呂艷蕊，唐 俊，曹曉蕾，李從剛，趙智慧

（1.湖北航天技術(shù)研究院特種車(chē)輛技術(shù)中心，湖北 武漢 430040；2.中國(guó)人民解放軍火箭軍參謀部，北京 100085）

目前公司車(chē)輛的電線(xiàn)束設(shè)計(jì)主要是基于AutoCAD的二維設(shè)計(jì)，對(duì)于電線(xiàn)束的走向、固定及長(zhǎng)度計(jì)算沒(méi)有一個(gè)直觀(guān)的表達(dá)方式和有效的監(jiān)控措施。在電線(xiàn)束的設(shè)計(jì)與加工制造環(huán)節(jié)存在脫節(jié)問(wèn)題，限制了設(shè)計(jì)效率和品質(zhì)的提高。因此有必要開(kāi)展電線(xiàn)束全三維設(shè)計(jì)的應(yīng)用與分析［1］。

目前3D設(shè)計(jì)軟件主要有Creo、UG和CATIA等軟件，都提供了電纜設(shè)計(jì)模塊，這些軟件的電纜設(shè)計(jì)模塊為布線(xiàn)設(shè)計(jì)員提供了用于生成電氣布線(xiàn)數(shù)據(jù)的三維設(shè)計(jì)工具，生成的電氣布線(xiàn)系統(tǒng)增強(qiáng)了構(gòu)建虛擬樣機(jī)的能力。

根據(jù)特種車(chē)輛三維設(shè)計(jì)背景，電纜設(shè)計(jì)軟件選擇PTC公司的Creo軟件Cabling模塊，以方便導(dǎo)入三維模型進(jìn)行電線(xiàn)束的三維布置。

1 設(shè)計(jì)內(nèi)容

車(chē)輛線(xiàn)束的設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖1。

1.1 元件庫(kù)的創(chuàng)建與維護(hù)

元件庫(kù)的創(chuàng)建是整車(chē)電線(xiàn)束三維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。元件庫(kù)主要用于定義和管理元件的信息和特性，其中包括連接器、導(dǎo)線(xiàn)等。元件庫(kù)的建立是否完善影響到后續(xù)三維設(shè)計(jì)的效率和品質(zhì)。

圖1 車(chē)輛線(xiàn)束的設(shè)計(jì)流程

開(kāi)展車(chē)輛電線(xiàn)束三維設(shè)計(jì)需要對(duì)插接件和導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行初步建庫(kù)，其中包括三維建模與參數(shù)定義。以某載貨汽車(chē)底盤(pán)基本型為例，底盤(pán)電氣系統(tǒng)大約有100多個(gè)插接件，如果對(duì)其全部建庫(kù)，則后期裝配及定義時(shí)的工作量十分巨大，且不利于定義布線(xiàn)操作。因此采取折中的辦法，只對(duì)需要連接線(xiàn)纜的插座護(hù)套、插頭護(hù)套和片形接頭進(jìn)行三維建模及參數(shù)定義，對(duì)于插針、盲堵、防水塞等只在分線(xiàn)束圖中通過(guò)明細(xì)指引的方式來(lái)明確。為了保證后期布線(xiàn)的正確性與美觀(guān)性，插接件三維建模完成后要對(duì)插接件的每個(gè)端口建立坐標(biāo)系，并保證坐標(biāo)系的Z軸正向朝外。

插接件創(chuàng)建完成后，需要在Creo環(huán)境中創(chuàng)建線(xiàn)束的線(xiàn)軸并配置相應(yīng)的電氣參數(shù)。線(xiàn)軸實(shí)際是導(dǎo)線(xiàn)、線(xiàn)纜的規(guī)格，主要用于定義導(dǎo)線(xiàn)、線(xiàn)纜、護(hù)套的電氣參數(shù)，決定了線(xiàn)纜的外形與表征的物理特征。線(xiàn)軸建庫(kù)主要規(guī)定了線(xiàn)軸的名稱(chēng)、顏色、最小折彎半徑、電線(xiàn)直徑。表1是線(xiàn)軸常用的電氣參數(shù)設(shè)置，其中Thickness是導(dǎo)線(xiàn)的直徑，而Min_Bend_Radius是導(dǎo)線(xiàn)的最小折彎半徑，有時(shí)為了方便可以將該值設(shè)置得較小。

表1 線(xiàn)軸常用的電氣參數(shù)設(shè)置

1.2 布置整車(chē)線(xiàn)束背景

元件庫(kù)建立完成之后，需要對(duì)整車(chē)布線(xiàn)環(huán)境進(jìn)行布置。①對(duì)整車(chē)三維總成進(jìn)行篩檢，保留布線(xiàn)需要的總成，最后進(jìn)行收縮包絡(luò)；②裝配電氣元件及布線(xiàn)所需的插接件；③指定裝配插接件，對(duì)每個(gè)插接件的各個(gè)入口端坐標(biāo)進(jìn)行選定并定義端口類(lèi)型；④定義線(xiàn)纜參數(shù)，定義各個(gè)插接件在布線(xiàn)環(huán)境中的位置名稱(chēng)，如水位傳感器、電磁閥組、左后組合燈等；⑤讀入布線(xiàn)所需要的線(xiàn)軸。

在該過(guò)程中，步驟②③④較為繁瑣。如果有插接件遺漏裝配或者入口端坐標(biāo)沒(méi)有指定，則無(wú)法完成后續(xù)的布線(xiàn)操作。完成以上準(zhǔn)備工作后進(jìn)入布線(xiàn)操作。

1.3 布線(xiàn)操作

布線(xiàn)有手動(dòng)布線(xiàn)和自動(dòng)布線(xiàn)兩種。由于目前電氣原理圖采用AutoCAD的二維設(shè)計(jì)，圖中沒(méi)有負(fù)載任何電氣屬性，無(wú)法將二維圖中的電氣信息傳送到三維設(shè)計(jì)中進(jìn)行自動(dòng)布線(xiàn)，所以在此布線(xiàn)采用手動(dòng)布線(xiàn)。手動(dòng)布線(xiàn)的步驟是選定布線(xiàn)命令后在新建線(xiàn)纜對(duì)話(huà)框中定義參數(shù)，如圖2所示。

圖2 新建線(xiàn)纜

圖2 中布線(xiàn)類(lèi)型常用的有簡(jiǎn)單布線(xiàn)、通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和沿纜。簡(jiǎn)單布線(xiàn)是只需要定義起點(diǎn)端和終點(diǎn)端，線(xiàn)纜自動(dòng)以最短路徑布好，這種方法僅適合對(duì)于路徑?jīng)]有要求的線(xiàn)纜；通過(guò)網(wǎng)絡(luò)是選取之前建好的布線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路徑，布線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的建立是根據(jù)主線(xiàn)束的通過(guò)路徑及線(xiàn)束分支的終點(diǎn)環(huán)境，這種方法對(duì)于車(chē)輛線(xiàn)束的三維布線(xiàn)較為常用；沿纜是參考之前相似路徑的線(xiàn)纜進(jìn)行布線(xiàn)，適用于沒(méi)有建立布線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)卻又對(duì)路徑有要求的線(xiàn)纜。

以某載貨汽車(chē)底盤(pán)電線(xiàn)束為例，按上述方法進(jìn)行布線(xiàn)后的效果如圖3所示，由于線(xiàn)束較長(zhǎng)，僅示意線(xiàn)束局部。

圖3 W2D三維布線(xiàn)局部示意圖

需要注意的是：由于車(chē)輛線(xiàn)束導(dǎo)線(xiàn)眾多，且路徑分散，必須先規(guī)劃好線(xiàn)纜路徑，建立布線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之后再進(jìn)行三維布線(xiàn)，注意建立布線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路徑時(shí)應(yīng)保證網(wǎng)絡(luò)的完整和連續(xù)性。布線(xiàn)過(guò)程中線(xiàn)軸類(lèi)型和布線(xiàn)類(lèi)型一旦選定不可更改。線(xiàn)纜創(chuàng)建完成后如果需要改變路徑，除了插入位置改變線(xiàn)纜路徑之外沒(méi)有其他方法，若插入位置不能滿(mǎn)足要求，則需要?jiǎng)h除該線(xiàn)纜之后重新創(chuàng)建，且一旦完成，后續(xù)較難更改。

1.4 完成分線(xiàn)束圖

三維布線(xiàn)完成后，要得到可以指導(dǎo)生產(chǎn)的分線(xiàn)束圖還需要3個(gè)步驟：線(xiàn)纜展平、投二維圖、引入導(dǎo)線(xiàn)表。

1）線(xiàn)纜展平的流程如下：①在Creo/Cabling中對(duì)線(xiàn)束進(jìn)行必要的整理。②新建一個(gè)Harness的mfg文件。③選擇需要展平的Harness，并選擇簡(jiǎn)化表示。④進(jìn)行線(xiàn)纜的展平操作：在菜單中選擇“平整→布局→設(shè)置起始點(diǎn)”命令，選擇圖中的點(diǎn)。布局命令是在布局窗口內(nèi)展開(kāi)布線(xiàn)圖，按默認(rèn)的“自動(dòng)做扇邊”選項(xiàng)，輸入折彎半徑（默認(rèn)）。⑤選擇“平整→元件→裝配全部”，將元件全部裝配到展平的線(xiàn)纜中。⑥線(xiàn)束展平后，所有的線(xiàn)纜全部散開(kāi)，需要手動(dòng)布置移動(dòng)段將線(xiàn)纜移到各個(gè)相連的插接件附近。如圖4所示，僅示意局部展平線(xiàn)束。

圖4 W2D展平線(xiàn)束局部示意圖

2）線(xiàn)束展平完成后，新建繪圖，將其投出二維圖并顯示模型注解。選擇“布局→繪圖模型→添加模型”，選擇投圖的線(xiàn)束，并引入導(dǎo)線(xiàn)表模板。

3）最后，在二維圖中對(duì)各個(gè)插接件定義明細(xì)注釋?zhuān)链穗娋€(xiàn)束三維設(shè)計(jì)工作已經(jīng)完成。

2 利弊分析

目前整車(chē)基本采用全三維設(shè)計(jì)，只有電線(xiàn)束設(shè)計(jì)是AutoCAD的二維設(shè)計(jì)，而二維設(shè)計(jì)與三維設(shè)計(jì)沒(méi)有形成有效結(jié)合，因此采用Cabling對(duì)電線(xiàn)束進(jìn)行三維設(shè)計(jì)也不是有利無(wú)弊，下面就來(lái)分析一下利弊。

2.1 電線(xiàn)束三維設(shè)計(jì)的利

車(chē)輛電線(xiàn)束采用三維設(shè)計(jì)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：①可以生成完整的三維模型，不僅包括結(jié)構(gòu)件和電氣元件的布置，也包括線(xiàn)纜的進(jìn)出線(xiàn)方式、線(xiàn)纜在整車(chē)的走向、線(xiàn)纜和插接件的選型等。②創(chuàng)建完整的三維布線(xiàn)模型后，設(shè)計(jì)人員可以直接根據(jù)模型進(jìn)行交流、評(píng)估，對(duì)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及時(shí)提出意見(jiàn)并進(jìn)行修改。③線(xiàn)束設(shè)計(jì)過(guò)程中的明細(xì)和導(dǎo)線(xiàn)表在三維布線(xiàn)完成后都是可以自動(dòng)生成的，同二維設(shè)計(jì)時(shí)需要人工統(tǒng)計(jì)相比，大大提高了效率及正確率。

2.2 電線(xiàn)束三維設(shè)計(jì)的弊

車(chē)輛電線(xiàn)束采用三維設(shè)計(jì)主要有以下缺點(diǎn)：①?zèng)]有自帶元件庫(kù)，需要手動(dòng)創(chuàng)建各種元件模型，比如傳感器、插接件、線(xiàn)纜等。②車(chē)輛電線(xiàn)束較多，路徑分支較多，三維布線(xiàn)需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力去規(guī)劃路徑。③三維線(xiàn)束完成后需要展平并整理后才能投二維圖。線(xiàn)束展平后，所有的線(xiàn)纜全部散開(kāi)，需要手動(dòng)布置移動(dòng)段將線(xiàn)纜移到各個(gè)相連的插接件附近。這個(gè)過(guò)程比較繁瑣，且散開(kāi)的線(xiàn)纜沒(méi)有導(dǎo)線(xiàn)號(hào)，在手動(dòng)移動(dòng)段時(shí)容易出錯(cuò)。④三維線(xiàn)束投出的二維圖比較直觀(guān)，但相比AutoCAD的二維線(xiàn)束圖，后者更接近指導(dǎo)線(xiàn)束生產(chǎn)的釘板圖。⑤在三維裝配電氣元件時(shí)，由于對(duì)于插接件采取折中辦法，只裝配需要連接線(xiàn)纜的插座護(hù)套、插頭護(hù)套和片形接頭，因此插針、盲堵、防水塞等只能通過(guò)在二維圖中通過(guò)手動(dòng)添加注釋指引的方式來(lái)明確。⑥AutoCAD的二維線(xiàn)束圖中可以清楚地表達(dá)出插接件出線(xiàn)端的點(diǎn)位圖，比較直觀(guān)；三維線(xiàn)束投出的二維圖中為了展現(xiàn)線(xiàn)束的整體，比例縮放比較大，基本無(wú)法清晰給出插接件的點(diǎn)位圖，給指導(dǎo)線(xiàn)束制作造成不便。⑦采用Cabling進(jìn)行三維設(shè)計(jì)比AutoCAD的二維設(shè)計(jì)要花費(fèi)大量的時(shí)間，參見(jiàn)表2。

表2 二維與三維設(shè)計(jì)花費(fèi)的時(shí)間比較

由表2可以看出，三維設(shè)計(jì)一個(gè)分線(xiàn)束的時(shí)間是二維設(shè)計(jì)一個(gè)分線(xiàn)束總成時(shí)間的2倍，如果是三維設(shè)計(jì)一套電線(xiàn)束總成至少需要1個(gè)月。

3 改進(jìn)措施

上述車(chē)輛電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電氣原理采用AutoCAD二維設(shè)計(jì)，電線(xiàn)束采用Creo三維設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)者無(wú)法對(duì)電氣原理進(jìn)行仿真分析，不能在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)一些設(shè)計(jì)缺陷問(wèn)題并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，若要推進(jìn)電線(xiàn)束全三維設(shè)計(jì)，就必須考慮如何實(shí)現(xiàn)電氣二維設(shè)計(jì)與三維設(shè)計(jì)的有效結(jié)合。國(guó)外汽車(chē)行業(yè)已經(jīng)全面開(kāi)始使用E3、CHS等二維設(shè)計(jì)軟件和Catia、Creo等三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行車(chē)輛電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和原理仿真處理。國(guó)內(nèi)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展起步較晚，電氣系統(tǒng)二維設(shè)計(jì)與三維設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換還沒(méi)有推廣應(yīng)用，三維電纜設(shè)計(jì)軟件也沒(méi)有充分利用。后續(xù)應(yīng)盡快推進(jìn)車(chē)輛電氣二維與三維設(shè)計(jì)如何有效結(jié)合的研究，從而進(jìn)一步提高車(chē)輛電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平［2］。

4 結(jié)論

通過(guò)某載貨汽車(chē)底盤(pán)電線(xiàn)束的三維設(shè)計(jì)可證明，采用三維布線(xiàn)可以生成完整的數(shù)字化模型，方便設(shè)計(jì)人員根據(jù)模型進(jìn)行交流，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題。但仍存在電氣原理缺乏有效監(jiān)控、數(shù)據(jù)缺乏有效傳遞等弊端，因此需要結(jié)合電氣二維設(shè)計(jì)軟件來(lái)推進(jìn)電線(xiàn)束的三維設(shè)計(jì)，從而建立一個(gè)設(shè)計(jì)得到有效監(jiān)控、數(shù)據(jù)得到有效傳輸、流程得到進(jìn)一步優(yōu)化的車(chē)輛電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)［3］。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 邱偉，吁苗.汽車(chē)線(xiàn)束的三維布局設(shè)計(jì)基本原則［J］.汽車(chē)電器，2012 （3）：16-18.

［2］ 楊三軍，李楠楠.國(guó)內(nèi)汽車(chē)電氣設(shè)計(jì)需加快二維與三維的結(jié)合［J］.研究與開(kāi)發(fā)，2009 （9）：81-83.

［3］ 賈文勇，楊陽(yáng).基于現(xiàn)代高級(jí)軟件CHS的整車(chē)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程［J］.汽車(chē)電器，2014（3）：66-69.