1 引言

高鐵制動(dòng)盤(pán)作為列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，其表面分布的冷卻深孔是保障制動(dòng)散熱、避免熱衰退的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，孔深精度直接影響散熱效率與制動(dòng)安全性。傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)如接觸式探針測(cè)量易劃傷孔壁、且深孔底部可達(dá)性差；超聲測(cè)量受限于材料聲阻抗匹配，對(duì)金屬制動(dòng)盤(pán)深孔的測(cè)量精度不足。激光頻率梳技術(shù)憑借等間隔頻率梳齒的時(shí)頻基準(zhǔn)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了頻域與時(shí)域的精確轉(zhuǎn)換，為深尺度3D輪廓測(cè)量提供了新方案。本文提出基于激光頻率梳的高鐵制動(dòng)盤(pán)冷卻深孔孔深光學(xué)3D輪廓測(cè)量方法，旨在突破傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)高精度、高效率的孔深檢測(cè)。

2 激光頻率梳3D輪廓測(cè)量原理

激光頻率梳通過(guò)飛秒激光器產(chǎn)生超短脈沖序列，經(jīng)非線性光學(xué)效應(yīng)生成等頻率間隔的梳齒狀光譜，其重復(fù)頻率與載波包絡(luò)偏移頻率的雙鎖定機(jī)制，可提供精度達(dá)10?1?量級(jí)的時(shí)頻基準(zhǔn)。在3D輪廓測(cè)量中，激光頻率梳輸出的脈沖光經(jīng)擴(kuò)束調(diào)制后投射至冷卻深孔表面，反射光與參考光在探測(cè)器上形成干涉信號(hào)，相位差與光程差呈線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)傅里葉變換解析干涉信號(hào)，結(jié)合莫爾條紋相位調(diào)制原理，可將條紋偏移量轉(zhuǎn)化為孔壁與孔底的高度信息，即滿足h = (Δx·λ)/(2·sinθ)（其中Δx為條紋偏移量，λ為激光波長(zhǎng)，θ為投影角度）。相較于傳統(tǒng)光學(xué)測(cè)量，該技術(shù)借助長(zhǎng)相干長(zhǎng)度特性（可調(diào)至100mm）突破深孔遮擋限制，實(shí)現(xiàn)孔底輪廓的完整重建。

3 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)由激光頻率梳模塊、光束調(diào)制模塊、圖像采集模塊及數(shù)據(jù)處理模塊組成。激光頻率梳模塊選用500kHz高頻飛秒激光器，輸出650nm紅光脈沖以提升金屬制動(dòng)盤(pán)孔壁反射率；光束調(diào)制模塊通過(guò)數(shù)字微鏡器件（DMD）生成正弦條紋圖案，經(jīng)機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)±90°俯仰掃描，覆蓋冷卻深孔不同深度區(qū)域；圖像采集模塊采用高速CCD相機(jī)，配合頻率梳時(shí)間戳標(biāo)記實(shí)現(xiàn)干涉條紋的同步采集；數(shù)據(jù)處理模塊基于最小二乘法完成相位解包裹，結(jié)合仿射變換矩陣校準(zhǔn)孔位坐標(biāo)，最終計(jì)算孔深值。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)選取高鐵制動(dòng)盤(pán)樣品，含直徑2-5mm、深度10-30mm的冷卻深孔共50個(gè)，以高精度X-CT測(cè)量值為基準(zhǔn)。系統(tǒng)掃描速度設(shè)為20mm/s，點(diǎn)云密度80點(diǎn)/mm2，對(duì)每個(gè)冷卻深孔取30個(gè)計(jì)算點(diǎn)的深度平均值作為測(cè)量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)顯示，測(cè)量誤差范圍為±0.5μm，標(biāo)準(zhǔn)差＜0.8μm，較傳統(tǒng)超聲測(cè)量精度提升5倍；單樣品檢測(cè)耗時(shí)10分鐘，滿足量產(chǎn)篩查效率要求。在制動(dòng)盤(pán)生產(chǎn)車(chē)間粉塵環(huán)境（粉塵濃度≤10mg/m3）下，條紋對(duì)比度保持65%以上，驗(yàn)證了系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。

激光頻率梳3D光學(xué)輪廓測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)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(guó)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(guó)馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所）與John.L.Hall（美國(guó)國(guó)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(cè)距技術(shù)，打破傳統(tǒng)光學(xué)遮擋限制，專(zhuān)為深孔、凹槽等復(fù)雜大型結(jié)構(gòu)件測(cè)量而生。在1m超長(zhǎng)工作距離下，仍能保持微米級(jí)精度，革新自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)。?

核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)?

①同軸落射測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)需求。

（以上為新啟航實(shí)測(cè)樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

審核編輯 黃宇