運載火箭三維IPD協(xié)同研制技術(shù)

李 澍 ，王小軍，范瑞祥，任京濤，李 莉

（1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076；2.中國運載火箭技術(shù)研究院，北京，100076）

0 引言

為了使火箭研發(fā)設(shè)計水平能接近甚至達到世界一流并適應(yīng)未來航天科技發(fā)展需求，必須解決火箭產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計制造并行協(xié)同研制問題。鑒于在火箭研制工程的協(xié)同設(shè)計、高效設(shè)計及系統(tǒng)集成等方面存在的一系列制約性技術(shù)難題，需要以火箭設(shè)計制造協(xié)同為對象開展研究，在借鑒、消化吸收國內(nèi)外先進的協(xié)同產(chǎn)品研制技術(shù)[1]（Integrated Product Development，IPD）基礎(chǔ)上進行改進創(chuàng)新，結(jié)合火箭研制特點和設(shè)計生產(chǎn)實際需求，解決制約火箭設(shè)計制造協(xié)同、設(shè)計效率提高和專業(yè)設(shè)計工具集成等一系列關(guān)鍵技術(shù)問題[2]，大幅度提高產(chǎn)品設(shè)計能力，增強國際競爭力，促進火箭設(shè)計、生產(chǎn)及管理水平再上新臺階，為實現(xiàn)中國航天強國的宏偉目標提供技術(shù)支撐。

1 總體思路

在調(diào)研國內(nèi)外三維協(xié)同研制IPD的同時[3,4]，分析火箭設(shè)計制造工作特點，開展三維IPD協(xié)同研究，從以下幾個主要方面分步開展：

a）借鑒MBD（Model Based Deifinition，基于模型的定義）[5]核心技術(shù)，結(jié)合實際工作需求和基礎(chǔ)能力，提出適合現(xiàn)階段火箭數(shù)字化設(shè)計制造水平并適當考慮未來技術(shù)發(fā)展趨勢的MBD技術(shù)方案，解決三維協(xié)同數(shù)據(jù)集中包含的關(guān)鍵內(nèi)容在與實際工程應(yīng)用結(jié)合上的取舍與優(yōu)化問題；

b）結(jié)合工程應(yīng)用需求選擇適宜的基礎(chǔ)平臺，基于PROE/WINCHILL集成開發(fā)構(gòu)建火箭三維協(xié)同研制系統(tǒng)，滿足多專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計的實際需要以及實現(xiàn)數(shù)字化條件下的設(shè)計制造一體化協(xié)同研制，確保各專業(yè)人員在同一個產(chǎn)品模型上協(xié)同工作，提高設(shè)計效率，同時也提高產(chǎn)品的可制造性；

c）結(jié)合火箭研制設(shè)計管理流程，基于五級模型成熟度管理技術(shù)開展與三維協(xié)同研制系統(tǒng)相適應(yīng)的協(xié)同工作流程，提出三維模式下的校審流程、分發(fā)流程、協(xié)同設(shè)計流程等管理規(guī)定；

d）研究建立火箭三維協(xié)同設(shè)計的技術(shù)標準體系，提出編碼體系、建模標準、標注標準等，規(guī)范火箭“三維設(shè)計、三維下廠”的協(xié)同研制過程。

第一項中的MBD技術(shù)是三維IPD協(xié)同的關(guān)鍵技術(shù)，也是實現(xiàn)三維設(shè)計、三維下廠和無紙化生產(chǎn)的核心知識載體。以下重點對MBD技術(shù)涉及到的一系列關(guān)于三維標注、協(xié)同信息表達、設(shè)計模型建模及三維出圖等開展研究。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 MBD技術(shù)研究

2.1.1 基于MBD的三維標注技術(shù)

MBD[1]是將產(chǎn)品設(shè)計信息、制造要求共同定義到以三維產(chǎn)品模型為核心的數(shù)字化模型中，使CAD和CAM（加工、裝配、測量、檢驗）等實現(xiàn)真正的高度集成，提高研制質(zhì)量和效率的協(xié)同研制核心技術(shù)。它體現(xiàn)了精細化設(shè)計和制造的思想，要求設(shè)計和工藝協(xié)同工作，共同開展面向產(chǎn)品的設(shè)計、面向產(chǎn)品的制造，把產(chǎn)品可制造性、工藝經(jīng)濟性等問題提前考慮解決，提高產(chǎn)品裝配一次成功率，切實有效地提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少反復(fù)、縮短周期。

為保證MBD技術(shù)在型號研制中得以應(yīng)用，重點圍繞三維數(shù)模尺寸全標注問題，對標準開展大量的研究，主要有：美國機械工程師協(xié)會AMSE標準，包括ASME Y14.41-2003數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)實施規(guī)程、ASME Y14.5M-2009確定尺寸及規(guī)定公差，國家推薦標準GB/T 24734-2009技術(shù)產(chǎn)品文件數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則。通過研究發(fā)現(xiàn)，上述標準對MBD模型應(yīng)包括的內(nèi)容、三維標注的樣式、視圖的管理，以及尺寸和公差確定的規(guī)則進行了詳細定義，適用于機械類通用產(chǎn)品。但內(nèi)容多、范圍廣，對航天產(chǎn)品的針對性不強，因此，為了使標準得以落地，從工程應(yīng)用上“標什么、怎么標、怎么用”的角度進一步思考，在繼承ASME和國家標準的基礎(chǔ)上，對包括通用要求、視圖、尺寸與公差標注、基準與幾何公差標注、表面粗糙度標注、關(guān)鍵特性標注、焊縫符號標注、裝配定義標注，MBD模型應(yīng)包括的內(nèi)容、三維標注的樣式、視圖的管理，以及尺寸和公差確定的規(guī)則進行了適應(yīng)性的闡釋，建立火箭產(chǎn)品三維標準信息集，從而獲得了關(guān)鍵技術(shù)的重要突破。

2.1.2 MBD支持的協(xié)同信息表達技術(shù)

研究了MBD支持的協(xié)同信息表達技術(shù)，作為協(xié)同工作開展的依據(jù)：

a）標注視圖信息表達技術(shù)。

二維與三維的最大差異，在于標注視圖的不同。為了保持對二維制圖的繼承性，標注視圖采用正投影法，將三維標注標注在主視、俯視、右視3個視圖中，以前、上、右3個面作為標注面，主視、俯視、側(cè)視（左視或右視）按圖1定義。在必要情況下，可增加剖視圖、定向視圖等。

圖1 各標注視圖方向Fig.1 Direction of Each Plot Gaze Map

1）當標注簡單時定義全顯示視圖和缺省軸測圖，其它不創(chuàng)建；2）當標注元素較多時，按主視、俯視、右視、輔助視圖、技術(shù)要求和缺省軸測視圖定義。

為了消除因測量基準不同而導(dǎo)致的生產(chǎn)、加工及檢測誤差，約定在模型上標注設(shè)計基準。至少要標注3個方向的設(shè)計基準，如圖2所示的A、B、C。當3個基準不滿足設(shè)計需要時，一般可增加基準。

圖2 標注示例(全顯示視圖)Fig.2 Annotation Example(Full Display View)

b）典型零件信息表達技術(shù)。

鈑金零件三維模型如圖3a所示，除表達三維信息外，還需要同時表達平面展開信息。建模按真實尺寸，包括倒角等真實細節(jié)信息。標注方法如下：1）定義軸測圖方向；2）草繪標注輔助線（如中心對稱線等）；3）標注設(shè)計基準；4）標注尺寸公差；5）依次標注各個投影方向的特殊尺寸；6）創(chuàng)建全部鉚釘導(dǎo)孔點；7）創(chuàng)建顯示視圖。

機加零件三維模型如圖3b所示，按真實尺寸完成建模，包括倒角等真實細節(jié)信息。明確機加件未注尺寸公差：1）6 mm及以下，按±0.2 mm；2）大于6 mm時，按GB/T1804-m級執(zhí)行。

標注過程與鈑金基本類似，主要區(qū)別在于兩點：1）當表面粗糙度統(tǒng)一要求或其它統(tǒng)一要求時，用“全部”或“其余”標注在視圖右上角；2）當零件上有深孔時，創(chuàng)建深孔剖視圖。

復(fù)合材料件零件建模如圖3c所示，按最終成型狀態(tài)進行實體建模，在技術(shù)條件中寫明復(fù)合材料鋪層等制造技術(shù)要求。復(fù)合材料尺寸公差要求在技術(shù)條件中明確。標注過程與鈑金基本類似，主要區(qū)別在于：標注技術(shù)條件時，包括復(fù)合材料鋪層方向等制造技術(shù)要求。

圖3 典型零件信息表達示例Fig.3 Example of Information Representation for Typical Parts

續(xù)圖3

c）總裝及部段裝配信息表達技術(shù)。

殼段鉚接組件三維模型按照全約束完成裝配。具體標注方法如下：

1）建立對稱中心線、參考面等輔助參考特征，支架軸向定位采用柱坐標系，即半徑+角度+高度；

2）殼段組件及主要相關(guān)零件的設(shè)計基準為上下端框、中心軸、4個象限線，在標準或技術(shù)條件中明確，不作標注；

3）在軸測圖方向，標注輪廓尺寸；

4）俯視狀態(tài)，標注壁板搭接位置尺寸；

5）標注2件（含2件）以上組裝支架定位尺寸，視圖根據(jù)顯示清楚為原則進行定義；

6）在裝配中需要加工的特征定位尺寸必須標注，如配打孔、裝配托板螺母等；

7）分壁板標注桁條分布尺寸和技術(shù)條件；

8）端框零件標注接口尺寸和技術(shù)條件，截面尺寸不標注；

9）端框組件標注接口尺寸、鉚釘排列和技術(shù)條件；

10）蒙皮標注需要標注尺寸公差、展開圖和技術(shù)條件；

11）每個鉚釘排布不同的桁條為一個圖號，桁條主要標注前后端框和中間框位置、輪廓尺寸、鉚釘排布和技術(shù)條件；

12）環(huán)框零件標注輪廓尺寸、缺口類型和技術(shù)條件，組件標注輪廓尺寸、鉚釘排布和技術(shù)條件；

13）鉚釘標注緊固件及全部鉚釘孔用點表示，組件上標注規(guī)格、長度、數(shù)量和方向，所有鉚釘分布尺寸均不標注，其中，環(huán)框上的鉚釘給出排列規(guī)則，特殊的創(chuàng)建鉚釘點。

圖4為鉚釘標注示例，圖中標識為鉚釘型號。

圖4 鉚釘標注示例Fig.4 Examples of Rivet Marking

作為三維模型的補充，儀器電纜總裝、子級總裝、全彈箭總裝均以總裝模型+技術(shù)文件形式下廠。部段裝配僅三維模型下廠，在模型中標注大量裝配信息。允許部段裝配帶技術(shù)文件下廠，部段裝配中僅保留少許標注或者不標注，將裝配連接關(guān)系、裝配要求、驗收要求等在技術(shù)文件中明確。這樣做的優(yōu)勢包括技術(shù)文件編寫相對簡單、表達清晰，同時后續(xù)更改時大部分情況下可以不修改三維模型，直接更改技術(shù)文件。

2.1.3 三維設(shè)計模型建模與出圖技術(shù)

研究了蜂窩夾層復(fù)合材料建模、整流罩建模、彈簧類標準件建模、鉚釘建模、電連接器建模、總體三維總裝出圖、管路三維總裝等一系列技術(shù)，包括緊固件標注和數(shù)量統(tǒng)計方法、弧長標注方法等，基本解決了基于模型的定義技術(shù)，建立了面向設(shè)計與制造的全箭數(shù)字樣機，實現(xiàn)了火箭生產(chǎn)制造依據(jù)由二維圖樣向全三維數(shù)模的轉(zhuǎn)變，為IPD順利推進奠定了重要基礎(chǔ)。

2.2 IPD協(xié)同平臺構(gòu)建技術(shù)

協(xié)同平臺是提供型號信息化運作的基礎(chǔ)環(huán)境，包括網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、通信等軟硬件實施，通過解決設(shè)計各階段信息孤島問題，實現(xiàn)火箭三維設(shè)計信息一體化的跨域、動態(tài)、協(xié)同、并行工作和數(shù)據(jù)庫信息資源共享。參照國內(nèi)外先進的PDM研制經(jīng)驗，以全面實現(xiàn)三維IPD并行協(xié)同和三維設(shè)計技術(shù)狀態(tài)控制為目標，研究提出三維協(xié)同研制平臺的總體框架，建立基于模型的協(xié)同研制平臺，為型號三維協(xié)同設(shè)計與制造提供支撐。

鑒于IPD多部門的群體并行協(xié)同工作要求把產(chǎn)品信息和開發(fā)過程有機地集成起來，需要把正確的信息、在正確時間、以正確的方式、傳遞給正確的目標，并進行正確的處理。為此，在平臺研制中，建立以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為核心的三維數(shù)模，將明細表、設(shè)計文檔、更改單、技術(shù)通知單、基線、各種電子流程等相關(guān)數(shù)據(jù)與之關(guān)聯(lián)管理，以實現(xiàn)三維設(shè)計數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化管理。

2.3 基于成熟度管理的IPD協(xié)同工作流程設(shè)計

三維設(shè)計成熟度[1]是在產(chǎn)品數(shù)字化定義過程中給設(shè)計所賦予的一個成熟程度標識，用于反映該設(shè)計對象從開始設(shè)計到最終發(fā)放的成熟過程。在火箭研制過程中，系統(tǒng)分析設(shè)計、工藝、工裝、檢驗、物資備料等工作內(nèi)容，對設(shè)計流程、管理規(guī)則等各方面進行優(yōu)化、調(diào)整，提出IPD工作內(nèi)容和建立適應(yīng)火箭產(chǎn)品數(shù)字化并行協(xié)同設(shè)計的IPD協(xié)同工作流程，將三維數(shù)字化設(shè)計過程依據(jù)成熟程度劃分為5個階段，稱為5級成熟度劃分，并由低到高依次記為M1～M5。

5級成熟度劃分反映數(shù)字化協(xié)同設(shè)計的5個階段，每個階段有著不同的工作目標和側(cè)重點：a）M1階段，設(shè)計要求充分明確階段，主要完成設(shè)計輸入條件的明確、明確工藝禁忌，梳理已有工裝、梳理物資選型范圍，初步確定設(shè)計方案；b）M2階段，對設(shè)計方案進行細化，完成主結(jié)構(gòu)設(shè)計，工藝開始介入；c）M3階段，側(cè)重于從制造工藝的角度對設(shè)計進行完善，包括完成功能性結(jié)構(gòu)設(shè)計和主結(jié)構(gòu)完善，工藝完成初步設(shè)計，工裝設(shè)計啟動，物資備料啟動；d）M4階段，設(shè)計定型，制造工藝的相關(guān)因素基本確定，主要完成產(chǎn)品設(shè)計，工藝、檢驗、工裝設(shè)計，物資備料方案；e）M5階段，各方完成技術(shù)狀態(tài)受控,成為制造生產(chǎn)的正式依據(jù)。在五級成熟度提升過程中，設(shè)計工藝各方持續(xù)緊密協(xié)同，共同完成各自相關(guān)工作。

3 協(xié)同IPD技術(shù)工程應(yīng)用

三維IPD協(xié)同研制工作在新型運載火箭得以實施開展，改變了傳統(tǒng)火箭研制串行工作的理念，并在行業(yè)內(nèi)首次實現(xiàn)了并行協(xié)同工作及二維出圖模式向三維出圖模式的轉(zhuǎn)變，具體應(yīng)用如下：

a）建立MBD，使工藝人員更容易理解設(shè)計意圖，設(shè)計人員也更深入了解產(chǎn)品的可制造性，減少了設(shè)計反復(fù)和工程更改次數(shù)，大幅提高了設(shè)計質(zhì)量和效率。就典型零部件，經(jīng)不完全統(tǒng)計，MBD技術(shù)的應(yīng)用效果評估如表1所示。

表1 MBD技術(shù)對于設(shè)計工作的影響Tab.1 The Impact of MBD Technology on Design Work

b）建立聯(lián)合辦公的工作環(huán)境和協(xié)同研制的工作平臺，縮短了所有協(xié)調(diào)和信息交流的路徑，精減和疏通了妨礙研制提高工作效率的環(huán)節(jié)，尤其是工藝人員提前介入，生產(chǎn)準備周期得到大大的縮減，最大程度上加快研制進度，降低研制成本。比如，基于協(xié)同平臺的電子分發(fā)取代了傳統(tǒng)人工分發(fā)，使傳統(tǒng)的紙質(zhì)藍曬文件傳遞周期由1個月縮短為1天，效率成倍提升。

按傳統(tǒng)的“設(shè)計-工藝審查-修改-出圖-工藝-物流-生產(chǎn)”的流程，從產(chǎn)品圖紙下廠到生產(chǎn)出實物，需要經(jīng)過較多環(huán)節(jié)，如圖5所示，也需要相對較長時間，存在組織、管理、生產(chǎn)方式和數(shù)字化協(xié)同方式可以提供的效率之間的顯著矛盾。

圖5 傳統(tǒng)串行工作流程（優(yōu)化前）Fig.5 Traditional Serial Workflow(Before Optimization)

通過IPD優(yōu)化設(shè)計制定了如圖6所示的火箭數(shù)字化并行工作流程，把各項工作盡可能同步、甚至提前進行；按照上述流程安排，IPD小組共同參與三維模型設(shè)計、工藝規(guī)劃、工裝設(shè)計等工作大大縮短了數(shù)據(jù)傳遞的時間和傳遞的路徑，更提高了設(shè)計質(zhì)量。經(jīng)型號實踐證明，該流程成功指導(dǎo)了協(xié)同研制工作的開展。

圖6 IPD并行工作流程（優(yōu)化后）Fig.6 IPD Parallel Workflow(Optimized)

c）建立了三維IPD協(xié)同研制的技術(shù)標準體系，形 成一套可以支持火箭全過程設(shè)計的一種行之有效的火箭設(shè)計示范樣本、設(shè)計流程。

4 結(jié)束語

目前該技術(shù)已不同程度的在多個火箭的三維協(xié)同研制中應(yīng)用，經(jīng)受了方案至試樣飛行的全生命周期工程實踐的檢驗，也廣泛地向運載飛行器全行業(yè)推廣。

火箭三維IPD協(xié)同研制技術(shù)的大面積采用，引發(fā)了航天的一場革命，改變了幾十年一直按專業(yè)和部門職能管理型號研制的做法，演變?yōu)榘慈蝿?wù)實行IPD柔性化、敏捷化的新局面，并逐步打破專業(yè)、部門界限，密切專業(yè)之間、部門之間的關(guān)系，形成航天研制的大總體、大結(jié)構(gòu)、大系統(tǒng)的格局。

在世界先進的航空航天企業(yè)中，目前采用PROE/WINCHILL作為協(xié)同研制軟件支撐平臺在工程應(yīng)用上案例很少。在三維IPD協(xié)同研制過程中，解決了大量的技術(shù)和管理問題。但從協(xié)同研制平臺和手段上，與世界先進的航空航天企業(yè)仍存在差距，在后續(xù)的研究工作中，需要進一步對標先進，優(yōu)化技術(shù)路線，解決技術(shù)瓶頸，支撐后續(xù)協(xié)同IPD的深入開展。