（中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，西安 710016）

0 引言

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)應(yīng)用研究的不斷深入，極大的推動(dòng)了三維CAD設(shè)計(jì)[1]軟件的飛速發(fā)展?；谌SCAD軟件的快速線纜自動(dòng)布局[2]技術(shù)應(yīng)用也成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

變流器內(nèi)電器件眾多，空間較為緊湊，線束分布比較密集，項(xiàng)目的交期緊張。如何能在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，運(yùn)用三維CAD技術(shù)，提升變流器的模塊化、協(xié)同化設(shè)計(jì)，在項(xiàng)目研發(fā)設(shè)計(jì)階段加強(qiáng)驗(yàn)證，避免不必要的布線工藝返工和生產(chǎn)浪費(fèi)，是應(yīng)深入研究的重要課題。變流器中有大量的線纜，線纜對(duì)柜體的結(jié)構(gòu)布局有很大的影響，變流器的設(shè)計(jì)得越來(lái)越緊湊，變流器內(nèi)能容納所需的電纜，內(nèi)部元器件的布置能否滿足線纜的折彎要求，線纜在變流器內(nèi)如何固定，都是需要考慮的問(wèn)題。同時(shí)，設(shè)計(jì)變流器時(shí)要考慮試驗(yàn)調(diào)試、客戶端設(shè)備端接線、狀態(tài)檢查和維修。因此，提出一種基于Creo2.0[3]的三維自動(dòng)布線技術(shù)，在數(shù)字化樣機(jī)上階段完成項(xiàng)目研發(fā)設(shè)計(jì)階段的評(píng)審，交流設(shè)計(jì)思路，推進(jìn)企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化研發(fā)流程。

1 三維自動(dòng)布線概念介紹

使用三維設(shè)計(jì)的纜模塊進(jìn)行三維布線后可以生成完整的數(shù)字化樣機(jī)[4]，該數(shù)字化樣機(jī)不僅包括結(jié)構(gòu)件、電氣元件的布置、也包括電纜的進(jìn)出線方式、線纜在變流器內(nèi)的布置、線纜和接插件的選型、線纜的捆綁方式等。三維自動(dòng)布線涉及線軸、元器件、連接器等概念。

1.1 線軸

線軸[5]類似于實(shí)際線軸，可用來(lái)按需要卷起一定量的纜或線。線軸是一些參數(shù)的集合，比如：顏色、量規(guī)等等，常見參數(shù)和含義如表1所示。為此，按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)定，規(guī)范線軸的物料編碼、物料信息和參數(shù)定義，在電氣設(shè)計(jì)時(shí)直接調(diào)取。

表1 線軸參數(shù)定義

1.2 連接器

電氣設(shè)計(jì)中的接插件。一般由插頭和插座組成，一端安裝在設(shè)備上，一端與電纜固定在一起。例如插針、壓接端子、線環(huán)等。連接器是帶參數(shù)的零件，使用這些參數(shù)可以定義線、纜的連接位置。連接器模型會(huì)在出現(xiàn)邏輯引用時(shí)作為參考。連接器通常包括表示實(shí)際連接器的實(shí)體幾何。它們必須至少包含一個(gè)坐標(biāo)系，用作線或纜的入口端[6]。為配合三維自動(dòng)布線，能夠單獨(dú)提取完整的線束設(shè)計(jì)物料BOM和線束工程圖，便于采購(gòu)、物料生產(chǎn)準(zhǔn)備，則將變流器電氣設(shè)計(jì)中線纜端頭處理使用的插針、線環(huán)、接線片、光纖插頭等全部納入連接器范疇。

1.3 元件

元件主要指在電氣電纜設(shè)計(jì)中涉及到的一些儀器設(shè)備或者起電氣連接作用的物料。在變流柜電路中元件除去常見的電器件之外還有一些起電氣連接作用的螺栓、復(fù)合母排、銅排等。通過(guò)對(duì)其電氣接頭進(jìn)行定義，方便后續(xù)接線識(shí)別和電氣工程師和機(jī)械工程師的并行設(shè)計(jì)。

2 三維自動(dòng)布線關(guān)鍵技術(shù)

在數(shù)字樣機(jī)上進(jìn)行三維數(shù)字化布線時(shí)需要參考實(shí)際變流柜的結(jié)構(gòu)幾何，如箱體、障礙物（如螺絲孔或筋）以及其他可以輔助布線的幾何。線纜的首末位置也需要通過(guò)裝配的連接器的插針或端子的坐標(biāo)系或者位置作為幾何參考。使用各種數(shù)據(jù)共享特征將以上幾何及參考傳遞到線纜裝配是三維布線首先需要解決的問(wèn)題。電纜連接位置通過(guò)電氣邏輯數(shù)據(jù)來(lái)體現(xiàn)。借助電氣設(shè)計(jì)軟件生成能夠?yàn)槿S設(shè)計(jì)軟件所識(shí)別的包含元器件、連接的線纜，及線纜的自和至的信息的電氣連接邏輯數(shù)據(jù)。通過(guò)“導(dǎo)入”操作，可將原理圖中已經(jīng)設(shè)置好的電氣邏輯連接信息傳入到三維設(shè)計(jì)環(huán)境中，完成電氣連接關(guān)系與三維模型的匹配指定。在規(guī)劃線纜布局的基礎(chǔ)上，讀取線軸可生成該數(shù)字樣機(jī)的三維線束模型和線束工程圖。其中。變流器的三維自動(dòng)布線流程如圖1所示。

3 基于Creo2.0的變流器的三維自動(dòng)布線實(shí)施

Creo2.0軟件是由PTC公司推出的集參數(shù)化、直接建模技術(shù)、三維可視化技術(shù)與一體的新型CAD系統(tǒng)[6]。它具備互操作性、開放、易用等特點(diǎn)。文中以變流器為例，開展基于Creo2.0的變流器內(nèi)部三維線束的設(shè)計(jì)過(guò)程。

3.1 創(chuàng)建線纜裝配結(jié)構(gòu)

圖1 變流器三維自動(dòng)布線流程

線纜設(shè)計(jì)不只是電氣設(shè)計(jì)的一部分，對(duì)于變流器，還關(guān)聯(lián)其設(shè)計(jì)、研發(fā)、工藝、加工制造的各個(gè)環(huán)節(jié)。線纜的設(shè)計(jì)部不單是完成電氣信號(hào)的邏輯關(guān)聯(lián)，最后仍需以標(biāo)準(zhǔn)的工程圖紙傳遞給后續(xù)工序，完成物料統(tǒng)計(jì)輸出，以便于采購(gòu)準(zhǔn)備、下料，實(shí)際柜體走線，完成整體線纜布局。為了加快產(chǎn)品的研發(fā)周期，變流器的數(shù)字化樣機(jī)設(shè)計(jì)階段需要合理的劃分裝配結(jié)構(gòu)，劃分相對(duì)獨(dú)立的線纜裝配結(jié)構(gòu)，方便于線纜的修改不致影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。劃分線纜裝配結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)注意：1）先規(guī)劃好線纜裝配結(jié)構(gòu)再開始線束模型的設(shè)計(jì)；2）總系統(tǒng)框架和各個(gè)分系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)遵循自頂向下，各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)則采用并行設(shè)計(jì)；3）系統(tǒng)中各物料遵循本公司編碼規(guī)定，為唯一辨識(shí)碼，不影響理解；4）各分系統(tǒng)的劃分應(yīng)結(jié)合變流器電氣功能和物理位置分布接近。結(jié)合變流柜的實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目管理經(jīng)驗(yàn)，建立如圖2所示的線纜子裝配結(jié)構(gòu)。

圖2 線纜子裝配劃分

3.2 配置線纜骨架

變流器的設(shè)計(jì)采用自頂向下的正向設(shè)計(jì)，引入骨架[8]概念，提出一種適用于變流器的兩級(jí)骨架的設(shè)計(jì)模式：線纜裝配總骨架-分系統(tǒng)子骨架。

首先建立線纜子裝配總運(yùn)動(dòng)骨架。將相關(guān)電氣設(shè)備、入口端坐標(biāo)系、箱體、支架等繼承到變流器的線纜子總成的骨架中。當(dāng)變流器總裝配結(jié)構(gòu)中由于客戶要求或者工藝改進(jìn)等引起變更時(shí)出現(xiàn)不可修復(fù)的線纜特征失敗風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，可以在變流器線纜子總成中預(yù)先修改布線方式來(lái)規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，而且可以將可能的線纜失敗風(fēng)險(xiǎn)控制在子總成中而不影響變流器的總裝配。

其次根據(jù)變流柜的結(jié)構(gòu)或者功能劃分，建立各個(gè)分系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)子骨架。在各個(gè)分系統(tǒng)中利用收縮包絡(luò)[9]，一次性選擇多個(gè)零件作參照，將其收縮到各分系統(tǒng)子骨架模型中，作為視覺參照，指導(dǎo)變流器各分系統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)。對(duì)于分布于單個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)部的線束可以直接在子骨架中進(jìn)行裝配，以此節(jié)省計(jì)算機(jī)資源。配置的線纜骨架如圖3所示。

圖3 線纜骨架

3.3 匹配指定電氣連接

導(dǎo)入邏輯數(shù)據(jù)后，通過(guò)自動(dòng)指定功能可以完成電氣邏輯的起始點(diǎn)定義，還可通過(guò)組裝，將缺少的端子裝配到參考設(shè)計(jì)所標(biāo)識(shí)的位置，為線纜的進(jìn)出位置提供物理和電氣信號(hào)連接點(diǎn)參考。

3.4 創(chuàng)建線束零件

針對(duì)變流器內(nèi)部的三維線束設(shè)計(jì)，不僅需要考慮到電壓等級(jí)，還需要兼顧相關(guān)聯(lián)的電器件之間的位置關(guān)系。對(duì)會(huì)產(chǎn)生電磁干擾的線、纜需要放置在單獨(dú)的腔體或者屏蔽套中。對(duì)于有電路信號(hào)相連的電器件則盡量放置于同一線束中，遵循強(qiáng)弱電分離、交直流電路隔離、高低壓分開等原則[10]，還要兼顧設(shè)計(jì)階段的評(píng)審和論證時(shí)涉及到的修改便于查詢和管理。

3.5 布局線纜網(wǎng)絡(luò)

線纜網(wǎng)絡(luò)指線進(jìn)出指定連接器時(shí)所必經(jīng)的位置點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。變流器的線或纜可以在與其指定的連接器最接近的位置進(jìn)入和退出網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)將優(yōu)先級(jí)分配給網(wǎng)絡(luò)中的不同定位點(diǎn)，可控制通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的電線路徑和布局，指導(dǎo)線束的走形和布局。

通過(guò)布線網(wǎng)絡(luò)設(shè)定，完成對(duì)變流器內(nèi)部線束的走形、分支等進(jìn)行規(guī)劃。兼顧電磁兼容、強(qiáng)弱電分離、工藝可行性等方面，規(guī)劃的線纜路徑示意如圖4所示，應(yīng)注意：

1）創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)應(yīng)規(guī)劃好線纜的主路徑、分支點(diǎn)，切忌在相同路徑處重復(fù)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)。

2）為了使最終沿網(wǎng)絡(luò)生成的線纜不與柜體干涉及創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)更加方便和后期修改，在創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)前應(yīng)該在要?jiǎng)?chuàng)建網(wǎng)絡(luò)路徑的地方，先創(chuàng)建一個(gè)偏移基準(zhǔn)面，再在基準(zhǔn)面上繪制軌跡曲線。創(chuàng)建的偏移基準(zhǔn)面和軌跡線建議放在線纜總骨架中。

3）通過(guò)網(wǎng)絡(luò)布線時(shí)，網(wǎng)格點(diǎn)間距要大于線纜的最小折彎半徑，否則出現(xiàn)線纜打結(jié)，無(wú)法生成等情況。

圖4 線纜路徑示意

3.6 布線纜

實(shí)際生產(chǎn)中，變流器內(nèi)部的線束按照電壓等級(jí)劃分為A、B、C三類線束。根據(jù)3.5規(guī)劃的路徑方式一次性生成多根導(dǎo)線或纜，以提高設(shè)計(jì)效率。在設(shè)計(jì)工程隨時(shí)同布線工藝師溝通，調(diào)整修改生成的線或纜，使得線束的走向、路徑規(guī)劃更加靈活自由，貼合實(shí)際。此案例生成的變流器線纜如圖5所示。

圖5 變流器內(nèi)部線束

變流器三維線束設(shè)計(jì)完成后，可通過(guò)線束展平功能，制作布線板，規(guī)范指導(dǎo)線束車間下線、布線等工序，滿足變流柜批量生產(chǎn)需求。展平的線束如圖6所示。

圖6 展平后的線束

通過(guò)Creo2.0的纜、線束模型報(bào)告參數(shù)，開發(fā)配置適合本企業(yè)的線束工程圖模板及線束BOM信息表。線束BOM信息表可動(dòng)態(tài)鏈接至線束設(shè)計(jì)，并根據(jù)連接器和參數(shù)值的變化自動(dòng)進(jìn)行更新，確保數(shù)據(jù)的一致性。其中關(guān)鍵報(bào)告參數(shù)如下：

序號(hào)：&rpt.index

代號(hào)：&asm.mbr.drawingno

名稱：&asm.mbr.cname

材料：&asm.mbr.material

數(shù)量：&rpt.qty

列出線束模型中所用的線軸名稱：&harn.spool.cname

列出線束模型中中線、纜或線束的名稱：&harn.run.cname

列出所有線或纜連接的首末兩端的連接器名稱：&harn.run.cond.from/to.pin.cname

列出線束模型中所有線或纜連接的首末兩端的連接器接頭位置：&harn.run.from/to.conn.name

開發(fā)配置參數(shù)模板，導(dǎo)出包含線纜BOM信息的工程圖，如圖7所示，用于線束、接插件的采購(gòu)以及車間下線、線束制作工藝。從設(shè)計(jì)源頭保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)提高企業(yè)的智能制造水平。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了三維自動(dòng)布線技術(shù)的基本概念和關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)闡述了采用兩級(jí)骨架設(shè)計(jì)模式的基于Creo2.0的面向變流器線纜的布線案例，并研究開發(fā)了適合本企業(yè)的線束工程圖模板線纜信息BOM表，應(yīng)用于變流器生產(chǎn)。三維自動(dòng)布線的實(shí)施一方面為實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)不同部門間的機(jī)電協(xié)同設(shè)計(jì)提供了新的思路。另一方面為企業(yè)開展全三維正向設(shè)計(jì)，信息化和工業(yè)化的深度融合，推動(dòng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展發(fā)揮重大作用。

圖7 線纜BOM信息