Товщиноміри: традиційні та інноваційні засоби

Аналіз метрологічних та функціональних показників найкращих сучасних товщиномірів для твердих та м’яких матеріалів загального та спеціального призначення дасть змогу користувачам обрати оптимальні ЗВТ для конкретних умов використання

Розглянемо найкращі у світі серійні контактні товщиноміри з урахуванням сучасних тенденцій та вимог користувачів, не акцентуючи на електрофізичних товщиномірах та товщиномірах покриттів, оскільки вони мають велику кількість обмежень для промислового використання (потребують щільного очищення вимірюваних поверхонь опісля обробки на верстатах) та суттєво поступаються контактним товщиномірам за метрологічними показниками.

Під терміном «товщиноміри» матимуться на увазі виключно контактні товщиноміри промислового призначення.

Переваги товщиномірів у порівнянні з іншими геометричними вимірювачами:

прості у використанні, при цьому забезпечують низьку собівартістю вимірювань;
швидкі вимірювання у разі використання у серійному виробництві;
дають можливість вимірювання товщин листів на значній відстані від їхньої крайки;
дають можливість використання тільки однією рукою (окрім габаритних та важких товщиномірів);
не потребують ручного натискання безпосередньо у процесі вимірювань та під час зчитування показників.

Загальні метрологічні показники для товщиномірів – діапазон та похибка вимірювань, також важливими є показники глибини вимірювань та площин вимірювальних поверхонь.

Для м’яких матеріалів доволі часто регламентують вимірювальне зусилля та вимірювальний тиск.

За призначенням товщиноміри можна поділити на чотири основні групи:

для вимірювань товщин м’яких деталей загального призначення (площа вимірювальних поверхонь до 3000 кв. мм);
для вимірювань товщин м’яких текстильних пластин (площа вимірювальних поверхонь від 10000 кв. мм);
для вимірювань товщин твердих деталей загального призначення на відстані до 120 мм від крайки;
для вимірювань товщин великих твердих листів на відстані від 200 мм від крайки.

Наразі відсутні міжнародні стандарти (DIN, ISO), які конкретно регламентують метрологічні вимоги до товщиномірів.

Застарілий «радянський» стандарт ГОСТ 11358, що стосувався товщиномірів індикаторних, не здобув затвердження як український ДСТУ, тому в Україні він давно не чинний.

Провідні виробники товщиномірів у світі зазвичай посилаються на власні корпоративні стандарти підприємств-виробників (СПВ).

Види товщиномірів

В усіх наявних товщиномірах використовують індикаторний або штанген-відлік.

Товщиноміри індикаторні конструктивно поділяють на:

скобні;
важільні.

Традиційні товщиноміри зі штанген-відліком виробляються багатьма світовими виробниками ЗВТ як різновид штанген-інструмента і мають ідентичні показники:

діапазон – 0–12 мм;
дискретність – 10 мкм;
тароване зусилля – 2 Н;
похибка – 20 мкм.

Великі інноваційні штанген-товщиноміри для вимірювань габаритних деталей розроблені та з 2022 року виготовляються в Україні. Вони мають:

діапазони – 0–300 мм, 300–600 мм, 600–900 мм;
пневматичні пружини оптимальних вимірювальних зусиль;
можливість вимірювань на відстані до 1000 мм від крайки;
похибки – від 50 мкм.

Найбільш поширені в Україні – скобні товщиноміри індикаторні, що мають жорстку скобу у формі виделки, на кінцях якої розташовані нерухома п’ятка та рухомий стрижень з вимірювальним наконечником.

Два різновиди товщиномірів індикаторних:

з автономним індикатором годинникового типу (можливо знімним), закріпленим у втулку на скобі, при цьому вимірювальний наконечник приєднаний безпосередньо до рухомого стрижня індикатора;
з вбудованим індикатором (безпосередньо у скобу товщиноміра), при цьому зубчаста рейка індикатора механічно приєднана до рухомого стрижня-наконечника товщиноміра.

Скобні товщиноміри з автономним індикатором більш відомі завдяки:

багатоваріантності різних конфігурацій скоб;
різних співвідношень ширини та глибини зіву скоб;
трьох різновидів відлікових пристроїв (аналогових, цифрових та комп’ютерних);
кількох можливих форм аретирів (гачкових, важільних верхніх, важільних нижніх);
різноманітних вимірювальних наконечників (пласких, кулькових, комбінованих).

Скобні товщиноміри з автономними індикаторами практично не обмежені за розмірами та конфігурацією скоб, простіші у виготовленні, оскільки як пристрій тарованого зусилля використовують пружину власного індикатора.

Скобні товщиноміри з вбудованим індикатором зазвичай обмежені за:

конфігураціями та розмірами скоб;
діапазонами вимірювань глибин зіву;
діаметрами вимірювальних наконечників.

Також такі товщиноміри потребують використання окремих пружин як пристрій тарованого зусилля натискання.

Найбільшою мірою переваги скобних товщиномірів із вбудованим індикатором вдалося реалізувати у так званому кишеньковому товщиномірі, який здобув найбільшу всесвітню популярність у цій категорії товщиномірів.

Скобні товщиноміри індикаторні сучасного дизайну – як з автономним, так і з вбудованим індикатором – з’явилися понад сто років тому (з появою індикаторів годинникового типу сучасної конструкції) і виявились доволі вдалими, тому широко використовуються й досі.

Скобні товщиноміри забезпечують значно меншу похибку у порівнянні з аналогічними важільними товщиномірами завдяки жорсткій конструкції скоби та прямолінійному співвісному переміщенню вимірювальних наконечників.

Скобні товщиноміри з автономними індикаторами

Порівняємо вісім типів кращих скобних товщиномірів з автономними індикаторами від чотирьох провідних виробників геометричних ЗВТ у світі (два виробники – з Німеччини, по одному – з Японії та України).

Для кожного із зазначених виробників відібрані по дві сучасні моделі (чотири – для глибинних вимірювань і чотири – для прецизійних вимірювань), які дають достатньо повне уявлення про можливості цієї категорії товщиномірів та потенціал виробників (таблиця 1).

Для вимірювань товщин твердих матеріалів найкращі показники мають такі скобні товщиноміри індикаторні:

найкращу похибку (2,5 мкм) у міліметровому діапазоні забезпечують українські товщиноміри від «МІКРОТЕХ»;
найкращу похибку (3 мкм) у сантиметровому діапазоні забезпечують японські товщиноміри від Mitutoyo;
найкращу похибку (5 мкм) у дюймовому діапазоні забезпечують німецькі товщиноміри від Kaefer;
найбільшу глибину зіву (до 800 мм) мають українські товщиноміри від «МІКРОТЕХ»;
німецька компанія Mahr не регламентує похибки своїх скобних товщиномірів індикаторних.

Важільні товщиноміри

Розглянемо метрологічні можливості важільних товщиномірів, які з’явилися значно пізніше, ніж скобні, тому були практично не відомі в Україні ще 20 років тому.

Оскільки у важільних товщиномірів відсутня важка скоба, вони мають кращі масогабаритні показники у порівнянні зі скобними товщиномірами.

Також важільні товщиноміри прийнятніші у використанні завдяки можливості утримання однією рукою навіть великих важільних товщиномірів, що неможливо для великих скобних товщиномірів.

Поміж виробників важільних товщиномірів індикаторних абсолютну монополію у світі захопила та вже 25 років упевнено втримує вузько спеціалізована на товщиномірах німецька компанія Kroeplin.

Навіть такі провідні світові виробники геометричних ЗВТ, як Mitutoyo (Японія) та Mahr (Німеччина), у своїх каталогах під власними брендами пропонують важільні товщиноміри, вироблені Kroeplin.

Спеціалізована компанія Kroeplin пропонує найбільший асортимент якісних важільних товщиномірів (таблиця 2).

За похибкою вимірювань важільні товщиноміри поступаються скобним товщиномірам у 3,5–5 разів, але це компенсується зручністю їхнього використання.

Очікується подальше стрімке розповсюдження інноваційних важільних товщиномірів, що мають:

покращену механічну конструкцію;
ефективно використовувані вбудовані спеціалізовані мікрокомп’ютери, які дають змогу проводити математичну компенсацію похибки відлікового пристрою та враховувати нелінійність кругового переміщення вимірювальних поверхонь.

Сучасні товщиноміри для вимірювань м’яких матеріалів

Дослідимо товщиноміри з великими площинами вимірювальних поверхонь (від 100 кв. мм до 40 000 кв. мм) для вимірювань товщин м’яких та пружних матеріалів.

У таблиці 3 наведено метрологічні та функціональні показники для чотирьох типів найкращих сучасних товщиномірів для вимірювань м’яких матеріалів:

2 товщиноміри призначені для вимірювань товщин текстильних та аналогічних пластин за міжнародним стандартом ISO 9073, який жорстко регламентує вимоги до вимірювального тиску (0,2 кРа), розмірів вимірювальних поверхонь (200×200 мм) та загального вимірювального зусилля (0,84 Н);
2 товщиноміри для вимірювання товщин м’яких матеріалів загального призначення (з площею вимірювальних поверхонь у діапазоні від 100 кв. мм до 10 000 кв. мм).

Завдяки наявним перевагам частка товщиномірів у складі геометричних вимірювачів найближчим часом має зрости.

Вважаємо, що скоро почнеться масове впровадження інноваційних товщиномірів нового покоління з:

використанням рейкових напрямних та кареток котіння;
математичною компенсацією похибки;
можливістю самокалібрування в умовах виробництва;
адаптацією до системи Industry 4.0;
можливістю роботи у групах ЗВТ;
прямим приєднанням товщиномірів до верстатів.