馬 超 何海燕 顧志悅 姚 駿 王 濤 陳 夜

基于接口定義的衛(wèi)星虛擬緊固設(shè)計(jì)技術(shù)與應(yīng)用

馬 超 何海燕 顧志悅 姚 駿 王 濤 陳 夜

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109）

面向衛(wèi)星自頂向下的數(shù)字化設(shè)計(jì)模式，基于三維模型之間清晰的組織架構(gòu)和裝配關(guān)系，提出一種虛擬緊固設(shè)計(jì)解決方案。在產(chǎn)品三維建模過程中，規(guī)范定義機(jī)械安裝接口，表達(dá)緊固需求。結(jié)合后臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)緊固信息庫，開發(fā)全流程設(shè)計(jì)工具，以實(shí)現(xiàn)緊固設(shè)計(jì)過程的參數(shù)化、結(jié)構(gòu)化和自動(dòng)化。通過查看工具直觀展示虛擬緊固信息，指導(dǎo)裝配操作，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與工藝的無縫鏈接。多個(gè)型號(hào)的實(shí)踐應(yīng)用表明，虛擬緊固設(shè)計(jì)是高效、實(shí)用的數(shù)字化手段，可為其他系統(tǒng)工程研制提供借鑒。

衛(wèi)星；數(shù)字化設(shè)計(jì)；接口定義；虛擬緊固

1 引言

在衛(wèi)星產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)中，緊固設(shè)計(jì)是重要組成部分和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的緊固設(shè)計(jì)方式具有諸多的缺點(diǎn)和限制，不利于衛(wèi)星產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量的進(jìn)一步提高，也不符合衛(wèi)星產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)全流程數(shù)字化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)信息化流轉(zhuǎn)的總體方向要求。亟需立足于衛(wèi)星產(chǎn)品自身的研制特點(diǎn)，探索一種新的，更符合衛(wèi)星產(chǎn)品的緊固設(shè)計(jì)模式。

針對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)品總體緊固設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求、模型特點(diǎn)，同時(shí)梳理緊固設(shè)計(jì)在產(chǎn)品研制全流程中的要求和應(yīng)用方式，探索并研制出一種基于接口的衛(wèi)星虛擬緊固設(shè)計(jì)技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星產(chǎn)品的全流程數(shù)字化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)信息的全信息化流轉(zhuǎn)奠定了基礎(chǔ)。

2 緊固設(shè)計(jì)總體思路

在進(jìn)入數(shù)字化設(shè)計(jì)時(shí)代之前，緊固設(shè)計(jì)狀態(tài)都需要在圖紙中完整表達(dá)。在進(jìn)入數(shù)字化設(shè)計(jì)初期，基本都延續(xù)著傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，在三維模型人工完成所有緊固件的裝配工作，緊固件模型從二維變成了三維模型。隨著不斷深化數(shù)字化設(shè)計(jì)模式的應(yīng)用深度，數(shù)字化設(shè)計(jì)真正的優(yōu)勢不斷被發(fā)掘和利用[1～5]。因此，數(shù)字化設(shè)計(jì)的規(guī)劃者得以站在更高的維度，利用數(shù)字化和結(jié)構(gòu)化思維重新審視和規(guī)劃傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式的數(shù)字化轉(zhuǎn)換工作。

衛(wèi)星數(shù)字化設(shè)計(jì)過程是一種自頂向下的設(shè)計(jì)模式，具有清晰的組織結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的模型類型[6～10]，如圖1所示。衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)模型在組織架構(gòu)上由整星、艙段、艙板、設(shè)備、總裝直屬件組成，模型類型和組織架構(gòu)規(guī)則清晰穩(wěn)定。衛(wèi)星總體緊固設(shè)計(jì)針對(duì)艙板、設(shè)備和總裝直屬件等模型，是一種單元化設(shè)計(jì)。這些模型具有明確的裝配連接關(guān)系，基本保持元件與艙板，設(shè)備與設(shè)備支架之間的連接關(guān)系，連接件與被連接件之間單一且清晰。提出一種基于三維模型接口定義的虛擬緊固設(shè)計(jì)方案。

圖1 衛(wèi)星產(chǎn)品組織架構(gòu)

圖2 虛擬緊固設(shè)計(jì)方案總體架構(gòu)

虛擬緊固設(shè)計(jì)方案總體架構(gòu)如圖2所示，主要分成準(zhǔn)備、設(shè)計(jì)和實(shí)施三個(gè)階段。準(zhǔn)備階段，針對(duì)設(shè)備、總裝直屬件等連接對(duì)象，專門開發(fā)了一種三維模型安裝接口定義工具，直接使用三維模型設(shè)置接口，并能驅(qū)動(dòng)艙板安裝埋件和面板自動(dòng)開孔。三維接口定義工具覆蓋了總體各類設(shè)計(jì)模型，讓各類連接對(duì)象都能使用基于接口的虛擬緊固設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)階段，基于模型安裝接口的緊固信息，完成緊固件規(guī)格的自動(dòng)選定。開發(fā)專用的統(tǒng)計(jì)工具，提取模型中記錄的虛擬緊固信息，展示并輸出緊固件BOM信息，為備料提供依據(jù)。實(shí)施階段，開發(fā)專用的基于三維模型的緊固信息查看工具，直觀的展示緊固件的裝配形式，有效指導(dǎo)緊固件裝配過程[11，12]。

3 虛擬緊固設(shè)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)

3.1 準(zhǔn)備階段

緊固設(shè)計(jì)準(zhǔn)備階段核心工作是各種緊固對(duì)象的三維模型安裝接口定義，為此專門開發(fā)了安裝接口定義工具，如圖3所示。

針對(duì)設(shè)備的三維接口定義工具實(shí)現(xiàn)了對(duì)安裝接口的完整定義，后續(xù)在虛擬緊固設(shè)計(jì)時(shí)，可以直接使用三維模型中設(shè)置的接口。三維接口數(shù)據(jù)的推廣應(yīng)用為實(shí)現(xiàn)基于接口的緊固設(shè)計(jì)在流程上和基礎(chǔ)模型準(zhǔn)備上奠定了基礎(chǔ)。

設(shè)備和普通總裝直屬件三維接口定義工具覆蓋了總體各類設(shè)計(jì)模型，讓各類模型都能使用基于接口的虛擬緊固設(shè)計(jì)。

3.2 設(shè)計(jì)階段

緊固設(shè)計(jì)階段要完成的工作包括緊固參數(shù)化設(shè)計(jì)、個(gè)性化裝配檢測和緊固BOM信息統(tǒng)計(jì)等。

3.2.1 緊固參數(shù)化設(shè)計(jì)

緊固設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)方面：一是以安裝接口作為設(shè)計(jì)單元，基于模型安裝接口的緊固信息快速設(shè)計(jì)；二是基于規(guī)則的環(huán)境緊固長度自動(dòng)計(jì)算和緊固件規(guī)格的自動(dòng)選定。環(huán)境緊固長度是墊塊緊固面到蜂窩板蒙皮外表面的距離，如表1、圖4所示。

表1 計(jì)算參數(shù)表

圖4 緊固長度自動(dòng)計(jì)算

以圖5為例，根據(jù)安裝接口定義獲取到環(huán)境長度，并根據(jù)環(huán)境長度自動(dòng)選定緊固規(guī)格，如表2所示。

圖5 某設(shè)備三維模型及安裝接口

表2 緊固規(guī)格自動(dòng)選定

以安裝接口為單位，參數(shù)化定義緊固信息。參數(shù)化不依賴于標(biāo)準(zhǔn)件模型，利于設(shè)計(jì)信息結(jié)構(gòu)化統(tǒng)計(jì)，設(shè)計(jì)靈活度大，方便添加附加設(shè)計(jì)信息，例如擰緊力矩和防松信息等。

3.2.2 個(gè)性化裝配檢測

緊固件模型數(shù)量巨大，占用很大的硬件資源，虛擬緊固設(shè)計(jì)默認(rèn)不在三維模型上裝配緊固件。但在需要的時(shí)候，如干涉檢查、質(zhì)量特性分析等，基于接口的虛擬緊固設(shè)計(jì)對(duì)緊固件是否裝配是可選擇的，可根據(jù)設(shè)計(jì)師的個(gè)性化需求實(shí)現(xiàn)設(shè)備緊固件全部裝配、部分裝配和不裝配，見圖6。此時(shí)的緊固件裝配是基于虛擬緊固信息的自動(dòng)裝配，與傳統(tǒng)的手工裝配是完全不同的概念。

a 全裝b 部分裝c 不裝

3.2.3 緊固BOM信息統(tǒng)計(jì)

緊固設(shè)計(jì)完成后，需要統(tǒng)計(jì)緊固件數(shù)量，為備料提供依據(jù)。針對(duì)緊固BOM問題，開發(fā)專用的BOM統(tǒng)計(jì)工具，能夠提取、展示并輸出模型中記錄的虛擬緊固信息，如表3所示。

表3 緊固BOM信息

3.3 實(shí)施階段

設(shè)計(jì)完成之后，緊固信息流轉(zhuǎn)至總裝部門，開展緊固實(shí)施。為滿足總裝車間對(duì)緊固件裝配的要求，直觀有效地指導(dǎo)緊固件裝配過程，需要解決緊固信息瀏覽查看和直觀展示問題。

3.3.1 緊固信息瀏覽器化

由于在新的設(shè)計(jì)模式下，設(shè)計(jì)部門可以選擇不用裝配實(shí)際緊固件模型，如何盡量避免因此帶來的不便并充分發(fā)揮出接口化、參數(shù)化緊固設(shè)計(jì)的優(yōu)勢尤為重要。緊固信息的瀏覽器查看是解決此問題的有效途徑，基于瀏覽器的緊固信息展示如圖7所示。

圖7 緊固信息瀏覽器查看

3.3.2 緊固實(shí)施直觀展示

針對(duì)指導(dǎo)緊固件裝配問題，開發(fā)專用的基于三維模型的緊固信息查看工具，能夠以設(shè)備或直屬件的安裝接口為單位查看每個(gè)孔的緊固件信息，并輔以典型剖面圖片，直觀地展示緊固件的裝配形式，如圖8所示。

圖8 緊固實(shí)施直觀展示

3.3.3 緊固實(shí)操

為跟蹤緊固總裝作業(yè)進(jìn)展，檢驗(yàn)緊固狀態(tài)是否滿足技術(shù)要求，專門開發(fā)了工具記錄緊固實(shí)作情況并及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)人員，如表4所示。

表4 緊固實(shí)作查看

4 虛擬緊固設(shè)計(jì)應(yīng)用效果

緊固設(shè)計(jì)是各類產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵過程和重要組成部分，傳統(tǒng)意義上的緊固設(shè)計(jì)過程中，緊固件選用過程依賴以往經(jīng)驗(yàn)和個(gè)人知識(shí)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)不統(tǒng)一或設(shè)計(jì)失誤；緊固件檢索過程伴隨著各種棄用模型或模型錯(cuò)誤的情況，引發(fā)大量試錯(cuò)過程；緊固件裝配過程操作繁瑣且重復(fù)，極大地消耗工作精力，降低工作效率；在三維設(shè)計(jì)模式下，傳統(tǒng)的緊固設(shè)計(jì)往往存在部分裝和全裝兩種設(shè)計(jì)處理方式，處理方式的不一致性對(duì)后續(xù)BOM管理和應(yīng)用提出更高要求；傳統(tǒng)緊固設(shè)計(jì)是非結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，無法很好滿足新產(chǎn)品研制流程對(duì)數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化工藝、數(shù)字化裝配等要求。

基于接口定義的衛(wèi)星虛擬緊固設(shè)計(jì)技術(shù)開發(fā)的系列工具在實(shí)際型號(hào)中已經(jīng)完成多次全流程應(yīng)用。實(shí)踐表明，該技術(shù)在衛(wèi)星數(shù)字化研制中取得了良好效果。一方面，該技術(shù)通過安裝接口定義緊固信息，實(shí)現(xiàn)了緊固設(shè)計(jì)過程的規(guī)范化、結(jié)構(gòu)化、自動(dòng)化和信息化，能夠有效提高衛(wèi)星產(chǎn)品的緊固設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低差錯(cuò)率，極大提高設(shè)計(jì)效率。另一方面，該技術(shù)優(yōu)化下游對(duì)緊固設(shè)計(jì)信息的利用方式和效率，能夠完全適應(yīng)三維下廠模式，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與工藝的無縫鏈接。

5 結(jié)束語

針對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)特點(diǎn)和總體緊固設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，通過梳理緊固設(shè)計(jì)在產(chǎn)品研制全流程中的要求和應(yīng)用方式，探索并研制出一種基于接口定義的衛(wèi)星虛擬緊固設(shè)計(jì)技術(shù)，開發(fā)了全流程設(shè)計(jì)工具，實(shí)現(xiàn)虛擬緊固設(shè)計(jì)功能。經(jīng)過多個(gè)衛(wèi)星型號(hào)應(yīng)用表明，虛擬緊固是高效、實(shí)用的設(shè)計(jì)工具，能夠有效滿足航天器數(shù)字化研制需求。

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Development and Application of Virtual Fastening Design Technology Based on Interface Definition for Satellite

Ma Chao He Haiyan Gu Zhiyue Yao Jun Wang Tao Chen Ye

(Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109)

A virtual fastening design solution was proposed based on the clear organization structure and assembly relationship between 3D models for the top-down digital design mode of satellite. During the product 3D modeling process, the specification defines the mechanical mounting interface and expresses the tightening requirements. In combination with the background standard fastening information base, the whole process design tool is developed to realize the parameterization, structure and automation of fastening design process. The virtual fastening information can be visually displayed by viewing tools to guide assembly operations and realize the seamless link between design and process. The practical application of several models shows that virtual fastening design is an efficient and practical digital means, which can provide reference for other system engineering.

satellite；digital design；interface definition；virtual fastening

V468

A

馬超（1985），工程師，飛行器設(shè)計(jì)專業(yè)；研究方向：航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析。

2021-08-11