航天器全三維儀器電纜總裝設(shè)計(jì)技術(shù)研究

張曉帆+++李永俊+++徐方舟+++宋春雨

摘 要：提出了基于CATIA的航天器全三維儀器電纜總裝設(shè)計(jì)回路，通過(guò)完成儀器建庫(kù)、儀器布局、安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)件建庫(kù)、電纜敷設(shè)、分析優(yōu)化等步驟工作，將設(shè)計(jì)輸入轉(zhuǎn)化為三維零件圖、三維總裝圖、BOM表、電纜圖紙等設(shè)計(jì)成果，提供工廠用于生產(chǎn)零部件和完成總裝。

關(guān)鍵詞：全三維；儀器；電纜；總裝

引言

儀器電纜總裝是航天器制造中的主要環(huán)節(jié)，新型航天器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)二維圖紙很難清晰表達(dá)三維空間中的儀器安裝位置和電纜走向，且所需圖紙量巨大，操作工人讀圖困難，容易出現(xiàn)安裝錯(cuò)誤。基于CATIA的航天器全三維儀器電纜總裝設(shè)計(jì)技術(shù)，可以有效地解決儀器電纜布局復(fù)雜和研制周期短的矛盾。

1 單位長(zhǎng)度密封條壓縮力計(jì)算

儀器電纜是航天器的重要組成部分，儀器電纜總裝設(shè)計(jì)從航天器方案論證階段就要開展工作，隨著方案的細(xì)化和設(shè)計(jì)的深入，逐步完善。期間輸入的變化，方案的修改等對(duì)設(shè)計(jì)工作都會(huì)有很大的影響，甚至造成設(shè)計(jì)的反復(fù)，帶來(lái)巨大的工作量，往往需要較長(zhǎng)的周期。而且隨著電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)及工藝難度的提升，電纜網(wǎng)裝配工藝不完善、電纜局部扭曲、對(duì)接力不均、擠壓等因素產(chǎn)生故障的情況在產(chǎn)品裝配過(guò)程中多次出現(xiàn)[1]。

全三維儀器電纜總裝設(shè)計(jì)回路就是針對(duì)儀器電纜總裝設(shè)計(jì)的特點(diǎn)開發(fā)的，通過(guò)合理開展8個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作，如圖1所示，把總體和航電系統(tǒng)提供的設(shè)計(jì)輸入條件轉(zhuǎn)化為航電系統(tǒng)和工廠使用的設(shè)計(jì)輸出成果，可以最大限度的減少外部條件變化帶來(lái)的重復(fù)工作量，可以有效縮短設(shè)計(jì)周期，并提高設(shè)計(jì)正確性。

設(shè)計(jì)是一個(gè)反復(fù)修改優(yōu)化的過(guò)程，在CATIA協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境下，可以使用模型樹導(dǎo)出BOM表用于下料，早期版本的BOM表可用于下料評(píng)估，數(shù)模與EDRN清單交付用于零件生產(chǎn)。三維的生產(chǎn)模式可以實(shí)現(xiàn)與全三維設(shè)計(jì)模式的良好匹配，減少中間環(huán)節(jié)，不僅縮短周期，而且可有效保證生產(chǎn)和設(shè)計(jì)的一致性。

2 全三維儀器電纜總裝設(shè)計(jì)方法

航天器設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用基于CATIA的全三維儀器電纜總裝設(shè)計(jì)技術(shù)，主要由以下幾個(gè)方面的具體方法：

2.1 建立成品件、標(biāo)準(zhǔn)件模型庫(kù)

在設(shè)計(jì)全過(guò)程中，利用CATIA協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境中，梳理規(guī)劃了儀器設(shè)備、電連接器、卡箍卡帶、支座、緊固件共5大類儀器電纜總裝設(shè)計(jì)用資源庫(kù)；利用基礎(chǔ)數(shù)模、驅(qū)動(dòng)尺寸和參數(shù)表，可實(shí)現(xiàn)多系列、多規(guī)格快速建模，如圖2所示，供協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境中的所有用戶使用；用戶可以檢索、調(diào)用該模型，開展三維儀器電纜總裝設(shè)計(jì)；資源庫(kù)中的源模型發(fā)生變化時(shí)，可以自動(dòng)更新至所有調(diào)用設(shè)計(jì)模型中[2]。

2.2 三維儀器、傳感器布局

在成品件、標(biāo)準(zhǔn)件模型庫(kù)建立完成后，可以利用庫(kù)中的資源進(jìn)行儀器、傳感器布局的設(shè)計(jì)。綜合考慮總體和航電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)輸入，除滿足各個(gè)設(shè)備的安裝要求外，還需預(yù)先規(guī)劃電纜敷設(shè)通道，并盡量使得設(shè)備之間走線簡(jiǎn)單。三維儀器、傳感器布局有著直觀，容易修改的優(yōu)點(diǎn)，既適合前期的布局方案設(shè)計(jì)，也為相關(guān)系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

2.3 三維電纜敷設(shè)設(shè)計(jì)

在航天器三維設(shè)計(jì)過(guò)程中，各個(gè)儀器、接插件等成品件建模、相關(guān)結(jié)構(gòu)件模型較為準(zhǔn)確，可以使得電纜敷設(shè)設(shè)計(jì)非常詳細(xì)，電纜的直徑、轉(zhuǎn)彎半徑等均可以予以通過(guò)三維建模體現(xiàn)，如圖3所示，能真實(shí)的反映實(shí)物狀態(tài)。

2.4 人機(jī)工程分析

裝配仿真是在三維數(shù)字化環(huán)境中動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)所有零部件裝配成產(chǎn)品的全過(guò)程，并在裝配仿真過(guò)程中實(shí)時(shí)檢查碰撞干涉，確保各個(gè)零部件裝配到位。通過(guò)裝配仿真技術(shù)，能夠用最短的時(shí)間，最少的人力、物力、財(cái)力驗(yàn)證產(chǎn)品裝配工藝方案的可行性。在航天器裝配工藝方案設(shè)計(jì)階段，運(yùn)用裝配仿真技術(shù)可以對(duì)整個(gè)裝配過(guò)程有一個(gè)直觀的了解，能夠?yàn)橄到y(tǒng)方案驗(yàn)證、裝配序列規(guī)劃、裝配工藝編制、裝配風(fēng)險(xiǎn)控制等提供重要參考依據(jù)[3]。典型安裝操作人機(jī)分析如圖4所示。借助全三維設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，可以取消傳統(tǒng)的實(shí)物模裝的步驟，直接按照設(shè)計(jì)狀態(tài)進(jìn)行總裝，可為研制任務(wù)節(jié)省大量的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。

2.5 電纜分支長(zhǎng)度自動(dòng)生成

傳統(tǒng)的電纜分支長(zhǎng)度圖通過(guò)AutoCAD繪制，繪制工作繁瑣，周期長(zhǎng)且易出錯(cuò)。采用三維電纜敷設(shè)獲取電纜三維模型，再通過(guò)將三維電纜展開獲得電纜二維圖紙，如圖5所示，生成的二維分支長(zhǎng)度圖與原三維電纜存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，所需接插件代號(hào)及電纜分支長(zhǎng)度等信息可以直接通過(guò)簡(jiǎn)單的點(diǎn)擊操作直接獲得，如圖6所示，可大大降低電纜分支長(zhǎng)度圖繪制的工作量，省略了易出錯(cuò)環(huán)節(jié)，有效保證設(shè)計(jì)的正確性。

2.6 三維備料模式

航天器儀器電纜三維裝配細(xì)化到每一個(gè)緊固件，可以直觀的檢查配套零件的正確性和完備性，儀器電纜裝配的標(biāo)準(zhǔn)件備料清單只需從CATIA中導(dǎo)出即可，提高了備料清單的設(shè)計(jì)效率，更增加了備料清單的準(zhǔn)確性。在設(shè)計(jì)初期，也可以通過(guò)三維的備料模式初步提取清單，用于生產(chǎn)規(guī)模的初步評(píng)估等，在設(shè)計(jì)逐步細(xì)化的過(guò)程中可多次提取清單，不增加額外的工作量，更適合新型航天器快節(jié)奏的研制模式[4]。

2.7 三維生產(chǎn)模式

儀器電纜總裝相關(guān)零件采用三維生產(chǎn)模式，設(shè)計(jì)人員建立零件三維模型后，直接在零件圖和裝配圖中標(biāo)注技術(shù)要求，不再繪制傳統(tǒng)的三視圖，節(jié)省了大量的工作量。下廠過(guò)程中采取工程數(shù)據(jù)集發(fā)放單EDRN（Engineering Dataset Release Notice）作為工程指令的技術(shù)有效解決了三維數(shù)模設(shè)計(jì)版本更改問(wèn)題，EDRN分為首頁(yè)和次頁(yè)，首頁(yè)供審簽使用，次頁(yè)用于進(jìn)行參考性描述和更改描述用，首頁(yè)如圖7所示。

2.8 三維裝配模式

儀器電纜裝配圖建模時(shí)，將其結(jié)構(gòu)樹按照裝配關(guān)系設(shè)計(jì)，安裝每個(gè)設(shè)備和電纜時(shí)，其所用的成品件和標(biāo)準(zhǔn)件代號(hào)、型號(hào)、規(guī)格、數(shù)量均可從結(jié)構(gòu)樹里方便獲得，也可導(dǎo)出文本文件，而且具有關(guān)聯(lián)關(guān)系，如圖8所示，既方便查找也為精細(xì)化裝配提供了保證。對(duì)于有特殊要求的設(shè)備可以通過(guò)三維標(biāo)注的形式在三維模型上標(biāo)出設(shè)備的安裝要求，需要時(shí)可打開查看，比二維圖更直觀、有效的指導(dǎo)裝配。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于CATIA的航天器全三維儀器電纜總裝設(shè)計(jì)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高效、快速設(shè)計(jì)，該技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

（1）利用全三維的儀器電纜總裝設(shè)計(jì)回路，可快速有效的完成儀器電纜總裝從設(shè)計(jì)輸入到輸出的工作，且可有效保證設(shè)計(jì)狀態(tài)與真實(shí)狀態(tài)的一致性；

（2）儀器電纜三維裝配細(xì)化到每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件，可以直觀的檢查配套零件的正確性和完備性，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的獲取物料清單，更方便生產(chǎn)制造；

（3）三維數(shù)模取代二維圖紙，在包含二維圖紙的所有信息的基礎(chǔ)上，更直觀的表達(dá)了所有零部件的裝配關(guān)系，方便查找相關(guān)信息，提高裝配效率。

參考文獻(xiàn)

[1]雷虎民.彈上電纜網(wǎng)三維設(shè)計(jì)及虛擬裝配方法[J].電子測(cè)試，2016（03）.

[2]郭具濤，梅中義.基于MBD的飛機(jī)數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2011（22）.

[3]王洪雨.裝配仿真技術(shù)在衛(wèi)星裝配中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2015（21）.

[4]周秋忠，范玉青.MBD技術(shù)在飛機(jī)制造中的應(yīng)用[J].航空維修與工程，2008（3）.

[5]王志斌，劉檢華，劉佳順，等.面向電纜虛擬裝配仿真的多分支彈簧質(zhì)點(diǎn)模型[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50（3）.

[6]刁常 ，劉剛，侯向陽(yáng)，等.基于Pro/E軟件的電纜三維設(shè)計(jì)及制造方法[J].信息化技術(shù)，2013，4（2）.

[7]梅中義.基于MBD的飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2010（18）.

[8]寧俊義，楊曉飛.MBD模式下工程信息的表達(dá)與傳遞[J].航空制造技術(shù)，2012（6）.

作者簡(jiǎn)介：張曉帆（1983-），男，碩士，工程師，主要研究方向：飛行器總裝設(shè)計(jì)。