基于UG/WAVE無人戰車的新設計方法

高新安，管小榮，司 訪，牟奧敏

(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094； 2.中國兵器工業第二〇八所， 北京 102202)

在無人戰車的傳統設計方法中，通常先對各零部件進行詳細設計，然后在組件模式下進行約束裝配，因而在裝配過程中存在許多父子關系。當修改某些零部件后，會發現以這些零件的點、線、面為基準的其他裝備零件因為缺失裝配基準而無法裝配，需要進行反復的修改，重復工作量大，延長了設計更新所需的時間，降低了設計效率，在人力和時間上造成不必要的浪費[1-2]。無人戰車各個部件、零件之間存在緊密的關聯關系，在設計過程中，這些關系相互傳遞，采用自頂向下的設計方法，可以優化設計方案，提升設計的水平，滿足無人戰車的研制需求。

本文基于UG/WAVE，對無人戰車自頂向下設計方法進行了研究。在無人戰車總體控制結構的基礎上建立了無人戰車自頂向下設計模型，實現了設計人員之間的協同和并行設計，提高了無人戰車的研發效率。

1 無人戰車結構分析

無人戰車是集機械化、電子化和信息化于一體的智能武器作戰平臺[3]。無人戰車從結構上可分為上裝作戰載荷部分和下裝車體兩部分。上裝作戰載荷部分機槍布置于槍塔子系統回轉中心；觀瞄子系統布置于機槍右側，與機槍搖架固連；機槍彈箱布置在托架左側。槍塔部分除了作為武器回轉、高低俯仰的支撐，也是各類傳感器、執行電機等的安裝平臺。圖1為無人戰車作戰載荷分系統拓撲結構。

圖1 作戰載荷分系統拓撲結構

下裝車體部分包括顯控終端、火控箱、底架、頂蓋裝置以及車輪等，顯控終端、火控箱等可根據車內空間進行組合或分解，安裝于適當位置。

2 基于UG/WAVE的自頂向下技術建模方法

無人戰車采用這種設計方法時，在設計初始階段，將無人戰車作為一個整體，考慮無人戰車的功能、結構、部件裝配等特點，對部件進行分解，在無人戰車的頂層進行總體設計，事先規劃無人戰車框架并考慮裝配和定位信息，應用UG/ WAVE技術生成總體控制模型，完成概念設計后再對零部件的結構進行詳細設計，從而實現無人戰車的自頂向下的零部件結構設計。

自頂向下裝配設計有2種方法：

1) 首先在裝配中創建一個沒有任何幾何對象的新組件，接著將新組件設為工作部件，最后在新創建的組件中建立幾何模型。

2) 首先在裝配中創建幾何模型，然后建立新組件，最后將幾何模型添加到新創建的組件中。

運用UG/WAVE技術對無人戰車進行自頂向下設計有以下兩個主要優點：

1) 當無人戰車設計要求改變時，只需要修改頂層的設計數據，因為其他零部件都與此設計數據保持關聯，所以它們也將自動跟著修改，無需對零部件進行一一的修改，這樣就可以實現無人戰車的自動同步更新。

2) 在無人戰車設計的概念設計階段，就明確無人戰車的設計要求、主要性能指標、裝配關系等主要信息，這些信息在任務分配的同時也分配給各設計人員，便于實現各設計人員之間的協同和并行設計。

3 無人戰車自頂向下設計過程

3.1 模塊劃分

在無人戰車結構化設計中，根據設計需求，采用自頂向下，逐步分解的方法，將無人戰車系統分解為一些相對簡單、功能單一的模塊，包括槍，彈藥箱，底座，車體，電機，瞄準系統，槍身托板等一級模塊。其劃分過程框圖如圖2所示。

將干餾污水處理后回用于油頁巖干餾生產，不僅實現了污水的零排放，每年節約水資源300余萬t，而且還可以回收干餾污水余熱供暖約11萬m2，每年可節約標煤3 019 t。

圖2 無人戰車模塊劃分過程框圖

3.2 總體控制參數

根據無人戰車總體研制需求，確定無人戰車的總體設計參數。有關參數符號參見圖3和圖4之無人戰車示意圖。無人戰車總體設計參數作為各個子系統關聯設計的設計目標及約束條件,應包括表1的內容。

表1 總體控制參數

3.3 總體控制結構模型

總體控制結構是一個介紹產品空間布局和組件設計標準的總裝配體，它包含著產品裝配的空間規劃及安裝位置等信息[7]。通過一些簡單的幾何體來描述總體設計要求和關鍵零部件位置，為接下來的設計提供約束框架，解決無人戰車的設計問題。

圖3 無人戰車示意圖側向

圖4 無人戰車示意圖主視方向

因此通過總體控制參數建立無人戰車設計中的主要基準框架，建立基準平面和基準線并建立草圖輪廓線。

基準線：耳軸軸線、底座軸線(回轉軸線)。

草圖輪廓線：無人戰車各個零部件大致的外形輪廓草圖。

基準平面:3個絕對基準面XOY、XOZ、YOZ以及由控制參數形成的基準平面，如表2。

由此確定的總基準可建立起無人戰車的總體基準框架，如圖5所示。

表2 總體基準平面

3.4 總體控制結構樹

控制結構在樹狀結構的底層包含產品的控制、性能、布置等內容，根據這些內容可以將產品劃分為相互關聯的不同子系統，設計人員只需在每個子系統內進行相應的工作[8]。因此，創建整個無人戰車的裝配體；在總體裝配體下建立無人戰車的各個部件，利用WAVE技術，在各個部件中分別復制無人戰車總體控制結構中相應的約束信息；接著為各個部件建立對應的起始部件，在起始部件中復制相對應部件的約束信息；最終將無人戰車總體控制結構作為根節點，各個部件及相應的起始部件為分支，建立無人戰車總體控制結構樹。圖6所示為只包含前輪軸、左前輪和右前輪的無人戰車總體控制結構樹示例。

圖5 無人戰車總體基準框架

圖6 總體控制結構樹示例框圖

3.5 裝配結構樹

新建無人戰車總成裝配體,在無人戰車總成裝配體下建立無人戰車的子裝配體。無人戰車連接部件都由相應的起始部件進行詳細設計，為起始部件創建其連接部件，將起始部件中的約束信息復制到連接部件中，形成裝配結構樹[9]。圖7所示無人戰車裝配結構樹圖例為只包含車輪和裝飾罩。

圖7 裝配結構樹示例框圖

3.6 模型詳細設計

在無人戰車裝配結構導航器中依次將所需要進行詳細設計的零部件設置為顯示部件，按照已設定好的約束條件，通過草圖和特征操作等方法來實現零部件結構的詳細設計。槍管部件裝配模型圖如圖8，瞄準鏡部件、彈箱部件以及車體部件裝配模型如圖9。槍管部件、瞄準鏡部件、彈箱以及車體部件的最終裝配模型的主要參數如表3。

圖8 槍管部件裝配模型

圖9 瞄準鏡部件、彈箱部件以及車體部件裝配模型

參數名稱數據/mm參數名稱數據/mm槍管長度943槍管參熱套長度232彈箱寬度155槍管散熱口直徑33彈箱長度262槍管散熱套厚度5彈箱高度152主車體長1 533槍管口徑14.5主車體寬330槍管外徑36主車體高697

3.7 參數化實體模型建立

完成無人戰車各部件和子部件參數化實體模型建立，利用UG/WAVE的裝配技術進行無人戰車總體參數化裝配[10]，在裝配時由于裝配導航器中的各部件擁有相同的參考系，可使用絕對原點進行裝配，摒除了傳統設計裝配時零件間的裝配約束，裝配完成的無人戰車參數化實體模型如圖10所示。

4 結論

針對無人戰車規范及產品功能、結構、部件裝配特點，基于UG/WAVE技術，采用自頂向下的設計方法，建立了無人戰車參數化模型；這種設計方法不僅支持設計人員之間的并行設計和相關設計，在設計階段避免重復性工作，降低設計工作量，提高設計效率。

圖10 無人戰車參數化實體模型