微小卫星三维可视化装配技术研究

微小卫星三维可视化装配技术研究

柳金程,望开园,焦靖威

湖北三江航天红峰控制公司AIT中心

摘要：为了缩短卫星研制周期，提高卫星生产效率，为解决传统卫星总装工艺痛点，提出一种以UG/Creo软件为基础的微小卫星三维可视化装配工艺方案。以总体三维设计模型为基础，建立卫星装配工艺与卫星设计双向沟通反馈机制，并对卫星开展三维可视化装配技术的工艺设计、工艺规划、电缆网三维布线、总装动画展示等方面流程优化，实现微小卫星总装流程可视化、数字化工艺指导。

关键词：可视化装配；卫星装配工艺设计；电缆三维布线；装配动画

Research on 3D visual assembly technology of micro satellite

Abstract : In   abstract order to shorten the satellite development cycle and improve the satellite production efficiency, the characteristics of the traditional satellite assembly process are introduced, and a three-dimensional visual assembly process scheme of micro satellite based on ug/creo software is proposed. Based on the three-dimensional model information of the overall design unit, a two-way communication and feedback mechanism between satellite assembly process and satellite design is established, and the satellite three-dimensional visual assembly technology is analyzed and demonstrated in the aspects of process design, process planning, cable network three-dimensional wiring, assembly animation, etc.

Keywords: visual assembly; Satellite assembly process design; Cable 3D wiring; Assembly animation

０　引言

装配是产品设计制造的重要环节，也是产品制造周期中最为关键的环节，产品质量的50%取决于装配工艺[1]。微小卫星具有设计结构紧凑，卫星单机数量多、单机结构复杂、安装精度高等特点。传统的微小卫星总装前需要通过多次试装来确认单机装配顺序和装配方式等工艺问题，但是多次操作对单机和结构板的影响较大，风险系数大幅提高，不能有效保证产品的装配质量。同时卫星整个生产周期中，卫星总装测试只占整个生产周期的30%[2]，时间要求紧凑，装配效率要求高。

      传统的航天产品的总装主要是以二维图纸为生产现场主要技术依据，总装过程中的信息传递基本是以二维图纸的形式进行逐级传递。 工艺人员则根据二维图纸和技术资料开展工艺方案的设计与验证，对于复杂系统的装配和电缆网敷设问题，只能利用工作经验和相关的工艺标准制定产品总装方案。这种装配方式对于工艺人员的技术能力和专业能力要求高，对于总装过程中存在的装配操作干涉、操作碰撞等问题不能提前进行工艺安装规划，无法有效规避装配问题；同时在实际总装中的工装不能做到一装多用，造成资源的浪费同时还增加了生产周期和质量风险。

针对目前微小卫星总装存在的问题，结合现有技术条件，以三维模型为载体，利用UG/CREO等三维软件进行卫星装配工艺设计和仿真，制作卫星单机装配动画，提取关键工艺信息图片，通过Microsoft PowerPoint软件进行总装信息汇总集成，结合装配现场配备的智能装备，实现微小卫星可视化、数字化、无纸化以及不可逆过程的可追溯总装流程。

１卫星可视化装配系统方案

目前，商业微小卫星装配模式90%使用单件研制模式，装配过程以手工操作为主。要求总装工艺人员熟悉各个总装环节的技术状态，合理利用生产现场资源保证卫星的装配质量和装配效率。因为商用微小卫星具有唯一性，属于研制产品，装配测试阶段发现问题后的紧急故障处理的操作多，在卫星总装过程中，工艺人员不仅需要考虑正常装配流程同时也存在逆流程的问题；由于航天产品质量要求非常高对于逆流程问题处理，不能仅仅考虑单机的拆卸顺序和路径，同时还要保证卫星整体质量，对于精度要求高的单机产品防护也是至关重要的，否则由于操作问题对关键部件造成损害，将直接影响卫星的研制进度和成本。

综上所述，为提高卫星AIT工作效率，解决卫星总装过程中暴露的工艺痛点问题，拟开展卫星装配工艺系统解决方案的探索，从卫星方案设计阶段开始工艺人员参与总体方案的工艺设计工作，打破卫星设计人员和工艺人员的信息壁垒，建立一种双向卫星三维模型信息共享反馈工作模式，实现卫星设计测试、工艺设计、物料采购的协同推进，提高产品生产效率，缩短生产周期[3]。工艺人员根据确定的三维模型，同步开展卫星总装工艺设计工作，不仅可以预先发现总体设计中的工艺问题，及时反馈，避免设计缺陷影响产品生产周期，同时通过对卫星零部件模型的试装、验证开展工艺流程设计和优化，工装设计，有效缩短产品研制周期。效率提升如图1所示：

图一  效率提升

同时工艺人员以总体设计三维模型为基础设计总装工艺流程，利用装配现场配备的智能装备，建立可视化卫星装配系统，实现微小卫星可视化、数字化、无纸化总装流程。可视化卫星装配系统分为三个层面，系统总体框架如图２所示。

图二 可视化装配工艺系统框图

1.1微小卫星三维模型建模与处理

可视化装配工艺系统三维模型由卫星三维设计模型、装配工装库、装配工具库等三维模型共同构成。

可视化卫星装配系统的基础是总体单位的卫星三维模型，但设计模型的信息多，结构复杂、数据内存较大，直接对其进行卫星装配仿真、工艺规划，不利于开展，首先要对设计模型做轻量化处理保证工艺设计的正常开展。

装配工装建模库：根据卫星装配实际需求，由工艺人员设计装配工装，在满足各单机和结构板产品装配的同时，可以做到工装的一装多用，实现装配工装高效利用的同时降低卫星装配成本。

装配工具库的建立，主要服务于卫星装配过程中的关键工序的装配，如吊装、翻转等情况，在关键工艺仿真验证中起到关键作用。同时有效规避装配安全风险和质量风险。

1.2微小卫星三维装配工艺设计仿真

根据总装工艺原则对卫星装配进行设计规划，结合装配模型库信息对卫星装配进行工艺方案可行性论证，总结工艺评估方案信息与设计师进行双向沟通，获取卫星装配工艺最优解。通过工艺人员和现场装配人员专业经验，合理规划总装装配顺序和装配序列。

经过上述工艺方案的论证，考虑工装、工具等实际影响，在三维可视化环境下，对工艺方案的可操作性进行验证仿真。通过前期工艺规划，结合三维软件对装配顺序和装配路径的仿真优化，验证装配过程中的装配干涉问题[5]，针对性及早解决。装配序列规划的好坏直接影响装配操作的难易程度与准确性[7] 。针对卫星结构复杂，单机数量多的特点，要逐一验证产品的装配路径和装配序列，利用现有工装库、工具库资源，结合卫星模型空间进行干涉验证，对于存在干涉问题的的单机、工装，通过分析问题原因，提前制定解决办法。同时没有问题单机进项装配序列的仿真，并制作装配动画和装配关键工序图片。软件仿真结果如图3。

图三 UG软件装配工装干涉检测图

在单机及结构板工艺规划、工艺验证的同时，开展卫星电缆网三维布线工艺规划设计，根据卫星结构空间、电磁兼容等要求，针对性的规划卫星线缆路径，采用1:1的电缆模型信息，在保证线缆数据真实同时，设计线缆的走向，同时制作每根电缆的三维装配动画，指导电装工人进行电缆安装。

1.3微小卫星可视化三维装配系统的文件输出

微小卫星可视化装配技术的文件输出以视频文件为主，视频文件易于理解接受，同时结合安装明细电子表格，以Microsoft PowerPoint为终呈现载体，实现装配流程动画演示，装配关键工序图片，装配明细表的有机统一，方便装配人员现场操作学习浏览。三维动画装配展示如图四所示。

图四卫星装配动画展示

2关键技术

2.1 三维数字化装配动画生成技术

卫星可视化装配工艺关键技术之一为装配动画的生成，基于UG软件对进行卫星模型进行轻量化处理，设计装配工装，制作卫星各单机爆炸图，根据单机安装位置和装配序列，不仅可以对卫星装配中存在的干涉问题有效检测，还可以根据装配序列生成装配动画[6]。同时根据关键工艺信息，调整装配动画关键帧，截取相应的装配信息为数字化装配文件做数据支撑。下面以结构板装配为例，简单分析一下卫星三维装配动画制作流程如下：

（1）对卫星结构模型做轻量化处理，结合单板技术特点及单机尺寸等设计单板装配工装；

（2）使用UG软件制作结构板爆炸图、单机天线爆炸图；

图五 结构板爆炸图

图六 单机天线爆炸图

（3）规划单机装配顺序，并开展装配动画的制作；

图七 单机天线安装动画展示

（4）通过上述操作得到三维装配动画，然后将装配动画导出；再通过视频剪辑元件对动画进行后期处理。

2.2 电缆网建模装配仿真技术

卫星电缆网敷设一直是卫星装配中的难点，传统卫星布线以现场电装工人经验为主，工艺技术保障相对薄弱。本系统中根据线缆设计信息，模拟卫星真实电缆，进行1：1三维走线验证。同时根据电磁屏蔽、单机规避等要求，结合卫星总装后空间紧凑的特点进行低频线缆模块化设计。采用卫星电缆网三维布线技术，结合creo软件进行动画展示，有效解决卫星电缆敷设难，工艺不可控等问题，满足后期现场操作需求，大大缩短卫星敷设时间，保证了卫星电缆网敷设的维修性。整星电缆网三维空间模型如图八所示。

图八 电缆网三维布线部分效果展示图

2.3总装现场的三维装配工艺可视化展示技术

传统工艺文件以二维图纸为基础，结合装配师傅丰富经验进行总装。卫星总装风险大，装配逆问题多，生产效率低。卫星三维可视化的最终呈现依然以二维图纸为基础，结合装配动画、爆炸图、装配明细表以PPT的形式在生产现场指导生产，装备显示设备、远程监测设备等实现装配工艺无纸化、数字化。现场操作人员根据现场实际需求，选择相应的三维装配工艺文档和装配动画进行学习和数据确认，完成产品实际装配，增强了工艺文件的指导性，减少了现场工艺跟产、现场设计更改和工装功能改造，有效地提升了卫星总装过程的产品质量和效率。三维动画装配系统现场布局呈现形式如图九所示。

图九 可视动画装配系统总装现场图

3结束语

卫星总装工艺方案规划时涉及的因素多，且传统的工艺方案设计不直观，容易遗漏装配细节，从而导致总装方案潜在的工艺缺陷。基于三维模型的微小卫星可视化装配工艺技术探索，不但可以预先对总装工艺路线进行虚拟仿真验证和分析，解决设计中的潜在缺陷，而且可以并行开展总装工艺总方案的设计和改进，提高了总装工艺设计的效率[4]；同时开发的总装现场的可视化展示系统和远程监测系统，使操作工人能够直观地指导整个操作过程和装配路径，避免错装和漏装等低层次质量问题，提高总装效率；同时监控整个操作过程控，对不可逆操作过程的质量复查提供依据，实现总装过程可视化、数字化以及不可逆操作的可追溯性。随着我国数字化，智能化技术的深入发展，未来的卫星总装借助智能机械臂和智能传感器等设备，通过工艺设计规划和工艺仿真验证，最终实现无人值守的数字化装配技术。

参考文献：

[1]杨志波. 三维装配现场可视化关键技术及应用的研究[D]. 东北大学, 2014.

[2]于鑫. 面向智能化的卫星总装工艺系统研究[D]. 国防科学技术大学.

[3]鞠传海. 基于CREO的三维线缆布线关键技术研究[D]. 南京航空航天大学.

[4]孙刚, 万毕乐, 刘检华,等. 基于三维模型的卫星装配工艺设计与应用技术[J]. 计算机集成制造系统, 2011, 17(11):8.

[5]丁志成. 基于虚拟仿真的钻井船大型钻井设备装配工艺研究[D]. 哈尔滨工程大学.

[6]袁程龙. 火箭构件装配工艺仿真及现场可视化技术应用[D]. 西安电子科技大学, 2015.

[7]谷秋实. 三维可视化装配工艺发布系统关键技术研究[D]. 南京航空航天大学.