范慧莉 劉麗玲 吳艷華 車穎 孔慶樂

面向制造的復雜光學遙感器全三維設計

范慧莉 劉麗玲 吳艷華 車穎 孔慶樂

（北京空間機電研究所，北京 100094）

文章以數(shù)字化技術為依托，針對復雜空間光學遙感器傳統(tǒng)研制模式存在的具體問題，利用基于模型的設計制造信息化技術，介紹了一種面向制造的光學遙感器三維數(shù)字化設計方法，通過對三維設計軟件定制開發(fā)，搭建了一套用于光學遙感器數(shù)字化設計的系統(tǒng)。文章詳細地介紹了遙感器數(shù)字化設計的具體流程和數(shù)字化模型體系，規(guī)定了光學、結構、熱控、總體等多專業(yè)數(shù)字化接口定義原則及數(shù)字化設計的分工。經型號應用驗證表明：使用面向光學遙感器的全三維的數(shù)字化設計系統(tǒng)可以有效提升光學遙感器研制效率。該方法是復雜光學遙感器研制能力提升的一個重要手段。

數(shù)字化設計 全三維設計 快速設計 光學遙感器

0 引言

近年來，隨著新一輪工業(yè)革命的到來，特別是德國“工業(yè)4.0”、美國“工業(yè)互聯(lián)網”、中國智能制造等國家發(fā)展戰(zhàn)略的提出，帶動了全球工業(yè)信息化技術的飛速發(fā)展[1-2]。基于模型的數(shù)字化制造技術在國際航空航天產品研制中已廣泛應用，如波音F-35、空客A400M等項目均以三維數(shù)字化模型貫穿制造過程，基于模型進行自動化裝配、增強現(xiàn)實仿真[3-4]。在此背景下，中國航空航天企業(yè)紛紛開展了數(shù)字化、網絡化、智能化設計模式的探索與實踐。在大飛機、火箭、衛(wèi)星等航空航天產品研制過程中，均使用基于模型的設計（MBD）技術開展全三維設計與標注，通過三維模型指導下廠生產，有效提升了型號研制效率與品質[5-7]。眾多成功案例表明，開展全新的數(shù)字化研制模式是提高航天產品研制效率、縮短研制周期、提升企業(yè)綜合能力的必由之路。但目前，國內外的數(shù)字化設計制造技術研究多集中于飛機、火箭、衛(wèi)星等產品，主要采用MBD技術進行三維建模與標注[8]。遙感器產品設計涉及光、機、電、熱等多個專業(yè)，且結構復雜、空間緊湊，多為異型曲面，使用通用的三維設計工具難以提升效率，本文在前人研究的基礎上[7-8]，通過對通用的三維設計軟件進行定制開發(fā)，搭建了一套面向遙感器研制的數(shù)字化設計系統(tǒng)，提出了光學、結構、熱控、總裝的數(shù)字化協(xié)同設計方法，實現(xiàn)了光學遙感器的數(shù)字化設計。

光學遙感器作為航天高端產品的代表，包括光學元件、機械結構、電子設備、熱控元件等多類零部件，在工作期間這些零部件需要協(xié)同工作共同完成光學系統(tǒng)對地觀測、清晰成像的使命。在產品研發(fā)過程中，需要先從光學設計開始，圍繞光學系統(tǒng)，開展結構、熱控、電子學的設計。傳統(tǒng)設計過程中，各專業(yè)采用傳統(tǒng)的計算機輔助設計（CAD）繪圖和技術文件描述相結合的方式，各專業(yè)之間的接口信息主要以文字說明方式傳遞，橫向協(xié)同多為串行，工作效率低，設計缺陷發(fā)現(xiàn)滯后。這種傳統(tǒng)的研制方法已難以適應緊張的型號任務需求，必須實現(xiàn)從傳統(tǒng)的二維數(shù)字化研制模式向全三維數(shù)字化研制模式轉變，以實現(xiàn)遙感器產品研制能力的跨越式發(fā)展。本文在前人研究的基礎上，結合光學遙感器產品特點，創(chuàng)新了光學、結構、熱控、布線、總裝的數(shù)字化設計方法，打通了專業(yè)之間以三維數(shù)字化模型為接口的信息鏈路，提出了多專業(yè)之間的接口模型簡化方法和曲面的快速裝配方法。

1 遙感器傳統(tǒng)研制方法及存在問題

遙感器傳統(tǒng)研制過程如圖1所示：光學設計師根據(jù)遙感器系統(tǒng)指標、成像要求等總體要求，在光學設計軟件中開展光學系統(tǒng)設計，設計完成后輸出IGS格式文件（美國信息管理委員會規(guī)定的一種文件格式），結構設計師將IGS文件導入Pro/E等結構設計軟件，根據(jù)IGS文件中的光路、光學元件空間位置，開展光學遙感器主鏡、次鏡、主承力結構、焦面等部組件的三維建模，并將三維模型投影到二維圖上進行尺寸公差的標注，以二維圖為設計規(guī)范進行實物投產。電子學單機設計師基于電子學總體技術要求，使用電子學設計軟件開展電子學單機的設計出圖。熱控設計師基于結構的三維模型開展熱控仿真分析，然后將需要控溫的結構模型投影成二維工程圖，在AutoCAD系統(tǒng)中進行熱控元件、熱控回路和熱控多層等設計。線纜設計由結構設計師基于熱控的二維圖進行布線路徑的簡單示意，一般在設計圖上標識出線的位置；整機上的電控線由設計、工藝、制造三方現(xiàn)場邊設計邊鋪設。

圖1 遙感器傳統(tǒng)研制過程

傳統(tǒng)的研制模式存在以下問題[9-10]：

1）三維設計二維出圖，以二維圖紙作為生產依據(jù)的方式，三維模型在制造過程中僅作為參考，設計人員在維護設計結果過程中，只修改二維圖，容易出現(xiàn)三維模型狀態(tài)和二維圖不一致的情況；

2）對復雜零件或組件，如復雜結構件、熱控產品、整機布線等，需要建立多個視圖去描述設計意圖，設計人員不但出圖工作量較大，由于二維圖表達不直觀，往往需要頻繁跟產；

3）專業(yè)之間的接口要求主要以文字形式進行技術要求約定，不能充分利用三維模型，接口信息不直觀、不易理解；

4）使用二維圖紙指導生產，工藝、制造人員需要花費時間去理解消化二維圖紙，對于復雜零部件理解設計意圖需要較多時間，且容易出錯。

2 遙感器數(shù)字化設計解決方案

2.1 整體架構

光學遙感器產品的設計包括光學、結構、電子學、熱控、總裝等多個專業(yè)，涉及CODEV、Pro/E、AutoCAD等多種設計軟件工具，由于遙感器產品自身特點以及工具之間的限制，難以實現(xiàn)基于統(tǒng)一模型的三維設計，需建立一套支撐多專業(yè)、多環(huán)節(jié)的數(shù)字化設計體系。該體系能夠實現(xiàn)面向制造的多專業(yè)協(xié)同的數(shù)字化設計，建立統(tǒng)一完整的數(shù)字樣機模型[11-13]。光學遙感器數(shù)字化設計整體解決方案如圖2所示。圍繞光學遙感器的設計制造過程，建立基于全三維模型的數(shù)字化設計和數(shù)字化制造平臺，打通設計到制造的信息傳遞鏈路，實現(xiàn)基于三維模型的制造。

圖2 遙感器全三維數(shù)字化研制架構

圍繞光學、結構、電子學、熱控各專業(yè)的設計仿真需求及專業(yè)之間的接口要求，我們通過對Pro/E二次開發(fā)建立數(shù)字化設計平臺，包括三維設計基礎環(huán)境、結構快速設計工具、熱控三維設計工具、散線三維設計工具、電纜網三維設計工具、電子學快速設計工具等，為遙感器光機電熱一體化設計提供了一套成熟的工具平臺。同時建立了數(shù)字化制造平臺[14-15]，集成制造數(shù)據(jù)管理、結構化工藝設計、制造信息提取、可視化瀏覽等系統(tǒng)工具，實現(xiàn)了基于模型的數(shù)字化制造。

2.2 設計流程

遙感器數(shù)字化設計過程可以概括為任務論證、布局設計、詳細設計三個階段，如圖3所示。任務論證階段需要對總體任務進行分析與光學設計指標分解，布局設計階段需要對遙感器光學系統(tǒng)、整機結構進行總體的布局，任務論證與布局設計屬于方案設計，為詳細設計提供明確的設計要求。詳細設計階段需要根據(jù)前一階段輸出的接口要求，開展光機電熱的具體設計，面向制造輸出模型和物料清單（BOM）等制造依據(jù)規(guī)范[16-17]。

圖3 設計具體流程

根據(jù)任務論證、布局設計、詳細設計三個階段，可以將遙感器全三維數(shù)字化設計細分為九個具體過程：

1）總體任務分析與指標分解：基于衛(wèi)星總體的技術要求，開展光機電熱任務分析，提出光學、結構、機構、電子學等設計指標。

2）光學設計：遙感器產品設計始于光學，在布局設計階段，首選開展光學系統(tǒng)設計，包括光學表面位置、光路、光線包絡、雜散光分析等，最后輸出光學IGS格式文件。

3）總體布局全三維設計：總體設計師創(chuàng)建整機模型，讀取光學IGS格式文件，建立整機骨架模型，確定分系統(tǒng)、單機設備、關鍵部組件空間占位和接口要求，將整機布局模型發(fā)布到產品數(shù)據(jù)管理（PDM）系統(tǒng)，將部組件設計任務分配到部組件主管設計師。

4）光機結構全三維設計：部組件主管設計師根據(jù)整機骨架模型對部組件空間位置的接口約束，開展部組件層級的詳細設計與分析，這個過程主要是開展光機主體設計，如：鏡頭組件、主承力組件、焦面組件、遮光罩等結構的構型設計與三維標注，并輸出結構部組件的詳細設計模型和物料信息。

5）機構與控制全三維設計：單機主管設計師根據(jù)整機骨架模型對機構與控制設備空間布局的約束，建立機構與控制詳細設計模型，并輸出收縮包絡模型和帶有三維標注的詳細設計模型。

6）視頻處理與控制全三維設計：單機主管設計師根據(jù)整機骨架模型對電單機設備空間布局的約束，建立視頻處理與控制模型，并輸出收縮包絡模型和帶有三維標注的詳細設計模型。

7）整機光機電模型全三維裝配：總體設計師將結構部組件模型、機構與控制設備的包絡模型、視頻處理與控制單機的包絡模型、總裝直屬件模型裝配到整機模型下。其中結構部組件模型、機構與控制設備模型、視頻處理與控制單機模型通過整機骨架的驅動，自動裝配到整機模型中。此階段輸出整機光機電模型。

8）熱控組件全三維設計：熱控設計師通過熱分析確定控溫方案，總體設計師和熱控設計師基于整機光機電模型共同開展簡化模型創(chuàng)建，輸出結構簡化模型。熱控設計師將結構簡化模型裝配到熱控模型下，建立熱控骨架模型，開展熱控元件設計、熱控回路設計、多層設計。此階段輸出熱控元件投產圖、熱控實施模型、熱控發(fā)布模型。

9）布線全三維設計：總體設計師將熱控發(fā)布模型裝配到整機光機電模型中，創(chuàng)建布線骨架模型，開展熱控散線及電纜網設計，并輸出線纜模型和整機總裝模型。

2.3 模型體系

面向制造的復雜光學遙感器全三維設計的實現(xiàn)手段是建立遙感器數(shù)字化模型體系。按照光學遙感器數(shù)字化模型功能分類，光學遙感器數(shù)字化模型可以分為光學模型、總體布局模型、結構模型、熱控模型、線纜模型、總裝模型等，如圖4所示。光學設計過程輸出IGS模型，用于總體布局設計、結構設計參考?？傮w布局設計過程輸出整機三維骨架模型，用于結構部組件的空間安裝關系和約束的定義。結構設計過程輸出三維標注的用于制造的模型和用于熱控設計、布線設計的結構簡化模型。熱控設計過程輸出熱控實施模型和熱控發(fā)布模型，熱控實施模型用于熱控元件投產和熱控元件裝配，熱控發(fā)布模型用于布線和總裝設計。線纜設計輸出布線模型和線纜發(fā)布模型，布線模型用于指導現(xiàn)場布線，線纜發(fā)布模型用于整機裝配設計。整機模型用于指導遙感器總裝[18]。

面向制造的結構三維模型、熱控三維模型、布線三維模型、整機三維模型下廠后，不同專業(yè)的工藝人員依據(jù)三維模型開展結構化、可視化的工藝設計，同時基于不同類型的模型利用制造信息提取工具從模型中抽取零部件清單、標準件清單、熱控元件清單等不同的制造信息，形成工藝指導文件用于指導機加、電裝、熱控實施、總裝等制造過程。

光學設計、總體布局設計、結構設計、熱控設計、線纜設計和總裝設計過程需要協(xié)同開展工作，每個設計過程都需要有據(jù)可依，協(xié)同設計及接口信息如圖5所示。遙感器的設計開始于光學，光學設計輸出的IGS格式文件作為總體布局設計的輸入?？傮w設計輸出的整機骨架模型作為結構、熱控、布線設計的輸入，結構設計輸出的結構簡化模型用于熱控設計、布線設計，熱控設計輸出的熱控發(fā)布模型用于布線設計和總裝設計，布線設計輸出的發(fā)布模型用于總裝設計。

IGS格式文件輸出模型、整機骨架模型、結構簡化模型、熱控發(fā)布模型、線纜發(fā)布模型為數(shù)字化設計接口或參考模型，需要按照接口要求發(fā)布包含全要素的模型，在產品數(shù)據(jù)管理PDM系統(tǒng)受控后，下游設計人員方可裝配使用，接口模型包含要素及用途如表1所示。

圖4 面向制造的遙感器數(shù)字化模型構成

圖5 基于三維模型的協(xié)同設計過程及接口輸出

表1 接口模型分類

Tab.1 Interface model classification

2.4 設計關鍵技術

光學遙感器結構復雜，零部件數(shù)量多，空間緊湊，全三維數(shù)字化設計的難點在于總體、結構、熱控、布線等專業(yè)如何準確傳遞設計接口信息，如何在曲面上快速裝配[19-20]。

1）模型發(fā)布技術。在遙感器設計過程中，結構設計需要給熱控、布線提供結構三維模型，熱控設計需要給布線提供熱控三維模型。利用收縮包絡的原理，抽取不同類型的三維模型的幾何信息、參數(shù)信息、注釋信息、安裝位置坐標系，建立結構、熱控、布線等不同類型的發(fā)布模型，實現(xiàn)接口模型的準確定義。

2）曲面快速裝配技術。曲面快速裝配應用于熱控三維模型設計過程。其難點在于如何適應不同曲面的裝配。利用不同曲面三維建模原理，建立359°（根據(jù)遙感器常用曲面加熱器的曲率范圍確定）的旋轉曲面作為加熱器模板，定義安裝點及安裝坐標系，作為常量，將幾何參數(shù)作為變量，通過選擇加熱器模板，設置不同的幾何參數(shù)值，快速派生出不同規(guī)格的加熱器三維模型。在安裝時自動獲取安裝面所在曲面的曲率半徑，將其值賦給加熱器三維模型，驅動加熱器三維模型的表面曲率與安裝面曲率相同，實現(xiàn)鼠標點選完全貼合裝配的功能。此項技術實現(xiàn)加熱器三維模型的快速建立與裝配。

3 結束語

開展面向制造的復雜光學遙感器全三維數(shù)字化樣機設計，應當從效率、品質方面充分考慮光、機、電、熱各類產品三維建模的詳細程度及接口要求，保證數(shù)字樣機模型設計的準確性、魯棒性、高效性[22-23]：

1）通過整機骨架模型的建立，明確了各分系統(tǒng)、單機在整機模型中的空間占位及接口要求，減少了因相同層級模型互為參照帶來的模型變更連鎖反應大、修改周期長的問題，一定程度上可以提升模型的魯棒性。

2）針對過去整機模型體量較大，給瀏覽、修改帶來不便的情況，采用模型簡化技術、收縮包絡技術、模型發(fā)布技術，創(chuàng)建結構、熱控、電單機、線纜簡化模型，對數(shù)字樣機模型進行減負。

3）針對遙感器結構表面復雜、空間緊湊，使用三維設計軟件標準功能開展熱控設計、電纜設計效率低的情況，利用二次開發(fā)，實現(xiàn)基于異型曲面的智能布局，通過點選快速裝配，提升低效環(huán)節(jié)的效率。通過這種以點帶面的方式，逐步實現(xiàn)遙感器數(shù)字化設計全局效率的提升。

通過對面向制造的光學遙感器數(shù)字化設計方法的研究，提出了一套基于全三維模型的研制方案及流程。該方案已經在“北京三號”、“炭星”等衛(wèi)星遙感相機上成功應用，以“北京三號”衛(wèi)星為例，從總體設計到結構設計、熱控設計、布線設計、總裝設計各階段均以三維模型為主，在三維模型中表達接口信息、制造信息，建立完整的數(shù)字樣機，各類模型直接下廠指導生產，實現(xiàn)了基于統(tǒng)一模型的設計協(xié)同、設計與制造協(xié)同，提高了制造端的識圖效率，有效減少了設計跟產，為遙感器產品高品質、高效率、高效益研制提供有力支撐。本文未對遙感器三維模型在加工、裝配等制造環(huán)節(jié)如何有效利用進行研究討論，但其將是后續(xù)遙感器數(shù)字化研制的重要方向。目前，物聯(lián)網技術、數(shù)字孿生技術、人工智能等新IT技術發(fā)展較快，需要融入到復雜航天產品研制過程，驅動復雜產品研制過程向速度更快、品質更優(yōu)、成本更低的方向發(fā)展。

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The Full 3D Design of Complex Optical Remote Sensor for Manufacturing

FAN Huili LIU Liling WU Yanhua CHE Ying KONG Qingle

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricty, Beijing 100094, China）

Based on the digital technology, this paper introduces the 3D digital design method of optical remote sensors for manufacturing by model-based design and manufacturing technology, in response to the problems of the traditional development model of complex space optical remote sensors. And the paper sets up a system for the digital design of optical remote sensors through the customized development of 3D design software. The paper explains detailly the specific process and digital model system of remote sensor digital design, and it stipulates digital interfaces? definition principles for multiple disciplines such as optics, structure, thermal control, generalization, and so on, and key technologies in the digital design of optical remote sensors. The model application shows the full 3D digital design methods of optical remote sensors can obviously improve the development efficiency of optical remote sensors, and it is an importantmeans to improve the development capability of complex optical remote sensors.

digital design; full three dimensional design; rapid design; optical remote sensor

TP751

A

1009-8518(2021)03-0098-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2021.03.011

2021-02-24

國家自然科學基金項目（11774164）

范慧莉, 劉麗玲, 吳艷華, 等. 面向制造的復雜光學遙感器全三維設計[J]. 航天返回與遙感, 2021, 42(3): 98-106. FAN Huili, LIU Liling, WU Yanhua, et al. The Full 3D Design of Complex Optical Remote Sensor for Manufacturing[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(3): 98-106. (in Chinese)

范慧莉，女，1983年生，2005年獲吉林大學數(shù)學專業(yè)學士學位，高級工程師。主要研究方向為遙感器數(shù)字化設計與制造、智能制造等。E-mail：huily654333@163.com。

（編輯：龐冰）