Воронеж 2008

В.М. Пачевский А.Н. Осинцев М.Н. Краснова

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ

И ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ: ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ПО КОМПЛЕКСУ ДИСЦИПЛИН

Учебное пособие

Воронеж 2008

ГОУВПО «Воронежский государственный

технический университет»

В.М. Пачевский А.Н. Осинцев М.Н. Краснова

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ

И ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ: ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ПО КОМПЛЕКСУ ДИСЦИПЛИН

Издание второе, переработанное и дополненное

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2008

УДК 621.02.01.2

Пачевский В.М. Метрология, стандартизация и технические измерения: лабораторный практикум по комплексу дисциплин: учеб. пособие / В.М. Пачевский, А.Н. Осинцев, М.Н. Краснова. 2-е изд., перераб. и доп. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2008. 180 с.

Лабораторный практикум составлен в соответствии с программой курсов «Метрология, стандартизация и сертификация» (специальности 151001 «Технология машиностроения», 151002 «Металлообрабатывающие станки и комплексы», 150201 «Машины и технология обработки металлов давлением»), «Нормирование точности» (специальности 151002 «Металлообрабатывающие станки и комплексы») и «Взаимозаменяемость» (специальность 200503 «Стандартизация и сертификация») и содержит краткое изложение учебного материала, задания на лабораторные работы, объяснения по их выполнению.

Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлениям 151000 «Конструкторско-технологическое обеспечение автоматизированных машиностроительных производств», 150200 «Машиностроительные технологии и оборудование» и 200500 «Метрология, стандартизация и сертификация».

Предназначено для студентов очной и очно-заочной форм обучения.

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS Word XP и содержится в файле Метр, станд. и техн. измер.: ЛП.doc.

Табл. 19. Ил. 76. Библиогр.: 5 назв.

Научный редактор д-р техн. наук, проф. М.И. Чижов

Рецензенты: кафедра начертательной геометрии и графики

Воронежского государственного

архитектурно-строительного университета

(зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. Ю.А. Цеханов);

д-р техн. наук, проф. Ю.С. Ткаченко

© Пачевский В.М., Осинцев А.Н.,

Краснова М.Н., 2008

© Оформление. ГОУВПО

«Воронежский государственный

технический университет», 2008

ВВЕДЕНИЕ

Современное машиностроение характеризуется широким внедрением современных, надежных и эффективных машин высокого качества. Непрерывно со­вершенствуются конструкции машин и других изделий, технология и средства их производства и контроля. Широко используются такие методы повышения технологичности изделий, как уни­фикация и стандартизация изделий, их агрегатов и деталей; шире используются методы комплексной, и опережающей стандартизации; внедряются системы управления качеством продукции, система технологической подготовки производства. Увеличилась доля изделий высшей категории качества в общем объеме их произ­водства.

Большое значение для развития машиностроения имеет органи­зация производства машин и других изделий на основе взаимозаме­няемости, создание и применение надежных средств технических измерений и контроля.

Комплекс дисциплин «Метрология, стандартизация и технические измерения», дает студенту знания, которые входят в основу обязательных знаний абсолют­но для всех специалистов, работающих в любой отрасли машинострое­ния. Эти обязательные знания должны быть усвоены будущими специалистами. Этими знаниями специалист будет пользоваться все время, пока он будет работать в области машиностроения.

Эти знания, т.е. как нормируется точность в машиностроении и что это такое, какими параметрами нормируется точность, какими знаками и как эти требования должны обозначаться на чертежах, как и каким инструментарием производятся технические измерения, студент должен знать и владеть в совершенстве.

Важным элементом учебного процесса является лабораторный практикум. Выполнение лабораторных работ по дисциплине не только позволяет студентам закрепить теоретические знания, но и самостоятельно их применять на практике, хотя бы в рамках учебной задачи. Такой подход к лабораторным работам обязывает индивидуализировать задания, вносить в них элементы неожиданного, требующего творческого решения. При выполнении лабораторной работы студенты овладевают методами организации, подготовки и проведения эксперимента, анализом его результатов. В каждой лабораторной работе должна быть поставлена цель, только достижение ее служит основанием для окончания данной работы и ее защиты.

Методика проведения лабораторных занятий может существенно различаться для разных дисциплин, но форма их проведения должна быть активной. Студент должен на занятиях интенсивно работать. Очень важно, чтобы студенты имели четкое представление о том, какое отношение предлагаемые им задачи имеют или будут иметь к их будущей профессии.

В данном учебном пособии представлено 8 лабораторных работ, что превышает требования учебного курса. Выбор той или иной лабораторной работы диктуется количеством часов учебного плана, возможностями кафедры, ведущей данную дисциплину, требованиями производственных предприятий данного региона.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И УКАЗАНИЯ

К САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЕ СТУДЕНТОВ

Учебное пособие разработано для проведения восьми лабораторных работ, связанных с изучением технических измерений и особенностями их практического применения.

Цель работ: закрепление теоретических знаний и приобретение практических навыков в подборе оптимальных методов измерения и измерительных средств для заданных поверхностей и проведение измерений в реальных условиях.

Время выполнения одной работы - 4 часа.

Не позднее, чем за две недели до проведения лабораторной работы студент должен знать номер той работы, которую он должен выполнять на следующем занятии. За это время студент знакомится с описанием лабораторной работы, изучает теоретические вопросы, продумывает возможные варианты выполнения работы.

Отчет по лабораторным работам оформляется в отдельной тетради. Он проводится в виде зашиты. Студент отчитывается в присутствии всей подгруппы. Каждый присутствующий может задавать вопросы и высказывать свое мнение по поводу выполненной работы.

В описании каждой лабораторной работе представлена информация по особенностям отчета.

2. МЕТРОЛОГИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

2.1. Теоретическая часть

2.1.1. Основные понятия

Основными единицами физических величин в СИ являются: длины — метр (м), массы — килограмм (кг), времени — секунда (с), силы электрического тока — ампер (А), термодинамической температуры — кельвин (К), силы света — кандела (кд), количества вещества — моль (моль). Дополнительные единицы СИ: радиан (рад) и стерадиан (ср) — для измерения плоского и телесного углов соот­ветственно.

Производные единицы СИ получены из основных с помощью уравнений связи между физическими величинами. Так, единицей силы является ньютон: 1Н = 1 кг∙м∙с^-2, единицей давления — паскаль: 1 Па = 1 кг∙м^–1 ∙с^-2 и т. д. В СИ для обозначения десятичных кратных (умноженных на 10 в положительной степени) и дольных (умноженных на 10 в отрицательной степени) приняты следующие приставки: экса (Э) - 10¹⁸, пета (П) - 10¹⁵, тера (Т) - 10¹², гига (Г) - 10⁹, мега (М) - 10⁶, кило (к) - 10³, гекто (г) - 10², дека (да) - 10¹, деци (д) - 10 ^-1, санти (с) - 10 ^-2, милли (м) - 10 ^-3, микро (мк) - 10^-6, нано (н) - 10^-9, пико (п) - 10^-12, фемто (ф) - 10^-15, атто (а) - 10^-18. Так, в соответствии с СИ тысячная доля мил­лиметра (микрометр) 0,001 мм = 1 мкм.

Средства измерений. Технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства, называют средствами измерения.

Эталоны — средства измерений, официально утвержденные и обеспечивающие воспроизведение и (или) хранение единицы физиче­ской величины с целью передачи ее размера нижестоящим по пове­рочной схеме средствам измерений.

Меры — средства измерений, предназначенные для воспроизве­дения заданного размера физической величины. В технике часто ис­пользуют наборы мер, например, гирь, плоскопараллельных конце­вых мер длины (плиток), конденсаторов и т. п.

Образцовые средства измерений — меры, измерительные приборы или преобразователи, утвержденные в качестве образцовых для поверки по ним других средств измерений. Рабочие средства применяют для измерений, не связанных с передачей размера единиц.

Порядок передачи размера единиц физической величины от эта­лона или исходного образцового средства к средствам более низких разрядов (вплоть до рабочих) устанавливают в соответствии с пове­рочной схемой. Так, по одной из поверочных схем передача единицы длины путем последовательного лабораторного сличения и поверок производится от рабочего эталона к образцовым мерам высшего раз­ряда, от них образцовым мерам низших разрядов, а от последних к рабочим средствам измерения (оптиметрам, измерительным маши­нам, контрольным автоматам и т. п.).

Методы измерений. При измерениях используют разнообразные методы (ГОСТ 16263—70), представляющие собой совокупность приемов использования различных физических принципов и средств. При прямых измерениях значения физической величины находят из опытных данных, при косвенных — на основании известной зави­симости от величин, подвергаемых прямым измерениям. Так, диа­метр детали можно непосредственно измерить как расстояние между диаметрально противоположными точками (прямое измерение) либо определить из зависимости, связывающей этот диаметр, длину дуги и стягивающую ее хорду, измерив непосредственно последние вели­чины (косвенное измерение).

Абсолютные измерения основаны на прямых измерениях основ­ных величин и использовании значений физических констант (на­пример, измерение длины штангенциркулем). При относительных измерениях величину сравнивают c одноименной, играющей роль еди­ницы или принятой за исходную. Примером относительного изме­рения является измерение диаметра вращающейся детали по числу оборотов соприкасающегося с ней аттестованного ролика.

При методе непосредственной оценки значение физической вели­чины определяют непосредственно по отсчетному устройству при­бора прямого действия (например, измерение давления пружин­ным манометром), при методе сравнения с мерой измеряемую вели­чину сравнивают с мерой. Например, с помощью гирь уравновеши­вают на рычажных весах измеряемую массу детали. Разновидностью метода сравнения с мерой является метод противопоставления, при котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, позволяющий установить соотношение между этими величинами (например, изме­рение сопротивления по мостовой схеме с включением в диагональ моста показывающего прибора).

2.1.2. Методы планирования измерений

При планировании измерений выбирают оптимальное число то­чек или кривых измерения, поскольку слишком большое число изме­рений приводит к удорожанию и усложнению эксперимента и может не дать новых сведений, а заниженное число измерений не позволяет надежно оценить выбранную точность метода или средства измере­ний. Используя математическое доказательство подобия, правомер­ность сравнения и моделирование процессов измерения и число предварительных наблюдений, заведомо меньшее, чем требуемое, можем вычислить необходимое число наблюдений.

Определение наименьшего числа измерений для достижения заданной точности измерения проводится в следующем порядке:

1. Выполнить четыре измерения заданного преподавателем раз­мера детали (например, наружного диаметра вала).

2. Исключить из результатов измерений известные системати­ческие погрешности (например, отклонения от нуля у средства изме­рения).

3. Вычислить среднее арифметическое исправленных результа­тов измерений

(2.1)

где χ_ср - среднее арифметическое,

χ_i - результаты измерений,

m - ко­личество измерений.

4. Вычислить m абсолютных отклонений от среднего

(2.2)

5. Вычислить величину среднеквадратического отклонения ре­зультатов измерений по формуле:

(2.3)

6. Определить наименьшее число наблюдений n для достижения требуемой точности измерения по формуле:

(2.4)

где n - оптимальное число наблюдений;

m - предварительное число наблюдений;

S_m - среднеквадратическое отклонение;

t_m-1 - табличный коэффициент Стьюдента (t_m-1 = 4,3 для доверительной вероятности P = 0,95 и числа наблюдений

m = 4);- погрешность измерения.

При дифференциальном методе измеряемую величину сравнивают с известной величиной, воспроизводимой мерой. Этим методом, на­пример, определяют отклонение контролируемого диаметра детали на оптиметре после его настройки на ноль по блоку концевых мер длины. Нулевой метод — также разновидность метода сравнения с мерой, при котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля. Подобным методом измеряют электрическое сопротивление по схеме моста с полным его уравнове­шиванием. При методе совпадений разность между измеряемой вели­чиной и величиной, воспроизводимой мерой, определяют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов (например, при измерении штангенциркулем используют совпадение отметок основной и нониусной шкал). Поэлементный метод характеризуется измерением каждого параметра изделия в отдельности (например, эксцентриситета, овальности, огранки цилиндрического вала). Ком­плексный метод характеризуется измерением суммарного показа­теля качества, на который оказывают влияния отдельные его состав­ляющие (например, измерение радиального биения цилиндрической детали, на которое влияют эксцентриситет, овальность и др.; кон­троль положения профиля по предельным контурам и т. п.).

2.1.3. Универсальные средства измерений

Основные параметры средств измерений. Длина деления шкалы (рис. 2.1) – расстояние между осями (центрами) двух соседних отметок шкал, измеренное вдоль воображаемой линии, проходящей через середины самых коротких отметок шкалы. Цена деления шкалы – разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкал (1 мкм для оптиметра, длиномера и т.п.).

Градуированная характеристика — зависимость между значениями величин, на выходе и входе средства измерений. Градуировочную характеристику сни­мают для уточнения результатов измерений.

Диапазон показаний — область зна­чений шкалы, ограниченная конечным и начальным значениями шкалы, т. е. наибольшим и наименьшим значениями измеряемой величины. Например, для оптиметра типа ИКВ-3 диапазон пока­заний составляет ± 0,1 мм.

Диапазон измерений — область зна­чений измеряемой величины с нормированными допускаемыми погрешностями средства измерений.

Рис. 2.1. Схема, поясняющая основные параметры

средств из­мерений

Отсчет показаний измерительного средства выполняют в соответ­ствии с уравнением:

(2.5)

где А — значение отсчета;

М — размер меры, по которому отсчетное устройство установлено на ноль;

n — число целых делений, отсчи­тываемое по шкалам отсчетного устройства;

i — цена деления шкалы;

k — номер шкалы,

m — доля деления шкалы с наименьшей ценой деления, оцененная визуально.

Влияющая физическая величина — физическая величина, не из­меряемая данным средством, но оказывающая влияние на резуль­таты измеряемой величины (например, температура, оказывающая влияние на результат измерения линейного размера).

Нормальные (рабочие) условия применения средств измерений — условия их применения, при которых влияющие величины имеют нормальные значения или находятся в пределах нормальной (рабо­чей) области значений.

Чувствительность измерительного прибора - отношение измене­ния сигнала на выходе измерительного приборам вызывающему его изменению измеряемой величины. Так, если при измерении диаме­тра вала с номинальным размером χ = 100 мм изменение измеряемой величины Δχ = 0,01 мм вызвало перемещение стрелки показываю­щего устройства на Δl = 10 мм, абсолютная чувствительность прибора составляет

S = Δl / Δχ; = 10/0,01 = 1000, относительная чув­ствительность

So = Δl (Δχ / χ) = 10 (0,01/100) = 10 000. (2.6)

Для шкальных измерительных приборов абсолютная чувствитель­ность численно равна передаточному отношению. С изменением цены деления шкалы чувствительность прибора остается неизменной. На разных участках шкалы часто чувствительность может быть различ­ной. Стабильность средства измерений — свойство, выражающее неизменность во времени его метрологических характеристик (по­казаний).

Измерительные приборы бывают контактные (существует меха­нический контакт с поверхностью контролируемого изделия) и бесконтактные (непосредственного соприкосновения измерительного наконечника с поверхностью контролируемого изделия нет). К по­следним, например, относятся оптические, радиоизотопные, индук­тивные. Важной характеристикой контактных приборов является измерительное усилие, создаваемое в месте контакта измерительного наконечника с поверхностью контролируемого изделия и направ­ленное по линии измерения.

В соответствии с техническим регламентом геометрический объект кон­троля содержит одну или несколько контрольных точек. Введем дополнительные термины, необходимые для оценки результатов кон­троля (измерений). Зона контроля (измерения) — область взаимо­действия средства контроля (измерения) с объектом контроля (изме­рения). Контролируемая (измеряемая) поверхность — поверхность объекта контроля (измерения), на которой расположена одна или несколько контрольных точек. Линия контроля (измерения) — пря­мая, проходящая через контролируемый (измеряемый) размер. Плоскость контроля (измерения) — плоскость, проходящая через линию контроля (измерения) и выбранную линию расположения контрольных точек.

В технических регламентах выделены следующие общие для средств из­мерений структурные элементы: преобразовательный и чувствитель­ный элементы, измерительная цепь, измерительный механизм, от­счетное устройство со шкалой и указателем и регистрирующее уст­ройство. Кроме того, контактные измерительные приборы обычно снабжены одним или несколькими наконечниками. Измерительный наконечник — элемент в измерительной цепи, находящийся в кон­такте с объектом контроля (измерения) в контрольной точке под не­посредственным воздействием измеряемой величины. Базовый на­конечник — элемент измерительной цепи, расположенный в плоско­сти измерения и служащий для определения длины линии измерения. Опорный наконечник — элемент, определяющий положение линии измерения в плоскости измерения. Координирующий наконечник - элемент, служащий для определения положения плоскости измере­ния на объекте контроля (измерения).

2.1.4. Критерии оценки погрешностей измерений

Погрешности измерения. Под погрешностью измерения подразу­мевают отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Точность измерений — качество измерения, отражающее близость их результатов к истинному значению изме­ряемой величины. Количественно точность измерения может быть выражена обратной величиной модуля относительной погрешности. Абсолютная погрешность измерения — разность между значением величины, полученным при измерении, и ее истинным значением, выражаемая в единицах измеряемой величины. Относительная по­грешность измерения — отношение абсолютной погрешности, изме­рения к истинному значению измеряемой величины. Систематиче­ская погрешность измерения — составляющая погрешности измере­ния, остающаяся постоянной или изменяющаяся по определенному закону при повторных измерениях одной и той же величины; слу­чайная погрешность — составляющая погрешности измерения, из­меняющаяся при этих условиях случайным образом. Следует выде­лять также грубую погрешность измерения, существенно превышаю­щую ожидаемую погрешность.

В зависимости от последовательности причины возник-новения различают следующие виды погрешностей. Инструментальная по­грешность — составляющая погрешности измерения, зависящая от погрешностей применяемых средств (качества их изготовления). По­грешность метода измерения — составляющая погрешности измере­ния, вызванная несовершенством метода измерений. Погрешность настройки — составляющая погрешности измерения, возникающая из-за несовершенства осуществления процесса настройки. Погреш­ность отсчитывания — составляющая погрешности измерения, вы­званная недостаточно точным отсчитыванием показаний средств из­мерений (например, погрешность параллакса). Погрешность по­верки — погрешность измерений при поверке средств измерений. Таким образом, в зависимости от способа выявления следует разли­чать поэлементные (составляющие) и суммарные погрешности изме­рения.

Результат наблюдения — значение величины, полученное при отдельном наблюдении; результат измерения — значение величины, найденное путем ее измерения, т. е. после обработки результатов наблюдения.

Поправка — значение величины, одноименной с измеряемой, при­бавляемое к полученному при измерении значению величины с целью исключения систематической погрешности. Сходимость — качество измерений, отражающих близость результатов измерений, выпол­няемых в одинаковых условиях, воспроизводимость — то же, в раз­личных условиях (в разное время, в различных местах, различными методами и средствами). Точность отражает близость к нулю случай­ных и систематических погрешностей средства измерения, правиль­ность — систематических, сходимость — случайных. Для средств измерения различают статическую погрешность как отклонение по­стоянного значения измеряемой величины на выходе средства изме­рения от истинного ее значения в установившемся состоянии и дина­мическую погрешность как разность между погрешностью средства измерения в динамическом режиме (в неустановившемся состоянии) и его статической погрешностью, соответствующей значению вели­чины в данный момент времени.

Погрешность средства измерения, возникающая при использо­вании его в нормальных условиях, когда влияющие величины на­ходятся в пределах нормальной области значений, называют основ­ной. Если значение влияющей величины выходит за пределы нор­мальной области значений, появляется дополнительная погрешность.

Обобщенной характеристикой средства измерений, определяе­мой пределами основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами, влияющими на точность, значения которых устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измере­ния, является класс точности средства измерений. Класс точности характеризует свойства средства измерения, но не является показателем точности выполненных измерений, поскольку при определении погрешности измерения необходимо учитывать по­грешности метода, настройки и др.

2.2. Лабораторные работы

2.2.1. Лабораторная работа № 1