基于Pro/e的二次接線三維設計研究

魏華賢，李 威，徐 晗，劉玉飛，范孟豹

（中國礦業大學 機電工程學院，徐州 221008）

0 引言

二次接線作為成套設備的重要部分主要完成對一次設備的監測、控制及保護，一般由測量儀表、控制元件及控制電纜等低壓設備組成。設置在地鐵供電系統中用于雜散電流腐蝕防護的單導裝置是典型的含有一次接線及二次接線的成套電氣柜。這類電氣柜的模塊化、集成化及規范化程度較低。但隨著我國城市化水平的推進，這類設備的需求在快速增加。二次接線設計是從原理圖出發到獲得接線圖表的設計過程，目前的二次接線設計主要基于2D-CAD，二次接線逐漸成為了一項重要又費時費力的工作[1]，也成為了縮短成套設備生產周期的瓶頸。

為了加快設計過程，國內已有基于二維CAD軟件開發的二次接線自動生成系統的研究[1]，但系統復雜，且仍需通過樣機接線來獲得線纜長度。隨著三維輔助設計技術的普及，將計算機三維輔助設計技術應用到電氣設計中已日趨廣泛，國內外的相關研究較多，如Robinson,G、劉檢華等在虛擬環境下線纜建模及裝配規劃的研究[2]，其側重于虛擬現實技術，且需要昂貴的虛擬交互設備；王金芳、郭偉等進行了三維線纜的規劃及快速布線研究[3,4]，實現了線纜的三維自動布設，但他們關注的主要對象是線纜。

本文根據二次接線設計的工程需求及特點，對基于三維設計軟件Pro/e的二次接線設計進行了研究，首先形成原理圖的規范輸入和管理，然后實現對原理圖信息的抓取并指導三維布線，進行二次回路的三維自動布線，輸出的接線圖表可直接進入樣機試驗并量產。最后設計了針對單導裝置的二次接線三維輔助設計系統，結果表明二次接線設計效率及質量獲得較大提高。

1 關鍵技術

類似二維的二次接線工作流程，要實現三維輔助設計的二次接線，首先需要抓取原理圖的元件及接線信息，根據這些信息進行三維布線并提高軟件布線與實際布線的吻合度，最后輸出接線圖及接線表即可，該流程如圖1所示。無規矩不成方圓，這些功能對Pro/e軟件自身來說雖是可以實現的，但如果不按照正確的方法進行設計，其效率也并不比二維設計高，因此研究正確有效的設計規范及方法是必須的。

圖1 三維輔助的二次接線設計過程

為了探索基于Pro/e的三維二次布線，必須建立相應的3D布線模型，考慮影響布線的因素主要有器件外形、位置及線端方位，可簡化模型的造型工作，本文建立的初始模型如圖2所示。需要強調的是，對于成套設備，二次器件的類型是相對固定的，因此3D模型的可重復利用率較高，3D建模不是主要工作。

圖2 三維布線模型

通過選項修改config.pro文件可實現統一的Pro/E軟件設計環境，有助于提高設計效率，本文對以下選項進行設置：

pro_ymbol_dir，符號庫目錄的全路徑名

pro_spool_dir，纜規格庫目錄的全路徑名

grid_snap，Yes

model_grid_spacing，5

對應圖1的二次接線工作，本文探索了以下設計流程：

1.1 原理圖快速輸入

二次接線中原理圖所包含的元件信息及接線信息是二次接線設計的信息源。二維的接線設計有的通過識別原理圖的繪圖信息獲得接線及符號信息，再通過人工注冊將符號信息轉換為元件信息；也有的提供設計模塊對二維繪制進行統一和規范[1]，這些基于二維的方法，或涉及復雜的算法，或系統輔助、效率較低。在Pro/ENGINEER中，其Diagram模塊可圖形化的表示線、纜、電氣元件和管腳，可自動捕捉元件及接線信息，即設計者只需按照Diagram的規則將原理圖輸入軟件，而不需前述的那些復雜的處理方法即可實現原理圖信息抓取。文獻[5]和文獻[6]給出了運用Pro/Diagram設計原理圖的一般過程。為了加快二次回路原理圖的輸入效率，本文首先進行了兩項工作：

1) 對電氣符號的繪制進行統一，方便符號放置及更換；

2) 建立符號庫及線纜庫，減少重復工作；（1） 電氣符號庫的建立

在Diagram中，元件及固定接插件是通過符號（symbol）來表示的，每一個符號由圖形和字符組成，有導線接入的器件還必須定義節點。根據二次回路原理圖的特點，需要定義四類符號，所定義的符號如圖3所示。

普通符號：在原理圖中代表一個實物元件的圖形及字符。如圖中的a為端子的符號。

多視圖元件符號：在原理圖中分開放置的兩個或多個普通符號，且他們僅代表一個實物元件。如圖中b是表示同一個開關的兩個符號，由于二次原理圖的表達方式要求他們同時分別放置在端子排圖及控制回路圖中；更典型的是c所表示的熱繼電器的符號，兩個符號分別代表同一個熱繼電器的線圈和常閉觸點。

多視圖連接器：與多視圖元件符號概念相近。在Diagram中，“元件”可代表具有電氣連接及電氣功能的器件如接觸器、電阻等；“連接器”代表僅具有電氣連接功能的器件如接線端子。

元件組符號：在原理圖中兩個或多個普通符號的固定組合，他們仍代表各自的器件，但在原理圖中同時放置、移動及刪除。通常用來表示需要通過連接器接入線纜的元件，如圖中d表示分流器RS與OT端子的組合，實際中分流器一般用OT端子進行接線。

圖3 電氣符號

（2）線纜規格庫的建立

Pro/E中的spool即線纜規格包括單芯導線（wire）、多芯導線（cable）及護線套（sheath）三種，其本質上是一組描述導線或護線套的參數。其就像編程語言中的類或結構的概念，而在具體布線時生產的導線就是線纜規格的實例。在實際接線中，導線及護線套規格是有限的，線纜規格庫平時幾乎不用擴充。

3）原理圖繪制

有了上述符號庫及線纜庫的基礎，加上開頭所述的選項設置，原理的繪制將變得非常便捷。本文在Diagram中所繪制的原理圖如圖4所示。繪制過程為：(1) 放置元件實例并賦予唯一標號；(2) 用導線連接各元件的管腳節點；(3) 統一修改元件參數及線纜參數。需要注意是：Pro/Diagram中的圖盡量對應原理圖，但二維的原理圖中通常將等電位的線纜用同一個線標，但Pro/Diagram中每兩個管腳之間必須產生一條導線并標記唯一的線標，即按實際接線的思想，本文采取的措施是將等電位線標前綴統一而后部順序遞增，如L11、L11-1、L11-2代表三根等電位線纜。

圖4 Pro/Diagram中繪制的二次原理圖

1.2 三維快速布線

1) 布線結構

創建合理的裝配結構，是布線設計人員和結構設計人員進行并行設計的前提[7]，本文為了方便模型管理，采用結構裝配作為布線裝配的子裝配，線纜布置在布線裝配中的布線結構。

2) 網絡網絡建模

一般情況下，成套設備的二次線纜從器件端口接出后會捆扎在一起，再用纏繞管纏繞放置在走線槽中，走線槽安裝在柜內面板或結構件上并橫平豎直排布。而Pro/Cabling的自動布線恰恰是基于Network（即繪制在柜內的主要走線路徑）進行的，軟件在自動布線時根據輸入的邏輯參照，自動選擇network以最短的距離將相應的元件相連。自動布線的成功率很大程度上取決于network質量，若繪制的netwrok足夠完整且曲線之間光滑連接，則可較好的提高自動布線的成功率。

本文構建了從端口-走線槽-端口的完整network，走線槽內的network是走線槽的中直線，端口與走線槽之間、走線槽之間用三次參數樣條曲線達到光滑連接，如圖5所示。

圖5 端口與走線槽之間的network

圖5所示的端口與走線槽之間的network曲線是過起點P0和終點P1的一段三次參數樣條曲線，其以t為參數的矢量方程可表示為：

參數方程中的系數A1、B1、C1、D1由起始端點向量P0和P1，以及起始端點的切向量P0'和P1'決定。

端點向量由坐標位置可分別得到；對于起點令曲線與坐標軸Z軸相切可得其切矢P0'；對于終點令曲線與走線槽內network支線相切可得切矢P1'。

由以上條件可列出四個等式：

由(2)式可得到三次參數樣條曲線的描述方程矩陣形式為：

用參數方程能在Pro/E中快速的繪制三次樣條曲線，根據樣條曲線描點構成一個完整的network后即可進入自動布線。本文所構建的network如圖6所示，需要注意的是network必須要構成互通的一個整體才能順利進行自動布線。

圖6 整機Network

3) 三維線纜生成及布線優化

Pro/Cabling自動布線時采用最短路徑將元件端口相連接，實際中可能出現纏繞的線太粗而放在一個走線槽中太擁擠，因此需要對一個走線槽內能運行放入的導線數量進行檢查并修改。Pro/Cabling提供了對通過節點的導線數量進行限制的設置，但是當自動布線超過了限制時將會自動停止布線，因此為了不影響自動布線而需在自動布線介紹后進行檢查和修改。同時也可以對其他布線不合理的地方進行微調，以提高線扎圖的質量。本文最后獲得的二次回路三維布線模型如圖7所示。

圖7 二次回路三維布線模型

1.3 接線信息輸出

進行三維布線的目的就是為了最終獲得能指導實際生產的圖表，一般包括線扎圖、接線表及板釘圖。Pro/Cabling對這些圖表提供了完整的支持，相關制作步驟參見文獻[6]，本文最后獲得的部分接線表如表1所示。

表1 接線表

2 單向導通裝置的三維二次布線

本文針對國內某知名雜散電流設備廠家生產單向導通裝置的二次接線特點，應用前面所述技術對二次回路進行了三維設計，建立了相應的符號庫及元件模型，繪制了單導裝置二次回路原理圖并進行三維自動布線，最終實現的單導裝置二次布線模型及實物圖如圖8所示，二次接線的三維模型與實物二次接線相似度較高，表明通過三維輔助設計得到的二次布線圖表能用于指導實際生產。

3 結論

本文通過建立一個簡單的二次回路三維布線

圖8 單向導通裝置二次接線實物與三維模型對比

模型研究了應用Pro/E軟件實現成套設備二次接線三維輔助設計的過程，并在單向導通裝置的二次接線中得到驗證，避免了二維輔助設計時需要設計算法提取原理圖信息的缺點，可較方便地從原理圖快速獲得接線信息，并用虛擬樣機加速設計過程。對于三維輔助設計的二次接線，快速準確的輸入原理圖到Pro/Diagram中是布線設計的基礎，建立完整的合理的布線網絡是自動布線成功的關鍵，而建立符號數據庫及設計規范可減少重復工作、提高設計效率。為了使Pro/E軟件下拉式的菜單操作更直觀，應分析二次接線三維輔助設計的完整需求，并開發針對性較強的引導式設計界面，構建面向產品的二次回路三維布線系統，是進一步研究的內容。

[1] 陸欣星,鄒北驥,彭小寧,等.一種優化的二次接線自動生成方法研究[J].工程圖學學報,2008(4):31-37.

[2] Robinson,G,Ritchie,J.M，Day,P.N，et al. System design and user evaluation of Co-Star: An immersive stereoscopic system for cable harness design[J].COMPUTER-AIDED DESIGN,2007,39(4):245-257.

[3] 郭偉,劉艷芳,趙輝,等.基于骨架模型的快速布線方法[J].計算機集成制造系統,2012,18(11):2391-2397.

[4] 王金芳.基于Pro/E的線纜裝配規劃系統的研究與設計[D].南京:南京航空航天大學,2008.

[5] 陸曉燕,陳波寧,季峰,等.Pro/ENGINEER Diagram電氣邏輯原理圖的設計（一）[J].CAD/CAM與制造業信息化,2010(4):96-98.

[6] 陸曉燕,陳波寧,季峰,等.Pro/ENGINEER Diagram電氣邏輯原理圖的設計（二）[J].CAD/CAM與制造業信息化,2010(4):96-98.

[7] 黃國振.構建數字化樣機-Pro/ENGINEER Wildfire鈑金設計與三維布線1版[M].北京:人民郵電出版社,2006.