基于三維實(shí)體的系統(tǒng)布線應(yīng)用研究

馮守慶， 徐寧波， 肖劍鋒

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，成都610036）

1 引言

Pro/E的Cabling三維布線模塊具有操作簡(jiǎn)捷、自動(dòng)布線及布線調(diào)整效率高的特點(diǎn)，近年已在很多企業(yè)的模塊、分機(jī)類單元設(shè)備的“導(dǎo)線”布線方面進(jìn)行了應(yīng)用，技術(shù)已比較成熟。而在由眾多單元設(shè)備集成而成的上一級(jí)系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品中，設(shè)備之間的電氣互聯(lián)一般不直接用“導(dǎo)線”，而以“導(dǎo)線束”（系統(tǒng)電纜）為主，因此在系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品的三維布線中我們更關(guān)注的是“導(dǎo)線束”而不是“導(dǎo)線”的相關(guān)信息。

如何將Pro/E三維布線模塊的“導(dǎo)線”布線方法進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)變而應(yīng)用在系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品的“導(dǎo)線束”布線上，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)/電氣設(shè)計(jì)并行進(jìn)而提高設(shè)計(jì)質(zhì)量及效率？

本文以某系統(tǒng)電子產(chǎn)品—X產(chǎn)品的三維布線為例，闡述了我們?cè)谙到y(tǒng)級(jí)產(chǎn)品三維布線方面探索使用的一種布線轉(zhuǎn)化方法，探討基于三維實(shí)體的系統(tǒng)布線應(yīng)用的可行性以及布線產(chǎn)出的效果。

2 X產(chǎn)品的布線特點(diǎn)

X產(chǎn)品由幾十個(gè)分機(jī)、天線等單元設(shè)備系統(tǒng)集成在某一車載平臺(tái)上，從三維布線應(yīng)用的角度來(lái)看，具有單元設(shè)備數(shù)量多、相互之間的互聯(lián)電纜數(shù)量大、信號(hào)互聯(lián)關(guān)系復(fù)雜的特點(diǎn)。

根據(jù)Pro/E布線模塊的應(yīng)用特點(diǎn)，布線主要依托導(dǎo)線數(shù)據(jù)、接線關(guān)系表、器件端子以及布線路徑的設(shè)置。而在系統(tǒng)類產(chǎn)品中，布線所需的“導(dǎo)線”信息是“系統(tǒng)電纜”的信息，“器件”接線端子是“單元設(shè)備”的連接器，因此，若要在系統(tǒng)類產(chǎn)品中應(yīng)用三維布線，需要解決“系統(tǒng)電纜”向“導(dǎo)線”的轉(zhuǎn)化，“單元設(shè)備”向“器件”的轉(zhuǎn)化。

3 布線過(guò)程

3.1 布線基本流程

基于Pro/E的Cabling模塊的布線流程如圖1。

圖1 布線流程簡(jiǎn)圖

首先是三維模型結(jié)構(gòu)樹(shù)的二次工藝設(shè)計(jì)及預(yù)設(shè)導(dǎo)線參數(shù)、接線關(guān)系及布線環(huán)境，然后制定合理的布線路徑，經(jīng)軟件自動(dòng)布線及手動(dòng)調(diào)整后提取所需的參數(shù)，并將模型或?qū)Ь€信息進(jìn)行完善。

3.2 布線模型的二次設(shè)計(jì)

X產(chǎn)品的初始三維模型是基于Pro/E的Top-down的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其中使用了大量的模型簡(jiǎn)化及復(fù)制處理等手段，架構(gòu)層次較多。為了進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)三維布線，需要將模型樹(shù)進(jìn)行二次設(shè)計(jì)，將其中直接參與系統(tǒng)布線的“單元設(shè)備”簡(jiǎn)化成“器件”。具體做法是：通過(guò)重構(gòu)手段將所有參與系統(tǒng)布線的單元設(shè)備統(tǒng)一構(gòu)建到同一父節(jié)點(diǎn)下，并將每個(gè)單元設(shè)備的電連接器作為一個(gè)器件端子建立端子坐標(biāo)；同時(shí)進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，保留布線相關(guān)的設(shè)備外形、裝配位置、連接器等信息，忽略其它特征。

3.3 電纜的表達(dá)思路

X產(chǎn)品中的系統(tǒng)電纜包含端到端的單根電纜和一端到多端的分叉電纜，針對(duì)Pro/E布線模塊的應(yīng)用要求，需要將“系統(tǒng)電纜”向“導(dǎo)線”轉(zhuǎn)化，經(jīng)過(guò)分析，采用以下簡(jiǎn)化方法：對(duì)于單根電纜，直接將其簡(jiǎn)化為一根已知參數(shù)的“導(dǎo)線”進(jìn)行處理；對(duì)于分叉電纜，將其簡(jiǎn)化為若干導(dǎo)線的組合。

3.4 電纜參數(shù)的預(yù)設(shè)

（1）線纜數(shù)據(jù)庫(kù)。首先應(yīng)建立電纜參數(shù)庫(kù)，將即將使用的系統(tǒng)電纜的外徑、顏色、允許的最小折彎半徑等數(shù)據(jù)建立電纜數(shù)據(jù)庫(kù)供后續(xù)調(diào)用。由于系統(tǒng)電纜是“導(dǎo)線”的集合，因此系統(tǒng)電纜的外徑信息需根據(jù)其包含的導(dǎo)線的外徑及數(shù)量進(jìn)行計(jì)算結(jié)合模擬方式確定。

（2）系統(tǒng)接線關(guān)系。將系統(tǒng)的接線關(guān)系表通過(guò)定置的Pro/E轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)換成邏輯關(guān)系文件（.output），文件包含位號(hào)與單元設(shè)備的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及電纜各端的連接關(guān)系、電纜的線型信息。

3.5 布線路徑的設(shè)置

布線路徑是由布線設(shè)計(jì)人員確定的系統(tǒng)電纜敷設(shè)的主通路，通過(guò)規(guī)劃路徑通過(guò)的節(jié)點(diǎn)及節(jié)點(diǎn)之間的走線方式來(lái)確定，如圖2。

3.6 自動(dòng)布線后的調(diào)整

圖2 布線主路徑(隱藏了單元設(shè)備)

布線路徑設(shè)置完成后即可導(dǎo)入邏輯關(guān)系文件進(jìn)行自動(dòng)布線，其布線原理是：接線端子搜索最近的布線路徑網(wǎng)絡(luò)通過(guò)點(diǎn)，并通過(guò)布線路徑走線。但有時(shí)候網(wǎng)絡(luò)通過(guò)點(diǎn)的設(shè)置不能兼顧周圍的所有電纜端頭時(shí)，自動(dòng)布線會(huì)出錯(cuò)或布出走線不理想的線。若出現(xiàn)此種情況，可通過(guò)調(diào)整布線網(wǎng)絡(luò)或手動(dòng)設(shè)置特定導(dǎo)線的走線路徑等方式進(jìn)行調(diào)整。布線完成后如圖3、圖4。

圖3 自動(dòng)布線后布線路徑

圖4 布線提取圖

4 系統(tǒng)布線的產(chǎn)出

4.1 電纜參數(shù)信息

表1 電纜信息提取表

布線完成后可在二維圖環(huán)境下通過(guò)定置輸出電纜的接線關(guān)系、電纜種類，并可自動(dòng)提取電纜的長(zhǎng)度信息，用于完善設(shè)計(jì)圖紙和指導(dǎo)生產(chǎn)。X產(chǎn)品輸出的部分電纜信息如表1。

4.2 電纜展平圖

將所有系統(tǒng)電纜按 1∶1 的比例進(jìn)行展平，可得到展平圖，進(jìn)而生成釘板圖，可應(yīng)用于系統(tǒng)電纜網(wǎng)絡(luò)的綁扎組合，并據(jù)此進(jìn)行系統(tǒng)電纜的提前投產(chǎn)，縮短整個(gè)生產(chǎn)周期。電纜展平后如圖5。

圖5 電纜展平圖

4.3 確定走線路徑與系統(tǒng)骨架的位置關(guān)系

在提取電纜特性參數(shù)及制作釘板圖之外，還可以通過(guò)測(cè)量定位等手段確定布線路徑上的節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)骨架中的位置信息，通過(guò)提取此信息并反饋給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以輔助進(jìn)行電纜固定裝置的設(shè)置，如圖6。

圖6 走線路徑點(diǎn)的位置尺寸

4.4 便于方案優(yōu)化

X產(chǎn)品中供電設(shè)備負(fù)責(zé)向多個(gè)功能設(shè)備供電，按照原設(shè)計(jì)方案，需要多根供電電纜，每根電纜在供電設(shè)備面板上都需要設(shè)置一個(gè)輸出口，這樣造成供電設(shè)備面板上的插座很多，分布密集?？紤]到可能還要在面板上布置一些開(kāi)關(guān)等器件，其面板上的空間會(huì)不足。

通過(guò)三維布線分析，我們將電源電纜根據(jù)負(fù)載及使用特性進(jìn)行了分組。并建議將其中5根電源電纜合并成1根分叉電纜，在供電設(shè)備端用1個(gè)芯數(shù)較多的插座輸出，在走線過(guò)程中分叉，輸入到5個(gè)功能設(shè)備。這樣減少了供電設(shè)備面板上的插座數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化。分叉電源電纜如圖7、圖8。

圖7 分叉電源電纜

圖8 分叉電纜展平圖

4.5 產(chǎn)出物綜述

用Pro/E布線模塊進(jìn)行系統(tǒng)三維布線前需進(jìn)行預(yù)設(shè)的參數(shù)及環(huán)境有：電纜外徑、顏色、最小折彎半徑、接線關(guān)系、單元設(shè)備位號(hào)、走線的主路徑；布線完成后可提取的數(shù)據(jù)除上述預(yù)設(shè)的外，還可以提取實(shí)際走線路徑、電纜的長(zhǎng)度、分叉電纜的每個(gè)分叉點(diǎn)及分叉段的尺寸信息、電纜展平圖等。其中電纜的長(zhǎng)度尺寸可反饋在電纜設(shè)計(jì)圖上，對(duì)后續(xù)的電纜生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)；電纜展平圖或釘板圖用于系統(tǒng)電纜的綁扎及并行制造方面；走線路徑信息的提取便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

5 相對(duì)二維設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

（1）設(shè)計(jì)更精確。現(xiàn)在基于二維軟件的系統(tǒng)電纜設(shè)計(jì)，其長(zhǎng)度的確定是在結(jié)構(gòu)尺寸要素的基礎(chǔ)上加上經(jīng)驗(yàn)值人工估算的。為了確保電纜不會(huì)短，其設(shè)計(jì)余量較大，且電纜大部分需要在系統(tǒng)裝配時(shí)配加工，這樣對(duì)生產(chǎn)成本及生產(chǎn)周期都會(huì)有影響。

基于實(shí)體的系統(tǒng)三維電纜布線，考慮了更多電纜自身的信息，如直徑、最小折彎半徑等，三維的實(shí)體模型較精確，空間感更好，這樣計(jì)算出的電纜長(zhǎng)度更精確。特別是在分叉電纜的設(shè)計(jì)上，優(yōu)勢(shì)更加明顯，設(shè)計(jì)中可以對(duì)分叉節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精確定位，這樣的設(shè)計(jì)更準(zhǔn)確。

（2）設(shè)計(jì)效率更高。電纜信息確定后，通過(guò)設(shè)置布線路徑，可以實(shí)施自動(dòng)布線。自動(dòng)布線完成后，經(jīng)過(guò)少量調(diào)整，軟件就可以準(zhǔn)確計(jì)算出電纜長(zhǎng)度等信息。這樣就減少了人工計(jì)算的工作量，特別適合系統(tǒng)電纜數(shù)量較多的情況。

（3）便于設(shè)計(jì)更改。由于軟件的三維實(shí)體和二維圖是關(guān)聯(lián)的，因此若更改了電纜三維模型的某些信息，電纜長(zhǎng)度、工序圖等圖紙可以進(jìn)行同步關(guān)聯(lián)更改。

（4）方便進(jìn)行方案優(yōu)化。在三維虛擬環(huán)境中，評(píng)估、優(yōu)化和修改設(shè)計(jì)方案是比較便利的。這對(duì)于我們優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及設(shè)備布局都非常便利。

6 結(jié)論

通過(guò)應(yīng)用系統(tǒng)三維布線技術(shù)，可以使得系統(tǒng)電纜的設(shè)計(jì)更加精確；可以提供電纜布線路徑與系統(tǒng)骨架之間的精確位置信息，從而優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；可以進(jìn)行方案的評(píng)估及優(yōu)化等。總之，應(yīng)用基于三維實(shí)體的系統(tǒng)布線技術(shù)可以高效地進(jìn)行系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)及輔助進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)/電氣設(shè)計(jì)。

［1］ 曹永新.機(jī)載電子設(shè)備機(jī)柜布線工藝設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2003（23）：25－27.

［2］ 許小明.艦載電子設(shè)備電纜布線設(shè)計(jì)［J］.情報(bào)指揮系統(tǒng)控制與仿真技術(shù)，2004（1）：59-64.