最大共性艦載配電箱三維數據庫的構建與應用

海軍裝備部駐上海地區軍事代表局 王春雷 任憲文

本文針對缺乏艦載電子設備三維數據積累，在向總體單位提供設備三維模型或三維爆炸圖的過程中暴露出來的疲于應付這一問題，結合配電箱的建模，探討了同類型設備最大共性三維數據庫的構建方法。首先，歸納、整理了傳統的CAD設計數據，分析了它們的結構特征；其次，分層次建立了基礎件模型和最大共性配電箱三維裝配模型，并以標準數據格式分類建庫保存；最后，介紹了該數據庫在個性化配電箱研制中的應用。工程實踐表明該數據庫實現了數據共享，減少了數據冗余，有助于提高研制效率，具有一定的工程實用價值。

傳統的設計制造模式是以二維工程圖為核心開展的，這導致了常規的艦載電子設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提供設備的三維模型以及三維爆炸圖。由于缺少三維數據積累，每型產品在完成二維設計后，還需反芻式三維建模，重復工作量巨大。

通過多年的技術積累，我們所研制的控制臺、機柜、配電箱等設備，在結構上已實現了標準化、通用化和系列化。研究表明，在工程設計中保守的估計大約超過75%的設計工作是基于范例設計，即重用早先的設計知識處理新的設計問題。通常在新產品研制之初，設計者一般會瀏覽、研究大量的CAD傳統數據，在以往同類型設備中尋找可利用的相同或相似結構。如果將這些特征結構提取出來，建成具有最大共性的同類型設備三維數據庫，對提高設備研制效率具有重要意義。

本文首先分析了配電箱的結構特征，對可通用的結構件、常用的元器件進行收集、歸納和整理，在此基礎上系統地、分層次構建最大共性三維數據庫；最后給出了該數據庫在個性化配電箱研制中的應用。

1 艦載配電箱的組成及規格

艦載配電箱是與控制臺、電子機柜配套的設備，主要作用是向系統提供220V 50Hz單項交流電源，并進行供電控制。

1.1 配電箱的組成

艦載配電箱為掛壁式結構，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外表面，蓋向左打開大于90°，拉桿裝在配電箱內下部。配電箱通過殼體上四個角處的安裝孔固定到艙室側壁上。蓋正面主要安裝電壓表、電流表、記時器、指示燈、開關、按鈕等具有顯示、控制功能的元器件，上方安裝設備標牌，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處理、過載保護和信號傳輸的器材。

1.2 配電箱的規格

艦載配電箱外形尺寸符合HJB68-92《艦艇電子設備顯控臺、機箱、機柜通用規范》3.5.5條“掛壁式機箱的基本尺寸規定”的要求，有大、中、小三個規格，外形見圖1，不同規格尺寸見表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，三種規格配電箱的結構形式基本一致。長、寬尺寸各不同，厚度尺寸相同。

2 艦載配電箱三維數據庫的構建

艦載配電箱在結構上存在以下共性特征：（1）運動組件手輪、拉桿和鉸鏈均已實現標準化、通用化；（2）同規格的蓋和殼體上除了元器件安裝尺寸外，其余結構特征一致，不同規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。

對傳統設計數據進行梳理、統計，將配電箱通用結構件匯總于表2中。

表2 配電箱通用結構件匯總

2.1 配電箱基礎件三維數據庫的構建

根據上述分析對所有結構件和常用元器件建模，在此基礎上對具有獨立功能的通用機構建立子裝配，如鉸鏈、拉桿及手輪組件；分類構建了主結構件通用毛坯庫、通用連接件庫、標識牌庫、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子模型庫。同時，以二維數據的形式存儲常用元器件的設計制造特征，諸如開孔尺寸、安裝面壁厚、公差及加工面涂覆與否等信息。基礎件數據庫組成見圖2。

圖2 配電箱基礎件數據庫組成

為了方便查詢，對結構件和元器件的命名做以下規定，通用結構件以“名稱+圖號_項目代號”來命名，如“蓋QP8.010.188_H/THB”、“拉桿QP4.440.004_7820”；可以部分通用的結構毛坯件以“XX毛坯”來命名，如“設備標牌毛坯”；元器件以“名稱+型號_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據庫的構建

對于同一規格的配電箱來說，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，結構件之間的連接方式也是一致的。通過訪問基礎件各子模型庫，提取相應的結構件和結構組件，結合三維軟件自帶的國標緊固件庫，根據層次關系確定系統目錄樹，實現裝配約束，分別建立起大、中、小三種規格的裝配模型，每一規格的配電箱給出了開、關兩種狀態。用戶通過與目錄樹的交互，可以了解到所有的裝配信息，直觀地對各部分進行拆裝呈現。這些模型是配電箱最大共性特征結構的集合體，可作為個性化設計的起點。為了方便在各種三維軟件及其不同版本之間轉換，實現信息的集成和共享，在數據完善后以標準數據格式（如STEP）導出、建庫保存，并將其嵌入到PLM系統中作為產品生命周期的一部分，實現集中控制和管理。這種格式的數據模型既維護了共性特征的一致性，又方便增加個性特征。圖3給出了三種規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據庫的應用

在接到一個新任務時，設計者首先根據設計輸入布局元器件，繪制一個簡化的裝配草圖，然后利用這個概念化的設計向數據庫查詢，通過特征歸屬、合并和標記，找到與之匹配的共性裝配模型，再加入個性化的特征結構。

具體的做法如下：

（1）根據檢索到的裝配模型組成，從主結構件庫中提取相應的蓋、殼體毛坯，從標識牌庫中提取各類標牌、銘牌毛坯，根據設備具體需求，對毛坯件二次建模，添加元器件及走線孔的定位尺寸和安裝尺寸、具體的標識內容等信息；

（2）專用結構體建模。是指本產品專用的元器件及其安裝結構；

（3）為了方便對總裝配模型中目錄樹的管理，后期模型的修改、維護，分層次建立子裝配。①對保險絲、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，在所有個性化結構件、組件建模完成后，分別建立蓋和殼體子裝配，將所屬結構裝配到位；

（4）提取同規格的最大共性配電箱三維模型，執行“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，在不影響現存相關約束的前提下快速完成個性化配電箱三維設計。圖4給出了基于數據庫建立的某中號配電箱三維裝配模型。

圖4 某中號配電箱三維裝配模型

結論：在分析了艦載配電箱的結構共性特征和個性特征的基礎上，系統地、分層次地構建了最大共性配電箱三維數據庫。該數據庫的應用維護了數據的一致性，減少了大量重復勞動，縮短了同類型設備及其三維爆炸圖的研制、制作周期，為標準控制臺、機柜等其它設備三維數據庫的建設提供了有益借鑒。