基于CATIA汽車線束三維設(shè)計(jì)的初期準(zhǔn)備與相關(guān)應(yīng)用

白健宇

（長春一汽富晟李爾汽車電器有限公司，吉林 長春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)廠家對線束開發(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)樹簡潔明了，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年代法國達(dá)索宇航公司開發(fā)的，并應(yīng)用于航空工業(yè)。經(jīng)過多年的推廣，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這兩個版本［2］。

使用CATIA開發(fā)汽車線束的基本流程，如圖1所示。

圖1 基于CATIA軟件的汽車線束開發(fā)流程圖

1 CATIA線束設(shè)計(jì)模塊與數(shù)據(jù)庫的準(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，國內(nèi)外大部分主機(jī)廠在開發(fā)汽車線束時，主要會使用“Electrical Part Design”和“Electrical Harness Assembly”這兩個模塊。“Electrical Part Design”用來對插接器、卡釘、橡膠件、塑料支架等零部件定義電氣屬性；“Electrical Harness Assembly”用來創(chuàng)建包含所有線束幾何圖形集的產(chǎn)品總成，并通過此應(yīng)用創(chuàng)建、修改或者刪除線束數(shù)模。其中“Electrical Harness Flattening”主要是用來對三維數(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，而是通過其它專門的線束整合軟件與CAITA結(jié)合起來完成的，例如Elena，E3，CHS等。除此之外還會用到“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)模識別點(diǎn)，為之后的展平或者整合提供參考測量點(diǎn)；③實(shí)現(xiàn)自動裝配，免去手動調(diào)節(jié)線束與電氣件相鏈接的操作過程，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)模型普遍來自于國內(nèi)外各大線束公司或其供應(yīng)商，線束開發(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（Part Number）及孔位數(shù)量 （Number of Terminations），如圖4所示。然后通過“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)過的第一個點(diǎn)（以下統(tǒng)稱屬性點(diǎn)）的位置（Point.1）并選擇這個點(diǎn)所在的平面（Plane），線束會與這個平面保持垂直的形態(tài)劃入卡釘；③之后掠過卡釘支撐面（Base Plane Definition：Plane2），線束外緣會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?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，一般會設(shè)置兩個以上的屬性點(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，不同的零件號代表不同的膠帶種類，不同的纏繞方式一般會通過不同的顏色來進(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程。保護(hù)物的屬性信息包括零件號（Name），類型（Type），寬 度（Width），厚度（Thickness），彎曲半徑（Bend radius），單位長度質(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3種不同的顏色來區(qū)分3種不同的纏繞方式，如圖13所示。

1.3 數(shù)據(jù)庫的建立

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文件夾中，并創(chuàng)建“CatalogDocument”庫文件，如圖14所示，保存于庫文件夾內(nèi)，再將所有零件數(shù)模通過“Store Device”命令與庫文件直接相連，如圖15所示。數(shù)據(jù)庫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 庫文件的設(shè)置

圖15 零件與庫文件鏈接

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

為了保持線束與個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”層級中“General”項(xiàng)目下“keep link with selected object”的設(shè)定，以及將在“Electrical Harness Installation”層級中“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 保持與所選對象的關(guān)聯(lián)性1

圖17 保持與所選對象的關(guān)聯(lián)性2

2.2 開啟高速緩存（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盤中（除系統(tǒng)盤C盤外）；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 取消自動激活（Do not activate default shapes on open）

在打開線束三維數(shù)據(jù)總成（Product）時，軟件的初始狀態(tài)會自動激活所有數(shù)據(jù)，并且將其轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)模式。此過程同樣會消耗大量的時間，解決這一問題需要進(jìn)入“Tools”下拉菜單里“Options”功能窗口，將在“Product Structure”層級中的“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”的過程改成了手動操作，操作命令如圖20所示。此設(shè)置既可以按照線束設(shè)計(jì)者的意圖來決定數(shù)據(jù)的開啟狀態(tài)又在很大程度上節(jié)省了時間。

圖19 打開時不要激活數(shù)據(jù)設(shè)置

圖20 手動激活數(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)目的整個開發(fā)周期甚至整個生命周期內(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”層級需要提前被定義為幾何線束組，通過“Electrical HarnessAssembly”設(shè)計(jì)模塊中的“Geometrical Bundle”命令，用來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

4 檢測三維數(shù)據(jù)的連通性與干涉情況

在線束三維設(shè)計(jì)的過程中反復(fù)進(jìn)行干涉分析檢查，對提高設(shè)計(jì)品質(zhì)尤為重要，同時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

從線束三維數(shù)據(jù)本身的品質(zhì)角度來講，數(shù)據(jù)整體應(yīng)該是一個閉環(huán)的、無斷點(diǎn)、無殘缺的完整數(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。同時不論是想要通過CATIA軟件自身展平功能還是通過任何一種線束整合軟件來獲取二維圖紙信息，都要求三維數(shù)據(jù)本身必須是一個連通的整體。

CATIA軟件通過“Search”（Control+F）功能來檢測線束數(shù)據(jù)的連通性，首先打開“Search”設(shè)置界面，進(jìn)入“Advance”工作臺，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。在彈出的對話框內(nèi)可以看到所有斷鏈接的分支，如圖23所示，如無極特殊情況，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

4.2 數(shù)據(jù)的干涉檢測

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

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)與檢測功能也是將來線束開發(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開發(fā)階段的設(shè)計(jì)及維護(hù)效率，避免時間的浪費(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)對線束設(shè)計(jì)的要求。

圖25 干涉檢查結(jié)果