基于MBD和KBE的衛(wèi)星單機(jī)模型緊固件自動(dòng)裝配研究

徐春生，張 楊，夏永泉，印 璞

（中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100094）

0 引言

衛(wèi)星單機(jī)通過緊固件（一般為螺釘、彈墊和平墊的組合）安裝到衛(wèi)星艙板上，單機(jī)的緊固件信息附加在單機(jī)總裝MBD（model based definition，基于模型的定義）[1]模型（以下簡(jiǎn)稱MBD模型）的屬性信息中，并未在模型中生成緊固件的實(shí)體模型。采用這種處理方式，主要是因?yàn)樾l(wèi)星單機(jī)數(shù)量多，采用的緊固件類型也多，若人為創(chuàng)建緊固件模型并在單機(jī)模型上進(jìn)行裝配，耗時(shí)耗力。但是這種處理方式存在以下問題：

1）在單機(jī)模型審簽階段，無法直觀的檢查單機(jī)模型機(jī)械接口的設(shè)計(jì)是否正確，只能通過測(cè)量和查詢緊固件手冊(cè)才能驗(yàn)證模型機(jī)械接口是否符合要求。

2）在總裝設(shè)計(jì)階段，需要判斷單機(jī)安裝用的緊固件與結(jié)構(gòu)埋件的匹配性（螺紋規(guī)格是否一致）以及是否干涉，若無緊固件模型，只能通過計(jì)算判斷。

3）在衛(wèi)星總裝實(shí)施階段，總裝操作人員看到的總裝模型中無緊固件模型，只有附屬的緊固件參數(shù)信息，無法直觀的指導(dǎo)總裝操作人員進(jìn)行裝配操作。

針對(duì)上述問題，提出了一種基于MBD和知識(shí)工程（Knowledge-Based Engineering，KBE）[2]的單機(jī)總裝模型緊固件自動(dòng)裝配方法。該方法以單機(jī)的MBD模型為基礎(chǔ)，借助KBE技術(shù)實(shí)現(xiàn)緊固件的參數(shù)化配置，批量生成緊固件模型，再利用CATIA二次開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)MBD模型對(duì)應(yīng)緊固件的自動(dòng)裝配，顯著提升了模型生成及裝配效率。

1 衛(wèi)星單機(jī)MBD模型簡(jiǎn)介

隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的發(fā)展，MBD已成為第三代工程語(yǔ)言[3]。MBD是波音推行的新一代產(chǎn)品定義方法，它用一個(gè)集成的三維實(shí)體模型來完整地表達(dá)產(chǎn)品定義信息[4,5]，即將制造信息和設(shè)計(jì)信息（三維尺寸標(biāo)注及各種制造信息和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息）共同定義到產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型中，從而取消二維工程圖，保證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的唯一性。MBD是MBSE（Model Based Engineering，MBSE）的基礎(chǔ)，MBD更關(guān)注產(chǎn)品的幾何信息，包括工藝描述信息、制造屬性信息、管理屬性信息，把三維模型作為生產(chǎn)制造的唯一依據(jù)。

衛(wèi)星總裝設(shè)計(jì)中，創(chuàng)建了單機(jī)總裝MBD模型，將模型對(duì)應(yīng)的單機(jī)的機(jī)、電、熱接口等信息以特征和參數(shù)的形式附加到三維模型中，圖1是構(gòu)造的典型單機(jī)MBD總裝模型的參數(shù)信息結(jié)構(gòu)。

圖1 衛(wèi)星單機(jī)總裝MBD模型參數(shù)信息

圖1中，左側(cè)的“METRICS”是單機(jī)MBD模型的參數(shù)包，包含了衛(wèi)星布局設(shè)計(jì)和總裝設(shè)計(jì)所需的機(jī)、電、熱接口等信息，其中的“MECHANICAL MOUNTING INFORMATION”存儲(chǔ)模型對(duì)應(yīng)的單機(jī)安裝在衛(wèi)星艙板上所需的緊固件信息，如圖1所示。圖1中各主要參數(shù)的含義如表1所示。

2 緊固件生成及裝配

若創(chuàng)建單機(jī)模型所配置的緊固件模型，需先提取MBD模型中的緊固件信息；然后以提取的信息為基礎(chǔ)，借助CATIA三維設(shè)計(jì)軟件的KBE功能進(jìn)行參數(shù)化建模，創(chuàng)建緊固件模型；最后利用CATIA的二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)緊固件的自動(dòng)裝配。具體流程如圖3所示。

圖2 單機(jī)安裝類型示意

2.1 提取MBD模型中的緊固件信息

緊固件信息主要包括緊固件套數(shù)、安裝類型、緊固件規(guī)格和數(shù)量，其中緊固件套數(shù)信息存儲(chǔ)在“Qty of Mounting Interfaces”中，安裝類型信息存儲(chǔ)在“Mounting I/F Type”中，讀取上述兩個(gè)參數(shù)即可。其中，單機(jī)安裝類型決定了后續(xù)選擇的緊固件種類（典型的安裝類型為“A”類安裝，如圖2所示）。緊固件規(guī)格和數(shù)量存儲(chǔ)在表1所示的其他參數(shù)中。表1的參數(shù)在CATIA模型中的體現(xiàn)形式均為“Part”對(duì)象下面的混合元素子集（“HybridBodies”），可通過圖4所示的流程提取出這些信息。

表1 單機(jī)總裝MBD模型緊固件參數(shù)表

圖3 緊固件生成及裝配流程圖

圖4 提取單機(jī)安裝類型信息流程圖

2.2 基于KBE的緊固件定義

知識(shí)工程（KBE）的核心是將有關(guān)的學(xué)科知識(shí)、相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范、設(shè)計(jì)參數(shù)選擇規(guī)律、設(shè)計(jì)歷史資料等建成知識(shí)庫(kù)并嵌入到設(shè)計(jì)軟件中，通過邏輯判斷和推理，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的智能化設(shè)計(jì)[6]。

衛(wèi)星上總裝使用的緊固件規(guī)格較多，以某型螺釘為例，常用規(guī)格就有121種之多，針對(duì)每一規(guī)格均構(gòu)建三維模型不切實(shí)際。在CATIA中，針對(duì)一類緊固件（如螺釘）可以只創(chuàng)建一個(gè)實(shí)體模型，然后在此三維模型基礎(chǔ)上，借助KBE功能使用Catalog生成指定規(guī)格的一系列的實(shí)體模型。

以螺釘QJ 2582-93（鈦合金內(nèi)六角圓柱頭螺釘）為例，在CATIA中創(chuàng)建系列螺釘模型的步驟如下：

首先，確定創(chuàng)建螺釘需要的特征參數(shù)，這些特征參數(shù)是建模的基礎(chǔ)，通過調(diào)整這些參數(shù)，可得到不同規(guī)格的螺釘模型。對(duì)于QJ2582-93螺釘來說，特征參數(shù)如下：螺桿長(zhǎng)度l、螺釘頭部最大高度k_max、螺紋公稱直徑d、螺釘頭部最大直徑dk_max、螺釘頭部與螺桿過渡處倒圓最大半徑r_max、螺釘頭部凹槽特征尺寸s、螺釘頭部凹槽深度i。

圖5 釘模型信息

其次，確定特征參數(shù)后，進(jìn)行參數(shù)化建模。圖5即為QJ 2582-93系列螺釘M2×10的參數(shù)化模型。

再次，創(chuàng)建參數(shù)表。參數(shù)表用來給出同系列緊固件對(duì)應(yīng)的不同規(guī)格的特征參數(shù)，通過參數(shù)表的參數(shù)化變量來控制不同規(guī)格緊固件的幾何形狀。表2是螺釘QJ2582-93的典型參數(shù)表。

最后，創(chuàng)建Catalog標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)。在CATIA中新建一個(gè)Catalog文檔，引入?yún)?shù)表，并關(guān)聯(lián)已創(chuàng)建好的典型模型文件。后續(xù)即可根據(jù)需求從庫(kù)文件瀏覽器中調(diào)用指定規(guī)格的螺釘模型，如圖6所示。

圖6 利用參數(shù)表生成的部分螺釘模型

表2 螺釘QJ2582-93的典型參數(shù)

2.3 緊固件自動(dòng)裝配

將生成的緊固件模型按照單機(jī)安裝類型的約束，裝配到單機(jī)MBD模型中。在CATIA中，單機(jī)模型為Part類型，若在單機(jī)模型基礎(chǔ)上裝配緊固件，需先生成Product，然后裝配單機(jī)模型，再裝配緊固件模型。

假設(shè)裝配類型為A，且已生成螺釘、彈墊、平墊的模型，為了將緊固件裝配到指定的位置，需提取單機(jī)MBD模型中的安裝接口信息，此信息存儲(chǔ)在單機(jī)模型中混合元素子集“Drilling Map”下的“HybridShapes”對(duì)象中，其中存儲(chǔ)了安裝接口的X、Y、Z坐標(biāo)值（坐標(biāo)系原點(diǎn)為單機(jī)安裝接口的R點(diǎn)）。提取安裝接口信息后，使用SetComponents函數(shù)將緊固件先安裝到每個(gè)安裝孔處的默認(rèn)位置。然后，將緊固件在Z軸方向平移，將其調(diào)整到最終的位置：

首先，平移平墊，平墊在Z軸上的平移量是單機(jī)耳片的厚度，該厚度可從單機(jī)總裝MBD模型中提取；

其次，平移彈墊，彈墊的平移量是單機(jī)耳片的厚度加平墊的厚度，后者從平墊的Catalog模型中提取參數(shù)h即可；

最后，平移螺釘，螺釘?shù)钠揭屏渴菃螜C(jī)耳片厚度、平墊厚度、彈墊厚度以及螺釘頭部厚度之和，從各個(gè)模型的參數(shù)中即可提取。

3 模型驗(yàn)證

按照文中所述方法，編制緊固件裝配APP，如圖7所示。圖7中，“選擇源文件”是指將三維模型構(gòu)造為MBD總裝模型時(shí)需要的總裝信息文件，然后選擇零件模型，之后點(diǎn)擊“裝配緊固件”，軟件生成MBD總裝模型后，直接進(jìn)行緊固件的自動(dòng)裝配。

圖7 緊固件裝配App界面

構(gòu)造單機(jī)模型如圖8所示，經(jīng)過軟件運(yùn)行，得到結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，按照總裝MBD模型中設(shè)置的緊固件，與單機(jī)模型本體干涉。若不安裝緊固件，設(shè)計(jì)師不會(huì)直觀的發(fā)現(xiàn)緊固件配置不合適的問題，一般只會(huì)單純的按照安裝孔大小選擇緊固件規(guī)格，從而帶來設(shè)計(jì)差錯(cuò)的隱患。

圖8 構(gòu)造模型（未安裝緊固件）

圖9 構(gòu)造模型（安裝緊固件后）

4 結(jié)語(yǔ)

通過本文所提方法，即可實(shí)現(xiàn)緊固件模型在單機(jī)模型上的“一鍵裝配”，無需人為創(chuàng)建緊固件模型并進(jìn)行裝配。在裝配緊固件模型之后，在單機(jī)三維模型審簽階段，就可直觀檢查模型機(jī)械接口設(shè)計(jì)是否合理；在衛(wèi)星總裝設(shè)計(jì)階段，就可以利用附加緊固件模型的布局模型對(duì)總裝緊固件與結(jié)構(gòu)埋件的橫向和縱向兩個(gè)維度進(jìn)行快速干涉檢查；在總裝實(shí)施階段，能夠方便的指導(dǎo)操作人員按照總裝模型裝配相應(yīng)的單機(jī)。