基于Pro/e的二次接線三維設(shè)計(jì)研究

魏華賢，李 威，徐 晗，劉玉飛，范孟豹

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，徐州 221008）

0 引言

二次接線作為成套設(shè)備的重要部分主要完成對(duì)一次設(shè)備的監(jiān)測(cè)、控制及保護(hù)，一般由測(cè)量?jī)x表、控制元件及控制電纜等低壓設(shè)備組成。設(shè)置在地鐵供電系統(tǒng)中用于雜散電流腐蝕防護(hù)的單導(dǎo)裝置是典型的含有一次接線及二次接線的成套電氣柜。這類電氣柜的模塊化、集成化及規(guī)范化程度較低。但隨著我國(guó)城市化水平的推進(jìn)，這類設(shè)備的需求在快速增加。二次接線設(shè)計(jì)是從原理圖出發(fā)到獲得接線圖表的設(shè)計(jì)過(guò)程，目前的二次接線設(shè)計(jì)主要基于2D-CAD，二次接線逐漸成為了一項(xiàng)重要又費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作[1]，也成為了縮短成套設(shè)備生產(chǎn)周期的瓶頸。

為了加快設(shè)計(jì)過(guò)程，國(guó)內(nèi)已有基于二維CAD軟件開(kāi)發(fā)的二次接線自動(dòng)生成系統(tǒng)的研究[1]，但系統(tǒng)復(fù)雜，且仍需通過(guò)樣機(jī)接線來(lái)獲得線纜長(zhǎng)度。隨著三維輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的普及，將計(jì)算機(jī)三維輔助設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用到電氣設(shè)計(jì)中已日趨廣泛，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究較多，如Robinson,G、劉檢華等在虛擬環(huán)境下線纜建模及裝配規(guī)劃的研究[2]，其側(cè)重于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，且需要昂貴的虛擬交互設(shè)備；王金芳、郭偉等進(jìn)行了三維線纜的規(guī)劃及快速布線研究[3,4]，實(shí)現(xiàn)了線纜的三維自動(dòng)布設(shè)，但他們關(guān)注的主要對(duì)象是線纜。

本文根據(jù)二次接線設(shè)計(jì)的工程需求及特點(diǎn)，對(duì)基于三維設(shè)計(jì)軟件Pro/e的二次接線設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，首先形成原理圖的規(guī)范輸入和管理，然后實(shí)現(xiàn)對(duì)原理圖信息的抓取并指導(dǎo)三維布線，進(jìn)行二次回路的三維自動(dòng)布線，輸出的接線圖表可直接進(jìn)入樣機(jī)試驗(yàn)并量產(chǎn)。最后設(shè)計(jì)了針對(duì)單導(dǎo)裝置的二次接線三維輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，結(jié)果表明二次接線設(shè)計(jì)效率及質(zhì)量獲得較大提高。

1 關(guān)鍵技術(shù)

類似二維的二次接線工作流程，要實(shí)現(xiàn)三維輔助設(shè)計(jì)的二次接線，首先需要抓取原理圖的元件及接線信息，根據(jù)這些信息進(jìn)行三維布線并提高軟件布線與實(shí)際布線的吻合度，最后輸出接線圖及接線表即可，該流程如圖1所示。無(wú)規(guī)矩不成方圓，這些功能對(duì)Pro/e軟件自身來(lái)說(shuō)雖是可以實(shí)現(xiàn)的，但如果不按照正確的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，其效率也并不比二維設(shè)計(jì)高，因此研究正確有效的設(shè)計(jì)規(guī)范及方法是必須的。

圖1 三維輔助的二次接線設(shè)計(jì)過(guò)程

為了探索基于Pro/e的三維二次布線，必須建立相應(yīng)的3D布線模型，考慮影響布線的因素主要有器件外形、位置及線端方位，可簡(jiǎn)化模型的造型工作，本文建立的初始模型如圖2所示。需要強(qiáng)調(diào)的是，對(duì)于成套設(shè)備，二次器件的類型是相對(duì)固定的，因此3D模型的可重復(fù)利用率較高，3D建模不是主要工作。

圖2 三維布線模型

通過(guò)選項(xiàng)修改config.pro文件可實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的Pro/E軟件設(shè)計(jì)環(huán)境，有助于提高設(shè)計(jì)效率，本文對(duì)以下選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置：

pro_ymbol_dir，符號(hào)庫(kù)目錄的全路徑名

pro_spool_dir，纜規(guī)格庫(kù)目錄的全路徑名

grid_snap，Yes

model_grid_spacing，5

對(duì)應(yīng)圖1的二次接線工作，本文探索了以下設(shè)計(jì)流程：

1.1 原理圖快速輸入

二次接線中原理圖所包含的元件信息及接線信息是二次接線設(shè)計(jì)的信息源。二維的接線設(shè)計(jì)有的通過(guò)識(shí)別原理圖的繪圖信息獲得接線及符號(hào)信息，再通過(guò)人工注冊(cè)將符號(hào)信息轉(zhuǎn)換為元件信息；也有的提供設(shè)計(jì)模塊對(duì)二維繪制進(jìn)行統(tǒng)一和規(guī)范[1]，這些基于二維的方法，或涉及復(fù)雜的算法，或系統(tǒng)輔助、效率較低。在Pro/ENGINEER中，其Diagram模塊可圖形化的表示線、纜、電氣元件和管腳，可自動(dòng)捕捉元件及接線信息，即設(shè)計(jì)者只需按照Diagram的規(guī)則將原理圖輸入軟件，而不需前述的那些復(fù)雜的處理方法即可實(shí)現(xiàn)原理圖信息抓取。文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]給出了運(yùn)用Pro/Diagram設(shè)計(jì)原理圖的一般過(guò)程。為了加快二次回路原理圖的輸入效率，本文首先進(jìn)行了兩項(xiàng)工作：

1) 對(duì)電氣符號(hào)的繪制進(jìn)行統(tǒng)一，方便符號(hào)放置及更換；

2) 建立符號(hào)庫(kù)及線纜庫(kù)，減少重復(fù)工作；（1） 電氣符號(hào)庫(kù)的建立

在Diagram中，元件及固定接插件是通過(guò)符號(hào)（symbol）來(lái)表示的，每一個(gè)符號(hào)由圖形和字符組成，有導(dǎo)線接入的器件還必須定義節(jié)點(diǎn)。根據(jù)二次回路原理圖的特點(diǎn)，需要定義四類符號(hào)，所定義的符號(hào)如圖3所示。

普通符號(hào)：在原理圖中代表一個(gè)實(shí)物元件的圖形及字符。如圖中的a為端子的符號(hào)。

多視圖元件符號(hào)：在原理圖中分開(kāi)放置的兩個(gè)或多個(gè)普通符號(hào)，且他們僅代表一個(gè)實(shí)物元件。如圖中b是表示同一個(gè)開(kāi)關(guān)的兩個(gè)符號(hào)，由于二次原理圖的表達(dá)方式要求他們同時(shí)分別放置在端子排圖及控制回路圖中；更典型的是c所表示的熱繼電器的符號(hào)，兩個(gè)符號(hào)分別代表同一個(gè)熱繼電器的線圈和常閉觸點(diǎn)。

多視圖連接器：與多視圖元件符號(hào)概念相近。在Diagram中，“元件”可代表具有電氣連接及電氣功能的器件如接觸器、電阻等；“連接器”代表僅具有電氣連接功能的器件如接線端子。

元件組符號(hào)：在原理圖中兩個(gè)或多個(gè)普通符號(hào)的固定組合，他們?nèi)源砀髯缘钠骷谠韴D中同時(shí)放置、移動(dòng)及刪除。通常用來(lái)表示需要通過(guò)連接器接入線纜的元件，如圖中d表示分流器RS與OT端子的組合，實(shí)際中分流器一般用OT端子進(jìn)行接線。

圖3 電氣符號(hào)

（2）線纜規(guī)格庫(kù)的建立

Pro/E中的spool即線纜規(guī)格包括單芯導(dǎo)線（wire）、多芯導(dǎo)線（cable）及護(hù)線套（sheath）三種，其本質(zhì)上是一組描述導(dǎo)線或護(hù)線套的參數(shù)。其就像編程語(yǔ)言中的類或結(jié)構(gòu)的概念，而在具體布線時(shí)生產(chǎn)的導(dǎo)線就是線纜規(guī)格的實(shí)例。在實(shí)際接線中，導(dǎo)線及護(hù)線套規(guī)格是有限的，線纜規(guī)格庫(kù)平時(shí)幾乎不用擴(kuò)充。

3）原理圖繪制

有了上述符號(hào)庫(kù)及線纜庫(kù)的基礎(chǔ)，加上開(kāi)頭所述的選項(xiàng)設(shè)置，原理的繪制將變得非常便捷。本文在Diagram中所繪制的原理圖如圖4所示。繪制過(guò)程為：(1) 放置元件實(shí)例并賦予唯一標(biāo)號(hào)；(2) 用導(dǎo)線連接各元件的管腳節(jié)點(diǎn)；(3) 統(tǒng)一修改元件參數(shù)及線纜參數(shù)。需要注意是：Pro/Diagram中的圖盡量對(duì)應(yīng)原理圖，但二維的原理圖中通常將等電位的線纜用同一個(gè)線標(biāo)，但Pro/Diagram中每?jī)蓚€(gè)管腳之間必須產(chǎn)生一條導(dǎo)線并標(biāo)記唯一的線標(biāo)，即按實(shí)際接線的思想，本文采取的措施是將等電位線標(biāo)前綴統(tǒng)一而后部順序遞增，如L11、L11-1、L11-2代表三根等電位線纜。

圖4 Pro/Diagram中繪制的二次原理圖

1.2 三維快速布線

1) 布線結(jié)構(gòu)

創(chuàng)建合理的裝配結(jié)構(gòu)，是布線設(shè)計(jì)人員和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行并行設(shè)計(jì)的前提[7]，本文為了方便模型管理，采用結(jié)構(gòu)裝配作為布線裝配的子裝配，線纜布置在布線裝配中的布線結(jié)構(gòu)。

2) 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)建模

一般情況下，成套設(shè)備的二次線纜從器件端口接出后會(huì)捆扎在一起，再用纏繞管纏繞放置在走線槽中，走線槽安裝在柜內(nèi)面板或結(jié)構(gòu)件上并橫平豎直排布。而Pro/Cabling的自動(dòng)布線恰恰是基于Network（即繪制在柜內(nèi)的主要走線路徑）進(jìn)行的，軟件在自動(dòng)布線時(shí)根據(jù)輸入的邏輯參照，自動(dòng)選擇network以最短的距離將相應(yīng)的元件相連。自動(dòng)布線的成功率很大程度上取決于network質(zhì)量，若繪制的netwrok足夠完整且曲線之間光滑連接，則可較好的提高自動(dòng)布線的成功率。

本文構(gòu)建了從端口-走線槽-端口的完整network，走線槽內(nèi)的network是走線槽的中直線，端口與走線槽之間、走線槽之間用三次參數(shù)樣條曲線達(dá)到光滑連接，如圖5所示。

圖5 端口與走線槽之間的network

圖5所示的端口與走線槽之間的network曲線是過(guò)起點(diǎn)P0和終點(diǎn)P1的一段三次參數(shù)樣條曲線，其以t為參數(shù)的矢量方程可表示為：

參數(shù)方程中的系數(shù)A1、B1、C1、D1由起始端點(diǎn)向量P0和P1，以及起始端點(diǎn)的切向量P0'和P1'決定。

端點(diǎn)向量由坐標(biāo)位置可分別得到；對(duì)于起點(diǎn)令曲線與坐標(biāo)軸Z軸相切可得其切矢P0'；對(duì)于終點(diǎn)令曲線與走線槽內(nèi)network支線相切可得切矢P1'。

由以上條件可列出四個(gè)等式：

由(2)式可得到三次參數(shù)樣條曲線的描述方程矩陣形式為：

用參數(shù)方程能在Pro/E中快速的繪制三次樣條曲線，根據(jù)樣條曲線描點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)完整的network后即可進(jìn)入自動(dòng)布線。本文所構(gòu)建的network如圖6所示，需要注意的是network必須要構(gòu)成互通的一個(gè)整體才能順利進(jìn)行自動(dòng)布線。

圖6 整機(jī)Network

3) 三維線纜生成及布線優(yōu)化

Pro/Cabling自動(dòng)布線時(shí)采用最短路徑將元件端口相連接，實(shí)際中可能出現(xiàn)纏繞的線太粗而放在一個(gè)走線槽中太擁擠，因此需要對(duì)一個(gè)走線槽內(nèi)能運(yùn)行放入的導(dǎo)線數(shù)量進(jìn)行檢查并修改。Pro/Cabling提供了對(duì)通過(guò)節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)線數(shù)量進(jìn)行限制的設(shè)置，但是當(dāng)自動(dòng)布線超過(guò)了限制時(shí)將會(huì)自動(dòng)停止布線，因此為了不影響自動(dòng)布線而需在自動(dòng)布線介紹后進(jìn)行檢查和修改。同時(shí)也可以對(duì)其他布線不合理的地方進(jìn)行微調(diào)，以提高線扎圖的質(zhì)量。本文最后獲得的二次回路三維布線模型如圖7所示。

圖7 二次回路三維布線模型

1.3 接線信息輸出

進(jìn)行三維布線的目的就是為了最終獲得能指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)的圖表，一般包括線扎圖、接線表及板釘圖。Pro/Cabling對(duì)這些圖表提供了完整的支持，相關(guān)制作步驟參見(jiàn)文獻(xiàn)[6]，本文最后獲得的部分接線表如表1所示。

表1 接線表

2 單向?qū)ㄑb置的三維二次布線

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某知名雜散電流設(shè)備廠家生產(chǎn)單向?qū)ㄑb置的二次接線特點(diǎn)，應(yīng)用前面所述技術(shù)對(duì)二次回路進(jìn)行了三維設(shè)計(jì)，建立了相應(yīng)的符號(hào)庫(kù)及元件模型，繪制了單導(dǎo)裝置二次回路原理圖并進(jìn)行三維自動(dòng)布線，最終實(shí)現(xiàn)的單導(dǎo)裝置二次布線模型及實(shí)物圖如圖8所示，二次接線的三維模型與實(shí)物二次接線相似度較高，表明通過(guò)三維輔助設(shè)計(jì)得到的二次布線圖表能用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

3 結(jié)論

本文通過(guò)建立一個(gè)簡(jiǎn)單的二次回路三維布線

圖8 單向?qū)ㄑb置二次接線實(shí)物與三維模型對(duì)比

模型研究了應(yīng)用Pro/E軟件實(shí)現(xiàn)成套設(shè)備二次接線三維輔助設(shè)計(jì)的過(guò)程，并在單向?qū)ㄑb置的二次接線中得到驗(yàn)證，避免了二維輔助設(shè)計(jì)時(shí)需要設(shè)計(jì)算法提取原理圖信息的缺點(diǎn)，可較方便地從原理圖快速獲得接線信息，并用虛擬樣機(jī)加速設(shè)計(jì)過(guò)程。對(duì)于三維輔助設(shè)計(jì)的二次接線，快速準(zhǔn)確的輸入原理圖到Pro/Diagram中是布線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，建立完整的合理的布線網(wǎng)絡(luò)是自動(dòng)布線成功的關(guān)鍵，而建立符號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)及設(shè)計(jì)規(guī)范可減少重復(fù)工作、提高設(shè)計(jì)效率。為了使Pro/E軟件下拉式的菜單操作更直觀，應(yīng)分析二次接線三維輔助設(shè)計(jì)的完整需求，并開(kāi)發(fā)針對(duì)性較強(qiáng)的引導(dǎo)式設(shè)計(jì)界面，構(gòu)建面向產(chǎn)品的二次回路三維布線系統(tǒng)，是進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

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[5] 陸曉燕,陳波寧,季峰,等.Pro/ENGINEER Diagram電氣邏輯原理圖的設(shè)計(jì)（一）[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2010(4):96-98.

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