omnaОмский научный вестникOmsk Scientific Bulletin1813-82252541-7541Омский государственный технический университет10.25206/1813-8225-2026-198-112-121FZSWXFomna-415Research ArticleЭЛЕКТРОНИКА, ФОТОНИКА, ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И СВЯЗЬELECTRONICS, PHOTONICS, APPLIANCE AND COMMUNICATIONSФизико-технические основы совершенствования контактных измерительных головок для координатных измерительных машин на основе волоконных датчиковPhysical and technical principles of improving contact measuring heads for coordinate measuring machines based on fiber sensorsЛеунЕ. В.LeunE. V.

Леун Евгений Владимирович, кандидат технических наук, ведущий инженер    

141402, г. Химки, ул. Ленинградская, 24

AuthorID (РИНЦ): 367560

AuthorID (SCOPUS): 57200722184

Leun Evgeniy Vladimirovich, Candidate of Technical Sciences, Lead Engineer    

Leningradskaya St., 24, Khimki, 141402

AuthorID (RSCI): 367560  

AuthorID (SCOPUS): 57200722184

stankin1999@mail.ruАО «НПО Лавочкина»РоссияLavochkin AssociationRussian Federation20260707202602112121Copyright © Леун Е.В., 20262026Леун Е.В.Leun E.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://onv.omgtu.ru/jour/article/view/415

Статья направлена на рассмотрение возможностей и поиска новых путей конструктивного совершенствования контактных измерительных головок для высокоточного 3D-контроля геометрических параметров сложных изделий на координатных измерительных машинах. Рассмотрены технические решения на основе оптических методов и средств измерений, в частности волоконно-оптических датчиков.

В статье обсуждаются два типа контактных измерительных головок с жестким и подвижным измерительным штоком. Рассматриваются особенности двух вариантов измерительных головок первого типа, реализованных на основе измерений микроизгибов измерительного штока посредством встроенных в него датчиков с волоконными брэгговскими решетками или волоконных интерферометрических датчиков. Также обсуждаются варианты второго типа измерительных головок с подвижным измерительным штоком и измерением его смещений при касании с контролируемой деталью на основе использования оптоволоконного сканера или трехкоординатного волоконного интерферометрического датчика.

Показано, что в последнем варианте порог чувствительности по трем осям потенциально может иметь субпикометрические значения. Обсужден вариант встраивания миниатюрной широкоугольной видеокамеры Fisheye «Рыбий глаз» для визуализации приближения измерительного наконечника к контролируемой детали за счет регистрации и измерений геометрических параметров формируемых колец Ньютона.

The article aims at considering the possibilities and finding new ways to constructively improve contact measuring heads for high-precision 3D control of geometric parameters of complex products on coordinate measuring machines. Technical solutions based on optical methods and measuring instruments, in particular, fiber-optic sensors are also considered.

The article discusses two types of contact measuring heads with rigid and movable measuring rods. The features of two variants of measuring heads of the first type are considered, implemented on the basis of measurements of micro bends of the measuring rod by means of sensors with fiber Bragg gratings or fiber interferometric sensors built into it. Options for the second type of measuring heads with a movable measuring rod and measuring its displacements when touching a controlled part based on the use of a fiber-optic scanner or a three-axis fiber interferometric sensor are also discussed.

It is shown that in the latter case, the sensitivity threshold along three axes can potentially have subpicometric values. The option of embedding a miniature wide-angle Fisheye video camera to visualize the approximation of the measuring tip to the controlled part by recording and measuring the geometric parameters of the formed Newton rings is discussed.

координатная измерительная машинаизмерительная головкаизмерительный наконечникизмерительный штокволоконный интерферометрический датчиклазерный интерферометркольца Ньютонаcoordinate measuring machinemeasuring headmeasuring tipmeasuring rodfiber interferometric sensorlaser interferometerNewton ringsReferencesЗубарев Ю. М., Косаревский С. В., Тырс В. Р. Измерение параметров резьбы с использованием координатно-измерительных машин // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2013. № 7 (110). С. 22–25. EDN: QCPRGN.Zubarev Yu. M., Kosarevskiy S. V., Tyrs V. R. Izmereniye parametrov rez’by s ispol’zovaniyem koordinatno-izmeritel’nykh mashin. Izvestiya Volgogradskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta. 2013;7(110):22–25. EDN: QCPRGN. (In Russ.).Ушаков М. В., Воробьев И. А., Никольский С. М. Оценка области использования КИМ // Мир измерений. 2022. № 2. С. 49–51. EDN: GHQJHA.Ushakov M. V., Vorobev I. A., Nikolsky S. M. CMMS' application area assessment. Measurements World. 2022;2:49–51. EDN: GHQJHA. (In Russ.).Захаревич Е. М., Лапшин В. В., Шавва М. А. [и др.]. Измерительная система для контроля асферических линз из германия на ультрапрецизионных станках серии УТМ-250 // Фотоника. 2025. Т. 19, № 2 С. 116–129. https://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2025.19.2.116.129. EDN: MZZXKX.Zakharevich E. M., Lapshin V. V., Shavva M. A. [et al.]. Measuring system for inspection of the germanium a spherical lenses using the UTM-250 ultraprecision machines. Photonics Russia. 2025;19(2):116–129. https://doi.org/10.22184/1993-7296. FRos.2025.19.2.116.129. EDN: MZZXKX. (In Russ.).Бурдак С. В., Захаревич Е. М., Лапшин В. В. [и др.]. Инновационные разработки в области российского ультрапрецизионного станкостроения // Фотоника. 2024. Т. 18, № 2. С. 116–121. https://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.2.116.120. EDN: LTOTRO.Burdak S. V., Zakharevich E. M., Lapshin V. V. [et al.]. Innovative developments in the field of Russian ultra-precision machine tools. Photonics Russia. 2024;18(2):116–121. https://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.2.116.120. EDN: LTOTRO. (In Russ.).Гапшис В.-А. А., Каспарайтис А. Ю., Модестов М. Б. [и др.]. Координатные измерительные машины и их применение. Москва: Машиностроение, 1988. 328 с. ISBN 5-217-00003-1.Gapshis V.-A. A., Kasparaytis A. Yu., Modestov M. B. [et al.]. Koordinatnyye izmeritel’nyye mashiny i ikh primeneniye. Moscow, 1988. 328 p. ISBN 5-217-00003-1. (In Russ.).Емельянов П. Н., Педь С. Е. Разработка эталонной координатно-измерительной машины с ЧПУ // Вестник МГТУ «Станкин». 2018. № 2 (45). С. 52–56. EDN: RQGJIF.Yemelyanov P. N., Ped S. E. Engineering of high precision coordinate measuring machine with CNC. Vestnik MSTU “Stankin”. 2018;2(45):52–56. EDN: RQGJIF. (In Russ.).Леун Е. В. Гибридная 3D измерительная головка для высокоточных контактных и бесконтактных координатных измерений размеров изделий сложной формы // Омский научный вестник. 2017. № 5 (155). С. 140–146. EDN: ZUQNKP.Leun E. V. Hybrid 3D measuring head for high-precision contact and non-contact coordinate measuring for complex shape details. Omsk Scientific Bulletin. 2017;5(155):140–146. EDN: ZUQNKP. (In Russ.).Куликов А. В. Волоконно-оптические акустические сенсоры на брэгговских решетках: дис. д-ра техн. наук. Санкт- Петербург, 2012. 144 с.Kulikov A. V. Volokonno-opticheskiye akusticheskiye sensory na breggovskikh reshetkakh. Saint Petersburg, 2012. 144 p. (In Russ.).Ефимов М. Е. Метод и аппаратура для регистрации акустической эмиссии и деформаций композитного графит-эпоксидного материала на основе анализа амплитудно-фазовых характеристик сигнала волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо: дис. ... канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2018. 140 с.Efimov M. E. Metod i apparatura dlya registratsii akusticheskoy emissii i deformatsiy kompozitnogo grafit-epoksidnogo materiala na osnove analiza amplitudno-fazovykh kharakteristik signala volokonno-opticheskogo interferometra Fabri-Pero. Saint Petersburg, 2018. 140 p. (In Russ.).Самарин А. Лазерный микропроектор со спиральной разверткой // Компоненты и технологии. 2008. № 10 (87). С. 101–104. EDN: MTKAXF.Samarin A. Lazernyy mikroproyektor so spiral’noy razvertkoy. Komponenty i Tekhnologii. 2008;10(87):101–104. EDN: MTKAXF. (In Russ.).Akhoundi F., Qin Y., Peyghambarian N. [et al.]. Compact fiber-based multi-photon endoscope working at 1700 nm. Biomedical Optics Express. 2018;9(5):2326–2335. https://doi.org/10.1364/BOE.9.002326.Akhoundi F., Qin Y., Peyghambarian N. [et al.]. Compact fiber-based multi-photon endoscope working at 1700 nm. Biomedical Optics Express. 2018;9(5):2326–2335. https://doi.org/10.1364/BOE.9.002326.Schowengerdt B., Johnston R., Melville C. [et al.]. 3D Displays using Scanning Laser Projection. SID Symposium Digest of Technical Papers. 2012;43:640–643. https://doi.org/10.1002/j.2168-0159.2012.tb05863.x.Schowengerdt B., Johnston R., Melville C. [et al.]. 3D Displays using Scanning Laser Projection. SID Symposium Digest of Technical Papers. 2012;43:640–643. https://doi.org/10.1002/j.2168-0159.2012.tb05863.x.Wu Y., Leng Y., Xi J. [et al.]. Scanning all-fiber-optic endomicroscopy system for 3D nonlinear optical imaging of biological tissues. Optics Express. 2009;17(10):7907–7915. https://doi.org/10.1364/OE.17.007907.Wu Y., Leng Y., Xi J. [et al.]. Scanning all-fiber-optic endomicroscopy system for 3D nonlinear optical imaging of biological tissues. Optics Express. 2009;17(10):7907–7915. https://doi.org/10.1364/OE.17.007907.Zhao Y., Nakamura H., Gordon R. J. Development of a versatile two-photon endoscope for biological imaging. Biomedical Optics Express. 2010;1(4):1159–1172. https://doi.org/10.1364/BOE.1.001159.Zhao Y., Nakamura H., Gordon R. J. Development of a versatile two-photon endoscope for biological imaging. Biomedical Optics Express. 2010;1(4):1159–1172. https://doi.org/10.1364/BOE.1.001159.Pisani M. A homodyne Michelson interferometer with sub-picometer resolution. Measurement Science and Technology. 2009;20(8):084008. https://doi.org/10.1088/0957-0233/20/8/084008.Pisani M. A homodyne Michelson interferometer with sub-picometer resolution. Measurement Science and Technology. 2009;20(8):084008. https://doi.org/10.1088/0957-0233/20/8/084008.Libbrecht K. G., Black E. D. A basic Michelson laser interferometer for the undergraduate teaching laboratory demonstrating picometer sensitivity. American Journal of Physics. 2015;83(5):409–417. https://doi.org/10.1119/1.4901972.Libbrecht K. G., Black E. D. A basic Michelson laser interferometer for the undergraduate teaching laboratory demonstrating picometer sensitivity. American Journal of Physics. 2015;83(5):409–417. https://doi.org/10.1119/1.4901972.Isleif К.-S, Heinzel G., Mehmet M., Gerberding О. Compact Multifringe Interferometry with Subpicometer Precision. Physical Review Applied. 2019;12(3):034025. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12.034025.Isleif К.-S, Heinzel G., Mehmet M., Gerberding О. Compact Multifringe Interferometry with Subpicometer Precision. Physical Review Applied. 2019;12(3):034025. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12.034025.Леун Е. В. К вопросу достижения субпикометрической разрешающей способности акустооптическим двухканальным лазерным интерферометром перемещений с двумя разночастотными фотоприемниками // Омский научный вестник. 2022. № 2 (182). С. 110–118. https://doi.org/10.25206/1813-8225-2022-182-110-118. EDN: LLRTUP.Leun E. V. On the issue of achieving subpicometric resolution by acousto-optic two-channel laser displacement interferometer with two different frequency photodetectors. Omsk Scientific Bulletin. 2022;2(182):110–118. https://doi.org/10.25206/1813-8225-2022-182-110-118. EDN: LLRTUP. (In Russ.).Семенов С. Л. Прочность и долговечность волоконных световодов на основе кварцевого стекла: дис. д-ра физ.-мат. наук. Москва, 2007. 233 с.Semenov S. L. Prochnost’ i dolgovechnost’ volokonnykh svetovodov na osnove kvartsevogo stekla. Moscow, 2007. 233 p. (In Russ.).Фокина М. И. Формирования микрооптических поверхностей на основе фотоотверждения мономерных композиций в ближнем поле световой волны: дис. канд. физ.-мат. наук. Санкт-Петербург, 2012. 128 с.Fokina M. I. Formirovaniya mikroopticheskikh poverkhnostey na osnove fotootverzhdeniya monomernykh kompozitsiy v blizhnem pole svetovoy volny. Saint Petersburg, 2012. 128 p. (In Russ.).Плеханов А. И., Шелковников В. В. Оптические волокна с концевыми фотополимерными микролинзами // Российские нанотехнологии. 2006. Т. 1, № 1-2. С. 240–244. EDN: HUAZGV.Plekhanov A. I., Shelkovnikov V. V. Opticheskiye volokna s kontsevymi fotopolimernymi mikrolinzami. Rossiyskiye Nanotekhnologii. 2006;1(1-2):240–244. EDN: HUAZGV. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.