基于MBD和KBE的衛星單機模型緊固件自動裝配研究

徐春生，張 楊，夏永泉，印 璞

（中國空間技術研究院，北京 100094）

0 引言

衛星單機通過緊固件（一般為螺釘、彈墊和平墊的組合）安裝到衛星艙板上，單機的緊固件信息附加在單機總裝MBD（model based definition，基于模型的定義）[1]模型（以下簡稱MBD模型）的屬性信息中，并未在模型中生成緊固件的實體模型。采用這種處理方式，主要是因為衛星單機數量多，采用的緊固件類型也多，若人為創建緊固件模型并在單機模型上進行裝配，耗時耗力。但是這種處理方式存在以下問題：

1）在單機模型審簽階段，無法直觀的檢查單機模型機械接口的設計是否正確，只能通過測量和查詢緊固件手冊才能驗證模型機械接口是否符合要求。

2）在總裝設計階段，需要判斷單機安裝用的緊固件與結構埋件的匹配性（螺紋規格是否一致）以及是否干涉，若無緊固件模型，只能通過計算判斷。

3）在衛星總裝實施階段，總裝操作人員看到的總裝模型中無緊固件模型，只有附屬的緊固件參數信息，無法直觀的指導總裝操作人員進行裝配操作。

針對上述問題，提出了一種基于MBD和知識工程（Knowledge-Based Engineering，KBE）[2]的單機總裝模型緊固件自動裝配方法。該方法以單機的MBD模型為基礎，借助KBE技術實現緊固件的參數化配置，批量生成緊固件模型，再利用CATIA二次開發技術實現MBD模型對應緊固件的自動裝配，顯著提升了模型生成及裝配效率。

1 衛星單機MBD模型簡介

隨著數字化設計、制造技術的發展，MBD已成為第三代工程語言[3]。MBD是波音推行的新一代產品定義方法，它用一個集成的三維實體模型來完整地表達產品定義信息[4,5]，即將制造信息和設計信息（三維尺寸標注及各種制造信息和產品結構信息）共同定義到產品的三維數字化模型中，從而取消二維工程圖，保證設計數據的唯一性。MBD是MBSE（Model Based Engineering，MBSE）的基礎，MBD更關注產品的幾何信息，包括工藝描述信息、制造屬性信息、管理屬性信息，把三維模型作為生產制造的唯一依據。

衛星總裝設計中，創建了單機總裝MBD模型，將模型對應的單機的機、電、熱接口等信息以特征和參數的形式附加到三維模型中，圖1是構造的典型單機MBD總裝模型的參數信息結構。

圖1 衛星單機總裝MBD模型參數信息

圖1中，左側的“METRICS”是單機MBD模型的參數包，包含了衛星布局設計和總裝設計所需的機、電、熱接口等信息，其中的“MECHANICAL MOUNTING INFORMATION”存儲模型對應的單機安裝在衛星艙板上所需的緊固件信息，如圖1所示。圖1中各主要參數的含義如表1所示。

2 緊固件生成及裝配

若創建單機模型所配置的緊固件模型，需先提取MBD模型中的緊固件信息；然后以提取的信息為基礎，借助CATIA三維設計軟件的KBE功能進行參數化建模，創建緊固件模型；最后利用CATIA的二次開發實現緊固件的自動裝配。具體流程如圖3所示。

圖2 單機安裝類型示意

2.1 提取MBD模型中的緊固件信息

緊固件信息主要包括緊固件套數、安裝類型、緊固件規格和數量，其中緊固件套數信息存儲在“Qty of Mounting Interfaces”中，安裝類型信息存儲在“Mounting I/F Type”中，讀取上述兩個參數即可。其中，單機安裝類型決定了后續選擇的緊固件種類（典型的安裝類型為“A”類安裝，如圖2所示）。緊固件規格和數量存儲在表1所示的其他參數中。表1的參數在CATIA模型中的體現形式均為“Part”對象下面的混合元素子集（“HybridBodies”），可通過圖4所示的流程提取出這些信息。

表1 單機總裝MBD模型緊固件參數表

圖3 緊固件生成及裝配流程圖

圖4 提取單機安裝類型信息流程圖

2.2 基于KBE的緊固件定義

知識工程（KBE）的核心是將有關的學科知識、相關設計標準及規范、設計參數選擇規律、設計歷史資料等建成知識庫并嵌入到設計軟件中，通過邏輯判斷和推理，實現產品的智能化設計[6]。

衛星上總裝使用的緊固件規格較多，以某型螺釘為例，常用規格就有121種之多，針對每一規格均構建三維模型不切實際。在CATIA中，針對一類緊固件（如螺釘）可以只創建一個實體模型，然后在此三維模型基礎上，借助KBE功能使用Catalog生成指定規格的一系列的實體模型。

以螺釘QJ 2582-93（鈦合金內六角圓柱頭螺釘）為例，在CATIA中創建系列螺釘模型的步驟如下：

首先，確定創建螺釘需要的特征參數，這些特征參數是建模的基礎，通過調整這些參數，可得到不同規格的螺釘模型。對于QJ2582-93螺釘來說，特征參數如下：螺桿長度l、螺釘頭部最大高度k_max、螺紋公稱直徑d、螺釘頭部最大直徑dk_max、螺釘頭部與螺桿過渡處倒圓最大半徑r_max、螺釘頭部凹槽特征尺寸s、螺釘頭部凹槽深度i。

圖5 釘模型信息

其次，確定特征參數后，進行參數化建模。圖5即為QJ 2582-93系列螺釘M2×10的參數化模型。

再次，創建參數表。參數表用來給出同系列緊固件對應的不同規格的特征參數，通過參數表的參數化變量來控制不同規格緊固件的幾何形狀。表2是螺釘QJ2582-93的典型參數表。

最后，創建Catalog標準件庫。在CATIA中新建一個Catalog文檔，引入參數表，并關聯已創建好的典型模型文件。后續即可根據需求從庫文件瀏覽器中調用指定規格的螺釘模型，如圖6所示。

圖6 利用參數表生成的部分螺釘模型

表2 螺釘QJ2582-93的典型參數

2.3 緊固件自動裝配

將生成的緊固件模型按照單機安裝類型的約束，裝配到單機MBD模型中。在CATIA中，單機模型為Part類型，若在單機模型基礎上裝配緊固件，需先生成Product，然后裝配單機模型，再裝配緊固件模型。

假設裝配類型為A，且已生成螺釘、彈墊、平墊的模型，為了將緊固件裝配到指定的位置，需提取單機MBD模型中的安裝接口信息，此信息存儲在單機模型中混合元素子集“Drilling Map”下的“HybridShapes”對象中，其中存儲了安裝接口的X、Y、Z坐標值（坐標系原點為單機安裝接口的R點）。提取安裝接口信息后，使用SetComponents函數將緊固件先安裝到每個安裝孔處的默認位置。然后，將緊固件在Z軸方向平移，將其調整到最終的位置：

首先，平移平墊，平墊在Z軸上的平移量是單機耳片的厚度，該厚度可從單機總裝MBD模型中提取；

其次，平移彈墊，彈墊的平移量是單機耳片的厚度加平墊的厚度，后者從平墊的Catalog模型中提取參數h即可；

最后，平移螺釘，螺釘的平移量是單機耳片厚度、平墊厚度、彈墊厚度以及螺釘頭部厚度之和，從各個模型的參數中即可提取。

3 模型驗證

按照文中所述方法，編制緊固件裝配APP，如圖7所示。圖7中，“選擇源文件”是指將三維模型構造為MBD總裝模型時需要的總裝信息文件，然后選擇零件模型，之后點擊“裝配緊固件”，軟件生成MBD總裝模型后，直接進行緊固件的自動裝配。

圖7 緊固件裝配App界面

構造單機模型如圖8所示，經過軟件運行，得到結果如圖9所示。從圖9可以看出，按照總裝MBD模型中設置的緊固件，與單機模型本體干涉。若不安裝緊固件，設計師不會直觀的發現緊固件配置不合適的問題，一般只會單純的按照安裝孔大小選擇緊固件規格，從而帶來設計差錯的隱患。

圖8 構造模型（未安裝緊固件）

圖9 構造模型（安裝緊固件后）

4 結語

通過本文所提方法，即可實現緊固件模型在單機模型上的“一鍵裝配”，無需人為創建緊固件模型并進行裝配。在裝配緊固件模型之后，在單機三維模型審簽階段，就可直觀檢查模型機械接口設計是否合理；在衛星總裝設計階段，就可以利用附加緊固件模型的布局模型對總裝緊固件與結構埋件的橫向和縱向兩個維度進行快速干涉檢查；在總裝實施階段，能夠方便的指導操作人員按照總裝模型裝配相應的單機。