肖慶東，張學(xué)睿，郭飛燕，韓 潔，曹冠宇

（中國(guó)航空制造技術(shù)研究院數(shù)字化制造技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024）

飛機(jī)裝配工藝包含裝配順序、定位方案、工裝設(shè)計(jì)等要素，是影響裝配質(zhì)量、裝配周期等指標(biāo)的重要因素。與一般機(jī)械產(chǎn)品相比，飛機(jī)對(duì)裝配準(zhǔn)確度與可靠性的要求更高。同時(shí)，由于存在機(jī)翼、壁板蒙皮、長(zhǎng)桁等尺寸大、剛度小的柔性件，飛機(jī)裝配工藝設(shè)計(jì)過(guò)程更復(fù)雜，考慮因素更多。為保證裝配過(guò)程中偏差滿足質(zhì)量要求，需在裝配前對(duì)制造偏差、夾具定位偏差、裝配變形等偏差源進(jìn)行分析，完成偏差預(yù)測(cè)及優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配質(zhì)量問(wèn)題的主動(dòng)預(yù)防。面對(duì)復(fù)雜多變的裝配現(xiàn)場(chǎng)，即使在設(shè)計(jì)階段考慮多種偏差源，工藝仿真結(jié)果與現(xiàn)實(shí)情況仍會(huì)存在差異，不利于裝配質(zhì)量的提升。為使飛機(jī)裝配工藝更好地反映現(xiàn)場(chǎng)裝配情況，提高裝配質(zhì)量，需從裝配質(zhì)量控制入手，研究具有實(shí)時(shí)主動(dòng)性的質(zhì)量控制手段。

隨著航空零件加工精度的提升，利用先進(jìn)質(zhì)量控制策略控制裝配質(zhì)量，是提高飛機(jī)制造效率、縮短生產(chǎn)周期的需要。飛機(jī)裝配周期較長(zhǎng)、過(guò)程復(fù)雜，傳統(tǒng)的質(zhì)量控制方法如統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制、田口方法等，通常為質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生后改正的被動(dòng)方法，難以實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警與控制，并且飛機(jī)裝配中誤差呈非線性累積，以線性分析為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)質(zhì)量控制方法易增加超差風(fēng)險(xiǎn)，具有較大的局限性。在智能制造、工業(yè)4.0等理念的指導(dǎo)下[1]，包含實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、持續(xù)改進(jìn)的先進(jìn)質(zhì)量控制理念正在逐步形成，如何利用實(shí)時(shí)控制等先進(jìn)理念發(fā)展質(zhì)量控制方法，推動(dòng)裝配質(zhì)量的穩(wěn)步提升，成為飛機(jī)裝配質(zhì)量控制的重要發(fā)展方向。

隨著自動(dòng)化設(shè)備的應(yīng)用，由裝備及測(cè)量?jī)x器產(chǎn)生的信息為裝配質(zhì)量保障提供重要參考，促進(jìn)了裝配質(zhì)量的實(shí)時(shí)控制及改進(jìn)提升。但目前仍存在一些問(wèn)題：（1）隨著裝配工序的推進(jìn)，裝配質(zhì)量影響因素呈現(xiàn)非線性強(qiáng)耦合變化，現(xiàn)有質(zhì)量預(yù)測(cè)研究無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)更新及預(yù)測(cè)需要；（2）實(shí)時(shí)過(guò)程控制等質(zhì)量控制研究已取得一定的進(jìn)展，但還需對(duì)智能傳感等基礎(chǔ)技術(shù)進(jìn)行深入分析；（3）利用現(xiàn)場(chǎng)信息反饋優(yōu)化裝配工藝的概念已提出，但仍缺乏成熟質(zhì)量思想的指導(dǎo)以及全面質(zhì)量控制系統(tǒng)的應(yīng)用。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文對(duì)提升飛機(jī)裝配質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述，參考數(shù)字孿生“虛實(shí)結(jié)合、以虛控實(shí)”思想[2]，分析裝配質(zhì)量主動(dòng)實(shí)時(shí)控制技術(shù)框架，剖析其主要特征，對(duì)其中能夠主動(dòng)預(yù)防的質(zhì)量預(yù)測(cè)方法、能夠?qū)崟r(shí)反饋的質(zhì)量過(guò)程控制技術(shù)進(jìn)行總結(jié)研究，為飛機(jī)裝配質(zhì)量的主動(dòng)實(shí)時(shí)控制提供指導(dǎo)。

飛機(jī)裝配質(zhì)量主動(dòng)實(shí)時(shí)控制技術(shù)框架

統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制等被動(dòng)質(zhì)量控制方法應(yīng)用廣泛，但這些方法屬于“開(kāi)環(huán)監(jiān)測(cè)”[3]，人工參與度高，難以主動(dòng)預(yù)防，并且飛機(jī)裝配中的數(shù)據(jù)具有動(dòng)態(tài)非線性特點(diǎn)，被動(dòng)質(zhì)量控制方法無(wú)法根據(jù)狀態(tài)信息實(shí)時(shí)控制裝配質(zhì)量，存在較大滯后性。因此，面對(duì)復(fù)雜多變的裝配現(xiàn)場(chǎng)，應(yīng)以主動(dòng)預(yù)防為前提，利用裝配信息的實(shí)時(shí)反饋，實(shí)現(xiàn)裝配質(zhì)量的主動(dòng)實(shí)時(shí)控制，其目的在于從主動(dòng)預(yù)防與實(shí)時(shí)反饋兩個(gè)角度保障裝配質(zhì)量，其內(nèi)容包含基于機(jī)理與數(shù)據(jù)的質(zhì)量預(yù)測(cè)建模研究，以及從控制基礎(chǔ)層到系統(tǒng)管控層的質(zhì)量過(guò)程控制研究。

數(shù)字孿生、人工智能等新技術(shù)的應(yīng)用使質(zhì)量控制有了較大改變，當(dāng)前飛機(jī)裝配質(zhì)量控制主要呈現(xiàn)以下特征：

（1）線內(nèi)控制與線外控制逐漸結(jié)合。質(zhì)量控制分為面向線外質(zhì)量控制的工藝設(shè)計(jì)方法與面向線內(nèi)質(zhì)量控制的過(guò)程控制方法[3]。前者考慮裝配工藝方案設(shè)計(jì)優(yōu)化等內(nèi)容，后者考慮裝配中誤差問(wèn)題的溯源改正。隨著質(zhì)量預(yù)測(cè)實(shí)時(shí)性的提高，以往線外控制的工藝方案優(yōu)化、線內(nèi)控制質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集與分析的質(zhì)量控制方法，逐漸變?yōu)檠b配反饋優(yōu)化改進(jìn)機(jī)制[4]，實(shí)時(shí)推動(dòng)裝配質(zhì)量迭代穩(wěn)定。

（2）數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量控制成為研究重點(diǎn)。隨著多種柔性工裝、自動(dòng)鉆鉚裝備、測(cè)量?jī)x器投入使用，裝配過(guò)程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)經(jīng)處理分析，成為推動(dòng)質(zhì)量控制發(fā)展的核心動(dòng)力[5]。對(duì)裝配數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分類，由裝配需求給出數(shù)據(jù)建模指引，利用智能算法解決工藝優(yōu)化、質(zhì)量預(yù)測(cè)等問(wèn)題。數(shù)據(jù)反饋控制的快速性使裝配質(zhì)量的實(shí)時(shí)控制有了充足動(dòng)力。

（3）質(zhì)量控制逐步系統(tǒng)化。數(shù)據(jù)的采集與分發(fā)，反饋控制的良好運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)備儀器的動(dòng)態(tài)控制，均需質(zhì)量控制系統(tǒng)的整體調(diào)控。因此，在推進(jìn)飛機(jī)裝配數(shù)字化、智能化道路上，應(yīng)以系統(tǒng)工程思想應(yīng)對(duì)質(zhì)量控制，完善系統(tǒng)交互能力。

按照不同質(zhì)量控制技術(shù)的聯(lián)系，結(jié)合“虛實(shí)交互”理念，將飛機(jī)裝配質(zhì)量主動(dòng)實(shí)時(shí)控制分為物理空間的控制以及虛擬空間的控制，核心在于保證裝配質(zhì)量處于可控范圍。通過(guò)工裝裝備/測(cè)量?jī)x器對(duì)裝配質(zhì)量的控制/表征，實(shí)現(xiàn)物理空間的直接控制。裝配現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)作為虛擬空間核心，通過(guò)數(shù)據(jù)管理、融合與映射，完成虛擬空間的構(gòu)建，借助質(zhì)量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)虛擬空間可視化。利用質(zhì)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行預(yù)測(cè)分析與虛擬裝配，兩者信息交互，實(shí)現(xiàn)面向裝配現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)快速質(zhì)量評(píng)價(jià)，以及面向裝配工藝設(shè)計(jì)的主動(dòng)高效質(zhì)量融合預(yù)測(cè)。質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果實(shí)時(shí)反饋至物理空間進(jìn)行裝配過(guò)程質(zhì)量控制，融合預(yù)測(cè)結(jié)果通過(guò)工藝設(shè)計(jì)等方式對(duì)物理空間配置進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到裝配質(zhì)量主動(dòng)控制效果。總體技術(shù)框架如圖1所示。

圖1 飛機(jī)裝配質(zhì)量主動(dòng)實(shí)時(shí)控制技術(shù)框架Fig.1 Framework of active real-time aircraft assembly quality control

基于主動(dòng)預(yù)防的飛機(jī)裝配質(zhì)量高效預(yù)測(cè)研究

裝配過(guò)程被動(dòng)質(zhì)量控制方法傾向異常波動(dòng)發(fā)生后的識(shí)別與分析，為實(shí)現(xiàn)質(zhì)量變化的預(yù)測(cè)及質(zhì)量問(wèn)題的預(yù)警，應(yīng)融合質(zhì)量預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)預(yù)防優(yōu)化，提高飛機(jī)裝配質(zhì)量控制效率。建模預(yù)測(cè)是質(zhì)量預(yù)測(cè)的主要實(shí)現(xiàn)方法，通常分為兩類：一是分析誤差傳播過(guò)程的機(jī)理建模；二是分析誤差信息的數(shù)據(jù)建模，通過(guò)將兩類方法結(jié)合，形成機(jī)理–數(shù)據(jù)模型，在增加模型可解讀性的同時(shí)加強(qiáng)對(duì)非線性問(wèn)題的求解能力。裝配質(zhì)量預(yù)測(cè)技術(shù)如圖2所示，以下從質(zhì)量預(yù)測(cè)的機(jī)理模型、數(shù)據(jù)模型及機(jī)理–數(shù)據(jù)模型3方面進(jìn)行論述。

圖2 質(zhì)量預(yù)測(cè)技術(shù)Fig.2 Overview of quality prediction

1 面向工藝過(guò)程的質(zhì)量預(yù)測(cè)機(jī)理建模

飛機(jī)結(jié)構(gòu)中存在較多復(fù)雜柔性件，涉及多種工裝與工藝的配合，導(dǎo)致裝配質(zhì)量影響因素較多。為使質(zhì)量預(yù)測(cè)貼合實(shí)際，研究者多從裝配中涉及的物理因素入手，在定性分析裝配偏差源的基礎(chǔ)上研究偏差的數(shù)學(xué)表達(dá)，實(shí)現(xiàn)裝配質(zhì)量的定量分析，這是機(jī)理建模質(zhì)量預(yù)測(cè)方法。機(jī)理建模多在設(shè)計(jì)階段來(lái)檢驗(yàn)分析裝配工藝及公差設(shè)計(jì)的合理性。

基于剛體假設(shè)的裝配質(zhì)量預(yù)測(cè)機(jī)理建模常采用確定性定位法實(shí)現(xiàn)對(duì)制造偏差、夾具定位偏差的建模分析，為：

通過(guò)雅可比矩陣Ji、零件約束向量ΦRi，建立平移與轉(zhuǎn)動(dòng)偏差Δqi與定位點(diǎn)定位偏差Vu和制造偏差Vm總和的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)剛體假設(shè)下的線性機(jī)理建模。

隨著質(zhì)量要求的提高，更為貼合柔性薄壁件裝配特征的質(zhì)量預(yù)測(cè)機(jī)理建模方法需要進(jìn)一步探索，目前柔性薄壁件機(jī)理建模的研究存在以下難點(diǎn)：（1）裝配流程復(fù)雜導(dǎo)致機(jī)理建模不全面；（2）裝配誤差多樣導(dǎo)致機(jī)理建?？紤]因素不完整；（3）機(jī)理模型難以完整反映真實(shí)裝配情況。針對(duì)上述問(wèn)題，傳統(tǒng)的剛體模型由于無(wú)法表征零件變形誤差等局限性，對(duì)柔性件已不適用[6]。因此，有研究者提出采用影響系數(shù)法與超元?jiǎng)偠染仃嚴(yán)碚搧?lái)表征柔性薄壁件的裝配變形偏差，為：

結(jié)合柔性件裝配“定位–夾緊–裝配–回彈”流程，通過(guò)敏感度矩陣Suw建立回彈偏差Vw與初始定位偏差Vu的關(guān)系，同時(shí)為解決敏感度矩陣求解難的問(wèn)題，利用超元?jiǎng)偠染仃噷?shí)現(xiàn)商用有限元軟件對(duì)影響系數(shù)法的優(yōu)化，在柔性薄壁件裝配質(zhì)量預(yù)測(cè)機(jī)理建模理論支撐下，諸多學(xué)者對(duì)柔性件偏差源、偏差傳遞過(guò)程數(shù)學(xué)建模等進(jìn)行分析，通過(guò)有限元數(shù)值方法、蒙特卡洛模擬方法等進(jìn)行解算，取得了較好的研究成果。劉殷杰等[7]綜合分析制造偏差、夾具偏差、裝配變形等偏差源，結(jié)合圖3所示的飛機(jī)薄壁件實(shí)際裝配過(guò)程構(gòu)建裝配偏差模型，最終獲得線性疊加公式：

圖3 多偏差源線性疊加的質(zhì)量預(yù)測(cè)機(jī)理建模Fig.3 Quality prediction mechanism modeling of linear superposition of multiple deviation sources

式中，下角標(biāo)i表示第i個(gè)零件，下角標(biāo)P與F分別表示與零件相關(guān)和與夾具相關(guān)的參數(shù)，上角標(biāo)L、C、R、K分別表示確定性定位、過(guò)定位、鉚接、關(guān)鍵控制特性相關(guān)的參數(shù)，通過(guò)上述各類裝配過(guò)程偏差相關(guān)的敏感度矩陣，建立起裝配后關(guān)鍵控制特性偏差與初始偏差、確定性定位點(diǎn)偏差、過(guò)定位夾緊點(diǎn)偏差、鉚接點(diǎn)偏差，以及用于確定性定位與過(guò)定位的夾具偏差的線性關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過(guò)蒙特卡洛法完成模型仿真計(jì)算，較為完整地實(shí)現(xiàn)基于機(jī)理建模的質(zhì)量預(yù)測(cè)過(guò)程。

Lu等[8]在基本偏差源分析的基礎(chǔ)上，裝配偏差建模過(guò)程中重點(diǎn)考慮夾具與壁板之間接觸力的影響。為充分發(fā)揮先進(jìn)工裝夾具的良好控制特性，張瑋等[9]將本應(yīng)視為誤差來(lái)源的夾具定位當(dāng)作控制手段實(shí)現(xiàn)主動(dòng)補(bǔ)償，以此建立考慮定位法向誤差的偏差模型，提高了柔性件偏差的控制效果。Mei等[10]針對(duì)小批量飛機(jī)制造過(guò)程中因信息不足導(dǎo)致的偏差源概率特性不明等問(wèn)題，使用區(qū)間結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)現(xiàn)偏差源建模，并結(jié)合影響系數(shù)法完成裝配偏差模型構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)對(duì)蒙特卡洛仿真偏差分析的補(bǔ)充。針對(duì)質(zhì)量預(yù)測(cè)中有限元求解適用性問(wèn)題，蘇成陽(yáng)等[11]根據(jù)誤差源數(shù)據(jù)和理論外形，獲得了更為真實(shí)的偏差表征數(shù)學(xué)模型，在減小分析誤差基礎(chǔ)上提高了分析效率。同樣為提高有限元仿真效率，林嘉[12]將子結(jié)構(gòu)模型縮減技術(shù)引入至裝配偏差預(yù)測(cè)中，通過(guò)減少內(nèi)部自由度的縮減剛度矩陣與縮減環(huán)境載荷向量構(gòu)建了零件子結(jié)構(gòu)：

式中，K表示剛度矩陣，F(xiàn)表示載荷向量，u表示位移向量，下角標(biāo)cF表示受大小恒定外力的自由度，cu表示位移恒定的自由度，r表示位移受力均改變的自由度，上標(biāo)“～”表示常量矩陣或向量，上角標(biāo)“'”表示縮減的矩陣與向量，并通過(guò)基于子結(jié)構(gòu)的裝配偏差導(dǎo)出了裝配應(yīng)力，在無(wú)需額外應(yīng)力模型基礎(chǔ)上完成了裝配應(yīng)力分析。

對(duì)于機(jī)械傳動(dòng)件的裝配質(zhì)量預(yù)測(cè)問(wèn)題，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，使用雅可比理論與小位移旋量理論組合的雅可比旋量（Jacobian–Torsor，J–T）理論能夠較好地構(gòu)建裝配質(zhì)量預(yù)測(cè)模型，丁司懿等[13]在J–T理論基礎(chǔ)上，加入回轉(zhuǎn)副來(lái)表征轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)特性，并將此特性引入至雅可比矩陣中，后續(xù)在此優(yōu)化J–T理論基礎(chǔ)上完成了偏差預(yù)測(cè)。

上述對(duì)柔性件裝配質(zhì)量預(yù)測(cè)機(jī)理模型研究中，多位研究者在公認(rèn)偏差源如制造誤差、定位誤差、變形誤差基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析更多能夠表現(xiàn)實(shí)際情況的影響因素，更有研究者將表面形貌納入考量[14]，實(shí)現(xiàn)精確的裝配質(zhì)量分析。值得注意的是，以上建立的機(jī)理模型中，多是針對(duì)零件在單一工位的質(zhì)量預(yù)測(cè)，而對(duì)于多工位、多流程的誤差傳播并未深入考慮。同時(shí)，裝配中多種誤差存在復(fù)雜非線性耦合關(guān)系，在建模過(guò)程中為方便模型構(gòu)建而將其線性化，由此可能降低質(zhì)量預(yù)測(cè)的精確性。對(duì)于這些問(wèn)題，Zhang等[15]為表征零件制造過(guò)程殘余應(yīng)力在裝配過(guò)程中的影響，使用勒讓德多項(xiàng)式表征厚度方向的應(yīng)力非線性分布，此種表征方法能夠滿足殘余應(yīng)力存在前提條件，即應(yīng)力狀態(tài)滿足靜態(tài)平衡，表征結(jié)果為：

式中，ωi為相應(yīng)勒讓德多項(xiàng)式Pi的權(quán)重影響系數(shù)，用來(lái)表示分解的應(yīng)力分量。在以上研究基礎(chǔ)上解決了厚壁結(jié)構(gòu)零件的誤差傳播關(guān)系非線性建模，為多工位裝配系統(tǒng)裝配預(yù)測(cè)提供合理依據(jù)。

Guo等[16]在對(duì)單工位誤差建?；A(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多工位間誤差傳播模型構(gòu)建，同時(shí)考慮非線性因素影響，完成了誤差間相互影響關(guān)系的建模。多工位質(zhì)量預(yù)測(cè)機(jī)理建模存在更復(fù)雜的誤差傳遞關(guān)系，對(duì)工藝流程的研究能擴(kuò)展機(jī)理模型的適用性，但強(qiáng)耦合非線性的誤差關(guān)系導(dǎo)致機(jī)理模型更為復(fù)雜而難以求解。

整體來(lái)說(shuō)，機(jī)理模型具有可解讀性好、現(xiàn)實(shí)反映性強(qiáng)、研究脈絡(luò)清晰等特點(diǎn)。實(shí)際裝配情況錯(cuò)綜復(fù)雜，多種影響因素交錯(cuò)耦合，誤差相互作用關(guān)系難以明晰，僅通過(guò)機(jī)理模型無(wú)法滿足飛機(jī)裝配質(zhì)量控制要求。

2 面向知識(shí)提取的質(zhì)量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)建模

數(shù)字化測(cè)量設(shè)備以及現(xiàn)場(chǎng)信息采集終端的使用，推動(dòng)了質(zhì)量數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)模型的產(chǎn)生與發(fā)展，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸以及數(shù)據(jù)處理反饋的快速性，使得質(zhì)量預(yù)測(cè)向著實(shí)時(shí)跟蹤方向深入。

裝配質(zhì)量數(shù)據(jù)來(lái)源廣、維度高、數(shù)量大，若不經(jīng)預(yù)處理，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)模型邏輯性差，不利于裝配質(zhì)量追溯等問(wèn)題。為解決上述問(wèn)題，學(xué)者就裝配數(shù)據(jù)的分類管理進(jìn)行了研究。為保證實(shí)時(shí)更新的裝配數(shù)據(jù)能夠有清晰的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，Zhuang等[17]構(gòu)建了產(chǎn)品孿生裝配數(shù)據(jù)分類三維模型，分別從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品生命周期、產(chǎn)品數(shù)據(jù)版本出發(fā)，詳細(xì)描述了裝配數(shù)據(jù)從產(chǎn)生至歸檔的完整過(guò)程。Cai等[18]針對(duì)飛機(jī)總裝多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的管理，利用AML語(yǔ)言完成質(zhì)量數(shù)據(jù)樹(shù)的構(gòu)建，分別從產(chǎn)品、過(guò)程、資源、質(zhì)量角度實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)歸類整理。為突出質(zhì)量數(shù)據(jù)推動(dòng)模型交互作用，Cheng等[19]將這些數(shù)據(jù)分為在線實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)、虛擬模型仿真數(shù)據(jù)以及虛實(shí)融合數(shù)據(jù)，在能夠反映實(shí)際情況的基礎(chǔ)上完成數(shù)據(jù)分析等工作。Singh等[20]使用基于模型系統(tǒng)工程的方法，為航空制造中的海量數(shù)據(jù)提供信息管理框架，并重點(diǎn)分析孿生模型最小數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在框架中的轉(zhuǎn)移。通過(guò)對(duì)質(zhì)量數(shù)據(jù)清晰框架劃分，為后續(xù)數(shù)據(jù)模型構(gòu)建提供便利，進(jìn)而為質(zhì)量預(yù)測(cè)的合理性提供更多保證。以上研究人員在構(gòu)建質(zhì)量數(shù)據(jù)框架后，會(huì)使用聚類分析、關(guān)聯(lián)規(guī)則等方法進(jìn)行初步數(shù)據(jù)分析，這些方法實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，為實(shí)時(shí)反饋控制提供了便利。

對(duì)質(zhì)量數(shù)據(jù)分類管理的研究，使質(zhì)量數(shù)據(jù)可以清晰呈現(xiàn)，便于開(kāi)展質(zhì)量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)建模研究。為解決飛機(jī)裝配中墊片間隙預(yù)測(cè)難題，Manohar等[21]利用波音飛機(jī)歷史質(zhì)量數(shù)據(jù)，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)中魯棒主成分分析算法（RPCA），構(gòu)造了目標(biāo)函數(shù)分離低維數(shù)據(jù)與異常數(shù)據(jù)，為：

式中，||·||*表示核范數(shù)，用于表征矩陣的秩；X為總數(shù)據(jù)矩陣；L為包含主要值的低秩矩陣；S為包含異常值的稀疏矩陣；λ可取與m為X的維度。隨后利用稀疏傳感優(yōu)化方法尋找最優(yōu)檢測(cè)位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)間隙數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)。朱永國(guó)等[22]針對(duì)偏差源與裝配質(zhì)量的強(qiáng)耦合非線性關(guān)系，在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上綜合s個(gè)偏差分量中第k個(gè)偏差分量，第k個(gè)偏差分量的熵權(quán)ωk與灰色綜合關(guān)聯(lián)度ρ0k獲得偏差重要程度Ψ0k，如式（8）所示，實(shí)現(xiàn)對(duì)小批量飛機(jī)裝配數(shù)據(jù)的偏差源診斷。

陸志強(qiáng)等[23]同樣將歷史質(zhì)量數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)來(lái)源，進(jìn)一步分析裝配人員水平與工件質(zhì)量等因素對(duì)裝配工作質(zhì)量的影響，在考慮飛機(jī)裝配質(zhì)量數(shù)據(jù)高度非線性特點(diǎn)基礎(chǔ)上，利用支持向量回歸（Support vector regression，SVR）良好的非線性求解特性，結(jié)合如圖4所示的質(zhì)量傳遞過(guò)程，構(gòu)建以人工水平、制造質(zhì)量、前段裝配質(zhì)量測(cè)量誤差為輸入，以當(dāng)前裝配質(zhì)量為輸出的SVR質(zhì)量預(yù)測(cè)模型，通過(guò)求解以上問(wèn)題實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配質(zhì)量的預(yù)測(cè)。

圖4 考慮人工水平的工序質(zhì)量傳遞過(guò)程Fig.4 Process quality transfer process considering labor level

針對(duì)威布爾模型不適用于當(dāng)前海量高動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，Cai等[24]結(jié)合關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘Apriori算法與Splunk平臺(tái)優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)的質(zhì)量數(shù)據(jù)分析模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)質(zhì)量數(shù)據(jù)隱含信息的挖掘。Feng等[25]則將質(zhì)量預(yù)測(cè)問(wèn)題置于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，將生產(chǎn)線質(zhì)量問(wèn)題分解為不平衡高維數(shù)據(jù)的分類問(wèn)題，憑借邊緣計(jì)算的高效率與實(shí)時(shí)性，能夠快速實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線高維不平衡數(shù)據(jù)的降維操作，進(jìn)一步對(duì)質(zhì)量關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析，體現(xiàn)了質(zhì)量預(yù)測(cè)的實(shí)時(shí)性。為解決“零缺陷制造”中缺乏數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量控制方法的問(wèn)題，F(xiàn)ranciosa等[26]對(duì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與保真性綜合權(quán)衡，針對(duì)不同保真層級(jí)要求的數(shù)據(jù)使用不同復(fù)雜程度的深度學(xué)習(xí)方法，構(gòu)建閉環(huán)質(zhì)量預(yù)測(cè)控制方法。為了將物理測(cè)量數(shù)據(jù)與虛擬仿真數(shù)據(jù)融合分析，Sun等[27]利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)經(jīng)過(guò)多源融合的孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量預(yù)測(cè)，并將裝配過(guò)程動(dòng)態(tài)調(diào)整視為多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，基于帕累托最優(yōu)理論與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)裝配過(guò)程質(zhì)量迭代優(yōu)化，一定程度解決了高精度產(chǎn)品邊裝配邊調(diào)試的難題。為將專家數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)納入考量，Li等[28]結(jié)合模糊理論表達(dá)專家語(yǔ)義，利用支持向量機(jī)建立偏差源與裝配質(zhì)量的非線性關(guān)系，提高了分析效率。

從上述研究可以看出，質(zhì)量數(shù)據(jù)模型能夠一定程度解決裝配質(zhì)量與偏差源非線性強(qiáng)耦合關(guān)系帶來(lái)的困難。但仍存在以下問(wèn)題：（1）多數(shù)研究者使用歷史數(shù)據(jù)完成裝配質(zhì)量預(yù)測(cè)，未考慮高時(shí)效性的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)；（2）質(zhì)量數(shù)據(jù)模型的核心在于數(shù)據(jù)的優(yōu)劣程度，數(shù)據(jù)模型受數(shù)據(jù)總量與質(zhì)量的影響大；（3）考慮數(shù)據(jù)的種類以及來(lái)源范圍較窄，導(dǎo)致質(zhì)量數(shù)據(jù)模型解決的問(wèn)題面較窄，對(duì)于誤差傳遞等問(wèn)題沒(méi)有較好的解決方法?？傊?，質(zhì)量數(shù)據(jù)模型雖然具有解決非線性關(guān)系的能力，但其模型解讀能力較差，難以直觀理解。

3 機(jī)理與數(shù)據(jù)結(jié)合建模實(shí)現(xiàn)質(zhì)量預(yù)測(cè)

質(zhì)量機(jī)理模型能夠完成裝配知識(shí)的物理建模，在已有知識(shí)情況下闡明誤差傳播機(jī)理，但對(duì)于未知誤差源以及誤差非線性傳播無(wú)法較好表征。質(zhì)量數(shù)據(jù)模型能夠完成裝配信息的數(shù)據(jù)建模，清晰表明未知誤差非線性關(guān)系，但模型易受數(shù)據(jù)質(zhì)量影響，解讀性較差。將機(jī)理模型與數(shù)據(jù)模型進(jìn)行融合實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，進(jìn)一步提高質(zhì)量預(yù)測(cè)能力成為重要研究方向。

機(jī)理與數(shù)據(jù)結(jié)合預(yù)測(cè)關(guān)鍵在于二者的結(jié)合方式以及預(yù)測(cè)提升效果。對(duì)于柔性工裝的定位誤差，Guo等[29]在已建立誤差機(jī)理模型基礎(chǔ)上，構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)模型，并將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果引入機(jī)理模型的輸入階段，構(gòu)建基于機(jī)理與數(shù)據(jù)的半機(jī)理模型，增加了定位誤差預(yù)測(cè)精度，相較機(jī)理模型大幅避免了超差風(fēng)險(xiǎn)。Zhang等[30]針對(duì)復(fù)合材料板件模具溫度預(yù)測(cè)，將計(jì)算流體力學(xué)物理模型與極限學(xué)習(xí)機(jī)訓(xùn)練結(jié)果融合，構(gòu)建了模具溫度仿真機(jī)理模型Mp、機(jī)理模型仿真數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模具溫度預(yù)測(cè)模型Md、基于擾動(dòng)信息與Md的模具溫度預(yù)測(cè)補(bǔ)償模型Mde，實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱壓罐成型中壓力、升溫速度等參數(shù)的優(yōu)化改進(jìn)，如圖5所示。

圖5 基于機(jī)理仿真數(shù)據(jù)與擾動(dòng)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)補(bǔ)償模型Fig.5 Prediction and compensation model based on mechanism simulation data and disturbance data

對(duì)于大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，試裝需花費(fèi)大量時(shí)間且難以滿足裝配要求，Cui等[31]針對(duì)此問(wèn)題提出將激光跟蹤儀等測(cè)量數(shù)據(jù)與裝配協(xié)調(diào)空間模型相結(jié)合，提高了裝配質(zhì)量預(yù)測(cè)的效率與準(zhǔn)確度。對(duì)于裝配過(guò)程中非理想表面的建模，Jiang等[32]提出一種測(cè)量膚面模型，如圖6所示，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與膚面模型結(jié)合，減少實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)量，大幅提升計(jì)算效率，在此基礎(chǔ)上建立容差寬松度模型：

圖6 基于測(cè)量數(shù)據(jù)的膚面模型表達(dá)Fig.6 Expression of skin model based on measured data

式中，ti定義為第i個(gè)六維向量，寬松度E定義為模型解到可行域邊界的距離S與定位不確定性δt的函數(shù)，E的求解空間受到復(fù)雜曲面配合、間隙階差、表面輪廓度與波紋度機(jī)理模型等約束，由此實(shí)現(xiàn)多約束條件下優(yōu)化問(wèn)題構(gòu)建，經(jīng)求解實(shí)現(xiàn)對(duì)多約束零件容差優(yōu)化配置。在數(shù)字孿生思想指導(dǎo)下，易揚(yáng)等[33]構(gòu)建了包含前工序裝配體與當(dāng)前工序待裝零件的裝配工序間模型，利用此模型具有的實(shí)測(cè)質(zhì)量信息更新能力以及隨裝配過(guò)程推進(jìn)的迭代機(jī)制，實(shí)現(xiàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的裝配偏差傳遞分析，在此基礎(chǔ)上融合多誤差源進(jìn)行裝配質(zhì)量實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，推動(dòng)裝配質(zhì)量實(shí)時(shí)跟蹤控制發(fā)展。上述研究采取不同方式將數(shù)據(jù)分析技術(shù)融入機(jī)理模型中，部分將數(shù)據(jù)直接用于構(gòu)造或更新模型，部分將數(shù)據(jù)分析結(jié)果引入機(jī)理模型。從預(yù)測(cè)能力角度來(lái)說(shuō)，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)模型實(shí)時(shí)更新，引入數(shù)據(jù)模型結(jié)果至機(jī)理模型，能獲得更為貼合實(shí)際裝配的預(yù)測(cè)結(jié)果。

總之，將機(jī)理與數(shù)據(jù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)質(zhì)量預(yù)測(cè)能夠結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)，既能闡明誤差傳播機(jī)理，具有較好的可理解性，又能憑借數(shù)據(jù)模型提高現(xiàn)實(shí)反映性，增強(qiáng)對(duì)未知誤差源的非線性關(guān)系分析，但目前研究對(duì)機(jī)理數(shù)據(jù)融合合理性缺乏探索。此外，需在研究裝配質(zhì)量數(shù)據(jù)分析方法基礎(chǔ)上，尋找更具邏輯性的融合方法，為機(jī)理模型數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)提供更好的解決方案。

基于實(shí)時(shí)反饋的飛機(jī)裝配質(zhì)量過(guò)程控制研究

傳統(tǒng)質(zhì)量控制方法對(duì)積累經(jīng)驗(yàn)存在直接需求，當(dāng)前質(zhì)量數(shù)據(jù)種類與規(guī)模迅速增加，質(zhì)量控制問(wèn)題更復(fù)雜，傳統(tǒng)方法應(yīng)用存在局限性[34]。因此，要實(shí)現(xiàn)裝配過(guò)程質(zhì)量的提升，需研究基于質(zhì)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)反饋質(zhì)量控制方法。將實(shí)時(shí)反饋裝配過(guò)程質(zhì)量控制技術(shù)按參與層次分為基礎(chǔ)技術(shù)層、控制基礎(chǔ)層、裝配分析層與系統(tǒng)管控層。將自動(dòng)控制等基礎(chǔ)技術(shù)應(yīng)用于柔性工裝與自動(dòng)鉆鉚、數(shù)字化測(cè)量等控制基礎(chǔ)層面，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配質(zhì)量直接控制；利用虛擬裝配、質(zhì)量評(píng)價(jià)完成狀態(tài)分析，為管控技術(shù)作參考；通過(guò)質(zhì)量控制系統(tǒng)統(tǒng)籌規(guī)劃控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流通，利用質(zhì)量控制方法實(shí)現(xiàn)裝配質(zhì)量實(shí)時(shí)反饋控制，完成裝配工藝實(shí)時(shí)優(yōu)化，促進(jìn)裝配質(zhì)量的提升。實(shí)時(shí)反饋質(zhì)量過(guò)程控制技術(shù)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 實(shí)時(shí)反饋質(zhì)量過(guò)程控制技術(shù)結(jié)構(gòu)Fig.7 Framework of real-time feedback process quality control

1 柔性工裝與自動(dòng)鉆鉚裝備

飛機(jī)柔性件在裝配過(guò)程易變形，需要定位工裝來(lái)直接保證裝配質(zhì)量。鉚接是飛機(jī)裝配中常用的連接方式，使用鉆鉚技術(shù)能提升裝配質(zhì)量。裝配型架等剛性工裝往往體積較大，難以適配不同裝配環(huán)境，且調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法滿足快速調(diào)整需求。手工鉚接雖靈活性高，但過(guò)于依賴人工經(jīng)驗(yàn)。因此，使用降低定位誤差的柔性工裝與提高重復(fù)鉆鉚質(zhì)量的自動(dòng)鉆鉚裝備，能有效提高裝配質(zhì)量，技術(shù)分析如圖8所示。

圖8 柔性工裝與自動(dòng)鉆鉚裝備技術(shù)分析Fig.8 Technical analysis of flexible tooling and automatic riveting equipment

柔性工裝具有可重構(gòu)、自動(dòng)化等特點(diǎn)，能夠根據(jù)裝配對(duì)象靈活調(diào)整。柔性工裝直接影響零件定位精度，常采用光柵尺以及伺服驅(qū)動(dòng)方式對(duì)空間六自由度進(jìn)行自身反饋控制運(yùn)動(dòng)，通過(guò)末端定位執(zhí)行器保證最終定位精度[29]，能接受裝配分析后的控制信息完成精度調(diào)整。柔性工裝常與激光跟蹤儀、力傳感器相結(jié)合，測(cè)量信息經(jīng)處理后反饋控制信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)定位精度的力位雙閉環(huán)反饋控制[35]。為改善柔性工裝因重力與調(diào)姿內(nèi)力導(dǎo)致的零件變形，可對(duì)力傳感信息進(jìn)行分析，將力補(bǔ)償轉(zhuǎn)化為位置補(bǔ)償，采用力位協(xié)同控制方式提高定位精度[36]，提升裝配質(zhì)量。

新型材料與復(fù)雜裝配環(huán)境驅(qū)使下，裝配連接工藝亟需發(fā)展，其應(yīng)用需自動(dòng)鉆鉚裝備支撐。末端執(zhí)行器是鉆鉚裝備實(shí)現(xiàn)裝配質(zhì)量控制的直接體現(xiàn)[37]，結(jié)合機(jī)器人與自動(dòng)鉆鉚技術(shù)，增強(qiáng)鉆鉚裝備的控制能力，通過(guò)末端執(zhí)行器性能參數(shù)的分析驗(yàn)證，協(xié)同各功能模塊保證裝配質(zhì)量。相較龍門式、全自動(dòng)托架式裝備，基于機(jī)器人的自動(dòng)鉆鉚裝備在精度方面略有不足，但較高的靈活性提高了鉆鉚工藝的可達(dá)性[38]，促進(jìn)裝配效率提升。

總之，柔性工裝與自動(dòng)鉆鉚裝備能根據(jù)質(zhì)量信息反饋調(diào)整。采用移動(dòng)機(jī)器人能夠減少裝配范圍大造成的轉(zhuǎn)站誤差，增強(qiáng)大批量裝配中的質(zhì)量一致性[39]。為利用機(jī)器人技術(shù)進(jìn)一步提高工藝裝備質(zhì)量控制能力，不僅應(yīng)從基礎(chǔ)層面提高機(jī)器人定位精度，還要在應(yīng)用層面加強(qiáng)機(jī)器人與工藝裝備的耦合精度，為裝配工藝研制與應(yīng)用提供保障。

2 多幾何要素?cái)?shù)字化測(cè)量技術(shù)

裝配質(zhì)量可通過(guò)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行表征，在飛機(jī)裝配中幾何量測(cè)量比重最大，其對(duì)飛機(jī)性能有重大影響。飛機(jī)裝配中常用的幾何量測(cè)量?jī)x器有激光跟蹤儀，激光雷達(dá)等。借助幾何量測(cè)量信息，一方面反饋裝配過(guò)程形成閉環(huán)控制[40]，另一方面對(duì)裝配工藝進(jìn)行優(yōu)化，提高裝配工藝對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝配狀況的實(shí)時(shí)反映能力，技術(shù)分析如圖9所示。

圖9 多幾何要素?cái)?shù)字化測(cè)量技術(shù)分析Fig.9 Technical analysis of digital measurement of multi geometric elements

采用非接觸、高精度測(cè)量?jī)x器促進(jìn)了針對(duì)不同測(cè)量需求的成熟方案產(chǎn)生。對(duì)于影響氣動(dòng)性能的飛機(jī)蒙皮對(duì)縫質(zhì)量，Dai等[41]利用3D掃描儀與深度相機(jī)獲得的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)多結(jié)構(gòu)擬合算法完成了對(duì)縫特征提取。同樣針對(duì)對(duì)縫質(zhì)量，Xia等[42]將條紋投影應(yīng)用至缺陷檢測(cè)中，基于多維信息提出一種自動(dòng)分析識(shí)別方法。Liang等[43]為實(shí)現(xiàn)飛機(jī)裝配中位移場(chǎng)實(shí)時(shí)感知，通過(guò)多點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)以及矩陣補(bǔ)全算法完成高精度、低延遲的感知方法，提高了裝配工裝中核心定位器的精度感知能力。面向大范圍飛機(jī)裝配測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建，Cheng等[44]通過(guò)試驗(yàn)探索了ERS點(diǎn)布置對(duì)測(cè)量系統(tǒng)精度的影響因素，給出ERS分布的三項(xiàng)原則，為提高裝配質(zhì)量提供理論參考。為高效評(píng)價(jià)整機(jī)裝配質(zhì)量，隋少春等[45]構(gòu)建固定式測(cè)量站，通過(guò)高精度的局部與全局測(cè)量基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)整機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)，相較原有特征點(diǎn)表征，可大幅提高測(cè)量精度與效率。

綜上所述，對(duì)于飛機(jī)裝配幾何量來(lái)說(shuō)，多種測(cè)量?jī)x器以及面向不同測(cè)量場(chǎng)景的測(cè)量方案構(gòu)建已經(jīng)有了高效發(fā)展，但將被動(dòng)測(cè)量改為主動(dòng)測(cè)量仍需要研究。因此，可通過(guò)構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全局監(jiān)測(cè)，同時(shí)根據(jù)歷史信息獲取局部高精度檢測(cè)的區(qū)域與時(shí)機(jī)，突出質(zhì)量控制的實(shí)時(shí)性與全局性。需要注意的是，上述研究并未涉及到影響性能穩(wěn)定性的裝配應(yīng)力等方面[46]，對(duì)應(yīng)力等物理量與狀態(tài)量[47]的測(cè)量與控制仍需考慮。測(cè)量技術(shù)作為裝配分析主要數(shù)據(jù)來(lái)源，應(yīng)當(dāng)優(yōu)化數(shù)據(jù)純凈度，從源頭階段減少分析干擾。

3 面向裝配過(guò)程的虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用

在裝配應(yīng)用中，工裝、鉆鉚設(shè)備與測(cè)量?jī)x器傾向于在物理空間促進(jìn)裝配質(zhì)量提升，而虛擬裝配技術(shù)則促進(jìn)裝配質(zhì)量在數(shù)字空間的發(fā)展。虛擬裝配技術(shù)自數(shù)字化預(yù)裝配發(fā)展而來(lái)，不同的研究者對(duì)其概念有不同的理解，但最終目的都是要實(shí)現(xiàn)對(duì)可裝配性的檢驗(yàn)與優(yōu)化[47]。虛擬裝配的應(yīng)用，一方面可以為裝配工藝設(shè)計(jì)情況進(jìn)行檢驗(yàn)；另一方面可指導(dǎo)實(shí)際裝配過(guò)程高效開(kāi)展。一些工業(yè)軟件如DELMIA等提供對(duì)裝配過(guò)程中人機(jī)交互、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的虛擬仿真，可以分析裝配流程的合理性。當(dāng)下裝配虛擬仿真注重將裝配過(guò)程信息引入虛擬裝配流程中，完成裝配模型更新等一系列利于質(zhì)量實(shí)時(shí)控制的方法，技術(shù)分析如圖10所示。

圖10 面向過(guò)程的虛擬裝配技術(shù)分析Fig.10 Technical analysis of process oriented virtual assembly

針對(duì)剛性零件與柔性零件的耦合建模問(wèn)題，楊嘯東等[48]提出一種碰撞檢測(cè)方案，實(shí)現(xiàn)剛?cè)崃慵b配過(guò)程虛擬裝配建模與分析。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、混合現(xiàn)實(shí)（MR）等表現(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，諸多研究者對(duì)這些技術(shù)在虛擬裝配中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。虛擬模型是能夠驅(qū)動(dòng)虛擬裝配進(jìn)一步發(fā)展的重要方法，Qiu等[49]通過(guò)分析AR在虛擬裝配中的應(yīng)用，指出由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新的虛擬模型能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)裝配質(zhì)量的預(yù)測(cè)，一定程度避免靜態(tài)模型對(duì)虛擬裝配的不適用性。將混合現(xiàn)實(shí)等表現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用至裝配檢測(cè)中，能夠增強(qiáng)裝配模型的識(shí)別精度與檢測(cè)響應(yīng)速度，加強(qiáng)人工裝配中裝配質(zhì)量檢測(cè)的自由度與準(zhǔn)確性[50]。為減少紙質(zhì)化裝配大綱對(duì)實(shí)際裝配的局限性，Zheng等[51]通過(guò)可穿戴AR與便攜視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)AR圖像采集信息后，使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息識(shí)別，并通過(guò)AR指導(dǎo)飛機(jī)裝配過(guò)程，其最終交互界面如圖11所示。

圖11 AR輔助指導(dǎo)虛擬裝配界面Fig.11 AR assisted guidance virtual assembly interface

以上研究均強(qiáng)調(diào)裝配過(guò)程信息，將原有靜態(tài)化的虛擬裝配技術(shù)與實(shí)際裝配數(shù)據(jù)結(jié)合，通過(guò)可視化的表現(xiàn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)裝配設(shè)計(jì)的預(yù)先檢測(cè)與裝配過(guò)程的實(shí)時(shí)指導(dǎo)。AR、VR等技術(shù)的發(fā)展給虛擬裝配的實(shí)時(shí)性注入新的活力，但其經(jīng)濟(jì)效益與便攜性仍需進(jìn)一步考慮。需要注意的是，將虛擬模型進(jìn)行虛擬裝配檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)借鑒數(shù)字孿生模型的建立方法，不僅應(yīng)注重模型的逼真程度，還要注重模型的輕量化水平[52]。

4 多要素質(zhì)量評(píng)價(jià)

在裝配質(zhì)量控制過(guò)程中，需要對(duì)當(dāng)前裝配質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)與判斷，為裝配工藝優(yōu)化及質(zhì)量控制提供基礎(chǔ)，技術(shù)分析如圖12所示。但實(shí)際應(yīng)用中質(zhì)量評(píng)價(jià)往往僅考慮零件本身質(zhì)量要素，忽略了裝配現(xiàn)場(chǎng)、裝配周期等多種影響要素。因此，有研究者就高效全面的質(zhì)量評(píng)價(jià)進(jìn)行了相關(guān)研究。沈治邦等[53]將相對(duì)位置準(zhǔn)確度轉(zhuǎn)化為特征點(diǎn)之間相對(duì)位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)裝配過(guò)程完成后質(zhì)量評(píng)價(jià)，一定程度上減少了對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的依賴程度。面對(duì)總裝對(duì)接等階段質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)缺乏特征評(píng)判問(wèn)題，王皓等[54]從制造準(zhǔn)確度與裝配協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度入手，對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)從機(jī)理層面進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，分析了幾何特征的準(zhǔn)確度評(píng)價(jià)方法，相較特征點(diǎn)評(píng)價(jià)更貼合實(shí)際情況。裝配工裝因飛機(jī)變更導(dǎo)致常需改動(dòng)，對(duì)于此過(guò)程中引起的資源與時(shí)間消耗，Yin等[55]通過(guò)仿真模擬，利用變更指數(shù)系統(tǒng)性評(píng)估變更傳播方案，實(shí)現(xiàn)任務(wù)并行工程變更，提高運(yùn)行效率。王躍等[56]則從效率、成本、精度、人機(jī)工效等角度出發(fā)，利用支持向量機(jī)對(duì)27種評(píng)價(jià)指標(biāo)的打分結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)估，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配方案工藝性的評(píng)價(jià)。

圖12 多要素質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)分析Fig.12 Technical analysis of multi-factor quality evaluation

總之，裝配質(zhì)量評(píng)價(jià)是連接質(zhì)量控制基礎(chǔ)層面與系統(tǒng)架構(gòu)的重要橋梁，是實(shí)時(shí)質(zhì)量預(yù)測(cè)的前置技術(shù)?，F(xiàn)有研究對(duì)裝配質(zhì)量評(píng)價(jià)多項(xiàng)指標(biāo)的廣度、深度進(jìn)行了分析，但存在以下問(wèn)題：（1）指標(biāo)中包含大量人為因素，不利于評(píng)價(jià)的客觀性；（2）指標(biāo)數(shù)據(jù)采集的難度可能造成評(píng)價(jià)成本的增加；（3）過(guò)于詳細(xì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)不利于裝配質(zhì)量實(shí)時(shí)控制。因此，應(yīng)當(dāng)從控制的實(shí)時(shí)性考慮，調(diào)節(jié)評(píng)價(jià)指標(biāo)與裝配質(zhì)量之間的矛盾，使得質(zhì)量評(píng)價(jià)更能表征裝配狀態(tài)。

5 基于數(shù)據(jù)與邏輯連通全局的質(zhì)量控制系統(tǒng)

面對(duì)飛機(jī)裝配工藝頻繁更改問(wèn)題，需通過(guò)數(shù)據(jù)傳遞實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配工藝變動(dòng)后的快速響應(yīng)，并通過(guò)裝配工序邏輯關(guān)系減少錯(cuò)誤發(fā)生。因此，應(yīng)從邏輯與數(shù)據(jù)兩方面出發(fā)構(gòu)建裝配質(zhì)量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)裝配信息有效控制。邏輯連通方面，分析裝配過(guò)程中工序緊前、緊后操作順序與資源配置，按照工藝信息形成裝配邏輯約束關(guān)系[57]，利用邏輯構(gòu)建各控制技術(shù)的管理關(guān)系。數(shù)據(jù)連通方面，過(guò)程控制基礎(chǔ)層技術(shù)、分析層技術(shù)等對(duì)于數(shù)據(jù)的產(chǎn)生與利用均存在緊密連接，因此可利用數(shù)據(jù)構(gòu)建各控制技術(shù)的傳遞關(guān)系。由此，質(zhì)量控制系統(tǒng)通過(guò)邏輯構(gòu)建系統(tǒng)管理模型，利用數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息流通，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配過(guò)程的整體管理控制，技術(shù)分析如圖13所示。

圖13 數(shù)據(jù)邏輯全局連通質(zhì)量控制系統(tǒng)技術(shù)分析Fig.13 Technical analysis of data logic global connectivity quality control system

借助數(shù)字孿生中對(duì)物理空間與虛擬空間的實(shí)時(shí)交互思想，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制系統(tǒng)對(duì)裝配質(zhì)量的全局管控。陶飛等[58]對(duì)于數(shù)字孿生模型以及相關(guān)系統(tǒng)有著較為前沿的研究，其提出的數(shù)字孿生五維模型在質(zhì)量控制領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。Pei等[59]面向生產(chǎn)線質(zhì)量監(jiān)控，以數(shù)據(jù)與虛擬空間為核心，利用映射路徑與反饋路徑構(gòu)建物理空間與虛擬空間連接方案，提高了數(shù)據(jù)獲取效率同時(shí)增強(qiáng)了對(duì)質(zhì)量的預(yù)測(cè)效果。為將各種信息化系統(tǒng)集成融合，Zhao等[60]提出一種裝配數(shù)字量協(xié)調(diào)系統(tǒng)，利用知識(shí)庫(kù)將方案設(shè)計(jì)、仿真與方案評(píng)估融合一體化，一定程度上減少了主觀經(jīng)驗(yàn)對(duì)飛機(jī)裝配的不確定性影響。Guo等[61]受大學(xué)畢業(yè)典禮啟發(fā)，將3種門票管理類比制造系統(tǒng)中的經(jīng)理、操作員與材料，構(gòu)建了由物理層、數(shù)字層與服務(wù)層為框架組成的系統(tǒng)，降低了固定站位裝配的復(fù)雜性與不確定性。

6 綜合多層次技術(shù)的質(zhì)量實(shí)時(shí)反饋控制方法

總之，質(zhì)量控制系統(tǒng)能夠融合質(zhì)量控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多種技術(shù)的相互提升?，F(xiàn)有研究均考慮了利用數(shù)據(jù)傳遞與系統(tǒng)構(gòu)建方法使系統(tǒng)大而不散，但對(duì)系統(tǒng)發(fā)生異常的處理方案并沒(méi)有討論。因此，促進(jìn)質(zhì)量控制系統(tǒng)發(fā)展，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)突發(fā)情況的系統(tǒng)層級(jí)控制，增強(qiáng)抗干擾性。同時(shí)增強(qiáng)數(shù)據(jù)管理和分析的能力，推動(dòng)質(zhì)量控制系統(tǒng)智能化、全局化發(fā)展。

面對(duì)裝配質(zhì)量影響因素的復(fù)雜耦合關(guān)系，需要從基礎(chǔ)層面出發(fā)，通過(guò)質(zhì)量評(píng)價(jià)等方式在保證裝配過(guò)程質(zhì)量基礎(chǔ)上，完成對(duì)飛機(jī)裝配性能的控制，技術(shù)分析如圖14所示。質(zhì)量控制方法貫穿全局，其構(gòu)建與設(shè)計(jì)不僅需要深入基礎(chǔ)層面分析設(shè)備與操作對(duì)象，確定工裝裝備、測(cè)量?jī)x器等資源，還要規(guī)劃虛擬裝配與質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，完成裝配質(zhì)量數(shù)據(jù)分析，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備儀器的調(diào)控與裝配工藝的實(shí)時(shí)反饋優(yōu)化，促使裝配過(guò)程質(zhì)量滿足要求。

圖14 質(zhì)量實(shí)時(shí)反饋控制方法技術(shù)分析Fig.14 Technical analysis of quality real-time feedback control method

為實(shí)現(xiàn)對(duì)多層次質(zhì)量控制技術(shù)的利用，控制特定裝配站中的動(dòng)態(tài)偏差，Guo等[62]利用統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制方法分析異常質(zhì)量判定標(biāo)準(zhǔn)，分析4種裝配反饋控制方法，通過(guò)質(zhì)量波動(dòng)分析當(dāng)前質(zhì)量數(shù)據(jù)并采取質(zhì)量控制措施，但這種方法為離線質(zhì)量控制，無(wú)法突顯實(shí)時(shí)反饋機(jī)制。胡興等[63]對(duì)在線質(zhì)量控制方法進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，以六西格瑪質(zhì)量管控思想為基礎(chǔ)，考慮包含信息采集在內(nèi)的完整過(guò)程質(zhì)量控制方法，通過(guò)關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘等方式實(shí)現(xiàn)質(zhì)量預(yù)測(cè)并采取相應(yīng)控制措施。針對(duì)裝配質(zhì)量精準(zhǔn)控制，孫學(xué)民等[64]提出操作、狀態(tài)、質(zhì)量3層結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制方法，以人工設(shè)備操作為基礎(chǔ)，通過(guò)裝配過(guò)程狀態(tài)控制，完成裝配質(zhì)量的反饋控制，體現(xiàn)出實(shí)時(shí)優(yōu)化反饋控制思想。S?derberg等[65]推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)在實(shí)時(shí)幾何量控制中的應(yīng)用，通過(guò)在線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)以及在線數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)質(zhì)量實(shí)時(shí)控制。

目前對(duì)于質(zhì)量控制方法的研究已逐步發(fā)展至實(shí)時(shí)控制階段，通過(guò)對(duì)多類型質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際操作層面的反饋控制?？紤]到當(dāng)前飛機(jī)裝配數(shù)字化水平，質(zhì)量控制方法發(fā)展的首要問(wèn)題就是對(duì)舊有設(shè)備、系統(tǒng)的升級(jí)改造，一定程度結(jié)合傳統(tǒng)質(zhì)量控制方法初步實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。進(jìn)而利用質(zhì)量數(shù)據(jù)分析方法，對(duì)裝配質(zhì)量實(shí)現(xiàn)快速預(yù)測(cè)同時(shí)通過(guò)高速反饋回路應(yīng)用至裝配現(xiàn)場(chǎng)。

發(fā)展方向

飛機(jī)裝配工藝已從手工經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)化裝備與數(shù)據(jù)信息，隨著飛機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用增多、裝配工藝趨于復(fù)雜和裝配精度要求逐步提高，為進(jìn)一步發(fā)展飛機(jī)裝配質(zhì)量控制，應(yīng)在基礎(chǔ)理論與工程應(yīng)用等方面進(jìn)行進(jìn)一步研究。

（1）考慮應(yīng)力等多要素的裝配質(zhì)量控制。

目前針對(duì)幾何量質(zhì)量控制的研究已有了較多研究成果，能夠一定程度保證飛機(jī)性能。但是，隨著多種復(fù)合材料在飛機(jī)研制中占比的逐步提升，需要在幾何量基礎(chǔ)上深入考慮裝配應(yīng)力等多種影響要素，探索新型材料裝配基礎(chǔ)理論與工藝，從裝配工藝層面推進(jìn)復(fù)合材料在新機(jī)研制中更加廣泛的應(yīng)用。

（2）快速數(shù)據(jù)融合質(zhì)量評(píng)價(jià)方法研究。

現(xiàn)有研究已經(jīng)將歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可用信息供質(zhì)量評(píng)價(jià)、質(zhì)量預(yù)測(cè)使用，但仍缺乏將多種數(shù)據(jù)融合進(jìn)行質(zhì)量分析的研究，數(shù)據(jù)流失導(dǎo)致無(wú)法高效利用的情況依然存在。因此，面向小批量飛機(jī)裝配過(guò)程，發(fā)展多源信息融合技術(shù)在飛機(jī)裝配質(zhì)量控制中的應(yīng)用，將專家知識(shí)、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、已有經(jīng)驗(yàn)等融入到裝配工藝評(píng)價(jià)中，為進(jìn)一步質(zhì)量控制做出評(píng)判。面向大批量飛機(jī)裝配過(guò)程，利用試裝的全面質(zhì)量數(shù)據(jù)作為歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)快速完成裝配質(zhì)量評(píng)價(jià)，合理分析數(shù)據(jù)分配權(quán)重，指導(dǎo)裝配過(guò)程以高質(zhì)量進(jìn)行。

（3）加速數(shù)字孿生質(zhì)量控制系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建與推廣。

雖然數(shù)字孿生的模型系統(tǒng)研究已逐漸增多，在質(zhì)量控制領(lǐng)域的應(yīng)用也初見(jiàn)成效，但是在實(shí)際生產(chǎn)中并未推廣應(yīng)用，仍需對(duì)質(zhì)量數(shù)據(jù)采集處理分析、質(zhì)量實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)、反饋控制執(zhí)行的使能技術(shù)進(jìn)行集成化研究。發(fā)展輕量化的系統(tǒng)構(gòu)建方式可擴(kuò)大控制系統(tǒng)的適用性，使多種新型技術(shù)能夠較好地應(yīng)用至系統(tǒng)中。

結(jié)論

隨著數(shù)字孿生、人工智能等新技術(shù)在裝配領(lǐng)域的應(yīng)用，飛機(jī)裝配質(zhì)量控制亟需能夠指導(dǎo)實(shí)時(shí)控制的系統(tǒng)性技術(shù)。傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制等質(zhì)量控制方法，已無(wú)法適應(yīng)如今質(zhì)量數(shù)據(jù)倍增的裝配環(huán)境。本文通過(guò)對(duì)飛機(jī)裝配質(zhì)量控制中質(zhì)量預(yù)測(cè)以及過(guò)程控制關(guān)鍵技術(shù)的分析，揭示了裝配質(zhì)量控制系統(tǒng)技術(shù)框架，從系統(tǒng)化角度論述了飛機(jī)裝配質(zhì)量主動(dòng)實(shí)時(shí)控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。

從理論基礎(chǔ)來(lái)說(shuō)，目前國(guó)內(nèi)仍缺乏對(duì)新型材料裝配連接理論以及質(zhì)量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)性知識(shí)。從應(yīng)用層面來(lái)說(shuō)，雖在數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)方面已有了初見(jiàn)成效的研究成果，但在具體技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，仍應(yīng)充分發(fā)掘已有數(shù)據(jù)分析內(nèi)容，將多年裝配經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化至質(zhì)量控制中，通過(guò)知識(shí)庫(kù)等形式完善裝配質(zhì)量發(fā)展。在新時(shí)代航空工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過(guò)程中，深入發(fā)展飛機(jī)裝配質(zhì)量控制技術(shù)，大幅提升我國(guó)飛機(jī)裝配水平，增強(qiáng)面向新材料新技術(shù)航空制造能力。