范 凱，黃業(yè)平，劉 政，張國強(qiáng)

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240）

0 引言

傳統(tǒng)衛(wèi)星電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)一般先根據(jù)單機(jī)接口數(shù)據(jù)表編制整星電纜接點(diǎn)表，再依照衛(wèi)星二維布局圖紙與整星電纜接點(diǎn)表確定電纜的分支、走向，因此電纜分支長度、走向無法做到精準(zhǔn)化、最優(yōu)化，尤其是設(shè)計(jì)時(shí)通常對電纜長度在二維布局圖紙測量基礎(chǔ)上預(yù)留一定余量，增加了電纜的長度和重量，造成了資源的浪費(fèi)。Pro/E 軟件的Cabling 電氣布線設(shè)計(jì)模塊[1-3]雖具備一定的三維布線設(shè)計(jì)功能，但設(shè)計(jì)過程復(fù)雜、操作不便，工作量也較大，未能體現(xiàn)出衛(wèi)星三維布局與電纜設(shè)計(jì)的協(xié)同化。

針對上述問題，作者基于Pro/E 軟件，二次開發(fā)出“衛(wèi)星三維布局與布線專家設(shè)計(jì)系統(tǒng)”。本文具體介紹該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)、系統(tǒng)建模、三維布局以及三維電纜設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

1 軟件架構(gòu)

基于Pro/E 軟件二次開發(fā)的“衛(wèi)星三維布局與布線專家設(shè)計(jì)系統(tǒng)”主要包含URM2.0、布局平臺(tái)、布線平臺(tái)3 部分以及6 個(gè)功能模塊，其中基礎(chǔ)信息管理、單機(jī)設(shè)備快速建模、總體構(gòu)型與布局、快速布線是4 個(gè)主模塊，設(shè)備總裝圖、電纜工程圖及報(bào)表是衛(wèi)星三維布局和電纜設(shè)計(jì)輸出模塊，用于指導(dǎo)衛(wèi)星總裝及電纜的加工制造，具體如圖1所示。

基礎(chǔ)信息管理模塊智能管理衛(wèi)星設(shè)計(jì)過程中的數(shù)據(jù)信息，以標(biāo)準(zhǔn)界面、定制界面提供統(tǒng)一的管理平臺(tái)，通過優(yōu)化調(diào)整實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的基線轉(zhuǎn)換、同步創(chuàng)建、多層次權(quán)限分配等功能。

圖1 衛(wèi)星三維布局與布線專家設(shè)計(jì)系統(tǒng)組成 Fig.1 Structure of the satellite tridimensional layout and cable expert design system

單機(jī)設(shè)備快速建模模塊可提供規(guī)范設(shè)備和異形設(shè)備的視場、精測軸、主托架、擴(kuò)展托架等工具，實(shí)現(xiàn)規(guī)范設(shè)備輕量化模型創(chuàng)建和異形設(shè)備輕量化模型管理，以及接插件和支架模型創(chuàng)建。規(guī)范設(shè)備輕量化模型通過讀取URM2.0 定義的設(shè)備信息自動(dòng)生成；異形設(shè)備輕量化模型在Pro/E 中建模、定義裝配參考基準(zhǔn)、設(shè)置電連接器，并上傳至URM2.0基礎(chǔ)信息管理模塊。

總體構(gòu)型與布局模塊采用自頂向下設(shè)計(jì)模式，可提供群組調(diào)整、元件格式刷等多種布局工具，實(shí)現(xiàn)設(shè)備儀器快速布局，以及輕量化模型與詳細(xì)模型的快速切換。該模塊采用坐標(biāo)系對齊方式對設(shè)備進(jìn)行布局，可對設(shè)備進(jìn)行單次和連續(xù)點(diǎn)選布局，并對布局元件進(jìn)行動(dòng)態(tài)拖拽與安裝面切換操作，實(shí)現(xiàn)對布局元件的精確方位調(diào)整。

快速布線模塊以單機(jī)設(shè)備的電纜連接節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)源為基礎(chǔ)，以總體構(gòu)型與布局模塊為輔助，在Pro/E中實(shí)現(xiàn)模型的設(shè)置、布局和布線參考收集，完成網(wǎng)絡(luò)路徑的布置以及電纜路徑的創(chuàng)建與調(diào)整，并生成三維電纜束模型，輸出電纜工程圖及電纜接點(diǎn)報(bào)表。

2 三維布局與電纜協(xié)同設(shè)計(jì)流程

“衛(wèi)星三維布局與布線專家設(shè)計(jì)系統(tǒng)”提供統(tǒng)一設(shè)計(jì)平臺(tái)，建立整星骨架模型、輕量化模型和編制標(biāo)準(zhǔn)接點(diǎn)表并統(tǒng)一管理，完成單機(jī)設(shè)備的三維布局和三維電纜的協(xié)同設(shè)計(jì)，生成單機(jī)設(shè)備總裝圖、電纜工程圖及報(bào)表，具體流程如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星三維布局與電纜網(wǎng)的協(xié)同設(shè)計(jì)流程 Fig.2 The flowchart of the collaborative design of the satellite tridimensional layout and cable network

3 衛(wèi)星骨架和輕量化單機(jī)模型

3.1 整星骨架體系及骨架模型

衛(wèi)星骨架體系采用Top-down 設(shè)計(jì)思想，自頂向下分為多級(jí)骨架。骨架模型作為Pro/E 的特殊零件模型，包括衛(wèi)星構(gòu)型、定位信息、裝配的參考基準(zhǔn)、關(guān)鍵件的形狀和尺寸等基本設(shè)計(jì)信息，用于繼承上級(jí)裝配的設(shè)計(jì)信息，提供下級(jí)裝配或關(guān)鍵件所需的共享設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)，完成設(shè)計(jì)條件、設(shè)計(jì)意圖的分發(fā)和傳遞。

以某型號(hào)衛(wèi)星為例，依據(jù)Top-down 設(shè)計(jì)思想及衛(wèi)星構(gòu)型和產(chǎn)品特點(diǎn)，建立了骨架體系和骨架模型。整星骨架體系采用分艙段模式，包含三級(jí)骨架，分別為整星一級(jí)骨架、艙段二級(jí)骨架、單板三級(jí)骨架[4]。

1）一級(jí)骨架

一級(jí)骨架是整星級(jí)骨架，包含了整星機(jī)械坐標(biāo)系、衛(wèi)星各艙段信息，一般由點(diǎn)、線、面組成，是衛(wèi)星二級(jí)骨架設(shè)計(jì)的依據(jù)。

2）二級(jí)骨架

二級(jí)骨架是在一級(jí)骨架基礎(chǔ)上，通過 “發(fā)布幾何”、“復(fù)制幾何”等命令完成。二級(jí)骨架是艙段級(jí)的骨架，包含了衛(wèi)星某一艙段的構(gòu)型信息，一般也是由點(diǎn)、線、面組成，是衛(wèi)星三級(jí)骨架設(shè)計(jì)的依據(jù)。

3）三級(jí)骨架

三級(jí)骨架是在二級(jí)骨架基礎(chǔ)上，通過“發(fā)布幾何”、“復(fù)制幾何”等命令完成。三級(jí)骨架是單板級(jí)的骨架，包含了衛(wèi)星某一結(jié)構(gòu)板的構(gòu)型信息，是衛(wèi)星骨架系統(tǒng)的基本組成單元，可由點(diǎn)、線、面組成，也可由實(shí)體組成。

圖3是某衛(wèi)星的三級(jí)骨架示意圖。

圖3 某衛(wèi)星一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)骨架示意圖 Fig.3 A satellite’s first-level,second-level,third-level skeleton models

3.2 輕量化單機(jī)模型

輕量化單機(jī)模型指用于總體布局、電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)和效果展示，并經(jīng)過壓縮處理的三維數(shù)字樣機(jī)。輕 量化單機(jī)模型的安裝尺寸、接插件信息、質(zhì)量特性應(yīng)與真實(shí)產(chǎn)品一致，外形尺寸與真實(shí)產(chǎn)品基本一致，其他狀態(tài)不作要求。三維輕量化模型分為規(guī)范設(shè)備、異形設(shè)備的建模，兩型設(shè)備均需要在URM 數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行分類和注冊，并錄入相關(guān)信息；對不能進(jìn)行輕量化建模的異形設(shè)備，須在URM 數(shù)據(jù)庫中注明。某衛(wèi)星的URM 數(shù)據(jù)庫管理界面如圖4所示。

圖4 URM 數(shù)據(jù)庫設(shè)備管理界面 Fig.4 The equipment management interface of URM database

規(guī)范設(shè)備是標(biāo)準(zhǔn)長方體形狀的設(shè)備，需錄入的信息包括外形輪廓信息、質(zhì)量屬性信息，耳片結(jié)構(gòu)、安裝孔位置、安裝孔徑、筋等機(jī)械布局接口信息，以及接插件、接地樁類型和位置等電接口信息。電連接器的型號(hào)、安裝位置等相關(guān)信息通過URM2.0定義，全部信息錄入后，通過關(guān)聯(lián)可在Pro/E 中自動(dòng)建模。為提高電纜建模走向、長度、拐彎半徑等參數(shù)設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)性，接插件通過坐標(biāo)系對齊方式關(guān)聯(lián)在設(shè)備表面。

異形設(shè)備是指非長方體設(shè)備，該類設(shè)備模型不能通過自動(dòng)建模而需要手工創(chuàng)建，并錄入耳片厚度、質(zhì)量屬性信息等，電接口信息需在Pro/E 中手動(dòng)設(shè)置。

以某型衛(wèi)星為例，規(guī)范設(shè)備和異形設(shè)備的輕量化模型分別如圖5和圖6所示。所有的電連接器均以坐標(biāo)系對齊方式關(guān)聯(lián)在設(shè)備上，用于三維電纜的設(shè)計(jì)。

圖5 規(guī)范設(shè)備的輕量化模型 Fig.5 Light weight model of standard equipment

圖6 異形設(shè)備的輕量化模型 Fig.6 Light weight model of nonstandard equipment

3.3 電連接器模型庫建立

根據(jù)各產(chǎn)品設(shè)備的接口數(shù)據(jù)單、廠家的使用說明書，建立各型電連接器的三維模型，并錄入U(xiǎn)RM數(shù)據(jù)庫，采用坐標(biāo)系對齊方式同設(shè)備關(guān)聯(lián)起來。設(shè)備常用的J14A-17 型和Y27A-14 型電連接器的三維模型如圖7所示。

4 快速構(gòu)型與布局設(shè)計(jì)

總體構(gòu)型與布局模塊可實(shí)現(xiàn)設(shè)備及元件的快速布局與調(diào)整，以及輕量化模型與詳細(xì)模型間的快速切換，分為以下步驟。

1）布局曲面設(shè)置

布局曲面設(shè)置對各級(jí)裝配模型進(jìn)行曲面設(shè)置，鼠標(biāo)點(diǎn)選安裝面相應(yīng)位置時(shí)元件自動(dòng)裝配。支持的布局安裝面包括平面和類柱面（柱面和錐面），其中平面以笛卡兒坐標(biāo)定位，柱面和錐面以柱坐標(biāo)定位。

2）元件設(shè)置

元件設(shè)置是指對元件模型的安裝坐標(biāo)系及其輔助安裝坐標(biāo)系進(jìn)行設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)點(diǎn)選安裝面相應(yīng)位置時(shí)元件自動(dòng)裝配。

3）智能布局

智能布局窗口界面樹控件中列出所有布局元件，列表框中顯示當(dāng)前選中樹項(xiàng)的信息。點(diǎn)擊工具條欄中功能按鈕，可對模型進(jìn)行裝配、拖拽、安裝面切換、旋轉(zhuǎn)和刪除等布局操作，實(shí)現(xiàn)對布局元件的安裝方向、間隙、角度和坐標(biāo)的精確調(diào)整。

4）布局調(diào)整

當(dāng)已保存群組中某一布局元件方位發(fā)生變更時(shí)，群組調(diào)整可實(shí)現(xiàn)相對位置固定的元件快速布局與構(gòu)型同步調(diào)整。

以某型衛(wèi)星為例，某艙板單機(jī)快速布局設(shè)計(jì)見圖8所示。

圖8 某艙板單機(jī)布局設(shè)計(jì) Fig.8 Layout design of equipment on a satellite structural slab

5 三維布局與電纜的協(xié)同設(shè)計(jì)

三維布局與電纜的協(xié)同設(shè)計(jì)以Pro/E 軟件為底層平臺(tái)，以衛(wèi)星骨架模型和設(shè)備輕量化模型為依托，以柔性相關(guān)、路徑驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)布線為指導(dǎo)思想，通過快速布線設(shè)計(jì)模塊實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)表和三維布局模型的有機(jī)結(jié)合，自動(dòng)完成三維電纜的布線、走向及捆扎等設(shè)計(jì)[5]，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星三維布局模型、三維電纜模型的協(xié)同設(shè)計(jì)、統(tǒng)一管理。

快速布線設(shè)計(jì)的輸入包括：電連接器、電子設(shè)備、電纜支架和電纜插頭等模型，總體構(gòu)型與布局后的輕量化模型，目標(biāo)布線單元以及節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)源等；輸出包括設(shè)置后的電子元件模型以及快速布線后創(chuàng)建的電纜束模型。

1）布線參考

布線參考包括布線單元和參考收集兩部分。

布線單元主要是定義電纜單元，并對電纜單元、元件進(jìn)行布線預(yù)處理。作為布線基本單元，電纜單元裝配有電纜布線專用件、電子設(shè)備、分線器等。

參考收集主要對選中的布線單元、元件進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)收集、刪除、關(guān)聯(lián)、更新等功能。收集的所有信息都顯示在已創(chuàng)建的CREF 模型下，并以樹形式顯示在界面上。

2）網(wǎng)絡(luò)路徑

網(wǎng)絡(luò)路徑主要是在電纜輔助模型中對已收集的端口信息定義電纜通路，包括創(chuàng)建、刪除、更新等。系統(tǒng)創(chuàng)建的所有網(wǎng)絡(luò)路徑都以List 列表的形式來表達(dá)，并以下拉框的形式進(jìn)行布線單元分類。

3）節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)源讀取

電纜創(chuàng)建之前需讀取Excel 數(shù)據(jù)文件，讀取的所有工作表都以下拉框的形式存在，其內(nèi)容以List列表顯示。

4）電纜生成

快速布線根據(jù)讀取的Excel 數(shù)據(jù)，創(chuàng)建包含接點(diǎn)連接關(guān)系、電纜分支走向、材料明細(xì)表和電纜加工技術(shù)要求等信息的電纜加工圖，自動(dòng)生成包含導(dǎo)線分支走向、規(guī)格、數(shù)量和長度等信息的電纜信息報(bào)表和明細(xì)匯總表。系統(tǒng)提供Txt 和Excel 兩種格式的線纜報(bào)表輸出工具，并可定制輸出報(bào)表信息，便于編寫各種報(bào)告文檔[5]。

5）布局與電纜的協(xié)同設(shè)計(jì)

將三維布局和電纜集成在同一模型上，實(shí)現(xiàn)布局與電纜的協(xié)同設(shè)計(jì)和管理。以某衛(wèi)星為例，生成的衛(wèi)星三維布局和三維電纜模型如圖9所示，在該同一模型上可完成設(shè)備布局的手動(dòng)調(diào)整、電纜分支走向和長度的自動(dòng)適應(yīng)性更新、設(shè)備總裝圖和電纜工程圖的自動(dòng)更新等。

圖9 某衛(wèi)星的三維布局和電纜同一模型 Fig.9 The same three dimensional layout model and cable model of a satellite

以某型衛(wèi)星為例，生成的含某一束電纜的設(shè)備布局模型、該電纜束的三維模型及其二維連接示意如圖10所示。

圖10 某一束電纜的三維模型和二維模型 Fig.10 A single cable’s three-dimensional and two-dimensional models

6 結(jié)束語

按照“衛(wèi)星三維布局與布線專家設(shè)計(jì)系統(tǒng)”軟件輸出的電纜報(bào)表信息進(jìn)行了某衛(wèi)星的電纜加工生產(chǎn)，所有電纜在衛(wèi)星上進(jìn)行了裝星應(yīng)用，實(shí)際裝星結(jié)果表明各電纜分支、長度均符合要求，電纜長度余量較小，電纜接點(diǎn)正確。該衛(wèi)星應(yīng)用三維電纜設(shè)計(jì)后，整星低頻電纜重量由原來的96 kg 減輕至68 kg，衛(wèi)星電纜冗余長度亦縮短約30%。

要說明的是，“衛(wèi)星三維布局與布線專家設(shè)計(jì)系統(tǒng)”目前處于應(yīng)用起步階段，該軟件在三維標(biāo)注和顯示、電纜的拐彎半徑設(shè)置、電連接器的模型庫建設(shè)等方面需要進(jìn)一步改進(jìn)提高。

（References）

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[2] 陸曉燕,陳波寧,季峰.基于Pro/ENGINEER Cabling的三維電纜布線設(shè)計(jì)（二）[J].CAD/CAM 與制造信息化,2010(6): 94-96

[3] 徐寧波,劉緒弟.基于Pro/Cabling 進(jìn)行整機(jī)布線的應(yīng)用研究[J].機(jī)械工程師,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] 王志軍.基于Pro/E 軟件的衛(wèi)星三維建模方法的探討[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,劉剛,侯向陽,等.基于Pro/E 軟件的電纜三維設(shè)計(jì)及制造方法[J].航天制造技術(shù),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