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起落架大型结构件深孔测量探究 - 激光频率梳 3D 轮廓检测

news 2025/8/6 8:45:02

一、引言

起落架作为飞机关键承力部件，其大型结构件深孔（直径 50-150mm，深度＞1000mm）的尺寸精度直接影响起落架的装配精度与承载性能。传统测量方法如内径千分尺测量效率低，且难以获取深孔全轮廓数据；工业内窥镜检测精度不足，仅能达到 ±0.1mm。激光频率梳 3D 轮廓检测技术凭借长量程、高精度特性，为起落架深孔测量提供了创新解决方案。

二、传统深孔测量方法局限性

（一）接触式测量效率低下

内径千分尺需人工逐点测量，对于 1000mm 以上深孔，单次测量需耗时 2 小时以上，且受人为操作影响大，测量误差达 ±0.05mm。机械臂式接触测量虽可自动化，但探头刚性不足，在深孔中易发生弯曲，导致直径测量偏差＞0.1mm。

（二）非接触式测量精度不足

工业 CT 对大型结构件深孔检测时，因射线穿透厚度大，图像分辨率降低，对≤0.5mm 的缺陷识别率不足。激光三角法受深孔内漫反射影响，测量距离超过 500mm 时，精度从 ±0.02mm 降至 ±0.15mm。

三、激光频率梳 3D 轮廓检测系统原理

（一）系统硬件架构

检测系统由飞秒激光频率梳光源（重复频率 50MHz，相干长度＞2m）、光纤传导内窥模块（直径 30mm，工作距离 0-3m）、六轴机械臂（定位精度 ±0.01mm）及相位干涉探测器组成。特制长焦距光学镜头（视场角 70°）配合光束整形技术，实现深孔内壁的均匀照明。

（二）测量原理

基于光频梳相干测距与飞行时间融合原理，发射的激光脉冲序列经分束器分为测量光与参考光。测量光通过光纤传导至深孔内壁，反射光与参考光在探测器产生干涉，通过频域分析获取纳秒级时间差 Δt。根据公式d = c \cdot \Delta t / 2计算测点距离，结合六轴机械臂的螺旋扫描轨迹，构建深孔三维轮廓，轴向测量精度达 ±10μm。

四、起落架深孔测量方法

（一）分段扫描拼接策略

针对深孔（深度 1-3m）的长量程特性，采用 500mm 分段扫描方式。先以 20mm 层间距进行粗扫描，通过点云配准算法（如 ICP）识别相邻段重叠区域，再以 0.1mm 扫描步长进行精扫描。在深孔轴线偏移＞0.5mm 时，启动机械臂动态补偿机制，确保扫描轨迹与孔轴线同轴度误差＜0.02mm。

（二）多物理场数据融合算法

开发光强 - 相位 - 温度融合算法：通过 1030nm/1550nm 双波长激光解算相位歧义，利用深孔内壁反射光强分布识别油污区域；引入温度传感器实时补偿环境温漂对光速的影响（每℃引起 0.025ppm 误差）。采用双边滤波去除点云噪声，通过 RANSAC 算法拟合深孔轴线，计算圆度、圆柱度等形位公差，误差评估精度＜50nm。

五、实验验证与应用

（一）起落架支柱深孔检测

对某型客机起落架支柱深孔（直径 120mm，深度 2500mm）进行检测，螺旋扫描（螺距 0.5mm）获取点云密度 10 点 /mm²。检测结果显示，深孔圆柱度误差≤0.03mm，轴线直线度误差≤0.015mm/m，较传统内径千分尺效率提升 15 倍，且成功识别出 3 处≤0.2mm 的内壁划痕缺陷。

（二）缓冲器安装孔检测

在起落架缓冲器安装孔（直径 80mm，深度 1800mm）检测中，采用分区扫描（分 5 个区域），公共特征点配准误差＜30μm。测量结果表明，孔口平面度误差≤0.02mm，与螺栓安装面的垂直度误差≤0.01°，满足起落架装配的严苛要求，检测时间从传统方法的 3 小时缩短至 25 分钟。

（三）应力集中区域检测

针对起落架深孔应力集中区域（如退刀槽部位），利用激光频率梳的高分辨率特性，进行局部放大扫描（扫描步长 0.05mm）。在某型起落架疲劳试验件检测中，成功捕捉到退刀槽圆角处≤50μm 的微裂纹，该裂纹会导致应力集中系数增加 15%，为起落架结构强度分析提供了关键数据。

六、技术优势分析

该检测方法在起落架大型结构件深孔测量中具有显著优势：非接触测量避免了传统接触式测量的探头磨损问题，适用于硬铬镀层等易损伤表面；长量程高精度特性（0-3m 测量范围，±10μm 精度）满足起落架深孔的全尺寸检测需求；三维轮廓与有限元分析的融合，可直接评估深孔加工对起落架承载性能的影响。在深径比＞20 的极端深孔检测中，效率较传统方法提升 20 倍以上，为飞机起落架的制造与维修提供了关键检测技术保障。

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.Hänsch（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。