李 澍 ，王小軍，范瑞祥，任京濤，李 莉

（1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076；2.中國運載火箭技術研究院，北京，100076）

0 引言

為了使火箭研發(fā)設計水平能接近甚至達到世界一流并適應未來航天科技發(fā)展需求，必須解決火箭產(chǎn)品數(shù)字化設計制造并行協(xié)同研制問題。鑒于在火箭研制工程的協(xié)同設計、高效設計及系統(tǒng)集成等方面存在的一系列制約性技術難題，需要以火箭設計制造協(xié)同為對象開展研究，在借鑒、消化吸收國內(nèi)外先進的協(xié)同產(chǎn)品研制技術[1]（Integrated Product Development，IPD）基礎上進行改進創(chuàng)新，結合火箭研制特點和設計生產(chǎn)實際需求，解決制約火箭設計制造協(xié)同、設計效率提高和專業(yè)設計工具集成等一系列關鍵技術問題[2]，大幅度提高產(chǎn)品設計能力，增強國際競爭力，促進火箭設計、生產(chǎn)及管理水平再上新臺階，為實現(xiàn)中國航天強國的宏偉目標提供技術支撐。

1 總體思路

在調(diào)研國內(nèi)外三維協(xié)同研制IPD的同時[3,4]，分析火箭設計制造工作特點，開展三維IPD協(xié)同研究，從以下幾個主要方面分步開展：

a）借鑒MBD（Model Based Deifinition，基于模型的定義）[5]核心技術，結合實際工作需求和基礎能力，提出適合現(xiàn)階段火箭數(shù)字化設計制造水平并適當考慮未來技術發(fā)展趨勢的MBD技術方案，解決三維協(xié)同數(shù)據(jù)集中包含的關鍵內(nèi)容在與實際工程應用結合上的取舍與優(yōu)化問題；

b）結合工程應用需求選擇適宜的基礎平臺，基于PROE/WINCHILL集成開發(fā)構建火箭三維協(xié)同研制系統(tǒng)，滿足多專業(yè)三維協(xié)同設計的實際需要以及實現(xiàn)數(shù)字化條件下的設計制造一體化協(xié)同研制，確保各專業(yè)人員在同一個產(chǎn)品模型上協(xié)同工作，提高設計效率，同時也提高產(chǎn)品的可制造性；

c）結合火箭研制設計管理流程，基于五級模型成熟度管理技術開展與三維協(xié)同研制系統(tǒng)相適應的協(xié)同工作流程，提出三維模式下的校審流程、分發(fā)流程、協(xié)同設計流程等管理規(guī)定；

d）研究建立火箭三維協(xié)同設計的技術標準體系，提出編碼體系、建模標準、標注標準等，規(guī)范火箭“三維設計、三維下廠”的協(xié)同研制過程。

第一項中的MBD技術是三維IPD協(xié)同的關鍵技術，也是實現(xiàn)三維設計、三維下廠和無紙化生產(chǎn)的核心知識載體。以下重點對MBD技術涉及到的一系列關于三維標注、協(xié)同信息表達、設計模型建模及三維出圖等開展研究。

2 關鍵技術研究

2.1 MBD技術研究

2.1.1 基于MBD的三維標注技術

MBD[1]是將產(chǎn)品設計信息、制造要求共同定義到以三維產(chǎn)品模型為核心的數(shù)字化模型中，使CAD和CAM（加工、裝配、測量、檢驗）等實現(xiàn)真正的高度集成，提高研制質(zhì)量和效率的協(xié)同研制核心技術。它體現(xiàn)了精細化設計和制造的思想，要求設計和工藝協(xié)同工作，共同開展面向產(chǎn)品的設計、面向產(chǎn)品的制造，把產(chǎn)品可制造性、工藝經(jīng)濟性等問題提前考慮解決，提高產(chǎn)品裝配一次成功率，切實有效地提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少反復、縮短周期。

為保證MBD技術在型號研制中得以應用，重點圍繞三維數(shù)模尺寸全標注問題，對標準開展大量的研究，主要有：美國機械工程師協(xié)會AMSE標準，包括ASME Y14.41-2003數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)實施規(guī)程、ASME Y14.5M-2009確定尺寸及規(guī)定公差，國家推薦標準GB/T 24734-2009技術產(chǎn)品文件數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則。通過研究發(fā)現(xiàn)，上述標準對MBD模型應包括的內(nèi)容、三維標注的樣式、視圖的管理，以及尺寸和公差確定的規(guī)則進行了詳細定義，適用于機械類通用產(chǎn)品。但內(nèi)容多、范圍廣，對航天產(chǎn)品的針對性不強，因此，為了使標準得以落地，從工程應用上“標什么、怎么標、怎么用”的角度進一步思考，在繼承ASME和國家標準的基礎上，對包括通用要求、視圖、尺寸與公差標注、基準與幾何公差標注、表面粗糙度標注、關鍵特性標注、焊縫符號標注、裝配定義標注，MBD模型應包括的內(nèi)容、三維標注的樣式、視圖的管理，以及尺寸和公差確定的規(guī)則進行了適應性的闡釋，建立火箭產(chǎn)品三維標準信息集，從而獲得了關鍵技術的重要突破。

2.1.2 MBD支持的協(xié)同信息表達技術

研究了MBD支持的協(xié)同信息表達技術，作為協(xié)同工作開展的依據(jù)：

a）標注視圖信息表達技術。

二維與三維的最大差異，在于標注視圖的不同。為了保持對二維制圖的繼承性，標注視圖采用正投影法，將三維標注標注在主視、俯視、右視3個視圖中，以前、上、右3個面作為標注面，主視、俯視、側視（左視或右視）按圖1定義。在必要情況下，可增加剖視圖、定向視圖等。

圖1 各標注視圖方向Fig.1 Direction of Each Plot Gaze Map

1）當標注簡單時定義全顯示視圖和缺省軸測圖，其它不創(chuàng)建；2）當標注元素較多時，按主視、俯視、右視、輔助視圖、技術要求和缺省軸測視圖定義。

為了消除因測量基準不同而導致的生產(chǎn)、加工及檢測誤差，約定在模型上標注設計基準。至少要標注3個方向的設計基準，如圖2所示的A、B、C。當3個基準不滿足設計需要時，一般可增加基準。

圖2 標注示例(全顯示視圖)Fig.2 Annotation Example(Full Display View)

b）典型零件信息表達技術。

鈑金零件三維模型如圖3a所示，除表達三維信息外，還需要同時表達平面展開信息。建模按真實尺寸，包括倒角等真實細節(jié)信息。標注方法如下：1）定義軸測圖方向；2）草繪標注輔助線（如中心對稱線等）；3）標注設計基準；4）標注尺寸公差；5）依次標注各個投影方向的特殊尺寸；6）創(chuàng)建全部鉚釘導孔點；7）創(chuàng)建顯示視圖。

機加零件三維模型如圖3b所示，按真實尺寸完成建模，包括倒角等真實細節(jié)信息。明確機加件未注尺寸公差：1）6 mm及以下，按±0.2 mm；2）大于6 mm時，按GB/T1804-m級執(zhí)行。

標注過程與鈑金基本類似，主要區(qū)別在于兩點：1）當表面粗糙度統(tǒng)一要求或其它統(tǒng)一要求時，用“全部”或“其余”標注在視圖右上角；2）當零件上有深孔時，創(chuàng)建深孔剖視圖。

復合材料件零件建模如圖3c所示，按最終成型狀態(tài)進行實體建模，在技術條件中寫明復合材料鋪層等制造技術要求。復合材料尺寸公差要求在技術條件中明確。標注過程與鈑金基本類似，主要區(qū)別在于：標注技術條件時，包括復合材料鋪層方向等制造技術要求。

圖3 典型零件信息表達示例Fig.3 Example of Information Representation for Typical Parts

續(xù)圖3

c）總裝及部段裝配信息表達技術。

殼段鉚接組件三維模型按照全約束完成裝配。具體標注方法如下：

1）建立對稱中心線、參考面等輔助參考特征，支架軸向定位采用柱坐標系，即半徑+角度+高度；

2）殼段組件及主要相關零件的設計基準為上下端框、中心軸、4個象限線，在標準或技術條件中明確，不作標注；

3）在軸測圖方向，標注輪廓尺寸；

4）俯視狀態(tài)，標注壁板搭接位置尺寸；

5）標注2件（含2件）以上組裝支架定位尺寸，視圖根據(jù)顯示清楚為原則進行定義；

6）在裝配中需要加工的特征定位尺寸必須標注，如配打孔、裝配托板螺母等；

7）分壁板標注桁條分布尺寸和技術條件；

8）端框零件標注接口尺寸和技術條件，截面尺寸不標注；

9）端框組件標注接口尺寸、鉚釘排列和技術條件；

10）蒙皮標注需要標注尺寸公差、展開圖和技術條件；

11）每個鉚釘排布不同的桁條為一個圖號，桁條主要標注前后端框和中間框位置、輪廓尺寸、鉚釘排布和技術條件；

12）環(huán)框零件標注輪廓尺寸、缺口類型和技術條件，組件標注輪廓尺寸、鉚釘排布和技術條件；

13）鉚釘標注緊固件及全部鉚釘孔用點表示，組件上標注規(guī)格、長度、數(shù)量和方向，所有鉚釘分布尺寸均不標注，其中，環(huán)框上的鉚釘給出排列規(guī)則，特殊的創(chuàng)建鉚釘點。

圖4為鉚釘標注示例，圖中標識為鉚釘型號。

圖4 鉚釘標注示例Fig.4 Examples of Rivet Marking

作為三維模型的補充，儀器電纜總裝、子級總裝、全彈箭總裝均以總裝模型+技術文件形式下廠。部段裝配僅三維模型下廠，在模型中標注大量裝配信息。允許部段裝配帶技術文件下廠，部段裝配中僅保留少許標注或者不標注，將裝配連接關系、裝配要求、驗收要求等在技術文件中明確。這樣做的優(yōu)勢包括技術文件編寫相對簡單、表達清晰，同時后續(xù)更改時大部分情況下可以不修改三維模型，直接更改技術文件。

2.1.3 三維設計模型建模與出圖技術

研究了蜂窩夾層復合材料建模、整流罩建模、彈簧類標準件建模、鉚釘建模、電連接器建模、總體三維總裝出圖、管路三維總裝等一系列技術，包括緊固件標注和數(shù)量統(tǒng)計方法、弧長標注方法等，基本解決了基于模型的定義技術，建立了面向設計與制造的全箭數(shù)字樣機，實現(xiàn)了火箭生產(chǎn)制造依據(jù)由二維圖樣向全三維數(shù)模的轉(zhuǎn)變，為IPD順利推進奠定了重要基礎。

2.2 IPD協(xié)同平臺構建技術

協(xié)同平臺是提供型號信息化運作的基礎環(huán)境，包括網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫、通信等軟硬件實施，通過解決設計各階段信息孤島問題，實現(xiàn)火箭三維設計信息一體化的跨域、動態(tài)、協(xié)同、并行工作和數(shù)據(jù)庫信息資源共享。參照國內(nèi)外先進的PDM研制經(jīng)驗，以全面實現(xiàn)三維IPD并行協(xié)同和三維設計技術狀態(tài)控制為目標，研究提出三維協(xié)同研制平臺的總體框架，建立基于模型的協(xié)同研制平臺，為型號三維協(xié)同設計與制造提供支撐。

鑒于IPD多部門的群體并行協(xié)同工作要求把產(chǎn)品信息和開發(fā)過程有機地集成起來，需要把正確的信息、在正確時間、以正確的方式、傳遞給正確的目標，并進行正確的處理。為此，在平臺研制中，建立以產(chǎn)品結構為核心的三維數(shù)模，將明細表、設計文檔、更改單、技術通知單、基線、各種電子流程等相關數(shù)據(jù)與之關聯(lián)管理，以實現(xiàn)三維設計數(shù)據(jù)的結構化管理。

2.3 基于成熟度管理的IPD協(xié)同工作流程設計

三維設計成熟度[1]是在產(chǎn)品數(shù)字化定義過程中給設計所賦予的一個成熟程度標識，用于反映該設計對象從開始設計到最終發(fā)放的成熟過程。在火箭研制過程中，系統(tǒng)分析設計、工藝、工裝、檢驗、物資備料等工作內(nèi)容，對設計流程、管理規(guī)則等各方面進行優(yōu)化、調(diào)整，提出IPD工作內(nèi)容和建立適應火箭產(chǎn)品數(shù)字化并行協(xié)同設計的IPD協(xié)同工作流程，將三維數(shù)字化設計過程依據(jù)成熟程度劃分為5個階段，稱為5級成熟度劃分，并由低到高依次記為M1～M5。

5級成熟度劃分反映數(shù)字化協(xié)同設計的5個階段，每個階段有著不同的工作目標和側重點：a）M1階段，設計要求充分明確階段，主要完成設計輸入條件的明確、明確工藝禁忌，梳理已有工裝、梳理物資選型范圍，初步確定設計方案；b）M2階段，對設計方案進行細化，完成主結構設計，工藝開始介入；c）M3階段，側重于從制造工藝的角度對設計進行完善，包括完成功能性結構設計和主結構完善，工藝完成初步設計，工裝設計啟動，物資備料啟動；d）M4階段，設計定型，制造工藝的相關因素基本確定，主要完成產(chǎn)品設計，工藝、檢驗、工裝設計，物資備料方案；e）M5階段，各方完成技術狀態(tài)受控,成為制造生產(chǎn)的正式依據(jù)。在五級成熟度提升過程中，設計工藝各方持續(xù)緊密協(xié)同，共同完成各自相關工作。

3 協(xié)同IPD技術工程應用

三維IPD協(xié)同研制工作在新型運載火箭得以實施開展，改變了傳統(tǒng)火箭研制串行工作的理念，并在行業(yè)內(nèi)首次實現(xiàn)了并行協(xié)同工作及二維出圖模式向三維出圖模式的轉(zhuǎn)變，具體應用如下：

a）建立MBD，使工藝人員更容易理解設計意圖，設計人員也更深入了解產(chǎn)品的可制造性，減少了設計反復和工程更改次數(shù)，大幅提高了設計質(zhì)量和效率。就典型零部件，經(jīng)不完全統(tǒng)計，MBD技術的應用效果評估如表1所示。

表1 MBD技術對于設計工作的影響Tab.1 The Impact of MBD Technology on Design Work

b）建立聯(lián)合辦公的工作環(huán)境和協(xié)同研制的工作平臺，縮短了所有協(xié)調(diào)和信息交流的路徑，精減和疏通了妨礙研制提高工作效率的環(huán)節(jié)，尤其是工藝人員提前介入，生產(chǎn)準備周期得到大大的縮減，最大程度上加快研制進度，降低研制成本。比如，基于協(xié)同平臺的電子分發(fā)取代了傳統(tǒng)人工分發(fā)，使傳統(tǒng)的紙質(zhì)藍曬文件傳遞周期由1個月縮短為1天，效率成倍提升。

按傳統(tǒng)的“設計-工藝審查-修改-出圖-工藝-物流-生產(chǎn)”的流程，從產(chǎn)品圖紙下廠到生產(chǎn)出實物，需要經(jīng)過較多環(huán)節(jié)，如圖5所示，也需要相對較長時間，存在組織、管理、生產(chǎn)方式和數(shù)字化協(xié)同方式可以提供的效率之間的顯著矛盾。

圖5 傳統(tǒng)串行工作流程（優(yōu)化前）Fig.5 Traditional Serial Workflow(Before Optimization)

通過IPD優(yōu)化設計制定了如圖6所示的火箭數(shù)字化并行工作流程，把各項工作盡可能同步、甚至提前進行；按照上述流程安排，IPD小組共同參與三維模型設計、工藝規(guī)劃、工裝設計等工作大大縮短了數(shù)據(jù)傳遞的時間和傳遞的路徑，更提高了設計質(zhì)量。經(jīng)型號實踐證明，該流程成功指導了協(xié)同研制工作的開展。

圖6 IPD并行工作流程（優(yōu)化后）Fig.6 IPD Parallel Workflow(Optimized)

c）建立了三維IPD協(xié)同研制的技術標準體系，形 成一套可以支持火箭全過程設計的一種行之有效的火箭設計示范樣本、設計流程。

4 結束語

目前該技術已不同程度的在多個火箭的三維協(xié)同研制中應用，經(jīng)受了方案至試樣飛行的全生命周期工程實踐的檢驗，也廣泛地向運載飛行器全行業(yè)推廣。

火箭三維IPD協(xié)同研制技術的大面積采用，引發(fā)了航天的一場革命，改變了幾十年一直按專業(yè)和部門職能管理型號研制的做法，演變?yōu)榘慈蝿諏嵭蠭PD柔性化、敏捷化的新局面，并逐步打破專業(yè)、部門界限，密切專業(yè)之間、部門之間的關系，形成航天研制的大總體、大結構、大系統(tǒng)的格局。

在世界先進的航空航天企業(yè)中，目前采用PROE/WINCHILL作為協(xié)同研制軟件支撐平臺在工程應用上案例很少。在三維IPD協(xié)同研制過程中，解決了大量的技術和管理問題。但從協(xié)同研制平臺和手段上，與世界先進的航空航天企業(yè)仍存在差距，在后續(xù)的研究工作中，需要進一步對標先進，優(yōu)化技術路線，解決技術瓶頸，支撐后續(xù)協(xié)同IPD的深入開展。