基于數(shù)字化研制模式的衛(wèi)星總裝狀態(tài)閉環(huán)管控研究

袁金如 陳 強(qiáng) 姚 駿 張棲誠(chéng) 徐天水 王曉波

兩化融合

基于數(shù)字化研制模式的衛(wèi)星總裝狀態(tài)閉環(huán)管控研究

袁金如 陳 強(qiáng) 姚 駿 張棲誠(chéng) 徐天水 王曉波

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109）

基于衛(wèi)星數(shù)字化研制總裝技術(shù)狀態(tài)管控需求，介紹了衛(wèi)星總裝設(shè)計(jì)技術(shù)狀態(tài)管理實(shí)踐和總裝制造過(guò)程技術(shù)狀態(tài)管控及閉環(huán)融合實(shí)現(xiàn)方法及初步系統(tǒng)構(gòu)想，為衛(wèi)星設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)狀態(tài)管控與數(shù)據(jù)融合應(yīng)用提供借鑒與參考。

數(shù)字化研制模式；衛(wèi)星總裝；設(shè)計(jì)制造一體化；技術(shù)狀態(tài)；閉環(huán)管控

1 引言

通過(guò)基于三維模型的產(chǎn)品定義方法，可以實(shí)現(xiàn)全三維模型的數(shù)據(jù)源統(tǒng)一，完成制造依據(jù)由二維圖紙向三維數(shù)字化模型轉(zhuǎn)變，這項(xiàng)最早源于波音公司的MBD（Model Based Definition）技術(shù)在飛機(jī)制造業(yè)引起了重大變革[1，2]。在國(guó)內(nèi)，MBD技術(shù)已在航空、船舶和汽車制造等多個(gè)企業(yè)應(yīng)用和推廣。各企業(yè)利用數(shù)字化技術(shù)作為基礎(chǔ)，建立設(shè)計(jì)、工藝和制造協(xié)同工作的研制模式，使產(chǎn)品的零部件從設(shè)計(jì)到工藝以及生產(chǎn)裝配環(huán)節(jié)都在計(jì)算機(jī)中控制[3～6]。但在實(shí)際的設(shè)計(jì)和制造協(xié)同之間卻暴露出一些問(wèn)題，例如設(shè)計(jì)和工藝系統(tǒng)平臺(tái)不統(tǒng)一，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的阻礙，以及業(yè)務(wù)流程中產(chǎn)生需要管理的大量數(shù)據(jù)，缺乏高效的數(shù)據(jù)提取方法和管理工具，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的研制周期[7，8]。

構(gòu)建總體與分系統(tǒng)、設(shè)計(jì)與制造、產(chǎn)品與檢驗(yàn)的并行設(shè)計(jì)協(xié)同工作環(huán)境，形成基于三維模型的數(shù)字化并行協(xié)同研制模式，打破部門界限，增強(qiáng)專業(yè)間的協(xié)作關(guān)系，將傳統(tǒng)分散串行協(xié)調(diào)的管理模式，演變?yōu)橐匀蝿?wù)為牽引的并行式、柔性化的敏捷管理模式，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造檢驗(yàn)一體化研制集成，是適應(yīng)航天高質(zhì)量高效率發(fā)展要求的必然選擇。型號(hào)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)制造檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一融合閉環(huán)管理，是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星設(shè)計(jì)制造一體化的關(guān)鍵因素之一。介紹了衛(wèi)星數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)制造過(guò)程管控等成熟應(yīng)用實(shí)踐現(xiàn)狀，闡述衛(wèi)星總裝設(shè)計(jì)與制造融合管控方法，及相關(guān)平臺(tái)工具研究探索與試用情況，以期為衛(wèi)星設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)狀態(tài)閉環(huán)管控實(shí)施提供有益借鑒與參考。

2 衛(wèi)星總裝技術(shù)狀態(tài)管控需求

衛(wèi)星總裝技術(shù)狀態(tài)為反映型號(hào)產(chǎn)品在研制過(guò)程中的配套狀態(tài)、設(shè)計(jì)及更改狀態(tài)、實(shí)施狀態(tài)、質(zhì)量控制、指標(biāo)一致性等各類狀態(tài)數(shù)據(jù)的集合，具體包括整星、分系統(tǒng)、單機(jī)和星上直屬件等各級(jí)產(chǎn)品的配套狀態(tài)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)的范圍包絡(luò)、產(chǎn)品總裝的物理狀態(tài)、產(chǎn)品質(zhì)量的控制狀態(tài)、研制流程各階段產(chǎn)品應(yīng)滿足的設(shè)計(jì)狀態(tài)等。主要從協(xié)同設(shè)計(jì)、制造過(guò)程及設(shè)計(jì)制造一體化閉環(huán)三個(gè)層面簡(jiǎn)單描述衛(wèi)星總裝技術(shù)狀態(tài)的管控需求。

2.1 數(shù)字化設(shè)計(jì)協(xié)同

圖1 基于三維模型的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)

衛(wèi)星研制屬于航天工業(yè)領(lǐng)域典型的系統(tǒng)性工程，研制單位分布區(qū)域廣、產(chǎn)品種類多、流程環(huán)節(jié)長(zhǎng)，設(shè)計(jì)更改頻繁、零件數(shù)量巨大、系統(tǒng)布置密集。基于三維模型的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)總體—分系統(tǒng)—單機(jī)等全要素的設(shè)計(jì)及變更數(shù)據(jù)管理，具體包括各承制單位的單機(jī)模型及IDS數(shù)據(jù)，總體主控（構(gòu)型）骨架模型、布局總裝設(shè)計(jì)模型、結(jié)構(gòu)、熱控、電纜及推進(jìn)管路設(shè)計(jì)模型、總裝直屬件模型等，協(xié)同設(shè)計(jì)的最終輸出為衛(wèi)星總裝等設(shè)計(jì)技術(shù)狀態(tài)。衛(wèi)星協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程中各數(shù)據(jù)關(guān)系如圖1所示。

2.2 設(shè)計(jì)制造過(guò)程一體化

衛(wèi)星總裝階段狀態(tài)變化多，確認(rèn)項(xiàng)目多，設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)分散，管控難度大。衛(wèi)星總裝過(guò)程數(shù)據(jù)主要反應(yīng)產(chǎn)品配套、裝星產(chǎn)品狀態(tài)、各層級(jí)各要素產(chǎn)品實(shí)施操作記錄、檢測(cè)數(shù)據(jù)、狀態(tài)確認(rèn)表格、現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題處理及拍照攝像、數(shù)據(jù)判讀、數(shù)據(jù)包管理、流程管理等。總裝過(guò)程數(shù)據(jù)組成及應(yīng)用邏輯如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星總裝過(guò)程數(shù)據(jù)組成

設(shè)計(jì)制造一體化數(shù)據(jù)融合閉環(huán)可以描述為衛(wèi)星總裝設(shè)計(jì)結(jié)果數(shù)據(jù)向總裝等下游制造單位定向發(fā)布以及總裝制造單位將生產(chǎn)過(guò)程及檢驗(yàn)收據(jù)反向推送給衛(wèi)星總體，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及制造實(shí)施數(shù)據(jù)的雙向流動(dòng)，繼而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造數(shù)據(jù)閉環(huán)融合。衛(wèi)星總裝過(guò)程數(shù)據(jù)閉環(huán)如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星總裝過(guò)程數(shù)據(jù)閉環(huán)示意圖

3 基于數(shù)字化研制模式的衛(wèi)星總裝技術(shù)狀態(tài)管控實(shí)踐

3.1 數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)

3.1.1 設(shè)計(jì)輸入源管理

圖4 現(xiàn)行設(shè)計(jì)輸入源管理流程

現(xiàn)行研制模式下，以單機(jī)三維模型接口數(shù)據(jù)作為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)制造的依據(jù)，而同時(shí)以IDS接口數(shù)據(jù)單作為單機(jī)機(jī)械接口驗(yàn)收的依據(jù)。單機(jī)IDS通過(guò)衛(wèi)星IDS系統(tǒng)審簽，單機(jī)三維模型通過(guò)衛(wèi)星快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)置，統(tǒng)一通過(guò)AVIDM4.0管控。一般通過(guò)人工交叉比對(duì)數(shù)據(jù)，確保三維模型與IDS機(jī)械接口數(shù)據(jù)的一致性，基本流程如圖4所示。

3.1.2 協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程管控

總體完成整星主控骨架設(shè)計(jì)，并檢入AVIDM4.0受控。總體布局、結(jié)構(gòu)、熱控、推進(jìn)、總體電路等分系統(tǒng)直接在內(nèi)網(wǎng)線上利用AVIDM4.0受控的衛(wèi)星主控骨架模型，通過(guò)協(xié)同設(shè)計(jì)工具完成各分系統(tǒng)衛(wèi)星骨架派生，初步及詳細(xì)設(shè)計(jì)各分系統(tǒng)。衛(wèi)星數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)主體流程如圖5所示。

圖5 衛(wèi)星數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)主體流程

3.1.3 數(shù)據(jù)受控與標(biāo)準(zhǔn)化管理

表1 三維數(shù)字化研制模式下典型受控模型

所有協(xié)同設(shè)計(jì)涉及的數(shù)據(jù)均利用AVIDM4.0管理受控。作為設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)源的數(shù)字化IDS在衛(wèi)星IDS系統(tǒng)中完成會(huì)簽，與之對(duì)應(yīng)輕量化模型在完成與IDS一致性對(duì)比確認(rèn)后通過(guò)AVIDM4.0受控。直接在AVIDM4.0平臺(tái)，利用已入庫(kù)的衛(wèi)星主控骨架模型，派生出單機(jī)布局用衛(wèi)星骨架模型，調(diào)用已經(jīng)入庫(kù)的單機(jī)設(shè)備模型，完成單機(jī)及高頻電纜布局設(shè)計(jì)，完成整星單機(jī)布局模型及單機(jī)接口骨架模型并審批受控。三維數(shù)字化研制模式下的典型受控管理模型及專業(yè)分工如表1所示。通過(guò)制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范衛(wèi)星數(shù)字化設(shè)計(jì)流程和技術(shù)狀態(tài)管控。

3.2 總裝制造過(guò)程管控與設(shè)計(jì)制造一體化閉環(huán)

目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)模型（主要指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型和總裝設(shè)計(jì)模型）的三維下廠，部分實(shí)現(xiàn)了基于總體三維設(shè)計(jì)模型的蜂窩板結(jié)構(gòu)及總裝工藝設(shè)計(jì)，局部實(shí)現(xiàn)了蜂窩板的數(shù)字化測(cè)量檢驗(yàn)，為基于模型的數(shù)字化衛(wèi)星結(jié)構(gòu)產(chǎn)品管控奠定了一定基礎(chǔ)。

衛(wèi)星總裝過(guò)程管控主要依靠制造過(guò)程管控系統(tǒng)完成，其以非結(jié)構(gòu)化的文檔以及圖片或影像實(shí)現(xiàn)，沒(méi)有與整星數(shù)字化模型或數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，且以制造單位內(nèi)部管控為主，由于網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)接口等原因尚未發(fā)布傳遞至衛(wèi)星總體，衛(wèi)星總體也不能在線查詢相關(guān)數(shù)據(jù)，衛(wèi)星總裝過(guò)程管理數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)與總體設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)閉環(huán)融合。

4 思考與探索

相對(duì)成熟的衛(wèi)星數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)，主要是進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)功能和各類使用流程，由能用向好用發(fā)展；對(duì)于衛(wèi)星總裝制造過(guò)程管控與設(shè)計(jì)制造一體化閉環(huán)融合，關(guān)鍵在于狀態(tài)要素梳理、流程接口規(guī)范、使用構(gòu)架搭建等，實(shí)現(xiàn)局部重點(diǎn)突破，為后續(xù)衛(wèi)星全周期技術(shù)狀態(tài)管控及大數(shù)據(jù)利用打好基礎(chǔ)。

4.1 推廣三維IDS應(yīng)用，統(tǒng)一原始設(shè)計(jì)輸入

分系統(tǒng)單位提交接口數(shù)據(jù)單和三維模型作為總體設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)輸入，模型與表單驗(yàn)收時(shí)，需要反復(fù)校對(duì)兩套數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)是否一致，且時(shí)常發(fā)現(xiàn)模型與接口數(shù)據(jù)單交叉重疊部分信息存在不一致、模型輕量化建模不規(guī)范等問(wèn)題。多次迭代造成了不必要的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)兩次接口定義、兩次審批流程，降低了設(shè)計(jì)效率，增大了技術(shù)狀態(tài)管控難度。正在研制試用的三維IDS可以很好解決以上問(wèn)題，其相關(guān)應(yīng)用流程如圖6所示。

圖6 三維IDS應(yīng)用流程

4.2 系統(tǒng)化設(shè)計(jì)工具，形成MBD集成設(shè)計(jì)平臺(tái)

圖7 MBD集成設(shè)計(jì)平臺(tái)示意

目前IDS表單會(huì)簽系統(tǒng)、三維IDS建模系統(tǒng)、三維快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)、PDM數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)分布零散，應(yīng)用較為繁瑣，三維IDS建模系統(tǒng)、三維快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)等自研工具功能模塊有待補(bǔ)充和完善，需加強(qiáng)操作友好性，考慮相關(guān)設(shè)計(jì)模塊升級(jí)和工具的聚集，形成可滿足全方位（上下游研制單位）、全要素（完整機(jī)械數(shù)字樣機(jī)）和全流程（從設(shè)計(jì)到檢驗(yàn)）應(yīng)用需求的衛(wèi)星MBD協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)。衛(wèi)星MBD數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)試用版如圖7所示。

4.3 實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造數(shù)據(jù)流通閉環(huán)

構(gòu)造一套以BOM為主線的設(shè)計(jì)制造一體化數(shù)據(jù)格式規(guī)范，總體基于MBD模型輸出EBOM，通過(guò)三維BOM重構(gòu)技術(shù)，總裝工藝以EBOM為基礎(chǔ)開(kāi)展工藝設(shè)計(jì)，生成PBOM，PBOM再轉(zhuǎn)化為MBOM，最終形成樹(shù)狀裝配工藝結(jié)構(gòu)樹(shù)，指導(dǎo)裝配生產(chǎn)。EBOM、PBOM及MBOM的唯一依據(jù)是MBD裝配模型[9]。基于MBD模型的三維BOM重構(gòu)技術(shù)體系如圖8示意。

圖8 基于MBD模型的三維BOM重構(gòu)技術(shù)體系示意圖

4.4 實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星實(shí)物狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控

圖9 衛(wèi)星總裝技術(shù)狀態(tài)管控示意圖

構(gòu)建一套以BOM為主線、以流程驅(qū)動(dòng)的衛(wèi)星總裝技術(shù)狀態(tài)管控系統(tǒng)，總裝配套文件的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)與管理，自動(dòng)輸出各配套文件；總裝過(guò)程記錄的標(biāo)準(zhǔn)化管理，為后期數(shù)據(jù)再利用奠定基礎(chǔ)；實(shí)時(shí)信息采集，實(shí)現(xiàn)技術(shù)狀態(tài)實(shí)施監(jiān)測(cè)與控制；配置驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)基于三維模型的數(shù)字化總裝狀態(tài)管理；研制流程節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)型號(hào)典型任務(wù)剖面的狀態(tài)信息統(tǒng)計(jì)報(bào)表化與看板化管理；基于統(tǒng)一規(guī)范數(shù)據(jù)接口，上下游系統(tǒng)一體化集成實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)縫輸入輸出。衛(wèi)星總裝結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)與狀態(tài)管控系統(tǒng)如圖9所示，目前正在研制試用中。

5 結(jié)束語(yǔ)

以IDS系統(tǒng)為數(shù)據(jù)紐帶、AVIDM4.0為協(xié)同平臺(tái)、衛(wèi)星快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)為支撐工具的衛(wèi)星協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺(tái)，同時(shí)規(guī)范化單機(jī)設(shè)備三維建模及IDS收集，流程化衛(wèi)星主控骨架建模與發(fā)布，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星多專業(yè)分布式并行協(xié)同設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)管控能力，初步具備了衛(wèi)星總裝及結(jié)構(gòu)的三維下廠能力。通過(guò)實(shí)施數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)及管控，提高了全周期研制效率，減少了低層次質(zhì)量問(wèn)題，優(yōu)化了整星系統(tǒng)設(shè)計(jì)，全面提升了總體抓總能力。后續(xù)將進(jìn)一步優(yōu)化協(xié)同設(shè)計(jì)工具和深化工具應(yīng)用，同時(shí)探索基于MBD的三維BOM模型重構(gòu)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于統(tǒng)一BOM為主線、以研制流程為驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)制造數(shù)據(jù)流通閉環(huán)，為衛(wèi)星總裝技術(shù)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與設(shè)計(jì)制造一體化閉環(huán)融合奠定技術(shù)路線基礎(chǔ)。

1 張輝，張勝文，楊戈. 面向設(shè)計(jì)制造的船用柴油機(jī)零件全三維數(shù)字化定義研究[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床，2013(7)：90～93

2 王俊彪，劉闖. 飛機(jī)零件制造模型及數(shù)字化定義[J]. 航空制造技術(shù)，2011(12)：38～41

3 胡權(quán)威，李金旭，劉文鋒，等. 三維工藝MBD模型協(xié)同管理及應(yīng)用[J].航天制造技術(shù)，2019(4)：67～70

4 崔德剛，劉看旺，鄭黨黨，等. 基于MBD的飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2019(12)：3053-3059

5 徐春生，張楊，夏永泉，等.基于MBD和KBE的衛(wèi)星單機(jī)模型緊固件自動(dòng)裝配研究[J]. 計(jì)制造業(yè)自動(dòng)化，2019(9)：114～126

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7 張敏，張順旺. 協(xié)同設(shè)計(jì)在制造企業(yè)中的應(yīng)用研究[J]. 現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息化，2017(22)：33～34

8 趙寒，張榮霞.模型驅(qū)動(dòng)的航天型號(hào)技術(shù)狀態(tài)管理方法研究[J]. 航天制造技術(shù)，2013(8)：4～8

9 屈力剛，苑俊超，魏佩振. 基于MBD的三維裝配BOM重構(gòu)技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2014(9)：26～29

Research of Closed-loop Management of Satellite Integrated Assembly Status Base on Digital R&D Mode

Yuan Jinru Chen Qiang Yao Jun Zhang Qicheng Xu Tianshui Wang Xiaobo

(Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109)

To control the status of satellite digital design and integrated assembly, a management practice of satellite integrated assembly design is proposed, also with the management, the method of closed-loop fusion and the preliminary system thoughts of integrated assembly. This provides reference for the status management and the record fusion application of satellites design and manufacturing integration.

digital R&D mode；satellites integrated assembly；design and manufacturing integration；technical conditions；closed-loop management

V57

A

袁金如（1983），高級(jí)工程師，機(jī)械工程專業(yè)；研究方向：衛(wèi)星總體總裝設(shè)計(jì)、衛(wèi)星數(shù)字化技術(shù)。

2021-07-21