文強(qiáng) 董力群 趙婷婷

基于CATIA的動(dòng)車組電氣系統(tǒng)三維布線工藝應(yīng)用研究

文強(qiáng) 董力群 趙婷婷

以高速動(dòng)車組整車電氣系統(tǒng)線束敷設(shè)為對(duì)象，結(jié)合在電氣布線工藝中的操作實(shí)踐，闡述基于CATIA的三維電氣布線工藝流程、關(guān)鍵問題解決方法和注意事項(xiàng)，并提出符合動(dòng)車組生產(chǎn)要求的三維電氣布線規(guī)則。驗(yàn)證了動(dòng)車組運(yùn)用三維技術(shù)進(jìn)行電氣布線工藝的可行性，提高了電氣布線工藝的信息化和智能化程度，可以更高效地指導(dǎo)生產(chǎn)制造。

動(dòng)車組；電氣系統(tǒng)；布線工藝；CATIA

目前高速動(dòng)車組電氣系統(tǒng)的布線工藝從設(shè)計(jì)到制造，信息化程度相對(duì)較低，所有信息主要是通過二維層面來展現(xiàn)，主要的設(shè)計(jì)工具是AutoCAD，圖紙大多以CAD圖紙等形式進(jìn)行編制，使用2D AutoCAD進(jìn)行平面電氣圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方式的缺點(diǎn)在于空間的布置只能依靠人腦的想像能力和工作經(jīng)驗(yàn)，容易造成實(shí)際生產(chǎn)裝配中的干涉或無法通過的問題，在制造源頭上就產(chǎn)生不少困難，而且效率低，易出錯(cuò)。因此，為了提升電氣配線工藝水平，可靠、高效的三維電氣設(shè)計(jì)生產(chǎn)勢(shì)在必行。

1 CATIA電氣設(shè)計(jì)模塊

商業(yè)化的三維立體布線軟件很多，如Pro/E、UG、Solid Works等軟件都已應(yīng)用非常廣泛[1-2]。CATIA是達(dá)索公司用于虛擬產(chǎn)品的設(shè)計(jì)軟件，功能強(qiáng)大，擁有完善的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決方案。它提供的電氣設(shè)計(jì)模塊被廣泛應(yīng)用于航天、汽車、船舶等領(lǐng)域[3]的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和虛擬裝配制造之中。

CATIA電氣設(shè)計(jì)模塊組成如下：

（1）電氣零部件庫（Electrical Library，ELB）。包括電氣裝配設(shè)計(jì)（Electrical Assembly Design，EAD)、電氣零件設(shè)計(jì)（Electrical Part Design，EPD）2個(gè)模塊，用于對(duì)三維實(shí)體添加電氣屬性。

（2）線束敷設(shè)（Electrical Harness Installation，EHI）。包括線束預(yù)組（Electrical Harness Assembly，EHA）、線束安裝（Electrical Harness Installation，EHI）2個(gè)模塊，用于進(jìn)行電氣線束物理形狀設(shè)計(jì)[4]。

（3）電線路徑定義（Electrical Wire Routing，EWR）。結(jié)合邏輯電線信號(hào)與EHI中定義的線束進(jìn)行電線的實(shí)際敷設(shè)。

（4）電氣線束展開（Electrical Harness Flattening，EHF）。對(duì)設(shè)計(jì)完成的電氣線束進(jìn)行平面展開。

2 三維布線工藝設(shè)計(jì)

2.1 三維布線流程

根據(jù)CATIA電氣設(shè)計(jì)各組成模塊的功能，結(jié)合高速動(dòng)車組的結(jié)構(gòu)、各電氣系統(tǒng)的分布、線束回路特點(diǎn)，基于CATIA的電氣布線三維工藝設(shè)計(jì)基本流程見圖1。

2.2 前期準(zhǔn)備

首先，在進(jìn)行三維布線設(shè)計(jì)的準(zhǔn)備階段，應(yīng)熟悉和了解設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與配線線路之間的關(guān)系，結(jié)合線束布局的特點(diǎn)，建立配線的機(jī)械模型，即車體、線槽、電線支架、電氣設(shè)備等的機(jī)械外形構(gòu)造，并根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙尺寸準(zhǔn)確裝配，搭建起三維布線的機(jī)械環(huán)境（見圖2、圖3）。

其次，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙的明細(xì)，建立所需要電氣零部件的3D外形，包括各種型號(hào)連接器、插頭、端子之類的電氣零件，再利用EPD模塊進(jìn)行電氣零件的類型定義，也就是給普通的三維實(shí)體加上電氣屬性，存入Catalog建立電氣零件庫，為后續(xù)工作打好基礎(chǔ)，使用時(shí)再從Catalog中直接調(diào)用即可（見圖4）。

圖1 三維布線基本流程

圖2 動(dòng)車組車體三維模型

圖3 車下線槽三維機(jī)械模型

2.3 線束敷設(shè)

2.3.1 線束分類

根據(jù)現(xiàn)車配線工藝要求，結(jié)合現(xiàn)車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、線束布置特點(diǎn)，為使三維布線更規(guī)范化和系統(tǒng)化，要將線束分類?？刹捎玫木€束分類有多種形式。

圖4 電氣零件庫

（1）按系統(tǒng)分類。可劃分為主回路、低壓控制回路系統(tǒng)、影視系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、煙火系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等，結(jié)合各自的配線布置特點(diǎn)，分別繪制。

（2）按部位分類?？蓜澐譃檐図敳糠?、車內(nèi)配線、車下配線和轉(zhuǎn)向架配線部分。車內(nèi)又可劃分為一位端部配線、客室頂板、二位端部配線、地板中配線、組合配電盤、終端裝置、司機(jī)室配線等；車下可劃分為一位側(cè)高壓、二位側(cè)低壓、設(shè)備分支線配線及特高壓配線等。

（3）按設(shè)備分類。按設(shè)備分類就比較細(xì)，需挑選有代表性的部分設(shè)備，如包括車下的一些大型設(shè)備（牽引變流器、制動(dòng)控制裝置、輔助整流器箱、高壓接線箱、空調(diào)設(shè)備等），還有客室內(nèi)的組合配電柜、司機(jī)室操縱臺(tái)及邊柜等。

2.3.2 創(chuàng)建線束總成

進(jìn)入EHI模塊。根據(jù)線束的劃分，用Geometrical Bundle命令創(chuàng)建相應(yīng)的PRODUCT，用以存儲(chǔ)不同類別的線束，并根據(jù)系統(tǒng)劃分分別進(jìn)行命名，后續(xù)本類別線束的布置都在對(duì)應(yīng)的線束PRODUCT下進(jìn)行。線束的幾何信息都存放在此節(jié)點(diǎn)下，同時(shí)用到的接線端子、連接器等也都加在此節(jié)點(diǎn)下，線束總成即創(chuàng)建完成。

2.3.3 線纜設(shè)置

線束段的敷設(shè)有2種，Multi-branchable Document命令為多分支線束設(shè)計(jì)，當(dāng)布線過程中需要向外分支時(shí)選用此命令定義線束；Bundle Segment命令為單線束段設(shè)計(jì)命令，不能增加分支線。

激活要進(jìn)行線束敷設(shè)的線束系統(tǒng)名稱，根據(jù)實(shí)際情況使用上述兩者之一的線束設(shè)置命令進(jìn)行單線束段定義（Bundle Segment Definition）的設(shè)置，輸入分線段的名稱、直徑、彎曲半徑、松弛度等信息參數(shù)，然后點(diǎn)擊線束路線定義（Route Definition）選項(xiàng)，設(shè)置線段的起始設(shè)備、經(jīng)由點(diǎn)、終止設(shè)備、線束方向等參數(shù)，線束敷設(shè)完成。

線束路徑上的經(jīng)由點(diǎn)可以是創(chuàng)建的點(diǎn)，也可以是按Ctrl鍵在設(shè)備和背景上選擇的點(diǎn)。在Route Definition中還可以設(shè)置更多的參數(shù)，如去掉相切、扭轉(zhuǎn)切向、線束與支撐面相切、線束與支撐面保持一定距離等。

若使用Multi-branchable Document命令需要增加分支線束時(shí)，點(diǎn)擊Add Branch Point命令，選擇要添加分支的點(diǎn)的線束，選擇長度或是比率選項(xiàng)，輸入相應(yīng)數(shù)值，在分支點(diǎn)處再定義分支線束。

在線束敷設(shè)過程中，經(jīng)常會(huì)有將不同的線束分支在同一線束模型下，但兩線束分支確屬于不同系統(tǒng)，此時(shí)可采用轉(zhuǎn)移分支命令即可將分支移到對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)中。

2.3.4 干涉檢查及修正

完成線束敷設(shè)后，運(yùn)用CATIA自帶的干涉檢查功能，對(duì)線束和其他設(shè)備之間進(jìn)行檢查，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，并進(jìn)行改正。對(duì)干涉進(jìn)行修改后，重復(fù)運(yùn)行干涉檢查命令，直到干涉結(jié)果為零（見圖5）。

2.4 報(bào)表數(shù)據(jù)輸出

2.4.1 線束報(bào)告

線束鋪設(shè)完成后，根據(jù)實(shí)際需求，可以將電線的鋪設(shè)信息生成報(bào)告，包括線束的名稱、所屬系統(tǒng)類別、線徑、長度、起始及終端設(shè)備名稱等線束全面數(shù)據(jù)。

2.4.2 電氣線束展開

使用EHF模塊，將線束在平面展開，方便用戶對(duì)線束進(jìn)行整理。進(jìn)行線束展開前需先建立Product類型文檔，再進(jìn)入EHF模塊，定義線束展開的參數(shù)。根據(jù)實(shí)際需要，可以選擇對(duì)全部線束展開，或僅展開一部分（見圖6）。

2.4.3 設(shè)計(jì)方案2D工程圖輸出功能

在3D模型完成基礎(chǔ)上，使用工程制圖模塊可進(jìn)行平面工程圖的輸出，并且針對(duì)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定制圖框等（見圖7）。

圖5 干涉檢查顯示

圖6 線束展開

圖7 平面工程圖

3 注意要點(diǎn)及原則

（1）考慮到質(zhì)量平衡、電磁干擾等原因，高壓主回路布置在車下一位側(cè)，低壓干線回路在車下二位側(cè)。連接設(shè)備的線束從線槽分出，通過支架固定在車底橫梁上。在車下配置有設(shè)備的狀態(tài)下，由于沒有更多空間，必須在有限空間內(nèi)進(jìn)行配管與配線。以電線的最大外徑計(jì)算，電線槽內(nèi)的空間占用率以60%為界限標(biāo)準(zhǔn)，穿入線管或線槽的電線電纜，外徑面積之和不應(yīng)超過線管、線槽內(nèi)孔橫截面積的70%（單根電纜除外）[5]。

（2）主回路的線纜線徑較大，多為200 mm2、150 mm2的電纜。考慮到空間結(jié)構(gòu)有限，且有利于線束的固定和散熱，高壓線槽內(nèi)的線纜布置方式為大線徑貫通線纜在下部、小線徑線纜在上部的排列方式。若大線徑線纜不是貫通線，是到中間設(shè)備的分支線纜，則置于線槽的兩側(cè)邊緣易于出線的位置。主回路線槽內(nèi)布線見圖8。

（3）對(duì)從線槽中分線出來到各設(shè)備的分支線進(jìn)行繪制時(shí)，在線束布置時(shí)就應(yīng)首先考慮帶分支的線束不能置于線槽底部，否則不易出線；其次是要考慮線束的彎曲半徑能否滿足要求。當(dāng)電纜外徑小于或等于20 mm時(shí)，彎曲半徑不應(yīng)小于電纜外徑的3倍；當(dāng)電纜外徑大于20 mm 時(shí)，彎曲半徑不應(yīng)小于電纜外徑的5倍。在繪制時(shí)可以設(shè)定彎曲半徑作為檢驗(yàn)參考，然后要注意橫梁線架的容量、位置能否滿足對(duì)線束的固定。

圖8 主回路線槽內(nèi)布線

4 結(jié)束語

使用CATIA進(jìn)行三維布線工藝設(shè)計(jì)的目的：通過三維數(shù)據(jù)仿真，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題并將其改進(jìn)和優(yōu)化，生成一系列用于指導(dǎo)生產(chǎn)的更精確的二維工藝數(shù)據(jù)，包括線束下料表、施工圖、線束下料實(shí)尺圖等。

通過給出的CATIA三維布線的流程和規(guī)則，驗(yàn)證了動(dòng)車組運(yùn)用三維技術(shù)進(jìn)行電氣布線工藝的可行性，提高了動(dòng)車組電氣布線工藝的信息化和智能化程度，并可達(dá)到以下目的：

（1）通過三維效果，優(yōu)化現(xiàn)車各系統(tǒng)線束的走線路徑，并測算出起始設(shè)備到終點(diǎn)設(shè)備之間線束的精確長度，減輕下料人員勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約線束用料，降低勞動(dòng)成本，同時(shí)能夠生成指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)用的工藝資料，提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

（2）根據(jù)三維數(shù)據(jù)結(jié)果，對(duì)現(xiàn)車的整車結(jié)構(gòu)、線束布置等關(guān)系提前核對(duì)與計(jì)算，進(jìn)行結(jié)構(gòu)干涉檢查，對(duì)結(jié)構(gòu)不合理的位置、容易出現(xiàn)線束干涉的線束集中位置等進(jìn)行改進(jìn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)現(xiàn)車線束布置的重新優(yōu)化，減少實(shí)際生產(chǎn)制造過程中的返工和修改，更高效地指導(dǎo)生產(chǎn)制造。

[1] 安利全，鄭建明，王永振，等． 三維布線技術(shù)在工藝中的應(yīng)用[J]． 航天制造技術(shù)，2009(3)：22-26．

[2] 王廣坤，陳永麗． 淺談三維布線軟件在汽車線束設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]． 裝備制造技術(shù)，2011(9)：85-87．

[3] 于曉明，曾紅艷，楊紹田．CATIA電氣布線技術(shù)在摩托車上的應(yīng)用[J]． 摩托車技術(shù)，2012(11)：34-36．

[4] HB 7756．14—2005 基于CATIA建模要求 第14部分：線束敷設(shè)[S]．

[5] TB/T 3153—2007 鐵路應(yīng)用機(jī)車車輛布線規(guī)則[S]．

文 強(qiáng)：南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，助理工程?師，山東?青島，266111

董力群：南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，高級(jí)工程?師，山東?青島，266111

趙婷婷：南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，工程師，?山東?青島，266111

責(zé)任編輯盧敏

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1672-061X（2014）04-0054-04