自定心深凹槽参数测量装置及测量方法 —— 激光频率梳 3D 轮廓测量

引言

在机械零件深凹槽测量中，传统装置常因定位偏差导致测量误差。自定心深凹槽参数测量装置通过创新结构设计，结合激光频率梳 3D 轮廓测量技术，实现了深凹槽参数的高精度测量，为解决深凹槽测量定位难题提供了有效方案。

自定心深凹槽参数测量装置

装置设计原理

装置基于三点定心原理设计，通过对称分布的定心机构实现深凹槽中心轴线的自动定位。定心机构采用弹性支撑结构，可根据深凹槽直径自适应调整，确保测量装置中心与深凹槽中心重合，从根源上消除定位误差。

关键结构组成

装置主要由定心模块、测量模块和支撑框架构成。定心模块包含三个对称布置的弹性臂，每个弹性臂末端装有耐磨陶瓷触头，可与深凹槽内壁紧密接触；测量模块集成激光频率梳 3D 轮廓测量系统，包括激光发射与接收单元、扫描振镜等；支撑框架为各模块提供刚性支撑，并保证模块间的相对位置精度。

装置制作工艺

定心模块的弹性臂采用钛合金材料，经精密锻造和时效处理，确保弹性性能稳定，其表面粗糙度控制在 Ra≤0.4μm，以减少与深凹槽内壁的摩擦。测量模块的激光发射单元与接收单元安装在同一刚性基板上，通过高精度调整机构保证光轴平行度误差不超过 10″。支撑框架采用铝合金材质，经五轴加工中心精密加工，各安装面的平面度误差≤0.01mm。

基于激光频率梳 3D 轮廓测量的方法

测量原理

利用激光频率梳的飞秒脉冲干涉测距原理，对深凹槽内壁进行扫描。激光频率梳发出的超短脉冲激光经扫描振镜反射后，照射到深凹槽内壁，反射光与参考光发生干涉，通过光谱仪分析干涉信号，解算出深凹槽内壁各点的三维坐标，结合自定心装置的精准定位，实现深凹槽参数的高精度测量。

测量流程

测量时，先将自定心测量装置放入深凹槽中，定心模块的弹性臂自动张开与凹槽内壁接触，完成中心定位；然后启动激光频率梳 3D 轮廓测量系统，对深凹槽进行螺旋扫描，采集内壁点云数据；最后通过专用软件对数据进行处理，计算出深凹槽的深度、直径、圆度等参数。整个测量过程无需人工干预，100mm 深的凹槽测量仅需约 8 秒。

误差抑制措施

为提高测量精度，采取了多项误差抑制措施。通过温度传感器实时监测装置温度，当温度变化超过 ±0.5℃时，自动对激光频率梳的频率进行补偿；利用惯性测量单元监测装置振动，通过软件算法对振动引起的测量误差进行修正；针对深凹槽底部信号较弱的问题，采用动态功率调节技术，根据扫描深度自动调整激光功率，确保信号强度稳定。

技术优势

自定心深凹槽参数测量装置与激光频率梳 3D 轮廓测量技术结合，具有显著优势。定位精度高，定心误差≤0.005mm，确保测量基准准确；测量效率高，相比传统方法提升 5 倍以上；适用范围广，可测量深径比达 20:1 的深凹槽；测量精度高，深度测量不确定度可达 ±0.3μm，圆度测量误差≤0.5μm，能满足高精度机械零件深凹槽的测量需求。

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）