航天器全三维仪器电缆总装设计技术研究

张晓帆+++李永俊+++徐方舟+++宋春雨

摘 要：提出了基于CATIA的航天器全三维仪器电缆总装设计回路，通过完成仪器建库、仪器布局、安装结构设计、标准件建库、电缆敷设、分析优化等步骤工作，将设计输入转化为三维零件图、三维总装图、BOM表、电缆图纸等设计成果，提供工厂用于生产零部件和完成总装。

关键词：全三维；仪器；电缆；总装

引言

仪器电缆总装是航天器制造中的主要环节，新型航天器结构复杂，传统二维图纸很难清晰表达三维空间中的仪器安装位置和电缆走向，且所需图纸量巨大，操作工人读图困难，容易出现安装错误。基于CATIA的航天器全三维仪器电缆总装设计技术，可以有效地解决仪器电缆布局复杂和研制周期短的矛盾。

1 单位长度密封条压缩力计算

仪器电缆是航天器的重要组成部分，仪器电缆总装设计从航天器方案论证阶段就要开展工作，随着方案的细化和设计的深入，逐步完善。期间输入的变化，方案的修改等对设计工作都会有很大的影响，甚至造成设计的反复，带来巨大的工作量，往往需要较长的周期。而且随着电缆网设计及工艺难度的提升，电缆网装配工艺不完善、电缆局部扭曲、对接力不均、挤压等因素产生故障的情况在产品装配过程中多次出现[1]。

全三维仪器电缆总装设计回路就是针对仪器电缆总装设计的特点开发的，通过合理开展8个节点的工作，如图1所示，把总体和航电系统提供的设计输入条件转化为航电系统和工厂使用的设计输出成果，可以最大限度的减少外部条件变化带来的重复工作量，可以有效缩短设计周期，并提高设计正确性。

设计是一个反复修改优化的过程，在CATIA协同设计环境下，可以使用模型树导出BOM表用于下料，早期版本的BOM表可用于下料评估，数模与EDRN清单交付用于零件生产。三维的生产模式可以实现与全三维设计模式的良好匹配，减少中间环节，不仅缩短周期，而且可有效保證生产和设计的一致性。

2 全三维仪器电缆总装设计方法

航天器设计过程中，使用基于CATIA的全三维仪器电缆总装设计技术，主要由以下几个方面的具体方法：

2.1 建立成品件、标准件模型库

在设计全过程中，利用CATIA协同设计环境中，梳理规划了仪器设备、电连接器、卡箍卡带、支座、紧固件共5大类仪器电缆总装设计用资源库；利用基础数模、驱动尺寸和参数表，可实现多系列、多规格快速建模，如图2所示，供协同设计环境中的所有用户使用；用户可以检索、调用该模型，开展三维仪器电缆总装设计；资源库中的源模型发生变化时，可以自动更新至所有调用设计模型中[2]。

2.2 三维仪器、传感器布局

在成品件、标准件模型库建立完成后，可以利用库中的资源进行仪器、传感器布局的设计。综合考虑总体和航电系统的设计输入，除满足各个设备的安装要求外，还需预先规划电缆敷设通道，并尽量使得设备之间走线简单。三维仪器、传感器布局有着直观，容易修改的优点，既适合前期的布局方案设计，也为相关系统三维设计提供基础。

2.3 三维电缆敷设设计

在航天器三维设计过程中，各个仪器、接插件等成品件建模、相关结构件模型较为准确，可以使得电缆敷设设计非常详细，电缆的直径、转弯半径等均可以予以通过三维建模体现，如图3所示，能真实的反映实物状态。

2.4 人机工程分析

装配仿真是在三维数字化环境中动态实现所有零部件装配成产品的全过程，并在装配仿真过程中实时检查碰撞干涉，确保各个零部件装配到位。通过装配仿真技术，能够用最短的时间，最少的人力、物力、财力验证产品装配工艺方案的可行性。在航天器装配工艺方案设计阶段，运用装配仿真技术可以对整个装配过程有一个直观的了解，能够为系统方案验证、装配序列规划、装配工艺编制、装配风险控制等提供重要参考依据[3]。典型安装操作人机分析如图4所示。借助全三维设计的优势，可以取消传统的实物模装的步骤，直接按照设计状态进行总装，可为研制任务节省大量的时间和经费。

2.5 电缆分支长度自动生成

传统的电缆分支长度图通过AutoCAD绘制，绘制工作繁琐，周期长且易出错。采用三维电缆敷设获取电缆三维模型，再通过将三维电缆展开获得电缆二维图纸，如图5所示，生成的二维分支长度图与原三维电缆存在关联关系，所需接插件代号及电缆分支长度等信息可以直接通过简单的点击操作直接获得，如图6所示，可大大降低电缆分支长度图绘制的工作量，省略了易出错环节，有效保证设计的正确性。

2.6 三维备料模式

航天器仪器电缆三维装配细化到每一个紧固件，可以直观的检查配套零件的正确性和完备性，仪器电缆装配的标准件备料清单只需从CATIA中导出即可，提高了备料清单的设计效率，更增加了备料清单的准确性。在设计初期，也可以通过三维的备料模式初步提取清单，用于生产规模的初步评估等，在设计逐步细化的过程中可多次提取清单，不增加额外的工作量，更适合新型航天器快节奏的研制模式[4]。

2.7 三维生产模式

仪器电缆总装相关零件采用三维生产模式，设计人员建立零件三维模型后，直接在零件图和装配图中标注技术要求，不再绘制传统的三视图，节省了大量的工作量。下厂过程中采取工程数据集发放单EDRN（Engineering Dataset Release Notice）作为工程指令的技术有效解决了三维数模设计版本更改问题，EDRN分为首页和次页，首页供审签使用，次页用于进行参考性描述和更改描述用，首页如图7所示。

2.8 三维装配模式

仪器电缆装配图建模时，将其结构树按照装配关系设计，安装每个设备和电缆时，其所用的成品件和标准件代号、型号、规格、数量均可从结构树里方便获得，也可导出文本文件，而且具有关联关系，如图8所示，既方便查找也为精细化装配提供了保证。对于有特殊要求的设备可以通过三维标注的形式在三维模型上标出设备的安装要求，需要时可打开查看，比二维图更直观、有效的指导装配。

3 结束语

本文提出了基于CATIA的航天器全三维仪器电缆总装设计技术，可以实现高效、快速设计，该技术具有以下特点：

（1）利用全三维的仪器电缆总装设计回路，可快速有效的完成仪器电缆总装从设计输入到输出的工作，且可有效保证设计状态与真实状态的一致性；

（2）仪器电缆三维装配细化到每一个标准件，可以直观的检查配套零件的正确性和完备性，实现快速、准确的获取物料清单，更方便生产制造；

（3）三维数模取代二维图纸，在包含二维图纸的所有信息的基础上，更直观的表达了所有零部件的装配关系，方便查找相关信息，提高装配效率。

参考文献

[1]雷虎民.弹上电缆网三维设计及虚拟装配方法[J].电子测试，2016（03）.

[2]郭具涛，梅中义.基于MBD的飞机数字化装配工艺设计及应用[J].航空制造技术，2011（22）.

[3]王洪雨.装配仿真技术在卫星装配中的应用[J].航空制造技术，2015（21）.

[4]周秋忠，范玉青.MBD技术在飞机制造中的应用[J].航空维修与工程，2008（3）.

[5]王志斌，刘检华，刘佳顺，等.面向电缆虚拟装配仿真的多分支弹簧质点模型[J].机械工程学报，2014，50（3）.

[6]刁常 ，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].信息化技术，2013，4（2）.

[7]梅中义.基于MBD的飞机数字化装配技术[J].航空制造技术，2010（18）.

[8]宁俊义，杨晓飞.MBD模式下工程信息的表达与传递[J].航空制造技术，2012（6）.

作者简介：张晓帆（1983-），男，硕士，工程师，主要研究方向：飞行器总装设计。