最大共性艦載配電箱三維數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建與應(yīng)用

海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局 王春雷 任憲文

本文針對(duì)缺乏艦載電子設(shè)備三維數(shù)據(jù)積累，在向總體單位提供設(shè)備三維模型或三維爆炸圖的過程中暴露出來的疲于應(yīng)付這一問題，結(jié)合配電箱的建模，探討了同類型設(shè)備最大共性三維數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建方法。首先，歸納、整理了傳統(tǒng)的CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，分析了它們的結(jié)構(gòu)特征；其次，分層次建立了基礎(chǔ)件模型和最大共性配電箱三維裝配模型，并以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式分類建庫保存；最后，介紹了該數(shù)據(jù)庫在個(gè)性化配電箱研制中的應(yīng)用。工程實(shí)踐表明該數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，減少了數(shù)據(jù)冗余，有助于提高研制效率，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造模式是以二維工程圖為核心開展的，這導(dǎo)致了常規(guī)的艦載電子設(shè)備幾乎沒有完整的三維模型。近年來，船總體逐漸要求各研制單位隨機(jī)提供設(shè)備的三維模型以及三維爆炸圖。由于缺少三維數(shù)據(jù)積累，每型產(chǎn)品在完成二維設(shè)計(jì)后，還需反芻式三維建模，重復(fù)工作量巨大。

通過多年的技術(shù)積累，我們所研制的控制臺(tái)、機(jī)柜、配電箱等設(shè)備，在結(jié)構(gòu)上已實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化。研究表明，在工程設(shè)計(jì)中保守的估計(jì)大約超過75%的設(shè)計(jì)工作是基于范例設(shè)計(jì)，即重用早先的設(shè)計(jì)知識(shí)處理新的設(shè)計(jì)問題。通常在新產(chǎn)品研制之初，設(shè)計(jì)者一般會(huì)瀏覽、研究大量的CAD傳統(tǒng)數(shù)據(jù)，在以往同類型設(shè)備中尋找可利用的相同或相似結(jié)構(gòu)。如果將這些特征結(jié)構(gòu)提取出來，建成具有最大共性的同類型設(shè)備三維數(shù)據(jù)庫，對(duì)提高設(shè)備研制效率具有重要意義。

本文首先分析了配電箱的結(jié)構(gòu)特征，對(duì)可通用的結(jié)構(gòu)件、常用的元器件進(jìn)行收集、歸納和整理，在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)地、分層次構(gòu)建最大共性三維數(shù)據(jù)庫；最后給出了該數(shù)據(jù)庫在個(gè)性化配電箱研制中的應(yīng)用。

1 艦載配電箱的組成及規(guī)格

艦載配電箱是與控制臺(tái)、電子機(jī)柜配套的設(shè)備，主要作用是向系統(tǒng)提供220V 50Hz單項(xiàng)交流電源，并進(jìn)行供電控制。

1.1 配電箱的組成

艦載配電箱為掛壁式結(jié)構(gòu)，主要由蓋、殼體、鉸鏈、拉桿、手輪（小配電箱用螺釘固定）組成，鉸鏈安裝在配電箱左側(cè)外表面，蓋向左打開大于90°，拉桿裝在配電箱內(nèi)下部。配電箱通過殼體上四個(gè)角處的安裝孔固定到艙室側(cè)壁上。蓋正面主要安裝電壓表、電流表、記時(shí)器、指示燈、開關(guān)、按鈕等具有顯示、控制功能的元器件，上方安裝設(shè)備標(biāo)牌，下方安裝所銘牌。殼體中主要安裝電源濾波器、熔斷器和插座等用于信號(hào)處理、過載保護(hù)和信號(hào)傳輸?shù)钠鞑摹?/p>

1.2 配電箱的規(guī)格

艦載配電箱外形尺寸符合HJB68-92《艦艇電子設(shè)備顯控臺(tái)、機(jī)箱、機(jī)柜通用規(guī)范》3.5.5條“掛壁式機(jī)箱的基本尺寸規(guī)定”的要求，有大、中、小三個(gè)規(guī)格，外形見圖1，不同規(guī)格尺寸見表1。

圖1 配電箱外形圖

表1 配電箱外形尺寸

從圖1和表1可看出，三種規(guī)格配電箱的結(jié)構(gòu)形式基本一致。長、寬尺寸各不同，厚度尺寸相同。

2 艦載配電箱三維數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

艦載配電箱在結(jié)構(gòu)上存在以下共性特征：（1）運(yùn)動(dòng)組件手輪、拉桿和鉸鏈均已實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化；（2）同規(guī)格的蓋和殼體上除了元器件安裝尺寸外，其余結(jié)構(gòu)特征一致，不同規(guī)格蓋或殼體的外形相似，厚度相同；（3）不同承載量的同系列隔振器具有相同的外形和安裝要素。

對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理、統(tǒng)計(jì)，將配電箱通用結(jié)構(gòu)件匯總于表2中。

表2 配電箱通用結(jié)構(gòu)件匯總

2.1 配電箱基礎(chǔ)件三維數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

根據(jù)上述分析對(duì)所有結(jié)構(gòu)件和常用元器件建模，在此基礎(chǔ)上對(duì)具有獨(dú)立功能的通用機(jī)構(gòu)建立子裝配，如鉸鏈、拉桿及手輪組件；分類構(gòu)建了主結(jié)構(gòu)件通用毛坯庫、通用連接件庫、標(biāo)識(shí)牌庫、元器件庫四大類模型庫。其中，鑒于元器件種類較多，又分為指示器、操作器庫，熔斷器及其附件庫，連接器庫，濾波器庫和隔振器庫五個(gè)子模型庫。同時(shí)，以二維數(shù)據(jù)的形式存儲(chǔ)常用元器件的設(shè)計(jì)制造特征，諸如開孔尺寸、安裝面壁厚、公差及加工面涂覆與否等信息。基礎(chǔ)件數(shù)據(jù)庫組成見圖2。

圖2 配電箱基礎(chǔ)件數(shù)據(jù)庫組成

為了方便查詢，對(duì)結(jié)構(gòu)件和元器件的命名做以下規(guī)定，通用結(jié)構(gòu)件以“名稱+圖號(hào)_項(xiàng)目代號(hào)”來命名，如“蓋QP8.010.188_H/THB”、“拉桿QP4.440.004_7820”；可以部分通用的結(jié)構(gòu)毛坯件以“XX毛坯”來命名，如“設(shè)備標(biāo)牌毛坯”；元器件以“名稱+型號(hào)_廠家”來命名，如“熔斷器座 E92/32_ABB”、“連接器 YMG16_158廠”等。

2.2 最大共性配電箱三維裝配數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

對(duì)于同一規(guī)格的配電箱來說，蓋與殼體毛坯及兩者間的屏蔽繩、鉸鏈、拉桿和手輪組件、墊塊都是通用的，結(jié)構(gòu)件之間的連接方式也是一致的。通過訪問基礎(chǔ)件各子模型庫，提取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)組件，結(jié)合三維軟件自帶的國標(biāo)緊固件庫，根據(jù)層次關(guān)系確定系統(tǒng)目錄樹，實(shí)現(xiàn)裝配約束，分別建立起大、中、小三種規(guī)格的裝配模型，每一規(guī)格的配電箱給出了開、關(guān)兩種狀態(tài)。用戶通過與目錄樹的交互，可以了解到所有的裝配信息，直觀地對(duì)各部分進(jìn)行拆裝呈現(xiàn)。這些模型是配電箱最大共性特征結(jié)構(gòu)的集合體，可作為個(gè)性化設(shè)計(jì)的起點(diǎn)。為了方便在各種三維軟件及其不同版本之間轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)信息的集成和共享，在數(shù)據(jù)完善后以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式（如STEP）導(dǎo)出、建庫保存，并將其嵌入到PLM系統(tǒng)中作為產(chǎn)品生命周期的一部分，實(shí)現(xiàn)集中控制和管理。這種格式的數(shù)據(jù)模型既維護(hù)了共性特征的一致性，又方便增加個(gè)性特征。圖3給出了三種規(guī)格最大共性配電箱三維裝配模型。

圖3 最大共性配電箱三維裝配模型

3 最大共性配電箱三維數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用

在接到一個(gè)新任務(wù)時(shí)，設(shè)計(jì)者首先根據(jù)設(shè)計(jì)輸入布局元器件，繪制一個(gè)簡化的裝配草圖，然后利用這個(gè)概念化的設(shè)計(jì)向數(shù)據(jù)庫查詢，通過特征歸屬、合并和標(biāo)記，找到與之匹配的共性裝配模型，再加入個(gè)性化的特征結(jié)構(gòu)。

具體的做法如下：

（1）根據(jù)檢索到的裝配模型組成，從主結(jié)構(gòu)件庫中提取相應(yīng)的蓋、殼體毛坯，從標(biāo)識(shí)牌庫中提取各類標(biāo)牌、銘牌毛坯，根據(jù)設(shè)備具體需求，對(duì)毛坯件二次建模，添加元器件及走線孔的定位尺寸和安裝尺寸、具體的標(biāo)識(shí)內(nèi)容等信息；

（2）專用結(jié)構(gòu)體建模。是指本產(chǎn)品專用的元器件及其安裝結(jié)構(gòu)；

（3）為了方便對(duì)總裝配模型中目錄樹的管理，后期模型的修改、維護(hù)，分層次建立子裝配。①對(duì)保險(xiǎn)絲、電源和濾波器等元器件建立安裝組件；②考慮到具有相同裝配參考組件間的替換，在所有個(gè)性化結(jié)構(gòu)件、組件建模完成后，分別建立蓋和殼體子裝配，將所屬結(jié)構(gòu)裝配到位；

（4）提取同規(guī)格的最大共性配電箱三維模型，執(zhí)行“組件替換”命令，用蓋和殼體子裝配替換原裝配模型中的蓋和殼體毛坯，在不影響現(xiàn)存相關(guān)約束的前提下快速完成個(gè)性化配電箱三維設(shè)計(jì)。圖4給出了基于數(shù)據(jù)庫建立的某中號(hào)配電箱三維裝配模型。

圖4 某中號(hào)配電箱三維裝配模型

結(jié)論：在分析了艦載配電箱的結(jié)構(gòu)共性特征和個(gè)性特征的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地、分層次地構(gòu)建了最大共性配電箱三維數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用維護(hù)了數(shù)據(jù)的一致性，減少了大量重復(fù)勞動(dòng)，縮短了同類型設(shè)備及其三維爆炸圖的研制、制作周期，為標(biāo)準(zhǔn)控制臺(tái)、機(jī)柜等其它設(shè)備三維數(shù)據(jù)庫的建設(shè)提供了有益借鑒。