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【新启航】起落架大型结构件深孔检测探究 - 激光频率梳 3D 轮廓检测

news 2025/8/15 6:40:36

关键词：起落架；大型结构件；深孔检测；激光频率梳；3D 轮廓检测

一、引言

起落架作为飞行器关键承力部件，其大型结构件深孔的加工精度直接影响起落架的承载能力与疲劳寿命。深孔特征在起落架活塞杆连接孔、缓冲器安装孔等部位普遍存在，孔深径比常达 10:1 以上，且孔内多存在台阶、倒角等复杂结构。传统涡流检测受趋肤效应限制，难以获取孔壁三维形貌；工业 CT 检测虽具备三维成像能力，但对大尺寸零件存在扫描效率低、辐射防护成本高的缺陷。因此，亟需一种兼顾精度与效率的深孔检测技术。

二、激光频率梳 3D 轮廓检测技术原理

激光频率梳通过飞秒激光器产生一系列频率间隔为兆赫兹级的脉冲序列，形成类似梳子状的频谱结构。在深孔检测中，采用光纤耦合方式将激光束导入孔内，利用光飞行时间（ToF）原理计算孔壁各点距离：当脉冲光照射到孔壁表面时，反射光与参考光在光电探测器产生干涉，通过测量光程差对应的相位差，结合频率梳的重复频率 f_r，可精确计算距离信息 d=c・Δt/2（c 为光速，Δt 为时间延迟）。系统通过振镜扫描实现孔壁周向与轴向的三维点云采集，配合算法重构出深孔的三维轮廓模型。

三、技术优势分析

（一）大深径比适应性

传统接触式测头因刚性不足，在深径比超过 5:1 时测量误差显著增大。激光频率梳通过光纤传导光束，可深入直径 5mm 以下、深度超 50mm 的深孔内部，且测量误差不随孔深增加而累积，在 100mm 深孔检测中仍能保持 ±10μm 的精度。

（二）复杂结构全尺寸表征

针对起落架深孔常见的变直径台阶孔（如过渡圆角 R0.5mm）、锥度孔（锥度 0.5°-2°）等结构，激光频率梳可实现 0.1mm 采样间隔的高密度点云采集。某型起落架活塞杆连接孔检测实验表明，该技术对孔内 0.3mm 深的划痕缺陷识别率达 92%，优于传统内窥镜的 75% 识别率。

（三）动态测量效率提升

采用线性调频连续波（FMCW）技术改进的激光频率梳系统，可实现 10kHz 的采样速率，完成直径 20mm、深度 150mm 的深孔全周检测仅需 8 秒，较工业 CT 的 3 分钟检测时间提升 22 倍，满足生产线在线检测需求。

四、在起落架检测中的应用实践

（一）承载孔疲劳损伤检测

在某型客机主起落架枢轴孔检测中，利用激光频率梳 3D 轮廓检测发现孔壁 20mm 深处存在 0.15mm×0.8mm 的微裂纹，通过三维形貌分析确定裂纹沿 45° 方向扩展。传统超声检测因声束衰减未识别该缺陷，验证了该技术在深孔微缺陷检测中的优势。

（二）装配孔位置度校准

起落架舱门连接孔群的位置度公差要求≤0.2mm，传统三坐标测量需拆卸零件离线检测。激光频率梳通过便携探头伸入舱体内部，10 分钟内完成 8 个深孔的三维坐标测量，检测数据与 CAD 模型比对偏差控制在 0.12mm 以内，实现装配状态下的在线校准。

（三）表面粗糙度量化评估

建立基于三维轮廓的粗糙度评价模型，对起落架缓冲器安装孔内表面进行 Ra 值测量。实验数据显示，该技术测量结果与触针式粗糙度仪的偏差在 ±8% 以内，满足航空标准中 Ra≤1.6μm 的检测要求，且避免了触针磨损导致的测量误差。

五、技术挑战与发展方向

当前激光频率梳在起落架深孔检测中仍面临强光反射干扰（如镀铬孔壁反射率 > 85% 导致信号饱和）、深孔内杂散光抑制等问题。未来可通过多波长激光复合探测、智能滤波算法优化等手段提升抗干扰能力，同时开发适配起落架复杂结构的模块化探头，推动该技术在航空维修领域的工程化应用。

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。