全三維設(shè)計(jì)方法在某機(jī)載雷達(dá)中的應(yīng)用*

王賢宙，吳 睿

(1. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039； 2. 第二炮兵駐南京地區(qū)專裝代表室， 江蘇 南京 210039)

全三維設(shè)計(jì)方法在某機(jī)載雷達(dá)中的應(yīng)用*

王賢宙1，吳 睿2

(1. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039； 2. 第二炮兵駐南京地區(qū)專裝代表室， 江蘇 南京 210039)

隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)全三維設(shè)計(jì)方法正成為先進(jìn)企業(yè)主流的設(shè)計(jì)模式。文中基于三維設(shè)計(jì)軟件Creo2.0，以某典型機(jī)載雷達(dá)為對(duì)象，著重闡述了全三維設(shè)計(jì)中Top-Down協(xié)同設(shè)計(jì)、模型簡(jiǎn)化過程、裝配模型檢查及維修性設(shè)計(jì)等過程。應(yīng)用結(jié)果表明，采用全三維設(shè)計(jì)方法對(duì)提高設(shè)計(jì)效率、降低設(shè)計(jì)差錯(cuò)效果明顯。

Top-Down協(xié)同設(shè)計(jì)；模型簡(jiǎn)化；干涉檢查；維修性

引 言

機(jī)械繪圖技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了純二維投影設(shè)計(jì)模式、二維+三維設(shè)計(jì)組合模式和基于模型定義的全三維設(shè)計(jì)技術(shù)三代[1-2]。廣義全三維設(shè)計(jì)技術(shù)涵蓋多個(gè)方面，主要包含Top-Down協(xié)同設(shè)計(jì)[3]、三維虛擬裝配、三維干涉檢查、三維電纜布線、三維標(biāo)注、全三維工藝、全三維制造、維修性仿真等多項(xiàng)技術(shù)。從文獻(xiàn)[4]可知，全三維設(shè)計(jì)技術(shù)可大大優(yōu)化產(chǎn)品研發(fā)流程，提升企業(yè)研發(fā)效能，為現(xiàn)行企業(yè)的業(yè)務(wù)流程、管理方法和技術(shù)基礎(chǔ)等帶來巨大的改變。文中以某大型無人機(jī)載成像雷達(dá)為研究對(duì)象，重點(diǎn)闡述了三維設(shè)計(jì)中Top-Down設(shè)計(jì)思想、三維總裝模型簡(jiǎn)化方法、模型裝配檢查及維修性等設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用過程，并總結(jié)了基于Creo2.0軟件進(jìn)行全三維設(shè)計(jì)過程中的一些技巧和方法。文中所述方法及過程可為后續(xù)的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1研究對(duì)象

以某大型無人機(jī)載成像雷達(dá)為研究對(duì)象，該型雷達(dá)系統(tǒng)較復(fù)雜，由多套天線陣面及后端若干設(shè)備組成。其設(shè)計(jì)過程具有一定的代表性，其總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)

2 Top-Down協(xié)同設(shè)計(jì)

2.1基本流程

Top-Down(自頂向下)設(shè)計(jì)是一種設(shè)計(jì)思想，是由總體布局、總體結(jié)構(gòu)、部件結(jié)構(gòu)到部件零件的一種自上而下、逐步細(xì)化的設(shè)計(jì)過程。Top-Down設(shè)計(jì)符合大部分產(chǎn)品(特別是雷達(dá))設(shè)計(jì)的實(shí)際設(shè)計(jì)流程。雷達(dá)的Top-Down設(shè)計(jì)流程是先確定雷達(dá)的總體參數(shù)，然后是雷達(dá)的總布置、分系統(tǒng)總布置、整件布置，最后是零件的設(shè)計(jì)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期典型的Top-Down設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 Top-Down設(shè)計(jì)基本流程圖

2.2總體規(guī)范要求

總體進(jìn)行Top-Down協(xié)同設(shè)計(jì)的基本流程如圖3所示。

圖3 總體Top-Down協(xié)同設(shè)計(jì)流程

1)出圖策劃：開始建立骨架前，總體應(yīng)與工藝、分系統(tǒng)一起協(xié)商，策劃好出圖方式，避免反復(fù)，同時(shí)應(yīng)將方案基本確定下來。

2)總體設(shè)計(jì)師建立骨架模型時(shí)，應(yīng)考慮分系統(tǒng)以后是否具有模塊化通用性。如要進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，則需單獨(dú)建立分系統(tǒng)的骨架模型，與總骨架無復(fù)制幾何關(guān)系；否則，可參照總體骨架模型，使用發(fā)布幾何進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

3)總體骨架模型構(gòu)建完成后，在總體總裝組件內(nèi)，由總體為該總裝下的一級(jí)分系統(tǒng)構(gòu)建分系統(tǒng)總裝和分系統(tǒng)一級(jí)骨架模型，形成產(chǎn)品頂層PART裝配結(jié)構(gòu)。同時(shí)將該總裝下的一級(jí)分系統(tǒng)裝配、PART授權(quán)給相應(yīng)的分系統(tǒng)負(fù)責(zé)人，并通過電話或OA通知對(duì)方具體詳情。

4)骨架模型隨著設(shè)計(jì)的深入可以不斷完善。總體更改發(fā)布包內(nèi)容后應(yīng)先通知相關(guān)分系統(tǒng)，分系統(tǒng)應(yīng)及時(shí)更新、再生骨架模型及相關(guān)零件中的外部復(fù)制幾何。

5)產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)規(guī)范：無法通過骨架模型將要求(如骨架中的布線信息、安裝位置信息、Top-Down的層次等)傳遞給分系統(tǒng)的，應(yīng)通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范、產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)規(guī)范、任務(wù)書等進(jìn)行規(guī)定。

6)布線信息：總體應(yīng)在產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)規(guī)范中明確本產(chǎn)品的布線要求，如電纜出入口坐標(biāo)系、布線通道、銘牌標(biāo)示等要求。布線參考模型推薦采用布線骨架的形式。

7)多狀態(tài)出圖方法：產(chǎn)品中有多種狀態(tài)的，總體應(yīng)在產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)規(guī)范中明確本產(chǎn)品的多狀態(tài)出圖表達(dá)方式。

2.3建立總體骨架模型

結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)師需要先建立工作區(qū)，通過Creo軟件在PDS系統(tǒng)中與項(xiàng)目組成員進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)?？傮w與分系統(tǒng)之間有裝配關(guān)系的整件，如A天線陣面Ⅰ、A天線陣面Ⅱ、B天線陣面Ⅰ、B天線陣面Ⅱ、有源綜合Ⅰ、有源綜合Ⅱ、處理單元和射頻單元均采用Top-Down方式?？傮w建立一級(jí)骨架，分系統(tǒng)建立分系統(tǒng)的二級(jí)骨架。骨架模型傳遞信息的方式可以采用坐標(biāo)系、軸、面及注釋等方式。無法通過骨架模型表達(dá)清楚的信息，可以在結(jié)構(gòu)研制任務(wù)書中補(bǔ)充。建立總體位置安裝骨架的具體方法如下：

1)點(diǎn)擊下拉菜單“插入”—“元件”—“創(chuàng)建”，如圖4所示。

圖4 總體骨架創(chuàng)建

2)在彈出的“元件創(chuàng)建”窗口中，在“類型”中選擇“骨架模型”， 在“子類型”中選擇“標(biāo)準(zhǔn)”，在“名稱”欄中輸入“AL1_234_010_SKEL0001”，在“公用名稱”欄中輸入“雷達(dá)總體位置安裝骨架”，如圖5所示。

圖5 總體骨架命名

3)點(diǎn)擊“確定”，雷達(dá)總體的安裝坐標(biāo)系建立完成。由于總體位置安裝骨架主要是為了指導(dǎo)各個(gè)分系統(tǒng)以及連接件的裝配，也為了便于總體裝配的二維圖表達(dá)，因此在總體位置安裝骨架建立完成以后，需要細(xì)化其中的內(nèi)容，建立各個(gè)分系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的安裝坐標(biāo)系安裝基準(zhǔn)等基本信息，具體如圖6所示。

圖6 總體骨架模型

2.4建立分系統(tǒng)裝配體

分系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)師在接到總體結(jié)構(gòu)研制任務(wù)書以后，需要根據(jù)要求創(chuàng)建各分系統(tǒng)總體裝配結(jié)構(gòu)，方法同建立雷達(dá)總體空裝配的方法類似。下面以有源綜合Ⅰ為例介紹具體的建立流程。首先將總體一級(jí)骨架導(dǎo)入工作區(qū)，然后在有源綜合Ⅰ空裝配中，裝入總體一級(jí)骨架?？傮w一級(jí)骨架中的“有源綜合Ⅰ安裝坐標(biāo)系”與有源綜合Ⅰ總裝空裝配中的“有源綜合Ⅰ裝配坐標(biāo)系”重合?？傮w一級(jí)骨架只用于裝配關(guān)系的檢查，并根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建二級(jí)骨架模型ALX_XXX_XXX_SKELXX，具體流程如下：

1)創(chuàng)建工作區(qū)。

2)創(chuàng)建有源綜合Ⅰ總裝空裝配。

3)裝入總體一級(jí)骨架。

4)創(chuàng)建有源綜合Ⅰ的二級(jí)骨架，并在二級(jí)骨架中確立有源綜合Ⅰ機(jī)架以及T/RU、整流電源模塊、數(shù)字模塊等內(nèi)部插件的安裝坐標(biāo)系。

5)創(chuàng)建有源綜合Ⅰ機(jī)架及內(nèi)部所有插件的四級(jí)空裝配(缺省裝配)，并進(jìn)行4級(jí)詳細(xì)設(shè)計(jì)。4級(jí)設(shè)計(jì)完成后，創(chuàng)建機(jī)架4級(jí)安裝坐標(biāo)系。

6)依據(jù)有源綜合Ⅰ二級(jí)骨架中插件的安裝坐標(biāo)系，裝入所有插件。

7)完成所有器件的裝配。

8)進(jìn)行內(nèi)部收縮包絡(luò)。

9)完成有源綜合Ⅰ的Top-Down設(shè)計(jì)，提交總體會(huì)簽。

3 模型簡(jiǎn)化

基于Top-Down協(xié)同設(shè)計(jì)的思想，總體先建立一級(jí)骨架并發(fā)布給分系統(tǒng)。分系統(tǒng)根據(jù)總體一級(jí)骨架，細(xì)化建立分系統(tǒng)一級(jí)骨架(二級(jí)骨架)并開展詳細(xì)設(shè)計(jì)，建立輕量化模型并隨原始模型一起歸檔?？傮w開展總體詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)需要選擇在總裝模型中插入詳細(xì)模型或輕量化模型，但原則上分系統(tǒng)模塊級(jí)及以上裝配必須提交簡(jiǎn)化模型。典型模型簡(jiǎn)化流程[3]如圖7所示。圖8為天線陣面的簡(jiǎn)化模型。

圖7 模型簡(jiǎn)化流程

簡(jiǎn)化模型可以采用簡(jiǎn)化表示、收縮包絡(luò)、不完全裝配、安裝替代模型等4種簡(jiǎn)化方法。如上級(jí)要求下級(jí)提供簡(jiǎn)化模型時(shí)，可以在實(shí)際模型上進(jìn)行簡(jiǎn)化，提供包括對(duì)等模型、簡(jiǎn)化表示等在內(nèi)的輕量化模型。輕量化模型必須滿足以下要求：

1)輕量化模型的信息必須全部來源于實(shí)際模型；

2)實(shí)際模型更改后，輕量化模型必須自動(dòng)或手動(dòng)隨之更改；

3)輕量化模型應(yīng)包含總體外形輪廓、安裝接口、自身安裝需要的基準(zhǔn)、其它構(gòu)件的安裝基準(zhǔn)坐標(biāo)系、重要的測(cè)量基準(zhǔn)等信息；

4)輕量化模型應(yīng)有質(zhì)量、重心坐標(biāo)信息；

5)簡(jiǎn)化表示只包含外形信息，將不需要的信息(如緊固件、分機(jī)內(nèi)部構(gòu)件等)排除。

圖8 天線陣面簡(jiǎn)化模型

4 模型裝配檢查

整件裝配完成后，需利用定制軟件ModelCheck和干涉檢查工具對(duì)裝配體模型進(jìn)行裝配完整性檢查、約束完全性檢查、裝配的干涉檢查和重量檢查。

4.1裝配完整性

為規(guī)范設(shè)計(jì)動(dòng)作，控制設(shè)計(jì)過程及提高模型的可借用性和可修改性能，基于Creo平臺(tái)定制了ModelCheck工具。設(shè)計(jì)中只有解決了ModelCheck所有的錯(cuò)誤，并且確定未解決的警告是允許存在的，狀態(tài)指示燈變綠后，才會(huì)允許模型上載PDS操作。ModelCheck可檢查模型名稱、建模規(guī)則、結(jié)構(gòu)樹等諸多信息，但以下幾項(xiàng)還需關(guān)注：

1)存盤之前查看裝配中元件是否處于凍結(jié)狀態(tài)；

2)除基準(zhǔn)面、坐標(biāo)系以外，裝配內(nèi)的構(gòu)件和特征不允許隱藏；

3)除變形件以外，裝配內(nèi)的構(gòu)件和特征不允許隱含；

4)完成的裝配應(yīng)包含代號(hào)、名稱、重量等信息。

4.2裝配干涉性

干涉檢查的目的是為了提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少生產(chǎn)過程中實(shí)物的干涉，從而降低成本。該裝配體內(nèi)主要包含A天線陣面Ⅰ、A天線陣面Ⅱ、B天線陣面Ⅰ、B天線陣面Ⅱ、有源綜合Ⅰ、有源綜合Ⅱ、處理單元和射頻單元共6個(gè)主要單機(jī)，它們相互之間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，因而裝配干涉檢查僅需考慮靜止?fàn)顟B(tài)的干涉情況。Creo本身自帶干涉檢查工具，但使用不夠方便。為了提高檢查效率，重新基于Creo進(jìn)行了開發(fā)定制。定制版干涉檢查工具對(duì)標(biāo)準(zhǔn)功能進(jìn)行了良好集成，并能提供完整的干涉檢查報(bào)告，如圖9所示，其軟件操作過程不再贅述。

圖9 裝配干涉檢查

4.3裝配約束性

合理設(shè)置裝配約束條件，不應(yīng)出現(xiàn)約束不足或者多余約束的情況。應(yīng)合理選擇約束基準(zhǔn)，選擇能保證設(shè)計(jì)意圖的模型基準(zhǔn)，保證裝配符合設(shè)計(jì)意圖。Top-Down全三維設(shè)計(jì)采用坐標(biāo)系裝配，因此一般不會(huì)出現(xiàn)欠裝配情況。

5 維修性分析

受安裝空間限制，飛機(jī)可提供給雷達(dá)后端設(shè)備維護(hù)用的口蓋尺寸較小，為驗(yàn)證有源綜合、綜合處理及綜合射頻的可維修性，基于DELMIA軟件對(duì)其裝拆過程進(jìn)行了仿真模擬，確定了有源綜合Ⅰ、有源綜合Ⅱ、綜合處理和綜合射頻在維護(hù)過程中最優(yōu)的拆裝新順序。仿真結(jié)果顯示，對(duì)于有源綜合單元內(nèi)陣面電源、T/RU、數(shù)字模塊等模塊的拆裝，飛機(jī)維護(hù)口蓋拆除后，維修人員以正常站立姿勢(shì)即可實(shí)現(xiàn)組件的后向維護(hù)，更換模塊時(shí)只需1把內(nèi)六角起子；稍稍彎腰，即可進(jìn)行綜合處理單元/綜合射頻內(nèi)插件的拆裝，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的二級(jí)維護(hù)功能。利用DELMIA軟件進(jìn)行的維修性仿真過程如圖10所示。圖11為有源綜合Ⅰ維修示意圖。

圖10 DELMIA維修性仿真流程

圖11 有源綜合Ⅰ維修示意圖

6 結(jié)束語

本文基于三維CAD軟件Creo2.0，闡述了某無人機(jī)載雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體Top-Down設(shè)計(jì)過程、大裝配模型簡(jiǎn)化過程、模型裝配檢查方法、維修性仿真分析等典型過程。應(yīng)用實(shí)踐證明，基于Creo2.0的大裝配設(shè)計(jì)效率得到了一定程度的提升，產(chǎn)品設(shè)計(jì)差錯(cuò)率得到了有效控制。但因產(chǎn)品研制周期的限制，全三維標(biāo)注、全三維電纜敷設(shè)、全三維工藝過程等新技術(shù)在該產(chǎn)品中還未得到應(yīng)用。

[1] 劉冰. 全三維設(shè)計(jì)環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳遞與交換[J]. 國(guó)際航空, 2011(6): 74-75.

[2] 鄭雷. 基于MBD的全三維設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用[J]. 航空制造技術(shù), 2013(23): 56-61.

[3] 劉海平，饒建平. Top-Down策略在產(chǎn)品系列化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 電子機(jī)械工程, 2011, 27(5): 57-60.

[4] 梁震濤，楊志剛，王賢宙，等. 基于骨架模型的協(xié)同有限元建模研究[J].電子機(jī)械工程, 2014, 30(3): 53-56.

王賢宙(1982-)，男，高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)工作。

吳 睿(1983-)，女，碩士，助理工程師，主要從事裝備管理工作。

ApplicationofWholeThree-dimensionalDesignMethodinanAirborneRadar

WANGXian-zhou1，WURui2

(1.NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China；2.TheDelegateOfficeoftheSecondArtilleryinNanjing,Nanjing210039,China)

With the development of the computer information technology, the whole three-dimensional design method is becoming the mainstream method in the advanced enterprises. In this paper, based on the three-dimensional software Creo2.0, taking a typical airborne radar as the research object, the Top-Down design method, the model simplification process, assembly interference check and the maintainability simulation of the whole three-dimensional design method are described in detail. The application results show that the whole three-dimensional design method is effective to improve design efficiency and reduce design error.

Top-Down design; model simplification; interference check; maintainability

2015-07-01

TH122

：A

：1008-5300(2015)04-0060-05