dr inż. Marek Matulewski

Transkrypt

1 PODSTAWY MECHANIKI I WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW dr inż. Marek Matulewski

2 Jest to dziedzina nauki i działalności człowieka, zajmująca się sposobami dokonywania pomiarów oraz zasadami interpretacji uzyskanych wyników. Zespół czynności, w wyniku których następuje doświadczalne wyznaczanie z określoną dokładnością wartości danej wielkości nazywam pomiarem. Pomiary polegają na porównaniu wielkości mierzalnych (tzn. wszystkie te cechy, których stany są porównywalne przez fakt istnienia równości lub nierówności, a więc np. wymiary przedmiotu, temperatura, czas, siła, promieniowanie ; w metrologii interesują nas te wielkości fizyczne, które są mierzalne, tzn. których stany można porównywać ilościowo). Zależnie od zastosowanego przy tym sposobu porównywania można mówić o różnych metodach pomiarowych :

3 Metoda pomiarowa bezpośrednia, w której wynik pomiaru otrzymuje się przez odczytanie bezpośredniego wskazania narzędzia pomiarowego, wywzorcowanego w jednostkach miary mierzonej wielkości. Tak np. mierzymy długość przymiarem kreskowym, kąt - kątomierzem, czy wreszcie odczytujemy wskazanie temperatury na skali termometru. Nie ma przy tym znaczenia, czy w samym narzędziu pomiarowym - zgodnie z zasadą działania - zachodzi przekształcenie wielkości mierzonej na inną wielkość fizyczną związaną z wielkością mierzoną zależnością funkcjonalną jak to ma miejsce np. w termometrze, w którym zmiany temperatury powodują proporcjonalne zmiany długości słupka rtęci odczytywane na kreskowej podziałce.

4 Metoda pomiarowa pośrednia, w której mierzy się bezpośrednio inne wielkości, a wyniki oblicza się, opierając się na określonej znanej zależności tych wielkości od wielkości, której wartość miała być wyznaczona. Przykładem może być pomiar objętości czy powierzchni, w którym wynik oblicza się z bezpośrednich pomiarów wymiarów geometrycznych ( wysokości, długości, szerokości ), pomiar kąta przez wyliczenie jego wartości z zależności trygonometrycznych, po określeniu pomiarami bezpośrednimi odpowiednich długości ramion tego kąta itd. Metoda pomiarowa podstawowa określana również jako bezwzględna, polega na wymiarze wielkości podstawowych występujących w równaniu definicyjnym mierzonej wielkości. Jeżeli pomiar objętości przeprowadza się mierząc wymiary zbiornika (wysokość zbiornika, oraz długość i szerokość podstawy dla prostopadłościanu lub dla walca średnicę, z której oblicza się powierzchnię pola podstawy ) albo pomiar ciśnienia przeprowadzi się mierząc siłę F i pole powierzchni, a następnie wyliczy się poszukiwaną wartość objętości czy ciśnienia ze znanych zależności definicyjnych, będzie to zastosowani bezwzględnej metody pomiarowej lub -pomiar bezwzględny.

5 Metoda pomiarowa porównawcza oparta jest na porównaniu mierzonej wartości ze znaną wartością tej samej wielkości. Jeżeli zmierzy się objętość lub ciśnienie porównując je z inną znaną objętością ( np. ile litrów wody zmieści się w zbiorniku o zmierzonej objętości lub jakie ciśnienie wskaże manometr uprzednio wywzorcowany za pomocą znanego ciśnienia ), to będzie to pomiar metodą porównawczą. Wykonanie wielu części o identycznych wymiarach nie jest możliwe. Wynika to z niedokładności obrabiarek i narzędzi produkcyjnych, drgań obrabiarek, niesztywności przedmiotów obrabianych, ich nagrzewania się podczas obróbki oraz niedostatku umiejętności robotnika wykonującego pracę. Z tego powodu konstruktor projektujący przedmiot określa, w jakich granicach mogą się zawierać rzeczywiste wymiary gotowego wyrobu, czyli jaka jest tolerancja wykonania. Mając to na uwadze robotnik wykonujący prace ręczne i mechaniczne posługuje się przyrządami pomiarowymi, służącymi do wyznaczania wartości wymiarów uzyskanych po obróbce. Przyrządy te działają na różnych zasadach.

6 Narzędzia pomiarowe dzielą się na : - wzorce - przyrządy pomiarowe Wzorzec pomiarowy jest to ciało fizyczne ( np. platyno - irydowy wzorzec metra ) lub właściwość fizyczna ( np. promieniowanie o określonej długości fali ) odtwarzające miarę danej wielkości z określoną dokładnością. Wzorce mogą odtwarzać jedną miarę ( w przypadku długości jeden konkretny wymiar ) bądź też więcej niż jedną miarę ( np. przymiar kreskowy, śruba mikrometryczna ).Nazywa się je wówczas odpowiednio wzorcami jednomiarowymi lub wielomiarowymi. Wzorce jednomiarowe ze względów praktycznych często łączy się w komplety, np. komplet płytek wzorcowych.

7 Przyrządy pomiarowe służą do bezpośredniego lub pośredniego wykonywania pomiarów. Odróżniają się od wzorców tym że zawierają pewien mechanizm, przeznaczony do przetwarzania jednej wielkości w drugą, zwiększenia dokładności odczytywania, regulowania wskazań, kompensacji błędów itp. Oparte są na różnych zasadach działania (przyrządy mechaniczne, optyczne, elektryczne ) i mają różny stopień skomplikowania konstrukcyjnego. Ze względu na zakres zastosowania niekiedy określa się przyrządy pomiarowe jako uniwersalne ( np. uniwersalny mikroskop pomiarowy, suwmiarka, mikrometr ) bądź też jako specjalne - o węższym, specyficznym przeznaczeniu ( np. suwmiarka modułowa do kół zębatych, mikrometr do pomiaru grubości blachy, mikroskop do pomiaru małych otworów, kątomierz narzędziowy ).

8 Zależnie od charakteru dostarczanego zbioru wskazań można rozróżnić przyrządy pomiarowe analogowe, gdzie wartość wielkości mierzonej odczytuje się na skali przyrządu według położenia wskazówki ( lub podnoszonego wskaźnika umożliwiającego odczyt wskazania ), bądź też rzadziej jako zmianę długości ( prostolinijnej podziałki skali ). Ostatnio coraz szersze zastosowanie znajdują przyrządy z odczytem cyfrowym. Wyniki pomiarów tymi przyrządami, przedstawione w postaci liczb gotowych do zapisu czy przeliczeń tworzą zbiór dyskretny.

9 Wzorce miary. Wzorce miary są to narzędzia pomiarowe określające jedną lub kilka wartości wielkości mierzonej. Należą do nich : wzorce kreskowe, wzorce końcowe, wzorce kątów. Podstawowym wzorcem kreskowym jest przymiar (rys. ). Ma on postać pręta lub taśmy, na której znajduje się podziałka. Wartość podziałki elementarnej wynosi zwykle 1 mm, a zakres pomiarowy 0-1 m. W przypadku przymiarów wstęgowych zwijanych, stosowanych w warsztatach mechanicznych lub elektrotechnicznych, zakres pomiarowy wynosi 0-2 m lub więcej. rys. Przymiar kreskowy.

10 Wzorcami końcowymi są narzędzia pomiarowe, w których ograniczenia miary stanowią końcowe powierzchnie. Do tej grupy narzędzi należą m. in. szczelinomierze i płytki wzorcowe. rys. Szczelinomierz Szczelinomierz to komplet płytek o zróżnicowanych grubościach, służących do sprawdzania szerokości szczelin i luzów między częściami maszyn i urządzeń. Zakresy pomiarowe szczelinomierzy wynoszą zwykle 0,05-1,00 mm.

11 Płytki wzorcowe (rys.) są wykonane ze stali hartowanej w postaci prostopadłościanów, których dwie ściany przeciwległe są dokładnie szlifowane i następnie docierane. Te dwie płaszczyzny powinny być równoległe względem siebie i ponadto oddalone o ściśle określoną odległość, stanowiącą wymiar nominalny płytki. Gładkość i płaskość powierzchni pomiarowych jest tak wielka, że dwie płytki wzorcowe podczas równoległego przesuwania się po powierzchniach pomiarowych przywierają do siebie. W taki sposób tworzy się wymiar sumie grubości płytek przywartych do siebie w stosie rys. Płytki wzorcowe

12 Długość Przymiar liniowy Ekierka

13 Suwmiarka jest jednym z podstawowych warsztatowych narzędzi pomiarowych służącym do szybkiego pomiaru wytwarzanych elementów. Zakresy pomiarowe suwmiarek obejmują przedział od 150 mm (standardowo) do nawet 3000 mm. Zasadniczymi częściami konstrukcyjnymi suwmiarek są: prowadnica i przesuwny suwak (stąd nazwa suwmiarka), powierzchnie pomiarowe (szczęki, wysuwka głębokościomierza) oraz urządzenie odczytowe. W zależności rodzaju urządzenia odczytowego rozróżnia się: suwmiarki analogowe z podziałką kreskową na prowadnicy i suwmiarki analogowe z podziałk kreskow na prowadnicy i noniuszem na suwaku

14 suwmiarki czujnikowe z listwą zębatą na prowadnicy i czujnikiem zegarowym suwmiarki cyfrowe z naklejonym na prowadnicy liniałem pojemnościowym i elektronicznym wskaźnikiem cyfrowym.

15 Suwmiarki w zależności od kształtu powierzchni pomiarowych używane są do pomiaru wymiarów zewnętrznych, wewnętrznych i mieszanych (wysokość, głębokość, rozstaw itp.) Produkuje się także suwmiarki: specjalne, np. do kanałków wewnętrznych i zewnętrznych oraz do pomiaru grubości zębów kół zębatych tzw. suwmiarki modułowe.

16 Mikrometr (zwany także mikromierzem, dla odróżnienia od mikrometra, jako jednostki miary) - przyrząd pomiarowy służący do mierzenia przedmiotów z rozdzielczością rzędu 0,01 mm (z interpolacją "na oko" do 1 µm). Zasadniczą częścią mikrometru jest precyzyjnie wykonana śruba mikrometryczna o skoku 0,5 mm (rzadziej 1 mm) i zakresie 25 mm (czasem 50 mm). Mikrometr do pomiarów zewnętrznych o zakresie mm: 1 - kabłąk, 2- kowadełko, 3 - wrzeciono, 4 - zacisk, 5 - tuleja, 6 - bęben, 7 - sprzęgło cierne.

17 Rodzaje mikrometrów: do pomiarów zewnętrznych do grubości ścianek rur do pomiaru głębokości do pomiaru grubości drutu do pomiaru narzędzi trójostrzowych

18 Rodzaje mikrometrów: do pomiaru kół zębatych do trójpunktowego pomiaru otworów do pomiaru dwupunktowego dużych otworów do dwupunktowego pomiaru otworów do wbudowania w urządzenie

19 Czujnik zegarowy urządzenie pomiarowe, na którego podzielni znajduje się podziałka rozmieszczona na okręgu, tak jak w tradycyjnym zegarku. Czujniki zegarowe wyposażone są najczęściej w przekładnię zębatą a ich wskazówka wykonuje kilka obrotów w całym zakresie pomiarowym. Najczęściej spotykane są znormalizowane czujniki zębate zegarowe wykonane według normy DIN czy PN. Obwód podzielni takiego czujnika jest podzielony na 100 równych części, z których każda odpowiada przesunięciu się końcówki pomiarowej o 0,01 mm. Wartość działki elementarnej wynosi 0,01 mm, natomiast zakres pomiarowy 0 10 mm. Dopuszczalne błędy zawierają się od 0,5 działki w zakresie ±10 działek do 2 działek w całym zakresie.

20 Długościomierz Abbego przyrząd laboratoryjny, służący do dokładnych pomiarów długości w jednej osi, spełniający postulat Abbego (mierzona długość i mierzący ją wzorzec muszą leżeć na jednej prostej). Pozwala mierzyć wymiary zewnętrzne elementów i wymiary wewnętrzne (tylko długościomierz poziomy). Klasyczne długościomierze wyposażone były we wzorzec kreskowy o długości 100 mm i działce elementarnej 1 mm oraz interpolator ze spiralą Archimedesa zwiększający tysiąckrotnie dokładność odczytania. Typowe parametry obecnie produkowanych długościomierzy: System pomiarowy wzorzec inkrementalny długości 100 mm i rozdzielczości 0,1 µm Zakres pomiarowy: mm (poziomy), mm (pionowy) Błąd graniczny:±0,4 µm dla całego zakresu pomiarowego, ± 0,3 µm dla zakresu ± 0,1 mm Nacisk pomiarowy : 0,5 2,5 N

21 Mikrokator czujnik sprężynowy, czujnik pomiarowy długości z przetwornikiem sprężynowym. Wynaleziony przez H. Abramsona w firmie CE Johansson, opatentowany w Szwecji nr patentu 82522, Czujniki sprężynowe są najdokładniejszymi czujnikami mechanicznymi o przełożeniu osiągającym nawet W zależności od konstrukcji czujnika, kąt obrotu wskazówki zawiera się od 90 do 300. Podzielnia może mieć od 60 do 200 działek elementarnych o wartościach z przedziału od 0,02 µm do 10 µm.

22 Mikroskop pomiarowy mikroskop optyczny przeznaczony do bezdotykowych pomiarów (o dużej dokładności) długości w układzie współrzędnych prostokątnych lub biegunowych oraz kątów. Mikroskopy pomiarowe wykorzystywane są najczęściej w laboratoriach pomiarowych i w przemyśle maszynowym (izba pomiarowa, narzędziownia). W zależności od konstrukcji wyróżnia się następujące typy m. p.: warsztatowy mały mikroskop warsztatowy (pole pomiarowe mm) duży mikroskop warsztatowy (pole pomiarowe mm) Mierzony przedmiot umieszcza się na obrotowym stoliku, który jest przesuwany śrubami mikrometrycznymi w dwu wzajemnie prostopadłych kierunkach. Położenie stolika jest odczytywane za pomocą bębnów mikrometrycznych z działką elementarną 0,01 mm. Do rozszerzenia zakresu pomiarowego (poza zakres przesuwu śruby typowo 25 mm) wykorzystywane są płytki wzorcowe wkładane między nieruchomą płytkę oporową a zderzak sań.

23 Współrzędnościowa maszyna pomiarowa (WMP) (ang: CMM coordinate measuring machine) rodzaj maszyny pomiarowej umożliwiającej pomiary przestrzenne skomplikowanych elementów. Wyposażona jest w trzy systemy pomiarowe do pomiaru w trzech osiach współrzędnych XYZ oraz sondę do lokalizacji położenia powierzchni elementu. Najczęściej dzięki napędom i komputerowi z dedykowanym oprogramowaniem umożliwia pomiary w trybie automatycznym zwanym CNC (Computerized Numerical Control). Pomiary maszyną współrzędnościową charakteryzują się bardzo dużą dokładnością i obiektywnością. Jedną z zalet tej techniki pomiarowej jest wykonywanie pomiarów różnych przedmiotów o skomplikowanych kształtach, których nie można zmierzyć za pomocą podstawowych przyrządów warsztatowych.

24 Odległość Dalmierz (odległościomierz) - przyrząd służący do pomiaru odległości bez potrzeby jej przebywania. Dalmierz laserowy (ang. laser target marker LTM lub laser rangefinder LRF) urządzenie do określania odległości od nieprzezroczystego obiektu przy pomocy promienia lasera (zwykle podczerwonego). Dalmierze używane są w wojsku i przez policje, w sporcie (w golfie, do strzeleń długodystansowych i przez myśliwych), oraz w budownictwie i budowlanych pracach wykończeniowych.

25 Polski Odległość drogomierz urządzenie służące do pomiaru odległości pokonanej przez jakiś obiekt. Ze względu na formę wyświetlania pomiaru drogomierz może mieć formę analogową (mechaniczną) lub elektroniczną.