雷达结构三维装配工艺设计系统研究

田富君，陈兴玉，周红桥，胡祥涛，张红旗

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥230088）

0 引言

雷达装备具有结构复杂、多品种、跨平台和变批量等特点，即使在产品零件全部合格的情况下，也很难保证装配后产品的合格率，往往需要经过多次试装、拆卸、返工才能装配出合格产品。装配是雷达产品设计过程中的重要环节，其结果直接影响到产品的质量、性能、寿命和可维护性。

随着三维CAD技术和虚拟装配技术的发展，以及基于模型定义 MBD［1－2］技术的实施，在三维环境下进行装配工艺设计已经具备了条件。工艺设计人员可以在三维可视化环境下进行装配工艺的设计，并在工装、工具三维模型的支持下对工装的合理性和工具的可达性进行验证，同时输出三维装配工艺文件以指导现场操作人员进行装配。国内研究人员［3－5］对三维装配工艺设计系统进行了深入的研究，并开发了原型系统，有些已经在企业内进行了局部的应用。在此，根据雷达结构特点、以及雷达装配工艺设计的特点，分析了雷达结构三维装配工艺设计过程，建立了雷达结构装配工艺信息模型，并对系统实现的关键技术进行了研究。

1 雷达结构三维装配工艺设计过程

雷达装备结构复杂，异形复杂零部件多，装配精度要求高，装配过程以手工装配为主。随着多型号任务的并行开展，传统的二维装配工艺设计方法已不能满足需求。通过数字样机来代替物理样机进行装配工艺设计与仿真，能够及时发现工艺设计过程存在的问题，减少工艺更改，从而缩短产品的研制周期。通过对某雷达研制企业装配工艺设计的业务流程进行分析，建立了雷达结构三维装配工艺设计系统总体技术路线，如图1所示。雷达结构工艺设计系统以PDM作为协同工作平台，以企业标准规范作为指导。

图1 系统总体技术路线

a．PBOM构建。EBOM反映产品设计结构的BOM形式，主要根据产品功能要求来确定包含哪些零部件以及这些零部件的结构关系。PBOM是在EBOM的基础上，结合生产实际情况进行调整得到的，其结构形式发生了变化，如液压、电气部件拆分到相应的装配部件PBOM中，部分装配组件按工位进行二次拆分等情况。因此，在工艺设计之前，就需要对产品的EBOM按照产品结构的设计分离面和工艺分离面进行调整，形成产品的PBOM。

b．工艺编制任务分配。PBOM构建完成之后，工艺主管根据划分好的PBOM，指定具体的工艺编制人员，在PDM系统中启动工艺编制、审批流程。

c．装配BOM管理。PBOM仅仅是构建了总装层级的BOM结构，而对于分系统甚至是部件级的PBOM结构，由工艺设计人员在工艺设计时调整。装配BOM管理主要完成分系统和部件级BOM的调整，具体包括装配结构调整和装配顺序规划。

d．装配工艺设计。根据零部件的装配顺序，确定零部件的装配工艺路线，定义每道装配工序，确定每道装配工序所用到的装配资源信息（装配设备）。然后进行装配工序详细设计，定义每个装配工序下面的装配工步信息，并确定每个装配工步所用到的装配资源信息（工装、工具）。

e．装配路径规划与仿真。装配工艺设计完成之后，以工位为基本单位，将装配设备、工装、工具以及产品三维模型引入到装配环境当中，规划零部件的装配路径。在装配路径规划过程当中，利用干涉检查工具，确定装配设备、工装，以及零部件之间是否会产生干涉。若产生干涉，则将仿真信息反馈给装配工艺设计，以便对装配工艺设计进行修改。

f．装配工艺信息标注。装配路径规划与仿真完成之后，进行装配工艺信息符号的标注，将装配方法、装配工艺参数以一种形象化的符号直接标注在三维模型上面。

g．三维装配工艺审批管理。装配工艺设计完成之后，将装配工艺信息保存到PDM系统中进行管理，工艺审签人员可以在PDM系统中查看工艺设计信息，进行工艺的校对、审核和批准。

h．三维装配工艺现场可视化应用。当工艺发布之后，车间装配人员通过工艺信息浏览器，查看工艺设计信息和仿真动画信息，以指导现场装配。

2 雷达结构三维装配工艺信息模型

装配工艺信息模型是装配工艺设计的基础，国内外对装配工艺信息模型已经进行了比较深入的研究，提出了装配关系模型、装配层次模型和混合模型等比较有代表性的模型。但是，目前在装配工艺信息建模中，普遍存在着模型的集成度不高、信息不完整等问题。通过对某雷达研制企业装配工艺设计过程中涉及到的各类信息进行分析，建立了如图2所示的雷达结构装配工艺信息模型，包括装配结构层、装配工艺层和装配资源层。

a．装配结构层。装配结构层描述了装配BOM信息，体现了装配体的装配层次关系和装配顺序。一个装配体由若干个子装配体和零件按照一定的装配约束关系组合而成，子装配体可以包含更小的子装配体，直至最底层的零件节点，零件是组成装配体的最基本单元。装配体中的每个装配单元都有其物料属性，如零部件代号、零部件名称和父件号等。

b．装配工艺层。装配工艺层描述了产品或部件的装配顺序、装配方法、装配技术要求以及装配过程所采用的装配设备、工装和工具等信息，包括装配工艺、装配工序、装配工步和装配操作4类工艺对象。其中，装配工艺按照装配单元的粒度大小又分为总装工艺、分系统装配工艺等；装配工序是指在一个工作地点，采用一套设备，连续完成的装配工作；装配工步是指完成一个或多个对象的安装而采取的连续装配工作；装配工艺的最底层是装配操作，它是指对一个装配对象实施的连续操作过程，装配操作对象是指装配过程中的所有可操作实体，操作对象不同，装配操作也不同。

图2 三维装配工艺信息模型

c．装配资源层。装配资源层描述了完成某个零部件的装配所采用的装配设备、工装和工具等装配资源信息。装配资源库的建立应按照资源的类型去组织，以便于装配资源的快速检索。此外，为了实现三维环境下的装配工艺仿真，需要有三维模型的支持，因此，装配资源库中应包含资源的三维模型。

在装配工艺信息模型中，装配工艺是其中的核心，它将装配结构、装配资源和装配工艺紧密关联起来。

3 EBOM与PBOM的区别

EBOM反映了产品的设计结构，PBOM是在EBOM基础上，结合生产实际情况进行调整得到的。通过分析，EBOM和装配BOM的主要区别体现在以下3个方面［6］，如图3所示。

a．虚设部件。虚设部件是指在设计BOM中出现，但在实际生产中并不制造，也不存储的部件。虚设部件没有相应的制造BOM记录。

b．工艺组件。工艺组件是指在设计BOM中不出现，但在实际生产中因为工艺要求，既要制造又要存储的部件。工艺组件的生产类型一般为自制件。

c．外协部件。外协部件是指部件本身及其所属的所有零部件都外协加工的部件。外协部件的生产类型为外协或外扩。

图3 EBOM与PBOM区别

4 模型定义的雷达装配工艺信息表达

二维工艺设计中的工艺信息通常以自然语言来描述，现场操作人员通常需要花费大量的时间去理解产品的装配过程。符号相对于自然语言来说，直观、便于理解、描述统一。因此，若将工艺信息符号化，则可以方便现场操作人员更好地理解工艺过程。为此，提出了一种三维装配工艺信息表示符号，如图4所示。

图4 三维装配工艺信息表示符号

a．数量。指相同装配操作的数量。对于多个相同的装配操作，标注时只标注1个装配工艺信息符号，但多个相同的装配操作应该与装配工艺信息标注符号保持查询关联性。数量要求用“1×”、“2×”等来表示。当装配数量为1时，“1×”可省略。

b．装配方法符号。采用形象、直观的符号来表示装配方法，此栏框格内容为完成本次装配所采用的装配方法的符号，如图4中的符号表示压装。

c．装配约束信息。指本道装配所形成的装配约束信息，如图4所示为面贴合和轴对齐约束。装配约束应尽量不要采用设计上的配合约束，应尽量采用具有实际工程意义的装配约束，如螺栓连接、轴连接等。

d．装配工艺参数信息。代表装配所采用的装配工艺参数信息，例如，对于螺栓连接，其拧紧力矩为50 N·m。装配工艺参数与装配方法相对应，不同的装配方法，其装配工艺参数也不一样。

e．装配资源信息。指装配过程所采用的装配资源信息，主要包括设备信息、专用工装信息、工具信息和辅料信息。此栏框格内容由设备型号、工装型号、工具型号和辅料代号组成，装配资源信息从企业制造资源库中获取。

f．检验信息。指装配完成后，需要进行检验的关键尺寸和公差信息。例如，零件间间隙小于0．1 mm。

g．序号。指装配工艺方法的先后顺序。其中，M为工步号，N为该工步下的装配操作顺序。

5 系统实现

基于以上方法，利用VC＋＋作为开发工具，对三维CAD软件Pro／E进行了二次开发，实现了雷达结构三维装配工艺设计系统，并开发了与PDM系统WindChill的集成接口，可以从PDM系统中获取产品的EBOM，并基于该EBOM进行装配结构调整、装配工艺设计、装配路径规划与仿真，最后将调整生成的PBOM、装配工艺设计信息保存到PDM系统中进行管理。

6 结束语

传统的二维装配工艺设计由于缺乏仿真验证工具，导致编制的工艺不可避免地存在问题。三维装配工艺设计系统能够有效克服二维工艺设计中存在的问题，并通过仿真验证工具，对工艺做出持续改进。以PDM作为协同工作平台，通过对三维CAD软件进行二次开发，实现了三维焊接工艺设计系统，并对系统实现的关键技术进行了详细的论述。雷达结构三维装配工艺设计系统，对于提高雷达装配工艺设计的效率和质量，具有重要的意义。

［1］ 田富君，田锡天，耿俊浩，等．基于模型定义的工艺信息建模及应用［J］．计算机集成制造系统，2012，18（5）：913－919．

［2］ 田富君，张红旗，张祥祥，等．雷达结构三维工艺设计系统研究［J］．雷达科学与技术，2013，11（4）：437－442．

［3］ 刘检华，宁汝新，万毕乐．面向生产现场的虚拟装配工艺规划技术［J］．计算机集成制造系统，2007，13（1）：67－73．

［4］ 夏平均，姚英学，李建广，等．三维数字化装配工艺系统的研究［J］．哈尔滨工业大学学报，2005，37（1）：36－39．

［5］ 田富君．基于轻量化模型的三维装配工艺设计与仿真技术研究［D］．西安：西北工业大学，2012．

［6］ 刘晓冰，黄学文，马 跃，等．面向产品全生命周期的xBOM 研究［J］．计算机集成制造系统－CIMS，2002，8（12）：983－987．