最大共性舰载配电箱三维数据库的构建与应用

海军装备部驻上海地区军事代表局 王春雷 任宪文

本文针对缺乏舰载电子设备三维数据积累，在向总体单位提供设备三维模型或三维爆炸图的过程中暴露出来的疲于应付这一问题，结合配电箱的建模，探讨了同类型设备最大共性三维数据库的构建方法。首先，归纳、整理了传统的CAD设计数据，分析了它们的结构特征；其次，分层次建立了基础件模型和最大共性配电箱三维装配模型，并以标准数据格式分类建库保存；最后，介绍了该数据库在个性化配电箱研制中的应用。工程实践表明该数据库实现了数据共享，减少了数据冗余，有助于提高研制效率，具有一定的工程实用价值。

传统的设计制造模式是以二维工程图为核心开展的，这导致了常规的舰载电子设备几乎没有完整的三维模型。近年来，船总体逐渐要求各研制单位随机提供设备的三维模型以及三维爆炸图。由于缺少三维数据积累，每型产品在完成二维设计后，还需反刍式三维建模，重复工作量巨大。

通过多年的技术积累，我们所研制的控制台、机柜、配电箱等设备，在结构上已实现了标准化、通用化和系列化。研究表明，在工程设计中保守的估计大约超过75%的设计工作是基于范例设计，即重用早先的设计知识处理新的设计问题。通常在新产品研制之初，设计者一般会浏览、研究大量的CAD传统数据，在以往同类型设备中寻找可利用的相同或相似结构。如果将这些特征结构提取出来，建成具有最大共性的同类型设备三维数据库，对提高设备研制效率具有重要意义。

本文首先分析了配电箱的结构特征，对可通用的结构件、常用的元器件进行收集、归纳和整理，在此基础上系统地、分层次构建最大共性三维数据库；最后给出了该数据库在个性化配电箱研制中的应用。

1 舰载配电箱的组成及规格

舰载配电箱是与控制台、电子机柜配套的设备，主要作用是向系统提供220V 50Hz单项交流电源，并进行供电控制。

1.1 配电箱的组成

舰载配电箱为挂壁式结构，主要由盖、壳体、铰链、拉杆、手轮（小配电箱用螺钉固定）组成，铰链安装在配电箱左侧外表面，盖向左打开大于90°，拉杆装在配电箱内下部。配电箱通过壳体上四个角处的安装孔固定到舱室侧壁上。盖正面主要安装电压表、电流表、记时器、指示灯、开关、按钮等具有显示、控制功能的元器件，上方安装设备标牌，下方安装所铭牌。壳体中主要安装电源滤波器、熔断器和插座等用于信号处理、过载保护和信号传输的器材。

1.2 配电箱的规格

舰载配电箱外形尺寸符合HJB68-92《舰艇电子设备显控台、机箱、机柜通用规范》3.5.5条“挂壁式机箱的基本尺寸规定”的要求，有大、中、小三个规格，外形见图1，不同规格尺寸见表1。

图1 配电箱外形图

表1 配电箱外形尺寸

从图1和表1可看出，三种规格配电箱的结构形式基本一致。长、宽尺寸各不同，厚度尺寸相同。

2 舰载配电箱三维数据库的构建

舰载配电箱在结构上存在以下共性特征：（1）运动组件手轮、拉杆和铰链均已实现标准化、通用化；（2）同规格的盖和壳体上除了元器件安装尺寸外，其余结构特征一致，不同规格盖或壳体的外形相似，厚度相同；（3）不同承载量的同系列隔振器具有相同的外形和安装要素。

对传统设计数据进行梳理、统计，将配电箱通用结构件汇总于表2中。

表2 配电箱通用结构件汇总

2.1 配电箱基础件三维数据库的构建

根据上述分析对所有结构件和常用元器件建模，在此基础上对具有独立功能的通用机构建立子装配，如铰链、拉杆及手轮组件；分类构建了主结构件通用毛坯库、通用连接件库、标识牌库、元器件库四大类模型库。其中，鉴于元器件种类较多，又分为指示器、操作器库，熔断器及其附件库，连接器库，滤波器库和隔振器库五个子模型库。同时，以二维数据的形式存储常用元器件的设计制造特征，诸如开孔尺寸、安装面壁厚、公差及加工面涂覆与否等信息。基础件数据库组成见图2。

图2 配电箱基础件数据库组成

为了方便查询，对结构件和元器件的命名做以下规定，通用结构件以“名称+图号_项目代号”来命名，如“盖QP8.010.188_H/THB”、“拉杆QP4.440.004_7820”；可以部分通用的结构毛坯件以“XX毛坯”来命名，如“设备标牌毛坯”；元器件以“名称+型号_厂家”来命名，如“熔断器座 E92/32_ABB”、“连接器 YMG16_158厂”等。

2.2 最大共性配电箱三维装配数据库的构建

对于同一规格的配电箱来说，盖与壳体毛坯及两者间的屏蔽绳、铰链、拉杆和手轮组件、垫块都是通用的，结构件之间的连接方式也是一致的。通过访问基础件各子模型库，提取相应的结构件和结构组件，结合三维软件自带的国标紧固件库，根据层次关系确定系统目录树，实现装配约束，分别建立起大、中、小三种规格的装配模型，每一规格的配电箱给出了开、关两种状态。用户通过与目录树的交互，可以了解到所有的装配信息，直观地对各部分进行拆装呈现。这些模型是配电箱最大共性特征结构的集合体，可作为个性化设计的起点。为了方便在各种三维软件及其不同版本之间转换，实现信息的集成和共享，在数据完善后以标准数据格式（如STEP）导出、建库保存，并将其嵌入到PLM系统中作为产品生命周期的一部分，实现集中控制和管理。这种格式的数据模型既维护了共性特征的一致性，又方便增加个性特征。图3给出了三种规格最大共性配电箱三维装配模型。

图3 最大共性配电箱三维装配模型

3 最大共性配电箱三维数据库的应用

在接到一个新任务时，设计者首先根据设计输入布局元器件，绘制一个简化的装配草图，然后利用这个概念化的设计向数据库查询，通过特征归属、合并和标记，找到与之匹配的共性装配模型，再加入个性化的特征结构。

具体的做法如下：

（1）根据检索到的装配模型组成，从主结构件库中提取相应的盖、壳体毛坯，从标识牌库中提取各类标牌、铭牌毛坯，根据设备具体需求，对毛坯件二次建模，添加元器件及走线孔的定位尺寸和安装尺寸、具体的标识内容等信息；

（2）专用结构体建模。是指本产品专用的元器件及其安装结构；

（3）为了方便对总装配模型中目录树的管理，后期模型的修改、维护，分层次建立子装配。①对保险丝、电源和滤波器等元器件建立安装组件；②考虑到具有相同装配参考组件间的替换，在所有个性化结构件、组件建模完成后，分别建立盖和壳体子装配，将所属结构装配到位；

（4）提取同规格的最大共性配电箱三维模型，执行“组件替换”命令，用盖和壳体子装配替换原装配模型中的盖和壳体毛坯，在不影响现存相关约束的前提下快速完成个性化配电箱三维设计。图4给出了基于数据库建立的某中号配电箱三维装配模型。

图4 某中号配电箱三维装配模型

结论：在分析了舰载配电箱的结构共性特征和个性特征的基础上，系统地、分层次地构建了最大共性配电箱三维数据库。该数据库的应用维护了数据的一致性，减少了大量重复劳动，缩短了同类型设备及其三维爆炸图的研制、制作周期，为标准控制台、机柜等其它设备三维数据库的建设提供了有益借鉴。