建立在機(jī)電一體化基礎(chǔ)上的布線技術(shù)研究

李蕊　宋學(xué)毅　冀恩祥　唐立國　劉慧軍　姚海蘭

摘要：建立在機(jī)電一體化基礎(chǔ)上的布線技術(shù)是自動(dòng)提取電氣原理圖中的線號(hào)、線徑等線纜屬性信息，經(jīng)過信息內(nèi)容壓縮和信息格式重定義形成中間文件，作為PTC中性文件導(dǎo)入三維機(jī)械設(shè)計(jì)平臺(tái)，在三維機(jī)械制圖平臺(tái)中完成起始、終止設(shè)備名稱、位置等信息的確認(rèn)和線束走向信息的規(guī)劃，完成自動(dòng)布線的過程。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化；PTC中性文件；三維機(jī)械制圖；電氣原理圖；布線技術(shù) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TH39 文章編號(hào)：1009-2374（2016）24-0008-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.24.004

機(jī)電一體化又稱機(jī)械電子學(xué)，英語稱為Mechatronics，它是由英文機(jī)械學(xué)Mechanics的前半部分與電子學(xué)Electronics的后半部分組合而成。機(jī)電一體化技術(shù)是集機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)的交叉綜合，它的發(fā)展和進(jìn)步在很大程度上依賴并促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，自動(dòng)布線技術(shù)就是以此為基礎(chǔ)發(fā)展起來的一門應(yīng)用技術(shù)，它充分利用機(jī)械平臺(tái)和電氣平臺(tái)的共享信息，結(jié)合計(jì)算機(jī)編程接口，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)間的信息自動(dòng)傳遞，在三維機(jī)械設(shè)計(jì)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)布線的自動(dòng)化。

1 傳統(tǒng)布線方法分析

對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，涉及到布線過程，傳統(tǒng)做法首先根據(jù)需求進(jìn)行線的選型，依據(jù)所選線型的線徑、顏色、線芯數(shù)等信息進(jìn)行物料申請，之后依據(jù)電氣原理在電氣設(shè)計(jì)平臺(tái)中進(jìn)行線的邏輯連接設(shè)計(jì)，并將所選線的相關(guān)屬性信息存儲(chǔ)于線纜的后臺(tái)電氣屬性中，以上線的電氣原理設(shè)計(jì)完成后，將電氣設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)交予機(jī)械設(shè)計(jì)部門在機(jī)械設(shè)計(jì)平臺(tái)中再次輸入線纜的線徑、顏色等信息，同時(shí)進(jìn)行線的路徑走向設(shè)計(jì)，完成手工布線過程。傳統(tǒng)布線方法的缺陷：（1）各部門設(shè)計(jì)獨(dú)立導(dǎo)致數(shù)據(jù)信息無法共享，造成信息重復(fù)填寫；（2）工作量巨大，人員時(shí)間、精力耗費(fèi)嚴(yán)重，效率低；（3）出錯(cuò)率高。

2 建立在機(jī)電一體化基礎(chǔ)上的自動(dòng)布線技術(shù)

2.1 機(jī)電一體化基礎(chǔ)

機(jī)電一體化技術(shù)是機(jī)械與微電子技術(shù)、信息技術(shù)等多種技術(shù)有機(jī)結(jié)合，并綜合應(yīng)用到實(shí)際中去的一門綜合性技術(shù)，機(jī)電一體化技術(shù)中各種技術(shù)的整合程度和信息共享程度，對(duì)機(jī)電一體化程度起決定性作用。為了適應(yīng)當(dāng)前企業(yè)信息化的趨勢，目前工業(yè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)亟需實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)計(jì)部門與機(jī)械設(shè)計(jì)部門的協(xié)同設(shè)計(jì)，電氣設(shè)計(jì)平臺(tái)與機(jī)械設(shè)計(jì)平臺(tái)的緊密結(jié)合實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品機(jī)電一體化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.2 自動(dòng)布線技術(shù)

電氣設(shè)計(jì)部門在設(shè)計(jì)電氣原理圖時(shí)已經(jīng)將元器件的設(shè)備屬性，包括設(shè)備名稱、設(shè)備位置、設(shè)備物料信息等填寫完整，并且對(duì)線的相關(guān)信息包括線徑、顏色、線芯數(shù)等信息也都進(jìn)行了完善，而且電氣原理圖反映了起始、終止設(shè)備信息。那么，我們完全有可能將此平臺(tái)中填寫的所有信息都作為參數(shù)提取出來，將這些信息進(jìn)行內(nèi)容壓縮和信息格式重定義形成中間文件，導(dǎo)入三維機(jī)械設(shè)計(jì)平臺(tái)，在三維機(jī)械制圖平臺(tái)中完成起始、終止設(shè)備名稱，起始、終止位置等信息的確認(rèn)和線束走向信息的規(guī)劃，機(jī)械設(shè)計(jì)平臺(tái)以這些信息作為依據(jù)，在相應(yīng)的設(shè)備模型上進(jìn)行自動(dòng)匹配完成機(jī)械設(shè)計(jì)平臺(tái)自動(dòng)布線的過程，生成相應(yīng)的線纜長度和走向信息等，經(jīng)過信息內(nèi)容的擴(kuò)展和格式再定義導(dǎo)出中間文件回電氣原理平臺(tái)，這樣電氣原理圖中就加入了經(jīng)過精確三維驗(yàn)證后的線長和線的走向等信息，從而完成自動(dòng)布線過程。

2.2.1 自動(dòng)布線的環(huán)境。此處指的布線的環(huán)境是工業(yè)設(shè)計(jì)中電氣設(shè)計(jì)平臺(tái)，三維機(jī)械設(shè)計(jì)平臺(tái)和由這兩個(gè)平臺(tái)分別導(dǎo)出的電氣輸出中間格式文件、機(jī)械輸出中間格式文件以及物料申請平臺(tái)。

2.2.2 自動(dòng)布線的方法步驟。

第一，線纜物料的申請。在物料申請平臺(tái)輸入線纜相關(guān)信息，進(jìn)行線纜物料的申請。

第二，提取線纜的電氣原理信息。電氣設(shè)計(jì)人員直接從元器件庫中選取具備后臺(tái)物料信息的元器件，進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)。之后依據(jù)電氣原理設(shè)計(jì)內(nèi)容，導(dǎo)出“固定格式”的接線關(guān)系表，其中導(dǎo)出格式的標(biāo)準(zhǔn)需要機(jī)械平臺(tái)、電氣平臺(tái)雙方協(xié)商制定，內(nèi)容包括線號(hào)、起始設(shè)備名稱、起始設(shè)備位置、終止設(shè)備名稱、終止設(shè)備位置、線纜的線芯數(shù)、線徑、線纜顏色，線纜物料號(hào)等信息。

第三，壓縮信息，形成中間文檔。加入此步驟是為了解決項(xiàng)目中存在大量線纜信息，但在車間真正的布線過程中時(shí)，大部分只將起始、終止設(shè)備的位置相同的視為一束線，從而將所有起始、終止設(shè)備的位置相同的線纜合并，分類整理出的線束號(hào)進(jìn)行布線，這樣不僅大大減少了布線的工作量和難度，同時(shí)化繁為簡保證了車間布線的整齊一致，并且不容易出錯(cuò)。具體方法是將同一線束名的所有線纜，通過線徑、線形狀計(jì)算出總體線徑，作為此束線通過線槽的整體線徑，最終得到一個(gè)線束信息，作為機(jī)械平臺(tái)的導(dǎo)入文檔。

第四，將中間文檔導(dǎo)入機(jī)械設(shè)計(jì)系統(tǒng)，進(jìn)行三維布線。機(jī)械平臺(tái)裝配體中導(dǎo)入上述PTC中性的文檔，完成三維機(jī)械設(shè)計(jì)平臺(tái)的布線過程。此過程需要機(jī)械設(shè)計(jì)師進(jìn)行三維布線的查錯(cuò)、補(bǔ)充、核實(shí)，包括對(duì)線束兩端連接的設(shè)備名稱，設(shè)備位置進(jìn)行核實(shí)，線纜路徑進(jìn)行設(shè)置等操作，最終保證三維自動(dòng)布線的正確性。

第五，由機(jī)械設(shè)計(jì)平臺(tái)中導(dǎo)出中間格式文檔。機(jī)械設(shè)計(jì)平臺(tái)中導(dǎo)出中間格式文檔中涵括線束號(hào)、起始終止位置、起始終止設(shè)備，線束長度、線束走向等信息。中間文檔格式的標(biāo)準(zhǔn)由機(jī)械平臺(tái)、電氣平臺(tái)雙方人員共同協(xié)商制定。

第六，擴(kuò)展信息，形成中間文檔。此過程是壓縮信息的反過程，將同一線束所包含的所有的線纜信息展開，同一線束號(hào)的芯線長度一致。

第七，將中間文檔導(dǎo)入電氣設(shè)計(jì)系統(tǒng)。將帶有長度信息和走向信息的布線信息返回電氣設(shè)計(jì)系統(tǒng)，導(dǎo)出布線表，同時(shí)從三維設(shè)計(jì)平臺(tái)導(dǎo)出平面二維圖，便可指導(dǎo)車間生產(chǎn)。

2.2.3 自動(dòng)布線的關(guān)鍵技術(shù)。電氣設(shè)計(jì)平臺(tái)與機(jī)械設(shè)計(jì)平臺(tái)接口內(nèi)容的開發(fā)，確定兩個(gè)平臺(tái)互相導(dǎo)入導(dǎo)出連接關(guān)系時(shí)信息內(nèi)容與信息格式的過程需要幾個(gè)部門共同協(xié)作完成。

導(dǎo)出線纜連接關(guān)系信息的壓縮，將同一線束號(hào)的所有線纜壓縮為一根線束信息，對(duì)線徑的合并計(jì)算需要根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的算法，例如為圓形線束時(shí)，若d1>d2>…>dn-1>dn，那么取d1+d3+…+dn-1作為線束的衡向最大寬度，d2+d4+…+dn作為縱向最大高度，例如d1>d2>d3>d4，那么取d1+d3作為線束的衡向最大寬度，如圖1所示：

圖1 線徑化簡算法示意圖

導(dǎo)出機(jī)械設(shè)計(jì)平臺(tái)線的連接、長度信息表，同時(shí)擴(kuò)展接線關(guān)系、長度信息表，擴(kuò)展成線纜連接信息。電氣設(shè)計(jì)平臺(tái)與機(jī)械設(shè)計(jì)平臺(tái)接口內(nèi)容開發(fā)，將擴(kuò)展線纜連接長度信息導(dǎo)入電氣設(shè)計(jì)平臺(tái)項(xiàng)目中，從而生成涵括線纜長度的線束走向表。

3 自動(dòng)布線應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)中的重要意義

工業(yè)化設(shè)計(jì)中的兩大設(shè)計(jì)部門機(jī)械設(shè)計(jì)和電氣設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)成果起著決定性用，在機(jī)電一體化基礎(chǔ)上的自動(dòng)布線技術(shù)整合了這兩個(gè)部門的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，大大提高了布線速度，解決了各部門獨(dú)立設(shè)計(jì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)信息無法共享，造成信息重復(fù)填寫和設(shè)計(jì)過程重復(fù)的冗余問題，大大減少了設(shè)計(jì)人員的工作量，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間、縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)效率，并減少了出錯(cuò)率，在一定程度上保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

4 結(jié)語

建立在機(jī)電一體化基礎(chǔ)上的自動(dòng)布線技術(shù)有效避免了工業(yè)設(shè)計(jì)中的冗余步驟，整合了機(jī)械設(shè)計(jì)和電氣設(shè)計(jì)信息，使整個(gè)設(shè)計(jì)過程更加智能化、高效化，大大減少了重復(fù)的體力勞動(dòng)，縮短了設(shè)計(jì)周期，保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量。但電氣設(shè)計(jì)平臺(tái)、機(jī)械設(shè)計(jì)平臺(tái)接口的開發(fā)涉及到幾個(gè)不同的部門的人員共同確定中間文檔標(biāo)準(zhǔn)，需要跨部門共同協(xié)作才可以完成，這對(duì)于一個(gè)企業(yè)來說難度較大，還需要我們提高認(rèn)識(shí)并拓展技術(shù)共同努力，做到工業(yè)設(shè)計(jì)中布線的自動(dòng)化。

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基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2009BAG12A01）。

作者簡介：李蕊（1984-），女，河北唐山人，中車唐山機(jī)車車輛有限公司工程師，碩士，研究方向：機(jī)電一體化、電器平臺(tái)搭建與優(yōu)化。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）