CN104484529A - 一种航天器三维数字化装配方法 - Google Patents

Abstract

一种航天器三维数字化装配方法，首先建立航天器各仪器设备的三维结构模型，确定安装孔的孔位坐标、每个插座的安装位置坐标和方向、设备接地点的相对位置坐标。在此基础上，开展自动化装配设计，确定各设备在舱板上的安装位置、设备安装孔的紧固信息、电缆走向和接地线走向，并将结果分别存储于装配设计信息数据库中。最后，将三维结构模型和基于装配信息数据库生成的物料清单传输到装配现场，指导装配实施工作。本发明方法实现了设计意图的直观化和设计参数的结构化，克服了基于二维图纸的传统模式设计过程串行、结果信息分散、工作效率低下的不足，实现了协同化、并行化、自动化和集成化，能够大幅压缩设计周期，提高航天器的装配设计质量。

Description

一种航天器三维数字化装配方法

技术领域

本发明属于航天器装配设计领域，涉及一种利用三维数字化手段辅助航天器仪器设备总装的方法。

背景技术

目前，航天器装配设计部门已经能够普遍采用三维CAD软件进行装配设计。但在传统模式下，设计部门与工艺部门之间流转的信息载体仍然是二维图纸。设计师需要将装配三维模型转换成二维图纸进行发放，而工艺人员在编制工艺的过程中，需要参考三维模型对二维图纸重新进行理解和消化。由此可以看出，传统航天器装配模式存在三方面的局限性：①效率低下，三维模型到二维图纸的转换、二维图纸的专业审查和标准化审查等所用时间较长；②设计串行，设计信息只能点对点传递，无法多人、多专业并行设计；③信息分散，航天器装配设计的二维图纸中，各类不同的设计信息均由彼此独立的一整套图纸来表达，设计信息非常分散，给专业审查、工艺编制过程中的理解和消化带来很大困难。

随着数字化设计与制造技术的迅猛发展，特别是三维CAD技术和CAD/CAM一体化技术的日臻成熟，传统设计制造的流程和模式已经发生了革命性的变革。越来越多的情况下，二维图纸不再是设计制造过程的必需品，三维模型取代二维图纸，成为设计信息流转和传递的主要载体。洛克希德-马丁公司、波音公司、空客公司、丰田公司等众多知名企业在航空和汽车研制领域通过数字化设计制造手段的应用，大幅提高了产品质量、研制效率和研制能力，大幅压缩了研制周期和研制成本，有效保障了企业的国际竞争力。

目前，航天产品研制领域已有一些三维数字化设计与制造技术的尝试和应用，主要集中在数字化设计与加工技术领域。航天器装配设计与实施工作，作为一种特殊的设计与制造应用领域，具有多学科技术交叉融合、多专业应用复杂多样的特点。目前，在航天器数字化装配领域已有一些初步探索，尚无成熟的理论体系和应用案例。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种航天器三维数字化装配方法，以基于网络的协同设计平台为设计环境，以航天器装配三维模型和物料清单作为设计信息的载体，克服了基于二维图纸的传统模式设计过程串行、结果信息分散、工作效率低下的缺点，实现了将多套二维图纸集成为一套三维模型进行下厂装配，实现了航天器总装的自动化、并行化、集成化和协同化。

本发明的技术解决方案是：一种航天器三维数字化装配方法，包括如下步骤：

(1)建立航天器各仪器设备的三维结构模型；所述的三维结构模型仅包括与航天器总装相关的外部机械接口，不包括与航天器总装无关的外部结构特征，以及内部组件特征；所述的外部机械接口包括机械安装孔、电连接器插座、接地点；

(2)对于各仪器设备，在其机械安装孔中标识R孔，并在R孔处建立设备坐标系，由此确定各机械安装孔的孔位坐标；所述的设备坐标系原点O₁为R孔轴线与设备安装面的交点，X₁O₁Y₁平面与设备安装面平行，Z₁轴垂直于设备安装面；

(3)对于各仪器设备，在其每个电连接器插座处分别建立电连接器坐标系，根据电连接器坐标系与其所属仪器设备的设备坐标系的转换关系，确定每个电连接器插座相对于仪器设备的安装位置坐标和方向；所述电连接器坐标系的原点O₂为插座安装面的几何中心，X₂O₂Y₂平面与插座安装面平行，Z₂轴垂直于安装面；

(4)对于各仪器设备，选择1个机械安装孔作为接地安装孔，并在其接地安装孔处建立设备接地坐标系，根据设备接地坐标系与其所属仪器设备的设备坐标系的转换关系，确定接地点相对于仪器设备的位置坐标；所述设备接地坐标系的原点O₃为接地安装孔轴线与设备安装面的交点，X₃O₃Y₃平面与设备安装面平行，Z₃轴垂直于安装面；

(5)将各机械安装孔的孔径、耳片厚度、孔位坐标，每个电连接器插座相对于其所属仪器设备的安装位置坐标和方向，设备接地点相对于其所属仪器设备的位置坐标存入装配设计信息数据库；

(6)对航天器各结构舱板进行建模，分别建立舱板坐标系，根据设备坐标系与舱板坐标系的转换关系，确定各仪器设备在结构舱板上的安装位置；同时，在结构舱板上为每台所属仪器设备确定舱板接地点，并分别建立设备舱板接地坐标系，由此确定每台仪器设备的设备接地坐标系与设备舱板接地坐标系的转换关系并存入装配设计信息数据库；所述舱板坐标系的原点O₄为结构舱板的几何中心，X₄O₄Y₄平面与舱板所在平面平行，Z₄轴垂直于舱板平面，所述舱板接地坐标系的原点O₅为舱板接地点，X₅O₅Y₅平面与舱板安装面平行，Z₅轴垂直于舱板安装面；

(7)根据装配设计信息数据库中存储的各机械安装孔的孔径、耳片厚度、孔位坐标为各仪器设备安装孔配置紧固信息；所述的紧固信息包括螺钉-平垫-弹垫组合固定，或者螺钉-平垫-平垫-弹垫-螺母组合固定；

(8)根据装配设计信息数据库中存储的每个电连接器插座相对于其所属仪器设备的安装位置坐标和方向，以路径最短且不与仪器设备干涉为原则，确定各电连接器之间连接电缆的走向路径；

(9)根据装配设计信息数据库中存储的每台仪器设备的设备接地坐标系与设备舱板接地坐标系的转换关系，以路径最短且不与仪器设备干涉为原则，确定设备接地线的走向路径；

(10)根据步骤(8)和步骤(9)的结果，生成电缆和接地线走向三维模型并存储，同时根据电缆和接地线走向的三维模型，测量各连接电缆和接地线的长度信息；

(11)利用舱板坐标系、各仪器设备在结构舱板上的安装位置、设备舱板接地坐标系、设备安装孔配置紧固信息、各连接电缆和接地线的长度信息生成物料清单并存入装配设计信息数据库；

(12)将三维结构模型和物料清单通过计算机网络传输到航天器装配现场，利用三维结构模型和物料清单进行航天器的实物组装。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明方法使用三维模型取代二维图纸作为指导进行航天器的生产装配，省去了三维模型到二维图纸的转换环节，提高了装配设计效率；而且与传统的二维图纸相比，三维模型具有直观、灵活等突出的优点，装配实施环节的生产效率和产品质量都有革命性提高；

(2)本发明方法将安装设计信息、电缆走向设计信息和接地设计信息集成在一套三维模型中，克服了使用多套二维图纸分别表达，设计信息分散的缺点，设计人员传递设计思想、工艺人员消化理解设计意图都更加直观，提高了设计质量和效率；

(3)本发明方法围绕三维模型和物料清单的数字化装配设计，依托基于网络的协同设计平台进行，实现了多专业并行协同设计，克服了传统模式串行设计的缺点，提高了航天器总装的效率；

(4)本发明方法基于三维模型的设计，可以广泛开发和使用自动化设计工具，很多传统模式下人工计算和统计(包括紧固件规格计算、选配和分类统计、接地组件长度测量与匹配)的环节均可以依托自动化设计工具实现，一方面极大地提高了设计效率，另一方面也大幅提高了产品设计质量；

(5)由于航天器构型布局设计一直是基于三维模型开展的，因此航天器三维装配数字化设计与前期的构型布局成为基于同一个平台、同一个模式先后进行的工作，将两项工作的共性要素合并共同进行后，实现了构型布局——装配设计的一体化，优化了设计流程，提高了设计效率。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图。

具体实施方式

在开始装配设计前，首先进行准备工作，包括：

一、统一设置三维建模时的配置项。以PRO/E软件为例，需要对配置文件config.pro进行设置，设置的具体项目包括长度单位、质量单位、时间单位、角度单位、建模所依据的公差标准等。建议长度单位设置为“mm”，质量单位设置为“kg”，时间单位设置为“s”，角度单位设置为“°”，建模公差为“国标ISO/DIN标准”。

二、确定设备模型的命名原则。一般模型名中应包含设备所属分系统类别信息；对于设备电连接器插座等通用件，建议统一命名。

如图1所示，为本发明方法的流程图，主要步骤如下：

(1)建立航天器各仪器设备的三维结构模型。这里的三维结构模型仅包括与航天器总装相关的外部机械接口，不包括与航天器装配无关的外部结构特征，以及内部组件特征。其中，外部机械接口包括机械安装孔、电连接器插座、接地点、设备本体尺寸、设备最大外包络尺寸。

所建立的模型应尽量简化，以减小对于计算机资源的占用，应事先根据计算机的处理能力，对仪器设备模型的大小做出限制规定。与航天器装配无关的外部结构特征，包括不影响最大外包络的安装螺钉、垫圈、加强筋、减轻孔、沉孔、圆角结构、倒角结构和经判断不影响装配的细小结构。对于电连接器插座，模型只反映基本结构，插针、插孔、紧固螺纹等细节信息均应简化。

对于完成建模的仪器设备模型，应使用草绘的方式将其名称和代号标注在仪器设备的显著位置，草绘的字体颜色应与仪器设备颜色区分，确保显示清晰。

(2)对于各仪器设备，在其机械安装孔中标识R孔，并在R孔处建立设备坐标系，由此确定各机械安装孔的孔位坐标。标识的R孔应采用草绘的方式标注在R孔的上表面，草绘的字体颜色应与仪器设备颜色区分，确保显示清晰。这里的设备坐标系原点O₁为R孔轴线与设备安装面的交点，X₁O₁Y₁平面与设备安装面平行，Z₁轴垂直于设备安装面。对于设备安装底面为长方形的设备，一般X₁轴平行于安装底面的长边方向，Y₁轴平行于设备安装底面的短边方向；对于设备安装地面为圆形或其他不规则形状时，X₁轴、Y₁轴则根据实际需求确定。

(3)对于各仪器设备，在其每个电连接器插座处分别建立电连接器坐标系，根据电连接器坐标系与其所属仪器设备的设备坐标系的转换关系，确定每个电连接器插座相对于仪器设备的安装位置坐标和方向。对于每个电连接器插座，应在仪器设备模型的显著位置使用草绘的方式标注其代号，草绘的字体颜色应与仪器设备颜色区分，确保显示清晰。这里电连接器坐标系的原点O₂为插座安装面的几何中心，X₂O₂Y₂平面与插座安装面平行，Z₂轴垂直于安装面，一般X₂轴平行于电连接器插座底面的长边方向，Y₂轴平行于电连接器插座底面的短边方向。

(4)对于各仪器设备，选择一个机械安装孔作为接地安装孔，所选的接地安装孔应便于接地线的走向和安装。在接地安装孔处建立设备接地坐标系，根据设备接地坐标系与其所属仪器设备的设备坐标系的转换关系，确定接地点相对于仪器设备的位置坐标。设备接地坐标系的原点O₃为接地安装孔轴线与设备安装面的交点处，X₃O₃Y₃平面与设备安装面平行，Z₃轴垂直于安装面，一般X₃轴和Y₃轴应分别与X₁轴和Y₁轴平行。

(5)将各机械安装孔的孔径、耳片厚度、孔位坐标，每个电连接器插座相对于其所属仪器设备的安装位置坐标和方向，设备接地点相对于其所属仪器设备的位置坐标存入装配设计信息数据库。装配设计信息数据库应对上述设计信息分类存储，进行规范的版本管理，并提供查询以及任何两个版本之间的比对功能，能够清晰地反映两个版本的差异。

(6)对航天器各结构舱板进行建模，分别建立舱板坐标系，舱板坐标系是整个舱板定位的基准，也是各舱板装配成舱段、各舱段装配为整个航天器的重要基准。根据设备坐标系与舱板坐标系的转换关系，可以确定各仪器设备在结构舱板上的安装位置。同时，在结构舱板上为每台所属仪器设备确定舱板接地点，并分别建立设备舱板接地坐标系，由此确定每台仪器设备的设备接地坐标系与设备舱板接地坐标系的转换关系。舱板接地点应与设备接地点距离尽量近，尽量缩短接地线长度，从而保证接地效果，并易于安装接地线。

舱板坐标系的原点O₄为结构舱板的几何中心，X₄O₄Y₄平面与舱板所在平面平行，Z₄轴垂直于舱板平面，一般X₄轴和Y₄轴应分别与X₁轴和Y₁轴平行。舱板接地坐标系的原点O₅为舱板接地点，X₅O₅Y₅平面与舱板安装面平行，Z₅轴垂直于舱板安装面，一般X₅轴和Y₅轴应分别与X₁轴和Y₁轴平行。将舱板坐标系和设备舱板接地坐标系存入装配设计信息数据库。

(7)根据装配设计信息数据库中存储的各机械安装孔的孔径、耳片厚度、孔位坐标为各仪器设备安装孔配置紧固信息。这里的紧固信息包括螺钉-平垫-弹垫组合固定，或者螺钉-平垫-平垫-弹垫-螺母组合固定。紧固信息应该包括螺钉的标准规格、直径和长度以及平垫、弹垫、螺母的标准规格和直径。

(8)根据装配设计信息数据库中存储的每个电连接器插座相对于其所属仪器设备的安装位置坐标和方向，以路径最短且不与仪器设备干涉为原则，确定各电连接器之间连接电缆的走向路径。电缆走向的路径，应根据电缆的线型考虑电缆的折弯半径，保证三维模型走向的真实性，进而保证三维电缆长度的正确性。

(9)根据装配设计信息数据库中存储的、步骤(6)中确定的每台仪器设备的设备接地坐标系与设备舱板接地坐标系的转换关系，以路径最短且不与仪器设备干涉为原则，确定设备接地线的走向路径。接地线的走向应尽量贴近仪器设备本体或舱板，以便于装配实施环节使用胶类物质进行固定，同时保证走向的真实性和长度的正确性。

(10)根据步骤(8)和步骤(9)的结果，生成电缆和接地线走向三维模型并存储，同时根据电缆和接地线走向的三维模型，测量各连接电缆和接地线的长度信息。

(11)利用舱板坐标系、各仪器设备在结构舱板上的安装位置、设备舱板接地坐标系、设备安装孔配置紧固信息、各连接电缆和接地线的长度信息生成物料清单并存入装配设计信息数据库。装配设计信息数据库应对上述设计信息分类存储，进行规范的版本管理，并提供查询以及任何两个版本之间的比对功能，能够清晰地反映两个版本的差异。

(12)将三维结构模型和物料清单通过计算机网络传输到航天器装配现场，利用三维结构模型和物料清单进行航天器的实物组装。实际工作当中，应根据三维结构模型的大小为生产现场配置具有相应处理能力的计算机，同时应配置大尺寸显示器。对于在装配操作的环节无法方便看到显示器的情况，应配置具有相应处理能力的智能手持终端。

采用上述流程，即可完成航天器的三维数字化装配，大大提高航天器现场总装的效率。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种航天器三维数字化装配方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)建立航天器各仪器设备的三维结构模型；所述的三维结构模型仅包括与航天器总装相关的外部机械接口，不包括与航天器总装无关的外部结构特征，以及内部组件特征；所述的外部机械接口包括机械安装孔、电连接器插座、接地点；

(2)对于各仪器设备，在其机械安装孔中标识R孔，并在R孔处建立设备坐标系，由此确定各机械安装孔的孔位坐标；所述的设备坐标系原点O₁为R孔轴线与设备安装面的交点，X₁O₁Y₁平面与设备安装面平行，Z₁轴垂直于设备安装面；

(3)对于各仪器设备，在其每个电连接器插座处分别建立电连接器坐标系，根据电连接器坐标系与其所属仪器设备的设备坐标系的转换关系，确定每个电连接器插座相对于仪器设备的安装位置坐标和方向；所述电连接器坐标系的原点O₂为插座安装面的几何中心，X₂O₂Y₂平面与插座安装面平行，Z₂轴垂直于安装面；

(4)对于各仪器设备，选择1个机械安装孔作为接地安装孔，并在其接地安装孔处建立设备接地坐标系，根据设备接地坐标系与其所属仪器设备的设备坐标系的转换关系，确定接地点相对于仪器设备的位置坐标；所述设备接地坐标系的原点O₃为接地安装孔轴线与设备安装面的交点，X₃O₃Y₃平面与设备安装面平行，Z₃轴垂直于安装面；

(5)将各机械安装孔的孔径、耳片厚度、孔位坐标，每个电连接器插座相对于其所属仪器设备的安装位置坐标和方向，设备接地点相对于其所属仪器设备的位置坐标存入装配设计信息数据库；

(6)对航天器各结构舱板进行建模，分别建立舱板坐标系，根据设备坐标系与舱板坐标系的转换关系，确定各仪器设备在结构舱板上的安装位置；同时，在结构舱板上为每台所属仪器设备确定舱板接地点，并分别建立设备舱板接地坐标系，由此确定每台仪器设备的设备接地坐标系与设备舱板接地坐标系的转换关系并存入装配设计信息数据库；所述舱板坐标系的原点O₄为结构舱板的几何中心，X₄O₄Y₄平面与舱板所在平面平行，Z₄轴垂直于舱板平面，所述舱板接地坐标系的原点O₅为舱板接地点，X₅O₅Y₅平面与舱板安装面平行，Z₅轴垂直于舱板安装面；

(7)根据装配设计信息数据库中存储的各机械安装孔的孔径、耳片厚度、孔位坐标为各仪器设备安装孔配置紧固信息；所述的紧固信息包括螺钉-平垫-弹垫组合固定，或者螺钉-平垫-平垫-弹垫-螺母组合固定；

(8)根据装配设计信息数据库中存储的每个电连接器插座相对于其所属仪器设备的安装位置坐标和方向，以路径最短且不与仪器设备干涉为原则，确定各电连接器之间连接电缆的走向路径；

(9)根据装配设计信息数据库中存储的每台仪器设备的设备接地坐标系与设备舱板接地坐标系的转换关系，以路径最短且不与仪器设备干涉为原则，确定设备接地线的走向路径；

(10)根据步骤(8)和步骤(9)的结果，生成电缆和接地线走向三维模型并存储，同时根据电缆和接地线走向的三维模型，测量各连接电缆和接地线的长度信息；

(11)利用舱板坐标系、各仪器设备在结构舱板上的安装位置、设备舱板接地坐标系、设备安装孔配置紧固信息、各连接电缆和接地线的长度信息生成物料清单并存入装配设计信息数据库；

(12)将三维结构模型和物料清单通过计算机网络传输到航天器装配现场，利用三维结构模型和物料清单进行航天器的实物组装。