吳一豪，張 柳，邱保安，孫 攀

（南京電子技術研究所，江蘇 南京 210039）

引 言

天線座是雷達產(chǎn)品伺服傳動系統(tǒng)的關鍵部件，是雷達天線與饋線系統(tǒng)部件的承載平臺，也是天線陣面進行方位與俯仰機械掃描的運動部件，是實現(xiàn)目標探測和空間位置反饋的核心基礎[1-2]。天線座的裝配質(zhì)量會顯著影響雷達性能：傳動系統(tǒng)的運動平穩(wěn)性和數(shù)據(jù)傳遞誤差容易影響雷達探測目標的位置精度；傳動噪聲、異響等質(zhì)量問題影響用戶體驗。因此，作為產(chǎn)品總成裝配的基礎，天線座裝配工藝設計和裝配質(zhì)量是產(chǎn)品總裝計劃的重要環(huán)節(jié)。

本文針對天線座轉(zhuǎn)盤軸承和減速器小齒輪預裝時需反復修磨調(diào)整墊片，從而導致裝配效率低的問題，提出了基于實測數(shù)據(jù)的天線座裝配仿真技術。首先，根據(jù)組成天線座系統(tǒng)關鍵零部件的裝配關系，梳理關鍵裝配參數(shù)，并搭建天線座數(shù)字化裝配仿真模型；然后，通過三坐標測量機等高精度測量設備，獲取關鍵參數(shù)的實測數(shù)值，快速生成天線座實際裝配模型，以裝配關系為約束，快速生成調(diào)整墊片的修配參數(shù)，向裝配現(xiàn)場發(fā)布；最后，基于搭建的天線座數(shù)字化裝配模型和Creo二次開發(fā)技術，集成開發(fā)天線座數(shù)字化裝配軟件，并以某型號車載雷達天線座為研究對象，完成應用驗證。

1 天線座預裝流程關鍵參數(shù)識別

1.1 裝配關鍵參數(shù)識別

天線座主要由平臺（底座一體化）、轉(zhuǎn)盤軸承、減速器、方位驅(qū)動小齒輪、墊板、轉(zhuǎn)臺等零部件組成。在預裝階段，若小齒輪與轉(zhuǎn)盤軸承之間的中心距和軸線平行度無法滿足裝配要求，則通過修磨調(diào)整墊片進行調(diào)整，需反復拆裝減速器和小齒輪，效率低，工作量大。因此，需搭建和裝配現(xiàn)場映射的數(shù)字化裝配模型提前進行仿真，釋放風險。首先梳理天線座預裝流程，得到用于評估裝配質(zhì)量的關鍵輸入、輸出參數(shù)集以及用于構(gòu)建通用化模型的通用參數(shù)集，見表1。

表1 天線座關鍵裝配仿真參數(shù)

1.2 關鍵裝配參數(shù)表達規(guī)則建立

根據(jù)表1篩選識別獲得的關鍵輸入、輸出參數(shù)，建立關鍵輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)之間的表達規(guī)則。影響方位齒輪副中心距與嚙合側(cè)隙的關鍵輸入?yún)?shù)為減速器安裝距(X1,Y1)、軸承底座的安裝距(X2,Y2)以及墊板的厚度δ。這些參數(shù)的定義及模型簡化如圖1所示。

影響齒輪副軸線平行度的關鍵輸入?yún)?shù)為轉(zhuǎn)盤軸承結(jié)合端面平面度、減速器輸出軸對安裝基準面的平行度誤差(ΔX,ΔY)及減速器安裝基準面對軸承安裝基準面的垂直度誤差(γX,γY)。轉(zhuǎn)盤軸承結(jié)合端面平面度雖然會顯著影響齒輪的摩擦力矩和齒輪副軸線平行度誤差，但在軸承外購件采購過程中對質(zhì)量管控嚴格且在轉(zhuǎn)盤軸承裝配過程中安裝結(jié)合面與平臺底座貼合緊密，此參數(shù)對裝配質(zhì)量的影響可以忽略，所以對該參數(shù)文中不予考慮。

減速器輸出軸對安裝基準面的平行度誤差及減速器安裝基準面對軸承安裝基準面的垂直度誤差的參數(shù)定義方式如圖2所示。定義輸出參數(shù)ΔX，ΔY，γX，γY時，首先確認該參數(shù)的評價0點，并對參數(shù)的正負方向進行規(guī)定，然后通過高精度測量設備，快速獲取誤差數(shù)據(jù)。

圖2 影響齒輪副軸線平行度的輸入?yún)?shù)定義

通過定義上述關鍵裝配參數(shù)規(guī)則以及快速獲取輸入?yún)?shù)的實際數(shù)值，即可根據(jù)模型裝配關系、公式計算等，對輸出參數(shù)進行有效評估，為天線座數(shù)字化仿真模型的搭建提供有力支撐。

2 天線座數(shù)字化裝配仿真模型搭建

2.1 天線座通用化裝配仿真模型搭建

不同車載雷達的天線座系統(tǒng)不盡相同，其中的各零部件的型號、樣式、尺寸也存在很大的差異。為了使天線座裝配仿真模型適用于多種雷達產(chǎn)品，需搭建通用化裝配仿真模型。將天線座系統(tǒng)中的關鍵零部件參數(shù)化，提煉模型通用化參數(shù)?，F(xiàn)場操作人員只需根據(jù)具體的裝配對象，輸入通用化參數(shù)的實際數(shù)值，即可構(gòu)建所需的理論裝配仿真模型[3-4]。

以轉(zhuǎn)盤軸承為例，提煉其關鍵參數(shù)：模數(shù)、齒數(shù)、齒厚、壓力角等。通過Creo2.0的關系功能將關鍵參數(shù)與模型特征通過表達式一一對應，并建立轉(zhuǎn)盤軸承與其他零部件的裝配約束，通過修改相應的參數(shù)值，就能驅(qū)動模型及其裝配關系隨之發(fā)生變化[5]。如圖3所示，通過修改轉(zhuǎn)盤軸承和小齒輪的模數(shù)和齒數(shù)，不僅模型發(fā)生了快速變化，而且齒輪的中心距也同步發(fā)生了改變。

圖3 轉(zhuǎn)盤軸承和小齒輪通用化模型

2.2 基于實測數(shù)據(jù)的天線座裝配仿真模型搭建

天線座裝配仿真模型搭建的技術路線如圖4所示。將天線座系統(tǒng)的設計模型進行特征抑制，將不影響裝配質(zhì)量的非必要參數(shù)從設計模型上剝離，以通用化參數(shù)為指導，對各零部件設計模型進行重構(gòu)，完成模型輕量化設計。根據(jù)建立的關鍵裝配參數(shù)表達規(guī)則，以天線座系統(tǒng)的典型裝配工藝為約束條件，搭建通用化裝配模型?，F(xiàn)場操作人員根據(jù)具體的天線座系統(tǒng)，修改關鍵零部件的參數(shù)，完成理論裝配模型的構(gòu)建。通過在機測量、三坐標測量等測量手段，獲取關鍵裝配參數(shù)的實際數(shù)值，將實際參數(shù)輸入理論裝配模型，驅(qū)動模型快速變化，得到天線座的實際裝配模型。建立墊板約束規(guī)則，通過定義墊板與其他零部件之間的約束關系，生成實際墊板模型，同步獲得墊板修配的相關參數(shù)，并在仿真模型中可視化展示，指導實際裝配現(xiàn)場，保證天線座系統(tǒng)的裝配質(zhì)量。

圖4 天線座裝配仿真模型搭建技術路線

天線座的裝配仿真模型是基于Creo2.0平臺搭建的，受限于Creo2.0的裝配約束算法，定義某些關鍵裝配參數(shù)時，會出現(xiàn)裝配過約束問題，并且某些參數(shù)的實際測量難度較大，數(shù)據(jù)可信度不高。為解決現(xiàn)有建模問題，對關鍵裝配參數(shù)的定義做出修改，并對模型的裝配約束關系進行轉(zhuǎn)換。

如圖5所示，針對上述過約束問題，將關鍵裝配參數(shù)誤差進行分解，建立裝配誤差鏈，通過各零部件之間的幾何約束條件，完成改進仿真模型定義：改進仿真模型是以齒輪副中心距和平行度誤差始終是標準值為約束條件，通過旋轉(zhuǎn)、平移將原有模型的裝配關系進行轉(zhuǎn)換，將誤差積累到減速器的安裝基準面和平臺底座的安裝基準面[6]，在定義輸入?yún)?shù)時，只需定義兩個安裝基準面相對于測量基準的距離。根據(jù)兩個安裝基準面形成的空間尺寸，自動填充生成調(diào)整墊板模型，解決了模型過約束和實測數(shù)據(jù)獲取困難的問題，提高了模型仿真的重復精度和重構(gòu)效率。

圖5 模型轉(zhuǎn)換

3 天線座數(shù)字化裝配仿真軟件開發(fā)

3.1 天線座數(shù)字化裝配仿真軟件技術路線

Creo2.0不僅提供適用范圍廣又靈活的三維計算機輔助設計（Computer-Aided Design, CAD）功能，解決用戶急迫的建模需求，也開放二次開發(fā)接口，方便用戶按照自身的需求開發(fā)、定制所需的功能。其中，Toolkit是PTC公司提供給用戶的二次開發(fā)工具包。該工具包提供了大量的API函數(shù)，通過調(diào)用這些底層函數(shù)，用戶能夠方便且安全地訪問Creo的數(shù)據(jù)庫以及內(nèi)部應用程序，根據(jù)自身需求，擴展Creo的特定功能[7-8]。

天線座數(shù)字化裝配仿真軟件基于微軟基礎類庫（Microsoft Foundation Classes, MFC）搭建參數(shù)輸入輸出界面，以上文建立的天線座數(shù)字化裝配仿真模型為基礎，與二次開發(fā)程序相結(jié)合，建立模型與輸入?yún)?shù)的拓撲關系，實現(xiàn)模型的快速變化和墊板修配參數(shù)的輸出。

結(jié)合天線座數(shù)字化裝配仿真模型搭建的技術路線，完成軟件界面開發(fā)，如圖6所示。通過編寫菜單文件將仿真軟件掛載到Creo2.0的軟件界面中，在軟件啟動的同時，會加載搭建好的天線座數(shù)字化裝配仿真模型，用戶在“通用化模型定義”界面，根據(jù)參與的具體產(chǎn)品型號，輸入相關的參數(shù)，完成產(chǎn)品理論裝配模型定義。接著在“實測參數(shù)導入”界面導入測得的關鍵裝配參數(shù)文件，對關鍵參數(shù)進行展示，同步生成產(chǎn)品實際裝配模型。最后在“墊板參數(shù)生成”界面，根據(jù)產(chǎn)品實際裝配模型，生成墊板的實際裝配三維模型和修配參數(shù)，對現(xiàn)場的裝配工作進行指導。

圖6 天線座數(shù)字化裝配仿真軟件技術路線

3.2 天線座數(shù)字化裝配仿真軟件功能實現(xiàn)

根據(jù)3.1節(jié)所述的天線座數(shù)字化裝配仿真軟件開發(fā)技術路線，主要需要實現(xiàn)菜單掛載與用戶界面開發(fā)、裝配參數(shù)更新及模型可視化、參數(shù)文件讀取及生成等功能，下面是具體功能的實現(xiàn)方法。

（1）菜單掛載與用戶界面開發(fā)

為使天線座數(shù)字化裝配仿真軟件便于使用，在啟動Creo2.0時，操作人員只需通過點擊菜單按鈕便可調(diào)用本次開發(fā)的仿真軟件模塊，所用的主要函數(shù)為菜單添加ProMenubarMenuAdd()、菜單按鈕添加ProMenubarmenuPushbuttonAdd()以及動作函數(shù)設置ProCmdActionAdd()。

在設計軟件界面時，考慮到軟件的操作人員多為一線裝配鉗工，為提高軟件操作的簡潔性，選擇通過點擊樹控件中不同的分支在同一個對話框中進行多個模塊間的切換的方式，主要使用的函數(shù)有界面分割創(chuàng)建CSplitterWnd::CreateStatic()、界面刷新OnInitialUpdate()和界面激活SetActivePane()等。

（2）裝配參數(shù)更新及模型可視化功能開發(fā)

該功能的實現(xiàn)流程及所需的相關函數(shù)如圖7所示。首先，通過ProMdlRetrieve()函數(shù)讀取搭建好的天線座數(shù)字化裝配仿真模型。該模型已通過Creo2.0中內(nèi)置的“關系”和“參數(shù)”功能建立了關鍵裝配參數(shù)和模型特征的映射關系，并使用ProMdlDisplay()完成模型在Creo2.0中的可視化。通過ProParameter-Visit()和ProParameterValueGet()函數(shù)，對定義的關鍵參數(shù)進行遍歷和讀取，并存儲到一個特定的鏈表中。當需要更新某關鍵參數(shù)的數(shù)值時，通過ProParameter-ValueSet()函數(shù)將模塊界面上的新數(shù)值傳遞到模型特征上，完成參數(shù)更新。最后使用ProSolidRegenerate()函數(shù)重新生成模型，并在Creo窗口內(nèi)可視化展示。

圖7 通用化模型定義模塊開發(fā)流程

（3）參數(shù)文件讀取及生成功能

在完成零部件關鍵裝配參數(shù)的測量工序后，將獲得的實測數(shù)據(jù)記錄到Excel 表格中。Excel 作為OLE/COM庫插件，已經(jīng)定義好了各類語言的交互接口。在Visual Studio中導入這些接口，使用其中的get_Value2()，put_Value2()等相關函數(shù)，即可讀取Excel表格中的相關數(shù)據(jù)，并將所需參數(shù)的數(shù)值寫入Excel表格中，形成現(xiàn)場裝配的指導報告。

4 基于實測數(shù)據(jù)的天線座數(shù)字化裝配仿真技術應用驗證

某車載雷達就是采用修配墊片方式來調(diào)整天線座裝配質(zhì)量的典型[9]。提前定義減速器的安裝基準面和平臺底座的安裝基準面上某些標識點用以后續(xù)擬合，通過在機測量的方式獲取這些標識點的數(shù)值。裝配現(xiàn)場實際數(shù)值獲取如圖8所示，測得的部分標識點的實際數(shù)值見表2。

圖8 裝配現(xiàn)場實際數(shù)值獲取

表2 平臺底座和減速器實測數(shù)值

將表2中的實際數(shù)值輸入天線座數(shù)字化裝配仿真軟件，對模型進行驅(qū)動，得到墊片參數(shù)的指導數(shù)值。為驗證指導參數(shù)的有效性，在裝配現(xiàn)場按照原有裝配流程，通過保證天線座齒輪副的中心距和軸線平行度，重復修配墊片，獲取墊片厚度的實際數(shù)值，對指導數(shù)值和實際數(shù)值進行對比（表3），驗證天線座數(shù)字化裝配仿真技術的應用結(jié)果。

表3 墊片修配指導數(shù)值和實際數(shù)值對比

通過墊片修配指導數(shù)值和實際數(shù)值的對比，可以發(fā)現(xiàn)最大誤差率僅為0.39%，說明本文提出的數(shù)字化裝配仿真技術結(jié)果可靠，大幅提高了裝配效率，可在實際裝配過程中進行應用。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種基于實測數(shù)據(jù)的天線座數(shù)字化裝配仿真技術，通過識別天線座系統(tǒng)零部件的通用化參數(shù)和關鍵裝配參數(shù)，搭建參數(shù)驅(qū)動的天線座數(shù)字化裝配仿真模型，以Creo2.0自帶的Toolkit二次開發(fā)包為基礎，結(jié)合仿真模型，定制開發(fā)天線座數(shù)字化裝配仿真軟件，實現(xiàn)模型的快速重構(gòu)及墊片修配參數(shù)的快速導出，提高了天線座現(xiàn)場裝配質(zhì)量和裝配效率，為后續(xù)數(shù)字孿生技術在天線座裝配過程中的應用打下了牢固基礎，向數(shù)字車間、智能車間的發(fā)展邁出了堅實一步。