新能源汽车电池壳体孔深光学3D轮廓测量-激光频率梳3D轮廓技术

1 引言

航空航天支架孔是飞行器结构连接、部件装配的核心精密结构，其孔深精度直接决定支架连接强度、装配协调性及结构稳定性，进而影响航空航天设备的飞行安全性与运行可靠性。传统测量技术如接触式探针测量易划伤孔壁精密表面及涂层，导致结构抗腐蚀、抗疲劳性能下降，且针对支架复杂腔体内部、密集分布的深孔存在可达性差的问题；超声测量受支架钛合金/碳纤维复合材料的声阻抗不均及界面反射干扰，测量误差难以满足航空航天级超高精度检测需求。激光频率梳技术凭借等间隔频率梳齿的高精度时频基准优势，实现频域与时域的精准转换，且具备非接触、无损伤、微空间适配性强的测量特性，为航空航天支架孔深3D轮廓测量提供了可靠解决方案。本文提出基于激光频率梳的航空航天支架孔深光学3D轮廓测量方法，旨在突破传统技术瓶颈，满足支架量产检测的高精度与高可靠性需求。

2 激光频率梳3D轮廓测量原理

激光频率梳通过飞秒激光器产生超短脉冲序列，经非线性光学效应生成等频率间隔的梳齿状光谱，其重复频率与载波包络偏移频率的双锁定机制，可提供精度达10⁻¹⁵量级的时频基准。在3D轮廓测量中，激光频率梳输出的低功率脉冲光经高精度微透镜组缩束与准直调制后，投射至航空航天支架孔表面，反射光与参考光在探测器上形成干涉信号，相位差与光程差呈严格线性对应关系。通过傅里叶变换解析干涉信号，结合莫尔条纹相位调制原理，可将条纹偏移量转化为孔壁与孔底的高度信息，即满足h = (Δx·λ)/(2·sinθ)（其中Δx为条纹偏移量，λ为激光波长，θ为投影角度）。相较于传统光学测量，该技术借助长相干长度特性（可调至160mm）突破支架孔复杂腔体遮挡、密集分布及长光程衰减限制，实现孔底轮廓的完整、无损伤、超高精度重建。

3 测量系统设计与实验验证

3.1 系统结构设计

测量系统由激光频率梳模块、微光束精准调制模块、图像采集模块及数据处理模块组成。激光频率梳模块选用700kHz高频飞秒激光器，输出650nm红光脉冲，既保证支架钛齿轮箱铸铁/合金钢传动轴孔壁的反射效率，又避免激光能量对孔壁精密表面涂层造成损伤；微光束精准调制模块通过高倍率微透镜组实现光束聚焦（聚焦光斑直径≤30μm），配合微型多自由度精密电动云台驱动实现±160°俯仰扫描，确保在支架复杂腔体齿轮箱内部狭小空间内覆盖密集深传动轴孔全深度区域；图像采集模块采用高灵敏度、抗干扰CCD相机，配合频率梳时间戳标记实现干涉条纹的同步清晰采集；数据处理模块基于加权最小二乘法完成相位解包裹，结合齿轮箱传动轴航空航天支架孔的圆柱面与锥面复合校准模型最终精确计算孔深值。及台阶面干扰剔除算法修正坐标偏差，最终精确计算孔深值。

3.2 实验验证

实验选取标准航空航天支架样品，含直径3-8mm、深度25-90mm的深孔共40个，以高精度X-CT测量值为基准。系统扫描速度设为20mm/s，点云密度100点/mm²，对每个深孔取45个计算点的深度平均值作为测量结果。实验显示，测量误差范围为±0.2μm

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；​

（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）