ECAD與MCAD協同在汽車線束設計中的應用

楊 淑

（明導（上海）電子科技有限公司，上海 200120）

近年來，隨著國內新能源汽車的普及和智能網聯的發展，汽車上不僅出現了新功能的電子產品，原有單純的機械系統在許多領域都實現了機電一體化控制［1］。當前客戶對定制化車型的需求日益增長，市場競爭加劇，這就要求整車廠必須加速產品研發進度和產品迭代，快速推出產品響應市場需求［2］。與此同時，線束系統的設計品質直接關系到車輛的安全性，因此汽車線束系統的設計變得更為重要和嚴格。本文主要關注目前線束行業主流的設計模式并重點介紹基于ECAD與MCAD協同的線束設計方法。

1 目前主流的線束設計方法

1.1 基于AUTOCAD+Excel的線束設計

目前不少線束供應商仍然采用基于二維機械制圖軟件AUTOCAD的二維圖紙和Excel表格完成線束設計［3］，這種開發方式最大的弊端就是無法復用設計數據，導致產品開發周期長，無法快速響應市場需求。這種基于圖形元素而不是數據對象的開發方式和理念已經難以應對近年來電子電氣領域的突破性和爆發性發展。

1.2 基于三維MCAD的線束設計

為了應對配置不斷增多且日趨復雜的線束系統所帶來的復雜性、可靠性、模塊化和集成化以及產品快速迭代等挑戰，國內外不少的整車廠在電氣系統開發設計階段都采用比如CATIA/NX等三維MCAD（Mechanical CAD）軟件進行線束布置和布線［4］。

首先，這種設計方式需要在三維布置階段完成電源分配、線束防護和導線路徑優化等工作，但目前國內難以實現［5］。

其次，目前國內絕大多數的供應商無法根據三維數據直接進行線束加工制造，線束二維圖紙和后續的工裝板設計仍然是線束制造的重要輸入信息。在設計流程上要先進行線束三維設計，之后電氣工程師按照自身經驗和標準部門法規以及各電氣子系統模塊信息設計整車電氣原理，確定線束附件的設置，最后完成二維線束圖紙［6］。

1）導致線束二維圖紙設計無法與線束三維同步并行設計，兩者之間缺乏有效的信息交流，導致線束系統開發周期變長。

2）設計流程本身嚴重依賴于工程師的經驗積累，人員流動等因素會影響線束設計品質和設計進度。

3）基于MCAD的線束設計也難以應對當前客戶日益增長的車型定制化需求和產品快速迭代帶來的設計變更等挑戰。

1.3 基于ECAD+MCAD協同的線束設計

考慮到日益增長的整車機電系統復雜性所帶來的影響，目前適合國內線束設計行業的最佳方案是確保所用的系統允許工程師在整個設計過程中以一致的方式交換電氣ECAD（Electrical CAD）和機械MCAD數據，即基于ECAD與MCAD的線束協同開發，這種設計模式可以帶來如下的目標收益。

1）專業的線束ECAD工具能夠應對日趨復雜的整車電氣系統所帶來的各種挑戰。借助ECAD工具，可以最高效的方式復用各種零件數據庫、圖形數據庫以及所有的電氣原理設計和二維線束圖設計；利用內置的完善的“設計規則檢查”來檢驗線束設計的正確性與準確性；個性化的圖紙風格定義即同一張圖紙數據在不同的風格下進行不同的風格展示，避免了重復性的產品開發。

2）一致的數據交換可以確保線束在電氣ECAD和機械MCAD領域的設計能夠互相兼容，雙方團隊可以及時有效地針對發現的問題進行溝通，盡早規避可能帶來的返工風險。

3）ECAD和MCAD工具的協同使線束設計變得連貫，優化了產品研發的流程，使得整個設計流程以高效率的并行方式進行。這將更有利于創建更準確的線束設計并提高生產率，最終可以縮短產品上市時間。

在ECAD工具方面，目前在汽車線束行業廣泛應用的一款ECAD工具是由西門子工業軟件公司專為線束設計行業提供的一款以數據為中心的汽車電線束系統設計全流程解決方案Capital。這款ECAD工具套件包含了數十個功能強大的子模塊，主要包含了Capital Logic整車原理設計工具、Capital Topology整車拓撲設計工具、Capital HarnessXC整車二維圖紙設計工具以及Capital Bridge模塊用于和MCAD工具進行數據交互。整車廠和線束供應商的工程師可在Capital工具中高效創建并利用電氣設計數據，Capital強大的技術能力可壓縮產品定義、設計、驗證、制造、服務等環節的成本，此外還高度開放了軟件的API接口用于擴展軟件功能，被國內外主流汽車整車廠廣泛采用為線束系統開發平臺。

在MCAD工具方面，CATIA是達索公司推出的一款在汽車行業應用非常廣泛的三維MCAD工具。國內有客戶在CATIA中完成線束三維布置得到分支及線束段長度信息，之后在Capital工具集中的HarnessXC模塊實現線束附件選擇、焊點位置設置與優化以及線束段覆蓋物等設計。目前，國內整車廠如一汽商用車已經成功采用Capital與CATIA的聯合開發模式，如圖1所示，并受益于線束設計工作平臺化、智能化，電氣系統的品質得到了有效提升［5］。江淮汽車采用這種Capital與CATIA協同平臺使得線束設計信息化、平臺化，設計流程規范化，為設計校核時間提前至設計初期，提升了早期發現設計錯誤的能力，并積累了信息化設計工具應用經驗［6］。

圖1 汽車線束系統設計流程

在MCAD方面，西門子公司推出的NX是一款既靈活又具有強大功能的集成式解決方案，是另一款被汽車行業廣泛應用的MCAD工具。目前國內論文在ECAD和NX協同的線束設計方面的介紹很少，本文將以此詳細展開介紹。

2 基于Capital+NX的協同方案

2.1 基于XML文件的Capital與NX協同設計

XML是一種用于存儲數據的跨平臺格式，具有豐富的可擴展性，因此開發基于XML格式的接口用于Capital與NX工具之間的數據交互是一種可行方案，比如西門子公司開發的PLM XML可被用于Capital與NX之間的數據交互。

2.1.1 Capital與NX在電氣原理設計階段的協同

首先，ECAD工程師即整車電氣原理設計人員需要在Capital中創建接線和連接布局，然后把電氣連接性導出給PLMXML格式的文件傳遞給NX，如圖2步驟1所示。

圖2 Capital與NX在整車電氣原理圖階段協同

其次，MCAD工程師把數據導入NX，電氣數據則自動鏈接到NX中的三維對象，如圖2步驟2所示。之后可以在車輛或者部件中進行布線，并把經過MCAD工具加工處理過的數據導出為PLMXML格式的文件傳遞給ECAD工程師。

最后，ECAD工程師將MCAD工程師傳遞回來的數據導入工具中對數據進行一系列基于規則的設計規則檢查，如圖2步驟3所示。這將使得ECAD工具中的接線具有三維工具計算出的精確導線長度信息，據此信息可以進行精確的電氣分析，比如電壓降等。

2.1.2 Capital與NX在線束設計階段的協同

首先，MCAD工程師導出PLMXML格式的線束描述文件，該文件包含了分支走向與長度、連接器零件號、焊點與卡扣等線束附件信息，如圖3步驟1所示。

圖3 Capital與NX在線束設計階段協同

其次，ECAD電氣工程師通過Capital內置的變更管理工具“Change Manager”來對線束文件展平成“魚骨圖”，并評估是否接受或者拒絕某一項線束信息變更，如圖3步驟2所示。

最后，ECAD電氣工程師可以將PLMXML文件中包含的線束信息增量的方式添加到CapitalHarnessXC或者ModularXC中的二維線束圖上，如圖3步驟3所示。

2.2 ECAD與MCAD協同下的變更管理

日益復雜的整車電氣系統導致進行線束設計時會有數以千計的設計變更單，影響著線纜的類型、長度和物理布局等信息。一種可靠的變更管理方法對于整車電氣設計與機械設計至關重要。

比如，針對一輛具有自動駕駛功能的汽車，制造工程師可能需要把激光雷達的安裝位置按照工程需要移動到另一位置。這很可能需要對線束進行重新布局，甚至可能需要增加一個焊點來應對這種位置調整。激光雷達工頻高達600MHz，所以改變線纜的長度或者增加一個焊點很可能會危害雷達重要信號的信號完整性。此時，單純改變一個雷達的位置會導致電氣與機械方面的多個設計變更單，這就需要能更好地從成本、質量、平衡以及功能等多個方面去驗證變更的合理性。

變更管理的挑戰在于如何高效和快速地進行變更跟蹤，這主要體現在如下兩方面。

1）如何自動合并數據并將設計變更清晰地呈現給設計人員。Capital內置的先進變更管理工具可自動創建設計變更清單，如圖4所示。設計人員可以清晰地查看哪些對象跟當前圖紙上的數據有差異，并可以手工進行“確認變更”。

圖4 Capital變更管理器界面

通過該清單，ECAD設計人員使用變更管理器可以通過“展平”功能預覽一組變更，展平方式可以是三維展平（圖5）、正交展平（圖6）或展開（圖7）。

圖5 三維展平預覽

圖6 正交展平預覽

圖7 展開方式預覽

2）定義好完善的變更策略，包括主數據以及變更的流動方向。

Capital內置的變更管理工具ChangeManager模塊具有豐富的綜合選項，可用于對各個設計流程定制不同的變更策略。比如，可以通過自定義規則來指定MCAD導出的PLMXML文件只對ECAD中的二維圖紙上的連接器的質量進行更新，而不能更新其電氣屬性等。

3 結論

從信息系統的應用角度看，線束設計ECAD工具和MCAD工具的整合必將帶來設計流程的優化，流程優化的最顯著效果就是效率的提升。Capital作為先進的整車電氣系統開發平臺，可以幫助整車廠應對日趨復雜的線束設計并支持設計數據的復用。整車廠可以借助Capital與NX協同平臺進行線束并行開發，加速產品設計，快速迭代，占領市場，提高了整車電線束系統開發的效率和可靠性，這種設計模式必將成為電氣線束系統開發的發展趨勢。