Таблицы измерительных усилий для различных инструментов

Таблица 1: Нормированные измерительные усилия для микрометров различных типов

Согласно ГОСТ 6507-90 "Микрометры. Технические условия", для каждого типа микрометра предусмотрены определенные значения измерительного усилия, которые обеспечивают достоверность и точность измерений.

Тип микрометра	Диапазон измерительного усилия, Н	Допустимое колебание усилия, Н	Примечание
МК (гладкие)	5-10	≤ 2	Наиболее распространенный тип микрометров
МЛ (листовые)	3-7	≤ 2	Для измерения толщины листовых материалов
МТ (трубные)	3-7	≤ 2	Для измерения толщины труб и полых тел
МЗ (зубомерные)	3-7	≤ 2	Для измерения параметров зубчатых колес
МВМ, МВМЦ (со вставками)	5-10	≤ 2	Согласно ГОСТ 4380-93
МР (рычажные)	5-10	≤ 2	Повышенная чувствительность измерений
МП (призматические)	5-10	≤ 2	Для измерения наружных диаметров валов

Все микрометры должны иметь трещотку (фрикцион) или другое устройство, обеспечивающее измерительное усилие в указанных пределах. Колебание измерительного усилия не должно превышать 2 Н в любой точке диапазона измерений.

Таблица 2: Измерительные усилия индикаторных нутромеров

Индикаторные нутромеры используются для относительных измерений внутренних размеров. В таблице приведены значения измерительных усилий нутромеров на основе данных производителей и нормативных документов.

Тип нутромера	Диапазон измерений, мм	Измерительное усилие, Н	Особенности конструкции
НИ (индикаторный)	6-10	1.0-2.5	Двухточечный контакт
НИ (индикаторный)	10-18	1.5-3.0	Двухточечный контакт
НИ (индикаторный)	18-50	2.0-4.0	Двухточечный контакт
НИ (индикаторный)	50-160	3.0-5.0	Двухточечный контакт
НИЦ (цифровой)	6-160	2.0-4.5	Электронная индикация
Пистолетного типа	2-150	3.0-6.0	Трехточечный контакт под углом 120°
Микрометрический	50-600	4.0-7.0	Микрометрическая головка

Измерительное усилие нутромеров должно обеспечивать надежный контакт с поверхностью измеряемого отверстия, но не вызывать значительных упругих деформаций. Для относительных измерений особенно важно постоянство измерительного усилия при сравнении с эталонным размером и при измерении детали.

Таблица 3: Измерительные усилия цифровых измерительных приборов

Современные цифровые измерительные приборы имеют оптимизированные значения измерительных усилий, учитывающие особенности электронных преобразователей и снижающие возможность ошибок при снятии показаний.

Тип прибора	Диапазон измерений, мм	Измерительное усилие, Н	Технические особенности
Цифровой микрометр	0-25	5.0-8.0	Электронная шкала с дискретностью 0.001 мм
Цифровой микрометр	25-100	5.0-9.0	Электронная шкала с дискретностью 0.001 мм
Цифровой индикатор	0-12.5	0.5-1.5	Высокоточный датчик линейных перемещений
Цифровой индикатор	12.5-25	0.8-2.0	Высокоточный датчик линейных перемещений
Цифровой нутромер	6-50	2.0-4.0	Индуктивный преобразователь
Цифровой нутромер	50-200	3.0-5.0	Индуктивный преобразователь
Цифровой штангенциркуль	0-300	Нет фиксированного	Силы зависят от оператора

Цифровые измерительные приборы оснащаются механизмами, обеспечивающими более стабильное измерительное усилие по сравнению с механическими аналогами. Это способствует повышению точности и повторяемости измерений. В некоторых моделях предусмотрена компенсация температурных погрешностей.

Таблица 4: Влияние величины измерительного усилия на погрешность измерений

Измерительное усилие оказывает непосредственное влияние на точность измерений из-за возникающих упругих деформаций. В таблице представлена зависимость погрешности от величины измерительного усилия для различных типов измерений.

Тип измерения	Измерительное усилие, Н	Дополнительная погрешность, мкм	Рекомендации
Измерение мягких материалов (пластик, резина)	2.0	3.0-8.0	Рекомендуется минимальное усилие
Измерение мягких материалов (пластик, резина)	5.0	7.0-15.0	Повышенная погрешность
Измерение металлов средней твердости	3.0	0.5-1.5	Оптимальное усилие
Измерение металлов средней твердости	7.0	1.0-2.5	Удовлетворительное усилие
Измерение твердых материалов	5.0	0.2-0.8	Оптимальное усилие
Измерение твердых материалов	10.0	0.5-1.2	Удовлетворительное усилие
Измерение тонкостенных деталей	3.0	1.0-3.0	Рекомендуется минимальное усилие

При измерении деталей из мягких материалов или тонкостенных элементов следует особенно тщательно контролировать измерительное усилие, поскольку их упругая деформация может вносить существенную погрешность в результат измерений. Для высокоточных измерений целесообразно применять приборы с калиброванным измерительным усилием.

Таблица 5: Сравнение измерительных усилий различных производителей

Различные производители измерительного инструмента могут устанавливать свои значения измерительных усилий в пределах допустимых норм. Сравнительная таблица помогает выбрать инструмент, соответствующий конкретным задачам измерения.

Производитель	Тип инструмента	Измерительное усилие, Н	Особенности
Mitutoyo (Япония)	Микрометр гладкий	5.0-8.0	Повышенная стабильность усилия
Mahr (Германия)	Микрометр гладкий	5.0-10.0	Соответствие DIN 863
Tesa (Швейцария)	Микрометр гладкий	7.0-9.0	Высокая стабильность
ЧИЗ (Россия)	Микрометр гладкий	5.0-10.0	Соответствие ГОСТ 6507-90
Mitutoyo (Япония)	Индикаторный нутромер	2.0-4.0	Прецизионный механизм
Mahr (Германия)	Индикаторный нутромер	2.5-4.5	Улучшенная эргономика
ЧИЗ (Россия)	Индикаторный нутромер	2.0-5.0	Базовые модели

Инструменты премиальных производителей обеспечивают более стабильное измерительное усилие на протяжении всего срока эксплуатации, что положительно сказывается на точности и повторяемости измерений. При выборе измерительного инструмента следует обращать внимание не только на величину измерительного усилия, но и на его стабильность.

1. Введение в измерительные усилия

Измерительное усилие представляет собой силу контакта между измерительными поверхностями прибора и поверхностью измеряемой детали. Это один из важнейших параметров, влияющих на точность и достоверность результатов измерений. Слишком малое измерительное усилие может привести к неполному контакту и, как следствие, к занижению результатов измерений. Чрезмерное усилие вызывает упругие деформации измеряемой детали и измерительного прибора, что также искажает результаты.

Для различных типов измерительных приборов и разных диапазонов измерений существуют нормированные значения измерительных усилий, установленные в соответствующих стандартах. Так, согласно ГОСТ 6507-90 "Микрометры. Технические условия", измерительное усилие для микрометров типов МК (гладких) должно находиться в пределах от 5 до 10 Н, а для микрометров типов МЛ, МТ и МЗ (листовых, трубных и зубомерных) – от 3 до 7 Н.

Для обеспечения заданных значений измерительного усилия в конструкции микрометров предусмотрена трещотка (фрикцион) или иное устройство, ограничивающее крутящий момент при вращении микрометрического винта. В современных цифровых измерительных приборах часто используются электронные системы контроля усилия, обеспечивающие его более высокую стабильность.

Важным параметром является не только абсолютное значение измерительного усилия, но и его стабильность в процессе измерений. Согласно нормативным документам, колебание измерительного усилия для микрометров всех типов не должно превышать 2 Н. Это требование обеспечивает повторяемость результатов измерений и снижает влияние субъективного фактора при работе с измерительным инструментом.

2. Основные типы измерительных инструментов и их характеристики

Современная метрология располагает широким спектром измерительных инструментов, каждый из которых имеет свои особенности конструкции и характерные значения измерительных усилий. Рассмотрим основные типы инструментов и их ключевые характеристики.

2.1. Микрометры

Микрометры представляют собой прецизионные инструменты для измерения линейных размеров с высокой точностью. Основой конструкции является микрометрический винт с шагом 0,5 мм, позволяющий преобразовать малые перемещения в точные показания измерений.

По способу применения микрометры подразделяются на:

• Гладкие микрометры (МК) – используются для измерения наружных линейных размеров изделий. Характеризуются измерительным усилием 5-10 Н.
• Листовые микрометры (МЛ) – предназначены для измерения толщины листовых материалов. Имеют пониженное измерительное усилие 3-7 Н для предотвращения деформации измеряемого материала.
• Трубные микрометры (МТ) – используются для измерения толщины стенок труб и других полых изделий. Также имеют пониженное измерительное усилие 3-7 Н.
• Микрометры со вставками – применяются для измерения специальных элементов (резьба, канавки и т.д.). Характеризуются измерительным усилием 5-10 Н.
• Рычажные микрометры (МР) – оснащены дополнительным рычажным механизмом для повышения точности измерений. Измерительное усилие составляет 5-10 Н.

2.2. Нутромеры

Нутромеры применяются для измерения внутренних размеров деталей. В зависимости от конструкции и принципа работы выделяют:

• Индикаторные нутромеры (НИ) – используют относительный метод измерений. Измерительное усилие варьируется от 1 до 5 Н в зависимости от диапазона измерений.
• Микрометрические нутромеры – реализуют абсолютный метод измерений. Измерительное усилие составляет 4-7 Н.
• Нутромеры пистолетного типа – имеют трехточечный контакт с измеряемой поверхностью. Измерительное усилие находится в пределах 3-6 Н.
• Цифровые нутромеры – оснащены электронным отсчетным устройством. Измерительное усилие составляет 2-5 Н.

2.3. Индикаторы и измерительные головки

Индикаторы и измерительные головки являются универсальными приборами для относительных измерений линейных размеров. Основные типы:

• Индикаторы часового типа – характеризуются измерительным усилием 0,8-1,5 Н и используются в различных приспособлениях для контроля размеров.
• Рычажно-зубчатые индикаторы – имеют измерительное усилие 0,2-0,7 Н, что делает их пригодными для измерения деталей из мягких материалов.
• Электронные индикаторы – оснащены цифровым отсчетным устройством и имеют измерительное усилие 0,5-2,0 Н.
• Многооборотные индикаторы – характеризуются повышенной точностью отсчета и измерительным усилием 0,8-1,8 Н.

2.4. Особенности выбора инструмента по измерительному усилию

При выборе измерительного инструмента следует учитывать не только требуемую точность и диапазон измерений, но и соответствие измерительного усилия материалу и конструкции измеряемой детали. Для мягких материалов и тонкостенных изделий рекомендуется использовать инструменты с минимальным измерительным усилием, а для твердых материалов и массивных деталей – с усилием из среднего или верхнего диапазона допустимых значений.

В современной измерительной практике все чаще используются инструменты с возможностью регулировки измерительного усилия или со встроенными системами компенсации погрешностей, вызванных измерительным усилием. Такие приборы позволяют достичь максимальной точности при измерении деталей из различных материалов и с разными геометрическими параметрами.

3. Значение контроля измерительного усилия

Контроль измерительного усилия – критически важный аспект обеспечения точности измерений. Значение этого параметра оказывает непосредственное влияние на результаты измерений по следующим причинам:

• Упругие деформации: При контакте измерительных поверхностей с деталью возникают упругие деформации как самой детали, так и элементов измерительного прибора. Величина этих деформаций пропорциональна измерительному усилию и обратно пропорциональна жесткости контактирующих элементов.
• Повторяемость измерений: Стабильность измерительного усилия обеспечивает повторяемость результатов при многократных измерениях одного и того же параметра, что особенно важно в условиях производственного контроля.
• Зависимость от материала: Для деталей из различных материалов влияние измерительного усилия проявляется по-разному. Мягкие материалы (пластики, цветные металлы, резина) более чувствительны к измерительному усилию, чем твердые стали и чугуны.
• Влияние на износ: Оптимальное измерительное усилие способствует снижению износа измерительных поверхностей, продлевая срок службы прибора и сохраняя его метрологические характеристики.

Особенно важен контроль измерительного усилия при измерении тонкостенных деталей, деталей из мягких материалов, а также при выполнении высокоточных измерений с погрешностью менее 1 мкм. В современных прецизионных измерительных системах предусматриваются специальные механизмы для автоматического контроля и поддержания заданного измерительного усилия.

4. Методы контроля и измерения усилий

Для контроля измерительного усилия измерительных приборов применяются различные методы и устройства, обеспечивающие точное определение этого параметра. Наиболее распространенные методы контроля:

1. Метод с использованием циферблатных весов: Измерительный прибор устанавливается в специальное приспособление, а его измерительная поверхность контактирует с площадкой весов. При вращении микрометрического винта до срабатывания трещотки значение измерительного усилия фиксируется по показаниям весов.
2. Метод с использованием динамометров: Специальные динамометры располагаются между измерительными поверхностями прибора. При достижении нормированного усилия срабатывает индикатор динамометра. Этот метод широко применяется при поверке измерительных приборов.
3. Метод тензометрических датчиков: Современный метод, использующий тензометрические датчики для прецизионного измерения усилий. Применяется в лабораторных условиях и при настройке высокоточных измерительных приборов.

Для поверки и контроля измерительного усилия микрометров применяются специальные приспособления, разработанные в соответствии с методическими указаниями МИ 782-85 "Микрометры с ценой деления 0,01 мм. Методика поверки" и МИ 2077-90 "Микрометры со вставками. Методика поверки".

В соответствии с методическими указаниями, колебание измерительного усилия определяется как разность между максимальным и минимальным значениями усилия, измеренными в разных точках диапазона измерений прибора. Для большинства измерительных приборов это колебание не должно превышать 2 Н.

5. Расчеты и примеры влияния измерительных усилий

Влияние измерительного усилия на результаты измерений можно оценить с помощью расчетов упругих деформаций контактирующих элементов. Рассмотрим несколько примеров:

Пример 1: Расчет погрешности при измерении цилиндрической детали из стали

При измерении диаметра стального вала микрометром возникает контактная деформация, которую можно оценить по формуле Герца:

δ = 0.57 × [(F × (1-μ²)) / (E × D)]^(1/3)

где:

• δ – величина контактной деформации (мкм)
• F – измерительное усилие (Н)
• μ – коэффициент Пуассона (для стали μ = 0.28)
• E – модуль упругости материала (для стали E = 210 ГПа)
• D – диаметр измеряемой детали (мм)

Расчет для стального вала диаметром 10 мм при измерительном усилии 7 Н дает контактную деформацию около 0.5 мкм, что следует учитывать при высокоточных измерениях.

Пример 2: Влияние измерительного усилия на измерение тонкостенной втулки

При измерении тонкостенной втулки с толщиной стенки 1 мм и диаметром 30 мм из алюминиевого сплава (E = 70 ГПа) можно наблюдать деформацию от измерительного усилия, которая рассчитывается по формуле:

Δ = F × R³ / (E × h³)

где:

• Δ – деформация (мкм)
• F – измерительное усилие (Н)
• R – радиус втулки (мм)
• h – толщина стенки (мм)
• E – модуль упругости материала (ГПа)

Для указанных параметров при измерительном усилии 5 Н деформация составит около 3.2 мкм, что является существенной погрешностью при точных измерениях.

Эти примеры демонстрируют необходимость учета измерительного усилия и его влияния на результаты измерений, особенно при работе с тонкостенными деталями и деталями из материалов с низким модулем упругости.

6. Рекомендации по настройке и обслуживанию измерительных инструментов

Для обеспечения нормированных значений измерительного усилия и поддержания точности измерений необходимо регулярное обслуживание измерительных приборов. Основные рекомендации включают:

1. Регулярная проверка измерительного усилия: Для микрометров и других приборов с механизмом трещотки необходимо периодически проверять измерительное усилие с помощью специальных приспособлений или в рамках плановой поверки.
2. Регулировка трещотки: Большинство микрометров имеют возможность регулировки усилия срабатывания трещотки. Регулировка должна выполняться в соответствии с рекомендациями производителя для обеспечения нормированных значений усилия.
3. Очистка и смазка: Загрязнение и нарушение смазки механизмов прибора могут привести к изменению измерительного усилия. Регулярная очистка и смазка согласно рекомендациям производителя необходимы для поддержания стабильных характеристик.
4. Контроль температурных условий: Измерительное усилие может изменяться при значительных отклонениях температуры от нормальной (20°C). При работе в условиях с отличающейся температурой необходимо учитывать возможные изменения усилия.
5. Предотвращение ударов и падений: Механические воздействия могут нарушить настройку механизмов, обеспечивающих измерительное усилие. Необходимо бережное обращение с измерительными приборами.

Для индикаторных нутромеров особое внимание следует уделить настройке и проверке усилия центрирующих элементов, поскольку от них зависит правильное позиционирование прибора при измерениях.

7. Тенденции развития измерительных технологий

Современные тенденции в области измерительной техники направлены на повышение точности и автоматизацию процесса измерений. В контексте измерительных усилий наблюдаются следующие направления развития:

• Системы автоматического контроля усилия: Разрабатываются и внедряются измерительные приборы с электронными системами контроля и поддержания постоянного измерительного усилия независимо от скорости измерения и других факторов.
• Бесконтактные методы измерений: Развиваются оптические, лазерные и другие бесконтактные методы измерений, полностью исключающие проблему измерительного усилия. Однако эти методы имеют свои ограничения и не могут полностью заменить контактные измерения во всех случаях.
• Интеллектуальные измерительные системы: Создаются приборы с возможностью автоматической коррекции результатов измерений с учетом известного измерительного усилия и свойств материала измеряемой детали.
• Миниатюризация датчиков усилия: Разрабатываются компактные и высокоточные датчики для встраивания в измерительные приборы, позволяющие в реальном времени контролировать измерительное усилие.
• Стандартизация и унификация: Продолжается развитие международных стандартов, регламентирующих измерительные усилия для различных типов приборов и условий измерений.

Эти тенденции способствуют повышению точности измерений и снижению влияния субъективных факторов на результаты. Для современного производства, особенно в высокотехнологичных отраслях, контроль и стабилизация измерительного усилия становятся все более важными аспектами обеспечения качества продукции.