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【新启航】航空飞机起落架深孔型腔的内轮廓检测方法探究 - 激光频率梳 3D 轮廓检测

news 2025/8/20 8:09:11

摘要：航空飞机起落架深孔型腔内轮廓检测对飞行安全至关重要，传统检测方法在复杂结构与高精度要求下面临挑战。本文探究基于激光频率梳的 3D 轮廓检测技术，分析其检测原理、核心优势及在起落架深孔型腔检测中的工程应用，为内轮廓高精度检测提供创新解决方案。

关键词：航空起落架；深孔型腔；内轮廓检测；激光频率梳；3D 轮廓检测

一、引言

航空飞机起落架作为起降过程中的关键承力部件，其深孔型腔内轮廓精度直接影响起落架的承载性能与疲劳寿命。深孔型腔在起落架缓冲器缸筒、轮轴连接孔等结构中普遍存在，具有深径比大（可达 12:1）、内轮廓复杂（含阶梯面、锥度区、环槽等）的特点。传统接触式检测如三坐标测量，受测头刚性限制难以深入复杂型腔；工业内窥镜仅能获取二维图像，无法完整表征三维轮廓。因此，亟需适配深孔型腔内轮廓特征的高精度检测技术。

二、激光频率梳 3D 轮廓检测原理

激光频率梳通过飞秒激光器产生频率间隔稳定的脉冲序列，形成梳状频谱结构。在深孔型腔内轮廓检测中，采用光纤耦合探针（直径 1.5mm）将激光导入型腔，基于光飞行时间（ToF）原理测量距离：脉冲光照射型腔内壁反射后，与参考光产生干涉，通过测量相位差计算光程差，结合频率梳重复频率f_r，可得距离d = c·\Delta t/2（c为光速，\Delta t为时间延迟）。检测系统通过振镜扫描模块（扫描角度 ±45°）与精密运动平台配合，实现轴向 0.05mm、周向 0.2° 的高密度采样，重构深孔型腔三维轮廓模型。

三、技术优势分析

（一）复杂轮廓高分辨率表征

针对起落架深孔型腔内 0.8mm 的过渡圆角、0.5mm 的环槽等细微结构，激光频率梳可实现 0.03mm 采样间隔的点云采集。某型起落架缓冲器缸筒检测实验表明，该技术对深度 3mm、宽度 2mm 的环槽轮廓识别率达 97%，较传统超声检测提升 40%。

（二）深径比适应性与无损检测

凭借光纤传导光束，可深入直径 4mm、深度 50mm 的深孔型腔，且测量误差不随孔深显著增加。在壁厚 2mm 的型腔检测中，激光频率梳的非接触测量避免了传统触针（针尖力 > 0.8mN）导致的孔壁形变，光压力 < 0.2μN，经三坐标复测验证，测量引起的形变误差 < 0.008mm。

（三）动态检测效率提升

采用线性调频连续波（FMCW）技术的激光频率梳系统，采样速率达 20kHz，完成直径 20mm、深度 150mm 的型腔全轮廓检测仅需 10 秒，较工业 CT 的 3 分钟检测时间提升 18 倍，满足生产线在线检测需求。

四、工程应用实践

（一）缓冲器缸筒内轮廓检测

在空客 A320 起落架缓冲器缸筒检测中，激光频率梳 3D 轮廓检测发现缸筒内壁 40mm 深处存在 0.15mm 的局部凹陷，通过三维轮廓分析确定凹陷区域范围。传统涡流检测因无法获取三维形貌未能识别该缺陷，验证了该技术在细微缺陷检测中的优势。

（二）轮轴连接孔型腔校准

起落架轮轴连接孔型腔位置度公差要求≤0.12mm，传统检测需拆卸零件离线测量。激光频率梳便携探头（长度 200mm）伸入轮轴安装状态的深孔内，15 分钟完成型腔三维坐标测量，检测数据与 CAD 模型比对偏差控制在 0.09mm 以内，实现装机状态下的在线校准。

（三）内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，对起落架缸筒内表面进行 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 ±7% 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

当前激光频率梳在深孔型腔内轮廓检测中面临强反射表面（如镀铬内壁）信号饱和、深孔中段杂散光干扰等问题。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，同时开发适配复杂型腔结构的模块化柔性探头，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。