李守通

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，中國 上海201210)

0 引言

飛機(jī)水平測量是對飛機(jī)各大部件間的相對幾何關(guān)系及自身幾何變形情況的檢測，一般用于總裝完成后檢驗(yàn)飛機(jī)裝配精度是否滿足設(shè)計(jì)要求，也可用于檢測飛機(jī)在經(jīng)歷嚴(yán)重機(jī)動(dòng)、硬著陸或更換大部件等后的變形情況。飛機(jī)水平測量是通過在機(jī)體表面上設(shè)置特征點(diǎn)來進(jìn)行檢測的，這些特征點(diǎn)稱為“水平測量點(diǎn)”。水平測量點(diǎn)是在部件裝配時(shí)在部件表面規(guī)定的位置上，使用特定工具或工裝制出的記號，如沖點(diǎn)、小孔、特制鉚釘、螺釘?shù)?，形式不一。傳統(tǒng)的水平測量方法主要采用水準(zhǔn)儀、標(biāo)尺、卷尺及鉛錘等工具進(jìn)行測量；近些年，三維測量技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，在飛機(jī)水平測量領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用，三維測量技術(shù)不僅大大降低了飛機(jī)水平測量的工作量，而且顯著提高了測量精度。

大型客機(jī)一般指客座數(shù)大于100、滿載航程大于3000km的大型民用飛機(jī)，這類飛機(jī)的尺寸通常非常大，機(jī)長往往達(dá)到三四十米，機(jī)高可達(dá)十幾米，翼展可達(dá)三十多米。由于大型客機(jī)各部件的尺寸較大、裝配精度要求高，水平測量作為整機(jī)裝配檢驗(yàn)手段發(fā)揮著重要作用。

1 機(jī)身水平測量目的和原理

大型客機(jī)的機(jī)身一般由機(jī)頭、前機(jī)身、中機(jī)身、中后機(jī)身及后機(jī)身五個(gè)大部段組成，如圖1所示。理論上，機(jī)身軸線是一條貫穿機(jī)身各段的直線，但由于制造裝配誤差，飛機(jī)總裝完成后機(jī)身各段的軸線實(shí)際上存在錯(cuò)位和走偏現(xiàn)象，如圖2所示；應(yīng)注意到機(jī)身各段的軸線是空間直線，其錯(cuò)位和走偏現(xiàn)象同時(shí)存在與XY平面和XZ平面內(nèi)。機(jī)身水平測量的目的就是要檢驗(yàn)機(jī)身各段的同軸度是否符合設(shè)計(jì)要求。

圖1 機(jī)身分段示意圖

圖2 機(jī)身同軸度示意圖

空間中兩點(diǎn)確定一條直線，所以理論上要精確檢測兩段機(jī)身部段軸線的關(guān)系需要在每段上各自取兩個(gè)點(diǎn)，以其中一部段作為基準(zhǔn)，檢查另一部段上兩點(diǎn)與該部段的關(guān)系；如圖3所示，P1、P2是機(jī)身部段A軸線上的兩點(diǎn)，P3、P4是機(jī)身部段B軸線上的兩點(diǎn)，以部段A為基準(zhǔn)，P3、P4到P1、P2連線的距離h1、h2即可用于表達(dá)兩者的同軸度；P1、P2、P3、P4理論上應(yīng)該共線，即h1、h2的理論值都是0，h1、h2的值越大表明兩個(gè)部段的同軸度越差。圖3描述的是XY平面內(nèi)的同軸情況，XZ平面內(nèi)的情況與之幾乎完全相同，唯一不同的是h1、h2應(yīng)是XZ平面內(nèi)的距離量而非XY平面。實(shí)際工程上一般不需要如此嚴(yán)格，通常在機(jī)身各部段上只選取一個(gè)參考點(diǎn)，以其中某個(gè)部段（一般選取中機(jī)身）的參考點(diǎn)為基準(zhǔn)，用其它參考點(diǎn)到該點(diǎn)在Y和Z方向的距離作為機(jī)身同軸度是否符合要求的判定依據(jù)。

圖3 機(jī)身同軸度測量原理圖

由于機(jī)身軸線只是空間中一條虛擬的線，在真實(shí)的飛機(jī)上并不存在，必須將它轉(zhuǎn)化為飛機(jī)上可測量的實(shí)物才能進(jìn)行測量。飛機(jī)水平測量將機(jī)身軸線轉(zhuǎn)化為機(jī)身表面的水平測量點(diǎn)，在機(jī)身各部段上都設(shè)置有水平測量點(diǎn)，這些點(diǎn)的位置定義在飛機(jī)圖紙中，它們之間的理論關(guān)系在飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)就已確定，在實(shí)際測量時(shí)，只需檢查這些點(diǎn)之間關(guān)系的實(shí)際值與理論值的差異，即可判斷機(jī)身同軸度的情況。

2 機(jī)身水平測量方法

通常在機(jī)身兩側(cè)最大寬度線及下零縱線附近設(shè)置多個(gè)水平測量點(diǎn)用于機(jī)身的水平測量，如圖4所示，1#、2#、3#點(diǎn)位于機(jī)身下零縱線，4#~8#點(diǎn)位于機(jī)身最大寬度線附近（左右對稱）。

圖4 機(jī)身水平測量點(diǎn)分布

傳統(tǒng)的飛機(jī)水平測量方法一般是用標(biāo)尺、卷尺配合水準(zhǔn)儀測定水平測量點(diǎn)到參考面的距離尺寸。測量時(shí)，先將飛機(jī)在三點(diǎn)支撐、機(jī)輪離地的情況下調(diào)至水平狀態(tài)，然后利用水準(zhǔn)儀、標(biāo)尺等工具配合進(jìn)行全機(jī)的水平測量。對于機(jī)身，現(xiàn)場分別測量4#~8#點(diǎn)到由水準(zhǔn)儀確定的參考水平面的距離Y4~Y8，然后與作為基準(zhǔn)點(diǎn)的水平測量點(diǎn)處的數(shù)值取差值（基準(zhǔn)點(diǎn)在水平測量技術(shù)要求中規(guī)定），若6#點(diǎn)是基準(zhǔn)點(diǎn)，則分別計(jì)算出（Y4-Y6）、（Y5-Y6）、（Y7-Y6）、（Y8-Y6）,這些差值的理論值是在設(shè)計(jì)時(shí)就已確定，允許的公差值也已在水平測量技術(shù)要求中規(guī)定，通過檢查實(shí)際值與理論值的偏差量即可判斷機(jī)身同軸度是否符合設(shè)計(jì)要求。由于傳統(tǒng)水平測量方法所使用的測量工具的限制，對Z向距離尺寸的測量操作過程極為復(fù)雜而且精度很差，機(jī)身水平測量一般只測量各點(diǎn)在Y方向的距離尺寸，用來作為機(jī)身同軸度是否符合要求的判定依據(jù)。

近些年，三維測量技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，經(jīng)緯儀、激光跟蹤儀、激光掃描儀等先進(jìn)測量設(shè)備大大提高了工程領(lǐng)域的測量水平。在飛機(jī)水平測量方面，三維測量技術(shù)的應(yīng)用使水平測量點(diǎn)之間關(guān)系尺寸的測量變得更加快捷，且精度有很大提高。對于機(jī)身水平測量，使用三維測量技術(shù)不僅可以測得各水平測量點(diǎn)間Y方向的距離尺寸，Z方向的距離尺寸也很容易測量。圖5展示了使用經(jīng)緯儀測量水平測量點(diǎn)Z向距離尺寸的方法，先通過機(jī)身下零縱線上的水平測量點(diǎn)確定出機(jī)身對稱面，使用經(jīng)緯儀在機(jī)身外側(cè)建立一個(gè)平行的掃描平面，然后使用標(biāo)尺分別測量4#~8#點(diǎn)到該平面的距離Z4~Z8，并計(jì)算出（Z4-Z6）、（Z5-Z6）、（Z7-Z6）、（Z8-Z6），這樣Y和Z方向的偏差量可以一同作為機(jī)身同軸度是否符合要求的判定依據(jù)，提高了判定結(jié)果的準(zhǔn)確性。實(shí)際上，目前三維測量技術(shù)已發(fā)展到可以精確測量出空間某個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，如激光跟蹤儀通過捕捉球形反射鏡反射的激光束來測定反射鏡球心坐標(biāo)的三維數(shù)據(jù)，這意味著我們可以直接測得水平測量點(diǎn)的坐標(biāo)，水平測量點(diǎn)間關(guān)系尺寸的獲取變得輕而易舉。

圖5 機(jī)身Z方向距離尺寸測量示意圖

3 機(jī)身水平測量誤差分析

機(jī)身水平測量的誤差來源主要是測量工具、測量條件、部件外緣誤差這幾個(gè)方面。

傳統(tǒng)水平測量方法使用水準(zhǔn)儀、標(biāo)尺、卷尺等測量工具，由于這些工具本身精度有限，一般只能達(dá)到0.5mm或1mm，而且操作過程和數(shù)值計(jì)算也會(huì)引入誤差，如（Y6-Y4）是兩個(gè)測量量之間的差值，它的誤差帶實(shí)際上比單個(gè)測量量擴(kuò)大了一倍，即若Y4和Y6的誤差帶是±0.5mm，則（Y6-Y4）的誤差帶是±1mm。目前經(jīng)緯儀、激光跟蹤儀、激光掃描儀等先進(jìn)測量設(shè)備的引入大大提高了測量精度，基本可以達(dá)到微米量級，測量工具引起的誤差已得到很好地限制。

測量條件指實(shí)施飛機(jī)水平測量時(shí)應(yīng)具備的條件，主要包括飛機(jī)狀態(tài)和測量環(huán)境。各測量項(xiàng)的理論值是基于飛機(jī)的理論狀態(tài)給出的，在實(shí)施測量時(shí)應(yīng)盡量保證飛機(jī)實(shí)際狀態(tài)與理論狀態(tài)一致，否則會(huì)因?yàn)轱w機(jī)狀態(tài)差異過大引入較大誤差，一般在水平測量技術(shù)要求中會(huì)對飛機(jī)狀態(tài)予以規(guī)定，如空機(jī)、起落架放下、處在調(diào)平狀態(tài)等。同時(shí)，在測量過程中應(yīng)盡量避免受到外界影響，如溫度變化會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)機(jī)體熱脹冷縮，從而影響測量值；測量實(shí)施過程應(yīng)滿足飛機(jī)水平測量技術(shù)要求對測量環(huán)境的要求，如場地、風(fēng)速、溫度等，盡量減小測量環(huán)境引起的誤差。

由于制造誤差無法避免，飛機(jī)部件實(shí)際外形輪廓與理論外形輪廓總是存在偏差，一般稱為外緣誤差或型差，通俗地講，就是飛機(jī)部件都會(huì)胖一點(diǎn)或瘦一點(diǎn)，大型客機(jī)機(jī)身的外緣誤差要求一般為±2mm左右。受外緣誤差影響，位于飛機(jī)表面的水平測量點(diǎn)會(huì)偏離原來的理論位置，其移動(dòng)方向可以近似地認(rèn)為是外形曲面在該點(diǎn)處的法線方向。圖6為機(jī)身的外緣誤差示意圖，可見處在機(jī)身最大寬度線附近的點(diǎn)會(huì)沿Z向左移或右移，Y向可以認(rèn)為沒有移動(dòng)，如圖中A點(diǎn)會(huì)移到A1或A2。在上一節(jié)中，我們可以看到傳統(tǒng)水平測量方法中直接用于機(jī)身同軸度測量的是位于機(jī)身兩側(cè)最大寬度線附近的4#~8#點(diǎn)，這些點(diǎn)的位置在機(jī)身外緣誤差的影響下會(huì)沿Z向偏移，雖然這些點(diǎn)之間Y向的距離關(guān)系幾乎不受影響，但機(jī)身各部段的外緣誤差大小和方向都可能不同，4#~8#點(diǎn)Z向的距離關(guān)系會(huì)受到顯著影響，即（Z4-Z6）、（Z5-Z6）、（Z7-Z6）、（Z8-Z6）存在較大誤差，可能會(huì)誤導(dǎo)最終對機(jī)身同軸度的判定結(jié)果。通過觀察圖6中機(jī)身下零縱線上的B點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，它在外緣誤差的影響下會(huì)沿Y向上移或下移，但Z向沒有移動(dòng)，圖中B點(diǎn)會(huì)移到B1或B2。由此可以看出機(jī)身下零縱線上的水平測量點(diǎn)之間Y向的距離關(guān)系雖然受到外緣誤差的顯著影響，但Z向的距離關(guān)系幾乎不受影響，基于該規(guī)律，本文提出可以在機(jī)身下零縱上設(shè)置一組水平測量點(diǎn)用于機(jī)身同軸度Z向偏差檢查，機(jī)身最大寬度線附近的水平測量點(diǎn)只用于機(jī)身同軸度Y向偏差檢查，兩者結(jié)合即可幾乎消除外緣誤差對機(jī)身同軸度的判定帶來的不利影響。如圖7所示，1#~5#點(diǎn)位于機(jī)身下零縱線附近，6#~10#點(diǎn)位于機(jī)身最大寬度線附近，以中機(jī)身上的3#和8#點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，（Y6-Y8）、（Y7-Y8）、（Y9-Y8）、（Y10-Y8）表示機(jī)身同軸度Y向偏差，（Z1-Z3）、（Z2-Z3）、（Z4-Z3）、（Z5-Z3）表示機(jī)身同軸度Z向偏差，這8個(gè)差值共同用于判定機(jī)身同軸度是否符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 機(jī)身外緣誤差示意圖

圖7 機(jī)身同軸度測量改進(jìn)方法示意圖

4 總結(jié)

飛機(jī)水平測量用于檢驗(yàn)飛機(jī)部件裝配的準(zhǔn)確度，是保證飛機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段。本文以大型客機(jī)機(jī)身為例，系統(tǒng)分析了水平測量的目的、原理、方法及誤差來源，討論了與水平測量相關(guān)的各項(xiàng)要素，并提出了具體可行的改進(jìn)措施。隨著科技的發(fā)展，越來越先進(jìn)的測量儀器工具被開發(fā)出來，測量技術(shù)越來越發(fā)達(dá)，飛機(jī)水平測量也更加快捷和精確，在對水平測量目的和原理的深刻理解的基礎(chǔ)上應(yīng)結(jié)合新技術(shù)不斷改進(jìn)測量方法和分析方法，充分發(fā)揮水平測量對飛機(jī)的質(zhì)量控制作用。

［1］張春山，黨育輝，曹喜鋒.飛機(jī)水平測量技術(shù)探討[J].西飛科技，2004（1）：12-14，39.

［2］曹春.三維測量技術(shù)與飛機(jī)水平測量新方法[J].計(jì)測技術(shù)，2010（5）：61-62.