基于三維實體的系統布線應用研究

馮守慶， 徐寧波， 肖劍鋒

（中國電子科技集團公司第二十九研究所，成都610036）

1 引言

Pro/E的Cabling三維布線模塊具有操作簡捷、自動布線及布線調整效率高的特點，近年已在很多企業的模塊、分機類單元設備的“導線”布線方面進行了應用，技術已比較成熟。而在由眾多單元設備集成而成的上一級系統級產品中，設備之間的電氣互聯一般不直接用“導線”，而以“導線束”（系統電纜）為主，因此在系統級產品的三維布線中我們更關注的是“導線束”而不是“導線”的相關信息。

如何將Pro/E三維布線模塊的“導線”布線方法進行相應的轉變而應用在系統級產品的“導線束”布線上，從而實現系統工藝設計與結構/電氣設計并行進而提高設計質量及效率？

本文以某系統電子產品—X產品的三維布線為例，闡述了我們在系統級產品三維布線方面探索使用的一種布線轉化方法，探討基于三維實體的系統布線應用的可行性以及布線產出的效果。

2 X產品的布線特點

X產品由幾十個分機、天線等單元設備系統集成在某一車載平臺上，從三維布線應用的角度來看，具有單元設備數量多、相互之間的互聯電纜數量大、信號互聯關系復雜的特點。

根據Pro/E布線模塊的應用特點，布線主要依托導線數據、接線關系表、器件端子以及布線路徑的設置。而在系統類產品中，布線所需的“導線”信息是“系統電纜”的信息，“器件”接線端子是“單元設備”的連接器，因此，若要在系統類產品中應用三維布線，需要解決“系統電纜”向“導線”的轉化，“單元設備”向“器件”的轉化。

3 布線過程

3.1 布線基本流程

基于Pro/E的Cabling模塊的布線流程如圖1。

圖1 布線流程簡圖

首先是三維模型結構樹的二次工藝設計及預設導線參數、接線關系及布線環境，然后制定合理的布線路徑，經軟件自動布線及手動調整后提取所需的參數，并將模型或導線信息進行完善。

3.2 布線模型的二次設計

X產品的初始三維模型是基于Pro/E的Top-down的設計方法進行設計的，其中使用了大量的模型簡化及復制處理等手段，架構層次較多。為了進行系統級三維布線，需要將模型樹進行二次設計，將其中直接參與系統布線的“單元設備”簡化成“器件”。具體做法是：通過重構手段將所有參與系統布線的單元設備統一構建到同一父節點下，并將每個單元設備的電連接器作為一個器件端子建立端子坐標；同時進行模型簡化，保留布線相關的設備外形、裝配位置、連接器等信息，忽略其它特征。

3.3 電纜的表達思路

X產品中的系統電纜包含端到端的單根電纜和一端到多端的分叉電纜，針對Pro/E布線模塊的應用要求，需要將“系統電纜”向“導線”轉化，經過分析，采用以下簡化方法：對于單根電纜，直接將其簡化為一根已知參數的“導線”進行處理；對于分叉電纜，將其簡化為若干導線的組合。

3.4 電纜參數的預設

（1）線纜數據庫。首先應建立電纜參數庫，將即將使用的系統電纜的外徑、顏色、允許的最小折彎半徑等數據建立電纜數據庫供后續調用。由于系統電纜是“導線”的集合，因此系統電纜的外徑信息需根據其包含的導線的外徑及數量進行計算結合模擬方式確定。

（2）系統接線關系。將系統的接線關系表通過定置的Pro/E轉換程序轉換成邏輯關系文件（.output），文件包含位號與單元設備的對應關系以及電纜各端的連接關系、電纜的線型信息。

3.5 布線路徑的設置

布線路徑是由布線設計人員確定的系統電纜敷設的主通路，通過規劃路徑通過的節點及節點之間的走線方式來確定，如圖2。

3.6 自動布線后的調整

圖2 布線主路徑(隱藏了單元設備)

布線路徑設置完成后即可導入邏輯關系文件進行自動布線，其布線原理是：接線端子搜索最近的布線路徑網絡通過點，并通過布線路徑走線。但有時候網絡通過點的設置不能兼顧周圍的所有電纜端頭時，自動布線會出錯或布出走線不理想的線。若出現此種情況，可通過調整布線網絡或手動設置特定導線的走線路徑等方式進行調整。布線完成后如圖3、圖4。

圖3 自動布線后布線路徑

圖4 布線提取圖

4 系統布線的產出

4.1 電纜參數信息

表1 電纜信息提取表

布線完成后可在二維圖環境下通過定置輸出電纜的接線關系、電纜種類，并可自動提取電纜的長度信息，用于完善設計圖紙和指導生產。X產品輸出的部分電纜信息如表1。

4.2 電纜展平圖

將所有系統電纜按 1∶1 的比例進行展平，可得到展平圖，進而生成釘板圖，可應用于系統電纜網絡的綁扎組合，并據此進行系統電纜的提前投產，縮短整個生產周期。電纜展平后如圖5。

圖5 電纜展平圖

4.3 確定走線路徑與系統骨架的位置關系

在提取電纜特性參數及制作釘板圖之外，還可以通過測量定位等手段確定布線路徑上的節點在系統骨架中的位置信息，通過提取此信息并反饋給結構設計，以輔助進行電纜固定裝置的設置，如圖6。

圖6 走線路徑點的位置尺寸

4.4 便于方案優化

X產品中供電設備負責向多個功能設備供電，按照原設計方案，需要多根供電電纜，每根電纜在供電設備面板上都需要設置一個輸出口，這樣造成供電設備面板上的插座很多，分布密集?？紤]到可能還要在面板上布置一些開關等器件，其面板上的空間會不足。

通過三維布線分析，我們將電源電纜根據負載及使用特性進行了分組。并建議將其中5根電源電纜合并成1根分叉電纜，在供電設備端用1個芯數較多的插座輸出，在走線過程中分叉，輸入到5個功能設備。這樣減少了供電設備面板上的插座數量，實現了設計方案的優化。分叉電源電纜如圖7、圖8。

圖7 分叉電源電纜

圖8 分叉電纜展平圖

4.5 產出物綜述

用Pro/E布線模塊進行系統三維布線前需進行預設的參數及環境有：電纜外徑、顏色、最小折彎半徑、接線關系、單元設備位號、走線的主路徑；布線完成后可提取的數據除上述預設的外，還可以提取實際走線路徑、電纜的長度、分叉電纜的每個分叉點及分叉段的尺寸信息、電纜展平圖等。其中電纜的長度尺寸可反饋在電纜設計圖上，對后續的電纜生產進行指導；電纜展平圖或釘板圖用于系統電纜的綁扎及并行制造方面；走線路徑信息的提取便于進行結構設計的優化。

5 相對二維設計的優勢

（1）設計更精確。現在基于二維軟件的系統電纜設計，其長度的確定是在結構尺寸要素的基礎上加上經驗值人工估算的。為了確保電纜不會短，其設計余量較大，且電纜大部分需要在系統裝配時配加工，這樣對生產成本及生產周期都會有影響。

基于實體的系統三維電纜布線，考慮了更多電纜自身的信息，如直徑、最小折彎半徑等，三維的實體模型較精確，空間感更好，這樣計算出的電纜長度更精確。特別是在分叉電纜的設計上，優勢更加明顯，設計中可以對分叉節點進行精確定位，這樣的設計更準確。

（2）設計效率更高。電纜信息確定后，通過設置布線路徑，可以實施自動布線。自動布線完成后，經過少量調整，軟件就可以準確計算出電纜長度等信息。這樣就減少了人工計算的工作量，特別適合系統電纜數量較多的情況。

（3）便于設計更改。由于軟件的三維實體和二維圖是關聯的，因此若更改了電纜三維模型的某些信息，電纜長度、工序圖等圖紙可以進行同步關聯更改。

（4）方便進行方案優化。在三維虛擬環境中，評估、優化和修改設計方案是比較便利的。這對于我們優化結構設計及設備布局都非常便利。

6 結論

通過應用系統三維布線技術，可以使得系統電纜的設計更加精確；可以提供電纜布線路徑與系統骨架之間的精確位置信息，從而優化結構設計；可以進行方案的評估及優化等。總之，應用基于三維實體的系統布線技術可以高效地進行系統工藝設計及輔助進行系統結構/電氣設計。

［1］ 曹永新.機載電子設備機柜布線工藝設計［J］.現代電子技術，2003（23）：25－27.

［2］ 許小明.艦載電子設備電纜布線設計［J］.情報指揮系統控制與仿真技術，2004（1）：59-64.