Метрология. Часть I. Расчет средств измерений

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Южно-Уральский государственный университет Кафедра «Технология обработки материалов»

658.516(07) А953

В.В. Ахлюстина, Э.Р. Логунова

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ

Часть 1

РАСЧЕТ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Учебное пособие

Допущено Учебно-методическим объединением вузов по образованию в области автоматизированного машиностроения (УМО АМ) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», «Автоматизированные технологии и производства»

Челябинск Издательство ЮУрГУ

2005

1

УДК 658.516 (075.8)

Ахлюстина В.В., Логунова Э.Р. Метрология, стандартизация и сертификация. Часть 1. Расчет средств измерений: Учебное пособие. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2005. – 167 с.

В учебном пособии изложен порядок выполнения курсового проекта с указанием методики расчета и выбора посадок, расчета калибров, размерных цепей, методов контроля рабочих размеров деталей и отклонений взаимного расположения поверхностей.

Учебное пособие предназначено для студентов при выполнении курсовых и дипломных проектов по машиностроительным и немашиностроительным специальностям очной и заочной форм обучения.

Ил. 65, табл. 83, список лит. – 7 назв.

Одобрено учебно-методическим советом филиала ЮУрГУ в г. Кыштыме.

Рецензенты: Н.А. Дружинин, А.А. Комаров.

©Издательство ЮУрГУ, 2005.

2

Введение

Учебное пособие содержит теоретический материал основных понятий метрологии стандартизации и сертификации.

Учебное пособие содержит необходимые примеры расчетов посадок, калибров гладких цилиндрических поверхностей, шлицевых и резьбовых соединений. Технический материал учебного пособия имеет целью обеспечить единство расчетов, сократить время для выполнения расчетов и выбора калибров для различных видов соединений.

Таблицы, приведенные в учебном пособии, содержат обширный справочный материал по допускам и отклонениям для всех видов соединений. Приведены схемы контроля отклонений формы и взаимного расположения поверхностей.

Цель учебного пособия – научить пользоваться стандартами, уметь выбрать оптимальные расчетные посадки, а также оптимальную точность размеров при расчете размерных цепей, уметь выбрать методы и средства контроля заданных соединений.

1. Метрология

Метрология – учение о мерах, или точнее, метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Метрология зародилась в глубокой древности, и называли метрологию – учением об измерениях, приводимых к эталонам. Метрология проникает во все науки и дисциплины, имеющие дело с измерениями и является для них единой наукой.

Законодательная метрология – раздел метрологии включающий комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных общих правил, требований и норм, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразие средств измерений.

Основные понятия, которыми оперирует метрология: физическая величина, единица физической величины, средства измерений физической величины, эталон, образцовые средства измерений, рабочие средства измерений, метод измерений, погрешность измерений, метрологическая служба и метрологической обеспечение.

Физическая величина (ФВ) – характеристика одного из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса) общая в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуальная для каждого объекта.

Единица физической величины – физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение равное единице. Единица физической величины – это такое ее значение, которое принимают за основание масштаба для

3

сравнения с ним физических величин того же ряда для их количественной оценки.

Самые древние из единиц относятся к антропометрическим, то есть те, которые отождествлялись с названиями частей человеческого тела. Человек – мера всех вещей (вершок, локть).

Развитие науки и техники, рост международных связей настоятельно требовали единообразия систем единиц в международном масштабе. В России с 1 января 1982 года была введена система измерений (СИ), в которой введено семь основных физических единиц (табл. 1), ГОСТ 8.417-81.

Остальные 27 физических единиц производные. Например, скорость V = S/t, м/с или сила F = mg, Н (ньютон).

Измерение физической величины. Измерения делятся на прямые, косвенные, совокупные, равноточные и неравноточные, статистические, динамические, технические и метрологические.

Прямые измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных по показаниям средств измерений (например, измерение длины с помощью линейки).

Косвенные измерения – когда искомое значение находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, полученными прямимы измерениями (например, объем тела V=abc, a – ширина тела, b – длина тела, c – высота тела).

Совокупные измерения – те, которые получают при одновременном измерении нескольких одноименных величин, при которых искомое значение определенной величины находят решением систем уравнений получаемых при прямых измерениях.

4

Статические измерения – измерения неизменной величины на протяжении времени (например, измерение участка земли).

Динамические измерения – измерения изменяющейся по параметрам физической величины во времени (например, измерение на влагоустойчивость, виброустойчивость).

Технические измерения – измерения ряда физических величин с помощью рабочих средств измерений. Результат измерения любой физической величины можно представить в виде

Xизм Xис X ,

где Xизм – измеренное значение физической величины;

Xис – истинное значение измеряемой величины;

X – абсолютная погрешность измерения.

Метрологические измерения – измерения при помощи эталонов и образцовых средств измерений с целью воспроизведения единиц физических величин для передачи их размера рабочим средствам измерений.

Качество измерений – совокупность свойств измерений обуславливающих соответствие средств измерений, метода измерений и состояние единства измерений требованиям измерительной задачи. Качество измерений характеризуется такими показателями, как точность, правильность и достоверность.

Качество измерений – это конечный результат деятельности метрологической службы по метрологическому обеспечению производства.

Метрологическая надежность – способность средств измерений сохранять его метрологическую исправность в течение заданного времени при определенных режимах и условиях эксплуатации.

В процессе эксплуатации параметры средства измерений претерпевают изменения. Эти изменения носят случайный монотонный или флуктуирующий характер и приводят к отказам, то есть к невозможности средства измерения выполнять свои функции.

Надежность средства измерения (СИ) характеризует его поведение в течение времени и является обобщающим понятием, включающим стабильность, безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.

Стабильность СИ является качественной характеристикой, отражающей неизменность во времени его метрологических характеристик. Она описывается временными зависимостями параметров закона распределения погрешности.

Безотказность СИ – непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени.

Долговечность СИ – сохранять свое работоспособное состояние до наступления предельного состояния (при котором его применение не допустимо).

Ремонтопригодность СИ заключается в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, восстановлению и поддержанию его работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта.

5

Сохраняемость СИ – свойство сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и транспортирования.

Метрологическая экспертиза (МЭ) – анализ и оценивание экспертами метрологами правильности применения требований, правил и норм, связанных с единством и точностью измерений. Она проводится с целью обеспечения эффективности использования контрольно-измерительного оборудования на всех стадиях жизненного цикла продукции и услуг. Различают экспертизу документации (например, технических заданий, конструкторских и технологических документов, документов систем обеспечения качества) и экспертизу различных объектов (например, сложных средств измерений, технологического оборудования).

Метрологическую экспертизу проводят подразделения метрологической службы, разрабатывающие документацию, для установления соответствия показателей точности измерения, правильности выбора контрольноизмерительного оборудования, применение унифицированных и стандартизованных СИ, установление правильности наименований и обозначений физических единиц и их единиц в соответствии с ГОСТ 8.417-81.

Метрологическое обеспечение – комплекс научных и технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений.

Предприятие, соответственно роду выпускаемой продукции, должно иметь в обращении целый ряд измерительных мер и приборов. Метрологическое обеспечение на предприятии может функционировать в системе управления качеством продукции самостоятельно или в составе группы стандартизации.

Главными задачами метрологии являются:

–разработка и руководство внедрением организационно-технических мероприятий по обеспечению единства и правильности измерений;

–внедрение прогрессивных средств, методов измерений и испытаний;

–разработка методик проверки мер и измерительных приборов, разработка предложений по увеличению сроков службы мер и приборов и замене морально устаревших средств измерений наиболее современными измерительными средствами;

–контроль за соблюдением правил пользования мерами и приборами на рабочих местах, в цехах, лабораториях.

1.1. Средства измерений

Средства измерений – технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства. От средств измерений зависит правильное определение значений измеряемых величин в процессе их измерений.

6

К измерительным средствам относятся: меры, калибры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, измерительные установки, измерительные системы.

Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера (гиря – мера массы). Меры подразделяются на однозначные и многозначные. Однозначные меры – плоскопараллельные концевые меры длины – плитки. Многозначные меры – воспроизводящие ряд одноименных физических величин различного размера (линейка с миллиметровыми делениями).

Калибры – средства измерения гладких цилиндрических, резьбовых, шпоночных и шлицевых соединений.

Измерительный прибор – средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем, когда результаты измерений выдаются отчетными устройствами приборов, которые могут быть шкальными, цифровыми, регистрирующими.

Измерительный преобразователь – средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающееся непосредственному восприятию наблюдателем (индуктивный измерительный преобразователь).

Измерительные системы – совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, связанных между собой каналами связи и предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и использования в автоматических системах управления [1].

1.2. Методы измерений

Метод измерения – это совокупность правил и приемов использования средств измерений, позволяющие решить измерительную задачу.

Методы измерения разделяются на прямые и косвенные; контактные и бесконтактные (оптические, пневматические измерения).

Существуют два вида контроля изделий – дифференцированный и комплексный.

Дифференцированный (поэлементный контроль) – характеризуется измере-

нием каждого параметра отдельно (например, контроль собственного средства диаметра, шага, половины угла профиля резьбы).

Комплексный – контроль, который позволяет оценивать годность деталей одновременно по нескольким параметрам (контроль предельными калибрами цилиндрических, резьбовых и других соединений) [2].

Методы измерений делятся на абсолютный и относительный.

7

Абсолютный метод измерений основывается на использовании непосредственной оценки размера при измерении (например, штангенциркулем, гладким микрометром).

Относительный метод – метод сравнения измеряемой величины с ранее известной (например, измерения с использованием индикаторной или рычажной скобы, настройка которых осуществляется по плоскопараллельным концевым мерам на номинальный размер контролируемого параметра).

Решение любой измерительной задачи предполагает выбор метода измерений (включая средство измерений), по целому ряду признаков. При выборе метода измерений необходимо обеспечить точность измерений, минимальные затраты времени и средства на их проведение. При любых измерениях обязательным условием является получение действительного значения физической величины, допустимой погрешности и определение реальной погрешности измерения, которая должна быть меньшей или равна допустимой. Значение допустимой погрешности X выбирают в зависимости от цели измерения.

При измерительном контроле параметра, ограниченного двумя предельными значениями (разность наибольшего и наименьшего значений параметра называется допуском и обозначается Т), допускаемая погрешность измерения не должна превышать 1/5…1/3 допуска.

Выбор средств измерений определяется их техническими возможностями: метрологическими характеристиками и пригодностью средства измерения для контроля, рассматриваемого параметра.

При выборе СИ учитывают совокупность метрологических (цена деления, погрешность, пределы измерений, измерительное усилие), эксплуатационных и экономических показателей, к которым относятся: массовость и доступность их контроля; стоимость и надежность СИ; метод измерения; масса, габаритные размеры, рабочая нагрузка; жесткость объекта контроля, шероховатость его поверхности; режим работы.

Для гарантирования заданной или расчетной относительной погрешности измерения относительная погрешность должна быть на 25%…30%, чем погрешность измерения.

При контроле технологических процессов должны использоваться СИ с ценой деления 1/5 допуска на изготовление.

2. Курсовой проект по метрологии и стандартизации

Студенту выдается задние для выполнения курсового проекта с индивидуальным узлом механизма, для которого, согласно задания, студент должен произвести необходимые расчеты и выполнить графическую часть проекта [7].

Образец задания приводится ниже.

8

Южно-Уральский государственный университет Филиал ЮУрГУ в г. Кыштыме

Кафедра «Технология обработки материалов»

Задание

и построить схемы расположения по наружному и внутреннему диаметрам подшипников

3. Рассчитать и построить схемы расположения полей допусков калибров для деталей 4 – 7 гладкого цилиндрического со-

единения вала и колеса зубчатого

4. Построить схемы расположения полей допусков резьбового 15 – 17

7. Графическая часть курсового проекта:

7.1. Перечертить выданный узел в масштабе. Формат А2

7.1.1.Согласно ЕСКД составить спецификацию и поставить позиции на узле

7.1.2.Назначить и обозначить на чертеже посадки для всех сопрягаемых

размеров.

7.5.Разработать вычертить схемы контроля технических требований к детали

9