白健宇

（長(zhǎng)春一汽富晟李爾汽車電器有限公司，吉林 長(zhǎng)春130000）

目前，汽車線束制造企業(yè)與汽車制造企業(yè)聯(lián)合進(jìn)行汽車線束研發(fā)已成為主流。在前期線束設(shè)計(jì)中為了清晰、快捷、真實(shí)地得到汽車線束在空間走向和尺寸，以使線束在整車中布置得更合理，通常采用三維軟件仿真模擬布線?，F(xiàn)行業(yè)內(nèi)主流的三維線束布線軟件有CATIA、PROE、UG等［1］，由于不同的汽車主機(jī)廠家對(duì)線束開(kāi)發(fā)所采用的線束軟件各不相同，故線束制造廠家的工程師熟練地掌握與應(yīng)用主機(jī)廠所采用的線束三維布線軟件已成為必備的技能。CATIA在線束3D設(shè)計(jì)中操作便捷，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)樹(shù)簡(jiǎn)潔明了，線束路徑清晰易調(diào)整，故CATIA在線束仿真領(lǐng)域甚至整個(gè)汽車行業(yè)內(nèi)都得到了廣泛的采納并應(yīng)用，如：大眾、寶馬、上汽、紅旗、奔騰、江淮等汽車主機(jī)廠均采用CATIA軟件。CATIA（Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application）是上世紀(jì)70年代法國(guó)達(dá)索宇航公司開(kāi)發(fā)的，并應(yīng)用于航空工業(yè)。經(jīng)過(guò)多年的推廣，現(xiàn)已經(jīng)深度應(yīng)用于機(jī)械、電子、航空航天、化工、建筑等行業(yè)。同時(shí)CATIA亦是CAD/CAE/CAM一體化的軟件，完全滿足企業(yè)設(shè)計(jì)的需求，具備有效地減輕設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、縮短設(shè)計(jì)周期、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、加強(qiáng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化等作用。該軟件從應(yīng)用到目前為止經(jīng)歷了數(shù)個(gè)版本，目前大部分主機(jī)廠和供應(yīng)商都使用V5R20或者V5R21這兩個(gè)版本［2］。

使用CATIA開(kāi)發(fā)汽車線束的基本流程，如圖1所示。

圖1 基于CATIA軟件的汽車線束開(kāi)發(fā)流程圖

1 CATIA線束設(shè)計(jì)模塊與數(shù)據(jù)庫(kù)的準(zhǔn)備

1.1 線束設(shè)計(jì)所需模塊

基于CATIA軟件的線束3D建模的專屬設(shè)計(jì)模塊有：Electrical Assembly Design（電氣裝配設(shè)計(jì)），Electrical Part Design（電氣零件設(shè)計(jì)），Electrical Harness Assembly（電氣線束裝配），Electrical Harness Installation（電氣線束安裝），Electrical Wire Routing（電氣信號(hào)線排布），Electrical Harness Flattening（電氣線束展平），Electrical 3D Design Assembly（電氣3D設(shè)計(jì)裝配），Electrical 3D Design Part（電氣3D設(shè)計(jì)零件）。這些設(shè)計(jì)模塊在軟件中的位置如圖2所示。

圖2 線束模塊在CATIA中的位置

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外大部分主機(jī)廠在開(kāi)發(fā)汽車線束時(shí)，主要會(huì)使用“Electrical Part Design”和“Electrical Harness Assembly”這兩個(gè)模塊?！癊lectrical Part Design”用來(lái)對(duì)插接器、卡釘、橡膠件、塑料支架等零部件定義電氣屬性；“Electrical Harness Assembly”用來(lái)創(chuàng)建包含所有線束幾何圖形集的產(chǎn)品總成，并通過(guò)此應(yīng)用創(chuàng)建、修改或者刪除線束數(shù)模。其中“Electrical Harness Flattening”主要是用來(lái)對(duì)三維數(shù)模進(jìn)行展平從而得到平整的二維布局和線束段尺寸。其它模塊用于將線束的電路原理和線束三維數(shù)據(jù)相結(jié)合，使線束數(shù)模具有電氣屬性。由于CAITA的電氣原理附上線束實(shí)物的做法和步驟非常繁瑣，因此目前一般很少用得到，而是通過(guò)其它專門的線束整合軟件與CAITA結(jié)合起來(lái)完成的，例如Elena，E3，CHS等。除此之外還會(huì)用到“Part Design”和“Generative Shape Design”模塊，用以卡釘或者支架等物料的建模，以及“Assembly Design”模塊來(lái)完成裝配設(shè)計(jì)任務(wù)。

1.2 線束相關(guān)零件電氣屬性的設(shè)置

圖3 某SUV車型車身線束實(shí)物圖

汽車線束產(chǎn)品主要由插接器、卡釘、橡膠件、扎帶、塑料支架、線束保護(hù)物、端子、搭鐵、電線、雨塞、盲堵、導(dǎo)向殼、背扣、熱縮管、扭矩保護(hù)器、防水泥、聚氨酯發(fā)泡等構(gòu)成，圖3為某車型車身線束總成。在線束三維模型中，通常不體現(xiàn)電線、端子、雨塞、盲堵和防水泥等，其它的與線束存在直接接觸的零件需要賦予電氣屬性，目的是①指示出線束與電氣件模型的連接點(diǎn)；②體現(xiàn)電氣件數(shù)模識(shí)別點(diǎn)，為之后的展平或者整合提供參考測(cè)量點(diǎn)；③實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配，免去手動(dòng)調(diào)節(jié)線束與電氣件相鏈接的操作過(guò)程，此操作既利于設(shè)計(jì)，又提高了整體線束三維數(shù)據(jù)的精確性、統(tǒng)一性和穩(wěn)定性。插接器、卡釘?shù)葦?shù)據(jù)模型普遍來(lái)自于國(guó)內(nèi)外各大線束公司或其供應(yīng)商，線束開(kāi)發(fā)人員須在項(xiàng)目的前期或者初、中期搜集整理并分類好模型數(shù)據(jù)并賦予其電氣屬性。

1）插接器的電氣屬性設(shè)置

插接器電氣屬性設(shè)置需要進(jìn)入“Electrical Part Design”設(shè)計(jì)模塊，首先通過(guò)此模塊下“Define Connector”命令將三維數(shù)模賦予插接器屬性，并設(shè)置此插接器的類型（Type：Single Insert Connector）；零件號(hào)（Part Number）及孔位數(shù)量 （Number of Terminations），如圖4所示。然后通過(guò)“Define Bundle Connection Point”命令定義插接件線束電氣連接點(diǎn)，此處需要分別設(shè)置連接點(diǎn)的名稱（Name）、代表位置（Representation）、具體位置（Point）和線束的垂直方向（Initial Condition），如圖5、6所示。

此操作過(guò)程同樣適用于搭鐵端子電氣屬性的添加。

圖4 賦予數(shù)模插接器屬性

圖5 設(shè)置電氣連接點(diǎn)

2）卡釘與支架的電氣屬性設(shè)置

圖6 電氣連接點(diǎn)位置與參考面示意圖

卡釘?shù)碾姎鈱傩栽O(shè)置同樣需要在“Electrical Part Design”設(shè)計(jì)模塊下進(jìn)行，通過(guò)此模塊中的“Define Support Part”命令，定義線束與卡釘之間的裝配規(guī)則，如圖7所示。①首先編輯卡釘數(shù)模的名稱（Name）；②然后設(shè)定線束在卡釘上的入線位置，即線束的中心線要經(jīng)過(guò)的第一個(gè)點(diǎn)（以下統(tǒng)稱屬性點(diǎn)）的位置（Point.1）并選擇這個(gè)點(diǎn)所在的平面（Plane），線束會(huì)與這個(gè)平面保持垂直的形態(tài)劃入卡釘；③之后掠過(guò)卡釘支撐面（Base Plane Definition：Plane2），線束外緣會(huì)與此支撐面始終保持相切狀態(tài)，但此平面又為非必選項(xiàng)，因?yàn)橛行┛ㄡ敾蛘吖芄繜o(wú)支撐平面，如圖8所示；④最后線束垂直地從卡釘?shù)某鼍€面（Second Plane Definition：Plane1）劃出，確認(rèn)“OK”完成定義，圖9為參考點(diǎn)與平面示意圖。

值得注意的是，雖然事先已經(jīng)設(shè)定好了屬性點(diǎn)的具體位置，但它并非一成不變，它會(huì)隨著線束直徑的粗細(xì)變化而沿著支撐面（Base Plane Definition：Plane2）的垂直方向做出相應(yīng)的位移，因?yàn)檐浖?huì)優(yōu)先保證線束外緣與支撐面的相切約束設(shè)定。

橡膠件與塑料支架的電氣屬性設(shè)置與卡釘大體相同，不同的地方在于屬性點(diǎn)數(shù)量不同。因?yàn)橄鹉z件、塑料支架與線束的接觸面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于卡釘，所以為了提高數(shù)據(jù)的仿真程度，增強(qiáng)設(shè)計(jì)的規(guī)范性與高效性，一般會(huì)設(shè)置兩個(gè)以上的屬性點(diǎn)，如圖10、11所示。

圖7 定義裝配規(guī)則

圖8 無(wú)線束支撐平面的緊固件

圖9 電氣屬性點(diǎn)位置與參考面示意圖

圖10 橡膠件屬性點(diǎn)分布示意圖

圖11 塑料支架屬性點(diǎn)分布示意圖

3）線束保護(hù)物的創(chuàng)建

汽車線束的外保護(hù)物一般有膠帶、波紋管、編織管、熱縮管、套管、袖套、魔術(shù)貼等，其中膠帶在整車線束中應(yīng)用比例最大，占90%以上，且膠帶的種類與纏繞方式也各有所不同。實(shí)際應(yīng)用中，常見(jiàn)的有纖維膠帶、布基膠帶、防磨膠帶、天鵝絨膠帶、PVC膠帶、銅箔膠帶、鋁箔膠帶、海綿膠帶等；膠帶的纏繞方式主要分3種：花纏、密纏和點(diǎn)纏。在CATIA三維數(shù)據(jù)中，不同的零件號(hào)代表不同的膠帶種類，不同的纏繞方式一般會(huì)通過(guò)不同的顏色來(lái)進(jìn)行區(qū)分。

線束保護(hù)物的創(chuàng)建同樣需要在“Electrical Part Design”設(shè)計(jì)模塊下進(jìn)行，并通過(guò)此模塊中的“Define Protection Part”命令，完成創(chuàng)建與屬性信息錄入的全過(guò)程。保護(hù)物的屬性信息包括零件號(hào)（Name），類型（Type），寬 度（Width），厚度（Thickness），彎曲半徑（Bend radius），單位長(zhǎng)度質(zhì)量（Linear mass），直線類型（Line type），幾何結(jié)構(gòu)（Light type），如圖12所示。最后再通過(guò)3種不同的顏色來(lái)區(qū)分3種不同的纏繞方式，如圖13所示。

1.3 數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

所有零件數(shù)模定義好電氣屬性之后，須將其分類歸納于零件庫(kù)文件夾中，并創(chuàng)建“CatalogDocument”庫(kù)文件，如圖14所示，保存于庫(kù)文件夾內(nèi)，再將所有零件數(shù)模通過(guò)“Store Device”命令與庫(kù)文件直接相連，如圖15所示。數(shù)據(jù)庫(kù)的建立可以極大地幫助線束設(shè)計(jì)人員查詢、預(yù)覽、調(diào)用所需零部件，既提高了設(shè)計(jì)效率［4-5］，又可以完善三維設(shè)計(jì)體系。

圖12 保護(hù)物屬性創(chuàng)建

圖13 不同纏繞方式的數(shù)模

圖14 庫(kù)文件的設(shè)置

圖15 零件與庫(kù)文件鏈接

2 CATIA軟件的環(huán)境設(shè)置

使用CATIA進(jìn)行線束設(shè)計(jì)之前，需要對(duì)軟件進(jìn)行環(huán)境設(shè)置。目的：①使三維數(shù)據(jù)狀態(tài)和建模過(guò)程更加復(fù)合線束設(shè)計(jì)的要求；②使軟件的運(yùn)行速度更快，提高工作效率。

2.1 保持與所選對(duì)象的關(guān)聯(lián)性（keep link with selected object）

為了保持線束與個(gè)電氣件之間的鏈接關(guān)系，使線束能夠根據(jù)電氣件的位置變化而自動(dòng)更新，便于修改線束分支。此設(shè)置需要進(jìn)入“Tools”下拉菜單里的“Options”功能窗口，勾選在“Part Infrastructure”層級(jí)中“General”項(xiàng)目下“keep link with selected object”的設(shè)定，以及將在“Electrical Harness Installation”層級(jí)中“Contextual Links”條目里的“keep link with selected object”選項(xiàng)調(diào)整為“always”設(shè)定，如圖16、17所示。

圖16 保持與所選對(duì)象的關(guān)聯(lián)性1

圖17 保持與所選對(duì)象的關(guān)聯(lián)性2

2.2 開(kāi)啟高速緩存（Work with the cache system）

基于CATIA的汽車線束三維數(shù)據(jù)所占空間一般比較大，文件本身屬于總成（Product）類文件，其內(nèi)部鏈接包含插接器、卡釘、支架、膠帶等所有線束零部件，文件大小一般在10M與4GB之間。所以為了提高工作站的運(yùn)行速度，需要使用“高速緩存管理”功能，提高工作站的運(yùn)行速度。此設(shè)置同樣需進(jìn)入“Tools”下拉菜單里的“Options”功能窗口，在“Product Structure”層級(jí)中的“Cache Management”項(xiàng)目下勾選“Work with the cache system”設(shè)定；然后設(shè)置“Path to the local cache”，將緩存文件（.cgr）保存于電腦本地空間較大的存儲(chǔ)盤(pán)中（除系統(tǒng)盤(pán)C盤(pán)外）；最后勾選“Cache Size”并盡可能錄入最大值，一般為“999999999”MB以應(yīng)對(duì)未知的較大的整車數(shù)據(jù)，如圖18所示。

圖18 高速緩存設(shè)置

2.3 取消自動(dòng)激活（Do not activate default shapes on open）

在打開(kāi)線束三維數(shù)據(jù)總成（Product）時(shí)，軟件的初始狀態(tài)會(huì)自動(dòng)激活所有數(shù)據(jù)，并且將其轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)模式。此過(guò)程同樣會(huì)消耗大量的時(shí)間，解決這一問(wèn)題需要進(jìn)入“Tools”下拉菜單里“Options”功能窗口，將在“Product Structure”層級(jí)中的“Product Visualization”項(xiàng)目下的“Do not activate default shapes on open”設(shè)定改為勾選狀態(tài)，如圖19所示。這樣就把“激活數(shù)據(jù)”和“轉(zhuǎn)入設(shè)計(jì)模式”的過(guò)程改成了手動(dòng)操作，操作命令如圖20所示。此設(shè)置既可以按照線束設(shè)計(jì)者的意圖來(lái)決定數(shù)據(jù)的開(kāi)啟狀態(tài)又在很大程度上節(jié)省了時(shí)間。

圖19 打開(kāi)時(shí)不要激活數(shù)據(jù)設(shè)置

圖20 手動(dòng)激活數(shù)據(jù)及進(jìn)入設(shè)計(jì)模式

3 三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)樹(shù)的常規(guī)設(shè)定

汽車線束包含的物料繁多，為了能夠清晰完整地體現(xiàn)和管理這些物料，也為了能夠在項(xiàng)目的整個(gè)開(kāi)發(fā)周期甚至整個(gè)生命周期內(nèi)更好地維護(hù)三維數(shù)據(jù)，必須合理地分類歸納好數(shù)據(jù)總成（Product）以下所有的子集，以應(yīng)對(duì)數(shù)量眾多的設(shè)計(jì)變更。一般地，汽車線束三維模型總成中包含的數(shù)據(jù)有：插接器、卡釘、線束幾何路徑和線束保護(hù)物等，這4類數(shù)據(jù)為線束產(chǎn)品的自身物料數(shù)據(jù)，應(yīng)歸納入【線束總成】；根據(jù)不同主機(jī)廠的要求，有時(shí)線束三維數(shù)據(jù)還可能要求包括非線束自身物料數(shù)據(jù)，比如：金屬支架，標(biāo)準(zhǔn)件，配電盒等，因而，線束總成與非線束自身物料數(shù)據(jù)便可合并成一個(gè)總成，為【線束邏輯總成】；將所有區(qū)域的【線束邏輯總成】集合到一起，組成【整車線束邏輯總成】，如圖21所示。值得注意的是，“Wire Harness Routing”層級(jí)需要提前被定義為幾何線束組，通過(guò)“Electrical HarnessAssembly”設(shè)計(jì)模塊中的“Geometrical Bundle”命令，用來(lái)專門存放所有的電氣線束路徑。

圖21 三維線束數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)樹(shù)

4 檢測(cè)三維數(shù)據(jù)的連通性與干涉情況

在線束三維設(shè)計(jì)的過(guò)程中反復(fù)進(jìn)行干涉分析檢查，對(duì)提高設(shè)計(jì)品質(zhì)尤為重要，同時(shí)CATIA可與其他第三方軟件建立接口，進(jìn)行各種信息和文件的輸出，這就要求整個(gè)線束數(shù)據(jù)不能出現(xiàn)中斷點(diǎn)，所以連通性的檢查亦變得不可或缺。

4.1 線束路徑連通性檢測(cè)

從線束三維數(shù)據(jù)本身的品質(zhì)角度來(lái)講，數(shù)據(jù)整體應(yīng)該是一個(gè)閉環(huán)的、無(wú)斷點(diǎn)、無(wú)殘缺的完整數(shù)據(jù)，所以每一段中間路徑都要保證與前后路徑首尾相連，每一處終端分支都應(yīng)保證有插接器、端子或者熔斷絲盒等收尾。同時(shí)不論是想要通過(guò)CATIA軟件自身展平功能還是通過(guò)任何一種線束整合軟件來(lái)獲取二維圖紙信息，都要求三維數(shù)據(jù)本身必須是一個(gè)連通的整體。

CATIA軟件通過(guò)“Search”（Control+F）功能來(lái)檢測(cè)線束數(shù)據(jù)的連通性，首先打開(kāi)“Search”設(shè)置界面，進(jìn)入“Advance”工作臺(tái)，選擇“Workbench”下拉菜單內(nèi)的“Electrical”；“Type”下 拉 菜 單 的“Bundle Segment”；“Attribute”下拉菜單的“fully connected”，將彈出的話框“Attribute Criterion”的結(jié)果選項(xiàng)設(shè)定為“FALSE”，最后確認(rèn)“Search”，如圖22所示。在彈出的對(duì)話框內(nèi)可以看到所有斷鏈接的分支，如圖23所示，如無(wú)極特殊情況，須逐條調(diào)整直至全部消除。

圖22 三維線束數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)樹(shù)

4.2 數(shù)據(jù)的干涉檢測(cè)

從實(shí)際裝車情況與線束三維設(shè)計(jì)品質(zhì)兩方面角度來(lái)講，保證線束產(chǎn)品在裝配完成后，不與車身發(fā)生干涉碰撞或磨損割傷的現(xiàn)象，是檢驗(yàn)產(chǎn)品是否合格的重要標(biāo)志之一，也是線束三維工程師要遵守的關(guān)鍵設(shè)計(jì)原則之一。所以，在設(shè)計(jì)階段要經(jīng)常性地反復(fù)檢驗(yàn)線束數(shù)據(jù)與車身數(shù)據(jù)是否存在干涉，以保證避免此類失效形式的發(fā)生。

檢查干涉需要進(jìn)入軟件“Assembly Design”的模塊，通過(guò)工具欄里“Analyze”選項(xiàng)內(nèi)“Clash”的功能進(jìn)行。在“Check Clash”功能表中，需要定義干涉條目（Name：Interference.1）；干涉形式（Type：Contact+Clash）以及干涉類型（Eg：Between two selections）并選擇要檢測(cè)的項(xiàng)目（Selection 1：1 product & Selection 2：2 product），如圖24所示。確認(rèn)“Apply”并預(yù)覽干涉情況，如圖25所示，如無(wú)特定情況，須逐條調(diào)整直至全部消除。

圖23 三維線束數(shù)據(jù)連通性檢查結(jié)果

圖24 干涉檢查設(shè)置

5 結(jié)語(yǔ)

合格地、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)刈龊镁€束三維設(shè)計(jì)初期的準(zhǔn)備工作是必不可少的，最大限度地發(fā)揮軟件的輔助設(shè)計(jì)與檢測(cè)功能也是將來(lái)線束開(kāi)發(fā)的必經(jīng)之路，規(guī)范化數(shù)據(jù)的建模結(jié)構(gòu)以及軟件的環(huán)境設(shè)置可以很大程度地提高線束整個(gè)開(kāi)發(fā)階段的設(shè)計(jì)及維護(hù)效率，避免時(shí)間的浪費(fèi)，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。只有打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，才能鑄就牢固的上層建筑，也只有這樣才能滿足現(xiàn)代飛速發(fā)展的汽車產(chǎn)業(yè)對(duì)線束設(shè)計(jì)的要求。

圖25 干涉檢查結(jié)果