变径狭长空间的光谱域低相干测量方法

《IEEE/ASME Transactions on Mechatronics》：Spectral-Domain Low-Coherence Measurement Method for Variable-Diameter Narrow Long Spaces

　　

摘要：

在航空航天等先进制造行业中，许多组件的性能显著受到内部结构的直接影响，这些内部结构以变直径、狭窄和细长的几何形状为特征。实现此类结构的高精度、高效率三维测量既具有技术挑战性，又具有重要的实际意义。传统的测量方法，如坐标测量机和共聚焦显微镜，虽然在某些小尺寸结构上有效，但对于测量变直径、狭窄和延长的空间却不够充分，特别是那些入口直径受限的空间。为应对这些挑战，本文提出了一种光谱域 (SD) 光学低相干方法，用于变直径、狭窄和延长空间的三维测量。具体来说，提出了一种基于二维正交光谱色散的 SD 低相干测距方法，这显著提高了对大直径变化几何形状的适应性。然后，设计了一种微型长悬臂旋转扫描光学探头，以将测量光送入受限的内部区域。最后，开发了一个完整的测量系统，包括坐标系的定义和提出的校准程序。该系统理论上可以测量径向尺寸在 5–40 mm 之间的变直径、狭窄和延长的空间。通过对标准环规和实际工业组件的实验，验证了其在测量代表性尺寸方面的有效性。

I. 引言

在航空航天、航空和国防等领域，许多复杂组件在极端条件下运行，包括高温、高转速和高压力 [1], [2]。这些组件通常包含复杂的内部几何结构，具有狭窄、变直径结构，这会显著影响其整体性能 [3], [4]。例如，飞机发动机管路连接器的尺寸精度对于确保管路系统的密封性能至关重要。实验中使用的代表性连接器如图所示，具有典型的狭窄内部结构，包含多个直径过渡。内部空间的入口直径仅为 10 mm，而腔体直径扩大到最多 40 mm。这种变直径结构的尺寸精度对连接器的整体性能至关重要。在这种变直径、受限区域内实现高加工精度在很大程度上依赖于准确的测量。这些结构表现出几个关键特征，包括严格的精度要求、大的深径比，以及具有小入口直径和较大内部腔体的复杂几何形状。这些特征对测量系统提出了严格要求，包括高准确性、大的测量范围和卓越的可达性。这些能力能够有效地测量具有大深径比的深窄空间，典型如小孔和内腔。