卫星低频电缆设计系统、设计软件架构和设计方法与流程

本发明涉及航天技术领域，尤其涉及一种卫星低频电缆设计系统、设计软件架构和设计方法。

背景技术：

随着电子科学技术的飞速发展，电气控制系统越来越多的取代了现有的机械控制系统，以满足航天产品小型化、轻量化、标准化，模块化、一体化的需求，这对卫星平台也提出了日益严格的要求。而电缆是现代电子产品中必不可少的部分，电缆的布线、布局、加工和电装也是航天产品制造过程中重要的环节之一，也是比较繁重的工作任务之一，其布局的合理性和安装的安全性、可靠性直接影响到产品的性能、研发成本和设计周期。

长期以来，电缆的合理布局与可靠安全性一直是航天产品研发中的薄弱环节，导致产品制造周期、成本和质量不可控，主要体现在以下几个方面：

(1)电缆的布局设计与结构设计不能同时进行，通常先进行结构件的设计，再进行电缆的试装，而结构设计过程中对电缆的考虑也是比较盲目，为电缆路径设计预埋的通孔、支架往往不能满足最终的布线需求。

(2)传统的电缆布局主要依靠设计师根据所选择的导线估算出线束分支直径，根据总体布局和个人经验，粗略算出线束走线路径及长度等，在布线工程中根据布线原则和卫星等比例模型实体布局来不断纠正不合理的布线，进而进一步修改各电缆长度，外部固定位置等细节，完善图纸，再利用二维的CAD软件甚至是手工绘制出正样电缆图，最终统计生成材料明细等。

对于复杂的小型化的产品而言，内部结构复杂紧凑，布线空间狭小且不规则，功能的多样性使得各设备之间走线变得日益复杂，而且单机结构和电磁环境对走线也提出了更严格的要求，依靠手工操作经验为主的工作方式，布局路径难以获取，而且耗时耗力其获得结果数据精度低。为了获取更优的方案保证产品质量，就必不可少的延长了产品的制造周期，增加了制造成本。

(3)缺少对电缆布局方案直观的、有效地规范和描述，很难对线缆布局进行总体规划。无论是对各星上单机接线还是在结构件上布线、绑扎以及电缆的安装，都缺乏对电缆路径直观有效规范的文件，传统的二维图纸对拓扑复杂的电缆布局和装配工艺描述能力有限，直接在实物上进行布局布线，这将导致质量不受控，可靠性存在潜在的问题。

国内外学者与工程师从20世纪80年代开始，开始利用CAD技术和虚拟现实技术对线缆束数字化设计和规划进行研究。目前很多商品化软件业如CATIA、Pro/E等在结构设计方面基本满足了需求，但在线缆设计等方面，Pro/E现有模块无法满足设计需求，以Pro/E的线缆设计模块为例，其在线缆数量不多(几根～几十根级别)的情况下，可以满足设计需要。

但是针对星载产品成百/千根以上的海量线缆，其存在布线设计工作效率低，线缆模型不能单独打开，无法实现线缆的设计修改、线缆出图以及报表不便等问题，处理机制也无法适应星载产品复杂的设计需求，而且设计过程很不人性化，工作量也并未减少不能对电缆进行直接的布线干涉检测，布线结束后不能输出相应的三维工艺信息，未体现出三维设计的优势。

所以需要一种低频电缆布线设计系统及设计方法，以实现电缆的一体化布局和设计，提高产品可靠性，且降低成本。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种卫星低频电缆设计系统、设计软件架构和设计方法，实现电缆的一体化布局和设计，提高产品可靠性，且降低成本。

为了解决上述问题，本发明提供了一种卫星低频电缆设计系统，包括：系统基础模块，用于读取计算机辅助设计模型、读取并解析电缆接口数据单，根据解析结果进行二维出图和三维布线操作；电缆及附件模块，用于对电缆及附件进行建模和数据管理；电缆布局自动解析模块，用于对电缆布局路径进行自动化拟合和优化，同时用于与用户交互，对电缆布局路径进行修正；电缆布局结果输出模块，用于输出电缆布局结果。

可选的，所述系统基础模块包括：计算机辅助设计模型解析模块和接口数据单解析模块；所述电缆布局自动解析模块包括：路径拟合和优化模块、人机交互调整模块和碰撞检测模块；所述电缆布局结果输出模块包括：电缆布局三维结果输出模块、电缆布局二维展开图输出模块、电缆及附件的材料报表输出模块。

本发明还提供一种卫星低频电缆设计软件架构，包括：接口系统模块，在电缆布线模型下，用于快速输入与识别电缆布线设计；模型识别定义和支架快速布置模块，用于对系统中需要布线的器件的布线基准特性进行定义和管理、自动创建装配坐标系，并将骨架坐标系与支架坐标进行对齐操作；柔性化设计模块，将勾勒出的产品的结构形状作为设计的参考，通过读取原始输入的总体模型中与电缆有关的几何数据，在布线参考骨架模型中同步创建对应参考几何；网络路径定义模块，用于对电缆布局路径规划进行空间约束；快速布线模块，用于创建电缆的加工图和人机交互的三维走线路径图。

可选的，所述电缆布线设计包括Excel文件设计和计算机辅助设计模型，其中，Excel文件包括多个页面，且第一个页面必须是线规页面，定义所需要的线规。

可选的，所述电缆布局路径由多段的曲线组成，根据电连接器、支架的基准特征来拟合出路径。

可选的，所述快速布线模块还用于形成布线数据源格式，存入指定数据库中。

本发明还提供一种卫星低频电缆设计方法，包括：建立电缆及附件的计算机辅助设计模型库；读取计算机辅助设计模型、读取并解析电缆接口数据单，根据解析结果进行二维出图和三维布线操作；对电缆布局路径进行自动化拟合和优化，同时与用户交互，对电缆布局路径进行修正；输出电缆布局结果。

可选的，还包括将解析好的电缆接口数据单中的电连接关系导出分支信息进行信息合并，同时对分支信息中的线规信息进行归纳提取，形成数据源格式。

可选的，二维出图的方法包括：根据从布线数据源中提取的分支信息，生成电缆分支图辅助模型，然后自动创建二维电缆加工图。

可选的，通过干涉检查，实时对电缆布局路径进行修正。

本发明的优点在于本发明提出了线束一体化的解决方案和建立了一个电缆的数字化模型。电缆设计模块中的复杂操作简单化和系统化，来实现整个电缆的一体化布局设计，从而缩短设计周期、减少人力物力、提高产品的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例的卫星低频电缆设计系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的卫星低频电缆设计软件架构示意图；

图3为本发明实施例的卫星低频电缆设计软件架构中柔性化设计模块的示意图；

图4为本发明实施例的布线数据源生成流程图；

图5为本发明实施例的形成二维电缆加工图的流程图；

图6为本发明实施例的三维路径规划流程图；

图7为本发明实施例的卫星低频电缆设计方法流程图；

图8为本发明实施例的线缆自动布局技术系统流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的卫星低频电缆设计系统、设计软件架构和设计方法的具体实施方式做详细说明。

请参考图1，为本发明实施例的卫星低频电缆设计系统的结构示意图。

所述卫星低频电缆设计系统包括：

系统基础模块1，用于读取产品星上单机、电连接器等的计算机辅助设计(CAD)模型、读取并解析电缆接口数据单，并根据解析结果进行二维出图和三维布线操作。作为本发明的一个实施例，所述系统基础模块1包括：CAD模型解析模块11和接口数据单解析模块12，分别用于读取和解析CAD模型、接口数据单。

电缆及附件模块2，用于对电缆和它的附件，例如电连接器、卡钩、支架等进行建模和数据管理，并对已建立的接插件模型进行线束定义。

电缆布局自动解析模块3，用于对电缆布局路径进行自动化拟合和优化，同时用于与用户交互，对电缆布局路径进行修正。所述电缆布局自动解析模块3包括：路径拟合和优化模块31、人机交互调整模块32和碰撞检测模块33。

电缆布局结果输出模块4，用于输出电缆布局结果，包括电缆路径设计的三维模型、二维接线电缆图，电缆材料及附件材料报表，供工艺人员完成电缆的制作和铺设等。

本发明的实施例，还提供一种卫星低频电缆设计软件架构。

请参考图2，为所述卫星低频电缆设计软件架构示意图。

所述卫星低频电缆设计软件在Pro/E软件基础上进行二次开发，将Pro/E软件中的复杂操作简单化和系统化。所述Pro/E软件为一款能够进行线缆设计的软件。

在所述Pro/E软件的基础上，所述卫星低频电缆设计软件架构包括：

接口系统模块5，在电缆布线模型下，用于快速输入与识别电缆布线设计。所述电缆布线设计包括Excel文件设计和计算机辅助设计模型，其中，数据文件用Excel文件定义，所述Excel文件包括多个页面，且第一个页面必须是线规页面，定义所需要的线规，包括线规名称、类型、直径、最小折弯半径和单位质量等，其他页面需要分页定义电缆的节点信息，包括线束名称、线缆分支名称、起点和终点。计算机辅助设计(CAD)模型满足Pro/E软件的要求即可。

模型识别定义模块61和支架快速布置模块62，用于对系统中需要布线的器件(例如设备、电连接器、卡勾和支架等)的布线基准特性进行定义和管理。在创建模型时将收集到的这些基准特征作为布线的参照基准，为后续的路径解算、电缆生成等提供数据依据。

本发明还提供鼠标位置识别，自动在骨架的点击位置创建装配坐标系，平面为笛卡尔坐标，曲面为柱坐标，扇面为极坐标。并将骨架坐标与支架坐标进行对齐操作。

柔性化设计模块7，通过软件自动创建的布线参考骨架模型为纽带，将参考面、各种坐标系、点、轴线、曲线和曲面等勾勒出产品的结构形状作为设计的参考，通过读取原始输入的总体模型中与电缆有关的几何，在布线参考骨架模型中同步创建对应参考几何，并以此作为布线布缆的设计基础，其结构图如图3所示。

该设计的优点是卫星骨架模型为依托，模型单一参照，各模型间没有父子关系，线缆模型与总体模型既可以保持同步修改更新，又可以单独打开，同时计算机内存等资源开销小、允许后续替换、调整设备或支架，保证模型自动更新，避免模型失败和模型修复操作。

网络路径定义模块8，用于对电缆布局路径规划进行空间约束。网络路径定义即把电缆设计思路以修路的方式表达在模型上。网络路径即电缆布局路径，是由多段的曲线组成，定义了电缆的“起点端口—支架—卡勾—端口”，曲线根据所选取的电连接器、支架的基准特征来拟合出路径。

快速布线模块9，用于依据所读取的Excel数据，创建包含电缆材料明细表、电缆加工技术要求等信息的电缆加工图和人机交互的三维走线路径图。

所述快速布线模块9还用于形成布线数据源格式，存入指定数据库中。由于卫星线束一体化系统处理的是“点到点”的分支信息，所以需要根据固有的格式对电连接关系进行解析，把解析好的电连接关系导出分支信息进行信息合并，同时需要对分支信息中的线规信息进行归纳提取，形成布线系统所需要的数据源格式，按要求把抽取的信息存入指定的数据库中。布线数据源生成流程图请参考图4。

所述电缆加工图为二维电缆加工图，二维电缆加工图使用的数据是详细的节点关系数据，即针到针的连接关系系统根据从布线数据源中提取、重构后的电缆分支信息生成电缆分支图辅助模型，然后自动创建电缆分支二维图，其流程图请参考图5。

三维走线路径规划既要考虑空间约束，又要考虑电磁兼容等电器特性。这实际上是一种特殊性的带有性能约束的布局问题，约束越多待定的参数越多，路径规划越复杂，比如电缆的走线必须考虑散热、拆装方便，走线合理且尽可能短，以减少电容电感耦合；信号线与功率线以避免一起捆扎；各种电缆分类和布线最小间距应符合GJB1046规定等。现有的算法很难用于工程实际，因此本方案采用人机交互的方法进行电缆的路径规划。

三维布线时使用的是节点关系简化数据，即相同起止连接器之间的多条导线(针到针)合并成一条处理，以降低三维模型的数据量，使用经过解析与信息合并、抽取后的电缆分支、线规信息数据的布线数据源已可以提供给电缆三维路径规划，其软件流程图如图6所示。

首先由计算机经过模型识别、布线参考收集、通过节点信息导入来对电缆分支的走向进行规划，然后设计人员充分利用工程经验、专业知识和布线规范来调整电缆的分支敷设路径，通过干涉检查，实时的调整电缆路径，直到完成所有电缆的路径规划。

该方案可以有效的解决海量线缆的快速设计问题，以及结构模型与线缆模型的关联性差的问题，形成质量和外形完整准确的电缆三维数字样机，实现电缆的全三维设计；实现后续设计中机械结构修改后关联的电缆网模型随之自动修改的问题，布线时间仅有手工操作的1/10，彻底避免了设计与生产脱节的问题，即设计的布线路径人手工不能操作等。

本发明还提供一种卫星低频电缆设计方法。

请参考图7，为所述卫星低频电缆设计方法流程图。

所述卫星低频电缆设计方法包括：

步骤S1：建立电缆及附件的计算机辅助设计模型库。例如对电连接器、卡钩、支架等进行建模和数据管理，并对已建立的接插件模型进行线束定义。

步骤S2：读取计算机辅助设计模型、读取并解析电缆接口数据单，根据解析结果进行二维出图和三维布线操作。

步骤S3：对电缆布局路径进行自动化拟合和优化，同时与用户交互，对电缆布局路径进行修正。

步骤S4：输出电缆布局结果。

以下以一具体实施例对所述卫星低频电缆设计方法作具体描述。

该实施例以某型号卫星重量轻、体积小、功能密度高、在轨寿命长等特点，卫星采用框架面板式的构型，分舱式布局以实现平台的通用化和可扩展化。

卫星下舱为平台舱，上舱为载荷舱，可以完全分离，框架面板式结构重量轻、传力路线短、结构和总装工艺简单、结构效率高、安全可靠、拆装方便、开敞性好，更易实现可扩展性。

这种卫星构型方式，在国内还很少采用，几乎没有可供参考的设计经验。卫星在设计时，采用一体化设计方法，在系统层面吸收和借鉴法国PROTEUS卫星的“功能链”设计理念，最大限度地完成卫星内部的各项资源优化整合，提高功能密度。整星测试电磁环境复杂。

卫星既有大功率发射设备，又有高灵敏度的接收设备，给整星低频电缆网的设计和布局增加了一定的难度和时间，基于型号任务的研制进度紧张，总体电路分系统利用在现有的PRO软件基础上，结合卫星模型，采用卫星低频电缆自动化、一体化的布线与布局技术，进行低频电缆的设计，系统总体设计流程如图8所示。

首先建立电缆及附件的CAD模型库。例如，建立电连接器模型库的建立，根据电连接器的使用说明书，建立各型电连接器件的三维模型，并录入到数据库里，采用坐标系对其的方式同各单机关联起来。

然后读取计算机辅助设计模型、读取并解析电缆接口数据单。数据文件用Excel文件定义，该文件包括多个页面，但第一个页面必须是“线规”页面，该页面定义所需要的线规，包括线规名称、类型、直径、最小折弯半径和单位质量。

根据解析结果进行二维出图和三维布线操作，且对电缆布局路径进行自动化拟合和优化，同时与用户交互，对电缆布局路径进行修正，最后输出缆布局结果。

功能的多样性使得各设备之间走线变得日益复杂，一对多，多对多、双绞、屏蔽等各式各样特殊要求的电缆也使得该系统适应复杂多样性的变化。

将三维结构布局和电缆集承载同一个模型上，实现卫星产品布局和电缆的一体化设计和管理。在该模型上设计师可以依据电缆走线布局技术要求手动调整、电缆分支走向和长度等信息。本方案提供了各单机、电缆分支信息和电缆长度等查询功能并可以导成Excel格式。

按照卫星电缆线束一体化设计输出的电缆报表信息进行加工生产的电缆，均成功应用在该型号卫星上，实际装星结果表明电缆长度、分支信息、节点对应关系均符合要求，实现结构和电缆同步设计，减少了项目开发周期，帮助卫星构建完整的数字化样星，为各个设计部门提供了更加准确直观的数据信息，便于质量管理，满足了卫星三维数字化设计的需求。

本发明开发专用的分支图创建、管理引擎，采用创建分支辅助模型，由辅助模型进行二维图输出。实现分支二维图顺利输出，并对二维图中的电缆相关信息进行标注。

其中，分支辅助模型管理包含分支模型的创建与分支曲线维护，含曲线的位置调整，方向调整等。分支二维图管理包括创建分支二维图，端口和曲段信息的标注、删除与更新等。

本发明中电缆路径是以样条曲线作为基础的，通过支架的布置，以两个端口的电连接器，进行网络路径的定义。

系统在支架和电连接器等模型中都加入两个控制点，两个控制点间通过的样条曲线为强直段，以这种加强样条曲线方式确定符合工程特点的线缆路径，这样设计师改动一个控制点(调整支架位置)，由于存在强直段，则不会影响到其它相邻段路径的位置，样条曲线不会发生激烈的异样变形，这更符合设计现状和需要。

根据主束定义、端口和支架的连接定义、节点关系，系统分析每根电缆的最小连接路径，采用网络定义、加权优化的办法，解算出最短的电缆通路，为电缆生成提供数据基础。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。