Mikrometarski zavrtanj

Mikrometarski zavrtanj

Mikrometarski zavrtanj, često samo mikrometar, je mjerni instrument kod koga je tačnost izmjerene vrijednosti do jedan mikrometar. Mikrometarski zavrtanj se široko koristi za precizno merenje komponenti u mašinstvu i mašinskoj obradi kao i većini mašinskih zanata, zajedno sa drugim metrološkim instrumentima kao što su brojčanik, nonius i digitalna merila. Mikrometri su obično, ali ne uvek, u obliku čeljusti (suprotni krajevi spojeni ramom). Slično nonijusu, zavrtanj se satoji od pomičnog i nepomičnog dijela, ali se kod ovog instrumenta pomični dio pomiče zavrtanjem ili odvrtanjem zavrtnja. Mikrometarski zavrtanj je i oko pet puta precizniji od nonijusa. Vreteno je veoma precizno obrađen šraf i predmet koji se meri se postavlja između vretena i nakovnja. Vreteno se pomera okretanjem dugmeta ili naprstka sve dok vreteno i nakovanj lagano ne dodirnu predmet koji se meri.

Mikrometri se takođe koriste u teleskopima ili mikroskopima za merenje prečnika nebeskih tela ili mikroskopskih objekata. Mikrometar koji se koristi sa teleskopom izumeo je oko 1638. godine Vilijam Gaskojn, engleski astronom.

Istorija

Gaskojnov mikrometar prema crtežu Roberta Huka

Reč mikrometar je neoklasična kovanica od grč. μικρός i grč. μέτρον. Prema Merijam-Vebsterovom kolegijatnom rečniku, reč je pozajmljena na engleski iz francuskog, a prvo poznato pojavljivanje u engleskom štivu bilo je 1670. godine Ni metar, ni mikrometar (μm), ni mikrometarski zavrtanj (uređaj) kao što ih mi znamo danas nisu postojali u to vreme. Međutim, ljudi tog vremena su imali veliku potrebu i interesovanje za sposobnošću merenja malih stvari i malih razlika. Reč je bez sumnje skovana u vezi sa ovim poduhvatom, čak i ako se nije posebno odnosila na njen današnji smisao.

Prvi mikrometarski zavrtanj je napravio engleski astronom Vilijam Gaskojn u 17. vijeku, kao unaprijeđeni vid nonijusa. Koristio ga je na teleskopu da bi mjerio ugao između zvijezda i relativnu veličinu nebeskih tijela.

Londonski muzej nauke sadrži eksponat „Krajnji merni instrument Džejmsa Vata sa mikrometarskim zavrtnjem, 1776“ za koji naučni muzej tvrdi da je verovatno prvi napravljeni mikrometar sa zavrtnjem. Ovaj instrument je namenjen za merenje predmeta veoma precizno postavljanjem između dva nakovnja, a zatim napredovanjem jednog pomoću finog mikrometarskog zavrtnja sve dok oba ne budu u kontaktu sa objektom, pri čemu se rastojanje između njih precizno beleži na dva brojčanika. Međutim, kako napominje naučni muzej, postoji mogućnost da ovaj instrument nije bio napravljen oko 1776. godine od strane Vata, već 1876. godine, kada je te godine postavljen na Specijalnu pozajmicu naučnih instrumenata u Južnom Kensingtonu.

Henri Modsli je početkom 19. veka napravio stoni mikrometar koji je među laboratorijskim osobljem u šali dobio nadimak „lord kancelar“, jer je bio konačni sudija o tačnosti merenja i preciznosti u radu firme. Godine 1844, objavljeni su detalji o mikrometru Vitvortove radionice. Ovo je opisano kao da ima jak okvir od livenog gvožđa, čiji su suprotni krajevi bili dva visoko obrađena čelična cilindra, koja su se uzdužno pomerala dejstvom šrafova. Krajevi cilindara na kojima su se sastajali bili su poluloptastog oblika. Jedan šraf je bio opremljen točkom sa stepenom merenja na desethiljaditi deo inča. Njegov cilj je bio da obične mehaničare opremi instrumentom koji, iako je davao vrlo tačne indikacije, ipak nije mogao da bude poremećen grubim rukovanjem u radionici.

Prvi dokumentovani razvoj ručnih mikrometarskih vijčanih čeljusti dao je Žan Loren Palmer iz Pariza 1848; uređaj se stoga često naziva palmer na francuskom, tornillo de Palmer („Palmerov vijak”) na španskom i calibro Palmer („Palmerov kaliper”) na italijanskom. (Ovi jezici takođe koriste mikrometaru srodne reči: micromètre, micrómetro, micrometro.) Mikrometarsku čeljust su uveli na masovno tržište u anglofonskim zemljama Broun & Šarp 1867. godine, što je omogućilo prodor upotrebe instrumenta u prosečnu mašinsku radnju. Broun & Šarp su bili inspirisani sa nekoliko ranijih uređaja, a jedan od njih je bio Palmerov dizajn. Godine 1888, Edvard V. Morli je dodao preciznost mikrometrijskih merenja i dokazao njihovu tačnost u složenoj seriji eksperimenata.

Kultura tačnosti i preciznosti u alatnici, koja je počela sa pionirima zamenljivosti, uključujući Gribovala, Tusarda, Norta, Hola, Vitnija i Kolta, i nastavila se preko lidera kao što su Modslej, Palmer, Vitvort, Braun, Šarp, Prat, Vitni, Leland i drugi, narasla je tokom mašinskog doba i postala važan deo kombinovanja primenjene nauke sa tehnologijom. Počevši od ranog 20. veka, više se nije mogla istinski savladati izrada alata i kalupa, izradu mašinskih alatki ili inženjering bez izvesnog znanja o nauci metrologije, kao i o nauci hemije i fizike (za metalurgiju, kinematiku/dinamiku, i kvalitet).

Delovi instrumenta

Mikrometar se satoji od:

• okvira: Tijelo u obliku slova С koji drži nakovanj i cijev u stalnom odnosu. Izuzetno je tanak da bi se spriječile deformacije, ali i poprilično težak i sa velikom temperaturom topljenja.
• nakovnja: Mali dio prema kome se kreće zavrtanj i koji zajedno s njim drži mjereno tijelo.
• šuplje nepomične cijevi izbaždarene na po 0,5mm
• dijela koji sprečava dalje okretanje nakon postizanja dovoljnog pritiska
• zavrtnja: pomičnog dijela koji zajedno sa nakovnjem stišće mjereno tijelo
• bubnja: dijela koji se pokreće okretanjem ručice i na kome se očitavaju dijelovi od 0,01mm

Mjerenje i očitavanje rezultata mjerenja

Mikrometarski zavrtanj koji je izmjerio 5,78mm (5+0,5+0,25)

Da bi se izmjerila dužina nekog tijela, ono se postavlja između nakovnja i zavrtnja, tako da zavrtanj lagano dodirne tijelo da bi se izbjegle deformacije. Ovaj instrument posjeduje i sigurnosni mehanizam koji sprečava dalje stezanje nakon što zavrtanj ostvari određen pritisak na predmet.

Mjerenje dužina se zasniva na proporcionalnosti između translatornog pomaka i ugla zakretanja zavrtnja. Kad se zavrtanj okreće u matici, njegov pomak se očitava na nepomičnoj skali tako da se prati pomak kraja bubnja.

Metrički sistem

U metričkom sistemu hod zavrtnja, tj. translatorni pomak za puni okret iznosi tačno 0,5 milimetara. Upravo na tolike dijelove je izdijeljena nepomična skala, s tim što su iznad skale označeni puni milimetri. Skala na bubnju je podijeljena i brojno označena na 50 dijelova od po 0,01 milimetar. Mjerena vrijednsot se dobija sabiranjem cijelih dijelova od po 1mm, cijelih dijelova od po 0,5mm i vrijednosti očitane sa bubnja pomnožene sa 0,01mm.

Mjerenje u inčima

Mikrometar sa očitanom dužinom od 0,276 inča (0,275+0,001)

Na nepomičnoj skali izvršena je podjela na četrdeste dijelove inča što iznosi 0,025 inča (1 ÷ 40 = 0,025), pri čemu je brojem označen svaki četvrti dio (0,01 inč). Skala na bubnju je izdijeljena na 25 dijelova što omogućava tačnost pri mjerenju od 0,001 inča (0.025 ÷ 25 = 0,001). Očitavanje se vrši sabiranjem cijelih dijelova od 0,025 inča i broja na bubnju pomnoženog sa 0,001.

Kombinacija za pomičnim mjerilom

Poboljšani mikrometar koji očitava 5,783 milimetara (5,5+0,28+0,003)

Dodavanjem podjele jednog milimetra na 10 dijelova na nepomičnu skalu omogućeno je mjerenje sa tačnošću od 0,001 milimetra. Očitavanje se vrši slično kao kod običnog metričkog mikrometra sa dodavanjem broja dijelova od 0,001 milimetra koji se dobijaju posmatranjem linije podjele na nepomičnoj skali koja se poklopila sa linijom podjele na bubnju i množenjem tog broja sa 0,001.

Očitavanje se slično vrši i pri mjerenju u inčima.

Vrste mikrometara

Osnovna podjela

Mikrometarski zavrtnji za spoljašnja, unutrašnja mjerenja i dubinomjer

Prema načinu mjrenja zavrtnji se dijele na:

• mikrometarski zavrtanj za spoljašnja mjerenja (za mjerenje debljine žice, osovina, spoljašnjeg prečnika valjaka i cijevi)
• mikrometarski zavrtanj za unutrašnja mjerenja (za mjerenje unutrašnjeg prečnika cijevi ili ležaja)
• mikrometarski zavrtanj kao dubinomjer (za mjerenje dubine navoja ili otvora)

Posebni tipovi

Korištenje velikog mikrometra

Svi tipovi mikrometra mogu se kombinovati sa posebnim nakovnjima i osovinama za obavaljanje posebnih vrsta mjerenja. Tako nakovanj može imati oblik navoja, v-bloka ili velikog diska.

• Univerzalni set mikrometara sadrži zamjenjive nakovnje raznih vrsta: ravni, sferni, dugački savitljivi, u obliku diska, sječiva i oštrice noža. Takođe može da ima i mogućnost modifikovanja okvira čime se može koristiti i za unutaršnja i za spoljašnja mjerenja.
• Mikrometri sa oštricom imaju nakovnje sa uskim vrhom (oštricom). Njime se mogu mjeriti dimenzije uskih O-prstenova.
• Mikrometri za navoje zavrtnja ili nitni mikrometri imaju izuzetno tanke nakovnje i omogućavaju mjerenje prečnika navoja zavrtnja.
• Granični mikrometri imaju dva nakovnja i dvije osovine i koriste se kao ugrizni mjerači. Dio koji se mjeri mora proći kroz prvi razmak i zaustaviti se kod drugog razmaka da bi se utvrdilo da zadovoljava postavljene uslove. Razmaci su postavljeni tako da odražavaju raspon tolerancije za dati proizvod.
• Mikrometri za unutašnje prečnike obično imaju tri nakovnja i koriste se za mjerenje unutrašnjih prečnika.
• Cijevni mikrometri imaju cilindrični nakovanj postavljen normalno na osovinu. Koriste se za mjerenje debljine cijevi.
• Mikrometarske klapne su mikrometri koji su stavljaeni na postolje na stolu za glodalicu, strug ili drugu mehaničku alatku umjesto običnih klapni. Pomažu rukovaocu mašinom da precizno postavi mašinu i predmet koji se obrađuje. Takođe se može koristiti za uključivanje isključnika ili graničnih prekidača za zaustavljanje sistema napajanja.
• Loptasti mikrometri imaju sferne nakovnje. Mogu imati jedan ravni i jedan sferni nakovanj i tada se koriste za mjerenje debljine zida cijevi, razmak rupe i ivice i ostala mjerenja gdje se jedan nakovanj mora postaviti na zaobljenu površinu. Prednost nad cijevnim mikrometrima je mogućnost korištenja u druge svrhe, a nedostatak nemogućnost uklapanja u manje cijevi. Loptasti mikrometri sa parom sfernih nakovanja mogu se koristiti kada se na obje strane želi ostvariti samo jedna tačka kontakta. Najčešći primjer upotrebe je mjerenje faznog prečnika navoja.
• Mikrometri za inspekciju se koriste za provjeravanje dimenzija predmeta i imaju preciznost od polovine mikrometra.
• Cifralni mikrometri kod kojih se pri očitavanju dimenzija cifre prevrću.
• Digitalni mikrometri kod kojih se udaljenost digitalno očitava.
• V mikrometri su mikrometri za mjerenje spoljašnjih dimenzija kod kojih je nakovanj u obliku v-bloka. Korisni su za mjerenje prečnika kruga pomoću tri tačke jednako udaljene od njega. Ovo mjerenje najpoznatiju primjenu ima pri mjerenju elemenata glodalice i spiralnih bušilica.

Principi rada

Animacija mikrometra u upotrebi. Predmet koji se meri je u crnoj boji. Merenje je 4,140 ± 0,005 mm.

Mikrometri koriste vijak za pretvaranje malih rastojanja (koja su premale da bi se direktno merila) u velike rotacije vijka koje su dovoljno velike za čitanje sa skale. Tačnost mikrometra proizilazi iz tačnosti oblika navoja koji su u središtu jezgra njegovog dizajna. U nekim slučajevima to je diferencijalni zavrtanj. Osnovni principi rada mikrometra su sledeći:

1. Količina rotacije precizno napravljenog vijka može se direktno i precizno povezati sa određenom dozom aksijalnog kretanja (i obrnuto), kroz konstantu poznatu kao korak vijka. Korak zavrtnja je rastojanje za koje se aksijalno pomera napred sa jednim potpunim zaokretom (360°). (U većini zavoja [tj. u svim zavojima sa jednim početkom], korak i visina se odnose u osnovi na isti koncept.)
2. Sa odgovarajućim korakom i velikim prečnikom zavrtnja, data količina aksijalnog kretanja pojačaće se u rezultirajućem obodnom kretanju.

Na primer, ako je navoj vijka 1 mm, ali je glavni prečnik (ovde spoljni prečnik) 10 mm, tada je obim vijka 10π ili oko 31,4 mm. Zbog toga se osno kretanje od 1 mm pojačava (uvećava) do obodnog kretanja od 31,4 mm. Ovo pojačanje omogućava da mala razlika u veličini dva slična izmerena predmeta stoji u korelaciji sa većom razlikom u položaju naprstka mikrometra. U nekim mikrometrima se postiže još veća preciznost korišćenjem diferencijalnog zavrtnja regulatora za pomeranje naprstka u mnogo manjim koracima nego što bi to dozvoljavao jedan navoj.

U analognim mikrometrima u klasičnom stilu, položaj naprstka se očitava direktno sa oznaka skale na naprstku i rukavu (za nazive delova pogledajte gornji odeljak). Često je uključena skala nonijusa, što omogućava očitavanje položaja do razlomka najmanje oznake skale. U digitalnim mikrometrima, elektronsko očitavanje prikazuje dužinu digitalno na LCD-u na instrumentu. Postoje i verzije sa mehaničkim ciframa, poput stila automobilskih odometara, gde se brojevi „prevrću“.

Kalibracija: testiranje i podešavanje

Nuliranje

Na većini mikrometara, mali ključ se koristi za okretanje čahure u odnosu na cev, tako da se njena nulta linija ponovo pozicionira u odnosu na oznake na naprstku. Obično postoji mala rupa u rukavu za prihvatanje igle ključa. Ova procedura kalibracije će poništiti nultu grešku: problem da mikrometar očitava različitu od nule kada su njegove čeljusti zatvorene.

Testiranje

Standardni mikrometar od jednog inča ima podele očitavanja od 0,001 inča i ocenjenu tačnost od ±0,0001 inča („jedna desetina“, u mašinskom jeziku). I merni instrument i objekat koji se meri treba da budu na sobnoj temperaturi radi preciznog merenja; prljavština, problem sa veštinama operatera i neadekvatna upotreba (ili zloupotreba) instrumenta su glavni izvori grešaka.

Tačnost mikrometara se proverava njihovim korišćenjem za merenje mernih blokova, šipki ili sličnih etalona čije su dužine precizno i tačno poznate. Ako je poznato da je blok merača 0,75000 ± 0,00005 inča („sedamsto pedeset plus ili minus pedeset milionitih delova“, odnosno „sedamsto pedeset hiljaditih plus ili minus pola desetine“), onda bi mikrometar trebalo da ga izmeri kao 0,7500 inča. Ako mikrometar meri 0,7503 inča, onda je van kalibracije. Čistoća i nizak (ali konzistentan) obrtni moment su posebno važni pri kalibraciji svakog desetog (to jest, desethiljaditi deo inča) ili stoti deo milimetra se „broji“; svaki je važan. Puka mrlja prljavštine ili samo malo previše stiskanja, zamagljuje istinu o tome da li instrument može ispravno da se očita. Rešenje je jednostavno savesnost čišćenja, strpljenje, dužna pažnja i pažnja i ponovljena merenja (dobra ponovljivost osigurava kalibratoru da njihova tehnika radi ispravno).

Kalibracija obično proverava grešku na 3 do 5 tačaka duž opsega. Samo jedna se može podesiti na nulu. Ako je mikrometar u dobrom stanju, onda su sve toliko blizu nuli da se čini da instrument očitava u suštini „-on” u celom svom opsegu; nikakva primetna greška se ne vidi ni na jednom mestu. Nasuprot tome, na istrošenom mikrometru (ili onom koji je bio loše napravljen od početka), može se „juriti greška gore-dole u opsegu”, to jest, pomerati je gore ili dole na bilo koji od različitih lokaliteta duž opsega, podešavanjem rukava, ali se ne može eliminisati sa svih lokacija odjednom.

Kalibracija takođe može uključiti stanje vrhova (ravnih i paralelnih), ustavljačkog točka i linearnosti skale. Ravnost i paralelizam se obično mere pomoću merača koji se naziva optička ravan, disk od stakla ili plastike sa izuzetnom preciznošću da ima ravne, paralelne površine, što omogućava da se prebroje svetlosni pojasevi kada su nakovanj i vreteno mikrometra naspram njega, otkrivajući njihovu količinu geometrijske netačnosti.

Komercijalne mašinske radnje, posebno one koje obavljaju određene kategorije poslova (vojne ili komercijalno vazduhoplovne, vezane za nuklearnu industriju, medicinske i druge), zahtevaju različite organizacije za standarde (kao što su ISO, ANSI, ASME, ASTM, SAE, AIA, američka vojska i drugi) da kalibrišu mikrometre i druge merače po rasporedu (često godišnje), da prilepe etiketu na svaki merač koji mu daje ID broj i datum isteka kalibracije, da vode evidenciju o svim merilima identifikacionim brojem i da u izveštajima o inspekciji navedu koji je merač korišćen za određeno merenje.

Nije svaka kalibracija stvar za metrološke laboratorije. Mikrometar se može kalibrisati na licu mesta u bilo kom trenutku, barem na najosnovniji i najvažniji način (ako ne i sveobuhvatno), merenjem visokokvalitetnog bloka merača i prilagođavanjem odgovara. Čak i merači koji se kalibrišu godišnje i u okviru njihovog roka trajanja treba na ovaj način proveravati svakih mesec ili dva ako se koriste svakodnevno. Njihova ispravnost će obično biti potvrđena, jer im nije potrebno podešavanje.

Tačnost samih blokova merača može se pratiti kroz lanac poređenja do glavnog standarda kao što je međunarodni prototip merača. Ova metalna poluga, kao i međunarodni prototip kilograma, održava se u kontrolisanim uslovima u sedištu Međunarodnog biroa za tegove i mere u Francuskoj, koji je jedna od glavnih svetskih laboratorija za merenje standarda. Ovi master etaloni imaju regionalne kopije ekstremne tačnosti (čuvaju se u nacionalnim laboratorijama raznih zemalja, kao što je NIST), a metrološka oprema čini lanac poređenja. Pošto je definicija merača sada zasnovana na svetlosnoj talasnoj dužini, međunarodni prototip merača nije baš u istoj meri neophodan kao što je nekada bio. Ali takvi glavni merači su i dalje važni za kalibraciju i sertifikaciju metrološke opreme. Oprema opisana kao "NIST sledljiva" znači da se njeno poređenje sa glavnim meračima, i njihovo poređenje sa drugim, može pratiti unazad kroz lanac dokumentacije do opreme u NIST laboratorijama. Održavanje ovog stepena sledljivosti zahteva određene troškove, zbog čega je oprema koja se može pratiti po NIST-u skuplja od opreme koja nije sledljiva po NIST-u. Međutim aplikacije kojima je potreban najviši stepen kontrole kvaliteta zahtevaju ove troškove.

Podešavanje

Mikrometar koji je podešen na nulu i testiran i za koji se utvrdi da je raštiman može se vratiti na tačnost daljim podešavanjem. Ako greška potiče od delova mikrometra koji su istrošeni u obliku i veličini, tada nije moguće vratiti tačnost na ovaj način; nego je potrebna popravka (brušenje, lepljenje ili zamena delova). Za standardne vrste instrumenata, u praksi je lakše i brže, a često ni skuplje, kupiti novi umesto bavljenja renoviranjem.

Literatura

• Fizika za prvi razred gimnazije. Istočno Sarajevo: Zavod za udžbenike i nastavna sredsta. 2009. 
• Roe, Joseph Wickham (1916), English and American Tool Builders, New Haven, Connecticut: Yale University Press, LCCN 16011753 . Reprinted by McGraw-Hill, New York and London, 1926 (LCCN 27-24075); and by Lindsay Publications, Inc., Bradley, Illinois, (ISBN 978-0-917914-73-7).
• ISO 3611: "Geometrical product specifications (GPS). Dimensional measuring equipment. Micrometers for external measurements. Design and metrological characteristics" (2010)
• BS 870: "Specification for external micrometers" (2008)
• BS 959: "Specification for internal micrometers (including stick micrometers)" (2008)
• BS 6468: "Specification for depth micrometers" (2008)
• Waitelet, Ermand L. (1964). „Micrometer with adjustable barrel sleeve. US 3131482 A”. Google patents. Pristupljeno 26. 8. 2016. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• „Precision Measuring and Gaging”. www.waybuilder.net. Arhivirano iz originala 28. 8. 2016. g. CS1 održavanje: Format datuma (veza)

Spoljašnje veze

• Open Source Physics Micrometer Computer Model Arhivirano na veb-sajtu Wayback Machine (2. april 2015)
• Simulator očitavanja za stoti dio milimetra kod špoljašnjih mikrometara
• Simulator očitavanja za hiljaditi dio milimetra
• Lekcije o mikrometru za profesore i učenike
• Simulator očitavanja za hiljaditi dio inča
• Simulator očitavanja za stoti dio inča
• Quantum Laser Micrometers
• micrometer simulator with zero error. Архивирано на веб-сајту Wayback Machine (2. децембар 2020)
• How to read a micrometer screw gauge
• How its made, micrometer