一種航天器三維數(shù)字化裝配方法
【專利摘要】一種航天器三維數(shù)字化裝配方法，首先建立航天器各儀器設備的三維結(jié)構(gòu)模型，確定安裝孔的孔位坐標、每個插座的安裝位置坐標和方向、設備接地點的相對位置坐標。在此基礎上，開展自動化裝配設計，確定各設備在艙板上的安裝位置、設備安裝孔的緊固信息、電纜走向和接地線走向，并將結(jié)果分別存儲于裝配設計信息數(shù)據(jù)庫中。最后，將三維結(jié)構(gòu)模型和基于裝配信息數(shù)據(jù)庫生成的物料清單傳輸?shù)窖b配現(xiàn)場，指導裝配實施工作。本發(fā)明方法實現(xiàn)了設計意圖的直觀化和設計參數(shù)的結(jié)構(gòu)化，克服了基于二維圖紙的傳統(tǒng)模式設計過程串行、結(jié)果信息分散、工作效率低下的不足，實現(xiàn)了協(xié)同化、并行化、自動化和集成化，能夠大幅壓縮設計周期，提高航天器的裝配設計質(zhì)量。
【專利說明】一種航天器三維數(shù)字化裝配方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于航天器裝配設計領域，涉及一種利用三維數(shù)字化手段輔助航天器儀器設備總裝的方法。
【背景技術】
[0002]目前，航天器裝配設計部門已經(jīng)能夠普遍采用三維軟件進行裝配設計。但在傳統(tǒng)模式下，設計部門與工藝部門之間流轉(zhuǎn)的信息載體仍然是二維圖紙。設計師需要將裝配三維模型轉(zhuǎn)換成二維圖紙進行發(fā)放，而工藝人員在編制工藝的過程中，需要參考三維模型對二維圖紙重新進行理解和消化。由此可以看出，傳統(tǒng)航天器裝配模式存在三方面的局限性:①效率低下，三維模型到二維圖紙的轉(zhuǎn)換、二維圖紙的專業(yè)審查和標準化審查等所用時間較長；②設計串行，設計信息只能點對點傳遞，無法多人、多專業(yè)并行設計信息分散，航天器裝配設計的二維圖紙中，各類不同的設計信息均由彼此獨立的一整套圖紙來表達，設計信息非常分散，給專業(yè)審查、工藝編制過程中的理解和消化帶來很大困難。
[0003]隨著數(shù)字化設計與制造技術的迅猛發(fā)展，特別是三維技術和010/011 —體化技術的日臻成熟，傳統(tǒng)設計制造的流程和模式已經(jīng)發(fā)生了革命性的變革。越來越多的情況下，二維圖紙不再是設計制造過程的必需品，三維模型取代二維圖紙，成為設計信息流轉(zhuǎn)和傳遞的主要載體。洛克希德-馬丁公司、波音公司、空客公司、豐田公司等眾多知名企業(yè)在航空和汽車研制領域通過數(shù)字化設計制造手段的應用，大幅提高了產(chǎn)品質(zhì)量、研制效率和研制能力，大幅壓縮了研制周期和研制成本，有效保障了企業(yè)的國際競爭力。
[0004]目前，航天產(chǎn)品研制領域已有一些三維數(shù)字化設計與制造技術的嘗試和應用，主要集中在數(shù)字化設計與加工【技術領域】。航天器裝配設計與實施工作，作為一種特殊的設計與制造應用領域，具有多學科技術交叉融合、多專業(yè)應用復雜多樣的特點。目前，在航天器數(shù)字化裝配領域已有一些初步探索，尚無成熟的理論體系和應用案例。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明解決的技術問題是:克服現(xiàn)有技術的不足，提供了一種航天器三維數(shù)字化裝配方法，以基于網(wǎng)絡的協(xié)同設計平臺為設計環(huán)境，以航天器裝配三維模型和物料清單作為設計信息的載體，克服了基于二維圖紙的傳統(tǒng)模式設計過程串行、結(jié)果信息分散、工作效率低下的缺點，實現(xiàn)了將多套二維圖紙集成為一套三維模型進行下廠裝配，實現(xiàn)了航天器總裝的自動化、并行化、集成化和協(xié)同化。
[0006]本發(fā)明的技術解決方案是:一種航天器三維數(shù)字化裝配方法，包括如下步驟:
[0007](1)建立航天器各儀器設備的三維結(jié)構(gòu)模型；所述的三維結(jié)構(gòu)模型僅包括與航天器總裝相關的外部機械接口，不包括與航天器總裝無關的外部結(jié)構(gòu)特征，以及內(nèi)部組件特征；所述的外部機械接口包括機械安裝孔、電連接器插座、接地點；
[0008](2)對于各儀器設備，在其機械安裝孔中標識I？孔，并在I？孔處建立設備坐標系，由此確定各機械安裝孔的孔位坐標；所述的設備坐標系原點0工為I？孔軸線與設備安裝面的交點，乂從義平面與設備安裝面平行，2工軸垂直于設備安裝面；
[0009](3)對于各儀器設備，在其每個電連接器插座處分別建立電連接器坐標系，根據(jù)電連接器坐標系與其所屬儀器設備的設備坐標系的轉(zhuǎn)換關系，確定每個電連接器插座相對于儀器設備的安裝位置坐標和方向；所述電連接器坐標系的原點02為插座安裝面的幾何中心，^20212平面與插座安裝面平行，2 2軸垂直于安裝面；
[0010](4)對于各儀器設備，選擇1個機械安裝孔作為接地安裝孔，并在其接地安裝孔處建立設備接地坐標系，根據(jù)設備接地坐標系與其所屬儀器設備的設備坐標系的轉(zhuǎn)換關系，確定接地點相對于儀器設備的位置坐標；所述設備接地坐標系的原點03為接地安裝孔軸線與設備安裝面的交點，\0313平面與設備安裝面平行，2 3軸垂直于安裝面；
[0011](5)將各機械安裝孔的孔徑、耳片厚度、孔位坐標，每個電連接器插座相對于其所屬儀器設備的安裝位置坐標和方向，設備接地點相對于其所屬儀器設備的位置坐標存入裝配設計信息數(shù)據(jù)庫；
[0012](6)對航天器各結(jié)構(gòu)艙板進行建模，分別建立艙板坐標系，根據(jù)設備坐標系與艙板坐標系的轉(zhuǎn)換關系，確定各儀器設備在結(jié)構(gòu)艙板上的安裝位置；同時，在結(jié)構(gòu)艙板上為每臺所屬儀器設備確定艙板接地點，并分別建立設備艙板接地坐標系，由此確定每臺儀器設備的設備接地坐標系與設備艙板接地坐標系的轉(zhuǎn)換關系并存入裝配設計信息數(shù)據(jù)庫；所述艙板坐標系的原點04為結(jié)構(gòu)艙板的幾何中心，^40414平面與艙板所在平面平行，24軸垂直于艙板平面，所述艙板接地坐標系的原點05為艙板接地點，X 50515平面與艙板安裝面平行，2 5軸垂直于艙板安裝面；
[0013](7)根據(jù)裝配設計信息數(shù)據(jù)庫中存儲的各機械安裝孔的孔徑、耳片厚度、孔位坐標為各儀器設備安裝孔配置緊固信息；所述的緊固信息包括螺釘-平墊-彈墊組合固定，或者螺釘-平墊-平墊-彈墊-螺母組合固定；
[0014](8)根據(jù)裝配設計信息數(shù)據(jù)庫中存儲的每個電連接器插座相對于其所屬儀器設備的安裝位置坐標和方向，以路徑最短且不與儀器設備干涉為原則，確定各電連接器之間連接電纜的走向路徑；
[0015](9)根據(jù)裝配設計信息數(shù)據(jù)庫中存儲的每臺儀器設備的設備接地坐標系與設備艙板接地坐標系的轉(zhuǎn)換關系，以路徑最短且不與儀器設備干涉為原則，確定設備接地線的走向路徑；
[0016](10)根據(jù)步驟(8)和步驟(9)的結(jié)果，生成電纜和接地線走向三維模型并存儲，同時根據(jù)電纜和接地線走向的三維模型，測量各連接電纜和接地線的長度信息；
[0017](11)利用艙板坐標系、各儀器設備在結(jié)構(gòu)艙板上的安裝位置、設備艙板接地坐標系、設備安裝孔配置緊固信息、各連接電纜和接地線的長度信息生成物料清單并存入裝配設計信息數(shù)據(jù)庫；
[0018](12)將三維結(jié)構(gòu)模型和物料清單通過計算機網(wǎng)絡傳輸?shù)胶教炱餮b配現(xiàn)場，利用三維結(jié)構(gòu)模型和物料清單進行航天器的實物組裝。
[0019]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于:
[0020](1)本發(fā)明方法使用三維模型取代二維圖紙作為指導進行航天器的生產(chǎn)裝配，省去了三維模型到二維圖紙的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，提高了裝配設計效率；而且與傳統(tǒng)的二維圖紙相比，三維模型具有直觀、靈活等突出的優(yōu)點，裝配實施環(huán)節(jié)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量都有革命性提尚；
[0021](2)本發(fā)明方法將安裝設計信息、電纜走向設計信息和接地設計信息集成在一套三維模型中，克服了使用多套二維圖紙分別表達，設計信息分散的缺點，設計人員傳遞設計思想、工藝人員消化理解設計意圖都更加直觀，提高了設計質(zhì)量和效率；
[0022](3)本發(fā)明方法圍繞三維模型和物料清單的數(shù)字化裝配設計，依托基于網(wǎng)絡的協(xié)同設計平臺進行，實現(xiàn)了多專業(yè)并行協(xié)同設計，克服了傳統(tǒng)模式串行設計的缺點，提高了航天器總裝的效率；
[0023](4)本發(fā)明方法基于三維模型的設計，可以廣泛開發(fā)和使用自動化設計工具，很多傳統(tǒng)模式下人工計算和統(tǒng)計(包括緊固件規(guī)格計算、選配和分類統(tǒng)計、接地組件長度測量與匹配)的環(huán)節(jié)均可以依托自動化設計工具實現(xiàn)，一方面極大地提高了設計效率，另一方面也大幅提高了產(chǎn)品設計質(zhì)量；
[0024](5)由于航天器構(gòu)型布局設計一直是基于三維模型開展的，因此航天器三維裝配數(shù)字化設計與前期的構(gòu)型布局成為基于同一個平臺、同一個模式先后進行的工作，將兩項工作的共性要素合并共同進行后，實現(xiàn)了構(gòu)型布局一一裝配設計的一體化，優(yōu)化了設計流程，提高了設計效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明方法的流程框圖。
【具體實施方式】
[0026]在開始裝配設計前，首先進行準備工作，包括:
[0027]一、統(tǒng)一設置三維建模時的配置項。以？如/2軟件為例，需要對配置文件⑶社匕.#0進行設置，設置的具體項目包括長度單位、質(zhì)量單位、時間單位、角度單位、建模所依據(jù)的公差標準等。建議長度單位設置為“臟”，質(zhì)量單位設置為“匕”，時間單位設置為“8”，角度單位設置為“?！?，建模公差為“國標130/0爪標準”。
[0028]二、確定設備模型的命名原則。一般模型名中應包含設備所屬分系統(tǒng)類別信息；對于設備電連接器插座等通用件，建議統(tǒng)一命名。
[0029]如圖1所示，為本發(fā)明方法的流程圖，主要步驟如下:
[0030](1)建立航天器各儀器設備的三維結(jié)構(gòu)模型。這里的三維結(jié)構(gòu)模型僅包括與航天器總裝相關的外部機械接口，不包括與航天器裝配無關的外部結(jié)構(gòu)特征，以及內(nèi)部組件特征。其中，外部機械接口包括機械安裝孔、電連接器插座、接地點、設備本體尺寸、設備最大外包絡尺寸。
[0031]所建立的模型應盡量簡化，以減小對于計算機資源的占用，應事先根據(jù)計算機的處理能力，對儀器設備模型的大小做出限制規(guī)定。與航天器裝配無關的外部結(jié)構(gòu)特征，包括不影響最大外包絡的安裝螺釘、墊圈、加強筋、減輕孔、沉孔、圓角結(jié)構(gòu)、倒角結(jié)構(gòu)和經(jīng)判斷不影響裝配的細小結(jié)構(gòu)。對于電連接器插座，模型只反映基本結(jié)構(gòu)，插針、插孔、緊固螺紋等細節(jié)信息均應簡化。
[0032]對于完成建模的儀器設備模型，應使用草繪的方式將其名稱和代號標注在儀器設備的顯著位置，草繪的字體顏色應與儀器設備顏色區(qū)分，確保顯示清晰。
[0033](2)對于各儀器設備，在其機械安裝孔中標識I？孔，并在I？孔處建立設備坐標系，由此確定各機械安裝孔的孔位坐標。標識的8孔應采用草繪的方式標注在I？孔的上表面，草繪的字體顏色應與儀器設備顏色區(qū)分，確保顯示清晰。這里的設備坐標系原點0工為I？孔軸線與設備安裝面的交點，104平面與設備安裝面平行，2工軸垂直于設備安裝面。對于設備安裝底面為長方形的設備，一般\軸平行于安裝底面的長邊方向，X工軸平行于設備安裝底面的短邊方向；對于設備安裝地面為圓形或其他不規(guī)則形狀時，\軸、1工軸則根據(jù)實際需求確定。
[0034](3)對于各儀器設備，在其每個電連接器插座處分別建立電連接器坐標系，根據(jù)電連接器坐標系與其所屬儀器設備的設備坐標系的轉(zhuǎn)換關系，確定每個電連接器插座相對于儀器設備的安裝位置坐標和方向。對于每個電連接器插座，應在儀器設備模型的顯著位置使用草繪的方式標注其代號，草繪的字體顏色應與儀器設備顏色區(qū)分，確保顯示清晰。這里電連接器坐標系的原點02為插座安裝面的幾何中心，^20212平面與插座安裝面平行，22軸垂直于安裝面，一般\軸平行于電連接器插座底面的長邊方向，12軸平行于電連接器插座底面的短邊方向。
[0035](4)對于各儀器設備，選擇一個機械安裝孔作為接地安裝孔，所選的接地安裝孔應便于接地線的走向和安裝。在接地安裝孔處建立設備接地坐標系，根據(jù)設備接地坐標系與其所屬儀器設備的設備坐標系的轉(zhuǎn)換關系，確定接地點相對于儀器設備的位置坐標。設備接地坐標系的原點03為接地安裝孔軸線與設備安裝面的交點處，乂 30313平面與設備安裝面平行，23軸垂直于安裝面，一般X 3軸和X 3軸應分別與X工軸和X工軸平行。
[0036](5)將各機械安裝孔的孔徑、耳片厚度、孔位坐標，每個電連接器插座相對于其所屬儀器設備的安裝位置坐標和方向，設備接地點相對于其所屬儀器設備的位置坐標存入裝配設計信息數(shù)據(jù)庫。裝配設計信息數(shù)據(jù)庫應對上述設計信息分類存儲，進行規(guī)范的版本管理，并提供查詢以及任何兩個版本之間的比對功能，能夠清晰地反映兩個版本的差異。
[0037](6)對航天器各結(jié)構(gòu)艙板進行建模，分別建立艙板坐標系，艙板坐標系是整個艙板定位的基準，也是各艙板裝配成艙段、各艙段裝配為整個航天器的重要基準。根據(jù)設備坐標系與艙板坐標系的轉(zhuǎn)換關系，可以確定各儀器設備在結(jié)構(gòu)艙板上的安裝位置。同時，在結(jié)構(gòu)艙板上為每臺所屬儀器設備確定艙板接地點，并分別建立設備艙板接地坐標系，由此確定每臺儀器設備的設備接地坐標系與設備艙板接地坐標系的轉(zhuǎn)換關系。艙板接地點應與設備接地點距離盡量近，盡量縮短接地線長度，從而保證接地效果，并易于安裝接地線。
[0038]艙板坐標系的原點04為結(jié)構(gòu)艙板的幾何中心，X 40414平面與艙板所在平面平行，2 4軸垂直于艙板平面，一般\軸和X 4軸應分別與X工軸和X工軸平行。艙板接地坐標系的原點05為艙板接地點，X 50丄平面與艙板安裝面平行，2 5軸垂直于艙板安裝面，一般X 5軸和X 5軸應分別與\軸和X工軸平行。將艙板坐標系和設備艙板接地坐標系存入裝配設計信息數(shù)據(jù)庫。
[0039](7)根據(jù)裝配設計信息數(shù)據(jù)庫中存儲的各機械安裝孔的孔徑、耳片厚度、孔位坐標為各儀器設備安裝孔配置緊固信息。這里的緊固信息包括螺釘-平墊-彈墊組合固定，或者螺釘-平墊-平墊-彈墊-螺母組合固定。緊固信息應該包括螺釘?shù)臉藴室?guī)格、直徑和長度以及平墊、彈墊、螺母的標準規(guī)格和直徑。
[0040](8)根據(jù)裝配設計信息數(shù)據(jù)庫中存儲的每個電連接器插座相對于其所屬儀器設備的安裝位置坐標和方向，以路徑最短且不與儀器設備干涉為原則，確定各電連接器之間連接電纜的走向路徑。電纜走向的路徑，應根據(jù)電纜的線型考慮電纜的折彎半徑，保證三維模型走向的真實性，進而保證三維電纜長度的正確性。
[0041](9)根據(jù)裝配設計信息數(shù)據(jù)庫中存儲的、步驟￠)中確定的每臺儀器設備的設備接地坐標系與設備艙板接地坐標系的轉(zhuǎn)換關系，以路徑最短且不與儀器設備干涉為原則，確定設備接地線的走向路徑。接地線的走向應盡量貼近儀器設備本體或艙板，以便于裝配實施環(huán)節(jié)使用膠類物質(zhì)進行固定，同時保證走向的真實性和長度的正確性。
[0042](10)根據(jù)步驟(8)和步驟(9)的結(jié)果，生成電纜和接地線走向三維模型并存儲，同時根據(jù)電纜和接地線走向的三維模型，測量各連接電纜和接地線的長度信息。
[0043](11)利用艙板坐標系、各儀器設備在結(jié)構(gòu)艙板上的安裝位置、設備艙板接地坐標系、設備安裝孔配置緊固信息、各連接電纜和接地線的長度信息生成物料清單并存入裝配設計信息數(shù)據(jù)庫。裝配設計信息數(shù)據(jù)庫應對上述設計信息分類存儲，進行規(guī)范的版本管理，并提供查詢以及任何兩個版本之間的比對功能，能夠清晰地反映兩個版本的差異。
[0044](12)將三維結(jié)構(gòu)模型和物料清單通過計算機網(wǎng)絡傳輸?shù)胶教炱餮b配現(xiàn)場，利用三維結(jié)構(gòu)模型和物料清單進行航天器的實物組裝。實際工作當中，應根據(jù)三維結(jié)構(gòu)模型的大小為生產(chǎn)現(xiàn)場配置具有相應處理能力的計算機，同時應配置大尺寸顯示器。對于在裝配操作的環(huán)節(jié)無法方便看到顯示器的情況，應配置具有相應處理能力的智能手持終端。
[0045]采用上述流程，即可完成航天器的三維數(shù)字化裝配，大大提高航天器現(xiàn)場總裝的效率。
[0046]本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬本領域技術人員的公知技術。
【權(quán)利要求】
1.一種航天器三維數(shù)字化裝配方法，其特征在于包括如下步驟: (1)建立航天器各儀器設備的三維結(jié)構(gòu)模型；所述的三維結(jié)構(gòu)模型僅包括與航天器總裝相關的外部機械接口，不包括與航天器總裝無關的外部結(jié)構(gòu)特征，以及內(nèi)部組件特征；所述的外部機械接口包括機械安裝孔、電連接器插座、接地點； (2)對于各儀器設備，在其機械安裝孔中標識R孔，并在R孔處建立設備坐標系，由此確定各機械安裝孔的孔位坐標；所述的設備坐標系原點O1S R孔軸線與設備安裝面的交點，X1O1Y1平面與設備安裝面平行，Z i軸垂直于設備安裝面； (3)對于各儀器設備，在其每個電連接器插座處分別建立電連接器坐標系，根據(jù)電連接器坐標系與其所屬儀器設備的設備坐標系的轉(zhuǎn)換關系，確定每個電連接器插座相對于儀器設備的安裝位置坐標和方向；所述電連接器坐標系的原點O2為插座安裝面的幾何中心，X2O2Y2平面與插座安裝面平行，Z 2軸垂直于安裝面； (4)對于各儀器設備，選擇I個機械安裝孔作為接地安裝孔，并在其接地安裝孔處建立設備接地坐標系，根據(jù)設備接地坐標系與其所屬儀器設備的設備坐標系的轉(zhuǎn)換關系，確定接地點相對于儀器設備的位置坐標；所述設備接地坐標系的原點03為接地安裝孔軸線與設備安裝面的交點，X3O3Y3平面與設備安裝面平行，Z 3軸垂直于安裝面； (5)將各機械安裝孔的孔徑、耳片厚度、孔位坐標，每個電連接器插座相對于其所屬儀器設備的安裝位置坐標和方向，設備接地點相對于其所屬儀器設備的位置坐標存入裝配設計信息數(shù)據(jù)庫； (6)對航天器各結(jié)構(gòu)艙板進行建模，分別建立艙板坐標系，根據(jù)設備坐標系與艙板坐標系的轉(zhuǎn)換關系，確定各儀器設備在結(jié)構(gòu)艙板上的安裝位置；同時，在結(jié)構(gòu)艙板上為每臺所屬儀器設備確定艙板接地點，并分別建立設備艙板接地坐標系，由此確定每臺儀器設備的設備接地坐標系與設備艙板接地坐標系的轉(zhuǎn)換關系并存入裝配設計信息數(shù)據(jù)庫；所述艙板坐標系的原點O4為結(jié)構(gòu)艙板的幾何中心，X4O4Y4平面與艙板所在平面平行，24軸垂直于艙板平面，所述艙板接地坐標系的原點05為艙板接地點，X 505Y5平面與艙板安裝面平行，Z 5軸垂直于艙板安裝面； (7)根據(jù)裝配設計信息數(shù)據(jù)庫中存儲的各機械安裝孔的孔徑、耳片厚度、孔位坐標為各儀器設備安裝孔配置緊固信息；所述的緊固信息包括螺釘-平墊-彈墊組合固定，或者螺釘-平墊-平墊-彈墊-螺母組合固定； (8)根據(jù)裝配設計信息數(shù)據(jù)庫中存儲的每個電連接器插座相對于其所屬儀器設備的安裝位置坐標和方向，以路徑最短且不與儀器設備干涉為原則，確定各電連接器之間連接電纜的走向路徑； (9)根據(jù)裝配設計信息數(shù)據(jù)庫中存儲的每臺儀器設備的設備接地坐標系與設備艙板接地坐標系的轉(zhuǎn)換關系，以路徑最短且不與儀器設備干涉為原則，確定設備接地線的走向路徑； (10)根據(jù)步驟(8)和步驟(9)的結(jié)果，生成電纜和接地線走向三維模型并存儲，同時根據(jù)電纜和接地線走向的三維模型，測量各連接電纜和接地線的長度信息； (11)利用艙板坐標系、各儀器設備在結(jié)構(gòu)艙板上的安裝位置、設備艙板接地坐標系、設備安裝孔配置緊固信息、各連接電纜和接地線的長度信息生成物料清單并存入裝配設計信息數(shù)據(jù)庫； (12)將三維結(jié)構(gòu)模型和物料清單通過計算機網(wǎng)絡傳輸?shù)胶教炱餮b配現(xiàn)場，利用三維結(jié)構(gòu)模型和物料清單進行航天器的實物組裝。
【文檔編號】G06F17/50GK104484529SQ201410791101
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月18日
【發(fā)明者】武向軍, 張洪波, 朱位, 周孝倫, 嵇景全, 劉霞, 袁義, 張亮, 韓鳳宇, 朱楠, 叢飛, 周耀華, 楊春, 梁翠娜, 譚滄海, 尹延東 申請人:北京空間飛行器總體設計部