机械零件深凹槽测量方法的探究 —— 激光频率梳 3D 轮廓测量

引言

在机械制造领域，深凹槽作为关键结构广泛存在于航空发动机叶片、汽车模具、精密轴承等零件中，其测量精度直接影响零件装配精度与设备运行可靠性。随着制造业向高精度、智能化发展，深凹槽测量面临深径比大、结构复杂、精度要求高等挑战，探索高效精准的测量方法成为行业研究重点。

传统机械零件深凹槽测量方法

接触式测量方法

电感测微仪测量

电感测微仪通过测头与深凹槽底面接触，基于电磁感应原理将位移转化为电感量变化来测量深度。该方法测量范围通常为 0 - 50mm，分辨率可达 1μm，适用于精度要求较高的场合。但测头直接接触易划伤零件表面，且单点测量效率低，深凹槽内若存在油污或切屑，会影响测量准确性。

百分表配合量块测量

此方法利用百分表与量块组合，通过比较测量获取深凹槽深度。操作简便、成本低，但测量精度受人为因素影响大，误差可达 ±0.05mm，仅适用于精度要求不高的粗测，无法满足精密零件检测需求。

非接触式测量方法

超声波测量

超声波测量通过发射超声波脉冲并接收底面反射回波，根据传播时间计算深度。可测深度大（达 1000mm），但超声波在不同介质中传播会发生折射与衰减，当深凹槽内壁不平整或存在涂层时，回波信号易畸变，导致测量误差增大，精度约 ±0.5%。

工业 CCD 视觉测量

工业 CCD 视觉测量采用相机配合结构光投射器，基于三角测量原理获取深凹槽三维形貌。测量视野灵活，但深径比超过 5:1 时，凹槽底部易因光线遮挡形成盲区，且环境光干扰会影响图像质量，深度分辨率约 5μm，难以满足高精度测量要求。

激光频率梳 3D 轮廓测量方法

测量原理与系统构成

激光频率梳 3D 轮廓测量技术基于飞秒激光锁模技术，其光谱为等间隔梳状频率分布，可实现时间与频率的精准测量。测量系统主要由飞秒激光光源、光纤耦合模块、二维扫描振镜及高速光谱仪组成。光源发出 1550nm 超短脉冲激光，经振镜扫描深凹槽内壁，反射光与参考光干涉后，通过光谱分析解算出各点三维坐标，构建表面轮廓。

技术优势

该技术具有非接触测量特性，避免了对零件表面的损伤，适用于各类材料零件；测量精度高，深度测量不确定度可达 ±0.3μm，能捕捉微小缺陷；测量效率提升显著，100mm 深凹槽检测仅需数秒，且可实现三维点云全覆盖，完整呈现凹槽形貌。

典型应用场景

在航空发动机叶片榫槽检测中，激光频率梳 3D 轮廓测量系统可在 5 秒内完成深度 30 - 80mm、深径比 10:1 的榫槽全周扫描，精度达 ±0.8μm，同时获取侧壁垂直度等数据；汽车发动机缸体水套深槽检测中，德国 Fibro 公司的在线检测设备利用该技术 8 秒内完成 50mm 深槽三维建模，深度测量精度 ±1.2μm，有效识别积屑瘤等缺陷；对于半导体封装基板等精密零件的浅而窄深槽，日本研发的微型系统实现了深径比 20:1 的窄槽检测，精度达 ±0.3μm。

测量流程与误差抑制

测量时先对零件预处理，确保表面清洁，然后调整系统参数进行扫描，最后通过软件处理数据得到结果。为抑制误差，采用波长调谐技术避开切削液干扰，利用惯性测量单元补偿振动误差，针对深凹槽底部信号衰减问题，通过光纤探针阵列等技术保障测量精度。

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）