裝配仿真技術(shù)在衛(wèi)星裝配中的應(yīng)用

北京衛(wèi)星制造廠 王洪雨 胡溶溶 喻懋林

近十年以來，我國航天領(lǐng)域進(jìn)入快速發(fā)展時期，各種類型衛(wèi)星大量涌現(xiàn)，衛(wèi)星平臺多樣化、復(fù)雜化趨勢愈發(fā)明顯。衛(wèi)星研制是一個復(fù)雜龐大的系統(tǒng)工程，其中衛(wèi)星裝配是衛(wèi)星研制的重要環(huán)節(jié)，對保證衛(wèi)星總體性能、功能及可靠性有直接、重要的影響。為了縮短衛(wèi)星裝配周期，提高衛(wèi)星裝配質(zhì)量，在實際生產(chǎn)中，急需推廣應(yīng)用先進(jìn)的裝配仿真技術(shù)，減少返修率，提高一次裝配成功率。

1 裝配仿真技術(shù)

裝配仿真是在三維數(shù)字化環(huán)境中動態(tài)實現(xiàn)所有零部件裝配成產(chǎn)品的全過程，并在裝配仿真過程中實時檢查碰撞干涉，確保各個零部件裝配到位。通過裝配仿真技術(shù)，能夠用最短的時間，最少的人力、物力、財力驗證產(chǎn)品裝配工藝方案的可行性。在衛(wèi)星裝配工藝方案設(shè)計階段，運用裝配仿真技術(shù)可以對整個裝配過程有一個直觀的了解，能夠為系統(tǒng)方案驗證、裝配序列規(guī)劃、裝配工藝編制、裝配風(fēng)險控制等提供重要參考依據(jù)。[1]

在國外，以DELMIA、Tecnomatix等裝配仿真軟件為代表的裝配仿真技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。波音公司對波音787已經(jīng)實現(xiàn)了全機裝配的仿真模擬，并建立了虛擬實驗室，三維動態(tài)演示飛機裝配全過程，評價裝配工藝方案的可行性[2]。盡管國內(nèi)許多大學(xué)和機構(gòu)都開展了裝配仿真技術(shù)研究，并取得了很大進(jìn)展，但是各種理論和方法還不成熟，大部分單位處于預(yù)研或試用階段。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于產(chǎn)品規(guī)劃與評價的時間還不長，導(dǎo)致裝配仿真系統(tǒng)的工程實用程度不高[3]。在航天領(lǐng)域，裝配仿真技術(shù)尚處于理論研究階段，裝配仿真僅限于總體設(shè)計階段基于三維造型軟件的各部組件的幾何分解，在實際裝配生產(chǎn)中尚未真正運用裝配仿真技術(shù)。

2 衛(wèi)星裝配特點

衛(wèi)星裝配是將各種星載儀器設(shè)備可靠地安裝在整星所要求的位置，通過電纜、導(dǎo)管連接起來，形成質(zhì)量特性、精度和氣密性都符合總體設(shè)計要求的整星。衛(wèi)星裝配分為組件、部件裝配，功能組件裝配，艙段裝配和整星裝配[4]。相對于其他行業(yè)，衛(wèi)星裝配具有以下特點：

（1）多型號、少批量。隨著衛(wèi)星需求的大量增加，衛(wèi)星和衛(wèi)星應(yīng)用正朝著多樣化方向迅速發(fā)展，加上衛(wèi)星研制本身具有周期長、投資大等特點，因而形成了衛(wèi)星多型號、小批量的生產(chǎn)特點，甚至是單件生產(chǎn)[5]。這就要求衛(wèi)星裝配工作要有極強的適應(yīng)能力，能夠針對不同類型衛(wèi)星的裝配需求，及時調(diào)整裝配工藝方案。

（2）開敞性差、安裝密集。受運載火箭整流罩內(nèi)部空間限制，衛(wèi)星內(nèi)部載荷安裝空間彌足珍貴，安裝密集，開敞性差。在衛(wèi)星狹小的空間內(nèi)，要安裝各種儀器設(shè)備、電纜網(wǎng)等功能模塊，狹小的操作空間一定程度上增加了裝配集成的難度。

（3）裝配精度要求高、難度大。衛(wèi)星的裝配精度對衛(wèi)星能否正常工作有著直接的影響。衛(wèi)星姿態(tài)的精確控制、衛(wèi)星天線指向的精確控制等，均依賴于相應(yīng)的設(shè)備和元器件在整星坐標(biāo)系下的精確安裝，例如某衛(wèi)星天線安裝角度誤差要求在0.03°以內(nèi)[6]。星載儀器設(shè)備多安裝在蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板上，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板脆性大、硬度高、修配困難。

（4）裝配環(huán)境要求嚴(yán)格。

衛(wèi)星裝配廠房對環(huán)境要求嚴(yán)格，一般情況下衛(wèi)星裝配廠房內(nèi)部溫度為20±5℃、濕度為40%～60%、潔凈度優(yōu)于100000級。此外對照明度、噪聲、有機污染程度等均應(yīng)滿足和型號衛(wèi)星的技術(shù)要求[4]。甚至要嚴(yán)格控制微生物污染，防止微生物腐蝕星體表面。

綜上分析，衛(wèi)星裝配任務(wù)繁重、技術(shù)難度大，要求苛刻，在衛(wèi)星實際生產(chǎn)中急需推廣應(yīng)用裝配仿真技術(shù)，及早發(fā)現(xiàn)裝配過程中可能出現(xiàn)的問題，提前優(yōu)化裝配工藝方案，有利于衛(wèi)星裝配工作順利進(jìn)行，提高一次裝配成功率。

3 裝配仿真技術(shù)在衛(wèi)星裝配中的應(yīng)用

裝配仿真的一般流程（如圖1）：首先要建立衛(wèi)星裝配仿真環(huán)境，將待裝配產(chǎn)品和裝配資源（裝配工具和設(shè)備）導(dǎo)入仿真工具；對產(chǎn)品進(jìn)行裝配序列和裝配路徑規(guī)劃；驗證人體和工具的可操作性；進(jìn)行裝配仿真動態(tài)模擬，直到消除靜態(tài)和動態(tài)干涉，驗證裝配方案可行性，生成相應(yīng)工藝文檔，指導(dǎo)實際生產(chǎn)。

圖1 裝配仿真一般流程Fig.1 General process of assembly simulation

3.1 裝配仿真環(huán)境建立

建立裝配仿真環(huán)境是指將待裝配產(chǎn)品零部件、裝配工裝、設(shè)備等所有裝配資源集成到裝配仿真軟件中，并進(jìn)行優(yōu)化布局。裝配廠房空間有限，裝配資源龐雜，合理的裝配資源布局能夠有效解決空間上的矛盾，提高空間利用率。

在某型號衛(wèi)星部裝裝配資源布局中，產(chǎn)品、工具、設(shè)備集中分類、有序布置、將待裝配零部件（結(jié)構(gòu)板）按照裝配順序距離部裝平臺由近到遠(yuǎn)依次擺放，方便拿取裝配零部件，從而提高裝配效率；需要專用工裝裝配的待裝配產(chǎn)品（承力筒）放在離專用裝配工裝附近；大型專用檢測設(shè)備ITP位置固定，部裝平臺距離ITP的距離應(yīng)在其正常工作范圍內(nèi)。此外注意預(yù)留人員和升降車通行通道。

3.2 裝配序列規(guī)劃

裝配序列規(guī)劃實質(zhì)上就是在各種幾何約束條件及工藝約束條件的制約下，求解出滿足各種約束條件、性能優(yōu)良的裝配序列[7]。各零部件裝配順序是裝配工藝規(guī)劃最基本的信息，通常情況下產(chǎn)品中各零部件之間的幾何關(guān)系、物理結(jié)構(gòu)及功能決定了產(chǎn)品的裝配順序。

一般情況下，衛(wèi)星總體設(shè)計人員給衛(wèi)星部裝工藝人員的模型為已經(jīng)裝配好的整星三維模型。適合運用拆解法進(jìn)行裝配序列規(guī)劃[8]，具體流程如圖2所示。在滿足裝配與拆卸過程可逆的條件下（有些情況下拆解和裝配過程并不可逆，在此不做討論），按照可拆既可裝的思想，將整星模型依次拆解成最小裝配單元，并記錄拆解順序，將拆解順序逆轉(zhuǎn)即可得到衛(wèi)星裝配序列。

圖2 拆解法裝配序列規(guī)劃流程Fig.2 Process of assembly sequences planning based on disassembling

3.3 人因工程模擬

人因工程仿真模擬是裝配仿真技術(shù)的重要內(nèi)容。衛(wèi)星裝配特點：多型號、少批量，開敞性差、安裝密集的特點決定了衛(wèi)星裝配難以實現(xiàn)自動化。目前，衛(wèi)星裝配仍然主要靠手工操作，因此人的因素在衛(wèi)星裝配仿真中不可忽視。

衛(wèi)星承力筒內(nèi)部空間狹小，通過人因工程模擬，可以直觀展示操作工人裝配時工作姿態(tài)，驗證人體及工具的可達(dá)性和裝配的可操作性。此外，通過對人體模型的操作姿態(tài)分析，可以預(yù)判操作工人的工作強度，完善裝配工藝方案中的不合理處，改善工人操作環(huán)境，從進(jìn)一步提高裝配效率。

3.4 裝配仿真模擬

完成裝配環(huán)境建立、裝配序列及路徑規(guī)劃、人因工程模擬后對整個裝配過程進(jìn)行動態(tài)裝配仿真模擬，檢查整個裝配過程是否存在裝配干涉。提前發(fā)現(xiàn)裝配干涉，及時查明發(fā)生干涉的原因，確定是否能夠通過調(diào)整裝配順序、裝配路徑消除干涉。甚至有時需要修改產(chǎn)品設(shè)計消除裝配干涉。經(jīng)過多次調(diào)整、模擬，確定整個裝配工藝方案可行，生成相應(yīng)的裝配仿真視頻和工藝文檔，指導(dǎo)實際生產(chǎn)。

4 未來展望

（1）目前，衛(wèi)星裝配仿真技術(shù)的應(yīng)用主要還停留在衛(wèi)星設(shè)計階段，解決的是驗證衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計的可裝配性。未來需將裝配仿真技術(shù)進(jìn)一步推廣應(yīng)用到衛(wèi)星裝配生產(chǎn)現(xiàn)場，用三維裝配工藝替代目前二維裝配工藝。

（2）目前實際應(yīng)用的裝配仿真系統(tǒng)主要是基于三維CAD軟件生成的剛性、無制造偏差的數(shù)字模型完成裝配過程仿真。未來還需進(jìn)一步研究開發(fā)更接近現(xiàn)實的裝配仿真模擬技術(shù)，綜合考慮零部件的制造偏差和裝配變形。

（3）目前，衛(wèi)星裝配仿真技術(shù)應(yīng)用僅僅是針對某一階段或者某一部組件的裝配進(jìn)行仿真模擬。未來應(yīng)形成衛(wèi)星從最小裝配單元到整星的全裝配過程甚至檢測過程的仿真模擬。綜合考慮人、設(shè)備、工具、廠房等生產(chǎn)要素，追求各生產(chǎn)要素的和諧統(tǒng)一。

（4）一顆衛(wèi)星會有多種裝配工藝方案，目前裝配仿真技術(shù)主要解決了驗證裝配工藝方案是否可行的問題。未來還需要研究探索對衛(wèi)星裝配過程快速有效的評價方法和系統(tǒng)。

[1] 劉胤，李志云，趙輝.衛(wèi)星結(jié)構(gòu)裝配工藝仿真工程化應(yīng)用方法研究.航天制造技術(shù), 2006(6):52-55.

[2] 范玉青.波音787飛機總裝配線及其特點.航空制造技術(shù)，2011(23):38-42.

[3] 夏平均，姚英學(xué).虛擬裝配的研究綜述與分析(II).哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，40(6)：942-947.

[4] 孫家棟.衛(wèi)星工程概論（下）.北京:宇航出版社，1998:278-283.

[5] 高慎斌.衛(wèi)星制造技術(shù)（下）.北京:宇航出版社，1998:284-285.

[6] 張明,喻懋林,張玉生. 自動化技術(shù)在衛(wèi)星天線高精度裝配中的應(yīng)用研究.航空制造技術(shù), 2013(20):26-29.

[7] 孫康.“TXZ”微小衛(wèi)星虛擬裝配關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué)，2007.

[8] 吳維江.基于DELMIA的飛行器虛擬裝配技術(shù)研究與應(yīng)用[D]. 南京：南京航空航天大學(xué)，2008.