基于激光跟踪仪的直升机水平测量技术研究

◎刘胜 孔垂峰 刘楠

一、概述

直升机的水平测量是指在直升机处于水平状态下对直升机各部件相对位置准确度的测量，是直升机结构损伤检测的重要手段。本文以某型直升机的水平测量为示例介绍直升机水平测量的原理及现行方式，分析基于激光跟踪仪、数字千斤顶等数字化设备进行直升机水平测量的可行性和实施过程。

二、直升机水平测量的传统方式

直升机水平测量的传统方式为直升机采用千斤顶顶起，调整到水平状态，使用象限仪、水准仪、铅锤、直尺等工具进行水平测量。该方法采用人工调整机身、人工读数记录和手工计算，工作量大，耗时长，效率低；靠人眼通过望远镜读取直尺上的刻度，测量精度不高；受外界环境温度、风速因素影响较大，对环境状况要求较高。

三、基于激光跟踪仪的直升机水平测量

本文介绍的基于激光跟踪仪的直升机水平测量技术具有测量精度高、效率高、工作量小的优势，尤其适合大尺寸、大吨位直升机水平测量。测量系统的多功能、高扩展性等特点，使其可扩展应用到飞机全面检测、动态对接等技术上，具有良好的应用前景。

1.激光跟踪仪。

激光跟踪仪测量系统的工作基本原理是在目标点上安置一个反射器，跟踪头发出的激光射到反射器上，又返回到跟踪头，当目标移动时，跟踪头调整光束方向来对准目标，同时返回光束为检测系统所接受，用来测算目标的空间位置。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，适合于大尺寸工件装配测量。

2.实施原则。

鉴于目前国内直升机制造中模拟量协调、数字量协调两种模式并存，数字化水平测量不能完全取代传统方法进行模拟量协调的直升机水平测量。同时为了保证传统方法、数字化水平测量两种方法数据的可比对性，确定数字化水平测量的实施原则是不改变现行的水平测量方法和检验标准，以数字化测量设备代替传统的测量设备进行数据测量，反馈给测量系统，系统进行计算并控制数字式千斤顶进行飞机姿态的自动调整（调整为水平姿态），然后通过数字化测量设备对测量点进行测量，反馈给测量系统并进行计算形成最终水平测量报告。

3.测量方案。

依据直升机总装后的外形尺寸要求、水平基准点和测量点以及整个系统的自动化程度要求，对数字化水平测量系统总体结构进行设计，结构如下图所示：

图1 数字化水平测量系统框架

（1）设备布局方案。为了降低系统成本，采用一台激光跟踪仪通过转站的方式进行水平测量基准点、测量点测量，通过三台Z 方向调整的数字千斤顶进行机身姿态调整。进行数字化水平测量时，需要布置至少三个激光跟踪仪转站基准，在直升机前部放置一转站基准，在直升机后部尾梁两侧各放置一转站基准。三个转站基准成等腰三角形布置，前部的基准布置在飞机中心线上。激光跟踪仪布置在飞机一侧，前后转站基准中间，保证跟踪头发出的激光可同时射到转站基准及水平测点即可。

（2）建立测量坐标系。以激光跟踪仪的默认坐标系测量三个转站基准的实际数据，使Z 平面与地面平行重新拟合坐标系。此坐标系建立后，激光跟踪仪测量及激光跟踪仪转站时均以此坐标系为基准。

（3）直升机姿态调整。①将飞机推入到数字化水平测量站位，将数字千斤顶放置在机身底部，调整千斤顶位置，使其对准机身千斤顶接头，手动升起千斤顶，使千斤顶与接头接触。②机身调水平。整机横向调平：打开左侧主减活动整流罩，将检测工装放置在直升机主减平台横向基准区，使用激光跟踪仪检测测量点JZ1、JZ2坐标，比对两点的Z 坐标数字差异，通过千斤顶1 或2 调整机身，使机身达到横向水平（即JZ1、JZ2 两点Z 坐标值相同）；

整机纵向调平：使用激光跟踪仪检测基准点4 和基准点6 的坐标，比对基准点4 和基准点6 的Z 坐标数字差异，通过千斤顶3 调整机身，使机身达到纵向水平（即JZ4、JZ6 两点Z 坐标值相同）；③测量坐标系及基准面的建立。建立测量坐标系（激光跟踪仪）后，通过激光跟踪仪测量水平测量点4、5、6、A、D 点。

建立基准面：选取4、5、6 点建立平面，即飞机水平面（Z=2550）；通过A、D 两点连线作垂直于飞机水平面的平面，即飞机Y0 面。④整机水平测量。按上述操作确定的基准面（Y=0，Z=2550），依次测量1、2、3、7、8、9、10、11、12、13、14 等水平测量点的具体坐标值并由整机水平测量系统计算水平测量结果。⑤根据整机水平测量结果，生成整机水平测量报告。

四、对比分析

分析数字化测量方法和传统测量方法的工作流程，以现有的工作数据对测量时间、测量精度进行对比，比对结果见表2、表3。

表2 测量时间对比表（单位：min）

表3 测量误差对比表

从表2 测量时间对比可以看出，采用数字化测量方法将大大节省直升机水平测量的工作周期，预计可以节省2/3 的时间。

从表3 测量误差对比可以看出，数字化测量方法大大降低了设备误差、人员误差和环境误差，测量精度比传统方法提升两个数量级。

五、结束语

本文依据现代飞机数字化制造技术的发展趋势和质量要求，针对目前直升机水平测量的不足，详细介绍了直升机数字化水平测量系统的组成及实施方案。新研直升机的技战指标要求越来越高，对直升机整体制造准确度也提出了更高要求。部分传统的直升机装配、试验方法在原理和测量设备上存在一定的局限性，限制了制造精度的提升。随着数字化装配及测量技术的发展，应该通过系统的研究，积极寻找适合直升机装配、试验的数字化装配、测量方法，以提升直升机制造水平和产品质量，打造新的核心竞争力。