三維工藝系統在雷達數字化協同設計中的運用

陳小軍，練學輝，陳 楊

(1. 中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153；2. 海軍駐南京地區雷達系統軍事代表室，南京 210003)

三維工藝系統在雷達數字化協同設計中的運用

陳小軍1，練學輝2，陳 楊1

(1. 中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153；2. 海軍駐南京地區雷達系統軍事代表室，南京 210003)

通過基于結構工藝協同設計平臺的三維工藝系統，構建三維數字化工藝設計環境，形成設計工藝一體化型號協同研制環境，實現設計過程與工藝過程的協同，以及快速、高效的基于三維模型的結構化工藝規劃和管理，提高工藝規劃的質量，從整體上縮短工藝準備周期，提高工藝質量，奠定數字化工廠數據集成基礎。

三維工藝；雷達；協同設計

0 引 言

現代雷達設備往往集成如空中目標識別、空間多頻段綜合探測或通信偵察以及跟蹤和制導等多種功能于一體。[1-2]在系統設計過程中，為保證系統方案設計的正確性和合理性，需要在方案開發設計階段對系統方案和各學科專項技術進行充分分析，設計、仿真、工藝、加工、試驗數據統一管理和軟件工程化管理，工作流程優化控制，但過程中往往會忽略產品數字化工藝協同設計的集成，缺乏工藝與結構協同設計平臺，同時設計與生產制造不能有效銜接，使產品物化效率及資源利用方面大大降低。三維工藝系統正是針對目前雷達研制過程中所面對的問題，面向未來智慧工廠的建設前景，同時通過結構工藝協同管理系統的建設，提升在工藝環節的數字化應用能力，將產品設計與生產制造環節有機的聯系在一起，真正打通數字化產品設計、工藝、制造業務流程的銜接，為智慧工廠建設奠定基礎。

1 數字化協同設計平臺框架

針對雷達研制新任務采用的跨專業、跨學科的全新設計模式，建立智能化設計平臺，構建基于單一數據源的設計、制造、管理一體化三維智能化研發體系。針對同步工程設計的推進，開展數字化設計、仿真、制造平臺與工業設備融合技術研究，構建數字化研制系統，實現直接數字化研制，最終基于大數據積累，整合研制數據流，建立智能化平臺。[3-4]

為了實現雷達設備研制過程中跨學科的協同設計、仿真，需要建立數字化協同設計平臺環境，實現對研制過程的統一監控、協調和管理。從系統層面開展各專業技術協同的集成優化設計，打破原有的離散式設計模式，在協同設計中共享多專業、多設計者的認知和思想，提高設計的水平，強化設計的系統性、整體性，獲得優化的設計結果。數字化協同設計平臺總體框架圖如圖1所示。通過系統研制過程的多學科協同、多資源協同和多任務協同，建立包括技術基礎數據庫、工程數據庫、綜合管理數據庫、外部綜合數據庫、檔案數據庫和試驗驗證數據庫的協同設計信息庫。構建智能化設計系統旨在面向產品全生命周期的全數字化協同研制環境，提供產品研制多專業、多系統、多部門的協同工作環境，組建與之相適應的組織機構和具有企業特點的數字化協同研制模式和協調機制，實現研制項目在設計、工藝、工裝、制造等全生命周期各階段的并行協同和數字化管理，以提高協作效率，縮短產品研制周期。

圖1 數字化協同設計平臺總體框架圖

2 三維工藝系統實現方案

通過建立基于協同設計平臺的三維工藝系統，工藝部門才能夠提前參與，共享產品設計階段的相關信息，提前完成對設計的工藝審查，同時基于三維模型的工藝工序模型，可以便于后續的加工制造及檢測。這樣，一方面提高產品的可制造性、工藝可達性、產品可維護性，避免后期出現不必要的返工，同時可對新型結構形式、新工藝、新材料的利用提前開展研究工作，減少由于制造工藝性問題所造成的設計與制造協調時間，促進新技術、新材料、新工藝的應用水平提高。

工藝人員要充分考慮產品設計的工藝合理性以及制造設備、工裝等制造資源的合理選擇等。[5]這需要工藝人員與設計、生產、物資等部門間進行充分的交流與協調。通過建立面向產品全生命周期的協同工藝設計模式，有效地實現工藝設計中的協同工作，可以提高工藝設計過程的合理性，實現工藝設計過程的優化，有利于制造資源的合理利用，對于縮短智能制造企業的產品開發周期、降低產品成本、提高產品質量具有十分重要的理論和現實意義。

數字化協同設計工藝制造流程如圖2所示。在產品工藝設計過程中，加工、裝配規劃與驗證環境在一個虛擬環境中驗證新的過程和技術，不需要在研究方面進行大量投資，也不需要驗證物理工廠。動態加工、裝配過程仿真給工藝人員提供了一個三維的虛擬制造環境來驗證和評價裝配制造過程和制造方法。三維工藝系統可以把產品、資源和工藝操作結合起來分析產品裝配的順序和工序的流程，并在裝配制造模型下進行裝配工裝的驗證、仿真夾具的動作、仿真產品的裝配流程、驗證產品裝配的工藝性，達到盡早發現問題、解決問題的目的。

圖2 數字化協同設計工藝制造流程示意

2.1 基于MBD的三維零件工藝設計方案

三維工藝系統以結構化工藝的編制方式作為工藝設計和管理的基本思路，即通過產品結構設計、工藝、工廠與資源四者共同構建工藝BOP，使得所有工藝信息全部結構化，工藝數據的管理也更加清晰，數據的檢索和重用也更加快捷。

依據數據模型，既可在三維工藝系統對工藝相關的數據進行合理的組織，以結構化的數據管理模式清晰展現數據之間的相互關系，更便于在系統集成時對相關數據進行提取。

工藝人員從二次分工中獲取工藝編制任務的同時也獲取PBOM中的零件信息，如發生結構設計中存在問題時可通過協同設計平臺返回原設計師進行修改。

(a) 工藝人員利用三維規劃及設計系統根據零件的制造過程按照結構化工藝的編制思想建立零件工藝BOP，零件工藝BOP中包含工藝、工序、工步、關聯的零件以及模型、工裝、設備等；

(b) 在完成工藝BOP后，工藝人員以關聯的零件模型為基礎對數控加工工序進行工序建模，通過系統功能進入基于MBD的三維結構設計系統中，利用基于MBD的思想逐一完成各工序模型；

(c) 在數控仿真環境中，工藝人員利用數控編程對工序模型進行數控仿真，在仿真過程中可同時加載零件工藝BOP中的工裝模型、設備模型，形成數控仿真模型，按照實際加工需要對模型位置關系進行調整，最終輸出加工仿真程序；

(d) 零件工藝BOP、工序模型、數控仿真模型、仿真程序等均直接在三維工藝系統中保存和管理，并可通過業務系統集成功能傳遞到下游系統。

2.2 工藝規程

工藝人員以工藝任務下發的基于PBOM的零件對象為基礎，在三維工藝規劃及設計系統中創建零件工藝規程。

工藝規程作為零件工藝的總成在下一層級可包含的工藝類別如鑄造、焊接、熱處理、切削加工、鈑金成形、表面處理等專業工藝。在零件工藝規程創建過程中，系統能夠支持手工和自動創建專業工藝。

系統不僅支持單個工藝人員完成多門類工藝設計的功能，還支持多門類工藝協同設計的功能，由工藝總負責人完成總體零件工藝規程創建，通過系統提供的“轉移所有權”功能，將不同門類的工藝對象分派給指定的人員。

工藝人員在系統中通過菜單功能來完成結構化工序路線規劃和編輯工作。在工序編輯界面中產品信息、工藝信息可自動從關聯的產品和工藝上獲取。工藝人員根據實際情況對工序類型和工序名稱等工序信息進行編輯，來完善工序路線規劃。

2.3 工序模型設計

在進行詳細工序結構化設計時，可在系統中通過關聯的零件隨時查看零件三維模型及零件設計信息，以輔助工藝路線設計。

工藝人員創建完成結構化工藝后，針對每道工序創建工序模型，并按照MBD工序模型定義標準開展三維工序模型(包括毛坯模型、工序模型、檢驗模型)快速構建與管理，并實現與三維零件設計模型的關聯。在構建過程中工藝人員可直接瀏覽設計模型和標注，創建的工序模型直接繼承三維設計模型PMI信息。

工藝人員針對產品特征和制造要求來對工序三維模型進行加工特征表達如鉆孔、型腔、鍵槽、凹腔、凸臺、外圓面等，最終生成符合加工要求的加工工序模型。圖3為工序模型特征表達示意圖。

2.4 關聯工藝資源

三維工藝系統支持在編輯工序或工步過程中通過選擇工藝資源庫中的信息來添加所需設備、所需工裝、機床、刀具、夾具等制造資源。

圖3 工序模型特征表達示意圖

在工序或工步編輯過程中所需的工藝資源均來自系統中的工藝資源庫。系統支持查詢功能，可以按條件查詢和模糊查詢。

2.5 基于模板創建工藝

當工藝人員編制零件工藝時，根據零件的特點進行分析確定是否可以從典型知識庫中選取模板工藝來創建。系統支持在編制工藝時基于典型工藝模板創建整本工藝、基于典型工序模板創建單個工序、基于典型工步模板創建單道工步。

工藝人員通過系統功能進入典型工藝知識庫，根據所需要借用的典型模板來展開或查詢典型工藝知識信息，結構化的典型工藝知識庫可以方便工藝人員在進行工藝設計的時候能夠清晰、直觀地從不同的典型工藝知識庫中查詢和調用有用的信息。

3 三維工藝協同設計注意事項

3.1 在工序對象下新建工序模型三維數據集

在零件工藝BOP上為每道工序創建一個三維模型數據集，也可以通過三維設計集成環境打開工序對象直接創建模型數據集，通過三維模型數據集來管理三維工序模型的實體文件。

3.2 通過協同關聯生成從零件設計模型逐一生成工序三維模型

三維工序模型繼承于三維設計模型信息，兩者之間保持著關聯關系，通過三維設計模型的變更能夠實現三維工序模型的關聯變更。同時，相關文檔或快照中引用到的工序模型也將同步更新。圖4為工序模型關聯生成示意圖。

圖4 工序模型關聯生成示意圖

3.3 接口問題

(1) 考慮與CAM軟件集成，需配置與相應 CAM模塊集成接口；

(2) 考慮與制造管理系統集成，支持將結構化工藝信息(PBOM、工藝路線、工裝和材料定額等)傳遞到制造管理系統；

(3) 考慮與物資系統集成，支持物資系統材料庫數據實時同步；

(4) 同時要考慮支持二維工藝歷史數據的導入等等。

4 結束語

三維工藝系統在數字工廠架構中起到承上啟下的作用，基于結構化、可視化的工藝編制、協同設計和管理體系，同時實現制造過程的可視化和快速追溯，并實現知識的挖掘分析和積累，快速提高產品設計、工藝設計的質量。通過協同工藝設計平臺建設，可實現基于數字化環境的生產制造能力和管理能力的創新。

三維工藝系統提供對產品、工藝、工廠與資源共同構建工藝結構清單的功能，對工藝相關的數據進行合理的組織，以結構化的數據管理模式清晰展現數據之間的相互關系，更便于在系統集成時對相關數據進行提取。該系統實現在單一數字化企業系統下的設計生命周期和生產生命周期貫通集成管控，在單一系統下實現設計到制造技術狀態的連續傳遞、跟蹤和控制，統一管控設計和制造資源分類提取以設計工程數據為核心的PMI信息，在單一數據庫中實現基于可視化模型的技術狀態瀏覽和審核，保證設計到制造階段的BOM體系完整連續，為后續的生產制造提供完整的結構化數據支撐，從而縮短產品研制周期、提高質量、降低成本。

[1] 電機工程手冊編輯委員會編. 機械工程手冊[M]. 北京:機械工業出版社,1996.

[2] 南京電子技術研究所譯. 雷達手冊 [M]. 3版. 北京：電子工業出版社，2010.

[3] 王國玉 汪連棟. 雷達電子戰系統數學仿真與評估[M]. 北京：國防工業出版社,2004.

[4] 張錫祥. 現代雷達對抗技術[M].北京：國防工業出版社,1998.

[5] Hector Garcia-Molina, Jeffrey D Ullman數據庫實現原理[M]. 楊冬青,等,譯.北京:機械工業出版社，2005.

Application of 3D technology system in radar digital cooperation design

CHEN Xiao-jun1, LIAN Xue-hui2, CHEN Yang1

(1.No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153; 2. Military Representatives Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003)

The 3D digital technology design environment is established and the cooperation development environment for the integrated design and technology model is formed through the 3D technology system based on the structural technology cooperation design platform, realizing the cooperation between the design process and the technology process. With the rapid and efficient structural technology planning and management based on the 3D model, the quality of the technology planning and the technology is improved, and the technology preparation cycle is shortened as a whole, laying the foundation for digital factory data integration.

3D technology; radar; cooperation design

TN957.8

A

1009-0401(2017)04-0047-04

2017-11-02；

2017-11-20

陳小軍(1977-)，男，高級工程師，研究方向：雷達結構工藝技術；練學輝(1965-)，男，高級工程師，研究方向：雷達總體技術；陳楊(1981-)，男，高級工程師，博士，研究方向：雷達結構設計。