飞机确定性装配技术及应用*

张永亮，姜杰凤，毕运波

（1. 浙江大学，杭州 310027；2. 航空工业沈阳飞机工业（集团）有限公司，沈阳 110850；3. 杭州师范大学，杭州 310036）

确定性装配（Determinate/determinant assembly，DA）是 按 照预先定义的坐标孔或零件特征直接将零部件组装在一起，而不需要额外夹具定位或其他复杂的测量、调整。最初确定性装配用于体现产品设计者对零部件装配特征的定义，是面向装配的设计（Design for assembly，DFA）的一个分支。对于装配协调关系简单的零件装配工步，按照设计的装配特征容易实现零件间的自定位装配（Part to part）。

但是，飞机装配零件、组件数量多，误差累积大，且弱刚性零件制造后自由状态下难以维持形状，通常需采用专用工装实现装配前校形和装配过程中保形，采用修配和加垫的方式来消除装配特征间的累积误差，采用配钻的方式保证紧固件的安装要求。传统飞机装配采用专用刚性型架，具有种类多、数量大、制造周期长、成本高、效率低和柔性差的缺点，阻碍了飞机装配现代化的步伐。随着数字化设计、数控加工、虚拟装配、数字化工装及先进测量技术的发展，零部件装配特征的加工精度显著提高，装配工艺设计方案可在虚拟环境下仿真优化，数字化工装能实现装配件的柔性化位姿调整，使基于零件间特征的自定位装配成为可能，所以确定性装配技术逐渐被应用于飞机装配领域。

确定性装配的一个明显优势是减少了装配工艺装备，从而降低了制造成本和交货周期，从这个意义上讲，它和飞机无型架装配（Jigless assembly）的概念有相似之处。无型架装配并非不采用型架，而是减少飞机装配传统刚性型架的使用。同样，在飞机确定性装配中仍需采用一些柔性化工装夹具。由于确定性装配减少了装配型架等协调环节，故装配工艺尺寸链变短，尺寸目标影响因素变少，有利于保证装配的精度；确定性装配的基准是零件自身的特征，不受装配工艺变化的影响，增加了装配柔性和效率；同时，其以柔性夹具和先进测量为技术支撑，降低了设备重复开发成本和时间成本。基于以上优点，可预见确定性装配模式符合飞机装配的未来趋势。

近年来，碳纤维复合材料整体结构件在飞机上大量应用，装配件数量减少，装配协调难度降低，为确定性装配技术提供了更大的应用空间和发展前景。确定性装配的最新发展阶段为全尺寸确定性装配（Full-size determinant assembly，FSDA），即 利用确定性装配技术实现整个飞机部件的装配，例如波音787全复合材料垂尾装配和洛·马公司复合材料蒙皮装配。

本文首先综述了国外飞机确定性装配的应用与发展情况，同时分析国内研究应用现状；总结阐述了发展确定性装配所需关键技术，即基于模型的定义技术、装配工艺仿真技术、容差估计与统计分析建模技术、智能化柔性工装技术；进而，针对飞机复合材料壁板装配提出发展全尺寸确定性装配的技术路径和对策。

1 飞机确定性装配技术发展 现状分析

1.1 国外飞机确定性装配应用与发展

1.1.1 初步应用

波音公司最早在1998年将确定性装配概念应用于飞机装配，在波音747机身装配中，采用数控POGO柱作为柔性定位器，替代刚性型架，对机身壁板进行定位和夹持，通过产品装配特征对位的形式，实现了中机身连接部位的确定性装配[1]。而后，在波音777翼梁装配中使用确定性技术，依靠几个关键特征孔，应用带有25个立式基座和56个真空头的POGO柱作为柔性工装，实现翼梁、翼肋和上下蒙皮的确定性装配[2]。空客公司先将确定性装配概念应用于A340–600的壁板上，后将应用经验用于A380机翼和通用装配夹具的同步设计当中，减少了型架，节约了时间，增加了柔性[3]。以上为波音和空客公司对确定性装配概念的初步应用，他们主要是采用数控定位器或（可重组）夹具替代刚性型架，在部件装配中对装配基准件进行柔性化定位，然后按照装配特征，将对应零件安装到基准件上，实现主要零件有限的关键部位的确定性装配。

1.1.2 技术发展

2010年以来，确定性装配得到进一步发展。首先，确定性装配概念和类型划分更加明确。英国巴斯大 学Muelaner等[4–6]将 确 定 性 装配定义为零件间的自定位装配；从飞机装配工装使用类型、装配–测量–运动技术运用等方面，对比了型架（Jig）装配、夹具（Fixture）装配和确定性装配的优缺点，如图1所示；提出了含测量辅助的确定性装配方法（MADA），并将其与基于关键孔（Key holes）的装配、具有互换性的零组件（Interchangeable parts）的装配并列为确定性装配下的3种类型。此外，以飞机翼盒装配为例，设计了确定性装配试验，采用工业机器人加工零件，获得确定性装配用结合面和特征孔，验证了含测量辅助的确定性装配方法的有效性。

图1 装配工装夹具及相应装配方法Fig.1 Assembly tooling and associated assembly methods

其次，将偏差估计融入到确定性装配当中，使其应用更具可操作性。英国诺丁汉大学Popov等[7–9]根据孔径、孔距、螺栓直径等公差，建立了装配的数学模型，如图2所示；模型表明上方零件（红色）与下方零件（蓝色）孔径和孔位处于极限偏差时，紧固件直径小于最小对齐孔径（绿色圆），才能进行确定性装配；根据该模型，将预测的装配孔孔径和对应可装配的螺栓直径进行分组，开发了确定性装配的Excel数据库工具，在飞机机翼前缘装配应用中得到验证。意大利Mozzillo等[10–12]在孔径、孔距尺寸公差基础上，引入装配件之间的位置度统计偏差，建立装配孔的装配关系几何模型；应用（大数）统计分析方法，用标准差估计零件间装配孔的有效孔大小和紧固件直径的配合情况，提供确定性装配的可实施条件；最终将该方法成功应用于主起落架齿轮箱装配中。以上研究将数理统计当中的极限（分组）方法或统计方法应用于装配实践，预先判断确定性装配的可实施条件，避免后续修配，为确定性装配顺利进行提供了数据保证。

图2 装配界面示意图与数学模型[7]Fig.2 Schematic and model of assembly interface[7]

1.1.3 最新进展

近年来，复合材料在飞机中应用比例越来越大，例如波音787与空客A350复合材料用量占比达到50%。复合材料整体构件的结构特点为确定性装配提供了更大的应用空间，而确定性装配也发展到一个全新阶段，即全尺寸确定性装配。全尺寸确定性装配基于零件结构细节层面的精确加工控制，在加工成形阶段对全部装配特征（如连接孔）完成终加工，装配阶段在整个结构装配上实现基于零件间装配特征的自定位装配，避免配钻、修配和加垫等工作。

2021年5月，洛·马公司在CHARLIE原型机开发中应用了基于数字孪生的“StarDrive”（星驱动）工具，首次实现了在复合材料蒙皮上完成全尺寸确定性装配，如图3所示。在采用FSDA之前，为避免受金属切屑、异物碎片等的影响，复合材料蒙皮装配需要多个工序：首先将蒙皮定位到金属骨架上，利用液体垫片填充补偿间隙，配钻蒙皮与骨架的装配孔；然后移开蒙皮，在骨架上安装托板螺母；最后将蒙皮放回原位，用紧固件将蒙皮连接到螺母板上。应用FSDA，对复合材料蒙皮进行虚拟装配仿真，验证工装夹具，采用最优化蒙皮安装顺序，实现了复合材料蒙皮和金属骨架的并行装配，一次性紧固件与装配孔配合成功率达到100%，装配速度提高了70%，总生产周期缩短20%~40%[13]。FSDA之所以能够成功，是因为充分利用了包括数字孪生在内的虚拟现实结合的数字工具，根据虚拟装配仿真获得最优化的装配工艺方案，在蒙皮制造阶段精确加工了作为装配基准的连接孔，实现了蒙皮与骨架的确定性装配。

图3 全尺寸确定性装配复合材料蒙皮（洛·马公司）Fig.3 FSDA on composite skins at Lockheed Martin

波音公司通过用于飞机零件加工的MBD（Model-based definition）方法[14]和无加垫无定位夹具无终孔型架的飞机装配[15]两个专利，为实施全尺寸确定性装配奠定了基础[16]。MBD技术由波音公司倡导发起，通过在三维设计模型上定义公差等技术参数，可直接智能生成数控程序，为选择更合适的数控机床提供引导，保障了装配特征终加工高精度要求。用柔性化工装（图4中蓝黄色定位器）替换刚性型架和定位夹具，避免加垫和修配，为确定性装配提供了硬件基础。基于FSDA的（机器人）路径可重复加工（2020年）[17]、复合材料用紧固系统（2020年）[18]等发明专利，解决了全尺寸确定性装配中的自动化操作等实际问题。公开资料显示波音公司最近成功将全尺寸确定性装配技术应用于波音787全复合材料垂尾（图4）、复合材料和钛合金的水平安定面的部件装配[19]。

图4 全尺寸确定性装配：波音787垂尾Fig.4 FSDA: Boeing 787 vertical fin

作为典型的智能化工具，工业机器人被引入到飞机柔性化装配当中。例如，空客在A350XBW壁板装配中引入Stewart并联机器人，其末端带有真空吸盘，对复合材料壁板进行定位和柔性夹持，如图5所示[20]；同时采用6R串联工业机器人进行自动化装配操作。机器人技术为全尺寸确定性装配实施提供了智能化硬件支持。

图5 复合材料壁板装配柔性夹具（A350XBW）[20]Fig.5 Flexible holding fixtures for CFRP panel (A350XBW)[20]

1.2 国内研究应用现状

国内公开发表文献中鲜见对于飞机确定性装配概念的直接表述，但是在确定性装配所涉及的相关技术方面也有相应论述和应用研究。西北工业大学高晓兵等[21]分析了飞机无型架装配技术，指出其两个核心技术是特征技术和容差估计技术，提出无型架技术的解决途径：通用装配工作台开发、精确定位与测量处理系统、装配工艺专家系统、装配特征与公差分配综合分析，以及无型架装配工艺技术。中国航空制造技术研究院许国康[22]在分析大飞机自动化装配技术时，将国外兴起的确定性装配和基于柔性工装的壁板装配作为先进装配方法进行了论述。南京航空航天大学安鲁陵等[23–24]利用3个关键孔进行确定性装配直接定位，建立了偏差传递模型，模拟并分析了飞机壁板装配的偏差传递分布规律。以上研究和论述表明了确定性装配的概念、特点和基本原理，但未涉及确定性装配的试验与应用。

要实际应用确定性装配技术，除了相应理论外，还需要软硬件的支撑，其中数字化柔性工装和先进测量技术则是实现确定性装配的重要保障[25]。在国内，浙江大学较早开发了数控定位器，结合激光跟踪测量技术，实现了飞机柔性化对接装配（图6）[26]和机身壁板装配（图7）[27]；作为柔性工装的关键设备，数控定位器逐渐形成系列化产品，已应用于国内多个型号飞机的数字化装配线当中；此外，开发了机器人柔性制孔末端执行器[28]、环形轨在线制孔装备[29]、双机压铆机器人[30]、碳纤维复合材料构件铺丝机[31]等一系列数字化工艺装备，用于国内型号飞机的连接装配和复材构件制备。同时，在装配工艺方面，开展了虚拟环境装配工艺仿真、定位器布局优化、装配偏差传递[32]、装配变形预测及矫形控制[33]等工艺方面的研究，为确定性装配提供了工艺支撑。

图6 机身调姿与对接试验系统[26]Fig.6 Posture alignment and joint test system[26]

图7 机身壁板装配系统[27]Fig.7 Digital assembly system for a fuselage panel[27]

由于我国飞机复合材料的应用占比不高（如大型客机C919复合材料的占比只有12%），对于确定性装配特别是全尺寸确定性装配的研究较少，还未见试验性应用。然而，随着我国新型宽体客机和新型战斗机中复合材料整体结构占比的增大，装配件数量减少，关键装配特征较为明确；此外，复合材料构件装配阶段装配孔配钻与加垫修配难度大，特别是复材和金属叠层配钻质量更是不易控制，在复材构件制备时完成全部装配孔的终加工更为必要和经济。所以，对于飞机复合材料结构部件装配，发展高效、低成本的全尺寸确定性装配技术更加有利。

2 确定性装配关键技术

从概念来看，飞机确定性装配是指基于零件间特征的自定位装配，装配时不需要加垫、修配和配钻装配孔。可见，确定性装配的基本要求就是实现遵循独立制造原则或相互联系原则的飞机零件（装配特征）的高精度加工。基于模型的定义，为智能加工提供了支持，全面保证了飞机零件装配特征高加工精度。确定性装配的实施途径是寻求适合的装配工艺，而数字孪生技术可使装配工艺仿真优化与现实装配工艺形成协调共生。确定性装配的可实施条件，判断依据来自于零件装配特征与紧固件的配合情况，其核心是建立偏差分布和统计分析数学模型。确定性装配工艺的实施需要智能化柔性夹持定位器等工装作为物理硬件支撑，其中工装点位合理布局、运动规划及末端执行器研发是重点。

2.1 基于MBD的智能加工技术

基于模型的定义方法，直接在三维模型上定义尺寸及公差、粗糙度等技术参数，减少了三维模型向二维图纸的转换环节，实现了从设计模型到制造工艺的无缝连接。由于飞机的空气动力学要求，很多零件结构外形复杂，二维图纸标注相应尺寸及公差常不能准确反映其技术要求，且不能直接用于数控编程、仿真和检测，影响后续加工精度的实现，基于三维模型的定义则有效弥补了这一缺陷，其不仅在飞机数字化设计中发挥重要作用，也是发展飞机智能制造的基础。

对于飞机确定性装配的零件特征加工而言，MBD技术更能体现其独特价值。因为确定性装配要求零件所有装配配合面和装配孔都要在零件加工阶段完成，装配时无加垫、无修配和配钻，这对飞机零件的加工精度和智能加工水平提出更高要求。MBD技术从以下方面支持了这一需求：利用被定义的三维模型，通过人工智能方式，可直接生成优化的加工工艺及程序，降低了人工编写工艺及程序的失误率；由于模型已对装配特征表面和装配孔的最终尺寸及位置偏差要求进行了定义，为更加准确选择加工机床和制孔设备、刀具等工艺装备提供依据，有利于高精度加工的实现；MBD模型中含有检测相关的产品制造信息（PMI），可被直接用于零件加工在线自动测量及分析等工作，进一步提高智能化水平。基于MBD的智能加工技术实现了飞机零件高精度加工，为确定性装配奠定了基础。

2.2 基于数字孪生的装配工艺优化技术

数字孪生采用信息技术对物理实体的组成、特征、功能和性能进行数字化定义和建模。借助信息平台的数字孪生体可以了解物理实体的状态。数字孪生技术具有虚拟映射、实时同步、共生演进和闭环优化的特征优势。对于复杂飞机装配来讲，有效利用数字孪生技术进行装配件、紧固件、柔性工装虚拟映射，实施装配工艺仿真、优化，虚拟现实共生，为确定性装配提供了新途径。

在确定性装配中，利用数字孪生技术将实际柔性工装映射到虚拟环境，汇同飞机零部件数字化设计模型，进行装配过程模拟仿真，分析工艺设计方案合理性，优化装配工艺过程；检验柔性工装和装配零件、零件与零件之间配合关系，获得工装或夹具最优夹持位置、运动位置参数等数据；通过装配力学模拟，检查相关装配变形情况[34–35]，预测装配质量。利用数字孪生同步共生特征，在现实物理世界配置柔性工装，实施优化的装配工艺方案，确保现实装配和虚拟装配的协调一致。基于数字孪生的装配工艺优化技术有效提高了确定性装配的成功率和效率，并降低了成本。

2.3 偏差预测与统计分析建模技术

飞机装配中大量工作为螺栓、铆钉等紧固连接，由于飞机装配连接常以多孔形式出现，蒙皮与骨架通过主基准定位后，会将误差传递到其余对应配合的孔上，根据孔位的不同，主基准误差对各孔的位置度影响敏感度也不同，在本身精度差和敏感度影响大的位置会造成最终装配孔的有效实体尺寸减少，造成后续装配连接困难；此外，紧固件与装配孔的配合精度较高，一般为H9/f8。螺栓等紧固件也有相应的尺寸偏差，进一步影响了最终安装成功率。因此，有效预测装配结合面偏差、安装孔尺寸及形位偏差、紧固件直径偏差并估计对齐匹配关系将是确定性装配前的一项重要工作。

根据飞机装配零件的智能加工测量结果，通过先进测量技术检测获取装配结合面形位偏差、系列安装孔的孔径、孔距尺寸偏差及形位误差，建立装配连接件之间结合面配合、系列孔位对齐偏差数学模型。根据孔系预测模型的极限偏差或统计偏差，预选适当尺寸偏差的紧固件，建立安装孔系和紧固件的匹配库。进而，通过数理统计分析方法对特征孔和紧固件配合进行方差估计，获取钉孔成功安装比例，为确定性装配是否可实施提供了判断条件。反过来，预测模型与统计分析也对特征孔（系）设计偏差赋值优化、紧固件规格的优选起到促进作用。

2.4 智能化柔性工装技术

在确定性装配中，具有高度通用性、柔性化的装配工装替代刚性型架，能适应装配对象尺寸等变化，实现对装配对象的快速定位，是将基于数字孪生的装配工艺仿真技术变为现实的物理载体。柔性装配工装中的数控定位器、阵列式真空吸附柱和并联机器人夹持操作器等，在装配工艺仿真阶段，即可被数字化建模，将物理数据映射到虚拟环境，根据装配对象的几何尺寸及特点，进行合理组合和优化配置，根据数字孪生技术现实映射，在实际装配中有效利用柔性工装，实现优化组合与布局；同时，弱刚度的壁板类零件由于自重等原因存在变形的风险，根据虚拟力学仿真预测结果，现实中利用柔性工装在不同夹持点施加所需的外力，以恢复和维持装配件应有的外形尺寸精度。

偏差预测与统计分析建模技术可有效预测装配特征匹配关系，在装配中应努力创造确定性装配的条件。柔性工装承担了装配连接件调姿对位任务。无型架夹具、无垫片的结合面之间对齐、（连接件1）孔–（连接件2）孔–紧固件匹配对齐，需要基于无接触测量技术的柔性工装调姿规划算法。而移动机器人和串联机器人等智能化装备，辅助以特定功能的末端执行器，在中小零件自动化输送、紧固件安装实施方面，将连接与装配工艺变为现实。

为在飞机零件智能加工、统计分析、工艺优化和现实装配中产生的大量数据建立数据管理和分析平台具有重要意义。应用人工智能和大数据挖掘等智能化手段可获取有益的数据和方法，不仅能够更好地服务于确定性装配，也为飞机全生命周期管理提供支持。

3 复合材料壁板全尺寸确定性 装配发展路径

确定性装配具有无刚性型架、产品开发周期短和装配成本低等优势。当前我国军民两用飞机呈现开发型号多、周期短等趋势；同时，大量采用碳纤维复合材料整体结构，如图8所示的C919复合材料垂尾壁板，为发展和应用全尺寸确定性装配技术提供了良好契机。这里以复合材料壁板装配为例，运用前面所总结的关键技术，进行全尺寸确定性装配的路径分析，其技术方案如图9所示。

图8 C919复合材料垂尾壁板Fig.8 CFRP panel of C919 vertical fin

图9 复材壁板全尺寸确定性装配技术方案Fig.9 Full-size determinate assembly scheme of CFRP panel

3.1 数字化设计制造

作为数字化设计平台，三维CAD软件提供的虚拟环境不仅可以进行零件造型设计，也可用于对模型进行装配仿真分析。首先，在三维虚拟环境中，对复材壁板相应零件进行结构设计，提取关键装配特征，建立零件模型装配特征库，为后续重点加工和装配工艺优化做准备。利用MBD技术，在三维壁板各零件模型上进行偏差、粗糙度等技术参数定义，利用智能方法直接对MBD模型零件进行加工工艺过程规划，智能选取机床、工艺装备和加工参数，实现自动编程和数控成形或加工，并智能在线测量。消除图纸化技术标注环节和人工规划加工工艺等误差环节，保证零件装配特征的高加工精度，提高加工智能化水平。

3.2 基于数字孪生的装配工艺优化

首先，应用数字孪生技术，将装配工装以模型形式定义到虚拟环境；在三维虚拟环境下，利用工装模型对壁板装配进行虚拟仿真，优化装配工艺，使其更适合确定性装配；同时也可获得柔性定位器等工装数量和布局位姿，并为柔性工装运动规划合理路径。后续再利用数字孪生的特点，将仿真分析的优化工艺数据映射到现实装配之中，实现虚拟与现实的协调统一，极大提高了确定性装配成功的概率。

3.3 偏差预测与统计分析

本例壁板装配时应用螺栓和铆钉连接方式，紧固件孔成为主要的装配特征，孔径、孔位和孔距等偏差则直接与后续实施确定性装配相关。预测壁板构件和其他装配件上的特征孔由于制造或制孔等因素产生的尺寸偏差、位置偏差，估计壁板构件和其他装配件之间孔位对齐时可能产生的相对位置偏差和方向偏差。特征孔的各种偏差与螺栓等紧固件直径偏差形成配合公差，建立钉孔配合关系的数学模型和匹配关系库。应用正态分布（±3σ）原则，通过统计分析方法对紧固件孔和紧固件之间配合公差进行方差计算和分布估计，建立确定性装配的可实施条件。

3.4 柔性工装与先进测量

数控定位器逐渐成为国内外公司柔性装配的首选工装，波音、空客等国外厂商在客机装配中都使用了一定数量的数控定位器；国内，浙江大学航空制造所为多个国产型号军机提供了各种类型的定位器，已形成系列化柔性工装产品。该复材壁板确定性装配，可根据具体需求迅速开发相应的数控定位器，用于壁板构件的可靠夹持和精准运动定位。工业机器人系统作用是运输其他零件到壁板装配位置，并进行自动化连接装配操作。浙江大学已开发了机器人制孔、铆接和螺接等多个型号的末端执行器。本例中可利用已有末端操作器或开发相应的机器人末端执行器，实现零件夹持输送和装配作业。借助激光跟踪仪等先进测量设备，测量壁板构件和其他装配件之间的相对位姿，配合对应的位姿调整算法，实现数控定位器、工业机器人的运动定位和调姿对位，进而实施确定性装配。

3.5 全过程数据管理软件平台

数字化设计的模型数据、装配工艺仿真获得的优化数据、数控加工尺寸和精度等数据、偏差预测与统计分析的数据等，都对最终的确定性装配起一定作用。建立设计—制造—建模—优化—装配全过程的数据管理软件平台，可为确定性装配顺利实施提供数据支撑。通过人工智能和大数据挖掘等智能手段分析各个环节数据对确定性装配的影响，获取有益的数据、规律和方法，更好地服务于复合材料全尺寸确定性装配。

4 结论

确定性装配因为具有精度高、效率高、柔性高和成本低等优点，将成为飞机装配的发展趋势。通过分析飞机确定性装配的国外应用与发展情况和国内研究现状，阐明了该技术发展所需的关键技术，包括基于MBD的飞机零件智能加工技术、基于数字孪生的装配工艺优化、偏差预测和统计分析建模及智能化柔性工装技术。以飞机复合材料壁板装配为例，提出了全尺寸确定性装配的技术方案，表明了其关键技术逻辑关系和实施路径。深入研究并逐渐应用确定性装配特别是全尺寸确定性装配技术，在提升装配精度和效率的同时，亦能促进我国飞机装配技术的发展。