淺析基于UG NX的電子機箱三維布線設計

王 濤，王佳麗

(連云港杰瑞自動化有限公司，江蘇 連云港 222000)

隨著科技不斷發(fā)展，當代社會已逐步向現(xiàn)代化、數字化、智能化大步挺進，各種電子設備層出不窮，而電子機箱在電子設備中起著十分重要的作用。一般傳統(tǒng)電子機箱線纜的布局安裝，往往都是前期結構設計人員憑借設計經驗預留線纜位置，電裝工人根據二維電氣裝配圖按照實際情況現(xiàn)場規(guī)劃管線路徑，配做固定線纜的線夾孔、過線孔，再通過估測等手段預留線纜長度[1]。然而往往電裝工人為了避免整根線纜報廢，預留的線纜長度都會遠遠長于實際使用線纜的長度，最后無論把剩余的線纜剪掉或者將冗余線纜留在電子設備中，都會造成線纜的一定浪費。并且這種線纜的布局安裝受電裝工人的主觀因素影響較大，可控性與同批次一致性都受影響，線纜很難達到合理布局。尤其在一些相對空間狹小，線路復雜的電子機箱中，如果不在前期方案設計階段明確線纜布局路徑，很可能直到最后的產品裝配階段才能發(fā)現(xiàn)問題，不得不通過返修甚至報廢重做零件的方式來完成整個電子機箱的加工裝配，造成了不必要的損失。通過前期三維布線技術就可以很好地解決上述問題。

1 三維布線技術優(yōu)缺點及軟件介紹

1.1 三維布線技術優(yōu)點

三維布線技術優(yōu)點如下：1)可以更好地優(yōu)化前期方案設計階段線纜布局，提高線纜布局的合理性；2)可以提供更加詳細準確的方案模型，為最終產品交付提供可靠依據；3)可以更加準確地預估線纜長度，避免下料浪費，降低線纜使用成本；4)可以明確線纜布局，更加直觀地指導生產，提高線纜裝配效率；5)可以明確線纜路徑、空間需求，降低結構件返修報廢概率；6)可以增加同批次多件線纜布局的一致性，降低質量隱患。

三維布線技術缺點如下：對設計人員技術水平要求提高，除了需要掌握機械結構設計，還需要掌握相關電氣技術。

1.2 三維布線軟件

隨著化工行業(yè)的快速發(fā)展、工廠建設規(guī)模的不斷擴大，設計效率與加工效率已成為市場競爭的核心。傳統(tǒng)的設計與生產模式已經很難滿足行業(yè)對項目質量控制、進度監(jiān)督管理和信息交換的需求。因此，三維模型設計軟件應運而生。三維模型設計軟件具有眾多專業(yè)設計模塊、強大的數據庫，且可直觀地發(fā)現(xiàn)設計中的錯、漏、碰、缺等問題，保證了設計質量[2]。此外，三維模型設計軟件還可在計算機上動態(tài)直觀地展示出各單元裝配完成后的實際效果，有利于決策者更客觀準確地做出判斷，進行施工控制及生產過程維護。現(xiàn)在國內常用的三維設計軟件有Pro/E、SolidWorks、CATIA、3DMAX、UG NX等。這些三維設計軟件都有自己的三維布線模塊，每款三維軟件也都有其自身的特點，適用于不同的設計領域，UG NX三維布線軟件主要優(yōu)勢如下[3]。

1)易用性。UG NX軟件各功能模塊界面簡潔易懂，利用易于定制/配置的用戶界面，可以在短短一天時間內完成針對用戶特定任務的培訓。

2)功能強大。UG NX三維軟件包含眾多功能模塊，可以針對非參幾何體或者外部導入幾何體直接進行修改，并且可以對后期模型進行更加深入的靜態(tài)、動態(tài)分析。

3)便于加工。UG NX三維軟件可以提供和第三方加工軟件的集成接口來實現(xiàn)零部件的加工。

4)應用廣泛。UG NX廣泛應用于汽車、航空、國防、通用機械、電子和醫(yī)療等各個領域。

2 三維布線結構設計流程

三維布線設計一般流程如圖1所示。

圖1 三維布線設計一般流程

UG NX 11.0三維布線設計是在模型結構件裝配完成后才開始進行的，模型組件的裝配是三維布線設計的基礎[4]。根據電氣原理圖，對所需要的電子元器件進行建模并定義其端口，然后在組件裝配圖的基礎上放置電氣元件，確定裝配關系(在UG NX 11.0中有電子元件模型庫，許多常用電子元件可以從模型庫中直接選用)。創(chuàng)建線纜路徑是三維布線設計中至關重要的一步，它決定了最終的線纜布局樣式，最后再通過電氣原理圖指定元器件之間的連接關系，生成線纜，完成三維布線設計。

2.1 組件及電氣元件的定義與放置

三維布線設計是建立在組件的定義和裝配設計的基礎上的，其具體操作與常規(guī)的三維建模裝配過程相同，本文不再累述。

電氣元件的定義是UG NX 11.0的“電氣管線布置”應用模塊下的基本功能之一，其管線部件類型中的連接件有“設備”“接頭”“連接器”“模板裝配”之分，可根據實際情況選擇對應類型(見圖2)。

圖2 管線部件類型

在完成類型選擇后才可以進行電氣元件端口的建立。“端口”是設備與外界通信交流的出口，主要有單端口和多端口之分(見圖3)。在定義端口時還可以同時定義線纜與端口的“接合長度”“延伸長度”以及“接線長度”。在定義接線多端口時，還需分別定義端口中每個接線的針腳[5]。

圖3 電氣元件端口定義

2.2 創(chuàng)建線纜路徑

線纜路徑直接決定了管線布局的最終狀態(tài)，是三維布線結構設計中至關重要的一步，需要設計人員根據電氣原理圖以及組件裝配圖進行綜合考慮，在保證線纜排布的一般原則如強弱電分開等的基礎上，綜合整個機構元器件之間的位置關系優(yōu)化線纜路徑，線纜路徑設計所決定的最終管線布局狀態(tài)直接對工人的線纜布施起指導作用[6]。

在UG NX 11.0中，線纜路徑分為“樣條路徑”和“線性路徑”，一般在相對簡單的直線型線纜路徑設計時可以選擇“線性路徑”，而當線纜路徑較復雜時可選擇“樣條路徑”(見圖4)。

在使用“樣條路徑”進行設計時，可以同時預先設定其線纜的松弛狀態(tài)和將要使用的線纜型材形狀等。在設計布線路徑時，可以借助三維模型中的過線孔、卡箍、線夾等結構特征的參考點進行排布，此外還應著重考慮線束的折彎半徑、最小直線段長度等布線設計的工藝性要素[7]。

圖4 線纜路徑示意圖

2.3 創(chuàng)建連接及指定元器件

在創(chuàng)建線纜連接(見圖5)過程中可以賦予布線裝配中所有接線器件的唯一位號，最終形成元件列表和接線列表，接線列表用于定義各個設備及接插件之間的針腳級的接線關系。此外，在創(chuàng)建線纜連接的過程中還可以定義每根線纜的規(guī)格、顏色等信息，如果UG NX 11.0自帶的線纜數據庫不滿足使用需求，還可以對其進行設定，增加線纜類型[8]。

圖5 創(chuàng)建連接示意圖

2.4 線纜生成

UG NX 11.0只有通過元件列表和接線列表才能識別各個接線器件及其連接關系，如果說布線路徑提供的是接線幾何連接關系，那么元件列表和接線列表則提供的是接線邏輯連接關系。在布線裝配時導入元件列表與接線列表文件，就可以批量定義所有接線器件的位號以及它們之間針腳級的接線關系。當接插件或接線關系有變化時，可以通過更新列表文件或直接在導航器中編輯進行修改。

接線器件與接線關系定義完成后，在UG NX 11.0中執(zhí)行布線操作，系統(tǒng)會尋找路徑中2個連接器端子間最短的路徑自動生成線纜模型，對于同一路徑中有多根線纜的情況，會自動形成線束模型(見圖6)。

圖6 自動生成線纜

對所有線纜路徑自動生成線束操作后，線纜的三維模型設計就已基本完成，之后還可以對線纜模型進行后期編輯操作，例如設置線纜型材、護套、空間預留尺寸等[9]。

2.5 釘板圖與布線報告

釘板圖是三維線纜模型的平面拉直描述。典型的釘板圖由線纜、元器件、注釋信息和標簽組成。注釋信息通常包含元器件編號、線纜長度和直徑、接插件針信號等[10]。

三維布線設計完成后，UG NX 11.0可提供詳細布線報告信息，如：端口名稱、連接關系、線纜長度等(見圖7)。

圖7 布線報告

3 對比分析

當三維布線模型完成后，通過對電子設備三維布線報告中線纜長度與最終實際布線長度做對比(見表1)，其中每一種線纜號只選取連接點中一個端子之間的線纜長度進行對比。

表1 三維布線報告線纜長度與實際布線長度對比表

由表1可知，三維布線報告線纜長度與實際布線長度存在一定的誤差，分析主要原因有如下幾點。

1)松弛長度設置的影響。兩端子或連接器之間的線纜因為受重力及熱脹冷縮影響，線纜長度并不是其兩點之間的直線距離，而需要預留一定的余量，即松弛長度。因為線纜路徑以及固定方式不同，線纜的松弛長度也會有一定的變化，這便導致了線纜長度誤差的產生。

2)裝配誤差及端子“接合長度”“延伸長度”以及“接線長度”的影響。

a.接合長度是指兩端子之間連接重合的長度。

b.延伸長度是指受線纜自身剛性以及折彎半徑影響，線纜出端口后仍保持直線的部分。

c.接線長度是指線纜深入電子機箱內部的部分。

由于線纜的鋪設最終仍是由電裝人員通過手工完成的，其裝配路徑、接合長度、延伸長度、接線長度等都會存在無法避免的累計誤差，這也成為了導致線纜誤差產生的原因之一。

4 結語

本文對電子機箱三維布線設計的詳細介紹可以為類似電子設備的三維布線設計提供參考。通過與實際線纜長度對比，可以得出三維布線的理論線纜長度與實際線纜長度誤差比例約為5%，這不僅可以為相關產品的前期方案評審階段提供更加詳細準確的參考信息，而且還可以為后續(xù)生產裝配提供更加準確的指導。三維布線技術因其自身的優(yōu)勢特點，在未來的電子設備前期方案設計中，會逐漸成為不可或缺的一部分。