基于虛擬仿真技術(shù)的探月工程二期航天器總裝工藝設(shè)計(jì)

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(jì)[1]是總裝實(shí)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(jì)文件和藍(lán)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(jì)與編制。隨著探月工程、載人航天工程等的推進(jìn)，新技術(shù)、新設(shè)計(jì)和新設(shè)備不斷被采納，給總裝工藝設(shè)計(jì)帶來(lái)較大的難度，以至設(shè)計(jì)手段有待突破。

為了提高總裝工藝設(shè)計(jì)水平，減少對(duì)工藝人員個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的依賴(lài)，需要采用新的總裝工藝設(shè)計(jì)技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，通過(guò)構(gòu)建虛擬環(huán)境和虛擬產(chǎn)品以模擬控制現(xiàn)實(shí)實(shí)體[2]。采用虛擬仿真技術(shù)，驗(yàn)證部件級(jí)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(yàn)對(duì)工藝設(shè)計(jì)的裝配順序和裝配路徑，對(duì)產(chǎn)品可裝配性作出評(píng)價(jià)，及時(shí)優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)，進(jìn)而達(dá)到提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的目的[3-5]。總之，虛擬仿真可避免裝配工藝設(shè)計(jì)過(guò)多依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)的不足，有助于提高工藝設(shè)計(jì)的質(zhì)量，是面向裝配設(shè)計(jì)的重要手段。

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

1 基于虛擬仿真的工藝設(shè)計(jì)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(chǎng)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(kāi)展有人參與的裝配操作活動(dòng)，驗(yàn)證裝配工藝流程，識(shí)別裝配風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化工藝實(shí)施方案[6]。涉及內(nèi)容包括工藝流程設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、地面支持設(shè)備設(shè)計(jì)以及人機(jī)工效分析等，優(yōu)化后的工藝設(shè)計(jì)還可進(jìn)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(guò)程的仿真動(dòng)畫(huà)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的操作進(jìn)行示教指導(dǎo)，能夠有效提高操作人員對(duì)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(chǎng)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(gè)模型之間相互協(xié)調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)總裝過(guò)程進(jìn)行的有序通暢[9-10]。根據(jù)工藝設(shè)計(jì)的要求，在仿真設(shè)計(jì)中不需各個(gè)資源模型全部齊全，但是要各類(lèi)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(gè)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的，一般由設(shè)計(jì)方提供或者工藝人員自行設(shè)計(jì)，其正確性將直接影響到仿真的結(jié)果。由設(shè)計(jì)方提供的模型須對(duì)照設(shè)計(jì)文件進(jìn)行核對(duì)，避免出現(xiàn)仿真錯(cuò)誤。對(duì)于復(fù)雜的產(chǎn)品，工藝人員可自行設(shè)計(jì)模型，可對(duì)模型簡(jiǎn)化處理，但應(yīng)滿(mǎn)足仿真的關(guān)鍵參數(shù)。

總裝資源模型種類(lèi)多，各個(gè)型號(hào)也不盡相同，包括工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中所需的各類(lèi)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(yàn)證工具的操作空間要求。在“嫦娥三號(hào)”總裝中，涉及各種翻轉(zhuǎn)架車(chē)、停放架車(chē)、艙體吊具、鉗工工具、電裝工具以及檢驗(yàn)工具等等，應(yīng)根據(jù)“嫦娥三號(hào)”虛擬仿真的工況需要選擇相應(yīng)的資源模型。

廠(chǎng)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(duì)于“嫦娥三號(hào)”總裝的廠(chǎng)房資源模型，不僅需建立常規(guī)的天車(chē)、工位布局、充放氣口等總裝廠(chǎng)房環(huán)境，還要建立發(fā)射場(chǎng)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(chē)間的物料流轉(zhuǎn)體系和產(chǎn)品轉(zhuǎn)運(yùn)體系。體系的建立主要是為了驗(yàn)證產(chǎn)品或者轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)輛行駛路線(xiàn)在高度和寬度上的可行性，應(yīng)滿(mǎn)足航天器所有型號(hào)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(jìn)行虛擬仿真環(huán)境組建。首先，對(duì)模型進(jìn)行輕量化和格式轉(zhuǎn)換，滿(mǎn)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(chǎng)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(chǎng)景中，并參照真實(shí)廠(chǎng)房的坐標(biāo)，對(duì)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(jì)

總裝工藝設(shè)計(jì)的仿真分析是指采用虛擬仿真分析軟件對(duì)初步制定的總裝工藝方案的重要環(huán)節(jié)進(jìn)行虛擬仿真，必要時(shí)進(jìn)行全過(guò)程仿真，以進(jìn)行定性或者定量分析，預(yù)先對(duì)總裝工藝方案進(jìn)行可行性判斷和合理性驗(yàn)證，提前識(shí)別裝配過(guò)程中存在的各種風(fēng)險(xiǎn)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(jì)

總裝流程設(shè)計(jì)是指工藝人員依據(jù)技術(shù)文件對(duì)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(jìn)行規(guī)劃?；谔摂M仿真技術(shù)可分別實(shí)現(xiàn)整星級(jí)產(chǎn)品和零部件級(jí)產(chǎn)品的虛擬仿真的總裝流程設(shè)計(jì)[13]。整星級(jí)產(chǎn)品的總裝流程設(shè)計(jì)主要是確認(rèn)零部件產(chǎn)品之間在總裝過(guò)程中的裝配順序和對(duì)廠(chǎng)房設(shè)施、物流裝配等保障條件的驗(yàn)證。零部件級(jí)產(chǎn)品的總裝流程設(shè)計(jì)主要是驗(yàn)證和確認(rèn)零部件產(chǎn)品在總裝過(guò)程中的裝配路徑，還可應(yīng)用在型號(hào)初期的示教。

產(chǎn)品之間裝配順序是流程設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)內(nèi)容之一：?jiǎn)螜C(jī)設(shè)備的安裝順序一般是可以調(diào)換的，而對(duì)于大部件總裝順序有一定的制約條件。新型號(hào)零部件安裝順序的制約條件是工藝設(shè)計(jì)的重點(diǎn)項(xiàng)目，僅靠工藝人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總裝流程設(shè)計(jì)有一定的難度。應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)確認(rèn)流程設(shè)計(jì)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(jì)的難題。在“嫦娥三號(hào)”總裝流程設(shè)計(jì)中，通過(guò)虛擬仿真對(duì)操作空間和操作位置的分析后，確認(rèn)先安裝著陸器太陽(yáng)翼，后對(duì)接巡視器的方案，仿真分析見(jiàn)圖3。

產(chǎn)品自身裝配路徑的設(shè)計(jì)是驗(yàn)證零部件總裝工藝方案的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有助于識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。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?！版隙鹑?hào)”在貯箱安裝路徑的仿真中發(fā)現(xiàn)了貯箱防護(hù)帽和安裝孔干涉的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，如圖 4所示。經(jīng)分析確認(rèn)通過(guò)更換防護(hù)帽以及更改吊裝路徑等方法解決了干涉問(wèn)題，同時(shí)在工藝文件中設(shè)置關(guān)鍵檢驗(yàn)點(diǎn)確認(rèn)防護(hù)帽狀態(tài)，保證了貯箱的順利安裝。

圖3 太陽(yáng)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(shí)施性設(shè)計(jì)

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

若航天器關(guān)鍵部件的安裝出現(xiàn)問(wèn)題，則可能會(huì)直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和進(jìn)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(jì)的重點(diǎn)。“嫦娥三號(hào)”具有活動(dòng)部件多、大部件多、操作環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，在各種不利條件下可能會(huì)出現(xiàn)活動(dòng)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(wú)法進(jìn)行。鑒于此，須分別對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、貯箱、高溫隔熱屏等關(guān)鍵部件的裝配工藝性進(jìn)行虛擬仿真。在虛擬仿真過(guò)程中，不僅對(duì)關(guān)鍵部件的操作位置的可達(dá)性、操作的安全性、地面支持設(shè)備的匹配性等進(jìn)行仿真分析，同時(shí)對(duì)測(cè)力操作空間進(jìn)行了仿真校驗(yàn)分析。高溫隔熱屏和發(fā)動(dòng)機(jī)的總裝方案如圖5所示。通過(guò)虛擬仿真后，確認(rèn)了方案的可實(shí)施性，同時(shí)對(duì)工藝設(shè)計(jì)提出了新的技術(shù)要求：高溫隔熱屏安裝時(shí)須對(duì)周邊發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行防磕碰防護(hù)；發(fā)動(dòng)機(jī)安裝中進(jìn)行高空操作作業(yè)時(shí)須采取防護(hù)措施等。對(duì)貯箱和發(fā)動(dòng)機(jī)的緊固件的測(cè)力操作空間進(jìn)行了仿真分析，如圖6所示。通過(guò)虛擬仿真確認(rèn)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(cè)力操作空間問(wèn)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(cè)力矩仿真圖Fig. 6 The driving force virtual simulation of key device’s bolts

當(dāng)在航天器總裝過(guò)程中出現(xiàn)異常時(shí)，一般需要有經(jīng)驗(yàn)的工藝人員對(duì)異常相關(guān)的工藝設(shè)計(jì)方案進(jìn)行復(fù)核和再設(shè)計(jì)，并重新在虛擬仿真平臺(tái)上開(kāi)展工藝方案的實(shí)施性驗(yàn)證分析。

在沒(méi)有可借鑒的成熟型號(hào)的情況下，“嫦娥三號(hào)”在總裝操作過(guò)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(shí)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(jì)和再驗(yàn)證?！版隙鹑?hào)”初樣階段，由于某種原因需拆卸7500 N變推力發(fā)動(dòng)機(jī)，為了避免開(kāi)艙，提出了在艙板開(kāi)操作孔的實(shí)施方案。利用虛擬仿真平臺(tái)確認(rèn)了結(jié)構(gòu)板開(kāi)孔工藝實(shí)施方案（包括開(kāi)孔的形狀和尺寸），仿真結(jié)果見(jiàn)圖7。最終，通過(guò)虛擬仿真不僅解決了7500 N變推力發(fā)動(dòng)機(jī)的拆卸技術(shù)難題，并且節(jié)省了近20天時(shí)間，確保了型號(hào)的研制進(jìn)度。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)拆除方案仿真圖Fig. 7 The virtual simulation analysis for removing motor

3.3 人機(jī)工效分析

人機(jī)工效學(xué)分析也是航天器總裝工藝設(shè)計(jì)的一個(gè)主要內(nèi)容，其目的是檢驗(yàn)人員操作的可實(shí)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(jìn)行操作姿態(tài)及動(dòng)作的仿真，判斷是否存在人機(jī)工效學(xué)問(wèn)題。根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的人體模型優(yōu)化或者工裝的改進(jìn)，尤其是危險(xiǎn)操作環(huán)境下的關(guān)鍵操作，有必要進(jìn)行人機(jī)工效分析，確保人員的操作安全性和舒適性。

人機(jī)工效學(xué)分析是在總裝虛擬仿真中引入人體模型進(jìn)行仿真，具體的分析內(nèi)容有可達(dá)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(dá)性及其操作空間分析和可視性分析已在虛擬仿真平臺(tái)上完成了實(shí)例的仿真。在探月工程二期工藝設(shè)計(jì)階段，分別對(duì)巡視器與著陸器對(duì)接安裝、7500 N發(fā)動(dòng)機(jī)正常安裝以及 7500 N發(fā)動(dòng)機(jī)故障的拆卸再安裝方案的操作可達(dá)性和操作空間干涉性進(jìn)行了分析，具體詳見(jiàn)圖 3、圖 5和圖7。

為了確?！版隙鹑?hào)”在月夜?fàn)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(kāi)展了人機(jī)工效分析[17]。在“嫦娥三號(hào)”塔架總裝中利用DELMIA軟件及其提供的人體模型進(jìn)行了仿真分析，分別對(duì)不同身高和手臂長(zhǎng)度的人體的肩部、肘部、手腕等活動(dòng)關(guān)節(jié)進(jìn)行裝配操作仿真，確認(rèn)操作者的最佳身高等參數(shù)。通過(guò)仿真分析比較，確認(rèn)進(jìn)行放射性元素安裝人員的適宜身高為1750～1800 mm，臂長(zhǎng)為600～650 mm，圖8為身高1750 mm、臂長(zhǎng)600 mm的操作人員在進(jìn)行“嫦娥三號(hào)”放射性元素設(shè)備安裝姿態(tài)的仿真圖。

3.4 工裝設(shè)計(jì)及優(yōu)化

總裝地面支持設(shè)備（簡(jiǎn)稱(chēng)：工裝）貫穿于整個(gè)航天器總裝過(guò)程中，不僅影響航天器產(chǎn)品總裝的效率，同時(shí)也可能影響航天器產(chǎn)品的質(zhì)量，其設(shè)計(jì)水平是總裝工藝設(shè)計(jì)優(yōu)劣的重要判定準(zhǔn)則。

“嫦娥三號(hào)”總裝地面支持設(shè)備除了支架車(chē)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(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)以及放射性設(shè)備安裝的專(zhuān)用設(shè)備等。在進(jìn)行地面支持設(shè)備研制時(shí)，不僅要考慮使用的可靠性，還要避免對(duì)艙內(nèi)的儀器及突起部分產(chǎn)生干涉、磕碰，以及污染等。

過(guò)去，航天器總裝地面支持設(shè)備的設(shè)計(jì)、制作和使用因涉及不同的部門(mén)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(yán)重時(shí)甚至影響設(shè)備的使用。作為使用部門(mén)，在地面支持設(shè)備的設(shè)計(jì)中把大量的精力耗費(fèi)在工藝與設(shè)計(jì)、工藝與制造的反復(fù)協(xié)調(diào)工作上，而無(wú)暇顧及在實(shí)際安裝過(guò)程中是否發(fā)生干涉，裝配操作空間是否足夠等實(shí)際問(wèn)題的解決。而利用虛擬仿真平臺(tái)開(kāi)展航天器總裝地面支持設(shè)備的設(shè)計(jì)，可以有效地解決這些問(wèn)題并得到及時(shí)驗(yàn)證[18]。在虛擬仿真平臺(tái)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(duì)地面支持設(shè)備進(jìn)行裝配校驗(yàn)，檢查分析設(shè)計(jì)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(jìn)和優(yōu)化。圖9為用機(jī)械臂進(jìn)行“嫦娥三號(hào)”某大型設(shè)備輔助裝配的應(yīng)用仿真。

圖9 用機(jī)械臂進(jìn)行“嫦娥三號(hào)”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(yǔ)

利用虛擬仿真平臺(tái)開(kāi)展了探月工程二期航天器總裝的工藝設(shè)計(jì)，有效地識(shí)別了“嫦娥三號(hào)”總裝工藝流程設(shè)計(jì)和工藝實(shí)施性設(shè)計(jì)的難點(diǎn)、風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，同時(shí)規(guī)劃了關(guān)鍵工序和關(guān)鍵檢驗(yàn)點(diǎn)，系統(tǒng)地優(yōu)化了工藝方案設(shè)計(jì)；開(kāi)展了人機(jī)工效分析和航天器總裝地面支持設(shè)備的設(shè)計(jì)優(yōu)化，解決了“嫦娥三號(hào)”研制過(guò)程中的工藝難點(diǎn)，提高了工藝設(shè)計(jì)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(hào)”研制過(guò)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(jì)的應(yīng)用提供參考。

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