基于UG/WAVE無(wú)人戰(zhàn)車的新設(shè)計(jì)方法

高新安，管小榮，司 訪，牟奧敏

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094； 2.中國(guó)兵器工業(yè)第二〇八所， 北京 102202)

在無(wú)人戰(zhàn)車的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中，通常先對(duì)各零部件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，然后在組件模式下進(jìn)行約束裝配，因而在裝配過(guò)程中存在許多父子關(guān)系。當(dāng)修改某些零部件后，會(huì)發(fā)現(xiàn)以這些零件的點(diǎn)、線、面為基準(zhǔn)的其他裝備零件因?yàn)槿笔аb配基準(zhǔn)而無(wú)法裝配，需要進(jìn)行反復(fù)的修改，重復(fù)工作量大，延長(zhǎng)了設(shè)計(jì)更新所需的時(shí)間，降低了設(shè)計(jì)效率，在人力和時(shí)間上造成不必要的浪費(fèi)[1-2]。無(wú)人戰(zhàn)車各個(gè)部件、零件之間存在緊密的關(guān)聯(lián)關(guān)系，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，這些關(guān)系相互傳遞，采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，可以優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提升設(shè)計(jì)的水平，滿足無(wú)人戰(zhàn)車的研制需求。

本文基于UG/WAVE，對(duì)無(wú)人戰(zhàn)車自頂向下設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。在無(wú)人戰(zhàn)車總體控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上建立了無(wú)人戰(zhàn)車自頂向下設(shè)計(jì)模型，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)人員之間的協(xié)同和并行設(shè)計(jì)，提高了無(wú)人戰(zhàn)車的研發(fā)效率。

1 無(wú)人戰(zhàn)車結(jié)構(gòu)分析

無(wú)人戰(zhàn)車是集機(jī)械化、電子化和信息化于一體的智能武器作戰(zhàn)平臺(tái)[3]。無(wú)人戰(zhàn)車從結(jié)構(gòu)上可分為上裝作戰(zhàn)載荷部分和下裝車體兩部分。上裝作戰(zhàn)載荷部分機(jī)槍布置于槍塔子系統(tǒng)回轉(zhuǎn)中心；觀瞄子系統(tǒng)布置于機(jī)槍右側(cè)，與機(jī)槍搖架固連；機(jī)槍彈箱布置在托架左側(cè)。槍塔部分除了作為武器回轉(zhuǎn)、高低俯仰的支撐，也是各類傳感器、執(zhí)行電機(jī)等的安裝平臺(tái)。圖1為無(wú)人戰(zhàn)車作戰(zhàn)載荷分系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 作戰(zhàn)載荷分系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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(jù)車內(nèi)空間進(jìn)行組合或分解，安裝于適當(dāng)位置。

2 基于UG/WAVE的自頂向下技術(shù)建模方法

無(wú)人戰(zhàn)車采用這種設(shè)計(jì)方法時(shí)，在設(shè)計(jì)初始階段，將無(wú)人戰(zhàn)車作為一個(gè)整體，考慮無(wú)人戰(zhàn)車的功能、結(jié)構(gòu)、部件裝配等特點(diǎn)，對(duì)部件進(jìn)行分解，在無(wú)人戰(zhàn)車的頂層進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，事先規(guī)劃無(wú)人戰(zhàn)車框架并考慮裝配和定位信息，應(yīng)用UG/ WAVE技術(shù)生成總體控制模型，完成概念設(shè)計(jì)后再對(duì)零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人戰(zhàn)車的自頂向下的零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

自頂向下裝配設(shè)計(jì)有2種方法：

1) 首先在裝配中創(chuàng)建一個(gè)沒(méi)有任何幾何對(duì)象的新組件，接著將新組件設(shè)為工作部件，最后在新創(chuàng)建的組件中建立幾何模型。

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

運(yùn)用UG/WAVE技術(shù)對(duì)無(wú)人戰(zhàn)車進(jìn)行自頂向下設(shè)計(jì)有以下兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：

1) 當(dāng)無(wú)人戰(zhàn)車設(shè)計(jì)要求改變時(shí)，只需要修改頂層的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，因?yàn)槠渌悴考寂c此設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)保持關(guān)聯(lián)，所以它們也將自動(dòng)跟著修改，無(wú)需對(duì)零部件進(jìn)行一一的修改，這樣就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人戰(zhàn)車的自動(dòng)同步更新。

2) 在無(wú)人戰(zhàn)車設(shè)計(jì)的概念設(shè)計(jì)階段，就明確無(wú)人戰(zhàn)車的設(shè)計(jì)要求、主要性能指標(biāo)、裝配關(guān)系等主要信息，這些信息在任務(wù)分配的同時(shí)也分配給各設(shè)計(jì)人員，便于實(shí)現(xiàn)各設(shè)計(jì)人員之間的協(xié)同和并行設(shè)計(jì)。

3 無(wú)人戰(zhàn)車自頂向下設(shè)計(jì)過(guò)程

3.1 模塊劃分

在無(wú)人戰(zhàn)車結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)中，根據(jù)設(shè)計(jì)需求，采用自頂向下，逐步分解的方法，將無(wú)人戰(zhàn)車系統(tǒng)分解為一些相對(duì)簡(jiǎn)單、功能單一的模塊，包括槍，彈藥箱，底座，車體，電機(jī)，瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，槍身托板等一級(jí)模塊。其劃分過(guò)程框圖如圖2所示。

將干餾污水處理后回用于油頁(yè)巖干餾生產(chǎn)，不僅實(shí)現(xiàn)了污水的零排放，每年節(jié)約水資源300余萬(wàn)t，而且還可以回收干餾污水余熱供暖約11萬(wàn)m2，每年可節(jié)約標(biāo)煤3 019 t。

圖2 無(wú)人戰(zhàn)車模塊劃分過(guò)程框圖

3.2 總體控制參數(shù)

根據(jù)無(wú)人戰(zhàn)車總體研制需求，確定無(wú)人戰(zhàn)車的總體設(shè)計(jì)參數(shù)。有關(guān)參數(shù)符號(hào)參見(jiàn)圖3和圖4之無(wú)人戰(zhàn)車示意圖。無(wú)人戰(zhàn)車總體設(shè)計(jì)參數(shù)作為各個(gè)子系統(tǒng)關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)及約束條件,應(yīng)包括表1的內(nèi)容。

表1 總體控制參數(shù)

3.3 總體控制結(jié)構(gòu)模型

總體控制結(jié)構(gòu)是一個(gè)介紹產(chǎn)品空間布局和組件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的總裝配體，它包含著產(chǎn)品裝配的空間規(guī)劃及安裝位置等信息[7]。通過(guò)一些簡(jiǎn)單的幾何體來(lái)描述總體設(shè)計(jì)要求和關(guān)鍵零部件位置，為接下來(lái)的設(shè)計(jì)提供約束框架，解決無(wú)人戰(zhàn)車的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

圖3 無(wú)人戰(zhàn)車示意圖側(cè)向

圖4 無(wú)人戰(zhàn)車示意圖主視方向

因此通過(guò)總體控制參數(shù)建立無(wú)人戰(zhàn)車設(shè)計(jì)中的主要基準(zhǔn)框架，建立基準(zhǔn)平面和基準(zhǔn)線并建立草圖輪廓線。

基準(zhǔn)線：耳軸軸線、底座軸線(回轉(zhuǎn)軸線)。

草圖輪廓線：無(wú)人戰(zhàn)車各個(gè)零部件大致的外形輪廓草圖。

基準(zhǔn)平面:3個(gè)絕對(duì)基準(zhǔn)面XOY、XOZ、YOZ以及由控制參數(shù)形成的基準(zhǔn)平面，如表2。

由此確定的總基準(zhǔn)可建立起無(wú)人戰(zhàn)車的總體基準(zhǔn)框架，如圖5所示。

表2 總體基準(zhǔn)平面

3.4 總體控制結(jié)構(gòu)樹(shù)

控制結(jié)構(gòu)在樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的底層包含產(chǎn)品的控制、性能、布置等內(nèi)容，根據(jù)這些內(nèi)容可以將產(chǎn)品劃分為相互關(guān)聯(lián)的不同子系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員只需在每個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的工作[8]。因此，創(chuàng)建整個(gè)無(wú)人戰(zhàn)車的裝配體；在總體裝配體下建立無(wú)人戰(zhàn)車的各個(gè)部件，利用WAVE技術(shù)，在各個(gè)部件中分別復(fù)制無(wú)人戰(zhàn)車總體控制結(jié)構(gòu)中相應(yīng)的約束信息；接著為各個(gè)部件建立對(duì)應(yīng)的起始部件，在起始部件中復(fù)制相對(duì)應(yīng)部件的約束信息；最終將無(wú)人戰(zhàn)車總體控制結(jié)構(gòu)作為根節(jié)點(diǎn)，各個(gè)部件及相應(yīng)的起始部件為分支，建立無(wú)人戰(zhàn)車總體控制結(jié)構(gòu)樹(shù)。圖6所示為只包含前輪軸、左前輪和右前輪的無(wú)人戰(zhàn)車總體控制結(jié)構(gòu)樹(shù)示例。

圖5 無(wú)人戰(zhàn)車總體基準(zhǔn)框架

圖6 總體控制結(jié)構(gòu)樹(shù)示例框圖

3.5 裝配結(jié)構(gòu)樹(shù)

新建無(wú)人戰(zhàn)車總成裝配體,在無(wú)人戰(zhàn)車總成裝配體下建立無(wú)人戰(zhàn)車的子裝配體。無(wú)人戰(zhàn)車連接部件都由相應(yīng)的起始部件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，為起始部件創(chuàng)建其連接部件，將起始部件中的約束信息復(fù)制到連接部件中，形成裝配結(jié)構(gòu)樹(shù)[9]。圖7所示無(wú)人戰(zhàn)車裝配結(jié)構(gòu)樹(shù)圖例為只包含車輪和裝飾罩。

圖7 裝配結(jié)構(gòu)樹(shù)示例框圖

3.6 模型詳細(xì)設(shè)計(jì)

在無(wú)人戰(zhàn)車裝配結(jié)構(gòu)導(dǎo)航器中依次將所需要進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)的零部件設(shè)置為顯示部件，按照已設(shè)定好的約束條件，通過(guò)草圖和特征操作等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)零部件結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。槍管部件裝配模型圖如圖8，瞄準(zhǔn)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(zhǔn)鏡部件、彈箱以及車體部件的最終裝配模型的主要參數(shù)如表3。

圖8 槍管部件裝配模型

圖9 瞄準(zhǔn)鏡部件、彈箱部件以及車體部件裝配模型

參數(shù)名稱數(shù)據(jù)/mm參數(shù)名稱數(shù)據(jù)/mm槍管長(zhǎng)度943槍管參熱套長(zhǎng)度232彈箱寬度155槍管散熱口直徑33彈箱長(zhǎng)度262槍管散熱套厚度5彈箱高度152主車體長(zhǎng)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(shù)化實(shí)體模型建立

完成無(wú)人戰(zhàn)車各部件和子部件參數(shù)化實(shí)體模型建立，利用UG/WAVE的裝配技術(shù)進(jìn)行無(wú)人戰(zhàn)車總體參數(shù)化裝配[10]，在裝配時(shí)由于裝配導(dǎo)航器中的各部件擁有相同的參考系，可使用絕對(duì)原點(diǎn)進(jìn)行裝配，摒除了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)裝配時(shí)零件間的裝配約束，裝配完成的無(wú)人戰(zhàn)車參數(shù)化實(shí)體模型如圖10所示。

4 結(jié)論

針對(duì)無(wú)人戰(zhàn)車規(guī)范及產(chǎn)品功能、結(jié)構(gòu)、部件裝配特點(diǎn)，基于UG/WAVE技術(shù)，采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，建立了無(wú)人戰(zhàn)車參數(shù)化模型；這種設(shè)計(jì)方法不僅支持設(shè)計(jì)人員之間的并行設(shè)計(jì)和相關(guān)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)階段避免重復(fù)性工作，降低設(shè)計(jì)工作量，提高設(shè)計(jì)效率。

圖10 無(wú)人戰(zhàn)車參數(shù)化實(shí)體模型