凌欣南， 張 龍， 徐本柱

（1.合肥江淮新發(fā)汽車有限公司，安徽 合肥 230601；2.合肥工業(yè)大學 計算機與信息學院，安徽 合肥 230009）

0 引言

隨著人們對汽車的安全性、舒適性、動力性、經濟性、環(huán)保性和可靠性等各項性能指標要求的不斷提高，汽車上的電器設備、功能也日趨增多，因此連接汽車電器件的線束也變得越來越重要［1－2］。汽車線束在生產之前，需要首先分析線束圖紙［3］，提取其包含的工序種類以及數目，然后進行合理的 工 藝 規(guī) 劃［4－5］、制 定 高 效 的 工 藝 路 線［6－7］以提高實際生產的效率，最后經過裁線、壓接、組裝等一系列復雜的工序才能加工完成。然而，通常一款中等規(guī)模的汽車線束，其包含的工序達數千道之多。對于線束的工藝設計，國內很多線束生產企業(yè)都是使用通用CAD軟件進行直接繪圖，但是目前市面上的通用CAD軟件基本上都是面對多專業(yè)的帶有共性的開發(fā)平臺，它所涵蓋的范疇相對較大，在其環(huán)境下繪制圖形時沒有賦予特定領域所具有的語義［8］。這是一種低層次的設計方法，系統僅僅產生用戶設計的結果，如二維或三維圖形，用戶在繪圖時無法精確地表達設計意圖，因此也不能很好地理解設計［9］。

汽車線束的內聯設計是線束工藝設計中的重要步驟，是線束生產過程中必不可少的環(huán)節(jié)。線束內聯設計需要工藝設計人員根據導線連接回路表，分析汽車線束圖紙中各種電器件及導線的復雜連接關系，同時分析各個導通回路之間的約束，確定中間壓接端子的位置（稱之為內聯點），并由此計算各導線的下線尺寸，最后還要制作內聯工藝卡等工藝文件用于指導車間的生產。如果純粹依靠工藝設計人員手動進行整個內聯設計，計算工作量非常大，錯誤率高，效率低。據統計，由一名操作熟練的工藝設計人員單獨完成一套整車線束內聯設計至少需要2周時間，且正確率經常不能得到有效保證。本文針對目前汽車線束生產企業(yè)進行線束內聯設計工作量大、錯誤率高、效率低、與企業(yè)追求信息化的需要脫節(jié)等問題［2］，基于ObjectARX2007開發(fā)包，以SQL Server2005為后臺數據庫，對AutoCAD軟件進行二次開發(fā)，設計并實現了一個汽車線束內聯設計系統。

本系統可以自動從線束圖紙中提取出所有內聯回路（導通回路），并且根據參與壓接的各根導線所在接插件的位置，生成內聯設計交互環(huán)境，同時提示可供用戶選擇的內聯點和可能發(fā)生位置干涉的內聯點。線束工藝設計人員只需根據系統的提示輸入內聯點位置，系統便可自行生成內聯工藝卡。

1 汽車線束工藝圖及內聯回路的定義

汽車線束主要由導線、接插件、包裹件、緊固件以及壓接端子等幾部分組成。汽車線束工藝圖如圖1所示，它是對線束的抽象和圖形化表示，主要描述線束中各導線間連接關系、功能布局和幾何尺寸等信息，其中接插件包含了除線長之外的導線線號、顏色、線徑等信息。

研究其導線部分，線束本質上是一個無向連通無環(huán)圖，下面給出線束工藝圖中的端點、結點和線束段等的定義。

圖1 線束工藝圖

圖1中，度為1的結點為線束工藝圖的端點，是多根導線線端的集合d＝｛1，2，…，n｝，其中1，2，…，n為導線的線號（表示一根導線的線端，也可表示為1A、50B等），一般端點連接到接插件，所有端點的集合記為D；線束工藝圖的分支點是圖1中度為2或2以上的結點，為線束工藝圖的分支點，記錄著線束的定位信息，描述其分支情況，所有分支點的集合記為B；線束工藝圖中端點和分支點統稱為結點，將線束工藝圖結點順序編號，所有結點集合V＝D∪B＝｛v1，v2，…，vk｝為結點的集合。線束工藝圖中連接2個結點的邊稱為線束段，設頂點u，v∈V為線束工藝圖的結點，則邊e＝（u，v）為線束段，它是導線的集合，線束段內包含1根或多根導線。線束工藝圖中所有線束段的集合記為E＝｛e1，e2，…，en｝。

1根或多根物理上連接在一起可以相互導通電流的導線集合稱之為線束工藝圖的導通回路，記為CL（connection loop），可以用線束段序列｛e1，e2，…，ek｝表示，其中ei∈E對應該線束段中的1根實際導線。

為了在內聯設計過程中針對不同情況實施不同的處理方法，本文先對導線進行分類，線束圖紙中的導線根據電路邏輯連接關系可以分為2大類：單根線和內聯線。

（1）單根線。對于給定的導線全集W＝｛w1，…，wi，…，wn｝，若wi與其他任何導線wj（wi，wj∈W，1≤i，j≤n，i≠j）均不構成導通回路，則稱wi為單根線。單根線的兩端通常直接插于不同接插件的端口中。

（2）內聯線。對于給定的導線全集W＝｛w1，…，wi，…，wn｝，若wi與其他任何導線wj（wi，wj∈W，1≤i，j≤n，i≠j）能構成導通回路，則稱wi為內聯線。wi的一端通常插于接插件的端口中，而另一端與wj通過中間壓接端子連接，形成內聯回路。

2 內聯回路的自動提取和規(guī)劃算法

2.1 內聯回路自動提取算法

線束的回路表如圖2所示，它記錄線束工藝圖中的各導線端點的線號和位置，簡潔明了地反映各回路的組成，表中每個回路號對應的線號集組成一條回路線號集?；芈繁碇邪男畔⒈姸啵斯ぽ斎牒臅r費力并容易出錯，需要考慮回路表的自動生成，目前根據不同的線號規(guī)則和輸入原則有3種生成回路表的方式。

圖2 線束的回路表

（1）基于線號命名規(guī)則方式。線號的命名采用如下規(guī)則：線號是數字加字母的組合，其中數字表明回路號，字母表示回路的端點，如1A、1B、1C、1D構成1號回路，并且具有4個端點，基于本規(guī)則可以提取出回路表。該方式無需顯示輸入回路信息，由線束工藝圖給出線束的回路表就是這種方式。

（2）預先輸入導線兩端的連接情況。這種方式主要輸入內聯線的信息，繪制線束工藝圖之前手動輸入每根導線兩端的連接情況，如1A一端連接接插件，一端連接1B，表明1A、1B同屬于一個回路，再根據1B的連接情況確定回路組成。單根線的兩端都與接插件相連接，不與其他導線合壓并且兩端線號相同，可以不用另行輸入。

（3）自定義方式。線束工藝圖繪制完成后，自動將圖中出現的線號全部列出，由操作者選擇一些線號作為回路，指明回路組成情況，最后搜索線束圖紙產生回路表。

為正確提取線束工藝圖中的回路信息，除了需要各回路的線號組成外，還需作以下約定：

（1）回路表中線號所對應的任意一個頂點都可在線束工藝圖的端點中找到。

（2）線束工藝圖中的任意一個端點（度為1的結點）都至少在回路表中出現1次，這也保證了每一個都接有電氣元件。

上述約定可以保證算法處理的點都是線束工藝圖中的端點，同時可以對每一個有效結點進行處理。在此基礎上，結合模型表示，根據回路提取算法1從線束工藝模型中提取出回路信息，作為內聯設計的依據，進而產生線束BOM。

算法1 線束工藝圖回路提取算法。

輸入：線束工藝圖和回路表。

輸出：線束工藝圖所有回路。

步驟如下：

（1）對線束工藝圖基于上述約束規(guī)則進行檢測。若滿足，算法繼續(xù)；否則，返回錯誤請求修改。

（2）從回路表中取回路線號集規(guī)則CSR＝｛wn1，wn2，…，wnk｝表示的回路，其中wni為回路中的線號，k為線號個數，CSR?WN，初始化該回路CL＝?。

（3）搜索接插件集合C，尋找c使得c∈C，c與wn1相連接，記錄接插件c的名稱及孔位信息和連接端點d，令i＝2。

（4）＋＋i，深度搜索圖得到x1與xi之間路徑CL′＝｛e1，e2，…，el｝，搜索C，尋找c使得c∈C，c與wni相連接，記錄接插件c的名稱、孔位和端點信息，令j＝1。

（5）如果線束段ej?CL，將ej加入CL，＋＋j。

（6）如果j≤l，轉步驟（5）。

（7）如果i≤k，轉步驟（4）。

（8）對在導通回路CL中首尾相接、構成一條直線的多條線執(zhí)行合并操作。

（9）將回路CL中相關信息保存到回路表中（顯然CL?E）。

（10）回路表中回路已處理完則算法結束；否則跳至步驟（2）。

線束工藝圖含有6條回路線號集，運行算法1可以對其進行分解，最終獲得6個回路，如圖3所示，其中1～3號回路為內聯回路，4～6號回路則是單根線。

圖3 回路提取結果

2.2 內聯回路規(guī)劃算法

提取全部回路信息后可求出單根線的導線組成和線長，但不能確定內聯回路的導線組成和長度，還需要指定其內聯點，確定導線間的連接后方可求出其導線組成及每根線的長度。

內聯點（connection point，簡稱CP）是內聯回路CL中2根或以上導線物理連接的位置，在CP處用中壓端子將導線連接在一起，構成導通回路。由于安全及成本關系，內聯點不能選在分支點上，必須偏移一定的距離，一般在20～50mm。同時內聯點必須在內聯回路上，不能存在于獨立導線中，否則會產生多余的中間壓接端子，造成材料浪費。

算法2 內聯回路規(guī)劃算法。

輸入：線束工藝圖所有回路。

輸出：內聯工藝卡片、BOM等工藝文件。

步驟如下：

（1）根據線束圖紙語義模型中導線的邏輯連接關系，提取出各個內聯回路，并建立連接回路表。

（2）取出連接回路表中的一個未處理內聯回路，為其生成內聯設計交互環(huán)境。

（3）用戶輸入內聯點，并保證其滿足前文所述的2個約束條件。

（4）內聯點確定后，分析內聯回路中導線實際物理連接關系并計算每根導線的長度尺寸。

（5）根據導線屬性，在專業(yè)知識數據庫的支持下，自動為導線添加端壓端子和中間壓接端子。

（6）根據當前設計要求，選擇添加熱縮管等附加件。

（7）為內聯回路生成內聯工藝卡。

（8）重復步驟（2）～步驟（7），直至把連接回路表中所有的內聯回路處理完畢。

內聯回路CL中所有的內聯點構成CL的內聯點集合，記為CPSCL。若內聯點CPi處于其他2個內聯點CPj、CPk之間，則稱CPi為中間內聯點。如圖4所示，CP2和CP3是中間內聯點，CP1和CP2則為非中間內聯點。內聯點CP是內聯回路CL的非中間內聯點，記為CPi→CL。

圖4 中間內聯點與非中間內聯點

內聯回路在選定內聯點的情況下并不能完全確定導線的實際物理連接關系，如圖5所示。圖5a所示為內聯回路CL中選擇了2個內聯點CP1、CP2，于是對于端點d2中的導線連接便有2種可能性：一種是連接到內聯點CP1上，如圖5b中虛線所示；另一種是連接到內聯點CP2上，如圖5c中虛線所示。在這2種情況中，頂點d2中導線的長度尺寸也會有所不同。

圖5 導線的實際物理連接關系

根據內聯點選擇的具體位置，線束內聯設計就是把內聯回路的無向連通圖結構變換成符合導線實際物理連接關系的有向樹。對于已指定內聯點的內聯回路，可以構建出表示其所包含導線的實際物理連接關系的有向樹。

首先選擇內聯回路CL中合法的內聯點，然后確定CL的主內聯點，主內聯點確定規(guī)則如下：

內聯點CP的度定義為內聯回路中不通過其他內聯點而直接與其連接的端點個數，記為degree（CP），令δ（CL）＝min｛degree（CP）｜CP∈CPSCL∧CP→CL｝，則集合CPSCL中所有滿足degree（CP）＝δ（CL）∧CP→CL的內聯點作為主內聯點，如果滿足該條件的內聯點不止1個，則任取其中1個作為主內聯點。主內聯點起著確定內聯回路CL中各導線實際連接方向的作用。

最后以確定的主內聯點CPm為有向樹的根結點，采用廣度優(yōu)先搜索算法遍歷內聯回路CL，獲得的廣度優(yōu)先搜索數即為所求。

內聯回路的有向樹如圖6所示。對圖6a所示內聯回路，選定內聯點為CP1和CP2，可知與CP1直接相連端點為d2和d3，與CP2直接相連端點為d3、d4和d5，故有degree（CP1）＝2，degree（CP2）＝3，因而選CP1為主 內聯點，以CP1為根進行廣度優(yōu)先搜索如圖6c所示的有向樹。根據該有向樹可知這個內聯回路由5根導線組成，其中d2和d3連接到CP1，d4和d5連接到CP2，CP1和CP2相連導線為內聯點間的導線，稱為中段，需要人工指定其規(guī)格。

圖6 內聯回路的有向樹

3 系統運行實例

圖7所示為利用本系統繪制出來的線束工藝輔助設計系統樣例。

圖7 線束工藝輔助設計系統樣例

圖8所示為內聯規(guī)劃算法交互環(huán)境。

圖8 內聯規(guī)劃算法及交互環(huán)境

圖9所示為系統自動生成的內聯工藝卡，目前根據本規(guī)劃算法所生成的內聯工藝卡已經應用于新發(fā)公司實際生產之中，較之以前的人工規(guī)劃，極大地提高了效率和準確性。

圖9 內聯工藝卡片

4 結束語

本文針對線束內聯設計的特點，總結了線束內聯設計過程中的工程語義約束信息，并建立關聯圖模型，通過內聯回路自動提取算法以及規(guī)劃算法自動完成對整個線束圖紙的內聯設計序列規(guī)劃。最后的實例表明該方法是有效可行的，能較好地解決大線束圖紙中內聯設計序列規(guī)劃問題。本方法的最大優(yōu)點是整個內聯設計序列規(guī)劃能夠自動完成，不需要與用戶進行交互。然而由本文方法得到的內聯設計序列僅是所有可行內聯設計序列中的一個，并不能確保其是最優(yōu)的，原因在于當多個接插件的“內聯度”和“單聯度”都相等時，主件選擇具有一定的隨機性。此外，若遇到線束圖紙中存在某些極端情況，如大接插件與其他所有接插件均有回路約束關系時，該算法會把整個線束作為一個子裝配體。如果能夠進一步總結線束內聯設計過程中的其他約束，如設定主件的內聯回路數目閾值，考慮壓接位置約束、子裝配體數目約束等，將使自動內聯設計規(guī)劃的結果更符合工程設計上的要求，進一步提高裝配的效率。

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