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飞机起落架轮轴深孔中间段电解扩孔内轮廓测量 - 激光频率梳 3D 轮廓检测

news 2025/8/8 6:12:45

一、引言

飞机起落架轮轴深孔中间段电解扩孔（深度 800-1500mm，直径 40-100mm）的内轮廓精度直接影响轮轴装配同轴度与疲劳强度。电解扩孔工艺形成的复杂内轮廓（如锥度、抛光纹）使传统测量方法面临挑战：接触式测量易损伤电解抛光表面，工业 CT 难以识别电解产物附着导致的微观缺陷。激光频率梳 3D 轮廓检测技术凭借非接触、纳米级精度特性，为该类特殊内轮廓的测量提供了创新方案。

二、传统测量方法的局限性

（一）接触式测量的工艺适配性不足

电解扩孔表面粗糙度 Ra≤0.4μm，内径千分尺测量时探针压力（＞50g）会造成表面塑性变形，测量后表面粗糙度恶化达 30%。机械臂式接触测量的探针曲率半径（≥0.5mm）无法贴合电解扩孔形成的微小锥度（0.5°-1°），导致轮廓数据偏差＞0.05mm。

（二）非接触式测量的分辨率瓶颈

工业 CT 对电解扩孔内的电解产物附着（厚度≤0.1mm）识别率不足，图像灰度值差异＜5% 时难以区分。激光三角法受电解抛光表面镜面反射影响，测量信号强度衰减超 70%，在深孔中间段（距离＞1000mm）的轮廓坐标误差达 ±0.15mm，无法满足轮轴装配 ±0.02mm 的精度要求。

三、激光频率梳检测系统原理与架构

（一）硬件系统构成

检测系统由飞秒激光频率梳光源（重复频率 80MHz，相干长度＞4m）、柔性光纤传导模块（直径 25mm，弯曲半径≥50mm）、五轴联动机械臂（定位精度 ±0.008mm）及相位干涉探测器组成。特制的偏振分光内窥镜头（视场角 75°）配合去偏振涂层，可抑制电解抛光表面的镜面反射干扰，实现光信号高效接收。

（二）测量原理

基于光频梳相干测距与偏振光干涉融合原理，发射的飞秒脉冲序列经偏振分束器分为测量光与参考光。测量光通过柔性光纤传导至电解扩孔内壁，反射光经偏振滤波后与参考光干涉，通过频域分析获取飞秒级时间差 Δt，利用公式d = c \cdot \Delta t / 2计算测点距离。结合五轴机械臂的螺旋扫描轨迹，构建内轮廓三维点云，轴向测量精度达 ±8μm，径向精度达 ±3μm。

四、电解扩孔内轮廓测量方法

（一）偏振光自适应扫描策略

针对电解扩孔的镜面反射特性，采用偏振光分时扫描方式：先发射水平偏振光进行粗扫描（层间距 20mm），通过偏振度分析识别高反射区域，再发射 45° 偏振光以 0.03mm 步长精扫描。在深孔中间段（深度 800-1200mm）启用动态光强补偿机制，根据反射光强反馈调节激光功率（调节范围 10%-100%），确保信号信噪比＞30dB。

（二）电解产物附着补偿算法

开发偏振度 - 光强 - 相位融合算法：通过 1064nm/1535nm 双波长激光偏振干涉解算相位歧义，利用偏振度分布（范围 0-1）识别电解产物附着区域；引入电解工艺参数（如电流密度、电解液温度）作为约束条件，建立附着层厚度与光强衰减的映射模型。采用非局部均值滤波去除噪声，通过 B 样条曲面拟合电解扩孔的微小锥度，实现锥度角测量误差＜0.005°。

五、实验验证与应用

（一）轮轴深孔电解扩孔检测

对某型客机起落架轮轴深孔（直径 80mm，深度 1200mm，电解扩孔锥度 0.8°）中间段进行检测，螺旋扫描（螺距 0.2mm）获取点云密度 20 点 /mm²。检测结果显示，电解扩孔锥度角测量误差≤0.003°，表面粗糙度 Ra 测量误差≤0.05μm，较传统触针式轮廓仪效率提升 25 倍，成功识别出 3 处≤0.08mm 的电解产物残留。

（二）阶梯孔电解扩孔检测

在轮轴阶梯孔（直径 60mm/80mm，深度 1000mm）电解扩孔检测中，采用分区偏振扫描（分 4 个区域），公共特征点配准误差＜15μm。测量显示，阶梯过渡处圆角半径误差≤0.02mm，两直径段同轴度误差≤0.01mm，检测时间从传统方法的 3.5 小时缩短至 22 分钟，满足轮轴与轴承的过盈配合精度要求。

（三）应力集中区电解抛光纹测量

针对轮轴深孔应力集中区（如油孔连接处）的电解抛光纹，启用高分辨率偏振扫描（扫描步长 0.015mm）。在某型起落架轮轴大修检测中，捕捉到抛光纹间距≤50μm 的周期性缺陷，该缺陷会导致应力集中系数增加 10%，为轮轴疲劳寿命预测提供了微观形貌数据支撑。

六、技术优势分析

该检测方法在轮轴深孔电解扩孔内轮廓测量中具有显著优势：非接触偏振光测量避免了电解抛光表面损伤，适用于轮轴大修后的复检测量；纳米级精度与偏振解析能力结合（±3μm 径向精度，偏振度分辨率 0.01），可量化评估电解扩孔的微观形貌特征；三维轮廓与电解工艺仿真的深度融合，能直接优化电解参数，将轮轴深孔电解扩孔的废品率从 8% 降至 1.5% 以下。在深径比＞30 的极端电解扩孔检测中，效率较传统方法提升 30 倍以上，为飞机起落架轮轴的精密制造提供了核心检测技术保障。

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。

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；