针对双头螺杆廓形参数难以实现高精度、高效率检测的问题，以四轴旋风铣床为载体，设计并实现了一种基于激光三角位移传感器（LTDS）的在机测量系统。为了提高系统的测量精度，基于变结构元广义形态学方法、多项式插值算法及椭圆拟合法，实现了含噪光斑图像质心的微米级提取，并进行了实验验证。为了避免最小二乘分段拟合方法在断点处不满足函数连续性和可导性的缺陷，提出了基于拉格朗日乘数法的点云信号光顺处理算法。最后根据信号重构结果实时计算廓形参数，判断加工质量。实验结果表明，设计的在机测量系统可在39.7 s内完成一个螺距的螺杆廓形参数检测，测量精度为±9 μm，其中长轴、短轴、螺距的测量不确定度分别为0.72、0.69、1.65 μm，显著提高了测量精度和效率。

为了探究激光功率、离焦量、扫描速度等工艺参数对石油管螺纹激光除锈效果的影响规律并获得最优工艺参数组合，以表面粗糙度值为指标，采用正交实验法进行石油管螺纹激光清洗实验，得出影响激光清洗效果因素的显著性排序。通过单因素实验法，得出不同工艺参数下的表面粗糙度值和氧元素含量的变化规律。以氧元素含量衡量清洗样件的表面损伤程度，以表面粗糙度为优化目标进行工艺参数优化。基于响应面法建立优化目标与激光工艺参数之间的数学模型，将数学模型与优化后的粒子群算法结合，得出优化工艺参数组合，即激光功率为488 W，离焦量为+3 mm，扫描速度为3000 mm/s。在优化后的工艺参数下进行管螺纹激光清洗加工，实验结果表明，管螺纹表面锈蚀层被去除，基底表面清洗效果良好，且熔池周围无熔融物，证明了方法的有效性。

为了研究涂层表面光反射偏振特性，提出了一种基于蒙特卡罗方法的偏振双向反射分布函数（PBRDF）建模方法。该方法先利用傅里叶变换完成对涂层-基底双层粗糙表面的三维重构，再根据微面元理论和菲涅耳方程求解单个面元上反射与折射的随机过程，最后应用偏振光线跟踪技术和蒙特卡罗方法对重构表面的偏振光散射过程进行统计求和，从而得到涂层表面的PBRDF。实验结果表明，所提方法建立的PBRDF正确，且相比于现有模型具有更高的精度。最后分析了入射角、表面粗糙度、基底材质及涂层光学厚度对涂层表面光反射偏振特性的影响规律，以为其表面的探测和测量提供理论依据。

为提高检测准确性, 提出激光三角法高精度测量模型, 由变阈值亚像素灰度重心提取算法和CCD倾角误差补偿模型两部分组成; 光斑中心定位算法对激光检测准确度起关键作用, 针对已有激光中心定位算法的缺陷, 提出了变阈值亚像素灰度重心提取算法, 通过梯度函数和高斯拟合算法设定阈值去除光斑边缘噪声区域对中心定位的影响, 并利用多项式插值提高灰度重心法精度; 同时为提高实际工业生产环境中的测量准确性, 建立CCD倾角误差补偿模型; 应用激光三角法高精度测量模型, 以STM32F407为硬件核心建立系统, 以锥螺纹为被测物进行实验; 实验结果表明: 该测量模型实现了对锥螺纹信息的准确采集, 且精度明显高于传统的灰度重心法, 可以将锥螺纹检测的误差控制在10 μm内。