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柔性制造在微波天线制造技术中的应用

概述

微波天线技术是制约雷达、测量控制技术发展的瓶颈。与其他电子产品不同的是,微波天线的电气性能和整机功能,主要靠馈源网络的结构保证,因此,馈源网络的设计及工艺制造是天线产品制造的关键技术。

“九五”期间,为解决高精度微波天线设备的配套能力,针对天伺馈关键零部件研制周期长、加工手段落后和现代化生产管理条件差的问题,在有关部门的支持下,由国家重点投资并依托于中国电子科技集团公司第三十九研究所,开展了“天线系统关键零件柔性设计制造中心(简称柔性中心)”的科研建设工作。

本柔性中心以大中型天线系统为对象,重点围绕天线馈源、精密传动箱、天线成形模具等3个系列4种类型关键零件的研制生产建立设计制造一体化系统。目前,该项目已经建成投产。

主要指标为:

(1)突破关键技术,建立具有行业特色的大型天线系统关键零件设计制造一体化系统,实现3个系列4种类型零件的设计制造。
(2)使天馈关键零件设计、生产周期缩短50%,生产效率提高3~5倍。
(3)实现年研制生产馈源典型零件1 200套(其中关键器件328件)、箱体78套、精密天线模具38套的规模,可达到年配套重点大中型高精度天线系统产品44台套的能力。

柔性中心的组成及技术目标

通过柔性中心科研建设,使在大型天线系统研制中的计算机应用能力和工艺加工水平达到国内领先、国际九十年代初水平,为重点研制任务的完成提供有力的保障。

(1)基于柔性制造技术和系统集成技术,通过配置先进的数控加工设备和计算机系统,运用以计算机技术为核心的现代设计、制造和管理技术,建立一个具有行业特色的柔性制造中心。
(2)应用CAD/CAM技术,实现天线系统关键零件的计算机辅助设计,逐步实现柔性中心设计过程的并行化。
(3)应用现代信息管理技术和加工过程的计算机控制技术,实现关键零件制造过程的柔性化。
(4)通过建立网络和数据库云霄环境,为实现中心运行过程中的功能交互、信息集成和资源共享创造条件。
(5)提高本单位的综合实力和现代化水平,提高对市场的应变能力。
(6)柔性中心总体功能构成如图1所示,由工程设计系统、工程管理系统、质量管理分系统、车间制造分系统和网络数据库支持系统构成。

①工程管理信息分系统(EMS)实现项目管理、技术状态管理、库存管理、生产计划制订、成本管理。
②质量信息管理分系统(QMS)基于Intranet实现生产过程质量信息收集、分析、处理、反馈和质量文档管理。
③工程设计分系统(EDS)应用基于PDM实现馈源关键零件CAD/CAPP/CAM集成设计等。
④车间制造分系统(WMS)实现天线关键零件的数控加工、数控设备的DNC、生产计划调度等。网络数据库支撑环境(NET/DB)对EMS,EDS,WMS分系统的运行提供集成环境,提供Intranet服务,支持柔性中心的信息集成。

建成后产生的效益分析

技术效益

采用先进制造技术、基于特征的产品CAD/CAPP/CAM集成技术、现代管理技术和计算机网络技术,建立了具有行业特色的大型天线系统关键零件设计制造一体化系统,实现了3个系列4种类型关键零件的快速制造。

建立了天线关键零部件产品并行设计的环境和天线反射体成形模具优化设计的环境,实现了馈源关键器件设计的参数化和智能化。

部分产品实现了参数化设计并能进行无图纸加工,利 用程序生成3类典型零件的主要形状。主要包括以下程序:trupt.exe,truptwizard.exe,fenboqiwizard.exe,xiangti.exe。在trupt.exe中启动Pro/E2000i,并在其中将生成3类零件的菜单装在Pro/E2000i中。选择并单击需要生成零件的菜单,就可将生成这类零件的程序启动,完成参数设置以后,就可在Pro/E2000i中生成所需零件。可以大大提高3类关键零件的设计效率和设计质量,并且可以无缝的和PDM子系统集成,实现PDM对设计全过程的管理。通过自定义的内部接口,CAD子系统还可以向CAPP子系统提供部分相关信息。

建立了分波器和箱体类零件的参数化零件模板库。

运用参数化和特征技术,设计了分波器、馈源喇叭、箱体类零件的实体模型。

实现了基于导航的馈源关键零件智能设计。

部分产品实现了准虚拟制造。在实际加工之前对部件制造的全过程进行仿真,以达到对产品生产的最优目标。

配置了现代化的数控加工设备和精密三坐标测量机,建立了数控加工、质检和资源管理3个单元管理站,实现了生产准备和数控加工的DNC。

采用工程、制造信息综合管理技术和基于Intranet的质量信息管理技术,建立了先进的生产管理系统和质量信息管理系统。

显著提高了大中型天线系统的研制技术水平和装备配套能力,为“区电”等国防重点型号任务的完成提供了有力的保障。

实现了天线系统关键零件设计制造技术水平的大跨越。

经济效益

使天馈关键零件设计生产周期缩短了70%,生产效率提高3倍以上,明显增强了天线系统的配套能力。

使天馈关键零件的成品率提高了20%,关键功能尺寸的精度和一致性得到了有效保证,稳定和提高了天线系统关键零部件的质量。

完成柔性中心工程科研建设目标,按照三十九所年承担大中型测控天线任务全动站3台套、限动站10台套的产值4 500万元;年承担大中型卫星应用天线固定站天线3台套、移动站天线8台套产值4 000万元;年承担各类通信天线设备20台套产值3 000万元估算,由于天线馈源系统、精密驱动控制齿轮箱和天线反射面均是天线系统设备的高技术含量部件,实现其关键零件的柔性制造,预计直接经济效益每年不低于300万元,按新增产值的间接经济效益也十分可观。以下以某产品研制周期为例比对,用原有手段研制一套馈源时间约7个月,用柔性中心只需2个月,其中加工制造和电气调试时间大大缩短。

质量进步

实现过程质量数据采集、质量信息动态管理、分析和68反馈。
建立故障情况、报废记录、质量跟踪等质量档案管理数据库。
基于Intranet建立质检信息Web站点,实现B/S模式的质量信息动态发布。
使天馈关键零件的成品率提高了20%,关键功能尺寸的精度和一致性得到了有效保证,稳定和提高了产品的质量。

特别明显的是对于单脉冲自跟踪馈源的TE21模耦合器加工周期降到原来的10%。对于一个复杂的TE21模耦合器,形状如一个中空的正八面体,其耦合孔多达数百个,孔径孔距各不相同,定位精度要求非常高。按照原来利用进口精密镗床加工,单件周期约2个月,而且合格率非常低。利用柔性中心手段进行加工,单件周期约5天,而且,合格率可达100%。彻底解决了原来制约天线研制周期的瓶颈工艺问题。

可持续发展性

本项目建设虽然引进了数台先进的机加工设备,但不仅仅是购置,而进行了配套的技术开发和系统集成,开展了先进制造技术的研究和开发应用,取得了一大批研究成果。避免了“引进落后再引进再落后”的现象。

以“柔性中心”项目的科研建设成果为基础,根据上级的统一规划,该所在“十五”期间又承担了“大型高性能天线天伺馈关键部件快速研制集成应用系统”的开发和建设工作。重点解决以下关键技术问题:

(1)建立和完善数字化设计制造系统环境及其技术体系。
(2)构筑新一代高性能大型天线系统天伺馈快速研制集成平台。
(3)建立柔性中心与设备总体单位、骨干分承制方之间的动态联盟。
(4)形成以数字化设计制造技术为基础,以快速的信息交换、快速的设计手段、快速的制造技术为主体的天伺馈系统研制模式。
(5)实现基于PDM的数字化设计制造和过程优化管理。

社会效益

大中型高精度天线系统关键零件柔性制造中心,使该所多年来已经形成的天线技术优势得到了更好的发挥,使我国在大中型天线系统方面的研制生产条件得到了有效改善。带动了天线研制行业先进制造技术应用水平,使我国微波天线研制水平跻身于国际先进行列。该中心的建成对整个西北地区的相关产品制造水平的提高也具有促进作用。

存在问题及解决途径
(1)按照天线研制多品种少批量的特点,该柔性中心适应多研制少生产的产品族柔性。部分产品已能实现设计制造一体化。但是,受经费限制,天线其他部件仅能做到计算机辅助设计和数控加工,距离设计制造一体化还有距离。

解决办法:继续开发产品数据库,尽可能全的建立参数化设计或专家系统,进一步解决好信息集成和过程集成问题。

(2)该中心还没有与所本部的研究室设计平台建立接口,不能充分发挥整体研制优势。

(3)对于飞机载等空间使用的天线,体积重量要求非常苛刻,大量应用薄壁制件。该中心还没有配备高速铣削设备,不能加工薄壁制件。

(4)虽说该中心建设初衷为建成行业和地区的柔性制造中心,成为电子行业先进制造技术协作网的一个结点,实现网上信息传递并进行异地协同设计制造,目前看来,距原设想还有一定差距。

该中心基于产品特征所建立的柔性系统,基本骨架已经建成,同时亦具有开发扩展的能力,主要是受投资规模的限制,只要增加投资,上述问题可望解决。

结语

柔性制造技术是实现未来工厂的新颖概念模式和新的发展趋势,是决定制造企业未来发展前途的具有战略意义的举措。柔性制造作为一种现代化工业生产的科学和工厂自动化的先进模式已为国际上所公认,可以这样认为:柔性制造技术是在自动化技术、信息技术及制造技术的基础上,将以往企业中相互独立的工程设计、生产制造及经营管理等过程,在计算机及其软件的支撑下,构成一个覆盖整个企业的完整而有机的系统,以实现全局动态最优化,总体高效益、高柔性,并进而赢得竞争全胜的智能制造技术。他作为当今世界制造自动化技术发展的前沿科技,为未来机构制造工厂提供了一幅宏伟的蓝图,将成为未来一个时期装备制造业的主要生产模式。


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