Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem. Gépészmérnöki Kar. Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék

Átírás

1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék Általános irányelvek a Méréstechnika (BMEGEMIBXMT vagy BMEGEMIAMG1) Műszertechnika (BMEGEFOAG02) tantárgyak laborméréseinek elvégzéséhez és kiértékeléséhez Budapest, 2019

2 Tartalomjegyzék 1. Pontozási útmutató Felkészülés a mérésekre A jegyzőkönyv alapkövetelményei... 4 a) A jegyzőkönyv (letöltött vagy kézzel írott) formai követelményei... 4 b) A jegyzőkönyv (letöltött vagy kézzel írott) tartalmi követelményei... 5 c) A mérés kiértékelése során ügyeljen a következőkre Táblázat minta a mérőműszerek adatainak megadásához Kerekítés Különböző megbízhatósági szintekhez tartozó faktorok Gauss-eloszlás esetén Mérőműszerek leírása és használatuk Tolómérő (1), (4), (6) Ipari szögmérő (1), (4) Kengyeles mikrométer (1), (2) Mérőóra csúcsbakkal (1), (4) A finomtapintó (2) Mérőhasábkészlet (2) (4) Digitális kijelzésű mérőóra (3) Digitális kijelzésű tolómérő (5) Mérőmikroszkóp (6)

3 1. Pontozási útmutató Ha a következő pontokban megfogalmazott követelmények nem teljesülnek, a jelzett pontszámok vonhatók le a maximális 10 pontból: a mérést végző személy neve -1 pont a mérést végző személy aláírása -1 pont a mérés helye, ideje -1 pont a mérést végző szervezet megnevezése -1 pont a mérés szempontjából lényeges külső tényező (pl. hőmérséklet) -1 pont a méréshez használt mérőeszközök neve -1 pont a méréshez használt mérőeszközök azonosításához szükséges adatok -1 pont (gyártó és gyári vagy leltári szám) a méréshez használt mérőeszközök mérési tartománya és felbontása -1 pont a mérendő mennyiség (pl. munkadarab) definiálása, leírása, jelölése. -1 pont a mérés célja -1 pont a mérés menete -1 pont az összoldalszám -1 pont az oldalszámozás -1 pont a számítások során alkalmazott összefüggések -1 pont egyéb paraméter használata esetén jelölje annak forrását is! -1 pont a mértékegységek -2 pont a végeredmény (illetve a hiba értéke nagyságrendben téves) -2 pont a végkövetkeztetés (vagy helytelen) -2 pont A jegyzőkönyv elégtelen, ha nem megfelelő a külalak -10 pont hiányoznak a mérőműszerekről leolvasott értékek (a mért értékek) -10 pont hiányoznak a felhasznált összefüggések, és a belőlük számított értékek -10 pont hiányzik a mérés eredménye táblázatosan vagy jól láthatóan összefoglalva -10 pont az egész jegyzőkönyv (a rajzok kivételével) ceruzával készült -10 pont a jegyzőkönyvben tollal készült rajz szerepel -10 pont A mérés teljesítéséhez minimum 4 pont elérése szükséges! 3

4 2. Felkészülés a mérésekre A hallgatónak minden esetben tanulmányoznia kell a mérésekre vonatkozó mérési segédleteket, a gyakorlatra felkészülten kell érkeznie. A mérési beosztás megtalálható a tanszéki honlapon, a Letöltések/Finommechanikai és méréstechnikai tárgyak/méréstechnika (BSc) menüpont alatt A hallgatónak minden esetben magával kell hoznia az alább felsorolt követelményeknek megfelelő, előkészített (letöltött vagy kézzel írott) jegyzőkönyvet, valamint a jegyzőkönyv elkészítéséhez szükséges íróeszközöket (ceruza, toll, A4-es fehér lap, vonalzó, körző, zsebszámológép) 3. A jegyzőkönyv alapkövetelményei A hallgatónak minden laboratóriumi mérésre előkészített jegyzőkönyvvel kell megjelennie (amely vagy letölthető a tanszéki honlapról vagy kézzel írott), a gyakorlat végén pedig az elkészített jegyzőkönyvet le kell adnia a gyakorlatvezetőnek. A jegyzőkönyv elkészítésekor az egyik alapvető követelmény, hogy az egy önállóan értelmezhető dokumentum legyen: a mérés reprodukálhatóságához szükséges adatok, számítások logikusan szerepeljenek benne, vagy egyértelmű hivatkozással legyenek ellátva. a) A jegyzőkönyv (letöltött vagy kézzel írott) formai követelményei Kézzel írott jegyzőkönyv esetén minden mérési jegyzőkönyv első oldalán az alábbi fejlécnek kell szerepelnie Üres, ide kerül majd az osztályzat A mérést végző hallgató neve, Neptun kódja A mérés címe Helyszín: Időpont: Kurzus kód: A mérés sorszáma nagy számmal A jegyzőkönyv minden esetben A4-es sima fehér lapon vagy az előre kinyomtatott lapon, tollal készüljön (kivéve, CERUZARAJZ: a vázlat vagy skiccrajzok, értelmezést segítő ábrák, számegyenes értékekkel) A jegyzőkönyv alapján egyértelműen nyomon követhetőnek kell lennie az elvégzett munkának Minden oldal külön sorszámozott, az első oldalon szerepeljen az összoldalszám A mérést végző személy a gyakorlat végén aláírásával hitelesítse a dokumentumot annak végén 4

5 b) A jegyzőkönyv (letöltött vagy kézzel írott) tartalmi követelményei A jegyzőkönyvnek tartalmaznia kell a mérés megnevezését, valamint sorszámát. Továbbá a mérést végző személy nevét, Neptun kódját, a mérés helyét, idejét, valamint a tantárgy laboratóriumi gyakorlatának kurzuskódját (előre kitöltése megengedett!) A jegyzőkönyvnek tartalmaznia kell a mérés célját és a mérés menetét (előre kitöltése megengedett!). A jegyzőkönyvnek tartalmaznia kell a méréshez használt mérőeszközök adatait, a megadott formátumban. A jegyzőkönyvnek tartalmaznia kell a mérés szempontjából lényeges külső tényezőket (jelen tárgy keretein belül, a terem hőmérsékletét). A jegyzőkönyvnek tartalmaznia kell a csatolt mellékletek listáját. A jegyzőkönyvnek tartalmaznia kell a mérendő munkadarab azonosítóját, valamint a mérendő mennyiség megnevezését. (pl. az XYZ jelű munkadarab átmérője). A jegyzőkönyvnek tartalmaznia kell a mérőműszerekről leolvasott értékeket, valamint a számított mennyiségeket. A jegyzőkönyv végén egyértelműen mondja ki a mérés céljának megfelelő végkövetkeztetést! c) A mérés kiértékelése során ügyeljen a következőkre Minden esetben jelölje a leolvasott, illetve a számított mennyiségek mértékegységét! Tartsa be a méréstechnikában alkalmazandó kerekítési szabályokat! A számítások során alkalmazott összefüggéseket és azok eredményeit minden esetben írja le! Egyéb paraméter (pl. adatlapról leolvasott érték) használata esetén jelölje annak forrását is! Törekedjen a számítás menetének áttekinthetőségére! 4. Táblázat minta a mérőműszerek adatainak megadásához Gyártási Mérési Felbontás Sorsz. Megnevezés Gyártó/Típus szám / tartomány [mm] [mm] Leltári szám 1. Mérőóra Mitutoyo 0 12,00 [mm] 0,01 [mm] A táblázatban tüntessen fel minden, a mérés során használt eszközt! Amennyiben az eszköz valamelyik adata nem ismert, vagy nem értelmezhető, húzza ki azt a mezőt! 5

6 A műszerek adatainak pontos rögzítése törvényes előírás, és a mérés ismétlőképességének fontos feltétele. 5. Kerekítés A mérés során leolvasott értékeket és a számítások eredményeit egyaránt a mérőműszerek mérési pontosságának nagyságrendjére kell kerekíteni. Az átlag, a szórás és a konfidencia intervallum számításánál a mérőműszer pontosságával, vagy annál 1 illetve 2 jeggyel pontosabban lehet megadni az eredményeket(ld. 2-es mérés, 3-as mérés). Amennyiben egy részeredményből később gyököt kell vonni, a négyzetre emelt részeredmény a mérőműszer felbontásának kétszeresére adható meg. A kerekítéseket az alábbi táblázatban összefoglaltak alapján kell elvégezni: Elhagyott jegy Megmaradó jegy Példák < 5 Nem változik 3,14 3,1 > 5 3,16 = 5, de utána van még értékes jegy 3,1501 Eggyel nő 3,15 = 5 és a megmaradó jegy páratlan 3,35 3,25 = 5 és a megmaradó jegy páros, vagy nulla Nem változik 3,45 3,05 3,2 3,2 3,4 3,2 3,4 3,0 6. Különböző megbízhatósági szintekhez tartozó faktorok Gauss-eloszlás esetén Gyakoriság diagram diszkrét esetben 6

7 Standard Normál (Gauss) eloszlásfüggvény Két ismert tűrésmező összehasonlítása számegyenesen történő ábrázolással: 7

8 7. Mérőműszerek leírása és használatuk 7.1. Tolómérő (1), (4), (6) A tolómérő egy mechanikai elven működő, hosszmérésre alkalmas eszköz, amelynek működése összehasonlító módszeren alapszik (a két fogalom együtt képezi a mérési eljárást). Az összehasonlítás esetünkben azt jelenti, hogy a munkadarab mérendő hosszát egy előre ismert etalon mérettel hasonlítjuk össze, ami jelen esetben a tolómérőn található skála. A tolómérővel nagyon gyorsan és egyszerűen, szinte bármilyen hosszméret mérhető (pl. oldalhossz, átmérő, üregmélység). Az eszköz kialakítástól függően általában 0,05 mm-es felbontással rendelkezik, ami digitális kijelzésű tolómérők esetén 0,01 mm is lehet. A tolómérőt leginkább gyors ellenőrző mérésekhez használják. A tolómérő fő részei az 1. ábrán, a tételek megnevezései az 1. táblázatban láthatók. 1. ábra: A tolómérő fő részei 1. táblázat: A tolómérő fő részeinek megnevezése 1 Rögzített mérőpofa 7 Mélységmérő rúd 2 Mérőfelületek külső méretekhez 8 Vezetősín 3 Mozgatható mérőpofa 9 Tolóka 4 Mellékskála (nóniusz) 10 Rögzítő csavar 5 Főskála 11 Mérőfelületek belső méretekhez 6 Mérőfelületek mélységméréshez A tolómérő két részből áll: egy állórészből, és egy ezen az állórészen hosszirányban elcsúsztatható mozgórészből. Az állórészen található a rögzített mérőpofa (1) a főskálával (5), amely a mérés bázisát képezi. Ez az etalon hosszúság, amihez a munkadarab méretét lehet viszonyítani; általában milliméteres osztású. A tolómérő mozgórészén található a mellékskála (4), más néven a nóniusz, amellyel az 1 mm-nél nagyobb pontosságot igénylő méretek mérhetők. Ez is az etalon része. 8

9 Az állórész és a mozgórész közötti lineáris vezetést a vezetősín (8) biztosítja. A mozgatható mérőpofa (3) a tolókával (9) állítható. A tolókán lévő rögzítő csavarral (10) az aktuális pozíció fixálható. A csavar túlzott meghúzása a két rész egymásba feszülését okozhatja. A tolóka elcsúsztatásához a csavart fel kell lazítani. Egyes típusú tolómérőknél a tolókát laprugó szorítja az álló vezetékhez, csökkentve a kotyogást. Ha nincs laprugó, és a rögzítő csavar nincs teljesen kilazítva, akkor a tolóka kotyogni fog a sínen, aminek következtében már nagyon kicsi erőhatásokra is elmozdul, a mérés ugyancsak pontatlan lesz. Ha a tolómérő mérőpofáinak sík mérőfelületei illeszkednek egymáshoz, akkor a két skála nullpontja (referencia pontja) egybeesik, és a többi osztásvonal pozíciója eltér. A tolómérő felbontása megállapítható a mellékskálán lévő osztások számából. A tolómérő leolvasása Legyen a tolómérő felbontása x, a főskála osztásköze (két osztása közötti távolság) pedig y. A gépészeti gyakorlatban általában, és a sillabuszban a továbbiakban y = 1 mm. Legyen az adott méret egészrésze a főskáláról leolvasható méret, és a törtrésze az, melynek meghatározásához ezen felül a mellékskálára, azaz a nóniuszra is szükség van. A nóniusz osztásközét úgy kell meghatározni, hogy azzal a főskála osztásánál kisebb, a műszer pontosságának (felbontásának) megfelelő méretek meghatározhatók legyenek. Legyen a nóniusz osztásköze y x 1 x, így a főskála i-edik osztásának a nullponttól vett távolsága iy i, a nóniusz i-edik osztásának távolsága pedig i ( y x) i ix. Ekkor, ha a két skála nullpontja egybeesik, a skálák i-edik osztásainak távolsága ix lesz (ld. 2. ábra). 2. ábra: A főskála és a mellékskála osztásközei Tehát a nóniuszt ix távolsággal eltolva annak i-edik osztása a főskála valamelyik osztásával biztosan egybe fog esni. Így biztosított, hogy a felbontásnak megfelelő törtrészek mindegyike egyértelműen leolvasható legyen a műszerről. A leolvasandó értéket az határozza meg, hogy a nóniusz hányadik osztása esik egybe a főskála valamely osztásával. A törtrészek leolvasása tehát független attól, hogy a nóniusz nullpontja a főskála nullpontjához képest hol helyezkedik el. A méret egyértelmű meghatározása érdekében a nóniuszt úgy célszerű kialakítani, hogy az n-edik osztása a főskála n-edik osztásától épp annak egy osztásközével legyen lemaradva, tehát a két skála n-edik osztásának távolsága megegyezzen a főskála y osztásközével. 9

10 Ekkor az összes lehetséges törtrészt le lehet olvasni úgy, hogy a nóniusz nullpontja a főskálának ugyanazon két osztása között marad. Ezáltal nem csak a törtrészeket, hanem a teljes méretet is egyértelműen le lehet olvasni a műszerről. Miután a törtrész kiadódik abból, hogy a nóniusz melyik osztása esik egybe a főskála egy osztásával, a méret egészrésze a főskálának azon értéke lesz, amelyiket a nóniusz nullpontja éppen elhagyta. Teljesüljön tehát a két skála n-edik osztása közötti távolságra, hogy nx y 1. Ebből az n 1/ x összefüggés adódik a nóniusz osztásainak darabszáma és a műszer felbontása között. A nóniusz osztásközét növelni szokás a könnyebb leolvasás érdekében. Jelölje ennek mértékét az a skálázási paraméter. Ennek nagysága tervezői döntés, így szabadon választható, de a főskála osztásközének egész számú többszörösének kell lennie. Ekkor az egyértelmű leolvashatóságra vonatkozó összefüggések egyike sem sérül. A nóniusz osztásköze a y x a 1 x lesz, az i-edik osztások távolsága a nullponttól i ( a y x) i ( a 1) ix. Ha az a skálázási paraméter az y egész számú többszöröse, akkor ez azt jelenti, hogy a nóniusz i-edik osztása a főskála i ( a y) i ( a 1) -edik osztásával esik egybe. Tehát ebben az esetben, figyelembe véve, hogy a méretet az határozza meg, hogy a nóniusz hányadik osztása esik egybe a főskála egy osztásával, a leolvasás eredményét a nem befolyásolja. Ha a nem y egész számú többszöröse, akkor a skálák egymáshoz képesti eltolódása a fentiekhez képest sérül és új megfontolást igényel. (A nóniusz bővítése nélkül a korábbi levezetés a 0 -val értelmezhető). A mérés során használt tolómérőre a következő konkrét értékek vonatkoznak: osztása, y 1 mm a főskála x 0, 05 mm a műszer pontossága. Tehát a nóniusznak n 1/ x 20 db osztása van. A skálázási paraméter a 1 mm, így a nóniusz osztásköze a y x 1,95 mm. A nóniusz teljes hossza n ( a y x) 39 mm, tehát ha a két skála nullpontja egybeesik, akkor a nóniusz utolsó osztása a főskála 39 mm-es osztásával esik egybe. Mérnöki gyakorlatban egy másik jellemzően előforduló tolómérőtípus adatai: y 1 mm a főskála osztása, x 0,1 mm a műszer pontossága. Tehát a nóniusznak n 1/ x 10 db osztása van. A skálázási paraméter a 1 mm, így a nóniusz osztásköze a y x 1,90 mm. A nóniusz teljes hossza n ( a y x) 19 mm, tehát ha a két skála nullpontja egybeesik, akkor a nóniusz utolsó osztása a főskála 19 mm-es osztásával esik egybe. A 3. ábrán látható méret leolvasása: A nóniusz nullpontja a főskála 24 és 25 értékei között áll, az egészrész tehát 24 y 24 mm. A nóniusz 5-ös osztása esik leginkább egybe a főskála osztásaival, így a méret törtrésze 10x 100,05 0,50 mm. A teljes méret M 24 0,50 24,50 mm. 3. ábra: Példa tolómérő leolvasásához 10

11 Egyszerű hosszmérés során a munkadarabot mindig két mérőfelület közé kell befogni és rögzíteni. Ez a tolóka segítségével történik, azaz a mérőpofák mérőfelületét rá kell tolni a munkadarabra. Fontos, hogy a mérőfelületeket ne nyomjuk túlságosan össze, mert ilyenkor az erőhatás miatt billen a tolóka és szöghiba keletkezik, ami elsőrendű hibának minősül! A szöghiba okozója az Abbe-elv 1 be nem tartása. Az Abbe-elv kimondja, hogy a mérőberendezés konstrukciója legyen olyan, hogy a munkadarab mérendő mérete és az osztásos mérce egy egyenesbe essen. Ez az elv a tolómérő esetében a konstrukció geometria-, illetve az összeszorító erő okozta deformációk miatt nem teljesül. Ezek ellenére mérés közben törekedni kell arra, hogy az Abbe-elv hiánya minél kevésbé érvényesülhessen. Pl. figyelni kell arra, hogy a mérendő munkadarab a lehető legközelebb essen a tolómérő szárához (4. ábra), illetve az összeszorító erő ne okozzon kotyogást vagy befeszülést. 4. ábra: Helytelen és helyes mérés tolómérővel A tolómérővel külső méreteket (pl. hengerátmérő) a (2), belső méreteket (pl. furatátmérő) a (11), mélységet a (6) mérőfelületekkel és a mélységmérő rúddal (7) lehet mérni. Az 5. ábrán egy-egy ilyen mérési illusztráció látható. 5. ábra: Mélység, külső és belső méretek mérése tolómérővel 1 ERNST KARL ABBE (1840. január január 14.) német matematikus, fizikus, egyetemi tanár. Abbe nevét leginkább optikai munkássága tette ismertté. Kevesen tudják, de Abbe vezette be először a napi nyolc órás munkarendet a Carl Zeiss Optikai Műveknél, mely vállalatnak igazgatója és társtulajdonosa volt ban Carl Zeiss felkérte Abbét néhány komolyabb optikai probléma megoldására, mely a mikroszkóp lencsék készítése során merült fel. Kezdetben a kísérletek Zeisst az üzleti csőd közelébe sodorták, de ő nem vesztette el bizalmát Abbéban, aki végül is sikerrel birkózott meg a feladattal. A Zeiss műhely ettől kezdve piacvezető lett a szakmában, és viharos fejlődésnek indult. Zeiss úgy ismerte el Abbe érdemeit, hogy bevette társnak az üzletbe ban feltalálta az apokromatikus lencserendszert a mikroszkóp számára. Ez a jelentős áttörés a mikroszkópok elsődleges és másodlagos torzítását is képes kiküszöbölni. 11

12 7.2. Ipari szögmérő (1), (4) Az ipari szögmérő egy mechanikai elven működő hegyes- illetve tompaszögek, valamint áttételesen homorú szögek mérésére alkalmas eszköz, amelynek működése összehasonlító módszeren alapszik (a két fogalom együtt képezi a mérési eljárást). 6. ábra: Az ipari szögmérő fő részei 2. táblázat: Az ipari szögmérő fő részeinek megnevezése 1 Rögzített mérőszár 5 Főskála 2 Forgó mérőszár 6 Nagyító (lupe) 3 Ház 7 Mellékskála (nóniusz) 4 Forgó tárcsa 8 Állító és rögzítő csavarok Az eszköz (6. ábra) két mérőszárral rendelkezik, melyek közül a rögzített mérőszár (1) a házhoz (3) rögzített és a műszer körgyűrű alakú főskáláját (5) tartalmazza. Ennek a mérőtárcsának a forgássszimmetria tengelye egybe esik az ugyancsak körlap alakú ház forgásszimmetria tengelyével, amely körül a forgó tárcsa (4) képes a hozzá rögzített, forgó mérőszárral (2) és a mellékskálával (7) együtt elfordulni. A skálák egymással koncentrikus köröket alkotnak és a főskála nullpontja az álló mérőszárra merőleges. 12

13 Ha a két mérőszár 180 -os szöget zár be egymással, akkor a két skála nullpontja egybe esik. A mérés során a szögmérő két szárát a mérendő szöget alkotó idomra kell fektetni úgy, hogy a munkadarab és a szögmérő felfekvő szárai között minél kisebb, egyenletes fényrés alakuljon ki. Ekkor a mérendő szöget a két skála egymáshoz képesti elfordulása adja meg. 7. ábra: Mérés ipari szögmérővel, mérősíkkal A mérés kiértékelése a fő és mellékskála együttes leolvasásával történik. A szögmérőre a referenecia pont fölött egy nagyító (6), más néven lupe van felszerelve. A nagyító a leolvasási pont körüli területet felnagyítja, így az eredmény könnyebben olvasható le. 8. ábra: Főskála, mellékskála és a lupe Legyen az adott méret egészrésze a főskáláról leolvasható méret, és a törtrésze az, aminek meghatározásához ezen felül a mellékskálára, azaz a nóniuszra is szükség van. A mozgórészen négy főskála található. Az első skála (0-90 ) végét jelző 90 a második skála kezdete, tehát a skála értékei rendre 0 -tól 90 -ig növekednek, majd 90 -tól 0 -ig csökkennek. Ismert, hogy egy hegyesszög (tompaszög) kiegészítő szöge 180 -ra egészíti ki a tompaszög (hegyesszög) szöget. Így ha 13

14 a mérés során a leolvasási tartományban a főskála értékei az óramutató járásával megegyező irányban csökkennek, lényegében a kiegészítő szög értékét lehet leolvasni. A főskála 1, a mellékskála (nóniusz) pedig 5ʹ osztású. Emlékeztetőül 1 = 60ʹ (1 fok 60 szögperc). Ahogy a főskálán, úgy a nóniuszon is két irányban olvashatók le az értékek, a nóniuszt mindig a főskála aktuális leolvasási irányában kell leolvasni. A nóniusznak azon skálavonalához tartozó értékét kell venni, amelyik leginkább egybeesik egy főosztásbeli vonallal. Ez határozza meg a méret törtrészét. Az egészrészt a főskála azon osztása adja meg, amely a referenciapontot a leolvasás irányában épp elhagyta. A 9. ábrán látható méret leolvasása A főskála értékei az óramutató járásával megegyező irányban csökkennek, tehát leolvasott érték a vizsgált méret kiegészítő szöge és a nóniusznak is a baloldali értékeit kell vizsgálni. A nóniusz nullpontja a főskála 52 és 53 osztása között áll, így az egészrész 52. A nóniusznak leginkább a 35ʹ-os osztása (hetedik osztása) esik egybe a főskála osztásaival, így a méret törtrésze 35ʹ. A leolvasott méret tehát m Ebből a vizsgált méret m ábra: Példa ipari szögmérő leolvasásához 14

15 7.3. Kengyeles mikrométer (1), (2) A kengyeles mikrométer egy precíziós hosszmérő műszer, amely mechanikai elven működik és összehasonlító módszeren alapszik. Az elmozdulást a menetes mérőorsó segítségével szögelfordulássá alakítja át. A szögelfordulás az orsó menetemelkedésének ismeretében vezethető vissza a mért távolságra. A leolvasási pontossága nagyobb, mint a hagyományos tolómérőé, ez az érték általában 0,01 mm (bizonyos mikrométerek 0,001 mm felbontásúak is lehetnek). Fontos megjegyezni, hogy az 1 μm-es felbontás az elérhető legjobb érték mechanikai és elektromechanikai mérőeszközöknél a mai műszaki fejlettség mellett. Az 1 μm-nél finomabb felbontást már csak optikai úton, a fény hullámhosszának segítségével lehet megbízhatóan elérni. Kengyeles mikrométerrel történő mérés során a mérendő munkadarabot két, egymással párhuzamos (síkra munkált) mérőfelület közé kell befogni és rögzíteni. A mérési elvből következik, hogy a kengyeles mikrométer pontosságát nagymértékben befolyásolja a mérőfelületek síkpárhuzamossága és a munkadarab felületi érdessége. Fontos, hogy a mérőfelületek ne legyenek túlságosan összeszorítva, mert ilyenkor az erőhatás miatt a munkadarab és (a kengyel kihajlása következtében) a mérőfelületek deformálódhatnak, így akár 30μm-es eltérések is létrejöhetnek. Ennek csökkentésére a kengyeles mikrométerek orsója erőt határoló engedő megakasztással, más néven racsnival (6) van ellátva. 10. ábra: A kengyeles mikrométer fő részei 3. táblázat: A kengyeles mikrométer fő részeinek megnevezése 1 Mérőülék 6 Racsni 2 Keményfém mérőpofák 7 Referencia vonal 3 Mérőorsó 8 Orsórögzítő 4 Skálahüvely (a főskálával) 9 Kengyel 5 Skáladob (a mellékskálával) 10 Szigetelés 15

16 A kengyeles mikrométer fő részeit a 10. ábra mutatja be. Lényegében egy precíziósan megmunkált csavarból, a skálahüvelyből (4) és az anyából, skáladobból (5) áll. A munkadarabot a mérés során a mérőülékhez (1) rögzített keményfém mérőpofák (2) közé kell rögzíteni, amely során a racsnis szárat forgatva a mérőorsóval (3) érintőfogást kell venni rajta. A kengyeles mikrométereket, a tolómérőkhöz hasonlóan rögzítő szerkezettel, azaz orsórögzítővel (8) is ellátják, hogy a beállított méret a leolvasásig ne változhasson. A mikrométereket a kengyel (9) részüknél a forgatógomb (12) segítségével kell rögzíteni (11. ábra) a talapzatba (11). A kengyelen általában kemény polimer szigetelés (10) van, amelyet az állvány befogó pofái (13) két oldalról beszorítanak (12. ábra). Így a mérés egyszerűbb lesz és a mérési bizonytalanságok is csökkennek. 11 Talapzat, a befogó forgatásához kiképzett vezetékkel 12 Forgatógomb 13 Befogó pofák 4. táblázat: Az állvány fő részeinek megnevezései 11. ábra: A kengyeles mikrométer állvány fő részei 12. ábra: Kengyeles mikrométer állvánnyal. A mikrométer leolvasása Legyen a mikrométer felbontása x, főskála osztásköze pedig y. A gépészeti gyakorlatban általában, és a sillabuszban a továbbiakban y = 0,5 mm. Legyen az adott méret egészrésze a főskáláról leolvasható méret, és a törtrésze az, aminek meghatározásához ezen felül a mellékskálára is szükség van. A mellékskála osztásközét úgy kell meghatározni, hogy azzal a főskála osztásánál kisebb, a műszer pontosságának (felbontásának) megfelelő méretek meghatározhatók legyenek. Legyen az x pontosságnak megfelelő elfordulás α. 16

17 Ha a mellékskála nullpontja illeszkedik a mérőhüvelyen található referenciavonalhoz, a leolvasandó méret megegyezik a főskála valamelyik osztásának megfelelő mérettel. Ha ehhez képest a skáladob iα szöggel elfordul, a mellékskála i-edik osztása fog a mérőhüvelyen található referenciavonalhoz illeszkedni. Ez a főskálán ix elmozdulást jelent. A méret egyértelmű meghatározása érdekében a mérőorsót úgy célszerű kialakítani, hogy a skáladob 360 -os elforgatása pontosan egy osztásköznyi elmozdulásnak feleljen meg a főskála mentén, tehát a mérőorsó menetemelkedése megegyezzen a főskála y osztásközével. Ekkor az összes lehetséges törtrészt le lehet olvasni úgy, hogy a mellékskála nullpontja a főskálának ugyanazon két osztása között marad. Ezáltal nem csak a törtrészeket, hanem a teljes méretet is egyértelműen meg lehet határozni a műszer segítségével. Miután a törtrész kiadódik abból, hogy a mellékskála melyik osztása esik egybe a referenciavonallal, a méret egészrésze a főskálának azon értéke lesz, amelyiket a mellékskála éppen elhagyta. A mellékskála osztásainak n darabszámát tehát úgy kell meghatározni, hogy két szomszédos osztása közötti elfordulás a főskálán a műszer pontosságát adja ki. Teljesüljön tehát, hogy a mellékskála n-edik elfordulása egy teljes kör, ami a főskálán y elmozdulásnak felel meg, tehát nx y 0, 5 mm. Ebből az n 0,5 / x összefüggés adódik a mellékskála osztásainak darabszáma és a műszer felbontása között. A könnyebb leolvasás érdekében az y osztásközű főskálát szokás két 2y osztásközű skálával megjeleníteni, amelyek egymáshoz képest y eltolással a referenciavonal két oldalán találhatóak. A mérés során használt mikrométerre a következő konkrét értékek vonatkoznak: y 0, 5 mm a főskála osztása és a mérőorsó menetemelkedése, x 0, 01 mm a műszer pontossága. Tehát a nóniusznak n y / x 50 db osztása van. Méret leolvasásra példa (13. ábra): A főskálán a fenti osztások közül az utolsó látható osztás a 23 mm-hez tartozó egész. Az alsó (fél milliméteres) osztások közül pedig látszik még egy, ez azt jelenti, hogy a főskáláról leolvasott méret 23,50 mm lesz. A mellékskála 28-as osztása esik egybe a referenciavonallal, a méret törtrésze 28x=28x0,01=0,28mm. A teljes méret M=23,50+0,28=23,78mm. 13. ábra: Példa kengyeles mikrométer leolvasására 17

18 7.4. Mérőóra csúcsbakkal (1), (4) A csúcsbakos (1) mérőórával (3) és állvánnyal (7) alapvetően forgásszimmetrikus alkatrészek vizsgálhatók (14. ábra). A vízszintes szánon (6) rögzített, egymással szembefordított támasztó csúcsok (8) ideális esetben egy vízszintes tengelyt jelölnek ki. A talapzathoz tartozó menetes oszlopon (4) lévő tartószár (5) rögzíti a mérőórát, amit úgy kell pozícionálni, hogy a mérőóra tapintója függőleges legyen, és a képzeletbeli hossztengelye metssze el a csúcsbakok által kijelölt tengelyt. A megfelelő beállítások a rögzítő csavarokkal (2) és (10) hozhatók létre. Csúcsbakos mérőeszköz használatakor fontos, hogy az egytengelyűségi hiba minél kisebb legyen, erre szolgál a csúcs finomállító (9). A mérendő, forgásszimmetrikus alkatrészt úgy kell a két bak közé befogni, hogy annak forgástengelye egybeessen a bakok által kijelölt tengellyel. Nem szabad túlságosan a bakokkal összeszorítani az alkatrészt, mert a fellépő erő deformációkat okozhat. A mérőóra nullázását követően a munkadarabot a bakok között körbeforgatva a mérőóra az adott szöghelyzethez tartozó, kezdőponttól való eltérését mutatja. 14. ábra: A csúcsbakos mérőóra fő részei 5. táblázat: A csúcsbakos mérőóra fő részeinek megnevezése 1 Csúcsbak 6 Szán 2 Mérőóra rögzítő 7 Állvány 3 Mérőóra 8 Támasztó csúcs 4 Menetes oszlop 9 Csúcs finomállító 5 Mérőóra tartószára 10 Rögzítő csavarok 18

19 7.5. A finomtapintó (2) A különbségmérés egy állványba befogott finomtapintóval történik, amelynek felbontása 0,0001 mm (100 nm). A finomtapintó (15. ábra) működése induktív fizikai mérési elven alapul. Az ilyen kis méretekben már a legkisebb szennyeződés is komoly eltérést okozhat az eredményben, amelynek kiküszöbölése cérnakesztyű használatával történik. 1 Mérendő munkadarab 2 Tapintócsúcs 3 Finomtapintó-rögzítő fej 4 Rögzítőcsavar 6. táblázat: A finomtapintó fő részeinek megnevezése 15. ábra: A finomtapintó fő részei A mérés megkezdéséhez a mérendő munkadarabot (1) a finomtapintó tapintócsúcsa (2) alá kell helyezni. A finomtapintó egy hasított, alumínium hüvelybe, az ún. finomtapintó-rögzítő fejbe (3) van befogva, amelynek állítására a rögzítőcsavar (4) szolgál. 16. ábra: A finomtapintóhoz tartozó digitális feldolgozó és kijelző egység A finomtapintó által szolgáltatott villamos jel a mérőláncon keresztül a digitális kijelzőn jelenik meg (16. ábra). Bekapcsolást (a berendezés hátulján található kétállású kapcsolóval) követően a LOAD gomb megnyomásával a műszer alaphelyzetbe áll. A méréshez szükséges referencia felvételét a ZERO gombbal lehet elvégezni, amely után a kijelző a referenciához képesti különbséget jeleníti majd meg. 19

20 7.6. Mérőhasábkészlet (2) (4) 17. ábra: A mérőhasáb készlet a (4) mérésnél A mérés során az etalon szerepét a mérőhasáb készletből (17. ábra, 18. ábra) összeállított etalonkombináció látja el. A hasábkészlet elemei nagy pontossággal (akár pár tíz nanométer) kimunkált elemek, és külön hitelesítési bizonyítvánnyal is rendelkeznek. 18. ábra: A mérőhasáb készlet (2) mérésnél A 2. mérésnél használt mérőhasábkészlet etalonjainak megfogása kizárólag cérnakesztyűvel történhet! 20

21 7.7. Digitális kijelzésű mérőóra (3) 8 táblázat: A mérőóra és az állvány részeinek megnevezése 4 Mérőóra 5 Mérőórát rögzítő csavar 6 Tárgyasztal 7 Talapzat 8 Megvezető orsó 9 Szárrögzítő csavar 10 Mérőórát tartó szár 19. ábra: A mérőóra fő részei 1 LCD kijelző 2 Tapintó 3 Tapintócsúcs 7. táblázat: A mérőóra fő részeinek megnevezése 20. ábra: A mérőóra és az állvány 21. ábra: A 3-as mérés elrendezése 11 Állvány 12 Rögzítő persely 13 Csatlakozó kábel 14 Adatgyűjtő processzor 9. táblázat: A 3-as mérési elrendezés részeinek megnevezése A mérőóra (19. ábra) a tapintócsúcs (3) elmozdulását kapacitív mérőléc segítségével alakítja át analóg villamos, majd digitális jellé. A mért értéket LCD kijelzőjén (1) jeleníti meg. A mérőóra (4) a tárolt adatot a megfelelő kommunikációs protokollon keresztül továbbítja az adatgyűjtő processzornak (14). Maga a mérőóra egy rögzítőpersely (12) segítségével lett az állványhoz (11) rögzítve (21. ábra). Minden mérés előtt fontos, hogy definiálva legyen egy megfelelő referenciapont, melyben a mérőóra nulla állásban van. Ez célszerűen az állvány vízszintes, sík felülete, a tárgyasztal (6) lehet (20. ábra). A referencia beállítása után a készüléket a ZERO gombbal lehet nullázni. A mérés különbségi elven történik, a beállított referencia ponthoz képest a tapintó (2) új helyzete adja meg a munkadarab vizsgált méretét. Nullázás után a tapintót óvatosan fel kell emelni, majd a mérendő munkadarabot aláhelyezni. Ezután engedhető vissza a tapintó, ügyelve, hogy a tapintó mozgatása ne legyen túl gyors, mert elállíthatja a készülék nullpontját, és ez hibát okozhat. A mérőóra mellett található a mérőórához csatlakoztatott adatgyűjtő (14). A mérőóra által kijelzett aktuális értéket az adatgyűjtő DATA gombjának lenyomásával eltárolja. Az adatgyűjtő processzor akár tízezer mérési adat rögzítésére is alkalmas, amelyekkel különböző statisztikai műveleteket képes 21

22 végrehajtani (pl.: átlag- és szórásszámítás). Ezek a függvények az eszköz STAT gombjának lenyomásával érhetők el. A számítások elvégzése után az adatgyűjtőbe épített hőnyomtató a mért értékeket, a számított statisztikai paramétereket, valamint a hisztogramot hőpapírra nyomtatja. Az adatgyűjtő a memóriában tárolt adatok összességéből számítja a statisztikai paramétereket, ezért fontos, hogy egy új mérés megkezdésekor az adatgyűjtő processzor memóriája üres legyen (a memória ürítése a CL gomb megnyomásával történhet). 22

23 7.8. Digitális kijelzésű tolómérő (5) A digitális kijelzésű tolómérő egy mechanikai elven működő hosszmérésre alkalmas eszköz, amelynek működése összehasonlító módszeren alapszik (a két fogalom együtt képezi a mérési eljárást). Az összehasonlítás esetünkben azt jelenti, hogy a munkadarab mérendő hosszát egy előre ismert etalon mérettel hasonlítjuk össze, ami jelen esetben a tolómérőn található skála. A tolómérővel nagyon gyorsan és egyszerűen, szinte bármilyen hosszméret mérhető (pl. oldalhossz, átmérő, üregmélység). Az eszköz kialakításától függően általában 0,05 mm-es felbontással rendelkezik, ám napjainkban az egyre elterjedtebb digitális kijelzésű tolómérők ennél nagyobb felbontásra is képesek. A tolómérőt leginkább gyors ellenőrző mérésekhez használják. A digitális kijelzésű tolómérők fő hátránya, hogy működésükhöz elem szükséges. A digitális kijelzésű tolómérő fő részei a 22. ábrán láthatóak. 22. ábra: Digitális kijelzésű tolómérő 10. táblázat: A digitális kijelzésű tolómérő fő részeinek megnevezése 1 Rögzített mérőpofa 8 Főskála 2 Mérőfelületek külső méretekhez 9 Vezetősín 3 Mozgatható mérőpofa 10 DATA gomb 4 OFF gomb 11 Mérőfelületek mélységméréshez 5 ON/ZERO gomb 12 Csatlakozó kábel 6 Digitális kijelző (5 digit) 13 Rögzítő csavar 7 Tolóka 14 Mérőfelületek belső méretekhez A mérés során használt digitális kijelzésű tolómérő két részből áll: egy állórészből, és egy ezen az állórészen hosszirányban elcsúsztatható mozgórészből. Az állórészen található a rögzített mérőpofa (1) a főskálával (5), amely a mérés bázisát képezi. A tolómérő mozgórészén található a digitális kijelző (4) és a digitális modul egy csatlakozóval (14), mely modul a csúszka elmozdulását egy beépített 23

24 szenzor segítségével villamos jellé alakítja. Ez beépített áramkörön való feldolgozást követően 5 digit pontossággal jelenik meg (3 digit az egész mm-eknek és 2 digit a mm tört részének). A csatlakozási lehetőségnek köszönhetően az eszközt számítógéphez lehet kapcsolni, így a mért adat azonnal regisztrálható és feldolgozható. Az állórész és a mozgórész közötti lineáris vezetést a vezetősín (9) biztosítja. A mozgatható mérőpofa (3) a tolókával (7) állítható. A tolókán lévő rögzítő csavarral (13) az aktuális pozíció fixálható. A csavar túlzott meghúzása a két rész egymásba feszülését okozhatja. A tolóka elcsúsztatásához a csavart fel kell lazítani. Egyes típusú tolómérőknél a tolókát laprugó szorítja az álló vezetékhez, csökkentve a kotyogást. Ha nincs laprugó, és a rögzítő csavar nincs teljesen kilazítva, akkor a tolóka kotyogni fog a sínen, aminek következtében már nagyon kicsi erőhatásokra is elmozdul, a mérés ugyancsak pontatlan lesz. A 23. ábrán látható digitális tolómérő felbontása 0,01 mm (10 mikrométer). A mérések során előforduló leggyakoribb hiba a nullpont hiba, melynek oka az, hogy a mérés kezdete előtt a tolómérő nem lett nullázva. Ekkor a kijelzőn, ha az álló és a mozgórész teljesen egymásba van tolva, nem 00,00mm jelenik meg, hanem valamekkora X0 offset érték. Ezért minden mérés előtt célszerű az eszköz nullázása, amit az ON/ZERO (5) gomb lenyomásával lehet elvégezni. A tolómérő bekapcsolása az ON/ZERO gomb lenyomásával, kikapcsolása az OFF (4) gombbal lehetséges, az aktuális adatokat a DATA (10) gomb segítségével lehet rögzíteni. 23. ábra: Mérőeszköz nullpont-hibája (offset) (Jelen esetben X 0 = 0,02 mm ) Egyszerű hosszmérés során a munkadarabot mindig két mérőfelület közé kell befogni és rögzíteni. Ez a tolóka segítségével történik, azaz rátoljuk a mérőpofák mérőfelületét a munkadarabra. Fontos, hogy a mérőfelületeket ne nyomjuk túlságosan össze, mert szöghiba keletkezik, ami elsőrendű hibának 24

25 minősül. A szöghiba okozója az Abbe-elv 2 be nem tartása. Az Abbe-elv kimondja, hogy a mérőberendezés konstrukciója legyen olyan, hogy a munkadarab mérendő mérete és az osztásos mérce egy egyenesbe essen. Ez az elv a tolómérő esetében a konstrukció geometria-, illetve az összeszorító erő okozta deformációk miatt nem teljesül. Ezek ellenére mérés közben törekedni kell arra, hogy az Abbe-elv hiánya minél kevésbé érvényesülhessen. Pl. figyelni kell arra, hogy a mérendő munkadarab a lehető legközelebb essen a tolómérő szárához (24. ábra), illetve az összeszorító erő ne okozzon kotyogást vagy befeszülést. 24. ábra: Helytelen és helyes mérés tolómérővel 2 ERNST KARL ABBE (1840. január január 14.) német matematikus, fizikus, egyetemi tanár. Abbe nevét leginkább optikai munkássága tette ismertté. Kevesen tudják, de Abbe vezette be először a napi nyolc órás munkarendet a Carl Zeiss Optikai Műveknél, mely vállalatnak igazgatója és társtulajdonosa volt ban Carl Zeiss felkérte Abbét néhány komolyabb optikai probléma megoldására, mely a mikroszkóp lencsék készítése során merült fel. Kezdetben a kísérletek Zeisst az üzleti csőd közelébe sodorták, de ő nem vesztette el bizalmát Abbéban, aki végül is sikerrel birkózott meg a feladattal. A Zeiss műhely ettől kezdve piacvezető lett a szakmában, és viharos fejlődésnek indult. Zeiss úgy ismerte el Abbe érdemeit, hogy bevette társnak az üzletbe ban feltalálta az apokromatikus lencserendszert a mikroszkóp számára. Ez a jelentős áttörés a mikroszkópok elsődleges és másodlagos torzítását is képes kiküszöbölni. 25

26 7.9. Mérőmikroszkóp (6) A mikroszkóp egy összetett optikai rendszer, amely két gyűjtőlencse-rendszer segítségével kisméretű tárgyak jelentősen nagyított, fordított állású látszólagos képét állítja elő. A mérés során használt fénymikroszkópok üvegből készült fénytörő lencséket alkalmaznak, melyekkel a képet az okuláron keresztül a retinára képezi le. A mikroszkópokat elsősorban két paraméter, a nagyítás és a feloldás jellemzik. A nagyítás mértéke megadja, hogy kép a tárgy méreteit hányszorosára növeli. A feloldási határ az a legkisebb szög, amely alatt nézve a tárgy két különálló pontja még megkülönböztethető. Az emberi szem felbontóképességének határa egy ívperc (1'). A fény hullámtermészete miatt, bármilyen tökéletesen csiszolt lencse esetén is, a lencse befogadó nyílásán fényelhajlás lép fel, aminek következtében egy pontszerű tárgy képe nem pontszerű lesz, hanem kis fénylő korong jellegű. A felbontóképesség mellett, ez is akadályozza a tetszés szerinti finomságú struktúrák vizsgálatát. A fénymikroszkóp nagyítása legtöbbször maximum 1500-szoros, elméleti felbontásuk 0,2 mikrométer. A fényelhajlásból különböző torzítások adódhatnak. A létrehozott kép szélein szférikus torzítás és színtorzulás is jelentkezhet. A szférikus torzítás oka, hogy a lencse optikai tengelyében és a lencse szélső részein nem azonos a lencse gyújtótávolsága, így az optikai tengelytől távolodva egyre torzabb lesz a kép. A színtorzulás (kromatikus aberráció) oka, hogy a lencséknek a különböző hullámhosszúságú (különböző színű) fénysugarakra más és más a törésmutatója, így a fehér fény különböző hullámhosszú összetevőkre bomlik, amelyek külön-külön megjelenhetnek a képen. Ezek a hibák a megfelelő lencsekombináció választásával korrigálhatók. A méréshez Zeiss és Mitutoyo típusú mikroszkópok állnak rendelkezésre a laborban. A Mitutoyo mikroszkóp (25. ábra) hasonló elven működik, mint a Zeiss mikroszkóp; csak kevesebb beállítási lehetőséggel rendelkezik. 25. ábra: A mérés során használt Mitutoyo mikroszkóp 26

27 A Zeiss mikroszkóp ismertetése (26. ábra): 26. ábra: A mérés során használt Zeiss mikroszkóp részei 1 Szálkeresztes okulár 6 Szöghelyzet állító 10 Függőleges oszlopot döntő csavar 2 Objektív 7 Szögosztás 11 Fényforrás 3 Tárgyasztal 8 Mérőhasáb 12 Rögzítő gomb 4 Szögasztal rögzítő 9 Mérőorsó 13 Objektív mozgató (élességállító) csavar 5 Mérőorsó 14 Függőleges tartóoszlop 11. táblázat: A mérőmikroszkóp fő részeinek megnevezése A mérendő alkatrészt a tárgyasztalra (3) való helyezést követően a szöghelyzet állítóval (6) lehet a megfelelő helyzetbe forgatni (z-tengely körül), majd az adott helyzetet a szögasztal rögzítővel (4) fixálni. Az aktuális szöghelyzetet a szögosztás (7) segítségével lehet meghatározni, a mérőorsókkal (5)(9) adott irányok (x és y-tengely) mentén lehet távolságokat mérni. Szükség esetén a mérőorsók mérési tartományánál nagyobb méretek felvételéhez mérőhasáb(ok)at (8) lehet közbeiktatni. Az alkatrészt egy fényforrás (11) világítja meg, melynek fénysugarait egy gyűjtőlencse (kondenzor) párhuzamosítja. A kondenzorból érkező - a vizsgált tárgyon áthaladó és megtört fénysugarak az összetett nagyítórendszer első tagjába, az objektívbe (2), a tárgylencsébe kerülnek. Az objektív a tárgyról elsődleges, valódi, nagyított képet készít, melyet az okulár (1) tovább nagyít, és végül virtuális, másodlagos kép keletkezik. Az okulár alapvetően az objektívből érkező kép nagyítására, illetve kisebb hibák korrigálására szolgál. A mikroszkóp összes nagyítását az objektív és az okulár nagyításának szorzata adja. Az objektív mozgató csavarral (13) az objektív és a tárgyasztal távolsága, ezáltal a képélesség változtatható a függőleges tartóoszlopon (14), egy ferdefogazású fogaslécen keresztül. Az adott helyzetet a rögzítő gombbal (12) lehet fixálni. Szükség esetén a tartóoszlop megdönthető a hozzá tartozó döntőcsavarral (10). Az objektív frontlencséje és a tárgy közötti távolság, a szabad tárgytávolság, a legnagyobb nagyítású tárgylencsék esetében a milliméter törtrésze is lehet. Az objektív védelmét szolgálja, hogy az egy rugó ellenében felfelé teleszkópszerűen elmozdulhat. Ily módon kerülhető el, hogy a beállításkor az objektív és a vizsgált tárgy érintkezzen, esetlegesen sérüljön. 27