航天器數(shù)字化總裝新模式

◎北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 陳暢宇 賀文興 劉廣通

近年來,在航天器研制任務量大幅增加的背景下，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所圍繞航天器總裝和環(huán)境工程兩大主營業(yè)務，以宇航智造工程目標為導向，型號研制實際需求為牽引，圍繞三維模型在AIT階段的貫通應用進行了積極探索和實踐，不斷深化數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化技術應用，有效提升型號AIT研制能力，取得了顯著成績，形成了數(shù)字化AIT新模式。

一、背景

航天器一般由十幾個子系統(tǒng)構成，是一種復雜的機電熱耦合系統(tǒng)。航天器裝配集成測試（Assembly Integration Test, AIT）是一項復雜的系統(tǒng)性工作，是衛(wèi)星產(chǎn)品功能和性能實現(xiàn)的最終階段和關鍵階段，是影響衛(wèi)星研制質(zhì)量和服役性能的重要因素，占整星研制周期的30%-50%，涉及工藝仿真與規(guī)劃、裝配工藝、地面機械支持設備、裝配檢測、多學科地面試驗等專業(yè)，AIT 技術與裝備水平直接影響到衛(wèi)星研制的質(zhì)量、效率，甚至產(chǎn)品的成敗。

近年來,在航天器研制任務量大幅增加的背景下，數(shù)字化手段成為增效提質(zhì)的有力手段，在中國空間技術研究院“宇航智造工程”的牽引和支持下，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所圍繞航天器總裝和環(huán)境工程兩大主營業(yè)務，積極探索基于模型的數(shù)字化AIT生產(chǎn)模式，不斷深化數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化技術應用，有效提升型號AIT 研制能力，持續(xù)增強科學保成功能力，取得了顯著成績，形成了數(shù)字化AIT新模式。

二、總體規(guī)劃

在院宇航智造工程“全面實現(xiàn)三維模型在新研型號設計、制造、集成全過程的貫通與應用、推進智能裝備研制與應用”總體目標要求下，總環(huán)部圍繞航天器總裝和環(huán)境試驗兩大主營業(yè)務，大力推進宇航智造工程建設，抓住“一個輸入、兩個主業(yè)、一個目標”，即以三維模型為輸入，分別開展基于三維的智能總裝、智慧試驗等模式優(yōu)化，以構建航天器AIT 過程數(shù)據(jù)中心、實施智能管控為目標，為航天器AIT 研制提質(zhì)增效奠定基礎。大力開展基于三維模型的數(shù)字化工藝設計、設計/工藝信息在總裝現(xiàn)場可視化應用、機器人等智能裝備研制、基于三維模型的熱控多層數(shù)字化自動生產(chǎn)、AIT 生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集管理等活動，致力于建立從設計、物資、工藝、試驗、實施、質(zhì)量、調(diào)度和數(shù)據(jù)包的完整數(shù)字化研制體系，初見成效，在科研生產(chǎn)中發(fā)揮了愈來愈重要的作用。

在航天器總裝方面，建立基于三維的航天器總裝工作模式，并以“星上工作星下化、主線工作輔線化、輔線工作單元化、單元工作自動化”的“四化”理念為基礎，推動智能裝備升級，改進手段方法，將艙段總裝剝離“總裝島”模式，實現(xiàn)衛(wèi)星生產(chǎn)單元化脈動，主輔線工作并行化開展，智能裝備屬地化配置，人員技能專業(yè)化發(fā)展。

通過“星上工作星下化”，以工藝流程為基礎，優(yōu)化操作流程，梳理提煉星下操作項目，盡量解除總裝工作對星上操作的依賴關系，提高主線任務的并行度，紓解進度瓶頸，降低星上操作質(zhì)量風險；通過“主線工作輔線化”，形成“一條主線配置多種輔線，每種輔線靈活服務多條主線”的資源優(yōu)化配置模式，進一步縮短主線周期，使生產(chǎn)活動的時間分布均勻化，并通過輔線產(chǎn)品的去型號化，降低管理成本，提高產(chǎn)品成熟度，保證質(zhì)量一致性；通過“輔線工作單元化”，構建生產(chǎn)對象和目標穩(wěn)定的若干生產(chǎn)單元子系統(tǒng)，優(yōu)化生產(chǎn)組織模式，穩(wěn)定資源配置，做精做深專業(yè)技術，迭代提升單元能力；通過“單元工作自動化”，以技術手段創(chuàng)新為前提，提高裝備自動化水平，人機優(yōu)勢互補，提升工作質(zhì)量和效率。

為了推進“四化”理念落實，提出了基于三維的航天器數(shù)字化總裝架構。該架構針對航天器多數(shù)據(jù)源、多專業(yè)分工、設計更改頻繁、二維-三維數(shù)據(jù)并存的特性，解決了多數(shù)據(jù)源接收、結構化工藝設計及仿真驗證、總裝數(shù)據(jù)包構建、總裝知識庫構建及更改控制等技術體系難題，建立了基于三維的“設計-工藝設計-總裝實施-測試-檢驗-數(shù)據(jù)反饋”數(shù)字主線，具有兼容性強、數(shù)據(jù)全關聯(lián)、技術狀態(tài)全結構化和仿真驗證可靠性高的特點?；谠摷軜?，研制了一批軟件及智能裝備并在型號中推廣應用，從而建立了基于三維的航天器數(shù)字化總裝工作新模式。

圖1 宇航智造工程實施總體規(guī)劃

三、基于三維的航天器數(shù)字化總裝工作新模式

（一）總裝工藝設計與仿真系統(tǒng)

以工藝數(shù)字樣機為基礎，提出了基于關聯(lián)關系的結構化工藝設計技術。該技術具有結構化、關聯(lián)化、自動化、多樣化、精細化和融合化的特點，解決了多專業(yè)、多CAD 格式、多數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、二維-三維格式并存的三維設計數(shù)據(jù)接收、總裝統(tǒng)一數(shù)據(jù)源構建及更改控制難題，實現(xiàn)了基于數(shù)字樣機-工藝文件關聯(lián)關系的三維工藝設計和結構化技術狀態(tài)控制，研制了結構化工藝設計平臺并構建了總裝通用知識庫，實現(xiàn)了模塊化工藝快速生成，其中總裝工藝數(shù)字樣機-工藝文件-實做記錄之間100%關聯(lián)，從而為總裝數(shù)據(jù)包生成奠定了基礎。

針對航天器裝配集成過程中的關鍵過程以及排故維修等逆流程項目，提出了基于實測數(shù)據(jù)的關鍵部件裝配仿真方法、基于物理特性的電纜裝配仿真方法和面向排故的虛擬維修驗證及評價方法，提高了虛擬仿真結果的正確性和指導性，從而提升了總裝工作效率和質(zhì)量，降低了系統(tǒng)研制風險，經(jīng)仿真驗證的總裝一次成功率達97%。

（二）智能化裝配單元

1、基于增強現(xiàn)實的裝配單元

由于工藝設計階段僅僅是將三維設計模型進行輕量化處理，并沒有按照總裝操作的需求進行模型處理，如沒有分階段、分層發(fā)布三維模型，導致操作人員通過三維模型獲取總裝信息的效率低下，也不便于在星上查看三維模型。為滿足總裝實施過程中查看模型的需求，以整星三維設計數(shù)據(jù)為輸入，對整星三維設計信息進行解析、識別與重構，從而構建出總裝現(xiàn)場所需的工藝可視化信息，對星上產(chǎn)品總裝工藝要素（包括儀器安裝、電纜鋪設和管路管閥件及管路支架安裝環(huán)節(jié)）的覆蓋率達95%，并在此基礎上發(fā)展了基于增強現(xiàn)實的裝配導引技術，通過進一步解決三維模型輕量化、場景注冊跟蹤、人機自然交互等問題，實現(xiàn)了工藝可視化信息與衛(wèi)星實物的直接融合展示，覆蓋了設備、電纜、推進系統(tǒng)、導電銅箔等總裝應用場景。其中，在電纜鋪設環(huán)節(jié)，解決了操作員查看電纜走向、綁扎細節(jié)和自由端代號不便的問題，使電纜鋪設效率提升30%，準確率可達100%；在設備安裝環(huán)節(jié)，解決了設備極性標識信息不明顯的問題，簡化極性正確性驗證，高效展示設備安裝位置及配套件信息，使設備安裝效率提高100%；在推進系統(tǒng)總裝導引環(huán)節(jié)，解決了熱敏電阻、加熱帶、管閥件極性標識不明顯的問題，使操作者和檢驗人員識別相關信息的效率提升200%以上；在導電銅箔檢測環(huán)節(jié)，使導電銅箔鋪設到位檢測的效率提升100%以上。目前該系統(tǒng)已在遙感、導航、深空探測、空間站等十余個型號中成功應用，并已成為裝配單元的標準配置，進入了常態(tài)化應用階段。

2、機器人精密裝配單元

攻克了機器人柔性力控技術、視覺引導下的機器人路徑規(guī)劃技術，將三維模型融合到機器人控制中，實現(xiàn)了基于虛實融合的機器人路徑規(guī)劃，開發(fā)了機器人精密裝配系統(tǒng)，應用于二十多個型號的大重量部件裝配，尤其是在導航平臺實現(xiàn)了艙板開合的常態(tài)化應用；針對航天器大型艙段對接、太陽翼安裝需求，通過模型驅動實現(xiàn)了裝備控制的智能化，突破了非平衡狀態(tài)下吊裝姿態(tài)自動水平調(diào)節(jié)技術、高精度六自由調(diào)姿技術，研制了高精度調(diào)姿與吊裝系統(tǒng)、基于并聯(lián)調(diào)姿機構與通用展開架的太陽翼自動對接系統(tǒng)等裝備，實現(xiàn)了艙段對接、太陽翼安裝的全過程自動化，大幅提升了總裝效率。上述成果已應用于遙感、導航、載人等20 多個型號中，其中，多層設計/制作/安裝總效率提升約40%，導航艙板開合由9人時縮減至1.5 人時。

圖2 基于增強現(xiàn)實的電纜裝配導引

3、熱控多層生產(chǎn)線

多層制作和安裝是衛(wèi)星傳統(tǒng)研制模式下的難點，效率較低，且裝配質(zhì)量一致性不高，制約型號研制水平的進一步提升。為提升總裝工作效率，基于三維模型的多層設計制造一體化系統(tǒng)打通了基于三維模型的多層設計、加工、安裝的全鏈條通道，完成了多層快速設計系統(tǒng)的開發(fā)，可完成艙板多層的自動輪廓獲取、快速搭接設計、精確開孔設計，基于三維模型的Smart3D智能包覆技術，實現(xiàn)復雜支架多層的快速設計，提升了多層實施的一致性水平。設計方面，多層三維數(shù)字化設計方法在5 個平臺、近20 個型號進行了推廣應用，相較傳統(tǒng)二維設計方法，準確度平均提升30%，效率平均提升25%。加工方面，航天器熱控多層自動化生產(chǎn)線技術實現(xiàn)了任意多層連續(xù)鋪設、仿形縫制、自動定位裁剪及接地組件自動鉚接，提升生產(chǎn)效率約2 倍。同時該技術解決了因6μm 鍍鋁膜輕薄及滌綸網(wǎng)伸縮性強，引起的鋪設重合精度低、褶皺嚴重等問題，實現(xiàn)無人值守的多層自動鋪設，每年節(jié)省人力資源約200 人·天；衛(wèi)星柔性熱控多層單針仿形縫制技術突破傳統(tǒng)單針縫制針距限制，實現(xiàn)30mm 以上大針步縫制，并結合縫合力控制保證了多層透氣性和層密度一致性，解決了復雜形狀多層因裁剪后開散而無法自動生產(chǎn)的問題?？p制效率為傳統(tǒng)效率的6-7 倍，縫制精度由10mm 提升至1mm；實現(xiàn)多層自鋪縫一體設備至裁床的快速定位轉載，解決了縫制圖形與裁剪圖形難于精確匹配等問題，提升轉載效率2 倍；實現(xiàn)自動鉚接，解決了鉚釘準確定位、翻邊開裂、多余物控制和導電可靠性等問題，接地組件鉚接效率提升2 倍。此外，航天器熱控多層一體化管控系統(tǒng)已投入使用，可容納100 余人基于該系統(tǒng)展開航天器熱控多層生產(chǎn)管理工作，實現(xiàn)了包括6個專業(yè)型號、6000 余塊多層的設計、排產(chǎn)、制作工作，實現(xiàn)了該輔線單元生產(chǎn)任務的精細化管控。

4、自動化測試單元

針對當前精度測量效率低、自動化水平低、人員占有率高的問題，突破了基于模型驅動的自動檢測工藝規(guī)劃技術、基于視覺引導的自動準直及定位技術等關鍵技術，研制了基于機器人的自動化精測系統(tǒng)，實現(xiàn)機器人攜帶經(jīng)緯儀，借助全向導引車對原位航天器所有設備的全向自動化測量。經(jīng)遙感、載人等平臺應用驗證，機器人自動測量系統(tǒng)可實現(xiàn)姿態(tài)測量精度優(yōu)于15＂、測量效率提高50%、測量人員由原來的3-4名減少到1-2名。

針對檢漏工作自動化程度低，周期長的問題，研制了自動化檢漏率測試系統(tǒng)，使自動化檢漏系統(tǒng)適用于狹小空間內(nèi)的焊縫檢漏，開發(fā)了基于視覺的焊縫提取、路徑規(guī)劃和干涉檢查軟件，引導機器人進行自動化檢漏，測量人員可由3 人減至1 人。

針對質(zhì)量特性檢測帶L 型支架操作過程復雜、實施效率低的問題，研制了質(zhì)量特性一體化測試系統(tǒng)，系統(tǒng)采用三坐標轉換機執(zhí)行質(zhì)量特性測試，提高了測試工裝通用性，減少了衛(wèi)星的吊裝次數(shù)，克服了衛(wèi)星慣性積測量的局限，提高了測量精度。此外，通過數(shù)字化手段，實現(xiàn)了工裝信息、測試信息的集成管理和測試數(shù)據(jù)的自動記錄，使測量人員可由3 人減至1 人。

（三）集成化管控

1、航天器AIT 過程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

建設航天器AIT 過程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)AIT 過程數(shù)據(jù) “規(guī)范化記錄、結構化管理、一站式查詢和多維度應用”，覆蓋總裝、專業(yè)測試、大型試驗、生產(chǎn)管理等4 類數(shù)據(jù)29 項，向總體單位提供AIT 數(shù)據(jù)服務，滿足協(xié)同單位的實時數(shù)據(jù)需求，顯著提高了AIT 過程數(shù)據(jù)應用的共享性、便捷性，從而提高AIT 研制效率、保證AIT 研制質(zhì)量。其中，AIT 過程數(shù)據(jù)查詢效率提升1 倍以上，且實現(xiàn)了試驗網(wǎng)與辦公網(wǎng)的數(shù)據(jù)貫通。

2、異地協(xié)同管控平臺

為提升航天器AIT 管控能力，建設了異地協(xié)同管控平臺，有效解決了異地開展總裝設計的瓶頸問題，實現(xiàn)了人員、流程、數(shù)據(jù)的異地全方位高效協(xié)同，建立了面向空間站的異地協(xié)同工作模式，保障了空間站等天津地區(qū)型號任務順利實施。

3、AIT 可視化集成管控平臺

針對產(chǎn)品復雜性較高，研制過程不可控因素較多等原因，建設了AIT 可視化集成管控平臺，結合三維車間廠房模型，實現(xiàn)生產(chǎn)計劃、人員、關鍵資源、場地結構化關聯(lián)，實現(xiàn)多地域、多廠房統(tǒng)一可視化管控，量化分析資源占用數(shù)量及頻度，降低資源統(tǒng)計協(xié)調(diào)周期50%。

四、展望

以“宇航智造工程”目標為導向，型號研制實際需求為牽引，圍繞三維模型在AIT 階段的貫通應用進行了積極探索和實踐，形成了一批數(shù)字化技術成果并取得實效。同時我們也清醒地認識到，在三維模型精細化程度及模型深入應用方面仍存在不足，后續(xù)我們將繼續(xù)加強與各總體單位的協(xié)同合作，不斷拓展三維模型在AIT 階段應用的深度與廣度。隨著以人工智能、數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)為代表的先進數(shù)字化技術的崛起，以衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)為牽引的脈動生產(chǎn)線建設等新發(fā)展需求的快速迫近，總環(huán)部將立足基于模型的數(shù)字化生產(chǎn)模式，積極探索新一代信息技術在航天器總裝領域的應用，以打造智能化生產(chǎn)線為目標，推動型號研制模式轉型升級。