孫東梅，袁 玲

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

基于三維模型的機柜電裝快速生產(chǎn)優(yōu)化*

孫東梅，袁 玲

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

機柜是雷達系統(tǒng)的重要分系統(tǒng)，隨著包含三維布線設計在內(nèi)的機柜三維設計的普及以及相應的三維工藝設計的應用，機柜電裝生產(chǎn)也在發(fā)生著巨大的變化。為了在三維設計背景下提高雷達機柜電裝生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，文中對快速生產(chǎn)優(yōu)化方式進行了研究。通過優(yōu)化三維布線圖、重構接線表、采用串并行結合的優(yōu)化工藝路徑、設計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。文中提出的優(yōu)化途徑還可推廣到其他分系統(tǒng)和電子設備中，具有一定的借鑒意義。

雷達機柜；電裝；三維布線設計；生產(chǎn)效率；工藝路徑

引 言

雷達機柜按結構設計的不同，主要分為插件式機柜、轉(zhuǎn)門機柜和抽屜式機柜。與其他行業(yè)中應用的機柜相比，雷達機柜裝入的分機類型更多、功能集成度更高。由于所敷設線纜的電壓、電流和頻率不同，線纜的布線路徑也不同，所以雷達機柜的結構設計和布線設計更復雜。

為實現(xiàn)機柜內(nèi)部和外部之間的電氣互聯(lián)，通常雷達機柜頂部或底部設有轉(zhuǎn)接板。插件式機柜主要通過機柜后面的背板與轉(zhuǎn)接板連線后，再將前面的插件或插盒與背板上插座進行盲插從而實現(xiàn)電氣互聯(lián)；轉(zhuǎn)門機柜主要以轉(zhuǎn)接板為布線起點，再沿著靠近機柜轉(zhuǎn)軸的側(cè)壁布線，與各層分機相連實現(xiàn)電氣互聯(lián)，其最大特點是分機可以沿著轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)一定角度的轉(zhuǎn)動，從而方便檢修；抽屜式機柜主要以機柜側(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)接板實現(xiàn)電氣互聯(lián)。雷達機柜結構緊湊，布線路徑設計非常重要，要盡可能排除各種干擾，有效合理地利用機柜內(nèi)空間進行布線。傳統(tǒng)電子設備布線方式已不適應機柜快速生產(chǎn)需要，急需改進。本文主要討論了對目前設計圖紙和工藝文件的幾點優(yōu)化方案，對組織雷達機柜電裝生產(chǎn)具有一定的借鑒意義。

1 傳統(tǒng)電子設備布線方式

電子設備越來越向模塊化、集成化的方向發(fā)展，對電子設備整機布線設計提出了更高的要求。傳統(tǒng)的電子設備布線方式主要是按實物并結合圖紙技術要求及工藝要求，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物以后才進行的，因此經(jīng)常會出現(xiàn)電子設備內(nèi)部空間狹小、布線路徑受阻或不合理，甚至布線路徑無法實施等問題[1]。

在雷達機柜電裝生產(chǎn)中，有60%～70%的時間是花費在布線上的，因此雷達機柜布線生產(chǎn)效率的提升對雷達機柜電裝生產(chǎn)效率的提升起著決定性作用。應打破傳統(tǒng)的機柜布線方式，并與機柜三維模型結合起來，以更加適應機柜快速生產(chǎn)需求。

2 機柜電裝快速生產(chǎn)優(yōu)化的途徑

2.1優(yōu)化機柜設計文件

2.1.1 設計三維布線圖

機柜布線圖的設計應按照接線原理圖和接線表的內(nèi)容，詳細規(guī)劃出所有線纜的布線路徑并形成圖樣。但在以二維設計為基礎的情況下，機柜布線圖的設計較為困難，具體指導作用也受到很大影響。當前，機柜三維設計已全面替代了傳統(tǒng)的二維設計，裝配操作人員能更直觀、便捷地識別了解裝配對象和裝配要求。同樣，機柜布線也可以通過三維設計形成三維布線圖，增加可視化信息。機柜三維布線主要依靠對三維設計軟件開發(fā)布線功能和定制線軸庫、器件模型庫來實現(xiàn)線束電纜在仿真設備環(huán)境中模擬布線。隨著電子設備結構設計越來越緊湊，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產(chǎn)品電磁兼容性及裝配工藝性要求，線纜在機柜內(nèi)如何走線，都是需要考慮的問題[2]。

目前三維布線圖的設計還處于摸索研發(fā)狀態(tài)。機柜三維布線應包括建立布線參考模型、規(guī)劃走線路徑和捆扎點、建線軸、布線、三維標注、擬制技術說明等內(nèi)容。機柜三維布線樣機模型設計的步驟主要有設置電子設備及電連接器端口，整理接線關系并規(guī)劃布線路徑，采用網(wǎng)絡、跟隨電纜等方法進行布線，進行路徑檢查，判別布線是否合理，并進行相應調(diào)整。圖1是轉(zhuǎn)門機柜三維布線樣機模型。

理想的三維布線圖應讓操作者能夠準確地了解每根電纜的特性、布線路徑、線束的保護措施、線纜的隔離保護要求、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等要求。

圖1 轉(zhuǎn)門機柜三維布線樣機模型

2.1.2 重構接線表

機柜電裝生產(chǎn)優(yōu)化途徑之一是對接線表進行重構設計，這項工作應主要由工藝人員來完成。完善的接線表應包含以下信息：1)線纜特性信息。高壓電源線、普通電源線、低頻信號線、中高頻信號線、地線、光纜等線纜特性應詳細地反映在接線表中，讓操作者可以一目了然地識別，從而在布線時能夠根據(jù)布線規(guī)則進行區(qū)別隔離。2)接線線號順序信息。接線表的線號順序應按接線先后順序進行排列調(diào)整，以減少操作者消化圖紙的時間，大大提高生產(chǎn)效率。3)焊片、壓接端子等連接端位置信息。不同型號焊片、壓接端子的使用位置應在接線表中加以說明。4)線束防護處理措施信息。多根導線形成的線束是否外加棕絲套管、錦綸套管、自卷套管、熱縮套管等防護措施，在接線表中要予以詳細說明。5)結構裝配對象連線信息。除項目代號外，應增加結構裝配對象連線信息，以更直觀地說明布線對象。6)元器件裝配信息。將電阻、電容等小型元器件與獨立組件串并聯(lián)的要求提煉出來，以免上機后難以操作。7)導線下線長度信息。提供導線下線長度信息，以實現(xiàn)導線提前下線和線束預制成型。

2.2改變機柜工藝設計模式

2.2.1 實現(xiàn)結構電訊工藝并行設計

在信息化、數(shù)字化、智慧化飛速發(fā)展的今天，推行工藝設計提前介入產(chǎn)品設計，實現(xiàn)結構設計、電訊設計、工藝設計三方面協(xié)同并行設計，是提高企業(yè)競爭力、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。結構、電訊、工藝三者并行設計打破了串行設計的諸多弊端，尤其是工藝設計提前介入到產(chǎn)品設計中，對優(yōu)化設計方案、預備生產(chǎn)手段、提前釋放風險、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。

機柜電纜布線設計時，對電氣技術、機械技術、制造技術三方面進行綜合協(xié)同系統(tǒng)設計，是未來布線設計的方向和目標。如布線區(qū)域設計，應根據(jù)不同布線區(qū)域內(nèi)電纜和線扎的直徑、長度等參數(shù)，有針對性地設計專用布線通道、布線凸臺、布線槽、布線支架、布線托架等。上述專用布線設計，應考慮通用性，并盡量系列化、標準化[3]。

2.2.2 實現(xiàn)工藝流程的精細化設計

不是所有的設計圖紙都能加工出產(chǎn)品來，工藝文件是指導生產(chǎn)的基礎文件，它反映工藝工作的內(nèi)容和水平，是企業(yè)生產(chǎn)的科學程序和操作準則。從產(chǎn)品方案開始形成起，一直到產(chǎn)品出廠的整個研制過程，沒有哪個環(huán)節(jié)不是按照一定的工藝文件進行工作的。因此, 一份完善的電子裝配工藝文件是在電子產(chǎn)品制造過程中進行工藝管理、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]。

為提高機柜布線生產(chǎn)效率，應打破機柜電裝生產(chǎn)中傳統(tǒng)的包干式、串聯(lián)式工藝流程，以并行化、流水化為原則對機柜電裝工藝流程進行優(yōu)化和細化，對布線流程按照串并聯(lián)相結合，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，降低占機時間，提高布線效率。圖2是以某產(chǎn)品的綜合處理機柜為例，從原來的串聯(lián)式齊套、制標識、電裝、檢驗工藝流程改變?yōu)榇⒙?lián)相結合的電裝工藝流程。

圖2 某機柜優(yōu)化后的工藝流程

2.2.3 實現(xiàn)三維可視化裝配工藝設計

三維可視化裝配工藝設計是工藝設計發(fā)展的方向。它利用三維虛擬現(xiàn)實技術建立一個擬實( 包括人、機環(huán)境) 的交互裝配操作的仿真環(huán)境，由裝配工藝設計人員根據(jù)知識、經(jīng)驗和實際條件在虛擬環(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，并通過多種傳感裝置分析裝配過程中的各種人機工程問題，在可視化裝配環(huán)境中分析各種工藝方法的優(yōu)劣和實用性，最終得到一個合理、經(jīng)濟、符合實際生產(chǎn)需求的產(chǎn)品裝配工藝[5]。三維可視化工藝設計是基于三維模型的工藝設計，是面向制造、以數(shù)字樣機為基礎、以工藝流程為中心、通過產(chǎn)品三維數(shù)字化模型來描述產(chǎn)品制造過程的新的工藝設計模式，除了靜態(tài)可視化標注說明，還能實現(xiàn)動畫裝配仿真等信息。

目前三維布線工藝設計已經(jīng)依據(jù)三維模型設計開展了相關的工作。三維布線工藝設計主要包含線纜裝配干涉的檢查、線纜裝配順序的設計、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、固定控制點的設計、特殊線纜保護措施等工作。三維布線工藝打破了傳統(tǒng)二維工藝設計的弊端，能讓工人一目了然地遵循布線順序和布線原則。

2.2.4 提煉首件樣機生產(chǎn)經(jīng)驗

對于工藝工程師，不但需要負責機柜圖紙設計文件和工藝文件的設計質(zhì)量，還必須保證整個機柜的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。由于雷達機柜小批量、多品種的生產(chǎn)特點，對雷達機柜首件樣機的生產(chǎn)顯得尤為重要。通過首件樣機的生產(chǎn)，可以收集機柜生產(chǎn)過程中的所有優(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，并將收集的信息進行歸納整理，提煉首件樣機經(jīng)驗，形成首件樣機標準化生產(chǎn)報告，為后續(xù)機柜的批量化和標準化生產(chǎn)提供優(yōu)化數(shù)據(jù)和信息。

3 結束語

雷達機柜結構緊湊、裝配密度高且對可靠性要求高，其三維模型設計(包括三維布線設計)目前還處于積極探索和不斷深化的過程中。同時，由于雷達機柜品種多、批量小、生產(chǎn)流程長的特點，其生產(chǎn)組織難度也大于普通民用機柜。本文基于數(shù)字化設計方式和信息化生產(chǎn)組織模式，對雷達機柜的三維模型設計優(yōu)化和生產(chǎn)組織方式優(yōu)化進行了研究，提出了設計優(yōu)化的途徑和現(xiàn)階段快速生產(chǎn)組織的途徑。研究結果的使用表明，這些方法能夠有效提高現(xiàn)場生產(chǎn)文件的可讀性和指導性，縮短機柜裝配的生產(chǎn)周期，減少接線錯誤。這一優(yōu)化思路和方法可以應用于雷達其他分系統(tǒng)的三維布線設計和裝配生產(chǎn)，具有普遍性。但當前三維布線設計軟件的針對性還不足，軟件的模型庫、線軸庫等還不完善，因而三維布線設計模型與實際布線結果還存在一定的差異，需要通過實物的首件裝配進行修正。同時現(xiàn)場生產(chǎn)中三維工藝使用的互動性還不夠強，效率還有待進一步提升。因此，通過改善軟件和模型庫進一步提高機柜三維布線設計的準確性，應用虛擬現(xiàn)實技術進一步提高機柜裝配的生產(chǎn)效率，是機柜三維布線設計和應用研究的后續(xù)方向。

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

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

[3] 許小明, 劉昌祿, 孫志安. 艦載電子設備布線設計方法及其工程應用[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. 三維裝配工藝技術在雷達總體裝配中的應用研究[J]. 電子機械工程, 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)制造工藝研究與設計工作。

袁 玲(1970-)，女，高級工程師，主要從事雷達電子設備結構設計研究工作。

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