocowuje się go w kłach umieszczonych w tym celu na stole mikroskopu. Stół mikroskopumożna przesuwać w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach na sankach za pomocądwóch śrub mikrometrycznych 2. Skok śruby mikrometrycznej wynosi 1mm. Skala na bębniestałym jest naniesiona co 1mm. Działka elementarna na bębnie obrotowym wynosi 0,005mm.Średnica stołu wynosi 280mm. Wielkości przesuwu stołu odczytuje się według podziałek

znajdujących się na tulejkach i pokrętkach związanych ze śrubami mikrometrycznymi. Sankiwzdłużne przesuwają się po prowadnicach za pomocą dźwigni.Zakres przesuwu płyt stolika za pomocą śrub mikrometrycznych wynosi 25mm. W kierunkuwzdłużnym stół można przesunąć niezależnie od śruby mikrometrycznej jeszcze o 125mm i o25mm w kierunku poprzecznym. W ten sposób ogólny przesuw wzdłużny stolika wynosi50mm i 150mm. Dodatkowe przesuwy wykorzystuje się do pomiarów za pomocy płytekwzorcowych. Płytki wzorcowe o długości powyżej 30 mm zakłada się na wysuwanąpodstawkę. Stół obraca się za pomocą pokrętła (3). Do unieruchomienia stołu służy zacisk(4). Ruch stołu jest spowalniany przez dwa amortyzatory.W celu uzyskania ostrego widzenia zarysu mierzonego gwintu należy pochylić kolumnę (6)(rys 1 b) z korpusem mikroskopu (7) o kąt wzniosu gwintu. Do pochylania kolumny służypokrętło (5). Największy kąt pochylenia wynosi ±12°30'.Korpus mikroskopu (7) ze wspornikiem (8) przesuwa się wzdłuż pionowej kolumny (6) zapomocą zębatki przymocowanej do kolumny. Pokrętłem (9) ustawia się zgrubnie na ostrewidzenie. Wspornik blokuje się w danym położeniu śrubą (10). Dokładne ustawienie naostrość osiąga się przez przesuw obiektywu mikroskopu za pomocą pierścienia (11). Dokorpusu mikroskopu wkręca się wymienne obiektywy (12) o powiększeniu 1x, 1,5x, 3x i 5x.Całkowite powiększenie mikroskopu wynosi więc 10x, 15x, 30x i 50x. Średnice polawidzenia wynoszą 21, 14, 7 i 4,2mm.

rys. 2. Okularowa głowica goniometryczna

W górnej części tubusu w specjalnym gnieździe osadzona jest i przymocowana wkrętemokularowa głowica goniometryczna z okularem (13) i mikroskopem odczytowym (14)(rys. 2). Ustawienie głowicy jest fabrycznie wyregulowane za pomocą wkręta oporowego.Wewnątrz głowicy znajduje się krąg szklany oraz płytka z krzyżem z 4 liniami, naciętymirównolegle i symetrycznie do poziomej linii krzyża. Płytka z krzyżem z liniami jest sztywnopołączona z kręgiem, na którym wykonano skalę kątową w stopniach, oświetloną światłemdziennym lub z oświetlacza przez lusterko znajdujące się u spodu głowicy. Obrót kręgu ikrzyża odbywa się za pomocą pokrętła umieszczonego pod głowicą okularową. Kąt obrotukrzyża odczytuje się na kręgu za pomocą mikroskopu odczytowego (14) z noniuszem.Powiększenie mikroskopu odczytowego wynosi 40x, a dokładność odczytu kąta – 1’. Przezokular (13) o powiększeniu 10x obserwować można mierzony przedmiot oraz płytę zkrzyżem. Zamiast głowicy goniometrycznej na mikroskop można nałożyć inne głowiceprofilowe. Do przyrządu dodawane są jeszcze wymienne głowice okularowe z płytkamiszklanymi, na których wykonane są zarysy gwintów (metrycznych, calowych i trapezowych),jak również głowice okularowe do pomiaru krzywizn łuków o różnych promieniach.

rys. 3. Schemat układu optycznego mikroskopu warsztatowego

UKŁAD OPTYCZNY I BIEG PROMIENI

Układ optyczny mikroskopu warsztatowego składa się z (rys. 4):– obiektywu, w którego ognisku głównym umieszczona jest przesłona– pryzmatu dachowego odwracającego obraz– siatki ogniskowej– okularu.Układ optyczny oświetlacza składa się z:– źródła światła (żarówka)– zielonego filtru świetlnego– przesłony– zwierciadła– kondensora– płytki przedmiotowej.Do oprawy oświetlacza wbudowana jest przesłona irysowa oraz części optyczne układuoświetleniowego. Przesłona irysowa o zmiennej średnicy otworu w zakresie od 3 do 30 mmumożliwia uzyskanie najlepszego oświetlenia przedmiotu podczas pomiaru.

Wielkość średnicy otworu przesłony odczytuje się na skali. W przypadku stosowania światłanaturalnego, oświetlacz z żarówką, należy wyjąć z oprawy układu oświetlającego, a woprawie umieścić matówkę w oprawce. Wiązka promieni świetlnych od żarówki przechodziprzez filtr zielony (lub matówkę) i przysłonę irysową, odbija się od zwierciadła ustawionegopod kątem 45 do osi i po odbiciu pod kątem 90° przechodzi przez soczewkę kondensora,szybkę przedmiotową (płytka szklana), oświetla przedmiot mierzony i wchodzi do obiektywumikroskopu. Za obiektywem mieści się odwracający pryzmat dachowy, dzięki któremuotrzymuje się prosty (nie odwrócony) obraz przedmiotu mierzonego. Następnie promienieświetlne przechodzą przez szklą ochronne tubusu oraz głowicy okularowej. Obrazmierzonego przedmiotu otrzymuje się na płytce ogniskowej obserwowanej przez okular.Mikroskop odczytowy w głowicy okularowej oświetla się za pomocą zwierciadła. Wiązkapromieni odbita od zwierciadła przechodzi przez zielony lub matowy filtr (który jestrównocześnie szkłem ochronnym) i oświetla podziałkę stopniową. Obraz kresek kręgustopniowego jest odwzorowany ostro przez obiektyw mikroskopu odczytowego wpłaszczyźnie podziałki minutowej (noniusz), obserwowanej przez okular mikroskopuodczytowegoDo wyposażenia zasadniczego mikroskopu należy:– Stolik kłowy

Służy do mierzenia przedmiotów posiadających kły i nakiełki (stożkowe wgłębienia naosi czół przedmiotów o kształcie cylindrycznym) oraz krótkich przedmiotów beznakiełków. Mocuje się go na stoliku obrotowym za pomocą specjalnych wkrętów,których końce wsuwa się do kanałów teowych stolika obrotowego. Stolik kłowypowinien być tak ustawiony na mikroskopie, aby oś kłów była równoległa do przesuwuwzdłużnego stolika mikroskopu. Do tego celu służy wałek ustawczy.

– Podstawki pryzmatyczne.Służą one do ustawiania na mikroskopie długich przedmiotów cylindrycznychPrzedmioty mierzone muszą mieć jednakowe średnice w miejscach, gdzie spoczywają napryzmach.

– Listwa mocująca.Listwa mocująca jest wyposażona w łapki mocujące. Sama listwa mocowana jest dostolika obrotowego, natomiast łapki służą do mocowania przedmiotów płaskich o różnejwielkości na stole obrotowym.

– Płytki wzorcowe.Mikroskop wyposażony jest w komplet płytek wzorcowych o długościach 25, 50 i 75mm.Płytki umożliwiają pomiar w całym zakresie przesuwu stolika.

– Oświetlacz do obserwacji w świetle odbitym.Kadłub oświetlacza jest wykonany z materiału izolacyjnego i ma kształt wieńca naktórego obwodzie są 4 żarówki połączone równolegle. U góry wieńca znajdują się łapkiumożliwiające zamocowanie oświetlacza na dolnej części obiektywu mikroskopu.Żarówki oświetlające zasilane są prądem o napięciu 6V. W skład wyposażeniazasadniczego wchodzi transformator umożliwiający zasilanie oświetlacza z sieci.

– Oświetlacz głowicy goniometrycznejW przypadku niedostatecznego oświetlenia dziennego do oświetlania skali na kręgu wgłowicy goniometrycznej służy specjalny podwieszany na zewnątrz tubusu mikroskopuoświetlacz. Oświetlacz składa się z małego kadłuba do którego wkręcana jest żarówka 6VOświetlacz ten podłącza się przez transformator.

OPIS UŻYTKOWANIA MIKROSKOPU WARSZTATOWEGOPrzed rozpoczęciem pomiarów należy uzyskać zarówno ostre widzenie siatki z krzyżem jak iostre widzenie kresek kręgu i siatki mikroskopu odczytowego. Ostre widzenie siatki z

krzyżem uzyskuje się poprzez obracanie pokrętłem okularu mikroskopu warsztatowego, aostre widzenie kresek kręgu i siatki mikroskopu warsztatowego otrzymuje się poprzez obrótpokrętła okularu mikroskopu odczytowego. Skalę mikroskopu odczytowego należykoniecznie oświetlić przy pomocy odpowiedniego ustawienia lusterka pod głowicąokularową.Następnie należy ustawić tubus na ostre widzenie przedmiotu mierzonego. Dokonuje się tegonajpierw zgrubnie pokrętłem (9), poprzez przemieszczenie całego tubusu razem zewspornikiem wzdłuż prowadnicy pryzmatycznej. Nastawienie dokładne ostrości osiąga sięprzez obrót pierścienia (11) (Rys. 2).Podczas mierzenia elementów geometrycznych gwintu lub przedmiotów o cylindrycznejpowierzchni należy tak nastawić tubus aby płaszczyzna ostrości przechodziła przez środekkłów mocujących. W tym celu przed zamocowaniem przedmiotu badanego należy umocowaćw kłach oprawę nastawczą i nastawić na ostre widzenie tej oprawy Następnie należy wyjąćoprawę i założyć przedmiot do pomiaru. Tubusu do pomiaru nie powinno się przestawiać.Niezbędne jest również takie ustawienie średnicy przesłony irysowej oświetlacza, aby w poluwidzenia mikroskopu wyraźnie było widać krawędź przedmiotu mierzonego.Przy pomiarach gwintów konieczne jest nachylenie kolumny z tubusem tak, aby obie stronyprofilu gwintu były widoczne ostro. Pochylanie kolumny z tubusem dokonuje się pokrętłem(5) (Rys. 2). Tubus w takim położeniu powinien być ustawiony równolegle do linii gwintu wmiejscu obserwacji (pochylenie w lewo lub prawo zależnie od tego czy gwint jest lewo – czyprawoskrętny).

UKŁADANIE PRZEDMIOTÓW NA STOLE MIKROSKOPU

Przedmiot mierzony powinien być ułożony symetrycznie w stosunku do otworukołowego, znajdującego się w stole oraz symetrycznie w stosunku do dwóch śrubmikrometrycznych.Przy pomiarach długości, przedmiot mierzony powinien ustawiony tak, aby mierzona długośćbyła równoległa do ruchu stołu podczas pomiaru.Przy sprawdzaniu gwintu w kłach, konieczne jest ustawienie przedmiotu mierzonego tak. abyoś gwintu mierzonego było równoległa do wzdłużnego ruchu stołu. Sprawdzanieprzeprowadza się w sposób następujący:– W kłach zamocowuje się oprawę ustawczą. Środek siatki pokrywa się z prawą krawędzią

tworzącej cylinder oprawy Następnie przy pomocy uchwytu odsuwa się stół w prawo izwalniając uchwyt powoduje się powolne przesuwanie się siatki w lewo.

– Podczas tego ruchu cały czas obserwuje się, czy krzyż siatki znajduje się w wyjściowympołożeniu w stosunku do tworzącej cylindra oprawy (to znaczy czy pokrywa się z tątworzącą).

– Jeżeli nie ma równoległości pomiędzy kierunkiem ruchu stołu a osią kłów to doprowadzasię do równoległości przy pomocy obrotu ręką górnej płyty stołu.

POMIAR ELEMENTÓW GWINTU

Przy pomocy mikroskopu warsztatowego można mierzyć takie podstawowe parametrygeometryczne gwintów jak:– skok– średnicę zewnętrzną i wewnętrzną– kąt profilu gwintu– położenie profilu gwintu w stosunku do osi gwintu

Średnice zewnętrzna i wewnętrzna.Przy określeniu średnicy zewnętrznej gwintu najpierw ustawia się zerowe położenie na skalimikroskopu odczytowego. Dokonuje się tego w ten sposób, ze obracając płytkę ze skalą wgłowicy okularowej przy pomocy pokrętła (Rys. 3) ustawia się siatkę tak, aby kreska „zero"stopniowej skali zgrała się z kreską zerową mikroskopu odczytowego (Rys. 3). Następnieustawia się oś mierzonego przedmiotu równolegle do kierunku ruchu stołu w sposób opisanywyżej. Kolejnym krokiem jest zgranie poziomej linii krzyża siatki z wierzchołkiem profilugwintu. Dokonuje się tego przez odpowiedni przesuw stolika mikroskopu. Po zgraniuodczytuje się wartość na śrubie mikrometrycznej stolika mikroskopu. Dokonując przesuwupoprzecznego stolika mikroskopu przy pomocy śruby mikrometrycznej ustawia się tą samąlinię siatki na przeciwległe wierzchołki gwintu. Ponownie odczytuje się wartość na śrubiemikrometrycznej stolika. Średnicę zewnętrzną gwintu określa się jako różnicę pomiędzyodczytami w dwóch położeniach stolika. Pomiaru dokonujemy kilkakrotnie i obliczamyśrednią arytmetyczną.Średnicę wewnętrzną określa się analogicznie jako różnicę odczytów odpowiadającychpołożeniom linii siatki we wrębach po obu stronach gwintu.Skok gwintuPrzy określeniu skoku gwintu nastawia się punktowane kreski siatki w głowicygoniometrycznej tak, aby pokryły się z tworzącą profilu gwintu. Następnie co najmniejtrzykrotnie odczytuje się położenie na śrubie mikrometrycznej przesuwu wzdłużnego.Następnie ruchem wzdłużnym stolika ustawia się linię punktową na sąsiedni profil gwintu lubna profil gwintu w odległości n zwojów. Ponownie dokonuje się co najmniej trzechpomiarów. Różnica pomiędzy położeniami przesuwu wzdłużnego dla dwóch sąsiednichprofilów jest wartością skoku gwintu. Skok można również obliczyć jako różnicę pomiędzyodczytami odpowiadającymi profilom odległych od siebie kilku zwojów, podzielonych przezilość zwojów. Pomiar skoku należy również przeprowadzić po drugiej stronie profilu gwintu.Wartość skoku należy obliczyć jako średnią arytmetyczną wielkości z obu stron profilu.

Kąty stożkówPo przygotowaniu mikroskopu do pomiaru (patrz wyżej) kreska „90" na skali stopniowe!zgrywa się z kreską „0" na skali minutowej mikroskopu odczytowego. Kły uchwytu ustawiasię równolegle do wzdłużnego ruchu stołu przy pomocy obrotu górnej płyty stołu. Ustawieniesprawdza się przesuwem stolika do dwóch skrajnych położeń w stosunku do dowolnegopunktu siatki. Następnie stożek badany przemyty w benzynie umieszcza się w kłachPomiar stożków przeprowadza się na dwa sposoby:

a b

rys. 4. Zasada pomiaru kątów zbieżności stożków.

– Sposób pierwszy polega na określeniu średnic dwóch przekrojów poprzecznych stożka,znajdujących się na określonej odległości L od siebie (rys. 4a). W tym celu ruchempoprzecznym stolika przy pomocy śruby mikrometrycznej doprowadza się do pokryciasię środka krzyża z tworzącą stożka, czyniąc trzy odczyty Za każdym razem należyśrodek krzyża ustawie na nowo. Następnie ruchem poprzecznym stolika należydoprowadzić środek krzyża do pokrycia się ze średnicowo - przeciwległą tworzącą iponownie odczytać położenie ustawiając krzyż trzykrotnie. Różnica pomiędzy średnimiarytmetycznymi wielkości odczytów określa średnicę J w danym miejscu. Po zmierzeniuśrednicy d należy przesunąć stolik w kierunku wzdłużnym na określoną długość L przypomocy śruby mikrometrycznej o ile wartość przesunięcia nie przekracza 25mm. Wprzypadku większych przesunięć należy pomiędzy zderzak stolika a zderzak podstawyumieścić płytkę wzorcową. W nowym położeniu wzdłużnym stolika należy podobnie jakpoprzednio obliczyć średnicę stożka D, poprzez ustawienie poprzeczne dla dwóchprzeciwległych położeń na tworzącej stożka. Kąt stożka określa się ze wzoru

−

=L

dDarctanγ , gdzie D - większa średnica stożka, d - mniejsza średnica stożka, L -

odległość pomiędzy tymi średnicami. Błąd bezwzględny pomiaru kąta γ (w radianach)obliczony metodą różniczki zupełnej wynosi

( )

∆

−+∆+∆

−+=∆ L

LdDdD

dDLL

22γ , gdzie: ∆D - błąd bezwzględny pomiaru

większej średnicy stożka, ∆d - błąd bezwzględny pomiaru mniejszej średnicy stożka, ∆L- błąd bezwzględny pomiaru odległości L.

– Sposób drugi polega na określeniu połowy kata rozwarcia stożka (rys. 4b). W tym celupodobnie jak poprzednio doprowadzamy najpierw do pokrycia środek krzyża z tworzącąstożka w wybranym miejscu. Następnie po odczytaniu położeń obu śrubmikrometrycznych przesuwa się stolik w kierunku wzdłużnym na określoną odległość L.Przesuwem poprzecznym z kolei ustawiamy środek krzyża na tworzącej stożka dlanowego położenia wzdłużnego. Wartość różnicy położeń poprzecznych stolikaoznaczmy przez a. Zatem kąt a pomiędzy tworzącą stożka a wysokością wynosi

=

Laarctanα . W podobny sposób określa się kąt pomiędzy tworzącą stożka a

wysokością dla tworzącej stożka po drugiej stronie osi stożka. Cały kąt rozwartościstożka jest sumą dwóch otrzymanych kątów. Błąd bezwzględny pomiaru kąta a (w

radianach) wyliczony metodą różniczki zupełnej wynosi

∆+∆

+=∆ L

Laa

aLL

22α .

Promienie krzywizn łuku.Na szybce stolika umieszcza się przedmiot mierzony i nastawia się mikroskop na ostrośćwidzenia łuku, który zamierza się zmierzyć. Płytkę z krzyżem ustawia się w położeniuzerowym. Promień krzywizny łuku określa się na podstawie znajomości elementów segmentułuku, takich jak wysokości h oraz długości cięciwy 2a.Przedmiot ustawia się tak, aby linia pozioma krzyża dotknęła mierzonego łuku w środkukrzyża (Rys. 7A). Wykonuje się trzy razy pomiar, za każdym razem nastawiając położeniekrzyża na nowo za pomocą śruby mikrometrycznej mikroskopu. Jako odczyt przyjmujemywartość średniej arytmetycznej poszczególnych odczytów. Przy pomocy śrubymikrometrycznej przesuwamy stolik do dowolnej odległości ale tak, aby kreska pozioma niewyszła poza granice łuku (powinna przecinać łuk w punktach M oraz N jak na Rys. 7B).Różnica odczytów stanowi wysokość h mierzonego łuku.

rys. 5. Zasada pomiaru promieni krzywizn łuków

Do określenia długości polowy cięciwy a przesuwamy stolik jedynie tak, aby środek krzyżazetknął się z lukiem w punkcie M. Dokonujemy trzech odczytów. Przesuwamy stolik wkierunku przeciwnym aż do pokrycia się środka krzyża z łukiem z drugiejstrony w punkcie N. Promień krzywizny luku określa się ze wzoru:

22

2 hh

aR +=

Błąd bezwzględny pomiaru promienia krzywizny wyliczamy ze wzoru:

hhh

aahaR ∆+∆+∆=∆

21

2 2

2

gdzie ∆a, ∆h - błąd pomiaru długości cięciwy i wysokości łuku. Ze wzoru wynika, że w celuzmniejszenia błędu należy brać możliwie największy odcinek łuku do pomiaru.