文 明，吉紅偉，王彥偉，邱浩波

（1.華中科技大學 國家CAD 支撐軟件工程技術研究中心，湖北 武漢430074；2.北京無線電測量研究所，北京100000）

0 引 言

大型的三維CAD 軟件如Pro／E、UG、CATIA 等都具備專門的布線模塊，但在布線運用中存在布線操作繁瑣、并行程度不高、信息組織輸出不合理等諸多問題，這些問題可從2個層面去解決。一是從理論層面提出新的布線理論，如學者提供了布線并發(fā)控制、沉浸式虛擬現(xiàn)實［1，2］、啟發(fā)示路由布線［3］等方案、提供基礎的布線算法等。二是從軟件層面進行解決，如開發(fā)基于知識存儲的智能布線系統(tǒng)［4］、運用二次開發(fā)技術［5］等。

本文運用二次開發(fā)作為彌補現(xiàn)有布線系統(tǒng)缺陷，定制特殊布線環(huán)境來解決以上問題?；赑ro／E 平臺，結合系統(tǒng)提供的API函數(shù)和MFC，對線纜的干涉檢查，信息存貯和輸出，參數(shù)化建模等關鍵技術進行了研究。對現(xiàn)有系統(tǒng)的注重布線設計、未實現(xiàn)的布線質量檢驗、信息輸出等特點進行了彌補。從軟件層面完善了布線環(huán)境，從理論上豐富了線纜干涉檢查的手段。文章最后，開發(fā)了一個具有上述功能的輔助布線系統(tǒng)，驗證了相關技術的可行性。

1 關鍵技術研究

1.1 基于路徑控制點的簡單布線技術

目前在Pro／E 中主要的布線模式有2種，即簡單布線與網(wǎng)絡布線。簡單布線是在指定始末端口后通過系統(tǒng)自動生成走線路徑，生成后改變線纜走線路徑操作復雜，且一般所布線纜呈懸空狀態(tài)，布線效果不佳，在實際工程中運用較少。網(wǎng)絡布線需要先進行布線網(wǎng)絡的創(chuàng)建，并在創(chuàng)建好的網(wǎng)絡中設置優(yōu)先級，使線纜經(jīng)過優(yōu)先級高的網(wǎng)絡，不經(jīng)過不允許經(jīng)過的網(wǎng)絡，網(wǎng)絡創(chuàng)建后在所建網(wǎng)絡上進行布線，布線完成后可通過調(diào)整網(wǎng)絡節(jié)點來調(diào)整整個網(wǎng)絡走向。兩類布線方式都需要先指定入口端后方能進行布線，布線操作繁瑣，在重復的進行大量的相同的工作時帶來巨大的工作量，影響施工進度。

基于路徑控制點 （routing cable points）的簡單布線不需要通過指定端口，再選布線位置，而是在布線過程中通過手工連續(xù)點擊位置完成簡單走線，完成簡易化的布線功能［5］。路徑控制點是線纜布線環(huán)境中的過渡點，是布線路徑的最小單元，由空間位置決定。路徑控制點主要分為三類：平面路徑控制點，空間路徑控制點，曲面路徑控制點。在三維布線軟件中，路徑控制點創(chuàng)建的邏輯流程圖如圖1所示。

圖1 路徑控制點創(chuàng)建流程

復雜的布線路徑創(chuàng)建可通過三維軟件的草圖輔助進行，首先在該草圖平面上進行路徑繪制工作，此時能夠采用所有的草圖操作命令，在完成草圖路徑繪制后，采取草圖引用的形式形成復雜布線路徑。

對于簡單路徑創(chuàng)建，直接在布線模型的表面上建立相應的布線控制點 （RCP 點），然后基于這些RCP 點在軟件內(nèi)部分段建立線段或樣條曲線，最終完成布線路徑的創(chuàng)建。

在Pro／E中，路徑控制點 （RCP 點）有多種形式，網(wǎng)絡布線中的線纜位置也是路徑控制點的一種形式，正是基于這些控制點，網(wǎng)絡布線才得以實施，表1所示為在Pro／E中是簡單布線中最常用的幾種RCP點。

創(chuàng)建完成這些控制點后，使用API接口函數(shù)ProCableRoutingStart進行布線準備，對選擇的RCP 點進行加工，通過ProCableThruLocationRoute等相關函數(shù)進行布線，實現(xiàn)布線操作與路徑控制同步實時同步的簡單布線。

表1 Pro／E內(nèi)部可用的RCP點

1.2 線纜的干涉檢查與調(diào)整

數(shù)字化三維電氣布線系統(tǒng)默認路徑常選擇連接器之間最短路徑，因此容易產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，不僅影響整個布線的美觀，而且導致線纜長度與實際情況不符，從而導致預算錯誤。線纜的干涉檢查通過ProCableClearanceCompute等函數(shù)實現(xiàn)。若線纜檢查后存在干涉，則需要進行干涉調(diào)整。在Pro／E中，線纜的布置大多采用布線路徑的貼壁形式，相關文章采用貼壁干涉自動調(diào)整的算法，在多次迭代的情況下進行調(diào)整［6］。本文著眼于線纜位置點，提出一種新的調(diào)整方案，方案原理如下。

在復雜線纜工程中的布設工程中，大多布線方式采用的網(wǎng)絡布線，故本文在此只考慮線纜路徑由沿布線網(wǎng)絡行走或使用本文上述所介紹的布線方式布置線纜所引起的干涉情況，此2種布線方式都有一個共同點，即每段線纜的走向都是由線纜位置控制點或RCP點所決定。

若線纜存在干涉，都可以分為2 種情況，線面干涉和線線干涉。以下分別對2種情況分別進行解決。

（1）線面干涉

對于三維空間中的線面干涉，由于線纜是由RCP點或線纜位置控制其走向，所以可直接通過調(diào)整RCP點或線纜位置進行干涉調(diào)整。如圖2所示。

圖2 線面干涉

線纜由a、b、c、d這4 個線纜位置作為路徑控制點，其中cd段與平面有干涉，最大干涉距離為h，設線纜直徑為D，則通過沿與平面垂直的法向移動線纜控制點a、b、c、d，便可調(diào)整干涉。移動距離L 為

（2）線線干涉

對于三維空間的線線干涉，考慮到干涉點之間的兩段線纜分別由2個路徑控制點控制路徑生存，故由其中3個控制點所形成的平面如圖3所示。

圖3 線面干涉

設圖中平面α是經(jīng)過控制點a、b、c所形成的平面，線纜ac和bd相交于F點，平面β平行于平面α，且平面β經(jīng)過點F，向量n 為β的法向量。設線纜直徑分別為D1和D2，則在干涉調(diào)整中，如果以線纜ac為標準，則線纜bd所在F點處新建RCP點，并沿向量n 移動。若干涉時線纜兩中心線相交，則移動距離L 為

綜上兩種情況可知，線纜的干涉調(diào)整主要步驟如下：

（1）檢查線纜干涉情況，若線纜出現(xiàn)干涉，則根據(jù)干涉類型選擇不同的修改方式進行線纜的修改，若選擇更改線纜直徑，修改后立即進行干涉檢查。

（2）若選擇調(diào)整路徑控制點，首先判斷干涉類型，若為線面干涉，則根據(jù)實時工程信息獲取線纜直徑，并按上述中線面干涉調(diào)整方案進行調(diào)整。若為線線干涉，獲取線纜直徑后按上述線線干涉調(diào)整方案進行調(diào)整。

（3）判斷線纜或線束中心線升高的結果。如果干涉仍然存在，則繼續(xù)進行調(diào)整。

線纜調(diào)整過程的主要流程如圖4所示。

圖4 線纜的干涉檢查和調(diào)整流程

1.3 模型參數(shù)存儲與輸出

參數(shù)化建模是Pro／E 模型建立的最主要特性之一，模型的參數(shù)是定義和描述一個模型必不可少的概念，在大部分的三維模型中，參數(shù)是通過尺寸、公差、材料特性等形式來體現(xiàn)的，參數(shù)化設計可通過修改相關參數(shù)實現(xiàn)模型的修改，如通過修改三維模型中的材料參數(shù)實現(xiàn)不同材料的模型設計。如果用戶想在原模型的基礎上修改模型的某些參數(shù)從而進一步符合設計需求要求，當這些參數(shù)修改如果在軟件中無接口實現(xiàn)的時候，則可通過算法將某些參數(shù)顯化進行修改，并進行模型再生，從而派生出新的實體，實現(xiàn)零件的動態(tài)修改，即參數(shù)化建模。

下線表的輸出是線纜模塊二次開發(fā)的一個重點，通過下線表，可減少線纜因無法估計下線長度而引起的組裝不便或線纜浪費。線纜長度是以線纜參數(shù)形式Pro／E 中保存的，而線纜參數(shù)在Pro／E 中以結構體形式的存貯的，其結構形式如下：

對于每一個特征或模型的具體參數(shù)在Pro／E 中的存取，都需要模型句柄才能夠取得，所謂模型句柄是指具體的模型對象，而要獲得所需的特征句柄或模型句柄，則需通過遍歷的方式來取得相應的句柄。在線纜參數(shù)讀取時，所需的模型句柄多為某段線纜，其在模型中的組織形式如圖5所示。

所以需要得到線纜特征則需要進行兩次遍歷，具體實現(xiàn)代碼如下：組件，返回的特征存入數(shù)組中

圖5 線纜裝配體內(nèi)部特征組織

值得注意的是，在使用相關函數(shù)時如ProSolidFeatVisit需要編寫訪問函數(shù)，函數(shù)編寫方法可參考相關資料［7］。

在對需要的進行參數(shù)建模的線纜零件進行參數(shù)修改后，便可通過程序將實際布線過程中所需的數(shù)據(jù)提取出來，這便是信息輸出。對于線纜零件而言，在進行實物布線時，根據(jù)虛擬樣機可繪制出基本的布線路徑和順序，但對于復雜的大型系統(tǒng)而言，布線路徑則無法簡單的從模型中獲得，必須經(jīng)過信息處理，獲得下線表，使表中記錄每條線纜對應的起始端口和終止端口以及下線長度。

在Pro／E 中提供了線纜長度的估算函數(shù)ProCable－LengthGet可獲取線纜長度，通過線纜參數(shù)可獲取線纜的線纜名、線軸、和連接端口等。這些參數(shù)是以文件的方式在Pro／E中的存貯的，表2所示為線纜連接端口參數(shù)在Pro／E內(nèi)部的貯存形式。

表2 Pro／E線纜連接端口參數(shù)的貯存

這些線纜參數(shù)可通過ProOutputFileWrite將文件讀出后獲取參數(shù)，也可通過ProCableParametersCollect進行收集，再對使用相關算法進行輸出。但是模型中相同的連接器在同一個模型中的邏輯名是同名的，所以在輸出時必須先對相同的連接器進行編號或改名，才能將端口輸出到下線表中。

1.4 參數(shù)化建模

在Pro／E中，線纜零件表現(xiàn)為統(tǒng)一的通用的數(shù)學模型，不同的線纜的種類通過設置該線纜的各種參數(shù)來進行設置。面向裝配過程的線纜應該一般包含多個方面的信息，信息的分類定義詳見參考文獻 ［8］。本節(jié)主要以3類對象的建模來對進行說明，即線纜，線軸，護線套的建模。

線軸的創(chuàng)建分為兩大類，一類是基線纜線軸，另一類是護線套線軸?；€纜線軸的創(chuàng)建可分為3類：單根線纜線軸，多芯線纜線軸，扁平線纜線軸。護線套線軸在創(chuàng)建后也可進行類型和參數(shù)的設置。

Pro／E中常用的線纜可分為3 類，單根線纜，多芯線纜，扁平線纜。這3類線纜都是基線纜，根據(jù)3 類線纜的劃分，模塊中對應的連接器類型也分為對應的3類：wire、round和flat這3 種類型。在Pro／E 中，線纜的創(chuàng)建包括Spool的創(chuàng)建和線纜特征創(chuàng)建兩個步驟，在Spool中定義包括線纜的直徑，顏色，最小折彎半徑等，特征的創(chuàng)建是在Spool創(chuàng)建的基礎上，定義具體的線纜。

護線套主要分為3 類，熱縮管 （shrink），膠帶纏管（tape），不用膠帶的護線管 （tube），三類套管也是基于Spool創(chuàng)建的線纜零件，具有直徑、寬度、顏色、直徑、最小折彎半徑等參數(shù)，護線套正是基于這些參數(shù)成為一個對象模型。圖6為3種具有不同屬性的護線管。（圖中綠色為熱縮管，紅色為膠帶纏管，藍色為護線管。）

圖6 Pro／E內(nèi)部3種不同屬性的護線管

2 VS環(huán)境下的Pro／E的二次開發(fā)

二次開發(fā)是在軟件原有功能的基礎上實現(xiàn)新功能拓展和定制的重要方式［9，10］。市場現(xiàn)有的大型軟件基本上都提供二次開發(fā)功能，如CATIA、UG、Pro／E等都提供了強大的二次開發(fā)接口和豐富的二次開發(fā)函數(shù)。就Pro／E 二次開發(fā)來說，開發(fā)方法也有不同種類，使用較普遍的如J－link和Pro／Toolkit軟件工具包［11］。也可使用其它方式如族表（family table）、用戶定義特征 （UDF）等進行開發(fā)。

Pro／Toolkit是Pro／E 軟件系統(tǒng)自帶的二次開發(fā)模塊，可以直接訪問Pro／E的最底層數(shù)據(jù)庫資源，用戶通過程序代碼擴充系統(tǒng)功能，開發(fā)基于Pro／E 系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)庫資源的應用程序模塊，從而實現(xiàn)用戶的特殊要求。Pro／Toolkit中包含豐富的庫函數(shù)，通過這些庫函數(shù)文件和頭文件可實現(xiàn)應用程序模塊與Pro／E系統(tǒng)的無縫集成。

在Visual Studio環(huán)境下，基于MFC編制原代碼實現(xiàn)模塊功能后生成動態(tài)鏈接庫 （dynamic link library），鏈接庫中包含可供Pro／E 程序使用的代碼和數(shù)據(jù)，再經(jīng)過Pro／E注冊和便可在軟件中正常運行而不影響其它模塊的正常運行。

3 線纜輔助布線系統(tǒng)開發(fā)及驗證

本文根據(jù)工程需要，以普遍使用的Pro／E 為平臺，以VS2005和Pro／TOOLKIT 為編譯環(huán)境及接口，采用與ProeWildfire 5.0緊密集成的開發(fā)方式進行構建，以Pro／Cabling模塊為基礎，結合Cabling的原有布線流程進行功能增強和功能擴充，綜合運用Pro／TOOLKIT、Pro／Develop開發(fā)技術和MFC 編程技術開發(fā)了一個面對復雜天線布線工程的輔助布線系統(tǒng)原型，其系統(tǒng)架構如圖7所示。

圖7 輔助布線系統(tǒng)架構

整個系統(tǒng)可分為復雜線纜模型管理，線纜工藝布局和組裝，復雜線纜工藝校核和優(yōu)化3大模塊。

復雜線纜模型管理包涵模型輕量化管理，線纜庫管理以及剛性和半剛性線纜庫管理等，通過該模塊可實現(xiàn)布線使用的線纜庫管理，包括線纜的創(chuàng)建和線纜參數(shù)的修改等，將線纜管理工作統(tǒng)一集成在一個頁面內(nèi)，在布線中減少線纜建模的重復性工作。線纜工藝布局包括便捷化簡單布線，布線網(wǎng)絡創(chuàng)建和網(wǎng)絡布線導航，該模塊輔助布線模塊中常規(guī)的簡單布線和網(wǎng)絡布線，通過路徑控制點進行布線，克服了簡單布線中不能調(diào)整路徑以及網(wǎng)絡布線中需要事先規(guī)劃網(wǎng)絡的缺點。復雜線纜工藝校核和優(yōu)化主要包括布線規(guī)則干涉檢查，接線表下線表輸出，元件端子指定等，干涉檢查可對已有模型的線纜布局進行干涉檢查，并提出調(diào)整方案，減少線纜模型中的干涉。根據(jù)特定的下線規(guī)則，則可進一步進行下線表的輸出。

布線成功后，可運用干涉檢查進行線纜的干涉檢查，若線纜有干涉，進行干涉調(diào)整后再次進行檢查，圖8為簡單布線效果，布線時只需拾取路徑控制點即可控制路徑，實現(xiàn)布線與路徑的同步控制。

圖8 在Pro／E內(nèi)部實現(xiàn)的簡單布線菜單和功能

線纜布設成功后，對線纜進行干涉檢查，若線纜存在干涉，使用調(diào)整方案對線纜進行干涉調(diào)整，調(diào)整后若無干涉，便可進行下線表輸出制作實物樣機，圖9為處理后輸出的下線表信息。

圖9 數(shù)據(jù)處理及下線表輸出

線纜布設成功以后，需要對某些線纜進行包扎，這便需要護線套的建模過程，護線套的建模是參數(shù)化建模過程的典型體現(xiàn)，通過參數(shù)設置實現(xiàn)了護線套各種特性的設置。圖10為運用MFC和Pro／E二次開發(fā)接口實現(xiàn)的護線套建模的界面。

圖10 護線套參數(shù)化建模及實現(xiàn)

4 結束語

文章在三維軟件布線系統(tǒng)的現(xiàn)有功能的基礎上，通過對基于路徑控制點的簡單布線、干涉檢查與調(diào)整、信息整合與輸出及參數(shù)化建模等技術的研究，在Visual Studio環(huán)境下，結合Pro／E提供的軟件開發(fā)工具包，通過函數(shù)實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)庫底層數(shù)據(jù)操作，成功開發(fā)了一個面向快速布線的輔助布線系統(tǒng)，新開發(fā)的系統(tǒng)實現(xiàn)了線纜的快速布置，線纜參數(shù)的快速設置以及線纜干涉檢查，并實現(xiàn)下線表的輸出，提升了工程中布線的設計水平，具有現(xiàn)實的工程意義和使用價值。

系統(tǒng)中的干涉調(diào)整技術由于軟件本身的接口限制問題，在提出理論基礎的情況下，后續(xù)的實現(xiàn)方法還有待進一步研究。

運用Pro／E二次開發(fā)進行特定模塊的功能拓展是工程實踐中的重要手段。當軟件提供的功能已不能滿足工程要求時，通過Pro／E提供的二次開發(fā)接口，在VC＋＋強大的平臺支持下，加上現(xiàn)有編程語言的強大的編程效率，可在較短時間實現(xiàn)原有功能模塊的功能擴充，因此三維軟件的二次開發(fā)是解決特定領域建模問題的重要手段，也是從軟件層面彌補現(xiàn)有系統(tǒng)不足的重要方式。

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