基于Pro/E软件的卫星三维布局与电缆的协同设计

范 凯，黄业平，刘 政，张国强

（上海卫星工程研究所，上海 200240）

0 引言

传统卫星电缆网设计一般先根据单机接口数据表编制整星电缆接点表，再依照卫星二维布局图纸与整星电缆接点表确定电缆的分支、走向，因此电缆分支长度、走向无法做到精准化、最优化，尤其是设计时通常对电缆长度在二维布局图纸测量基础上预留一定余量，增加了电缆的长度和重量，造成了资源的浪费。Pro/E 软件的Cabling 电气布线设计模块[1-3]虽具备一定的三维布线设计功能，但设计过程复杂、操作不便，工作量也较大，未能体现出卫星三维布局与电缆设计的协同化。

针对上述问题，作者基于Pro/E 软件，二次开发出“卫星三维布局与布线专家设计系统”。本文具体介绍该设计系统的软件架构、系统建模、三维布局以及三维电缆设计等内容。

1 软件架构

基于Pro/E 软件二次开发的“卫星三维布局与布线专家设计系统”主要包含URM2.0、布局平台、布线平台3 部分以及6 个功能模块，其中基础信息管理、单机设备快速建模、总体构型与布局、快速布线是4 个主模块，设备总装图、电缆工程图及报表是卫星三维布局和电缆设计输出模块，用于指导卫星总装及电缆的加工制造，具体如图1所示。

基础信息管理模块智能管理卫星设计过程中的数据信息，以标准界面、定制界面提供统一的管理平台，通过优化调整实现产品的基线转换、同步创建、多层次权限分配等功能。

图1 卫星三维布局与布线专家设计系统组成 Fig.1 Structure of the satellite tridimensional layout and cable expert design system

单机设备快速建模模块可提供规范设备和异形设备的视场、精测轴、主托架、扩展托架等工具，实现规范设备轻量化模型创建和异形设备轻量化模型管理，以及接插件和支架模型创建。规范设备轻量化模型通过读取URM2.0 定义的设备信息自动生成；异形设备轻量化模型在Pro/E 中建模、定义装配参考基准、设置电连接器，并上传至URM2.0基础信息管理模块。

总体构型与布局模块采用自顶向下设计模式，可提供群组调整、元件格式刷等多种布局工具，实现设备仪器快速布局，以及轻量化模型与详细模型的快速切换。该模块采用坐标系对齐方式对设备进行布局，可对设备进行单次和连续点选布局，并对布局元件进行动态拖拽与安装面切换操作，实现对布局元件的精确方位调整。

快速布线模块以单机设备的电缆连接节点数据源为基础，以总体构型与布局模块为辅助，在Pro/E中实现模型的设置、布局和布线参考收集，完成网络路径的布置以及电缆路径的创建与调整，并生成三维电缆束模型，输出电缆工程图及电缆接点报表。

2 三维布局与电缆协同设计流程

“卫星三维布局与布线专家设计系统”提供统一设计平台，建立整星骨架模型、轻量化模型和编制标准接点表并统一管理，完成单机设备的三维布局和三维电缆的协同设计，生成单机设备总装图、电缆工程图及报表，具体流程如图2所示。

图2 卫星三维布局与电缆网的协同设计流程 Fig.2 The flowchart of the collaborative design of the satellite tridimensional layout and cable network

3 卫星骨架和轻量化单机模型

3.1 整星骨架体系及骨架模型

卫星骨架体系采用Top-down 设计思想，自顶向下分为多级骨架。骨架模型作为Pro/E 的特殊零件模型，包括卫星构型、定位信息、装配的参考基准、关键件的形状和尺寸等基本设计信息，用于继承上级装配的设计信息，提供下级装配或关键件所需的共享设计数据和参考数据，完成设计条件、设计意图的分发和传递。

以某型号卫星为例，依据Top-down 设计思想及卫星构型和产品特点，建立了骨架体系和骨架模型。整星骨架体系采用分舱段模式，包含三级骨架，分别为整星一级骨架、舱段二级骨架、单板三级骨架[4]。

1）一级骨架

一级骨架是整星级骨架，包含了整星机械坐标系、卫星各舱段信息，一般由点、线、面组成，是卫星二级骨架设计的依据。

2）二级骨架

二级骨架是在一级骨架基础上，通过 “发布几何”、“复制几何”等命令完成。二级骨架是舱段级的骨架，包含了卫星某一舱段的构型信息，一般也是由点、线、面组成，是卫星三级骨架设计的依据。

3）三级骨架

三级骨架是在二级骨架基础上，通过“发布几何”、“复制几何”等命令完成。三级骨架是单板级的骨架，包含了卫星某一结构板的构型信息，是卫星骨架系统的基本组成单元，可由点、线、面组成，也可由实体组成。

图3是某卫星的三级骨架示意图。

图3 某卫星一级、二级、三级骨架示意图 Fig.3 A satellite’s first-level,second-level,third-level skeleton models

3.2 轻量化单机模型

轻量化单机模型指用于总体布局、电缆网设计和效果展示，并经过压缩处理的三维数字样机。轻 量化单机模型的安装尺寸、接插件信息、质量特性应与真实产品一致，外形尺寸与真实产品基本一致，其他状态不作要求。三维轻量化模型分为规范设备、异形设备的建模，两型设备均需要在URM 数据库中进行分类和注册，并录入相关信息；对不能进行轻量化建模的异形设备，须在URM 数据库中注明。某卫星的URM 数据库管理界面如图4所示。

图4 URM 数据库设备管理界面 Fig.4 The equipment management interface of URM database

规范设备是标准长方体形状的设备，需录入的信息包括外形轮廓信息、质量属性信息，耳片结构、安装孔位置、安装孔径、筋等机械布局接口信息，以及接插件、接地桩类型和位置等电接口信息。电连接器的型号、安装位置等相关信息通过URM2.0定义，全部信息录入后，通过关联可在Pro/E 中自动建模。为提高电缆建模走向、长度、拐弯半径等参数设计的精准性，接插件通过坐标系对齐方式关联在设备表面。

异形设备是指非长方体设备，该类设备模型不能通过自动建模而需要手工创建，并录入耳片厚度、质量属性信息等，电接口信息需在Pro/E 中手动设置。

以某型卫星为例，规范设备和异形设备的轻量化模型分别如图5和图6所示。所有的电连接器均以坐标系对齐方式关联在设备上，用于三维电缆的设计。

图5 规范设备的轻量化模型 Fig.5 Light weight model of standard equipment

图6 异形设备的轻量化模型 Fig.6 Light weight model of nonstandard equipment

3.3 电连接器模型库建立

根据各产品设备的接口数据单、厂家的使用说明书，建立各型电连接器的三维模型，并录入URM数据库，采用坐标系对齐方式同设备关联起来。设备常用的J14A-17 型和Y27A-14 型电连接器的三维模型如图7所示。

4 快速构型与布局设计

总体构型与布局模块可实现设备及元件的快速布局与调整，以及轻量化模型与详细模型间的快速切换，分为以下步骤。

1）布局曲面设置

布局曲面设置对各级装配模型进行曲面设置，鼠标点选安装面相应位置时元件自动装配。支持的布局安装面包括平面和类柱面（柱面和锥面），其中平面以笛卡儿坐标定位，柱面和锥面以柱坐标定位。

2）元件设置

元件设置是指对元件模型的安装坐标系及其辅助安装坐标系进行设置，以实现鼠标点选安装面相应位置时元件自动装配。

3）智能布局

智能布局窗口界面树控件中列出所有布局元件，列表框中显示当前选中树项的信息。点击工具条栏中功能按钮，可对模型进行装配、拖拽、安装面切换、旋转和删除等布局操作，实现对布局元件的安装方向、间隙、角度和坐标的精确调整。

4）布局调整

当已保存群组中某一布局元件方位发生变更时，群组调整可实现相对位置固定的元件快速布局与构型同步调整。

以某型卫星为例，某舱板单机快速布局设计见图8所示。

图8 某舱板单机布局设计 Fig.8 Layout design of equipment on a satellite structural slab

5 三维布局与电缆的协同设计

三维布局与电缆的协同设计以Pro/E 软件为底层平台，以卫星骨架模型和设备轻量化模型为依托，以柔性相关、路径驱动、自动布线为指导思想，通过快速布线设计模块实现节点表和三维布局模型的有机结合，自动完成三维电缆的布线、走向及捆扎等设计[5]，实现卫星三维布局模型、三维电缆模型的协同设计、统一管理。

快速布线设计的输入包括：电连接器、电子设备、电缆支架和电缆插头等模型，总体构型与布局后的轻量化模型，目标布线单元以及节点数据源等；输出包括设置后的电子元件模型以及快速布线后创建的电缆束模型。

1）布线参考

布线参考包括布线单元和参考收集两部分。

布线单元主要是定义电缆单元，并对电缆单元、元件进行布线预处理。作为布线基本单元，电缆单元装配有电缆布线专用件、电子设备、分线器等。

参考收集主要对选中的布线单元、元件进行操作，实现收集、删除、关联、更新等功能。收集的所有信息都显示在已创建的CREF 模型下，并以树形式显示在界面上。

2）网络路径

网络路径主要是在电缆辅助模型中对已收集的端口信息定义电缆通路，包括创建、删除、更新等。系统创建的所有网络路径都以List 列表的形式来表达，并以下拉框的形式进行布线单元分类。

3）节点数据源读取

电缆创建之前需读取Excel 数据文件，读取的所有工作表都以下拉框的形式存在，其内容以List列表显示。

4）电缆生成

快速布线根据读取的Excel 数据，创建包含接点连接关系、电缆分支走向、材料明细表和电缆加工技术要求等信息的电缆加工图，自动生成包含导线分支走向、规格、数量和长度等信息的电缆信息报表和明细汇总表。系统提供Txt 和Excel 两种格式的线缆报表输出工具，并可定制输出报表信息，便于编写各种报告文档[5]。

5）布局与电缆的协同设计

将三维布局和电缆集成在同一模型上，实现布局与电缆的协同设计和管理。以某卫星为例，生成的卫星三维布局和三维电缆模型如图9所示，在该同一模型上可完成设备布局的手动调整、电缆分支走向和长度的自动适应性更新、设备总装图和电缆工程图的自动更新等。

图9 某卫星的三维布局和电缆同一模型 Fig.9 The same three dimensional layout model and cable model of a satellite

以某型卫星为例，生成的含某一束电缆的设备布局模型、该电缆束的三维模型及其二维连接示意如图10所示。

图10 某一束电缆的三维模型和二维模型 Fig.10 A single cable’s three-dimensional and two-dimensional models

6 结束语

按照“卫星三维布局与布线专家设计系统”软件输出的电缆报表信息进行了某卫星的电缆加工生产，所有电缆在卫星上进行了装星应用，实际装星结果表明各电缆分支、长度均符合要求，电缆长度余量较小，电缆接点正确。该卫星应用三维电缆设计后，整星低频电缆重量由原来的96 kg 减轻至68 kg，卫星电缆冗余长度亦缩短约30%。

要说明的是，“卫星三维布局与布线专家设计系统”目前处于应用起步阶段，该软件在三维标注和显示、电缆的拐弯半径设置、电连接器的模型库建设等方面需要进一步改进提高。

（References）

[1] 陆晓燕,陈波宁,季峰.基于Pro/ENGINEER Cabling的三维电缆布线设计（一）[J].CAD/CAM 与制造信息化,2010(5): 94-96

[2] 陆晓燕,陈波宁,季峰.基于Pro/ENGINEER Cabling的三维电缆布线设计（二）[J].CAD/CAM 与制造信息化,2010(6): 94-96

[3] 徐宁波,刘绪弟.基于Pro/Cabling 进行整机布线的应用研究[J].机械工程师,2010(1): 42-43 Xu Ningbo,Liu Xudi.Application of Pro/Cabling software in overall machine wire routing[J].Mechanical Engineer,2010(1): 42-43

[4] 王志军.基于Pro/E 软件的卫星三维建模方法的探讨[J].航天器工程,2007,16(4): 46-50 Wang Zhijun.Study on method of satellite 3-D modeling based on Pro/E [J].Spacecraft Engineering,2007,16(4): 46-50

[5] 刁常堃,刘刚,侯向阳,等.基于Pro/E 软件的电缆三维设计及制造方法[J].航天制造技术,2013(2): 46-48 Diao Changkun,Liu Gang,Hou Xiangyang,et al.3-D cable design and manufacturing methods based on Pro/E[J].Aerospace Manufacturing Technology,2013(2): 46-48