馮 偉，張延磊，易旺民，鄭圣余，賀文興，封寶華

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

航天器總裝工藝設(shè)計[1]是總裝實施的技術(shù)依據(jù)，其優(yōu)劣將直接影響航天器產(chǎn)品的質(zhì)量。根據(jù)設(shè)計文件和藍圖，完成航天器總裝工藝方案、工藝流程、工藝規(guī)程以及地面支持設(shè)備需求等的設(shè)計與編制。隨著探月工程、載人航天工程等的推進，新技術(shù)、新設(shè)計和新設(shè)備不斷被采納，給總裝工藝設(shè)計帶來較大的難度，以至設(shè)計手段有待突破。

為了提高總裝工藝設(shè)計水平，減少對工藝人員個人經(jīng)驗的依賴，需要采用新的總裝工藝設(shè)計技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)是計算機技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，通過構(gòu)建虛擬環(huán)境和虛擬產(chǎn)品以模擬控制現(xiàn)實實體[2]。采用虛擬仿真技術(shù)，驗證部件級的工藝配合流程和工藝裝配路徑的正確性及合理性。利用數(shù)字可視化技術(shù)，檢驗對工藝設(shè)計的裝配順序和裝配路徑，對產(chǎn)品可裝配性作出評價，及時優(yōu)化工藝設(shè)計，進而達到提高設(shè)計質(zhì)量的目的[3-5]?？傊?，虛擬仿真可避免裝配工藝設(shè)計過多依賴經(jīng)驗的不足，有助于提高工藝設(shè)計的質(zhì)量，是面向裝配設(shè)計的重要手段。

本文以探月工程二期“嫦娥三號”探測器的總裝工藝設(shè)計為對象，研究了虛擬仿真技術(shù)在總裝工藝設(shè)計中的應(yīng)用。

1 基于虛擬仿真的工藝設(shè)計規(guī)劃

利用虛擬仿真技術(shù)可以建立數(shù)字化的航天器產(chǎn)品、總裝廠房以及總裝地面支持設(shè)備、總裝工具和物流體系等，再引入數(shù)字化的人體模型，開展有人參與的裝配操作活動，驗證裝配工藝流程，識別裝配風險，優(yōu)化工藝實施方案[6]。涉及內(nèi)容包括工藝流程設(shè)計、裝配設(shè)計、地面支持設(shè)備設(shè)計以及人機工效分析等，優(yōu)化后的工藝設(shè)計還可進行仿真示教。航天器總裝工藝虛擬仿真應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 航天器總裝工藝虛擬仿真應(yīng)用體系的結(jié)構(gòu)Fig. 1 The application framework of spacecraft assembly process virtual simulation

此外，利用虛擬仿真軟件可以制作產(chǎn)品裝配過程的仿真動畫，對現(xiàn)場的操作進行示教指導(dǎo)，能夠有效提高操作人員對裝配工藝的正確理解，有助于確保產(chǎn)品的裝配質(zhì)量[7-8]。

2 建立虛擬仿真環(huán)境

航天器總裝虛擬環(huán)境主要包括廠房資源模型、物流資源模型、產(chǎn)品資源模型以及總裝資源模型等（圖2），各個模型之間相互協(xié)調(diào)，從而實現(xiàn)整個總裝過程進行的有序通暢[9-10]。根據(jù)工藝設(shè)計的要求，在仿真設(shè)計中不需各個資源模型全部齊全，但是要各類虛擬環(huán)境相互匹配，而其中最重要且不可缺少的是產(chǎn)品資源模型和總裝資源模型。

圖2 航天器總裝虛擬仿真環(huán)境示意圖Fig. 2 The virtual simulation environment of spacecraft assembly and integration

產(chǎn)品資源模型是整個系統(tǒng)中最關(guān)鍵的，一般由設(shè)計方提供或者工藝人員自行設(shè)計，其正確性將直接影響到仿真的結(jié)果。由設(shè)計方提供的模型須對照設(shè)計文件進行核對，避免出現(xiàn)仿真錯誤。對于復(fù)雜的產(chǎn)品，工藝人員可自行設(shè)計模型，可對模型簡化處理，但應(yīng)滿足仿真的關(guān)鍵參數(shù)。

總裝資源模型種類多，各個型號也不盡相同，包括工藝設(shè)計過程中所需的各類地面支持設(shè)備、工具以及輔助材料等模型。這些模型均需要在三維建模軟件中建立，其中人體模型可作為特殊的總裝資源模型，可直接引用。總裝資源模型不僅能保證航天器總裝操作環(huán)境的逼真性，還能驗證工具的操作空間要求。在“嫦娥三號”總裝中，涉及各種翻轉(zhuǎn)架車、停放架車、艙體吊具、鉗工工具、電裝工具以及檢驗工具等等，應(yīng)根據(jù)“嫦娥三號”虛擬仿真的工況需要選擇相應(yīng)的資源模型。

廠房資源模型是指在 CATIA等三維建模軟件中建立的數(shù)字模型。對于“嫦娥三號”總裝的廠房資源模型，不僅需建立常規(guī)的天車、工位布局、充放氣口等總裝廠房環(huán)境，還要建立發(fā)射場塔架的環(huán)境，以用于模擬關(guān)鍵設(shè)備的總裝任務(wù)。

物流資源模型是指建立航天器總裝車間的物料流轉(zhuǎn)體系和產(chǎn)品轉(zhuǎn)運體系。體系的建立主要是為了驗證產(chǎn)品或者轉(zhuǎn)運車輛行駛路線在高度和寬度上的可行性，應(yīng)滿足航天器所有型號總裝的需要。此外，物流資源模型還可應(yīng)用于產(chǎn)品的示教和宣傳。

航天器虛擬總裝環(huán)境的各模型建立之后，要進行虛擬仿真環(huán)境組建。首先，對模型進行輕量化和格式轉(zhuǎn)換，滿足總裝虛擬仿真軟件中快速響應(yīng)和格式的匹配性；之后，根據(jù)虛擬總裝環(huán)境的需要，依次分別將廠房模型、航天器產(chǎn)品資源模型、總裝資源模型以及物流資源模型導(dǎo)入到三維仿真軟件的場景中，并參照真實廠房的坐標，對各資源模型定位。

3 基于虛擬仿真的航天器總裝工藝設(shè)計

總裝工藝設(shè)計的仿真分析是指采用虛擬仿真分析軟件對初步制定的總裝工藝方案的重要環(huán)節(jié)進行虛擬仿真，必要時進行全過程仿真，以進行定性或者定量分析，預(yù)先對總裝工藝方案進行可行性判斷和合理性驗證，提前識別裝配過程中存在的各種風險環(huán)節(jié)，以便交互式地優(yōu)化工藝方案，提高生產(chǎn)效率[11-12]。

3.1 總裝流程設(shè)計

總裝流程設(shè)計是指工藝人員依據(jù)技術(shù)文件對航天器設(shè)備、直屬件、加熱器等產(chǎn)品間的裝配順序和產(chǎn)品自身的裝配路徑進行規(guī)劃。基于虛擬仿真技術(shù)可分別實現(xiàn)整星級產(chǎn)品和零部件級產(chǎn)品的虛擬仿真的總裝流程設(shè)計[13]。整星級產(chǎn)品的總裝流程設(shè)計主要是確認零部件產(chǎn)品之間在總裝過程中的裝配順序和對廠房設(shè)施、物流裝配等保障條件的驗證。零部件級產(chǎn)品的總裝流程設(shè)計主要是驗證和確認零部件產(chǎn)品在總裝過程中的裝配路徑，還可應(yīng)用在型號初期的示教。

產(chǎn)品之間裝配順序是流程設(shè)計中的重點內(nèi)容之一：單機設(shè)備的安裝順序一般是可以調(diào)換的，而對于大部件總裝順序有一定的制約條件。新型號零部件安裝順序的制約條件是工藝設(shè)計的重點項目，僅靠工藝人員的個人經(jīng)驗進行總裝流程設(shè)計有一定的難度。應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)確認流程設(shè)計中有制約條件的設(shè)備，可避免重復(fù)性的總裝操作，解決流程設(shè)計的難題。在“嫦娥三號”總裝流程設(shè)計中，通過虛擬仿真對操作空間和操作位置的分析后，確認先安裝著陸器太陽翼，后對接巡視器的方案，仿真分析見圖3。

產(chǎn)品自身裝配路徑的設(shè)計是驗證零部件總裝工藝方案的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有助于識別風險點。要做到1∶1產(chǎn)品模型的虛擬仿真，確保仿真路徑的完全正確。“嫦娥三號”在貯箱安裝路徑的仿真中發(fā)現(xiàn)了貯箱防護帽和安裝孔干涉的風險點，如圖 4所示。經(jīng)分析確認通過更換防護帽以及更改吊裝路徑等方法解決了干涉問題，同時在工藝文件中設(shè)置關(guān)鍵檢驗點確認防護帽狀態(tài)，保證了貯箱的順利安裝。

圖3 太陽翼和巡視器的安裝仿真演示Fig. 3 The virtual simulation of fixing solar wing in rover

圖4 貯箱安裝路徑干涉仿真分析Fig. 4 The interference check of propellant tank assembly process

3.2 可實施性設(shè)計

從型號任務(wù)的流程角度，航天器總裝工藝設(shè)計的虛擬仿真可分為2種：其一，型號研制之初，對關(guān)鍵部件總裝的可實施性進行設(shè)計，包括實施工藝方案和操作規(guī)程；其二，型號研制過程中出現(xiàn)質(zhì)量或進度的異常時，需要重新對總裝工藝方案的可實施性進行復(fù)核設(shè)計。

若航天器關(guān)鍵部件的安裝出現(xiàn)問題，則可能會直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和進度，因此關(guān)鍵部件總裝的虛擬仿真應(yīng)作為航天器工藝設(shè)計的重點。“嫦娥三號”具有活動部件多、大部件多、操作環(huán)境復(fù)雜等特點，在各種不利條件下可能會出現(xiàn)活動部件裝配干涉或者大部件裝配空間不足而導(dǎo)致裝配工作無法進行。鑒于此，須分別對發(fā)動機、貯箱、高溫隔熱屏等關(guān)鍵部件的裝配工藝性進行虛擬仿真。在虛擬仿真過程中，不僅對關(guān)鍵部件的操作位置的可達性、操作的安全性、地面支持設(shè)備的匹配性等進行仿真分析，同時對測力操作空間進行了仿真校驗分析。高溫隔熱屏和發(fā)動機的總裝方案如圖5所示。通過虛擬仿真后，確認了方案的可實施性，同時對工藝設(shè)計提出了新的技術(shù)要求：高溫隔熱屏安裝時須對周邊發(fā)動機進行防磕碰防護；發(fā)動機安裝中進行高空操作作業(yè)時須采取防護措施等。對貯箱和發(fā)動機的緊固件的測力操作空間進行了仿真分析，如圖6所示。通過虛擬仿真確認并優(yōu)化了關(guān)鍵部件的安裝方案，解決了關(guān)鍵部件的測力操作空間問題。

圖5 關(guān)鍵部件安裝方案仿真圖Fig. 5 The virtual simulation of assembly process design of key devices

圖6 關(guān)鍵部件緊固件測力矩仿真圖Fig. 6 The driving force virtual simulation of key device’s bolts

當在航天器總裝過程中出現(xiàn)異常時，一般需要有經(jīng)驗的工藝人員對異常相關(guān)的工藝設(shè)計方案進行復(fù)核和再設(shè)計，并重新在虛擬仿真平臺上開展工藝方案的實施性驗證分析。

在沒有可借鑒的成熟型號的情況下，“嫦娥三號”在總裝操作過程中經(jīng)常出現(xiàn)以下 2種情形：1）保障條件不能到位，預(yù)定的工藝技術(shù)流程經(jīng)常調(diào)整，導(dǎo)致產(chǎn)品的裝配順序更改；2）故障產(chǎn)品的拆卸、檢查、維修、再安裝。在時間緊張的情況下，這些情形的解決一般需要盡快提出工藝方案設(shè)計和再驗證?！版隙鹑枴背鯓与A段，由于某種原因需拆卸7500 N變推力發(fā)動機，為了避免開艙，提出了在艙板開操作孔的實施方案。利用虛擬仿真平臺確認了結(jié)構(gòu)板開孔工藝實施方案（包括開孔的形狀和尺寸），仿真結(jié)果見圖7。最終，通過虛擬仿真不僅解決了7500 N變推力發(fā)動機的拆卸技術(shù)難題，并且節(jié)省了近20天時間，確保了型號的研制進度。

圖7 發(fā)動機拆除方案仿真圖Fig. 7 The virtual simulation analysis for removing motor

3.3 人機工效分析

人機工效學(xué)分析也是航天器總裝工藝設(shè)計的一個主要內(nèi)容，其目的是檢驗人員操作的可實施性和舒適性。在總裝的虛擬仿真環(huán)境中，利用人體數(shù)字模型進行操作姿態(tài)及動作的仿真，判斷是否存在人機工效學(xué)問題。根據(jù)仿真結(jié)果進行相應(yīng)的人體模型優(yōu)化或者工裝的改進，尤其是危險操作環(huán)境下的關(guān)鍵操作，有必要進行人機工效分析，確保人員的操作安全性和舒適性。

人機工效學(xué)分析是在總裝虛擬仿真中引入人體模型進行仿真，具體的分析內(nèi)容有可達性、可視性和舒適性的裝配操作分析[14-15]。目前，航天器裝配的可達性及其操作空間分析和可視性分析已在虛擬仿真平臺上完成了實例的仿真。在探月工程二期工藝設(shè)計階段，分別對巡視器與著陸器對接安裝、7500 N發(fā)動機正常安裝以及 7500 N發(fā)動機故障的拆卸再安裝方案的操作可達性和操作空間干涉性進行了分析，具體詳見圖 3、圖 5和圖7。

為了確?！版隙鹑枴痹谠乱範顟B(tài)下的生存需求，采用了特殊的電源和熱控系統(tǒng)。由于使用了放射性元素，相關(guān)設(shè)備的安裝不僅要考慮舒適性，更要考慮安全性和人員的心理因素[16]。利用DELMIA的DPM模塊在產(chǎn)品總裝中開展了人機工效分析[17]。在“嫦娥三號”塔架總裝中利用DELMIA軟件及其提供的人體模型進行了仿真分析，分別對不同身高和手臂長度的人體的肩部、肘部、手腕等活動關(guān)節(jié)進行裝配操作仿真，確認操作者的最佳身高等參數(shù)。通過仿真分析比較，確認進行放射性元素安裝人員的適宜身高為1750～1800 mm，臂長為600～650 mm，圖8為身高1750 mm、臂長600 mm的操作人員在進行“嫦娥三號”放射性元素設(shè)備安裝姿態(tài)的仿真圖。

3.4 工裝設(shè)計及優(yōu)化

總裝地面支持設(shè)備（簡稱：工裝）貫穿于整個航天器總裝過程中，不僅影響航天器產(chǎn)品總裝的效率，同時也可能影響航天器產(chǎn)品的質(zhì)量，其設(shè)計水平是總裝工藝設(shè)計優(yōu)劣的重要判定準則。

“嫦娥三號”總裝地面支持設(shè)備除了支架車等一般的設(shè)備外，還需研制用于艙內(nèi)狹小空間儀器安裝、專項試驗以及放射性設(shè)備安裝的專用設(shè)備等。在進行地面支持設(shè)備研制時，不僅要考慮使用的可靠性，還要避免對艙內(nèi)的儀器及突起部分產(chǎn)生干涉、磕碰，以及污染等。

過去，航天器總裝地面支持設(shè)備的設(shè)計、制作和使用因涉及不同的部門和信息溝通不暢導(dǎo)致交付使用后的地面支持設(shè)備工藝性較差，嚴重時甚至影響設(shè)備的使用。作為使用部門，在地面支持設(shè)備的設(shè)計中把大量的精力耗費在工藝與設(shè)計、工藝與制造的反復(fù)協(xié)調(diào)工作上，而無暇顧及在實際安裝過程中是否發(fā)生干涉，裝配操作空間是否足夠等實際問題的解決。而利用虛擬仿真平臺開展航天器總裝地面支持設(shè)備的設(shè)計，可以有效地解決這些問題并得到及時驗證[18]。在虛擬仿真平臺中，引入航天器產(chǎn)品模型、地面支持設(shè)備模型甚至人體模型等，預(yù)先對地面支持設(shè)備進行裝配校驗，檢查分析設(shè)計環(huán)節(jié)存在的各種缺陷或薄弱環(huán)節(jié)，在使用前完成地面支持設(shè)備的改進和優(yōu)化。圖9為用機械臂進行“嫦娥三號”某大型設(shè)備輔助裝配的應(yīng)用仿真。

圖9 用機械臂進行“嫦娥三號”某設(shè)備的輔助裝配的仿真Fig. 9 The application simulation of manipulator in some auxiliary equipment for CE-3’ facility

4 結(jié)束語

利用虛擬仿真平臺開展了探月工程二期航天器總裝的工藝設(shè)計，有效地識別了“嫦娥三號”總裝工藝流程設(shè)計和工藝實施性設(shè)計的難點、風險點，同時規(guī)劃了關(guān)鍵工序和關(guān)鍵檢驗點，系統(tǒng)地優(yōu)化了工藝方案設(shè)計；開展了人機工效分析和航天器總裝地面支持設(shè)備的設(shè)計優(yōu)化，解決了“嫦娥三號”研制過程中的工藝難點，提高了工藝設(shè)計水平，縮短了產(chǎn)品研制周期，提高了工作效率?？傃b的虛擬仿真技術(shù)在“嫦娥三號”研制過程中的成功應(yīng)用可為其他航天器產(chǎn)品總裝工藝設(shè)計的應(yīng)用提供參考。

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[1]孫剛, 易旺民, 代衛(wèi)兵, 等. 航天器總裝工藝流程優(yōu)化的分析與思考[J]. 航天器環(huán)境工程, 2008, 25(4):381-383

Sun Gang, Yi Wangmin, Dai Weibing, et al. Optimization of spacecraft assembling process[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2008, 25(4): 381-383

[2]黃友能, 唐濤, 宋曉偉. 虛擬仿真技術(shù)在地鐵列車運行仿真系統(tǒng)中的研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報, 2008,20(12): 3208-3211

Huang Youneng, Tang Tao, Song Xiaowei. Research on application of visual simulation in subway trains operation system[J]. Journal of System Simulation,2008, 20(12): 3208-3211

[3]張雋, 翟正軍. 虛擬裝配技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].航空制造技術(shù), 2009(1): 70-73

Zhang Jun, Zhai Zhengjun. Research and application of virtual assembly technology[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2009(1): 70-73

[4]張剛, 鄧克文, 李火生, 等. 復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品虛擬布局與裝配設(shè)計系統(tǒng)研究[J]. 計算機集成制造系統(tǒng),2008, 14(2): 209-214

Zhang Gang, Deng Kewen, Li Huosheng , et al. Virtual layout & assembly design for complex structure product[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2008, 14(2): 209-214

[5]王永山. 含約束復(fù)雜機械系統(tǒng)空間布局及工業(yè)美學(xué)研究[D]. 上海: 同濟大學(xué)博士學(xué)位論文, 2007

[6]佟立杰, 劉春, 郭希旺. DELMIA在某機尾椎裝配仿真中的應(yīng)用[J]. 沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報, 2009, 26(4):11-14

Tong Lijie, Liu Chun, Guo Xiwang. DELMIA's application in fighter's tail components assembly emulation[J]. Journal of Shenyang Institute of Aeronautical Engineering, 2009, 26(4): 11-14

[7]夏平均, 姚英學(xué), 劉江省, 等. 虛擬裝配工藝規(guī)劃及示教系統(tǒng)的研究[J]. 南京理工大學(xué)學(xué)報, 2005, 29(5):570-574

Xia Pingjun, Yao Yingxue, Liu Jiangsheng, et al.Virtual assembly process planning and training system[J]. Journal of Nanjing University of Science and Technology, 2005, 29(5): 570-574

[8]Ritchie J M, Dewar R G, Simmons J E L. The generation and practical use of plans for manual assembly using immersive virtual reality[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers(Part B), 1999, 213: 461-474

[9]熊濤, 孫剛, 孟慶義. 航天器總裝中的數(shù)字化工廠技術(shù)[J]. 航空制造技術(shù), 2010, 23: 97-100

Xiong Tao, Sun Gang, Meng Qingyi. Digital factory technology of spacecraft final assembly[J].Aeronautical Manufacturing Technology, 2010, 23:97-100

[10]袁緒拓, 施松新, 鄧建春. 基于Virtools的墻材生產(chǎn)線可視化設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)[J]. 計算機與數(shù)字工程, 2010,38(10): 155-158; 178

Yuan Xutuo, Shi Songxin, Deng Jianchun. Development of the visual design system for wall material production line based on Virtools[J]. Computer and Digital Engineering, 2010, 38(10): 155-158; 178

[11]黃壘, 劉孟周, 邢帥, 等. 虛擬仿真技術(shù)在載人航天器總裝工藝設(shè)計[J]. 航天器環(huán)境工程, 2011, 28(6):609-614

Huang Lei, Liu Mengzhou, Xing Shuai, et al.Application of virtual simulation technology in assembly process design of manned spacecraft[J].Spacecraft Environment Engineering, 2011, 28(6):609-614

[12]Jin Y, Current R, Butterfield J, et al．Automated assembly time analysis using a digital knowledge based approach[C]//The 26thCongress of International Council of the Aeronautical Sciences, 2008: 14-19

[13]侯鵬, 張麗新, 楊碧琦, 等. 某型號衛(wèi)星虛擬裝配技術(shù)研究及應(yīng)用[J]航空制造技術(shù), 2011, 22: 70-73; 93

Hou Peng, Zhang Lixin, Yang Biqi, et al. Research and application of satellite virtual assembly technology[J].Aeronautical Manufacturing Technology, 2011, 22:70-73; 93

[14]馬智, 薛紅軍, 蘇潤娥. 基于JACK的人體建模與人機工效分析[J]. 航空計算技術(shù), 2008, 38(1): 97-100

Ma Zhi, Xue Hongjun, Su Run’e. Human-modeling and analysis of ergonomics based on JACK[J]. Aeronautical Computing Technique, 2008, 38(1): 97-100

[15]吳維江. 基于DELMIA的飛行器虛擬裝配技術(shù)研究與應(yīng)用[D]. 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2008

[16]景武, 趙所, 劉春曉. 基于DELMlA的飛機三維裝配工藝設(shè)計與仿真[J]. 航空制造技術(shù), 2012(12): 80-86

Jing Wu, Zhao Suo, Liu Chunxiao. 3D aircraft assembly process design and simulation based on DELMIA[J].Aeronautical Manufacturing Technology, 2012(12):80-86

[17]譚慧猛, 朱文華, 王琛, 等. DELMIA人機工程在支線飛機概念總裝仿真中的應(yīng)用[J]. 機械工程師, 2009(2):89-90

Tan Huimeng, Zhu Wenhua, Wang Chen, et al.Application of DELMIA-ergonomics on the simulation for conceptive final assembly of a regional jet[J].Mechanical Engineer, 2009(2): 89-90

[18]李曉楓, 王仲奇, 康永剛. 基于DELMIA的裝配過程仿真及其在飛機數(shù)字化柔性工裝設(shè)計中的應(yīng)用[J].鍛壓裝備與制造技術(shù), 2012(6): 92-95

Li Xiaofeng, Wang Zhongqi, Kang Yong gang.Simulation of assembly process based on DELMIA and its application on design of digital flexible jig for aircraft[J]. China Metalforming Equipment &Manufacturing Technology, 2012(6): 92-95