Развитие новых технологий требует более высокой точности от металлообрабатывающих станков, а также от метрологического оборудования. Совершенствуются сами технологии, будь то бесконтактное оптическое измерение, лазерное сканирование, измерение тактильными щупами, и комплексные решения на основе многофункциональных координатно-измерительных машин с библиотеками датчиков. Появляются автоматизированные системы контроля, способные обеспечить метрологическую поддержку на всех этапах производства. Мультисенсорное оборудование измеряет любые поверхности и материалы, но высокая стоимость делает эти машины недоступными для малого и среднего бизнеса. Где лежит грань между излишеством и необходимостью — дилемма, часто мучающая собственников и топ-менеджеров. Однако отказаться от контрольных измерений невозможно, да и сама метрология является «кровеносной системой» машиностроения.

МГТУ «СТАНКИН»: 

Широкое развитие измерительных технологий и дефицит метрологов

Каждые 10 лет точность изготавливаемых деталей в наукоёмких отраслях промышленности (авиационно-космической, оборонной, транспортной и др.) повышается на два квалитета, т.е. допуски сокращаются в 1,5-2,5 раза. В XXI веке началось формирование 6-го технологического уклада, который должен полностью освоить субмикронные точности и совершить прорыв в нанодиапазон. Проблема метрологического обеспечения производств - серьезный вызов для бизнеса и государства.

Использование цифровых СИ позволяет измерять физические параметры, контролировать правильность выполнения технологического процесса, диагностировать и упреждать различные отклонения в работе оборудования, определять и классифицировать физические процессы, управлять технологическими процессами металлообработки и т.д.

К наиболее ярким разработкам в метрологической отрасли относится лазерная интерферометрия, атомно-силовая микроскопия, модуляционная  интерференционная микроскопия, фотограмметрические системы, компьютерная томография.

Лазерная интерферометрия используется для измерения геометрических параметров деталей, точности промышленного оборудования, при поверке и аттестации станков и КИМ высших классов точности. Двухлучевая лазерная интерферометрия  охватывает по диапазону все типоразмеры станков и все классы точности (включая эталонные показатели). Дискретность отсчёта достигает 0,001 мкм, а скорость контролируемых перемещений рабочих органов машин нескольких м/с.

В последние годы в дополнение к традиционной гомодинной интерферометрии разрабатывается гетеродинная интерферометрия, повышающая разрешающую способность ЛИИС до долей нанометров.

Атомно-силовая микроскопия развивается в нанотехнологиях, обеспечивает построение профиля контролируемого объекта и распределение его физических свойств по поверхности с разрешением до десятых долей нанометра.

Модуляционно-интерференционная микроскопия воспроизводит изображение поверхностей объектов с разрешением до 0,1 нм по высоте и 10 нм в латеральной плоскости. Этот метод применяется в субмикронной и нанометрологии.

Компьютерная томография в рентгеновском и ультразвуковом диапазонах осуществляет неразрушающие измерения геометрических параметров и узлов внутри конструкции изделия.

 Координатный метод измерения основан на последовательном измерении координат определённого числа точек на поверхности измеряемого объекта и дальнейшем вычислении его геометрических параметров.

В последнее время появились новые компоновки программно-управляемых КИМ, построенных не по традиционным схемам металлообрабатывающих станков, а с использованием новых принципов. К числу КИМ такого типа относятся машины, использующие механизм с параллельной кинематикой (МПК).  Более революционной системой построения КИМ является измерительная рука, состоящая из набора рычагов, соединенных друг с другом шарнирным способом.  На конце рычажно-шарнирной конструкции устанавливается измерительная головка, а ось каждого шарнира снабжена энкодером.

В современных КИМ используются измерительные головки (ИГ) с электрическим выходом. По своему функционалу они делятся на две группы: нулевые ИГ и ИГ отклонения. Нулевые ИГ работают в режиме пространственного триггера, издают импульсный пороговый сигнал при отклонениях измерительного наконечника от корпуса головки, при касании поверхности детали или при прохождении наконечником нулевого значения. ИГ отклонения анализируют отклонение измерительного наконечника относительно корпуса. В свою очередь измерительные головки отклонения разделяются на модульные и векторые. 

Головки касания имеют высокие метрологические характеристики: нестабильность срабатывания - ±0,4-2 мкм, неоднородность зоны чувствительности в плоскости, перпендикулярной оси головки — 2-5 мкм; диаметр корпуса 13-25 мм, длина 40-80 мм, измерительное усилие — 0,1-0,3 Н, длина измерительного наконечника — 10-40 мм.

Широкое применение нулевых и векторных ИГ в станках и КИМ привело к необходимости бесконтактной передачи измерительной информации с ИГ в систему ЧПУ.

Наряду с совершенствованием конструкции и улучшением функциональных возможностей контактных измерительных головок, ведётся активная работа в области бесконтактных измерений на основе достижений фотоники и оптоэлектроники. В бесконтактных измерениях используются следующие технологии: волоконная оптика, лазерная техника,  методы триангуляции и фотограмметрии.

Триангуляционный принцип широко используется для измерения расстояний от 2 до 1250 мм с погрешностью 0,005% от диапазона измерения.

Волоконные световоды (ВС) - один из типов диэлектрических волноводов в форме тонкой нити, по которой распространяется электромагнитная энергия. Поперечное сечение ВС неоднородно. Центр имеет показатель преломления nс , больший показатель преломления nо окружающей оболочки. В основе передачи излучения по ВС лежит явление полного внутреннего отражения на границе сердцевины и оболочки

Фотограмметрия определяет формы, размеры, положение и иные характеристики объектов по их фотоизображениям в заданной системе координат. Для определения пространственного положения точек необходимо несколько снимков. Поэтому на объекте устанавливается набор калиброванных меток или проецируется изображение мерной решётки. Стереопара в виде двух видеокамер создаёт видимое изображение контролируемой поверхности и по изменению меток на теле детали или искривлению полос проекций решёток определяет изменение формы, положения и других отклонений сложного пространственного изделия.

Проектор и стереопара представляют собой новый вид оптической измерительной головки.

Укрепив данную головку на промышленном роботе, запрограммированном на измерение определенных деталей, можно получить координатно-измерительную систему нового типа. 

Несмотря на многообразие и высокие точностные характеристики измерительных головок для ЧПУ станков, они не смогут полностью заменить КИМ. Координатно-измерительная машина представляет собой устройство более сложного уровня, ориентированное на достижение максимальной пространственной точности.

Некоторые российские предприятия не используют КИМ и другие высокоточные измерительные системы по ряду причин. Универсальные КИМ занимают определённую нишу, они используются для автоматизированного контроля и измерения параметров корпусных деталей и деталей со сложными ответственными поверхностями (например, аэродинамических деталей). Для решения ряда задач, например, измерения параметров резьб, зубчатых колёс или шероховатостей поверхности, использование других измерительных устройств и систем по сравнению со специализированными средствами КИМ может привести к уменьшению точности, производительности измерений, и вместо экономии бюджета может потребовать приобретения дополнительных компонентов.

С другой стороны, следует отметить некоторую недостаточность подготовки современных метрологов. Как отмечается в «Стратегии обеспечения единства измерений в Российской Федерации до 2025 г.» (распоряжение Правительства РФ от 19 апреля 2017 г. № 737-Р), во всех структурах метрологической деятельностью заняты до 200 тыс. метрологов. По экспертным оценкам Российского союза промышленников и предпринимателей ежегодно обучается метрологическим специальностям в 4–5 раз меньше специалистов, чем это требуется экономике. Стратегия также отмечает, что образовательные стандарты (программы) по многим специальностям не предусматривает изучения основ метрологии, что обусловливает непонимание будущими специалистами целей и задач, решаемых в процессе функционирования государственной системы обеспечения единства измерений. С 90-х годов прошлого столетия не происходит повышения уровня профессиональной подготовки метрологов, уменьшается их число.

В некоторых учебных заведениях подготовка высококлассных специалистов по точным измерениям всё же осуществляется.

В список вузов, готовящих специалистов по точным измерениям в металлообработке, относится и МГТУ ”СТАНКИН”.

 К сожалению, количество этих вузов в стране невелико, и их выпускников явно недостаточно для нужд отечественного машиностроения.