1、书书书装 备 无 损 检 测 与 健 康 监 测 技 术 专 刊（二）测控技术年 第卷 第期收 稿 日 期：基 金 项 目：北 京 新 风 航 天 装 备 有 限 公 司 厂 科 技 创 新 基 金（）引 用 格 式：王 建 颖，张 婧 毓，张 自 强，等基 于 光 学 频 率 梳 的 高 精 度 几 何 量 检 测 系 统测 控 技 术，（）：，（）：基于光学频率梳的高精度几何量检测系统王 建 颖，张 婧 毓，张 自 强，侯冲（北 京 新 风 航 天 装 备 有 限 公 司，北 京）摘 要：复 杂 结 构 高 精 度 在 线 测 量 是 航 空 航 天 等 多 个 领 域 结 构 件 生 产
2、 过 程 中 必 要 的 环 节，对 产 品 质 量 起 到决 定 性 作 用。针 对 现 有 手 工 测 量 方 法 结 构 特 征 尺 寸 精 度 低、三 维 形 貌 重 建 困 难 和 数 据 一 致 性 差 等 问 题，提 出 了 一 种 基 于 光 学 频 率 梳 的 非 接 触 在 线 测 量 方 法，并 对 结 构 件 表 面 三 维 特 征 进 行 测 量 实 验。该 方 法将 机 械 平 台 与 光 学 频 率 梳 测 量 方 法 相 融 合，构 建 了 以 飞 秒 光 学 频 率 梳 为 基 础 的 表 面 特 征 高 精 度 测 量 体系。通 过 图 像 处 理 与 分
3、析 获 取 表 面 三 维 点 云 数 据，计 算 拟 合 得 到 被 测 物 体 的 表 面 形 貌 特 征，进 而 解 算 出被 测 物 体 的 几 何 参 数。实 验 结 果 表 明：采 用 该 测 量 方 法 和 处 理 算 法 搭 建 的 系 统 最 大 检 测 面 积 为 ，测 量 重 复 精 度 为 ，结 合 工 控 机 数 据 处 理 软 件，可 实 现 自 动 化 在 线 检 测。关 键 词：光 学 频 率 梳；非 接 触 测 量；数 据 处 理；三 维 特 征 检 测中 图 分 类 号：；文 献 标 志 码：文 章 编 号：（）：牞 牞 牞 牗 牞 牞 牞 牘牶 牞 牞 牞
4、 牞 牞 牞 牞 牞 牶 牷 牷 牷 高 精 度 结 构 件 表 面 三 维 特 征 检 测 在 科 学 研 究 和 工业 制 造 中 发 挥 着 重 要 的 作 用，但 目 前 检 测 方 法 难 以 满足 市 场 需 求，因 此 复 杂 结 构 件 的 检 测 迫 切 需 要 新 型 的检 测 方 法 和 检 测 设 备。航 空 航 天 产 品 生 产 加 工 中 常 涉及 零 件 焊 接 技 术，焊 缝 质 量 直 接 影 响 零 部 件 的 工 作 性能 和 安 全 性 能，对 焊 缝 的 形 貌 质 量 有 着 更 严 格 的 要求。通 常 加 工 工 件 的 测 量 使 用 三 维
5、 测 量 技 术，即 通过 对 被 测 目 标 的 感 兴 趣 区 域 采 样 来 获 取 并 描 述 出 其 三维 图 形 的 方 法，一 般 分 为 接 触 式 和 非 接 触 式，其 中，接 触 式 检 测 方 法 需 要 与 被 测 物 体 接 触，具 有 易 划 伤 探头 和 被 测 工 件 表 面、存 在 接 触 压 力 和 半 径 补 偿 等 缺 点。随 着 激 光 技 术 的 不 断 发 展，非 接 触 激 光 测 量 技 术 逐 渐作 为 主 导，该 方 法 具 有 实 时 性 等 优 点，能 够 满 足 快 速 生产 线 的 要 求。随 着 生 产 加 工 技 术 的 进
6、步，对 工 件 高 精 度 检 测 提出 了 更 加 严 格 的 要 求，国 内 外 学 者 对 此 进 行 了 许 多 研究，常 见 的 非 接 触 式 检 测 方 法 利 用 光 学 检 测 原 理，通 过对 被 测 目 标 的 待 测 区 域 进 行 采 样 来 描 述 其 三 维 模 型，并 对 采 样 结 果 进 行 分 析，得 到 待 测 参 数。但 传 统 光 学测 量 法 容 易 受 到 外 界 环 境 的 干 扰。等提 供 了一 种 无 论 测 量 条 件 如 何 都 能 检 测 组 件 倾 斜 的 零 件 表 面几 何 误 差 检 测 方 法。国 内 刘 美 慧 等采 用
7、相 位 轮 廓技 术 获 取 目 标 三 维 形 貌，校 正 后 获 取 目 标 物 体 形 貌 特征，每 个 像 素 点 误 差 不 超 过。在 传 统 光 学 测 量 方法 的 基 础 上，等将 锁 模 飞 秒 激 光 器 应 用 于 角度 测 量 方 面，并 设 计 了 基 于 光 频 率 梳 激 光 器 光 角 度 传感 器，拓 展 了 光 学 频 率 梳 的 应 用 范 围。韩 家 杰 等采用 激 光 技 术 对 管 道 焊 缝 三 维 结 构 形 貌 拟 合，并 提 出 应用 线 结 构 光 检 测 焊 缝 成 形 质 量。吴 翰 钟 等研 究 了基 于 强 度 探 测 的 绝 对
8、 距 离 测 量 方 法，推 导 了 光 学 频 率梳 的 脉 冲 相 干 性，分 析 了 不 同 的 脉 冲 模 型 对 应 的 脉 冲互 相 关 条 纹 在 检 测 等 方 面 有 重 要 意 义。学 者 们 对 采 样结 果 处 理 方 法 也 进 行 了 不 同 探 索。等提 出了 一 种 基 于 差 分 进 化 的 遗 传 算 法 来 识 别 用 于 马 赫曾德 尔 光 频 梳 产 生 的 输 入 驱 动 信 号 集。仿 真 结 果 表 明，该 算 法 是 一 种 有 效 的 多 参 数 优 化 方 法，可 解 决 在 给 定平 面 度 条 件 下 具 有 一 定 数 量 光 频 线
9、 的 梳 齿 设 计 问 题。邓 钦 元 等结 合 空 间 频 域 算 法 提 出 了 一 种 基 于 包 络信 号 辅 助 分 析 的 方 法，为 微 结 构 形 貌 测 量 提 供 了 新 的思 路。王 典 泽建 立 了 基 于的 迭 代 法 求 解 最 小二 程 拟 合 平 面 方 程 的 模 型，最 终 解 算 出 平 面 度 误 差，为解 算 几 何 误 差 提 供 了 更 简 便 的 方 法。通 过 对 国 内 外 现 有 技 术 深 入 研 究，当 前 对 于 在 线形 貌 测 量 已 经 有 了 很 多 尝 试，在 非 接 触 测 量 方 面 也 取得 一 定 的 进 展，但
10、现 有 的 测 量 方 法 在 实 际 工 程 应 用 中，在 有 效 测 量 范 围、整 体 测 量 精 度、测 量 效 率、适 用 性、操作 便 捷 性 等 方 面 都 有 一 定 的 局 限 性，难 以 满 足 工 件 尺寸 测 量 的 精 密 性 和 自 动 化 需 求。鉴 于 工 件 尺 寸 面 临 严峻 的 测 量 条 件 和 严 格 的 测 量 要 求，以 及 多 种 外 界 因 素的 干 扰，需 要 研 发 出 灵 活 性 强、可 靠 性 高、适 应 性 好 且易 于 实 现 自 动 化 的 测 量 技 术。本 文 为 了 解 决 现 有 测 量 方 法 在 使 用 过 程 中
11、 采 用 单一 光 学 或 机 械 模 式 测 量 所 带 来 的 局 限 性，针 对 航 空 航天 工 业 生 产 的 实 际 需 求，设 计 了 一 套 基 于 光 学 频 率 梳的 高 精 度 在 线 检 测 系 统。该 方 法 采 用 两 束 脉 冲 干 涉 后获 得 脉 冲 干 涉，从 而 实 现 光 学 采 样，并 获 取 到 被 测 件 表面 面 型 三 维 信 息；通 过 三 维 移 动 平 台 坐 标 结 合 光 谱 数据 解 算 出 的 绝 对 值 距 离 数 据 可 以 得 到 微 结 构 表 面 形 貌点 云；最 后 利 用 最 小 二 乘 法 处 理 并 拟 合 零
12、部 件 表 面 形貌 的 三 维 特 征。以 高 功 率 固 体 激 光 器 调 制 光 学 频 率梳，作 为 一 种 高 精 度 测 量 工 具，其 具 有 优 于 传 统 激 光技 术 的 特 性，能 够 将 人 类 的 测 距 技 术 带 入 到 一 个 新的 高 度。本 文 研 究 的 内 容 包 括：所 构 建 的 系 统 采 用 高 精 度 三 维 移 动 平 台，使 测量 系 统 在 运 行 过 程 中 具 有 较 高 的 灵 活 性 和 稳 定 性。测 量 模 块 采 用 光 学 频 率 梳 原 理，合 成 激 光 的 相干 性 极 好，提 高 了 非 接 触 几 何 量 测
13、量 精 度，系 统 选 用 的激 光 器 具 有 优 异 的 稳 定 性、结 构 紧 凑、价 格 合 理，且 易于 维 护。构 建 了 光 机 结 合 的 系 统 框 架，可 针 对 不 同 测 量需 求 实 现 实 时 动 态 测 量，同 时 可 以 实 现 非 接 触 式 无 损检 测，以 解 决 被 测 物 体 表 面 不 易 测 量 的 几 何 量 的 高 效、精 确 测 量 难 题。系 统 总 体 设 计基 于 光 学 频 率 梳 的 高 精 度 在 线 检 测 系 统 包 括：高功 率 激 光 光 频 梳、收 发 光 路 系 统、一 维 位 移 台、傅 里 叶光 谱 分 析 仪、高
14、 精 度 三 维 移 动 平 台、数 据 采 集 和 处 理 终端，其 中 收 发 光 路 模 块 由 工 装 安 装 固 定 在 高 精 度 三 维移 动 平 台 上，各 模 块 间 通 过 传 输 光 纤 连 接。其 中 收 发光 路 系 统 可 以 等 效 为 迈 克 尔 逊 干 涉 仪，通 过 迈 克 尔 逊干 涉 原 理 探 测 光 学 频 率 梳 的 干 涉 光 强，并 记 录 光 学 频率 梳 的 干 涉 条 纹。利 用 干 涉 光 强，可 以 保 证 测 量 精 度在 纳 米 量 级。利 用 傅 里 叶 光 谱 分 析 仪 探 测 并 记 录 干 涉条 纹，进 而 确 定 干
15、涉 条 纹 之 间 的 相 对 位 置，结 合 高 精 度三 维 移 动 平 台 可 以 确 定 唯 一 的 测 量 结 果，同 时 对 于 该方 法，应 把 非 歧 义 范 围 拓 展 到 理 论 上 的 最 大 值。检 测系 统 原 理 如 图所 示。根 据 检 测 系 统 原 理，构 建 基 于 光 学 频 率 梳 的 高 精度 在 线 检 测 系 统 三 维 结 构，系 统 采 用 模 块 化 思 想，结 合光 学 扫 描 光 谱 和 电 机 运 动 数 据，分 为 光 学 频 率 梳 光 源测 控 技 术年 第卷 第期图检 测 系 统 原 理 图模 块、收 发 光 路 模 块、数 据
16、 采 集 和 处 理 终 端 和 三 维 移 动平 台，主 要 步 骤 如 下。光 学 频 率 梳 光 源 模 块 发 出 高 功 率 脉 冲 激 光。收 发 光 路 模 块 对 入 射 光 进 行 处 理，扫 描 被 测 物体 后 将 采 集 到 的 干 涉 光 束 通 过 光 纤 传 输 到 光 谱 仪，光谱 仪 接 收 干 涉 光 束，并 将 干 涉 光 光 谱 信 息 传 输 至 数 据采 集 和 处 理 终 端。三 维 移 动 平 台 依 照 规 划 路 径 沿、方 向 带 动 收 发 光 路 模 块 对 被 测 物 体 进 行 光 学 扫 描，将电 机 运 动 数 据 传 输 至 数 据 采 集 和 处 理 终 端。数 据 采 集 和 处 理 终 端 对 光 谱 数 据 进 行 处 理，计算 收 发 光 路 模 块 与 被 测 物 体 间 的 绝 对 距 离，同 时 结 合三 维 移 动 平 台 的 运 动 数 据，得 到 被 测 物 体 的 表 面 三 维点 云 信 息，并 利 用拟 合 被 测 物 体 三 维 点 云 信息，得 到 被 测 物 体 的 三 维 形 貌 特
