Принцип работы штангенциркуляСреди прочих представителей ручного измерительного инструмента штангенциркуль отличается такими качествами, как универсальность и широкий диапазон измеряемых величин, простота в использовании, высокая точность измерений. Пользователями штангенциркуля являются представители многих профессий — токари и фрезеровщики, слесари и столяры, мастера и техники, конструкторы, технологи, контролеры и другие.

Из истории инструмента

Историю этого инструмента показательно рассматривать в контексте истории металлообработки и одного из направлений ее развития — токарного дела. Исторический период 15−18 веков характеризуется чередой научных открытий и практическим внедрением этих открытий во всех отраслях экономики этого периода.

Применение математического подхода в астрономии расширило горизонты морской навигации, эпоха Великих географических открытий подняла на новый уровень объем торговли и промышленного производства. Мелкотоварное производство уступило место мануфактурному, а промышленная революция 18−19 веков окончательно установила переход к массовому применению машин и индустриализации.

Хронология событий

Для наглядности можно представить хронологию этих событий, включающую ключевые точки появления штангенциркуля:

  • Начало XVI века — токарные станки применяются в основном для обработки дерева, кости и мягких металлов. Привод, хотя и усовершенствованный с древних времен, по-прежнему ручной или ножной, так же, как и резец, остается в руках мастера. Вехой можно считать появление стального центра и люнета для крепления заготовки.
  • К этому же периоду относится имеющая прямое отношение к штангенциркулю попытка португальского математика Педро Нуньеша создать прибор для точного измерения углов с помощью набора деленных на равные части концентрических окружностей. Целью являлась не металлообработка, а насущные проблемы навигации. До изготовления и практического применения прибора дело не дошло, но направление мысли не осталось незамеченным.
  • История штангенциркуляК середине XVI века токарные станки оснастили механическим приводом от водяного колеса, что позволило приступить к обработке резанием стали. В это время в мастерских появились первые образцы современного штангенциркуля — деревянные линейки с передвижными измерительными губками и нанесенной шкалой для прямого измерения. Вернувшись к Микеланджело, отметим, что именно циркуль явился прообразом штангенциркуля — замеры деталей выполнялись ножками циркуля, а величину определяли по линейке. Очевидно, нашелся мастер, упростивший эту процедуру, совместив оба инструмента в одном и сократив измерение до одной операции.
  • В 1631 году математик из Бургундии Пьер Верньер закончил начатое Нуньешем дело, доработав его мысль и адаптировав ее технически в квадранте для измерения угловых величин. Созданная им дополнительная измерительная шкала тут же широко шагнула во многие направления измерений, получив при этом названия в честь обоих ученых — «нониус» или «верньер». При этом в металлообработке в основном используют понятие нониус, верньер более распространен в приборной и радиотехнической отрасли.
  • Результатом постоянного совершенствования на отрезке более ста лет стало оснащение к началу XVIII века токарного станка суппортом для жесткого крепления резца, механизмами продольной и поперечной подачи. Токаря уже имели в своем распоряжении мерительный инструмент с нониусной шкалой, позволяющей обеспечить соответствующее качество изготовления.
  • К концу XVIII века появился на свет универсальный токарный станок, принцип устройства и работы которого мало в чем изменился по сегодняшний день. С этим периодом связано и появление понятий стандартизации и унификации продукции и мерительного инструмента, единой системы измерения.
Читайте также:  Самодельный лазерный гравер на базе программатора Ардуино

Происхождение названия

К истории штангенциркуля можно добавить немного интересной информации о его названии.

В русском языке за инструментом по каким-то причинам закрепилось название с немецкими корнями — «штанга» и «циркуль». Обиходным среди специалистов для образца ШЦ-I является термин «колумбик», прижившийся с советских времен по имени компании «Колумбус», массово поставлявшей измерительную технику в нашу страну.

В Германии под названием Stangenzirkel используют инструмент, более соответствующий переводу — разметочный штанговый циркуль. Аналоги российского штангенциркуля выпускаются под названием Messchieber — раздвижной измеритель или Schieblehre — измерительная линейка.

Во многих языках название инструмента является производным от слова «калибр», что подчеркивает высокую точность измерения. В качестве примера можно привести английский calliper, испанский calibrador, итальянский calibro a corsoio (калибр кулисного камня — элемента шатунного механизма). Английский штангенциркуль имеет еще одно название — trammel, переводимый также как препятствие, трал или невод.

Простота и надежность штангенциркуля

Прежде чем приступить к подробному рассмотрению устройства штангенциркуля и работе с ним, следует отметить несколько важных и общих для различных видов измерительного инструмента требований. Это поможет более точно определить место и область использования штангенциркуля в системе измерений:

  • Надежность штангенциркуляПогрешность измерительного инструмента составляет примерно половину цены деления его шкалы.
  • Допуск на измеряемую величину определяет выбор измерительного инструмента.
  • Наибольшая цена деления измерительного инструмента должна быть примерно в 3 раза меньше допуска.

Стандартными для наиболее распространенных типов инструмента ШЦ-I и ШЦ-II установлены цены деления 0,1 и 0,05 мм. Следовательно, если изготовление детали включает контрольную операцию, этими штангенциркулями можно контролировать размеры с допуском не менее 0,3 и 0,15 мм соответственно.

Устройство и виды

Инструмент состоит из следующих основных частей:

  • Штанга с односторонними или двусторонними губками и нанесенной основной шкалой с ценой деления 1 мм. Обе конструкции предназначены для измерения и наружных, и внутренних размеров деталей. Губки, как правило, изготовлены из твердосплавного материала.
  • Передвигаемая по штанге каретка с ответным губками и нониусной шкалой. К каретке может быть прикреплен стержень глубиномера.
Читайте также:  Лазерный измеритель расстояния: устройство и принцип работы

Наиболее распространенными являются штангенциркули типа ШЦ-I и ШЦ-II с интервалом измерений 0−150 и 0−250 мм соответственно. Модель ШЦ-III предназначена для измерения деталей с размерами до 500 мм, вылет губок составляет до 300 мм. По типу снятия показаний различают механические, индикаторные и цифровые штангенциркули.

Шкала штанги позволяет определить целую часть измеряемого размера. Измерение дробной части и ее точность определяется наличием и ценой деления нониусной шкалы.

Принцип определения основан на простых математических и геометрических правилах кратности и пропорциональности. Как правильно пользоваться штангенциркулем, можно рассмотреть на примере образца с классом точности 0,05 мм.

Работа со шкалой

Нулевому размеру соответствуют совмещенные деления 0 обеих шкал. Значению 10 нониусной шкалы соответствует значение 39 основной шкалы, при этом она включает в себя 20 делений.

Деление 10 нониуса соответствует значению 39 основной, можно сказать, что она смещена влево на 1,00 мм от деления 40. По правилам геометрической пропорции риска 9,5 нониуса смещена на 0,95 мм от риски 38, далее соответственно и пропорционально: риска 9,0 — на 0,90 мм от риски 36, средняя риска 5,0 нониуса сдвинута влево 0,5 мм от риски 20, и, наконец, деление 0,5 сдвинуто влево на 0,05 мм от деления 2.

Работа со шкалой штангенциркуля

При сдвиге каретки вправо в диапазоне от 0 до 1 мм на долю 0,05 мм риски обеих шкал будут последовательно совмещаться: если зазор между губками 0,05 мм — риска 0,05 совпадает с риской 2 мм, зазор 0,10 мм — 1,00 нониуса совмещается с риской 4 мм основной, зазор 1,00 мм — 10 нониуса совмещается с риской 40.

Например, нужно измерить несколько проволочек диаметром до 1 мм. Диаметр проволоки 0,05 мм, если деление 0,05 нониуса наиболее точно совпало с одним из делений основной шкалы. Если риски 0 и 10 нониусной шкалы точно совпали с рисками основной шкалы — проволока имеет диаметр 1,00 мм.

Техника измерения ничем не отличается для размеров более 1 миллиметра — целая часть размера определяется по основной шкале, к ней добавляется дробная, определенная по описанному способу. Приведем несколько примеров подобных замеров.

Практические примеры

Качество измерения зависит как от индивидуальной квалификации специалиста, так и от способности человеческого глаза оценивать объект измерения. Именно по этой причине класс точности штангенциркулей ограничен делением 0,05 мм — более мелкая нониусная шкала с трудом воспринимается зрением и может привести к ошибке. Хотя бывают и штангенциркули повышенной точности — до 0,02 мм. Основная шкала этого прибора имеет цену деления 0,05 мм.

Читайте также:  Чертежи и сборка ленточной пилы своими руками

Примеры измерений:

  1. Как правильно пользоваться штангенциркулемЗамер наружного диаметра втулки. Целое число делений основной шкалы — 33, совпавшей риской нониуса считаем 0,05. Наружный диаметр втулки 33,05 мм.
  2. Замер внутреннего диаметра втулки. Результат — 27,30 мм.
  3. Проверка осуществляется замером толщины стенки — 2,80 мм. Пересчет по двум первым замерам дает (33,05−27,30)/2=2,90 мм.
  4. Замер высоты втулки губками инструмента — 40,40 мм.
  5. Замер высоты глубиномером — 40,40 мм.

Измерение штангенциркулем

Чем объясняется полученная погрешность 0,05 при замере толщины стенки? Можно назвать три причины:

  • погрешность инструмента;
  • качество изготовления детали. У втулки при отрезке не сняты заусенцы, что привело к недостоверному результату при замере внутреннего диаметра, а результат замера должен заставить токаря исправить это отклонение;
  • третья причина точно сформулирована великим творцом Возрождения Микеланджело: «Циркуль следует иметь в глазу, а не в руке, ибо рука работает, а глаз судит». Глубиномер при замере можно было установить не строго вертикально, полученный замер получился бы недостоверным.

Инструкция инструмента предписывает простые правила, как правильно измерять штангенциркулем — при замере (в том числе глубины) инструмент должен быть установлен строго вдоль или перпендикулярно оси детали, губки должны быть плотно прижаты к измеряемой поверхности, а каретка зафиксирована винтом.

Для более точных измерений применяются инструменты более высокого класса точности — микрометры и микрометрические нутромеры с винтовой подачей рабочей измерительной головки и круговой шкалой с точностью 0,01 мм.

Как правильно измерять штангенциркулемДоступные всем онлайн-справочники машиностроителя указывают, что установленные выше допуски на размер ±0,3 и ±0,15 мм для валов в диапазоне размеров от 50 до 1000 мм соответствуют квалитетам точности от h8 до h12. По этим квалитетам изготавливают неответственные детали техники и машин — втулки, оси, фланцы, крышки. С помощью штангенциркуля нельзя проточить шейку вала под посадку подшипника с квалитетом к6 и допуском до +0,02 мм.

При изготовлении деталей в пределах 8−12 классов точности применяются и другие модификации и виды штангенциркуля. Штангенглубиномер вместо губок оснащен опорными лапками для установки на края или буртики отверстий. Каретка штангенрейсмаса с установленной чертилкой позволяет использовать его для разметки высотных размеров.

По совокупности своих характеристик штангенциркуль нашел свое место в геральдике и эмблемологии, характеризующих его присутствие на гербах некоторых городов или на эмблемах ведомств и структур как символ технической вооруженности.