基于激光跟蹤儀的直升機水平測量技術研究

◎劉勝 孔垂峰 劉楠

一、概述

直升機的水平測量是指在直升機處于水平狀態下對直升機各部件相對位置準確度的測量，是直升機結構損傷檢測的重要手段。本文以某型直升機的水平測量為示例介紹直升機水平測量的原理及現行方式，分析基于激光跟蹤儀、數字千斤頂等數字化設備進行直升機水平測量的可行性和實施過程。

二、直升機水平測量的傳統方式

直升機水平測量的傳統方式為直升機采用千斤頂頂起，調整到水平狀態，使用象限儀、水準儀、鉛錘、直尺等工具進行水平測量。該方法采用人工調整機身、人工讀數記錄和手工計算，工作量大，耗時長，效率低；靠人眼通過望遠鏡讀取直尺上的刻度，測量精度不高；受外界環境溫度、風速因素影響較大，對環境狀況要求較高。

三、基于激光跟蹤儀的直升機水平測量

本文介紹的基于激光跟蹤儀的直升機水平測量技術具有測量精度高、效率高、工作量小的優勢，尤其適合大尺寸、大噸位直升機水平測量。測量系統的多功能、高擴展性等特點，使其可擴展應用到飛機全面檢測、動態對接等技術上，具有良好的應用前景。

1.激光跟蹤儀。

激光跟蹤儀測量系統的工作基本原理是在目標點上安置一個反射器，跟蹤頭發出的激光射到反射器上，又返回到跟蹤頭，當目標移動時，跟蹤頭調整光束方向來對準目標，同時返回光束為檢測系統所接受，用來測算目標的空間位置。具有高精度、高效率、實時跟蹤測量、安裝快捷、操作簡便等特點，適合于大尺寸工件裝配測量。

2.實施原則。

鑒于目前國內直升機制造中模擬量協調、數字量協調兩種模式并存，數字化水平測量不能完全取代傳統方法進行模擬量協調的直升機水平測量。同時為了保證傳統方法、數字化水平測量兩種方法數據的可比對性，確定數字化水平測量的實施原則是不改變現行的水平測量方法和檢驗標準，以數字化測量設備代替傳統的測量設備進行數據測量，反饋給測量系統，系統進行計算并控制數字式千斤頂進行飛機姿態的自動調整（調整為水平姿態），然后通過數字化測量設備對測量點進行測量，反饋給測量系統并進行計算形成最終水平測量報告。

3.測量方案。

依據直升機總裝后的外形尺寸要求、水平基準點和測量點以及整個系統的自動化程度要求，對數字化水平測量系統總體結構進行設計，結構如下圖所示：

圖1 數字化水平測量系統框架

（1）設備布局方案。為了降低系統成本，采用一臺激光跟蹤儀通過轉站的方式進行水平測量基準點、測量點測量，通過三臺Z 方向調整的數字千斤頂進行機身姿態調整。進行數字化水平測量時，需要布置至少三個激光跟蹤儀轉站基準，在直升機前部放置一轉站基準，在直升機后部尾梁兩側各放置一轉站基準。三個轉站基準成等腰三角形布置，前部的基準布置在飛機中心線上。激光跟蹤儀布置在飛機一側，前后轉站基準中間，保證跟蹤頭發出的激光可同時射到轉站基準及水平測點即可。

（2）建立測量坐標系。以激光跟蹤儀的默認坐標系測量三個轉站基準的實際數據，使Z 平面與地面平行重新擬合坐標系。此坐標系建立后，激光跟蹤儀測量及激光跟蹤儀轉站時均以此坐標系為基準。

（3）直升機姿態調整。①將飛機推入到數字化水平測量站位，將數字千斤頂放置在機身底部，調整千斤頂位置，使其對準機身千斤頂接頭，手動升起千斤頂，使千斤頂與接頭接觸。②機身調水平。整機橫向調平：打開左側主減活動整流罩，將檢測工裝放置在直升機主減平臺橫向基準區，使用激光跟蹤儀檢測測量點JZ1、JZ2坐標，比對兩點的Z 坐標數字差異，通過千斤頂1 或2 調整機身，使機身達到橫向水平（即JZ1、JZ2 兩點Z 坐標值相同）；

整機縱向調平：使用激光跟蹤儀檢測基準點4 和基準點6 的坐標，比對基準點4 和基準點6 的Z 坐標數字差異，通過千斤頂3 調整機身，使機身達到縱向水平（即JZ4、JZ6 兩點Z 坐標值相同）；③測量坐標系及基準面的建立。建立測量坐標系（激光跟蹤儀）后，通過激光跟蹤儀測量水平測量點4、5、6、A、D 點。

建立基準面：選取4、5、6 點建立平面，即飛機水平面（Z=2550）；通過A、D 兩點連線作垂直于飛機水平面的平面，即飛機Y0 面。④整機水平測量。按上述操作確定的基準面（Y=0，Z=2550），依次測量1、2、3、7、8、9、10、11、12、13、14 等水平測量點的具體坐標值并由整機水平測量系統計算水平測量結果。⑤根據整機水平測量結果，生成整機水平測量報告。

四、對比分析

分析數字化測量方法和傳統測量方法的工作流程，以現有的工作數據對測量時間、測量精度進行對比，比對結果見表2、表3。

表2 測量時間對比表（單位：min）

表3 測量誤差對比表

從表2 測量時間對比可以看出，采用數字化測量方法將大大節省直升機水平測量的工作周期，預計可以節省2/3 的時間。

從表3 測量誤差對比可以看出，數字化測量方法大大降低了設備誤差、人員誤差和環境誤差，測量精度比傳統方法提升兩個數量級。

五、結束語

本文依據現代飛機數字化制造技術的發展趨勢和質量要求，針對目前直升機水平測量的不足，詳細介紹了直升機數字化水平測量系統的組成及實施方案。新研直升機的技戰指標要求越來越高，對直升機整體制造準確度也提出了更高要求。部分傳統的直升機裝配、試驗方法在原理和測量設備上存在一定的局限性，限制了制造精度的提升。隨著數字化裝配及測量技術的發展，應該通過系統的研究，積極尋找適合直升機裝配、試驗的數字化裝配、測量方法，以提升直升機制造水平和產品質量，打造新的核心競爭力。