0 前言

    根據(jù)衛(wèi)星的質(zhì)量，通常將小于1000公斤的衛(wèi)星稱為廣義的小衛(wèi)星，其中，將500-1000公斤的衛(wèi)星稱為小衛(wèi)星。在小衛(wèi)星的設(shè)計(jì)的各個(gè)階段中，利用Pro/E等三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行衛(wèi)星總體模型設(shè)計(jì)是一項(xiàng)重要的工作。小衛(wèi)星機(jī)械總體建模設(shè)計(jì)主要根據(jù)與各分系統(tǒng)的接口數(shù)據(jù)單建立設(shè)備模型、結(jié)構(gòu)模型等，近而完成衛(wèi)星構(gòu)型布局以及總裝設(shè)計(jì)建模。

    衛(wèi)星設(shè)計(jì)的各個(gè)階段分為方案設(shè)計(jì)階段、初樣設(shè)計(jì)階段以及正樣設(shè)計(jì)階段。其中初樣設(shè)計(jì)階段和正樣設(shè)計(jì)階段均屬于詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，這兩個(gè)階段衛(wèi)星設(shè)計(jì)的各種輸入性文件比較齊全、狀態(tài)論證充分，整星模型的構(gòu)建過程很少經(jīng)歷較大更改。但是，在衛(wèi)星方案設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)周期短、方案多樣性要求高、設(shè)計(jì)不確定性強(qiáng)，設(shè)計(jì)迭代次數(shù)多。設(shè)計(jì)經(jīng)常進(jìn)行大面積修正甚至顛覆性修改。例如：

    ●衛(wèi)星構(gòu)型修改；

    ●衛(wèi)星主承力結(jié)構(gòu)修改；

    ●設(shè)備配套修改；

    ●設(shè)備外形尺寸、安裝接口修改；

    ●設(shè)備布局修改；

    ●結(jié)構(gòu)板開孔修改；

    ●視場、羽流、精測光路、質(zhì)量特性等修改。

    面對方案階段的特殊性，必須對整星快速三維建模實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行研究。研究需包含基礎(chǔ)建模數(shù)據(jù)準(zhǔn)備方法、模型快速搭建方法、模型快速修改方法、設(shè)計(jì)要求快速驗(yàn)證等，以確保方案階段衛(wèi)星總體建模速度能得到提升。

1 建模效率分析

    小衛(wèi)星方案階段整形構(gòu)型布局建模主要要完成以下幾方面的工作：

    ●衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)模型搭建：以箱板式衛(wèi)星結(jié)構(gòu)為例，設(shè)計(jì)師需對衛(wèi)星中各個(gè)鋁蜂窩結(jié)構(gòu)板進(jìn)行外形尺寸（通常為長方形外觀，板厚有16mm、25.6mm等數(shù)種常用選擇）建模，然后根據(jù)衛(wèi)星構(gòu)型布局方案對蜂窩板模型進(jìn)行三維裝配，裝配主要完成結(jié)構(gòu)板的搭接關(guān)系、間距調(diào)整等的實(shí)現(xiàn)；

    ●設(shè)備建模：設(shè)備建模主要根據(jù)設(shè)備配套表和設(shè)備接口數(shù)據(jù)單，完成設(shè)備外形尺寸、接口參數(shù)的建模與定義。將建立好的設(shè)備模型安裝在衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)模型上，將每塊結(jié)構(gòu)板及相應(yīng)板上的設(shè)備模型建立成板級(jí)裝配體，并調(diào)整設(shè)備朝向、間距等參數(shù)；

    ●結(jié)構(gòu)板開孔：根據(jù)設(shè)備位置，繪制電纜走線孔、管路穿艙孔、精測孔等結(jié)構(gòu)板開孔；

    ●構(gòu)型布局驗(yàn)證：根據(jù)衛(wèi)星總體要求，利用三維軟件，進(jìn)行衛(wèi)星設(shè)備視場、精測光路、羽流、質(zhì)量特性等參數(shù)的建模及分析。

    1.1 主結(jié)構(gòu)搭建效率分析

    小衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)一般分為載荷艙、平臺(tái)艙以及側(cè)板、頂板，兩艙為上下連接關(guān)系。每個(gè)艙由一塊平置結(jié)構(gòu)板和若干塊立置結(jié)構(gòu)板組成，如圖1所示：。其中，平置結(jié)構(gòu)板的長、寬決定了衛(wèi)星本體的長、寬，立板高度決定了衛(wèi)星的高度。建模過程中，設(shè)計(jì)師對每塊板進(jìn)行建模，完成草繪、拉伸等操作，平均每塊板建模時(shí)間約3分鐘，一般星上結(jié)構(gòu)板數(shù)量為15塊左右。結(jié)構(gòu)板建立時(shí)間約為45分鐘。將所有板裝配在一起，需要進(jìn)行定位、調(diào)整等建模操作，整個(gè)裝配以及調(diào)整過程至少需要30分鐘左右。因此，整個(gè)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)搭建的純時(shí)耗為75分鐘。方案過程還要需要大量的更改工作，平均每次星結(jié)構(gòu)板重建、重構(gòu)、重調(diào)工作時(shí)間約60分鐘。建模效率低的問題在于：1)未對結(jié)構(gòu)板搭接關(guān)系進(jìn)行系列化歸類；2)未對結(jié)構(gòu)板尺寸參數(shù)與定位參數(shù)進(jìn)行有效整理與關(guān)聯(lián)；3)未對如板厚等定型參數(shù)由輸入模式轉(zhuǎn)變?yōu)榭蛇x擇模式。

圖1 衛(wèi)星艙段結(jié)構(gòu)板組成

    1.2 設(shè)備建模效率分析

    小衛(wèi)星設(shè)備外形多為長方體，方案階段的建模對模型外形精細(xì)程度要求不高，但設(shè)備配套、外形大小卻會(huì)多次發(fā)生更改迭代。不同的單臺(tái)設(shè)備建模過程會(huì)涉及到其他型號(hào)設(shè)備模型復(fù)用、原有模型適應(yīng)性修改、完全新建等不同過程。對于模型復(fù)用或適應(yīng)性修改一般集中在推進(jìn)、姿軌控、星務(wù)等平臺(tái)分系統(tǒng)設(shè)備，完全新建一般集中在載荷分系統(tǒng)設(shè)備。一般小星上設(shè)備約100臺(tái)左右，平均一顆星的設(shè)備建模（復(fù)用、修改、新建、裝配定位）時(shí)間為8個(gè)工作日，其中模型復(fù)用收集1天、模型修改2天、新建模型3天、裝配定位2天。建模效率低的問題在于：1)未對長方體規(guī)則設(shè)備進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動(dòng)建模；2)各型號(hào)設(shè)備模型分散在設(shè)計(jì)師手中，缺乏完整的設(shè)備模型庫以及對模型特征的有效查詢；3)小衛(wèi)星建模所使用的ProE軟件，參數(shù)關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，對裝配定位、裝配層級(jí)關(guān)系不能得到快速、方便的調(diào)整。

    1.3 結(jié)構(gòu)板開孔效率分析

    結(jié)構(gòu)板開孔一般要進(jìn)行開孔輪廓繪制、孔尺寸調(diào)整、孔定位尺寸調(diào)整等工作。孔的種類又包括圓孔、矩形孔、幺形孔，板邊半開敞孔、異性孔等。建模時(shí)一般用草繪-切除完成。平均每個(gè)孔的繪制、調(diào)整時(shí)間約為3分鐘。建模效率低的問題在于：1)未對不同的孔進(jìn)行特征分類；2)未對開孔操作過程中的重復(fù)操作進(jìn)行優(yōu)化；3)孔的定位不能得到快速、方便的調(diào)整。

    1.4 構(gòu)型布局驗(yàn)證效率分析

    構(gòu)型布局驗(yàn)證涉及方面很多，平均每顆衛(wèi)星構(gòu)型布局驗(yàn)證建模分析時(shí)間約為7天（不包含反復(fù)迭代）。主要低效環(huán)節(jié)在于兩大方面：1)衛(wèi)星視場、羽流模型未能進(jìn)行歸類及參數(shù)化驅(qū)動(dòng)；2)衛(wèi)星質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等指標(biāo)結(jié)果不能根據(jù)星上設(shè)備位置調(diào)整實(shí)時(shí)顯示，導(dǎo)致反復(fù)查詢操作占用時(shí)間。

2 快速建模實(shí)現(xiàn)方式

    為解決以上問題，實(shí)現(xiàn)快速建模，應(yīng)對建模過程進(jìn)行以下優(yōu)化：

    2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

    基礎(chǔ)數(shù)據(jù)做以下幾方面準(zhǔn)備：

    1)為在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)用戶管理、快速結(jié)構(gòu)布局和設(shè)備布置、快速模型特征操作等功能，應(yīng)建立數(shù)據(jù)庫，管理系統(tǒng)物理數(shù)據(jù)（三維模板庫及設(shè)備模型庫）和參數(shù)數(shù)據(jù)表等。通過建立規(guī)范的參數(shù)化三維模型模板，應(yīng)用參數(shù)驅(qū)動(dòng)模板生成需要的模型，同時(shí)保證模型建立的規(guī)范性和可讀、可修改能力；

    2)設(shè)備模型庫信息參數(shù)表必須細(xì)化，應(yīng)包含設(shè)備名稱、代號(hào)、模型來源衛(wèi)星型號(hào)代號(hào)、曾用衛(wèi)星型號(hào)代號(hào)、長、寬、高、直徑、質(zhì)量、承制單位、特征參數(shù)等。其中特征參數(shù)是指機(jī)械特性以外的可以起到設(shè)備辯識(shí)度的參數(shù)，如蓄電池的電量特性（Ah）。信息參數(shù)表應(yīng)支持模糊查詢，以便根據(jù)不完整的方案階段設(shè)備配套表快速定位可用設(shè)備模型。

    3)對衛(wèi)星設(shè)計(jì)方法結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行梳理，總結(jié)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)構(gòu)型種類、板件的典型結(jié)構(gòu)型式、板件組合方式、設(shè)備的分類及型式等，然后定義其變化參數(shù)，制定三維模板建立方案，三維模板要特征建立規(guī)范、參數(shù)完整并具備良好的修改變形能力。

    4)對開孔、視場、羽流等常用模型特征進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，分析出類別與通用參數(shù)以支持參數(shù)驅(qū)動(dòng)。

    2.2 模型快速搭建方法

    模型快速搭建應(yīng)做到以下幾方面：

    ●參數(shù)化驅(qū)動(dòng)：根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)整理情況，建立參數(shù)化模型模板，并結(jié)構(gòu)板、模型、開孔等尺寸參數(shù)、裝配定位參數(shù)進(jìn)行全參數(shù)化關(guān)聯(lián)。做到極簡的初始參數(shù)輸入就能完成整個(gè)建模工作，并且支持快速修改。如結(jié)構(gòu)板中部分立板的長度就與平板的長度可以統(tǒng)一為同一互相關(guān)聯(lián)的參數(shù)；

    ●面向用戶體驗(yàn)的操作界面：后臺(tái)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的前臺(tái)表現(xiàn)應(yīng)更關(guān)注用戶體驗(yàn)。首先，所建結(jié)構(gòu)形式應(yīng)圖形化、直觀化；其次，參數(shù)錄入邏輯化、簡易化。模型參數(shù)錄入過程要符合設(shè)計(jì)人員的正常思維過程，如結(jié)構(gòu)搭建應(yīng)先定結(jié)構(gòu)形式再定具體參數(shù)。鼠標(biāo)點(diǎn)擊、數(shù)據(jù)錄入等操作應(yīng)規(guī)劃至最優(yōu)，最大程度避免多余操作。設(shè)備配套表中以裝配和刪除的情況明確反映在表格中，避免反復(fù)查詢。質(zhì)量特性等設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)實(shí)時(shí)置于前臺(tái)界面中顯示，避免反復(fù)查詢。

    ●簡化模型基準(zhǔn)；實(shí)現(xiàn)快速布局必然要在設(shè)備模型、結(jié)構(gòu)板模型上建立坐標(biāo)、安裝面等等統(tǒng)一點(diǎn)、線、面基準(zhǔn)。但這種基準(zhǔn)的數(shù)量應(yīng)根據(jù)方案階段的特點(diǎn)進(jìn)行簡化。如衛(wèi)星詳細(xì)設(shè)計(jì)階段需要設(shè)備模型基準(zhǔn)坐標(biāo)系、安裝孔點(diǎn)、安裝面、R點(diǎn)、腳印等多種特征以面對后續(xù)的各種圖紙生成。但方案階段沒有這種要求，因此只需要設(shè)立模型坐標(biāo)系可能就能滿足建模需求。太復(fù)雜的模型基準(zhǔn)設(shè)置不利于方案階段設(shè)計(jì)師對建模工作的心理預(yù)期。

3 實(shí)施效果

    針對以上分析和思考解決方法。我們基于Pro/E軟件進(jìn)行二次開發(fā)，研制了小衛(wèi)星快速設(shè)計(jì)軟件。軟件分為快速設(shè)計(jì)和系統(tǒng)管理。其中快速設(shè)計(jì)又包含主結(jié)構(gòu)布置、設(shè)備布置、快速開控股、分析模型等模塊。如圖2所示。

    軟件在整星主結(jié)構(gòu)布置中定義了整星的板件型式和組合方式，根據(jù)設(shè)備布置需求定義不同的布局空間，在布局設(shè)計(jì)時(shí)可以在界面上直接選擇和輸入?yún)��?shù)，并且有相關(guān)的知識(shí)鏈接和圖片示意供設(shè)計(jì)參考。如圖3所示。

    軟件在設(shè)備快速布置和調(diào)整功能模塊，設(shè)計(jì)師通過定義完善從項(xiàng)目辦接收到的設(shè)備清單，直接導(dǎo)入到設(shè)備布局界面，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)設(shè)備名稱和設(shè)備相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)從數(shù)據(jù)庫中檢索查詢，將滿足條件的所有設(shè)備提取到界面，設(shè)計(jì)師可以選擇滿足條件的設(shè)備直接進(jìn)行裝配；若無滿足條件的設(shè)備數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)師可以自定義設(shè)備外形參數(shù)，通過模板快速生成需要的設(shè)備簡化模型進(jìn)行方案布置。在設(shè)備布置過程中，界面上即時(shí)顯示整星的質(zhì)心位置及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的參數(shù)信息，設(shè)計(jì)師可以隨時(shí)在Pro/E界面上看到生成的三維模型，并可以對設(shè)計(jì)進(jìn)行快速重新放置和調(diào)整。如圖4所示。此外，還有結(jié)構(gòu)板開孔、模型分析、模型分發(fā)等多個(gè)模塊。

圖2 衛(wèi)星快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)

圖3 衛(wèi)星快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)-結(jié)構(gòu)建模界面

圖4 衛(wèi)星快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)-設(shè)備建模界面

    相關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)間節(jié)省統(tǒng)計(jì)如表1所示，效率較以往得到明顯提升：

表1 衛(wèi)星快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用前后效果對比

4 結(jié)論

    本文全面分析了小衛(wèi)星方案設(shè)計(jì)階段三維模型構(gòu)建的特點(diǎn)和低效環(huán)節(jié)。提出了構(gòu)建過程中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立、結(jié)構(gòu)搭建、設(shè)備建模裝配、指標(biāo)驗(yàn)證等的優(yōu)化方法。結(jié)合實(shí)際，在Pro/E環(huán)境下二次開發(fā)了小衛(wèi)星快速軟件，提升了設(shè)計(jì)效率。 

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本文標(biāo)題：2014產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化征文：面向小衛(wèi)星方案階段的整星快速三維建模實(shí)現(xiàn)研究

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