Измерительные микроскопы

Измерительные микроскопы представляют собой специализированные оптические приборы, предназначенные для определения линейных и угловых размеров исследуемых объектов с высокой точностью. Эти устройства сочетают возможности визуального наблюдения с прецизионными измерительными системами и широко применяются в машиностроении, электронике, ювелирном деле и других отраслях, где требуется точный контроль геометрических параметров деталей без их разрушения.

Что представляют собой измерительные микроскопы

Микроскоп измерительный представляет собой разновидность оптического инструментария, который позволяет определить линейные и угловые размеры исследуемого объекта. Универсальный измерительный микроскоп предназначен для измерения линейных и угловых размеров деталей в прямоугольных и полярных координатах, включая резьбовые соединения, режущий инструмент, профильные шаблоны, лекала, кулачки, метчики, резьбонарезные гребенки, диаметры отверстий.

«Измерительные микроскопы служат для точного измерения угловых и линейных размеров наблюдаемых объектов». Для оценки размеров в оптическом тракте микроскопа имеется образцовый рисунок со штриховкой или другими знаками с известным проецируемым размером. Универсальные измерительные микроскопы представляют собой приборы преимущественно бесконтактного типа, предназначенные для неразрушающего контроля геометрических параметров поверхностей и форм изделий из металла, пластика, керамики.

Принцип работы с данной техникой основан на бесконтактном измерении параметров и неразрушающего контроля изделий. Они позволяют с высокой точностью определять размеры деталей без необходимости их механического касания, что исключает повреждение поверхности и деформацию объектов контроля. Современные измерительные микроскопы позволяют проводить измерения с невероятно высокой точностью около 5 нанометров по оси Z. Принцип таких систем основан на интерферометрии эталонного луча с известной длиной пути и луча, отраженного от поверхности объекта.

Принцип работы измерительного микроскопа

Оптическая система находится в основании данного прибора, а источник света располагается снаружи микроскопа. По направляющим салазкам двигается предметный столик, в середине которого размещено сквозное отверстие. При помощи определенных микровинтов данный столик может перемещаться как в горизонтальном, так и в вертикальном положении. Конструкция универсального измерительного микроскопа предполагает размещение исследуемого объекта на предметном столе каретки продольного перемещения, а головной микроскоп размещается на каретке поперечного перемещения.

Измерения происходят путем подсчета разности показателей шкал лимбов XY стола либо высокоточных линейных датчиков перемещения стола, который фиксируется перекрестием окуляра в начале измеряемого отрезка и в конце. Если это необходимо, длина отрезка вычисляется по теореме Пифагора. Сами перемещения осуществляются путем вращения двух микровинтов для продольного и поперечного направлений.

Процесс измерения включает следующие этапы:

• установка детали на предметный стол микроскопа;
• юстировка положения объекта относительно системы координат;
• наведение перекрестия окуляра на начальную точку измерения;
• фиксация показаний измерительных шкал;
• перемещение стола до конечной точки измеряемого элемента;
• повторная фиксация показаний шкал;
• вычисление размера как разности показаний;
• при необходимости проведение серии измерений для усреднения результата.

Головной микроскоп оснащен двумя окулярами для контроля линейных и угловых размеров соответственно. Для отсчета перемещения служат стеклянные миллиметровые шкалы продольного и поперечного хода и отсчетные микроскопы со спиральными нониусами. Универсальный измерительный микроскоп оборудован вращающимся столиком для ведения записей результатов измерения. Принцип измерения оптиметром основан на автоколлимационном изображении шкалы от качающегося зеркала.

Конструктивные элементы и устройство измерительных микроскопов

Конструкция измерительного микроскопа представляет собой сложную систему взаимосвязанных элементов, обеспечивающих точное позиционирование и измерение. Основание прибора изготавливается из чугуна или гранита для обеспечения стабильности и виброгашения. На основании закреплены направляющие, по которым перемещаются каретки с предметным столиком и измерительной головкой. Система направляющих выполняется с высокой точностью и обеспечивает плавное перемещение без люфтов и заеданий.

Конструкция универсального измерительного микроскопа включает:

• головной микроскоп на каретке поперечного перемещения для точного позиционирования;
• стеклянные миллиметровые шкалы и нониусы для точного отсчета перемещений;
• двойной окуляр для одновременного контроля линейных и угловых размеров;
• предметный стол с возможностью продольного и поперечного перемещения;
• микровинты грубой и точной подачи для управления перемещениями;
• поворотный столик с круговой шкалой для угловых измерений;
• систему освещения с регулировкой яркости и типа света;
• зажимы и приспособления для фиксации измеряемых деталей.

Предметный столик выполняется из материала с низким коэффициентом теплового расширения для минимизации температурных погрешностей. Стол имеет отверстие в центре для проходящего освещения и систему крепления измеряемых объектов. Микрометрические винты обеспечивают плавное перемещение с высокой точностью позиционирования. Система отсчета может быть механической с нониусными шкалами или цифровой с линейными энкодерами высокого разрешения.

Оптическая система измерительного микроскопа состоит из объектива, окуляра и вспомогательных оптических элементов. Объектив формирует увеличенное изображение объекта, а окуляр дополнительно увеличивает его для наблюдения. В окуляре размещается измерительная сетка с перекрестием или шкалой для точной установки на измеряемые точки. Качество оптических элементов определяет разрешающую способность и точность визирования прибора.

Универсальные измерительные микроскопы

Универсальные измерительные микроскопы представляют собой наиболее распространенный класс оборудования. Они способны выполнять комплексные измерения геометрических параметров деталей как в прямоугольных, так и в полярных координатах. Характерной особенностью таких микроскопов является наличие поворотного столика, позволяющего проводить угловые измерения в диапазоне 0-360 градусов.

«Универсальные измерительные микроскопы отличаются большим диапазоном измерений и повышенной точностью». Вместо микрометрических измерителей они используют миллиметровые шкалы с отсчетными спиральными микроскопами. Тем не менее, принцип и схема работы у всех измерительных микроскопов общие. Универсальные микроскопы широко востребованы в микроэлектронике, судостроении, автомобильной, оптико-механической, авиакосмической промышленности, то есть там, где даже минимальные погрешности недопустимы.

Функциональные возможности универсальных микроскопов:

• измерение линейных размеров в диапазоне до 200 миллиметров;
• определение угловых параметров с точностью до угловых минут;
• контроль резьбовых параметров метчиков и резьбонарезных гребенок;
• измерение диаметров отверстий различных размеров;
• проверка профилей кулачков и шаблонов;
• контроль геометрии режущего инструмента;
• измерение расстояний между элементами конструкции;
• определение координат точек в прямоугольной системе;
• угловые измерения в полярных координатах.

В комплектацию универсальных измерительных микроскопов Walter Uhl входят наборы разных типов быстросъемных объективов. Это телецентрические объективы, классические микрообъективы для металлографии, а также микрообъективы с увеличенным рабочим расстоянием. Такое оснащение дает возможность проводить исследования очень малых образцов и их элементов. При увеличительной способности аппарата, достигающей 1500 крат, удобно выполнять контроль микроэлементов электронных схем.

Инструментальные микроскопы малого типа

Инструментальные микроскопы делятся на малые ММИ и большие БМИ. Они используют один и тот же принцип работы, но различаются конструктивными особенностями, диапазоном измерений и областью применения. Измерительные инструментальные микроскопы изготовляют трех типов: ММИ — малый инструментальный микроскоп, БМИ — большой инструментальный микроскоп и БИМ — бинокулярный инструментальный микроскоп.

Малые инструментальные микроскопы предназначены для измерения деталей небольших размеров с высокой точностью. Рабочий диапазон таких приборов обычно составляет 25×75 миллиметров по осям X и Y при точности отсчета 0,001-0,005 миллиметра. Компактные размеры и относительно невысокая стоимость делают ММИ доступными для небольших производственных участков и лабораторий. Конструкция малых микроскопов упрощена по сравнению с универсальными моделями, что облегчает их эксплуатацию и обслуживание.

Характеристики малых инструментальных микроскопов:

• компактная конструкция для размещения на рабочем столе;
• диапазон измерений до 75 миллиметров по большей оси;
• точность отсчета 0,001-0,005 миллиметра;
• увеличение оптической системы от 20 до 100 крат;
• простота управления и настройки;
• доступная стоимость оборудования;
• возможность быстрой смены объективов;
• наличие проходящего и отраженного освещения.

Малые инструментальные микроскопы применяются для контроля мелких деталей часовой промышленности, элементов микромеханики, ювелирных изделий и электронных компонентов. Их используют при входном контроле закупаемых комплектующих, проверке качества изготовления собственной продукции и разработке новых изделий. Простота конструкции и управления позволяет быстро обучить персонал работе с прибором без необходимости глубоких знаний метрологии.

Инструментальные микроскопы большого типа

Большие инструментальные микроскопы предназначены для измерения деталей средних размеров и обладают расширенным диапазоном измерений по сравнению с малыми моделями. Рабочая зона БМИ обычно составляет 100×200 миллиметров или больше при сохранении высокой точности отсчета. Конструкция больших микроскопов усилена для обеспечения стабильности при работе с более крупными и тяжелыми деталями. Предметный стол имеет увеличенные размеры и повышенную грузоподъемность.

Большие инструментальные микроскопы часто оснащаются дополнительными приспособлениями для расширения измерительных возможностей. Они оснащены специальными держателями для фрез, резцов и метчиков, что позволяет точно измерять углы заточки, шаг резьбы и другие критические параметры. Центровые приспособления используются для установки валов и цилиндрических деталей. Универсальные зажимы обеспечивают надежную фиксацию изделий сложной формы.

Области применения больших инструментальных микроскопов:

• машиностроение для контроля деталей средних размеров;
• инструментальное производство при проверке режущего инструмента;
• контроль резьбовых соединений различных типов;
• измерение параметров зубчатых колес и шлицевых соединений;
• проверка штампов и пресс-форм;
• контроль шаблонов и лекал;
• измерение элементов гидравлики и пневматики;
• проверка деталей сложной геометрической формы.

Точность больших инструментальных микроскопов соответствует требованиям к контролю ответственных деталей машиностроения. Современные модели БМИ оснащаются цифровыми системами отсчета с выводом данных на дисплей и возможностью подключения к компьютеру. Программное обеспечение позволяет автоматизировать расчет геометрических параметров, формировать протоколы измерений и вести статистический контроль качества продукции.

Методы измерений в измерительной микроскопии

Измерения выполняются двумя методами: проекционным и методом осевого сечения визирным, который основан на использовании измерительных ножей. Проекционный метод заключается в проецировании увеличенного изображения объекта на экран с измерительной шкалой или сеткой. Этот метод удобен для контроля контуров деталей и профилей сложной формы. Проекционное измерение позволяет быстро оценить соответствие изделия эталонному образцу или чертежу.

Метод осевого сечения основан на совмещении измерительных штрихов окуляра с границами измеряемого объекта. «Измерение линейных размеров производится перемещением предметного стола между двумя положениями, при которых выбранные точки объекта совмещаются с перекрестием окуляра». Разность показаний измерительных шкал соответствует измеряемому размеру. Этот метод обеспечивает высокую точность при контроле линейных размеров и расстояний между элементами.

Методики измерений различных параметров:

• линейные размеры определяются перемещением стола между крайними точками;
• диаметры отверстий измеряются по двум взаимно перпендикулярным направлениям;
• углы определяются поворотом столика с отсчетом по круговой шкале;
• шаг резьбы контролируется измерением расстояния между соседними витками;
• радиусы закруглений проверяются методом подбора эталонных радиусных шаблонов;
• расстояния между осями отверстий определяются координатным методом;
• параметры зубчатых колес контролируются специальными приспособлениями;
• профили кулачков измеряются в полярных координатах с поворотным столиком.

Современные цифровые измерительные микроскопы дополняют традиционные методы автоматическими функциями распознавания границ объектов. Система технического зрения анализирует изображение и автоматически определяет положение измеряемых элементов. Программное обеспечение выполняет расчет размеров, допусков и статистических параметров без участия оператора. Автоматизация измерений повышает производительность контроля и исключает субъективные ошибки оператора.

Типы объективов и измерительной оснастки

В комплектацию универсальных измерительных микроскопов входят наборы разных типов быстросъемных объективов. Телецентрические объективы обеспечивают постоянство масштаба изображения по всему полю зрения независимо от расстояния до объекта. Это критически важно для точных линейных измерений деталей с неплоской поверхностью. Классические микрообъективы для металлографии обладают высокой разрешающей способностью и используются для анализа структуры материалов.

Микрообъективы с увеличенным рабочим расстоянием позволяют работать с деталями сложной формы, где требуется увеличенный зазор между объективом и объектом. Такие объективы необходимы при измерении глубоких отверстий, впадин зубчатых колес и других труднодоступных элементов. Сменные объективы различного увеличения обеспечивают гибкость при работе с объектами разного размера и требуемой детализации изображения.

Типы объективов измерительных микроскопов:

• ахроматические объективы для общих измерительных задач;
• апохроматические объективы с повышенной цветокоррекцией;
• планахроматы с плоским полем изображения по всему полю зрения;
• объективы с переменным увеличением для оперативной смены масштаба;
• телецентрические объективы для высокоточных измерений;
• объективы с большим рабочим расстоянием для сложных деталей;
• иммерсионные объективы для максимального разрешения;
• специализированные объективы для конкретных применений.

Измерительная оснастка расширяет возможности микроскопов для контроля специфических параметров деталей. Центровые приспособления используются для установки валов по оси вращения. Призматические опоры фиксируют цилиндрические детали в определенном положении. Делительные головки позволяют проводить измерения с заданным угловым шагом. Специальные державки для режущего инструмента обеспечивают точное позиционирование фрез, резцов и сверл для контроля углов заточки.

Развенчивание мифа о сложности эксплуатации измерительных микроскопов

Распространено мнение, что измерительные микроскопы представляют собой сложные приборы, требующие высокой квалификации оператора и длительного обучения. На практике современные измерительные микроскопы проектируются с учетом эргономики и удобства использования. Базовые операции измерения линейных размеров осваиваются оператором за несколько часов практического обучения. Инструкции по эксплуатации содержат подробные описания процедур настройки и выполнения типовых измерений.

Цифровые системы отсчета значительно упрощают процесс измерения по сравнению с традиционными нониусными шкалами. Оператору не требуется производить сложные расчеты и интерполяцию показаний. Все значения отображаются на дисплее в удобном для восприятия виде. Функции обнуления координат и запоминания опорных точек упрощают выполнение серийных измерений однотипных деталей. Программное обеспечение берет на себя рутинные вычисления и формирование отчетов.

Преимущества современных измерительных микроскопов в эксплуатации:

• интуитивно понятное управление с минимумом органов настройки;
• цифровые дисплеи с четким отображением всех параметров;
• автоматические функции распознавания границ объектов;
• сохранение программ измерений для повторяющихся операций;
• подсказки на экране для выполнения последовательности действий;
• автоматическая компенсация систематических погрешностей;
• функции самодиагностики с индикацией неисправностей;
• возможность дистанционной технической поддержки производителя.

Обслуживание измерительных микроскопов не требует специальных навыков и сводится к периодической очистке оптики, смазке направляющих и проверке юстировки. Производители предоставляют подробные регламенты технического обслуживания с указанием периодичности и порядка выполнения операций. Калибровка микроскопов проводится раз в год с использованием эталонных мер длины. При правильной эксплуатации измерительные микроскопы служат десятилетиями без потери точности и функциональности.

Преимущества измерительных микроскопов

Бесконтактный метод измерения исключает механическое воздействие на объект контроля, что особенно важно для мягких, хрупких или тонкостенных деталей. Отсутствие измерительного усилия предотвращает деформацию изделий и повреждение обработанных поверхностей. Оптическое измерение позволяет контролировать параметры деталей, которые невозможно измерить контактными методами из-за их хрупкости или малых размеров. Неразрушающий характер контроля дает возможность многократно проверять одну и ту же деталь без риска ее повреждения.

«Измерительные микроскопы используются в лабораторной практике, в технике и машиностроении». Универсальность применения проявляется в способности контролировать детали из различных материалов металлов, пластиков, керамики, композитов без необходимости специальной подготовки поверхности. Один прибор заменяет множество специализированных измерительных инструментов и приспособлений. Быстрая смена объективов и оснастки позволяет адаптировать микроскоп под различные измерительные задачи.

Ключевые преимущества измерительных микроскопов:

• высокая точность измерений на уровне единиц микрометров;
• возможность визуального контроля качества поверхности;
• измерение сложных профилей и контуров деталей;
• контроль расположения элементов в координатах;
• универсальность применения для различных типов деталей;
• сохранение целостности измеряемых объектов;
• документирование результатов измерений;
• возможность работы с малогабаритными деталями;
• независимость точности от квалификации оператора при использовании цифровых систем.

На больших столах универсальных микроскопов VMM можно изучать параметры кремниевых пластин, которые применяются в приборостроении и микроэлектронике. Увеличительная способность современных измерительных микроскопов достигает 1500 крат, что позволяет контролировать элементы размером в несколько микрометров. Цифровые системы регистрации изображения дают возможность сохранять результаты измерений в графическом виде для последующего анализа и документирования.

Ограничения и недостатки измерительных микроскопов

Ограниченная глубина резкости оптической системы создает трудности при измерении деталей со значительными перепадами высот. При большом увеличении в фокусе находится тонкий слой объекта, остальная часть изображения остается размытой. Для получения четкого изображения всей детали требуется фокусировка на разных уровнях с последующим совмещением изображений. Измерение глубоких отверстий и полостей затруднено из-за ограниченного рабочего расстояния объективов и необходимости прямой видимости.

Субъективность визуального метода измерения зависит от остроты зрения и навыков оператора при работе с традиционными микроскопами. Точность совмещения перекрестия с измеряемой точкой определяется человеческим фактором и может варьироваться между операторами. Усталость зрения при длительной работе снижает точность визирования и производительность контроля. Современные цифровые системы с автоматическим распознаванием границ частично решают эту проблему.

Недостатки и ограничения измерительных микроскопов:

• ограниченный диапазон измерений размерами предметного стола;
• необходимость стабильных условий окружающей среды;
• чувствительность к вибрациям и температурным колебаниям;
• длительность измерений сложных деталей с множеством элементов;
• требования к квалификации оператора для сложных измерений;
• высокая стоимость универсальных моделей с широкими возможностями;
• необходимость регулярной поверки и калибровки;
• ограничения по контролю блестящих и прозрачных поверхностей;
• сложность автоматизации для серийных измерений без цифровых систем.

Температурные погрешности возникают при отклонении температуры от нормальных условий 20 градусов Цельсия. Различие коэффициентов теплового расширения материалов детали и элементов микроскопа приводит к систематическим ошибкам измерения. Для минимизации температурных влияний измерительные лаборатории оснащаются системами климат-контроля. Время температурной стабилизации деталей перед измерением может составлять несколько часов для крупногабаритных изделий.

Области промышленного применения измерительных микроскопов

Они широко применяются в машиностроении для контроля качества деталей, в электронике для анализа микросхем и печатных плат, а также в медицине, биологии и геммологии для исследования микроструктур и оценки характеристик драгоценных камней. Объектом измерения могут быть как сами детали, так и их компоненты: отверстия, резьба, радиусы закругления. Измерительный микроскоп используется в медицине как оптический прибор, контролирующий точность изготовленных протезов, имплантов, медицинского и хирургического инструментария.

В электронной промышленности измерительные микроскопы незаменимы при контроле переключателей, печатных плат, соединений пайкой. Точность размещения компонентов на платах определяет работоспособность электронных устройств. Контроль качества паяных соединений позволяет выявить дефекты до начала эксплуатации изделия. Анализ микроструктуры полупроводниковых кристаллов и контроль геометрии контактных площадок обеспечивают качество микроэлектронных компонентов.

Отраслевое применение измерительных микроскопов:

• химическая промышленность для контроля продукции из жестких и эластичных пластиков;
• машиностроение при проверке шестерен, резьбы, качества обработки поверхностей;
• металлообработка для контроля штампованных деталей, инструментов;
• часовая промышленность при изготовлении мелких прецизионных деталей;
• ювелирное дело для оценки качества огранки и закрепки камней;
• оптическая промышленность при контроле линз и призм;
• авиакосмическая отрасль для контроля ответственных узлов;
• инструментальное производство при проверке режущего инструмента;
• научные исследования в области материаловедения и физики.

Основные отрасли, где используется металлографический микроскоп, это машиностроительные, металлургические, металлообрабатывающие предприятия. Кроме этого, такой оптический прибор применяется в научно-исследовательских институтах, при геологических и археологических изысканиях, а также в микроэлектронике. Оба вида микроскопов измерительные и металлографические рассчитаны на профессиональное использование. Широкое распространение измерительных микроскопов в промышленности обусловлено их универсальностью, точностью и надежностью.

Критерии выбора измерительного микроскопа

При выборе измерительного микроскопа необходимо определить типы и размеры контролируемых деталей, что влияет на требуемый диапазон измерений и размеры предметного стола. Требуемая точность измерений зависит от допусков контролируемых параметров и должна быть в три-пять раз выше для обеспечения достоверности результатов. Частота и интенсивность использования определяют необходимость выбора между инструментальными и универсальными моделями, а также между механическими и цифровыми системами отсчета.

Условия эксплуатации включают наличие помещения с контролируемой температурой, защиту от вибраций и достаточное освещение рабочего места. Квалификация персонала влияет на выбор сложности прибора и необходимость автоматизированных функций. Бюджет проекта должен учитывать не только стоимость микроскопа, но и затраты на оснастку, обучение персонала и последующее обслуживание. Перспективы расширения номенклатуры контролируемых деталей определяют целесообразность приобретения универсальной модели.

Параметры выбора измерительного микроскопа:

• диапазон измерений по осям X, Y, Z в миллиметрах;
• точность отсчета и погрешность измерений;
• увеличение оптической системы и разрешающая способность;
• тип системы отсчета механическая или цифровая;
• наличие поворотного столика для угловых измерений;
• возможность установки дополнительной оснастки;
• тип освещения проходящее, отраженное или комбинированное;
• габариты прибора и требования к размещению;
• репутация производителя и наличие сервисной поддержки;
• соотношение цены и функциональных возможностей.

Выбор между инструментальным и универсальным микроскопом определяется сложностью измерительных задач и требуемой функциональности. Для рутинного контроля простых линейных размеров достаточно малого инструментального микроскопа. Измерение сложных профилей, резьбовых параметров и угловых размеров требует универсальной модели с расширенными возможностями. Цифровые системы отсчета рекомендуются для повышения производительности и документирования результатов измерений.

Тип микроскопа	Диапазон измерений	Точность отсчета	Основное применение
Малый инструментальный (ММИ)	25×75 мм	0,005 мм	мелкие детали, электроника;
Большой инструментальный (БМИ)	100×200 мм	0,002 мм	режущий инструмент, средние детали;
Универсальный (УИМ)	до 200×300 мм	0,001 мм	сложные измерения, резьбы, углы;
Цифровой измерительный	до 300×400 мм	0,0001 мм	высокоточный контроль, автоматизация.

Список источников

Скворцов Г.Е. Микроскопы. Издательство Машиностроение, 1969;

Мазур О.Ч. Удивительный микроскоп. Занимательная энциклопедия. Издательство Эксмо, 2019;

Райнер К. Микроскоп. Детская энциклопедия Levenhuk. 2018.