CN104217056A - 一种航天器设备安装紧固件的快速设计与管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航天器设备紧固件的快速设计与管理方法，依据各类航天器设备安装标准紧固件选用范围要求，确定设备安装紧固件的选用范围，建立航天器设备安装标准紧固件数据库，归纳航天器设备安装紧固件的安装形式，根据设备安装孔径、安装孔深度、安装形式、紧固件类型、安装板厚度参数，建立设备安装紧固件基本参数的算法，以单机设备的机械接口信息作为数据基础，建立基于三维轻量化模型的紧固件数据共享平台，对设备紧固件参数的自动计算、规格的自动匹配、三维轻量化模型的参数化设计和自动装配，以及对紧固件设计结果的可视化检验，提高了紧固件设计的工作效率，保证了数据的唯一性和正确性。

Description

一种航天器设备安装紧固件的快速设计与管理方法

技术领域

本发明属于机械设计与机械配套领域，涉及一种设备安装紧固件的快速设计和基于工艺信息的管理方法。

背景技术

利用紧固件的连接设计是航天器产品常用的机械装配方式。在载人航天器的装配设计中广泛用到的紧固件主要包括螺钉(螺栓)、螺母、垫圈等，根据载人飞船的轨道舱和返回舱两个舱段的装配统计，设备装配用到的紧固件就超过11000件。紧固件的设计、采购、总装和管理是一个系统工程，贯穿于航天器从设计到配套、到总装、到检验、到在轨运行的全生命周期。

航天器设计是一个知识密集型的系统工程，包括若干个分系统的共同参与，每个分系统的单机设备由不同的研制单位进行研制。与航天器设备安装紧固件相关设计过程是：

首先由研制单位进行单机设备的研制；

然后分系统向型号总体部门提供各单机设备外形图册和安装紧固的安装信息(如安装孔直径及深度、安装孔数量、安装孔相对位置坐标等参数)。

总体部门在航天器的结构布局和总装设计中进行紧固件的选配；

采购部门根据总体部门提供的设备安装图册(二维图)中的紧固件统计结果进行紧固件采购；

最后在航天器的总装过程中，由总装实施部门总装实施。

其中，在航天器的结构布局和总装设计中，总体部门进行设备安装紧固件选配的基本过程是：设计师依据单机设备研制单位提供的单机设备的安装信息，手动计算紧固件的基本参数，并通过查询相关设计标准和规范，选取紧固件的规格，然后在二维安装图纸中表达紧固件信息，最终通过人工统计和汇总全部总装二维图上的紧固件信息来指导采购部门的采购和总装实施部门的现场装配。

这种传统的设计方法主要存在以下缺点：

1)螺钉(螺栓)的长短没有严格的规范，由于个人设计习惯及经验不同，使得即使相同类型设备装配设计，不同人给出的螺钉(螺栓)长度会不同，使得螺钉(螺栓)种类过多；

2)由于没有三维干涉仿真设计，无法检验是否干涉，无法提前判断总装实施过程中的可达性，如操作空间、测力空间、紧固件脱落方式及空间等是否满足要求；

3)不仅紧固件的设计计算繁琐，而且紧固件的统计和汇总工作量大、效率低、出错率高；

4)单机设备研制单位、结构布局和总装设计部门、采购部门和总装实施部门在“单机设计-结构布局和总装设计-紧固件采购-总装实施”过程中缺少统一的数据传输与信息共享，严重影响了设计效率，制约了设计-配套-总装的数字化、信息化和一体化进程。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种航天器设备紧固件的快速设计与管理方法，包括如下步骤：

1)依据各类航天器设备安装标准紧固件选用范围要求，确定设备安装紧固件的选用范围，建立航天器设备安装标准紧固件数据库；

2)归纳航天器设备安装紧固件的安装形式，根据设备安装孔径、安装孔深度、安装形式、紧固件类型、安装板厚度参数，建立设备安装紧固件基本参数的算法；

3)以单机设备的机械接口信息作为数据基础，建立基于三维轻量化模型的紧固件数据共享平台，实现紧固件在“设计-采购-总装-检验”全过程中的信息化闭环管理；所述的紧固件数据共享平台组成包括数据导入/导出子系统、数据采集子系统、紧固件信息分析子系统、紧固件统计与汇总子系统、紧固件生成与装配子系统、系统管理子系统；；

4)各分系统填报单机设备的机械接口信息；

5)将步骤4)所述的单机设备的机械接口信息汇总，并输入所述的紧固件数据共享平台；

6)在所述的紧固件数据共享平台上选择需要计算紧固件的设备名称或设备代号；

7)根据步骤6)所选择的设备名称或设备代号，所述的紧固件数据共享平台自动从数据库中收集该设备的机械接口信息；

8)所述的紧固件信息分析子系统依据设备安装孔径、安装孔深度、安装形式、紧固件类型、安装板厚度参数计算紧固件的公称直径和公称长度，然后在所述的航天器设备安装标准紧固件数据库中通过紧固件的公称直径和公称长度查找对应的标准紧固件；

9)重复步骤4)至8)，直至整器全部单机设备的安装紧固件计算完成；

10)所述的紧固件统计与汇总子系统根据设备安装孔的位置参数，统计和汇总整器紧固件，输出成紧固件物料清单表；

11)整器设备三维布局完成后，利用步骤10)获得的紧固件物料清单表，通过所述的紧固件生成与装配子系统，进行设备安装紧固件三维轻量化模型的参数化设计和装配；

12)重复步骤11)，直至整器全部单机设备的紧固件三维轻量化模型参数化设计和自动装配完成；

13)输出整器的紧固件三维装配模型的发布几何，输出整器的紧固件物料清单表，以指导紧固件采购和总装实施。

本发明实现了对设备紧固件参数的自动计算、规格的自动匹配、三维轻量化模型的参数化设计和自动装配，以及对紧固件设计结果的可视化检验，提高了紧固件设计的工作效率，解决了紧固件设计参数不优化的问题，实现了设备紧固件信息的自动统计和汇总，减少人工统计引起的差错率，实现了紧固件在“设计-配套-总装-检验”全过程中的信息化闭环管理，方便设计、配套和总装过程中信息的有效传输和共享，有效指导采购部门的采购和总装实施部门的现场装配；本发明中，以设备机械接口部分作为设备安装紧固件设计和管理的唯一输入，既保证了数据的唯一性，又保证了数据的正确性，同时可使整个紧固件设计和管理过程的数据源与整器构型布局和总体总装设计的数据源头统一。

附图说明

图1基于三维轻量化模型的紧固件数据共享平台的系统组成图；

图2航天器设备紧固件的快速设计与管理方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体介绍。

本发明以航天器的三维布局和总装的实际需求为出发点，提出一种航天器设备安装紧固件的快速设计与管理方法，实现紧固件在“设计-配套-总装-检验”全过程中的信息化闭环管理，实现对设备紧固件参数的自动计算、规格的自动匹配、三维轻量化模型的参数化设计和自动装配，以及对紧固件设计结果的可视化检验，应用到航天器三维布局和总装的设计过程中，提高紧固件设计的工作效率，解决紧固件设计参数不优化的问题，实现设备紧固件信息的自动统计和汇总，减少人工统计引起的差错率，方便设计、配套和总装过程中信息的有效传输和共享，有效指导采购部门的采购和总装实施部门的现场装配。

本实施在自主开发的基于三维轻量化模型的紧固件数据共享平台的基础上实现了航天器设备紧固件的快速设计与管理。

基于三维轻量化模型的紧固件数据共享平台的系统组成如图1所示，平台组成包括：数据导入/导出子系统，用于单机设备的机械接口信息的导入和紧固件各种信息及其BOM(Billof Material，物料清单)表的导出；数据采集子系统，用于设备安装支架机械接口信息的填报和标准紧固件数据库的填报；紧固件信息分析子系统，用于紧固件类型的选择、紧固件标准的选择、紧固件参数计算、紧固件规格匹配、紧固件可达性检验；紧固件统计与汇总子系统，用于某个图号或者整器紧固件信息的汇总和统计；紧固件生成与装配子系统，用于在航天器三维装配模型中紧固三维模型的生成和自动装配；系统管理子系统，用于用户管理、权限管理、角色管理和数据管理；

该紧固件数据共享平台具有以下功能：

1)可以输入和汇总航天器单机设备的机械接口数据；

2)依据《载人航天器标准紧固件选用范围要求》，定设备安装紧固件的选用范围，开了发标准紧固件的数据库；

3)根据设备安装孔径、安装孔深度、安装形式、紧固件类型、安装板厚度等参数，建立了设备安装紧固件的选型规则和基本参数的算法，实现了对紧固件参数的自动计算和规格的自动匹配，具体计算方法如下：

螺钉(螺栓)+垫片(与钢丝螺套配合)

螺钉(螺栓)的规格M通过设备上的孔径d进行判断，如果孔径D为整数值，规格M为D减去1，即M＝D-1，并满足紧固件设计规范要求；如果孔径D为整数值，规格M取设备孔径D小数点前的数值，并满足紧固件设计规范要求。

螺钉(螺栓)的计算长度Lx为：

Lx＝Hd+Hr/Hz+(P+6P+P)＝Hd+Hr/Hz+8P；

式中，Lx表示螺钉的计算长度；

Hd表示垫片的厚度；

Hr表示设备上安装孔深度；

Hz表示支架的厚度；

P表示螺距。

由于标准的螺钉长度为系列化的标准值，实际公称长度选用大于Lx的最小系列化值。

螺钉的公称长度L＝大于Lx的最小标准值。

螺钉的公称长度L的验算：L-(Hd+Hr/Hz)＜Hd+Hr/Hz+8P+2P

螺钉(螺栓)+螺母+垫片

螺钉(螺栓)规格M通过设备上的孔径d进行判断，如果孔径D为整数值，规格M为D减去1，即M＝D-1，并满足紧固件设计规范要求；如果孔径D为整数值，规格M取设备孔径D小数点前的数值，并满足紧固件设计规范要求。

螺钉(螺栓)的计算长度Lx为：

Lx＝Hd+Hr+Hy/Hz+Hm+2P；

式中，Lx表示螺钉或螺栓的计算长度；

Hd表示垫片的厚度；

Hr表示设备上安装孔深度；

Hy表示仪器板的厚度；

Hz表示支架的厚度；

Hm表示螺母的厚度；

P表示螺距。

由于标准的螺钉/螺栓长度为系列化的标准值，实际选用大于Lx的最小系列化值。

螺钉的公称长度L＝大于Lx的最小标准值。

螺钉(螺栓)+托板螺母+垫片

螺钉(螺栓)规格M通过设备上的孔径d进行判断，如果孔径D为整数值，规格M为D减去1，即M＝D-1，并满足紧固件设计规范要求；如果孔径D为整数值，规格M取设备孔径D小数点前的数值，并满足紧固件设计规范要求。

螺钉(螺栓)的计算长度Lx为：

Lx＝Hd×Nd+Hr+Hy/Hz+Hm+2P

式中，Lx表示螺钉或螺栓的计算长度；

Hd表示垫片的厚度；

Nd表示垫片的个数；

Hr表示设备上安装孔深度；

Hy表示仪器板的厚度；

Hz表示支架的厚度；

Hm表示螺母的厚度；

P表示螺距。

由于标准的螺钉/螺栓长度为系列化的标准值，实际选用大于Lx的最小系列化值。

螺钉的公称长度L＝大于Lx的最小标准值。

实现了自动生成如表1所示的紧固件BOM表，BOM表包括紧固件的配套信息、安装信息和螺纹孔信息，BOM表可以通过不同的方式进行索引，包括：以设备为索引、以紧固件的规格为索引、以对结构的孔表信息为索引等；

表1

通过与三维建模软件Pro/E的无缝链接，在Pro/E中实现了三维布局中紧固件轻量化三维模型的参数化设计和装配。

所述的紧固件共享平台具有统一的数据管理和服务层，可以输出整器的紧固件三维装配模型的发布几何，输出整器的紧固件BOM表，指导紧固件采购和总装实施。

该方法是按图2所示步骤进行。具体步骤如下：

各分系统填报单机设备的机械接口信息，机械接口信息主要包括：安装孔数量、安装孔编号、安装孔直径、安装孔深度、安装孔相对位置坐标；

汇总单机设备的机械接口信息，并输入基于三维轻量化模型的紧固件数据共享平台；

在基于三维轻量化模型的紧固件数据共享平台上选择需要计算紧固件的设备名称或者设备代号；

基于三维轻量化模型的紧固件数据共享平台根据选择的机设名称或者代号，自动从数据库中收集该设备的机械接口信息，包括：安装孔数量、安装孔编号、安装孔直径、安装孔深度、安装孔相对位置坐标；

紧固件信息分析子系统依据设备安装孔径、安装孔深度、紧固件类型、安装板厚度等参数，根据上述计算方法计算和匹配紧固件的公称直径和公称长度；

重复步骤2)-5)，直至整器全部单机设备的安装紧固件设计完成；

紧固件统计与汇总子系统根据设备安装孔的相对位置坐标，统计和汇总整器紧固件，输出成紧固件BOM表；

整器设备三维布局完成后，利用步骤10)获得的紧固件BOM表，通过紧固件生成与装配子系统，通过人机交互进行设备安装紧固件三维轻量化模型的参数化建模和装配；

重复步骤8)，直至整器全部单机设备的紧固件三维轻量化模型参数建模和自动装配完成；

输出整器的紧固件三维装配模型的发布几何，输出整器的紧固件BOM表，指导紧固件采购和总装实施。

本发明中未说明部分属于本领域的公知技术。

最后应说明的是：以上实施例应用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明了进行修改或者等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种航天器设备紧固件的快速设计与管理方法，其特征是，包括如下步骤：

1)依据各类航天器设备安装标准紧固件选用范围要求，确定设备安装紧固件的选用范围，建立航天器设备安装标准紧固件数据库；

2)归纳航天器设备安装紧固件的安装形式，根据设备安装孔径、安装孔深度、安装形式、紧固件类型、安装板厚度参数，建立设备安装紧固件基本参数的算法；

3)以单机设备的机械接口信息作为数据基础，建立基于三维轻量化模型的紧固件数据共享平台，实现紧固件在“设计-采购-总装-检验”全过程中的信息化闭环管理；所述的紧固件数据共享平台组成包括数据导入/导出子系统、数据采集子系统、紧固件信息分析子系统、紧固件统计与汇总子系统、紧固件生成与装配子系统、系统管理子系统；；

4)各分系统填报单机设备的机械接口信息；

5)将步骤4)所述的单机设备的机械接口信息汇总，并输入所述的紧固件数据共享平台；

6)在所述的紧固件数据共享平台上选择需要计算紧固件的设备名称或设备代号；

7)根据步骤6)所选择的设备名称或设备代号，所述的紧固件数据共享平台自动从数据库中收集该设备的机械接口信息；

8)所述的紧固件信息分析子系统依据设备安装孔径、安装孔深度、安装形式、紧固件类型、安装板厚度参数计算紧固件的公称直径和公称长度，然后在所述的航天器设备安装标准紧固件数据库中通过紧固件的公称直径和公称长度查找对应的标准紧固件；

9)重复步骤4)至8)，直至整器全部单机设备的安装紧固件计算完成；

10)所述的紧固件统计与汇总子系统根据设备安装孔的位置参数，统计和汇总整器紧固件，输出成紧固件物料清单表；

11)整器设备三维布局完成后，利用步骤10)获得的紧固件物料清单表，通过所述的紧固件生成与装配子系统，进行设备安装紧固件三维轻量化模型的参数化设计和装配；

12)重复步骤11)，直至整器全部单机设备的紧固件三维轻量化模型参数化设计和自动装配完成；

13)输出整器的紧固件三维装配模型的发布几何，输出整器的紧固件物料清单表，以指导紧固件采购和总装实施。

2.根据权利要求1所述的一种航天器设备紧固件的快速设计与管理方法，其特征是，所述的单机设备的机械接口信息主要包括安装孔数量、安装孔编号、安装孔直径、安装孔深度、安装孔相对位置坐标。

3.根据权利要求1所述的一种航天器设备紧固件的快速设计与管理方法，其特征是，所述的紧固件数据共享平台组成包括数据导入/导出子系统，用于单机设备的机械接口信息的导入和紧固件各种信息及其物料清单表的导出；所述的数据采集子系统，用于设备安装支架机械接口信息的填报和标准紧固件数据库的填报；所述的紧固件信息分析子系统，用于紧固件类型的选择、紧固件标准的选择、紧固件参数计算、紧固件规格匹配、紧固件可达性检验；所述的紧固件统计与汇总子系统，用于某个图号或者整器紧固件信息的汇总和统计；所述的紧固件生成与装配子系统，用于在航天器三维装配模型中紧固三维模型的生成和自动装配；所述的系统管理子系统，用于用户管理、权限管理、角色管理和数据管理。

4.根据权利要求1至3任一权利要求所述的一种航天器设备紧固件的快速设计与管理方法，其特征是，所述的物料清单表包括紧固件的配套信息、安装信息和螺纹孔信息；该物料清单表通过设备或紧固件的规格或结构的孔表信息进行索引。