航天器全三維儀器電纜總裝設計技術研究

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計回路，通過完成儀器建庫、儀器布局、安裝結構設計、標準件建庫、電纜敷設、分析優化等步驟工作，將設計輸入轉化為三維零件圖、三維總裝圖、BOM表、電纜圖紙等設計成果，提供工廠用于生產零部件和完成總裝。

關鍵詞：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節，新型航天器結構復雜，傳統二維圖紙很難清晰表達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，容易出現安裝錯誤?；贑ATIA的航天器全三維儀器電纜總裝設計技術，可以有效地解決儀器電纜布局復雜和研制周期短的矛盾。

1 單位長度密封條壓縮力計算

儀器電纜是航天器的重要組成部分，儀器電纜總裝設計從航天器方案論證階段就要開展工作，隨著方案的細化和設計的深入，逐步完善。期間輸入的變化，方案的修改等對設計工作都會有很大的影響，甚至造成設計的反復，帶來巨大的工作量，往往需要較長的周期。而且隨著電纜網設計及工藝難度的提升，電纜網裝配工藝不完善、電纜局部扭曲、對接力不均、擠壓等因素產生故障的情況在產品裝配過程中多次出現[1]。

全三維儀器電纜總裝設計回路就是針對儀器電纜總裝設計的特點開發的，通過合理開展8個節點的工作，如圖1所示，把總體和航電系統提供的設計輸入條件轉化為航電系統和工廠使用的設計輸出成果，可以最大限度的減少外部條件變化帶來的重復工作量，可以有效縮短設計周期，并提高設計正確性。

設計是一個反復修改優化的過程，在CATIA協同設計環境下，可以使用模型樹導出BOM表用于下料，早期版本的BOM表可用于下料評估，數模與EDRN清單交付用于零件生產。三維的生產模式可以實現與全三維設計模式的良好匹配，減少中間環節，不僅縮短周期，而且可有效保證生產和設計的一致性。

2 全三維儀器電纜總裝設計方法

航天器設計過程中，使用基于CATIA的全三維儀器電纜總裝設計技術，主要由以下幾個方面的具體方法：

2.1 建立成品件、標準件模型庫

在設計全過程中，利用CATIA協同設計環境中，梳理規劃了儀器設備、電連接器、卡箍卡帶、支座、緊固件共5大類儀器電纜總裝設計用資源庫；利用基礎數模、驅動尺寸和參數表，可實現多系列、多規格快速建模，如圖2所示，供協同設計環境中的所有用戶使用；用戶可以檢索、調用該模型，開展三維儀器電纜總裝設計；資源庫中的源模型發生變化時，可以自動更新至所有調用設計模型中[2]。

2.2 三維儀器、傳感器布局

在成品件、標準件模型庫建立完成后，可以利用庫中的資源進行儀器、傳感器布局的設計。綜合考慮總體和航電系統的設計輸入，除滿足各個設備的安裝要求外，還需預先規劃電纜敷設通道，并盡量使得設備之間走線簡單。三維儀器、傳感器布局有著直觀，容易修改的優點，既適合前期的布局方案設計，也為相關系統三維設計提供基礎。

2.3 三維電纜敷設設計

在航天器三維設計過程中，各個儀器、接插件等成品件建模、相關結構件模型較為準確，可以使得電纜敷設設計非常詳細，電纜的直徑、轉彎半徑等均可以予以通過三維建模體現，如圖3所示，能真實的反映實物狀態。

2.4 人機工程分析

裝配仿真是在三維數字化環境中動態實現所有零部件裝配成產品的全過程，并在裝配仿真過程中實時檢查碰撞干涉，確保各個零部件裝配到位。通過裝配仿真技術，能夠用最短的時間，最少的人力、物力、財力驗證產品裝配工藝方案的可行性。在航天器裝配工藝方案設計階段，運用裝配仿真技術可以對整個裝配過程有一個直觀的了解，能夠為系統方案驗證、裝配序列規劃、裝配工藝編制、裝配風險控制等提供重要參考依據[3]。典型安裝操作人機分析如圖4所示。借助全三維設計的優勢，可以取消傳統的實物模裝的步驟，直接按照設計狀態進行總裝，可為研制任務節省大量的時間和經費。

2.5 電纜分支長度自動生成

傳統的電纜分支長度圖通過AutoCAD繪制，繪制工作繁瑣，周期長且易出錯。采用三維電纜敷設獲取電纜三維模型，再通過將三維電纜展開獲得電纜二維圖紙，如圖5所示，生成的二維分支長度圖與原三維電纜存在關聯關系，所需接插件代號及電纜分支長度等信息可以直接通過簡單的點擊操作直接獲得，如圖6所示，可大大降低電纜分支長度圖繪制的工作量，省略了易出錯環節，有效保證設計的正確性。

2.6 三維備料模式

航天器儀器電纜三維裝配細化到每一個緊固件，可以直觀的檢查配套零件的正確性和完備性，儀器電纜裝配的標準件備料清單只需從CATIA中導出即可，提高了備料清單的設計效率，更增加了備料清單的準確性。在設計初期，也可以通過三維的備料模式初步提取清單，用于生產規模的初步評估等，在設計逐步細化的過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奏的研制模式[4]。

2.7 三維生產模式

儀器電纜總裝相關零件采用三維生產模式，設計人員建立零件三維模型后，直接在零件圖和裝配圖中標注技術要求，不再繪制傳統的三視圖，節省了大量的工作量。下廠過程中采取工程數據集發放單EDRN（Engineering Dataset Release Notice）作為工程指令的技術有效解決了三維數模設計版本更改問題，EDRN分為首頁和次頁，首頁供審簽使用，次頁用于進行參考性描述和更改描述用，首頁如圖7所示。

2.8 三維裝配模式

儀器電纜裝配圖建模時，將其結構樹按照裝配關系設計，安裝每個設備和電纜時，其所用的成品件和標準件代號、型號、規格、數量均可從結構樹里方便獲得，也可導出文本文件，而且具有關聯關系，如圖8所示，既方便查找也為精細化裝配提供了保證。對于有特殊要求的設備可以通過三維標注的形式在三維模型上標出設備的安裝要求，需要時可打開查看，比二維圖更直觀、有效的指導裝配。

3 結束語

本文提出了基于CATIA的航天器全三維儀器電纜總裝設計技術，可以實現高效、快速設計，該技術具有以下特點：

（1）利用全三維的儀器電纜總裝設計回路，可快速有效的完成儀器電纜總裝從設計輸入到輸出的工作，且可有效保證設計狀態與真實狀態的一致性；

（2）儀器電纜三維裝配細化到每一個標準件，可以直觀的檢查配套零件的正確性和完備性，實現快速、準確的獲取物料清單，更方便生產制造；

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

參考文獻

[1]雷虎民.彈上電纜網三維設計及虛擬裝配方法[J].電子測試，2016（03）.

[2]郭具濤，梅中義.基于MBD的飛機數字化裝配工藝設計及應用[J].航空制造技術，2011（22）.

[3]王洪雨.裝配仿真技術在衛星裝配中的應用[J].航空制造技術，2015（21）.

[4]周秋忠，范玉青.MBD技術在飛機制造中的應用[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點模型[J].機械工程學報，2014，50（3）.

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

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

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

作者簡介：張曉帆（1983-），男，碩士，工程師，主要研究方向：飛行器總裝設計。