基于Pro/E軟件的衛星三維布局與電纜的協同設計

范 凱，黃業平，劉 政，張國強

（上海衛星工程研究所，上海 200240）

0 引言

傳統衛星電纜網設計一般先根據單機接口數據表編制整星電纜接點表，再依照衛星二維布局圖紙與整星電纜接點表確定電纜的分支、走向，因此電纜分支長度、走向無法做到精準化、最優化，尤其是設計時通常對電纜長度在二維布局圖紙測量基礎上預留一定余量，增加了電纜的長度和重量，造成了資源的浪費。Pro/E 軟件的Cabling 電氣布線設計模塊[1-3]雖具備一定的三維布線設計功能，但設計過程復雜、操作不便，工作量也較大，未能體現出衛星三維布局與電纜設計的協同化。

針對上述問題，作者基于Pro/E 軟件，二次開發出“衛星三維布局與布線專家設計系統”。本文具體介紹該設計系統的軟件架構、系統建模、三維布局以及三維電纜設計等內容。

1 軟件架構

基于Pro/E 軟件二次開發的“衛星三維布局與布線專家設計系統”主要包含URM2.0、布局平臺、布線平臺3 部分以及6 個功能模塊，其中基礎信息管理、單機設備快速建模、總體構型與布局、快速布線是4 個主模塊，設備總裝圖、電纜工程圖及報表是衛星三維布局和電纜設計輸出模塊，用于指導衛星總裝及電纜的加工制造，具體如圖1所示。

基礎信息管理模塊智能管理衛星設計過程中的數據信息，以標準界面、定制界面提供統一的管理平臺，通過優化調整實現產品的基線轉換、同步創建、多層次權限分配等功能。

圖1 衛星三維布局與布線專家設計系統組成 Fig.1 Structure of the satellite tridimensional layout and cable expert design system

單機設備快速建模模塊可提供規范設備和異形設備的視場、精測軸、主托架、擴展托架等工具，實現規范設備輕量化模型創建和異形設備輕量化模型管理，以及接插件和支架模型創建。規范設備輕量化模型通過讀取URM2.0 定義的設備信息自動生成；異形設備輕量化模型在Pro/E 中建模、定義裝配參考基準、設置電連接器，并上傳至URM2.0基礎信息管理模塊。

總體構型與布局模塊采用自頂向下設計模式，可提供群組調整、元件格式刷等多種布局工具，實現設備儀器快速布局，以及輕量化模型與詳細模型的快速切換。該模塊采用坐標系對齊方式對設備進行布局，可對設備進行單次和連續點選布局，并對布局元件進行動態拖拽與安裝面切換操作，實現對布局元件的精確方位調整。

快速布線模塊以單機設備的電纜連接節點數據源為基礎，以總體構型與布局模塊為輔助，在Pro/E中實現模型的設置、布局和布線參考收集，完成網絡路徑的布置以及電纜路徑的創建與調整，并生成三維電纜束模型，輸出電纜工程圖及電纜接點報表。

2 三維布局與電纜協同設計流程

“衛星三維布局與布線專家設計系統”提供統一設計平臺，建立整星骨架模型、輕量化模型和編制標準接點表并統一管理，完成單機設備的三維布局和三維電纜的協同設計，生成單機設備總裝圖、電纜工程圖及報表，具體流程如圖2所示。

圖2 衛星三維布局與電纜網的協同設計流程 Fig.2 The flowchart of the collaborative design of the satellite tridimensional layout and cable network

3 衛星骨架和輕量化單機模型

3.1 整星骨架體系及骨架模型

衛星骨架體系采用Top-down 設計思想，自頂向下分為多級骨架。骨架模型作為Pro/E 的特殊零件模型，包括衛星構型、定位信息、裝配的參考基準、關鍵件的形狀和尺寸等基本設計信息，用于繼承上級裝配的設計信息，提供下級裝配或關鍵件所需的共享設計數據和參考數據，完成設計條件、設計意圖的分發和傳遞。

以某型號衛星為例，依據Top-down 設計思想及衛星構型和產品特點，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，包含三級骨架，分別為整星一級骨架、艙段二級骨架、單板三級骨架[4]。

1）一級骨架

一級骨架是整星級骨架，包含了整星機械坐標系、衛星各艙段信息，一般由點、線、面組成，是衛星二級骨架設計的依據。

2）二級骨架

二級骨架是在一級骨架基礎上，通過 “發布幾何”、“復制幾何”等命令完成。二級骨架是艙段級的骨架，包含了衛星某一艙段的構型信息，一般也是由點、線、面組成，是衛星三級骨架設計的依據。

3）三級骨架

三級骨架是在二級骨架基礎上，通過“發布幾何”、“復制幾何”等命令完成。三級骨架是單板級的骨架，包含了衛星某一結構板的構型信息，是衛星骨架系統的基本組成單元，可由點、線、面組成，也可由實體組成。

圖3是某衛星的三級骨架示意圖。

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

3.2 輕量化單機模型

輕量化單機模型指用于總體布局、電纜網設計和效果展示，并經過壓縮處理的三維數字樣機。輕 量化單機模型的安裝尺寸、接插件信息、質量特性應與真實產品一致，外形尺寸與真實產品基本一致，其他狀態不作要求。三維輕量化模型分為規范設備、異形設備的建模，兩型設備均需要在URM 數據庫中進行分類和注冊，并錄入相關信息；對不能進行輕量化建模的異形設備，須在URM 數據庫中注明。某衛星的URM 數據庫管理界面如圖4所示。

圖4 URM 數據庫設備管理界面 Fig.4 The equipment management interface of URM database

規范設備是標準長方體形狀的設備，需錄入的信息包括外形輪廓信息、質量屬性信息，耳片結構、安裝孔位置、安裝孔徑、筋等機械布局接口信息，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、安裝位置等相關信息通過URM2.0定義，全部信息錄入后，通過關聯可在Pro/E 中自動建模。為提高電纜建模走向、長度、拐彎半徑等參數設計的精準性，接插件通過坐標系對齊方式關聯在設備表面。

異形設備是指非長方體設備，該類設備模型不能通過自動建模而需要手工創建，并錄入耳片厚度、質量屬性信息等，電接口信息需在Pro/E 中手動設置。

以某型衛星為例，規范設備和異形設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系對齊方式關聯在設備上，用于三維電纜的設計。

圖5 規范設備的輕量化模型 Fig.5 Light weight model of standard equipment

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

3.3 電連接器模型庫建立

根據各產品設備的接口數據單、廠家的使用說明書，建立各型電連接器的三維模型，并錄入URM數據庫，采用坐標系對齊方式同設備關聯起來。設備常用的J14A-17 型和Y27A-14 型電連接器的三維模型如圖7所示。

4 快速構型與布局設計

總體構型與布局模塊可實現設備及元件的快速布局與調整，以及輕量化模型與詳細模型間的快速切換，分為以下步驟。

1）布局曲面設置

布局曲面設置對各級裝配模型進行曲面設置，鼠標點選安裝面相應位置時元件自動裝配。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定位，柱面和錐面以柱坐標定位。

2）元件設置

元件設置是指對元件模型的安裝坐標系及其輔助安裝坐標系進行設置，以實現鼠標點選安裝面相應位置時元件自動裝配。

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，列表框中顯示當前選中樹項的信息。點擊工具條欄中功能按鈕，可對模型進行裝配、拖拽、安裝面切換、旋轉和刪除等布局操作，實現對布局元件的安裝方向、間隙、角度和坐標的精確調整。

4）布局調整

當已保存群組中某一布局元件方位發生變更時，群組調整可實現相對位置固定的元件快速布局與構型同步調整。

以某型衛星為例，某艙板單機快速布局設計見圖8所示。

圖8 某艙板單機布局設計 Fig.8 Layout design of equipment on a satellite structural slab

5 三維布局與電纜的協同設計

三維布局與電纜的協同設計以Pro/E 軟件為底層平臺，以衛星骨架模型和設備輕量化模型為依托，以柔性相關、路徑驅動、自動布線為指導思想，通過快速布線設計模塊實現節點表和三維布局模型的有機結合，自動完成三維電纜的布線、走向及捆扎等設計[5]，實現衛星三維布局模型、三維電纜模型的協同設計、統一管理。

快速布線設計的輸入包括：電連接器、電子設備、電纜支架和電纜插頭等模型，總體構型與布局后的輕量化模型，目標布線單元以及節點數據源等；輸出包括設置后的電子元件模型以及快速布線后創建的電纜束模型。

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、元件進行布線預處理。作為布線基本單元，電纜單元裝配有電纜布線專用件、電子設備、分線器等。

參考收集主要對選中的布線單元、元件進行操作，實現收集、刪除、關聯、更新等功能。收集的所有信息都顯示在已創建的CREF 模型下，并以樹形式顯示在界面上。

2）網絡路徑

網絡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，包括創建、刪除、更新等。系統創建的所有網絡路徑都以List 列表的形式來表達，并以下拉框的形式進行布線單元分類。

3）節點數據源讀取

電纜創建之前需讀取Excel 數據文件，讀取的所有工作表都以下拉框的形式存在，其內容以List列表顯示。

4）電纜生成

快速布線根據讀取的Excel 數據，創建包含接點連接關系、電纜分支走向、材料明細表和電纜加工技術要求等信息的電纜加工圖，自動生成包含導線分支走向、規格、數量和長度等信息的電纜信息報表和明細匯總表。系統提供Txt 和Excel 兩種格式的線纜報表輸出工具，并可定制輸出報表信息，便于編寫各種報告文檔[5]。

5）布局與電纜的協同設計

將三維布局和電纜集成在同一模型上，實現布局與電纜的協同設計和管理。以某衛星為例，生成的衛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備布局的手動調整、電纜分支走向和長度的自動適應性更新、設備總裝圖和電纜工程圖的自動更新等。

圖9 某衛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

以某型衛星為例，生成的含某一束電纜的設備布局模型、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 結束語

按照“衛星三維布局與布線專家設計系統”軟件輸出的電纜報表信息進行了某衛星的電纜加工生產，所有電纜在衛星上進行了裝星應用，實際裝星結果表明各電纜分支、長度均符合要求，電纜長度余量較小，電纜接點正確。該衛星應用三維電纜設計后，整星低頻電纜重量由原來的96 kg 減輕至68 kg，衛星電纜冗余長度亦縮短約30%。

要說明的是，“衛星三維布局與布線專家設計系統”目前處于應用起步階段，該軟件在三維標注和顯示、電纜的拐彎半徑設置、電連接器的模型庫建設等方面需要進一步改進提高。

（References）

[1] 陸曉燕,陳波寧,季峰.基于Pro/ENGINEER Cabling的三維電纜布線設計（一）[J].CAD/CAM 與制造信息化,2010(5): 94-96

[2] 陸曉燕,陳波寧,季峰.基于Pro/ENGINEER Cabling的三維電纜布線設計（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 進行整機布線的應用研究[J].機械工程師,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 軟件的電纜三維設計及制造方法[J].航天制造技術,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