線束組件在電子整機(jī)設(shè)備上的應(yīng)用研究

史建洲 童立超 李石 武勝璇

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 河北石家莊 050081

在電子整機(jī)設(shè)備中，線束組件可以看做是一種電氣互聯(lián)的模塊，通過提高線束組件在電氣互聯(lián)中的比例可以簡(jiǎn)化裝配過程，提高整機(jī)設(shè)備的可制造性[1-3]。但是，通常設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)階段無法確定線束組件的布設(shè)路徑和準(zhǔn)確長(zhǎng)度，從而導(dǎo)致兩種結(jié)果，要么預(yù)估一個(gè)足夠長(zhǎng)的長(zhǎng)度提前訂購(gòu)或生產(chǎn)，要么等電子設(shè)備結(jié)構(gòu)件和電氣部件生產(chǎn)裝配完成后，通過人工手段去規(guī)劃路徑和測(cè)繪長(zhǎng)度，然后再去訂購(gòu)或生產(chǎn)線束組件。

顯然，兩種方法都存在明顯的缺陷，第一種留夠充足余量的預(yù)估方式，肯定會(huì)導(dǎo)致線束組件過長(zhǎng)，多余出來的部分很不美觀，也不符合整機(jī)裝配工藝要求；第二種方法，就會(huì)導(dǎo)致串行生產(chǎn)，造成生產(chǎn)周期過長(zhǎng)的問題。

在電子整機(jī)設(shè)備設(shè)計(jì)階段，引入數(shù)字樣機(jī)的概念[4]，通過機(jī)電協(xié)同設(shè)計(jì)[5]，用三維布線的方法，基于設(shè)備的三維結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行布線仿真設(shè)計(jì)，就能夠在設(shè)備生產(chǎn)前提前獲得線束組件的路徑和長(zhǎng)度信息，為并行生產(chǎn)提供可能。

1 數(shù)字樣機(jī)的建立

電子整機(jī)設(shè)備的數(shù)字化樣機(jī)是通過三維模型等數(shù)字化手段，對(duì)其結(jié)構(gòu)形式、物理組成、機(jī)構(gòu)及電氣特性的一種數(shù)字化描述，數(shù)字樣機(jī)是真實(shí)產(chǎn)品的一種數(shù)字化表達(dá)。通過數(shù)字樣機(jī)，可以開展對(duì)產(chǎn)品的評(píng)估、仿真，還可以依據(jù)數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行物料采購(gòu)、生產(chǎn)裝配以及維修保養(yǎng)等工作，數(shù)字樣機(jī)可以用于產(chǎn)品的全生命周期。

電子整機(jī)設(shè)備由結(jié)構(gòu)件、連接器等電氣零部件以及線束組件等電氣互聯(lián)部分組成。數(shù)字樣機(jī)，就是在具備結(jié)構(gòu)件、電氣零部件、電路板卡、模塊等部分的電子整機(jī)設(shè)備的三維結(jié)構(gòu)模型上，增加了線纜組件等電氣互聯(lián)部分后形成的產(chǎn)品數(shù)字模型。

有了數(shù)字樣機(jī)，企業(yè)就可以開展基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)，推進(jìn)產(chǎn)品的數(shù)字化工藝、數(shù)字化生產(chǎn)加工。

2 協(xié)同設(shè)計(jì)的開展

線束組件在電子整機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)中需要和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開展協(xié)同設(shè)計(jì)。協(xié)同設(shè)計(jì)的過程：首先由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)電子裝機(jī)設(shè)備的三維模型，該模型具備完整準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)部分、電連接器件、板卡、功能模塊等部分；然后布線工程師開始根據(jù)電氣互聯(lián)關(guān)系開展線束組件的三維布線設(shè)計(jì)；三維布線設(shè)計(jì)過程中，布線工程師對(duì)結(jié)構(gòu)三維模型的空間布局進(jìn)行評(píng)估，并根據(jù)線束與結(jié)構(gòu)件或電氣部件的干涉情況以及不同線束間的電磁干擾情況提出三維模型布局的優(yōu)化意見，同時(shí)提出線束組件在結(jié)構(gòu)件上的固定位置要求；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師對(duì)結(jié)構(gòu)三維模型進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)；布線設(shè)計(jì)師進(jìn)行最終的布線設(shè)計(jì)。三維結(jié)構(gòu)模型和三維布線協(xié)同設(shè)計(jì)的流程如圖1所示。

圖1 三維結(jié)構(gòu)模型和三維布線協(xié)同設(shè)計(jì)流程圖

3 三維布線設(shè)計(jì)要點(diǎn)

線束的三維布線設(shè)計(jì)，最重要的目的就是要獲得線束組件在電子整機(jī)設(shè)備中的布設(shè)路徑與線束組件的長(zhǎng)度。

線束組件的布設(shè)路徑要根據(jù)設(shè)備的電磁兼容要求以及最短路徑的原則進(jìn)行規(guī)劃，要盡量避免交流電源和直流信號(hào)走到同一路徑，以防止電磁干擾。必要時(shí)，使用帶屏蔽保護(hù)的線束組件，線束組件規(guī)劃的路徑，盡量遠(yuǎn)離高溫部位以及鋒利的結(jié)構(gòu)件，同時(shí)規(guī)劃路徑時(shí)要避免穿過封閉狹小的孔洞，如果不可避免，就應(yīng)要求設(shè)計(jì)師改進(jìn)為可拆解成開放式的孔洞，以方便線束組件帶插頭進(jìn)行布設(shè)。線束路徑規(guī)劃完成后要根據(jù)設(shè)備的使用環(huán)境以及本企業(yè)的裝配工藝要求，對(duì)線束的固定位置進(jìn)行規(guī)劃，確保線束在使用時(shí)固定牢靠，固定位置規(guī)劃完成后，提交結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師進(jìn)行固定卡扣的設(shè)計(jì)。

線束組件的長(zhǎng)度受線束布設(shè)路徑的影響，同時(shí)也受本企業(yè)工藝要求對(duì)連接部位余量的要求。通常線束組件連接器部位的線束要留一定的弧度余量，該弧度呈自然彎曲狀態(tài)，余量長(zhǎng)度能夠方便地拔插插頭，同時(shí)長(zhǎng)度又不會(huì)妨礙其他部分或者在振動(dòng)環(huán)境下不會(huì)產(chǎn)生大幅度的擺動(dòng)。布線設(shè)計(jì)師通常具備熟練的整機(jī)裝配工藝經(jīng)驗(yàn)以及屬性工藝要求才能夠掌握好對(duì)余量的把握。連接器部位的線束組件余量留取往往是整個(gè)布線中最難把握的部分，也是最能體現(xiàn)設(shè)計(jì)師水平的部分。

圖2 三維布線局部示意圖

三維布線完成后，就能夠獲得線束組件的長(zhǎng)度，從而完善EBOM信息，為采購(gòu)提供精確的線束組件物料參數(shù)。

4 線束設(shè)計(jì)流程

由于線束的復(fù)雜性和多樣性，布線有兩種選擇：

(1)將布線劃分為更小的模塊(如果可能的話)，在每個(gè)模塊的專用裝配線上制造，隨后進(jìn)行布線的最終組裝。

(2)或在更大、更復(fù)雜的裝配線上制造最終配線。但無論他們的選擇，模塊的制造和最終的裝配需要相同的制造和裝配技術(shù)。

自動(dòng)化裝配流程對(duì)線束制造來說是一個(gè)挑戰(zhàn)，自動(dòng)化裝配系統(tǒng)必須非常靈活，易于適應(yīng)，以滿足項(xiàng)目各個(gè)階段中出現(xiàn)的各種動(dòng)態(tài)需求，線束裝配流程自動(dòng)化的難點(diǎn)。

(1)處理困難，因?yàn)榫€束的一部分是非常靈活的元件，長(zhǎng)度很長(zhǎng)。

(2)形成最終線束的各種組件：不同長(zhǎng)度和直徑的電線、端子、密封件、連接器、保護(hù)、連接部件、緊固件等。

(3)確保連接所需的多種操作：簡(jiǎn)單壓接(手動(dòng)或自動(dòng))、雙線壓接(手動(dòng)或自動(dòng))、超聲波焊接、扭轉(zhuǎn)、將終端線組件插入連接器、應(yīng)用保護(hù)等。

(4)在項(xiàng)目開發(fā)階段發(fā)生的布線架構(gòu)更改，包括操作順序和裝配系統(tǒng)的快速修改/適應(yīng)。

線束的設(shè)計(jì)過程必須考慮幾個(gè)因素，以便將線束以最佳方式集成到電子設(shè)備架構(gòu)中。線束預(yù)計(jì)將在相同參數(shù)下運(yùn)行，大約20年不改變?cè)g的連接，因此設(shè)計(jì)過程必須確保產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。為此，設(shè)計(jì)過程必須考慮構(gòu)成線束的部件的質(zhì)量及其制造的材料。

線束的設(shè)計(jì)始于電氣接線圖的實(shí)現(xiàn)，其中包括所有電氣和電子設(shè)備，以及它們之間的電氣連接。根據(jù)其操作要求，通過電氣研究確定重要的技術(shù)方面，例如：

(1)確保最佳連接所需導(dǎo)線的直徑。

(2)保護(hù)電線的保險(xiǎn)絲的口徑(等級(jí))。

(3)繼電器的口徑。

(4)決定在適當(dāng)?shù)牡胤绞褂秒p絞線而不是單線來消除電磁干擾。

布線結(jié)構(gòu)將考慮集成在電子設(shè)備上的區(qū)域施加的溫度和濕度限制，因此：

(1)接線部件的溫度等級(jí)必須與其工作環(huán)境相對(duì)應(yīng)。

(2)在電子設(shè)備易受高濕度影響的區(qū)域，需要使用密封連接器，并對(duì)每根電線上的金屬端子進(jìn)行壓接密封。

(3)根據(jù)布線通過區(qū)域的侵蝕性電位和組件施加的靈活性要求，選擇電線上的保護(hù)裝置。

(4)為了對(duì)接線進(jìn)行最佳保護(hù)、定向和固定，將使用連接部件(電線穿過金屬框架時(shí)的保護(hù)墊圈、用于固定和形成路徑的塑料部件等)。

設(shè)計(jì)過程中一個(gè)特別重要的步驟是線束的3D建模，這有助于定義如何將其集成到電子設(shè)備中，在3D模型中，代表了布線運(yùn)行環(huán)境中的所有組件。這是建立線束路徑的階段，模擬線束辯論，以便預(yù)測(cè)和防止線束與其他零件接觸時(shí)因線束攻擊而導(dǎo)致的未來事件。布線路徑必須符合以下幾個(gè)條件，例如：

(1)通過使用相應(yīng)的固定元件和線束穿過區(qū)域中現(xiàn)有熱狀況施加的保護(hù)，消除靠近具有侵蝕潛力的元件/區(qū)域所帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)選擇的路徑必須盡可能直接，以免增加不必要的布線長(zhǎng)度。

(3)路徑的選擇必須需要考慮使電子設(shè)備上的線束組裝盡可能容易，如果確定在電子設(shè)備上安裝布線存在困難，則需要修改路徑和/或修改線束架構(gòu)(修改布線漂移的長(zhǎng)度、消除或添加固定元件)。

任何與上述條件的偏差都會(huì)導(dǎo)致接線發(fā)生變化，這取決于項(xiàng)目的階段，它會(huì)產(chǎn)生更高或更低的成本。根據(jù)電氣圖和三維建模，在接線裝配板上繪制二維圖紙，對(duì)于旋轉(zhuǎn)式裝配線，二維圖紙包含線束的完整布局，以及線束裝配所必需的指示。進(jìn)入裝配線組件的每一塊板上都標(biāo)著同樣的圖紙。對(duì)于實(shí)踐中使用最多的動(dòng)態(tài)裝配線類型，在構(gòu)成裝配線的每個(gè)板上繪制了與裝配過程的特定階段相對(duì)應(yīng)的多個(gè)二維圖紙。

5 并行生產(chǎn)

在沒有數(shù)字樣機(jī)和三維布線技術(shù)之前，傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式是一種串行的方式。電氣設(shè)計(jì)師在接線圖上通常只是示意性地標(biāo)出電氣互聯(lián)的接線關(guān)系，通常沒有規(guī)劃線束的路徑，更沒有提供線束的長(zhǎng)度。為此，常用的方法有兩種，一種是電氣設(shè)計(jì)師根據(jù)整機(jī)設(shè)備的布局情況，大致估算出線束組件的長(zhǎng)度，并留足夠長(zhǎng)的余量，然后提前進(jìn)行采購(gòu)；第二種方法就是交由生產(chǎn)制造部門進(jìn)行后期的工藝測(cè)繪。這種測(cè)繪是在設(shè)備的結(jié)構(gòu)件加工完成并且全部相關(guān)的電連接器以及電氣部件和板卡裝配到位后開展的，因此是一種有前后關(guān)聯(lián)關(guān)系的串行生產(chǎn)過程，這種過程必然會(huì)延長(zhǎng)生產(chǎn)周期。

機(jī)電協(xié)同設(shè)計(jì)與三維布線技術(shù)的應(yīng)用，使得在設(shè)計(jì)階段就能夠獲得真實(shí)的線束組件路徑和長(zhǎng)度數(shù)據(jù)。因此為并行生產(chǎn)提供了可能。所謂并行生產(chǎn)就是設(shè)備的結(jié)構(gòu)件加工、連接器等電氣部件的采購(gòu)、電路板的加工和線束組件的采購(gòu)或加工可以同時(shí)進(jìn)行，等以上物料齊備后就可以開展設(shè)備的裝配過程。這些前期并行生產(chǎn)或采購(gòu)的物料可以理解為模塊化的“積木”，后期的裝配過程也就成為簡(jiǎn)單快速的“搭積木”的過程。

電子整機(jī)設(shè)備模塊化的規(guī)劃設(shè)計(jì)、線束組件作為主要電氣互聯(lián)手段的使用、數(shù)字樣機(jī)的建立、協(xié)同設(shè)計(jì)的開展、三維布線的實(shí)施都為并行生產(chǎn)提供了強(qiáng)大有力的支持。

6 三維可視化裝配

數(shù)字樣機(jī)、三維布線都是為后續(xù)的生產(chǎn)加工等產(chǎn)品的生命周期服務(wù)的，其中產(chǎn)品的裝配過程也是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

在三維布線環(huán)節(jié)，還有一個(gè)重要的內(nèi)容，就是對(duì)線束組件進(jìn)行標(biāo)注，使其在數(shù)字樣機(jī)三維模型中能夠進(jìn)行方便的識(shí)別。工藝人員可以根據(jù)三維布線模型，給出三維的線束組件在電子整機(jī)設(shè)備上的三維裝配視圖，以方便裝配人員通過可視化終端，瀏覽裝配三維裝配文件，按照順序進(jìn)行裝配工作。

結(jié)語

線束組件是組成電子整機(jī)設(shè)備的重要部分，使用線束組件體現(xiàn)了可制造性設(shè)計(jì)的理念。通過數(shù)字樣機(jī)的建立、機(jī)電協(xié)同設(shè)計(jì)的開展以及三維布線的實(shí)施，最終會(huì)產(chǎn)生并行生產(chǎn)以及可視化裝配的結(jié)果。

數(shù)字化不僅僅是一種方法和手段，更是一種先進(jìn)的理念。這種理念能夠解決以往多年的問題，帶來新的思維和工作方法。線束組件在電子整機(jī)設(shè)備中的應(yīng)用，正是數(shù)字化在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中的很好體現(xiàn)與詮釋。