激光頻率梳 3D 輪廓測量在深孔孔深測量的應(yīng)用有哪些

摘要

本文針對深孔孔深測量需求，探討激光頻率梳 3D 輪廓測量技術(shù)的應(yīng)用。先分析深孔測量現(xiàn)狀及傳統(tǒng)方法局限，再闡述該技術(shù)原理，最后結(jié)合航空航天、石油工程等領(lǐng)域?qū)嵗宫F(xiàn)其在深孔孔深測量中的具體應(yīng)用，為相關(guān)工程實(shí)踐提供參考。

關(guān)鍵詞

激光頻率梳；3D 輪廓測量；深孔孔深測量；應(yīng)用

一、引言

在現(xiàn)代工業(yè)制造中，深孔結(jié)構(gòu)廣泛存在于航空航天、能源、機(jī)械等領(lǐng)域，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片冷卻孔、石油鉆井孔、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)噴油孔等。深孔孔深的精確測量對產(chǎn)品質(zhì)量和性能至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)測量方法如深度計(jì)、測繩、聲波測井等，在面對大長徑比、高精度要求的深孔時(shí)，存在精度低、效率差、適應(yīng)性弱等問題。激光頻率梳 3D 輪廓測量技術(shù)憑借其獨(dú)特優(yōu)勢，為深孔孔深測量提供了高效精準(zhǔn)的解決方案。

二、激光頻率梳 3D 輪廓測量技術(shù)原理

激光頻率梳是一種具有精確頻率間隔的光頻源，其頻譜呈現(xiàn)梳狀結(jié)構(gòu)，可作為頻率和時(shí)間測量的 “標(biāo)尺”。該技術(shù)基于光的干涉原理，發(fā)射的超短激光脈沖經(jīng)分光后分為測量光和參考光。測量光射向深孔底部，反射后與參考光干涉，產(chǎn)生的干涉信號(hào)由光柵光譜儀接收。通過對干涉數(shù)據(jù)處理，利用光譜解算待測距離（即孔深），同時(shí)結(jié)合各梳齒干涉信息的傅里葉變換，獲取深孔不同位置深度，實(shí)現(xiàn) 3D 輪廓測量。

三、激光頻率梳 3D 輪廓測量在深孔孔深測量中的具體應(yīng)用

3.1 航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中，渦輪葉片冷卻孔的深度精度直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)散熱效率和使用壽命。某航空企業(yè)在加工冷卻孔時(shí)，傳統(tǒng)測量方法導(dǎo)致廢品率達(dá) 15%。采用激光頻率梳 3D 輪廓測量技術(shù)后，孔深測量精度達(dá) ±10μm，廢品率降至 3%。該技術(shù)可實(shí)時(shí)監(jiān)測加工過程中孔深變化，幫助調(diào)整切削參數(shù)，確保冷卻孔深度符合設(shè)計(jì)要求，提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能和可靠性。

3.2 石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用

石油鉆井過程中，準(zhǔn)確測量井孔深度對鉆井安全和油氣資源開采至關(guān)重要。在復(fù)雜地質(zhì)條件下，傳統(tǒng)測量方法受環(huán)境影響大，精度難以保證。激光頻率梳 3D 輪廓測量技術(shù)可在高溫、高濕、粉塵等惡劣環(huán)境中穩(wěn)定工作，快速準(zhǔn)確獲取井孔深度數(shù)據(jù)。某油田應(yīng)用該技術(shù)后，鉆井孔深測量誤差控制在 ±50μm 內(nèi)，為鉆井軌跡規(guī)劃和油氣層定位提供了精準(zhǔn)數(shù)據(jù)支持，減少了鉆井事故發(fā)生率。

3.3 汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)噴油孔的深度精度影響燃油噴射效果和發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性。傳統(tǒng)測量方法在批量檢測噴油孔時(shí)效率低、誤差大。激光頻率梳 3D 輪廓測量技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對噴油孔孔深的快速非接觸測量，每分鐘可檢測數(shù)十個(gè)零件，且測量精度達(dá) ±20μm。某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廠采用該技術(shù)后，噴油孔加工質(zhì)量顯著提升，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗降低 5%。

3.4 精密機(jī)械加工領(lǐng)域的應(yīng)用

在精密機(jī)械零件加工中，如液壓缸深孔、動(dòng)車空心主軸等，對孔深精度要求極高。激光頻率梳 3D 輪廓測量技術(shù)可對這些深孔進(jìn)行高精度 3D 輪廓測量，不僅能獲取孔深數(shù)據(jù)，還能檢測孔壁直線度、圓度等參數(shù)。某精密機(jī)械加工廠利用該技術(shù)，將深孔孔深測量精度提升至 ±5μm，滿足了高端零件的加工要求。

四、應(yīng)用優(yōu)勢分析

4.1 高精度測量能力

該技術(shù)利用激光頻率梳的高相干性，測量精度可達(dá)微米級甚至納米級，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)測量方法，能滿足航空航天等高精度領(lǐng)域需求。

4.2 非接觸式測量特性

無需與深孔內(nèi)壁接觸，避免了測量過程對孔壁的損傷，特別適合光學(xué)儀器、精密零件等對表面質(zhì)量要求高的深孔測量。

4.3 快速測量與實(shí)時(shí)監(jiān)測

可快速發(fā)射激光脈沖并采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)深孔孔深的實(shí)時(shí)測量和加工過程監(jiān)測，提高生產(chǎn)效率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)加工誤差。

4.4 強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性

受光線、溫度、濕度等環(huán)境因素影響小，能在惡劣工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定工作，適用于石油、礦山等復(fù)雜工況下的深孔測量。

激光頻率梳3D光學(xué)輪廓測量系統(tǒng)簡介：

20世紀(jì)80年代，飛秒鎖模激光器取得重要進(jìn)展。2000年左右，美國J.Hall教授團(tuán)隊(duì)?wèi){借自參考f-2f技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的鈦寶石鎖模激光器，標(biāo)志著飛秒光學(xué)頻率梳正式誕生。2005年，Theodor.W.H?nsch（德國馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所）與John.L.Hall（美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所）因在該領(lǐng)域的卓越貢獻(xiàn)，共同榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。?

系統(tǒng)基于激光頻率梳原理，采用500kHz高頻激光脈沖飛行測距技術(shù)，打破傳統(tǒng)光學(xué)遮擋限制，專為深孔、凹槽等復(fù)雜大型結(jié)構(gòu)件測量而生。在1m超長工作距離下，仍能保持微米級精度，革新自動(dòng)化檢測技術(shù)。?

核心技術(shù)優(yōu)勢?

①同軸落射測距：獨(dú)特掃描方式攻克光學(xué)“遮擋”難題，適用于縱橫溝壑的閥體油路板等復(fù)雜結(jié)構(gòu)；?

（以上為新啟航實(shí)測樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

②高精度大縱深：以±2μm精度實(shí)現(xiàn)最大130mm高度/深度掃描成像；?

（以上為新啟航實(shí)測樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

③多鏡頭大視野：支持組合配置，輕松覆蓋數(shù)十米范圍的檢測需求。

（以上為新啟航實(shí)測樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）