竇明佳 方偉家 陳敏

摘 ?要：本文介紹了Capital與CATIA在整車電氣系統(tǒng)設(shè)計中的數(shù)據(jù)交互過程以及如何運(yùn)用Capital和CATIA各自的優(yōu)勢進(jìn)行車輛電氣系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計，并結(jié)合實際項目經(jīng)驗著重闡述運(yùn)用Capital 進(jìn)行原理設(shè)計、拓?fù)湓O(shè)計、自動合成導(dǎo)線的方法以及運(yùn)用CATIA進(jìn)行3D線束設(shè)計的注意事項，最后闡述了如何在Capital HarnessXC通過橋接輸入3D數(shù)據(jù)以及同步拓?fù)鋽?shù)據(jù)形成2D線束圖紙。該設(shè)計方法是目前飛機(jī)、汽車行業(yè)先進(jìn)的電氣系統(tǒng)設(shè)計方法，在實現(xiàn)ECAD與MCAD數(shù)據(jù)交互的同時保證了設(shè)計的準(zhǔn)確性以及設(shè)計效率的提高。

關(guān)鍵詞：Capital;CATIA;數(shù)據(jù)交互;協(xié)同設(shè)計

中圖分類號：U463.62 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1005-2550（2021）03-0035-06

The Collaborative Design Method of electrical System Based on Capital and CATIA

DOU Ming-jia， FANG Wei-jia， CHEN Min

（ VOYAH Automobile Technology Company，Wuhan 430056， China ）

Abstract： This Paper introduces the Capital and CATIA data interaction in the process of vehicle electrical system design，and how to use Capital and CATIA their advantages to collaborative design，and combined with actual project experience focuses on scheme design，topology design，automatic synthesis method，and using CATIA 3D of the wire harness design considerations，finally elaborated how to bridge in 3D Data from CATIA and Synchronization data from Topology in Capital HarnessXC.The design method is an advanced electrical system design method for aircraft and automobile industries at present.It not only realizes ECAD and MCAD data interaction，but also ensures the accuracy and efficiency of the design.

Key Word： ?Capital; CATIA; Data Interaction; Collaborative Design

竇明佳

畢業(yè)于華北水利水電大學(xué)，學(xué)士學(xué)位?，F(xiàn)就職于嵐圖汽車科技公司，任工程師，主要研究電子電氣架構(gòu)，已發(fā)表論文5篇。

1 ? ?引言

車輛電氣系統(tǒng)的設(shè)計分為電氣原理設(shè)計、3D線束布置設(shè)計以及線束2D圖紙工程設(shè)計，在電氣原理設(shè)計的過程中需要校核關(guān)鍵用電器的回路壓降，避免電源回路壓降過大對電器性能造成影響，同時導(dǎo)線回路壓降校核需要的關(guān)鍵信息-導(dǎo)線長度需要來自3D物理布線。而對于3D線束布置設(shè)計為了在設(shè)計階段早期發(fā)現(xiàn)干涉、安裝空間狹小等問題則需要相對準(zhǔn)確的線束截面直徑信息，而線束截面直徑的大小則由通過該線束端的導(dǎo)線數(shù)量及導(dǎo)線規(guī)格決定，導(dǎo)線數(shù)量及規(guī)格信息通常來源與電氣原理設(shè)計及電氣拓?fù)湓O(shè)計階段。另外在2D圖紙設(shè)計階段，需要原理設(shè)計的整車導(dǎo)線回路信息以及3D線束布置的線束長度、固定件位置信息。因此為了保證電氣系統(tǒng)設(shè)計的質(zhì)量，電氣原理設(shè)計、3D線束布置設(shè)計以及線束2D圖紙設(shè)計過程需要不斷的數(shù)據(jù)交互，而目前多數(shù)公司依靠人工統(tǒng)計導(dǎo)線回路長度、依靠Excel表計算線束截面，設(shè)計師手動將3D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到2D圖紙中，數(shù)據(jù)不能復(fù)用，人工統(tǒng)計計算工作量大，無法滿足不斷縮短的整車開發(fā)周期要求。

因為Mentor Graphics 公司的Capital產(chǎn)品在車輛電氣系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域的領(lǐng)先性，大型OEM普遍采用Capital進(jìn)行整車電氣原理設(shè)計、線束2D圖紙設(shè)計，而3D線束布置設(shè)計通常由Dassault公司的CATIA電氣模塊完成，本文介紹的自動化線束設(shè)計方法結(jié)合了Capital和CATIA各自的優(yōu)勢進(jìn)行電氣系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計，保證了設(shè)計的準(zhǔn)確性及可靠性，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效復(fù)用，縮減設(shè)計師的工作量，同時縮短了整車電氣系統(tǒng)的開發(fā)周期。

2 ? ?Capital與CATIA電氣系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計流程

Capital與CATIA 電氣系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計流程如圖一所示。

該設(shè)計流程首先依據(jù)企業(yè)的圖紙風(fēng)格及設(shè)計約束規(guī)則在Capital中進(jìn)行定制化設(shè)置，該設(shè)置可應(yīng)用于企業(yè)所有整車平臺電氣系統(tǒng)開發(fā)，然后通過Capital Library搭建企業(yè)的線束零部件數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)管理及共享，有利于平臺化的開展縮減零件種類及開發(fā)成本，接下來可按照項目劃分在Capital Logic中繪制各項目的電氣系統(tǒng)原理圖，然后將Capital Logic繪制的原理圖中的電器設(shè)備通過Capital Integrator映射到物理線束拓?fù)渖?，接下來可在Capital Integrator中進(jìn)行整車所有導(dǎo)線的路徑規(guī)劃及整車線束種類（Harness Level）的生成，同時自動生成焊接點(diǎn)、自動導(dǎo)線合成，自動生成2D導(dǎo)線回路表，從而保證原理設(shè)計數(shù)據(jù)復(fù)用，原理到線束數(shù)據(jù)一致，無需人工輸入導(dǎo)線回路，從而使設(shè)計人員主要關(guān)注功能實現(xiàn)原理而避免重復(fù)簡單的勞動。3D線束設(shè)計主要使用CATIA 電氣設(shè)計模塊Electrical Part Design（EPD）進(jìn)行線束零件3D數(shù)據(jù)電氣屬性的添加及維護(hù)，同時通過CATIA的目錄編輯器（Catalog Editor）可進(jìn)行線束零件3D數(shù)據(jù)的管理。接下來通過Electrical Assembly Deisgn（EAD）進(jìn)行電器設(shè)備的安裝及線束零件的安裝，然后通過Electrical Harness Installation（EHI）模擬物理線束的敷設(shè)，完成線束敷設(shè)的初版數(shù)據(jù)可以通過Capital與CATIA的數(shù)據(jù)橋接接口導(dǎo)入Capital Integrator中展平調(diào)整后形成物理線束拓?fù)?，用于?dǎo)線的路徑規(guī)劃。在Capital Integrator完成導(dǎo)線的合成及線束等級的生成后可導(dǎo)入CATIA在Electrical Wire Routing（EWR）將導(dǎo)線在物理線束中進(jìn)行路由[1]，依據(jù)CATIA中內(nèi)嵌的算法計算線束段的截面直徑并自動更新3D線束。最后可將CATIA中3D線束的分支長度、節(jié)點(diǎn)位置、卡扣、包覆物等信息導(dǎo)入Capital HarnessXC，同時將Capital Integrator中設(shè)計完成的導(dǎo)線回路、焊接點(diǎn)、線束種類等信息導(dǎo)入Capital HarnessXC中調(diào)整布局可形成線束2D圖紙。

2.1 ? Capital ?Logic電氣原理設(shè)計

原理設(shè)計根據(jù)ICD（Interface control Document） 中定義的接口以及架構(gòu)輸出的功能邏輯圖繪制信號（Net）連接圖，標(biāo)識了各電器模塊之間依靠導(dǎo)線進(jìn)行功能實現(xiàn)的原理。因為目前客戶定制化需求的逐步增加，車輛的功能配置也逐步復(fù)雜，在原理設(shè)計時要合理的劃分子系統(tǒng)原理、合理設(shè)置原理中設(shè)備的配置選型（Option），這對于后續(xù)自動合成導(dǎo)線的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。

2.2 ? CATIA 3D線束布置

在進(jìn)行3D線束布置之前可通過EPD（Electrical Part Design）模塊進(jìn)行線束連接器定義、支撐固定件定義、包覆物定義并通過Catalog（目錄編輯器）數(shù)據(jù)庫管理工具進(jìn)行零件的分類管理，同時在建立3D零件名稱及零件號時要和Capital Library中對應(yīng)零件的名稱和零件號保持一致，然后在Electrical 3D Design Assembly模塊進(jìn)行焊接點(diǎn)的定義，然后在Electrical Assembly Design模塊將連接器、支撐固定件安裝在整車環(huán)境里，接下來可通過Electrical Harness Assembly和Electrical Harness Installation模塊進(jìn)行線束的走向布置，值得注意的是在創(chuàng)建幾何線束的時候，幾何線束的結(jié)構(gòu)樹盡量按照線束附件種類分類（如圖2），每個零部件存放在相應(yīng)的部件類下，一個線束總成的所有線束分支要放置在一個多分支結(jié)構(gòu)樹下[2]，線束直徑可根據(jù)經(jīng)驗粗略輸入，待后期導(dǎo)線路由后再自動精確計算。

2.3 ? Capital Integrator自動導(dǎo)線合成

該模塊是Capital生成式設(shè)計的核心模塊，可通過將CATIA繪制的3D線束導(dǎo)入Capital Integrator中創(chuàng)建整車線束拓?fù)?，拓?fù)鋱D中包含整車用電器的2D平面位置，線束分段（根據(jù)裝配工藝分開的線束零件），導(dǎo)線路由通道（Bundle）長度、節(jié)點(diǎn)連接器位置及型號等信息。根據(jù)3D線束布局創(chuàng)建完整車拓?fù)浜?，可通過生成列表關(guān)聯(lián)Capital Logic繪制的電氣原理圖，設(shè)置規(guī)則自動將原理中電器設(shè)備放在在整車拓?fù)渲?，自動整理接地設(shè)備，然后根據(jù)整車配置表進(jìn)行車型配置定義，最后通過Capital Integrator中CWS（Composite Wiring Synthesis）自動導(dǎo)線合成、焊接點(diǎn)生成、線束等級生成。值得注意的時在Capital Integrator中輸入的車型配置定義要和企劃部門輸入的整車配置表對應(yīng)，同時，自動合成導(dǎo)線的約束規(guī)則設(shè)置要結(jié)合企業(yè)知識庫，并根據(jù)企業(yè)知識庫定制開發(fā)相應(yīng)的約束規(guī)則。另外，在Capital Integrator中進(jìn)行自動合成導(dǎo)線操作后，第一次并不能生成完美的設(shè)計，需要運(yùn)用工具的DRC（Design Rule Check）進(jìn)行設(shè)計檢查，對于暴露的問題按照指引逐個解決，從而重新執(zhí)行自動導(dǎo)線生成操作，在進(jìn)行多次上述操作后，保證DRC檢查無任何錯誤則可進(jìn)行發(fā)布。

2.4 ? CATIA導(dǎo)線路由與線束截面計算

2.4.1 Capital接線數(shù)據(jù)導(dǎo)入CATIA

Capital Integrator自動合成的整車導(dǎo)線可通過CATIA與Capital的接口插件導(dǎo)入CATIA，CATIA與Capital的交互模式分為兩種：“線上傳輸模式”和“線下導(dǎo)入導(dǎo)出模式”，“線上傳輸模式”快捷且減少中間環(huán)節(jié)出錯的概率，因此可在Capital Integrator中橋接選型設(shè)置CATIA V5接線數(shù)據(jù)連接狀態(tài)，同時將CATIA Electrical Assembly Design模塊中Capital Project Management對話框Capital Data Access處于Connected狀態(tài)，在Capital Integrator中點(diǎn)擊Bridge out命令則CATIA中自動出現(xiàn)接收到拓?fù)鋽?shù)據(jù)對話框（如圖3），點(diǎn)擊確定則Capital中接線數(shù)據(jù)自動傳遞至CATIA。

2.4.2 Caital與CATIA數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

通過Capital-CATIA Links Management對話框可實現(xiàn)Capital中線束連接器與CATIA中線束連接器自動關(guān)聯(lián)，自動關(guān)聯(lián)的前提是Capital中連接器的名稱及零件號要與CATIA零件屬性中定義的實例名稱及零部件編號一致，同時還需要將Capital自動合成導(dǎo)線生成的焊接點(diǎn)放在在物理線束上，放置焊接點(diǎn)的過程可依據(jù)Capital Integrator中自動生成的焊接點(diǎn)在2D線束拓?fù)渲械奈恢檬謩臃胖迷?D線束分支上，在Capital-CATIA Links Management對話框選擇需要放置的焊接點(diǎn)此時在Capital Integrator 拓?fù)渲袑?yīng)高亮相應(yīng)的焊接點(diǎn)（如圖4），從而便于設(shè)計人員同時看到同一焊接點(diǎn)在兩個設(shè)計軟件的狀態(tài)，提高了放置焊接點(diǎn)操作的便利性。

2.4.3 導(dǎo)線自動路由

在完成焊接點(diǎn)的放置后可在Electrical Wiring Routing模塊進(jìn)行導(dǎo)線的自動路由，自動路由后通過自動路由報告可分析導(dǎo)線的路由情況（如圖5），同時所有的3D線束段變紅，更新線束段后導(dǎo)線的直徑、截面會根據(jù)該線束段路由的導(dǎo)線規(guī)格及數(shù)量通過CATIA內(nèi)置的算法自動計算。導(dǎo)線路由會顯示部分導(dǎo)線不能成功路由，此時可能是CATIA 3D線束段未連接，可通過NetWork Assistant檢查線束的連接狀態(tài)。

CATIA計算線束截面有兩種算法：標(biāo)準(zhǔn)算法和FLEX算法，為了更準(zhǔn)確的反應(yīng)實際物理線束形態(tài)通常選擇FLEX算法，F(xiàn)LEX有限元算法考慮線束防護(hù)、內(nèi)部焊接點(diǎn)、導(dǎo)線和導(dǎo)線組[3]，當(dāng)完成導(dǎo)線在線束端的布線后線束端的硬度及彎曲半徑會根據(jù)所通過導(dǎo)線和導(dǎo)線組的特性變化。對于線束端放置有焊接點(diǎn)時，F(xiàn)LEX算法會考慮在CATIA Electrical Library中定義的焊接點(diǎn)長度及等效厚度信息。

2.5 ? Capiatl HarnessXC 2D線束圖紙設(shè)計

2.5.1 CATIA 3D線束導(dǎo)入到Capital HarnessXC進(jìn)行展平

在Capital HarnessXC橋接連接特性選擇CATIA 線束橋接，為了保證數(shù)據(jù)傳遞的便利性及一致性通常選擇“線上傳輸模式”，在CATIA中通過Capital HarnessXC Interface接口導(dǎo)出線束數(shù)據(jù)，此時Capital HarnessXC變更管理對話框會同時顯示已接收到的數(shù)據(jù)，通過在Capital Project設(shè)置MCAD數(shù)據(jù)變更策略可控制CATIA線束數(shù)據(jù)中同步到Capital HarnessXC 2D線束圖紙中的信息，通常會選擇只同步CATIA 3D線束的線束段長度、節(jié)點(diǎn)位置、防護(hù)層的起止點(diǎn)等信息，而導(dǎo)線回路及焊接點(diǎn)等電氣信息可從Capital Integrator中同步過來。通過變更管理對話框可管理外部MCAD數(shù)據(jù)更新到Capital的過程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)更改的過程控制，從而避免未被設(shè)計人員識別到的數(shù)據(jù)更改。

2.5.2 Capital Integrator電氣信息導(dǎo)入Capital HarnessXC

在完成CATIA 3D數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，需要將Capital Integrator拓?fù)渲泻铣傻膶?dǎo)線信息、焊接點(diǎn)信息、線束等級信息同步到Capital HarnessXC中，在生成列表添加要同步的源拓?fù)湟约敖邮胀負(fù)鋽?shù)據(jù)的線束圖紙，設(shè)置電氣信息的變更策略，通過同步線束設(shè)計對話框可將Capital Integrator中設(shè)計數(shù)據(jù)同步到線束圖紙中。在項目實際開展過程中原理變更后數(shù)據(jù)同步到線束2D圖紙中可通過模擬同步，從而在不改變圖紙的情況下通過同步詳情對話框查看數(shù)據(jù)變化的內(nèi)容，設(shè)計人員在識別所有的變化是正確的情況下，再使用同步線束設(shè)計將變更數(shù)據(jù)更新到2D線束圖紙。

2.5.3 Capital HarnessXC 線束2D圖紙圖面調(diào)整

將CATIA 3D線束數(shù)據(jù)和Capital Integrator中電氣信息導(dǎo)入Capital Harness 2D圖紙后，檢查圖紙中每個節(jié)點(diǎn)是否都放置連接器、連接器導(dǎo)線回路表，同時選擇卡扣視圖方向、安裝方向等，然后通過設(shè)置規(guī)則一鍵自動放置焊接點(diǎn)，從而優(yōu)化焊接點(diǎn)在線束上的放置位置，然后通過平衡焊接點(diǎn)可自動計算連接焊接點(diǎn)的導(dǎo)線出現(xiàn)方向，焊接點(diǎn)放置后可根據(jù)導(dǎo)線路徑自動計算導(dǎo)線回路表中每根導(dǎo)線的長度，然后通過零部件選擇可對導(dǎo)線、多芯線、焊接點(diǎn)、熱縮管 膠帶、套管等線束附件調(diào)用Capital Library庫零件，同時可通過孔位部件管理可自動選擇連接器內(nèi)匹配的端子、盲堵、防水栓零件號，而這些零件的類型及匹配關(guān)系需要事先在Capital Library中進(jìn)行建立。然后通過圖紙風(fēng)格設(shè)置可以在圖面顯示導(dǎo)線回路總表、多芯線表、物料清單以及衍生線束配置表等信息，最后進(jìn)行DRC（設(shè)計規(guī)則檢測）將檢查出的錯誤更改后可打印輸出PDF/DXF/CGM/SVG格式圖紙文件指導(dǎo)下游線束供應(yīng)商進(jìn)行線束的生產(chǎn)制作。

3 ? ?具體車型電氣系統(tǒng)設(shè)計

目前在某款新能源輕卡車型的電氣系統(tǒng)設(shè)計過程中根據(jù)車型配置情況將整車電氣系統(tǒng)劃分為23個子系統(tǒng)原理，這23個子系統(tǒng)原理圖在Capital logic中繪制完畢并通過軟件驗證通過后，可由生成列表（Bulid List）傳遞至下游。

在Capital Integrator中通過橋接將CATIA繪制的車架3D線束導(dǎo)入Capital展平形成車架線束拓?fù)洌ㄈ鐖D7），接下來關(guān)聯(lián)原理設(shè)計，將上述23個子系統(tǒng)原理中的電器設(shè)備、接地根據(jù)預(yù)先設(shè)置的規(guī)則自動放置到拓?fù)鋵?yīng)插槽中，然后輸入該平臺車型的三個實例化車型配置，執(zhí)行自動合成導(dǎo)線操作，生成721條導(dǎo)線，142個焊接點(diǎn)，車架線束生成3個線束等級分別適配三個車型的不同配置需求。

最后將CATIA完成的車架線束3D數(shù)據(jù)通過橋接端口導(dǎo)入Capital HarnessXC中調(diào)整重疊部分，優(yōu)化分支布局，同時將Capital Integrator中自動合成的導(dǎo)線及焊接點(diǎn)等信息同步到Capital Harness中，放置回路表，放置焊接點(diǎn)，放置衍生線束配置表，自動關(guān)聯(lián)Capital Library定義的線束零件數(shù)據(jù)庫，選擇適配的零件，通過上述操作可形成車架線束的2D圖紙（如圖8）。

4 ? ?總結(jié)

本文介紹了基于Capital與CATIA實現(xiàn)汽車電氣系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計的流程及方法，結(jié)合Capital生成式設(shè)計在EAD設(shè)計領(lǐng)域的先進(jìn)性以及CATIA 在MCAD設(shè)計中運(yùn)用的廣泛性，從而實現(xiàn)了汽車電氣系統(tǒng)設(shè)計原理專業(yè)、3D專業(yè)以及2D圖紙專業(yè)的協(xié)同。該設(shè)計流程摒棄了傳統(tǒng)設(shè)計依靠2D制圖軟件存在的弊端，傳統(tǒng)設(shè)計方法電氣原理設(shè)計、3D設(shè)計以及2D線束圖紙設(shè)計之間數(shù)據(jù)傳遞依靠人工轉(zhuǎn)化，數(shù)據(jù)檢查依靠設(shè)計人員制作龐大的Excel表進(jìn)行數(shù)據(jù)校核，設(shè)計人員工作負(fù)荷高、設(shè)計周期長同時數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及一致性不能得到保證。

在目前智能化、電氣化以及網(wǎng)聯(lián)化的新形勢下，汽車電氣系統(tǒng)的復(fù)雜度的增加以及設(shè)計周期的縮短迫切需要新的設(shè)計流程及方法，而上述基于Capital和CATIA的電氣系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計流程正好契合了當(dāng)下的需求。

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