基于Syncrofit的航天器全三维装配设计方法研究

中国运载火箭技术研究院研究发展中心

彭扬 /首都航天机械有限公司

航天器装配对产品制造的开发周期、产品质量、经济效益等具有十分重要的影响。随着计算机和网络技术的飞速发展，产品装配设计方法从二维图纸逐渐向三维数字化模型过渡。近年来，国外以波音、空客等飞机研发公司在10余年内研发的新型产品为代表，集中体现了国外数字化装配技术的应用现状和发展方向，如在B787的装配设计过程中采用基于Syncrof i t的三维装配设计方法，从产品数字化定义到装配工艺规划的全部流程，都以数据流的方式进行传递，实现了以三维模型作为单一产品数据源的数字化装配及仿真，极大提高了生产效率。

一、传统产品装配设计方法存在的问题

当前国内对三维设计模式的研究方兴未艾，主要集中在零件结构三维制造研究，产品的装配设计方法基本仍沿用传统基于设计工艺相对分离、三维模型与二维图纸并存共用的方法。

传统航天器研制模式下，基于三维模型和二维文件并存传递、串行工程的方法设计质量粗放、效率低，无法满足新型航天器结构产品“优性能、高质量、高效率”的要求，具体存在以下4个关键问题急需解决：

一是紧固件信息无法全部在数模中根据夹持厚度自动实例化，需要手工添加，工作量大，容易出错。

二是紧固件信息BOM表无法自动提取和更新，设计单位需要在提供数模的同时，人工计算制定紧固件BOM表。

三是无法将装配设计技术要求集中到数模中，需要单独编制装配验收技术条件。

四是没有集成的装配数据集管理设计信息，需要打开全舱段数模才能显示全部信息，数据量大，轻量化程度低。

二、全三维装配设计方法研究

1.模型信息表达规范及实现方法

产品装配设计的核心内容是通过唯一的三维模型集成所有的装配设计信息和必要的工艺信息，统一全过程数据源。装配要求模型（ARM ）数据集表达方法是其中一项主要内容，通过调研国外先进企业数据集表达方法，总结出适用于航天器结构的装配要求模型定义方法，包括标准件信息、连接信息、技术要求、工装信息等。

2.装配设计流程

智能制造模式下要求装配产品设计与工艺设计同步，装配设计的工艺性和科学性直接影响设计模型的精细化程度以及方案的可行性。笔者通过借鉴国外先进企业MBD研制经验，构造以VPM/Syncrof i t平台为依托，以模型为核心的设计、制造一体化设计流程，并形成相关规范体系进行流程固化。

在某新型航天器舱体装配设计过程中，完成了设计工艺一体化详细流程方法构建，具体流程包括以下几个方面：

发布设计规范。通过借鉴波音、西门子等先进企业设计经验，并结合航天器装配实际情况，制定设计工艺协同装配要求文件（见表1），以确保后续工作流程的规范性。

建立基础数据库。将航天器常用的1852种紧固件，包括铆钉、螺栓、螺钉、螺母、托板螺母等数据进行解析，并定制到数据库平台中，后续设计人员只需要在终端直接调用需要的紧固件或者紧固件组合信息，这样可大量节约设计时间，提高设计效率。

表1 航天器三维装配设计规范

建立产品结构树。产品结构树是指在数字化平台上，根据产品图号分配表为基础建立的零组件父子级关系，形成产品结构树，其中每个组件下建立装配数据集ARM模型。

连接关系规划。根据产品零件设计结果将装配组件下的零件连接关系进行规划，并进行分组管理。

连接关系设计完成后，该组件下所有钉点的连接关系应完成分类设计，有钉点的地方配合的其他组件也应打开。一般准备工作过程中，应打开全机数模进行检查，确保连接钉的地方外组件零件的位置，防止后续夹持长度计算错误。准备工作完成后，关闭CATIA，按照连接关系表打开连接相关的零件即可，从而加快速度。

紧固件布置。根据组件内部零件连接关系和夹持厚度，对不同类型的紧固件进行分组布置，并确定各区域紧固件的牌号。

完成紧固件选型后，应对配合的安装孔进行定义，一般直接从协同设计规范中选取，后续工艺根据此规范和其他信息进行加工。

计算夹层厚度。通过数模中具有连接关系区域厚度自动计算夹持厚度，一般包括连接零件总厚度、间隙、公差、垫片等，然后软件自动根据夹持厚度选取合适规格的螺栓、螺母等。后续，如果零件设计过程发生更改，厚度变化，紧固件将自动更新，以确保规格正确。传统的人工统计数模紧固件则不具备自动更新能力，工作量大且容易出错。

实例化孔和紧固件。根据计算的夹持厚度，可自动完成零件装配孔特征并从数据库中调取紧固件数模，并完成装配。

装配信息发布。完成紧固实例后，可进行装配技术要求等非几何信息定义，最后将装配紧固件各项要求统一发布在ARM模型下并提取BOM。

三、成果经验及应用效果

1.预研产品需求牵引是实现设计模式创新跨越发展的基础

面对预研结构产品激烈的竞争形式，项目团队大胆创新，开拓进取，引进国际先进的三维装配设计工艺一体化设计方法，以基于MBD的统一数据源为核心，打通了从“几何样机—性能样机”的产品质量管控机制，初步形成了结构化产品研制流程、协同化产品设计环境、专业化产品设计工具、知识化产品设计资源、体系化产品设计规范等五化式过程目标管理，有效提升技术抓总能力，保障了项目的顺利实施。

2.专业规范的数字化基础建设是项目成功应用的关键

通过强化基础，建立了首个协同装配设计/制造一体化平台，开发三类35项专业设计工具，显著提升了设计效率。

通过规范先行，制定了集团级、院级、中心级、室级标准规范体系37份，形成了73份各层次体系作业文件，有效保障了设计质量。

通过积累资源，构建了结构设计模板体系4份，材料库体系3份，标准件库46508种，电插接件库426种，成品件库46种，大大加速了后续设计效率。

通过研究基于MBD全三维装配设计方法，并具体应用到新型航天器舱段结构设计，取得了显著的应用效果。完成了国内首个大型可重复使用新型航天器结构机构设计，建立零组件模型15000多个，零件制造和产品装配全部设计与主要工艺信息均集成到三维模型中，实现了全过程无纸化，生产周期缩短42%，数字化制造技术达到了国际先进水平。

随着产品装配数字化设计技术的应用和发展，对航天器装配效率的提高、装配返工率的降低、装配质量的保证都有极大的改善，缩短了制造周期、产生了显著的经济效益。随着MBD技术在航天工程应用中逐渐发展和完善，航天器装配技术必将取得更大的提高。