基于CREO的復雜機電產品輔助布線系統(tǒng)設計與開發(fā)

吳保勝，郭 宇，王發(fā)麟，黃 瀟，宋 倩

（南京航空航天大學 機電學院，南京 210016）

基于CREO的復雜機電產品輔助布線系統(tǒng)設計與開發(fā)

吳保勝，郭 宇，王發(fā)麟，黃 瀟，宋 倩

（南京航空航天大學 機電學院，南京 210016）

線纜布線是復雜機電產品設計中的普遍性難題。針對線纜布局設計中存在的效率低、可靠性差等問題，在CREO平臺上，對線纜敷設所需零件庫、CREO簡單布線技術、接線表的讀取、布線信息的參數(shù)化輸出等技術進行了相關研究，結合Visual Studio環(huán)境下的CREO/TOOLKIT二次開發(fā)技術，開發(fā)出了具有上述功能的輔助布線系統(tǒng)，驗證了技術的可行性。

線纜敷設；CREO二次開發(fā)；零件庫；接線表；輔助布線系統(tǒng)

0 引言

現(xiàn)在許多商業(yè)三維建模軟件如CREO，UG，CATIA等都有自己專門的布線模塊，但在實際布線應用中都存在著布線操作復雜、線軸文件管理混亂、無法輸出布線信息文件等諸多問題。針對這一問題國外學者Robinson G將沉浸式虛擬現(xiàn)實技術應用線束設計中[1,2]，Thantulage GI將啟發(fā)式搜索算法應用到線纜路徑規(guī)劃中[3]，從理論層 面解決布線效率低下等問題，也有諸多學者從軟件層面入手，運用各三維造型軟件提供的二次開發(fā)接口，開發(fā)智能布線系統(tǒng)[4,5]。

本文運用二次開發(fā)技術開發(fā)輔助布線系統(tǒng)以彌補現(xiàn)有軟件布線模塊的缺陷?；贑REO平臺，結合Visual Studio提供的MFC界面開發(fā)窗口，運用CREO/TOOLKIT二次開發(fā)語言，對線纜零件庫的搭建、快速布線、線纜信息文件輸出等關鍵技術進行了研究，拓展了CREO現(xiàn)有的布線功能，提高了布線效率。在文章的最后，開發(fā)出了具有上述功能的布線系統(tǒng)，驗證了相關技術的可行性和有效性。

1 系統(tǒng)框架

基于CREO的復雜機電產品輔助布線系統(tǒng)，主要包括了布線數(shù)據(jù)設計模塊、布線設計模塊、布線信息輸出模塊，如圖1所示。

1）布線數(shù)據(jù)設計模塊

布線數(shù)據(jù)設計模塊主要負責線纜布線設計前所需要的各種數(shù)據(jù)準備，包括結構件模型裝配、線纜線夾的創(chuàng)建和管理、布線端口坐標系安裝、用于管理線纜的線束零件的創(chuàng)建管理、線纜規(guī)格模型庫和布線空間干涉檢查。這些布線之前的準備為下一步的布線操作準備好數(shù)據(jù)，并排除可能在布線過程中存在的電氣干涉問題。在此過程創(chuàng)建好的零件、線夾和線纜等數(shù)據(jù)可以上傳到數(shù)據(jù)庫，方便日后的使用。

2）線纜布線設計模塊

線纜布線設計模塊主要利用上一過程中準備好的數(shù)據(jù)進行線纜模型創(chuàng)建和在CREO布線空間環(huán)境下進行線纜布線。線纜模型創(chuàng)建主要根據(jù)線纜規(guī)格模型庫中所選的線纜規(guī)格生成三維線纜模型，自由布線是指布線設計人員可以根據(jù)自己的設計經(jīng)驗來控制線纜走線位置，設計線纜的走線姿態(tài)。接線表布線可以根據(jù)接線表內的線纜連接關系進行布線，免去了人工布線的繁瑣過程。接線表是虛擬布線設計的重要輸入信息，該表詳細給出了線纜中所有導線兩端的端子信息，包括導線規(guī)格、接插件代號、接插件規(guī)格和針腳號等。布線設計過程中就是根據(jù)接線表獲取線纜的詳細連接關系信息，作為布線設計的數(shù)據(jù)來源，接線表格式如圖2所示。布線路徑搜索功能可以在CREO布線空間內搜索出符合布線約束的走線路徑，然后在此路徑上自動生成線纜完成線纜布線過程。

圖1 布線系統(tǒng)框架

3）布線結果輸出

布線結果輸出模塊主要包括以下功能：1）線纜材料清單：線纜布線結束后可以對布線空間內的線纜進行分類統(tǒng)計，并可以按照實際需要選擇某個線束零件中的線纜或者全部線纜進行統(tǒng)計，然后輸出到Excel表格中，為后續(xù)的線纜制作做準備。2）電氣信息查詢：電氣信息查詢包含連接件信息查詢和線纜路徑點查詢，連接件信息查詢可以獲取連接件端口的線纜連接情況，線纜路徑點查詢可以獲取線纜在布線空間內的走線位置情況。

圖2 接線表

2 關鍵技術

2.1 電氣元件庫

在復雜機電產品線纜裝配設計的過程中，需要使用到大量不同規(guī)格的接線端子。接線端子是實現(xiàn)電氣元件間相互連接不可或缺的元件，隨著工業(yè)自動化程度和高準確率標準的提升，接線端子的數(shù)量急劇增加，因此建立常用接線端子的元件庫將會大幅提高布線效率。

為實現(xiàn)電氣元件的自動化裝配，需要使用以下CREO二次開發(fā)接口函數(shù)：

2.2 自由布線

在CREO中有兩種布線方式：簡單布線和網(wǎng)絡布線兩大類。簡單布線在布線過程中只需選擇線纜的起點和終點，系統(tǒng)自動生成線纜路徑，生成的默認路徑一般無法滿足線纜的實際敷設標準，需要人工進行后續(xù)的路徑調整。網(wǎng)絡布線是先創(chuàng)建出線纜的路徑點網(wǎng)絡，然后設定各個網(wǎng)絡段的優(yōu)先級，然后依據(jù)優(yōu)先級靠前的路徑網(wǎng)絡生成布線路徑。這兩種布線方法都需要進行大量的重復工作。

基于本文提出的自由布線技術，可以通過連續(xù)點擊路徑平面創(chuàng)建路徑位置點，自動生成經(jīng)過這些位置點的線纜路徑，無需重復點選線纜的起始位置端口和線纜位置的后續(xù)調整。自由布線的主要代碼如下所示：

2.3 布線信息輸出

布線信息輸出是布線模塊二次開發(fā)的關鍵部分。布線結果文件可以提高布線的便捷性，同時避免因為無法預估線纜長度而造成的浪費。線纜的長度信息存儲在CREO的線纜參數(shù)中，線纜參數(shù)的結構體如下所示：

3 CREO二次開發(fā)技術

利用CREO/TOOLKIT工具對CREO進行開發(fā)時，有兩種工作方式，分別是同步模式（Synchronous Mode）和異步模式（Asynchronous Mode）[6]。在同步模式下CREO系統(tǒng)和利用TOOLKIT工具開發(fā)的應用程序必須同時運行，開發(fā)的應用程序不可以獨立運行。在此模式下CREO系統(tǒng)和利用TOOLKIT工具開發(fā)的應用程序交替獲取運行控制權。同步模式下又分為動態(tài)鏈接庫模式（DLL Mode）和多進程模式（Multi-process Mode），其中多進程模式又被稱為派生模式（Sprawled Mode）。動態(tài)鏈接庫模式需要編寫DLL文件，在運行開發(fā)程序時需要將利用CREO/TOOLKIT工具編寫的動態(tài)鏈接庫文件加載進CREO系統(tǒng)，新開發(fā)的功能將無縫集成到CREO系統(tǒng)內。在動態(tài)鏈接庫模式下，開發(fā)的應用程序和CREO系統(tǒng)進行通信時，應用程序直接調用接口函數(shù)實現(xiàn)。在多進程模式下CREO與CREO/TOOLKIT應用程序之間通過進程進行數(shù)據(jù)交換。相比于動態(tài)鏈接庫模式，多進程模式需要更多的通信時間，而且隨著應用程序復雜程度的增加，兩者之間的通信時間消耗更多。

在異步模式下，CREO/TOOLKIT應用程序可以遠程啟動CREO系統(tǒng)，CREO系統(tǒng)和CREO/TOOLKIT應用程序可以獨立運行。此模式下的CREO/TOOLKIT應用程序不同于同步模式下的應用程序。與同步模式相比，異步模式下應用程序執(zhí)行速度較慢，而且異步模式下的應用程序可開發(fā)性也不好。所以除了有特殊要求外，基于CREO的CREO/TOOLKIT應用程序開發(fā)一般都采用同步模式下的動態(tài)鏈接庫模式，故本文針采用同步模式下的動態(tài)鏈接庫模式進行布線原型系統(tǒng)的開發(fā)。

基于CREO/TOOLKIT應用程序的開發(fā)流程大致分為三個步驟：源文件編寫、動態(tài)鏈接庫文件編譯鏈接和DLL文件的加載運行[7]。

1）源文件編寫

源文件包括程序文件和資源文件。程序文件是根據(jù)實現(xiàn)的功能需求編寫的C或者C++代碼文件，代碼文件主要是所要實現(xiàn)的功能的核心代碼，需要根據(jù)所需要的功能進行編寫。資源文件主要用于菜單創(chuàng)建、UI創(chuàng)建和一些信息輸出。資源文件的書寫格式有其特殊的要求，以菜單資源為例，每個菜單需要四行內容來描述，第一行為特殊標識，不能和其他內容重復，第二行為菜單的中文名稱，第三行為菜單英文名稱，可以設置為空，第四行暫時未用。資源文件如圖3(a)所示。

2）DLL編譯鏈接

編寫完程序文件后，需要在編譯環(huán)境下進行編譯鏈接以檢查程序代碼是否有錯誤。當出現(xiàn)錯誤后需要進行調試，DLL程序代碼不能像EXE程序一樣進行調試，需要附加到CREO進程中進行調試。

圖3 資源文件和注冊文圖

3）DLL加載運行

DLL文件必須加載進CREO系統(tǒng)中運行而不能單獨運行。加載時需要注冊事先編寫擴展名為.dat的文本文件。在注冊.dat文件時，可以選擇自動注冊和手動注冊兩種方式。自動注冊需要將注冊文件放到指定的CREO啟動目錄下，當CREO啟動時注冊文件將自動被注冊。手動注冊是指在CREO中的“輔助應用程序”中運行注冊文件，注冊文件格式如圖3(b)所示。

4 輔助布線原型系統(tǒng)開發(fā)與驗證

根據(jù)本文所提出的布線系統(tǒng)設計的體系框架，結合CREO/TOOLKIT工具開發(fā)了復雜機電產品輔助布線系統(tǒng)。

4.1 電氣元件庫

所開發(fā)的線軸庫的界面如圖4(a)所示，主要功能包括：線軸的創(chuàng)建與編輯，線纜參數(shù)的展示以及線纜的查詢和刪除等功能。圖4(b)為卡箍庫界面，它可以實現(xiàn)卡箍零件的預覽以及根據(jù)用戶選擇的裝配位置實現(xiàn)自動裝配等功能。圖4(c)為接線端子庫界面，針對不同規(guī)格的接線端子，當用戶雙擊庫列表上的任意接線端子，在下方可以展示出端子的參數(shù)信息以及圖形預覽，此外使用者可以在模型中任意選擇接線端子的裝配位置實現(xiàn)自動裝配，大大提高了裝配效率。

圖4 電氣元件庫

4.2 自由布線

自由布線在布線前可以先創(chuàng)建布線自由點，通過布線自由點完成線纜布線路徑的規(guī)劃，而且可以實現(xiàn)沿局部線纜和整條線纜布線，如圖5所示。

圖5 自由布線

4.3 線纜信息文件輸出

電氣整機布線結束后，可以通過線纜材料清單輸出功能將所布線纜信息輸出到Excel表中，為線纜制作或其它后續(xù)工作提供參考依據(jù)，如圖6所示。

圖6 布線信息輸出

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5 結束語

文章在CREO布線模塊現(xiàn)有功能的基礎上，針對線纜布局設計中存在的效率低、可靠性差等問題，在CREO平臺上，對線纜敷設所需零件庫、CREO簡單布線技術、接線表的讀取、布線信息的參數(shù)化輸出等技術進行了相關研究，結合Visual Studio環(huán)境下的CREO/ TOOLKIT二次開發(fā)技術，成功開發(fā)出了一個面向快速布線的輔助布線系統(tǒng)，提高了布線效率和準確度，具有現(xiàn)實的工程意義和使用價值。

由于CREO軟件本身的接口限制等問題，通過二次開發(fā)工具提升布線效率也存在一定的局限性，需要進一步的學習和研究。

[1] Robinson G, Ritchie J M, Day P N, et al. System design and user evaluation of Co-Star:An immersive stereoscopic system for cable harness design[J].Computer-Aided Design,2007,39(4):245-257.

[2] Ritchie J M,Robinson G, Day P N, et al. Cable Harness Design, assembly and installation planning using immersive virtual reality[J].Virtual Reality,2007,11(4):261-273.

[3] Thantulage GI.Ant colony optimization based simulation of 3Dautomatic hose/pipe routing[D].UK:Brunel University,2009.

[4] 王金芳,閆靜,武凱,等.基于Pro/E的線纜裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)關鍵技術研究[J].中國機械工程,2008,19(13):0-1637.

[5] 蔡毅,王彥偉,黃正東.基于UG的三維電氣自動布線技術研究[J].計算機工程與應用,2012,48(8):68-72.

[6] 張繼春.Pro/ENGINEER二次開發(fā)實用教程[M].北京大學出版社,2003.

[7] 王文波.Pro/E Wildfire 4.0二次開發(fā)實例解析[M].清華大學出版社,2010.

Design and development of cabling system for complex mechatronic products based on CREO

WU Bao-sheng, GUO Yu, WANG Fa-lin, HUANG Xiao, SONG Qian

TP391

：A

1009-0134(2017)03-0132-04

2016-11-23

國家自然科學基金（51575274）；國防基礎科研資助項目（A2620132010）；江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程（KYLX_0311）；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金

吳保勝（1991 -），男，江蘇徐州人，碩士研究生，研究方向為數(shù)字化設計制造技術。