Физико-технические основы совершенствования контактных измерительных головок для координатных измерительных машин на основе волоконных датчиков

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.

1. Зубарев 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.

2. Ушаков М. В., Воробьев И. А., Никольский С. М. Оценка области использования КИМ // Мир измерений. 2022. № 2. С. 49–51. EDN: GHQJHA.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. Емельянов П. Н., Педь С. Е. Разработка эталонной координатно-измерительной машины с ЧПУ // Вестник МГТУ «Станкин». 2018. № 2 (45). С. 52–56. EDN: RQGJIF.

7. 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.

8. Куликов А. В. Волоконно-оптические акустические сенсоры на брэгговских решетках: дис. д-ра техн. наук. Санкт- Петербург, 2012. 144 с.

9. 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.

10. Самарин А. Лазерный микропроектор со спиральной разверткой // Компоненты и технологии. 2008. № 10 (87). С. 101–104. EDN: MTKAXF.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. Семенов С. Л. Прочность и долговечность волоконных световодов на основе кварцевого стекла: дис. д-ра физ.-мат. наук. Москва, 2007. 233 с.

20. 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.

21. Плеханов А. И., Шелковников В. В. Оптические волокна с концевыми фотополимерными микролинзами // Российские нанотехнологии. 2006. Т. 1, № 1-2. С. 240–244. EDN: HUAZGV.