三維布線技術在充電樁產品中的應用

張保增，陳天錦，王 偉，宣志文

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三維布線技術在充電樁產品中的應用

張保增，陳天錦，王 偉，宣志文

（許繼電源有限公司，河南省許昌市 461000）

在充電樁的生產中不可避免地需要進行配線。傳統的配線方法是工人在生產中根據配線圖進行配線，配線速度慢，配線路徑不能充分優化，配線錯誤率較高。同時設計中不進行三維布線可能帶來設計錯誤，導致生產中無法配線。使用Creo的三維布線技術在設計過程中進行布線模擬，有效避免了設計過程的錯誤，并可以在設計中進行布線的優化；同時三維的工藝文件能夠有效指導工人現場配線，減少了配線過程的錯誤。

充電樁；三維配線；Creo軟件

1 引言

隨著國家對電動汽車的推廣，市場對充電樁的需求也變得大起來。國家和國家電網公司也出版了一些相應的標準。國家標準GB/T 20234 《電動汽車傳導充電用連接裝置》和國家電網企業標準Q/GDW 1234 《電動汽車充電接口規程》規定了相關的充電樁的接口，保證了電動汽車和充電樁產品可以進行互操作。國家標準GB/T 18487《電動汽車傳導充電系統》規定了電動汽車充電系統的分類、通用要求、通信和電擊防護等功能。

雖然有一些相關充電樁的標準，但對于充電樁的顯示、付費和功率等功能沒有進行規定，對型式也沒有相應的標準可循。導致市場上的充電樁產品規格多樣，生產廠家生產充電樁的過程中需要進行小批量多品種的生產。為了保證充電樁產品的多樣性，各功能模塊之間需要進行柔性配線。一般來說，即使一個簡單的充電樁也需要上百根走線。事實上，在充電樁的生產過程中，配線占用了一半以上的時間。針對充電樁產品的配線技術進行研究非常必要。

2 配線工作現狀

在當前充電樁的生產過程中，配線大多采用布線工藝卡片作為布線依據，而布線工藝卡片一般為二維簡圖或者文字描述的形式，布線工藝卡片不能直觀地描述線纜連接情況和走線路徑，布線人員大多憑借多年的布線經驗進行布線。傳統的布線模式主要有以下缺點。

1）傳統布線操作煩瑣、效率低而且容易出錯，生產成本高。

2）線束現場制作較慢，線束不能提前制作。如果使用釘板進行模擬計算容易導致導線過長，浪費嚴重。

3）設計過程不考慮電纜的折彎可能性，對于較粗的線纜可能導致生產安裝過程配線困難。

4）指導文件不夠直觀，工人尋找布線路徑需要較長時間。

5）各個工人根據自己經驗布線，布線路徑隨意性較大。

6）布線路徑無法直觀顯示，很難事先進行評審并有效優化。

7）嚴格的布線參數需要樣機安裝完成后在樣機上測量，在柔性生產中導致較長的生產周期。

總之，雖然看起來配線只是簡單的工作，沒有技術含量，但是由于配線數量較多，拓撲結構復雜，導致在大多時候配線是充電樁生產的瓶頸，影響著充電樁產品的質量和效益。文獻[1]提出了手工立體布線工藝，介紹了手工立體布線工藝的概念和特點。文獻[2]使用3D-CAD技術進行了動力機車的配線模擬，并在生產過程中使用三維顯示技術指導生產。文獻[3]在電氣配線實施過程中采用剪布線表規范指導電氣布線的工藝方法，可以降低操作難度，但仍舊是使用文字實現布線的指導。使用三維布線工具進行充電樁產品的布線，并用布線結果指導生產勢在必行。

3 Creo6.0布線方法

Creo軟件是美國PTC公司推出的CAD設計軟件包。具備互操作性、開放和易用三大特點，方便對產品進行三維建模。通過相應的布線插件，Creo可以實現三維布線功能。三維布線的過程主要包括建立基礎模型、布線和生成相應的工藝文檔三個步驟。

3.1 建立基礎模型

在進行布線之前，首先需要建立相關的電氣三維模型圖，為布線提供一個基本的三維空間。建立零件的三維模型后，需要在模型上建立坐標系，作為引線端子的位置信息。其中導線引線方向沿坐標系的軸方向向外。如果需要相應的端子（例如OT端子或UT端子），還需要設計相應的端子三維模型，并在端子上設置相應的引線位置，把端子安裝在模型的相應位置。在Creo軟件中繪制的帶有引線端子的模型如圖1所示。其中空氣斷路器的A0、B0、C0、A1、B1、C1以及OT端子上的坐標系可以作為導線入口端位置。

圖1 帶有引線端的模型

3.2 指定連接器

對電氣元件建立連接端子位置后，還需要指定零件為連接器，選擇菜單“應用程序->纜”進入布線環境。然后選擇“邏輯數據”功能模塊中的“自動指定->指定”選項，然后使用鼠標左鍵選中相應的零件指定其為連接器。菜單界面如圖2所示。

圖2 指定連接器界面

選定連接器后，進行連接器參數設置功能，如圖3所示。

圖3 連接器參數設置

3.3 連接器入口端設置

指定連接器后，需要指定連接器上的哪些坐標為接線入口端子。單擊彈出菜單中的“入口端”選項，然后使用鼠標單擊相應端子坐標。如果需要選擇多個坐標，則按下CTRL鍵連續選中多個坐標，然后單擊“確定”按鈕，如圖4所示。

圖4 指定引線入口端界面

圖5 連接器內的線纜長度設置

在彈出的對話框中選擇端子的類型，如圖6所示。

圖6 選擇入口端類型界面

其中選項“線”表示入口端只能引出一根導線；選項“圓形”表示入口端可以引出多根導線；選項“扁平”表示入口端為扁平帶纜的一個端子。選中導線類型后，單擊上面“完成”選項后完成入口端的設置。

3.4 線軸設置

指定連接器后，還需要進行線軸的設置。線軸表示導線的類型。以普通的導線為例，單擊邏輯數據中的“數軸”選項，在彈出的對話框中單擊“創建”，如圖7所示。

圖7 創建線軸界面

圖8 線軸名稱設置

設置線軸的名稱后，彈出設置線軸參數對話框，如圖9所示。

需要輸入的線軸的參數包括線軸的最小彎曲半徑（MIN_BEND_RADIUS）、線軸外徑（THICKNESS）、尺寸單位（UNITS）和線軸顏色（COLOR）。輸入線軸的參數后，單擊圖中“確定”按鈕，完成線軸的設置。然后單擊上一級對話框的“完成/返回”按鈕完成線軸的設置。

圖9 線軸參數設置界面

3.5 布線

完成連接器和線軸的設置之后，就可以進行布線了。選擇布線模塊的“布設纜”按鈕，進入布線狀態，如圖10所示。

圖10 布線界面

然后選擇導線使用的線軸，最后選擇布線類型。布線類型包括通過網絡、簡單布線、沿纜和沿管線。在通過網絡方式下，需要首先建立布線網絡，然后軟件自動沿網絡布線。簡單布線按照最近的樣條曲線路徑布線，沿纜和沿管線是沿固定的路線布線。簡單布線后的布線結果，如圖12所示。

圖11 選擇入口端

圖12 簡單布線后的布線結果

如果需要改變導線的路徑，可以在導線路徑上插入點，從而實現走線的定制。單擊“位置”對話框中的“位置”選項，如圖13所示。

圖13 設置導線路徑位置

然后首先使用鼠標左鍵選中需要添加位置的導線，然后單擊需要添加的位置，實現導線的走向定制。如果需要對一條導線添加多個位置，可以選中導線后，依次從導線的起點向終點添加多個位置，設置后的導線走線如圖14所示。

圖14 沿線槽布的導線路徑

在充電樁的產品設計過程中，柔性導線也不能隨心所欲地折彎，導線都有一定的最小折彎半徑。所以在導線布線時，特別是對于粗導線進行模擬布線時，如果空間有限，則可能會導致布線失敗。這種情況下需要對結構設計進行優化，保證產品設計的合理性。

在產品模擬布線完成后，可以使用軟件自動完成線束表的編制。三維布線完成的線束表，可以作為制作線束的依據。布線完成后的部分線束表如表1所示。

表1 導出線束數據

通過軟件還能生成三維的配線圖。在生產過程中，使用配線的三維圖作為工人配線的可視化工藝文檔，可以提高工人配線的速度和質量。部分線束布置如圖15所示。

圖15 生成線束圖

4 結論

使用三維布線和三維可視化工藝后，可以給充電樁產品的設計和生產帶來如下好處。

1）設計過程考慮電纜的折彎可能性，設計出來的產品配線工藝性好。

2）可視化的模擬布線方便進行嚴格的評審，保證精確的導線長度，有效避免導線浪費。

3）三維配線指導文件直觀，對工人的要求低，保證產品配線路徑一致。

4）提前生產線束保證較短的產品生產周期。

5 需要改進之處

[1] 于宏輝．適用于機電裝備的手工立體布線工藝[J]．機械制造，2019，57(4)：9-91．

[2] 川瀬瀬司，劉麗杰．利用3D-CAD和IoT的車輛配線技術[J]．國外鐵道機車與動車，2020(3)：7-20．

[3] 張學秀，陸輝，張亞靜，等．時速160 km動力集中電動車組電氣配線布置[J]．鐵路采購與物流，2020，15(3)：6-48．