数字化测量技术在飞机加改装中的应用

数字化测量技术在飞机加改装中的应用

侯炳强  段海洲

中航西安飞机工业集团股份有限公司，陕西西安，710089

摘要：飞机加改装是为满足用户的多样化需求，在飞机原构型基础上，快速增加或改进其功能、性能的有效方式。为解决外场加改装无法使用大型工艺装备的难题，本文较为详细的论述了激光跟踪仪在加装机翼悬挂物工作中的应用场景和条件，为解决同类问题提供了新的思路。

关键词：加改装  激光跟踪仪

0前言

飞机加改装是指在其原构型基础上，按照经过批准的标准，对飞机的实用性、功能性、观赏性等方面进行改进，最终满足用户对多元化、多用途、多角度需求的一种市场形态。近年来，随着外场机群规模的持续扩大、飞机功能性能的稳步提升，飞行强度的不断增加，用户对飞机改进改型的需求迅速增长，外场加改装成为飞机外场保障的重要组成部分。

而飞机加改装工作受限于施工环境和条件等因素，工艺过程及方法与飞机的生产制造有很大区别，其中数字化测量技术的应用逐渐成为飞机加改装工作中解决技术难题、保证装配质量的重要手段。

1 数字化测量技术

面向飞机装配的数字化测量技术是指在产品设计和工艺设计数字化的基础上，围绕飞机装配设计要求，研究与其相适应测量方案及测量设备，搭建覆盖全局或局域的数字化平台，从而实现对飞机装配要求和装配质量特征的数字化表达。

相对于传统测量设备，数字化测量设备具有检测速度快、安装和操作便捷、可动态测量、测量精度及效率高等特点。在飞机装配中，常用的数字化测量设备包括经纬仪测量系统、全站仪、激光跟踪仪、三坐标测量机、激光扫描仪等，其中广泛应用于飞机加改装工作的有经纬仪测量系统、全站仪、激光跟踪仪，本文中应用的是激光跟踪仪。激光跟踪仪是近十几年来发展并丰富起来的新型测量仪器，集激光干涉技术、光电检测技术、精密机械技术、计算机及控制技术、现代数值计算理论于一体，实时扫描测量，具有极高的测量精度及效率，可以对三维数据进行直接输入输出，并具有广泛、通用的接口，能够很容易地与其他数字化设备连接工作。使用激光跟踪仪进行测量时，测量设备可移动，且跟踪头到被测目标点的距离可达几十米，完全能够满足机身部件装配的需要。

2 应用场景

在飞机加改装中，经常会遇到加装或移位的机载设备对空间位置尺寸有较严格的要求，如在机身或机翼外部增加悬挂物，为保证改装后的飞机外形符合气动力设计要求，同时满足悬挂物本身的性能和功能的要求，通常对悬挂物相对于飞机的位置偏差、航向偏差、俯仰偏差以及横滚偏差有较高的要求，而满足以上要求的主要技术难点在于悬挂物与飞机承力结构对接交点接头的定位及安装。

飞机在生产制造过程中，通常使用大型工艺装备，在大部件组装过程中同时保证关键交点接头的定位及安装。例如，在机翼上设置悬挂物，会在飞机制造的生产准备阶段，设计并制造型架用于机翼装配，在机翼装配型架上设置悬挂物交点接头的定位件和定位轴销等，悬挂物的安装精度及协调性由型架、专用工装保证，而飞机加改装工作需要在整机状态下，在架外定位悬挂物交点接头及装配，无法利用装配型架。

因此，在这种情况下，在改装工艺方案中引入数字化测量技术，采用激光跟踪仪与定位工装相结合的方法，实现悬挂物交点接头的定位及装配，保证改装工作的装配质量就显得非常必要。

3 测量方案

以下针对需要在机翼上增加悬挂物的改装工作，在合理状态下模拟给定设计参数，进而制定相应的测量方案。

3.1  模拟给定设计参数

航向偏差：不大于0.5º，转化为可测量的长度偏差可表达为，在悬挂物沿航向方向1000mm范围内设置两个测量点，这两点距飞机轴对称平面的垂直距离之差不大于8.5mm。

俯仰偏差：不大于0.5 º，转化为可测量的长度偏差可表达为，在悬挂物沿航向方向1000mm范围内设置两个测量点，这两点距飞机构造水平面的垂直距离之差不大于8.5mm。

横滚偏差：不大于1 º，转化为可测量的长度偏差可表达为，在悬挂物两侧同一水平高度的位置分别设置一个测量点，这两点距飞机构造水平面的垂直距离之差（假定悬挂物宽度为200mm）不大于3.5mm。

3.2  测量基准及数字化平台的搭建

分析以上模拟给定的设计参数可以发现，测量方案需要解决的技术难点主要有两个，一是作为测量基准的飞机轴对称平面和构造水平面没有实物参考，无法直接测量；二是测量距离较长，通常可达到15m~20m，传统的测量工具无法保证测量精度。采用激光跟踪仪可以完美解决以上问题。

3.2.1  建立坐标系

首先，以改装飞机为参考建立一个用户坐标系，该坐标系一经确定，将贯穿整个测量过程，通常可将顺航向右侧设置为X轴正向，将航向方向设置为Y轴正向，将向上的方向设置为Z轴正向。

3.2.2  飞机测量点参照物的选择

飞机机身的水平测量点是飞机出厂时气动外形是否符合设计要求的测量基准，具有较高的准确度，因此，选择飞机机身水平测量点作为测量参照物，使用激光跟踪仪测量并在已建立的用户坐标系中模拟出飞机轴对称平面和构造水平面（或与其平行的虚拟平面），可以解决测量基准问题。

3.3  测量方法

3.3.1  定位工装

配合激光跟踪仪的测量及定位，还需要根据悬挂物的安装位置和交点接头的布局设计定位工装，在工装上设置与悬挂物上位置一致的测量点，在改装过程中，通过对定位工装的测量和调整，最终确定交点接头的安装位置。

3.3.2  测量

改装过程中，使用激光跟踪仪测量定位工装上测量点在用户坐标系中的三维坐标点数据，并可以直接读取测量点到飞机轴对称平面和构造水平面的垂直距离，从而据此对定位工装的位置进行必要的调整。悬挂物安装工作结束后，重复上述过程，检查悬挂物上测量点在用户坐标系中的三维坐标点数据，保证安装质量。

4 交点接头定位工装

为了能够实现悬挂物接头安装位置满足装配要求，需要设计一套能够灵活移动并且工装头部多维可调的悬挂物接头定位工装。需满足以下条件：

工装与飞机的相对位置可调。

定位工装头部具备上下、左右、前后、航向、俯仰五个维度方向的调整功能。通过工装下方的两个转盘实现工装头部的上下、前后、左右的调整，工装头部可小角度旋转实现工装头部航向角度的调整，通过工装支撑脚实现工装头部俯仰角度的调整，从而实现悬挂物位置的调整，同时利用激光跟踪仪同步测量，实现接头的最终定位。

悬挂物接头定位工装示意图见图1。工装可通过更换头部，满足不同悬挂物安装需求，可实现柔性装配。

6 结论

本文中，仅就激光跟踪仪在加装机翼悬挂物工作中的应用进行了较为详细的论述，实际上数字化测量技术在飞机加改装项目中的应用还远不止于此，用好用活数字化测量技术和设备，将使飞机加改装工作的效率和质量上升到一个新的高度，满足用户日益多样化的需求。

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