eng
Выпуск #8/2025
К. Епифанцев
Новые физические принципы и методы измерения дефектов формы
Новые физические принципы и методы измерения дефектов формы
Просмотры: 521
DOI: 10.22184/1992-4178.2025.250.8.56.60
В статье представлен обзор методов измерения дефектов формы и сплошности, проанализированы их достоинства и недостатки. Описаны измерительные системы, не нуждающиеся в дефицитных компонентах и комплектуемые из доступной элементной базы.
Ключевые слова: мультисенсорность, кругломер, отечественные приборы, импортозамещение, программные продукты
В статье представлен обзор методов измерения дефектов формы и сплошности, проанализированы их достоинства и недостатки. Описаны измерительные системы, не нуждающиеся в дефицитных компонентах и комплектуемые из доступной элементной базы.
Ключевые слова: мультисенсорность, кругломер, отечественные приборы, импортозамещение, программные продукты
Новые физические принципы и методы измерения дефектов формы
К. Епифанцев, к.т.н.
Разработка доступных методов измерений является приоритетной задачей для предприятий в условиях импортозамещения. Измерительные системы, основанные на менее традиционных принципах работы, могут оказаться дешевле в промышленной эксплуатации и требовать меньше времени на подготовку к измерениям. В статье представлен обзор решений, не нуждающихся в дефицитных электронных компонентах и комплектуемых из доступной элементной базы. Приведены альтернативные методы определения дефектов формы и показаны условия, при которых они обеспечивают сопоставимую или лучшую точность
по сравнению с традиционными подходами.
C течением времени требования к конструкциям приборов для контроля дефектов формы меняются. В настоящее время компании-производители стремятся к повышению универсальности выпускаемых приборов, размещая несколько измерительных элементов в одном корпусе. Модифицируются многие способы измерений, совершенствуются такие методы, как тепловое обследование, весовой контроль, 3D-сканирование, манометрические измерения, которые также могут быть использованы для контроля дефектов формы. Новые установки способны заменить традиционные контактные приборы с щупом, который движется непосредственно на поверхности исследуемой детали и передает данные в систему оценки отклонения от круглости или концентричности.
Представим несколько проблем на данном этапе развития приборостроения в мире:
1. Проблема выбора между мультисенсорными и моносенсорными системами, связанная с вопросами оптимизации измерений и стоимости этих систем [1].
2. Проблема отсутствия универсальных стандартов и эталонов для сложных систем, сочетающих разные сенсоры.
3. Вызовы и проблемы, обусловленные переходом от косвенных к прямым измерениям в отдельных областях приборостроения, которые включают необходимость инвестиций в технологии, сложности системной интеграции и потребность в развитии новых компетенций у инженерного персонала.
4. Сложности, связанные с обеспечением помехозащищенности, а также с необходимостью учета сенсоров-антагонистов, которые не могут быть совмещены в одном корпусе (например, кислородный манометр и измеритель качества масла не могут быть размещены в одном корпусе из-за высокого риска воспламенения или взрыва масла при контакте с чистым кислородом под давлением).
Решение актуальных задач отрасли требует применения новых алгоритмов проектирования и внедрения новых технологий.
В современном приборостроении можно выделить следующие основные тенденции: миниатюризация, мультисенсорность, автоматизация и оптимизация калибровки и юстировки, а также применение методов искусственного интеллекта для обработки данных.
Рассмотрим мультисенсорную систему, включающую три датчика: вихретоковый, емкостной и оптический датчик в составе камеры машинного зрения (рис. 1). Каждый из имеющихся датчиков – часть единой системы, вместе они обеспечивают контроль геометрии и выявление микродефектов. Оптический датчик корректно работает с большинством непрозрачных материалов, включая пластик, резину и пенополиуретан, но ограничен при работе с прозрачными и зеркальными поверхностями. Его основное преимущество – возможность измерений без деформации и царапин.
Полный перечень сделан на основе обзора производственных компаний и патентных документов и представлен в табл. 1.
Автоматизация в измерении дефектов формы достигается за счет ряда ключевых факторов. В первую очередь это внедрение специализированных механизмов
и программных решений, которые существенно упрощают и ускоряют процесс калибровки. Именно благодаря этим технологиям становится возможным значительное сокращение как временных, так и финансовых затрат
на ее проведение.
В ходе экспериментов, проведенных в 2023–2024 годах в Самарском филиале Физического института
им. П. Н. Лебедева РАН, была собрана принципиально новая схема кругломера для бесконтактного измерения дефектов формы. Для реализации схемы использовалась ПЗС-линейка К1200ЦЛ-1, на которую через ряд фокусирующих линз и объектив ГЕЛИОС 40-2 с фокусным расстоя-
нием 85 мм направлялся луч, сформированный диодным лазером ДМ-8-650 (рис. 2).
Интересен принцип работы пневмокалибра, заключающийся в том, что при установке детали в измерительное устройство зазор между поверхностью детали и пневмокалибром влияет на расход воздуха или давление в системе. Малейшие отклонения формы или размера детали немедленно изменяют параметры воздушного потока. Изменения давления или расхода воздуха преобразуются датчиками в измеряемый сигнал, который используется для сравнения
с эталонными значениями. Измеренные величины должны укладываться в установленный допуск, иначе изделие признается браком. Это позволяет выявлять не только отклонения размеров, но и дефекты формы, такие как нарушения круглости или конусности [8].
Методы, перечисленные в табл. 1, представляют собой далеко не полный перечень используемых подходов к измерению дефектов формы, отличающихся от контактного метода (с помощью контактного щупа), применяемого в большинстве кругломеров. Контактный щуп зарекомендовал себя как надежный инструмент, подтвердивший свою эффективность во многих компаниях. Однако технологический прогресс в области измерительного оборудования ведет к постоянному появлению новых методов контроля. Тем не менее, практически неизменным остается требование к векторному измерению дефектов формы, что всегда предполагает наличие вращающегося стола.
ЛИТЕРАТУРА
Шугаепов Ш.Н., Ермолаев Е.В., Егошин В.А.,
Ахметгалиев Р.Ш., Мазуренко А.А. Технологическое оборудование и материалы, применяемые для изготовления металлокерамических корпусов // ЭЛЕКТРОНИКА:
Наука, Технология, Бизнес. 2022. №5 (00216). С. 62–65.
Епифанцев К. В. Проектирование и эксплуатация
оптического датчика для оснащения кругломеров
при осуществлении контроля тел вращения //
Высокие технологии в машиностроении: материалы
XX Всероссийской научно-технической конференции
с международным участием, 9–10 ноября 2023 г. /
Отв. ред. Р. Г. Гришин. Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2023. 186 с.
Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2023612860 «Программа для визуализации и подсчёта результатов измерения дефектов формы цилиндрических твердотельных деталей оптическими методами» / Епифанцев К. В., Егоров А. Э. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 08.02.2023.
Свидетельство регистрации государственной программы на ЭВМ № 2023616324 «Программа обработки сигналов оптических датчиков кругломеров с помощью преобразования Фурье для измерения дефектов формы цилиндрических твердотельных деталей» / Епифанцев К. В.,
Егоров А. Э. Зарегистрировано в Реестре программ
для ЭВМ 24 марта 2023 г.
Свидетельство регистрации государственной программы на ЭВМ № 2023664436 «Программа обработки сигналов оптических датчиков кругломеров с помощью функции Бесселя для измерения дефектов формы, месторасположения и биения» / Епифанцев К. В., Егоров А. Э. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 05 июля 2023 г.
Свидетельство регистрации государственной программы на ЭВМ № 2024611413 «Программа для адаптации измерений дефектов формы при преобразовании частотных
и емкостных параметров электрической цепи» / Епифанцев К. В., Егоров А. Э. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 22 января 2024 г.
Измерительное оборудование NEVA technology [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://nevatec.ru/products/ndt/shearography.html?ysclid=mdx5b3l2us345974216 (дата обращения: 09.09.2025).
Белопухов В. Н., Заякин О. А., Манухин А. В.,
Ростов А. А. Комплекс программных средств
для исследования погрешности измерений
экспериментального лазерного кругломера //
Программные продукты и системы. 2018. № 1. С. 64–71.
TESA. Общий обзор: пневматические приборы для измерения диаметров [Электронный ресурс]. PDF-документ. Режим доступа: https://docs.yandex.ru/docs/view?tm=1754312565&tld=ru&lang=ru&name/. (дата обращения: 04.08.2025).
К. Епифанцев, к.т.н.
Разработка доступных методов измерений является приоритетной задачей для предприятий в условиях импортозамещения. Измерительные системы, основанные на менее традиционных принципах работы, могут оказаться дешевле в промышленной эксплуатации и требовать меньше времени на подготовку к измерениям. В статье представлен обзор решений, не нуждающихся в дефицитных электронных компонентах и комплектуемых из доступной элементной базы. Приведены альтернативные методы определения дефектов формы и показаны условия, при которых они обеспечивают сопоставимую или лучшую точность
по сравнению с традиционными подходами.
C течением времени требования к конструкциям приборов для контроля дефектов формы меняются. В настоящее время компании-производители стремятся к повышению универсальности выпускаемых приборов, размещая несколько измерительных элементов в одном корпусе. Модифицируются многие способы измерений, совершенствуются такие методы, как тепловое обследование, весовой контроль, 3D-сканирование, манометрические измерения, которые также могут быть использованы для контроля дефектов формы. Новые установки способны заменить традиционные контактные приборы с щупом, который движется непосредственно на поверхности исследуемой детали и передает данные в систему оценки отклонения от круглости или концентричности.
Представим несколько проблем на данном этапе развития приборостроения в мире:
1. Проблема выбора между мультисенсорными и моносенсорными системами, связанная с вопросами оптимизации измерений и стоимости этих систем [1].
2. Проблема отсутствия универсальных стандартов и эталонов для сложных систем, сочетающих разные сенсоры.
3. Вызовы и проблемы, обусловленные переходом от косвенных к прямым измерениям в отдельных областях приборостроения, которые включают необходимость инвестиций в технологии, сложности системной интеграции и потребность в развитии новых компетенций у инженерного персонала.
4. Сложности, связанные с обеспечением помехозащищенности, а также с необходимостью учета сенсоров-антагонистов, которые не могут быть совмещены в одном корпусе (например, кислородный манометр и измеритель качества масла не могут быть размещены в одном корпусе из-за высокого риска воспламенения или взрыва масла при контакте с чистым кислородом под давлением).
Решение актуальных задач отрасли требует применения новых алгоритмов проектирования и внедрения новых технологий.
В современном приборостроении можно выделить следующие основные тенденции: миниатюризация, мультисенсорность, автоматизация и оптимизация калибровки и юстировки, а также применение методов искусственного интеллекта для обработки данных.
Рассмотрим мультисенсорную систему, включающую три датчика: вихретоковый, емкостной и оптический датчик в составе камеры машинного зрения (рис. 1). Каждый из имеющихся датчиков – часть единой системы, вместе они обеспечивают контроль геометрии и выявление микродефектов. Оптический датчик корректно работает с большинством непрозрачных материалов, включая пластик, резину и пенополиуретан, но ограничен при работе с прозрачными и зеркальными поверхностями. Его основное преимущество – возможность измерений без деформации и царапин.
Полный перечень сделан на основе обзора производственных компаний и патентных документов и представлен в табл. 1.
Автоматизация в измерении дефектов формы достигается за счет ряда ключевых факторов. В первую очередь это внедрение специализированных механизмов
и программных решений, которые существенно упрощают и ускоряют процесс калибровки. Именно благодаря этим технологиям становится возможным значительное сокращение как временных, так и финансовых затрат
на ее проведение.
В ходе экспериментов, проведенных в 2023–2024 годах в Самарском филиале Физического института
им. П. Н. Лебедева РАН, была собрана принципиально новая схема кругломера для бесконтактного измерения дефектов формы. Для реализации схемы использовалась ПЗС-линейка К1200ЦЛ-1, на которую через ряд фокусирующих линз и объектив ГЕЛИОС 40-2 с фокусным расстоя-
нием 85 мм направлялся луч, сформированный диодным лазером ДМ-8-650 (рис. 2).
Интересен принцип работы пневмокалибра, заключающийся в том, что при установке детали в измерительное устройство зазор между поверхностью детали и пневмокалибром влияет на расход воздуха или давление в системе. Малейшие отклонения формы или размера детали немедленно изменяют параметры воздушного потока. Изменения давления или расхода воздуха преобразуются датчиками в измеряемый сигнал, который используется для сравнения
с эталонными значениями. Измеренные величины должны укладываться в установленный допуск, иначе изделие признается браком. Это позволяет выявлять не только отклонения размеров, но и дефекты формы, такие как нарушения круглости или конусности [8].
Методы, перечисленные в табл. 1, представляют собой далеко не полный перечень используемых подходов к измерению дефектов формы, отличающихся от контактного метода (с помощью контактного щупа), применяемого в большинстве кругломеров. Контактный щуп зарекомендовал себя как надежный инструмент, подтвердивший свою эффективность во многих компаниях. Однако технологический прогресс в области измерительного оборудования ведет к постоянному появлению новых методов контроля. Тем не менее, практически неизменным остается требование к векторному измерению дефектов формы, что всегда предполагает наличие вращающегося стола.
ЛИТЕРАТУРА
Шугаепов Ш.Н., Ермолаев Е.В., Егошин В.А.,
Ахметгалиев Р.Ш., Мазуренко А.А. Технологическое оборудование и материалы, применяемые для изготовления металлокерамических корпусов // ЭЛЕКТРОНИКА:
Наука, Технология, Бизнес. 2022. №5 (00216). С. 62–65.
Епифанцев К. В. Проектирование и эксплуатация
оптического датчика для оснащения кругломеров
при осуществлении контроля тел вращения //
Высокие технологии в машиностроении: материалы
XX Всероссийской научно-технической конференции
с международным участием, 9–10 ноября 2023 г. /
Отв. ред. Р. Г. Гришин. Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2023. 186 с.
Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2023612860 «Программа для визуализации и подсчёта результатов измерения дефектов формы цилиндрических твердотельных деталей оптическими методами» / Епифанцев К. В., Егоров А. Э. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 08.02.2023.
Свидетельство регистрации государственной программы на ЭВМ № 2023616324 «Программа обработки сигналов оптических датчиков кругломеров с помощью преобразования Фурье для измерения дефектов формы цилиндрических твердотельных деталей» / Епифанцев К. В.,
Егоров А. Э. Зарегистрировано в Реестре программ
для ЭВМ 24 марта 2023 г.
Свидетельство регистрации государственной программы на ЭВМ № 2023664436 «Программа обработки сигналов оптических датчиков кругломеров с помощью функции Бесселя для измерения дефектов формы, месторасположения и биения» / Епифанцев К. В., Егоров А. Э. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 05 июля 2023 г.
Свидетельство регистрации государственной программы на ЭВМ № 2024611413 «Программа для адаптации измерений дефектов формы при преобразовании частотных
и емкостных параметров электрической цепи» / Епифанцев К. В., Егоров А. Э. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 22 января 2024 г.
Измерительное оборудование NEVA technology [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://nevatec.ru/products/ndt/shearography.html?ysclid=mdx5b3l2us345974216 (дата обращения: 09.09.2025).
Белопухов В. Н., Заякин О. А., Манухин А. В.,
Ростов А. А. Комплекс программных средств
для исследования погрешности измерений
экспериментального лазерного кругломера //
Программные продукты и системы. 2018. № 1. С. 64–71.
TESA. Общий обзор: пневматические приборы для измерения диаметров [Электронный ресурс]. PDF-документ. Режим доступа: https://docs.yandex.ru/docs/view?tm=1754312565&tld=ru&lang=ru&name/. (дата обращения: 04.08.2025).
Отзывы читателей
