航天東方紅衛(wèi)星有限公司 劉 江 劉質(zhì)加 辛 強 段 曉 岳冠楠 周傳君

MBD全三維設計制造技術在20世紀80年代開始就已經(jīng)在西方一些發(fā)達國家得到了應用。波音公司是MBD技術應用的先驅(qū)者，它采用全三維數(shù)字化設計制造技術始于1986年，波音777飛機采用全數(shù)字化定義和無圖紙化生產(chǎn)制造技術[1]。波音787項目研究中，廣泛采用了MBD技術，明顯提高了設計研制周期和設計正確率，帶來了巨大的經(jīng)濟效益。

隨著數(shù)字化設計制造技術的發(fā)展和三維CAD技術的成熟、普及，我國基于MBD技術的全三維數(shù)字化設計也開始逐步發(fā)展起來。國內(nèi)航天器的設計制造正在經(jīng)歷著從“三維設計、二維出圖”階段到“全三維數(shù)字化設計”階段的轉(zhuǎn)變。現(xiàn)階段小衛(wèi)星設計制造中重點解決衛(wèi)星總體協(xié)同設計和三維下廠問題，通過在型號研制過程中摸索和實踐，初步形成一套全三維數(shù)字化設計制造方法，打通了從總體集成設計到最終總裝產(chǎn)品的數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)了小衛(wèi)星設計制造過程的無紙化。

1 小衛(wèi)星全數(shù)字化設計制造實現(xiàn)

基于MBD的設計生產(chǎn)制造，小衛(wèi)星總體現(xiàn)階段主要實現(xiàn)衛(wèi)星詳細設計和生產(chǎn)裝配，開展基于MBD技術的主結(jié)構、管路、電纜網(wǎng)、直屬件、熱控部件的數(shù)字樣機設計，打通總體設計、制造和集成裝配環(huán)節(jié)，提高研制效率和質(zhì)量。

小衛(wèi)星全三維數(shù)字化設計制造實現(xiàn)流程見圖1。

具體實現(xiàn)過程如下：

（1）接口數(shù)據(jù)建立。建立標準的設備及標準件三維模型，定義統(tǒng)一的設備接口參數(shù)。

（2）總體布局。突破傳統(tǒng)二維紙質(zhì)數(shù)據(jù)的傳遞方式，基于同一設計環(huán)境，建立頂層總體布局，采用自頂向下的設計模式，發(fā)布各部分三維下廠所需的接口數(shù)據(jù)信息。

（3）主結(jié)構三維設計下廠。利用頂層發(fā)布的設備接口數(shù)據(jù)，對主結(jié)構零部件進行詳細設計，基于同一個數(shù)據(jù)平臺，完成三維下廠模型標注、三維零件工藝審查、三維零部件受控發(fā)布、傳遞，由制造廠完成相應零部件生產(chǎn)制造。

（4）熱控件三維設計下廠。利用頂層發(fā)布的設備熱控接口數(shù)據(jù)，對整星熱控件進行詳細設計，并完成相應熱控零部件的三維下廠。

（5）整星電纜網(wǎng)三維設計下廠。

通過發(fā)布的電連接器接口、位置和節(jié)點數(shù)據(jù)，進行整星電纜網(wǎng)的詳細設計，生成電纜分支長度，進行電纜網(wǎng)生產(chǎn)。

（6）總裝直屬件三維設計下廠。

根據(jù)頂層發(fā)布的直屬件接口數(shù)據(jù)和位置關系，進行總裝直屬件的詳細設計，通過全三維下廠，完成相應零部件的生產(chǎn)。

（7）推進管路三維設計下廠。

根據(jù)頂層發(fā)布的管路布局數(shù)據(jù)，進行管路詳細設計，完成管路組件工藝審查，由制造廠通過數(shù)控彎管機完成管路自動彎管預制，最終完成管路焊裝。

（8）總裝數(shù)字樣機形成。

更新總體模型，形成并發(fā)布完整的型號數(shù)字樣機，生成產(chǎn)品BOM，通過總裝現(xiàn)場三維看板和工藝，完成衛(wèi)星總裝。

2 小衛(wèi)星數(shù)字化設計制造實現(xiàn)過程中的部分關鍵問題及解決

2.1 協(xié)同設計環(huán)境

圖1 小衛(wèi)星全三維數(shù)字化設計制造實現(xiàn)流程圖Fig.1 Flow chart of satellite digital design and manufacturing

傳統(tǒng)“三維設計、二維出圖”的設計制造模式，設計與設計、設計與制造數(shù)據(jù)不關聯(lián)，通過層層二維圖紙或文件的形式傳遞到下一級，造成數(shù)據(jù)重復錄入、設計，更改工作量大、效率低。

在全三維數(shù)字化協(xié)同設計過程中，各個專業(yè)、各個部門、各個協(xié)作單位之間所用的CAX軟件、PDM系統(tǒng)相互孤立，而全三維數(shù)字化設計的關鍵是統(tǒng)一數(shù)據(jù)源，必須集成研制過程中所涉及的CAX軟件和PDM系統(tǒng)，打通數(shù)據(jù)軟、硬件傳遞路徑，實現(xiàn)同一個設計環(huán)境。

在小衛(wèi)星的全三維數(shù)字化設計制造過程中，分析明確接口數(shù)據(jù)參數(shù)，制定標準參數(shù)集，開發(fā)與三維設計軟件集成的接口，數(shù)據(jù)系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一，通過PDM平臺進行模型的管理和受控傳遞，實現(xiàn)設計環(huán)境的統(tǒng)一。

2.2 總體布局與協(xié)同設計

建立頂層總體布局，采用自頂向下的設計模式，進行協(xié)同設計，極大地提高了設計效率和正確率。衛(wèi)星工程需要多學科交叉迭代，涉及機、電、熱等多專業(yè)協(xié)同，各專業(yè)又由多名設計師共同設計完成。各協(xié)同設計模型，既要保持總體的相關性和各自部裝模型的獨立性，又要做到模型對應制造端的適應性，模型的層級規(guī)劃是非常關鍵的。

以三維管路模型為例，模型樹如圖2，在總體模型下建立管路裝配體模型，并發(fā)布與管路設計相關的結(jié)構板、管路零件的骨架模型。管路設計師按照特定的層級關系設計管路分支，層級關系需要滿足工藝要求，再通過總體模型檢查管路的設計干涉情況。設計完成的管路模型在PDM平臺中進行工藝審查、會簽受控。將各管路分支模型傳遞到數(shù)控彎管機中進行預制，最終完成設計管路焊接。設計生產(chǎn)效率非常高，設計正確率達到100%。

2.3 裝配體模型設計

全三維數(shù)字化設計制造主要以三維實體模型表達產(chǎn)品定義信息，相對于之前總體設計模型，衛(wèi)星總體模型反映產(chǎn)品的更加真實的狀態(tài)，特別對于小衛(wèi)星的設備布局密度要求越來越高，模型外表部門特征缺失可能造成實物干涉。近年，小衛(wèi)星型號模型的實體數(shù)量和特征數(shù)量成倍增長，三維模型越來復雜。近年小衛(wèi)星型號的總裝模型實體和特征數(shù)統(tǒng)計如圖3所示[2]。

圖2 三維管路模型樹Fig.2 Three-dimensional pipe model tree

圖3 近年小衛(wèi)星型號總裝模型實體和特征數(shù)統(tǒng)計Fig.3 Statistical model of the number and characteristics of small satellite models in recent years

這就造成計算機內(nèi)存和CPU資源占有量逐步增大，計算機反應越來越慢。隨著對模型真實度和全數(shù)字化項目的增加，急需解決衛(wèi)星整星的大裝配問題[3]。

在小衛(wèi)星的全三維數(shù)字化設計制造過程中，具體解決方法如下：

（1）單機設備模型簡化處理。衛(wèi)星星上設備基本為外協(xié)單位開發(fā)的產(chǎn)品，總體單位進行集同設計，控制減小每臺單機設備模型特征數(shù)，對于總體模型的總特征減少是非?？捎^的。一般情況下，總體僅需要設備單機單個本體模型，包含設備的外形、尺寸、機械接口、電連接器接口、質(zhì)量特性等必要特性，不需要單機設備內(nèi)部的結(jié)構。而外協(xié)設備三維模型提供總體內(nèi)部簡化后的裝配體模型或中間格式模型，大部分簡化的不夠徹底，大小動輒幾十M甚至上百M，按照現(xiàn)在小衛(wèi)星總體設計計算機的處理能力，25 M左右的模型是可以接受的，所以標準單機模型建立前需要在進行簡化處理，再進行質(zhì)量特性重新定義和模型基準設置。

單機設備模型快速簡化處理方式的核心思路是保留設備外部輪廓實體或面，將看不見的內(nèi)部實體或面刪除，Pro/E設計平臺模型的常用處理方式主要有如表1所示的4種。

表1 常用單機設備模型快速簡化處理方法

例如，一臺外協(xié)單位已經(jīng)簡化的Pro/E單機設備，包含760個Pro/E文件，文件大小總共90.3M。經(jīng)過方法4處理后，外觀體積縮小為5.3M，簡化效果非常明顯。效果圖如圖4。

（2）總體模型層級規(guī)劃。前文中提到的模型層級規(guī)劃，也是解決途徑之一。通過總體模型頂層規(guī)劃，將模型發(fā)布為結(jié)構總體模型、熱控總體模型、管路模型、整星總裝模型，讓每一部分單獨進行詳細設計，當全部設計完成后，打開總體頂層模型，完成大裝配體模型。

（3）提升計算機軟硬件性能。三維設計建模用計算機一般是企業(yè)內(nèi)配置較高的計算機，大部分企業(yè)使用普通高配置計算機作為設計用計算機，但是在三維模型實體和特征成倍增長后，普通高配置的穩(wěn)定性以及無法滿足設計要求。這就需要使用圖形工作站進行三維產(chǎn)品設計。

與普通辦公、家用電腦注重多媒體性能和價格因素的配置方法是截然不同的，圖形工作站擁有專業(yè)圖形顯卡、容錯能力強的ECC內(nèi)存、更快速的芯片組、更高運行穩(wěn)定性。圖形工作站的配置準則在于：切實了解應用需求，以合理的價格組建一個符合應用軟件要求的穩(wěn)定、高速、高效的設計平臺，以最大程度地實現(xiàn)設計人員的設計意圖。

此外，能管理更大內(nèi)存的64位操作系統(tǒng)和配套64位設計軟件也是必須的。

2.4 單機模型設計更改

圖4 單機模型處理效果對比Fig.4 Effect of simplified single machine model

大部分小衛(wèi)星型號任務設計難度大、時間進度緊，幾乎大部分單機設備與總體設計是同步進行的，這就造成單機設備模型更改是不可避免的。而單機設備模型作為數(shù)據(jù)源載體，又處在型號設計建模的前端，它的更改將帶來單機接口數(shù)據(jù)重新定義，相關各種設計的調(diào)整，含有大量的重復操作。因此，如何減少單機設備模型變更帶來的影響也是一直需要研究的。

目前的解決方案是讓設備本體處在設備裝配體的最末級，通過前期參數(shù)定義在裝配體中生成反映單機接口數(shù)據(jù)的基準面、基準點、坐標系，將電連接器、標準件通過這些參數(shù)驅(qū)動的基準面、基準點、坐標系裝配，與單機本體不直接發(fā)生關系。當設備本體單件模型更改時，僅通過少量的模型變更即能完成操作。用于整體的典型設備換型層級關系如圖5所示。

圖5 用于整星的典型設備模型層級關系Fig.5 Typical model hierarchy for satellite equipment

3 總結(jié)與展望

本文介紹了小衛(wèi)星MBD全數(shù)字化設計制造的實現(xiàn)過程，并列舉了在數(shù)字化設計制造實現(xiàn)過程中的部分關鍵問題及解決方法。

小衛(wèi)星MBD全數(shù)字化設計制造目前還處于起步階段，后續(xù)還將進行不斷地優(yōu)化和完善：

（1）進一步優(yōu)化已有的設計制造流程，完善三維模型數(shù)據(jù)內(nèi)容，健全頂層參數(shù)策劃和標準體系。

（2）建立多學科數(shù)字化協(xié)同仿真分析設計，如力學分析、熱分析、電磁兼容性分析等，實現(xiàn)設計—分析一體化。

（3）建立健全與產(chǎn)品制造端的數(shù)據(jù)接口，匹配三維工藝、質(zhì)量控制等。

隨著制造業(yè)信息化的不斷發(fā)展，相比傳統(tǒng)設計，基于MBD技術的全三維數(shù)字化設計制造具有明顯的設計優(yōu)勢，從而得到各行各業(yè)的高度重視。航天器數(shù)字化研制已成為國際一流宇航企業(yè)發(fā)展的重要支撐和必然趨勢，是小衛(wèi)星持續(xù)發(fā)展、加速產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)型的必由之路。

[1] 范玉青,周建華.產(chǎn)品三維數(shù)字化定義在波音飛機公司的應用.航空工藝技術,1996(2):7-10..

[2] 劉江,劉質(zhì)加,辛強.小衛(wèi)星型號數(shù)字化建模問題及解決措施. [EB/OL]. 2014-11. http://articles.e-works.net.cn/CAD/Article119637_1.htm.

[3] 陳月根.航天器數(shù)字化設計基礎.北京:中國科學技術出版社, 2010.