大型载人航天器电缆网铺设工艺优化方法探究

赵晋龙 李 树 马延成 陈 帅

大型载人航天器电缆网铺设工艺优化方法探究

赵晋龙1，2李 树1，2马延成1，2陈 帅1，2

（1. 北京卫星环境工程研究所，北京 100094；2. 北京市航天产品智能装配技术与装备工程技术研究中心，北京 100094）

以某大型载人航天器的电缆铺设工作为背景，针对电缆数量庞大、分支繁多、布局复杂的情况，在现行的三维模型指导总装的模式下，运用三维虚拟仿真技术和信息提取与模型二次开发的手段，提出了一种电缆网铺设工艺优化的思路和方法，用以降低复杂电缆网铺设工作的难度，提高铺设效率，可以为大型复杂航天器电缆铺设工作提供借鉴。

载人航天器；电缆铺设；工艺优化

1 引言

载人航天器的电缆铺设是载人航天器总装过程中的一项重要工作，直接关系到航天器内部的电气设备能否正常运行，从而影响到航天器整体的各项性能指标是否满足设计和使用要求。目前，随着载人航天器在功能多样性、安全舒适性等方面的不断发展，器上相关电气产品不断增多，器上电缆网也随之呈指数级增加，且越来越趋于分支多样化、密集化和复杂化，这导致在铺设空间十分有限的情况下，器上电缆网的铺设实施难度大幅增加。

目前，载人航天器的电缆设计工作已经逐步摆脱了传统的二维图纸模式，基本实现了器上电缆的三维协同设计。对于总装工艺人员与操作人员而言，尽管采用三维模型方式表达电缆网铺设及安装，表达更加直观[1]，但随着器上电缆铺设量不断加大，分支复杂的电缆数量不断增多，再加上三维模型所展示的电缆信息与操作人员的操作习惯的匹配性存在差异，导致操作人员在参照三维模型实施电缆铺设操作时存在效率低下、铺设效果不理想、电缆安装可达性不高等问题。

本文基于以上实际情况并参考相关文献[1～4]，以某大型载人航天器的电缆铺设工作为背景，从电缆三维布局模型对操作工人的指导性出发，提出了一种大型载人航天器电缆网铺设工艺优化的思路和方法。

2 大型载人航天器电缆铺设工艺优化思路及应用体系

对于某大型载人航天器而言，器上电缆数量多达成百上千根，其中还包括一部分分支复杂的电缆，单根电缆包含不少于80个分支，铺设路径贯穿整器。另外，电缆在器内铺设的位置还布局有设备、管路和通风管。因此，在对器上电缆铺设进行前期工艺准备时，需要综合考虑每根电缆的铺设顺序，电缆与舱内相关设备、管路以及通风系统空间位置布局的相互关系，还需要考虑电缆各个分支自由端插头与设备相关插座连接的可达性等问题。

此外，在电缆铺设工艺准备过程中，还应考虑到现场操作人员的操作习惯和操作需求，充分利用设计提供的电缆三维布局模型进行二次开发，最终形成指导性强的三维可视化工艺。

图1 载人航天器电缆铺设工艺优化应用体系

载人航天器电缆铺设工艺优化应用体系如图1所示。该体系以设计提供的电缆三维布局模型和设计文件为输入，一方面通过对电缆模型进行整体分析和筛选，确定电缆的铺设顺序，并对筛选出的复杂电缆进行三维可视化仿真分析，预先识别出复杂电缆铺设过程中的关键点、操作难点和风险点，在优化总装工艺的同时向设计人员提出反馈意见及改进措施；另一方面根据现场操作人员的实际需求，通过模型轻量化、模型信息提取与模型二维展开等手段，形成指导性、可视性强的三维工艺辅助模型，可以有效帮助操作人员正确理解三维模型中各电缆的布局位置关系，在减小错装风险的同时可大大提高铺设效率。

3 电缆铺设顺序梳理与复杂电缆筛选

载人航天器器上电缆数量繁多且布局复杂，因此在工艺准备阶段需要参照三维模型，并结合模型说明文件，按照电缆在器上的布局特点进行初步的梳理和筛选，否则很可能会导致铺设工作毫无头绪，严重影响铺设效率。

3.1 电缆铺设顺序梳理

根据航天器结构特征及电缆布局特点，以电缆三维模型及模型说明文件为参考，按照航天器的每个象限和每个区域所布局电缆的设计走向，对器上电缆的铺设先后进行初步排序，排序原则可按照航天器舱体处于不同停放位置进行各区域梳理，同时可以结合操作人员的铺设习惯，按照电缆分支“先简后繁”的原则进行，最终的梳理结果可形成航天器上电缆铺设顺序图表。

表1所示为某大型载人航天器器上电缆铺设顺序表样例，表中列出了航天器处于不同停放状态下可以实施铺设的电缆代号。对于跨区域布局的复杂电缆，因电缆铺设路径分布较广，需要在多种舱体停放状态下才可完成全部铺设工作。针对此类电缆，可以在表中将该电缆代号均列入所需舱体停放状态列中，通过在代号后加后缀（如1、2、3…）的方式来进行顺序区分（如表1中的“代号016”）。

表1 某大型载人航天器器上电缆铺设顺序表（样例）

将航天器器上电缆铺设顺序进行前期梳理，可以根据航天器不同的停放状态下合理安排电缆的铺设工作，并与航天器的其它总装工作有机结合，可以有效提高航天器整体总装效率。

3.2 复杂电缆筛选

参照电缆三维模型及模型说明文件，以电缆分支多、铺设区域广、铺设路径复杂为原则，将器上电缆中的复杂电缆筛选出来，形成复杂电缆清单，为后续对其进行单独的仿真分析做准备。

器上复杂电缆在实施铺设时，因分支繁多、铺设路径复杂，所以需要通过仿真分析对铺设过程中电缆穿舱方式、穿舱位置、分支固定点等要素进行提前规划，同时预先对复杂电缆铺设过程中的关键点、操作难点和风险点进行预先识别并反馈设计人员，实现设计与工艺的协同化。

4 复杂电缆铺设过程仿真分析

器上复杂电缆筛选完成后，通过三维仿真的方式对其逐个进行铺设仿真与分析。复杂电缆在铺设时，可先按照电缆分支特点对其进行简化，确定主分支，然后将电缆次要分支绑扎在主分支上，电缆入舱后，先固定主分支，然后解绑次要分支，逐段逐级固定。按照此铺设思路，可以确定电缆三维仿真的基本步骤，如图2所示。

图2 复杂电缆铺设过程仿真步骤

4.1 确立一级分支点

复杂电缆分支繁多，故首先应对复杂电缆的分支关系进行简化。将电缆的关键固定点定义为一级分支点（或主分支点），并通过对电缆走向的分析，确立一级分支点的固定顺序（可标记为A、B、C…），如图3所示。

图3 复杂电缆一级分支点标识示意图

在确定一级分支点时，应当优先选择主路线束（线束较粗）上的分支点，其次应选择线束分支较集中、可决定电缆铺设路径的关键分支点，此项工作需根据不同电缆各自的布局特点，以“根据一级分支点的固定位置基本确定电缆在舱体上的大致走向和布局”的原则进行确认。

4.2 确定电缆主分支入器位置

根据航天器结构特点与电缆布局位置，确定电缆主分支从器外到器内的穿入位置，并分析穿入区域是否可行、空间是否足够大等。

4.3 电缆铺设过程仿真

电缆入器后，可使用仿真软件（如Delmia、APDTools等）按照先固定一级分支点，后固定次级分支点的顺序进行电缆铺设全过程仿真。仿真期间需要重点分析以下几点：

a. 电缆布局穿孔位置需穿过多少个插头、多粗的线束，穿孔操作是否可行；

b. 电缆的每个分支固定位置的可达性是否满足；

c. 对电缆插头的插接进行单独分析，设置假人（手），确认插拔空间是否足够大，是否存在盲插现象等。

图4所示为某大型载人航天器复杂电缆铺设在仿真动画中对以上问题的分析。

图4 复杂电缆铺设仿真分析示意（动画截图）

4.4 仿真过程与分析结果输出

对复杂电缆铺设的仿真过程制作相关的仿真视频，并对仿真分析结果编写相关仿真技术分析报告。

仿真视频可以作为工艺文件的一部分，用来指导操作人员进行复杂电缆的铺设操作。仿真技术分析报告对复杂电缆铺设过程中关于人机可达性、自由端固定点及预留量分析、舱体位置工况分析、分析结论与合理化建议等内容进行详细阐述。

分析结果由总装工艺人员向设计人员反馈，可以作为设计人员在进行设计更改和完善的参考。

5 电缆模型信息提取与二次开发

目前，指导总装人员实施航天器总装操作的三维可视化模型通常是通过设计人员提供的原模型轻量化而成的。轻量化的三维模型去除了原模型中大量的建模数据信息，因此在使用过程中具有文件容量小、操作简便流畅等优点。但需要注意的是，在对原模型进行轻量化的过程中，如果一并去掉了总装过程中需要的信息，则轻量化后的三维模型就会失去对操作人员的指导性。

在现场实施航天器总装的操作人员在对器上电缆进行铺设时，首先需要了解该电缆的分支关系、分支长度以及各分支电连接器代号等信息，然后再通过各分支代号的布局走向、固定点位置和分支自由端长度等信息确定整根电缆各个分支在舱体内的布局位置。

通常情况下，一根电缆在铺设操作中所需的必要信息应包含以下几个方面：

a. 电缆代号：这是电缆最基本的信息，用来区分不同的电缆；

b. 电缆所有连接器的代号：这里所说的“代号”是指设计人员赋予电连接器的代号（如：X1、X2等），一般以标签的形式粘贴在电连接器上或电连接器所在的电缆分支上；

c. 电缆各分支关系及布局位置：这是电缆铺设最基本的输入信息，用来指导操作人员将电缆按照设计要求铺设到位；

d. 电缆各分支自由端长度及固定点位置：因电缆铺设工作一般安排在器上设备安装之前进行，所以在固定电缆各分支末端时需要预留合适的自由端余量，以保证后续电缆插接操作过程顺利进行。

除包含以上信息之外，轻量化模型在使用过程中应当具有操作简单、快捷、流畅的特点，便于操作人员实时查看。

以某大型载人航天器为例，前期在进行电缆铺设时，因轻量化后的电缆布局.JT格式模型不具备显示电缆分支长度和电连接器代号的功能，操作人员无法通过.JT格式模型查询到需要的信息，只能依靠设计人员提供的原Pro/E模型进行查找，但Pro/E模型容量很大，操作过程复杂，无论在模型视图显示方面还是在电缆信息查询方面都十分不便，严重影响电缆的铺设效率。因此可通过对Pro/E软件进行二次开发，增加相关功能，对电缆模型进行前期处理后再进行轻量化。

二次开发后的Pro/E软件具备了电缆信息提取功能（如图5），可以通过模型树分组、更改模型名称、增加电缆固定点标识以及相关图表及示意图导出等方式，实现对电缆模型在轻量化之前的完善处理，有效避免电缆模型在轻量化过程中有效信息丢失的问题。

图5 Pro/E软件新增功能界面

通过使用信息提取工具，将Pro/E电缆模型中包含的电连接器代号、电缆分支长度及自由端固定位置等信息进行有效提取后，进行模型的再生，电缆自由端长度信息则通过Excel图表的方式输出，便于查找，如图6所示。

图6 电缆模型优化前后对比图

由图6可以看出，电缆Pro/E模型在优化前，模型结构树中的电缆分支和电连接器未做分组处理，且所有电连接器仅以连接器型号（如J36A、J599等）命名，无插头代号（如X1、X2等）信息，看起来杂乱无章，指导性较差；而优化后的模型结构树按照电缆分支关系，对每根电缆及其电连接器进行单独分组，并对每个电连接器使用对应的插头代号单独分组，电缆的分支关系一目了然。此外，优化后的电缆模型还根据每个分支自由端的固定位置信息在相应位置添加了卡箍组件，同时通过导出的Excel表格可以进一步查阅电缆每个分支自由端的预留长度，从而大大提高了三维模型的可视性和对铺设操作的指导性。

使用轻量化软件（如APDTools等）对再生后的模型轻量化，形成便于查看及操作的轻量化格式文件。

因Pro/E再生后的模型已经包含了前期提取到的信息，故在轻量化模型中，同样可以实现电缆在铺设操作中所需信息在模型中的灵活查看。

通过使用信息提取工具，对电缆的三维模型进行二维展开，并输出二维展开图（图7所示），便于操作人员快速理清复杂电缆的分支关系。

优化后的电缆布局轻量化三维模型，在操作轻便快捷的前提下，可以有效解决模型信息与操作人员的操作需求和习惯不匹配的问题，从而降低电缆铺设的耗时量，提高铺设效率。

图7 三维电缆二维展开示意图

6 三维可视化工艺方案

通过以上方法优化改进后的三维可视化工艺可实现以下功能：

a. 按照工步号排列了在航天器不同停放状态下可铺设的电缆清单以及安装顺序；

b. 在操作终端可以随时查看电缆布局轻量化三维模型，模型既可以显示所有电缆的布局，也可以对选中的某一根或某几根电缆高亮显示或唯一显示，模型可以任意调取和灵活显示电缆固定点位置、电连接器代号、电缆代号等信息，同时可通过调取图表来查询自由端预留长度；

c. 每根电缆均附有二维展开图，在梳理电缆分支关系时可以实时查看；

d. 对于复杂电缆，除了具备以上功能外，还附有三维仿真视频文件，可完整演示复杂电缆铺设的全过程，并配有必要的文字说明；

e. 工艺文件的文档部分对电缆的关键固定位置、自由端预留长度以及安装风险点等内容的说明更加详细。

优化后的电缆铺设三维可视化工艺完整清晰地体现了电缆铺设操作中所需的必要信息，可以更好地与操作人员的操作习惯和操作需求相匹配，具有较强的指导性。

7 结束语

随着我国载人航天事业的不断发展，面对航天器上电缆数量越来越多、电缆布局要求越来越严格、电缆布局难度越来越大的问题，如何摆脱传统的二维图纸模式，有效运用三维模型实现高质量、高效率的电缆铺设工作，最终形成一套适合总装现场需求的工艺方法，需要工艺人员和操作人员进行不断地沟通和探索。

通过前期对电缆进行梳理和筛选，同时运用三维虚拟仿真技术和信息提取与模型二次开发的方法，有助于获得合理的、优化的总装工艺方案，可有效降低操作人员对模型以及工艺文件的理解难度，在避免发生质量问题的同时提高了铺设效率，可以为其它大型航天器的电缆铺设工作提供借鉴。

1 蔡敏，王博哲，陈兴峰，等. 基于Creo 的飞行器电缆三维协同设计研究[J]. 弹箭与制导学报，2017，36(6)：27～29，35

2 孟光韦，王萌，顾浩卿，等. 弹上电缆网三维设计及虚拟装配方法[J]. 电子测试，2016(3)：6，15～17

3 范凯，黄业平，刘政，等. 基于Pro/E 软件的卫星三维布局与电缆的协同设计[J]. 航天器环境工程，2015，32(4)：390～394

4 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，2013，4(2)：46～53

Process Optimizing Method Exploration of Cable Laying for Large Manned Spacecraft

Zhao Jinlong1, 2Li Shu1, 2Ma Yancheng1, 2Chen Shuai1, 2

(1. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094; 2. Beijing Engineering Research Center of the Intelligent Assembly Technology and Equipment for Aerospace Product, Beijing 100094)

Aiming at the case of huge amount, numerous branches and complex layout of cables in cable laying work of a sort of large manned spacecraft, this paper presents a method for optimizing cable laying process under the current mode of 3D model guide assembly. In this method, the technology of 3D virtual simulation, information extraction and 3D model secondary development are used, in order to reduce the difficulty of complex cables laying and improve the efficiency of cable laying work, which can provide reference for the work of large and complex spacecraft cable laying.

manned spacecraft；cable laying；process optimization

赵晋龙（1988），工程师，机械工程专业；研究方向：航天器总装工程技术。

2018-04-29