三維設(shè)計(jì)軟件在衛(wèi)星電纜網(wǎng)協(xié)同設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王 歡 陳茂勝 戴 路 孔林

三維設(shè)計(jì)軟件在衛(wèi)星電纜網(wǎng)協(xié)同設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王 歡 陳茂勝 戴 路 孔林

（長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)有限公司，長(zhǎng)春 130000）

針對(duì)當(dāng)前商業(yè)衛(wèi)星研發(fā)中存在的周期、成本和裝配等幾個(gè)主要問(wèn)題，提出了一種電纜網(wǎng)三維建模方法，此方法將電纜網(wǎng)的研發(fā)和衛(wèi)星裝配有效結(jié)合起來(lái)。結(jié)果表明：此方法的應(yīng)用縮短了衛(wèi)星研制周期，提高了衛(wèi)星線束長(zhǎng)度精度、裝配效率以及衛(wèi)星電纜網(wǎng)的質(zhì)量估算精度等。實(shí)現(xiàn)了商業(yè)衛(wèi)星電纜網(wǎng)的三維快速協(xié)同設(shè)計(jì)。

三維布線；質(zhì)心精度；協(xié)同設(shè)計(jì)；商業(yè)衛(wèi)星

1 引言

衛(wèi)星電纜網(wǎng)的設(shè)計(jì)是電器專(zhuān)業(yè)人員、結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)人員和電裝實(shí)施人員協(xié)同設(shè)計(jì)的過(guò)程。傳統(tǒng)的衛(wèi)星電纜接線關(guān)系設(shè)計(jì)由電器專(zhuān)業(yè)人員設(shè)計(jì)完成，電纜長(zhǎng)度的測(cè)量和電纜網(wǎng)的裝配則由電裝實(shí)施人員完成，結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)人員輔助電纜網(wǎng)的裝配等工作。傳統(tǒng)電纜長(zhǎng)度的測(cè)量和電纜網(wǎng)的裝配一般采用三維模型與二維布局結(jié)合的方式，或者通過(guò)實(shí)物模型對(duì)電纜進(jìn)行裝配驗(yàn)證和長(zhǎng)度測(cè)量。然而上述兩種方法需要電裝實(shí)施人員具有較豐富的電纜裝配和線束實(shí)施經(jīng)驗(yàn)。傳統(tǒng)的衛(wèi)星電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)過(guò)程效率低下，而且難以發(fā)現(xiàn)電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)初期存在的問(wèn)題，同時(shí)會(huì)有以下幾個(gè)弊端：電纜質(zhì)量估算誤差大、電纜長(zhǎng)度冗余、裝配散亂、裝配干涉、裝配周期長(zhǎng)等問(wèn)題。

結(jié)合當(dāng)前商業(yè)衛(wèi)星電纜網(wǎng)研制的特點(diǎn)，衛(wèi)星電纜網(wǎng)的設(shè)計(jì)不可避免地要經(jīng)過(guò)幾個(gè)版本的更新。一定程度上影響了衛(wèi)星電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)的有序進(jìn)行，拖慢了研制周期。衛(wèi)星電纜網(wǎng)的研制工作已經(jīng)成為了商業(yè)衛(wèi)星研制周期的短板之一。

為了縮短電纜網(wǎng)的研制周期，并減少其對(duì)衛(wèi)星生產(chǎn)周期的影響,采用基于三維軟件的電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)方案，不以最終的電器系統(tǒng)接線關(guān)系表作為系統(tǒng)輸入，就可以開(kāi)展衛(wèi)星電纜網(wǎng)的前期裝配工作，通過(guò)與結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)人員的協(xié)同設(shè)計(jì)確保在電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)的初始階段得到最優(yōu)的分支走向。本文重點(diǎn)闡述了基于三維設(shè)計(jì)軟件的衛(wèi)星電纜三維協(xié)同設(shè)計(jì)的原理及實(shí)現(xiàn)方法。

2 衛(wèi)星電纜三維協(xié)同設(shè)計(jì)方法研究

2.1 軟件介紹

文中使用的軟件是一款三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，該軟件以其優(yōu)異的性能和易用性得到了廣泛的應(yīng)用，本文主要運(yùn)用他的布線功能插件實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星電纜網(wǎng)的協(xié)同設(shè)計(jì)工作。

2.2 商業(yè)衛(wèi)星電纜網(wǎng)三維設(shè)計(jì)協(xié)同原理

圖1 衛(wèi)星電纜網(wǎng)協(xié)同設(shè)計(jì)工作原理流程圖

衛(wèi)星電纜的協(xié)同設(shè)計(jì)，指衛(wèi)星研發(fā)階段在衛(wèi)星三維模型上對(duì)電纜進(jìn)行模擬布局和裝配，滿足電器性能、結(jié)構(gòu)力學(xué)要求，達(dá)到最優(yōu)的裝配路徑和裝配順序。通常由衛(wèi)星總體電路人員提供電器系統(tǒng)接線關(guān)系表，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)人員提供衛(wèi)星三維模型，電裝實(shí)施人員結(jié)合電器系統(tǒng)接線關(guān)系表和衛(wèi)星的三維模型對(duì)星上電纜進(jìn)行初步裝配，將裝配完成后的電纜三維模型分別提供給電器專(zhuān)業(yè)人員、結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)人員和熱設(shè)計(jì)人員確認(rèn)及反饋，完成后續(xù)電纜網(wǎng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)工作。衛(wèi)星電纜網(wǎng)三維協(xié)同設(shè)計(jì)工作主要流程如圖1所示。衛(wèi)星采用三維電纜協(xié)同設(shè)計(jì)具有以下幾方面優(yōu)點(diǎn)：

a. 能夠?qū)?fù)雜電纜和剛性電纜的設(shè)計(jì)進(jìn)行裝配驗(yàn)證，復(fù)雜電纜線束具有多種信號(hào)，且連接關(guān)系復(fù)雜，直徑較粗且線束呈現(xiàn)剛性的趨勢(shì)，在狹小的空間內(nèi)布線存在一定的難度。利用電纜三維建模可以定義裝配順序和打散位置，從設(shè)計(jì)初始階段就可以有效解決狹小空間內(nèi)電纜裝配問(wèn)題。

b. 有效解決了電纜裝配路徑與衛(wèi)星結(jié)構(gòu)干涉電纜鋪設(shè)凌亂和裝配順序的問(wèn)題，此方法的應(yīng)用減少了電纜網(wǎng)質(zhì)量和長(zhǎng)度冗余，提高了電纜裝配效率。傳統(tǒng)衛(wèi)星電纜網(wǎng)的裝配集中在衛(wèi)星總裝階段，在此階段可能會(huì)發(fā)現(xiàn)線束直徑與光路干涉、單機(jī)視場(chǎng)干涉、安裝位置干涉、活動(dòng)件干涉等問(wèn)題。為了解決以上不可預(yù)見(jiàn)的問(wèn)題，采用電纜網(wǎng)的三維建模可以對(duì)電纜、線束直徑賦值，模擬電纜與星上設(shè)備的干涉情況，電纜直徑計(jì)算公式[5]如下。

式中：D為線束的直徑，dmax為最單根導(dǎo)線最大直徑，N為線束中導(dǎo)體的數(shù)量。通過(guò)三維建模仿真裝配后完全可以規(guī)避星上線束的干涉情況。線束直徑與天線視場(chǎng)的干涉情況如圖2所示。

c. 可以多人并行同時(shí)進(jìn)行電纜網(wǎng)三維設(shè)計(jì)，縮短了衛(wèi)星電纜網(wǎng)的研制周期。

d. 簡(jiǎn)化了電纜網(wǎng)的設(shè)計(jì)步驟；電纜網(wǎng)三維建模可以將最終的電纜模型生成可加工的圖紙，包括電纜的分支方向、T型分支和Y型分支、物料清單，以及長(zhǎng)度參考點(diǎn)位置等信息。

e. 衛(wèi)星電纜網(wǎng)的三維建模更利保密管理，實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化辦公。

2.3 衛(wèi)星電纜三維協(xié)同設(shè)計(jì)步驟

圖3 衛(wèi)星電纜設(shè)計(jì)主要步驟示意圖

衛(wèi)星電纜網(wǎng)的研制是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，衛(wèi)星總體電路設(shè)計(jì)人員和衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員，分別將衛(wèi)星總體電路接線關(guān)系表和衛(wèi)星裝配后的三維模型輸入給電裝電纜網(wǎng)裝配實(shí)施人員。隨著衛(wèi)星總體電路不斷的更新，電器系統(tǒng)接線關(guān)系表最終完成于衛(wèi)星研制的中后期。為了適應(yīng)衛(wèi)星電纜網(wǎng)這一動(dòng)態(tài)的研制過(guò)程，通過(guò)電纜網(wǎng)的三維建模，電纜網(wǎng)裝配實(shí)施人員可以在衛(wèi)星研制的初期對(duì)衛(wèi)星實(shí)施電纜網(wǎng)裝配驗(yàn)證，而不需要最終的電器系統(tǒng)接線關(guān)系，減少了衛(wèi)星研制中后期電纜網(wǎng)研制的任務(wù)壓力。衛(wèi)星電纜設(shè)計(jì)主要步驟如圖3所示。

2.3.1 布線準(zhǔn)備工作

主要包括衛(wèi)星接插件建模、導(dǎo)線和線束建模。接插件的三維建模主要包括電器屬性和物理屬性?xún)煞矫妗＝硬寮锢韺傩越Ｖ饕ㄅ浜虾筒馁|(zhì)密度。接插件配合屬性的建模可以實(shí)現(xiàn)接插件頭孔的自動(dòng)吸合功能，簡(jiǎn)化接插件模型擺放流程。材質(zhì)建模主要用于電纜質(zhì)量評(píng)估和衛(wèi)星質(zhì)心輔助確定。接插件電器屬性設(shè)置主要是確定布線過(guò)程中的電纜接入點(diǎn)。圖4為某型號(hào)接插件的物理屬性和電器屬性建模示意圖。對(duì)于大型的衛(wèi)星裝配體可采取輕量化配置，提高電腦運(yùn)行的流暢度，提高布線效率。導(dǎo)線、線束建模主要完成標(biāo)準(zhǔn)電纜和線束的電器屬性配置，包括截面積、彎折半徑、線纜型號(hào)等設(shè)置，方便布線調(diào)用和后期的圖紙展開(kāi)工作。電纜電器屬性模型建庫(kù)示意表如表1所示。

圖4 接插件的結(jié)構(gòu)屬性和電器屬性建模示意圖

表1 電纜電器屬性建模示意表

2.3.2 路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃主要完成電纜的預(yù)裝配驗(yàn)證工作，通過(guò)電纜的預(yù)裝配可以確定電纜網(wǎng)走線路徑、彎折半徑、分支位置、電纜固定位置、裝配路徑上的結(jié)構(gòu)板開(kāi)孔位置和尺寸等信息，以避開(kāi)結(jié)構(gòu)敏感位置的電纜裝配。圖5為某衛(wèi)星布線網(wǎng)絡(luò)路徑規(guī)劃示意圖。

圖5 線網(wǎng)絡(luò)路徑規(guī)劃示意圖

2.3.3 三維布線調(diào)整

三維布線調(diào)整主要對(duì)規(guī)劃完成的電纜網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相關(guān)干涉和裝配順序的調(diào)整，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員、整星裝配人員和熱設(shè)計(jì)人員對(duì)走線干涉位置提出調(diào)整意見(jiàn)，提高布線空間的利用率，為星上熱控實(shí)施和其它操作留出空間。

2.3.4 圖紙生成

圖6 電纜展開(kāi)加工圖紙

為了避免電纜的分支方向與三維空間中的布線路徑不符。需要在圖紙中標(biāo)注分支角度以及方向等信息，展開(kāi)后的電纜加工圖紙如圖6所示，其中④⑤為線束加工所需導(dǎo)線物料信息，數(shù)字1至3為線束加工所需要的連接器型號(hào)信息。

2.4 應(yīng)用實(shí)例

該方法已在某型號(hào)衛(wèi)星的電纜網(wǎng)研制工作中成功應(yīng)用，主要工作流程如圖7所示。首先由衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員提供衛(wèi)星裝配模型，結(jié)合電氣接口位置或電纜接線關(guān)系對(duì)衛(wèi)星電纜網(wǎng)進(jìn)行初步裝配，電纜布線需要注意星上特殊位置對(duì)電纜網(wǎng)的設(shè)計(jì)約束，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后確定電纜彎折半徑以及電纜的分支位置。圖8所示為某衛(wèi)星電纜網(wǎng)的布局示意圖。

圖7 某衛(wèi)星電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)流程

圖8 衛(wèi)星電纜網(wǎng)布局示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

電纜網(wǎng)的研制工作需要多部門(mén)共同參與設(shè)計(jì)，隨著衛(wèi)星的集成度增加以及衛(wèi)星設(shè)計(jì)更趨于模塊化，衛(wèi)星電纜的裝配面臨諸多挑戰(zhàn)，通過(guò)對(duì)衛(wèi)星電纜網(wǎng)的三維設(shè)計(jì)，可以對(duì)電纜進(jìn)行可裝配性驗(yàn)證。本方法結(jié)合線束直徑計(jì)算公式為局促空間內(nèi)以及模塊化衛(wèi)星電纜網(wǎng)的裝配提供了仿真方法。結(jié)果表明，該方法解決了衛(wèi)星電纜網(wǎng)面臨的裝配凌亂、電纜網(wǎng)冗余和裝配干涉等問(wèn)題，提高了衛(wèi)星電纜網(wǎng)的研制效率。本方法對(duì)商業(yè)衛(wèi)星電纜網(wǎng)的設(shè)計(jì)與裝配具有參考與借鑒意義。

1 陳超祥，胡其登. solidworks管道與布線教程[M]. 杭州：杭州新迪數(shù)字工程系統(tǒng)有限公司，2014

2 蔡敏，王博哲，陳興峰，等. 基于Creo的飛行器電纜三維協(xié)同設(shè)計(jì)研究[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2016，32(6)：27～29

3 范凱，黃業(yè)平，劉政. 基于Pro/E軟件的衛(wèi)星三維布局與電纜的協(xié)同設(shè)計(jì)[J]. 航天器環(huán)境工程，2015，32(4)：390～394.

4 王丹，徐海龍. 淺談Pro/E與Solidworks軟件在三維布線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 應(yīng)用技術(shù)，2014，247(8)：94～95，97

5 呂明，丁揚(yáng)，劉洪洋. 民用飛機(jī)線束直徑的計(jì)算方法和比較分析[J]. 航天與航空，2017，1(2)：28～29

6 NASA-STD-8939. 4A Crimping, interconnecting, cable, harness and wiring[S]. Washington D.C.: NASA, 2016

Application of 3D Design Software in Cooperative Design of Satellite Cable Network

Wang Huan Cheng Mao sheng Dai Lu Kong Lin

(Chang Guang Satellite Technology Co., Ltd., Changchun 130000)

In response to several major issues such as cycle, cost and assembly in the current commercial satellite research and development, the article proposes a 3D modeling method for cable network, which combines the development of cable network with satellite assembly.The results show that the application of this method shortens the satellite development cycle, improves the accuracy of the satellite harness length, the assembly efficiency, and the quality estimation accuracy of the satellite cable network.Realize the three-dimensional rapid collaborative design of commercial satellite cable network.

three-dimension laying；centroid accuracy；collaborative design；commercial satellite

王歡（1989），工程師，電子信息科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)；研究方向：電子學(xué)裝聯(lián)工藝。

2020-09-22