基于激光跟蹤儀的直升機(jī)水平測(cè)量技術(shù)研究

◎劉勝 孔垂峰 劉楠

一、概述

直升機(jī)的水平測(cè)量是指在直升機(jī)處于水平狀態(tài)下對(duì)直升機(jī)各部件相對(duì)位置準(zhǔn)確度的測(cè)量，是直升機(jī)結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的重要手段。本文以某型直升機(jī)的水平測(cè)量為示例介紹直升機(jī)水平測(cè)量的原理及現(xiàn)行方式，分析基于激光跟蹤儀、數(shù)字千斤頂?shù)葦?shù)字化設(shè)備進(jìn)行直升機(jī)水平測(cè)量的可行性和實(shí)施過(guò)程。

二、直升機(jī)水平測(cè)量的傳統(tǒng)方式

直升機(jī)水平測(cè)量的傳統(tǒng)方式為直升機(jī)采用千斤頂頂起，調(diào)整到水平狀態(tài)，使用象限儀、水準(zhǔn)儀、鉛錘、直尺等工具進(jìn)行水平測(cè)量。該方法采用人工調(diào)整機(jī)身、人工讀數(shù)記錄和手工計(jì)算，工作量大，耗時(shí)長(zhǎng)，效率低；靠人眼通過(guò)望遠(yuǎn)鏡讀取直尺上的刻度，測(cè)量精度不高；受外界環(huán)境溫度、風(fēng)速因素影響較大，對(duì)環(huán)境狀況要求較高。

三、基于激光跟蹤儀的直升機(jī)水平測(cè)量

本文介紹的基于激光跟蹤儀的直升機(jī)水平測(cè)量技術(shù)具有測(cè)量精度高、效率高、工作量小的優(yōu)勢(shì)，尤其適合大尺寸、大噸位直升機(jī)水平測(cè)量。測(cè)量系統(tǒng)的多功能、高擴(kuò)展性等特點(diǎn)，使其可擴(kuò)展應(yīng)用到飛機(jī)全面檢測(cè)、動(dòng)態(tài)對(duì)接等技術(shù)上，具有良好的應(yīng)用前景。

1.激光跟蹤儀。

激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)的工作基本原理是在目標(biāo)點(diǎn)上安置一個(gè)反射器，跟蹤頭發(fā)出的激光射到反射器上，又返回到跟蹤頭，當(dāng)目標(biāo)移動(dòng)時(shí)，跟蹤頭調(diào)整光束方向來(lái)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，同時(shí)返回光束為檢測(cè)系統(tǒng)所接受，用來(lái)測(cè)算目標(biāo)的空間位置。具有高精度、高效率、實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量、安裝快捷、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，適合于大尺寸工件裝配測(cè)量。

2.實(shí)施原則。

鑒于目前國(guó)內(nèi)直升機(jī)制造中模擬量協(xié)調(diào)、數(shù)字量協(xié)調(diào)兩種模式并存，數(shù)字化水平測(cè)量不能完全取代傳統(tǒng)方法進(jìn)行模擬量協(xié)調(diào)的直升機(jī)水平測(cè)量。同時(shí)為了保證傳統(tǒng)方法、數(shù)字化水平測(cè)量?jī)煞N方法數(shù)據(jù)的可比對(duì)性，確定數(shù)字化水平測(cè)量的實(shí)施原則是不改變現(xiàn)行的水平測(cè)量方法和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，以數(shù)字化測(cè)量設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)量設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，反饋給測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算并控制數(shù)字式千斤頂進(jìn)行飛機(jī)姿態(tài)的自動(dòng)調(diào)整（調(diào)整為水平姿態(tài)），然后通過(guò)數(shù)字化測(cè)量設(shè)備對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，反饋給測(cè)量系統(tǒng)并進(jìn)行計(jì)算形成最終水平測(cè)量報(bào)告。

3.測(cè)量方案。

依據(jù)直升機(jī)總裝后的外形尺寸要求、水平基準(zhǔn)點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)以及整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度要求，對(duì)數(shù)字化水平測(cè)量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖1 數(shù)字化水平測(cè)量系統(tǒng)框架

（1）設(shè)備布局方案。為了降低系統(tǒng)成本，采用一臺(tái)激光跟蹤儀通過(guò)轉(zhuǎn)站的方式進(jìn)行水平測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)、測(cè)量點(diǎn)測(cè)量，通過(guò)三臺(tái)Z 方向調(diào)整的數(shù)字千斤頂進(jìn)行機(jī)身姿態(tài)調(diào)整。進(jìn)行數(shù)字化水平測(cè)量時(shí)，需要布置至少三個(gè)激光跟蹤儀轉(zhuǎn)站基準(zhǔn)，在直升機(jī)前部放置一轉(zhuǎn)站基準(zhǔn)，在直升機(jī)后部尾梁兩側(cè)各放置一轉(zhuǎn)站基準(zhǔn)。三個(gè)轉(zhuǎn)站基準(zhǔn)成等腰三角形布置，前部的基準(zhǔn)布置在飛機(jī)中心線上。激光跟蹤儀布置在飛機(jī)一側(cè)，前后轉(zhuǎn)站基準(zhǔn)中間，保證跟蹤頭發(fā)出的激光可同時(shí)射到轉(zhuǎn)站基準(zhǔn)及水平測(cè)點(diǎn)即可。

（2）建立測(cè)量坐標(biāo)系。以激光跟蹤儀的默認(rèn)坐標(biāo)系測(cè)量三個(gè)轉(zhuǎn)站基準(zhǔn)的實(shí)際數(shù)據(jù)，使Z 平面與地面平行重新擬合坐標(biāo)系。此坐標(biāo)系建立后，激光跟蹤儀測(cè)量及激光跟蹤儀轉(zhuǎn)站時(shí)均以此坐標(biāo)系為基準(zhǔn)。

（3）直升機(jī)姿態(tài)調(diào)整。①將飛機(jī)推入到數(shù)字化水平測(cè)量站位，將數(shù)字千斤頂放置在機(jī)身底部，調(diào)整千斤頂位置，使其對(duì)準(zhǔn)機(jī)身千斤頂接頭，手動(dòng)升起千斤頂，使千斤頂與接頭接觸。②機(jī)身調(diào)水平。整機(jī)橫向調(diào)平：打開(kāi)左側(cè)主減活動(dòng)整流罩，將檢測(cè)工裝放置在直升機(jī)主減平臺(tái)橫向基準(zhǔn)區(qū)，使用激光跟蹤儀檢測(cè)測(cè)量點(diǎn)JZ1、JZ2坐標(biāo)，比對(duì)兩點(diǎn)的Z 坐標(biāo)數(shù)字差異，通過(guò)千斤頂1 或2 調(diào)整機(jī)身，使機(jī)身達(dá)到橫向水平（即JZ1、JZ2 兩點(diǎn)Z 坐標(biāo)值相同）；

整機(jī)縱向調(diào)平：使用激光跟蹤儀檢測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)4 和基準(zhǔn)點(diǎn)6 的坐標(biāo)，比對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)4 和基準(zhǔn)點(diǎn)6 的Z 坐標(biāo)數(shù)字差異，通過(guò)千斤頂3 調(diào)整機(jī)身，使機(jī)身達(dá)到縱向水平（即JZ4、JZ6 兩點(diǎn)Z 坐標(biāo)值相同）；③測(cè)量坐標(biāo)系及基準(zhǔn)面的建立。建立測(cè)量坐標(biāo)系（激光跟蹤儀）后，通過(guò)激光跟蹤儀測(cè)量水平測(cè)量點(diǎn)4、5、6、A、D 點(diǎn)。

建立基準(zhǔn)面：選取4、5、6 點(diǎn)建立平面，即飛機(jī)水平面（Z=2550）；通過(guò)A、D 兩點(diǎn)連線作垂直于飛機(jī)水平面的平面，即飛機(jī)Y0 面。④整機(jī)水平測(cè)量。按上述操作確定的基準(zhǔn)面（Y=0，Z=2550），依次測(cè)量1、2、3、7、8、9、10、11、12、13、14 等水平測(cè)量點(diǎn)的具體坐標(biāo)值并由整機(jī)水平測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算水平測(cè)量結(jié)果。⑤根據(jù)整機(jī)水平測(cè)量結(jié)果，生成整機(jī)水平測(cè)量報(bào)告。

四、對(duì)比分析

分析數(shù)字化測(cè)量方法和傳統(tǒng)測(cè)量方法的工作流程，以現(xiàn)有的工作數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)量時(shí)間、測(cè)量精度進(jìn)行對(duì)比，比對(duì)結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

表2 測(cè)量時(shí)間對(duì)比表（單位：min）

表3 測(cè)量誤差對(duì)比表

從表2 測(cè)量時(shí)間對(duì)比可以看出，采用數(shù)字化測(cè)量方法將大大節(jié)省直升機(jī)水平測(cè)量的工作周期，預(yù)計(jì)可以節(jié)省2/3 的時(shí)間。

從表3 測(cè)量誤差對(duì)比可以看出，數(shù)字化測(cè)量方法大大降低了設(shè)備誤差、人員誤差和環(huán)境誤差，測(cè)量精度比傳統(tǒng)方法提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文依據(jù)現(xiàn)代飛機(jī)數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和質(zhì)量要求，針對(duì)目前直升機(jī)水平測(cè)量的不足，詳細(xì)介紹了直升機(jī)數(shù)字化水平測(cè)量系統(tǒng)的組成及實(shí)施方案。新研直升機(jī)的技戰(zhàn)指標(biāo)要求越來(lái)越高，對(duì)直升機(jī)整體制造準(zhǔn)確度也提出了更高要求。部分傳統(tǒng)的直升機(jī)裝配、試驗(yàn)方法在原理和測(cè)量設(shè)備上存在一定的局限性，限制了制造精度的提升。隨著數(shù)字化裝配及測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)該通過(guò)系統(tǒng)的研究，積極尋找適合直升機(jī)裝配、試驗(yàn)的數(shù)字化裝配、測(cè)量方法，以提升直升機(jī)制造水平和產(chǎn)品質(zhì)量，打造新的核心競(jìng)爭(zhēng)力。