کتاب مترولوژی واصول اندازه گيری ابعادی

فهرست مطالب

مقدمه 9
تاريخچه 11
مفاهيم اندازه‌گیری ابعادي 12
تجهیزات اساسي اندازه‌گیری 52
كاليبراسيون تجهیزات اندازه‌گیری 132
تلرانس هاي هندسي 142
تجهیزات اندازه‌گیری OPTIC 190

 

 

 

مقدمه

فرآیند سنجش و اندازه‌گیری از بدو خلقت همواره داراي اهميت و موردتوجه بشر بوده است و بدون فرآیند سنجش و اندازه‌گیری پيشرفت بشر در علوم مختلف نه تنها ناممكن بلكه امري محال بوده است. بشر از حدود 7000 هزار سال قبل از مقادير و استانداردهاي شناخته‌شده‌ای مانند طول اندام‌های بدن (مانند پا، دست، وجب و غيره) در مبادلات تجاري خود استفاده می‌کرده است.

امروزه نيز همه افراد جامعه از كودكان دبستاني، فروشندگان، خانم‌های خانه‌دار، سازندگان و همه حرفه‌های موجود در جامعه بستگي به نوع فعاليت خود از کمیت‌هایی مانند وزن، طول، زمان و … در امور روزمره خود مبادرت به‌اندازه‌گیری اين کمیته‌ای فيزيكي می‌نمایند.

امروزه نيز در مراكز صنعتي، توليدي و خدماتي جهت جلوگيري از ضايعات و ارائه محصولاتي باکیفیت مناسب كه منتج به رضايت مشتري، افزايش بهره‌وری و افزايش صادرات گردند، استفاده از دستگاه‌های اندازه‌گیری دقيق جهت اخذ تصميمات مختلف براي بهبود در طي فرآیند توليد، ضروري به نظر می‌رسد.

ما در این مبحث در خصوص اندازه‌گیری كميت اصلي طول كه شامل اندازه‌گیری طول و زاويه، ابزارهاي اندازه‌گیری، روش‌های اندازه‌گیری، كاليبراسيون و دستگاه‌های اندازه‌گیری دقيق می‌باشد مطالبي را عنوان خواهيم نمود.

 

 

تاريخچه

از حدود 7000 سال پیش، بشر برای اندازه‌گیری از ابعاد بدن استفاده می‌کرده است. اولين استانداردهاي مورد استفاده بشر بر اساس بعضي از اعضاي بدن يك فرد متوسط القامه يا حكام محلي تعريف می‌گردیده است مانند ضخامت انگشت؛ پهناي دست؛ طول وجب دست؛ طول بازو؛ طول پا. يكي از قدیمی‌ترین تمدن‌های بشري مصر باستان می‌باشد مطمئناً آن همه شكوه و جلال و عظمت در مصر بدون استفاده از دستگاه‌های اندازه‌گیری و استانداردهاي ثابت و مشخص امري ناممكن بوده است به‌طوری‌که حدود 4000 سال پيش رامسس دوم؛ كيوبيت (Cubit) كه طول ساعد فرعون بوده را به‌عنوان استاندارد طول بيان كرد (اين استاندارد حدود 46.3 سانتیمتر امروزی بوده است).

بر اساس تحقيقات دانشمندان هر چهار ضلع يكي از اهرام سه‌گانه به طول ft756 با دقت 8 اينچ ساخته شده است و هر چهار ضلع با دقت 3 ثانيه بر هم عمود می‌باشند، كه امر بدون استفاده از ابزارها و فن‌های اندازه‌گیری ناممكن بوده است.

 

نمونه‌های طول استاندارد كيوبت (ارش) مصري

احتمالاً اولین کمیت اندازه‌گیری طول بوده است. بعدها به‌تناسب نیاز، به‌اندازه‌گیری برای دادوستد و… کمیت‌های دیگری مثل جرم، سطح، زمان پرداخته و برای آن وسایلی ساخته شد. استاندارد اولیه اینچ انگلستان معادل طول سه دانه جو خشک بوده است که بغل هم قرارگرفته‌اند.

روند تكامل تهيه، تعريف و استفاده از استانداردهاي اندازه‌گیری در طي صده ها و دهه‌های اخير به شرح ذيل می‌باشد.

850: طول پاي پادشاه آلفرد انگليس به‌عنوان ”فوت“ تعريف گرديد.

1130: هنري اول واحد اندازه‌گیری يارد را كه عبارت بود از فاصله نوك دماغ تا نوك شست را مورد استفاده قرارداد در همان زمان ”اينچ“ به‌عنوان پهناي انگشت شست تعريف گرديد.

1528: جين فرنل فاصله بين شهر پاريس و آمينس در راستاي نصف‌النهار طولي را به‌عنوان مرجع طول معرفي كرد.

1576: واحد اندازه‌گیری فوت عبارت بود از طول متوسط اندازه پا و مورد استفاده قرار گرفت.

1680: گابريل مورتون مرجع طول را نصف‌النهار طولي كه يك دقيقه (از زاويه) را پوشش دهد معرفي نمود.

1790: 10.000.000/1 از ربع نصف‌النهاري كه از پاريس عبور می‌کند به‌عنوان مرجع طول معرفي شد.

1793: به علت مشكلات اندازه‌گیری دقيق نصف‌النهار؛ آقاي لنوي يك گيج بلوك از پلاتين خالص به شكل ميله با مقطع بعلاوه در ابعاد 25 * 05/4 میلی‌متر به‌عنوان متر استاندارد ساخت.

1870: مجمع متر در پاريس؛ متر استاندارد از آلياژ 90% پلاتين و 10% ايريديم ساختند.

1889: اولين مجمع عمومي اوزان و مقیاس‌ها نمونه تعريف شده متر را تائید كردند.

1892: دانشمند آلماني آلبرت مايكلسون طيف نور قرمز كادميم را معرفي نمود.

1927: هفتمين مجمع عمومي اوزان و مقیاس‌ها؛ تعريف جديد متر كه عبارت بود از 13/1.552.164 برابر طول موج طيف قرمز كادميم در اتمسفر را تائید كردند

1960: يازدهمين مجمع عمومي اوزان و مقیاس‌ها: يك متر؛ طولي است معادل 73/1.650.763 برابر طول موج تابش نارنجي مربوط به انتقال بين دو سطح اتم كريپتون 86 در خلا

1983: هفدهمين مجمع عمومي اوزان و مقیاس‌ها: يك متر؛ مسافتي است كه نور ليزر مادون قرمز در خلا در مدت 299.792.458/1 ثانيه می‌پیماید.

 

مفاهيم اندازه‌گیری ابعادي

1- علم اندازه‌گیری

مترولوژی علم اندازه‌گیری است و اندازه‌گیری زبان این علم است.

واژه Metrologie يك كلمه فرانسوي می‌باشد كه از دو واژه يوناني، واژه Metros به معناي اندازه‌گیری و واژه Logos به معناي علم، تشكيل شده است.

واژه Metrology در زبان انگليسي نيز يعني علم اندازه‌گیری.

 

 

مترولوژی یا علم اندازه‌گیری: دانشی است که راجع به‌اندازه‌گیری و کنترل ابعاد و زوایا و کیفیت صنعتی قطعات بحث می‌کند. معمولاً مترولوژی در قالب اندازه‌گیری طول، جرم و زمان می‌باشد.

• اندازه‌گیری (Measurement) چيست؟

اندازه‌گیری ويژگي چيزي را بيان می‌کند. مثل ميزان سنگيني، گرما يا ارتفاع يك جسم، كه اندازه‌گیری به آن ويژگي يك عدد می‌دهد.

براي اندازه‌گیری خصوصيات يك جسم، از ابزارهاي مختلفي مثل خط كش، كرونومتر، ترازو، دماسنج و غيره استفاده می‌شود. يا به‌عبارت‌دیگر اندازه‌گیری را می‌توان بدین‌صورت تعريف كرد كه اندازه‌گیری مقایسه کمیتی است با واحد مقرر قانونی (استاندارد) به‌وسیله ابزار مربوطه مانند اندازه‌گیری يك بعد قطعه با واحد طول يا اندازه‌گیری زاويه با واحد درجه.

 

معمولاً نتيجه اندازه‌گیری دو قسمت دارد:

1- عدد

2- يك واحد اندازه‌گیری

تعاريف مختلفي از اندازه‌گیری به شرح ذيل عنوان می‌گردد.

• اساساً اندازه‌گیری عبارت است از يك فرآیند مقایسه‌ای يك كميت، بين يك استاندارد تعريف شده و يك مقدار مجهول.
• مجموعه فعالیت‌های كه براي كمي كردن يك پديده صورت می‌گیرد.
• اندازه‌گیری مهارتی است که میان نظریه علمی و دنیای واقعی رابطه ایجاد می‌کند.
• اندازه‌گیری هنری است که در حال حاضر تکنولوژی پیشرفته حامی آن است.
• اندازه‌گیری زبان علم است. زبان، گرامر و نگارش دارد. گرامر علم است و آموختنی ولی نگارش هنر است و تجربی (تمرینی). تجربه باعث پیشرفت هنر اندازه‌گیری می‌شود.

• چرا اندازه‌گیری می‌کنیم؟

براي اثبات و توضيح تمام آزمايشات و تجربيات علمي نیاز به‌اندازه‌گیری بر اساس کمیته‌ای فيزيكي می‌باشد. اصولاً بدون اندازه‌گیری کمیته‌ای فيزيكي، پيشرفت هاي امروزي بشر امري غير ممكن بوده است.

همچنين برای ساختن چیزهایی که طراحی‌شده نیاز به‌اندازه‌گیری است. براي ساخت قطعات، مجموعه‌ها، ماشین‌کاری، ساختمان‌سازی، جاده‌سازی و … بايد فرآیند اندازه‌گیری در طي مراحل ساخت و مقايسه با نقشه‌ها و پلان‌ها به‌دقت انجام گيرد.

يكي از مهم‌ترین كاربردهاي دستگاه‌های اندازه‌گیری، در کنترل فرآیند ساخت محصول می‌باشد. غالباً در حين فرآیند ساخت محصولات نياز است جهت تطابق محصول با طرح و استانداردهاي كيفي، كنترل و بازرسي انجام گيرد لذا نقش اندازه‌گیری و ابزارهاي اندازه‌گیری در اين مورد بسيار پررنگ می‌باشد. درنتیجه بدون اندازه‌گیری امکان اینکه بتوان اطلاعات واضحی را بيان و ارائه نمود وجود ندارد. پس با استفاده از این علم می‌توان ارتباط موارد زیر را برقرار نمود:

1- مقدار 2- كميت 3- موقعيت 4- زمان

به‌طورکلی سه دلیل اصلي نیاز به‌اندازه‌گیری به شرح ذيل می‌باشد:

(1) ساختن قطعات و مجموعه‌ها مطابق با نقشه و طرح، خصوصاً در تولید انبوه

(2) کنترل قطعات ساخته شده جهت تطابق با نقشه

(3) جهت آزمايشات و محاسبات علمي

• هدف از انجام اندازه‌گیری در صنعت چيست؟
• جلوگيري از ضايعات
• افزايش بهره‌وری
• جلب رضايت مشتري
• افزايش صادرات
• امكان استفاده از ابزارهاي تحليل كيفيت محصول
• اخذ تصميمات مختلف در طول فرآیند توليد
• آيا فرآیند توليد تحت كنترل می‌باشد يا نه؟

• مطالعات تحليلي

ارقام حاصل از اندازه‌گیری ممكن است براي تعيين اينكه ارتباط و همبستگي بين دو يا چند متغير وجود دارد يا خير مورد استفاده قرار بگيرد. مطالعاتي كه این‌گونه ارتباطات را امکان‌پذیر می‌کند، مطالعات تحليلي می‌نامند. به‌عبارت‌دیگر دلايلي كه در كيفيت و كميت يك فرآیند مؤثرند ارتباط مستقيمي با ميزان آگاهي افراد مرتبط با آن فرآیند دارد كه اين آگاهي به اطلاعات كامل از وضعيت خروجي فرآیند بستگي دارد.

 

فرآیند اندازه‌گیری و تحليل نتايج آن به‌صورت زير می‌باشد.

• اصول و انضباط اندازه‌گیری

• در دستگاه‌های اندازه‌گیری به دلیل خطاهاي سيستماتيك و خطاهاي تصادقي هرگز درستی یک اندازه‌گیری نمیتواند به‌اندازه استاندارد موجود باشد.
• جهت کنترل درستی ابزارهاي اندازه‌گیری لازم است از کالیبراسیون (مقایسه با استاندارد بالاتر) استفاده گردد.
• برای کنترل دقت اندازه‌گیری از قابلیت تکرارپذیری يعني اندازه‌گیری با ابزار ثابت و اپراتور ثابت در شرايط محيطي يكسان استفاده می‌شود.
• کمترین خطای موقعیت دهی زماني رخ می‌دهد كه خط محور مرجع اندازه‌گیری؛ استاندارد اندازه‌گیری (مقياس بندي) و محور دستگاه اندازه‌گیری همگی در یک راستا باشند.

• تفاوت بين اندازه‌گیری و كنترل

در کنترل بررسي و مقايسه ابعاد يك قطعه با اندازه‌های مجاز آن روي نقشه انجام می‌گیرد كه فقط هدف، قضاوت تائید يا رد قطعه مورد اندازه‌گیری است و عددي در اختيار افراد قرار نمی‌گیرد؛ اما در اندازه‌گیری، قطعات را با ابزارهاي مخصوص سنجيده و عدد استخراج می‌گردد و با استفاده از اين داده‌ها و اعداد به‌دست‌آمده می‌توان قطعات را بررسي و تحليل نمود.

2-کمیت‌ها و يكاها:

اولين بار نظريه ساخت دستگاه اندازه‌گیری توسط گوس رياضيدان آلماني در سال 1832 ميلادي ارائه شد. او پيشنهاد كرد يكاهاي پايه به يكديگر وابسته نيستند و ساير يكاها بر اساس يكاهاي پايه و به وسيله معادلات مربوط به کمیت‌هاي فيزيكي بيان می‌شوند. دستگاهي كه گوس ساخت عبارت بود از يكاي طول برحسب میلی‌متر، يكاي جرم برحسب میلی‌گرم و يكاي زمان برحسب ثانيه. البته اين دستگاه‌ها انتشار پيدا نكرد ولي مورد تحسين و استفاده واقع شد. در سال 1860 دستگاه استاندارد بین‌المللی (SI) منتشر شد كه در اكتبر همين سال در پاريس هفت يكاي اندازه‌گیری را دستگاه بین‌المللی يكاها ناميدند كه به اختصار به يكاهاي SI معروف شدند. اين يكاها عبارت‌اند از: يكاي طول (متر)، يكاي جرم (كيلوگرم)، يكاي زمان (ثانيه)، يكاي جريان الكتريكي (آمپر)، يكاي دماي ترموديناميكي (كلوين)، يكاي شدت روشنايي (كاندلا) و يكاي اندازه‌گیری ماده (مول)

به‌عبارت‌دیگر سيستم SI عبارت است از سيستمي بین‌المللی كه همه کمیت‌ها در آن داراي واحد مشخص و ثابتي هستند.

• يكاي پايه:Base unit

• در دستگاه‌های بین‌المللی SI: واحد طول، جرم و زمان به ترتیب متر، کیلوگرم و s ثانیه.

در دستگاه انگليسي: واحد طول، جرم و زمان به ترتیب فوت، پوند و s ثانیه.

• كميت اندازه‌گیری Quantity

• كميت اندازه‌گیری عبارت است از خصيصه ذاتي يك پديده، جسم يا ماده كه بتوان به‌طور كيفي تشخيص داد و به‌طور كمي تعيين كرد.
• مثال: طول، زمان، جرم، دما، مقاومت الكتريكي، مقدار غلظت ماده

اگر خواسته باشيم كميت را به‌طور واضح‌تر بيان نماييم هر جسم قابل‌اندازه‌گیری را كميت گويند. كميت اساس فيزيك را تشكيل می‌دهد و اگر نتوانيم كميتي را اندازه بگيريم از آن جسم، چيز معناداری نمي‌دانيم.

 

كميت طول شامل کمیته‌ای اصلي و فرعي می‌باشند كه عبارت‌اند از:

كميت اصلي:

کمیت‌هاي اصلي عبارت‌اند از: 1- جرم (برحسب كيلوگرم) 2- طول (برحسب متر) 3- زمان (برحسب ثانيه) 4- دما (برحسب كلوين) 5- شدت‌ جریان الكتريكي (برحسب آمپر) 6- شدت نور (برحسب كاندلا) 7- مقدار ماده (برحسب مول)