李守通

(上海飞机设计研究院，中国 上海201210)

0 引言

飞机水平测量是对飞机各大部件间的相对几何关系及自身几何变形情况的检测，一般用于总装完成后检验飞机装配精度是否满足设计要求，也可用于检测飞机在经历严重机动、硬着陆或更换大部件等后的变形情况。飞机水平测量是通过在机体表面上设置特征点来进行检测的，这些特征点称为“水平测量点”。水平测量点是在部件装配时在部件表面规定的位置上，使用特定工具或工装制出的记号，如冲点、小孔、特制铆钉、螺钉等，形式不一。传统的水平测量方法主要采用水准仪、标尺、卷尺及铅锤等工具进行测量；近些年，三维测量技术逐渐发展成熟，在飞机水平测量领域得到越来越多的应用，三维测量技术不仅大大降低了飞机水平测量的工作量，而且显著提高了测量精度。

大型客机一般指客座数大于100、满载航程大于3000km的大型民用飞机，这类飞机的尺寸通常非常大，机长往往达到三四十米，机高可达十几米，翼展可达三十多米。由于大型客机各部件的尺寸较大、装配精度要求高，水平测量作为整机装配检验手段发挥着重要作用。

1 机身水平测量目的和原理

大型客机的机身一般由机头、前机身、中机身、中后机身及后机身五个大部段组成，如图1所示。理论上，机身轴线是一条贯穿机身各段的直线，但由于制造装配误差，飞机总装完成后机身各段的轴线实际上存在错位和走偏现象，如图2所示；应注意到机身各段的轴线是空间直线，其错位和走偏现象同时存在与XY平面和XZ平面内。机身水平测量的目的就是要检验机身各段的同轴度是否符合设计要求。

图1 机身分段示意图

图2 机身同轴度示意图

空间中两点确定一条直线，所以理论上要精确检测两段机身部段轴线的关系需要在每段上各自取两个点，以其中一部段作为基准，检查另一部段上两点与该部段的关系；如图3所示，P1、P2是机身部段A轴线上的两点，P3、P4是机身部段B轴线上的两点，以部段A为基准，P3、P4到P1、P2连线的距离h1、h2即可用于表达两者的同轴度；P1、P2、P3、P4理论上应该共线，即h1、h2的理论值都是0，h1、h2的值越大表明两个部段的同轴度越差。图3描述的是XY平面内的同轴情况，XZ平面内的情况与之几乎完全相同，唯一不同的是h1、h2应是XZ平面内的距离量而非XY平面。实际工程上一般不需要如此严格，通常在机身各部段上只选取一个参考点，以其中某个部段（一般选取中机身）的参考点为基准，用其它参考点到该点在Y和Z方向的距离作为机身同轴度是否符合要求的判定依据。

图3 机身同轴度测量原理图

由于机身轴线只是空间中一条虚拟的线，在真实的飞机上并不存在，必须将它转化为飞机上可测量的实物才能进行测量。飞机水平测量将机身轴线转化为机身表面的水平测量点，在机身各部段上都设置有水平测量点，这些点的位置定义在飞机图纸中，它们之间的理论关系在飞机设计时就已确定，在实际测量时，只需检查这些点之间关系的实际值与理论值的差异，即可判断机身同轴度的情况。

2 机身水平测量方法

通常在机身两侧最大宽度线及下零纵线附近设置多个水平测量点用于机身的水平测量，如图4所示，1#、2#、3#点位于机身下零纵线，4#~8#点位于机身最大宽度线附近（左右对称）。

图4 机身水平测量点分布

传统的飞机水平测量方法一般是用标尺、卷尺配合水准仪测定水平测量点到参考面的距离尺寸。测量时，先将飞机在三点支撑、机轮离地的情况下调至水平状态，然后利用水准仪、标尺等工具配合进行全机的水平测量。对于机身，现场分别测量4#~8#点到由水准仪确定的参考水平面的距离Y4~Y8，然后与作为基准点的水平测量点处的数值取差值（基准点在水平测量技术要求中规定），若6#点是基准点，则分别计算出（Y4-Y6）、（Y5-Y6）、（Y7-Y6）、（Y8-Y6）,这些差值的理论值是在设计时就已确定，允许的公差值也已在水平测量技术要求中规定，通过检查实际值与理论值的偏差量即可判断机身同轴度是否符合设计要求。由于传统水平测量方法所使用的测量工具的限制，对Z向距离尺寸的测量操作过程极为复杂而且精度很差，机身水平测量一般只测量各点在Y方向的距离尺寸，用来作为机身同轴度是否符合要求的判定依据。

近些年，三维测量技术逐渐发展成熟，经纬仪、激光跟踪仪、激光扫描仪等先进测量设备大大提高了工程领域的测量水平。在飞机水平测量方面，三维测量技术的应用使水平测量点之间关系尺寸的测量变得更加快捷，且精度有很大提高。对于机身水平测量，使用三维测量技术不仅可以测得各水平测量点间Y方向的距离尺寸，Z方向的距离尺寸也很容易测量。图5展示了使用经纬仪测量水平测量点Z向距离尺寸的方法，先通过机身下零纵线上的水平测量点确定出机身对称面，使用经纬仪在机身外侧建立一个平行的扫描平面，然后使用标尺分别测量4#~8#点到该平面的距离Z4~Z8，并计算出（Z4-Z6）、（Z5-Z6）、（Z7-Z6）、（Z8-Z6），这样Y和Z方向的偏差量可以一同作为机身同轴度是否符合要求的判定依据，提高了判定结果的准确性。实际上，目前三维测量技术已发展到可以精确测量出空间某个点的坐标，如激光跟踪仪通过捕捉球形反射镜反射的激光束来测定反射镜球心坐标的三维数据，这意味着我们可以直接测得水平测量点的坐标，水平测量点间关系尺寸的获取变得轻而易举。

图5 机身Z方向距离尺寸测量示意图

3 机身水平测量误差分析

机身水平测量的误差来源主要是测量工具、测量条件、部件外缘误差这几个方面。

传统水平测量方法使用水准仪、标尺、卷尺等测量工具，由于这些工具本身精度有限，一般只能达到0.5mm或1mm，而且操作过程和数值计算也会引入误差，如（Y6-Y4）是两个测量量之间的差值，它的误差带实际上比单个测量量扩大了一倍，即若Y4和Y6的误差带是±0.5mm，则（Y6-Y4）的误差带是±1mm。目前经纬仪、激光跟踪仪、激光扫描仪等先进测量设备的引入大大提高了测量精度，基本可以达到微米量级，测量工具引起的误差已得到很好地限制。

测量条件指实施飞机水平测量时应具备的条件，主要包括飞机状态和测量环境。各测量项的理论值是基于飞机的理论状态给出的，在实施测量时应尽量保证飞机实际状态与理论状态一致，否则会因为飞机状态差异过大引入较大误差，一般在水平测量技术要求中会对飞机状态予以规定，如空机、起落架放下、处在调平状态等。同时，在测量过程中应尽量避免受到外界影响，如温度变化会导致飞机机体热胀冷缩，从而影响测量值；测量实施过程应满足飞机水平测量技术要求对测量环境的要求，如场地、风速、温度等，尽量减小测量环境引起的误差。

由于制造误差无法避免，飞机部件实际外形轮廓与理论外形轮廓总是存在偏差，一般称为外缘误差或型差，通俗地讲，就是飞机部件都会胖一点或瘦一点，大型客机机身的外缘误差要求一般为±2mm左右。受外缘误差影响，位于飞机表面的水平测量点会偏离原来的理论位置，其移动方向可以近似地认为是外形曲面在该点处的法线方向。图6为机身的外缘误差示意图，可见处在机身最大宽度线附近的点会沿Z向左移或右移，Y向可以认为没有移动，如图中A点会移到A1或A2。在上一节中，我们可以看到传统水平测量方法中直接用于机身同轴度测量的是位于机身两侧最大宽度线附近的4#~8#点，这些点的位置在机身外缘误差的影响下会沿Z向偏移，虽然这些点之间Y向的距离关系几乎不受影响，但机身各部段的外缘误差大小和方向都可能不同，4#~8#点Z向的距离关系会受到显著影响，即（Z4-Z6）、（Z5-Z6）、（Z7-Z6）、（Z8-Z6）存在较大误差，可能会误导最终对机身同轴度的判定结果。通过观察图6中机身下零纵线上的B点可以发现，它在外缘误差的影响下会沿Y向上移或下移，但Z向没有移动，图中B点会移到B1或B2。由此可以看出机身下零纵线上的水平测量点之间Y向的距离关系虽然受到外缘误差的显著影响，但Z向的距离关系几乎不受影响，基于该规律，本文提出可以在机身下零纵上设置一组水平测量点用于机身同轴度Z向偏差检查，机身最大宽度线附近的水平测量点只用于机身同轴度Y向偏差检查，两者结合即可几乎消除外缘误差对机身同轴度的判定带来的不利影响。如图7所示，1#~5#点位于机身下零纵线附近，6#~10#点位于机身最大宽度线附近，以中机身上的3#和8#点作为基准点，（Y6-Y8）、（Y7-Y8）、（Y9-Y8）、（Y10-Y8）表示机身同轴度Y向偏差，（Z1-Z3）、（Z2-Z3）、（Z4-Z3）、（Z5-Z3）表示机身同轴度Z向偏差，这8个差值共同用于判定机身同轴度是否符合设计要求。

图6 机身外缘误差示意图

图7 机身同轴度测量改进方法示意图

4 总结

飞机水平测量用于检验飞机部件装配的准确度，是保证飞机产品质量的重要手段。本文以大型客机机身为例，系统分析了水平测量的目的、原理、方法及误差来源，讨论了与水平测量相关的各项要素，并提出了具体可行的改进措施。随着科技的发展，越来越先进的测量仪器工具被开发出来，测量技术越来越发达，飞机水平测量也更加快捷和精确，在对水平测量目的和原理的深刻理解的基础上应结合新技术不断改进测量方法和分析方法，充分发挥水平测量对飞机的质量控制作用。

［1］张春山，党育辉，曹喜锋.飞机水平测量技术探讨[J].西飞科技，2004（1）：12-14，39.

［2］曹春.三维测量技术与飞机水平测量新方法[J].计测技术，2010（5）：61-62.