Pomiary kątów narzędziami ręcznymi. Część 1 – kątomierze

Dzisiejszy wpis powstał w zasadzie na Waszą prośbę – dostawałem sporo wiadomości z pytaniami kiedy na blogu omówimy pomiary kątów i odchyłek prostopadłości, bo temat ten wydaje się traktowany nieco po macoszemu. Spieszę więc z publikacją wpisu poświęconego właśnie pomiarom kątów. W pierwszej części przyjrzymy się popularnym urządzeniom wskazującym (kątomierzom), w drugiej natomiast kątownikom.

Przyrządy do pomiaru kątów

Zacznijmy od podziału dostępnych warsztatowych narzędzi wykorzystywanych w pomiarach kątów. Na wstępie dodam, że pomijam w tym wpisie narzędzia do pomiaru bardzo małych kątów i odchylenia od poziomu jakimi są poziomnice czy autokolimatory – poświęcimy im osobny artykuł. Daruję sobie też urządzenia wykorzystywane do pomiarów kątów, które zakwalifikować można do kategorii budowlanych, typu cyfrowe kątomierzo-poziomnice i inne wynalazki. Wśród precyzyjnych metod warsztatowych należy z pewnością wymienić także metodę z wykorzystaniem liniału sinusowego, ale to także temat zasługujący na odrębny wpis.

Wyrażanie wartości kąta

Na wstępie rzecz absolutnie podstawowa – w matematyce standardową jednostką miary kąta jest radian. W pomiarach stosujemy głównie miarę stopniową i wyróżniamy trzy główne sposoby podawania wartości kąta:

  • stopnie (°), minuty (‚) i sekundy („) – jeden stopień to 60 minut, a jedna minuta to 60 sekund
  • stopnie, dziesiętne i setne części stopnia
  • tolerowanie geometryczne – odchylenie wyrażone w jednostce długości na odcinku danej długości

Kątomierze wyposażone w odczyt noniuszowy pozwalają na odczyt w minutach. Kątomierze z odczytem elektronicznym zwykle umożliwiają odczyt zarówno w minutach jak i dziesiętnych/ setnych częściach. Wyrażanie kąta poprzez wartość długości na odcinku jest stosowane najczęściej w pomiarach porównawczych z wykorzystaniem kątownika i raczej powinno być definiowane jako odchyłka od prostopadłości. Naturalnie nie ma problemu aby znając długość ramienia zamienić wartość długości na stopnie, jeśli jest taka potrzeba.

Kątomierze uniwersalne

Najpowszechniejszym ręcznym urządzeniem wykorzystywanym w warsztatowych pomiarach kąta jest z pewnością kątomierz uniwersalny. Kątomierze występują w 4 głównych rodzajach jeśli chodzi o odczyt:

  • noniuszowe
  • cyfrowe
  • zegarowe
  • optyczne
kątomierz z odczytem zegarowym
Kątomierz ze wskazaniem zegarowym zapewnia precyzyjniejszy odczyt niż klasyczny noniusz 5′

Dwie ostatnie grupy są na rynku zdecydowanie najmniej rozpowszechnione, a prym wiodą urządzenia z noniuszem. Jednym z powodów jest zapewne postrzeganie urządzeń analogowych jako trwalsze i częste ich wykorzystywanie w warunkach ciężkich. Tu jednak ważna uwaga – chcąc delegować kątomierz do wymagającej pracy wybierzmy urządzenie dobrej marki – chińskie są delikatne i mogą okazać się zabawką na jeden raz. Nagminnie dochodzi w nich do zrywania śrub blokujących ramię czy nawet do oderwania tarczy…

Kątomierz uniwersalny odczyt noniusza 5'
Noniusz o wartości podziałki 5′ to najczęściej spotykany sposób odczytu z kątomierza

Tradycyjnie kątomierz noniuszowy dysponuje działką o wartości 5′, natomiast jego zakres jest określany jako 4 x 90° zamiast 360°, gdyż de facto umożliwia on pomiary w 4 ćwiartkach (co nie oznacza bynajmniej, że nie można mierzyć kątów większych niż 90°). Odczyt zwykle ułatwia lupka, choć nie wszystkie modele są w nią wyposażone. Zasada odczytu z kątomierza noniuszowego jest analogiczna jak w suwmiarce – w pierwszym kroku określamy liczbę pełnych stopni poprzez odnalezienie punktu na skali górnej, przekroczonego przez kreskę „0” na skali dolnej. Następnie odnajdujemy pokrywające się kreski ze skali górnej i dolnej w celu określenia liczby minut.

Na rynku znaleźć możemy kątomierze, które w zestawie mają 1, 2 lub 3 ramiona, a standardowe ich długości to 150/ 200 i 300 mm. Dzięki specjalnemu uchwytowi możemy znacząco rozbudować możliwości pomiarowe kątomierza. Pozwala on na dostęp do trudno dostępnych powierzchni wewnętrznych i zewnętrznych czy choćby na zamocowanie kątomierza na statywie czy wysokościomierzu.

Kątomierze proste (traserskie)

Drugim często stosowanym rodzajem kątomierzy są kątomierze proste, zwane inaczej traserskimi. Są to najtańsze i najprostsze urządzenia, które umożliwiają pomiar w zakresie 10-170° lub 0-180°, zależnie od konstrukcji. Te pierwsze zwykle posiadają regulowaną listwę (ramię), podczas gdy modele o zakresie 180° zazwyczaj dysponują ramieniem stałym. Ten typ kątomierza znajduje zastosowanie przede wszystkim w zgrubnych pomiarach, gdyż przy działce wynoszącej najczęściej 1° i błędzie nieokreślonym w normie (w trakcie wzorcowania błędy zwykle mieszczą się w zakresie +/- 1°), ciężko uznać go za sprzęt do pomiarów precyzyjnych. Nie taka jednak jego rola.

Kątomierz traserski z regulowanym ramieniem umożliwia szybkie pomiary kąta także w warunkach ciężkiej i brudnej produkcji
Kątomierz traserski z regulowanym ramieniem umożliwia szybkie pomiary kąta także w warunkach ciężkiej i brudnej produkcji

Kątomierze tego typu świetnie sprawdzą się za to w trudnych warunkach, zwłaszcza przy spawaniu czy w kontroli między kolejnymi procesami w produkcji. Niezaprzeczalną zaletą jest z pewnością możliwość zakupu modeli o długości ramienia nawet 1000 mm!

Jak dokładnie mierzyć kątomierzem?

Należy zwrócić uwagę, że kątomierze są rzadkim wyjątkiem, dla którego nie znajdziemy dedykowanej normy w asortymencie niemieckich standardów DIN. Spośród międzynarodowych norm najbardziej aktualny jest brytyjski standard BS 1685:2008 Bevel protractors (mechanical
and optical) – Requirements and test methods.

Z drugiej strony warto wskazać, że z uwagi na brak wyraźnych zmian technologicznych równie dobrze można posłużyć się dziennikiem Głównego Urzędu Miar nr 23/95 pozycje 126 i 127.

Oba dokumenty podają dopuszczalny błąd wskazań na poziomie 5′. Wartość ta będzie dla nas zatem punktem odniesienia do określenia najciaśniejszych tolerancji, jakie możemy bezpiecznie mierzyć kątomierzem. Zastosowanie zasady 10% tolerancji pozwala nam szybko stwierdzić, że kątomierz o tej wartości błędu może być bezpiecznie stosowany do pomiaru wymiarów kątowych tolerowanych +/- 50′, a więc prawie +/-1°.

pomiary kątów kątomierzem cyfrowym
Cyfrowe kątomierze oferują czasem kosmicznie dobrą rozdzielczość, ale błąd wskazania pozostaje na poziomie 5’…
… chociaż np. model oferowany przez MITUTOYO legitymuje się katalogowo dopuszczalnym błędem +/- 2′

Na dokładność pomiaru kątomierzem uniwersalnym poza błędem wskazania wpływ będą miały następujące czynniki:

  • geometria ramienia: odchyłka od prostoliniowości/ płaskości oraz odchyłka od równoległości jego powierzchni – zwrócić należy przede wszystkim uwagę na obecność zadziorów oraz dokładnie wyczyścić ramię przed użyciem. Sprawdzenie odchyłki od równoległości w prosty sposób wykaże, czy ramię zużywa się równomiernie.
  • geometria podstawy kątomierza (bazy) – podobnie jak wyżej – sprawdzić należy stan podstawy, ewentualne zadziory usunąć, powierzchnię wyczyścić.
  • zamocowanie ramienia – bardzo często dochodzi do poluzowania mocowania ramienia pomiarowego, co w oczywisty sposób będzie obarczać nadmiernym błędem każdy pomiar. Warto dokładnie sprawdzić stan mocowania, w razie potrzeby wymienić śrubę.
  • czystość powierzchni bazowej i mierzonej – łatwo wyobrazić sobie, że każdy śmieć czy opiłek podobnie jak zadzior, będzie podnosił bazę kątomierza lub ograniczał dojazd ramienia, w konsekwencji zmniejszając wartość zmierzonego kąta
  • rozmiar detalu i dostęp do cechy
  • nacisk pomiarowy – tu nieco inaczej niż w przypadku suwmiarki czy mikrometru (gdzie najczęściej lepiej aby nacisk był większy niż tylko zetknięcie powierzchni pomiarowych z detalem), mierzymy delikatnie, na dotyk, do zamknięcia ewentualnej szczeliny

Przypominam, że najskuteczniejszą metodą pozwalającą na wychwycenie ewentualnych nieprawidłowości w pomiarze jest zawsze wykonanie serii przynajmniej 3 powtórzeń. Rozbieżności w wynikach przekraczające jedną działkę natychmiast powinny obudzić naszą czujność.

Warto także (w urządzeniu cyfrowym bezwzględnie w celu ustawienia zera) sprawdzić kątomierz przed pomiarem na płycie pomiarowej (punkt 180° ) lub przykładając do kątownika, czy wskazanie jest prawidłowe. Dokładniejsze sprawdzenie kątomierza na własne potrzeby wykonać można z wykorzystaniem dedykowanych kompletów płytek kątowych stalowych:

plytki katowe do sprawdzania kątomierzy  asimeto
Taki komplet płytek kątowych z powodzeniem wystarczy do samodzielnego sprawdzania dokładności kątomierzy

Jaki kątomierz wybrać?

Przede wszystkim zadecydujmy jak dokładnego urządzenia potrzebujemy. Czy nasze tolerancje są wymagające? Czy wymiar mierzony jest krytyczny? Czy będzie on miał znaczenie w aspekcie wizualnym wyrobu (pamiętajmy, że oczy ludzkie są bardzo czułe na zmiany kąta, zwłaszcza w odniesieniu do innej, prostej płaszczyzny…)?

W zdecydowanej większości przypadków pierwszym wyborem jest kątomierz uniwersalny noniuszowy. Zwłaszcza w zastosowaniach typowo warsztatowych czy produkcyjnych, które jednak wymagają pewnej dokładności. Tam, gdzie pomiary można uznać za zgrubne, może wystarczyć kątomierz prosty (traserski).

W warunkach laboratoryjnych, czystej produkcji czy w kontroli jakości wyrobu gotowego, albo tam gdzie wyniki pomiaru będą przerzucane do systemu gromadzenia danych SPC zdecydowanie warto wybrać urządzenie z odczytem cyfrowym. Naturalnie pomijam tu zastosowanie maszyn współrzędnościowych czy urządzeń pomiarowych optycznych (mikroskopy, projektory), które znakomicie do tego celu się nadają, ale nie zaliczamy ich w poczet urządzeń ręcznych.

Kątomierz cyfrowy MICROTECH z systemem MICS zapewnia bezprzewodową łączność z PC lub smartfonem
Kątomierz cyfrowy MICROTECH z systemem MICS zapewnia bezprzewodową łączność z PC lub smartfonem

Płyta pomiarowa jako odniesienie

W warsztatowych pomiarach kąta nie sposób nie wskazać istotnej roli jaką odgrywa płaszczyzna odniesienia. Za każdym razem, kiedy bazujemy detal lub kątomierz na płycie, staje się ona elementem układu pomiarowego, co implikuje kilka istotnych kwestii:

  • powierzchnia płyty musi być czysta oraz odpowiednio płaska (w pożądanej klasie)
  • płyta musi być regularnie wzorcowana
  • zadbać należy o stabilizację temperaturową naszego układu pomiarowego, a więc płyty, kątomierza i mierzonego obiektu

Oczywiście zalecam podejście oparte na zdrowym rozsądku, czyli tym bardziej restrykcyjne podejście, im wymiar jest bardziej krytyczny czy ciaśniej tolerowany. Niezależnie od tego jednak zalecam kontrolę powierzchni płyty przed pomiarem (zwłaszcza w płytach wykonanych z żeliwa, gdzie zadzior może drastycznie wpłynąć na nasz pomiar) i traktowanie jej jak wzorca – błędne ustawienie zera kątomierza w oparciu o uszkodzoną płytę zaowocuje przeniesienie odchyłek na wszystkie późniejsze wyniki pomiaru. O płytach granitowych można przeczytać w tym wpisie.

To wszystko ode mnie na dzisiaj, w kolejnym wpisie z serii przyjrzymy się wszelkiej maści kątownikom, nauczymy prawidłowo oceniać odchyłki od prostopadłości a także dowiemy się jak prawidłowo dobrać kątownik pod kątem klasy i rodzaju.

Linki

Kątomierze w sklepie pomiarowe.com.pl

Dodaj komentarz