三维设计软件在卫星电缆网协同设计中的应用

王 欢 陈茂胜 戴 路 孔林

三维设计软件在卫星电缆网协同设计中的应用

王 欢 陈茂胜 戴 路 孔林

（长光卫星技术有限公司，长春 130000）

针对当前商业卫星研发中存在的周期、成本和装配等几个主要问题，提出了一种电缆网三维建模方法，此方法将电缆网的研发和卫星装配有效结合起来。结果表明：此方法的应用缩短了卫星研制周期，提高了卫星线束长度精度、装配效率以及卫星电缆网的质量估算精度等。实现了商业卫星电缆网的三维快速协同设计。

三维布线；质心精度；协同设计；商业卫星

1 引言

卫星电缆网的设计是电器专业人员、结构专业人员和电装实施人员协同设计的过程。传统的卫星电缆接线关系设计由电器专业人员设计完成，电缆长度的测量和电缆网的装配则由电装实施人员完成，结构专业人员辅助电缆网的装配等工作。传统电缆长度的测量和电缆网的装配一般采用三维模型与二维布局结合的方式，或者通过实物模型对电缆进行装配验证和长度测量。然而上述两种方法需要电装实施人员具有较丰富的电缆装配和线束实施经验。传统的卫星电缆网设计过程效率低下，而且难以发现电缆网设计初期存在的问题，同时会有以下几个弊端：电缆质量估算误差大、电缆长度冗余、装配散乱、装配干涉、装配周期长等问题。

结合当前商业卫星电缆网研制的特点，卫星电缆网的设计不可避免地要经过几个版本的更新。一定程度上影响了卫星电缆网设计的有序进行，拖慢了研制周期。卫星电缆网的研制工作已经成为了商业卫星研制周期的短板之一。

为了缩短电缆网的研制周期，并减少其对卫星生产周期的影响,采用基于三维软件的电缆网设计方案，不以最终的电器系统接线关系表作为系统输入，就可以开展卫星电缆网的前期装配工作，通过与结构专业人员的协同设计确保在电缆网设计的初始阶段得到最优的分支走向。本文重点阐述了基于三维设计软件的卫星电缆三维协同设计的原理及实现方法。

2 卫星电缆三维协同设计方法研究

2.1 软件介绍

文中使用的软件是一款三维机械设计软件，该软件以其优异的性能和易用性得到了广泛的应用，本文主要运用他的布线功能插件实现卫星电缆网的协同设计工作。

2.2 商业卫星电缆网三维设计协同原理

图1 卫星电缆网协同设计工作原理流程图

卫星电缆的协同设计，指卫星研发阶段在卫星三维模型上对电缆进行模拟布局和装配，满足电器性能、结构力学要求，达到最优的装配路径和装配顺序。通常由卫星总体电路人员提供电器系统接线关系表，卫星结构人员提供卫星三维模型，电装实施人员结合电器系统接线关系表和卫星的三维模型对星上电缆进行初步装配，将装配完成后的电缆三维模型分别提供给电器专业人员、结构专业人员和热设计人员确认及反馈，完成后续电缆网的详细设计工作。卫星电缆网三维协同设计工作主要流程如图1所示。卫星采用三维电缆协同设计具有以下几方面优点：

a. 能够对复杂电缆和刚性电缆的设计进行装配验证，复杂电缆线束具有多种信号，且连接关系复杂，直径较粗且线束呈现刚性的趋势，在狭小的空间内布线存在一定的难度。利用电缆三维建模可以定义装配顺序和打散位置，从设计初始阶段就可以有效解决狭小空间内电缆装配问题。

b. 有效解决了电缆装配路径与卫星结构干涉电缆铺设凌乱和装配顺序的问题，此方法的应用减少了电缆网质量和长度冗余，提高了电缆装配效率。传统卫星电缆网的装配集中在卫星总装阶段，在此阶段可能会发现线束直径与光路干涉、单机视场干涉、安装位置干涉、活动件干涉等问题。为了解决以上不可预见的问题，采用电缆网的三维建模可以对电缆、线束直径赋值，模拟电缆与星上设备的干涉情况，电缆直径计算公式[5]如下。

式中：D为线束的直径，dmax为最单根导线最大直径，N为线束中导体的数量。通过三维建模仿真装配后完全可以规避星上线束的干涉情况。线束直径与天线视场的干涉情况如图2所示。

c. 可以多人并行同时进行电缆网三维设计，缩短了卫星电缆网的研制周期。

d. 简化了电缆网的设计步骤；电缆网三维建模可以将最终的电缆模型生成可加工的图纸，包括电缆的分支方向、T型分支和Y型分支、物料清单，以及长度参考点位置等信息。

e. 卫星电缆网的三维建模更利保密管理，实现无纸化办公。

2.3 卫星电缆三维协同设计步骤

图3 卫星电缆设计主要步骤示意图

卫星电缆网的研制是一个动态的过程，卫星总体电路设计人员和卫星结构设计人员，分别将卫星总体电路接线关系表和卫星装配后的三维模型输入给电装电缆网装配实施人员。随着卫星总体电路不断的更新，电器系统接线关系表最终完成于卫星研制的中后期。为了适应卫星电缆网这一动态的研制过程，通过电缆网的三维建模，电缆网装配实施人员可以在卫星研制的初期对卫星实施电缆网装配验证，而不需要最终的电器系统接线关系，减少了卫星研制中后期电缆网研制的任务压力。卫星电缆设计主要步骤如图3所示。

2.3.1 布线准备工作

主要包括卫星接插件建模、导线和线束建模。接插件的三维建模主要包括电器属性和物理属性两方面。接插件物理属性建模主要包括配合和材质密度。接插件配合属性的建模可以实现接插件头孔的自动吸合功能，简化接插件模型摆放流程。材质建模主要用于电缆质量评估和卫星质心辅助确定。接插件电器属性设置主要是确定布线过程中的电缆接入点。图4为某型号接插件的物理属性和电器属性建模示意图。对于大型的卫星装配体可采取轻量化配置，提高电脑运行的流畅度，提高布线效率。导线、线束建模主要完成标准电缆和线束的电器属性配置，包括截面积、弯折半径、线缆型号等设置，方便布线调用和后期的图纸展开工作。电缆电器属性模型建库示意表如表1所示。

图4 接插件的结构属性和电器属性建模示意图

表1 电缆电器属性建模示意表

2.3.2 路径规划

路径规划主要完成电缆的预装配验证工作，通过电缆的预装配可以确定电缆网走线路径、弯折半径、分支位置、电缆固定位置、装配路径上的结构板开孔位置和尺寸等信息，以避开结构敏感位置的电缆装配。图5为某卫星布线网络路径规划示意图。

图5 线网络路径规划示意图

2.3.3 三维布线调整

三维布线调整主要对规划完成的电缆网络进行相关干涉和装配顺序的调整，通过结构设计人员、整星装配人员和热设计人员对走线干涉位置提出调整意见，提高布线空间的利用率，为星上热控实施和其它操作留出空间。

2.3.4 图纸生成

图6 电缆展开加工图纸

为了避免电缆的分支方向与三维空间中的布线路径不符。需要在图纸中标注分支角度以及方向等信息，展开后的电缆加工图纸如图6所示，其中④⑤为线束加工所需导线物料信息，数字1至3为线束加工所需要的连接器型号信息。

2.4 应用实例

该方法已在某型号卫星的电缆网研制工作中成功应用，主要工作流程如图7所示。首先由卫星结构设计人员提供卫星装配模型，结合电气接口位置或电缆接线关系对卫星电缆网进行初步装配，电缆布线需要注意星上特殊位置对电缆网的设计约束，经过优化后确定电缆弯折半径以及电缆的分支位置。图8所示为某卫星电缆网的布局示意图。

图7 某卫星电缆网设计流程

图8 卫星电缆网布局示意图

3 结束语

电缆网的研制工作需要多部门共同参与设计，随着卫星的集成度增加以及卫星设计更趋于模块化，卫星电缆的装配面临诸多挑战，通过对卫星电缆网的三维设计，可以对电缆进行可装配性验证。本方法结合线束直径计算公式为局促空间内以及模块化卫星电缆网的装配提供了仿真方法。结果表明，该方法解决了卫星电缆网面临的装配凌乱、电缆网冗余和装配干涉等问题，提高了卫星电缆网的研制效率。本方法对商业卫星电缆网的设计与装配具有参考与借鉴意义。

1 陈超祥，胡其登. solidworks管道与布线教程[M]. 杭州：杭州新迪数字工程系统有限公司，2014

2 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，2016，32(6)：27～29

3 范凯，黄业平，刘政. 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 王丹，徐海龙. 浅谈Pro/E与Solidworks软件在三维布线设计中的应用[J]. 应用技术，2014，247(8)：94～95，97

5 吕明，丁扬，刘洪洋. 民用飞机线束直径的计算方法和比较分析[J]. 航天与航空，2017，1(2)：28～29

6 NASA-STD-8939. 4A Crimping, interconnecting, cable, harness and wiring[S]. Washington D.C.: NASA, 2016

Application of 3D Design Software in Cooperative Design of Satellite Cable Network

Wang Huan Cheng Mao sheng Dai Lu Kong Lin

(Chang Guang Satellite Technology Co., Ltd., Changchun 130000)

In response to several major issues such as cycle, cost and assembly in the current commercial satellite research and development, the article proposes a 3D modeling method for cable network, which combines the development of cable network with satellite assembly.The results show that the application of this method shortens the satellite development cycle, improves the accuracy of the satellite harness length, the assembly efficiency, and the quality estimation accuracy of the satellite cable network.Realize the three-dimensional rapid collaborative design of commercial satellite cable network.

three-dimension laying；centroid accuracy；collaborative design；commercial satellite

王欢（1989），工程师，电子信息科学与技术专业；研究方向：电子学装联工艺。

2020-09-22