一種基于實測數據的航天器部組件的裝配仿真方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及裝配領域，尤其涉及一種基于實測數據的航天器部組件的裝配仿真方 法。
【背景技術】
[0002] 衛星裝配過程中，由于制造及裝配誤差、熱控多層的包覆實施、設計更改等因素的 影響：①大型天線、大型有效載荷設備等部組件的外形與理論設計值存在一定差異，易導致 實際安裝過程操作空間的不足或與周邊設備發生干涉；②衛星儀器設備、管路、電纜等小部 件及相應直屬件由于接口協調的問題，易出現與艙上接口不匹配情況。目前上述問題通常 采用實物試裝的方式來解決，這種方法的局限性在于：①占用大量工時，導致研制進度拖 延；②存在質量風險，尤其是大型部組件的試裝，易發生干涉并損害其他星上產品。
[0003] 虛擬裝配仿真技術是指采用虛擬現實技術對己設計完成的零部件進行預裝配，并 進行分析與評估，改進零部件不合理結構，優化裝配工藝方案的技術。對于縮短產品開發周 期，降低產品開發成本，提高裝配可行度，該技術具有重要的理論意義和應用前景，因此虛 擬裝配仿真技術受到越來越多領域的高度重視，并可用于航天器部組件的數字化與裝配， 以彌補上述實物試裝手段的缺陷。如專利"基于航天器裝配仿真技術的虛擬裝配系統和虛 擬裝配方法"（申請號為200810180605. 8,公開號為101739478)提出一種包括計算機輔助 設計（Computer Aided Design，簡稱CAD)建模模塊、虛擬裝配規劃模塊、裝配工藝設計模塊 等的航天器虛擬裝配系統，并給出基于該系統的虛擬裝配仿真分析方法；專利"飛機裝配現 場可視化仿真系統"（申請號為201110059898. 6,公開號為102117367)給出一種包括裝配 仿真數據庫模塊、裝配仿真技術模塊和裝配可視化表達系統的飛機裝配現場可視化仿真系 統。
[0004] 但是，上述各類系統和方法的裝配仿真對象均使用理論設計模型，缺乏實際的產 品外形尺寸數據，在理論外形數據基礎上進行裝配工藝仿真得到的裝配工藝方案往往不能 反映實際情況，指導意義有限。

【發明內容】

[0005] 本發明要解決的技術問題在于提供一種基于實測數據的航天器部組件的裝配仿 真方法，通過對逆向模型的虛擬試裝配代替實物裝配或理論模型的裝配，進行裝配過程仿 真與分析及人機功效仿真與評估，提前識別總裝危險點，設計預處理措施，提高航天器總裝 工藝的可靠性。
[0006] 為了解決上述問題，本發明提供了一種基于實測數據的航天器部組件的裝配仿真 方法，該裝配仿真方法包括：步驟1 :利用參數化三維快速建模方法，由總裝檢驗人員實際 測量關鍵的小型部組件接口的尺寸，并輸入相應參數化三維建模系統，生成基于實測尺寸 的小型部組件三維模型；步驟2 :利用逆向點云曲面擬合方法，將大型關鍵部組件的實物對 象的表面形狀轉換成離散的幾何坐標點，在此基礎上完成復雜曲面的建模，形成大型關鍵 部組件的逆向三維數字化模型；步驟3 :將基于實測數據完成的裝配對象數字模型導入虛 擬裝配系統，利用裝配過程可視化手段和干涉檢查工具，直觀展示產品裝配過程中零部件 的運動形態和空間位置關系，以驗證裝配過程的可行性，并對裝配序列進行規劃及優化；步 驟4 :利用虛擬裝配系統提供的人體功效分析模型，基于通用人機功效分析評價準則進行 人機功效仿真與評估。
[0007] 本發明提供的基于實測數據的航天器部組件的裝配仿真方法，是面向裝配車間現 場協調、試裝，以減少實物試裝、縮短研制周期、規避操作風險為目標，實現部組件逆向建 模、實測數據-虛擬模型信息融合、數字化虛擬裝配仿真、人機功效分析，取代傳統模裝，其 特點為虛擬現實場景與實物逆向建模相結合，提前檢測干涉點和風險源，發現裝配不協調 等問題，提高航天器總裝工藝可靠性及總裝效率。
【附圖說明】
[0008] 為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需使用的附圖作簡單地介紹
[0009] 圖1為本發明的基于實測數據的航天器部組件的裝配仿真方法流程圖；
[0010] 圖2為圖1中的小型部組件接口逆向建模的工作流程圖。
[0011] 圖3為圖1中的大型關鍵部組件逆向建模的工作流程圖。
[0012] 圖4為圖1中的裝配過程仿真與分析的工作流程。
[0013] 圖5為圖1中的人機功效仿真與評估工作流程圖。
【具體實施方式】
[0014] 下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明：本實施例以本發明技術方案為前提 進行實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0015] 本發明提供了一種基于實測數據的航天器部組件的裝配仿真方法，通過數字逆向 建模手段完成產品實際外形尺寸的測量，通過實測數據-虛擬模型信息融合，將實物模型 轉變為三維數字化模型；通過對逆向模型的虛擬試裝配代替實物裝配或理論模型的裝配， 進行裝配過程仿真與分析及人機功效仿真與評估，提前識別總裝危險點，設計預處理措施， 提高航天器總裝工藝的可靠性。
[0016] 圖1所示為本發明的基于實測數據的航天器部組件的裝配仿真方法流程 圖100。本實施例軟件平臺主要基于計算機輔助三維接口應用軟件（Computer Aided Three-Dimensional Interface Application,簡寫為Catia)或數字化企業的互動制造應 用軟件Delmia，包括：總裝直屬件等小型部件建模方法、大型關鍵部組件逆向建模方法、裝 配過程與仿真分析方法、人機功效仿真與評估方法，
[0017] 在步驟110中，對總裝直屬件等小型部組件接口進行逆向建模。總裝直屬件等小 型部組件的逆向建模主要面向對其與艙體結構之間安裝接口的匹配性進行預先的檢查和 分析，建模精度相對要求較高，模型需要準確反映總裝直屬件的安裝接口尺寸。故利用參數 化三維快速建模方法，在總裝直屬件的交付驗收環節，由總裝檢驗人員實際測量若干關鍵 接口尺寸，并輸入相應參數化三維建模系統，生成基于實測尺寸的總裝直屬件三維模型。
[0018] 在步驟120中，對大型關鍵部組件進行逆向建模。大型部組件的逆向建模主要面 向大型部組件安裝的操作空間和與周邊零部件的干涉情況進行預先的檢查和驗證，建模精 度相對要求較低。故采用特定的測量設備和測量方法，將實物對象的表面形狀轉換成離散 的幾何坐標點，在此基礎上完成復雜曲面的建模，形成逆向三維數字化模型。
[0019] 在步驟130中，裝配過程仿真與分析。將基于實測數據完成的裝配對象數字模型 導入虛擬裝配系統，對產品的可拆卸/裝配性進行有效預測，利用裝配過程可視化手段和 干涉檢查工具，直觀展示產品裝配過程中零部件的運動形態和空間位置關系，一方面驗證 裝配過程的可行性，一方面對裝配序列進行規劃及優化。對于總裝直屬件等小型部組件，還 需重點分析裝配接口的匹配性；對于大型關鍵部組件，則在分析逆向模型與理論模型幾何 形狀誤差的基礎上，關注裝配干涉檢測。
[0020] 在步驟140中，人機功效仿真與評估。利用虛擬裝配系統提供的人體功效分析模 型，基于通用人機功效分析評價準則如快速上肢評估法（Rapid Upper Limb Assessment， 簡稱為RULA)、國立職業安全與健康研宄所（National Institute of Occupational Safety and Health，簡稱為 NIOSH)、姿勢分析系統（Owako Working-posture Analyzing System，簡稱為OWAS)、Snook表等，指定操作人員在完成某個裝配操作過程中的作業行為、 行走路線和工作負荷，對各種典型作業姿態和裝配行為進行模擬，實現定性和定量分析，考 察工藝中影響操作人員作業的空間開敞性、姿態舒適性和勞動強度等因素，準確地評估工 藝和工裝的人機性能及操作人員的勞動生產率。
[0021] 圖2所示為圖1中的小型部組件接口逆向建模的工作流程圖200。在進行建模前， 需要進行數據準備，即確定整個過程所需的各個模型和各項數據。其中數據包括模型中接 口的位置、關注接口處的特征參數、接口處的實測數據。要求各種數據必須完備、無冗余， 能夠滿足整個逆向建模過程要求。小型關鍵零組件接口逆向建模輸入的模型文件可以是 *. CATPart或*. stp，要求模型為實體模型，不能只包含點、線、面元素。實測數據以Excel 表格形式呈現。
[0022] 通過接口參數化來實現建模過程，參數化過程即為建立模型參數（如尺寸、形狀 等）與三維實體模型間的關聯關系，以達到自動控制和生成三維模型的目的。本實施例 采用CATIA零件設計模塊、知識工程顧問模塊完成小型部組件接口參數提取并生成逆向模 型，其工作流程如圖2所示。首先，將小型部組件模型導入CATIA，依次進行模型完備性檢 查、模型參數化程度檢查；然后，判斷接口是否為參數化特征，如果判斷結果為否，則分析模 型接口特征，如果判斷結果為是，則進行接口特征參數化流程規劃，并提取接口特征，識別 模型特征，創建接口參數，再將接口參數和模型特征關聯；
[0023] 在關聯了接口參數和模型特征參數的基礎上，建立與用戶參數相應的接口參數列 表（例如特征參數Excel表格），接著依據實測值更改參數列表，在CATIA軟件中導入此表 即可驅動模型自動更改尺寸。
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