電氣柜裝配序列規(guī)劃及銅排布局方法研究與實現(xiàn)

魏添君

（中鐵建電氣化局集團西安電氣化制品有限公司，陜西 西安 710000）

隨著電氣市場的發(fā)展，電能產(chǎn)品的需求量越來越大，為了提高電能質(zhì)量，很多電氣企業(yè)都采用CAD 軟件輔助計算機技術(shù)進行電氣柜的設(shè)計工作[1]。但是，隨著人們對電氣裝備的需求持續(xù)增加，傳統(tǒng)的電氣裝備及其設(shè)計方式已不能適應(yīng)并滿足電氣柜在使用中的柔性需求[2]。為排除相關(guān)因素的干擾，在設(shè)計過程中，技術(shù)人員往往需要花費大量時間、精力完成電氣柜干擾檢測、線路設(shè)計和組件安裝等方面的工作，該現(xiàn)象對設(shè)計者工作效率的影響較大。

對該方面內(nèi)容進行研究可發(fā)現(xiàn)，電氣柜內(nèi)的部件主要包括金屬部件、電器部件和通用標準部件，這些部件便于加工、裝配，可在電氣柜內(nèi)實現(xiàn)自動化轉(zhuǎn)換[3]。要提高電氣柜的設(shè)計效率和精度，提升電氣企業(yè)在市場內(nèi)的核心競爭力，必須要進行柜內(nèi)裝配序列規(guī)劃工作的優(yōu)化與銅排的自動布局。“裝配”是電氣柜產(chǎn)品制造周期中最耗費人力物力、最復雜的一個環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)會對產(chǎn)品生產(chǎn)效率、成本與質(zhì)量產(chǎn)生較大影響[4]。

其中，裝配次序的確定是裝配過程的核心，也是實現(xiàn)裝配過程自動化的重要步驟。進行裝配序列規(guī)劃時，需要重點考慮裝配過程是否存在相互干擾、裝配模式是否能正確約束等問題[5]。為了對該方面工作進行優(yōu)化，在施工中，技術(shù)人員需要根據(jù)設(shè)計圖與電氣柜裝配需求，做好現(xiàn)場溝通工作，以深化柜內(nèi)裝配與銅排布局作業(yè)。

1 電氣柜裝配序列規(guī)劃

1.1 裝配相關(guān)矩陣生成

為確保相關(guān)工作在實施中的規(guī)范性，需要根據(jù)電氣柜裝配規(guī)劃需求，建立相關(guān)矩陣。

1.1.1 連接矩陣

利用連接矩陣，可以表達電氣柜內(nèi)各個組件、部件和元件之間的連接關(guān)系，從而能更直觀地分析柜內(nèi)組件運行過程的穩(wěn)定性[6]。如果柜內(nèi)元件間存在耦合關(guān)系，又可分為接觸性耦合和穩(wěn)定性耦合。前者甚至可在不施加任何外力配合的條件下實現(xiàn)元件之間的耦合連接，包括孔軸配合和零件貼合等，后者是指通過螺栓、螺母，按照螺紋進行元件之間的焊接，以此實現(xiàn)柜內(nèi)元件的連接。建立柜內(nèi)元件/零件之間的連接矩陣，如公式（1）所示。

式中：C代表柜內(nèi)元件/零件之間的連接矩陣；n代表連接矩陣的行數(shù)與列數(shù)；cij代表柜內(nèi)元件i與元件j之間的連接關(guān)系。

對cij在不同條件下的取值進行分析，如公式（2）所示。

除上述3 種較常見的連接關(guān)系外，根據(jù)物元-關(guān)系模型，進行柜內(nèi)元件之間配合關(guān)系的描述，相關(guān)內(nèi)容見表1。

表1 柜內(nèi)元件之間配合關(guān)系的描述

1.1.2 支撐矩陣

在SolidEdge 軟件中進行電氣柜的裝配式設(shè)計時并沒有將每個元件的重力計算在內(nèi)，而在實際的裝配中，每個零件都是有重力的。因此，進行裝配順序規(guī)劃時，要用支撐矩陣來表示部件之間的支撐關(guān)系，這樣才能更好地反映出電氣柜實際的裝配過程和狀態(tài)[7]。建立柜內(nèi)元件/零件之間的支撐矩陣，如公式（3）所示。

式中：S代表柜內(nèi)元件（/零件）之間的支撐矩陣；sij代表柜內(nèi)元件i在重力方向上對元件j的支撐作用。

對sij在不同條件下的取值進行分析，如公式（4）所示。

1.2 基于改進遺傳算法的裝配序列規(guī)劃

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上設(shè)計基于改進遺傳算法的裝配序列規(guī)劃，其中改進遺傳算法流程如圖1 所示。

圖1 改進遺傳算法訓練流程

電氣柜中的元件類型較多、裝配關(guān)系復雜且裝配序列的排列組合數(shù)目多，裝配時將會對算法效率和后續(xù)運算產(chǎn)生較大影響。為提高裝配序列規(guī)劃效率，將整個子裝配體看作一個零件，對每個零件進行次序規(guī)劃，再對總裝次序進行裝配規(guī)劃。該過程如圖2 所示。

圖2 裝配序列規(guī)劃次序

裝配時，需要先進行遺傳算法的初始化，將柜內(nèi)的每個元件進行編號，根據(jù)編號生成對應(yīng)的初始化種群矩陣。矩陣中，行數(shù)對應(yīng)種群的個體數(shù)量、列數(shù)對應(yīng)柜內(nèi)元件數(shù)量。

為保證裝配工作的順利實施，裝配時需要做好每個對應(yīng)合體的適應(yīng)度計算，根據(jù)個體（元件）的適應(yīng)值進行裝配中的排序。持續(xù)執(zhí)行上述步驟，判斷在迭代條件內(nèi)元件的適應(yīng)值是否能夠達到終止需求，如達到終止需求，則終止迭代與訓練過程，輸出每個元件個體對應(yīng)的適應(yīng)值，按照適應(yīng)值進行柜內(nèi)元件的裝配排序。反之，如未達到終止條件，需要調(diào)整元件的數(shù)量，再進行適應(yīng)度的計算與訓練。根據(jù)上述步驟，實現(xiàn)裝配序列規(guī)劃。

2 電氣柜中的銅排布局方法

2.1 設(shè)置銅排路徑規(guī)劃工程約束條件

電氣柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分緊湊，組成零件眾多，因此電氣柜內(nèi)部的銅排規(guī)劃可利用空間狹小而不規(guī)則，需要對電氣柜內(nèi)的銅排進行合理布局規(guī)劃。在布局前，需要設(shè)置相應(yīng)的約束條件，確保布局合理性。分別從物理干涉、電氣干涉、銅排走向、成本以及穩(wěn)定性5 個方面設(shè)置相應(yīng)的約束條件，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學表達式，如公式（5）～公式（9）所示。

式中：Lconstrain=0 代表銅排的布局不得與電氣柜內(nèi)的元器件發(fā)生碰撞干涉。在電氣柜中，銅排用于輸送電流和連接各個電氣設(shè)備，如果銅排絕緣套出現(xiàn)損壞，則銅排與其他元器件碰撞會導致電路故障；Econstrain=0 代表各類銅排之間不得出現(xiàn)電氣干涉情況；Fconstrain代表銅排與元器件的連接部分必須保證平滑。除了必要位置需要進行彎折外，布局時應(yīng)盡可能保證銅排的橫平豎直；Lconstrain表示銅排所消耗的成本，通常是由銅排的長度和型號決定；Mconstrain表示銅排的彎折次數(shù)。

2.2 布線環(huán)境空間處理

電氣柜中的電子元器件通常都裝在一個安裝板上，相當于利用一個安裝板將具有不同功能的電子元器件分開。不同型號的電氣柜電器元件的布局有所差異，因此銅排的布線方式也會有一定差異。但是，在本質(zhì)上，銅排都是用來連接2 個電器元件，或者一端連接電器元件，一端連接水平排的，銅排可以充當導電元件，以確保電路的正常運行。電氣柜的空間比較狹小，結(jié)構(gòu)元件的類型各異，尺寸和外形參差不齊，配線的空間也是不規(guī)則的。在電氣柜中，除電器元件外，還存在其他零件，進行布線規(guī)劃時應(yīng)將其視為障礙物加以規(guī)避。

在對布線空間中銅排的線路進行規(guī)劃之前，需要把布局環(huán)境中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一種算法可以辨識的格式，而電氣柜的布線空間是一個三維空間，因此把算法中采用的兩維平面坐標（x，y）替換成三維空間坐標（x，y，z）。同時，為了減少算法的計算復雜度，對線路空間內(nèi)的其他部件進行數(shù)據(jù)處理，通常采用圍框式的方法對其他部件進行處理。此外，布局時需要考慮已經(jīng)規(guī)劃的銅排對未規(guī)劃銅排的影響。部分零部件簡化示意圖如圖3 所示。

圖3 電氣柜內(nèi)部分零部件簡化示意圖

2.3 基于改進RRT 算法的銅排路徑規(guī)劃

完成布線環(huán)境空間處理后，結(jié)合改進后的RRT 算法，對電氣柜中的銅排布局路徑進行規(guī)劃。利用該算法對銅排進行從起點到終點的布局規(guī)劃，在路徑點之間選擇性地去掉冗余點，得到關(guān)鍵路徑點，以此使路徑更平滑、順暢。銅排路徑點的優(yōu)化示意圖如圖4 所示。

圖4 銅排路徑點優(yōu)化示意圖

在Xinit和Xgoal之間進行銅排布局規(guī)劃，得到路徑點集合，為圖4 中的編號1～14 點。從圖4 可以看出，該布局規(guī)劃路徑存在多處彎折，不符合銅排布局的約束條件。因此，將Xinit作為起點，與后面各個路徑點進行連接，并同時進行碰撞測試。在測試過程中，如果不發(fā)生碰撞，則對下一個點進行加測。如果發(fā)生碰撞，則以碰撞點的上一個點作為起始點開始下一輪碰撞測試。圖中a'和b'為碰撞路徑。因此，選取編號8 的上一個點編號7 與Xinit相連，得到路徑a。同理，得到路徑b和路徑c，組成最終的銅排規(guī)劃路徑。由于銅排自身有一定的寬度，因此進行布線時，規(guī)劃點必須和其他部件保持安全距離，生成隨機樹時，必須滿足一定的安全距離限制。為降低計算復雜度，先對障礙部分所處的區(qū)域做適當擴充，再將擴充后的區(qū)域合并為一個新的障礙。

假設(shè)銅排與障礙物之間的安全距離為l，銅排的寬度為w，則區(qū)域通過擴展距離如公式（10）所示。

式中：d代表擴展距離。

在障礙物區(qū)域的各個邊上分別擴展d，形成新的障礙物區(qū)域，再將該區(qū)域作為障礙物進行路徑隨機搜索，確保最終得到的路徑點不在該區(qū)域內(nèi)，并保證最終銅排布局合理。

3 結(jié)語

傳統(tǒng)的裝配工藝與技術(shù)路線已不能適應(yīng)電氣行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高、生產(chǎn)周期不斷縮短以及人工成本持續(xù)降低的需要。針對該方面問題，該文進行了研究，全面優(yōu)化了柜內(nèi)裝配序列，并在一定程度上解決了銅排布局過程中潛在的問題與不足，可為電氣設(shè)計相關(guān)工作的實施提供進一步的技術(shù)指導。