雷達結構三維裝配工藝設計系統研究

田富君，陳興玉，周紅橋，胡祥濤，張紅旗

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥230088）

0 引言

雷達裝備具有結構復雜、多品種、跨平臺和變批量等特點，即使在產品零件全部合格的情況下，也很難保證裝配后產品的合格率，往往需要經過多次試裝、拆卸、返工才能裝配出合格產品。裝配是雷達產品設計過程中的重要環節，其結果直接影響到產品的質量、性能、壽命和可維護性。

隨著三維CAD技術和虛擬裝配技術的發展，以及基于模型定義 MBD［1－2］技術的實施，在三維環境下進行裝配工藝設計已經具備了條件。工藝設計人員可以在三維可視化環境下進行裝配工藝的設計，并在工裝、工具三維模型的支持下對工裝的合理性和工具的可達性進行驗證，同時輸出三維裝配工藝文件以指導現場操作人員進行裝配。國內研究人員［3－5］對三維裝配工藝設計系統進行了深入的研究，并開發了原型系統，有些已經在企業內進行了局部的應用。在此，根據雷達結構特點、以及雷達裝配工藝設計的特點，分析了雷達結構三維裝配工藝設計過程，建立了雷達結構裝配工藝信息模型，并對系統實現的關鍵技術進行了研究。

1 雷達結構三維裝配工藝設計過程

雷達裝備結構復雜，異形復雜零部件多，裝配精度要求高，裝配過程以手工裝配為主。隨著多型號任務的并行開展，傳統的二維裝配工藝設計方法已不能滿足需求。通過數字樣機來代替物理樣機進行裝配工藝設計與仿真，能夠及時發現工藝設計過程存在的問題，減少工藝更改，從而縮短產品的研制周期。通過對某雷達研制企業裝配工藝設計的業務流程進行分析，建立了雷達結構三維裝配工藝設計系統總體技術路線，如圖1所示。雷達結構工藝設計系統以PDM作為協同工作平臺，以企業標準規范作為指導。

圖1 系統總體技術路線

a．PBOM構建。EBOM反映產品設計結構的BOM形式，主要根據產品功能要求來確定包含哪些零部件以及這些零部件的結構關系。PBOM是在EBOM的基礎上，結合生產實際情況進行調整得到的，其結構形式發生了變化，如液壓、電氣部件拆分到相應的裝配部件PBOM中，部分裝配組件按工位進行二次拆分等情況。因此，在工藝設計之前，就需要對產品的EBOM按照產品結構的設計分離面和工藝分離面進行調整，形成產品的PBOM。

b．工藝編制任務分配。PBOM構建完成之后，工藝主管根據劃分好的PBOM，指定具體的工藝編制人員，在PDM系統中啟動工藝編制、審批流程。

c．裝配BOM管理。PBOM僅僅是構建了總裝層級的BOM結構，而對于分系統甚至是部件級的PBOM結構，由工藝設計人員在工藝設計時調整。裝配BOM管理主要完成分系統和部件級BOM的調整，具體包括裝配結構調整和裝配順序規劃。

d．裝配工藝設計。根據零部件的裝配順序，確定零部件的裝配工藝路線，定義每道裝配工序，確定每道裝配工序所用到的裝配資源信息（裝配設備）。然后進行裝配工序詳細設計，定義每個裝配工序下面的裝配工步信息，并確定每個裝配工步所用到的裝配資源信息（工裝、工具）。

e．裝配路徑規劃與仿真。裝配工藝設計完成之后，以工位為基本單位，將裝配設備、工裝、工具以及產品三維模型引入到裝配環境當中，規劃零部件的裝配路徑。在裝配路徑規劃過程當中，利用干涉檢查工具，確定裝配設備、工裝，以及零部件之間是否會產生干涉。若產生干涉，則將仿真信息反饋給裝配工藝設計，以便對裝配工藝設計進行修改。

f．裝配工藝信息標注。裝配路徑規劃與仿真完成之后，進行裝配工藝信息符號的標注，將裝配方法、裝配工藝參數以一種形象化的符號直接標注在三維模型上面。

g．三維裝配工藝審批管理。裝配工藝設計完成之后，將裝配工藝信息保存到PDM系統中進行管理，工藝審簽人員可以在PDM系統中查看工藝設計信息，進行工藝的校對、審核和批準。

h．三維裝配工藝現場可視化應用。當工藝發布之后，車間裝配人員通過工藝信息瀏覽器，查看工藝設計信息和仿真動畫信息，以指導現場裝配。

2 雷達結構三維裝配工藝信息模型

裝配工藝信息模型是裝配工藝設計的基礎，國內外對裝配工藝信息模型已經進行了比較深入的研究，提出了裝配關系模型、裝配層次模型和混合模型等比較有代表性的模型。但是，目前在裝配工藝信息建模中，普遍存在著模型的集成度不高、信息不完整等問題。通過對某雷達研制企業裝配工藝設計過程中涉及到的各類信息進行分析，建立了如圖2所示的雷達結構裝配工藝信息模型，包括裝配結構層、裝配工藝層和裝配資源層。

a．裝配結構層。裝配結構層描述了裝配BOM信息，體現了裝配體的裝配層次關系和裝配順序。一個裝配體由若干個子裝配體和零件按照一定的裝配約束關系組合而成，子裝配體可以包含更小的子裝配體，直至最底層的零件節點，零件是組成裝配體的最基本單元。裝配體中的每個裝配單元都有其物料屬性，如零部件代號、零部件名稱和父件號等。

b．裝配工藝層。裝配工藝層描述了產品或部件的裝配順序、裝配方法、裝配技術要求以及裝配過程所采用的裝配設備、工裝和工具等信息，包括裝配工藝、裝配工序、裝配工步和裝配操作4類工藝對象。其中，裝配工藝按照裝配單元的粒度大小又分為總裝工藝、分系統裝配工藝等；裝配工序是指在一個工作地點，采用一套設備，連續完成的裝配工作；裝配工步是指完成一個或多個對象的安裝而采取的連續裝配工作；裝配工藝的最底層是裝配操作，它是指對一個裝配對象實施的連續操作過程，裝配操作對象是指裝配過程中的所有可操作實體，操作對象不同，裝配操作也不同。

圖2 三維裝配工藝信息模型

c．裝配資源層。裝配資源層描述了完成某個零部件的裝配所采用的裝配設備、工裝和工具等裝配資源信息。裝配資源庫的建立應按照資源的類型去組織，以便于裝配資源的快速檢索。此外，為了實現三維環境下的裝配工藝仿真，需要有三維模型的支持，因此，裝配資源庫中應包含資源的三維模型。

在裝配工藝信息模型中，裝配工藝是其中的核心，它將裝配結構、裝配資源和裝配工藝緊密關聯起來。

3 EBOM與PBOM的區別

EBOM反映了產品的設計結構，PBOM是在EBOM基礎上，結合生產實際情況進行調整得到的。通過分析，EBOM和裝配BOM的主要區別體現在以下3個方面［6］，如圖3所示。

a．虛設部件。虛設部件是指在設計BOM中出現，但在實際生產中并不制造，也不存儲的部件。虛設部件沒有相應的制造BOM記錄。

b．工藝組件。工藝組件是指在設計BOM中不出現，但在實際生產中因為工藝要求，既要制造又要存儲的部件。工藝組件的生產類型一般為自制件。

c．外協部件。外協部件是指部件本身及其所屬的所有零部件都外協加工的部件。外協部件的生產類型為外協或外擴。

圖3 EBOM與PBOM區別

4 模型定義的雷達裝配工藝信息表達

二維工藝設計中的工藝信息通常以自然語言來描述，現場操作人員通常需要花費大量的時間去理解產品的裝配過程。符號相對于自然語言來說，直觀、便于理解、描述統一。因此，若將工藝信息符號化，則可以方便現場操作人員更好地理解工藝過程。為此，提出了一種三維裝配工藝信息表示符號，如圖4所示。

圖4 三維裝配工藝信息表示符號

a．數量。指相同裝配操作的數量。對于多個相同的裝配操作，標注時只標注1個裝配工藝信息符號，但多個相同的裝配操作應該與裝配工藝信息標注符號保持查詢關聯性。數量要求用“1×”、“2×”等來表示。當裝配數量為1時，“1×”可省略。

b．裝配方法符號。采用形象、直觀的符號來表示裝配方法，此欄框格內容為完成本次裝配所采用的裝配方法的符號，如圖4中的符號表示壓裝。

c．裝配約束信息。指本道裝配所形成的裝配約束信息，如圖4所示為面貼合和軸對齊約束。裝配約束應盡量不要采用設計上的配合約束，應盡量采用具有實際工程意義的裝配約束，如螺栓連接、軸連接等。

d．裝配工藝參數信息。代表裝配所采用的裝配工藝參數信息，例如，對于螺栓連接，其擰緊力矩為50 N·m。裝配工藝參數與裝配方法相對應，不同的裝配方法，其裝配工藝參數也不一樣。

e．裝配資源信息。指裝配過程所采用的裝配資源信息，主要包括設備信息、專用工裝信息、工具信息和輔料信息。此欄框格內容由設備型號、工裝型號、工具型號和輔料代號組成，裝配資源信息從企業制造資源庫中獲取。

f．檢驗信息。指裝配完成后，需要進行檢驗的關鍵尺寸和公差信息。例如，零件間間隙小于0．1 mm。

g．序號。指裝配工藝方法的先后順序。其中，M為工步號，N為該工步下的裝配操作順序。

5 系統實現

基于以上方法，利用VC＋＋作為開發工具，對三維CAD軟件Pro／E進行了二次開發，實現了雷達結構三維裝配工藝設計系統，并開發了與PDM系統WindChill的集成接口，可以從PDM系統中獲取產品的EBOM，并基于該EBOM進行裝配結構調整、裝配工藝設計、裝配路徑規劃與仿真，最后將調整生成的PBOM、裝配工藝設計信息保存到PDM系統中進行管理。

6 結束語

傳統的二維裝配工藝設計由于缺乏仿真驗證工具，導致編制的工藝不可避免地存在問題。三維裝配工藝設計系統能夠有效克服二維工藝設計中存在的問題，并通過仿真驗證工具，對工藝做出持續改進。以PDM作為協同工作平臺，通過對三維CAD軟件進行二次開發，實現了三維焊接工藝設計系統，并對系統實現的關鍵技術進行了詳細的論述。雷達結構三維裝配工藝設計系統，對于提高雷達裝配工藝設計的效率和質量，具有重要的意義。

［1］ 田富君，田錫天，耿俊浩，等．基于模型定義的工藝信息建模及應用［J］．計算機集成制造系統，2012，18（5）：913－919．

［2］ 田富君，張紅旗，張祥祥，等．雷達結構三維工藝設計系統研究［J］．雷達科學與技術，2013，11（4）：437－442．

［3］ 劉檢華，寧汝新，萬畢樂．面向生產現場的虛擬裝配工藝規劃技術［J］．計算機集成制造系統，2007，13（1）：67－73．

［4］ 夏平均，姚英學，李建廣，等．三維數字化裝配工藝系統的研究［J］．哈爾濱工業大學學報，2005，37（1）：36－39．

［5］ 田富君．基于輕量化模型的三維裝配工藝設計與仿真技術研究［D］．西安：西北工業大學，2012．

［6］ 劉曉冰，黃學文，馬 躍，等．面向產品全生命周期的xBOM 研究［J］．計算機集成制造系統－CIMS，2002，8（12）：983－987．