摘 要：應(yīng)用NX線束模塊對 SINAMICS V50的動力電纜進(jìn)行線束設(shè)計(jì)和工藝標(biāo)準(zhǔn)化，整理歸納了低壓柜體線束設(shè)計(jì)的一般原則和方法，一方面指導(dǎo)工程師合理的布置電氣元件和線束路徑設(shè)計(jì);另一方面指導(dǎo)產(chǎn)線人員進(jìn)行線束制作和生產(chǎn)裝配，并且通過最終輸出的工藝文件或圖紙的版本控制來實(shí)現(xiàn)柜體線束的生命周期的管理，進(jìn)行線束數(shù)字化的初步探討。

關(guān)鍵詞：線束設(shè)計(jì);工藝標(biāo)準(zhǔn)化;NX建模;數(shù)字化管理

中圖分類號：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.20.111

0 引言

中低壓柜體，包括控制柜，變頻柜，開關(guān)柜等柜體設(shè)備，是一種機(jī)械結(jié)構(gòu)，電氣系統(tǒng)集成化程度很高的設(shè)備，承擔(dān)著電力分配及數(shù)據(jù)信號通道的“血管”線束， 其設(shè)計(jì)空間進(jìn)一步壓縮，復(fù)雜程度成倍增加。線束設(shè)計(jì)作為機(jī)械和電氣交叉的一門學(xué)科技術(shù)，在各種工程軟件中均能找到相應(yīng)的功能模塊，但都趨于外形特征的模型表達(dá)，對于其背后的設(shè)計(jì)因素，布置規(guī)律以及計(jì)算方法，長期以來沒有統(tǒng)一的觀點(diǎn)。本文通過分析柜體線束設(shè)計(jì)的主要影響因子，整理歸納了柜體設(shè)計(jì)中線束設(shè)計(jì)的一般原則;并基于NX線束模塊對SINAMICS V50動力電纜進(jìn)行三維建模，設(shè)計(jì)計(jì)算與工藝規(guī)劃，最后對過程輸出數(shù)據(jù)和文檔進(jìn)行數(shù)字化平臺的同步管理，旨在啟發(fā)設(shè)計(jì)人員掌握工程線束設(shè)計(jì)的基本思路與流程，更好的進(jìn)行設(shè)備結(jié)構(gòu)與電氣系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)和平臺數(shù)據(jù)管理。

1 線束設(shè)計(jì)的一般原則

柜體線束是供電設(shè)備分配電能到用電設(shè)備的橋梁，并將電源信號和數(shù)據(jù)信息傳遞交換于各個電氣系統(tǒng)的功能單元之間，是整個設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)關(guān)鍵，對其可靠優(yōu)質(zhì)的傳遞能力的要求隨著電氣部件集成化程度的增加而不斷提高;另外線纜須要基于整個系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)而布置路徑，能否更好的優(yōu)化操作空間，工藝的可靠性以及標(biāo)準(zhǔn)化就顯得更加緊迫。工程設(shè)計(jì)中，我們需要從系統(tǒng)的角度出發(fā)，結(jié)合模塊化設(shè)計(jì)思路，電磁兼容性，安全性等三個方面綜合考慮，從而避免不必要的重復(fù)工作，做到更加緊湊美觀，穩(wěn)定可靠和維護(hù)的可持續(xù)性。

對于電氣布線，模塊化思想主要體現(xiàn)在依據(jù)EMC原則進(jìn)行有效的功能區(qū)域劃分。功能區(qū)域的獨(dú)立性越強(qiáng)，區(qū)域間的裝配、測試、維護(hù)等工作的相互影響程度就越小。如圖1所示，A區(qū)主要包括柜子的進(jìn)線側(cè)， 包括隔離開關(guān)或熔斷器開關(guān)、接觸器、斷路器等， 此區(qū)域的電磁干擾程度不能超過限制值;B區(qū)包括進(jìn)線電抗器 和干擾源（功率模塊）;C區(qū)包括潛在的易受干擾的設(shè)備， 如控制系統(tǒng)或傳感器系統(tǒng)等 ;D區(qū)：信號或控制電纜與外圍設(shè)備的接口，須具有一定的抗電磁干擾水平;E區(qū)指電機(jī)或電機(jī)電纜等。

隨著控制柜電氣功能的增加，柜內(nèi)電磁環(huán)境也變得愈為復(fù)雜。線束上主要是通過掐斷或削弱電磁干擾的傳輸途徑來解決電磁兼容性問題，方法主要有電纜的分級分類和屏蔽。柜體中的線纜應(yīng)遵循IEEE標(biāo)準(zhǔn)或被認(rèn)可的等效標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行信號隔離分類，主要有不大于1000V的電力電纜;220V的報警信號，控制信號和設(shè)備供電電源電纜;24V的報警信號，控制信號和設(shè)備供電電源電纜;設(shè)備信號（通常0-20mA，4-20mA，-10～+10V）電纜;各種網(wǎng)絡(luò)通訊信號電纜。屏蔽的方式可采用金屬線槽、金屬軟護(hù)套管或電纜本身自帶屏蔽層來實(shí)現(xiàn)。

柜體的電氣布線除了考慮設(shè)備的安全外，還要充分考慮操作，維護(hù)人員的人身安全，主要從火災(zāi)和觸電兩方面來考慮?；馂?zāi)的發(fā)生主要誘因在于電纜過載與電氣短路，而電氣短路多是連接松動和絕緣層破損導(dǎo)致，所以首先需要選定足夠的電纜承載能力及絕緣層的壽命與保護(hù)。前者由電氣工程師選定，后者則要求機(jī)械工程師來合理考慮布線路徑與保護(hù)。各型電纜都有各自的最小彎曲半徑。 在線束拐彎的設(shè)計(jì)中， 一定要兼顧到線束所包含的每一根電纜的最小彎曲半徑。 線束的長度要留有一定的余量， 以考慮安裝和熱脹冷縮等不定因素造成的影響。布線路徑盡量避開與金屬邊、角的直接接觸， 實(shí)在避不開的要考慮在金屬邊、角上增加橡膠墊等緩沖物; 另外還要充分考慮線束的固定問題， 確保線束穩(wěn)固， 不與硬物產(chǎn)生摩擦。另外柜體的保護(hù)接地實(shí)際上就是等電位連接，即把外露導(dǎo)電部分（如電器的金屬箱體）用導(dǎo)線連接到柜體，以保持外露導(dǎo)電部分與柜體的等電位。

2 SINAMICS V50動力電纜線束設(shè)計(jì)與工藝標(biāo)準(zhǔn)化

西門子低壓柜體SINAMICS V50 55kw到160kw有六個功率段，其中均使用了大量的動力電纜作為動力電源的傳遞介質(zhì)。在實(shí)際批產(chǎn)的過程當(dāng)中，總是存在大量的電纜浪費(fèi)，電纜布置外觀參差不齊，其根本原因在于動力電纜的長度，及裝配工藝主要取決于不同配線師傅的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。不同批次的產(chǎn)品更換了不同的工人，或者同一批次不同工位的工人一旦輪換，總是會出現(xiàn)不同的配線工藝，以及多多少少的線纜裁減修正的浪費(fèi)。如圖2所示，通過引入NX線束模塊，對其柜體的動力電纜進(jìn)行工程3D建模，并在模型上規(guī)定線纜的長度，布置路徑，綁定位置，連接附件等，從而達(dá)到消除人工配線經(jīng)驗(yàn)的差異造成的線纜的浪費(fèi)，保證動力電纜布線美觀，緊湊可靠。

在V50的動力電纜的裝配中，首先要規(guī)范配線的工藝問題，主要從以下幾方面入手：（1）端頭連接保持一致，針對線鼻子采用螺栓固定的方式，線鼻子與銅排成45°角度連接，保證線鼻子與排貼合完全且彎曲應(yīng)力減小，且線纜長度得到適當(dāng)?shù)臏p小。（2）對于綁線的位置，應(yīng)嚴(yán)格依據(jù)裝配圖給出的梁的位置安裝，標(biāo)準(zhǔn)柜體梁時，給出明顯的孔位區(qū)分;考慮與鄰近支架空間距離充裕，同時從下端端頭連接的角度，應(yīng)用45°連接時，避免下端的線纜應(yīng)力彎曲且縮短線纜長度。（3）為保證電路的磁場平衡，建議此種情況應(yīng)用分組綁的方式。特殊情況下，為保證線纜與電抗之間的壓接良好，需要應(yīng)用轉(zhuǎn)接小銅排來實(shí)現(xiàn)。（4）為了統(tǒng)一線纜的長度，建議規(guī)定線纜的壓線順序：U上-V中-W下;對應(yīng)線纜的裝配順序，主要針對水平走向的線纜，建議裝配順序是從后往前裝配。對于豎直走向線纜的綁線順序，建議規(guī)范綁線的規(guī)則，即兩側(cè)在前，中間在后的綁線方式。（5）接地連接位置一致化：給定線纜的長度后，需要明確給出框架上的接地點(diǎn)位置標(biāo)識，建議在AD圖或零件圖上定義。

除上述工藝方法的標(biāo)準(zhǔn)化之外，我們還需要對動力電纜扎帶的選用及數(shù)量進(jìn)行工程計(jì)算。以SINAMICS V50 132KW 功率柜體為例，Q1-L1線纜用2個綁扎帶，X1-Q1用6個扎帶固定，如圖3所示，主要考慮電路在開關(guān)前后的主回路短路電流的大小不一樣，即經(jīng)過熔斷器保護(hù)后，短路電流減小，相應(yīng)的短路電流發(fā)生時，所產(chǎn)生的短路電流力的大小不一樣，所以在綁扎時，所需要扎帶的束縛力要求不一樣，我們通過比對扎帶應(yīng)力載荷與短路電流力的大小來定義扎帶的選用和數(shù)量位置。

假設(shè)：因?yàn)閷?dǎo)線不同于銅排，線纜的中心距a是一條曲線分布，因此需應(yīng)用函數(shù)來積分，這里假定取中部綁線成捆處距離a=19.5mm（導(dǎo)線直徑），選用扎帶物料號D185066，W=8mm，最小把持力785N。已知132kw X1-Q1在快熔之前，短路電流為49.0KA，110kw Q1-L1在快熔之后，短路電流為17.3KA。由下面公式（參見DIN IEC 60865-1）計(jì)算短路電流力（β=1），L指支撐件的間距a指導(dǎo)體的中心距離，isk為短路電流：

Fmax=1.73×10-7Lai2sh×β

①取中部綁線，一根扎帶固定時，L取線纜連接兩段距離的一半：

X1-Q1，L=0.251m，a=0.0195mm，isk=49000A，F(xiàn)=5347N

L1-Q1，L=0.2835m，a=0.0195mm，isk=17300A，F(xiàn)=753N

一根扎帶固定時，L1-Q1段的短路電流力雖然接近且小于785N，但存在安全風(fēng)險，所以應(yīng)至少用兩個扎帶;X1-Q1段的短路電流力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于785，不滿足安裝要求。

②取中部綁線，至少兩根扎帶時，L取扎帶之間的距離：

X1-Q1，取L=0.020m，a=0.0195mm，isk=49000A，F(xiàn)=426N

L1-Q1，取L=0.08m，a=0.0195mm，isk=17300A，F(xiàn)=212N

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)扎帶的有效系數(shù)為10%，所以在計(jì)算扎帶數(shù)量時，每根扎帶的有效力為785x10%=78.5N，所以可得：

X1-Q1的扎帶數(shù)量為：：426÷78.5≈5.4

Q1-L1的扎帶數(shù)量為：212÷78.5≈2.7

考慮線纜兩端有力支撐，且公式中L與a的關(guān)系：

對于X1-Q1扎帶之間的距離已經(jīng)足夠?。ㄚ吔诰€徑，當(dāng)L距離縮小為零時，同①，扎帶數(shù)量為5347÷785=6.811，且扎帶寬度w=8，總包裹長度為7x8=56mm），若取扎帶數(shù)量為6，此時L=22mm;若取扎帶數(shù)量為5，此時L=18mm;因此綜合考慮以上分析，取扎帶數(shù)量為6，且需要在中部位置捆綁，兩兩之間距離約為20mm左右。

對于Q1-L1的捆綁，若取扎帶數(shù)量為2時，對應(yīng)的L=60mm;若取扎帶數(shù)量為3時，L=90mm;因此綜合考慮以上分析，取扎帶數(shù)為2，且需要在中部捆綁，兩扎帶之間距離最大為60mm。

由上訴分析可知：Q1-L1的線纜可在中部位置用兩根扎帶綁定，且兩根扎帶時，它們之間的距離最大為60mm。X1-Q1處于電網(wǎng)進(jìn)線端，為保證綁扎緊實(shí)安全，需要在中部位置應(yīng)用6個扎帶綁捆，且倆倆之間的距離約為20mm左右（最大22mm）。

通過規(guī)范工人的配線工藝方法，大線成型線束的長度即可統(tǒng)一給出，由以往的工人現(xiàn)場手測后再有大線組裁線制作，變?yōu)橛裳邪l(fā)直接給出定長的線纜列表制作大線，提高效率和減少因人為手配造成的線纜浪費(fèi)。

3 線束的標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)字化管理

對于SINAMICS V50動力電纜的線束標(biāo)準(zhǔn)化和版本管理，主要通過NX輸出的線纜長度與物料清單，抽象成具體產(chǎn)線使用的工藝指導(dǎo)文檔及標(biāo)準(zhǔn)線纜預(yù)裝單來控制，如圖4所示，這些工藝文檔及標(biāo)準(zhǔn)線纜預(yù)裝單上傳至Teamcenter產(chǎn)品周期管理系統(tǒng)中對應(yīng)的層級結(jié)構(gòu)中，一方面設(shè)計(jì)人員可以及時進(jìn)行修改，添加及替換最新的變更;另一方面產(chǎn)線工人隨時都能進(jìn)行訪問，查看并下載到本地，指導(dǎo)其現(xiàn)場制作線束和裝配大線。

本文以SINAMICS V50動力電纜的線束設(shè)計(jì)與工藝標(biāo)準(zhǔn)化為案例，總結(jié)歸納了NX線束模塊應(yīng)用中須考慮的關(guān)鍵步驟和線束布置的基本原則，并對其設(shè)計(jì)輸出進(jìn)行了一定程度的共享管理方法的引入。在快速產(chǎn)品開發(fā)流程中，技術(shù)人員可以靈活的引入其中的部分方法與原則，生成適合項(xiàng)目階段所需的技術(shù)文檔，指導(dǎo)和規(guī)范機(jī)械及電氣設(shè)計(jì)的相關(guān)問題，并及時的整理與修正，從而保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的順利完成，更重要的是在于線束設(shè)計(jì)的平臺化，可視化，是大數(shù)據(jù)時代和工業(yè)4.0的必然趨勢。

參考文獻(xiàn)

[1]李宏，王玉磊.基于 CATIA 三維布線的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力，2016，（1）：85-87.

[2]王生波.工程機(jī)械電氣系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)應(yīng)用研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2016：2-6.