基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的天線座數(shù)字化裝配仿真技術(shù)*

吳一豪，張 柳，邱保安，孫 攀

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039）

引 言

天線座是雷達(dá)產(chǎn)品伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，是雷達(dá)天線與饋線系統(tǒng)部件的承載平臺(tái)，也是天線陣面進(jìn)行方位與俯仰機(jī)械掃描的運(yùn)動(dòng)部件，是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)和空間位置反饋的核心基礎(chǔ)[1-2]。天線座的裝配質(zhì)量會(huì)顯著影響雷達(dá)性能：傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和數(shù)據(jù)傳遞誤差容易影響雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的位置精度；傳動(dòng)噪聲、異響等質(zhì)量問(wèn)題影響用戶體驗(yàn)。因此，作為產(chǎn)品總成裝配的基礎(chǔ)，天線座裝配工藝設(shè)計(jì)和裝配質(zhì)量是產(chǎn)品總裝計(jì)劃的重要環(huán)節(jié)。

本文針對(duì)天線座轉(zhuǎn)盤軸承和減速器小齒輪預(yù)裝時(shí)需反復(fù)修磨調(diào)整墊片，從而導(dǎo)致裝配效率低的問(wèn)題，提出了基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的天線座裝配仿真技術(shù)。首先，根據(jù)組成天線座系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的裝配關(guān)系，梳理關(guān)鍵裝配參數(shù)，并搭建天線座數(shù)字化裝配仿真模型；然后，通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等高精度測(cè)量設(shè)備，獲取關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)測(cè)數(shù)值，快速生成天線座實(shí)際裝配模型，以裝配關(guān)系為約束，快速生成調(diào)整墊片的修配參數(shù)，向裝配現(xiàn)場(chǎng)發(fā)布；最后，基于搭建的天線座數(shù)字化裝配模型和Creo二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，集成開(kāi)發(fā)天線座數(shù)字化裝配軟件，并以某型號(hào)車載雷達(dá)天線座為研究對(duì)象，完成應(yīng)用驗(yàn)證。

1 天線座預(yù)裝流程關(guān)鍵參數(shù)識(shí)別

1.1 裝配關(guān)鍵參數(shù)識(shí)別

天線座主要由平臺(tái)（底座一體化）、轉(zhuǎn)盤軸承、減速器、方位驅(qū)動(dòng)小齒輪、墊板、轉(zhuǎn)臺(tái)等零部件組成。在預(yù)裝階段，若小齒輪與轉(zhuǎn)盤軸承之間的中心距和軸線平行度無(wú)法滿足裝配要求，則通過(guò)修磨調(diào)整墊片進(jìn)行調(diào)整，需反復(fù)拆裝減速器和小齒輪，效率低，工作量大。因此，需搭建和裝配現(xiàn)場(chǎng)映射的數(shù)字化裝配模型提前進(jìn)行仿真，釋放風(fēng)險(xiǎn)。首先梳理天線座預(yù)裝流程，得到用于評(píng)估裝配質(zhì)量的關(guān)鍵輸入、輸出參數(shù)集以及用于構(gòu)建通用化模型的通用參數(shù)集，見(jiàn)表1。

表1 天線座關(guān)鍵裝配仿真參數(shù)

1.2 關(guān)鍵裝配參數(shù)表達(dá)規(guī)則建立

根據(jù)表1篩選識(shí)別獲得的關(guān)鍵輸入、輸出參數(shù)，建立關(guān)鍵輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)之間的表達(dá)規(guī)則。影響方位齒輪副中心距與嚙合側(cè)隙的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)為減速器安裝距(X1,Y1)、軸承底座的安裝距(X2,Y2)以及墊板的厚度δ。這些參數(shù)的定義及模型簡(jiǎn)化如圖1所示。

影響齒輪副軸線平行度的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)為轉(zhuǎn)盤軸承結(jié)合端面平面度、減速器輸出軸對(duì)安裝基準(zhǔn)面的平行度誤差(ΔX,ΔY)及減速器安裝基準(zhǔn)面對(duì)軸承安裝基準(zhǔn)面的垂直度誤差(γX,γY)。轉(zhuǎn)盤軸承結(jié)合端面平面度雖然會(huì)顯著影響齒輪的摩擦力矩和齒輪副軸線平行度誤差，但在軸承外購(gòu)件采購(gòu)過(guò)程中對(duì)質(zhì)量管控嚴(yán)格且在轉(zhuǎn)盤軸承裝配過(guò)程中安裝結(jié)合面與平臺(tái)底座貼合緊密，此參數(shù)對(duì)裝配質(zhì)量的影響可以忽略，所以對(duì)該參數(shù)文中不予考慮。

減速器輸出軸對(duì)安裝基準(zhǔn)面的平行度誤差及減速器安裝基準(zhǔn)面對(duì)軸承安裝基準(zhǔn)面的垂直度誤差的參數(shù)定義方式如圖2所示。定義輸出參數(shù)ΔX，ΔY，γX，γY時(shí)，首先確認(rèn)該參數(shù)的評(píng)價(jià)0點(diǎn)，并對(duì)參數(shù)的正負(fù)方向進(jìn)行規(guī)定，然后通過(guò)高精度測(cè)量設(shè)備，快速獲取誤差數(shù)據(jù)。

圖2 影響齒輪副軸線平行度的輸入?yún)?shù)定義

通過(guò)定義上述關(guān)鍵裝配參數(shù)規(guī)則以及快速獲取輸入?yún)?shù)的實(shí)際數(shù)值，即可根據(jù)模型裝配關(guān)系、公式計(jì)算等，對(duì)輸出參數(shù)進(jìn)行有效評(píng)估，為天線座數(shù)字化仿真模型的搭建提供有力支撐。

2 天線座數(shù)字化裝配仿真模型搭建

2.1 天線座通用化裝配仿真模型搭建

不同車載雷達(dá)的天線座系統(tǒng)不盡相同，其中的各零部件的型號(hào)、樣式、尺寸也存在很大的差異。為了使天線座裝配仿真模型適用于多種雷達(dá)產(chǎn)品，需搭建通用化裝配仿真模型。將天線座系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件參數(shù)化，提煉模型通用化參數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)操作人員只需根據(jù)具體的裝配對(duì)象，輸入通用化參數(shù)的實(shí)際數(shù)值，即可構(gòu)建所需的理論裝配仿真模型[3-4]。

以轉(zhuǎn)盤軸承為例，提煉其關(guān)鍵參數(shù)：模數(shù)、齒數(shù)、齒厚、壓力角等。通過(guò)Creo2.0的關(guān)系功能將關(guān)鍵參數(shù)與模型特征通過(guò)表達(dá)式一一對(duì)應(yīng)，并建立轉(zhuǎn)盤軸承與其他零部件的裝配約束，通過(guò)修改相應(yīng)的參數(shù)值，就能驅(qū)動(dòng)模型及其裝配關(guān)系隨之發(fā)生變化[5]。如圖3所示，通過(guò)修改轉(zhuǎn)盤軸承和小齒輪的模數(shù)和齒數(shù)，不僅模型發(fā)生了快速變化，而且齒輪的中心距也同步發(fā)生了改變。

圖3 轉(zhuǎn)盤軸承和小齒輪通用化模型

2.2 基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的天線座裝配仿真模型搭建

天線座裝配仿真模型搭建的技術(shù)路線如圖4所示。將天線座系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行特征抑制，將不影響裝配質(zhì)量的非必要參數(shù)從設(shè)計(jì)模型上剝離，以通用化參數(shù)為指導(dǎo)，對(duì)各零部件設(shè)計(jì)模型進(jìn)行重構(gòu)，完成模型輕量化設(shè)計(jì)。根據(jù)建立的關(guān)鍵裝配參數(shù)表達(dá)規(guī)則，以天線座系統(tǒng)的典型裝配工藝為約束條件，搭建通用化裝配模型?，F(xiàn)場(chǎng)操作人員根據(jù)具體的天線座系統(tǒng)，修改關(guān)鍵零部件的參數(shù)，完成理論裝配模型的構(gòu)建。通過(guò)在機(jī)測(cè)量、三坐標(biāo)測(cè)量等測(cè)量手段，獲取關(guān)鍵裝配參數(shù)的實(shí)際數(shù)值，將實(shí)際參數(shù)輸入理論裝配模型，驅(qū)動(dòng)模型快速變化，得到天線座的實(shí)際裝配模型。建立墊板約束規(guī)則，通過(guò)定義墊板與其他零部件之間的約束關(guān)系，生成實(shí)際墊板模型，同步獲得墊板修配的相關(guān)參數(shù)，并在仿真模型中可視化展示，指導(dǎo)實(shí)際裝配現(xiàn)場(chǎng)，保證天線座系統(tǒng)的裝配質(zhì)量。

圖4 天線座裝配仿真模型搭建技術(shù)路線

天線座的裝配仿真模型是基于Creo2.0平臺(tái)搭建的，受限于Creo2.0的裝配約束算法，定義某些關(guān)鍵裝配參數(shù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)裝配過(guò)約束問(wèn)題，并且某些參數(shù)的實(shí)際測(cè)量難度較大，數(shù)據(jù)可信度不高。為解決現(xiàn)有建模問(wèn)題，對(duì)關(guān)鍵裝配參數(shù)的定義做出修改，并對(duì)模型的裝配約束關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

如圖5所示，針對(duì)上述過(guò)約束問(wèn)題，將關(guān)鍵裝配參數(shù)誤差進(jìn)行分解，建立裝配誤差鏈，通過(guò)各零部件之間的幾何約束條件，完成改進(jìn)仿真模型定義：改進(jìn)仿真模型是以齒輪副中心距和平行度誤差始終是標(biāo)準(zhǔn)值為約束條件，通過(guò)旋轉(zhuǎn)、平移將原有模型的裝配關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將誤差積累到減速器的安裝基準(zhǔn)面和平臺(tái)底座的安裝基準(zhǔn)面[6]，在定義輸入?yún)?shù)時(shí)，只需定義兩個(gè)安裝基準(zhǔn)面相對(duì)于測(cè)量基準(zhǔn)的距離。根據(jù)兩個(gè)安裝基準(zhǔn)面形成的空間尺寸，自動(dòng)填充生成調(diào)整墊板模型，解決了模型過(guò)約束和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲取困難的問(wèn)題，提高了模型仿真的重復(fù)精度和重構(gòu)效率。

圖5 模型轉(zhuǎn)換

3 天線座數(shù)字化裝配仿真軟件開(kāi)發(fā)

3.1 天線座數(shù)字化裝配仿真軟件技術(shù)路線

Creo2.0不僅提供適用范圍廣又靈活的三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer-Aided Design, CAD）功能，解決用戶急迫的建模需求，也開(kāi)放二次開(kāi)發(fā)接口，方便用戶按照自身的需求開(kāi)發(fā)、定制所需的功能。其中，Toolkit是PTC公司提供給用戶的二次開(kāi)發(fā)工具包。該工具包提供了大量的API函數(shù)，通過(guò)調(diào)用這些底層函數(shù)，用戶能夠方便且安全地訪問(wèn)Creo的數(shù)據(jù)庫(kù)以及內(nèi)部應(yīng)用程序，根據(jù)自身需求，擴(kuò)展Creo的特定功能[7-8]。

天線座數(shù)字化裝配仿真軟件基于微軟基礎(chǔ)類庫(kù)（Microsoft Foundation Classes, MFC）搭建參數(shù)輸入輸出界面，以上文建立的天線座數(shù)字化裝配仿真模型為基礎(chǔ)，與二次開(kāi)發(fā)程序相結(jié)合，建立模型與輸入?yún)?shù)的拓?fù)潢P(guān)系，實(shí)現(xiàn)模型的快速變化和墊板修配參數(shù)的輸出。

結(jié)合天線座數(shù)字化裝配仿真模型搭建的技術(shù)路線，完成軟件界面開(kāi)發(fā)，如圖6所示。通過(guò)編寫菜單文件將仿真軟件掛載到Creo2.0的軟件界面中，在軟件啟動(dòng)的同時(shí)，會(huì)加載搭建好的天線座數(shù)字化裝配仿真模型，用戶在“通用化模型定義”界面，根據(jù)參與的具體產(chǎn)品型號(hào)，輸入相關(guān)的參數(shù)，完成產(chǎn)品理論裝配模型定義。接著在“實(shí)測(cè)參數(shù)導(dǎo)入”界面導(dǎo)入測(cè)得的關(guān)鍵裝配參數(shù)文件，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行展示，同步生成產(chǎn)品實(shí)際裝配模型。最后在“墊板參數(shù)生成”界面，根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際裝配模型，生成墊板的實(shí)際裝配三維模型和修配參數(shù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的裝配工作進(jìn)行指導(dǎo)。

圖6 天線座數(shù)字化裝配仿真軟件技術(shù)路線

3.2 天線座數(shù)字化裝配仿真軟件功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)3.1節(jié)所述的天線座數(shù)字化裝配仿真軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)路線，主要需要實(shí)現(xiàn)菜單掛載與用戶界面開(kāi)發(fā)、裝配參數(shù)更新及模型可視化、參數(shù)文件讀取及生成等功能，下面是具體功能的實(shí)現(xiàn)方法。

（1）菜單掛載與用戶界面開(kāi)發(fā)

為使天線座數(shù)字化裝配仿真軟件便于使用，在啟動(dòng)Creo2.0時(shí)，操作人員只需通過(guò)點(diǎn)擊菜單按鈕便可調(diào)用本次開(kāi)發(fā)的仿真軟件模塊，所用的主要函數(shù)為菜單添加ProMenubarMenuAdd()、菜單按鈕添加ProMenubarmenuPushbuttonAdd()以及動(dòng)作函數(shù)設(shè)置ProCmdActionAdd()。

在設(shè)計(jì)軟件界面時(shí)，考慮到軟件的操作人員多為一線裝配鉗工，為提高軟件操作的簡(jiǎn)潔性，選擇通過(guò)點(diǎn)擊樹(shù)控件中不同的分支在同一個(gè)對(duì)話框中進(jìn)行多個(gè)模塊間的切換的方式，主要使用的函數(shù)有界面分割創(chuàng)建CSplitterWnd::CreateStatic()、界面刷新OnInitialUpdate()和界面激活SetActivePane()等。

（2）裝配參數(shù)更新及模型可視化功能開(kāi)發(fā)

該功能的實(shí)現(xiàn)流程及所需的相關(guān)函數(shù)如圖7所示。首先，通過(guò)ProMdlRetrieve()函數(shù)讀取搭建好的天線座數(shù)字化裝配仿真模型。該模型已通過(guò)Creo2.0中內(nèi)置的“關(guān)系”和“參數(shù)”功能建立了關(guān)鍵裝配參數(shù)和模型特征的映射關(guān)系，并使用ProMdlDisplay()完成模型在Creo2.0中的可視化。通過(guò)ProParameter-Visit()和ProParameterValueGet()函數(shù)，對(duì)定義的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行遍歷和讀取，并存儲(chǔ)到一個(gè)特定的鏈表中。當(dāng)需要更新某關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)值時(shí)，通過(guò)ProParameter-ValueSet()函數(shù)將模塊界面上的新數(shù)值傳遞到模型特征上，完成參數(shù)更新。最后使用ProSolidRegenerate()函數(shù)重新生成模型，并在Creo窗口內(nèi)可視化展示。

圖7 通用化模型定義模塊開(kāi)發(fā)流程

（3）參數(shù)文件讀取及生成功能

在完成零部件關(guān)鍵裝配參數(shù)的測(cè)量工序后，將獲得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)記錄到Excel 表格中。Excel 作為OLE/COM庫(kù)插件，已經(jīng)定義好了各類語(yǔ)言的交互接口。在Visual Studio中導(dǎo)入這些接口，使用其中的get_Value2()，put_Value2()等相關(guān)函數(shù)，即可讀取Excel表格中的相關(guān)數(shù)據(jù)，并將所需參數(shù)的數(shù)值寫入Excel表格中，形成現(xiàn)場(chǎng)裝配的指導(dǎo)報(bào)告。

4 基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的天線座數(shù)字化裝配仿真技術(shù)應(yīng)用驗(yàn)證

某車載雷達(dá)就是采用修配墊片方式來(lái)調(diào)整天線座裝配質(zhì)量的典型[9]。提前定義減速器的安裝基準(zhǔn)面和平臺(tái)底座的安裝基準(zhǔn)面上某些標(biāo)識(shí)點(diǎn)用以后續(xù)擬合，通過(guò)在機(jī)測(cè)量的方式獲取這些標(biāo)識(shí)點(diǎn)的數(shù)值。裝配現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)值獲取如圖8所示，測(cè)得的部分標(biāo)識(shí)點(diǎn)的實(shí)際數(shù)值見(jiàn)表2。

圖8 裝配現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)值獲取

表2 平臺(tái)底座和減速器實(shí)測(cè)數(shù)值

將表2中的實(shí)際數(shù)值輸入天線座數(shù)字化裝配仿真軟件，對(duì)模型進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，得到墊片參數(shù)的指導(dǎo)數(shù)值。為驗(yàn)證指導(dǎo)參數(shù)的有效性，在裝配現(xiàn)場(chǎng)按照原有裝配流程，通過(guò)保證天線座齒輪副的中心距和軸線平行度，重復(fù)修配墊片，獲取墊片厚度的實(shí)際數(shù)值，對(duì)指導(dǎo)數(shù)值和實(shí)際數(shù)值進(jìn)行對(duì)比（表3），驗(yàn)證天線座數(shù)字化裝配仿真技術(shù)的應(yīng)用結(jié)果。

表3 墊片修配指導(dǎo)數(shù)值和實(shí)際數(shù)值對(duì)比

通過(guò)墊片修配指導(dǎo)數(shù)值和實(shí)際數(shù)值的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)最大誤差率僅為0.39%，說(shuō)明本文提出的數(shù)字化裝配仿真技術(shù)結(jié)果可靠，大幅提高了裝配效率，可在實(shí)際裝配過(guò)程中進(jìn)行應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的天線座數(shù)字化裝配仿真技術(shù)，通過(guò)識(shí)別天線座系統(tǒng)零部件的通用化參數(shù)和關(guān)鍵裝配參數(shù)，搭建參數(shù)驅(qū)動(dòng)的天線座數(shù)字化裝配仿真模型，以Creo2.0自帶的Toolkit二次開(kāi)發(fā)包為基礎(chǔ)，結(jié)合仿真模型，定制開(kāi)發(fā)天線座數(shù)字化裝配仿真軟件，實(shí)現(xiàn)模型的快速重構(gòu)及墊片修配參數(shù)的快速導(dǎo)出，提高了天線座現(xiàn)場(chǎng)裝配質(zhì)量和裝配效率，為后續(xù)數(shù)字孿生技術(shù)在天線座裝配過(guò)程中的應(yīng)用打下了牢固基礎(chǔ)，向數(shù)字車間、智能車間的發(fā)展邁出了堅(jiān)實(shí)一步。