白邈 吳杰 肖越 牛云鵬 朱振興 楊志

(北京空間機(jī)電研究所,北京 100094)

航天光學(xué)遙感器(簡稱遙感器)是衛(wèi)星的主要載荷之一，可以快速、全面的獲取大范圍地面景物遙感信息。遙感信息不僅具有極大的軍事價值，同時在農(nóng)業(yè)、地理、海洋和環(huán)境資源等領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景[1]。隨著我國社會的不斷進(jìn)步與高速發(fā)展，國民經(jīng)濟(jì)各部門對于航天遙感信息的需求量不斷增加。因此，如何縮短產(chǎn)品的研制周期，高質(zhì)高效的完成型號任務(wù)是遙感器承制單位生存與發(fā)展的關(guān)鍵。

以遙感器為代表的復(fù)雜航天產(chǎn)品，涉及到光、機(jī)、電、熱等多個專業(yè)，具有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊、精度要求嚴(yán)格、尺寸穩(wěn)定性要求高、多品種小批量生產(chǎn)等特點[2]，這些都為遙感器的總體裝配帶來了更多的困難與挑戰(zhàn)，而遍布在結(jié)構(gòu)各處的導(dǎo)線與線纜的總裝布線工作則更是存在量大、集中、操作空間有限，占用研制周期主線時間長，降低產(chǎn)品反復(fù)裝拆靈活性，增加質(zhì)量風(fēng)險與隱患等問題。

本文通過對遙感器總裝布線中遇到的實際問題進(jìn)行總結(jié)與分析，提出一種遙感器線纜模塊化設(shè)計的總體設(shè)計思路，合理的將線纜進(jìn)行分級規(guī)劃與轉(zhuǎn)接設(shè)置，達(dá)到提升產(chǎn)品可裝配性、可維修性等，實現(xiàn)航天遙感器的高質(zhì)高效裝配。

1 遙感器主體布線存在的問題

遙感器主體上存在的線纜可大體分為兩類：電控線和熱控線。隨著遙感器向更高分辨率、更強(qiáng)功能和更大規(guī)模發(fā)展，其內(nèi)部集成的電氣產(chǎn)品不斷增多，線纜的數(shù)量、長度也逐步增長，連接關(guān)系越來越復(fù)雜，分支越來越多，這都導(dǎo)致了在狹小的結(jié)構(gòu)空間中，布線難度大幅增加。遙感器光學(xué)產(chǎn)品要求精度高，熱控產(chǎn)品是遙感器結(jié)構(gòu)在太空中嚴(yán)酷環(huán)境下精度與穩(wěn)定度的保證。薄膜型電加熱器和溫度傳感器廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)件上，通過粘貼等方式與結(jié)構(gòu)件結(jié)合在一起，形成一體。在總裝前，各結(jié)構(gòu)件、部組件所帶的熱控導(dǎo)線為散線，數(shù)量從幾根到上百根不等，隨著總裝的進(jìn)行，熱控散線穿插匯集成束、走線與固定，最終將數(shù)百甚至上千根導(dǎo)線焊接至對外電連接器。

當(dāng)前遙感器線纜的設(shè)計模式是從出線部位直接布線連接至主體對外電連接器接口，中間沒有轉(zhuǎn)接過渡，如圖1所示，在遙感器總裝布線過程中，由于線纜須與結(jié)構(gòu)固定，不可懸空，導(dǎo)致某零部組件上的線纜要經(jīng)過且固定在其它零部組件上的情況，而熱控散線則存在不同部位的導(dǎo)線匯集在一起，進(jìn)行綁扎、布線和固定，使得原本可以方便、靈活拆裝的各個零部組件被線纜互聯(lián)在一起，如圖2所示。在后續(xù)的研制流程中，一些產(chǎn)品或結(jié)構(gòu)零部件需要拆分，則不是單純的機(jī)械拆分，增加了線纜的拆卸，而對于匯合在一起的熱控散線，無法從綁扎的線束中分離出來，從而需要進(jìn)行剪斷處理，后續(xù)再恢復(fù)焊接，給產(chǎn)品研制增加了工作量和質(zhì)量風(fēng)險。

圖1 零部組件所包含線纜的形式Fig.1 Forms of cable contained in Components

圖2 當(dāng)前遙感器總裝布線形式Fig.2 Current remote sensor assembly and wiring mode

2 面向裝配的線纜設(shè)計思想

2.1 模塊化設(shè)計思想

模塊化設(shè)計是指在設(shè)計時按功能或結(jié)構(gòu)組成將某一產(chǎn)品劃分成多個獨立的模塊，每個模塊上集成多個零件或功能單元，根據(jù)需求設(shè)置各模塊之間機(jī)械和電氣聯(lián)接接口，在總體裝配過程中以模塊為基礎(chǔ)裝配，組合構(gòu)成預(yù)期的產(chǎn)品。

結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計很好地體現(xiàn)了面向裝配的設(shè)計原則。在總體裝配時，沒有數(shù)量眾多的單個零件，取而代之的是事先裝配好的各個模塊，模塊之間的聯(lián)接設(shè)計簡易可靠，裝拆筒單方便，產(chǎn)品的可裝配性將大大提高[3]。

2.2 面向裝配的設(shè)計思想

裝配設(shè)計 (DFA)是指在產(chǎn)品設(shè)計階段，通過對產(chǎn)品裝配過程進(jìn)行深入分析，使得產(chǎn)品具有良好的可裝配性，達(dá)到裝配工序簡單、裝配效率高、裝配質(zhì)量好、裝配成本低等目的。而產(chǎn)品的模塊化設(shè)計便是實現(xiàn)這一目的的有效方法之一。

裝配設(shè)計的原則：第一要把裝配零件的數(shù)量降低到最少；第二要考慮零件裝拆的簡易性；第三要考慮最優(yōu)的連接方式等。裝配設(shè)計理論認(rèn)為，裝配總成本是零件數(shù)量、裝配簡易性以及再定位數(shù)目的函數(shù)，如果能夠減少裝配的零件數(shù)量，產(chǎn)品裝配的總成本會相應(yīng)下降[4]。

2.3 線纜的模塊化設(shè)計思想

在復(fù)雜電纜設(shè)計裝配中,電氣設(shè)計與機(jī)械走向協(xié)同不夠,電纜網(wǎng)分支及接點設(shè)計難以最優(yōu),電氣工程師在進(jìn)行電纜網(wǎng)分支及接點設(shè)計時,不能將電纜網(wǎng)幾何走向充分考慮在內(nèi),不能實現(xiàn)并行設(shè)計[5]。在進(jìn)行系統(tǒng)集成總裝時出現(xiàn)相互干涉、相互影響、協(xié)調(diào)性差等問題。

線纜的模塊化設(shè)計思想與結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計思想相同，也是將產(chǎn)品上存在的電控、熱控線纜等，依照結(jié)構(gòu)相關(guān)性或功能相關(guān)性，與光學(xué)元件、機(jī)械零件、電氣元件組合成獨立的模塊，形成裝配獨立的個體，將穿插在整個總裝過程中的散線、線纜布線工作化整為零，分散到各個模塊的裝配過程中；通過對每個模塊進(jìn)行合理的線纜轉(zhuǎn)接規(guī)劃，設(shè)計主體轉(zhuǎn)接電纜，又將總裝過程中連續(xù)的布線操作，切分成獨立模塊布線和整機(jī)轉(zhuǎn)接電纜布線。即由原來在總裝過程中進(jìn)行熱控散線匯集與布線，轉(zhuǎn)化到模塊布線時進(jìn)行散線匯集，總裝時僅進(jìn)行轉(zhuǎn)接電纜的布線，實現(xiàn)散線、線纜布線的化零為整。

3 具體設(shè)計實施方案

3.1 產(chǎn)品的裝配設(shè)計方案

由于遙感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有甩出線纜的部組件眾多，故每個部組件均設(shè)置轉(zhuǎn)接電連接器則增加的轉(zhuǎn)接電連接器過多，增加產(chǎn)品質(zhì)量，提高研制成本，且占用結(jié)構(gòu)空間較大，較難實現(xiàn)。因此，對于出線根數(shù)較少，或裝配關(guān)系密切的多個部組件進(jìn)行合并劃分，整合成一個模塊，降低裝聯(lián)及返修復(fù)雜性的同時減少轉(zhuǎn)接電連接器的設(shè)置。線纜分級規(guī)劃的原則一般是電氣元件、熱控元件線纜到部組件轉(zhuǎn)接電連接器為一級，然后設(shè)置一級轉(zhuǎn)接電纜實現(xiàn)部組件轉(zhuǎn)接電連接器與對外電連接器的電氣連接，減少轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)降低電纜網(wǎng)的復(fù)雜程度，減少設(shè)計與實施難度。轉(zhuǎn)接電纜的設(shè)計規(guī)劃盡量簡單，避免分支過多組成的電纜網(wǎng)。電纜的布置應(yīng)在遙感器結(jié)構(gòu)件外表面，避免結(jié)構(gòu)件間或結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的穿插布線，便于總裝過程中電纜的安裝固定與拆卸。

根據(jù)上述的線纜規(guī)劃思想，針對圖2所示的產(chǎn)品形式，在設(shè)計階段對產(chǎn)品的裝配關(guān)系、功能相關(guān)性等方面進(jìn)行模塊化設(shè)計分析，同時進(jìn)行線纜的模塊化設(shè)計規(guī)劃，通過設(shè)置轉(zhuǎn)接電連接器、使用轉(zhuǎn)接電纜將不同部位引出的熱控、電控信號傳遞至最終接口位置，便可形成圖3所示的裝配規(guī)劃方案。

圖3 模塊劃分和線纜分級規(guī)劃Fig.3 Module division and cablehierarchical planning

根據(jù)圖3，遙感器線纜模塊化設(shè)計和分級規(guī)劃后的產(chǎn)品裝配關(guān)系如圖4所示，可以看出總體裝配關(guān)系更加簡單，先進(jìn)行各部組件的裝配，再進(jìn)行總體裝配，最終安裝轉(zhuǎn)接電纜，相比于之前的邊裝配零部組件，邊進(jìn)行線纜布線的情況，裝配難度顯著降低，減少了零散的機(jī)電穿插工作，使總裝流程更加流暢。

圖4 線纜模塊化設(shè)計后裝配關(guān)系圖Fig.4 Assembly diagram of cable modular design

3.2 轉(zhuǎn)接電連接器設(shè)計選用原則

部組件上設(shè)置的轉(zhuǎn)接電連接器的設(shè)計選用應(yīng)遵循以下原則。

(1)必須選用帶法蘭安裝面的插座式電連接器，一般建議選用板前安裝式插座，以便與結(jié)構(gòu)上設(shè)置的固定支架進(jìn)行機(jī)械安裝固定。

(2)必須選用具有尾罩的電連接器，以減少線纜機(jī)械振動應(yīng)力對電連接器焊點的影響，及對于多余物的防護(hù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。

(3)必須選用具有機(jī)械鎖緊的電連接器，以防止電纜插接后，受到力學(xué)作用出現(xiàn)松動或脫落情況。

(4)必須選用具有防插反措施的電連接器，以防止由于低級失誤導(dǎo)致的質(zhì)量問題。

(5)需本著剩余空點最少的原則，一般電連接器的接點越少，其外形尺寸越小，質(zhì)量越小，有利于減少空間占用和產(chǎn)品質(zhì)量。

(6)需在滿足設(shè)計和降額需求的情況下冗余最小的原則，一般電連接器的性能參數(shù)越高，其外形尺寸越大。

(7)對于傳輸高頻信號、微小信號和敏感信號電纜，不建議設(shè)置轉(zhuǎn)接線纜，以保證信號傳輸性能實現(xiàn)最佳、滿足需求。

(8)從現(xiàn)場實施的工藝便捷性和供配電安全性角度考慮，大功率導(dǎo)線、線纜的轉(zhuǎn)接推薦選用壓接型電連接器。

3.3 轉(zhuǎn)接電纜的工藝參數(shù)

1)轉(zhuǎn)接電連接器工藝參數(shù)

通過對航天產(chǎn)品常用電連接器及航天器件選用目錄中眾多電連接器的性能參數(shù)、使用要求及裝聯(lián)工藝要求等方面的對比分析，J14A系列、J36A系列等矩形低頻電連接器，具有圓角防插反設(shè)計和雙保險鎖緊機(jī)構(gòu)，體積小、質(zhì)量輕、可靠性高等優(yōu)點，已在航天產(chǎn)品上成熟、廣泛使用，可以滿足遙感器熱控電纜等低頻線纜的轉(zhuǎn)接使用要求。

以J14A系列電連接器為例，在進(jìn)行轉(zhuǎn)接電纜設(shè)計選用時，需關(guān)注以下工藝參數(shù)。其工作溫度為-55 ℃～+125 ℃，額定工作電流為3 A，機(jī)械壽命為500次，具有9、15、20、26、38、51、62、74、101等9種不同芯數(shù)規(guī)格。

J14A系列矩形電連接器需選用端接形式為焊杯式的電連接器，其焊杯直徑為0.6 mm，按照 “焊接導(dǎo)線直徑與電連接器焊杯直徑比為0.6～0.9”的要求，此類電連接器僅允許焊接線芯直徑0.36 mm～0.54 mm的導(dǎo)線。

J14A系列矩形電連接器的外形尺寸及匹配關(guān)系詳見圖5和表1。

表1 J14A系列電連接器尺寸參數(shù)及匹配關(guān)系表Table 1 Summary table of dimension parameters and matching relationship of J14A series electrical connectors

注：L表示對接后長度，A表示連接器最大寬度，B表示連接器最大高度，a表示建議開口長度，b表示建議開口寬度，D表示安裝孔間距，d表示安裝孔直徑。圖5 J14A系列電連接器外形尺寸示意圖Fig.5 Outline dimension diagram of J14A series electrical connectors

2)導(dǎo)線工藝參數(shù)

轉(zhuǎn)接線纜選用的導(dǎo)線、線纜應(yīng)與產(chǎn)品自帶或前端使用的導(dǎo)線保持一致，對于導(dǎo)線的設(shè)計選用，不能僅關(guān)注其性能參數(shù)，還需關(guān)注其工藝參數(shù)、焊接要求，包括導(dǎo)線的線芯材質(zhì)、組成、直徑、導(dǎo)線外徑、質(zhì)量以及顏色等。

3)線纜直徑工藝參數(shù)

針對遙感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝配空間狹小、布線區(qū)域緊張等問題，在設(shè)計轉(zhuǎn)接電纜時，線纜的直徑是設(shè)計人員尤為關(guān)注的工藝參數(shù)。由于遙感器轉(zhuǎn)接線纜規(guī)模大，長短不一，導(dǎo)線組成數(shù)量不統(tǒng)一，線纜的最小轉(zhuǎn)彎半徑等工藝要求與線纜直徑參數(shù)直接相關(guān)，因此，了解線纜直徑精確的工藝參數(shù)是線纜設(shè)計乃至產(chǎn)品設(shè)計都有著重要的意義[6]。

由于線束是由多根單線合成的，線纜的直徑受到綁扎等因素的影響會有微小變化，根據(jù)《電線電纜手冊》[7]第七章電線電纜的結(jié)構(gòu)計算，有如下公式，可以計算出多根導(dǎo)線的外徑。

(1)

式中：Z為線纜根數(shù)，d為單根導(dǎo)線直徑。

表2列舉了幾種常用線型的單根導(dǎo)線外徑，10根、20根導(dǎo)線組成的線纜的理論計算和實際測量直徑。

表2 導(dǎo)線綁扎后線纜直徑Table 2 Cable diameter after wire binding

3.4 線纜數(shù)字化設(shè)計的應(yīng)用

目前，我國以航天為代表的復(fù)雜產(chǎn)品制造企業(yè)在其產(chǎn)品開發(fā)中，大量依靠物理樣機(jī)和人的經(jīng)驗進(jìn)行總裝工藝規(guī)劃，結(jié)構(gòu)、線纜的布局設(shè)計和性能測試等工作，研制理念和輔助工具較為落后[8]。線纜數(shù)字化設(shè)計是實現(xiàn)線纜模塊化設(shè)計的技術(shù)保障，計算機(jī)輔助設(shè)計是總體結(jié)構(gòu)、電氣、熱控、裝配以及布線開展并行設(shè)計的一個平臺和切入點。

線纜數(shù)字化設(shè)計技術(shù)是根據(jù)線纜電氣連接關(guān)系圖和三維結(jié)構(gòu)模型，通過在產(chǎn)品三維模型上進(jìn)行線纜仿真設(shè)計與布線，可以提前對產(chǎn)品總裝、布線進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃和可行性分析，能夠較早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)裝配過程中可能出現(xiàn)的問題，預(yù)先規(guī)劃走線路徑，在路徑合理位置上設(shè)置機(jī)械固定點，減少實際生產(chǎn)中隨機(jī)使用膠液固定的數(shù)量，提高產(chǎn)品線纜固定質(zhì)量和外觀質(zhì)量，三維線纜模型可以更直觀的指導(dǎo)操作生產(chǎn)，減少工藝人員跟產(chǎn)時間，避免由于對二維工藝文字描述理解上差異帶來的操作實施與工藝設(shè)計不統(tǒng)一的情況，也節(jié)省了之前需要投產(chǎn)物理樣機(jī)，依賴人員經(jīng)驗和反復(fù)試制、修改所耗費的人力物力。實現(xiàn)了產(chǎn)品線纜布線的最優(yōu)化工藝設(shè)計，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性[9]。

3.5 實踐效果驗證

某型號遙感器設(shè)計論證階段，產(chǎn)品共包含熱控導(dǎo)線1200根，電控導(dǎo)線2000余根，且主體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測試狀態(tài)與正式狀態(tài)變化大，不同的測試狀態(tài)需要產(chǎn)品轉(zhuǎn)換裝配狀態(tài)。面對上述情況與問題，型號隊伍分析，如照搬既往的型號研制經(jīng)驗與模式，一次遙感器總裝布線或測試狀態(tài)轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)，就需要大量的導(dǎo)線焊接、剪斷、再焊接等工作，所需工作周期不少于15天，對于緊張的研制周期是無法接受的。后續(xù)通過對于線纜模塊化設(shè)計的詳細(xì)設(shè)計與運用，減少總裝過程中熱控插座焊接工作約90%，通過轉(zhuǎn)接電纜、轉(zhuǎn)接電連接器的應(yīng)用，在后續(xù)測試狀態(tài)轉(zhuǎn)換、排故等環(huán)節(jié)，徹底消除傳統(tǒng)模式產(chǎn)品拆分所帶來的剪線、焊線等工作，縮短總裝布線周期10余天，減少電裝布線工作近75%以上，保證了型號的研制進(jìn)度。

4 結(jié)束語

本文通過對遙感器總裝布線過程現(xiàn)存問題進(jìn)行分析，提出了面向產(chǎn)品裝配的遙感器主體線纜模塊化設(shè)計方法，采用轉(zhuǎn)接電纜布線的設(shè)計方案，并歸納了轉(zhuǎn)接電纜的設(shè)計工藝性要求、工藝參數(shù)和實施途徑，成功在某型號遙感器上設(shè)計應(yīng)用，顯著縮短了總裝時間，提升了產(chǎn)品的可裝配性和可維修性。面向裝配的總裝和線纜設(shè)計具有以下優(yōu)勢：①降低產(chǎn)品設(shè)計難度，運用模塊化設(shè)計方法，可以對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品在設(shè)計階段進(jìn)行科學(xué)、合理的分割，化繁為簡，使各部分間的關(guān)系更加簡單、明朗，從而達(dá)到簡化設(shè)計、減少出錯概率、縮短產(chǎn)品的研發(fā)時間；②提升產(chǎn)品“設(shè)計四性”(可制造性、可裝配性、可測試性和可維修性)，通過面向裝配的航天遙感器結(jié)構(gòu)、線纜模塊化設(shè)計，在設(shè)計階段做到了對復(fù)雜產(chǎn)品的組件裝配、裝調(diào)測試、總裝集成和返修維護(hù)等多方面提前考慮，使得產(chǎn)品“設(shè)計四性”顯著提升；③優(yōu)化產(chǎn)品研制流程，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的規(guī)范化，組合式的構(gòu)成模式可以改變產(chǎn)品以往的僵硬，使產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)等方式變得靈活適應(yīng)。通過將總裝過程中的布線、裝配等工作分解到模塊生產(chǎn)裝配過程中，從而實現(xiàn)總裝工藝流程的精簡與優(yōu)化。通過減少總裝過程中的工藝接口，達(dá)到減少部門間、工種間的穿插工作，實現(xiàn)產(chǎn)品研制流程的優(yōu)化；④提高產(chǎn)品總體效益，通過縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、提高生產(chǎn)效率，改善產(chǎn)品的設(shè)計水平、產(chǎn)品質(zhì)量和項目管理水平，以取得更好的總體經(jīng)濟(jì)效益。