一种基于实测数据的航天器部组件的装配仿真方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及装配领域，尤其涉及一种基于实测数据的航天器部组件的装配仿真方 法。
【背景技术】
[0002] 卫星装配过程中，由于制造及装配误差、热控多层的包覆实施、设计更改等因素的 影响：①大型天线、大型有效载荷设备等部组件的外形与理论设计值存在一定差异，易导致 实际安装过程操作空间的不足或与周边设备发生干涉；②卫星仪器设备、管路、电缆等小部 件及相应直属件由于接口协调的问题，易出现与舱上接口不匹配情况。目前上述问题通常 采用实物试装的方式来解决，这种方法的局限性在于：①占用大量工时，导致研制进度拖 延；②存在质量风险，尤其是大型部组件的试装，易发生干涉并损害其他星上产品。
[0003] 虚拟装配仿真技术是指采用虚拟现实技术对己设计完成的零部件进行预装配，并 进行分析与评估，改进零部件不合理结构，优化装配工艺方案的技术。对于缩短产品开发周 期，降低产品开发成本，提高装配可行度，该技术具有重要的理论意义和应用前景，因此虚 拟装配仿真技术受到越来越多领域的高度重视，并可用于航天器部组件的数字化与装配， 以弥补上述实物试装手段的缺陷。如专利"基于航天器装配仿真技术的虚拟装配系统和虚 拟装配方法"（申请号为200810180605. 8,公开号为101739478)提出一种包括计算机辅助 设计（Computer Aided Design，简称CAD)建模模块、虚拟装配规划模块、装配工艺设计模块 等的航天器虚拟装配系统，并给出基于该系统的虚拟装配仿真分析方法；专利"飞机装配现 场可视化仿真系统"（申请号为201110059898. 6,公开号为102117367)给出一种包括装配 仿真数据库模块、装配仿真技术模块和装配可视化表达系统的飞机装配现场可视化仿真系 统。
[0004] 但是，上述各类系统和方法的装配仿真对象均使用理论设计模型，缺乏实际的产 品外形尺寸数据，在理论外形数据基础上进行装配工艺仿真得到的装配工艺方案往往不能 反映实际情况，指导意义有限。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题在于提供一种基于实测数据的航天器部组件的装配仿 真方法，通过对逆向模型的虚拟试装配代替实物装配或理论模型的装配，进行装配过程仿 真与分析及人机功效仿真与评估，提前识别总装危险点，设计预处理措施，提高航天器总装 工艺的可靠性。
[0006] 为了解决上述问题，本发明提供了一种基于实测数据的航天器部组件的装配仿真 方法，该装配仿真方法包括：步骤1 :利用参数化三维快速建模方法，由总装检验人员实际 测量关键的小型部组件接口的尺寸，并输入相应参数化三维建模系统，生成基于实测尺寸 的小型部组件三维模型；步骤2 :利用逆向点云曲面拟合方法，将大型关键部组件的实物对 象的表面形状转换成离散的几何坐标点，在此基础上完成复杂曲面的建模，形成大型关键 部组件的逆向三维数字化模型；步骤3 :将基于实测数据完成的装配对象数字模型导入虚 拟装配系统，利用装配过程可视化手段和干涉检查工具，直观展示产品装配过程中零部件 的运动形态和空间位置关系，以验证装配过程的可行性，并对装配序列进行规划及优化；步 骤4 :利用虚拟装配系统提供的人体功效分析模型，基于通用人机功效分析评价准则进行 人机功效仿真与评估。
[0007] 本发明提供的基于实测数据的航天器部组件的装配仿真方法，是面向装配车间现 场协调、试装，以减少实物试装、缩短研制周期、规避操作风险为目标，实现部组件逆向建 模、实测数据-虚拟模型信息融合、数字化虚拟装配仿真、人机功效分析，取代传统模装，其 特点为虚拟现实场景与实物逆向建模相结合，提前检测干涉点和风险源，发现装配不协调 等问题，提高航天器总装工艺可靠性及总装效率。
【附图说明】
[0008] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍
[0009] 图1为本发明的基于实测数据的航天器部组件的装配仿真方法流程图；
[0010] 图2为图1中的小型部组件接口逆向建模的工作流程图。
[0011] 图3为图1中的大型关键部组件逆向建模的工作流程图。
[0012] 图4为图1中的装配过程仿真与分析的工作流程。
[0013] 图5为图1中的人机功效仿真与评估工作流程图。
【具体实施方式】
[0014] 下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例以本发明技术方案为前提 进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0015] 本发明提供了一种基于实测数据的航天器部组件的装配仿真方法，通过数字逆向 建模手段完成产品实际外形尺寸的测量，通过实测数据-虚拟模型信息融合，将实物模型 转变为三维数字化模型；通过对逆向模型的虚拟试装配代替实物装配或理论模型的装配， 进行装配过程仿真与分析及人机功效仿真与评估，提前识别总装危险点，设计预处理措施， 提高航天器总装工艺的可靠性。
[0016] 图1所示为本发明的基于实测数据的航天器部组件的装配仿真方法流程 图100。本实施例软件平台主要基于计算机辅助三维接口应用软件（Computer Aided Three-Dimensional Interface Application,简写为Catia)或数字化企业的互动制造应 用软件Delmia，包括：总装直属件等小型部件建模方法、大型关键部组件逆向建模方法、装 配过程与仿真分析方法、人机功效仿真与评估方法，
[0017] 在步骤110中，对总装直属件等小型部组件接口进行逆向建模。总装直属件等小 型部组件的逆向建模主要面向对其与舱体结构之间安装接口的匹配性进行预先的检查和 分析，建模精度相对要求较高，模型需要准确反映总装直属件的安装接口尺寸。故利用参数 化三维快速建模方法，在总装直属件的交付验收环节，由总装检验人员实际测量若干关键 接口尺寸，并输入相应参数化三维建模系统，生成基于实测尺寸的总装直属件三维模型。
[0018] 在步骤120中，对大型关键部组件进行逆向建模。大型部组件的逆向建模主要面 向大型部组件安装的操作空间和与周边零部件的干涉情况进行预先的检查和验证，建模精 度相对要求较低。故采用特定的测量设备和测量方法，将实物对象的表面形状转换成离散 的几何坐标点，在此基础上完成复杂曲面的建模，形成逆向三维数字化模型。
[0019] 在步骤130中，装配过程仿真与分析。将基于实测数据完成的装配对象数字模型 导入虚拟装配系统，对产品的可拆卸/装配性进行有效预测，利用装配过程可视化手段和 干涉检查工具，直观展示产品装配过程中零部件的运动形态和空间位置关系，一方面验证 装配过程的可行性，一方面对装配序列进行规划及优化。对于总装直属件等小型部组件，还 需重点分析装配接口的匹配性；对于大型关键部组件，则在分析逆向模型与理论模型几何 形状误差的基础上，关注装配干涉检测。
[0020] 在步骤140中，人机功效仿真与评估。利用虚拟装配系统提供的人体功效分析模 型，基于通用人机功效分析评价准则如快速上肢评估法（Rapid Upper Limb Assessment， 简称为RULA)、国立职业安全与健康研宄所（National Institute of Occupational Safety and Health，简称为 NIOSH)、姿势分析系统（Owako Working-posture Analyzing System，简称为OWAS)、Snook表等，指定操作人员在完成某个装配操作过程中的作业行为、 行走路线和工作负荷，对各种典型作业姿态和装配行为进行模拟，实现定性和定量分析，考 察工艺中影响操作人员作业的空间开敞性、姿态舒适性和劳动强度等因素，准确地评估工 艺和工装的人机性能及操作人员的劳动生产率。
[0021] 图2所示为图1中的小型部组件接口逆向建模的工作流程图200。在进行建模前， 需要进行数据准备，即确定整个过程所需的各个模型和各项数据。其中数据包括模型中接 口的位置、关注接口处的特征参数、接口处的实测数据。要求各种数据必须完备、无冗余， 能够满足整个逆向建模过程要求。小型关键零组件接口逆向建模输入的模型文件可以是 *. CATPart或*. stp，要求模型为实体模型，不能只包含点、线、面元素。实测数据以Excel 表格形式呈现。
[0022] 通过接口参数化来实现建模过程，参数化过程即为建立模型参数（如尺寸、形状 等）与三维实体模型间的关联关系，以达到自动控制和生成三维模型的目的。本实施例 采用CATIA零件设计模块、知识工程顾问模块完成小型部组件接口参数提取并生成逆向模 型，其工作流程如图2所示。首先，将小型部组件模型导入CATIA，依次进行模型完备性检 查、模型参数化程度检查；然后，判断接口是否为参数化特征，如果判断结果为否，则分析模 型接口特征，如果判断结果为是，则进行接口特征参数化流程规划，并提取接口特征，识别 模型特征，创建接口参数，再将接口参数和模型特征关联；
[0023] 在关联了接口参数和模型特征参数的基础上，建立与用户参数相应的接口参数列 表（例如特征参数Excel表格），接着依据实测值更改参数列表，在CATIA软件中导入此表 即可驱动模型自动更改尺寸。
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