中 航 工 業(yè) 沈 陽 飛 機(jī) 工 業(yè)（集 團(tuán) ） 有 限 公 司 喻世臣 康曉峰 翟 南

中國人民解放軍駐沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司軍事代表室 李 鋒

飛機(jī)水平測(cè)量是指為了保證飛機(jī)主要部件相對(duì)位置的安裝幾何參數(shù)和對(duì)稱性具有足夠的精度，對(duì)規(guī)定的飛機(jī)水平測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量工作。作為飛機(jī)總裝最后一道總檢驗(yàn)工序，飛機(jī)水平測(cè)量工作對(duì)飛機(jī)狀態(tài)、測(cè)量環(huán)境、水平測(cè)量點(diǎn)及測(cè)量儀器都有嚴(yán)格的要求[1]。目前，國內(nèi)飛機(jī)水平測(cè)量是以利用光學(xué)經(jīng)緯儀、水平儀、鋼直尺、鋼卷尺等傳統(tǒng)的測(cè)量工具為主，典型的工藝過程是：將經(jīng)緯儀調(diào)水平，確定經(jīng)緯儀本身的坐標(biāo)系；用經(jīng)緯儀測(cè)量并校準(zhǔn)用于飛機(jī)擺水平的水平測(cè)量點(diǎn)，使飛機(jī)在坐標(biāo)系內(nèi)處于水平位置；按水平測(cè)量圖的要求，應(yīng)用水平測(cè)量尺等工具測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)并計(jì)算，與理論要求公差對(duì)比。

傳統(tǒng)飛機(jī)水平測(cè)量方法由于存在精度差、效率低、自動(dòng)化程度低等缺點(diǎn)，難以滿足現(xiàn)代飛機(jī)制造快速、高效、高精度檢測(cè)等要求。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字化測(cè)量技術(shù)在飛機(jī)數(shù)字化制造過程中扮演著越來越重要的角色，大大提升了飛機(jī)制造效率和質(zhì)量，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代飛機(jī)制造全數(shù)字量傳遞的重要技術(shù)保障。iGPS具有多用戶測(cè)量、測(cè)量范圍廣、抗干擾性好、無需轉(zhuǎn)站及一次標(biāo)定多次使用等優(yōu)點(diǎn)，激光跟蹤儀具有高精度、自動(dòng)跟蹤、實(shí)時(shí)測(cè)量及攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，兩種典型數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)的融合完全達(dá)到高精度、高質(zhì)量的測(cè)量要求，實(shí)現(xiàn)了大尺寸飛機(jī)的數(shù)字化水平測(cè)量。

1 測(cè)量系統(tǒng)組成及測(cè)量原理

測(cè)量系統(tǒng)由iGPS測(cè)量系統(tǒng)、激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)組成。iGPS雖能實(shí)現(xiàn)大尺寸多用戶測(cè)量，但精度不高；激光跟蹤儀具有高精度等優(yōu)點(diǎn)，但易斷光，且對(duì)工人技能要求高。本文采用兩種數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)相結(jié)合的方式，解決使用單一測(cè)量系統(tǒng)的局限性，實(shí)現(xiàn)功能化、系統(tǒng)化的數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)。

1.1 iGPS測(cè)量系統(tǒng)

iGPS測(cè)量系統(tǒng)是利用GPS原理開發(fā)出來的高可靠性、高效用性的大尺寸測(cè)量系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)大尺寸部件或整機(jī)的三維測(cè)量和定位。

1.1.1 iGPS測(cè)量系統(tǒng)組成

iGPS測(cè)量系統(tǒng)主要由以下幾部分組成（圖1）：（1）發(fā)射器：包括轉(zhuǎn)臺(tái)、基座兩部分；（2）接收器：主要由基體、感光單元及信號(hào)接口，常見的接收器有圓柱形接收器、球形接收器和矢量棒接收器；（3）測(cè)量控制網(wǎng)：利用有線及無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸及存儲(chǔ)，在大尺度空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高效測(cè)量并動(dòng)態(tài)更新測(cè)量網(wǎng)絡(luò)；（4）系統(tǒng)軟件：每套iGPS測(cè)量系統(tǒng)都配有客戶軟件、計(jì)量軟件及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

1.1.2 iGPS測(cè)量系統(tǒng)原理

發(fā)射器勻速旋轉(zhuǎn)并向外發(fā)射兩束帶有一定空間角度的紅外平面激光（掃描光），同時(shí)每當(dāng)轉(zhuǎn)至一個(gè)預(yù)定初始位置時(shí)會(huì)觸發(fā)基座上的紅外脈沖激光器發(fā)出全向光脈沖，作為旋轉(zhuǎn)平臺(tái)單周旋轉(zhuǎn)起點(diǎn)的時(shí)間同步標(biāo)記光信號(hào)（同步光）。接收器根據(jù)發(fā)射器光信號(hào)到來的周期以及光信號(hào)脈沖寬度等基本特征，判別發(fā)出光信號(hào)的發(fā)射器編號(hào)以及光信號(hào)類型。接收器感光單元的內(nèi)置光電二極管將發(fā)射器發(fā)出的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，預(yù)處理電路將原始光電流信號(hào)進(jìn)行放大并通過閾值判斷將其二值化為邏輯脈沖。由光信號(hào)轉(zhuǎn)化成的邏輯脈沖被輸入時(shí)間數(shù)據(jù)處理電路中進(jìn)行計(jì)時(shí)，并通過同一發(fā)射器基站兩個(gè)掃描光信號(hào)與一個(gè)同步光到達(dá)時(shí)間間隔解算出方位角和俯仰角。最后經(jīng)過三角測(cè)量原理解算空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)值[2]。

圖1 iGPS測(cè)量系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of iGPS measurement system

1.2 激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)

激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)是一種基于角度傳感和測(cè)長技術(shù)的高精度、便攜式球坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、造船、機(jī)械制造等領(lǐng)域零件定位安裝、尺寸檢測(cè)及逆向工程。

1.2.1 激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)組成

激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)主要由以下幾部分組成（圖2）：（1）激光跟蹤頭：激光干涉儀（IFM）、絕對(duì)測(cè)距儀（ADM）、角度編碼器、步進(jìn)馬達(dá)及運(yùn)動(dòng)部件；（2）控制機(jī)：干涉系統(tǒng)、角度編碼器計(jì)數(shù)裝置、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、跟蹤處理器及網(wǎng)卡；（3）反射球：將入射的平行激光束按原路返回激光跟蹤頭；（4）氣象傳感器：僅與周圍空氣接觸，根據(jù)環(huán)境變化進(jìn)行補(bǔ)償；（5）用戶計(jì)算機(jī)：一般安裝Spatial Analyzer等測(cè)量分析軟件，并對(duì)數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)[3]。

1.2.2 激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)原理

激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)的基本原理如圖3所示：利用測(cè)量在球坐標(biāo)系下1個(gè)長度值和2個(gè)角度值測(cè)出空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)[4]。其中l(wèi)可由激光干涉儀或絕對(duì)測(cè)距儀測(cè)得，而水平角α和垂直角β由角度編碼器測(cè)得，同時(shí)激光跟蹤儀也會(huì)通過自身的校準(zhǔn)參數(shù)和氣象補(bǔ)償參數(shù)對(duì)測(cè)量過程中產(chǎn)生的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

圖2 激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of laser tracker measurement system

圖3 激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)原理Fig.3 Principle of laser tracker measurement system

2 水平測(cè)量方案

水平測(cè)量項(xiàng)目包括：機(jī)身、機(jī)翼、尾翼的安裝幾何參數(shù)和對(duì)稱性的測(cè)量，部件間大尺寸對(duì)稱性的測(cè)量，起落架的輪距、對(duì)稱性、平行性的測(cè)量等。根據(jù)兩種測(cè)量系統(tǒng)各自的特點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，統(tǒng)一測(cè)量坐標(biāo)系，最終完成水平測(cè)量并采集數(shù)據(jù)結(jié)果。

2.1 iGPS測(cè)量場(chǎng)布局

由于飛機(jī)水平測(cè)量點(diǎn)的位置分布、測(cè)量精度均存在較大差異，對(duì)iGPS發(fā)射器的數(shù)量和相對(duì)位置提出了較高要求，發(fā)射器的布置應(yīng)保證每個(gè)水平測(cè)量點(diǎn)能夠至少接收到兩個(gè)發(fā)射器的信號(hào)，并根據(jù)接收到發(fā)射器信號(hào)的數(shù)量調(diào)整發(fā)射器與測(cè)量點(diǎn)之間的距離。研究表明，在局部有效測(cè)量場(chǎng)中每個(gè)水平測(cè)量點(diǎn)接收4個(gè)發(fā)射器的信號(hào)能夠滿足測(cè)量精度的要求，并以此合理分布系統(tǒng)資源，實(shí)現(xiàn)整體測(cè)量場(chǎng)的精確布局。

2.2 iGPS系統(tǒng)標(biāo)定

iGPS測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定是指測(cè)量前將每個(gè)發(fā)射器自身的坐標(biāo)系經(jīng)過未知參數(shù)解算統(tǒng)一到同一個(gè)測(cè)量坐標(biāo)系下，這是iGPS測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量和定位的重要前提。具體步驟如下：在基準(zhǔn)尺兩端固定2個(gè)球形接收器，分別在6個(gè)不同位置分豎直、橫向、斜向3種不同姿態(tài)擺放基準(zhǔn)尺并完成空間坐標(biāo)值的采集，最終由配套控制軟件WorkSpace完成iGPS測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定，在測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下，可以實(shí)現(xiàn)一次標(biāo)定多次使用。

2.3 激光跟蹤儀布站

由激光跟蹤儀的原理可知，測(cè)量時(shí)空間點(diǎn)的坐標(biāo)都在其內(nèi)置坐標(biāo)系下，激光跟蹤儀可在固定位置測(cè)出所有可測(cè)范圍內(nèi)待測(cè)空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)。激光跟蹤儀具有自動(dòng)跟蹤、攜帶方便等特點(diǎn)，因而布站方式較為靈活，但必須考慮后續(xù)通過轉(zhuǎn)站測(cè)量實(shí)現(xiàn)多組坐標(biāo)系完成大尺寸飛機(jī)全部待測(cè)點(diǎn)空間坐標(biāo)的測(cè)量。激光跟蹤儀布站應(yīng)遵循幾個(gè)原則：覆蓋測(cè)量面積盡量大，激光跟蹤儀發(fā)出的激光束與水平測(cè)量點(diǎn)間無遮擋，地面條件好。

2.4 統(tǒng)一坐標(biāo)系

統(tǒng)一坐標(biāo)系是將激光跟蹤儀、iGPS坐標(biāo)系統(tǒng)一成測(cè)量坐標(biāo)系，是實(shí)現(xiàn)兩種數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用的重要步驟。在合適的位置布置6個(gè)公共測(cè)量點(diǎn)，使所有測(cè)量點(diǎn)均在激光跟蹤儀和完成標(biāo)定的iGPS測(cè)量范圍內(nèi)，分別使用兩套測(cè)量系統(tǒng)在各自坐標(biāo)系中依次測(cè)量公共測(cè)量點(diǎn)，應(yīng)用Spatial Analyzer軟件的最佳擬合功能驗(yàn)證最大偏差和不確定度是否滿足大尺寸飛機(jī)水平測(cè)量的精度要求。

2.5 激光跟蹤儀轉(zhuǎn)站

在全機(jī)水平測(cè)量時(shí)，激光跟蹤儀一次測(cè)量難以獲取全部測(cè)量數(shù)據(jù)，為了提高測(cè)量效率而不影響測(cè)量精度，通常采用轉(zhuǎn)站測(cè)量的方法。轉(zhuǎn)站測(cè)量是指激光跟蹤儀在不同的站位測(cè)量相同至少7個(gè)公共測(cè)量點(diǎn)，應(yīng)用測(cè)量分析軟件最佳擬合計(jì)算后將不同站位各自坐標(biāo)系統(tǒng)一到測(cè)量坐標(biāo)系，建立不同站位之間的聯(lián)系。為降低轉(zhuǎn)站測(cè)量中帶來的誤差影響，應(yīng)盡量保持公共測(cè)量點(diǎn)位置等環(huán)境條件的穩(wěn)定性，并降低多次測(cè)量的人為操作誤差。

2.6 水平測(cè)量點(diǎn)測(cè)量

機(jī)身、機(jī)翼、尾翼等水平測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量，直接用iGPS矢量棒接收器的探針側(cè)頭全角度多方位與水平測(cè)量點(diǎn)標(biāo)識(shí)輕碰，經(jīng)最小二乘法即可得出測(cè)量點(diǎn)的平均坐標(biāo)值。對(duì)于距地面較高的水平測(cè)量點(diǎn)，則可以借助加長桿與矢量棒接收器配合完成測(cè)量。起落架輪距等有高精度要求的測(cè)量可用激光跟蹤儀測(cè)量球面或圓形，通過Spatial Analyzer軟件最佳擬合可以得到球心點(diǎn)或圓心點(diǎn)的坐標(biāo)值。為了保證測(cè)量精度，同樣可用采用多次測(cè)量求出加權(quán)值。

2.7 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

為了提高水平測(cè)量數(shù)據(jù)處理的效率和可靠性，利用Visual Basic 6.0開發(fā)了用于飛機(jī)水平測(cè)量的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由Visual Basic窗體及Access數(shù)據(jù)庫兩部分組成，采用模塊化管理，主要包括系統(tǒng)用戶管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、報(bào)表輸出模塊、系統(tǒng)幫助模塊。系統(tǒng)主要可以實(shí)現(xiàn)：用戶身份確認(rèn)、用戶模式間切換；測(cè)量數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、查看、刪除、修改、誤差分析等；用戶需求各種報(bào)表的輸出。本系統(tǒng)具有實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高、靈活性好、操作簡單等特點(diǎn)，非常容易掌握操作方法和技巧。

3 應(yīng)用驗(yàn)證

針對(duì)某型飛機(jī)分別應(yīng)用傳統(tǒng)方式、激光跟蹤儀（Laser Tracker）及激光跟蹤儀與iGPS聯(lián)合應(yīng)用3種方法進(jìn)行全機(jī)水平測(cè)量，測(cè)量主要參數(shù)對(duì)比如表1。本文研究成果已經(jīng)獲得成功應(yīng)用。激光跟蹤儀結(jié)合iGPS建立了飛機(jī)水平測(cè)量的全局測(cè)量場(chǎng)，在優(yōu)化布局下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)為200μm+10μm/m、靜態(tài)為10μm +5μm/m的測(cè)量精度，并保證5點(diǎn)/秒的動(dòng)態(tài)測(cè)量速度，縮短全機(jī)水平測(cè)量時(shí)間50%以上，且測(cè)量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)方式。

表1 不同測(cè)量方式參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)論

基于激光跟蹤儀、iGPS數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用的水平測(cè)量新方法分別保留了原獨(dú)立兩種測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過合理優(yōu)化水平測(cè)量工藝方案，應(yīng)用驗(yàn)證得知：在保證高精度、自動(dòng)化的情況下，縮短全機(jī)水平測(cè)量時(shí)間50%以上，具有較高的應(yīng)用前景。

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[2] 陳登海. 基于室內(nèi)GPS的飛機(jī)數(shù)字化水平測(cè)量技術(shù)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2010.

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