自定心深孔参数测量装置及测量方法 - 激光频率梳 3D 轮廓测量

摘要

本文针对深孔测量中定心难、精度低的问题，设计一种自定心深孔参数测量装置，结合激光频率梳 3D 轮廓测量技术，阐述装置结构、测量原理及方法。通过实例验证该装置在提升深孔测量精度和效率方面的优势，为深孔参数测量提供新方案。

关键词

自定心；深孔参数；测量装置；激光频率梳；3D 轮廓测量

一、引言

在机械加工领域，深孔零件广泛应用于航空航天、能源设备等行业。深孔参数的精确测量对零件质量至关重要，但传统测量方法存在定心困难、测量精度低等问题。为解决这些问题，本文提出一种自定心深孔参数测量装置，结合激光频率梳 3D 轮廓测量技术，实现深孔参数的高精度测量。

二、自定心深孔参数测量装置设计

2.1 装置总体结构

自定心深孔参数测量装置主要由定心机构、激光测量模块、数据处理单元和支撑框架组成。定心机构采用对称弹性爪结构，可自动适应不同直径的深孔，实现装置在深孔中的精准定心。激光测量模块集成激光频率梳光源、分光系统和光谱接收装置，用于发射和接收激光信号。数据处理单元对采集的信号进行处理和分析，获取深孔参数。

2.2 定心机构工作原理

定心机构的对称弹性爪采用弹性材料制成，具有一定的弹性变形能力。当装置插入深孔时，弹性爪在孔壁的挤压下发生弹性变形，产生向心的弹力，使装置自动定心在深孔中心轴线上。这种自定心设计可有效减少装置偏心对测量结果的影响。

三、基于激光频率梳 3D 轮廓测量的原理

激光频率梳是一种具有精确频率间隔的光频源，其频谱呈梳状结构。测量时，激光频率梳发射的超短激光脉冲经分光系统分为测量光和参考光。测量光射向深孔底部，反射后与参考光发生干涉，产生的干涉信号由光谱接收装置接收。通过对干涉信号的处理和分析，利用光谱解算技术可得到深孔的深度信息，同时结合各梳齿的干涉强度信息进行傅里叶变换，可获取深孔不同位置的轮廓参数，实现 3D 轮廓测量。

四、自定心深孔参数测量方法

4.1 测量准备

将自定心深孔参数测量装置与数据处理单元连接，检查装置各部分工作状态是否正常。根据深孔的预计直径，调整定心机构的初始状态，确保装置能顺利插入深孔。

4.2 装置定心与测量

将装置缓慢插入深孔，定心机构自动适应孔壁，实现装置的精准定心。启动激光测量模块，发射激光脉冲对深孔进行扫描。激光测量模块实时采集干涉信号，并将信号传输至数据处理单元。

4.3 数据处理与参数获取

数据处理单元对采集的干涉信号进行滤波、放大等预处理，然后利用频谱分析和傅里叶变换等算法对信号进行处理，解算出深孔的深度、直径、直线度、圆度等参数。同时，生成深孔的 3D 轮廓图像，直观展示深孔的内部结构。

五、应用案例与优势分析

5.1 应用案例

在某航空发动机零件深孔测量中，使用该自定心深孔参数测量装置结合激光频率梳 3D 轮廓测量技术，对直径为 10mm、深度为 100mm 的深孔进行测量。传统测量方法因定心误差导致测量精度仅为 ±50μm，而该装置的测量精度达到 ±10μm，且测量效率提升 3 倍。

5.2 优势分析

5.2.1 高精度定心

自定心机构可自动适应深孔直径，实现装置在深孔中的精准定心，有效减少定心误差对测量结果的影响，提高测量精度。

5.2.2 高测量精度

结合激光频率梳 3D 轮廓测量技术，测量精度可达微米级，满足高精度深孔参数测量的需求。

5.2.3 高效测量

装置可快速实现定心和测量，减少测量准备时间，提高测量效率，适用于批量生产中的深孔参数检测。

5.2.4 多功能测量

不仅可测量深孔的深度，还可同时获取直径、直线度、圆度等参数，生成 3D 轮廓图像，实现对深孔的全面检测。

激光频率梳3D光学轮廓测量系统简介：

20世纪80年代，飞秒锁模激光器取得重要进展。2000年左右，美国J.Hall教授团队凭借自参考f-2f技术，成功实现载波包络相位稳定的钛宝石锁模激光器，标志着飞秒光学频率梳正式诞生。2005年，Theodor.W.H?nsch（德国马克斯普朗克量子光学研究所）与John.L.Hall（美国国家标准和技术研究所）因在该领域的卓越贡献，共同荣获诺贝尔物理学奖。

系统基于激光频率梳原理，采用500kHz高频激光脉冲飞行测距技术，打破传统光学遮挡限制，专为深孔、凹槽等复杂大型结构件测量而生。在1m超长工作距离下，仍能保持微米级精度，革新自动化检测技术。

核心技术优势

①同轴落射测距：独特扫描方式攻克光学“遮挡”难题，适用于纵横沟壑的阀体油路板等复杂结构；

（以上为新启航实测样品数据结果）

②高精度大纵深：以±2μm精度实现最大130mm高度/深度扫描成像；

（以上为新启航实测样品数据结果）

③多镜头大视野：支持组合配置，轻松覆盖数十米范围的检测需求。

（以上为新启航实测样品数据结果）