Mikroskop warsztatowy
Instrukcja pomiarowa
Instytut Fizyki Politechniki Wrocławskiej
Laboratorium Pomiarów Optycznych
WSTĘP TEORETYCZNY
Mikroskop warsztatowy jest przeznaczony do precyzyjnych pomiarów długości oraz kątów.
Szczególnym przeznaczeniem mikroskopu warsztatowego może być pomiar parametrów
geometrycznych wyrobów i narzędzi gwintowanych oraz narzędzi pomiarowych. Mikroskop
warsztatowy w szczególnych wypadkach może być również używany do pomiarów
sprawdzianów.
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 sanki
podłużne i poprzeczne. Na sankach poprzecznych znajduje się stół obrotowy 1 (Rys. 1a).
Mierzony przedmiot kładzie się na stole z okrągłą szklaną płytką przedmiotową lub tez
zamocowuje się go w kłach umieszczonych w tym celu na stole mikroskopu. Stół mikroskopu
można przesuwać w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach na sankach za pomocą
dwóch śrub mikrometrycznych 2. Skok śruby mikrometrycznej wynosi 1mm. Skala na bębnie
stałym 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. Sanki
wzdłużne przesuwają się po prowadnicach za pomocą dźwigni.
Zakres przesuwu płyt stolika za pomocą śrub mikrometrycznych wynosi 25mm. W kierunku
wzdłużnym stół można przesunąć niezależnie od śruby mikrometrycznej jeszcze o 125mm i o
25mm w kierunku poprzecznym. W ten sposób ogólny przesuw wzdłużny stolika wynosi
50mm i 150mm. Dodatkowe przesuwy wykorzystuje się do pomiarów za pomocy płytek
wzorcowych. Płytki wzorcowe o długości powyżej 30 mm zakłada się na wysuwaną
podstawkę. 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 służy
pokrętło (5). Największy kąt pochylenia wynosi ±12
°30'.
Korpus mikroskopu (7) ze wspornikiem (8) przesuwa się wzdłuż pionowej kolumny (6) za
pomocą zębatki przymocowanej do kolumny. Pokrętłem (9) ustawia się zgrubnie na ostre
widzenie. Wspornik blokuje się w danym położeniu śrubą (10). Dokładne ustawienie na
ostrość osiąga się przez przesuw obiektywu mikroskopu za pomocą pierścienia (11). Do
korpusu 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 pola
widzenia wynoszą 21, 14, 7 i 4,2mm.
rys. 2. Okularowa głowica goniometryczna
W górnej części tubusu w specjalnym gnieździe osadzona jest i przymocowana wkrętem
okularowa 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, naciętymi
równolegle i symetrycznie do poziomej linii krzyża. Płytka z krzyżem z liniami jest sztywno
połączona z kręgiem, na którym wykonano skalę kątową w stopniach, oświetloną światłem
dziennym lub z oświetlacza przez lusterko znajdujące się u spodu głowicy. Obrót kręgu i
krzyża odbywa się za pomocą pokrętła umieszczonego pod głowicą okularową. Kąt obrotu
krzyża odczytuje się na kręgu za pomocą mikroskopu odczytowego (14) z noniuszem.
Powiększenie mikroskopu odczytowego wynosi 40x, a dokładność odczytu kąta – 1’. Przez
okular (13) o powiększeniu 10x obserwować można mierzony przedmiot oraz płytę z
krzyżem. Zamiast głowicy goniometrycznej na mikroskop można nałożyć inne głowice
profilowe. Do przyrządu dodawane są jeszcze wymienne głowice okularowe z płytkami
szklanymi, 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 układu
oświetleniowego. Przesłona irysowa o zmiennej średnicy otworu w zakresie od 3 do 30 mm
umożliwia uzyskanie najlepszego oświetlenia przedmiotu podczas pomiaru.
Wielkość średnicy otworu przesłony odczytuje się na skali. W przypadku stosowania światła
naturalnego, oświetlacz z żarówką, należy wyjąć z oprawy układu oświetlającego, a w
oprawie umieścić matówkę w oprawce. Wiązka promieni świetlnych od żarówki przechodzi
przez filtr zielony (lub matówkę) i przysłonę irysową, odbija się od zwierciadła ustawionego
pod kątem 45 do osi i po odbiciu pod kątem 90° przechodzi przez soczewkę kondensora,
szybkę przedmiotową (płytka szklana), oświetla przedmiot mierzony i wchodzi do obiektywu
mikroskopu. Za obiektywem mieści się odwracający pryzmat dachowy, dzięki któremu
otrzymuje się prosty (nie odwrócony) obraz przedmiotu mierzonego. Następnie promienie
świetlne przechodzą przez szklą ochronne tubusu oraz głowicy okularowej. Obraz
mierzonego przedmiotu otrzymuje się na płytce ogniskowej obserwowanej przez okular.
Mikroskop odczytowy w głowicy okularowej oświetla się za pomocą zwierciadła. Wiązka
promieni odbita od zwierciadła przechodzi przez zielony lub matowy filtr (który jest
równocześnie szkłem ochronnym) i oświetla podziałkę stopniową. Obraz kresek kręgu
stopniowego jest odwzorowany ostro przez obiektyw mikroskopu odczytowego w
płaszczyźnie podziałki minutowej (noniusz), obserwowanej przez okular mikroskopu
odczytowego
Do wyposażenia zasadniczego mikroskopu należy:
– Stolik kłowy
Służy do mierzenia przedmiotów posiadających kły i nakiełki (stożkowe wgłębienia na
osi czół przedmiotów o kształcie cylindrycznym) oraz krótkich przedmiotów bez
nakiełków. Mocuje się go na stoliku obrotowym za pomocą specjalnych wkrętów,
których końce wsuwa się do kanałów teowych stolika obrotowego. Stolik kłowy
powinien być tak ustawiony na mikroskopie, aby oś kłów była równoległa do przesuwu
wzdłużnego stolika mikroskopu. Do tego celu służy wałek ustawczy.
– Podstawki pryzmatyczne.
Służą one do ustawiania na mikroskopie długich przedmiotów cylindrycznych
Przedmioty mierzone muszą mieć jednakowe średnice w miejscach, gdzie spoczywają na
pryzmach.
– Listwa mocująca.
Listwa mocująca jest wyposażona w łapki mocujące. Sama listwa mocowana jest do
stolika obrotowego, natomiast łapki służą do mocowania przedmiotów płaskich o różnej
wielkości 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 na
którego obwodzie są 4 żarówki połączone równolegle. U góry wieńca znajdują się łapki
umożliwiające zamocowanie oświetlacza na dolnej części obiektywu mikroskopu.
Żarówki oświetlające zasilane są prądem o napięciu 6V. W skład wyposażenia
zasadniczego wchodzi transformator umożliwiający zasilanie oświetlacza z sieci.
– Oświetlacz głowicy goniometrycznej
W przypadku niedostatecznego oświetlenia dziennego do oświetlania skali na kręgu w
głowicy goniometrycznej służy specjalny podwieszany na zewnątrz tubusu mikroskopu
oświetlacz. Oświetlacz składa się z małego kadłuba do którego wkręcana jest żarówka 6V
Oświetlacz ten podłącza się przez transformator.
OPIS UŻYTKOWANIA MIKROSKOPU WARSZTATOWEGO
Przed rozpoczęciem pomiarów należy uzyskać zarówno ostre widzenie siatki z krzyżem jak i
ostre widzenie kresek kręgu i siatki mikroskopu odczytowego. Ostre widzenie siatki z
krzyżem uzyskuje się poprzez obracanie pokrętłem okularu mikroskopu warsztatowego, a
ostre widzenie kresek kręgu i siatki mikroskopu warsztatowego otrzymuje się poprzez obrót
pokrętła okularu mikroskopu odczytowego. Skalę mikroskopu odczytowego należy
koniecznie oświetlić przy pomocy odpowiedniego ustawienia lusterka pod głowicą
okularową.
Następnie należy ustawić tubus na ostre widzenie przedmiotu mierzonego. Dokonuje się tego
najpierw zgrubnie pokrętłem (9), poprzez przemieszczenie całego tubusu razem ze
wspornikiem wzdłuż prowadnicy pryzmatycznej. Nastawienie dokładne ostrości osiąga się
przez obrót pierścienia (11) (Rys. 2).
Podczas mierzenia elementów geometrycznych gwintu lub przedmiotów o cylindrycznej
powierzchni należy tak nastawić tubus aby płaszczyzna ostrości przechodziła przez środek
kłów mocujących. W tym celu przed zamocowaniem przedmiotu badanego należy umocować
w kłach oprawę nastawczą i nastawić na ostre widzenie tej oprawy Następnie należy wyjąć
oprawę i założyć przedmiot do pomiaru. Tubusu do pomiaru nie powinno się przestawiać.
Niezbędne jest również takie ustawienie średnicy przesłony irysowej oświetlacza, aby w polu
widzenia mikroskopu wyraźnie było widać krawędź przedmiotu mierzonego.
Przy pomiarach gwintów konieczne jest nachylenie kolumny z tubusem tak, aby obie strony
profilu 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 w
miejscu obserwacji (pochylenie w lewo lub prawo zależnie od tego czy gwint jest lewo – czy
prawoskrętny).
UKŁADANIE PRZEDMIOTÓW NA STOLE MIKROSKOPU
Przedmiot mierzony powinien być ułożony symetrycznie w stosunku do otworu
kołowego, znajdującego się w stole oraz symetrycznie w stosunku do dwóch śrub
mikrometrycznych.
Przy pomiarach długości, przedmiot mierzony powinien ustawiony tak, aby mierzona długość
była równoległa do ruchu stołu podczas pomiaru.
Przy sprawdzaniu gwintu w kłach, konieczne jest ustawienie przedmiotu mierzonego tak. aby
oś gwintu mierzonego było równoległa do wzdłużnego ruchu stołu. Sprawdzanie
przeprowadza 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 i
zwalniając uchwyt powoduje się powolne przesuwanie się siatki w lewo.
– Podczas tego ruchu cały czas obserwuje się, czy krzyż siatki znajduje się w wyjściowym
położeniu w stosunku do tworzącej cylindra oprawy (to znaczy czy pokrywa się z tą
tworzącą).
– Jeżeli nie ma równoległości pomiędzy kierunkiem ruchu stołu a osią kłów to doprowadza
się do równoległości przy pomocy obrotu ręką górnej płyty stołu.
POMIAR ELEMENTÓW GWINTU
Przy pomocy mikroskopu warsztatowego można mierzyć takie podstawowe parametry
geometryczne 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 skali
mikroskopu odczytowego. Dokonuje się tego w ten sposób, ze obracając płytkę ze skalą w
głowicy okularowej przy pomocy pokrętła (Rys. 3) ustawia się siatkę tak, aby kreska „zero"
stopniowej skali zgrała się z kreską zerową mikroskopu odczytowego (Rys. 3). Następnie
ustawia się oś mierzonego przedmiotu równolegle do kierunku ruchu stołu w sposób opisany
wyżej. Kolejnym krokiem jest zgranie poziomej linii krzyża siatki z wierzchołkiem profilu
gwintu. Dokonuje się tego przez odpowiedni przesuw stolika mikroskopu. Po zgraniu
odczytuje się wartość na śrubie mikrometrycznej stolika mikroskopu. Dokonując przesuwu
poprzecznego stolika mikroskopu przy pomocy śruby mikrometrycznej ustawia się tą samą
linię siatki na przeciwległe wierzchołki gwintu. Ponownie odczytuje się wartość na śrubie
mikrometrycznej stolika. Średnicę zewnętrzną gwintu określa się jako różnicę pomiędzy
odczytami w dwóch położeniach stolika. Pomiaru dokonujemy kilkakrotnie i obliczamy
średnią arytmetyczną.
Średnicę wewnętrzną określa się analogicznie jako różnicę odczytów odpowiadających
położeniom linii siatki we wrębach po obu stronach gwintu.
Skok gwintu
Przy określeniu skoku gwintu nastawia się punktowane kreski siatki w głowicy
goniometrycznej tak, aby pokryły się z tworzącą profilu gwintu. Następnie co najmniej
trzykrotnie odczytuje się położenie na śrubie mikrometrycznej przesuwu wzdłużnego.
Następnie ruchem wzdłużnym stolika ustawia się linię punktową na sąsiedni profil gwintu lub
na profil gwintu w odległości n zwojów. Ponownie dokonuje się co najmniej trzech
pomiarów. Różnica pomiędzy położeniami przesuwu wzdłużnego dla dwóch sąsiednich
profilów jest wartością skoku gwintu. Skok można również obliczyć jako różnicę pomiędzy
odczytami odpowiadającymi profilom odległych od siebie kilku zwojów, podzielonych przez
ilość zwojów. Pomiar skoku należy również przeprowadzić po drugiej stronie profilu gwintu.
Wartość skoku należy obliczyć jako średnią arytmetyczną wielkości z obu stron profilu.
Kąty stożków
Po przygotowaniu mikroskopu do pomiaru (patrz wyżej) kreska „90" na skali stopniowe!
zgrywa się z kreską „0" na skali minutowej mikroskopu odczytowego. Kły uchwytu ustawia
się równolegle do wzdłużnego ruchu stołu przy pomocy obrotu górnej płyty stołu. Ustawienie
sprawdza się przesuwem stolika do dwóch skrajnych położeń w stosunku do dowolnego
punktu siatki. Następnie stożek badany przemyty w benzynie umieszcza się w kłach
Pomiar 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 ruchem
poprzecznym stolika przy pomocy śruby mikrometrycznej doprowadza się do pokrycia
się środka krzyża z tworzącą stożka, czyniąc trzy odczyty Za każdym razem należy
środek krzyża ustawie na nowo. Następnie ruchem poprzecznym stolika należy
doprowadzić środek krzyża do pokrycia się ze średnicowo - przeciwległą tworzącą i
ponownie odczytać położenie ustawiając krzyż trzykrotnie. Różnica pomiędzy średnimi
arytmetycznymi wielkości odczytów określa średnicę J w danym miejscu. Po zmierzeniu
średnicy d należy przesunąć stolik w kierunku wzdłużnym na określoną długość L przy
pomocy śruby mikrometrycznej o ile wartość przesunięcia nie przekracza 25mm. W
przypadku większych przesunięć należy pomiędzy zderzak stolika a zderzak podstawy
umieścić płytkę wzorcową. W nowym położeniu wzdłużnym stolika należy podobnie jak
poprzednio obliczyć średnicę stożka D, poprzez ustawienie poprzeczne dla dwóch
przeciwległych położeń na tworzącej stożka. Kąt stożka określa się ze wzoru
−
=
L
d
D
arctan
γ
, 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
L
d
D
d
D
d
D
L
L
2
2
γ
, 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 celu
podobnie jak poprzednio doprowadzamy najpierw do pokrycia środek krzyża z tworzącą
stożka w wybranym miejscu. Następnie po odczytaniu położeń obu śrub
mikrometrycznych przesuwa się stolik w kierunku wzdłużnym na określoną odległość L.
Przesuwem poprzecznym z kolei ustawiamy środek krzyża na tworzącej stożka dla
nowego położenia wzdłużnego. Wartość różnicy położeń poprzecznych stolika
oznaczmy przez a. Zatem kąt a pomiędzy tworzącą stożka a wysokością wynosi
=
L
a
arctan
α
. W podobny sposób określa się kąt pomiędzy tworzącą stożka a
wysokością dla tworzącej stożka po drugiej stronie osi stożka. Cały kąt rozwartości
stożka jest sumą dwóch otrzymanych kątów. Błąd bezwzględny pomiaru kąta a (w
radianach) wyliczony metodą różniczki zupełnej wynosi
∆
+
∆
+
=
∆
L
L
a
a
a
L
L
2
2
α
.
Promienie krzywizn łuku.
Na szybce stolika umieszcza się przedmiot mierzony i nastawia się mikroskop na ostrość
widzenia łuku, który zamierza się zmierzyć. Płytkę z krzyżem ustawia się w położeniu
zerowym. Promień krzywizny łuku określa się na podstawie znajomości elementów segmentu
łuku, takich jak wysokości h oraz długości cięciwy 2a.
Przedmiot ustawia się tak, aby linia pozioma krzyża dotknęła mierzonego łuku w środku
krzyża (Rys. 7A). Wykonuje się trzy razy pomiar, za każdym razem nastawiając położenie
krzyża na nowo za pomocą śruby mikrometrycznej mikroskopu. Jako odczyt przyjmujemy
wartość średniej arytmetycznej poszczególnych odczytów. Przy pomocy śruby
mikrometrycznej przesuwamy stolik do dowolnej odległości ale tak, aby kreska pozioma nie
wyszła 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 krzyża
zetknął się z lukiem w punkcie M. Dokonujemy trzech odczytów. Przesuwamy stolik w
kierunku przeciwnym aż do pokrycia się środka krzyża z łukiem z drugiej
strony w punkcie N. Promień krzywizny luku określa się ze wzoru:
2
2
2
h
h
a
R
+
=
Błąd bezwzględny pomiaru promienia krzywizny wyliczamy ze wzoru:
h
h
h
a
a
h
a
R
∆
+
∆
+
∆
=
∆
2
1
2
2
2
gdzie
∆a, ∆h - błąd pomiaru długości cięciwy i wysokości łuku. Ze wzoru wynika, że w celu
zmniejszenia błędu należy brać możliwie największy odcinek łuku do pomiaru.