基于Syncrofit的航天器全三維裝配設(shè)計(jì)方法研究

中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心

彭?yè)P(yáng) /首都航天機(jī)械有限公司

航天器裝配對(duì)產(chǎn)品制造的開發(fā)周期、產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益等具有十分重要的影響。隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)方法從二維圖紙逐漸向三維數(shù)字化模型過(guò)渡。近年來(lái)，國(guó)外以波音、空客等飛機(jī)研發(fā)公司在10余年內(nèi)研發(fā)的新型產(chǎn)品為代表，集中體現(xiàn)了國(guó)外數(shù)字化裝配技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展方向，如在B787的裝配設(shè)計(jì)過(guò)程中采用基于Syncrof i t的三維裝配設(shè)計(jì)方法，從產(chǎn)品數(shù)字化定義到裝配工藝規(guī)劃的全部流程，都以數(shù)據(jù)流的方式進(jìn)行傳遞，實(shí)現(xiàn)了以三維模型作為單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源的數(shù)字化裝配及仿真，極大提高了生產(chǎn)效率。

一、傳統(tǒng)產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)方法存在的問(wèn)題

當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)三維設(shè)計(jì)模式的研究方興未艾，主要集中在零件結(jié)構(gòu)三維制造研究，產(chǎn)品的裝配設(shè)計(jì)方法基本仍沿用傳統(tǒng)基于設(shè)計(jì)工藝相對(duì)分離、三維模型與二維圖紙并存共用的方法。

傳統(tǒng)航天器研制模式下，基于三維模型和二維文件并存?zhèn)鬟f、串行工程的方法設(shè)計(jì)質(zhì)量粗放、效率低，無(wú)法滿足新型航天器結(jié)構(gòu)產(chǎn)品“優(yōu)性能、高質(zhì)量、高效率”的要求，具體存在以下4個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題急需解決：

一是緊固件信息無(wú)法全部在數(shù)模中根據(jù)夾持厚度自動(dòng)實(shí)例化，需要手工添加，工作量大，容易出錯(cuò)。

二是緊固件信息BOM表無(wú)法自動(dòng)提取和更新，設(shè)計(jì)單位需要在提供數(shù)模的同時(shí)，人工計(jì)算制定緊固件BOM表。

三是無(wú)法將裝配設(shè)計(jì)技術(shù)要求集中到數(shù)模中，需要單獨(dú)編制裝配驗(yàn)收技術(shù)條件。

四是沒(méi)有集成的裝配數(shù)據(jù)集管理設(shè)計(jì)信息，需要打開全艙段數(shù)模才能顯示全部信息，數(shù)據(jù)量大，輕量化程度低。

二、全三維裝配設(shè)計(jì)方法研究

1.模型信息表達(dá)規(guī)范及實(shí)現(xiàn)方法

產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容是通過(guò)唯一的三維模型集成所有的裝配設(shè)計(jì)信息和必要的工藝信息，統(tǒng)一全過(guò)程數(shù)據(jù)源。裝配要求模型（ARM ）數(shù)據(jù)集表達(dá)方法是其中一項(xiàng)主要內(nèi)容，通過(guò)調(diào)研國(guó)外先進(jìn)企業(yè)數(shù)據(jù)集表達(dá)方法，總結(jié)出適用于航天器結(jié)構(gòu)的裝配要求模型定義方法，包括標(biāo)準(zhǔn)件信息、連接信息、技術(shù)要求、工裝信息等。

2.裝配設(shè)計(jì)流程

智能制造模式下要求裝配產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)同步，裝配設(shè)計(jì)的工藝性和科學(xué)性直接影響設(shè)計(jì)模型的精細(xì)化程度以及方案的可行性。筆者通過(guò)借鑒國(guó)外先進(jìn)企業(yè)MBD研制經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)造以VPM/Syncrof i t平臺(tái)為依托，以模型為核心的設(shè)計(jì)、制造一體化設(shè)計(jì)流程，并形成相關(guān)規(guī)范體系進(jìn)行流程固化。

在某新型航天器艙體裝配設(shè)計(jì)過(guò)程中，完成了設(shè)計(jì)工藝一體化詳細(xì)流程方法構(gòu)建，具體流程包括以下幾個(gè)方面：

發(fā)布設(shè)計(jì)規(guī)范。通過(guò)借鑒波音、西門子等先進(jìn)企業(yè)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合航天器裝配實(shí)際情況，制定設(shè)計(jì)工藝協(xié)同裝配要求文件（見表1），以確保后續(xù)工作流程的規(guī)范性。

建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。將航天器常用的1852種緊固件，包括鉚釘、螺栓、螺釘、螺母、托板螺母等數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并定制到數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)中，后續(xù)設(shè)計(jì)人員只需要在終端直接調(diào)用需要的緊固件或者緊固件組合信息，這樣可大量節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率。

表1 航天器三維裝配設(shè)計(jì)規(guī)范

建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹是指在數(shù)字化平臺(tái)上，根據(jù)產(chǎn)品圖號(hào)分配表為基礎(chǔ)建立的零組件父子級(jí)關(guān)系，形成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，其中每個(gè)組件下建立裝配數(shù)據(jù)集ARM模型。

連接關(guān)系規(guī)劃。根據(jù)產(chǎn)品零件設(shè)計(jì)結(jié)果將裝配組件下的零件連接關(guān)系進(jìn)行規(guī)劃，并進(jìn)行分組管理。

連接關(guān)系設(shè)計(jì)完成后，該組件下所有釘點(diǎn)的連接關(guān)系應(yīng)完成分類設(shè)計(jì)，有釘點(diǎn)的地方配合的其他組件也應(yīng)打開。一般準(zhǔn)備工作過(guò)程中，應(yīng)打開全機(jī)數(shù)模進(jìn)行檢查，確保連接釘?shù)牡胤酵饨M件零件的位置，防止后續(xù)夾持長(zhǎng)度計(jì)算錯(cuò)誤。準(zhǔn)備工作完成后，關(guān)閉CATIA，按照連接關(guān)系表打開連接相關(guān)的零件即可，從而加快速度。

緊固件布置。根據(jù)組件內(nèi)部零件連接關(guān)系和夾持厚度，對(duì)不同類型的緊固件進(jìn)行分組布置，并確定各區(qū)域緊固件的牌號(hào)。

完成緊固件選型后，應(yīng)對(duì)配合的安裝孔進(jìn)行定義，一般直接從協(xié)同設(shè)計(jì)規(guī)范中選取，后續(xù)工藝根據(jù)此規(guī)范和其他信息進(jìn)行加工。

計(jì)算夾層厚度。通過(guò)數(shù)模中具有連接關(guān)系區(qū)域厚度自動(dòng)計(jì)算夾持厚度，一般包括連接零件總厚度、間隙、公差、墊片等，然后軟件自動(dòng)根據(jù)夾持厚度選取合適規(guī)格的螺栓、螺母等。后續(xù)，如果零件設(shè)計(jì)過(guò)程發(fā)生更改，厚度變化，緊固件將自動(dòng)更新，以確保規(guī)格正確。傳統(tǒng)的人工統(tǒng)計(jì)數(shù)模緊固件則不具備自動(dòng)更新能力，工作量大且容易出錯(cuò)。

實(shí)例化孔和緊固件。根據(jù)計(jì)算的夾持厚度，可自動(dòng)完成零件裝配孔特征并從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取緊固件數(shù)模，并完成裝配。

裝配信息發(fā)布。完成緊固實(shí)例后，可進(jìn)行裝配技術(shù)要求等非幾何信息定義，最后將裝配緊固件各項(xiàng)要求統(tǒng)一發(fā)布在ARM模型下并提取BOM。

三、成果經(jīng)驗(yàn)及應(yīng)用效果

1.預(yù)研產(chǎn)品需求牽引是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模式創(chuàng)新跨越發(fā)展的基礎(chǔ)

面對(duì)預(yù)研結(jié)構(gòu)產(chǎn)品激烈的競(jìng)爭(zhēng)形式，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)大膽創(chuàng)新，開拓進(jìn)取，引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)的三維裝配設(shè)計(jì)工藝一體化設(shè)計(jì)方法，以基于MBD的統(tǒng)一數(shù)據(jù)源為核心，打通了從“幾何樣機(jī)—性能樣機(jī)”的產(chǎn)品質(zhì)量管控機(jī)制，初步形成了結(jié)構(gòu)化產(chǎn)品研制流程、協(xié)同化產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)境、專業(yè)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)工具、知識(shí)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)資源、體系化產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范等五化式過(guò)程目標(biāo)管理，有效提升技術(shù)抓總能力，保障了項(xiàng)目的順利實(shí)施。

2.專業(yè)規(guī)范的數(shù)字化基礎(chǔ)建設(shè)是項(xiàng)目成功應(yīng)用的關(guān)鍵

通過(guò)強(qiáng)化基礎(chǔ)，建立了首個(gè)協(xié)同裝配設(shè)計(jì)/制造一體化平臺(tái)，開發(fā)三類35項(xiàng)專業(yè)設(shè)計(jì)工具，顯著提升了設(shè)計(jì)效率。

通過(guò)規(guī)范先行，制定了集團(tuán)級(jí)、院級(jí)、中心級(jí)、室級(jí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系37份，形成了73份各層次體系作業(yè)文件，有效保障了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

通過(guò)積累資源，構(gòu)建了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模板體系4份，材料庫(kù)體系3份，標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)46508種，電插接件庫(kù)426種，成品件庫(kù)46種，大大加速了后續(xù)設(shè)計(jì)效率。

通過(guò)研究基于MBD全三維裝配設(shè)計(jì)方法，并具體應(yīng)用到新型航天器艙段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，取得了顯著的應(yīng)用效果。完成了國(guó)內(nèi)首個(gè)大型可重復(fù)使用新型航天器結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立零組件模型15000多個(gè)，零件制造和產(chǎn)品裝配全部設(shè)計(jì)與主要工藝信息均集成到三維模型中，實(shí)現(xiàn)了全過(guò)程無(wú)紙化，生產(chǎn)周期縮短42%，數(shù)字化制造技術(shù)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

隨著產(chǎn)品裝配數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，對(duì)航天器裝配效率的提高、裝配返工率的降低、裝配質(zhì)量的保證都有極大的改善，縮短了制造周期、產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。隨著MBD技術(shù)在航天工程應(yīng)用中逐漸發(fā)展和完善，航天器裝配技術(shù)必將取得更大的提高。