Штангенциркуль: Устройство, Принцип Нониуса и Точные Измерения

Содержание страницы

1. Анатомия инструмента: Детальный разбор конструкции
2. Классификация и нормативная база
3. Математика нониуса: Как читать показания?
4. Метрология: Природа погрешностей и физика измерений
5. Сравнительный анализ: Какой инструмент выбрать?
6. Преимущества и недостатки
7. Интересные факты о штангенциркуле:
8. FAQ: Ответы на частые вопросы
Заключение

В мире современного машиностроения, где допуски измеряются в микронах, штангенциркуль остается незыблемым символом инженерной мысли. Что это такое? Штангенциркуль — это универсальный измерительный инструмент, предназначенный для высокоточного определения линейных размеров (наружных и внутренних), а также глубин пазов, отверстий и уступов. Свое название он получил от немецкого Stangenzirkel, где «Stange» означает стержень или штангу, а «Zirkel» — циркуль.

История этого инструмента — это история борьбы человечества за точность. Первые деревянные прообразы появились еще в античности, но настоящий прорыв произошел в 1631 году, когда французский математик Пьер Вернье изобрел гениальный способ повышения точности отсчета — вспомогательную шкалу. Интересно, что схожий принцип еще раньше, в 1542 году, описал португалец Педру Нуниш. Именно поэтому в технической литературе шкалу часто называют как «верньером» (в западной традиции), так и «нониусом» (в отечественной школе). Современный вид штангенциркуль приобрел в середине XIX века с началом промышленной революции и появлением прецизионной стали.

Почему это важно сегодня? Несмотря на засилье цифровой электроники, классический механический штангенциркуль является обязательным инструментом в арсенале любого специалиста — от автомеханика до инженера аэрокосмической отрасли. Он не требует батареек, устойчив к электромагнитным помехам, воде и маслу, и при правильном обращении служит вечно.

1. Анатомия инструмента: Детальный разбор конструкции

Чтобы грамотно пользоваться инструментом, необходимо досконально понимать его устройство. Рассмотрим наиболее массовую модель в отечественной промышленности — ШЦ-1. Это базовая конструкция.

Рис. 1. Устройство штангенциркуля ШЦ-1

На рисунке 1 показан штангенциркуль ШЦ-1 в сборе. Его основой служит жесткая стальная штанга 1, на которую нанесена прецизионная миллиметровая линейка. Это «тело» инструмента, которое должно обладать высокой жесткостью и износостойкостью. Шкала штанги имеет цену деления, как правило, равную 1 мм.

Вдоль штанги перемещается сложный узел — подвижная рамка 3. Она охватывает штангу и должна двигаться плавно, без рывков, но и без люфта. На скошенной грани рамки нанесена ключевая деталь инструмента — вспомогательная шкала-нониус 5. Именно взаимодействие штрихов на штанге и штрихов на нониусе позволяет нам «заглянуть» внутрь миллиметра.

Функциональность инструменту придают губки 2, которые выполнены как единое целое с рамкой и штангой. Они делятся на две группы:

Нижние губки: Имеют плоские рабочие поверхности для охвата детали снаружи. Используются для измерения диаметра валов, толщины листов, ширины брусков.
Верхние губки (кромочные): Имеют заостренную форму и разводятся в стороны. Предназначены для измерения внутренних размеров — диаметров отверстий, ширины пазов.

Для фиксации полученного размера (например, чтобы вытащить инструмент из труднодоступного места и считать показания на свету) предусмотрен винтовой зажим 4. Он стопорит рамку на штанге.

Дополнительной, но крайне полезной функцией, является измерение глубины. К подвижной рамке 3 с тыльной стороны прикреплена узкая длинная планка — линейка глубиномера 6. Она перемещается в специальном пазу внутри штанги и выходит наружу при раздвигании губок.

Рис. 2. Варианты измерений штангенциркулем: внешние размеры, внутренний диаметр, глубина.

2. Классификация и нормативная база

Промышленность не ограничивается одной моделью. Согласно стандарту ГОСТ 166-89 (который обязательно стоит изучить каждому инженеру), выделяют несколько типов штангенинструмента. Выбор конкретного типа зависит от задач, требуемой точности и размеров детали.

Основные типы по ГОСТ 166-89:

ШЦ-1: То, что мы разобрали выше. Двустороннее расположение губок (для наружных/внутренних) + глубиномер. Самый универсальный «цеховой» вариант. Диапазон измерений обычно 0–125 мм или 0–150 мм. Цена деления: 0,1 мм или 0,05 мм.

ШЦ-2: Профессиональный инструмент. Также имеет двусторонние губки, но отличается конструкцией рамки — она снабжена механизмом микрометрической подачи для сверхточной установки размера. Губки часто оснащаются твердосплавными напайками (карбид вольфрама), что позволяет использовать инструмент для разметки по металлу. Цена деления: чаще всего 0,05 мм.

Рис. 3. Штангенциркуль ШЦ-2.

ШЦ-3: Тяжелая артиллерия. Имеет только односторонние губки для наружных и внутренних измерений. Предназначен для больших размеров (до 500 мм, 1000 мм и даже 2000 мм). Цена деления варьируется: 0,1; 0,05; 0,02 мм.

Рис. 4. Штангенциркуль ШЦ-3.

В зависимости от способа отсчета (помимо нониусных) существуют:

ШЦК (Круговой): Индикаторный штангенциркуль с циферблатом. Зубчатая рейка на штанге передает движение на стрелку. Удобен для быстрого считывания, но боится грязи (заедает рейка).

Рис. 5. Штангенциркуль ШЦК (Круговой)

ШЦЦ (Цифровой): Современный стандарт. Оснащен емкостным датчиком и ЖК-дисплеем. Позволяет обнулять показания в любой точке (удобно для относительных измерений) и переключаться между миллиметрами и дюймами.

Рис. 6. Штангенциркуль ШЦЦ (Цифровой)

3. Математика нониуса: Как читать показания?

Переходим к практике. Умение быстро и безошибочно читать шкалу нониуса — навык, отделяющий любителя от профессионала. Нониус 5 (см. Рисунок 7 и Рисунок 3) — это математическая хитрость, воплощенная в металле.

Рис. 7. Отсчет по нониусу (пример: 12,8 мм)

Рис. 8. Принцип совмещения штрихов для 12,8 мм

Теория расчета цены деления

Цена деления нониуса $ c $ рассчитывается по формуле:

c = \frac{a}{n}

Где $ a $ — цена деления основной шкалы (обычно 1 мм), а $ n $ — количество делений на шкале нониуса.

Например, если нониус разделен на 10 частей, то точность инструмента: $ 1 / 10 = 0,1 $ мм. Если на 20 частей, то $ 1 / 20 = 0,05 $ мм.

Пошаговый алгоритм считывания:

Порядок отсчета показаний штангенциркуля по шкалам штанги и нониуса строго регламентирован и состоит из двух этапов сложения:

Читают число целых миллиметров. Для этого находят на шкале штанги штрих, ближайший слева к нулевому штриху нониуса. Это ваше базовое значение.Пример на рис. 2: Нулевой штрих нониуса перешагнул отметку 12 мм на штанге. Запоминаем: 12 мм.
Читают долю миллиметра. Теперь внимание переключается только на шкалу нониуса. Необходимо найти тот единственный штрих на нониусе, который строго совпадает (образует единую вертикальную линию) с любым штрихом на штанге. Запоминают его порядковый номер и умножают этот номер на цену деления инструмента. Это будет искомая доля миллиметра. Пример на рис. 7: Совпадающий штрих нониуса имеет номер 8. Величина отсчета по данному нониусу равна 0,1 мм. Расчет доли: $ 8 \times 0,1 \text{ мм} = 0,8 \text{ мм} $.
Итоговый результат: Складываем целую и дробную части. $L = 12 \text{ мм} + 0,8 \text{ мм} = 12,8 \text{ мм}$

4. Метрология: Природа погрешностей и физика измерений

В инженерном деле не существует понятия «абсолютно точный размер». Любое измерение — это приближение. Понимание природы ошибок делает специалиста грамотным.

Погрешность измерения зависит в значительной мере от величины отсчета и значения измеряемого размера. Практика показывает следующие цифры:

Погрешность измерения штангенциркулем наружных размеров до 500 мм при величине отсчета 0,05 мм будет составлять 0,1 мм (т. е. равна удвоенному значению величины отсчета).
При измерении внутренних размеров тем же штангенциркулем погрешность возрастает и составляет 0,15…0,25 мм для этого же диапазона размеров. Это связано с меньшей жесткостью губок и сложностью позиционирования.
При измерении штангенциркулем с более грубым отсчетом 0,1 мм наружных размеров (до 500 мм), погрешность составляет 0,15…0,25 мм, а для внутренних размеров — 0,2…0,3 мм.

Важное уточнение! Необходимо обратить внимание на то, что выше указаны погрешности процесса измерения (суммарная ошибка оператора, условий и метода), а не инструментальная погрешность самого измерительного средства. Погрешность только самого штангенинструмента в условиях его поверки (в лаборатории), т. е. погрешность, которая нормируется паспортом, будет меньше (обычно не более величины отсчета).

Два главных источника ошибок

Погрешность измерения штангенинструментом возникает в основном от двух причин – это, в первую очередь, субъективная погрешность отсчета, вызванная параллаксом, и конструктивная погрешность от нарушения принципа Аббе.

1. Эффект Параллакса

Параллакс (от греческого слова parallaxis – отклонение) – это видимое изменение относительного положения предметов вследствие перемещения глаза наблюдателя.

Это изменение положения предметов имеет место при отсчете, когда основная шкала (штанга) и шкала нониуса (рамка) расположены не в одной плоскости, а одна над другой. Толщина края нониуса создает «ступеньку». Поэтому совпадение штрихов может казаться по-разному, в зависимости от того, под каким углом наблюдатель производит отсчет.

Как бороться: Смотреть на шкалу строго перпендикулярно. Современные инструменты имеют скошенные грани нониуса, чтобы максимально сблизить шкалы.

2. Принцип Аббе и его нарушение

Эрнст Аббе, основатель компании Carl Zeiss, сформулировал золотое правило метрологии. Принцип Аббе заключается в том, что при измерении размера методом сравнения с мерой погрешность измерения будет минимальной, если линию измерения (деталь) и линию сравнения (шкалу) располагать на одной прямой (последовательно, а не параллельно).

В штангенциркуле не соблюдается принцип Аббе. Это его главный конструктивный недостаток. Шкала расположена на штанге, а измерение происходит между губками, смещенными на расстояние $ H $ от штанги. Линии расположены параллельно. Погрешность возникает из-за того, что при параллельном расположении трудно обеспечить идеальную перпендикулярность измерительных поверхностей.

Влияющие факторы:

Технологический люфт рамки на штанге (необходим для движения).
Непрямолинейность направляющих штанги.
Усилие нажатия руки оператора.

При измерении цилиндрических или сферических деталей, когда контакт происходит у самых кончиков измерительных губок штангенциркуля, усилие поджима создает крутящий момент сил. Этот момент «выбирает» зазор между рамкой и штангой, перекашивая рамку. Этим нарушается перпендикулярность измерительных поверхностей, которая вносит значительную погрешность в результат измерения. Чем длиннее губки, тем сильнее влияние нарушения принципа Аббе.

Температурная погрешность

Нельзя забывать и о физике материалов. Сталь расширяется при нагреве. Формула теплового расширения:

\Delta L = L \cdot \alpha \cdot \Delta T

Где $ \alpha $ — коэффициент линейного расширения стали ($\approx 11,5 \cdot 10^{-6} \text{ 1/}^\circ\text{C}$).

Если вы держите инструмент в теплых руках (+36,6°C), а деталь холодная (+20°C), при измерении больших длин (например, 300 мм) разница температур может дать погрешность, соизмеримую с ценой деления.

5. Сравнительный анализ: Какой инструмент выбрать?

Чтобы понять место штангенциркуля в иерархии инструментов, сравним его с «конкурентами» и различными модификациями.

Характеристика	Штангенциркуль (ШЦ-1)	Микрометр (МК)	Цифровой штангенциркуль (ШЦЦ)
Точность (цена деления)	0,1 / 0,05 мм	0,01 мм	0,01 мм (дискретность)
Соблюдение принципа Аббе	Нет (большая погрешность)	Да (минимальная погрешность)	Нет
Диапазон измерений	Широкий (0–150 мм и более)	Узкий (шаг 25 мм, напр. 0-25, 25-50)	Широкий
Скорость работы	Высокая	Низкая (нужно крутить винт)	Очень высокая
Влияние человеческого фактора	Высокое (отсчет штрихов)	Среднее (есть трещотка усилия)	Низкое (цифры на табло)
Надежность в цеху	Максимальная (неубиваемый)	Высокая	Низкая (боится СОЖ, ударов)

6. Преимущества и недостатки

Преимущества:

Универсальность 3-в-1: Заменяет сразу три инструмента (для наружных, внутренних замеров и глубиномер).
Простота конструкции: Ломаться практически нечему, легко чистится и калибруется.
Стоимость: Механический ШЦ-1 стоит в разы дешевле цифровых аналогов или микрометров.
База измерения: Длинные губки позволяют базироваться на детали, что невозможно сделать линейкой.

Недостатки:

Ограниченная точность: Для квалитетов точности выше 9-го (IT9 и точнее) применение штангенциркуля уже рискованно.
Абразивный износ: При измерении шлифованных вращающихся деталей (что запрещено, но бывает) или абразивных поверхностей губки быстро теряют плоскостность.
Требовательность к зрению: Считывать показания нониуса 0,05 мм при плохом освещении крайне трудно.

7. Интересные факты о штангенциркуле:

1. ИСТОРИЧЕСКАЯ НАХОДКА: Самый древний «штангенциркуль» был найден у берегов Италии на затонувшем греческом корабле (VI век до н.э.). Он был деревянным и использовал клиновидный зажим.
2. СЛЕНГ: В СССР прижилось название «Колумбик». Это связано с тем, что после революции первые партии инструментов закупались у американской фирмы «Columbus». Позже появилось название «Маузер» (от немецкой Mauser), но оно менее распространено.
3. КРИМИНАЛИСТИКА: Штангенциркуль — незаменимый инструмент баллистиков и антропологов. Им измеряют кости черепа для идентификации личности и деформацию пуль.
4. ТВЕРДОСТЬ АЛМАЗА: На измерительные поверхности профессиональных разметочных штангенциркулей напаивают пластины из победита (сплав карбида вольфрама и кобальта), твердость которых близка к алмазу, чтобы чертить по каленой стали.
5. ОШИБКА ДАВЛЕНИЯ: Опыты показывают, что разница в силе прижима губок (3 Ньютона против 10 Ньютонов) может изменить показания на 0,02–0,03 мм, что критично для точной механики.
6. «ХОЛОДНАЯ СВАРКА»: В космосе, в условиях вакуума, обычный стальной штангенциркуль может «склеиться» (эффект диффузии металла). Поэтому для орбитальных работ используют инструменты со специальным покрытием или из титана.
7. СТАНДАРТ КАЧЕСТВА: Проверка на просвет — самый простой тест. При сомкнутых губках качественного инструмента вы не должны видеть просвета, либо он должен быть равномерного синего оттенка (интерференция света).

8. FAQ: Ответы на частые вопросы

1. Как правильно измерять внутренний диаметр отверстия?

Это частая ошибка. Введите верхние губки в отверстие. Раздвиньте их до упора. Обязательно покачайте инструмент в плоскости измерения, чтобы найти максимальный размер (истинный диаметр), а не случайную хорду. Не прилагайте чрезмерных усилий, иначе тонкие губки спружинят и покажут меньше реального.

2. Нужно ли прибавлять что-то к размеру при внутренних измерениях?

Зависит от типа. У ШЦ-1 (ножевидные губки) отсчет идет сразу от нуля. У ШЦ-3 и некоторых ШЦ-2 губки для внутренних измерений имеют цилиндрическую форму и собственную толщину (обычно 10 мм, маркируется на губке). Этот размер нужно прибавлять к показаниям шкалы!

3. Как ухаживать за инструментом, чтобы он служил вечно?

Главное правило: чистота. После работы протрите инструмент ветошью, смоченной в бензине «Галоша», затем нанесите тончайший слой индустриального масла. Храните с разведенными на 1-2 мм губками, чтобы избежать напряжения металла и электрохимической коррозии в точке контакта. Никогда не бросайте его вместе с гаечными ключами.

4. Можно ли подтянуть штангенциркуль, если рамка болтается?

Да, но осторожно. Под рамкой находится пружинная планка или регулировочные винты. Их нужно подтягивать микро-поворотами до тех пор, пока рамка не начнет двигаться с легким, равномерным усилием, но без ощутимого люфта при покачивании. Перетяжка приведет к ускоренному износу штанги.

5. Что такое «поверка» и нужна ли она мне?

Поверка — это официальная процедура подтверждения точности в лаборатории ЦСМ. Для домашнего мастера она не нужна. Достаточно проверить «нуль» (совпадение штрихов при сомкнутых губках) и, если есть возможность, измерить деталь известного размера (например, обойму хорошего подшипника).

Заключение

Штангенциркуль — это не просто кусок железа с делениями. Это квинтэссенция механической точности, доступная каждому. Глубокое понимание принципов его работы, таких как устройство нониуса, влияние параллакса и нарушение принципа Аббе, позволяет инженеру не просто «смотреть на цифры», а осознанно управлять качеством изделий. Даже в эпоху цифровизации навык работы с классическим механическим ШЦ-1 остается базовой грамотностью технического специалиста.

Список нормативной базы и рекомендуемой литературы

ГОСТ 166-89 (ИСО 3599-76). Штангенциркули. Технические условия. — Основной документ, регламентирующий производство и характеристики.
ГОСТ 8.113-85. ГСИ. Штангенциркули. Методика поверки. — Инструкция для метрологов по проверке точности.
РД 50-98-86. Методические указания. Выбор универсальных средств линейных измерений линейных размеров до 500 мм.
Якушев А.И. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения. М.: Машиностроение, 1987.
Марков Н.Н. Метрологическое обеспечение в машиностроении.