配電設(shè)備三維布線工藝技術(shù)應(yīng)用研究

陳源，王騰

（中國電子科技集團公司第二十八研究所系統(tǒng)裝備事業(yè)部，江蘇 南京 210007）

配電設(shè)備為電氣設(shè)備提供電能的配送與控制，具有供配電、開關(guān)控制、短路保護、過載保護、過電壓保護、漏電保護等功能，是電力系統(tǒng)的重要組成部分。配電設(shè)備內(nèi)部線纜布局與敷設(shè)情況復雜，線纜布設(shè)質(zhì)量直接關(guān)系到安全性和功能性。配電設(shè)備傳統(tǒng)布線方式為現(xiàn)場布線，這種布線方式只有在整機結(jié)構(gòu)實物裝配完成后才能進行。配電設(shè)備的電訊工藝設(shè)計需要工藝人員根據(jù)首套實物樣機及個人經(jīng)驗進行現(xiàn)場判斷，并結(jié)合樣機的具體情況不斷進行改進?，F(xiàn)場布線模式下，配電設(shè)備生產(chǎn)效率低、成本高；產(chǎn)品設(shè)計中存在的布線不規(guī)范、元器件結(jié)構(gòu)不合理等問題只有在實物樣機建立起來后才能發(fā)現(xiàn)。配電設(shè)備現(xiàn)場布線模式極大地制約了電子設(shè)備的快速研制能力，已遠遠無法滿足工程中對線纜設(shè)計的要求[1]。

基于Pro/E 軟件制作的三維模型進行三維布線，通過構(gòu)建數(shù)字化樣機，可以清晰地觀察配電設(shè)備內(nèi)部所有零部件的結(jié)構(gòu)模型、工藝布線模型以及所處的位置、路徑和空間，形象直觀，有效避免或大幅減少了配電設(shè)備在設(shè)計階段中結(jié)構(gòu)、電訊設(shè)計和布線工藝存在的問題[2]。

1 三維布線技術(shù)

1.1 技術(shù)優(yōu)勢

三維布線技術(shù)是三維空間內(nèi)連接器間的線纜連接技術(shù)，基于構(gòu)建成的三維結(jié)構(gòu)模型，按照電氣接線設(shè)計圖，使用三維設(shè)計軟件進行立體線纜的布設(shè)。三維布線技術(shù)作為一種新的電子設(shè)備整機布線工藝技術(shù)，可以很好地彌補傳統(tǒng)布線技術(shù)的不足，已被廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、飛行器、電子設(shè)備等行業(yè)。其主要優(yōu)勢如下。

在工程研制階段，將布線設(shè)計由原來的“樣機/新產(chǎn)品試制階段”提前至“技術(shù)設(shè)計階段”。在技術(shù)設(shè)計階段，工藝師就可以根據(jù)電氣接線設(shè)計圖和三維結(jié)構(gòu)模型進行電子設(shè)備整機三維布線設(shè)計，進行電路和結(jié)構(gòu)設(shè)計的工藝性驗證。發(fā)現(xiàn)問題時只需與相關(guān)設(shè)計師溝通修改電子設(shè)計圖紙即可。這種在設(shè)計階段的交互，可大大提高設(shè)計效率，降低設(shè)計成本。

三維布線在三維結(jié)構(gòu)模型上進行，相比于傳統(tǒng)的在實物樣機上手動測量，三維布線所獲得的線纜長度參數(shù)更加精準。尤其在以下情況，三維布線更具優(yōu)勢：線束在不規(guī)則結(jié)構(gòu)件、空間曲面上布設(shè)時；模擬真實的線束空間狀態(tài)時；電子設(shè)備艙空間狹小，無測量操作空間時；使用三維布線設(shè)計，可以通過測量、隱藏、隱含、組裝、渲染等軟件功能，快速準確地獲取布線空間信息[3]。

1.2 設(shè)計流程

配電設(shè)備三維布線設(shè)計流程如圖1 所示。創(chuàng)建布線幾何是在三維結(jié)構(gòu)模型中選取布線所需的零、部、組件創(chuàng)建骨架模型，然后在骨架模型上組裝連接器，并在連接器上創(chuàng)建線纜連接端坐標系；線纜線束劃分是電裝工藝人員根據(jù)線纜連接表，按照線纜電氣特性、連接方向路徑，把整機線纜劃分為若干線束，每個線束對應(yīng)一個線束零件；布線路徑規(guī)劃是在統(tǒng)籌考慮走線干涉性、線束折彎半徑、電磁兼容后，在布線幾何上創(chuàng)建線纜線束連接路徑；三維布線是按照劃分好的線束創(chuàng)建線束零件，線束內(nèi)導線、電纜在線束零件中按照規(guī)劃好的布線路徑進行布設(shè)；線束系統(tǒng)二維圖是根據(jù)生產(chǎn)需要對線束進行全部或局部展平，并創(chuàng)建二維線纜平面圖；根據(jù)線束系統(tǒng)二維圖進行線束試制，安裝驗證后進行批量生產(chǎn)[4-9]。

圖1 三維布線設(shè)計流程

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

三維模型構(gòu)建。三維布線是根據(jù)三維結(jié)構(gòu)模型和線纜接線關(guān)系構(gòu)建線纜數(shù)字化模型，進而確定線纜長度、空間走向等生產(chǎn)信息，其基礎(chǔ)是建立完整的對象模型，然后通過自動化方法或者人機交互進行布線。三維布線中的對象模型分為3 種：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型、電氣元件模型、線纜模型。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型是在三維結(jié)構(gòu)模型中選取布線所需的零、部、組件創(chuàng)建的模型，是對三維結(jié)構(gòu)模型的簡化。電氣元件模型是布線過程中與線纜直接連接的元器件。線纜模型是三維布線生成的線束零件模型。三維布線需要建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型、電氣元件模型以及線纜模型，并在模型中準確表達設(shè)計信息、制造信息和工藝信息等各種信息。

布線路徑規(guī)劃。布線路徑規(guī)劃是根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能需求，按照布線工藝規(guī)范，對線纜的布設(shè)路徑、空間走向、分叉位置、固定位置等進行合理的設(shè)計。配電設(shè)備線纜布設(shè)需考慮以下問題：①設(shè)計有效合理的電纜布設(shè)空間走線軌跡，以減少電纜之間的相互干擾，力求布線整齊美觀；②為滿足配電設(shè)備惡劣環(huán)境下的使用要求，電纜布設(shè)時確保線纜應(yīng)力釋放，不允許松脫晃蕩導致電纜和設(shè)備接插件受力，影響電氣性能。布線路徑規(guī)劃通過設(shè)計各線纜的每個空間位置點，確保三維模型中連接器端線纜應(yīng)力釋放的彎曲、各線纜束與結(jié)構(gòu)件的相對位置、線纜束轉(zhuǎn)彎半徑、線纜束外直徑、分支線纜束匯入主線束和主線束引出分支線纜束位置及彎曲、各線纜長度等重要工藝參數(shù)，使三維布線設(shè)計中的線纜和線纜束與實際操作中的布線情況高度一致。

線纜信息輸出。三維布線目的是生成線纜長度、空間走向等生產(chǎn)信息，為生產(chǎn)提供可視化指導。三維布線設(shè)計結(jié)果的原始形式是線纜的數(shù)字化模型，將線纜信息輸出是三維布線設(shè)計指導產(chǎn)品生產(chǎn)的重要步驟。通過三維布線，可以得到線纜三維模型、線纜詳細信息、線纜展開圖三種信息[1]。

2 三維布線技術(shù)應(yīng)用

以某型車載配電設(shè)備為例，采用三維布線技術(shù)進行整機布線。

2.1 三維布線設(shè)計

創(chuàng)建布線幾何。將基于Pro/E Wildfire 5.0 建立的車載配電設(shè)備結(jié)構(gòu)數(shù)字化模型進行簡化，隱含與三維布線無關(guān)的零、部、組件，如緊固件等；同時，在結(jié)構(gòu)數(shù)字化模型上建立各元器件線纜連接端的坐標系，包括連接器、端子排、開關(guān)等。創(chuàng)建的車載配電設(shè)備布線幾何如圖2 所示。

圖2 車載配電設(shè)備布線幾何

線纜線束劃分與布線路徑規(guī)劃。根據(jù)整機結(jié)構(gòu)布局圖和線纜連接表，綜合考慮電性能指標、布線美觀性、維修性、方便生產(chǎn)等因素，該車載配電設(shè)備的線纜線束劃分為前面板線束、后面板線束、底板線束以及短連線線束4 類。另外，通過工藝性分析，規(guī)劃出車載配電設(shè)備的走線路徑并在三維模型中繪制，效果如圖3 所示。

圖3 車載配電設(shè)備布線路徑規(guī)劃

三維布線。Pro/E Wildfire 5.0 的三維布線模塊分為自動布線和手工布線2 種模式，本文采用手工布線模式進行車載配電設(shè)備的三維布線。按照線束劃分結(jié)果創(chuàng)建前面板線束、后面板線束、底板線束以及短連線線束4 個零件；根據(jù)線纜連接表創(chuàng)建線軸，并定義線軸的線纜型號、線纜外徑、最小折彎半徑等信息；使用手工布線模塊逐個創(chuàng)建線纜，定義線纜的源段、末端、線軸等。車載配電設(shè)備三維布線效果如圖4 所示。

圖4 車載配電設(shè)備三維布線效果

線纜信息輸出。線纜信息輸出包括線纜三維模型、線纜詳細信息、線纜展開圖。結(jié)合生產(chǎn)實際情況，線纜三維模型采用STP 格式，該模型可以在Pro/E、UG、CATⅠA 等三維設(shè)計軟件中進行查看和編輯；線纜詳細信息包括線號、源段、末端、線纜型號、線纜顏色、線纜長度、線纜直徑、最小折彎半徑等，可通過Pro/E Wildfire 5.0 在三維布線模型中進行提取并以報表形式輸出。線纜詳細信息傳遞給自動下線工位和電訊裝配工位，用于指導線纜的制作和裝配；線纜展開圖是將配電設(shè)備前面板線束、后面板線束、底板線束以及短連線線束轉(zhuǎn)變到二維平面上，形象直觀地呈現(xiàn)出線束的基本結(jié)構(gòu)和平鋪后形態(tài)，以指導線束制作。

2.2 實物樣機制作

依據(jù)線纜三維模型、線纜詳細信息、線纜展開圖，組織生產(chǎn)車間完成車載配電設(shè)備實物樣機制作，包括線纜自動下線、線纜裝焊、電訊鉗裝、電訊裝配等。車載配電設(shè)備實物樣機如圖5 所示?？梢钥闯?，實物樣機與三維布線模型外觀基本一致。同時，實物樣機制作過程中未發(fā)現(xiàn)因布線不規(guī)范、元器件結(jié)構(gòu)不合理等設(shè)計問題造成的返工現(xiàn)象。此外，三維布線的應(yīng)用使得結(jié)構(gòu)零件生產(chǎn)與線束零件制作可同步開展，大幅度提升了生產(chǎn)效率。

圖5 車載配電設(shè)備實物樣機

3 結(jié)束語

通過配電設(shè)備三維布線技術(shù)應(yīng)用探索，建立了某型車載配電設(shè)備的三維布線模型，輸出了線纜生產(chǎn)信息，完成了實物樣機制作。對比實物樣機與三維布線模型，外觀基本一致；跟蹤生產(chǎn)過程，未發(fā)現(xiàn)布線不規(guī)范、元器件結(jié)構(gòu)不合理等設(shè)計問題，避免了生產(chǎn)過程的返工；此外，三維布線的應(yīng)用實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)零件生產(chǎn)于線束零件生產(chǎn)的并行，提升了生產(chǎn)效率。配電設(shè)備三維布線技術(shù)較好地解決了傳統(tǒng)布線模式的問題，有著極其廣泛的應(yīng)用前景。