張永亮，姜杰鳳，畢運(yùn)波

（1. 浙江大學(xué)，杭州 310027；2. 航空工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，沈陽 110850；3. 杭州師范大學(xué)，杭州 310036）

確定性裝配（Determinate/determinant assembly，DA）是 按 照預(yù)先定義的坐標(biāo)孔或零件特征直接將零部件組裝在一起，而不需要額外夾具定位或其他復(fù)雜的測量、調(diào)整。最初確定性裝配用于體現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)者對(duì)零部件裝配特征的定義，是面向裝配的設(shè)計(jì)（Design for assembly，DFA）的一個(gè)分支。對(duì)于裝配協(xié)調(diào)關(guān)系簡單的零件裝配工步，按照設(shè)計(jì)的裝配特征容易實(shí)現(xiàn)零件間的自定位裝配（Part to part）。

但是，飛機(jī)裝配零件、組件數(shù)量多，誤差累積大，且弱剛性零件制造后自由狀態(tài)下難以維持形狀，通常需采用專用工裝實(shí)現(xiàn)裝配前校形和裝配過程中保形，采用修配和加墊的方式來消除裝配特征間的累積誤差，采用配鉆的方式保證緊固件的安裝要求。傳統(tǒng)飛機(jī)裝配采用專用剛性型架，具有種類多、數(shù)量大、制造周期長、成本高、效率低和柔性差的缺點(diǎn)，阻礙了飛機(jī)裝配現(xiàn)代化的步伐。隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)控加工、虛擬裝配、數(shù)字化工裝及先進(jìn)測量技術(shù)的發(fā)展，零部件裝配特征的加工精度顯著提高，裝配工藝設(shè)計(jì)方案可在虛擬環(huán)境下仿真優(yōu)化，數(shù)字化工裝能實(shí)現(xiàn)裝配件的柔性化位姿調(diào)整，使基于零件間特征的自定位裝配成為可能，所以確定性裝配技術(shù)逐漸被應(yīng)用于飛機(jī)裝配領(lǐng)域。

確定性裝配的一個(gè)明顯優(yōu)勢是減少了裝配工藝裝備，從而降低了制造成本和交貨周期，從這個(gè)意義上講，它和飛機(jī)無型架裝配（Jigless assembly）的概念有相似之處。無型架裝配并非不采用型架，而是減少飛機(jī)裝配傳統(tǒng)剛性型架的使用。同樣，在飛機(jī)確定性裝配中仍需采用一些柔性化工裝夾具。由于確定性裝配減少了裝配型架等協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)，故裝配工藝尺寸鏈變短，尺寸目標(biāo)影響因素變少，有利于保證裝配的精度；確定性裝配的基準(zhǔn)是零件自身的特征，不受裝配工藝變化的影響，增加了裝配柔性和效率；同時(shí)，其以柔性夾具和先進(jìn)測量為技術(shù)支撐，降低了設(shè)備重復(fù)開發(fā)成本和時(shí)間成本?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，可預(yù)見確定性裝配模式符合飛機(jī)裝配的未來趨勢。

近年來，碳纖維復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)件在飛機(jī)上大量應(yīng)用，裝配件數(shù)量減少，裝配協(xié)調(diào)難度降低，為確定性裝配技術(shù)提供了更大的應(yīng)用空間和發(fā)展前景。確定性裝配的最新發(fā)展階段為全尺寸確定性裝配（Full-size determinant assembly，F(xiàn)SDA），即 利用確定性裝配技術(shù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)飛機(jī)部件的裝配，例如波音787全復(fù)合材料垂尾裝配和洛·馬公司復(fù)合材料蒙皮裝配。

本文首先綜述了國外飛機(jī)確定性裝配的應(yīng)用與發(fā)展情況，同時(shí)分析國內(nèi)研究應(yīng)用現(xiàn)狀；總結(jié)闡述了發(fā)展確定性裝配所需關(guān)鍵技術(shù)，即基于模型的定義技術(shù)、裝配工藝仿真技術(shù)、容差估計(jì)與統(tǒng)計(jì)分析建模技術(shù)、智能化柔性工裝技術(shù)；進(jìn)而，針對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料壁板裝配提出發(fā)展全尺寸確定性裝配的技術(shù)路徑和對(duì)策。

1 飛機(jī)確定性裝配技術(shù)發(fā)展 現(xiàn)狀分析

1.1 國外飛機(jī)確定性裝配應(yīng)用與發(fā)展

1.1.1 初步應(yīng)用

波音公司最早在1998年將確定性裝配概念應(yīng)用于飛機(jī)裝配，在波音747機(jī)身裝配中，采用數(shù)控POGO柱作為柔性定位器，替代剛性型架，對(duì)機(jī)身壁板進(jìn)行定位和夾持，通過產(chǎn)品裝配特征對(duì)位的形式，實(shí)現(xiàn)了中機(jī)身連接部位的確定性裝配[1]。而后，在波音777翼梁裝配中使用確定性技術(shù)，依靠幾個(gè)關(guān)鍵特征孔，應(yīng)用帶有25個(gè)立式基座和56個(gè)真空頭的POGO柱作為柔性工裝，實(shí)現(xiàn)翼梁、翼肋和上下蒙皮的確定性裝配[2]。空客公司先將確定性裝配概念應(yīng)用于A340–600的壁板上，后將應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)用于A380機(jī)翼和通用裝配夾具的同步設(shè)計(jì)當(dāng)中，減少了型架，節(jié)約了時(shí)間，增加了柔性[3]。以上為波音和空客公司對(duì)確定性裝配概念的初步應(yīng)用，他們主要是采用數(shù)控定位器或（可重組）夾具替代剛性型架，在部件裝配中對(duì)裝配基準(zhǔn)件進(jìn)行柔性化定位，然后按照裝配特征，將對(duì)應(yīng)零件安裝到基準(zhǔn)件上，實(shí)現(xiàn)主要零件有限的關(guān)鍵部位的確定性裝配。

1.1.2 技術(shù)發(fā)展

2010年以來，確定性裝配得到進(jìn)一步發(fā)展。首先，確定性裝配概念和類型劃分更加明確。英國巴斯大 學(xué)Muelaner等[4–6]將 確 定 性 裝配定義為零件間的自定位裝配；從飛機(jī)裝配工裝使用類型、裝配–測量–運(yùn)動(dòng)技術(shù)運(yùn)用等方面，對(duì)比了型架（Jig）裝配、夾具（Fixture）裝配和確定性裝配的優(yōu)缺點(diǎn)，如圖1所示；提出了含測量輔助的確定性裝配方法（MADA），并將其與基于關(guān)鍵孔（Key holes）的裝配、具有互換性的零組件（Interchangeable parts）的裝配并列為確定性裝配下的3種類型。此外，以飛機(jī)翼盒裝配為例，設(shè)計(jì)了確定性裝配試驗(yàn)，采用工業(yè)機(jī)器人加工零件，獲得確定性裝配用結(jié)合面和特征孔，驗(yàn)證了含測量輔助的確定性裝配方法的有效性。

圖1 裝配工裝夾具及相應(yīng)裝配方法Fig.1 Assembly tooling and associated assembly methods

其次，將偏差估計(jì)融入到確定性裝配當(dāng)中，使其應(yīng)用更具可操作性。英國諾丁漢大學(xué)Popov等[7–9]根據(jù)孔徑、孔距、螺栓直徑等公差，建立了裝配的數(shù)學(xué)模型，如圖2所示；模型表明上方零件（紅色）與下方零件（藍(lán)色）孔徑和孔位處于極限偏差時(shí)，緊固件直徑小于最小對(duì)齊孔徑（綠色圓），才能進(jìn)行確定性裝配；根據(jù)該模型，將預(yù)測的裝配孔孔徑和對(duì)應(yīng)可裝配的螺栓直徑進(jìn)行分組，開發(fā)了確定性裝配的Excel數(shù)據(jù)庫工具，在飛機(jī)機(jī)翼前緣裝配應(yīng)用中得到驗(yàn)證。意大利Mozzillo等[10–12]在孔徑、孔距尺寸公差基礎(chǔ)上，引入裝配件之間的位置度統(tǒng)計(jì)偏差，建立裝配孔的裝配關(guān)系幾何模型；應(yīng)用（大數(shù)）統(tǒng)計(jì)分析方法，用標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)零件間裝配孔的有效孔大小和緊固件直徑的配合情況，提供確定性裝配的可實(shí)施條件；最終將該方法成功應(yīng)用于主起落架齒輪箱裝配中。以上研究將數(shù)理統(tǒng)計(jì)當(dāng)中的極限（分組）方法或統(tǒng)計(jì)方法應(yīng)用于裝配實(shí)踐，預(yù)先判斷確定性裝配的可實(shí)施條件，避免后續(xù)修配，為確定性裝配順利進(jìn)行提供了數(shù)據(jù)保證。

圖2 裝配界面示意圖與數(shù)學(xué)模型[7]Fig.2 Schematic and model of assembly interface[7]

1.1.3 最新進(jìn)展

近年來，復(fù)合材料在飛機(jī)中應(yīng)用比例越來越大，例如波音787與空客A350復(fù)合材料用量占比達(dá)到50%。復(fù)合材料整體構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為確定性裝配提供了更大的應(yīng)用空間，而確定性裝配也發(fā)展到一個(gè)全新階段，即全尺寸確定性裝配。全尺寸確定性裝配基于零件結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)層面的精確加工控制，在加工成形階段對(duì)全部裝配特征（如連接孔）完成終加工，裝配階段在整個(gè)結(jié)構(gòu)裝配上實(shí)現(xiàn)基于零件間裝配特征的自定位裝配，避免配鉆、修配和加墊等工作。

2021年5月，洛·馬公司在CHARLIE原型機(jī)開發(fā)中應(yīng)用了基于數(shù)字孿生的“StarDrive”（星驅(qū)動(dòng)）工具，首次實(shí)現(xiàn)了在復(fù)合材料蒙皮上完成全尺寸確定性裝配，如圖3所示。在采用FSDA之前，為避免受金屬切屑、異物碎片等的影響，復(fù)合材料蒙皮裝配需要多個(gè)工序：首先將蒙皮定位到金屬骨架上，利用液體墊片填充補(bǔ)償間隙，配鉆蒙皮與骨架的裝配孔；然后移開蒙皮，在骨架上安裝托板螺母；最后將蒙皮放回原位，用緊固件將蒙皮連接到螺母板上。應(yīng)用FSDA，對(duì)復(fù)合材料蒙皮進(jìn)行虛擬裝配仿真，驗(yàn)證工裝夾具，采用最優(yōu)化蒙皮安裝順序，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料蒙皮和金屬骨架的并行裝配，一次性緊固件與裝配孔配合成功率達(dá)到100%，裝配速度提高了70%，總生產(chǎn)周期縮短20%~40%[13]。FSDA之所以能夠成功，是因?yàn)槌浞掷昧税〝?shù)字孿生在內(nèi)的虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合的數(shù)字工具，根據(jù)虛擬裝配仿真獲得最優(yōu)化的裝配工藝方案，在蒙皮制造階段精確加工了作為裝配基準(zhǔn)的連接孔，實(shí)現(xiàn)了蒙皮與骨架的確定性裝配。

圖3 全尺寸確定性裝配復(fù)合材料蒙皮（洛·馬公司）Fig.3 FSDA on composite skins at Lockheed Martin

波音公司通過用于飛機(jī)零件加工的MBD（Model-based definition）方法[14]和無加墊無定位夾具無終孔型架的飛機(jī)裝配[15]兩個(gè)專利，為實(shí)施全尺寸確定性裝配奠定了基礎(chǔ)[16]。MBD技術(shù)由波音公司倡導(dǎo)發(fā)起，通過在三維設(shè)計(jì)模型上定義公差等技術(shù)參數(shù)，可直接智能生成數(shù)控程序，為選擇更合適的數(shù)控機(jī)床提供引導(dǎo)，保障了裝配特征終加工高精度要求。用柔性化工裝（圖4中藍(lán)黃色定位器）替換剛性型架和定位夾具，避免加墊和修配，為確定性裝配提供了硬件基礎(chǔ)?；贔SDA的（機(jī)器人）路徑可重復(fù)加工（2020年）[17]、復(fù)合材料用緊固系統(tǒng)（2020年）[18]等發(fā)明專利，解決了全尺寸確定性裝配中的自動(dòng)化操作等實(shí)際問題。公開資料顯示波音公司最近成功將全尺寸確定性裝配技術(shù)應(yīng)用于波音787全復(fù)合材料垂尾（圖4）、復(fù)合材料和鈦合金的水平安定面的部件裝配[19]。

圖4 全尺寸確定性裝配：波音787垂尾Fig.4 FSDA: Boeing 787 vertical fin

作為典型的智能化工具，工業(yè)機(jī)器人被引入到飛機(jī)柔性化裝配當(dāng)中。例如，空客在A350XBW壁板裝配中引入Stewart并聯(lián)機(jī)器人，其末端帶有真空吸盤，對(duì)復(fù)合材料壁板進(jìn)行定位和柔性夾持，如圖5所示[20]；同時(shí)采用6R串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化裝配操作。機(jī)器人技術(shù)為全尺寸確定性裝配實(shí)施提供了智能化硬件支持。

圖5 復(fù)合材料壁板裝配柔性夾具（A350XBW）[20]Fig.5 Flexible holding fixtures for CFRP panel (A350XBW)[20]

1.2 國內(nèi)研究應(yīng)用現(xiàn)狀

國內(nèi)公開發(fā)表文獻(xiàn)中鮮見對(duì)于飛機(jī)確定性裝配概念的直接表述，但是在確定性裝配所涉及的相關(guān)技術(shù)方面也有相應(yīng)論述和應(yīng)用研究。西北工業(yè)大學(xué)高曉兵等[21]分析了飛機(jī)無型架裝配技術(shù)，指出其兩個(gè)核心技術(shù)是特征技術(shù)和容差估計(jì)技術(shù)，提出無型架技術(shù)的解決途徑：通用裝配工作臺(tái)開發(fā)、精確定位與測量處理系統(tǒng)、裝配工藝專家系統(tǒng)、裝配特征與公差分配綜合分析，以及無型架裝配工藝技術(shù)。中國航空制造技術(shù)研究院許國康[22]在分析大飛機(jī)自動(dòng)化裝配技術(shù)時(shí)，將國外興起的確定性裝配和基于柔性工裝的壁板裝配作為先進(jìn)裝配方法進(jìn)行了論述。南京航空航天大學(xué)安魯陵等[23–24]利用3個(gè)關(guān)鍵孔進(jìn)行確定性裝配直接定位，建立了偏差傳遞模型，模擬并分析了飛機(jī)壁板裝配的偏差傳遞分布規(guī)律。以上研究和論述表明了確定性裝配的概念、特點(diǎn)和基本原理，但未涉及確定性裝配的試驗(yàn)與應(yīng)用。

要實(shí)際應(yīng)用確定性裝配技術(shù)，除了相應(yīng)理論外，還需要軟硬件的支撐，其中數(shù)字化柔性工裝和先進(jìn)測量技術(shù)則是實(shí)現(xiàn)確定性裝配的重要保障[25]。在國內(nèi)，浙江大學(xué)較早開發(fā)了數(shù)控定位器，結(jié)合激光跟蹤測量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)柔性化對(duì)接裝配（圖6）[26]和機(jī)身壁板裝配（圖7）[27]；作為柔性工裝的關(guān)鍵設(shè)備，數(shù)控定位器逐漸形成系列化產(chǎn)品，已應(yīng)用于國內(nèi)多個(gè)型號(hào)飛機(jī)的數(shù)字化裝配線當(dāng)中；此外，開發(fā)了機(jī)器人柔性制孔末端執(zhí)行器[28]、環(huán)形軌在線制孔裝備[29]、雙機(jī)壓鉚機(jī)器人[30]、碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件鋪絲機(jī)[31]等一系列數(shù)字化工藝裝備，用于國內(nèi)型號(hào)飛機(jī)的連接裝配和復(fù)材構(gòu)件制備。同時(shí)，在裝配工藝方面，開展了虛擬環(huán)境裝配工藝仿真、定位器布局優(yōu)化、裝配偏差傳遞[32]、裝配變形預(yù)測及矯形控制[33]等工藝方面的研究，為確定性裝配提供了工藝支撐。

圖6 機(jī)身調(diào)姿與對(duì)接試驗(yàn)系統(tǒng)[26]Fig.6 Posture alignment and joint test system[26]

圖7 機(jī)身壁板裝配系統(tǒng)[27]Fig.7 Digital assembly system for a fuselage panel[27]

由于我國飛機(jī)復(fù)合材料的應(yīng)用占比不高（如大型客機(jī)C919復(fù)合材料的占比只有12%），對(duì)于確定性裝配特別是全尺寸確定性裝配的研究較少，還未見試驗(yàn)性應(yīng)用。然而，隨著我國新型寬體客機(jī)和新型戰(zhàn)斗機(jī)中復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)占比的增大，裝配件數(shù)量減少，關(guān)鍵裝配特征較為明確；此外，復(fù)合材料構(gòu)件裝配階段裝配孔配鉆與加墊修配難度大，特別是復(fù)材和金屬疊層配鉆質(zhì)量更是不易控制，在復(fù)材構(gòu)件制備時(shí)完成全部裝配孔的終加工更為必要和經(jīng)濟(jì)。所以，對(duì)于飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件裝配，發(fā)展高效、低成本的全尺寸確定性裝配技術(shù)更加有利。

2 確定性裝配關(guān)鍵技術(shù)

從概念來看，飛機(jī)確定性裝配是指基于零件間特征的自定位裝配，裝配時(shí)不需要加墊、修配和配鉆裝配孔?？梢?，確定性裝配的基本要求就是實(shí)現(xiàn)遵循獨(dú)立制造原則或相互聯(lián)系原則的飛機(jī)零件（裝配特征）的高精度加工。基于模型的定義，為智能加工提供了支持，全面保證了飛機(jī)零件裝配特征高加工精度。確定性裝配的實(shí)施途徑是尋求適合的裝配工藝，而數(shù)字孿生技術(shù)可使裝配工藝仿真優(yōu)化與現(xiàn)實(shí)裝配工藝形成協(xié)調(diào)共生。確定性裝配的可實(shí)施條件，判斷依據(jù)來自于零件裝配特征與緊固件的配合情況，其核心是建立偏差分布和統(tǒng)計(jì)分析數(shù)學(xué)模型。確定性裝配工藝的實(shí)施需要智能化柔性夾持定位器等工裝作為物理硬件支撐，其中工裝點(diǎn)位合理布局、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及末端執(zhí)行器研發(fā)是重點(diǎn)。

2.1 基于MBD的智能加工技術(shù)

基于模型的定義方法，直接在三維模型上定義尺寸及公差、粗糙度等技術(shù)參數(shù)，減少了三維模型向二維圖紙的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了從設(shè)計(jì)模型到制造工藝的無縫連接。由于飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)要求，很多零件結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜，二維圖紙標(biāo)注相應(yīng)尺寸及公差常不能準(zhǔn)確反映其技術(shù)要求，且不能直接用于數(shù)控編程、仿真和檢測，影響后續(xù)加工精度的實(shí)現(xiàn)，基于三維模型的定義則有效彌補(bǔ)了這一缺陷，其不僅在飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要作用，也是發(fā)展飛機(jī)智能制造的基礎(chǔ)。

對(duì)于飛機(jī)確定性裝配的零件特征加工而言，MBD技術(shù)更能體現(xiàn)其獨(dú)特價(jià)值。因?yàn)榇_定性裝配要求零件所有裝配配合面和裝配孔都要在零件加工階段完成，裝配時(shí)無加墊、無修配和配鉆，這對(duì)飛機(jī)零件的加工精度和智能加工水平提出更高要求。MBD技術(shù)從以下方面支持了這一需求：利用被定義的三維模型，通過人工智能方式，可直接生成優(yōu)化的加工工藝及程序，降低了人工編寫工藝及程序的失誤率；由于模型已對(duì)裝配特征表面和裝配孔的最終尺寸及位置偏差要求進(jìn)行了定義，為更加準(zhǔn)確選擇加工機(jī)床和制孔設(shè)備、刀具等工藝裝備提供依據(jù)，有利于高精度加工的實(shí)現(xiàn)；MBD模型中含有檢測相關(guān)的產(chǎn)品制造信息（PMI），可被直接用于零件加工在線自動(dòng)測量及分析等工作，進(jìn)一步提高智能化水平?；贛BD的智能加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)零件高精度加工，為確定性裝配奠定了基礎(chǔ)。

2.2 基于數(shù)字孿生的裝配工藝優(yōu)化技術(shù)

數(shù)字孿生采用信息技術(shù)對(duì)物理實(shí)體的組成、特征、功能和性能進(jìn)行數(shù)字化定義和建模。借助信息平臺(tái)的數(shù)字孿生體可以了解物理實(shí)體的狀態(tài)。數(shù)字孿生技術(shù)具有虛擬映射、實(shí)時(shí)同步、共生演進(jìn)和閉環(huán)優(yōu)化的特征優(yōu)勢。對(duì)于復(fù)雜飛機(jī)裝配來講，有效利用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行裝配件、緊固件、柔性工裝虛擬映射，實(shí)施裝配工藝仿真、優(yōu)化，虛擬現(xiàn)實(shí)共生，為確定性裝配提供了新途徑。

在確定性裝配中，利用數(shù)字孿生技術(shù)將實(shí)際柔性工裝映射到虛擬環(huán)境，匯同飛機(jī)零部件數(shù)字化設(shè)計(jì)模型，進(jìn)行裝配過程模擬仿真，分析工藝設(shè)計(jì)方案合理性，優(yōu)化裝配工藝過程；檢驗(yàn)柔性工裝和裝配零件、零件與零件之間配合關(guān)系，獲得工裝或夾具最優(yōu)夾持位置、運(yùn)動(dòng)位置參數(shù)等數(shù)據(jù)；通過裝配力學(xué)模擬，檢查相關(guān)裝配變形情況[34–35]，預(yù)測裝配質(zhì)量。利用數(shù)字孿生同步共生特征，在現(xiàn)實(shí)物理世界配置柔性工裝，實(shí)施優(yōu)化的裝配工藝方案，確?，F(xiàn)實(shí)裝配和虛擬裝配的協(xié)調(diào)一致?；跀?shù)字孿生的裝配工藝優(yōu)化技術(shù)有效提高了確定性裝配的成功率和效率，并降低了成本。

2.3 偏差預(yù)測與統(tǒng)計(jì)分析建模技術(shù)

飛機(jī)裝配中大量工作為螺栓、鉚釘?shù)染o固連接，由于飛機(jī)裝配連接常以多孔形式出現(xiàn)，蒙皮與骨架通過主基準(zhǔn)定位后，會(huì)將誤差傳遞到其余對(duì)應(yīng)配合的孔上，根據(jù)孔位的不同，主基準(zhǔn)誤差對(duì)各孔的位置度影響敏感度也不同，在本身精度差和敏感度影響大的位置會(huì)造成最終裝配孔的有效實(shí)體尺寸減少，造成后續(xù)裝配連接困難；此外，緊固件與裝配孔的配合精度較高，一般為H9/f8。螺栓等緊固件也有相應(yīng)的尺寸偏差，進(jìn)一步影響了最終安裝成功率。因此，有效預(yù)測裝配結(jié)合面偏差、安裝孔尺寸及形位偏差、緊固件直徑偏差并估計(jì)對(duì)齊匹配關(guān)系將是確定性裝配前的一項(xiàng)重要工作。

根據(jù)飛機(jī)裝配零件的智能加工測量結(jié)果，通過先進(jìn)測量技術(shù)檢測獲取裝配結(jié)合面形位偏差、系列安裝孔的孔徑、孔距尺寸偏差及形位誤差，建立裝配連接件之間結(jié)合面配合、系列孔位對(duì)齊偏差數(shù)學(xué)模型。根據(jù)孔系預(yù)測模型的極限偏差或統(tǒng)計(jì)偏差，預(yù)選適當(dāng)尺寸偏差的緊固件，建立安裝孔系和緊固件的匹配庫。進(jìn)而，通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)特征孔和緊固件配合進(jìn)行方差估計(jì)，獲取釘孔成功安裝比例，為確定性裝配是否可實(shí)施提供了判斷條件。反過來，預(yù)測模型與統(tǒng)計(jì)分析也對(duì)特征孔（系）設(shè)計(jì)偏差賦值優(yōu)化、緊固件規(guī)格的優(yōu)選起到促進(jìn)作用。

2.4 智能化柔性工裝技術(shù)

在確定性裝配中，具有高度通用性、柔性化的裝配工裝替代剛性型架，能適應(yīng)裝配對(duì)象尺寸等變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配對(duì)象的快速定位，是將基于數(shù)字孿生的裝配工藝仿真技術(shù)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的物理載體。柔性裝配工裝中的數(shù)控定位器、陣列式真空吸附柱和并聯(lián)機(jī)器人夾持操作器等，在裝配工藝仿真階段，即可被數(shù)字化建模，將物理數(shù)據(jù)映射到虛擬環(huán)境，根據(jù)裝配對(duì)象的幾何尺寸及特點(diǎn)，進(jìn)行合理組合和優(yōu)化配置，根據(jù)數(shù)字孿生技術(shù)現(xiàn)實(shí)映射，在實(shí)際裝配中有效利用柔性工裝，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化組合與布局；同時(shí)，弱剛度的壁板類零件由于自重等原因存在變形的風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)虛擬力學(xué)仿真預(yù)測結(jié)果，現(xiàn)實(shí)中利用柔性工裝在不同夾持點(diǎn)施加所需的外力，以恢復(fù)和維持裝配件應(yīng)有的外形尺寸精度。

偏差預(yù)測與統(tǒng)計(jì)分析建模技術(shù)可有效預(yù)測裝配特征匹配關(guān)系，在裝配中應(yīng)努力創(chuàng)造確定性裝配的條件。柔性工裝承擔(dān)了裝配連接件調(diào)姿對(duì)位任務(wù)。無型架夾具、無墊片的結(jié)合面之間對(duì)齊、（連接件1）孔–（連接件2）孔–緊固件匹配對(duì)齊，需要基于無接觸測量技術(shù)的柔性工裝調(diào)姿規(guī)劃算法。而移動(dòng)機(jī)器人和串聯(lián)機(jī)器人等智能化裝備，輔助以特定功能的末端執(zhí)行器，在中小零件自動(dòng)化輸送、緊固件安裝實(shí)施方面，將連接與裝配工藝變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

為在飛機(jī)零件智能加工、統(tǒng)計(jì)分析、工藝優(yōu)化和現(xiàn)實(shí)裝配中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)管理和分析平臺(tái)具有重要意義。應(yīng)用人工智能和大數(shù)據(jù)挖掘等智能化手段可獲取有益的數(shù)據(jù)和方法，不僅能夠更好地服務(wù)于確定性裝配，也為飛機(jī)全生命周期管理提供支持。

3 復(fù)合材料壁板全尺寸確定性 裝配發(fā)展路徑

確定性裝配具有無剛性型架、產(chǎn)品開發(fā)周期短和裝配成本低等優(yōu)勢。當(dāng)前我國軍民兩用飛機(jī)呈現(xiàn)開發(fā)型號(hào)多、周期短等趨勢；同時(shí)，大量采用碳纖維復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)，如圖8所示的C919復(fù)合材料垂尾壁板，為發(fā)展和應(yīng)用全尺寸確定性裝配技術(shù)提供了良好契機(jī)。這里以復(fù)合材料壁板裝配為例，運(yùn)用前面所總結(jié)的關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)行全尺寸確定性裝配的路徑分析，其技術(shù)方案如圖9所示。

圖8 C919復(fù)合材料垂尾壁板Fig.8 CFRP panel of C919 vertical fin

圖9 復(fù)材壁板全尺寸確定性裝配技術(shù)方案Fig.9 Full-size determinate assembly scheme of CFRP panel

3.1 數(shù)字化設(shè)計(jì)制造

作為數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)，三維CAD軟件提供的虛擬環(huán)境不僅可以進(jìn)行零件造型設(shè)計(jì)，也可用于對(duì)模型進(jìn)行裝配仿真分析。首先，在三維虛擬環(huán)境中，對(duì)復(fù)材壁板相應(yīng)零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提取關(guān)鍵裝配特征，建立零件模型裝配特征庫，為后續(xù)重點(diǎn)加工和裝配工藝優(yōu)化做準(zhǔn)備。利用MBD技術(shù)，在三維壁板各零件模型上進(jìn)行偏差、粗糙度等技術(shù)參數(shù)定義，利用智能方法直接對(duì)MBD模型零件進(jìn)行加工工藝過程規(guī)劃，智能選取機(jī)床、工藝裝備和加工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程和數(shù)控成形或加工，并智能在線測量。消除圖紙化技術(shù)標(biāo)注環(huán)節(jié)和人工規(guī)劃加工工藝等誤差環(huán)節(jié)，保證零件裝配特征的高加工精度，提高加工智能化水平。

3.2 基于數(shù)字孿生的裝配工藝優(yōu)化

首先，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，將裝配工裝以模型形式定義到虛擬環(huán)境；在三維虛擬環(huán)境下，利用工裝模型對(duì)壁板裝配進(jìn)行虛擬仿真，優(yōu)化裝配工藝，使其更適合確定性裝配；同時(shí)也可獲得柔性定位器等工裝數(shù)量和布局位姿，并為柔性工裝運(yùn)動(dòng)規(guī)劃合理路徑。后續(xù)再利用數(shù)字孿生的特點(diǎn)，將仿真分析的優(yōu)化工藝數(shù)據(jù)映射到現(xiàn)實(shí)裝配之中，實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，極大提高了確定性裝配成功的概率。

3.3 偏差預(yù)測與統(tǒng)計(jì)分析

本例壁板裝配時(shí)應(yīng)用螺栓和鉚釘連接方式，緊固件孔成為主要的裝配特征，孔徑、孔位和孔距等偏差則直接與后續(xù)實(shí)施確定性裝配相關(guān)。預(yù)測壁板構(gòu)件和其他裝配件上的特征孔由于制造或制孔等因素產(chǎn)生的尺寸偏差、位置偏差，估計(jì)壁板構(gòu)件和其他裝配件之間孔位對(duì)齊時(shí)可能產(chǎn)生的相對(duì)位置偏差和方向偏差。特征孔的各種偏差與螺栓等緊固件直徑偏差形成配合公差，建立釘孔配合關(guān)系的數(shù)學(xué)模型和匹配關(guān)系庫。應(yīng)用正態(tài)分布（±3σ）原則，通過統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)緊固件孔和緊固件之間配合公差進(jìn)行方差計(jì)算和分布估計(jì)，建立確定性裝配的可實(shí)施條件。

3.4 柔性工裝與先進(jìn)測量

數(shù)控定位器逐漸成為國內(nèi)外公司柔性裝配的首選工裝，波音、空客等國外廠商在客機(jī)裝配中都使用了一定數(shù)量的數(shù)控定位器；國內(nèi)，浙江大學(xué)航空制造所為多個(gè)國產(chǎn)型號(hào)軍機(jī)提供了各種類型的定位器，已形成系列化柔性工裝產(chǎn)品。該復(fù)材壁板確定性裝配，可根據(jù)具體需求迅速開發(fā)相應(yīng)的數(shù)控定位器，用于壁板構(gòu)件的可靠夾持和精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)定位。工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)作用是運(yùn)輸其他零件到壁板裝配位置，并進(jìn)行自動(dòng)化連接裝配操作。浙江大學(xué)已開發(fā)了機(jī)器人制孔、鉚接和螺接等多個(gè)型號(hào)的末端執(zhí)行器。本例中可利用已有末端操作器或開發(fā)相應(yīng)的機(jī)器人末端執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)零件夾持輸送和裝配作業(yè)。借助激光跟蹤儀等先進(jìn)測量設(shè)備，測量壁板構(gòu)件和其他裝配件之間的相對(duì)位姿，配合對(duì)應(yīng)的位姿調(diào)整算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)控定位器、工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)定位和調(diào)姿對(duì)位，進(jìn)而實(shí)施確定性裝配。

3.5 全過程數(shù)據(jù)管理軟件平臺(tái)

數(shù)字化設(shè)計(jì)的模型數(shù)據(jù)、裝配工藝仿真獲得的優(yōu)化數(shù)據(jù)、數(shù)控加工尺寸和精度等數(shù)據(jù)、偏差預(yù)測與統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)等，都對(duì)最終的確定性裝配起一定作用。建立設(shè)計(jì)—制造—建?！獌?yōu)化—裝配全過程的數(shù)據(jù)管理軟件平臺(tái)，可為確定性裝配順利實(shí)施提供數(shù)據(jù)支撐。通過人工智能和大數(shù)據(jù)挖掘等智能手段分析各個(gè)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)對(duì)確定性裝配的影響，獲取有益的數(shù)據(jù)、規(guī)律和方法，更好地服務(wù)于復(fù)合材料全尺寸確定性裝配。

4 結(jié)論

確定性裝配因?yàn)榫哂芯雀摺⑿矢?、柔性高和成本低等?yōu)點(diǎn)，將成為飛機(jī)裝配的發(fā)展趨勢。通過分析飛機(jī)確定性裝配的國外應(yīng)用與發(fā)展情況和國內(nèi)研究現(xiàn)狀，闡明了該技術(shù)發(fā)展所需的關(guān)鍵技術(shù)，包括基于MBD的飛機(jī)零件智能加工技術(shù)、基于數(shù)字孿生的裝配工藝優(yōu)化、偏差預(yù)測和統(tǒng)計(jì)分析建模及智能化柔性工裝技術(shù)。以飛機(jī)復(fù)合材料壁板裝配為例，提出了全尺寸確定性裝配的技術(shù)方案，表明了其關(guān)鍵技術(shù)邏輯關(guān)系和實(shí)施路徑。深入研究并逐漸應(yīng)用確定性裝配特別是全尺寸確定性裝配技術(shù)，在提升裝配精度和效率的同時(shí)，亦能促進(jìn)我國飛機(jī)裝配技術(shù)的發(fā)展。