面向裝配驗證的衛星電纜數字化技術研究

王江永 靖法 張子亮 張強

(1 中國空間技術研究院通信衛星事業部，北京 100094)(2 北京衛星環境工程研究所，北京 100094)

在衛星研制過程中，電纜發揮著越來越重要的地位，在某些航天器內部總體構造中,各種電源、電纜、線纜及其附屬件的質量占其總質量的20%～30%[1]。隨著衛星指標參數的提高，衛星電纜越來越復雜，并引進了高壓、剛性大等特殊電纜，局部區域尚存在模板電纜[2]。復雜電纜需要優化，但缺乏優化手段；為了保證高壓、剛性大電纜等特殊電纜鋪設，往往留有較大余量和甩線弧度；局部區域電纜存在空間狹小局促、受限較多、裝配難度大；下廠模型易用性差、操作繁瑣。

世界各國的航空企業都在探索先進的設計和制造模式，以保持企業的競爭優勢。面向制造裝配設計(Design For Manufacture and Assembly，DFMA)受到各國政府和研究機構的重視，在許多國外大型航空企業中使用DFMA并取得了顯著的效果[3]。

文獻[4]提出對航空產品電纜的數字化布局進行分析,并在此基礎上探索電纜數字化布局設計流程、產品數字樣機的建立、電纜交互式布局設計。文獻[5]對國內外主流的飛機電氣系統數字化設計流程與技術現狀進行研究，分析當前流程在工程應用中暴露的問題與不足，結合飛機電氣系統的改進需求，給出設計流程優化方案，該優化方案可為今后電氣系統設計提供指導。

本文在衛星電纜網數字化研制已有實踐經驗積累的基礎上，針對宇航產品質量要求高、過程控制嚴，地面研制而在軌應用，產品批量小、難以大規模統計分析的特點，在可裝配的基礎上，增加“可驗證性設計”(Design For Verification，DFV)的概念，形成可裝配性與可驗證性設計方法(Design For Assembly and Verification，DFAV)，可更好的平衡新產品設計開發周期、成本和質量等方面的需求。并在衛星電纜裝配上，利用此設計方法，開展面向裝配驗證的電纜數字化技術研究和驗證。

1 復雜電纜設計驗證

在衛星研制中，采用了矩陣電纜、連接綜合電子設備的電纜等。矩陣電纜電路不同于常規的遙測采集和指令發送電路，在電纜網連接關系上不再是簡單的單點對單點，而是多臺設備的多個接點短接[6]，在連接關系上存在一點對多點等復雜情況，在接點設計環節，即使考慮走向因素，如果不借助程序計算來驗證，很難得到較優接點排布方案。連接綜合電子設備的電纜規模龐大，結構復雜，走向分支多，為優化綜合電子電纜，需要在電纜網接點設計方面進行優化驗證，已經具備的輔助設計系統提供了電纜分支及接點設計功能，同時具備電纜及電連接器配套信息查詢、電纜網接點表輸出功能等。但使用現有的輔助設計系統進行電纜網設計，分支合理性驗證、壓降分析沒有工具手段來輔助，仍需要大量人工參與。

針對復雜電纜的裝配，必須在設計之初就對電纜進行優化。對于矩陣電纜進行矩陣電纜接點自動分配驗證：考慮到矩陣電纜的特殊性，專門對矩陣電纜進行研究完成接點自動分配驗證。通過計算機實現矩陣電纜網的自主優化設計，矩陣接點自動分配設計驗證包括算法開發和軟件實現兩部分，最大可能地減少電纜長度(即減少電纜質量)優化遍歷順序，并進行有效驗證和復核，提高設計效率，降低設計錯誤的可能。

對于連接綜合電子設備等的復雜電纜對接點設計數據進行優化，在完成軟件自動化驗證并確保數據正確后，再進行接點表輸出。通過建立并完善電氣系統專用模塊，實現電纜網接點設計數據驗證自動化，從而減少電纜網復核復審過程中的人為參與，減小出錯的概率，提高接點表輸出效率。

在某衛星中開展接點自動化方法驗證，進行多項數據驗證包括：一點對多點驗證、電連接器驗證、信號內容一致性檢查、導線選型檢查等。對綜合接線圖中的所有數據進行數據驗證，能保證接點設計數據正確性, 與傳統人工方法比較提高了設計驗證效率60%以上，軟件設計正確率為100%。

在復雜電纜設計裝配中，電氣設計與機械走向協同不夠，電纜網分支及接點設計難以最優，電氣工程師在進行電纜網分支及接點設計時，不能將電纜網幾何走向充分考慮在內，不能實現并行設計。需要提升電纜網接點設計后驗證自動化程度，實現接點表智能化設計替代人工錄入數據，實現設計與仿真驗證、二維與三維設計的緊密結合。采用電氣設計軟件和三維機械設計軟件集成進行關聯設計：使得三維數據與線束接線圖、系統布置圖和接點原理圖都有了數據交互的通道，原理圖的導線連接信息被傳遞到三維之后，可以進行三維布線，獲得三維線束的真實直徑，檢查線束與結構的干涉，三維線束的長度信息也可以被導入、展平到線束圖[7]，用于二維線束圖的設計。

在分支原理與幾何走向協同、接點表層次與幾何走向協同兩個層次上進行電氣設計與機械走向協同，并在協同平臺中進行電纜信息交互設計，用以實現系統設計版本的可追溯性、設計數據管理統一性以及設計輸入輸出的一致性，如圖1所示。開展電纜走向設計和輸出驗證。上百束電纜自動輸出完成投產，大大提高了輸出效率。

2 局促區域電纜裝配驗證設計

在電纜研制中有局部區域電纜存在空間狹小局促、受限較多、裝配難度大的情況。還有在設計之初，沒有充分考慮活動艙板與固定艙板間連接電纜在綁扎合束后較硬較粗，成為順利合艙的制約因素，甚至合艙后成束電纜的彎曲應力會導致附近艙板變形。在實施過程中，存在合艙時由于電纜較粗不能合儀器艙板，需將電纜束打散后才能合艙，而合艙后還有分束較粗電纜由于線長冗余引起艙板變形，對衛星造成影響。對于電連接器插拔空間較小的局部區域電纜，沒有充分考慮電連接器尾罩的形式及加工尺寸過大而引起的安裝困難，甚至無法安裝[8]。

針對局促區域電纜裝配受限、難度大問題，對該局部區域電纜進行精細走向設計，并采用電氣接點信息與電纜幾何走向信息關聯，計算電纜束直徑為[9]

式中：D為電纜束直徑；N為電纜接點連接數，RMax為連接電纜中單根最大線徑。

采用電氣接點驅動幾何走向電纜后，進行局部區域三維電纜的合艙模擬仿真，將艙板合艙處電纜按幾大束電纜模擬，每束40 mm，一束在固定艙板上指向一個方向，另外的線束在固定艙板上指向另一方向。在模擬仿真時，電纜線會在固定艙板上表面和活動艙板的綁扎支架下方拱起(仿真結果)，根據仿真結果實時修正模型。在活動艙板合到一定角度時，如電纜模擬線束斷裂，則需要將活動艙板上固定在線纜支架上線束捆扎點去掉，直到電纜沒有沖突為止，最終找出電纜的線徑、拐彎半徑等關鍵參數用于現場裝配。圖2為模擬合艙時的示意驗證，該方法在實際合艙時使用效果良好。

圖2 模擬電纜合艙Fig.2 Simulating cable closeure

使用電纜局部定型來解決電纜插拔空間局促的問題，將電纜尾部采用向左成型、向上成型、向右成型，如圖3所示。電纜局部定型方法在接插件前方有波導遮擋影響插拔的設備和設備前僅有60 mm插拔空間的線路盒上進行驗證，能夠保證安裝時順利插接。

圖3 電纜成型 Fig.3 Cable molding

3 高壓、剛性大等特殊電纜裝配驗證設計

高壓電纜、大功率電纜等特殊電纜剛度較大，為了保證電纜鋪設，往往留較大余量和甩線弧度。另外在電纜研制中存在活動電纜，如太陽翼到帆板驅動機構的連接電纜，激光終端、電推進火工品解鎖器連接艙內的電纜，此類電纜在產品運動過程中處于運動狀態，活動電纜通常一端固定，另一端受運動部件連接進行空間運動[10-11]。由于缺乏活動電纜在工作狀態下的運動模擬和仿真，往往通過經驗和模板(木質模型)裝配[12]來最終確定。

針對剛性大的電推進高壓電纜和大功率電纜等特殊電纜，找出影響電纜的設計要素，控制每一個設計要素的設計要點來控制設計對象，表1是設計要素的示例。

表1 電纜網設計要素表

活動電纜主要受重力和變形能影響，由于電纜質量小，重力影響占次要地位，所以在仿真時主要考慮變形，將電纜等效為勻質、各向同性的圓截面彈性桿[10](圓截面參數、拐彎半徑可變)，然后進行運動分析。按照仿真后的電纜參數(設計要素)進行電纜走向完成活動電纜的裝配模擬。

以衛星三維電纜網設計過程中電纜的設計要素為基礎，如線束拐彎半徑、松弛度值、線徑等，對所需的設計輸入、經驗公式、標準規范等知識進行封裝與集成，形成基于知識的設計向導模板，支持設計人員基于此設計向導模板進行電纜設計，從而實現高壓、剛度大等特殊電纜的設計，并以此為基礎開展驗證減少模板生產。

4 系統裝配模式優化與驗證

電纜網下廠裝配存在以下3種問題：①跨艙標識不規范，電纜網上跨艙標識不明顯，標識方法不直觀，還需要專門的對照圖，導致鋪設時電纜網實物與模型對照困難，一旦鋪設后再次查找很難看清實物電纜上的跨艙標識，無法快速復查。電纜網跨艙標識數量不夠，不能滿足部分出艙、跨艙電纜鋪設要求，存在安裝后電纜長度不夠的風險。②電纜輸出問題，輸出釘板圖、下線表時操作繁復。③現場模型利用問題，依據模型不直觀，模型查詢困難，容易漏項(如接地端子、自由端等信息難查找)，自由端走向確認困難。在電纜設計時，對裝配鋪設電纜的分層、分批敷設考慮不足[13]。

針對上述問題，從3個方面提出如下解決方法。

1)跨艙電纜標識優化

為完成電纜網的敷設移植，在設計階段對數字化三維電纜模型中電纜網標識進行設計，在電纜投產時同時進行標識的制作，待總裝鋪設時根據電纜上的標識及電纜網三維模型完成電纜上星安裝。在跨艙處、艙板開口處均放置電纜跨艙標識。

矩陣電纜在模型中標識出分線器的詳細位置，防止生產時分線器出現在彎折處和跨板處；其次還需標出每個分線器的接線順序、根數及出線方向等，以滿足加工研制的要求。

2)明確輸入格式及特殊電纜的表達格式

與制造廠協調明確電纜走向輸出的內容為下線表和分支圖，及每一項內容的具體樣式，自動輸出下線表、分支圖等，將清晰的字體、數據標注樣式固化在分支圖模板中。為了避免過粗電纜在鋪設時擰勁，在分支圖中做出標注：T型、Y型、垂直紙面成型等，對顏色、字體等進行約束。分支圖中尺寸統一用整數，分支圖自動輸出定制工作，完成后分支圖格式如圖4所示。下線表標準格式如表2所示。

3)總裝模型優化，便于工藝模型重構

以衛星樣機及三維電纜網模型為基礎，將總裝所需的模型信息(電纜網的裝配信息主要包括電纜走向信息、電纜固定點信息、電纜接插件、自由端信息等)及要求添加到三維電纜網模型中，使模型滿足裝配現場實施用展示樣機的搭建，同時在電纜網模型中補充裝配所需信息。提供給裝配部門的電纜總裝模型時，同時提供總裝模型說明，說明鋪設順序。

將該方法在某產品中使用驗證，利用開發的輔助工具自動建立產品結構，放置接插件，實現人為選擇若干束電纜網的模型后輸出包含分支圖及下線表的生產要求文件，并可實現某幾束電纜修改后，生產要求文件的定向更新操作。原來需要一名設計師數天的工作量，利用該方法后，可以在30 min內由軟件自動完成，效率大幅提高并從根本上避免了人為差錯。

圖4 改進后分支圖樣式Fig.4 Improved branch drawing shape

表2 下線表

5 實例分析

根據本文描述方法，以某通信衛星為例進行驗證，進行機電聯合設計。機械設計人員與電氣設計人員將電纜網分支設計與走向設計并行開展：在電纜網分支設計階段，利用三維幾何走向仿真，電氣工程師與機械工程師協同設計，將分支設計與電纜網走向設計協同考慮，確保電纜網分支設計在最初始階段就獲得較優結果；機械設計人員在完成儀器設備的三維布局后，不必以電氣系統的接點表作為輸入，而是以電氣分支關系原理作為輸入，進行電纜網三維走向設計，將走向設計工作提前開展，有利于節約電纜網研制周期。

完成以設計要素為基礎的三維電纜網設計，以電纜網接點表作為輸入，依托電氣設計系統到三維設計軟件的機電一體化工具，對電纜網三維走向模型進行電氣化驅動，使之成為具有信號、粗細、質量等特性的電纜網虛擬樣機。電纜網虛擬樣機完成后，基于電纜網虛擬樣機進行干涉、質量特性[13]、壓降等一系列仿真分析，根據仿真分析的結果對電纜網設計進行優化。采用該方法自動輸出下線表、分支圖等。

對三維數字化電纜模型進行簡化，從中提取電纜端電連接器、單根電纜線束走向、單根電纜跨艙標識，生成與裝配相關的產品結構樹及其相應的數字化裝配視圖。艙段電纜模型裝配視圖建立在艙段模型根節點下，向下依次按分冊、電纜編號進行劃分。

給數字化裝配視圖中需要安裝的電纜端電連接器賦予MBD數據集表示的裝配信息。從與裝配相關的產品結構樹和模型提取產品結構層次關系、電纜層次關系，以及MBD數據集總裝信息，匯總生成裝配模型BOM文件。

6 結束語

針對電纜網研制流程中參與部門多、接口關系復雜、裝配中面臨的問題，進行衛星電纜網可裝配性和可驗證性設計方法研究。針對復雜電纜裝配，開展了綜合電子和矩陣電纜等電纜的優化設計，開展接點自動化方法驗證，能保證接點設計數據正確性,實現了電氣設計與機械走向兩個層次的協同。對于局促區域電纜裝配給出了公式來計算模擬電纜束，進行仿真分析，該方法在實際合艙時使用，效果良好。給出高壓、剛性大電纜基于設計要素開展設計的方法，并以此為基礎開展驗證減少模板生產。通過研究實踐給出了裝配模式。結果表明，該文方法能夠解決電纜裝配面臨的問題，可在航天器電纜網設計與研制中推廣使用。