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【精益求精】航天器总装技术状态的数字化管理方法

6月前浏览6047

作者:陈畅宇1,贺文兴1,易旺民1,何倩2,徐波涛1,刘智斌1
1.北京卫星环境工程研究所总装技术研究室;
2.中国天辰工程有限公司法律与风险管理部。


  引  言    


航天器总装是一项复杂的系统性工作,需要将总体设计和研制管理要求全面准确地分配到各个实施单元中,形成严谨、详细的总装工艺技术流程、工艺规程以及各类物料配套文件,由实施部门进行协调实施。在航天器研制中,总装所占工时达到总工时的30%~50%,各环节均直接关系到产品的成败,存在3个典型特征:① 长链条协同生产,总装过程长达1~2年,涉及专业多、任务分工界面复杂;② 手工作业主导式生产,单件生产模式下,人类对复杂环境的认知适应性和手工作业的灵活性难以被自动化机械手段取代;③ 强随机性生产,设备研制或交付时出现的时间偏差、装配测试时因系统问题而返工以及大系统协调引起的时间节点压缩等问题使任务完成时间表现出极强的随机性。


技术状态管理是保证航天器总装质量的重要手段,主要依托于基线管理方法,将总装过程划分为若干阶段,对到达阶段时产品应具备的状态进行详细设定;通过设计单位、供应链单位与总装实施单位的协调作业,确保产品在预定时间能够达到对应阶段所定义的状态目标。


航天器的总装技术状态控制由设计单位与总装实施单位共同完成(如图1所示)。设计单位制定并发放以非结构化文档为主体的总装技术路线和各阶段技术要求;总装实施单位的工艺设计人员识读并充分理解该类文档后,结合各阶段具体技术要求进行总装工艺设计,使总装按工艺实施至阶段基线所对应工序时,产品的技术状态能够完全符合设计单位发布的阶段技术要求。由于总装过程的强随机性,航天器的实际技术状态时常偏离预期,对技术要求与工艺的修订无法有效避免。因此,产品设计人员、总装工艺设计人员、总装实施人员均需对技术状态控制情况进行熟识与跟踪,以有效控制总装技术状态。



图1 当前技术状态信息的生成、传递、修改路径


基于非结构化文档的信息传递模式需要消耗相关人员大量精力用于持续性地统计、核实、比对产品的技术状态信息,与产能提升和质量保障要求形成了尖锐矛盾。总装技术状态的结构化管控是航天器总装技术发展的必由之路。


本文提出一种航天器总装技术状态的数字化管理方法。首先对总装技术状态管控的内涵进行解析;然后介绍基于工艺数字样机的总装技术状态数据管理方法;最后对基于工艺数字样机的技术状态应用方法进行介绍。


   

总装技术状态管控的内涵


2.1 总装技术状态定义


技术状态指产品的功能特性和物理特性。技术状态管理是在产品寿命周期内,为指定和保持\维持产品的功能特性、物理特性的管理活动。技术状态管理目前已形成了一系列理论和方法。国内军工类产品技术管理的相关标准包括GJB 3206-1998《技术状态管理》、QJ3118-1999《航天产品技术状态管理》,以及Q/QJA32-2006《航天产品技术状态更改控制要求》等。


按照相关标准要求,航天器型号研制项目将航天器技术状态划分为论证阶段、方案阶段、初样阶段(一般包括结构初样研制和电性初样研制)、正样阶段等。航天器总装阶段包括结构初样总装、电性初样总装,以及正样阶段总装,如图2所示。



通过对技术状态的基本概念进行衍生,能够定义航天器总装技术状态为:在单个航天器产品的总装阶段,全部产品零部件及相关总装工艺装备的功能及物理特性。其中,零部件主要包括直属件、仪器、电缆、管路等(见表1);工艺装备主要包括停放、吊装、转运、检测等类型。航天器总装技术状态管理即对上述对象的所有可变功能及物理属性参数的状态进行控制。



1.2 总装技术状态视图定义


总装技术状态涉及3种角色:① 产品设计人员,负责制定阶段技术状态要求,并通过监测工艺实施过程中出现的问题,实时判断阶段技术状态要求的实际可达性,适时进行技术状态要求的修订和发布;② 总装工艺设计人员,负责依据阶段技术状态要求进行工艺设计,并通过监测工艺实施过程中出现的问题,适时修改或补充工艺内容,保证实施结果最终符合阶段技术状态要求;③ 总装工艺实施人员,负责根据总装工艺进行工艺实施,记录实施过程中的产品实际技术状态,实时反馈实施过程中出现的问题。


对应地,本文提出3种技术状态视图:① 设计技术状态(Assembly Design Configuration,ADC)视图,包括各阶段产品全部零部件的技术状态参数设计要求;② 工艺技术状态(Assembly Process Design Configuration,APDC)视图,包括任意工序所对应的产品全部零部件与相关工艺装备的技术状态参数工艺要求;③ 实做技术状态(Assembly Implementation Configuration,AIC)视图,包括任意时刻下产品全部零部件与相关工艺装备的实际技术状态参数值。


图3以一个技术状态参数的不同取值说明了3种技术状态间的关系:工艺技术状态是实现设计技术状态的路径节点,当实做与工艺技术状态发生偏离时(例如:安装过程中出现了位置干涉导致不能按工艺装星),优先利用增加临时性工艺的手段(例如:增加额外的修配环节),使实做技术状态能够迂回达到既定的工艺技术状态(图3事件1);如果问题通过工艺修订无法解决(例如:待装设备不能按计划在工序执行时完成齐套),则需要对工艺进行修订,使工艺与实做技术状态相符(图3事件2);此外,还存在设计技术状态单方面修改,驱动工艺、实做技术状态联动修改的情况(图3事件3)。



1.3 总装技术状态管控需求


可以将不同参与角色的技术状态管控需求总结为3个方面:① 技术状态刻画需求,便于结构化技术状态的快速生成与发布,以及针对各类工程需求的查询与筛选;② 技术状态比对需求,通过设计、工艺、实做技术状态的比对,快速定位差异点及差异原因;③ 技术状态传递需求,建立设计、工艺、实做技术状态间数据传递链条,保证设计技术要求精确传递。


   

基于数字样机的总装技术状态管理


应用模型驱动的系统工程管理思想能够将隐含于文档内部的管理要素和管理思想通过模型的方式进行显性化、固化、持久化,更好地实现一种精细化、连续可追溯的技术状态管理。数字样机作为一种理想的产品统一数据模型,非常适合以零部件为索引的技术状态管控。


3.1 总装数字样机构建


航天器总装数字样机是一种基于产品结构构建的、添加了工艺产品(工装、工具、工艺件)等总装实施所需信息的数字样机,包含产品结构、三维模型和产品属性等3种要素。航天器总装工艺数字样机的构建过程如图4所示。



由于有的技术状态涉及多个零部件间的相互关系状态变更,例如仪器安装状态同时涉及了仪器、紧固件、隔热垫等零部件的技术状态,因此需要采用合适的产品结构,支持各类技术状态的有效表达。基于对总装工艺中出现的技术状态控制项梳理,本文将零部件划分为接口件和元件两种类型(图5)。其中,接口为具备多个零部件或工艺装备间物质、信息、能量等信号传输或隔离功能的标准件,包括电连接器、电缆、紧固件、接地组件等类型;元件为具备物质、信息、能量信号处理或转换功能的零部件,包括仪器、直属件、加热片、热敏电阻等类型。总装工艺样机构建时,以元件作为结构树节点,接口件和工艺装备作为元件或其他接口的附属节点。规定元件、接口、工艺装备均为工艺对象。



3.2 设计技术状态数据管理


基于总装数字样机,可以将各项技术状态以元件、接口件及工艺装备的属性方式进行定义。


本文为每一个技术状态构造按阶段顺序排列的“阶段名-属性值”链表,如图6所示。当查询指定阶段的技术要求时,系统对样机的零部件结构树进行遍历,对具有该阶段技术状态要求的产品结构树节点进行标记,构建出该阶段下的产品技术状态要求视图。



3.3 工艺技术状态数据管理


总装工艺设计的实质,即以实现设计技术状态为目的,制定产品技术状态的变更路径和方法。本文将围绕一个元件或工艺装备,并完成一次技术状态变更的工步集定义为一个技术状态活动,简称活动。


将活动所围绕的元件或工艺装备称为动主对象。一道工序可以包含多个活动。每个活动定义了实现该次技术状态变更所需的操作角色、对象、方法,以及结果。根据工艺技术状态定义,某工序对应的工艺技术状态可以理解为该工序及之前所有工序所含活动按序执行时,产品技术状态变更的累加结果。


基于该思路,本文通过活动内容模板实现工艺设计工作与技术状态变更的关联。活动内容模板包含了一个阐述由何种角色对何种对象进行何种操作的文字模板、一组活动主对象与其他对象及属性的关联关系,以及所涉类型对象在该活动后的技术状态变更规则。活动内容模板的应用流程如图7所示。进行工艺设计时,首先,由工艺设计人员选择一个活动内容模板;然后,根据活动主对象与其他对象及属性的关联关系,搜索工艺数字样机并填充模板中的所有空缺项,生成与活动对应的工艺指令;最后,模板实例根据技术状态变更规则,生成具体变更内容。



统计工艺技术状态,即以总装数字样机的指定分支为对象,以指定工序的结尾活动作为统计终点,从活动序列开始遍历到终点活动为止的技术状态变更内容。


3.4 实做技术状态数据管理


实做技术状态的采集需要一套有序的状态采集框架。本文在活动内容模板基础上增加与技术状态变更内容绑定的技术状态执行签署,随工艺一起发布。执行签署包括技术状态发生变更的工艺数字样机对象的编号、活动执行时间、执行人员、检验人员,以及实施后状态属性值,由总装工艺实施人员在工艺实施时进行填写(见图7(b))。


在此基础上,可以指定任意时刻,遍历工艺数字样机的所有对象,提取每个对象实做技术状态列表中指定时刻之前的最新节点,将该节点集 合作为产品在该时刻的实做技术状态。


     

基于工艺数字样机的技术状态应用


工艺数字样机为总装技术状态的刻画提供的良好的框架,支持了设计、工艺、实做技术状态视图的独立刻画,并易于实现不同技术状态视图间的比对,有效支持不同角色识别产品状态,为问题分析和协同攻关提供便捷的数据支持。


典型比对包括:① 设计-工艺技术状态比对(ADC-APDC),将某工序的工艺技术状态与某阶段的设计技术状态进行比对(以图8为例),其结果表达了该工执行后对该阶段设计要求的满足情况。基于该结果,可以对后续工艺内容的规划设计提出进一步需求,或评估该阶段下工艺内容的正确性和完备性。


② 设计-实做技术状态比对(ADC-AIC),通过实做与设计技术状态的比对,首先利于产品总装实施进度的直观分析;其次,快速定位设计要求相关结果,支持细粒度总装质量分析。


③ 工艺-实做技术状态比对(ADC-AIC),通过比对实做与相应工艺技术状态,对工艺设计结果的实施情况形成有效监测,利于后续工艺可实施性的预判,并为工艺修改提供依据。



     

应用实例


本文以设备安装为例,按如下步骤进行了本文方法的初步应用验证:① 搭建工艺数字样机的(图9(a));② 对设备类技术状态参数进行定义;③ 采用Excel表格,导入不同阶段对该动量轮的技术状态要求(图9(b));④ 定义设备相关的活动内容模板,并编制相应工艺(图9(c));⑤ 采用ADC-APDC比对方法,输出Excel表格,实现工艺对阶段要求的符合性检查(图9(d))。该原型系统能够精确展示技术要求内涵,帮助工艺设计人员快速掌握设计要求和工艺设计状态,节省了审核时间。



   

结 论


1)分析了产品设计、工艺设计、工艺实施等3种角色对航天器总装技术状态管控的需求,定义了设计技术状态、工艺技术状态、实做技术状态等3种状态管控视图,解释了多角色参与的技术状态协同管控行为与3种视图的内在关联。


2)基于数字样机结构,提出了航天器总装技术状态的刻画、比对、关联方法。通过搭建原型系统,实现了技术状态数据的结构化管理,提高了总装技术状态控制的可视性与时效性。








来源:安怀信正向设计研发港
MBSE航天理论化机仿真体系数字孪生控制安怀信装配
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首次发布时间:2024-05-12
最近编辑:6月前
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