大型客機機身水平測量分析與研究

李守通

(上海飛機設(shè)計研究院，中國 上海201210)

0 引言

飛機水平測量是對飛機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飛機裝配精度是否滿足設(shè)計要求，也可用于檢測飛機在經(jīng)歷嚴重機動、硬著陸或更換大部件等后的變形情況。飛機水平測量是通過在機體表面上設(shè)置特征點來進行檢測的，這些特征點稱為“水平測量點”。水平測量點是在部件裝配時在部件表面規(guī)定的位置上，使用特定工具或工裝制出的記號，如沖點、小孔、特制鉚釘、螺釘?shù)龋问讲灰弧鹘y(tǒng)的水平測量方法主要采用水準儀、標尺、卷尺及鉛錘等工具進行測量；近些年，三維測量技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，在飛機水平測量領(lǐng)域得到越來越多的應用，三維測量技術(shù)不僅大大降低了飛機水平測量的工作量，而且顯著提高了測量精度。

大型客機一般指客座數(shù)大于100、滿載航程大于3000km的大型民用飛機，這類飛機的尺寸通常非常大，機長往往達到三四十米，機高可達十幾米，翼展可達三十多米。由于大型客機各部件的尺寸較大、裝配精度要求高，水平測量作為整機裝配檢驗手段發(fā)揮著重要作用。

1 機身水平測量目的和原理

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

圖1 機身分段示意圖

圖2 機身同軸度示意圖

空間中兩點確定一條直線，所以理論上要精確檢測兩段機身部段軸線的關(guān)系需要在每段上各自取兩個點，以其中一部段作為基準，檢查另一部段上兩點與該部段的關(guān)系；如圖3所示，P1、P2是機身部段A軸線上的兩點，P3、P4是機身部段B軸線上的兩點，以部段A為基準，P3、P4到P1、P2連線的距離h1、h2即可用于表達兩者的同軸度；P1、P2、P3、P4理論上應該共線，即h1、h2的理論值都是0，h1、h2的值越大表明兩個部段的同軸度越差。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應是XZ平面內(nèi)的距離量而非XY平面。實際工程上一般不需要如此嚴格，通常在機身各部段上只選取一個參考點，以其中某個部段（一般選取中機身）的參考點為基準，用其它參考點到該點在Y和Z方向的距離作為機身同軸度是否符合要求的判定依據(jù)。

圖3 機身同軸度測量原理圖

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

2 機身水平測量方法

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

圖4 機身水平測量點分布

傳統(tǒng)的飛機水平測量方法一般是用標尺、卷尺配合水準儀測定水平測量點到參考面的距離尺寸。測量時，先將飛機在三點支撐、機輪離地的情況下調(diào)至水平狀態(tài)，然后利用水準儀、標尺等工具配合進行全機的水平測量。對于機身，現(xiàn)場分別測量4#~8#點到由水準儀確定的參考水平面的距離Y4~Y8，然后與作為基準點的水平測量點處的數(shù)值取差值（基準點在水平測量技術(shù)要求中規(guī)定），若6#點是基準點，則分別計算出（Y4-Y6）、（Y5-Y6）、（Y7-Y6）、（Y8-Y6）,這些差值的理論值是在設(shè)計時就已確定，允許的公差值也已在水平測量技術(shù)要求中規(guī)定，通過檢查實際值與理論值的偏差量即可判斷機身同軸度是否符合設(shè)計要求。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雜而且精度很差，機身水平測量一般只測量各點在Y方向的距離尺寸，用來作為機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、激光掃描儀等先進測量設(shè)備大大提高了工程領(lǐng)域的測量水平。在飛機水平測量方面，三維測量技術(shù)的應用使水平測量點之間關(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Z向距離尺寸的方法，先通過機身下零縱線上的水平測量點確定出機身對稱面，使用經(jīng)緯儀在機身外側(cè)建立一個平行的掃描平面，然后使用標尺分別測量4#~8#點到該平面的距離Z4~Z8，并計算出（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)果的準確性。實際上，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點的坐標，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的三維數(shù)據(jù)，這意味著我們可以直接測得水平測量點的坐標，水平測量點間關(guān)系尺寸的獲取變得輕而易舉。

圖5 機身Z方向距離尺寸測量示意圖

3 機身水平測量誤差分析

機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方面。

傳統(tǒng)水平測量方法使用水準儀、標尺、卷尺等測量工具，由于這些工具本身精度有限，一般只能達到0.5mm或1mm，而且操作過程和數(shù)值計算也會引入誤差，如（Y6-Y4）是兩個測量量之間的差值，它的誤差帶實際上比單個測量量擴大了一倍，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、激光掃描儀等先進測量設(shè)備的引入大大提高了測量精度，基本可以達到微米量級，測量工具引起的誤差已得到很好地限制。

測量條件指實施飛機水平測量時應具備的條件，主要包括飛機狀態(tài)和測量環(huán)境。各測量項的理論值是基于飛機的理論狀態(tài)給出的，在實施測量時應盡量保證飛機實際狀態(tài)與理論狀態(tài)一致，否則會因為飛機狀態(tài)差異過大引入較大誤差，一般在水平測量技術(shù)要求中會對飛機狀態(tài)予以規(guī)定，如空機、起落架放下、處在調(diào)平狀態(tài)等。同時，在測量過程中應盡量避免受到外界影響，如溫度變化會導致飛機機體熱脹冷縮，從而影響測量值；測量實施過程應滿足飛機水平測量技術(shù)要求對測量環(huán)境的要求，如場地、風速、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，飛機部件實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，就是飛機部件都會胖一點或瘦一點，大型客機機身的外緣誤差要求一般為±2mm左右。受外緣誤差影響，位于飛機表面的水平測量點會偏離原來的理論位置，其移動方向可以近似地認為是外形曲面在該點處的法線方向。圖6為機身的外緣誤差示意圖，可見處在機身最大寬度線附近的點會沿Z向左移或右移，Y向可以認為沒有移動，如圖中A點會移到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身同軸度測量的是位于機身兩側(cè)最大寬度線附近的4#~8#點，這些點的位置在機身外緣誤差的影響下會沿Z向偏移，雖然這些點之間Y向的距離關(guān)系幾乎不受影響，但機身各部段的外緣誤差大小和方向都可能不同，4#~8#點Z向的距離關(guān)系會受到顯著影響，即（Z4-Z6）、（Z5-Z6）、（Z7-Z6）、（Z8-Z6）存在較大誤差，可能會誤導最終對機身同軸度的判定結(jié)果。通過觀察圖6中機身下零縱線上的B點可以發(fā)現(xiàn)，它在外緣誤差的影響下會沿Y向上移或下移，但Z向沒有移動，圖中B點會移到B1或B2。由此可以看出機身下零縱線上的水平測量點之間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，本文提出可以在機身下零縱上設(shè)置一組水平測量點用于機身同軸度Z向偏差檢查，機身最大寬度線附近的水平測量點只用于機身同軸度Y向偏差檢查，兩者結(jié)合即可幾乎消除外緣誤差對機身同軸度的判定帶來的不利影響。如圖7所示，1#~5#點位于機身下零縱線附近，6#~10#點位于機身最大寬度線附近，以中機身上的3#和8#點作為基準點，（Y6-Y8）、（Y7-Y8）、（Y9-Y8）、（Y10-Y8）表示機身同軸度Y向偏差，（Z1-Z3）、（Z2-Z3）、（Z4-Z3）、（Z5-Z3）表示機身同軸度Z向偏差，這8個差值共同用于判定機身同軸度是否符合設(shè)計要求。

圖6 機身外緣誤差示意圖

圖7 機身同軸度測量改進方法示意圖

4 總結(jié)

飛機水平測量用于檢驗飛機部件裝配的準確度，是保證飛機產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段。本文以大型客機機身為例，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)的各項要素，并提出了具體可行的改進措施。隨著科技的發(fā)展，越來越先進的測量儀器工具被開發(fā)出來，測量技術(shù)越來越發(fā)達，飛機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)上應結(jié)合新技術(shù)不斷改進測量方法和分析方法，充分發(fā)揮水平測量對飛機的質(zhì)量控制作用。

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

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