基于Pro／E二次開發(fā)的輔助布線技術(shù)

文 明，吉紅偉，王彥偉，邱浩波

（1.華中科技大學(xué) 國家CAD 支撐軟件工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢430074；2.北京無線電測量研究所，北京100000）

0 引 言

大型的三維CAD 軟件如Pro／E、UG、CATIA 等都具備專門的布線模塊，但在布線運(yùn)用中存在布線操作繁瑣、并行程度不高、信息組織輸出不合理等諸多問題，這些問題可從2個(gè)層面去解決。一是從理論層面提出新的布線理論，如學(xué)者提供了布線并發(fā)控制、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)［1，2］、啟發(fā)示路由布線［3］等方案、提供基礎(chǔ)的布線算法等。二是從軟件層面進(jìn)行解決，如開發(fā)基于知識(shí)存儲(chǔ)的智能布線系統(tǒng)［4］、運(yùn)用二次開發(fā)技術(shù)［5］等。

本文運(yùn)用二次開發(fā)作為彌補(bǔ)現(xiàn)有布線系統(tǒng)缺陷，定制特殊布線環(huán)境來解決以上問題。基于Pro／E 平臺(tái)，結(jié)合系統(tǒng)提供的API函數(shù)和MFC，對(duì)線纜的干涉檢查，信息存貯和輸出，參數(shù)化建模等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的注重布線設(shè)計(jì)、未實(shí)現(xiàn)的布線質(zhì)量檢驗(yàn)、信息輸出等特點(diǎn)進(jìn)行了彌補(bǔ)。從軟件層面完善了布線環(huán)境，從理論上豐富了線纜干涉檢查的手段。文章最后，開發(fā)了一個(gè)具有上述功能的輔助布線系統(tǒng)，驗(yàn)證了相關(guān)技術(shù)的可行性。

1 關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 基于路徑控制點(diǎn)的簡單布線技術(shù)

目前在Pro／E 中主要的布線模式有2種，即簡單布線與網(wǎng)絡(luò)布線。簡單布線是在指定始末端口后通過系統(tǒng)自動(dòng)生成走線路徑，生成后改變線纜走線路徑操作復(fù)雜，且一般所布線纜呈懸空狀態(tài)，布線效果不佳，在實(shí)際工程中運(yùn)用較少。網(wǎng)絡(luò)布線需要先進(jìn)行布線網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建，并在創(chuàng)建好的網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置優(yōu)先級(jí)，使線纜經(jīng)過優(yōu)先級(jí)高的網(wǎng)絡(luò)，不經(jīng)過不允許經(jīng)過的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建后在所建網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行布線，布線完成后可通過調(diào)整網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來調(diào)整整個(gè)網(wǎng)絡(luò)走向。兩類布線方式都需要先指定入口端后方能進(jìn)行布線，布線操作繁瑣，在重復(fù)的進(jìn)行大量的相同的工作時(shí)帶來巨大的工作量，影響施工進(jìn)度。

基于路徑控制點(diǎn) （routing cable points）的簡單布線不需要通過指定端口，再選布線位置，而是在布線過程中通過手工連續(xù)點(diǎn)擊位置完成簡單走線，完成簡易化的布線功能［5］。路徑控制點(diǎn)是線纜布線環(huán)境中的過渡點(diǎn)，是布線路徑的最小單元，由空間位置決定。路徑控制點(diǎn)主要分為三類：平面路徑控制點(diǎn)，空間路徑控制點(diǎn)，曲面路徑控制點(diǎn)。在三維布線軟件中，路徑控制點(diǎn)創(chuàng)建的邏輯流程圖如圖1所示。

圖1 路徑控制點(diǎn)創(chuàng)建流程

復(fù)雜的布線路徑創(chuàng)建可通過三維軟件的草圖輔助進(jìn)行，首先在該草圖平面上進(jìn)行路徑繪制工作，此時(shí)能夠采用所有的草圖操作命令，在完成草圖路徑繪制后，采取草圖引用的形式形成復(fù)雜布線路徑。

對(duì)于簡單路徑創(chuàng)建，直接在布線模型的表面上建立相應(yīng)的布線控制點(diǎn) （RCP 點(diǎn)），然后基于這些RCP 點(diǎn)在軟件內(nèi)部分段建立線段或樣條曲線，最終完成布線路徑的創(chuàng)建。

在Pro／E中，路徑控制點(diǎn) （RCP 點(diǎn)）有多種形式，網(wǎng)絡(luò)布線中的線纜位置也是路徑控制點(diǎn)的一種形式，正是基于這些控制點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)布線才得以實(shí)施，表1所示為在Pro／E中是簡單布線中最常用的幾種RCP點(diǎn)。

創(chuàng)建完成這些控制點(diǎn)后，使用API接口函數(shù)ProCableRoutingStart進(jìn)行布線準(zhǔn)備，對(duì)選擇的RCP 點(diǎn)進(jìn)行加工，通過ProCableThruLocationRoute等相關(guān)函數(shù)進(jìn)行布線，實(shí)現(xiàn)布線操作與路徑控制同步實(shí)時(shí)同步的簡單布線。

表1 Pro／E內(nèi)部可用的RCP點(diǎn)

1.2 線纜的干涉檢查與調(diào)整

數(shù)字化三維電氣布線系統(tǒng)默認(rèn)路徑常選擇連接器之間最短路徑，因此容易產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，不僅影響整個(gè)布線的美觀，而且導(dǎo)致線纜長度與實(shí)際情況不符，從而導(dǎo)致預(yù)算錯(cuò)誤。線纜的干涉檢查通過ProCableClearanceCompute等函數(shù)實(shí)現(xiàn)。若線纜檢查后存在干涉，則需要進(jìn)行干涉調(diào)整。在Pro／E中，線纜的布置大多采用布線路徑的貼壁形式，相關(guān)文章采用貼壁干涉自動(dòng)調(diào)整的算法，在多次迭代的情況下進(jìn)行調(diào)整［6］。本文著眼于線纜位置點(diǎn)，提出一種新的調(diào)整方案，方案原理如下。

在復(fù)雜線纜工程中的布設(shè)工程中，大多布線方式采用的網(wǎng)絡(luò)布線，故本文在此只考慮線纜路徑由沿布線網(wǎng)絡(luò)行走或使用本文上述所介紹的布線方式布置線纜所引起的干涉情況，此2種布線方式都有一個(gè)共同點(diǎn)，即每段線纜的走向都是由線纜位置控制點(diǎn)或RCP點(diǎn)所決定。

若線纜存在干涉，都可以分為2 種情況，線面干涉和線線干涉。以下分別對(duì)2種情況分別進(jìn)行解決。

（1）線面干涉

對(duì)于三維空間中的線面干涉，由于線纜是由RCP點(diǎn)或線纜位置控制其走向，所以可直接通過調(diào)整RCP點(diǎn)或線纜位置進(jìn)行干涉調(diào)整。如圖2所示。

圖2 線面干涉

線纜由a、b、c、d這4 個(gè)線纜位置作為路徑控制點(diǎn)，其中cd段與平面有干涉，最大干涉距離為h，設(shè)線纜直徑為D，則通過沿與平面垂直的法向移動(dòng)線纜控制點(diǎn)a、b、c、d，便可調(diào)整干涉。移動(dòng)距離L 為

（2）線線干涉

對(duì)于三維空間的線線干涉，考慮到干涉點(diǎn)之間的兩段線纜分別由2個(gè)路徑控制點(diǎn)控制路徑生存，故由其中3個(gè)控制點(diǎn)所形成的平面如圖3所示。

圖3 線面干涉

設(shè)圖中平面α是經(jīng)過控制點(diǎn)a、b、c所形成的平面，線纜ac和bd相交于F點(diǎn)，平面β平行于平面α，且平面β經(jīng)過點(diǎn)F，向量n 為β的法向量。設(shè)線纜直徑分別為D1和D2，則在干涉調(diào)整中，如果以線纜ac為標(biāo)準(zhǔn)，則線纜bd所在F點(diǎn)處新建RCP點(diǎn)，并沿向量n 移動(dòng)。若干涉時(shí)線纜兩中心線相交，則移動(dòng)距離L 為

綜上兩種情況可知，線纜的干涉調(diào)整主要步驟如下：

（1）檢查線纜干涉情況，若線纜出現(xiàn)干涉，則根據(jù)干涉類型選擇不同的修改方式進(jìn)行線纜的修改，若選擇更改線纜直徑，修改后立即進(jìn)行干涉檢查。

（2）若選擇調(diào)整路徑控制點(diǎn)，首先判斷干涉類型，若為線面干涉，則根據(jù)實(shí)時(shí)工程信息獲取線纜直徑，并按上述中線面干涉調(diào)整方案進(jìn)行調(diào)整。若為線線干涉，獲取線纜直徑后按上述線線干涉調(diào)整方案進(jìn)行調(diào)整。

（3）判斷線纜或線束中心線升高的結(jié)果。如果干涉仍然存在，則繼續(xù)進(jìn)行調(diào)整。

線纜調(diào)整過程的主要流程如圖4所示。

圖4 線纜的干涉檢查和調(diào)整流程

1.3 模型參數(shù)存儲(chǔ)與輸出

參數(shù)化建模是Pro／E 模型建立的最主要特性之一，模型的參數(shù)是定義和描述一個(gè)模型必不可少的概念，在大部分的三維模型中，參數(shù)是通過尺寸、公差、材料特性等形式來體現(xiàn)的，參數(shù)化設(shè)計(jì)可通過修改相關(guān)參數(shù)實(shí)現(xiàn)模型的修改，如通過修改三維模型中的材料參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同材料的模型設(shè)計(jì)。如果用戶想在原模型的基礎(chǔ)上修改模型的某些參數(shù)從而進(jìn)一步符合設(shè)計(jì)需求要求，當(dāng)這些參數(shù)修改如果在軟件中無接口實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，則可通過算法將某些參數(shù)顯化進(jìn)行修改，并進(jìn)行模型再生，從而派生出新的實(shí)體，實(shí)現(xiàn)零件的動(dòng)態(tài)修改，即參數(shù)化建模。

下線表的輸出是線纜模塊二次開發(fā)的一個(gè)重點(diǎn)，通過下線表，可減少線纜因無法估計(jì)下線長度而引起的組裝不便或線纜浪費(fèi)。線纜長度是以線纜參數(shù)形式Pro／E 中保存的，而線纜參數(shù)在Pro／E 中以結(jié)構(gòu)體形式的存貯的，其結(jié)構(gòu)形式如下：

對(duì)于每一個(gè)特征或模型的具體參數(shù)在Pro／E 中的存取，都需要模型句柄才能夠取得，所謂模型句柄是指具體的模型對(duì)象，而要獲得所需的特征句柄或模型句柄，則需通過遍歷的方式來取得相應(yīng)的句柄。在線纜參數(shù)讀取時(shí)，所需的模型句柄多為某段線纜，其在模型中的組織形式如圖5所示。

所以需要得到線纜特征則需要進(jìn)行兩次遍歷，具體實(shí)現(xiàn)代碼如下：組件，返回的特征存入數(shù)組中

圖5 線纜裝配體內(nèi)部特征組織

值得注意的是，在使用相關(guān)函數(shù)時(shí)如ProSolidFeatVisit需要編寫訪問函數(shù)，函數(shù)編寫方法可參考相關(guān)資料［7］。

在對(duì)需要的進(jìn)行參數(shù)建模的線纜零件進(jìn)行參數(shù)修改后，便可通過程序?qū)?shí)際布線過程中所需的數(shù)據(jù)提取出來，這便是信息輸出。對(duì)于線纜零件而言，在進(jìn)行實(shí)物布線時(shí)，根據(jù)虛擬樣機(jī)可繪制出基本的布線路徑和順序，但對(duì)于復(fù)雜的大型系統(tǒng)而言，布線路徑則無法簡單的從模型中獲得，必須經(jīng)過信息處理，獲得下線表，使表中記錄每條線纜對(duì)應(yīng)的起始端口和終止端口以及下線長度。

在Pro／E 中提供了線纜長度的估算函數(shù)ProCable－LengthGet可獲取線纜長度，通過線纜參數(shù)可獲取線纜的線纜名、線軸、和連接端口等。這些參數(shù)是以文件的方式在Pro／E中的存貯的，表2所示為線纜連接端口參數(shù)在Pro／E內(nèi)部的貯存形式。

表2 Pro／E線纜連接端口參數(shù)的貯存

這些線纜參數(shù)可通過ProOutputFileWrite將文件讀出后獲取參數(shù)，也可通過ProCableParametersCollect進(jìn)行收集，再對(duì)使用相關(guān)算法進(jìn)行輸出。但是模型中相同的連接器在同一個(gè)模型中的邏輯名是同名的，所以在輸出時(shí)必須先對(duì)相同的連接器進(jìn)行編號(hào)或改名，才能將端口輸出到下線表中。

1.4 參數(shù)化建模

在Pro／E中，線纜零件表現(xiàn)為統(tǒng)一的通用的數(shù)學(xué)模型，不同的線纜的種類通過設(shè)置該線纜的各種參數(shù)來進(jìn)行設(shè)置。面向裝配過程的線纜應(yīng)該一般包含多個(gè)方面的信息，信息的分類定義詳見參考文獻(xiàn) ［8］。本節(jié)主要以3類對(duì)象的建模來對(duì)進(jìn)行說明，即線纜，線軸，護(hù)線套的建模。

線軸的創(chuàng)建分為兩大類，一類是基線纜線軸，另一類是護(hù)線套線軸?；€纜線軸的創(chuàng)建可分為3類：單根線纜線軸，多芯線纜線軸，扁平線纜線軸。護(hù)線套線軸在創(chuàng)建后也可進(jìn)行類型和參數(shù)的設(shè)置。

Pro／E中常用的線纜可分為3 類，單根線纜，多芯線纜，扁平線纜。這3類線纜都是基線纜，根據(jù)3 類線纜的劃分，模塊中對(duì)應(yīng)的連接器類型也分為對(duì)應(yīng)的3類：wire、round和flat這3 種類型。在Pro／E 中，線纜的創(chuàng)建包括Spool的創(chuàng)建和線纜特征創(chuàng)建兩個(gè)步驟，在Spool中定義包括線纜的直徑，顏色，最小折彎半徑等，特征的創(chuàng)建是在Spool創(chuàng)建的基礎(chǔ)上，定義具體的線纜。

護(hù)線套主要分為3 類，熱縮管 （shrink），膠帶纏管（tape），不用膠帶的護(hù)線管 （tube），三類套管也是基于Spool創(chuàng)建的線纜零件，具有直徑、寬度、顏色、直徑、最小折彎半徑等參數(shù)，護(hù)線套正是基于這些參數(shù)成為一個(gè)對(duì)象模型。圖6為3種具有不同屬性的護(hù)線管。（圖中綠色為熱縮管，紅色為膠帶纏管，藍(lán)色為護(hù)線管。）

圖6 Pro／E內(nèi)部3種不同屬性的護(hù)線管

2 VS環(huán)境下的Pro／E的二次開發(fā)

二次開發(fā)是在軟件原有功能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)新功能拓展和定制的重要方式［9，10］。市場現(xiàn)有的大型軟件基本上都提供二次開發(fā)功能，如CATIA、UG、Pro／E等都提供了強(qiáng)大的二次開發(fā)接口和豐富的二次開發(fā)函數(shù)。就Pro／E 二次開發(fā)來說，開發(fā)方法也有不同種類，使用較普遍的如J－link和Pro／Toolkit軟件工具包［11］。也可使用其它方式如族表（family table）、用戶定義特征 （UDF）等進(jìn)行開發(fā)。

Pro／Toolkit是Pro／E 軟件系統(tǒng)自帶的二次開發(fā)模塊，可以直接訪問Pro／E的最底層數(shù)據(jù)庫資源，用戶通過程序代碼擴(kuò)充系統(tǒng)功能，開發(fā)基于Pro／E 系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)庫資源的應(yīng)用程序模塊，從而實(shí)現(xiàn)用戶的特殊要求。Pro／Toolkit中包含豐富的庫函數(shù)，通過這些庫函數(shù)文件和頭文件可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序模塊與Pro／E系統(tǒng)的無縫集成。

在Visual Studio環(huán)境下，基于MFC編制原代碼實(shí)現(xiàn)模塊功能后生成動(dòng)態(tài)鏈接庫 （dynamic link library），鏈接庫中包含可供Pro／E 程序使用的代碼和數(shù)據(jù)，再經(jīng)過Pro／E注冊(cè)和便可在軟件中正常運(yùn)行而不影響其它模塊的正常運(yùn)行。

3 線纜輔助布線系統(tǒng)開發(fā)及驗(yàn)證

本文根據(jù)工程需要，以普遍使用的Pro／E 為平臺(tái)，以VS2005和Pro／TOOLKIT 為編譯環(huán)境及接口，采用與ProeWildfire 5.0緊密集成的開發(fā)方式進(jìn)行構(gòu)建，以Pro／Cabling模塊為基礎(chǔ)，結(jié)合Cabling的原有布線流程進(jìn)行功能增強(qiáng)和功能擴(kuò)充，綜合運(yùn)用Pro／TOOLKIT、Pro／Develop開發(fā)技術(shù)和MFC 編程技術(shù)開發(fā)了一個(gè)面對(duì)復(fù)雜天線布線工程的輔助布線系統(tǒng)原型，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示。

圖7 輔助布線系統(tǒng)架構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)可分為復(fù)雜線纜模型管理，線纜工藝布局和組裝，復(fù)雜線纜工藝校核和優(yōu)化3大模塊。

復(fù)雜線纜模型管理包涵模型輕量化管理，線纜庫管理以及剛性和半剛性線纜庫管理等，通過該模塊可實(shí)現(xiàn)布線使用的線纜庫管理，包括線纜的創(chuàng)建和線纜參數(shù)的修改等，將線纜管理工作統(tǒng)一集成在一個(gè)頁面內(nèi)，在布線中減少線纜建模的重復(fù)性工作。線纜工藝布局包括便捷化簡單布線，布線網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建和網(wǎng)絡(luò)布線導(dǎo)航，該模塊輔助布線模塊中常規(guī)的簡單布線和網(wǎng)絡(luò)布線，通過路徑控制點(diǎn)進(jìn)行布線，克服了簡單布線中不能調(diào)整路徑以及網(wǎng)絡(luò)布線中需要事先規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)。復(fù)雜線纜工藝校核和優(yōu)化主要包括布線規(guī)則干涉檢查，接線表下線表輸出，元件端子指定等，干涉檢查可對(duì)已有模型的線纜布局進(jìn)行干涉檢查，并提出調(diào)整方案，減少線纜模型中的干涉。根據(jù)特定的下線規(guī)則，則可進(jìn)一步進(jìn)行下線表的輸出。

布線成功后，可運(yùn)用干涉檢查進(jìn)行線纜的干涉檢查，若線纜有干涉，進(jìn)行干涉調(diào)整后再次進(jìn)行檢查，圖8為簡單布線效果，布線時(shí)只需拾取路徑控制點(diǎn)即可控制路徑，實(shí)現(xiàn)布線與路徑的同步控制。

圖8 在Pro／E內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的簡單布線菜單和功能

線纜布設(shè)成功后，對(duì)線纜進(jìn)行干涉檢查，若線纜存在干涉，使用調(diào)整方案對(duì)線纜進(jìn)行干涉調(diào)整，調(diào)整后若無干涉，便可進(jìn)行下線表輸出制作實(shí)物樣機(jī)，圖9為處理后輸出的下線表信息。

圖9 數(shù)據(jù)處理及下線表輸出

線纜布設(shè)成功以后，需要對(duì)某些線纜進(jìn)行包扎，這便需要護(hù)線套的建模過程，護(hù)線套的建模是參數(shù)化建模過程的典型體現(xiàn)，通過參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)了護(hù)線套各種特性的設(shè)置。圖10為運(yùn)用MFC和Pro／E二次開發(fā)接口實(shí)現(xiàn)的護(hù)線套建模的界面。

圖10 護(hù)線套參數(shù)化建模及實(shí)現(xiàn)

4 結(jié)束語

文章在三維軟件布線系統(tǒng)的現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上，通過對(duì)基于路徑控制點(diǎn)的簡單布線、干涉檢查與調(diào)整、信息整合與輸出及參數(shù)化建模等技術(shù)的研究，在Visual Studio環(huán)境下，結(jié)合Pro／E提供的軟件開發(fā)工具包，通過函數(shù)實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)庫底層數(shù)據(jù)操作，成功開發(fā)了一個(gè)面向快速布線的輔助布線系統(tǒng)，新開發(fā)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了線纜的快速布置，線纜參數(shù)的快速設(shè)置以及線纜干涉檢查，并實(shí)現(xiàn)下線表的輸出，提升了工程中布線的設(shè)計(jì)水平，具有現(xiàn)實(shí)的工程意義和使用價(jià)值。

系統(tǒng)中的干涉調(diào)整技術(shù)由于軟件本身的接口限制問題，在提出理論基礎(chǔ)的情況下，后續(xù)的實(shí)現(xiàn)方法還有待進(jìn)一步研究。

運(yùn)用Pro／E二次開發(fā)進(jìn)行特定模塊的功能拓展是工程實(shí)踐中的重要手段。當(dāng)軟件提供的功能已不能滿足工程要求時(shí)，通過Pro／E提供的二次開發(fā)接口，在VC＋＋強(qiáng)大的平臺(tái)支持下，加上現(xiàn)有編程語言的強(qiáng)大的編程效率，可在較短時(shí)間實(shí)現(xiàn)原有功能模塊的功能擴(kuò)充，因此三維軟件的二次開發(fā)是解決特定領(lǐng)域建模問題的重要手段，也是從軟件層面彌補(bǔ)現(xiàn)有系統(tǒng)不足的重要方式。

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