基于MBD的小衛(wèi)星數(shù)字化應(yīng)用

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

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

隨著數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)的發(fā)展和三維CAD技術(shù)的成熟、普及，我國基于MBD技術(shù)的全三維數(shù)字化設(shè)計也開始逐步發(fā)展起來。國內(nèi)航天器的設(shè)計制造正在經(jīng)歷著從“三維設(shè)計、二維出圖”階段到“全三維數(shù)字化設(shè)計”階段的轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)階段小衛(wèi)星設(shè)計制造中重點解決衛(wèi)星總體協(xié)同設(shè)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(shè)計制造方法，打通了從總體集成設(shè)計到最終總裝產(chǎn)品的數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)了小衛(wèi)星設(shè)計制造過程的無紙化。

1 小衛(wèi)星全數(shù)字化設(shè)計制造實現(xiàn)

基于MBD的設(shè)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(xì)設(shè)計和生產(chǎn)裝配，開展基于MBD技術(shù)的主結(jié)構(gòu)、管路、電纜網(wǎng)、直屬件、熱控部件的數(shù)字樣機(jī)設(shè)計，打通總體設(shè)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備及標(biāo)準(zhǔn)件三維模型，定義統(tǒng)一的設(shè)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(shè)計環(huán)境，建立頂層總體布局，采用自頂向下的設(shè)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(gòu)三維設(shè)計下廠。利用頂層發(fā)布的設(shè)備接口數(shù)據(jù)，對主結(jié)構(gòu)零部件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，基于同一個數(shù)據(jù)平臺，完成三維下廠模型標(biāo)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(yīng)零部件生產(chǎn)制造。

（4）熱控件三維設(shè)計下廠。利用頂層發(fā)布的設(shè)備熱控接口數(shù)據(jù)，對整星熱控件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，并完成相應(yīng)熱控零部件的三維下廠。

（5）整星電纜網(wǎng)三維設(shè)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(jìn)行整星電纜網(wǎng)的詳細(xì)設(shè)計，生成電纜分支長度，進(jìn)行電纜網(wǎng)生產(chǎn)。

（6）總裝直屬件三維設(shè)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(guān)系，進(jìn)行總裝直屬件的詳細(xì)設(shè)計，通過全三維下廠，完成相應(yīng)零部件的生產(chǎn)。

（7）推進(jìn)管路三維設(shè)計下廠。

根據(jù)頂層發(fā)布的管路布局?jǐn)?shù)據(jù)，進(jìn)行管路詳細(xì)設(shè)計，完成管路組件工藝審查，由制造廠通過數(shù)控彎管機(jī)完成管路自動彎管預(yù)制，最終完成管路焊裝。

（8）總裝數(shù)字樣機(jī)形成。

更新總體模型，形成并發(fā)布完整的型號數(shù)字樣機(jī)，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(shè)計制造實現(xiàn)過程中的部分關(guān)鍵問題及解決

2.1 協(xié)同設(shè)計環(huán)境

圖1 小衛(wèi)星全三維數(shù)字化設(shè)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(shè)計、二維出圖”的設(shè)計制造模式，設(shè)計與設(shè)計、設(shè)計與制造數(shù)據(jù)不關(guān)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(fù)錄入、設(shè)計，更改工作量大、效率低。

在全三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)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(shè)計的關(guān)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(shè)計環(huán)境。

在小衛(wèi)星的全三維數(shù)字化設(shè)計制造過程中，分析明確接口數(shù)據(jù)參數(shù)，制定標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)集，開發(fā)與三維設(shè)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(jìn)行模型的管理和受控傳遞，實現(xiàn)設(shè)計環(huán)境的統(tǒng)一。

2.2 總體布局與協(xié)同設(shè)計

建立頂層總體布局，采用自頂向下的設(shè)計模式，進(jìn)行協(xié)同設(shè)計，極大地提高了設(shè)計效率和正確率。衛(wèi)星工程需要多學(xué)科交叉迭代，涉及機(jī)、電、熱等多專業(yè)協(xié)同，各專業(yè)又由多名設(shè)計師共同設(shè)計完成。各協(xié)同設(shè)計模型，既要保持總體的相關(guān)性和各自部裝模型的獨立性，又要做到模型對應(yīng)制造端的適應(yīng)性，模型的層級規(guī)劃是非常關(guān)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(shè)計相關(guān)的結(jié)構(gòu)板、管路零件的骨架模型。管路設(shè)計師按照特定的層級關(guān)系設(shè)計管路分支，層級關(guān)系需要滿足工藝要求，再通過總體模型檢查管路的設(shè)計干涉情況。設(shè)計完成的管路模型在PDM平臺中進(jìn)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(jī)中進(jìn)行預(yù)制，最終完成設(shè)計管路焊接。設(shè)計生產(chǎn)效率非常高，設(shè)計正確率達(dá)到100%。

2.3 裝配體模型設(shè)計

全三維數(shù)字化設(shè)計制造主要以三維實體模型表達(dá)產(chǎn)品定義信息，相對于之前總體設(shè)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(shè)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(fù)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(jī)內(nèi)存和CPU資源占有量逐步增大，計算機(jī)反應(yīng)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(shè)計制造過程中，具體解決方法如下：

（1）單機(jī)設(shè)備模型簡化處理。衛(wèi)星星上設(shè)備基本為外協(xié)單位開發(fā)的產(chǎn)品，總體單位進(jìn)行集同設(shè)計，控制減小每臺單機(jī)設(shè)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(shè)備單機(jī)單個本體模型，包含設(shè)備的外形、尺寸、機(jī)械接口、電連接器接口、質(zhì)量特性等必要特性，不需要單機(jī)設(shè)備內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。而外協(xié)設(shè)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(shè)計計算機(jī)的處理能力，25 M左右的模型是可以接受的，所以標(biāo)準(zhǔn)單機(jī)模型建立前需要在進(jìn)行簡化處理，再進(jìn)行質(zhì)量特性重新定義和模型基準(zhǔn)設(shè)置。

單機(jī)設(shè)備模型快速簡化處理方式的核心思路是保留設(shè)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(shè)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(jī)設(shè)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(jī)設(shè)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(gòu)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(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，當(dāng)全部設(shè)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(jī)軟硬件性能。三維設(shè)計建模用計算機(jī)一般是企業(yè)內(nèi)配置較高的計算機(jī)，大部分企業(yè)使用普通高配置計算機(jī)作為設(shè)計用計算機(jī)，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(shè)計要求。這就需要使用圖形工作站進(jìn)行三維產(chǎn)品設(shè)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(qiáng)的ECC內(nèi)存、更快速的芯片組、更高運(yùn)行穩(wěn)定性。圖形工作站的配置準(zhǔn)則在于：切實了解應(yīng)用需求，以合理的價格組建一個符合應(yīng)用軟件要求的穩(wěn)定、高速、高效的設(shè)計平臺，以最大程度地實現(xiàn)設(shè)計人員的設(shè)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(shè)計軟件也是必須的。

2.4 單機(jī)模型設(shè)計更改

圖4 單機(jī)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(wù)設(shè)計難度大、時間進(jìn)度緊，幾乎大部分單機(jī)設(shè)備與總體設(shè)計是同步進(jìn)行的，這就造成單機(jī)設(shè)備模型更改是不可避免的。而單機(jī)設(shè)備模型作為數(shù)據(jù)源載體，又處在型號設(shè)計建模的前端，它的更改將帶來單機(jī)接口數(shù)據(jù)重新定義，相關(guān)各種設(shè)計的調(diào)整，含有大量的重復(fù)操作。因此，如何減少單機(jī)設(shè)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(shè)備本體處在設(shè)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(jī)接口數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)點、坐標(biāo)系，將電連接器、標(biāo)準(zhǔn)件通過這些參數(shù)驅(qū)動的基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)點、坐標(biāo)系裝配，與單機(jī)本體不直接發(fā)生關(guān)系。當(dāng)設(shè)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(shè)備換型層級關(guān)系如圖5所示。

圖5 用于整星的典型設(shè)備模型層級關(guān)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(shè)計制造的實現(xiàn)過程，并列舉了在數(shù)字化設(shè)計制造實現(xiàn)過程中的部分關(guān)鍵問題及解決方法。

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

（1）進(jìn)一步優(yōu)化已有的設(shè)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(biāo)準(zhǔn)體系。

（2）建立多學(xué)科數(shù)字化協(xié)同仿真分析設(shè)計，如力學(xué)分析、熱分析、電磁兼容性分析等，實現(xiàn)設(shè)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(shè)計，基于MBD技術(shù)的全三維數(shù)字化設(shè)計制造具有明顯的設(shè)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(jī)公司的應(yīng)用.航空工藝技術(shù),1996(2):7-10..

[2] 劉江,劉質(zhì)加,辛強(qiáng).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(shè)計基礎(chǔ).北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社, 2010.