面向制造的复杂光学遥感器全三维设计

范慧莉 刘丽玲 吴艳华 车颖 孔庆乐

面向制造的复杂光学遥感器全三维设计

范慧莉 刘丽玲 吴艳华 车颖 孔庆乐

（北京空间机电研究所，北京 100094）

文章以数字化技术为依托，针对复杂空间光学遥感器传统研制模式存在的具体问题，利用基于模型的设计制造信息化技术，介绍了一种面向制造的光学遥感器三维数字化设计方法，通过对三维设计软件定制开发，搭建了一套用于光学遥感器数字化设计的系统。文章详细地介绍了遥感器数字化设计的具体流程和数字化模型体系，规定了光学、结构、热控、总体等多专业数字化接口定义原则及数字化设计的分工。经型号应用验证表明：使用面向光学遥感器的全三维的数字化设计系统可以有效提升光学遥感器研制效率。该方法是复杂光学遥感器研制能力提升的一个重要手段。

数字化设计 全三维设计 快速设计 光学遥感器

0 引言

近年来，随着新一轮工业革命的到来，特别是德国“工业4.0”、美国“工业互联网”、中国智能制造等国家发展战略的提出，带动了全球工业信息化技术的飞速发展[1-2]。基于模型的数字化制造技术在国际航空航天产品研制中已广泛应用，如波音F-35、空客A400M等项目均以三维数字化模型贯穿制造过程，基于模型进行自动化装配、增强现实仿真[3-4]。在此背景下，中国航空航天企业纷纷开展了数字化、网络化、智能化设计模式的探索与实践。在大飞机、火箭、卫星等航空航天产品研制过程中，均使用基于模型的设计（MBD）技术开展全三维设计与标注，通过三维模型指导下厂生产，有效提升了型号研制效率与品质[5-7]。众多成功案例表明，开展全新的数字化研制模式是提高航天产品研制效率、缩短研制周期、提升企业综合能力的必由之路。但目前，国内外的数字化设计制造技术研究多集中于飞机、火箭、卫星等产品，主要采用MBD技术进行三维建模与标注[8]。遥感器产品设计涉及光、机、电、热等多个专业，且结构复杂、空间紧凑，多为异型曲面，使用通用的三维设计工具难以提升效率，本文在前人研究的基础上[7-8]，通过对通用的三维设计软件进行定制开发，搭建了一套面向遥感器研制的数字化设计系统，提出了光学、结构、热控、总装的数字化协同设计方法，实现了光学遥感器的数字化设计。

光学遥感器作为航天高端产品的代表，包括光学元件、机械结构、电子设备、热控元件等多类零部件，在工作期间这些零部件需要协同工作共同完成光学系统对地观测、清晰成像的使命。在产品研发过程中，需要先从光学设计开始，围绕光学系统，开展结构、热控、电子学的设计。传统设计过程中，各专业采用传统的计算机辅助设计（CAD）绘图和技术文件描述相结合的方式，各专业之间的接口信息主要以文字说明方式传递，横向协同多为串行，工作效率低，设计缺陷发现滞后。这种传统的研制方法已难以适应紧张的型号任务需求，必须实现从传统的二维数字化研制模式向全三维数字化研制模式转变，以实现遥感器产品研制能力的跨越式发展。本文在前人研究的基础上，结合光学遥感器产品特点，创新了光学、结构、热控、布线、总装的数字化设计方法，打通了专业之间以三维数字化模型为接口的信息链路，提出了多专业之间的接口模型简化方法和曲面的快速装配方法。

1 遥感器传统研制方法及存在问题

遥感器传统研制过程如图1所示：光学设计师根据遥感器系统指标、成像要求等总体要求，在光学设计软件中开展光学系统设计，设计完成后输出IGS格式文件（美国信息管理委员会规定的一种文件格式），结构设计师将IGS文件导入Pro/E等结构设计软件，根据IGS文件中的光路、光学元件空间位置，开展光学遥感器主镜、次镜、主承力结构、焦面等部组件的三维建模，并将三维模型投影到二维图上进行尺寸公差的标注，以二维图为设计规范进行实物投产。电子学单机设计师基于电子学总体技术要求，使用电子学设计软件开展电子学单机的设计出图。热控设计师基于结构的三维模型开展热控仿真分析，然后将需要控温的结构模型投影成二维工程图，在AutoCAD系统中进行热控元件、热控回路和热控多层等设计。线缆设计由结构设计师基于热控的二维图进行布线路径的简单示意，一般在设计图上标识出线的位置；整机上的电控线由设计、工艺、制造三方现场边设计边铺设。

图1 遥感器传统研制过程

传统的研制模式存在以下问题[9-10]：

1）三维设计二维出图，以二维图纸作为生产依据的方式，三维模型在制造过程中仅作为参考，设计人员在维护设计结果过程中，只修改二维图，容易出现三维模型状态和二维图不一致的情况；

2）对复杂零件或组件，如复杂结构件、热控产品、整机布线等，需要建立多个视图去描述设计意图，设计人员不但出图工作量较大，由于二维图表达不直观，往往需要频繁跟产；

3）专业之间的接口要求主要以文字形式进行技术要求约定，不能充分利用三维模型，接口信息不直观、不易理解；

4）使用二维图纸指导生产，工艺、制造人员需要花费时间去理解消化二维图纸，对于复杂零部件理解设计意图需要较多时间，且容易出错。

2 遥感器数字化设计解决方案

2.1 整体架构

光学遥感器产品的设计包括光学、结构、电子学、热控、总装等多个专业，涉及CODEV、Pro/E、AutoCAD等多种设计软件工具，由于遥感器产品自身特点以及工具之间的限制，难以实现基于统一模型的三维设计，需建立一套支撑多专业、多环节的数字化设计体系。该体系能够实现面向制造的多专业协同的数字化设计，建立统一完整的数字样机模型[11-13]。光学遥感器数字化设计整体解决方案如图2所示。围绕光学遥感器的设计制造过程，建立基于全三维模型的数字化设计和数字化制造平台，打通设计到制造的信息传递链路，实现基于三维模型的制造。

图2 遥感器全三维数字化研制架构

围绕光学、结构、电子学、热控各专业的设计仿真需求及专业之间的接口要求，我们通过对Pro/E二次开发建立数字化设计平台，包括三维设计基础环境、结构快速设计工具、热控三维设计工具、散线三维设计工具、电缆网三维设计工具、电子学快速设计工具等，为遥感器光机电热一体化设计提供了一套成熟的工具平台。同时建立了数字化制造平台[14-15]，集成制造数据管理、结构化工艺设计、制造信息提取、可视化浏览等系统工具，实现了基于模型的数字化制造。

2.2 设计流程

遥感器数字化设计过程可以概括为任务论证、布局设计、详细设计三个阶段，如图3所示。任务论证阶段需要对总体任务进行分析与光学设计指标分解，布局设计阶段需要对遥感器光学系统、整机结构进行总体的布局，任务论证与布局设计属于方案设计，为详细设计提供明确的设计要求。详细设计阶段需要根据前一阶段输出的接口要求，开展光机电热的具体设计，面向制造输出模型和物料清单（BOM）等制造依据规范[16-17]。

图3 设计具体流程

根据任务论证、布局设计、详细设计三个阶段，可以将遥感器全三维数字化设计细分为九个具体过程：

1）总体任务分析与指标分解：基于卫星总体的技术要求，开展光机电热任务分析，提出光学、结构、机构、电子学等设计指标。

2）光学设计：遥感器产品设计始于光学，在布局设计阶段，首选开展光学系统设计，包括光学表面位置、光路、光线包络、杂散光分析等，最后输出光学IGS格式文件。

3）总体布局全三维设计：总体设计师创建整机模型，读取光学IGS格式文件，建立整机骨架模型，确定分系统、单机设备、关键部组件空间占位和接口要求，将整机布局模型发布到产品数据管理（PDM）系统，将部组件设计任务分配到部组件主管设计师。

4）光机结构全三维设计：部组件主管设计师根据整机骨架模型对部组件空间位置的接口约束，开展部组件层级的详细设计与分析，这个过程主要是开展光机主体设计，如：镜头组件、主承力组件、焦面组件、遮光罩等结构的构型设计与三维标注，并输出结构部组件的详细设计模型和物料信息。

5）机构与控制全三维设计：单机主管设计师根据整机骨架模型对机构与控制设备空间布局的约束，建立机构与控制详细设计模型，并输出收缩包络模型和带有三维标注的详细设计模型。

6）视频处理与控制全三维设计：单机主管设计师根据整机骨架模型对电单机设备空间布局的约束，建立视频处理与控制模型，并输出收缩包络模型和带有三维标注的详细设计模型。

7）整机光机电模型全三维装配：总体设计师将结构部组件模型、机构与控制设备的包络模型、视频处理与控制单机的包络模型、总装直属件模型装配到整机模型下。其中结构部组件模型、机构与控制设备模型、视频处理与控制单机模型通过整机骨架的驱动，自动装配到整机模型中。此阶段输出整机光机电模型。

8）热控组件全三维设计：热控设计师通过热分析确定控温方案，总体设计师和热控设计师基于整机光机电模型共同开展简化模型创建，输出结构简化模型。热控设计师将结构简化模型装配到热控模型下，建立热控骨架模型，开展热控元件设计、热控回路设计、多层设计。此阶段输出热控元件投产图、热控实施模型、热控发布模型。

9）布线全三维设计：总体设计师将热控发布模型装配到整机光机电模型中，创建布线骨架模型，开展热控散线及电缆网设计，并输出线缆模型和整机总装模型。

2.3 模型体系

面向制造的复杂光学遥感器全三维设计的实现手段是建立遥感器数字化模型体系。按照光学遥感器数字化模型功能分类，光学遥感器数字化模型可以分为光学模型、总体布局模型、结构模型、热控模型、线缆模型、总装模型等，如图4所示。光学设计过程输出IGS模型，用于总体布局设计、结构设计参考。总体布局设计过程输出整机三维骨架模型，用于结构部组件的空间安装关系和约束的定义。结构设计过程输出三维标注的用于制造的模型和用于热控设计、布线设计的结构简化模型。热控设计过程输出热控实施模型和热控发布模型，热控实施模型用于热控元件投产和热控元件装配，热控发布模型用于布线和总装设计。线缆设计输出布线模型和线缆发布模型，布线模型用于指导现场布线，线缆发布模型用于整机装配设计。整机模型用于指导遥感器总装[18]。

面向制造的结构三维模型、热控三维模型、布线三维模型、整机三维模型下厂后，不同专业的工艺人员依据三维模型开展结构化、可视化的工艺设计，同时基于不同类型的模型利用制造信息提取工具从模型中抽取零部件清单、标准件清单、热控元件清单等不同的制造信息，形成工艺指导文件用于指导机加、电装、热控实施、总装等制造过程。

光学设计、总体布局设计、结构设计、热控设计、线缆设计和总装设计过程需要协同开展工作，每个设计过程都需要有据可依，协同设计及接口信息如图5所示。遥感器的设计开始于光学，光学设计输出的IGS格式文件作为总体布局设计的输入。总体设计输出的整机骨架模型作为结构、热控、布线设计的输入，结构设计输出的结构简化模型用于热控设计、布线设计，热控设计输出的热控发布模型用于布线设计和总装设计，布线设计输出的发布模型用于总装设计。

IGS格式文件输出模型、整机骨架模型、结构简化模型、热控发布模型、线缆发布模型为数字化设计接口或参考模型，需要按照接口要求发布包含全要素的模型，在产品数据管理PDM系统受控后，下游设计人员方可装配使用，接口模型包含要素及用途如表1所示。

图4 面向制造的遥感器数字化模型构成

图5 基于三维模型的协同设计过程及接口输出

表1 接口模型分类

Tab.1 Interface model classification

2.4 设计关键技术

光学遥感器结构复杂，零部件数量多，空间紧凑，全三维数字化设计的难点在于总体、结构、热控、布线等专业如何准确传递设计接口信息，如何在曲面上快速装配[19-20]。

1）模型发布技术。在遥感器设计过程中，结构设计需要给热控、布线提供结构三维模型，热控设计需要给布线提供热控三维模型。利用收缩包络的原理，抽取不同类型的三维模型的几何信息、参数信息、注释信息、安装位置坐标系，建立结构、热控、布线等不同类型的发布模型，实现接口模型的准确定义。

2）曲面快速装配技术。曲面快速装配应用于热控三维模型设计过程。其难点在于如何适应不同曲面的装配。利用不同曲面三维建模原理，建立359°（根据遥感器常用曲面加热器的曲率范围确定）的旋转曲面作为加热器模板，定义安装点及安装坐标系，作为常量，将几何参数作为变量，通过选择加热器模板，设置不同的几何参数值，快速派生出不同规格的加热器三维模型。在安装时自动获取安装面所在曲面的曲率半径，将其值赋给加热器三维模型，驱动加热器三维模型的表面曲率与安装面曲率相同，实现鼠标点选完全贴合装配的功能。此项技术实现加热器三维模型的快速建立与装配。

3 结束语

开展面向制造的复杂光学遥感器全三维数字化样机设计，应当从效率、品质方面充分考虑光、机、电、热各类产品三维建模的详细程度及接口要求，保证数字样机模型设计的准确性、鲁棒性、高效性[22-23]：

1）通过整机骨架模型的建立，明确了各分系统、单机在整机模型中的空间占位及接口要求，减少了因相同层级模型互为参照带来的模型变更连锁反应大、修改周期长的问题，一定程度上可以提升模型的鲁棒性。

2）针对过去整机模型体量较大，给浏览、修改带来不便的情况，采用模型简化技术、收缩包络技术、模型发布技术，创建结构、热控、电单机、线缆简化模型，对数字样机模型进行减负。

3）针对遥感器结构表面复杂、空间紧凑，使用三维设计软件标准功能开展热控设计、电缆设计效率低的情况，利用二次开发，实现基于异型曲面的智能布局，通过点选快速装配，提升低效环节的效率。通过这种以点带面的方式，逐步实现遥感器数字化设计全局效率的提升。

通过对面向制造的光学遥感器数字化设计方法的研究，提出了一套基于全三维模型的研制方案及流程。该方案已经在“北京三号”、“炭星”等卫星遥感相机上成功应用，以“北京三号”卫星为例，从总体设计到结构设计、热控设计、布线设计、总装设计各阶段均以三维模型为主，在三维模型中表达接口信息、制造信息，建立完整的数字样机，各类模型直接下厂指导生产，实现了基于统一模型的设计协同、设计与制造协同，提高了制造端的识图效率，有效减少了设计跟产，为遥感器产品高品质、高效率、高效益研制提供有力支撑。本文未对遥感器三维模型在加工、装配等制造环节如何有效利用进行研究讨论，但其将是后续遥感器数字化研制的重要方向。目前，物联网技术、数字孪生技术、人工智能等新IT技术发展较快，需要融入到复杂航天产品研制过程，驱动复杂产品研制过程向速度更快、品质更优、成本更低的方向发展。

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The Full 3D Design of Complex Optical Remote Sensor for Manufacturing

FAN Huili LIU Liling WU Yanhua CHE Ying KONG Qingle

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricty, Beijing 100094, China）

Based on the digital technology, this paper introduces the 3D digital design method of optical remote sensors for manufacturing by model-based design and manufacturing technology, in response to the problems of the traditional development model of complex space optical remote sensors. And the paper sets up a system for the digital design of optical remote sensors through the customized development of 3D design software. The paper explains detailly the specific process and digital model system of remote sensor digital design, and it stipulates digital interfacesʹ definition principles for multiple disciplines such as optics, structure, thermal control, generalization, and so on, and key technologies in the digital design of optical remote sensors. The model application shows the full 3D digital design methods of optical remote sensors can obviously improve the development efficiency of optical remote sensors, and it is an importantmeans to improve the development capability of complex optical remote sensors.

digital design; full three dimensional design; rapid design; optical remote sensor

TP751

A

1009-8518(2021)03-0098-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2021.03.011

2021-02-24

国家自然科学基金项目（11774164）

范慧莉, 刘丽玲, 吴艳华, 等. 面向制造的复杂光学遥感器全三维设计[J]. 航天返回与遥感, 2021, 42(3): 98-106. FAN Huili, LIU Liling, WU Yanhua, et al. The Full 3D Design of Complex Optical Remote Sensor for Manufacturing[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(3): 98-106. (in Chinese)

范慧莉，女，1983年生，2005年获吉林大学数学专业学士学位，高级工程师。主要研究方向为遥感器数字化设计与制造、智能制造等。E-mail：huily654333@163.com。

（编辑：庞冰）