三維工藝系統(tǒng)在雷達(dá)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計中的運(yùn)用

陳小軍，練學(xué)輝，陳 楊

(1. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153；2. 海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室，南京 210003)

三維工藝系統(tǒng)在雷達(dá)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計中的運(yùn)用

陳小軍1，練學(xué)輝2，陳 楊1

(1. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153；2. 海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室，南京 210003)

通過基于結(jié)構(gòu)工藝協(xié)同設(shè)計平臺的三維工藝系統(tǒng)，構(gòu)建三維數(shù)字化工藝設(shè)計環(huán)境，形成設(shè)計工藝一體化型號協(xié)同研制環(huán)境，實(shí)現(xiàn)設(shè)計過程與工藝過程的協(xié)同，以及快速、高效的基于三維模型的結(jié)構(gòu)化工藝規(guī)劃和管理，提高工藝規(guī)劃的質(zhì)量，從整體上縮短工藝準(zhǔn)備周期，提高工藝質(zhì)量，奠定數(shù)字化工廠數(shù)據(jù)集成基礎(chǔ)。

三維工藝；雷達(dá)；協(xié)同設(shè)計

0 引 言

現(xiàn)代雷達(dá)設(shè)備往往集成如空中目標(biāo)識別、空間多頻段綜合探測或通信偵察以及跟蹤和制導(dǎo)等多種功能于一體。[1-2]在系統(tǒng)設(shè)計過程中，為保證系統(tǒng)方案設(shè)計的正確性和合理性，需要在方案開發(fā)設(shè)計階段對系統(tǒng)方案和各學(xué)科專項技術(shù)進(jìn)行充分分析，設(shè)計、仿真、工藝、加工、試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理和軟件工程化管理，工作流程優(yōu)化控制，但過程中往往會忽略產(chǎn)品數(shù)字化工藝協(xié)同設(shè)計的集成，缺乏工藝與結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計平臺，同時設(shè)計與生產(chǎn)制造不能有效銜接，使產(chǎn)品物化效率及資源利用方面大大降低。三維工藝系統(tǒng)正是針對目前雷達(dá)研制過程中所面對的問題，面向未來智慧工廠的建設(shè)前景，同時通過結(jié)構(gòu)工藝協(xié)同管理系統(tǒng)的建設(shè)，提升在工藝環(huán)節(jié)的數(shù)字化應(yīng)用能力，將產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)有機(jī)的聯(lián)系在一起，真正打通數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計、工藝、制造業(yè)務(wù)流程的銜接，為智慧工廠建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

1 數(shù)字化協(xié)同設(shè)計平臺框架

針對雷達(dá)研制新任務(wù)采用的跨專業(yè)、跨學(xué)科的全新設(shè)計模式，建立智能化設(shè)計平臺，構(gòu)建基于單一數(shù)據(jù)源的設(shè)計、制造、管理一體化三維智能化研發(fā)體系。針對同步工程設(shè)計的推進(jìn)，開展數(shù)字化設(shè)計、仿真、制造平臺與工業(yè)設(shè)備融合技術(shù)研究，構(gòu)建數(shù)字化研制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字化研制，最終基于大數(shù)據(jù)積累，整合研制數(shù)據(jù)流，建立智能化平臺。[3-4]

為了實(shí)現(xiàn)雷達(dá)設(shè)備研制過程中跨學(xué)科的協(xié)同設(shè)計、仿真，需要建立數(shù)字化協(xié)同設(shè)計平臺環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對研制過程的統(tǒng)一監(jiān)控、協(xié)調(diào)和管理。從系統(tǒng)層面開展各專業(yè)技術(shù)協(xié)同的集成優(yōu)化設(shè)計，打破原有的離散式設(shè)計模式，在協(xié)同設(shè)計中共享多專業(yè)、多設(shè)計者的認(rèn)知和思想，提高設(shè)計的水平，強(qiáng)化設(shè)計的系統(tǒng)性、整體性，獲得優(yōu)化的設(shè)計結(jié)果。數(shù)字化協(xié)同設(shè)計平臺總體框架圖如圖1所示。通過系統(tǒng)研制過程的多學(xué)科協(xié)同、多資源協(xié)同和多任務(wù)協(xié)同，建立包括技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、工程數(shù)據(jù)庫、綜合管理數(shù)據(jù)庫、外部綜合數(shù)據(jù)庫、檔案數(shù)據(jù)庫和試驗驗證數(shù)據(jù)庫的協(xié)同設(shè)計信息庫。構(gòu)建智能化設(shè)計系統(tǒng)旨在面向產(chǎn)品全生命周期的全數(shù)字化協(xié)同研制環(huán)境，提供產(chǎn)品研制多專業(yè)、多系統(tǒng)、多部門的協(xié)同工作環(huán)境，組建與之相適應(yīng)的組織機(jī)構(gòu)和具有企業(yè)特點(diǎn)的數(shù)字化協(xié)同研制模式和協(xié)調(diào)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)研制項目在設(shè)計、工藝、工裝、制造等全生命周期各階段的并行協(xié)同和數(shù)字化管理，以提高協(xié)作效率，縮短產(chǎn)品研制周期。

圖1 數(shù)字化協(xié)同設(shè)計平臺總體框架圖

2 三維工藝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

通過建立基于協(xié)同設(shè)計平臺的三維工藝系統(tǒng)，工藝部門才能夠提前參與，共享產(chǎn)品設(shè)計階段的相關(guān)信息，提前完成對設(shè)計的工藝審查，同時基于三維模型的工藝工序模型，可以便于后續(xù)的加工制造及檢測。這樣，一方面提高產(chǎn)品的可制造性、工藝可達(dá)性、產(chǎn)品可維護(hù)性，避免后期出現(xiàn)不必要的返工，同時可對新型結(jié)構(gòu)形式、新工藝、新材料的利用提前開展研究工作，減少由于制造工藝性問題所造成的設(shè)計與制造協(xié)調(diào)時間，促進(jìn)新技術(shù)、新材料、新工藝的應(yīng)用水平提高。

工藝人員要充分考慮產(chǎn)品設(shè)計的工藝合理性以及制造設(shè)備、工裝等制造資源的合理選擇等。[5]這需要工藝人員與設(shè)計、生產(chǎn)、物資等部門間進(jìn)行充分的交流與協(xié)調(diào)。通過建立面向產(chǎn)品全生命周期的協(xié)同工藝設(shè)計模式，有效地實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計中的協(xié)同工作，可以提高工藝設(shè)計過程的合理性，實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計過程的優(yōu)化，有利于制造資源的合理利用，對于縮短智能制造企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)周期、降低產(chǎn)品成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

數(shù)字化協(xié)同設(shè)計工藝制造流程如圖2所示。在產(chǎn)品工藝設(shè)計過程中，加工、裝配規(guī)劃與驗證環(huán)境在一個虛擬環(huán)境中驗證新的過程和技術(shù)，不需要在研究方面進(jìn)行大量投資，也不需要驗證物理工廠。動態(tài)加工、裝配過程仿真給工藝人員提供了一個三維的虛擬制造環(huán)境來驗證和評價裝配制造過程和制造方法。三維工藝系統(tǒng)可以把產(chǎn)品、資源和工藝操作結(jié)合起來分析產(chǎn)品裝配的順序和工序的流程，并在裝配制造模型下進(jìn)行裝配工裝的驗證、仿真夾具的動作、仿真產(chǎn)品的裝配流程、驗證產(chǎn)品裝配的工藝性，達(dá)到盡早發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的目的。

圖2 數(shù)字化協(xié)同設(shè)計工藝制造流程示意

2.1 基于MBD的三維零件工藝設(shè)計方案

三維工藝系統(tǒng)以結(jié)構(gòu)化工藝的編制方式作為工藝設(shè)計和管理的基本思路，即通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝、工廠與資源四者共同構(gòu)建工藝BOP，使得所有工藝信息全部結(jié)構(gòu)化，工藝數(shù)據(jù)的管理也更加清晰，數(shù)據(jù)的檢索和重用也更加快捷。

依據(jù)數(shù)據(jù)模型，既可在三維工藝系統(tǒng)對工藝相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的組織，以結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)管理模式清晰展現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系，更便于在系統(tǒng)集成時對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。

工藝人員從二次分工中獲取工藝編制任務(wù)的同時也獲取PBOM中的零件信息，如發(fā)生結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在問題時可通過協(xié)同設(shè)計平臺返回原設(shè)計師進(jìn)行修改。

(a) 工藝人員利用三維規(guī)劃及設(shè)計系統(tǒng)根據(jù)零件的制造過程按照結(jié)構(gòu)化工藝的編制思想建立零件工藝BOP，零件工藝BOP中包含工藝、工序、工步、關(guān)聯(lián)的零件以及模型、工裝、設(shè)備等；

(b) 在完成工藝BOP后，工藝人員以關(guān)聯(lián)的零件模型為基礎(chǔ)對數(shù)控加工工序進(jìn)行工序建模，通過系統(tǒng)功能進(jìn)入基于MBD的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)中，利用基于MBD的思想逐一完成各工序模型；

(c) 在數(shù)控仿真環(huán)境中，工藝人員利用數(shù)控編程對工序模型進(jìn)行數(shù)控仿真，在仿真過程中可同時加載零件工藝BOP中的工裝模型、設(shè)備模型，形成數(shù)控仿真模型，按照實(shí)際加工需要對模型位置關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，最終輸出加工仿真程序；

(d) 零件工藝BOP、工序模型、數(shù)控仿真模型、仿真程序等均直接在三維工藝系統(tǒng)中保存和管理，并可通過業(yè)務(wù)系統(tǒng)集成功能傳遞到下游系統(tǒng)。

2.2 工藝規(guī)程

工藝人員以工藝任務(wù)下發(fā)的基于PBOM的零件對象為基礎(chǔ)，在三維工藝規(guī)劃及設(shè)計系統(tǒng)中創(chuàng)建零件工藝規(guī)程。

工藝規(guī)程作為零件工藝的總成在下一層級可包含的工藝類別如鑄造、焊接、熱處理、切削加工、鈑金成形、表面處理等專業(yè)工藝。在零件工藝規(guī)程創(chuàng)建過程中，系統(tǒng)能夠支持手工和自動創(chuàng)建專業(yè)工藝。

系統(tǒng)不僅支持單個工藝人員完成多門類工藝設(shè)計的功能，還支持多門類工藝協(xié)同設(shè)計的功能，由工藝總負(fù)責(zé)人完成總體零件工藝規(guī)程創(chuàng)建，通過系統(tǒng)提供的“轉(zhuǎn)移所有權(quán)”功能，將不同門類的工藝對象分派給指定的人員。

工藝人員在系統(tǒng)中通過菜單功能來完成結(jié)構(gòu)化工序路線規(guī)劃和編輯工作。在工序編輯界面中產(chǎn)品信息、工藝信息可自動從關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品和工藝上獲取。工藝人員根據(jù)實(shí)際情況對工序類型和工序名稱等工序信息進(jìn)行編輯，來完善工序路線規(guī)劃。

2.3 工序模型設(shè)計

在進(jìn)行詳細(xì)工序結(jié)構(gòu)化設(shè)計時，可在系統(tǒng)中通過關(guān)聯(lián)的零件隨時查看零件三維模型及零件設(shè)計信息，以輔助工藝路線設(shè)計。

工藝人員創(chuàng)建完成結(jié)構(gòu)化工藝后，針對每道工序創(chuàng)建工序模型，并按照MBD工序模型定義標(biāo)準(zhǔn)開展三維工序模型(包括毛坯模型、工序模型、檢驗?zāi)Ｐ?快速構(gòu)建與管理，并實(shí)現(xiàn)與三維零件設(shè)計模型的關(guān)聯(lián)。在構(gòu)建過程中工藝人員可直接瀏覽設(shè)計模型和標(biāo)注，創(chuàng)建的工序模型直接繼承三維設(shè)計模型PMI信息。

工藝人員針對產(chǎn)品特征和制造要求來對工序三維模型進(jìn)行加工特征表達(dá)如鉆孔、型腔、鍵槽、凹腔、凸臺、外圓面等，最終生成符合加工要求的加工工序模型。圖3為工序模型特征表達(dá)示意圖。

2.4 關(guān)聯(lián)工藝資源

三維工藝系統(tǒng)支持在編輯工序或工步過程中通過選擇工藝資源庫中的信息來添加所需設(shè)備、所需工裝、機(jī)床、刀具、夾具等制造資源。

圖3 工序模型特征表達(dá)示意圖

在工序或工步編輯過程中所需的工藝資源均來自系統(tǒng)中的工藝資源庫。系統(tǒng)支持查詢功能，可以按條件查詢和模糊查詢。

2.5 基于模板創(chuàng)建工藝

當(dāng)工藝人員編制零件工藝時，根據(jù)零件的特點(diǎn)進(jìn)行分析確定是否可以從典型知識庫中選取模板工藝來創(chuàng)建。系統(tǒng)支持在編制工藝時基于典型工藝模板創(chuàng)建整本工藝、基于典型工序模板創(chuàng)建單個工序、基于典型工步模板創(chuàng)建單道工步。

工藝人員通過系統(tǒng)功能進(jìn)入典型工藝知識庫，根據(jù)所需要借用的典型模板來展開或查詢典型工藝知識信息，結(jié)構(gòu)化的典型工藝知識庫可以方便工藝人員在進(jìn)行工藝設(shè)計的時候能夠清晰、直觀地從不同的典型工藝知識庫中查詢和調(diào)用有用的信息。

3 三維工藝協(xié)同設(shè)計注意事項

3.1 在工序?qū)ο笙滦陆üば蚰Ｐ腿S數(shù)據(jù)集

在零件工藝BOP上為每道工序創(chuàng)建一個三維模型數(shù)據(jù)集，也可以通過三維設(shè)計集成環(huán)境打開工序?qū)ο笾苯觿?chuàng)建模型數(shù)據(jù)集，通過三維模型數(shù)據(jù)集來管理三維工序模型的實(shí)體文件。

3.2 通過協(xié)同關(guān)聯(lián)生成從零件設(shè)計模型逐一生成工序三維模型

三維工序模型繼承于三維設(shè)計模型信息，兩者之間保持著關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過三維設(shè)計模型的變更能夠?qū)崿F(xiàn)三維工序模型的關(guān)聯(lián)變更。同時，相關(guān)文檔或快照中引用到的工序模型也將同步更新。圖4為工序模型關(guān)聯(lián)生成示意圖。

圖4 工序模型關(guān)聯(lián)生成示意圖

3.3 接口問題

(1) 考慮與CAM軟件集成，需配置與相應(yīng) CAM模塊集成接口；

(2) 考慮與制造管理系統(tǒng)集成，支持將結(jié)構(gòu)化工藝信息(PBOM、工藝路線、工裝和材料定額等)傳遞到制造管理系統(tǒng)；

(3) 考慮與物資系統(tǒng)集成，支持物資系統(tǒng)材料庫數(shù)據(jù)實(shí)時同步；

(4) 同時要考慮支持二維工藝歷史數(shù)據(jù)的導(dǎo)入等等。

4 結(jié)束語

三維工藝系統(tǒng)在數(shù)字工廠架構(gòu)中起到承上啟下的作用，基于結(jié)構(gòu)化、可視化的工藝編制、協(xié)同設(shè)計和管理體系，同時實(shí)現(xiàn)制造過程的可視化和快速追溯，并實(shí)現(xiàn)知識的挖掘分析和積累，快速提高產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計的質(zhì)量。通過協(xié)同工藝設(shè)計平臺建設(shè)，可實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字化環(huán)境的生產(chǎn)制造能力和管理能力的創(chuàng)新。

三維工藝系統(tǒng)提供對產(chǎn)品、工藝、工廠與資源共同構(gòu)建工藝結(jié)構(gòu)清單的功能，對工藝相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的組織，以結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)管理模式清晰展現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系，更便于在系統(tǒng)集成時對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在單一數(shù)字化企業(yè)系統(tǒng)下的設(shè)計生命周期和生產(chǎn)生命周期貫通集成管控，在單一系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)設(shè)計到制造技術(shù)狀態(tài)的連續(xù)傳遞、跟蹤和控制，統(tǒng)一管控設(shè)計和制造資源分類提取以設(shè)計工程數(shù)據(jù)為核心的PMI信息，在單一數(shù)據(jù)庫中實(shí)現(xiàn)基于可視化模型的技術(shù)狀態(tài)瀏覽和審核，保證設(shè)計到制造階段的BOM體系完整連續(xù)，為后續(xù)的生產(chǎn)制造提供完整的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)支撐，從而縮短產(chǎn)品研制周期、提高質(zhì)量、降低成本。

[1] 電機(jī)工程手冊編輯委員會編. 機(jī)械工程手冊[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996.

[2] 南京電子技術(shù)研究所譯. 雷達(dá)手冊 [M]. 3版. 北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[3] 王國玉 汪連棟. 雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真與評估[M]. 北京：國防工業(yè)出版社,2004.

[4] 張錫祥. 現(xiàn)代雷達(dá)對抗技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社,1998.

[5] Hector Garcia-Molina, Jeffrey D Ullman數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)原理[M]. 楊冬青,等,譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

Application of 3D technology system in radar digital cooperation design

CHEN Xiao-jun1, LIAN Xue-hui2, CHEN Yang1

(1.No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153; 2. Military Representatives Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003)

The 3D digital technology design environment is established and the cooperation development environment for the integrated design and technology model is formed through the 3D technology system based on the structural technology cooperation design platform, realizing the cooperation between the design process and the technology process. With the rapid and efficient structural technology planning and management based on the 3D model, the quality of the technology planning and the technology is improved, and the technology preparation cycle is shortened as a whole, laying the foundation for digital factory data integration.

3D technology; radar; cooperation design

TN957.8

A

1009-0401(2017)04-0047-04

2017-11-02；

2017-11-20

陳小軍(1977-)，男，高級工程師，研究方向：雷達(dá)結(jié)構(gòu)工藝技術(shù)；練學(xué)輝(1965-)，男，高級工程師，研究方向：雷達(dá)總體技術(shù)；陳楊(1981-)，男，高級工程師，博士，研究方向：雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計。