蔡 敏,王博哲,陳興峰,楊 攀

(湖北航天技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)所,武漢 430040)

基于Creo的飛行器電纜三維協(xié)同設(shè)計(jì)研究*

蔡 敏,王博哲,陳興峰,楊 攀

(湖北航天技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)所,武漢 430040)

針對飛行器電纜傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法存在效率低、偏差大、電纜走向不合理、設(shè)計(jì)階段難以估算質(zhì)量特性等問題,文中在研究電纜設(shè)計(jì)原理及Creo三維電纜設(shè)計(jì)模塊的基礎(chǔ)上,給出了一種電纜三維協(xié)同設(shè)計(jì)方法,提高飛行器電纜設(shè)計(jì)效率和電纜網(wǎng)布局的合理性,對飛行器電纜設(shè)計(jì)有重要的推廣意義。文中以某飛行器艙段電纜設(shè)計(jì)為例,驗(yàn)證了該方法的可行性。

飛行器;電纜;三維;協(xié)同設(shè)計(jì)

0 引言

火箭、導(dǎo)彈等航天飛行器上電纜包括控制系統(tǒng)電纜、遙測系統(tǒng)電纜,電纜將各分系統(tǒng)的單機(jī)設(shè)備、電源等連接成一個有機(jī)的整體,如同飛行器的“神經(jīng)系統(tǒng)”,是飛行器的重要組成部分。目前國內(nèi)飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)普遍采用三維建模軟件設(shè)計(jì),但由于電纜設(shè)計(jì)涉及電氣專業(yè)和結(jié)構(gòu)專業(yè)協(xié)同工作,并沒有完全實(shí)現(xiàn)電纜的全三維協(xié)同設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的電纜設(shè)計(jì)方式需要設(shè)計(jì)師有較豐富的工程經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合實(shí)物模裝,存在設(shè)計(jì)效率較低、設(shè)計(jì)階段難以估算質(zhì)量特性及電纜敷設(shè)較為凌亂、無效長度冗余的問題。隨著數(shù)字化飛行器工業(yè)體系的推進(jìn)及飛行器產(chǎn)品設(shè)計(jì)的研制周期要求,電纜設(shè)計(jì)已經(jīng)成為飛行器產(chǎn)品研制周期的短線,需要一種新的方法提高飛行器電纜設(shè)計(jì)效率,縮短研發(fā)周期。

Creo是PTC公司的一款三維設(shè)計(jì)軟件,在航天行業(yè)應(yīng)用較為廣泛,運(yùn)用它的Schematics及Piping模塊能實(shí)現(xiàn)電纜的三維協(xié)同設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[1-4]主要介紹了Creo三維布線流程和方法等,文中在上述文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究并闡述了基于Creo的電纜三維協(xié)同設(shè)計(jì)的原理及實(shí)現(xiàn)方法,并在某型號飛行器研制設(shè)計(jì)過程中,實(shí)際運(yùn)用該方法進(jìn)行電纜三維協(xié)同設(shè)計(jì),得到了合理的電纜網(wǎng)分支、布局及各電纜長度,提高了電纜設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性,對飛行器電纜三維協(xié)同設(shè)計(jì)有較高的參考價值。

1 飛行器電纜三維協(xié)同設(shè)計(jì)方法研究

1.1 飛行器電纜三維協(xié)同設(shè)計(jì)原理

飛行器電纜的三維協(xié)同設(shè)計(jì)是電氣專業(yè)和結(jié)構(gòu)專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)過程,必須打通兩個專業(yè)之間的接口才能實(shí)現(xiàn)。電氣專業(yè)完成其電氣原理設(shè)計(jì)后,在工具軟件里完成電路連接圖,導(dǎo)出能被結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)軟件自動識別的格式文件并提供給結(jié)構(gòu)專業(yè),結(jié)構(gòu)專業(yè)在三維設(shè)計(jì)軟件里布局相應(yīng)的接插件和初步的布線網(wǎng)絡(luò),再讀取電氣專業(yè)的電路連接圖,實(shí)現(xiàn)自動三維布線,并根據(jù)布線結(jié)果對布線網(wǎng)絡(luò)調(diào)整、優(yōu)化,得到最合理的電纜布局和分支長度,最后將結(jié)果提供給電氣專業(yè)以完成詳細(xì)的電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)。電纜三維協(xié)同設(shè)計(jì)工作原理主要流程如圖1所示。采用三維電纜協(xié)同設(shè)計(jì)具有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn):

a)采用三維方式表達(dá)電纜網(wǎng)敷設(shè)及安裝,表達(dá)更加直觀,能有效避免飛行器艙段內(nèi)電纜網(wǎng)敷設(shè)凌亂的問題。能給出合理、準(zhǔn)確的電纜網(wǎng)分支長度,縮短電纜網(wǎng)研制周期;

b)飛行器方案論證、設(shè)計(jì)階段就可以準(zhǔn)確分析電纜質(zhì)量特性、安裝空間等;

c)可以實(shí)現(xiàn)電氣、結(jié)構(gòu)專業(yè)之間的協(xié)同設(shè)計(jì),減少接口數(shù)據(jù)的人工判讀,提高效率和準(zhǔn)確性;

d)電纜修改更加容易,當(dāng)飛行器艙段內(nèi)單機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)生變更時,電纜會隨之更新,修改起來更加直觀、快捷。

圖1 電纜三維協(xié)同設(shè)計(jì)工作原理流程

1.2 飛行器電纜三維協(xié)同設(shè)計(jì)步驟

電氣專業(yè)將電路連接圖通過接口文件的形式傳遞給結(jié)構(gòu)專業(yè),典型電路連接圖如圖2所示,結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)軟件能夠根據(jù)接口文件的連接信息實(shí)現(xiàn)自動布線。在飛行器方案論證初期,由于電氣專業(yè)的電路連接圖完成時間較晚,結(jié)構(gòu)專業(yè)也可以根據(jù)初步的設(shè)備布置方案進(jìn)行手動布線,初步確定電纜網(wǎng)分支。

圖2 電路連接圖示意圖

電纜三維布線設(shè)計(jì)的主要步驟如圖3所示,主要包括以下幾個方面。

a)布線準(zhǔn)備工作。主要包括裝配模型輕量化、接插件定義、線軸定義等。由于飛行器三維模型一般都較大,若直接使用完整的三維模型進(jìn)行三維布線設(shè)計(jì)會導(dǎo)致軟件運(yùn)行較慢、電纜顯示不完整甚至軟件崩潰,降低電纜三維布線效率,因此布線之前需將模型進(jìn)行輕量化處理;電纜布線時需要定義完整的接插件,且接插件要有一個指定的坐標(biāo)系為電纜接入點(diǎn),Creo里規(guī)定坐標(biāo)系的Z軸正向?yàn)殡娎|接入點(diǎn),如圖4所示為某型號接插件示意圖。

圖3 電纜三維布線操作步驟示意圖

圖4 接插件示意圖

b)繪制network布線網(wǎng)絡(luò)。布線網(wǎng)絡(luò)是電纜三維布線的關(guān)鍵步驟,大部分布線能否成功都取決于布線網(wǎng)絡(luò)是否合理,布線網(wǎng)絡(luò)(network)規(guī)定了電纜的走向,包括分支節(jié)點(diǎn)、轉(zhuǎn)彎半徑等,圖5所示為某布線網(wǎng)絡(luò)(network)示意圖。

圖5 布線網(wǎng)絡(luò)示意圖

c)三維布線。電纜三維布線有兩種方式,自動布線和手動布線。完成接插件指定和繪制布線網(wǎng)絡(luò)后,三維設(shè)計(jì)軟件可以自動讀取、識別電氣專業(yè)的接口文件,自動完成電纜三維布線;若沒有接口文件,可以通過手動布線的方式選擇每根導(dǎo)線起點(diǎn)和終點(diǎn),并選擇電纜敷設(shè)方式完成電纜三維布線,Creo的電纜敷設(shè)方式有簡單布線、沿網(wǎng)絡(luò)布線、沿管路等方式。

d)完善電纜信息。電纜布線設(shè)計(jì)完成后,需要對電纜增加修飾以完善電纜信息,包括增加電纜護(hù)套、卡箍,電纜捆扎等,如圖6所示為電纜修飾示意圖。

圖6 電纜修飾示意圖

1.3 飛行器電纜三維協(xié)同設(shè)計(jì)基礎(chǔ)工作

根據(jù)上述介紹可知,要實(shí)現(xiàn)飛行器三維電纜協(xié)同設(shè)計(jì),需要完成一些基礎(chǔ)性工作,主要包括以下幾個方面:

a)數(shù)據(jù)無縫傳遞。飛行器上的控制、遙測電纜連接圖一般都比較復(fù)雜,如果讓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員人工讀取、理解再進(jìn)行布線設(shè)計(jì)會導(dǎo)致效率低、且極容易出錯,因此電氣專業(yè)進(jìn)行電氣原理圖設(shè)計(jì)、設(shè)備連接圖設(shè)計(jì)后應(yīng)該向結(jié)構(gòu)專業(yè)提供結(jié)構(gòu)三維CAD設(shè)計(jì)軟件可以直接識別的接線表(如XML文件),該文件中包含了接插件信息(接插件型號、PIN腳號)、接插件間的連接關(guān)系、連接電線的規(guī)格(如直徑、顏色、最小拐彎半徑、單位長度重量)等。

b)建接插件庫。插接件是電纜的重要組成部分,三維電纜布線中,接插件不僅需要體現(xiàn)準(zhǔn)確的幾何模型,還應(yīng)具備電氣屬性,插接件信息的準(zhǔn)確、完整與否,直接關(guān)系到后續(xù)設(shè)計(jì)的效率。

c)建導(dǎo)線庫。需要建立常用的導(dǎo)線,主要包括導(dǎo)線直徑、轉(zhuǎn)彎半徑、顏色、單位長度重量等信息。

d)建立電纜修飾元件庫。需要建立常用的電纜固定卡箍、電纜護(hù)套等元件,并形成系列。

2 應(yīng)用實(shí)例

文中以某飛行器艙段為例,開展了三維電纜設(shè)計(jì)工作,主要工作流程如圖7所示。首先結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)人員在Creo軟件里將飛行器艙段模型通過提取收縮包絡(luò)的方式輕量化,將單機(jī)、接插件布局到位后,在艙段內(nèi)沿艙壁繪制初步的布線網(wǎng)絡(luò),電氣專業(yè)設(shè)計(jì)人員根據(jù)總體要求完成控制、遙測系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)、完成電纜連接圖,并以XML格式的數(shù)據(jù)接口文件傳遞給三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件,軟件讀取文件后驅(qū)動自動布線,會出現(xiàn)一部分導(dǎo)線布線走向不合理甚至失敗,此時再返回到繪制布線網(wǎng)絡(luò)步驟,對布線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化,主要包括網(wǎng)絡(luò)走向、轉(zhuǎn)彎半徑、分支節(jié)點(diǎn)設(shè)置等,再重新驅(qū)動三維布線,直到布線完成為止。圖8所示為艙段內(nèi)電纜布局示意圖。通過三維電纜協(xié)同設(shè)計(jì),提高了該飛行器艙段的設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性。

圖7 某飛行器艙段三維電纜設(shè)計(jì)流程

圖8 某飛行器艙段電纜三維布線設(shè)計(jì)示意圖

與傳統(tǒng)的電纜設(shè)計(jì)方法相比,設(shè)計(jì)師不需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算電纜長度,電纜實(shí)物模裝顯得沒有那么迫切,電纜設(shè)計(jì)效率提高了至少3倍以上;設(shè)計(jì)師給的電纜分支長度準(zhǔn)確度可達(dá)100%;同時減少了部分模裝試驗(yàn)電纜產(chǎn)品,節(jié)約成本約30%。

3 小結(jié)

文中研究了基于三維設(shè)計(jì)軟件Creo的飛行器電纜三維協(xié)同設(shè)計(jì)方法,重點(diǎn)闡述了電纜三維協(xié)同設(shè)計(jì)原理、流程及主要步驟,在此基礎(chǔ)上,以某飛行器艙段設(shè)計(jì)為例,運(yùn)用該方法實(shí)現(xiàn)了艙段內(nèi)電纜三維協(xié)同設(shè)計(jì),提高了艙段電纜設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性,對飛行器電纜設(shè)計(jì)有重要參考借鑒意義,具有推廣價值。

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Research on 3D Collaborative Design of Aircraft Cable Based on Creo

CAI Min,WANG Bozhe,CHEN Xingfeng,YANG Pan

(Design Institute of Hubei Space Technology Academy, Wuhan 430040, China)

The traditional design method of aircraft cable had the problem as low design efficiency, large error, unreasonable cable way, difficult to estimate the quality characteristics in the design stage and so on. Based on the study of the principle of cable design and the 3D cable design module of Creo, the paper gave a cable 3D collaborative design method, which improved the efficiency and the rationality of cable network layout, and it is of great significance to the design of aircraft cable. Finally, the paper took an certain aircraft cabin cable design as an example to verify the feasibility of the method.

aircraft; cable; three-dimensional; co-design

2015-11-08

蔡敏(1987-),男,安徽蕪湖人,工程師,碩士,研究方向:飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

TN702

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