一種基于AVIDM4和Creo的三維協(xié)同研制方法

周孝倫 陳忠貴 張 旭 張洪波 朱 位

一種基于AVIDM4和Creo的三維協(xié)同研制方法

周孝倫 陳忠貴 張 旭 張洪波 朱 位

（中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

針對AVIDM3中產(chǎn)品結(jié)構(gòu)維護(hù)難度大、協(xié)同信息傳遞效率低的問題，提出了一種新的三維協(xié)同研制方法。該方法通過AVIDM4實(shí)現(xiàn)文件、模型的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理，基于Creo及二次開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)了總體與結(jié)構(gòu)、總體與供配電、總體與推進(jìn)、總體與工藝的協(xié)同信息高效傳遞。經(jīng)北斗三號導(dǎo)航衛(wèi)星研制全流程驗(yàn)證，證明該協(xié)同設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)智能管理、協(xié)同信息高效傳遞，顯著提升了協(xié)同設(shè)計(jì)效率，可推廣到其它領(lǐng)域航天器研制。

AVIDM4；Creo；航天器；三維；協(xié)同；研制

1 引言

三維協(xié)同研制指多人、多專業(yè)基于三維設(shè)計(jì)環(huán)境，并行開展工作，克服串行設(shè)計(jì)、二維傳遞存在的不足，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)不協(xié)調(diào)的問題，提高研制效率、縮短研制周期[1～3]。三維協(xié)同研制是中國航天“高質(zhì)量保證成功、高效率完成任務(wù)、高效益推動航天強(qiáng)國和國防建設(shè)”的重要途徑。在難度要求日益加大、質(zhì)量要求日益提升、進(jìn)度要求日益迫切的形勢下，開展更高水平的三維協(xié)同是中國航天提升能力、完成任務(wù)的必由之路。

20世紀(jì)90年代初，美國波音公司在研制波音777時首次采用了全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)、并行設(shè)計(jì)等技術(shù)，率先實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)與制造，研制過程實(shí)現(xiàn)了無圖紙化，研發(fā)周期縮短40%，返工減少50%。20世紀(jì)末，美國洛克希德·馬丁公司的F-35項(xiàng)目通過分布式協(xié)同研制，實(shí)現(xiàn)了全球協(xié)同，全球分布的5個主要合作伙伴、上百個供應(yīng)商，基于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開展分布式協(xié)同，設(shè)計(jì)周期縮短35%，制造時間將縮短66%[4]。自2000年以來，中國航天在原有CAD/CAE/AVIDM（Aerospace Vehicle Integrated Design and Manufacture）等應(yīng)用的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了面向型號的數(shù)字化協(xié)同研制環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)等過程協(xié)同，提升了型號的研制質(zhì)量和研制效率，以長征五號為代表的全箭數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)的成功運(yùn)用，標(biāo)志著中國的航天已經(jīng)全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化協(xié)同應(yīng)用[5]。國內(nèi)很多航天院所進(jìn)行了相關(guān)研究[6～13]。

提出一種基于AVIDM4（AVIDM系統(tǒng)V4版本）和Creo的三維協(xié)同研制方法，以AVIDM4為協(xié)同平臺，實(shí)現(xiàn)航天器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)智能管理；以Creo為基礎(chǔ)環(huán)境，二次開發(fā)專用功能作為前端設(shè)計(jì)工具，開展設(shè)計(jì)協(xié)同和信息傳遞，實(shí)現(xiàn)總體與結(jié)構(gòu)、總體與供配電、總體與推進(jìn)、總體與工藝的協(xié)同信息高效傳遞。

2 基于AVIDM4和Creo的協(xié)同研制方法

如圖1所示，基于AVIDM4和Creo的三維協(xié)同研制方法包括6個方面；a.基于AVIDM4實(shí)現(xiàn)面向航天器的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理，智能維護(hù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與模型樹的一致性；b.通過Creo開展自頂向下的協(xié)同設(shè)計(jì)，制定三維協(xié)同建模體系；c.完善總體-結(jié)構(gòu)-熱控三維協(xié)同機(jī)制，提高信息傳遞自動化水平；d.健全電纜網(wǎng)三維協(xié)同機(jī)制，實(shí)現(xiàn)供配電與總體之間的雙向協(xié)同；e.深入發(fā)掘推進(jìn)管路三維設(shè)計(jì)協(xié)同，實(shí)現(xiàn)基于管路連接關(guān)系表的協(xié)同設(shè)計(jì)；f.打通總體設(shè)計(jì)單位、總裝實(shí)施單位之間的信息鏈路，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝基于模型的三維協(xié)同，確保從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的信息快速傳遞以及信息的一致性。

圖1 基于AVIDM4與Creo的三維協(xié)同研制方法

2.1 基于AVIDM4的三維協(xié)同管理

AVIDM是航天科技集團(tuán)自主知識產(chǎn)權(quán)的PDM（Product Data Management，PDM）系統(tǒng)，已有20年的應(yīng)用歷史，先后發(fā)展了AVIDM1～4等4個大版本，管理功能日益完善，應(yīng)用范圍日益廣泛，取得了很好的經(jīng)濟(jì)及社會效益。AVIDM4系統(tǒng)在AVIDM3的基礎(chǔ)上重點(diǎn)提升了三維模型管理能力、顯示能力，以及基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)管理能力，可用于文件、模型、圖紙、計(jì)劃等各類對象的管理。AVIDM4通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對文件、模型、圖紙等進(jìn)行結(jié)構(gòu)化管理，通過多種視圖顯示產(chǎn)品信息，如文檔視圖、模型視圖、結(jié)構(gòu)樹視圖等，方便設(shè)計(jì)師對文件資料、數(shù)據(jù)的使用和管理（見圖2）；通過“域”策略管理設(shè)計(jì)師權(quán)限，通過存儲區(qū)對控制模型版本，通過域與存儲區(qū)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對人員和設(shè)計(jì)對象的組合管理。

圖2 基于AVIDM4的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理

圖3 基于AVIDM4三維協(xié)同管理

AVIDM4協(xié)同研制平臺支持總體、結(jié)構(gòu)、熱控、制造、總裝等專業(yè)領(lǐng)域的全面協(xié)同，如圖3所示；提供了三維模型、二維圖紙、技術(shù)文件等對象的統(tǒng)一管理。所有數(shù)據(jù)可按照專業(yè)、艙段等分別存儲在各自獨(dú)立的存儲空間內(nèi)；不同專業(yè)的設(shè)計(jì)師可在同一時間、不同地域，對同一設(shè)計(jì)對象協(xié)同設(shè)計(jì)，減少了以往出差才能進(jìn)行的協(xié)調(diào)工作，提高了設(shè)計(jì)效率，縮短了設(shè)計(jì)周期；另外，制造、總裝人員可通過協(xié)同設(shè)計(jì)平臺參與到設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，提前發(fā)現(xiàn)制造、總裝或后期使用中可能存在的問題，減少設(shè)計(jì)缺陷，降低設(shè)計(jì)缺陷帶來的影響，加快產(chǎn)品定型速度。

不同專業(yè)的設(shè)計(jì)師通過網(wǎng)絡(luò)訪問AVIDM4系統(tǒng)，此系統(tǒng)將文件、模型、圖紙等按照規(guī)則分類管理。此系統(tǒng)具備功能完善的版本管理功能，通過檢入、檢出控制模型狀態(tài)，模型每檢出一次，模型版本上升1；“檢入”狀態(tài)時，模型處于不可編輯狀態(tài)；“檢出”狀態(tài)時，模型可在Creo軟件中修改。此系統(tǒng)具備生命周期管理功能，提供“設(shè)計(jì)中”、“受控中”、“更改中”、“已發(fā)布”和“已作廢”等多種狀態(tài)，通過審批流程實(shí)現(xiàn)模型狀態(tài)的改變?；贏VIDM4以上功能，實(shí)現(xiàn)了文件、模型和圖紙的規(guī)范化管理，并通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)不同單位、不同專業(yè)、不同地域的協(xié)同。

2.2 自頂向下的三維協(xié)同建模體系

三維設(shè)計(jì)軟件Creo提供了自頂向下設(shè)計(jì)模式，基于頂層裝配的約束，通過骨架將設(shè)計(jì)約束、參照等信息層層傳遞下去。通常情況下，整星模型包含三層裝配，包括整星層、艙段層、艙板層，艙板層是最基本的布局設(shè)計(jì)單元。整星裝配由整星骨架、載荷艙、服務(wù)艙和推進(jìn)艙組成。整星骨架中包含最頂層，包括整星基準(zhǔn)坐標(biāo)系、基準(zhǔn)平面、全局約束參數(shù)等信息，以及向艙段層傳遞信息的發(fā)布幾何。艙段裝配包括艙段骨架、各艙板裝配、推進(jìn)管路、電纜等。艙段骨架中包含從整星骨架中參考的信息如整星坐標(biāo)系、艙段裝配坐標(biāo)系、基準(zhǔn)面、艙段的參數(shù)信息等，以及向艙板傳遞信息的發(fā)布幾何。艙板裝配包括艙板骨架、各類設(shè)備、各類直屬件等。艙板骨架中包含從艙段中參考的信息如艙段坐標(biāo)系，艙板坐標(biāo)系、基準(zhǔn)面、艙板參數(shù)信息等。

表1 艙板骨架包含的信息及來源

通常航天器每個專業(yè)都有2～3個設(shè)計(jì)師參與，除抓總設(shè)計(jì)師外，其他設(shè)計(jì)師各負(fù)責(zé)一部分設(shè)計(jì)內(nèi)容；各部分設(shè)計(jì)內(nèi)容之間基于自頂向下的協(xié)同機(jī)制協(xié)同，通過骨架和參數(shù)傳遞設(shè)計(jì)信息（見圖4）。基于自頂向下的建模體系和方式，結(jié)合AVIDM4的分布式協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了不同專業(yè)、同一專業(yè)不同設(shè)計(jì)師在同一環(huán)境下的三維協(xié)同設(shè)計(jì)。三維協(xié)同模式可及早暴露不同設(shè)計(jì)師之間的模型不匹配、設(shè)計(jì)不兼容、參考信息過期等問題，及時暴露局部調(diào)整帶來的相互影響問題，顯著提升整體設(shè)計(jì)效率。

圖4 航天器三維協(xié)同體系

2.3 總體-結(jié)構(gòu)-熱控三維協(xié)同設(shè)計(jì)

航天器設(shè)計(jì)過程中，參與布局設(shè)計(jì)的主要包括總體、結(jié)構(gòu)和熱控；總體設(shè)計(jì)師關(guān)注單機(jī)、直屬件、管路、電纜的布局，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師關(guān)注結(jié)構(gòu)板、埋件、角盒等方面的布局設(shè)計(jì)，熱控設(shè)計(jì)師關(guān)注噴漆、貼膜、銷釘、多層、加熱器、熱敏電阻、擴(kuò)熱板、隔熱板等方面的布局設(shè)計(jì)；總體、結(jié)構(gòu)、熱控三者之間既相對獨(dú)立、又關(guān)系密切，相互關(guān)聯(lián)、相互影響，以往需要通過文件或者圖紙傳遞要求，通過人工實(shí)現(xiàn)模型信息同步，容易出現(xiàn)狀態(tài)更新不準(zhǔn)確、不及時等問題[14]?；贏VIDM4及Creo，采用自頂向下的協(xié)同設(shè)計(jì)方法，確保各模型根據(jù)頂層設(shè)計(jì)約束的變化更新，確保各自參考和應(yīng)用的模型為最新版本；確保參考和設(shè)計(jì)正確性，及時暴露相互之間不匹配的設(shè)計(jì)狀態(tài)，協(xié)同設(shè)計(jì)出滿足各方面要求的總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱控設(shè)計(jì)，見圖5。

圖5 總體-結(jié)構(gòu)-熱控三維協(xié)同設(shè)計(jì)

總體、結(jié)構(gòu)、熱控之間基于同一骨架模型體系開展自頂向下協(xié)同設(shè)計(jì)，但各自之間協(xié)同的深入程度稍有差別；總體與結(jié)構(gòu)間的協(xié)同除基于統(tǒng)一骨架的模型協(xié)同外還有底層數(shù)據(jù)的傳遞。總體使用專用工具完成設(shè)備的自動建模，設(shè)備、直屬件快速布局和孔表的自動化提取，并使用數(shù)據(jù)庫管理孔表數(shù)據(jù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師使用結(jié)構(gòu)打孔工具，批量讀取數(shù)據(jù)庫中的底層數(shù)據(jù)，補(bǔ)充埋件類型信息后存入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫，并由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專用工具實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)三維模型中埋件模型自動裝配?？傮w與結(jié)構(gòu)間基于模型和底層數(shù)據(jù)的協(xié)同，減少了人的參與，實(shí)現(xiàn)了信息交換自動化，提高數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)效率，提高了設(shè)計(jì)效率和效果。總體、熱控基于總體模型開展協(xié)同設(shè)計(jì)，總體向熱控發(fā)布布局腳?。粺峥貙⒛_印信息引入熱控模型，并參考布局腳印開展熱控的詳細(xì)設(shè)計(jì)，完成加熱器、OSR、銷釘、多層等熱控元件的布局。

總體-結(jié)構(gòu)-熱控面向需求，不斷拓展協(xié)同設(shè)計(jì)的深度和集成度，從開會協(xié)同、接口文件協(xié)同，發(fā)展到基于模型、基于數(shù)據(jù)庫的協(xié)同，協(xié)同層次不斷提升，協(xié)同的效率不斷提升，滿足了型號研制的需要。

2.4 電纜網(wǎng)三維協(xié)同設(shè)計(jì)

航天器電纜網(wǎng)主要用于各單機(jī)之間的供電與信號傳輸，確保單機(jī)有效接地，并為單機(jī)提供有效防護(hù)。電纜網(wǎng)研制相關(guān)方，包括供配電設(shè)計(jì)師、總體設(shè)計(jì)師和電纜工藝師。供配電設(shè)計(jì)師負(fù)責(zé)電纜連接關(guān)系和節(jié)點(diǎn)表的設(shè)計(jì)，并形成文件，為電纜網(wǎng)走向設(shè)計(jì)、電纜網(wǎng)加工提供輸入；總體設(shè)計(jì)師按照電纜連接關(guān)系表要求，在三維模型中設(shè)計(jì)電纜網(wǎng)中每根電纜的走向，并以三維模型的形式固化下來，作為電纜網(wǎng)加工的輸入；電纜工藝師根據(jù)電纜接點(diǎn)表、電纜連接關(guān)系表、電纜網(wǎng)三維走向等輸入開展電纜網(wǎng)的實(shí)施工藝，明確生產(chǎn)的工藝步驟。在電纜網(wǎng)三維走向設(shè)計(jì)過程中，供配電設(shè)計(jì)師和電纜工藝師將共同參與走向設(shè)計(jì)的協(xié)同，確保電纜走向合理，并滿足加工工藝需要。

供配電設(shè)計(jì)師通過電纜接點(diǎn)關(guān)系專用工具接點(diǎn)設(shè)計(jì)；首先，設(shè)計(jì)師使用工具從受控的IDS（Interface Data Sheet，IDS）文件中讀取接點(diǎn)信息；然后，由軟件自動完成接點(diǎn)連接關(guān)系設(shè)計(jì)，并形成用于電纜網(wǎng)走向設(shè)計(jì)的電纜連接關(guān)系表。

總體設(shè)計(jì)師在三維設(shè)計(jì)環(huán)境中，使用電纜網(wǎng)走向設(shè)計(jì)工具，快速設(shè)置電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)公共路徑，確保任何兩個接插件之間都有公共路徑相互連接。在電纜連接關(guān)系表的基礎(chǔ)上補(bǔ)充線規(guī)、密度、顏色等一些專用信息，并將電纜連接關(guān)系表導(dǎo)入到軟件設(shè)計(jì)環(huán)境中；電纜網(wǎng)走向設(shè)計(jì)工具將根據(jù)連接關(guān)系要求，自動選擇電纜路徑，并生成電纜網(wǎng)實(shí)體模型，從而完成電纜網(wǎng)走向的協(xié)同設(shè)計(jì)，見圖6。航天器電纜網(wǎng)三維協(xié)同設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)了總體和供配電設(shè)計(jì)師之間雙向協(xié)同。

圖6 電纜網(wǎng)協(xié)同設(shè)計(jì)

2.5 推進(jìn)管路三維協(xié)同設(shè)計(jì)

圖7 推進(jìn)管路協(xié)同設(shè)計(jì)

推進(jìn)管路用于各推進(jìn)閥體，形成一個密閉系統(tǒng)，確保推進(jìn)劑在閥體之間的自由流通。推進(jìn)閥體布局、管路走向是總體設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。航天器推進(jìn)管路協(xié)同設(shè)計(jì)體現(xiàn)在推進(jìn)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)師、總體設(shè)計(jì)師、焊裝工藝師之間。推進(jìn)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供滿足總體設(shè)計(jì)要求的閥體模型；推進(jìn)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供推進(jìn)管路布局要求、參數(shù)化的推進(jìn)系統(tǒng)原理圖，此原理圖可通過設(shè)計(jì)工具轉(zhuǎn)換為推進(jìn)連接關(guān)系表；總體設(shè)計(jì)師在AVIDM4和Creo集成環(huán)境中開展推進(jìn)管路布局設(shè)計(jì)，并將推進(jìn)連接關(guān)系表導(dǎo)入系統(tǒng)中，系統(tǒng)將自動產(chǎn)生對應(yīng)的推進(jìn)管路；推進(jìn)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)師和焊裝工藝師，在AVIDM4系統(tǒng)中對輕量化顯示的推進(jìn)管路布局設(shè)計(jì)進(jìn)行把關(guān)，提出意見和建議，總體設(shè)計(jì)師根據(jù)意見設(shè)計(jì)閉環(huán)，通過以上過程實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)管路設(shè)計(jì)三方協(xié)同（見圖7）。推進(jìn)管路在統(tǒng)一的環(huán)境中協(xié)同設(shè)計(jì)，突破了空間、時間限制，促進(jìn)了設(shè)計(jì)效率、設(shè)計(jì)效果和設(shè)計(jì)工藝性的提升。

2.6 總裝設(shè)計(jì)與總裝工藝三維協(xié)同

航天器總裝工作主要包括直屬件安裝、管路焊裝、電纜網(wǎng)敷設(shè)、單機(jī)安裝、接地實(shí)施等，總裝工作由總裝部門實(shí)施完成。傳統(tǒng)模式下，設(shè)計(jì)部門向總裝部門提供5類總裝圖紙用于指導(dǎo)現(xiàn)場實(shí)施，包括單機(jī)安裝圖、接地圖、低頻電纜安裝圖、高頻電纜安裝圖和管路焊裝圖?？傃b部門根據(jù)圖紙編寫工藝，并通過看板系統(tǒng)將要求傳遞到現(xiàn)場?，F(xiàn)場實(shí)施時，總裝人員根據(jù)看板系統(tǒng)中的工藝要求按步驟實(shí)施，并根據(jù)圖紙確定諸如位置、配套、明細(xì)等信息。當(dāng)前總裝模式存在如下不足：a.信息重用率低。設(shè)計(jì)部門梳理的物料明細(xì)體現(xiàn)在圖紙明細(xì)中，不能被總裝部門直接提取，不能重用，需要二次錄入；b.信息分散。完成單機(jī)安裝需要查看單機(jī)安裝圖、接地圖多類圖紙等。c.信息不豐富。圖紙反映某些特定視圖的信息情況，對工藝設(shè)計(jì)支持不夠，有時不能發(fā)現(xiàn)需要特別注意的操作事項(xiàng)。

針對上述問題，提出并實(shí)現(xiàn)了總裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，基于總裝三維模型和總裝數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)總裝三維發(fā)布，總裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括面向設(shè)計(jì)者的前端工具和底層用于數(shù)據(jù)存儲及版本控制的數(shù)據(jù)庫。前端工具基于Creo三維軟件二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)，除具備快速總裝設(shè)計(jì)功能外，還能夠以艙板為單元自動分類提取總裝信息，如艙板上的單機(jī)名稱、代號、R點(diǎn)位置、坐標(biāo)系方向、安裝孔數(shù)量、孔徑、耳片厚度、平墊規(guī)格、彈墊規(guī)格、螺釘規(guī)格、接地方式、防松措施、隔熱墊類型、隔熱墊數(shù)量、阻值要求等；并將信息分類存儲在后端數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫以艙板為對象分類存儲上述信息，并提供版本控制和基線控制的技術(shù)狀態(tài)控制措施。數(shù)據(jù)庫還提供了面向工藝的信息視圖：單機(jī)總裝信息視圖、單機(jī)接地信息視圖、電纜安裝信息視圖和管路焊裝信息視圖等。設(shè)計(jì)部門與總裝部門對接口約定了信息傳輸格式和接口，三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以通過專用接口讀取總裝設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)中的總裝信息（見圖8），實(shí)現(xiàn)了總裝設(shè)計(jì)信息向總裝工藝系統(tǒng)的無縫傳遞。

在總裝三維發(fā)布模式下，設(shè)計(jì)部門使用總裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)后，在AVIDM4系統(tǒng)中完成總裝模型的送審；使用總裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)前端工具批量、自動、分類提取艙板總裝信息，并將總裝信息通過數(shù)據(jù)庫接口導(dǎo)出為EXCEL格式文件，作為附件在AVIDM4中送審?？傃b部門將總裝輕量化模型和包含總裝設(shè)計(jì)信息的EXCEL文件導(dǎo)入三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上開展三維工藝設(shè)計(jì)，大幅縮短了工藝準(zhǔn)備周期。

圖8 總裝三維發(fā)布

3 應(yīng)用實(shí)例

中國北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是全球?qū)Ш较到y(tǒng)，時間緊、任務(wù)重，對研制能力提出了非常高的要求；研制單位必須全面提升協(xié)同研制能力，提高基于三維模型的信息傳遞能力，實(shí)現(xiàn)各單位內(nèi)部協(xié)同、異地單位遠(yuǎn)程協(xié)同，實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)、加工制造、總裝等各單位之間的數(shù)字化信息傳遞。

a. 北斗三號全球?qū)Ш较到y(tǒng)采用了AVIDM4和Creo的三維協(xié)同研制模式，以AVIDM4為協(xié)同研制平臺，構(gòu)建了獨(dú)立的產(chǎn)品庫管理文件、模型、流程、權(quán)限等，實(shí)現(xiàn)了文件、模型的創(chuàng)建、編輯、送審、受控、發(fā)放和更改控制管理，確保了上述對象的全壽命周期控制。

b. 北斗三號三類衛(wèi)星按照模型體系要求，構(gòu)建了衛(wèi)星的三層裝配：整星、艙段和艙板；采用自頂向下的建模方式確定了整星、艙段和艙板之間分別傳遞的信息內(nèi)容，并構(gòu)建了完整的骨架體系、幾何信息、參數(shù)體系和基準(zhǔn)體系。

c. 總體、結(jié)構(gòu)、熱控基于骨架模型開展了三維協(xié)同設(shè)計(jì)，三者之間通過發(fā)布幾何、參數(shù)等形式傳遞信息，開展協(xié)同；總體、結(jié)構(gòu)、熱控的模型統(tǒng)一采用AVIDM4管理數(shù)據(jù)，所有信息均通過協(xié)同機(jī)制共享和傳遞，極大地促進(jìn)了協(xié)同工作的開展。

d. 供配電設(shè)計(jì)師、總體設(shè)計(jì)師、電纜工藝基于電纜連接關(guān)系表和AVIDM4系統(tǒng)協(xié)同電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)、協(xié)同發(fā)布，實(shí)現(xiàn)了供配電設(shè)計(jì)與總體設(shè)計(jì)之間的雙向協(xié)同。

e. 推進(jìn)分系統(tǒng)、總體設(shè)計(jì)、管路工藝基于管路連接關(guān)系表和AVIDM4系統(tǒng)進(jìn)行管路協(xié)同設(shè)計(jì)、管路三維發(fā)布，實(shí)現(xiàn)了管路的三維協(xié)同研制?？傮w設(shè)計(jì)參數(shù)化的管路模型，并將三維模型直接用于三維焊裝、三維檢漏，實(shí)現(xiàn)了研制過程三維信息全面可用。

f. 總裝設(shè)計(jì)結(jié)果包括設(shè)備安裝、電纜安裝、接地安裝、管路焊裝等信息，采用三維發(fā)布，使用總裝設(shè)計(jì)自動設(shè)置、批量提取、整體發(fā)放上述信息，并使用總裝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫對總裝設(shè)計(jì)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)庫管理，準(zhǔn)確記錄各階段總裝設(shè)計(jì)結(jié)果，并區(qū)分和記錄版本。

g. 通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的形式全面結(jié)構(gòu)化的形式管理了3類衛(wèi)星9種配置設(shè)計(jì)，形成了技術(shù)文件3萬余份，模型2萬余個，完整的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)3類9種，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星各類信息數(shù)據(jù)的全面受控。

歷經(jīng)北斗三號全流程研制驗(yàn)證，基于AVIDM4與Creo的三維協(xié)同研制方法給北斗三號研制帶來了顯著效果，整星布局設(shè)計(jì)、電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)、推進(jìn)管路設(shè)計(jì)、整星總裝發(fā)布周期縮短50%，顯著加快了整星研制進(jìn)度，最終實(shí)現(xiàn)新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提前組網(wǎng)。方法對比如表2所示。

表2 各類研制方法周期對比

4 普適性分析

基于AVIDM4及Creo的協(xié)同研制方法特點(diǎn)如下：

a. 基于AVIDM4系統(tǒng)進(jìn)行文件管理、模型管理、權(quán)限管理、流程管理、協(xié)同管理等，基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理環(huán)境實(shí)現(xiàn)同一單位不同專業(yè)之間的協(xié)同設(shè)計(jì)，支持同一時間、不同空間的設(shè)計(jì)人員針對同一對象的協(xié)同設(shè)計(jì)。

b. 以Creo為三維設(shè)計(jì)工具，采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法開展并行設(shè)計(jì)，總體、結(jié)構(gòu)、熱控、電纜網(wǎng)、推進(jìn)基于骨架模型、信息發(fā)布等方式傳遞設(shè)計(jì)信息，進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)。

c. 以Creo為基礎(chǔ)二次開發(fā)設(shè)備快速布局工具，在工具支持下，總體、熱控、結(jié)構(gòu)之間快速完成設(shè)備布局、直屬件布局、熱管布局等工作，快速形成布局設(shè)計(jì)、開口設(shè)計(jì)、開孔設(shè)計(jì)等。

d. 以Creo為基礎(chǔ)二次開發(fā)電纜網(wǎng)快速設(shè)計(jì)工具，在工具支持下，總體設(shè)計(jì)師、供配電設(shè)計(jì)師、電纜網(wǎng)工藝師協(xié)同設(shè)計(jì)，快速完成電纜網(wǎng)的走向設(shè)計(jì)。

e. 以Creo為基礎(chǔ)二次開發(fā)管路快速設(shè)計(jì)工具。在管路快速設(shè)計(jì)工具支持下，總體設(shè)計(jì)師、推進(jìn)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)師、管路焊裝工藝師設(shè)計(jì)協(xié)同設(shè)計(jì)，快速完成管路的走向設(shè)計(jì)。

f. 以Creo為基礎(chǔ)二次開發(fā)總裝快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)，在系統(tǒng)支持下，總體設(shè)計(jì)師、總裝工藝師協(xié)同設(shè)計(jì)，快速完成總裝設(shè)計(jì)、批量自動匯總、三維模型快速發(fā)布、總裝信息管理和總裝信息的輸出等。

g. 基于AVIDM4系統(tǒng)完成總裝三維模型、文件的受控管理，模型和文件發(fā)放。實(shí)現(xiàn)總裝模型、文件從總體設(shè)計(jì)單位到生產(chǎn)單位、總裝實(shí)施單位的三維發(fā)布與分發(fā)。

從以上分析可知，基于AVIDM4與Creo的三維協(xié)同研制是一套方法，并不局限于具體型號，原則上適用于各類航天器型號的研制；衛(wèi)星、飛船、探測器等飛行器在外形、結(jié)構(gòu)、組成、功能等方面存在差別，但從研制過程、研制方法、工具上并無差別；研制過程都包括構(gòu)型設(shè)計(jì)、布局設(shè)計(jì)、電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)、管路設(shè)計(jì)、總裝設(shè)計(jì)、總裝發(fā)布等工作；在開展上述工作時皆可采用此方法。

5 結(jié)束語

提出一種基于AVIDM4和Creo的三維協(xié)同研制方法，解決了AVIDM3中產(chǎn)品結(jié)構(gòu)維護(hù)難度大、協(xié)同信息傳遞效率低的問題。該方法在北斗三號導(dǎo)航衛(wèi)星研制過程中得到了全面的驗(yàn)證和應(yīng)用，結(jié)果表明：基于該方法的整星布局設(shè)計(jì)、電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)、推進(jìn)管路設(shè)計(jì)、整星總裝發(fā)布周期縮短50%，顯著加快了整星研制進(jìn)度，縮短了研制周期。經(jīng)普適性分析，該方法不局限于一類航天器研制，可以推廣到各類航天器的研制。

1 姚駿，王志瑾，袁金如. 基于主控骨架體系的衛(wèi)星三維協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J]. 航天制造技術(shù)，2019(3)：21～25，31

2 李飛，章樂平，王志勇，等. 航天器數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2013(1)：71～74

3 Kvan, Thomas. Collaborative design: what is it[J]. Automation in Construction, 2000(4)：409～415

4 吳輝. 運(yùn)載火箭基于MBD的全三維設(shè)計(jì)及管理技術(shù)研究[D]. 上海：上海交通大學(xué)，2015

5 秦紅強(qiáng)，王猛，楊亞龍，等. 液體火箭發(fā)動機(jī)三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)研究[J].火箭推進(jìn)，2016(3)：76～80

6 姜海麗. AVIDM在航天企業(yè)中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代制造工程，2005(11)：47～49

7 張一快，王蘇安，王樹紅. AVIDM產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)管理應(yīng)用[J]. 中國制造業(yè)信息化，2008(4)：49～50

8 張宏宇，高洪濤，劉霞，等. 面向制造的航天器總體、結(jié)構(gòu)和熱控三維協(xié)同設(shè)計(jì)研究[J]. 航天制造技術(shù)，2016(5)：14～17

9 范凱，黃業(yè)平，劉政，等. 基于Pro/E軟件的衛(wèi)星三維布局與電纜的協(xié)同設(shè)計(jì)[J]. 航天器環(huán)境工程，2015(4)：390～394

10 蔡敏，王博哲，陳興峰，等. 基于Creo的飛行器電纜三維協(xié)同設(shè)計(jì)研究[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2016(6)：27～29，35

11 張亮，劉霞，謝政，等. 面向制造的航天器管路數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用[J]. 航天制造技術(shù)，2016(3)：56～59

12 谷巍，劉剛. 載人航天器數(shù)字化設(shè)計(jì)管理模式[J]. 航天制造技術(shù)，2013(1)：59～63

13 劉江，劉質(zhì)加，辛強(qiáng)，等. 基于MBD的小衛(wèi)星數(shù)字化應(yīng)用[J]. 航空制造技術(shù)，2015(21)：68～72

14 韓鳳宇，林益明，范海濤. 基于模型的系統(tǒng)工程在航天器研制中的研究與實(shí)踐[J]. 航天器工程，2014(3)：119～125

A 3D Collaborative Development Method Based on AVIDM4 and Creo

Zhou Xiaolun Chen Zhonggui Zhang Xu Zhang Hongbo Zhu Wei

(China Academy of Space Technology, Beijing 100094)

There are some problems in 3D collaborative design, such as difficult maintenance of product structure in AVIDM3 and low efficiency of information transmission in collaboration. In order to solve these problems, a new 3D collaborative development method is proposed. The product structure management is realized through AVIDM4. The collaborative information is fast transmitted between subsystems, structure subsystem, thermal control subsystem, circuit subsystem, propulsion subsystem, and so on, by Creo. Through the verification of the whole process of the development of Beidou III satellites, it is proved that the intelligent management of product structure and high transmission of collaborative information is realized by this method. The efficiency can be improved significantly by this method, which can be extended to the development of spacecraft in other fields.

AVIDM4；Creo；spacecraft；3D；collaborative；development

國家重大科技專項(xiàng)工程。

周孝倫（1981），高級工程師，衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)專業(yè)；研究方向?yàn)閷?dǎo)航衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)。

2020-09-22