袁金如 陳 強 姚 駿 張棲誠 徐天水 王曉波

兩化融合

基于數(shù)字化研制模式的衛(wèi)星總裝狀態(tài)閉環(huán)管控研究

袁金如 陳 強 姚 駿 張棲誠 徐天水 王曉波

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109）

基于衛(wèi)星數(shù)字化研制總裝技術(shù)狀態(tài)管控需求，介紹了衛(wèi)星總裝設(shè)計技術(shù)狀態(tài)管理實踐和總裝制造過程技術(shù)狀態(tài)管控及閉環(huán)融合實現(xiàn)方法及初步系統(tǒng)構(gòu)想，為衛(wèi)星設(shè)計制造一體化技術(shù)狀態(tài)管控與數(shù)據(jù)融合應(yīng)用提供借鑒與參考。

數(shù)字化研制模式；衛(wèi)星總裝；設(shè)計制造一體化；技術(shù)狀態(tài)；閉環(huán)管控

1 引言

通過基于三維模型的產(chǎn)品定義方法，可以實現(xiàn)全三維模型的數(shù)據(jù)源統(tǒng)一，完成制造依據(jù)由二維圖紙向三維數(shù)字化模型轉(zhuǎn)變，這項最早源于波音公司的MBD（Model Based Definition）技術(shù)在飛機制造業(yè)引起了重大變革[1，2]。在國內(nèi)，MBD技術(shù)已在航空、船舶和汽車制造等多個企業(yè)應(yīng)用和推廣。各企業(yè)利用數(shù)字化技術(shù)作為基礎(chǔ)，建立設(shè)計、工藝和制造協(xié)同工作的研制模式，使產(chǎn)品的零部件從設(shè)計到工藝以及生產(chǎn)裝配環(huán)節(jié)都在計算機中控制[3～6]。但在實際的設(shè)計和制造協(xié)同之間卻暴露出一些問題，例如設(shè)計和工藝系統(tǒng)平臺不統(tǒng)一，傳統(tǒng)設(shè)計方法的阻礙，以及業(yè)務(wù)流程中產(chǎn)生需要管理的大量數(shù)據(jù)，缺乏高效的數(shù)據(jù)提取方法和管理工具，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的研制周期[7，8]。

構(gòu)建總體與分系統(tǒng)、設(shè)計與制造、產(chǎn)品與檢驗的并行設(shè)計協(xié)同工作環(huán)境，形成基于三維模型的數(shù)字化并行協(xié)同研制模式，打破部門界限，增強專業(yè)間的協(xié)作關(guān)系，將傳統(tǒng)分散串行協(xié)調(diào)的管理模式，演變?yōu)橐匀蝿?wù)為牽引的并行式、柔性化的敏捷管理模式，實現(xiàn)設(shè)計制造檢驗一體化研制集成，是適應(yīng)航天高質(zhì)量高效率發(fā)展要求的必然選擇。型號設(shè)計數(shù)據(jù)和生產(chǎn)制造檢驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)一融合閉環(huán)管理，是實現(xiàn)衛(wèi)星設(shè)計制造一體化的關(guān)鍵因素之一。介紹了衛(wèi)星數(shù)字化協(xié)同設(shè)計、設(shè)計制造過程管控等成熟應(yīng)用實踐現(xiàn)狀，闡述衛(wèi)星總裝設(shè)計與制造融合管控方法，及相關(guān)平臺工具研究探索與試用情況，以期為衛(wèi)星設(shè)計制造一體化技術(shù)狀態(tài)閉環(huán)管控實施提供有益借鑒與參考。

2 衛(wèi)星總裝技術(shù)狀態(tài)管控需求

衛(wèi)星總裝技術(shù)狀態(tài)為反映型號產(chǎn)品在研制過程中的配套狀態(tài)、設(shè)計及更改狀態(tài)、實施狀態(tài)、質(zhì)量控制、指標(biāo)一致性等各類狀態(tài)數(shù)據(jù)的集合，具體包括整星、分系統(tǒng)、單機和星上直屬件等各級產(chǎn)品的配套狀態(tài)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)的范圍包絡(luò)、產(chǎn)品總裝的物理狀態(tài)、產(chǎn)品質(zhì)量的控制狀態(tài)、研制流程各階段產(chǎn)品應(yīng)滿足的設(shè)計狀態(tài)等。主要從協(xié)同設(shè)計、制造過程及設(shè)計制造一體化閉環(huán)三個層面簡單描述衛(wèi)星總裝技術(shù)狀態(tài)的管控需求。

2.1 數(shù)字化設(shè)計協(xié)同

圖1 基于三維模型的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)

衛(wèi)星研制屬于航天工業(yè)領(lǐng)域典型的系統(tǒng)性工程，研制單位分布區(qū)域廣、產(chǎn)品種類多、流程環(huán)節(jié)長，設(shè)計更改頻繁、零件數(shù)量巨大、系統(tǒng)布置密集?；谌S模型的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計需要實現(xiàn)總體—分系統(tǒng)—單機等全要素的設(shè)計及變更數(shù)據(jù)管理，具體包括各承制單位的單機模型及IDS數(shù)據(jù)，總體主控（構(gòu)型）骨架模型、布局總裝設(shè)計模型、結(jié)構(gòu)、熱控、電纜及推進管路設(shè)計模型、總裝直屬件模型等，協(xié)同設(shè)計的最終輸出為衛(wèi)星總裝等設(shè)計技術(shù)狀態(tài)。衛(wèi)星協(xié)同設(shè)計過程中各數(shù)據(jù)關(guān)系如圖1所示。

2.2 設(shè)計制造過程一體化

衛(wèi)星總裝階段狀態(tài)變化多，確認(rèn)項目多，設(shè)計生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)分散，管控難度大。衛(wèi)星總裝過程數(shù)據(jù)主要反應(yīng)產(chǎn)品配套、裝星產(chǎn)品狀態(tài)、各層級各要素產(chǎn)品實施操作記錄、檢測數(shù)據(jù)、狀態(tài)確認(rèn)表格、現(xiàn)場問題處理及拍照攝像、數(shù)據(jù)判讀、數(shù)據(jù)包管理、流程管理等?？傃b過程數(shù)據(jù)組成及應(yīng)用邏輯如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星總裝過程數(shù)據(jù)組成

設(shè)計制造一體化數(shù)據(jù)融合閉環(huán)可以描述為衛(wèi)星總裝設(shè)計結(jié)果數(shù)據(jù)向總裝等下游制造單位定向發(fā)布以及總裝制造單位將生產(chǎn)過程及檢驗收據(jù)反向推送給衛(wèi)星總體，實現(xiàn)衛(wèi)星設(shè)計數(shù)據(jù)及制造實施數(shù)據(jù)的雙向流動，繼而實現(xiàn)設(shè)計制造數(shù)據(jù)閉環(huán)融合。衛(wèi)星總裝過程數(shù)據(jù)閉環(huán)如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星總裝過程數(shù)據(jù)閉環(huán)示意圖

3 基于數(shù)字化研制模式的衛(wèi)星總裝技術(shù)狀態(tài)管控實踐

3.1 數(shù)字化協(xié)同設(shè)計

3.1.1 設(shè)計輸入源管理

圖4 現(xiàn)行設(shè)計輸入源管理流程

現(xiàn)行研制模式下，以單機三維模型接口數(shù)據(jù)作為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)制造的依據(jù)，而同時以IDS接口數(shù)據(jù)單作為單機機械接口驗收的依據(jù)。單機IDS通過衛(wèi)星IDS系統(tǒng)審簽，單機三維模型通過衛(wèi)星快速設(shè)計系統(tǒng)設(shè)置，統(tǒng)一通過AVIDM4.0管控。一般通過人工交叉比對數(shù)據(jù)，確保三維模型與IDS機械接口數(shù)據(jù)的一致性，基本流程如圖4所示。

3.1.2 協(xié)同設(shè)計過程管控

總體完成整星主控骨架設(shè)計，并檢入AVIDM4.0受控。總體布局、結(jié)構(gòu)、熱控、推進、總體電路等分系統(tǒng)直接在內(nèi)網(wǎng)線上利用AVIDM4.0受控的衛(wèi)星主控骨架模型，通過協(xié)同設(shè)計工具完成各分系統(tǒng)衛(wèi)星骨架派生，初步及詳細(xì)設(shè)計各分系統(tǒng)。衛(wèi)星數(shù)字化協(xié)同設(shè)計主體流程如圖5所示。

圖5 衛(wèi)星數(shù)字化協(xié)同設(shè)計主體流程

3.1.3 數(shù)據(jù)受控與標(biāo)準(zhǔn)化管理

表1 三維數(shù)字化研制模式下典型受控模型

所有協(xié)同設(shè)計涉及的數(shù)據(jù)均利用AVIDM4.0管理受控。作為設(shè)計數(shù)據(jù)源的數(shù)字化IDS在衛(wèi)星IDS系統(tǒng)中完成會簽，與之對應(yīng)輕量化模型在完成與IDS一致性對比確認(rèn)后通過AVIDM4.0受控。直接在AVIDM4.0平臺，利用已入庫的衛(wèi)星主控骨架模型，派生出單機布局用衛(wèi)星骨架模型，調(diào)用已經(jīng)入庫的單機設(shè)備模型，完成單機及高頻電纜布局設(shè)計，完成整星單機布局模型及單機接口骨架模型并審批受控。三維數(shù)字化研制模式下的典型受控管理模型及專業(yè)分工如表1所示。通過制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范衛(wèi)星數(shù)字化設(shè)計流程和技術(shù)狀態(tài)管控。

3.2 總裝制造過程管控與設(shè)計制造一體化閉環(huán)

目前已經(jīng)實現(xiàn)衛(wèi)星總體設(shè)計模型（主要指結(jié)構(gòu)設(shè)計模型和總裝設(shè)計模型）的三維下廠，部分實現(xiàn)了基于總體三維設(shè)計模型的蜂窩板結(jié)構(gòu)及總裝工藝設(shè)計，局部實現(xiàn)了蜂窩板的數(shù)字化測量檢驗，為基于模型的數(shù)字化衛(wèi)星結(jié)構(gòu)產(chǎn)品管控奠定了一定基礎(chǔ)。

衛(wèi)星總裝過程管控主要依靠制造過程管控系統(tǒng)完成，其以非結(jié)構(gòu)化的文檔以及圖片或影像實現(xiàn)，沒有與整星數(shù)字化模型或數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，且以制造單位內(nèi)部管控為主，由于網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)接口等原因尚未發(fā)布傳遞至衛(wèi)星總體，衛(wèi)星總體也不能在線查詢相關(guān)數(shù)據(jù)，衛(wèi)星總裝過程管理數(shù)據(jù)無法實現(xiàn)與總體設(shè)計數(shù)據(jù)閉環(huán)融合。

4 思考與探索

相對成熟的衛(wèi)星數(shù)字化協(xié)同設(shè)計，主要是進一步優(yōu)化設(shè)計平臺功能和各類使用流程，由能用向好用發(fā)展；對于衛(wèi)星總裝制造過程管控與設(shè)計制造一體化閉環(huán)融合，關(guān)鍵在于狀態(tài)要素梳理、流程接口規(guī)范、使用構(gòu)架搭建等，實現(xiàn)局部重點突破，為后續(xù)衛(wèi)星全周期技術(shù)狀態(tài)管控及大數(shù)據(jù)利用打好基礎(chǔ)。

4.1 推廣三維IDS應(yīng)用，統(tǒng)一原始設(shè)計輸入

分系統(tǒng)單位提交接口數(shù)據(jù)單和三維模型作為總體設(shè)計單位的設(shè)計輸入，模型與表單驗收時，需要反復(fù)校對兩套數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)是否一致，且時常發(fā)現(xiàn)模型與接口數(shù)據(jù)單交叉重疊部分信息存在不一致、模型輕量化建模不規(guī)范等問題。多次迭代造成了不必要的質(zhì)量風(fēng)險，同時兩次接口定義、兩次審批流程，降低了設(shè)計效率，增大了技術(shù)狀態(tài)管控難度。正在研制試用的三維IDS可以很好解決以上問題，其相關(guān)應(yīng)用流程如圖6所示。

圖6 三維IDS應(yīng)用流程

4.2 系統(tǒng)化設(shè)計工具，形成MBD集成設(shè)計平臺

圖7 MBD集成設(shè)計平臺示意

目前IDS表單會簽系統(tǒng)、三維IDS建模系統(tǒng)、三維快速設(shè)計系統(tǒng)、PDM數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范或經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫分布零散，應(yīng)用較為繁瑣，三維IDS建模系統(tǒng)、三維快速設(shè)計系統(tǒng)等自研工具功能模塊有待補充和完善，需加強操作友好性，考慮相關(guān)設(shè)計模塊升級和工具的聚集，形成可滿足全方位（上下游研制單位）、全要素（完整機械數(shù)字樣機）和全流程（從設(shè)計到檢驗）應(yīng)用需求的衛(wèi)星MBD協(xié)同設(shè)計平臺。衛(wèi)星MBD數(shù)字化協(xié)同設(shè)計平臺試用版如圖7所示。

4.3 實現(xiàn)設(shè)計制造數(shù)據(jù)流通閉環(huán)

構(gòu)造一套以BOM為主線的設(shè)計制造一體化數(shù)據(jù)格式規(guī)范，總體基于MBD模型輸出EBOM，通過三維BOM重構(gòu)技術(shù)，總裝工藝以EBOM為基礎(chǔ)開展工藝設(shè)計，生成PBOM，PBOM再轉(zhuǎn)化為MBOM，最終形成樹狀裝配工藝結(jié)構(gòu)樹，指導(dǎo)裝配生產(chǎn)。EBOM、PBOM及MBOM的唯一依據(jù)是MBD裝配模型[9]?；贛BD模型的三維BOM重構(gòu)技術(shù)體系如圖8示意。

圖8 基于MBD模型的三維BOM重構(gòu)技術(shù)體系示意圖

4.4 實現(xiàn)衛(wèi)星實物狀態(tài)實時監(jiān)控

圖9 衛(wèi)星總裝技術(shù)狀態(tài)管控示意圖

構(gòu)建一套以BOM為主線、以流程驅(qū)動的衛(wèi)星總裝技術(shù)狀態(tài)管控系統(tǒng)，總裝配套文件的結(jié)構(gòu)化設(shè)計與管理，自動輸出各配套文件；總裝過程記錄的標(biāo)準(zhǔn)化管理，為后期數(shù)據(jù)再利用奠定基礎(chǔ)；實時信息采集，實現(xiàn)技術(shù)狀態(tài)實施監(jiān)測與控制；配置驅(qū)動，實現(xiàn)基于三維模型的數(shù)字化總裝狀態(tài)管理；研制流程節(jié)點驅(qū)動，實現(xiàn)型號典型任務(wù)剖面的狀態(tài)信息統(tǒng)計報表化與看板化管理；基于統(tǒng)一規(guī)范數(shù)據(jù)接口，上下游系統(tǒng)一體化集成實現(xiàn)數(shù)據(jù)無縫輸入輸出。衛(wèi)星總裝結(jié)構(gòu)化設(shè)計與狀態(tài)管控系統(tǒng)如圖9所示，目前正在研制試用中。

5 結(jié)束語

以IDS系統(tǒng)為數(shù)據(jù)紐帶、AVIDM4.0為協(xié)同平臺、衛(wèi)星快速設(shè)計系統(tǒng)為支撐工具的衛(wèi)星協(xié)同設(shè)計管理平臺，同時規(guī)范化單機設(shè)備三維建模及IDS收集，流程化衛(wèi)星主控骨架建模與發(fā)布，實現(xiàn)了衛(wèi)星多專業(yè)分布式并行協(xié)同設(shè)計和數(shù)據(jù)管控能力，初步具備了衛(wèi)星總裝及結(jié)構(gòu)的三維下廠能力。通過實施數(shù)字化協(xié)同設(shè)計及管控，提高了全周期研制效率，減少了低層次質(zhì)量問題，優(yōu)化了整星系統(tǒng)設(shè)計，全面提升了總體抓總能力。后續(xù)將進一步優(yōu)化協(xié)同設(shè)計工具和深化工具應(yīng)用，同時探索基于MBD的三維BOM模型重構(gòu)技術(shù)，實現(xiàn)基于統(tǒng)一BOM為主線、以研制流程為驅(qū)動的設(shè)計制造數(shù)據(jù)流通閉環(huán)，為衛(wèi)星總裝技術(shù)狀態(tài)實時監(jiān)測與設(shè)計制造一體化閉環(huán)融合奠定技術(shù)路線基礎(chǔ)。

1 張輝，張勝文，楊戈. 面向設(shè)計制造的船用柴油機零件全三維數(shù)字化定義研究[J]. 制造技術(shù)與機床，2013(7)：90～93

2 王俊彪，劉闖. 飛機零件制造模型及數(shù)字化定義[J]. 航空制造技術(shù)，2011(12)：38～41

3 胡權(quán)威，李金旭，劉文鋒，等. 三維工藝MBD模型協(xié)同管理及應(yīng)用[J].航天制造技術(shù)，2019(4)：67～70

4 崔德剛，劉看旺，鄭黨黨，等. 基于MBD的飛機設(shè)計與制造技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 計算機集成制造系統(tǒng)，2019(12)：3053-3059

5 徐春生，張楊，夏永泉，等.基于MBD和KBE的衛(wèi)星單機模型緊固件自動裝配研究[J]. 計制造業(yè)自動化，2019(9)：114～126

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7 張敏，張順旺. 協(xié)同設(shè)計在制造企業(yè)中的應(yīng)用研究[J]. 現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟與信息化，2017(22)：33～34

8 趙寒，張榮霞.模型驅(qū)動的航天型號技術(shù)狀態(tài)管理方法研究[J]. 航天制造技術(shù)，2013(8)：4～8

9 屈力剛，苑俊超，魏佩振. 基于MBD的三維裝配BOM重構(gòu)技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2014(9)：26～29

Research of Closed-loop Management of Satellite Integrated Assembly Status Base on Digital R&D Mode

Yuan Jinru Chen Qiang Yao Jun Zhang Qicheng Xu Tianshui Wang Xiaobo

(Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109)

To control the status of satellite digital design and integrated assembly, a management practice of satellite integrated assembly design is proposed, also with the management, the method of closed-loop fusion and the preliminary system thoughts of integrated assembly. This provides reference for the status management and the record fusion application of satellites design and manufacturing integration.

digital R&D mode；satellites integrated assembly；design and manufacturing integration；technical conditions；closed-loop management

V57

A

袁金如（1983），高級工程師，機械工程專業(yè)；研究方向：衛(wèi)星總體總裝設(shè)計、衛(wèi)星數(shù)字化技術(shù)。

2021-07-21