民用飞机的测控技术前瞻

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欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 21世纪的今天，国际航空市场竞争越演越烈。在大型干线飞机领域，欧洲空客与美国波音两强争霸，完全垄断了市场；中小型支线飞机市场的竞争也已经进入了白热化阶段，许多发展中国家都将相对较小型的支线飞机工业作为发展本国航空工业的突破口。 国外航空飞行器测控水平 工业测量系统在国外航空工业中已广泛应用在部件制造装配、型架安装和飞机检修等方面。例如，国内哈尔滨飞机制造厂与巴西庞巴迪公司合作生产的支线飞机，采用的是激光跟踪仪测量外型。美国波音公司发包的部件产品中（如登机门、货舱门等），影响气动外型的检测也已采用三坐标测量肩（动态）测量，这种测量方法既准确又精度高，可以满足用户要求。 笔者从俄罗斯航空界同行口中了解到，俄罗斯“萨留特”厂联邦科学生产中心航空燃气涡轮发动机（目前的第4～6代）产品上叶片的侧向定位检测等，用的是激光跟踪仪设备。据国际资料刊载，国外航空工业已发展到室内设备测量系统（IndoorGPS）。从图中分析可知，这种室内吊顶定位式的激光测量系统坐标选定方便、测量简便、数据可靠；如安装在紧固件的工具上，可设置坐标点或选螺栓接头处设坐标。因此，该设备测量系统是引领航空制造工业检测技术的先驱，特别适用民用飞机全机部件对合、外型测量。 国内航空飞行器测控现状 1 水平测量法 水平测量法是采用水平测量点来反映装配情况。水平测量点是由工装按照工程设计要求，设计在装配型架上专门用于测量用途的专用指示器，在部件装配时落实在相应的部件表面规定的位置上（如涂红漆的冲点、特制铆钉、螺钉等作为测量记号）。 水平测量法实际上是将飞机理论模线转移到了产品部件表面的相应位置作为测量依据。因此，在测量过程中只要检查这些点的相对位置数据，就可以确定各部件的相对位置是否符合工程设计要求[1]。 水平测量作为飞机出厂前的最后一道检验工序具有重要的地位，因此国内外均有进行水平测量的规定。目前国内各飞机制造厂主要采用的仍然是手工光学测量方法，利用气泡水准仪（经纬仪）配合标尺、铅锤等进行测量，与国外检测技术有相当差距，存在强度大、精度差、效率低等问题。国内如军机飞豹，民机新舟60机型等均采用水平测量方法检测全机外型。 2 工业测量系统 工业测量系统（Industrial-Measuring System, 简称IMS）, 是指用于工业产品的质量检验及装配的经纬仪交会系统。它利用空间前方交会原理，根据定点和定标原理，利用2台或2台以上的经纬仪组成的测量网络，配以相应的软件即可以开展测量工作。通过计算机实时地采集被测物体上各点的空间坐标，然后经过数据处理求得被测物体的有关参数，完成工业产品的质量检测以及指导装配工作。 目前，国内仅应用于工装型架装配、检查、调整等方面内容，检测范围窄、测量速度慢、设备仪器利用率低，在水平测量等产品质量检测控制方面的应用尚未开展。作者曾对数模测量技术试验设计进行了科学论证，通过有序的试验设计实施、详实严谨的试验设计论证、三维数模（CATIA理论数模）分析、与工装定位的数据比较等, 得了科学的试验成果，并指导运用激光跟踪仪测量飞机产品。目前，正在着手研究ARJ21支线飞机全机外型测控。 3 无工装定位数模测量技术 无工装定位数模测量技术是指放弃工装型架或在产品上借用小的工装夹具、工具作为基准，运用激光跟踪仪测量，直接在无工装定位的情况下对产品进行检测[2]。随着CATIA计算机绘图数模技术的普及运用，ARJ21支线飞机总装要承接解决“不设置机身/ 机翼预对接合台”工装型架的议题重任。 从2005年初起，作者对该数模测量技术课题进行了初始研究；随着该课题的不断深入及取得的阶段成果，结合质量工程专业理论知识，通过系统的科学试验，对该创新技术在产品制造过程中的数模测量技术应用作出了可靠性的论证；并与课题组攻关人员一起对模拟产品外型面测量点作了对比分析。课题组从方便测试的角度出发，选取了16个测量点，分别进行了二次约束、三次自由的试验，以论证试验设计的实用正确性。 2006年8月，项目课题组在原测量方案认定的基础上，借用了波音平尾产品工装，根据新设置的测量基准点对平尾产品外型进行了模拟测量（约束/自由状态），得到了可喜的成果： （1）试验结果。 试验验证了无工装定位测量技术是一种快捷简便、经济实用、确实可行的方法，其测量坐标基准点的偏差一般不超过0.07mm，最大不超过0.081mm，检测误差完全能满足工程图纸设计标准的要求[3]。 （2）计算机数模分析结论。 在无工装定位的条件下，约束与自由状态下所测量的外型数据进行了对比（对比分析数据见下图“外翼模拟试验测量点记录”所示），被测点的数值基本是一致的[4]，而且又与有工装定位的条件下外型测量数据作了比对，被测点的数值基本也是一致的。 （3）实测值与理论值数据对比。 通过对产品实测值与理论值数据对比分析，两者测量的平尾翼根区域数值均在工程设计公差范围内。仅发现在近翼尖部位有3～5点存在超差，最大超差值为2.4mm（超差值的换算按中国商飞112GD-001文件中的规定所得）。据ARJ21-700项目现有资料查阅，ARJ21-700飞机的单侧机翼（外翼）的翼尖最大水平测量公差为12mm。按比例测算，用无工装定位数模测量技术检测，外翼翼尖部位外型的最大偏差不会超过5～8mm。 （4）超差原因分析。 主要是平尾结构的翼尖部位刚性较弱、铆接变形及内部应变等引起，不影响翼根部与机身连接的外型面工程技术要求。 测控技术问题与建议 通过上述国内外航空飞行器检测技术差距分析与比较，可以看出，我们航空制造业的检测手段和方法相对落后。所以，要想提升改变制约我国民用飞机发展的技术瓶颈及与国外发达国家的差距，应考虑我国的国力，适量投入资金；挖掘现有检测设备的潜能，组建测控技术研发团队；并将这二者有机结合，采用二步走方针。 1 开展无工装定位数模测量技术的研究与成果应用 鉴于目前国内航空飞行器检测设备主要是激光跟踪仪，且使用范围小；故应最大地发挥其效用。经过一系列的有序试验、科学论证和详细规划，并进行精确的成本测算与效益分析，作者认为：数模测量基准的确定、正确合理选取，是无工装定位数模测量技术课题最重要的攻关难题。 解决了这个问题，其他一切就会迎刃而解了。 现课题组正在按ARJ21项目进度节点作技术准备，已于2007年3～4月做了第5次试验，模拟机身与机翼预对接的姿态，对外翼一号肋外型面及主起交点位置进行测量，将试验设计成果做一次正式亮相和确认。 从而在不设置机身/ 机翼预对接合台工装型架状态下，一次成功地保证机身机翼装配协调。2007年5月初，西安飞机制造公司机翼装配厂应用上飞提供的测控技术方案，对外翼产品进行了专项测量，其基准点的转换精度达到了工装设计的要求，这项专利在生产一线得到了认证。 另外，一台型号为LTD500型激光跟踪测量仪, 价格约160万元。如仅做几何元素、相关位置尺寸等的检测，真是浪费了高新技术设备的含金量。应该开展无工装定位数模测量的技术研究，提高激光跟踪仪的功效与应用领域，最大潜能地发挥出激光跟踪仪设备的功能。 无工装定位数模测量技术在国内刚刚起步，国际上也初见端倪。企业应尽快组建测控技术团队，来从事这一新领域的研究。因为它的研发对传统的工装技术是一次挑战，是一次革命，经济效益不可估量；其普及运用不仅是对航空工业、更是对工装制造业的一大贡献。 2 适当投入资金，引进必要的检测设备与技术 国外航空工业正逐渐运用室内设备测量系统，这种高精端的检测仪器较适合民用飞机的总装外型检查及其他功能的使用。 结束语 作者坚信，只要“让思想插上翅膀”，开展创新活动，走自主创新型的发展道路，把现代化的测控技术推广和应用于大飞机的研制工作中，就可提高民用飞机的研制速度和测控精度，不久之后民用飞机必将飞上蓝天，到2020年我国定能实现“世界航空科技强国”的奋斗目标。 参考文献 [1] 张春山, 党育辉, 曹喜锋. 水平测量技术探讨. 西飞科技，2004(1):12-14,39. [2] 邹群. 无工装定位数模测量技术初探. 质量监督与检验第九届论文入选集. 北京：中国质量检验协会，2005. [3] 马强，闫勇刚，刘万里，等. 激光跟踪测量系统校验及在三维测量中的应用. 中国测试技术，2006，32（145）：27-28. [4] 申忠加，郭福田，丁晖. 现代测试技术与系统设计. 西安：西安交通大学出版社，2006.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/8/2010)