一、引言

精密機床主軸軸承孔（直徑 20-80mm，長徑比 5-18，同軸度要求≤0.5μm，孔壁粗糙度 Ra≤0.2μm，材質(zhì)多為 40CrNiMoA 合金鋼）是主軸旋轉(zhuǎn)精度的核心保障，孔深偏差＞3μm 或內(nèi)壁圓度誤差＞1μm 會導(dǎo)致軸承裝配間隙不均，引發(fā)主軸振動加速度超 0.05g，降低加工精度。傳統(tǒng)檢測依賴內(nèi)徑千分表與三坐標測量機，前者人工操作誤差＞5μm，后者檢測效率低（單孔＞15min）且難以同步獲取孔深與輪廓數(shù)據(jù)。激光頻率梳 3D 輪廓技術(shù)憑借高精度同軸度適配與高效檢測優(yōu)勢，突破軸承孔檢測的精度與效率瓶頸，為精密機床核心部件質(zhì)量管控提供可靠方案。

二、檢測原理與主軸孔適配系統(tǒng)設(shè)計

（一）核心檢測原理

依托激光頻率梳 “等間隔頻率梳齒” 的光頻基準特性，將軸承孔深與同軸輪廓測量轉(zhuǎn)化為軸向光程差的精準解析。鎖模飛秒脈沖經(jīng)分束器形成探測光與參考光，探測光通過同軸探頭沿主軸孔軸線聚焦于孔底，反射光隨孔深、內(nèi)壁圓度變化產(chǎn)生光程差，與參考光在平衡探測器形成干涉信號。依據(jù)v_N = Nf_{text{rep}} + f_{text{ceo}}頻率公式提取相位信息，結(jié)合軸向掃描與圓周采樣數(shù)據(jù)重構(gòu) 3D 輪廓，孔深測量精度達 0.06μm 量級。

（二）主軸專用系統(tǒng)構(gòu)建

系統(tǒng)采用中心波長 1064nm 飛秒激光頻率梳（重復(fù)頻率 220MHz），搭配直徑 8mm 的同軸剛性探頭（內(nèi)置自準直模塊，同軸度≤0.1μm），適配大直徑深孔檢測。通過直線電機驅(qū)動的精密滑臺實現(xiàn) 0.03mm 步距的軸向掃描，結(jié)合旋轉(zhuǎn)臺實現(xiàn) 360° 圓周采樣（分辨率 0.5°），搭配 12 通道高速數(shù)據(jù)采集卡（采樣率 5GS/s），單軸承孔檢測耗時≤40s。針對合金鋼反光特性，增設(shè) 10nm 帶寬濾光片與偏振消光模塊，信噪比提升 48%。

三、軸承孔檢測的關(guān)鍵技術(shù)突破

（一）長徑比與同軸度適配

開發(fā)軸孔中心線擬合算法，通過多截面采樣數(shù)據(jù)重建孔軸線，實時調(diào)整探頭姿態(tài)（徑向偏移≤0.05μm），抵消孔系同軸度誤差影響。結(jié)合長焦深聚光鏡組，將光斑直徑壓縮至 12μm，在長徑比 18 的 Φ40mm 軸承孔檢測中，孔壁全長度數(shù)據(jù)完整度達 99.4%，同軸度測量精度達 0.08μm。

（二）環(huán)境與運動誤差補償

研發(fā)雙軸聯(lián)動校準模塊，實時修正f_{text{rep}}與f_{text{ceo}}漂移（補償響應(yīng)時間＜0.4ms），抵消滑臺運動誤差、±2℃溫度波動及機床振動干擾。通過圓周平均濾波算法剔除局部測量噪聲，圓度誤差解析精度提升至 0.1μm。實驗顯示，補償后孔深測量重復(fù)性誤差從 0.4μm 降至 0.1μm，內(nèi)壁輪廓分辨率達 0.15μm。

四、精度驗證與工程應(yīng)用

（一）精度校準結(jié)果

以標準圓柱量規(guī)（孔深偏差 ±0.1μm，圓度≤0.2μm）校準，系統(tǒng)孔深測量誤差≤±0.2μm，圓度測量誤差≤0.12μm，可清晰識別磨削加工的螺旋紋路（深度 0.8μm）。與高精度圓度儀對比，檢測一致性達 99.5%，效率較三坐標測量機提升 22 倍。

（二）實際應(yīng)用案例

在立式加工中心主軸軸承孔（Φ60mm，孔深 280mm，長徑比 14.7）檢測中，成功檢出 0.25μm 的孔深錐度偏差與 0.9μm 的圓度誤差，檢測結(jié)果通過主軸動平衡試驗驗證，主軸轉(zhuǎn)速 10000r/min 時振動加速度降至 0.02g。在批量檢測中，該技術(shù)實現(xiàn) 100% 孔系篩查，誤判率控制在 0.12% 以下，較傳統(tǒng)檢測降低 90%

激光頻率梳3D光學(xué)輪廓測量系統(tǒng)簡介：

20世紀80年代，飛秒鎖模激光器取得重要進展。2000年左右，美國J.Hall教授團隊?wèi){借自參考f-2f技術(shù)，成功實現(xiàn)載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的鈦寶石鎖模激光器，標志著飛秒光學(xué)頻率梳正式誕生。2005年，Theodor.W.H?nsch（德國馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所）與John.L.Hall（美國國家標準和技術(shù)研究所）因在該領(lǐng)域的卓越貢獻，共同榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。?

系統(tǒng)基于激光頻率梳原理，采用500kHz高頻激光脈沖飛行測距技術(shù)，打破傳統(tǒng)光學(xué)遮擋限制，專為深孔、凹槽等復(fù)雜大型結(jié)構(gòu)件測量而生。在1m超長工作距離下，仍能保持微米級精度，革新自動化檢測技術(shù)。?

核心技術(shù)優(yōu)勢?

①同軸落射測距：獨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)；?

（以上為新啟航實測樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

②高精度大縱深：以±2μm精度實現(xiàn)最大130mm高度/深度掃描成像；?

（以上為新啟航實測樣品數(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)十米范圍的檢測需求。

（以上為新啟航實測樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

審核編輯 黃宇