面向裝配驗證的衛(wèi)星電纜數(shù)字化技術(shù)研究

王江永 靖法 張子亮 張強(qiáng)

(1 中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094)(2 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094)

在衛(wèi)星研制過程中，電纜發(fā)揮著越來越重要的地位，在某些航天器內(nèi)部總體構(gòu)造中,各種電源、電纜、線纜及其附屬件的質(zhì)量占其總質(zhì)量的20%～30%[1]。隨著衛(wèi)星指標(biāo)參數(shù)的提高，衛(wèi)星電纜越來越復(fù)雜，并引進(jìn)了高壓、剛性大等特殊電纜，局部區(qū)域尚存在模板電纜[2]。復(fù)雜電纜需要優(yōu)化，但缺乏優(yōu)化手段；為了保證高壓、剛性大電纜等特殊電纜鋪設(shè)，往往留有較大余量和甩線弧度；局部區(qū)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(yè)都在探索先進(jìn)的設(shè)計和制造模式，以保持企業(yè)的競爭優(yōu)勢。面向制造裝配設(shè)計(Design For Manufacture and Assembly，DFMA)受到各國政府和研究機(jī)構(gòu)的重視，在許多國外大型航空企業(yè)中使用DFMA并取得了顯著的效果[3]。

文獻(xiàn)[4]提出對航空產(chǎn)品電纜的數(shù)字化布局進(jìn)行分析,并在此基礎(chǔ)上探索電纜數(shù)字化布局設(shè)計流程、產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)的建立、電纜交互式布局設(shè)計。文獻(xiàn)[5]對國內(nèi)外主流的飛機(jī)電氣系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計流程與技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行研究，分析當(dāng)前流程在工程應(yīng)用中暴露的問題與不足，結(jié)合飛機(jī)電氣系統(tǒng)的改進(jìn)需求，給出設(shè)計流程優(yōu)化方案，該優(yōu)化方案可為今后電氣系統(tǒng)設(shè)計提供指導(dǎo)。

本文在衛(wèi)星電纜網(wǎng)數(shù)字化研制已有實踐經(jīng)驗積累的基礎(chǔ)上，針對宇航產(chǎn)品質(zhì)量要求高、過程控制嚴(yán)，地面研制而在軌應(yīng)用，產(chǎn)品批量小、難以大規(guī)模統(tǒng)計分析的特點(diǎn)，在可裝配的基礎(chǔ)上，增加“可驗證性設(shè)計”(Design For Verification，DFV)的概念，形成可裝配性與可驗證性設(shè)計方法(Design For Assembly and Verification，DFAV)，可更好的平衡新產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)周期、成本和質(zhì)量等方面的需求。并在衛(wèi)星電纜裝配上，利用此設(shè)計方法，開展面向裝配驗證的電纜數(shù)字化技術(shù)研究和驗證。

1 復(fù)雜電纜設(shè)計驗證

在衛(wèi)星研制中，采用了矩陣電纜、連接綜合電子設(shè)備的電纜等。矩陣電纜電路不同于常規(guī)的遙測采集和指令發(fā)送電路，在電纜網(wǎng)連接關(guān)系上不再是簡單的單點(diǎn)對單點(diǎn)，而是多臺設(shè)備的多個接點(diǎn)短接[6]，在連接關(guān)系上存在一點(diǎn)對多點(diǎn)等復(fù)雜情況，在接點(diǎn)設(shè)計環(huán)節(jié)，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(yōu)接點(diǎn)排布方案。連接綜合電子設(shè)備的電纜規(guī)模龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，走向分支多，為優(yōu)化綜合電子電纜，需要在電纜網(wǎng)接點(diǎn)設(shè)計方面進(jìn)行優(yōu)化驗證，已經(jīng)具備的輔助設(shè)計系統(tǒng)提供了電纜分支及接點(diǎn)設(shè)計功能，同時具備電纜及電連接器配套信息查詢、電纜網(wǎng)接點(diǎn)表輸出功能等。但使用現(xiàn)有的輔助設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行電纜網(wǎng)設(shè)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(fù)雜電纜的裝配，必須在設(shè)計之初就對電纜進(jìn)行優(yōu)化。對于矩陣電纜進(jìn)行矩陣電纜接點(diǎn)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(jìn)行研究完成接點(diǎn)自動分配驗證。通過計算機(jī)實現(xiàn)矩陣電纜網(wǎng)的自主優(yōu)化設(shè)計，矩陣接點(diǎn)自動分配設(shè)計驗證包括算法開發(fā)和軟件實現(xiàn)兩部分，最大可能地減少電纜長度(即減少電纜質(zhì)量)優(yōu)化遍歷順序，并進(jìn)行有效驗證和復(fù)核，提高設(shè)計效率，降低設(shè)計錯誤的可能。

對于連接綜合電子設(shè)備等的復(fù)雜電纜對接點(diǎn)設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，在完成軟件自動化驗證并確保數(shù)據(jù)正確后，再進(jìn)行接點(diǎn)表輸出。通過建立并完善電氣系統(tǒng)專用模塊，實現(xiàn)電纜網(wǎng)接點(diǎn)設(shè)計數(shù)據(jù)驗證自動化，從而減少電纜網(wǎng)復(fù)核復(fù)審過程中的人為參與，減小出錯的概率，提高接點(diǎn)表輸出效率。

在某衛(wèi)星中開展接點(diǎn)自動化方法驗證，進(jìn)行多項數(shù)據(jù)驗證包括：一點(diǎn)對多點(diǎn)驗證、電連接器驗證、信號內(nèi)容一致性檢查、導(dǎo)線選型檢查等。對綜合接線圖中的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)驗證，能保證接點(diǎn)設(shè)計數(shù)據(jù)正確性, 與傳統(tǒng)人工方法比較提高了設(shè)計驗證效率60%以上，軟件設(shè)計正確率為100%。

在復(fù)雜電纜設(shè)計裝配中，電氣設(shè)計與機(jī)械走向協(xié)同不夠，電纜網(wǎng)分支及接點(diǎn)設(shè)計難以最優(yōu)，電氣工程師在進(jìn)行電纜網(wǎng)分支及接點(diǎn)設(shè)計時，不能將電纜網(wǎng)幾何走向充分考慮在內(nèi)，不能實現(xiàn)并行設(shè)計。需要提升電纜網(wǎng)接點(diǎn)設(shè)計后驗證自動化程度，實現(xiàn)接點(diǎn)表智能化設(shè)計替代人工錄入數(shù)據(jù)，實現(xiàn)設(shè)計與仿真驗證、二維與三維設(shè)計的緊密結(jié)合。采用電氣設(shè)計軟件和三維機(jī)械設(shè)計軟件集成進(jìn)行關(guān)聯(lián)設(shè)計：使得三維數(shù)據(jù)與線束接線圖、系統(tǒng)布置圖和接點(diǎn)原理圖都有了數(shù)據(jù)交互的通道，原理圖的導(dǎo)線連接信息被傳遞到三維之后，可以進(jìn)行三維布線，獲得三維線束的真實直徑，檢查線束與結(jié)構(gòu)的干涉，三維線束的長度信息也可以被導(dǎo)入、展平到線束圖[7]，用于二維線束圖的設(shè)計。

在分支原理與幾何走向協(xié)同、接點(diǎn)表層次與幾何走向協(xié)同兩個層次上進(jìn)行電氣設(shè)計與機(jī)械走向協(xié)同，并在協(xié)同平臺中進(jìn)行電纜信息交互設(shè)計，用以實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計版本的可追溯性、設(shè)計數(shù)據(jù)管理統(tǒng)一性以及設(shè)計輸入輸出的一致性，如圖1所示。開展電纜走向設(shè)計和輸出驗證。上百束電纜自動輸出完成投產(chǎn)，大大提高了輸出效率。

2 局促區(qū)域電纜裝配驗證設(shè)計

在電纜研制中有局部區(qū)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(shè)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(yīng)力會導(dǎo)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(wèi)星造成影響。對于電連接器插拔空間較小的局部區(qū)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(qū)域電纜裝配受限、難度大問題，對該局部區(qū)域電纜進(jìn)行精細(xì)走向設(shè)計，并采用電氣接點(diǎn)信息與電纜幾何走向信息關(guān)聯(lián)，計算電纜束直徑為[9]

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

采用電氣接點(diǎn)驅(qū)動幾何走向電纜后，進(jìn)行局部區(qū)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(jié)果)，根據(jù)仿真結(jié)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(diǎn)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(guān)鍵參數(shù)用于現(xiàn)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(dǎo)遮擋影響插拔的設(shè)備和設(shè)備前僅有60 mm插拔空間的線路盒上進(jìn)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(shè)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(shè)，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(qū)動機(jī)構(gòu)的連接電纜，激光終端、電推進(jìn)火工品解鎖器連接艙內(nèi)的電纜，此類電纜在產(chǎn)品運(yùn)動過程中處于運(yùn)動狀態(tài)，活動電纜通常一端固定，另一端受運(yùn)動部件連接進(jìn)行空間運(yùn)動[10-11]。由于缺乏活動電纜在工作狀態(tài)下的運(yùn)動模擬和仿真，往往通過經(jīng)驗和模板(木質(zhì)模型)裝配[12]來最終確定。

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

表1 電纜網(wǎng)設(shè)計要素表

活動電纜主要受重力和變形能影響，由于電纜質(zhì)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(zhì)、各向同性的圓截面彈性桿[10](圓截面參數(shù)、拐彎半徑可變)，然后進(jìn)行運(yùn)動分析。按照仿真后的電纜參數(shù)(設(shè)計要素)進(jìn)行電纜走向完成活動電纜的裝配模擬。

以衛(wèi)星三維電纜網(wǎng)設(shè)計過程中電纜的設(shè)計要素為基礎(chǔ)，如線束拐彎半徑、松弛度值、線徑等，對所需的設(shè)計輸入、經(jīng)驗公式、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等知識進(jìn)行封裝與集成，形成基于知識的設(shè)計向?qū)０?，支持設(shè)計人員基于此設(shè)計向?qū)０暹M(jìn)行電纜設(shè)計，從而實現(xiàn)高壓、剛度大等特殊電纜的設(shè)計，并以此為基礎(chǔ)開展驗證減少模板生產(chǎn)。

4 系統(tǒng)裝配模式優(yōu)化與驗證

電纜網(wǎng)下廠裝配存在以下3種問題：①跨艙標(biāo)識不規(guī)范，電纜網(wǎng)上跨艙標(biāo)識不明顯，標(biāo)識方法不直觀，還需要專門的對照圖，導(dǎo)致鋪設(shè)時電纜網(wǎng)實物與模型對照困難，一旦鋪設(shè)后再次查找很難看清實物電纜上的跨艙標(biāo)識，無法快速復(fù)查。電纜網(wǎng)跨艙標(biāo)識數(shù)量不夠，不能滿足部分出艙、跨艙電纜鋪設(shè)要求，存在安裝后電纜長度不夠的風(fēng)險。②電纜輸出問題，輸出釘板圖、下線表時操作繁復(fù)。③現(xiàn)場模型利用問題，依據(jù)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(rèn)困難。在電纜設(shè)計時，對裝配鋪設(shè)電纜的分層、分批敷設(shè)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(biāo)識優(yōu)化

為完成電纜網(wǎng)的敷設(shè)移植，在設(shè)計階段對數(shù)字化三維電纜模型中電纜網(wǎng)標(biāo)識進(jìn)行設(shè)計，在電纜投產(chǎn)時同時進(jìn)行標(biāo)識的制作，待總裝鋪設(shè)時根據(jù)電纜上的標(biāo)識及電纜網(wǎng)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(biāo)識。

矩陣電纜在模型中標(biāo)識出分線器的詳細(xì)位置，防止生產(chǎn)時分線器出現(xiàn)在彎折處和跨板處；其次還需標(biāo)出每個分線器的接線順序、根數(shù)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(dá)格式

與制造廠協(xié)調(diào)明確電纜走向輸出的內(nèi)容為下線表和分支圖，及每一項內(nèi)容的具體樣式，自動輸出下線表、分支圖等，將清晰的字體、數(shù)據(jù)標(biāo)注樣式固化在分支圖模板中。為了避免過粗電纜在鋪設(shè)時擰勁，在分支圖中做出標(biāo)注：T型、Y型、垂直紙面成型等，對顏色、字體等進(jìn)行約束。分支圖中尺寸統(tǒng)一用整數(shù)，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(biāo)準(zhǔn)格式如表2所示。

3)總裝模型優(yōu)化，便于工藝模型重構(gòu)

以衛(wèi)星樣機(jī)及三維電纜網(wǎng)模型為基礎(chǔ)，將總裝所需的模型信息(電纜網(wǎng)的裝配信息主要包括電纜走向信息、電纜固定點(diǎn)信息、電纜接插件、自由端信息等)及要求添加到三維電纜網(wǎng)模型中，使模型滿足裝配現(xiàn)場實施用展示樣機(jī)的搭建，同時在電纜網(wǎng)模型中補(bǔ)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(shè)順序。

將該方法在某產(chǎn)品中使用驗證，利用開發(fā)的輔助工具自動建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，放置接插件，實現(xiàn)人為選擇若干束電纜網(wǎng)的模型后輸出包含分支圖及下線表的生產(chǎn)要求文件，并可實現(xiàn)某幾束電纜修改后，生產(chǎn)要求文件的定向更新操作。原來需要一名設(shè)計師數(shù)天的工作量，利用該方法后，可以在30 min內(nèi)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(jìn)后分支圖樣式Fig.4 Improved branch drawing shape

表2 下線表

5 實例分析

根據(jù)本文描述方法，以某通信衛(wèi)星為例進(jìn)行驗證，進(jìn)行機(jī)電聯(lián)合設(shè)計。機(jī)械設(shè)計人員與電氣設(shè)計人員將電纜網(wǎng)分支設(shè)計與走向設(shè)計并行開展：在電纜網(wǎng)分支設(shè)計階段，利用三維幾何走向仿真，電氣工程師與機(jī)械工程師協(xié)同設(shè)計，將分支設(shè)計與電纜網(wǎng)走向設(shè)計協(xié)同考慮，確保電纜網(wǎng)分支設(shè)計在最初始階段就獲得較優(yōu)結(jié)果；機(jī)械設(shè)計人員在完成儀器設(shè)備的三維布局后，不必以電氣系統(tǒng)的接點(diǎn)表作為輸入，而是以電氣分支關(guān)系原理作為輸入，進(jìn)行電纜網(wǎng)三維走向設(shè)計，將走向設(shè)計工作提前開展，有利于節(jié)約電纜網(wǎng)研制周期。

完成以設(shè)計要素為基礎(chǔ)的三維電纜網(wǎng)設(shè)計，以電纜網(wǎng)接點(diǎn)表作為輸入，依托電氣設(shè)計系統(tǒng)到三維設(shè)計軟件的機(jī)電一體化工具，對電纜網(wǎng)三維走向模型進(jìn)行電氣化驅(qū)動，使之成為具有信號、粗細(xì)、質(zhì)量等特性的電纜網(wǎng)虛擬樣機(jī)。電纜網(wǎng)虛擬樣機(jī)完成后，基于電纜網(wǎng)虛擬樣機(jī)進(jìn)行干涉、質(zhì)量特性[13]、壓降等一系列仿真分析，根據(jù)仿真分析的結(jié)果對電纜網(wǎng)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。采用該方法自動輸出下線表、分支圖等。

對三維數(shù)字化電纜模型進(jìn)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(biāo)識，生成與裝配相關(guān)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹及其相應(yīng)的數(shù)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(jié)點(diǎn)下，向下依次按分冊、電纜編號進(jìn)行劃分。

給數(shù)字化裝配視圖中需要安裝的電纜端電連接器賦予MBD數(shù)據(jù)集表示的裝配信息。從與裝配相關(guān)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹和模型提取產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次關(guān)系、電纜層次關(guān)系，以及MBD數(shù)據(jù)集總裝信息，匯總生成裝配模型BOM文件。

6 結(jié)束語

針對電纜網(wǎng)研制流程中參與部門多、接口關(guān)系復(fù)雜、裝配中面臨的問題，進(jìn)行衛(wèi)星電纜網(wǎng)可裝配性和可驗證性設(shè)計方法研究。針對復(fù)雜電纜裝配，開展了綜合電子和矩陣電纜等電纜的優(yōu)化設(shè)計，開展接點(diǎn)自動化方法驗證，能保證接點(diǎn)設(shè)計數(shù)據(jù)正確性,實現(xiàn)了電氣設(shè)計與機(jī)械走向兩個層次的協(xié)同。對于局促區(qū)域電纜裝配給出了公式來計算模擬電纜束，進(jìn)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(shè)計要素開展設(shè)計的方法，并以此為基礎(chǔ)開展驗證減少模板生產(chǎn)。通過研究實踐給出了裝配模式。結(jié)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(wǎng)設(shè)計與研制中推廣使用。