趙晉龍 李 樹 馬延成 陳 帥

大型載人航天器電纜網(wǎng)鋪設(shè)工藝優(yōu)化方法探究

趙晉龍1，2李 樹1，2馬延成1，2陳 帥1，2

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2. 北京市航天產(chǎn)品智能裝配技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100094）

以某大型載人航天器的電纜鋪設(shè)工作為背景，針對電纜數(shù)量龐大、分支繁多、布局復(fù)雜的情況，在現(xiàn)行的三維模型指導(dǎo)總裝的模式下，運用三維虛擬仿真技術(shù)和信息提取與模型二次開發(fā)的手段，提出了一種電纜網(wǎng)鋪設(shè)工藝優(yōu)化的思路和方法，用以降低復(fù)雜電纜網(wǎng)鋪設(shè)工作的難度，提高鋪設(shè)效率，可以為大型復(fù)雜航天器電纜鋪設(shè)工作提供借鑒。

載人航天器；電纜鋪設(shè)；工藝優(yōu)化

1 引言

載人航天器的電纜鋪設(shè)是載人航天器總裝過程中的一項重要工作，直接關(guān)系到航天器內(nèi)部的電氣設(shè)備能否正常運行，從而影響到航天器整體的各項性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計和使用要求。目前，隨著載人航天器在功能多樣性、安全舒適性等方面的不斷發(fā)展，器上相關(guān)電氣產(chǎn)品不斷增多，器上電纜網(wǎng)也隨之呈指數(shù)級增加，且越來越趨于分支多樣化、密集化和復(fù)雜化，這導(dǎo)致在鋪設(shè)空間十分有限的情況下，器上電纜網(wǎng)的鋪設(shè)實施難度大幅增加。

目前，載人航天器的電纜設(shè)計工作已經(jīng)逐步擺脫了傳統(tǒng)的二維圖紙模式，基本實現(xiàn)了器上電纜的三維協(xié)同設(shè)計。對于總裝工藝人員與操作人員而言，盡管采用三維模型方式表達(dá)電纜網(wǎng)鋪設(shè)及安裝，表達(dá)更加直觀[1]，但隨著器上電纜鋪設(shè)量不斷加大，分支復(fù)雜的電纜數(shù)量不斷增多，再加上三維模型所展示的電纜信息與操作人員的操作習(xí)慣的匹配性存在差異，導(dǎo)致操作人員在參照三維模型實施電纜鋪設(shè)操作時存在效率低下、鋪設(shè)效果不理想、電纜安裝可達(dá)性不高等問題。

本文基于以上實際情況并參考相關(guān)文獻(xiàn)[1～4]，以某大型載人航天器的電纜鋪設(shè)工作為背景，從電纜三維布局模型對操作工人的指導(dǎo)性出發(fā)，提出了一種大型載人航天器電纜網(wǎng)鋪設(shè)工藝優(yōu)化的思路和方法。

2 大型載人航天器電纜鋪設(shè)工藝優(yōu)化思路及應(yīng)用體系

對于某大型載人航天器而言，器上電纜數(shù)量多達(dá)成百上千根，其中還包括一部分分支復(fù)雜的電纜，單根電纜包含不少于80個分支，鋪設(shè)路徑貫穿整器。另外，電纜在器內(nèi)鋪設(shè)的位置還布局有設(shè)備、管路和通風(fēng)管。因此，在對器上電纜鋪設(shè)進(jìn)行前期工藝準(zhǔn)備時，需要綜合考慮每根電纜的鋪設(shè)順序，電纜與艙內(nèi)相關(guān)設(shè)備、管路以及通風(fēng)系統(tǒng)空間位置布局的相互關(guān)系，還需要考慮電纜各個分支自由端插頭與設(shè)備相關(guān)插座連接的可達(dá)性等問題。

此外，在電纜鋪設(shè)工藝準(zhǔn)備過程中，還應(yīng)考慮到現(xiàn)場操作人員的操作習(xí)慣和操作需求，充分利用設(shè)計提供的電纜三維布局模型進(jìn)行二次開發(fā)，最終形成指導(dǎo)性強的三維可視化工藝。

圖1 載人航天器電纜鋪設(shè)工藝優(yōu)化應(yīng)用體系

載人航天器電纜鋪設(shè)工藝優(yōu)化應(yīng)用體系如圖1所示。該體系以設(shè)計提供的電纜三維布局模型和設(shè)計文件為輸入，一方面通過對電纜模型進(jìn)行整體分析和篩選，確定電纜的鋪設(shè)順序，并對篩選出的復(fù)雜電纜進(jìn)行三維可視化仿真分析，預(yù)先識別出復(fù)雜電纜鋪設(shè)過程中的關(guān)鍵點、操作難點和風(fēng)險點，在優(yōu)化總裝工藝的同時向設(shè)計人員提出反饋意見及改進(jìn)措施；另一方面根據(jù)現(xiàn)場操作人員的實際需求，通過模型輕量化、模型信息提取與模型二維展開等手段，形成指導(dǎo)性、可視性強的三維工藝輔助模型，可以有效幫助操作人員正確理解三維模型中各電纜的布局位置關(guān)系，在減小錯裝風(fēng)險的同時可大大提高鋪設(shè)效率。

3 電纜鋪設(shè)順序梳理與復(fù)雜電纜篩選

載人航天器器上電纜數(shù)量繁多且布局復(fù)雜，因此在工藝準(zhǔn)備階段需要參照三維模型，并結(jié)合模型說明文件，按照電纜在器上的布局特點進(jìn)行初步的梳理和篩選，否則很可能會導(dǎo)致鋪設(shè)工作毫無頭緒，嚴(yán)重影響鋪設(shè)效率。

3.1 電纜鋪設(shè)順序梳理

根據(jù)航天器結(jié)構(gòu)特征及電纜布局特點，以電纜三維模型及模型說明文件為參考，按照航天器的每個象限和每個區(qū)域所布局電纜的設(shè)計走向，對器上電纜的鋪設(shè)先后進(jìn)行初步排序，排序原則可按照航天器艙體處于不同停放位置進(jìn)行各區(qū)域梳理，同時可以結(jié)合操作人員的鋪設(shè)習(xí)慣，按照電纜分支“先簡后繁”的原則進(jìn)行，最終的梳理結(jié)果可形成航天器上電纜鋪設(shè)順序圖表。

表1所示為某大型載人航天器器上電纜鋪設(shè)順序表樣例，表中列出了航天器處于不同停放狀態(tài)下可以實施鋪設(shè)的電纜代號。對于跨區(qū)域布局的復(fù)雜電纜，因電纜鋪設(shè)路徑分布較廣，需要在多種艙體停放狀態(tài)下才可完成全部鋪設(shè)工作。針對此類電纜，可以在表中將該電纜代號均列入所需艙體停放狀態(tài)列中，通過在代號后加后綴（如1、2、3…）的方式來進(jìn)行順序區(qū)分（如表1中的“代號016”）。

表1 某大型載人航天器器上電纜鋪設(shè)順序表（樣例）

將航天器器上電纜鋪設(shè)順序進(jìn)行前期梳理，可以根據(jù)航天器不同的停放狀態(tài)下合理安排電纜的鋪設(shè)工作，并與航天器的其它總裝工作有機結(jié)合，可以有效提高航天器整體總裝效率。

3.2 復(fù)雜電纜篩選

參照電纜三維模型及模型說明文件，以電纜分支多、鋪設(shè)區(qū)域廣、鋪設(shè)路徑復(fù)雜為原則，將器上電纜中的復(fù)雜電纜篩選出來，形成復(fù)雜電纜清單，為后續(xù)對其進(jìn)行單獨的仿真分析做準(zhǔn)備。

器上復(fù)雜電纜在實施鋪設(shè)時，因分支繁多、鋪設(shè)路徑復(fù)雜，所以需要通過仿真分析對鋪設(shè)過程中電纜穿艙方式、穿艙位置、分支固定點等要素進(jìn)行提前規(guī)劃，同時預(yù)先對復(fù)雜電纜鋪設(shè)過程中的關(guān)鍵點、操作難點和風(fēng)險點進(jìn)行預(yù)先識別并反饋設(shè)計人員，實現(xiàn)設(shè)計與工藝的協(xié)同化。

4 復(fù)雜電纜鋪設(shè)過程仿真分析

器上復(fù)雜電纜篩選完成后，通過三維仿真的方式對其逐個進(jìn)行鋪設(shè)仿真與分析。復(fù)雜電纜在鋪設(shè)時，可先按照電纜分支特點對其進(jìn)行簡化，確定主分支，然后將電纜次要分支綁扎在主分支上，電纜入艙后，先固定主分支，然后解綁次要分支，逐段逐級固定。按照此鋪設(shè)思路，可以確定電纜三維仿真的基本步驟，如圖2所示。

圖2 復(fù)雜電纜鋪設(shè)過程仿真步驟

4.1 確立一級分支點

復(fù)雜電纜分支繁多，故首先應(yīng)對復(fù)雜電纜的分支關(guān)系進(jìn)行簡化。將電纜的關(guān)鍵固定點定義為一級分支點（或主分支點），并通過對電纜走向的分析，確立一級分支點的固定順序（可標(biāo)記為A、B、C…），如圖3所示。

圖3 復(fù)雜電纜一級分支點標(biāo)識示意圖

在確定一級分支點時，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇主路線束（線束較粗）上的分支點，其次應(yīng)選擇線束分支較集中、可決定電纜鋪設(shè)路徑的關(guān)鍵分支點，此項工作需根據(jù)不同電纜各自的布局特點，以“根據(jù)一級分支點的固定位置基本確定電纜在艙體上的大致走向和布局”的原則進(jìn)行確認(rèn)。

4.2 確定電纜主分支入器位置

根據(jù)航天器結(jié)構(gòu)特點與電纜布局位置，確定電纜主分支從器外到器內(nèi)的穿入位置，并分析穿入?yún)^(qū)域是否可行、空間是否足夠大等。

4.3 電纜鋪設(shè)過程仿真

電纜入器后，可使用仿真軟件（如Delmia、APDTools等）按照先固定一級分支點，后固定次級分支點的順序進(jìn)行電纜鋪設(shè)全過程仿真。仿真期間需要重點分析以下幾點：

a. 電纜布局穿孔位置需穿過多少個插頭、多粗的線束，穿孔操作是否可行；

b. 電纜的每個分支固定位置的可達(dá)性是否滿足；

c. 對電纜插頭的插接進(jìn)行單獨分析，設(shè)置假人（手），確認(rèn)插拔空間是否足夠大，是否存在盲插現(xiàn)象等。

圖4所示為某大型載人航天器復(fù)雜電纜鋪設(shè)在仿真動畫中對以上問題的分析。

圖4 復(fù)雜電纜鋪設(shè)仿真分析示意（動畫截圖）

4.4 仿真過程與分析結(jié)果輸出

對復(fù)雜電纜鋪設(shè)的仿真過程制作相關(guān)的仿真視頻，并對仿真分析結(jié)果編寫相關(guān)仿真技術(shù)分析報告。

仿真視頻可以作為工藝文件的一部分，用來指導(dǎo)操作人員進(jìn)行復(fù)雜電纜的鋪設(shè)操作。仿真技術(shù)分析報告對復(fù)雜電纜鋪設(shè)過程中關(guān)于人機可達(dá)性、自由端固定點及預(yù)留量分析、艙體位置工況分析、分析結(jié)論與合理化建議等內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)闡述。

分析結(jié)果由總裝工藝人員向設(shè)計人員反饋，可以作為設(shè)計人員在進(jìn)行設(shè)計更改和完善的參考。

5 電纜模型信息提取與二次開發(fā)

目前，指導(dǎo)總裝人員實施航天器總裝操作的三維可視化模型通常是通過設(shè)計人員提供的原模型輕量化而成的。輕量化的三維模型去除了原模型中大量的建模數(shù)據(jù)信息，因此在使用過程中具有文件容量小、操作簡便流暢等優(yōu)點。但需要注意的是，在對原模型進(jìn)行輕量化的過程中，如果一并去掉了總裝過程中需要的信息，則輕量化后的三維模型就會失去對操作人員的指導(dǎo)性。

在現(xiàn)場實施航天器總裝的操作人員在對器上電纜進(jìn)行鋪設(shè)時，首先需要了解該電纜的分支關(guān)系、分支長度以及各分支電連接器代號等信息，然后再通過各分支代號的布局走向、固定點位置和分支自由端長度等信息確定整根電纜各個分支在艙體內(nèi)的布局位置。

通常情況下，一根電纜在鋪設(shè)操作中所需的必要信息應(yīng)包含以下幾個方面：

a. 電纜代號：這是電纜最基本的信息，用來區(qū)分不同的電纜；

b. 電纜所有連接器的代號：這里所說的“代號”是指設(shè)計人員賦予電連接器的代號（如：X1、X2等），一般以標(biāo)簽的形式粘貼在電連接器上或電連接器所在的電纜分支上；

c. 電纜各分支關(guān)系及布局位置：這是電纜鋪設(shè)最基本的輸入信息，用來指導(dǎo)操作人員將電纜按照設(shè)計要求鋪設(shè)到位；

d. 電纜各分支自由端長度及固定點位置：因電纜鋪設(shè)工作一般安排在器上設(shè)備安裝之前進(jìn)行，所以在固定電纜各分支末端時需要預(yù)留合適的自由端余量，以保證后續(xù)電纜插接操作過程順利進(jìn)行。

除包含以上信息之外，輕量化模型在使用過程中應(yīng)當(dāng)具有操作簡單、快捷、流暢的特點，便于操作人員實時查看。

以某大型載人航天器為例，前期在進(jìn)行電纜鋪設(shè)時，因輕量化后的電纜布局.JT格式模型不具備顯示電纜分支長度和電連接器代號的功能，操作人員無法通過.JT格式模型查詢到需要的信息，只能依靠設(shè)計人員提供的原Pro/E模型進(jìn)行查找，但Pro/E模型容量很大，操作過程復(fù)雜，無論在模型視圖顯示方面還是在電纜信息查詢方面都十分不便，嚴(yán)重影響電纜的鋪設(shè)效率。因此可通過對Pro/E軟件進(jìn)行二次開發(fā)，增加相關(guān)功能，對電纜模型進(jìn)行前期處理后再進(jìn)行輕量化。

二次開發(fā)后的Pro/E軟件具備了電纜信息提取功能（如圖5），可以通過模型樹分組、更改模型名稱、增加電纜固定點標(biāo)識以及相關(guān)圖表及示意圖導(dǎo)出等方式，實現(xiàn)對電纜模型在輕量化之前的完善處理，有效避免電纜模型在輕量化過程中有效信息丟失的問題。

圖5 Pro/E軟件新增功能界面

通過使用信息提取工具，將Pro/E電纜模型中包含的電連接器代號、電纜分支長度及自由端固定位置等信息進(jìn)行有效提取后，進(jìn)行模型的再生，電纜自由端長度信息則通過Excel圖表的方式輸出，便于查找，如圖6所示。

圖6 電纜模型優(yōu)化前后對比圖

由圖6可以看出，電纜Pro/E模型在優(yōu)化前，模型結(jié)構(gòu)樹中的電纜分支和電連接器未做分組處理，且所有電連接器僅以連接器型號（如J36A、J599等）命名，無插頭代號（如X1、X2等）信息，看起來雜亂無章，指導(dǎo)性較差；而優(yōu)化后的模型結(jié)構(gòu)樹按照電纜分支關(guān)系，對每根電纜及其電連接器進(jìn)行單獨分組，并對每個電連接器使用對應(yīng)的插頭代號單獨分組，電纜的分支關(guān)系一目了然。此外，優(yōu)化后的電纜模型還根據(jù)每個分支自由端的固定位置信息在相應(yīng)位置添加了卡箍組件，同時通過導(dǎo)出的Excel表格可以進(jìn)一步查閱電纜每個分支自由端的預(yù)留長度，從而大大提高了三維模型的可視性和對鋪設(shè)操作的指導(dǎo)性。

使用輕量化軟件（如APDTools等）對再生后的模型輕量化，形成便于查看及操作的輕量化格式文件。

因Pro/E再生后的模型已經(jīng)包含了前期提取到的信息，故在輕量化模型中，同樣可以實現(xiàn)電纜在鋪設(shè)操作中所需信息在模型中的靈活查看。

通過使用信息提取工具，對電纜的三維模型進(jìn)行二維展開，并輸出二維展開圖（圖7所示），便于操作人員快速理清復(fù)雜電纜的分支關(guān)系。

優(yōu)化后的電纜布局輕量化三維模型，在操作輕便快捷的前提下，可以有效解決模型信息與操作人員的操作需求和習(xí)慣不匹配的問題，從而降低電纜鋪設(shè)的耗時量，提高鋪設(shè)效率。

圖7 三維電纜二維展開示意圖

6 三維可視化工藝方案

通過以上方法優(yōu)化改進(jìn)后的三維可視化工藝可實現(xiàn)以下功能：

a. 按照工步號排列了在航天器不同停放狀態(tài)下可鋪設(shè)的電纜清單以及安裝順序；

b. 在操作終端可以隨時查看電纜布局輕量化三維模型，模型既可以顯示所有電纜的布局，也可以對選中的某一根或某幾根電纜高亮顯示或唯一顯示，模型可以任意調(diào)取和靈活顯示電纜固定點位置、電連接器代號、電纜代號等信息，同時可通過調(diào)取圖表來查詢自由端預(yù)留長度；

c. 每根電纜均附有二維展開圖，在梳理電纜分支關(guān)系時可以實時查看；

d. 對于復(fù)雜電纜，除了具備以上功能外，還附有三維仿真視頻文件，可完整演示復(fù)雜電纜鋪設(shè)的全過程，并配有必要的文字說明；

e. 工藝文件的文檔部分對電纜的關(guān)鍵固定位置、自由端預(yù)留長度以及安裝風(fēng)險點等內(nèi)容的說明更加詳細(xì)。

優(yōu)化后的電纜鋪設(shè)三維可視化工藝完整清晰地體現(xiàn)了電纜鋪設(shè)操作中所需的必要信息，可以更好地與操作人員的操作習(xí)慣和操作需求相匹配，具有較強的指導(dǎo)性。

7 結(jié)束語

隨著我國載人航天事業(yè)的不斷發(fā)展，面對航天器上電纜數(shù)量越來越多、電纜布局要求越來越嚴(yán)格、電纜布局難度越來越大的問題，如何擺脫傳統(tǒng)的二維圖紙模式，有效運用三維模型實現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的電纜鋪設(shè)工作，最終形成一套適合總裝現(xiàn)場需求的工藝方法，需要工藝人員和操作人員進(jìn)行不斷地溝通和探索。

通過前期對電纜進(jìn)行梳理和篩選，同時運用三維虛擬仿真技術(shù)和信息提取與模型二次開發(fā)的方法，有助于獲得合理的、優(yōu)化的總裝工藝方案，可有效降低操作人員對模型以及工藝文件的理解難度，在避免發(fā)生質(zhì)量問題的同時提高了鋪設(shè)效率，可以為其它大型航天器的電纜鋪設(shè)工作提供借鑒。

1 蔡敏，王博哲，陳興峰，等. 基于Creo 的飛行器電纜三維協(xié)同設(shè)計研究[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2017，36(6)：27～29，35

2 孟光韋，王萌，顧浩卿，等. 彈上電纜網(wǎng)三維設(shè)計及虛擬裝配方法[J]. 電子測試，2016(3)：6，15～17

3 范凱，黃業(yè)平，劉政，等. 基于Pro/E 軟件的衛(wèi)星三維布局與電纜的協(xié)同設(shè)計[J]. 航天器環(huán)境工程，2015，32(4)：390～394

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Process Optimizing Method Exploration of Cable Laying for Large Manned Spacecraft

Zhao Jinlong1, 2Li Shu1, 2Ma Yancheng1, 2Chen Shuai1, 2

(1. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094; 2. Beijing Engineering Research Center of the Intelligent Assembly Technology and Equipment for Aerospace Product, Beijing 100094)

Aiming at the case of huge amount, numerous branches and complex layout of cables in cable laying work of a sort of large manned spacecraft, this paper presents a method for optimizing cable laying process under the current mode of 3D model guide assembly. In this method, the technology of 3D virtual simulation, information extraction and 3D model secondary development are used, in order to reduce the difficulty of complex cables laying and improve the efficiency of cable laying work, which can provide reference for the work of large and complex spacecraft cable laying.

manned spacecraft；cable laying；process optimization

趙晉龍（1988），工程師，機械工程專業(yè)；研究方向：航天器總裝工程技術(shù)。

2018-04-29