飞机部件对接中激光跟踪仪的应用

（西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089）

1 引言

部件对接是把构成飞机结构的各部件连接在一起，形成整个机身。部件对接包括机身段对接，机翼各段对接，机身与机翼的对接等，其中部件对接是飞机装配工作中的一项重要内容，协调关系复杂，且技术要求高、难度大，在很大程度上决定了飞机最终的性能和质量。本文着重说明在部件对接中激光跟踪仪的应用。

不断提高的飞机性能对现代飞机外形的要求也越来越高，对部件对接要求越来越精确，有些飞机调平误差要求为±0.5 mm 以下，甚至有的飞机调平误差要求不超过±0.2mm，所以对装配定位和测量提出了更精确的要求。传统的装配定位仍大量采用刚性装配工装定位、划线定位等用实物样件传递模拟量的传统手工装配方法，部件对接方法包括水平测量法和在对接台或对接车内的对合法，存在大量的模拟量传递环节。由于各个环节的误差积累，装配最终的精度不易保证，已经难以满足大型飞机高准确度制造需求。水平测量对接法中所使用的传统光学仪器是水准仪和经纬仪。使用水准仪和经纬仪对飞机的安装角和对称性进行测量，这种测量方法效率较低、人为误差大且测量精度差。随着数字化、自动化、信息化等技术在飞机装配中的广泛应用，数字化定位测量技术已成为当今飞机装配技术的发展方向，目前激光跟踪系统定位是国际数字化测量技术中广泛采用的一种重要技术。它具有高精度、高效率、实时跟踪测量、安装快捷、操作简便等特点,适合大尺寸工件装配测量，因此适用于飞机类产品空间点位的测量。

飞机装配通常是在各部件分别安装后再进行总体装配，在部装的某些环节和总装的整个过程中都需要进行严格的检测。在飞行器装配过程中的测量误差可能会导致很严重的后果，因此必须要确保测量的精确性。飞机具有外形尺寸及重量大、外部结构特殊、部件之间相互位置关系要求严格等特点。激光跟踪测量系统的现场性和实时性以及它的高精度性都能满足飞机定位安装、飞机外形尺寸的检测、零部件的检测和飞机的维修等项目的需要。

2 激光跟踪测量系统介绍

激光跟踪测量系统（Laser Tracker System）是二十世纪八十年代发展起来的一种移动式的高精度大尺寸空间坐标测量仪器，特别适用于工业现场测量。它集合了激光干涉测距技术等各种先进技术，对空间运动目标进行跟踪并实时测量目标的空间三维坐标。各类激光跟踪测量系统基本都是由激光跟踪仪、控制器、用户计算机、激光反射器及测量附件等组成。激光跟踪仪是激光跟踪测量系统中的核心组成部分。

系统工作时，由激光跟踪仪的跟踪头发出的激光束射到安装在定位点处的反射器（靶球）上，又从反射器（靶球）中心返回到跟踪头，当目标定位点移动时，跟踪头调整光束方向重新对准目标；检测系统接收返回激光束，便能测算目标的空间位置。激光跟踪仪能够静态或动态地跟踪一个在空间中运动的点，同时确定目标点的空间坐标。激光跟踪仪空间坐标的结构采用球坐标，激光跟踪系统可以由自带的软件将得到的球坐标转换成直角坐标系下（x，y，z）形式。

在飞机装配工作中，根据飞机产品的结构特点、定位要求，借助激光踪仪这个数字化测量工具辅助完成飞机零部件的定位和测量工作。激光跟踪系统最早在我国的应用就是应用于航空制造领域，1996年上海飞机制造公司和沈阳飞机制造集团在我国第一次引进了SMART310激光跟踪系统。现在激光跟踪仪已作为飞机数字化装配中的一种重要应用形式。

3 使用激光跟踪仪为对接大部件定位

飞机大部件对接中机翼与机身对合具有典型性，本小节以机翼与机身对合为例说明激光跟踪仪如何完成定位。机翼与机身对合中需要确定关键参考点位置，关键参考点的确定对机翼、机身对合非常重要，不但影响对合精度，对跟踪仪摆放位置也有一定影响。零件上关键参考点的位置为 OPT（Optical Tooling Point缩写）点，即为激光跟踪头的反射中心。要在飞机图纸上明确标记机翼和机身对接部位关键参考点的位置，装配前安装激光跟踪仪的反射球，校准 OPT位置。

机身与机翼的定位对接工作首先要建立装配时统一的坐标系。在装配过程中，将部件的运动空间定义为装配坐标系，同时建立与部件固定连接的零部件坐标系。零部件姿态和位置的变化是由预先确定的关键参考点坐标在装配坐标系中坐标的改变来描述的。

由于光是直线传播，传输路径不能被阻隔，在飞机大部件对接中，飞机部件本身的空间位置决定了放置在某一个固定位置上的激光跟踪仪不可能同时监测所有参考点坐标，所以在装配空间中可根据需要安装多台激光跟踪仪，分别对应监测一些参考点，同时保证装配坐标系为同一坐标系。

美国波音公司开发了波音737型飞机机翼与机身激光跟踪仪自动测量辅助装配应用程序。在这个自动装配过程中使用了两台激光跟踪仪，放置在机身左右两侧下部靠近机翼的位置处，分别测量跟踪机身上实际控制点和机翼上关键参考点，自动测量辅助装配应用程序可以自动形成机翼关键参考点测量值与理论点差值，装配操作执行机构依据程序给出的偏差自动调整机翼组件到达适合位置，最后完成机翼和机身装配。

实际的装配工作中也可以使用一台激光跟踪仪进行定位安装，此时每进行一次装配部件的移动或者激光跟踪仪的位置移动，均需要使用激光跟踪仪重新测量参考点坐标，根据坐标变化原理调整为统一坐标系，所以使用一台激光跟踪仪进行定位和测量工作，不仅繁琐也会需要更多的时间。

4 使用激光跟踪仪检测对接效果

部件对接完成后，可使用激光跟踪仪检测对接效果。检测测量前仍然和部件对接时工作一样要先确定统一的坐标系，保证测量到的飞机结构尺寸空间点都处在同一个坐标系中，保证所测结构部件处于静止状态。使用激光跟踪仪进行云点采集，以机翼和机身对接工作为例，通过激光跟踪仪采集对接后的机翼与机身不同部位的扫描式点云数据，在同一坐标系中进行拼接，得到完整的对接曲面点云数据，然后拟合成曲面数字模型，把得到的测量结果与工程软件中的理论数据比较，按照偏差数据计算测得到几何元素间的相对位置，包括距离和角度关系，查看关键部位的特征符合情况，包括尺寸公差和几何公差等。激光跟踪仪扫描范围大，采集数据速度快，数据采集量大，精度高，装配工作中使用激光跟踪仪实现飞机装配过程的自动化测量，大大提高测量效率。

5 结束语

在飞机部件对接的过程中，利用激光跟踪仪检测飞机部件位置，取代传统定位方法，定位组件，使复杂的工装设备得以简化，辅助完成部件快速精准对接，检测对接完成后的效果。激光跟踪仪在飞机部件对接中作用效果明显。现在激光跟踪仪在飞机工装的定位安装，飞机外形尺寸的检测，零部件的检测，飞机的维修中也已大量的应用。如今飞机数字化装配工作正在进行飞机装配大范围测量技术的研究，探索现场装配和检测技术，相信在大尺寸的测量现场，激光跟踪仪的应用将更加广泛。

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