孫東梅，袁 玲

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

基于三維模型的機(jī)柜電裝快速生產(chǎn)優(yōu)化*

孫東梅，袁 玲

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

機(jī)柜是雷達(dá)系統(tǒng)的重要分系統(tǒng)，隨著包含三維布線設(shè)計(jì)在內(nèi)的機(jī)柜三維設(shè)計(jì)的普及以及相應(yīng)的三維工藝設(shè)計(jì)的應(yīng)用，機(jī)柜電裝生產(chǎn)也在發(fā)生著巨大的變化。為了在三維設(shè)計(jì)背景下提高雷達(dá)機(jī)柜電裝生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，文中對(duì)快速生產(chǎn)優(yōu)化方式進(jìn)行了研究。通過(guò)優(yōu)化三維布線圖、重構(gòu)接線表、采用串并行結(jié)合的優(yōu)化工藝路徑、設(shè)計(jì)三維可視化裝配工藝以及首次生產(chǎn)迭代等方法，有效提高了機(jī)柜布線生產(chǎn)的可生產(chǎn)性和生產(chǎn)效率，減少了接線差錯(cuò)。文中提出的優(yōu)化途徑還可推廣到其他分系統(tǒng)和電子設(shè)備中，具有一定的借鑒意義。

雷達(dá)機(jī)柜；電裝；三維布線設(shè)計(jì)；生產(chǎn)效率；工藝路徑

引 言

雷達(dá)機(jī)柜按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同，主要分為插件式機(jī)柜、轉(zhuǎn)門機(jī)柜和抽屜式機(jī)柜。與其他行業(yè)中應(yīng)用的機(jī)柜相比，雷達(dá)機(jī)柜裝入的分機(jī)類型更多、功能集成度更高。由于所敷設(shè)線纜的電壓、電流和頻率不同，線纜的布線路徑也不同，所以雷達(dá)機(jī)柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布線設(shè)計(jì)更復(fù)雜。

為實(shí)現(xiàn)機(jī)柜內(nèi)部和外部之間的電氣互聯(lián)，通常雷達(dá)機(jī)柜頂部或底部設(shè)有轉(zhuǎn)接板。插件式機(jī)柜主要通過(guò)機(jī)柜后面的背板與轉(zhuǎn)接板連線后，再將前面的插件或插盒與背板上插座進(jìn)行盲插從而實(shí)現(xiàn)電氣互聯(lián)；轉(zhuǎn)門機(jī)柜主要以轉(zhuǎn)接板為布線起點(diǎn)，再沿著靠近機(jī)柜轉(zhuǎn)軸的側(cè)壁布線，與各層分機(jī)相連實(shí)現(xiàn)電氣互聯(lián)，其最大特點(diǎn)是分機(jī)可以沿著轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而方便檢修；抽屜式機(jī)柜主要以機(jī)柜側(cè)面走線槽和后面走線鋼帶為布線路徑，將各層抽屜插箱線纜匯總到轉(zhuǎn)接板實(shí)現(xiàn)電氣互聯(lián)。雷達(dá)機(jī)柜結(jié)構(gòu)緊湊，布線路徑設(shè)計(jì)非常重要，要盡可能排除各種干擾，有效合理地利用機(jī)柜內(nèi)空間進(jìn)行布線。傳統(tǒng)電子設(shè)備布線方式已不適應(yīng)機(jī)柜快速生產(chǎn)需要，急需改進(jìn)。本文主要討論了對(duì)目前設(shè)計(jì)圖紙和工藝文件的幾點(diǎn)優(yōu)化方案，對(duì)組織雷達(dá)機(jī)柜電裝生產(chǎn)具有一定的借鑒意義。

1 傳統(tǒng)電子設(shè)備布線方式

電子設(shè)備越來(lái)越向模塊化、集成化的方向發(fā)展，對(duì)電子設(shè)備整機(jī)布線設(shè)計(jì)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的電子設(shè)備布線方式主要是按實(shí)物并結(jié)合圖紙技術(shù)要求及工藝要求，確定走線路徑，再量取尺寸，按1∶1的比例繪制二維平面圖，放置在樣板上制作線束。由于這種布線方式是在有了實(shí)物以后才進(jìn)行的，因此經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)電子設(shè)備內(nèi)部空間狹小、布線路徑受阻或不合理，甚至布線路徑無(wú)法實(shí)施等問(wèn)題[1]。

在雷達(dá)機(jī)柜電裝生產(chǎn)中，有60%～70%的時(shí)間是花費(fèi)在布線上的，因此雷達(dá)機(jī)柜布線生產(chǎn)效率的提升對(duì)雷達(dá)機(jī)柜電裝生產(chǎn)效率的提升起著決定性作用。應(yīng)打破傳統(tǒng)的機(jī)柜布線方式，并與機(jī)柜三維模型結(jié)合起來(lái)，以更加適應(yīng)機(jī)柜快速生產(chǎn)需求。

2 機(jī)柜電裝快速生產(chǎn)優(yōu)化的途徑

2.1優(yōu)化機(jī)柜設(shè)計(jì)文件

2.1.1 設(shè)計(jì)三維布線圖

機(jī)柜布線圖的設(shè)計(jì)應(yīng)按照接線原理圖和接線表的內(nèi)容，詳細(xì)規(guī)劃出所有線纜的布線路徑并形成圖樣。但在以二維設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的情況下，機(jī)柜布線圖的設(shè)計(jì)較為困難，具體指導(dǎo)作用也受到很大影響。當(dāng)前，機(jī)柜三維設(shè)計(jì)已全面替代了傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)，裝配操作人員能更直觀、便捷地識(shí)別了解裝配對(duì)象和裝配要求。同樣，機(jī)柜布線也可以通過(guò)三維設(shè)計(jì)形成三維布線圖，增加可視化信息。機(jī)柜三維布線主要依靠對(duì)三維設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)布線功能和定制線軸庫(kù)、器件模型庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)線束電纜在仿真設(shè)備環(huán)境中模擬布線。隨著電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來(lái)越緊湊，內(nèi)部能否容納所需的電纜，內(nèi)部電器、模塊之間的布置能否滿足整機(jī)產(chǎn)品電磁兼容性及裝配工藝性要求，線纜在機(jī)柜內(nèi)如何走線，都是需要考慮的問(wèn)題[2]。

目前三維布線圖的設(shè)計(jì)還處于摸索研發(fā)狀態(tài)。機(jī)柜三維布線應(yīng)包括建立布線參考模型、規(guī)劃走線路徑和捆扎點(diǎn)、建線軸、布線、三維標(biāo)注、擬制技術(shù)說(shuō)明等內(nèi)容。機(jī)柜三維布線樣機(jī)模型設(shè)計(jì)的步驟主要有設(shè)置電子設(shè)備及電連接器端口，整理接線關(guān)系并規(guī)劃布線路徑，采用網(wǎng)絡(luò)、跟隨電纜等方法進(jìn)行布線，進(jìn)行路徑檢查，判別布線是否合理，并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。圖1是轉(zhuǎn)門機(jī)柜三維布線樣機(jī)模型。

理想的三維布線圖應(yīng)讓操作者能夠準(zhǔn)確地了解每根電纜的特性、布線路徑、線束的保護(hù)措施、線纜的隔離保護(hù)要求、線纜的轉(zhuǎn)彎半徑、線纜端頭外接的接線端子和焊片的選用型號(hào)等要求。

圖1 轉(zhuǎn)門機(jī)柜三維布線樣機(jī)模型

2.1.2 重構(gòu)接線表

機(jī)柜電裝生產(chǎn)優(yōu)化途徑之一是對(duì)接線表進(jìn)行重構(gòu)設(shè)計(jì)，這項(xiàng)工作應(yīng)主要由工藝人員來(lái)完成。完善的接線表應(yīng)包含以下信息：1)線纜特性信息。高壓電源線、普通電源線、低頻信號(hào)線、中高頻信號(hào)線、地線、光纜等線纜特性應(yīng)詳細(xì)地反映在接線表中，讓操作者可以一目了然地識(shí)別，從而在布線時(shí)能夠根據(jù)布線規(guī)則進(jìn)行區(qū)別隔離。2)接線線號(hào)順序信息。接線表的線號(hào)順序應(yīng)按接線先后順序進(jìn)行排列調(diào)整，以減少操作者消化圖紙的時(shí)間，大大提高生產(chǎn)效率。3)焊片、壓接端子等連接端位置信息。不同型號(hào)焊片、壓接端子的使用位置應(yīng)在接線表中加以說(shuō)明。4)線束防護(hù)處理措施信息。多根導(dǎo)線形成的線束是否外加棕絲套管、錦綸套管、自卷套管、熱縮套管等防護(hù)措施，在接線表中要予以詳細(xì)說(shuō)明。5)結(jié)構(gòu)裝配對(duì)象連線信息。除項(xiàng)目代號(hào)外，應(yīng)增加結(jié)構(gòu)裝配對(duì)象連線信息，以更直觀地說(shuō)明布線對(duì)象。6)元器件裝配信息。將電阻、電容等小型元器件與獨(dú)立組件串并聯(lián)的要求提煉出來(lái)，以免上機(jī)后難以操作。7)導(dǎo)線下線長(zhǎng)度信息。提供導(dǎo)線下線長(zhǎng)度信息，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線提前下線和線束預(yù)制成型。

2.2改變機(jī)柜工藝設(shè)計(jì)模式

2.2.1 實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)電訊工藝并行設(shè)計(jì)

在信息化、數(shù)字化、智慧化飛速發(fā)展的今天，推行工藝設(shè)計(jì)提前介入產(chǎn)品設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電訊設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)三方面協(xié)同并行設(shè)計(jì)，是提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期和提高產(chǎn)品一次直通率的有效措施。結(jié)構(gòu)、電訊、工藝三者并行設(shè)計(jì)打破了串行設(shè)計(jì)的諸多弊端，尤其是工藝設(shè)計(jì)提前介入到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、預(yù)備生產(chǎn)手段、提前釋放風(fēng)險(xiǎn)、縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期等大有裨益，能夠有效提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

機(jī)柜電纜布線設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)電氣技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、制造技術(shù)三方面進(jìn)行綜合協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是未來(lái)布線設(shè)計(jì)的方向和目標(biāo)。如布線區(qū)域設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)不同布線區(qū)域內(nèi)電纜和線扎的直徑、長(zhǎng)度等參數(shù)，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)專用布線通道、布線凸臺(tái)、布線槽、布線支架、布線托架等。上述專用布線設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮通用性，并盡量系列化、標(biāo)準(zhǔn)化[3]。

2.2.2 實(shí)現(xiàn)工藝流程的精細(xì)化設(shè)計(jì)

不是所有的設(shè)計(jì)圖紙都能加工出產(chǎn)品來(lái)，工藝文件是指導(dǎo)生產(chǎn)的基礎(chǔ)文件，它反映工藝工作的內(nèi)容和水平，是企業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)程序和操作準(zhǔn)則。從產(chǎn)品方案開(kāi)始形成起，一直到產(chǎn)品出廠的整個(gè)研制過(guò)程，沒(méi)有哪個(gè)環(huán)節(jié)不是按照一定的工藝文件進(jìn)行工作的。因此, 一份完善的電子裝配工藝文件是在電子產(chǎn)品制造過(guò)程中進(jìn)行工藝管理、質(zhì)量管理的依據(jù)，是保證電子裝配產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性的重要文件[4]。

為提高機(jī)柜布線生產(chǎn)效率，應(yīng)打破機(jī)柜電裝生產(chǎn)中傳統(tǒng)的包干式、串聯(lián)式工藝流程，以并行化、流水化為原則對(duì)機(jī)柜電裝工藝流程進(jìn)行優(yōu)化和細(xì)化，對(duì)布線流程按照串并聯(lián)相結(jié)合，根據(jù)工序、工步環(huán)節(jié)的不同要求合理搭配高低技能操作人員的思路調(diào)整工藝工序安排和生產(chǎn)組織方式，降低占機(jī)時(shí)間，提高布線效率。圖2是以某產(chǎn)品的綜合處理機(jī)柜為例，從原來(lái)的串聯(lián)式齊套、制標(biāo)識(shí)、電裝、檢驗(yàn)工藝流程改變?yōu)榇⒙?lián)相結(jié)合的電裝工藝流程。

圖2 某機(jī)柜優(yōu)化后的工藝流程

2.2.3 實(shí)現(xiàn)三維可視化裝配工藝設(shè)計(jì)

三維可視化裝配工藝設(shè)計(jì)是工藝設(shè)計(jì)發(fā)展的方向。它利用三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立一個(gè)擬實(shí)( 包括人、機(jī)環(huán)境) 的交互裝配操作的仿真環(huán)境，由裝配工藝設(shè)計(jì)人員根據(jù)知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際條件在虛擬環(huán)境中交互地建立產(chǎn)品零部件的裝配序列和空間裝配路徑，選擇工裝和量具，確定裝配操作方式，并通過(guò)多種傳感裝置分析裝配過(guò)程中的各種人機(jī)工程問(wèn)題，在可視化裝配環(huán)境中分析各種工藝方法的優(yōu)劣和實(shí)用性，最終得到一個(gè)合理、經(jīng)濟(jì)、符合實(shí)際生產(chǎn)需求的產(chǎn)品裝配工藝[5]。三維可視化工藝設(shè)計(jì)是基于三維模型的工藝設(shè)計(jì)，是面向制造、以數(shù)字樣機(jī)為基礎(chǔ)、以工藝流程為中心、通過(guò)產(chǎn)品三維數(shù)字化模型來(lái)描述產(chǎn)品制造過(guò)程的新的工藝設(shè)計(jì)模式，除了靜態(tài)可視化標(biāo)注說(shuō)明，還能實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫裝配仿真等信息。

目前三維布線工藝設(shè)計(jì)已經(jīng)依據(jù)三維模型設(shè)計(jì)開(kāi)展了相關(guān)的工作。三維布線工藝設(shè)計(jì)主要包含線纜裝配干涉的檢查、線纜裝配順序的設(shè)計(jì)、三維布線路徑的優(yōu)化、線纜狀態(tài)(如轉(zhuǎn)彎半徑、綁扎間距、線纜之間隔離間距等要素)的確認(rèn)、固定控制點(diǎn)的設(shè)計(jì)、特殊線纜保護(hù)措施等工作。三維布線工藝打破了傳統(tǒng)二維工藝設(shè)計(jì)的弊端，能讓工人一目了然地遵循布線順序和布線原則。

2.2.4 提煉首件樣機(jī)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)

對(duì)于工藝工程師，不但需要負(fù)責(zé)機(jī)柜圖紙?jiān)O(shè)計(jì)文件和工藝文件的設(shè)計(jì)質(zhì)量，還必須保證整個(gè)機(jī)柜的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。由于雷達(dá)機(jī)柜小批量、多品種的生產(chǎn)特點(diǎn)，對(duì)雷達(dá)機(jī)柜首件樣機(jī)的生產(chǎn)顯得尤為重要。通過(guò)首件樣機(jī)的生產(chǎn)，可以收集機(jī)柜生產(chǎn)過(guò)程中的所有優(yōu)化信息，如模塊化布線信息、電磁兼容性信息、生產(chǎn)流程的優(yōu)化信息、干涉信息等，并將收集的信息進(jìn)行歸納整理，提煉首件樣機(jī)經(jīng)驗(yàn)，形成首件樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)報(bào)告，為后續(xù)機(jī)柜的批量化和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)提供優(yōu)化數(shù)據(jù)和信息。

3 結(jié)束語(yǔ)

雷達(dá)機(jī)柜結(jié)構(gòu)緊湊、裝配密度高且對(duì)可靠性要求高，其三維模型設(shè)計(jì)(包括三維布線設(shè)計(jì))目前還處于積極探索和不斷深化的過(guò)程中。同時(shí)，由于雷達(dá)機(jī)柜品種多、批量小、生產(chǎn)流程長(zhǎng)的特點(diǎn)，其生產(chǎn)組織難度也大于普通民用機(jī)柜。本文基于數(shù)字化設(shè)計(jì)方式和信息化生產(chǎn)組織模式，對(duì)雷達(dá)機(jī)柜的三維模型設(shè)計(jì)優(yōu)化和生產(chǎn)組織方式優(yōu)化進(jìn)行了研究，提出了設(shè)計(jì)優(yōu)化的途徑和現(xiàn)階段快速生產(chǎn)組織的途徑。研究結(jié)果的使用表明，這些方法能夠有效提高現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)文件的可讀性和指導(dǎo)性，縮短機(jī)柜裝配的生產(chǎn)周期，減少接線錯(cuò)誤。這一優(yōu)化思路和方法可以應(yīng)用于雷達(dá)其他分系統(tǒng)的三維布線設(shè)計(jì)和裝配生產(chǎn)，具有普遍性。但當(dāng)前三維布線設(shè)計(jì)軟件的針對(duì)性還不足，軟件的模型庫(kù)、線軸庫(kù)等還不完善，因而三維布線設(shè)計(jì)模型與實(shí)際布線結(jié)果還存在一定的差異，需要通過(guò)實(shí)物的首件裝配進(jìn)行修正。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中三維工藝使用的互動(dòng)性還不夠強(qiáng)，效率還有待進(jìn)一步提升。因此，通過(guò)改善軟件和模型庫(kù)進(jìn)一步提高機(jī)柜三維布線設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)一步提高機(jī)柜裝配的生產(chǎn)效率，是機(jī)柜三維布線設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究的后續(xù)方向。

[1] 周三三, 劉恩福. 電子設(shè)備三維布線工藝技術(shù)應(yīng)用研究[J]. 電子工藝技術(shù), 2011, 32(4): 227-228.

[2] 黨艷銀, 陳永生. 艦載電子設(shè)備整機(jī)布線技術(shù)的工藝性研究[J]. 新技術(shù)新工藝, 2012(9): 79-81.

[3] 許小明, 劉昌祿, 孫志安. 艦載電子設(shè)備布線設(shè)計(jì)方法及其工程應(yīng)用[J]. 指揮控制與仿真, 2006, 28(3): 101-105.

[4] 勞文貞. 產(chǎn)品質(zhì)量和電子裝聯(lián)工藝[J]. 艦船電子工程, 2008(7): 198-200.

[5] 吳欣. 三維裝配工藝技術(shù)在雷達(dá)總體裝配中的應(yīng)用研究[J]. 電子機(jī)械工程, 2012, 28(4): 56-59.

孫東梅(1977-),女,工程師,主要從事電子裝聯(lián)和匯流環(huán)制造工藝研究與設(shè)計(jì)工作。

袁 玲(1970-)，女，高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究工作。

ElectronicsAssemblyOptimizationofRadarCabinetBasedon3DModel

SUNDong-mei，YUANLing

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

The cabinet is the key sub-system of radar equipment. With the development of 3D cabinet design including 3D wiring design and the corresponding application of 3D assembly flow design, there is a great change in the electronics assembly field of the radar cabinet. In this paper optimization methods for quick producing are studied to improve the quality and productivity based on the 3D cabinet design. The producibility and productivity of the cabinet assembly are increased and the wiring mistakes are reduced significantly by optimizing the 3D wiring model, reconstructing the wiring table, adopting optimized assembly flow, designing the visible 3D assembly process and iterating them in first production. These methods also have wide applicability to other radar sub-systems and other electronics equipment.

radar cabinet; electronics assembly; 3D wiring design; productivity; process route

2017-04-21

TN957.8+3

A

1008-5300(2017)04-0055-04