◎北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 陳暢宇 賀文興 劉廣通

近年來(lái),在航天器研制任務(wù)量大幅增加的背景下，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所圍繞航天器總裝和環(huán)境工程兩大主營(yíng)業(yè)務(wù)，以宇航智造工程目標(biāo)為導(dǎo)向，型號(hào)研制實(shí)際需求為牽引，圍繞三維模型在AIT階段的貫通應(yīng)用進(jìn)行了積極探索和實(shí)踐，不斷深化數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)應(yīng)用，有效提升型號(hào)AIT研制能力，取得了顯著成績(jī)，形成了數(shù)字化AIT新模式。

一、背景

航天器一般由十幾個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，是一種復(fù)雜的機(jī)電熱耦合系統(tǒng)。航天器裝配集成測(cè)試（Assembly Integration Test, AIT）是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工作，是衛(wèi)星產(chǎn)品功能和性能實(shí)現(xiàn)的最終階段和關(guān)鍵階段，是影響衛(wèi)星研制質(zhì)量和服役性能的重要因素，占整星研制周期的30%-50%，涉及工藝仿真與規(guī)劃、裝配工藝、地面機(jī)械支持設(shè)備、裝配檢測(cè)、多學(xué)科地面試驗(yàn)等專(zhuān)業(yè)，AIT 技術(shù)與裝備水平直接影響到衛(wèi)星研制的質(zhì)量、效率，甚至產(chǎn)品的成敗。

近年來(lái),在航天器研制任務(wù)量大幅增加的背景下，數(shù)字化手段成為增效提質(zhì)的有力手段，在中國(guó)空間技術(shù)研究院“宇航智造工程”的牽引和支持下，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所圍繞航天器總裝和環(huán)境工程兩大主營(yíng)業(yè)務(wù)，積極探索基于模型的數(shù)字化AIT生產(chǎn)模式，不斷深化數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)應(yīng)用，有效提升型號(hào)AIT 研制能力，持續(xù)增強(qiáng)科學(xué)保成功能力，取得了顯著成績(jī)，形成了數(shù)字化AIT新模式。

二、總體規(guī)劃

在院宇航智造工程“全面實(shí)現(xiàn)三維模型在新研型號(hào)設(shè)計(jì)、制造、集成全過(guò)程的貫通與應(yīng)用、推進(jìn)智能裝備研制與應(yīng)用”總體目標(biāo)要求下，總環(huán)部圍繞航天器總裝和環(huán)境試驗(yàn)兩大主營(yíng)業(yè)務(wù)，大力推進(jìn)宇航智造工程建設(shè)，抓住“一個(gè)輸入、兩個(gè)主業(yè)、一個(gè)目標(biāo)”，即以三維模型為輸入，分別開(kāi)展基于三維的智能總裝、智慧試驗(yàn)等模式優(yōu)化，以構(gòu)建航天器AIT 過(guò)程數(shù)據(jù)中心、實(shí)施智能管控為目標(biāo)，為航天器AIT 研制提質(zhì)增效奠定基礎(chǔ)。大力開(kāi)展基于三維模型的數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)/工藝信息在總裝現(xiàn)場(chǎng)可視化應(yīng)用、機(jī)器人等智能裝備研制、基于三維模型的熱控多層數(shù)字化自動(dòng)生產(chǎn)、AIT 生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集管理等活動(dòng)，致力于建立從設(shè)計(jì)、物資、工藝、試驗(yàn)、實(shí)施、質(zhì)量、調(diào)度和數(shù)據(jù)包的完整數(shù)字化研制體系，初見(jiàn)成效，在科研生產(chǎn)中發(fā)揮了愈來(lái)愈重要的作用。

在航天器總裝方面，建立基于三維的航天器總裝工作模式，并以“星上工作星下化、主線工作輔線化、輔線工作單元化、單元工作自動(dòng)化”的“四化”理念為基礎(chǔ)，推動(dòng)智能裝備升級(jí)，改進(jìn)手段方法，將艙段總裝剝離“總裝島”模式，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星生產(chǎn)單元化脈動(dòng)，主輔線工作并行化開(kāi)展，智能裝備屬地化配置，人員技能專(zhuān)業(yè)化發(fā)展。

通過(guò)“星上工作星下化”，以工藝流程為基礎(chǔ)，優(yōu)化操作流程，梳理提煉星下操作項(xiàng)目，盡量解除總裝工作對(duì)星上操作的依賴(lài)關(guān)系，提高主線任務(wù)的并行度，紓解進(jìn)度瓶頸，降低星上操作質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)；通過(guò)“主線工作輔線化”，形成“一條主線配置多種輔線，每種輔線靈活服務(wù)多條主線”的資源優(yōu)化配置模式，進(jìn)一步縮短主線周期，使生產(chǎn)活動(dòng)的時(shí)間分布均勻化，并通過(guò)輔線產(chǎn)品的去型號(hào)化，降低管理成本，提高產(chǎn)品成熟度，保證質(zhì)量一致性；通過(guò)“輔線工作單元化”，構(gòu)建生產(chǎn)對(duì)象和目標(biāo)穩(wěn)定的若干生產(chǎn)單元子系統(tǒng)，優(yōu)化生產(chǎn)組織模式，穩(wěn)定資源配置，做精做深專(zhuān)業(yè)技術(shù)，迭代提升單元能力；通過(guò)“單元工作自動(dòng)化”，以技術(shù)手段創(chuàng)新為前提，提高裝備自動(dòng)化水平，人機(jī)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提升工作質(zhì)量和效率。

為了推進(jìn)“四化”理念落實(shí)，提出了基于三維的航天器數(shù)字化總裝架構(gòu)。該架構(gòu)針對(duì)航天器多數(shù)據(jù)源、多專(zhuān)業(yè)分工、設(shè)計(jì)更改頻繁、二維-三維數(shù)據(jù)并存的特性，解決了多數(shù)據(jù)源接收、結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證、總裝數(shù)據(jù)包構(gòu)建、總裝知識(shí)庫(kù)構(gòu)建及更改控制等技術(shù)體系難題，建立了基于三維的“設(shè)計(jì)-工藝設(shè)計(jì)-總裝實(shí)施-測(cè)試-檢驗(yàn)-數(shù)據(jù)反饋”數(shù)字主線，具有兼容性強(qiáng)、數(shù)據(jù)全關(guān)聯(lián)、技術(shù)狀態(tài)全結(jié)構(gòu)化和仿真驗(yàn)證可靠性高的特點(diǎn)?；谠摷軜?gòu)，研制了一批軟件及智能裝備并在型號(hào)中推廣應(yīng)用，從而建立了基于三維的航天器數(shù)字化總裝工作新模式。

圖1 宇航智造工程實(shí)施總體規(guī)劃

三、基于三維的航天器數(shù)字化總裝工作新模式

（一）總裝工藝設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)

以工藝數(shù)字樣機(jī)為基礎(chǔ)，提出了基于關(guān)聯(lián)關(guān)系的結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)技術(shù)。該技術(shù)具有結(jié)構(gòu)化、關(guān)聯(lián)化、自動(dòng)化、多樣化、精細(xì)化和融合化的特點(diǎn)，解決了多專(zhuān)業(yè)、多CAD 格式、多數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、二維-三維格式并存的三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)接收、總裝統(tǒng)一數(shù)據(jù)源構(gòu)建及更改控制難題，實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)字樣機(jī)-工藝文件關(guān)聯(lián)關(guān)系的三維工藝設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)化技術(shù)狀態(tài)控制，研制了結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)并構(gòu)建了總裝通用知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了模塊化工藝快速生成，其中總裝工藝數(shù)字樣機(jī)-工藝文件-實(shí)做記錄之間100%關(guān)聯(lián)，從而為總裝數(shù)據(jù)包生成奠定了基礎(chǔ)。

針對(duì)航天器裝配集成過(guò)程中的關(guān)鍵過(guò)程以及排故維修等逆流程項(xiàng)目，提出了基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵部件裝配仿真方法、基于物理特性的電纜裝配仿真方法和面向排故的虛擬維修驗(yàn)證及評(píng)價(jià)方法，提高了虛擬仿真結(jié)果的正確性和指導(dǎo)性，從而提升了總裝工作效率和質(zhì)量，降低了系統(tǒng)研制風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)仿真驗(yàn)證的總裝一次成功率達(dá)97%。

（二）智能化裝配單元

1、基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的裝配單元

由于工藝設(shè)計(jì)階段僅僅是將三維設(shè)計(jì)模型進(jìn)行輕量化處理，并沒(méi)有按照總裝操作的需求進(jìn)行模型處理，如沒(méi)有分階段、分層發(fā)布三維模型，導(dǎo)致操作人員通過(guò)三維模型獲取總裝信息的效率低下，也不便于在星上查看三維模型。為滿足總裝實(shí)施過(guò)程中查看模型的需求，以整星三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為輸入，對(duì)整星三維設(shè)計(jì)信息進(jìn)行解析、識(shí)別與重構(gòu)，從而構(gòu)建出總裝現(xiàn)場(chǎng)所需的工藝可視化信息，對(duì)星上產(chǎn)品總裝工藝要素（包括儀器安裝、電纜鋪設(shè)和管路管閥件及管路支架安裝環(huán)節(jié)）的覆蓋率達(dá)95%，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的裝配導(dǎo)引技術(shù)，通過(guò)進(jìn)一步解決三維模型輕量化、場(chǎng)景注冊(cè)跟蹤、人機(jī)自然交互等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了工藝可視化信息與衛(wèi)星實(shí)物的直接融合展示，覆蓋了設(shè)備、電纜、推進(jìn)系統(tǒng)、導(dǎo)電銅箔等總裝應(yīng)用場(chǎng)景。其中，在電纜鋪設(shè)環(huán)節(jié)，解決了操作員查看電纜走向、綁扎細(xì)節(jié)和自由端代號(hào)不便的問(wèn)題，使電纜鋪設(shè)效率提升30%，準(zhǔn)確率可達(dá)100%；在設(shè)備安裝環(huán)節(jié)，解決了設(shè)備極性標(biāo)識(shí)信息不明顯的問(wèn)題，簡(jiǎn)化極性正確性驗(yàn)證，高效展示設(shè)備安裝位置及配套件信息，使設(shè)備安裝效率提高100%；在推進(jìn)系統(tǒng)總裝導(dǎo)引環(huán)節(jié)，解決了熱敏電阻、加熱帶、管閥件極性標(biāo)識(shí)不明顯的問(wèn)題，使操作者和檢驗(yàn)人員識(shí)別相關(guān)信息的效率提升200%以上；在導(dǎo)電銅箔檢測(cè)環(huán)節(jié)，使導(dǎo)電銅箔鋪設(shè)到位檢測(cè)的效率提升100%以上。目前該系統(tǒng)已在遙感、導(dǎo)航、深空探測(cè)、空間站等十余個(gè)型號(hào)中成功應(yīng)用，并已成為裝配單元的標(biāo)準(zhǔn)配置，進(jìn)入了常態(tài)化應(yīng)用階段。

2、機(jī)器人精密裝配單元

攻克了機(jī)器人柔性力控技術(shù)、視覺(jué)引導(dǎo)下的機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)，將三維模型融合到機(jī)器人控制中，實(shí)現(xiàn)了基于虛實(shí)融合的機(jī)器人路徑規(guī)劃，開(kāi)發(fā)了機(jī)器人精密裝配系統(tǒng)，應(yīng)用于二十多個(gè)型號(hào)的大重量部件裝配，尤其是在導(dǎo)航平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了艙板開(kāi)合的常態(tài)化應(yīng)用；針對(duì)航天器大型艙段對(duì)接、太陽(yáng)翼安裝需求，通過(guò)模型驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了裝備控制的智能化，突破了非平衡狀態(tài)下吊裝姿態(tài)自動(dòng)水平調(diào)節(jié)技術(shù)、高精度六自由調(diào)姿技術(shù)，研制了高精度調(diào)姿與吊裝系統(tǒng)、基于并聯(lián)調(diào)姿機(jī)構(gòu)與通用展開(kāi)架的太陽(yáng)翼自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)等裝備，實(shí)現(xiàn)了艙段對(duì)接、太陽(yáng)翼安裝的全過(guò)程自動(dòng)化，大幅提升了總裝效率。上述成果已應(yīng)用于遙感、導(dǎo)航、載人等20 多個(gè)型號(hào)中，其中，多層設(shè)計(jì)/制作/安裝總效率提升約40%，導(dǎo)航艙板開(kāi)合由9人時(shí)縮減至1.5 人時(shí)。

圖2 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的電纜裝配導(dǎo)引

3、熱控多層生產(chǎn)線

多層制作和安裝是衛(wèi)星傳統(tǒng)研制模式下的難點(diǎn)，效率較低，且裝配質(zhì)量一致性不高，制約型號(hào)研制水平的進(jìn)一步提升。為提升總裝工作效率，基于三維模型的多層設(shè)計(jì)制造一體化系統(tǒng)打通了基于三維模型的多層設(shè)計(jì)、加工、安裝的全鏈條通道，完成了多層快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，可完成艙板多層的自動(dòng)輪廓獲取、快速搭接設(shè)計(jì)、精確開(kāi)孔設(shè)計(jì)，基于三維模型的Smart3D智能包覆技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜支架多層的快速設(shè)計(jì)，提升了多層實(shí)施的一致性水平。設(shè)計(jì)方面，多層三維數(shù)字化設(shè)計(jì)方法在5 個(gè)平臺(tái)、近20 個(gè)型號(hào)進(jìn)行了推廣應(yīng)用，相較傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)方法，準(zhǔn)確度平均提升30%，效率平均提升25%。加工方面，航天器熱控多層自動(dòng)化生產(chǎn)線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了任意多層連續(xù)鋪設(shè)、仿形縫制、自動(dòng)定位裁剪及接地組件自動(dòng)鉚接，提升生產(chǎn)效率約2 倍。同時(shí)該技術(shù)解決了因6μm 鍍鋁膜輕薄及滌綸網(wǎng)伸縮性強(qiáng)，引起的鋪設(shè)重合精度低、褶皺嚴(yán)重等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的多層自動(dòng)鋪設(shè)，每年節(jié)省人力資源約200 人·天；衛(wèi)星柔性熱控多層單針?lè)滦慰p制技術(shù)突破傳統(tǒng)單針縫制針距限制，實(shí)現(xiàn)30mm 以上大針步縫制，并結(jié)合縫合力控制保證了多層透氣性和層密度一致性，解決了復(fù)雜形狀多層因裁剪后開(kāi)散而無(wú)法自動(dòng)生產(chǎn)的問(wèn)題?？p制效率為傳統(tǒng)效率的6-7 倍，縫制精度由10mm 提升至1mm；實(shí)現(xiàn)多層自鋪縫一體設(shè)備至裁床的快速定位轉(zhuǎn)載，解決了縫制圖形與裁剪圖形難于精確匹配等問(wèn)題，提升轉(zhuǎn)載效率2 倍；實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鉚接，解決了鉚釘準(zhǔn)確定位、翻邊開(kāi)裂、多余物控制和導(dǎo)電可靠性等問(wèn)題，接地組件鉚接效率提升2 倍。此外，航天器熱控多層一體化管控系統(tǒng)已投入使用，可容納100 余人基于該系統(tǒng)展開(kāi)航天器熱控多層生產(chǎn)管理工作，實(shí)現(xiàn)了包括6個(gè)專(zhuān)業(yè)型號(hào)、6000 余塊多層的設(shè)計(jì)、排產(chǎn)、制作工作，實(shí)現(xiàn)了該輔線單元生產(chǎn)任務(wù)的精細(xì)化管控。

4、自動(dòng)化測(cè)試單元

針對(duì)當(dāng)前精度測(cè)量效率低、自動(dòng)化水平低、人員占有率高的問(wèn)題，突破了基于模型驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)檢測(cè)工藝規(guī)劃技術(shù)、基于視覺(jué)引導(dǎo)的自動(dòng)準(zhǔn)直及定位技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，研制了基于機(jī)器人的自動(dòng)化精測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人攜帶經(jīng)緯儀，借助全向?qū)б?chē)對(duì)原位航天器所有設(shè)備的全向自動(dòng)化測(cè)量。經(jīng)遙感、載人等平臺(tái)應(yīng)用驗(yàn)證，機(jī)器人自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)姿態(tài)測(cè)量精度優(yōu)于15＂、測(cè)量效率提高50%、測(cè)量人員由原來(lái)的3-4名減少到1-2名。

針對(duì)檢漏工作自動(dòng)化程度低，周期長(zhǎng)的問(wèn)題，研制了自動(dòng)化檢漏率測(cè)試系統(tǒng)，使自動(dòng)化檢漏系統(tǒng)適用于狹小空間內(nèi)的焊縫檢漏，開(kāi)發(fā)了基于視覺(jué)的焊縫提取、路徑規(guī)劃和干涉檢查軟件，引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化檢漏，測(cè)量人員可由3 人減至1 人。

針對(duì)質(zhì)量特性檢測(cè)帶L 型支架操作過(guò)程復(fù)雜、實(shí)施效率低的問(wèn)題，研制了質(zhì)量特性一體化測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)采用三坐標(biāo)轉(zhuǎn)換機(jī)執(zhí)行質(zhì)量特性測(cè)試，提高了測(cè)試工裝通用性，減少了衛(wèi)星的吊裝次數(shù)，克服了衛(wèi)星慣性積測(cè)量的局限，提高了測(cè)量精度。此外，通過(guò)數(shù)字化手段，實(shí)現(xiàn)了工裝信息、測(cè)試信息的集成管理和測(cè)試數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄，使測(cè)量人員可由3 人減至1 人。

（三）集成化管控

1、航天器AIT 過(guò)程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

建設(shè)航天器AIT 過(guò)程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)AIT 過(guò)程數(shù)據(jù) “規(guī)范化記錄、結(jié)構(gòu)化管理、一站式查詢(xún)和多維度應(yīng)用”，覆蓋總裝、專(zhuān)業(yè)測(cè)試、大型試驗(yàn)、生產(chǎn)管理等4 類(lèi)數(shù)據(jù)29 項(xiàng)，向總體單位提供AIT 數(shù)據(jù)服務(wù)，滿足協(xié)同單位的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)需求，顯著提高了AIT 過(guò)程數(shù)據(jù)應(yīng)用的共享性、便捷性，從而提高AIT 研制效率、保證AIT 研制質(zhì)量。其中，AIT 過(guò)程數(shù)據(jù)查詢(xún)效率提升1 倍以上，且實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)網(wǎng)與辦公網(wǎng)的數(shù)據(jù)貫通。

2、異地協(xié)同管控平臺(tái)

為提升航天器AIT 管控能力，建設(shè)了異地協(xié)同管控平臺(tái)，有效解決了異地開(kāi)展總裝設(shè)計(jì)的瓶頸問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了人員、流程、數(shù)據(jù)的異地全方位高效協(xié)同，建立了面向空間站的異地協(xié)同工作模式，保障了空間站等天津地區(qū)型號(hào)任務(wù)順利實(shí)施。

3、AIT 可視化集成管控平臺(tái)

針對(duì)產(chǎn)品復(fù)雜性較高，研制過(guò)程不可控因素較多等原因，建設(shè)了AIT 可視化集成管控平臺(tái)，結(jié)合三維車(chē)間廠房模型，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃、人員、關(guān)鍵資源、場(chǎng)地結(jié)構(gòu)化關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)多地域、多廠房統(tǒng)一可視化管控，量化分析資源占用數(shù)量及頻度，降低資源統(tǒng)計(jì)協(xié)調(diào)周期50%。

四、展望

以“宇航智造工程”目標(biāo)為導(dǎo)向，型號(hào)研制實(shí)際需求為牽引，圍繞三維模型在AIT 階段的貫通應(yīng)用進(jìn)行了積極探索和實(shí)踐，形成了一批數(shù)字化技術(shù)成果并取得實(shí)效。同時(shí)我們也清醒地認(rèn)識(shí)到，在三維模型精細(xì)化程度及模型深入應(yīng)用方面仍存在不足，后續(xù)我們將繼續(xù)加強(qiáng)與各總體單位的協(xié)同合作，不斷拓展三維模型在AIT 階段應(yīng)用的深度與廣度。隨著以人工智能、數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)為代表的先進(jìn)數(shù)字化技術(shù)的崛起，以衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)為牽引的脈動(dòng)生產(chǎn)線建設(shè)等新發(fā)展需求的快速迫近，總環(huán)部將立足基于模型的數(shù)字化生產(chǎn)模式，積極探索新一代信息技術(shù)在航天器總裝領(lǐng)域的應(yīng)用，以打造智能化生產(chǎn)線為目標(biāo)，推動(dòng)型號(hào)研制模式轉(zhuǎn)型升級(jí)。