線束組件在電子整機設備上的應用研究

史建洲 童立超 李石 武勝璇

中國電子科技集團公司第五十四研究所 河北石家莊 050081

在電子整機設備中，線束組件可以看做是一種電氣互聯的模塊，通過提高線束組件在電氣互聯中的比例可以簡化裝配過程，提高整機設備的可制造性[1-3]。但是，通常設計師在設計階段無法確定線束組件的布設路徑和準確長度，從而導致兩種結果，要么預估一個足夠長的長度提前訂購或生產，要么等電子設備結構件和電氣部件生產裝配完成后，通過人工手段去規劃路徑和測繪長度，然后再去訂購或生產線束組件。

顯然，兩種方法都存在明顯的缺陷，第一種留夠充足余量的預估方式，肯定會導致線束組件過長，多余出來的部分很不美觀，也不符合整機裝配工藝要求；第二種方法，就會導致串行生產，造成生產周期過長的問題。

在電子整機設備設計階段，引入數字樣機的概念[4]，通過機電協同設計[5]，用三維布線的方法，基于設備的三維結構模型進行布線仿真設計，就能夠在設備生產前提前獲得線束組件的路徑和長度信息，為并行生產提供可能。

1 數字樣機的建立

電子整機設備的數字化樣機是通過三維模型等數字化手段，對其結構形式、物理組成、機構及電氣特性的一種數字化描述，數字樣機是真實產品的一種數字化表達。通過數字樣機，可以開展對產品的評估、仿真，還可以依據數字樣機進行物料采購、生產裝配以及維修保養等工作，數字樣機可以用于產品的全生命周期。

電子整機設備由結構件、連接器等電氣零部件以及線束組件等電氣互聯部分組成。數字樣機，就是在具備結構件、電氣零部件、電路板卡、模塊等部分的電子整機設備的三維結構模型上，增加了線纜組件等電氣互聯部分后形成的產品數字模型。

有了數字樣機，企業就可以開展基于模型的系統工程(MBSE)，推進產品的數字化工藝、數字化生產加工。

2 協同設計的開展

線束組件在電子整機設備的設計中需要和結構設計開展協同設計。協同設計的過程：首先由結構設計師設計電子裝機設備的三維模型，該模型具備完整準確的結構部分、電連接器件、板卡、功能模塊等部分；然后布線工程師開始根據電氣互聯關系開展線束組件的三維布線設計；三維布線設計過程中，布線工程師對結構三維模型的空間布局進行評估，并根據線束與結構件或電氣部件的干涉情況以及不同線束間的電磁干擾情況提出三維模型布局的優化意見，同時提出線束組件在結構件上的固定位置要求；結構設計師對結構三維模型進行優化改進；布線設計師進行最終的布線設計。三維結構模型和三維布線協同設計的流程如圖1所示。

圖1 三維結構模型和三維布線協同設計流程圖

3 三維布線設計要點

線束的三維布線設計，最重要的目的就是要獲得線束組件在電子整機設備中的布設路徑與線束組件的長度。

線束組件的布設路徑要根據設備的電磁兼容要求以及最短路徑的原則進行規劃，要盡量避免交流電源和直流信號走到同一路徑，以防止電磁干擾。必要時，使用帶屏蔽保護的線束組件，線束組件規劃的路徑，盡量遠離高溫部位以及鋒利的結構件，同時規劃路徑時要避免穿過封閉狹小的孔洞，如果不可避免，就應要求設計師改進為可拆解成開放式的孔洞，以方便線束組件帶插頭進行布設。線束路徑規劃完成后要根據設備的使用環境以及本企業的裝配工藝要求，對線束的固定位置進行規劃，確保線束在使用時固定牢靠，固定位置規劃完成后，提交結構設計師進行固定卡扣的設計。

線束組件的長度受線束布設路徑的影響，同時也受本企業工藝要求對連接部位余量的要求。通常線束組件連接器部位的線束要留一定的弧度余量，該弧度呈自然彎曲狀態，余量長度能夠方便地拔插插頭，同時長度又不會妨礙其他部分或者在振動環境下不會產生大幅度的擺動。布線設計師通常具備熟練的整機裝配工藝經驗以及屬性工藝要求才能夠掌握好對余量的把握。連接器部位的線束組件余量留取往往是整個布線中最難把握的部分，也是最能體現設計師水平的部分。

圖2 三維布線局部示意圖

三維布線完成后，就能夠獲得線束組件的長度，從而完善EBOM信息，為采購提供精確的線束組件物料參數。

4 線束設計流程

由于線束的復雜性和多樣性，布線有兩種選擇：

(1)將布線劃分為更小的模塊(如果可能的話)，在每個模塊的專用裝配線上制造，隨后進行布線的最終組裝。

(2)或在更大、更復雜的裝配線上制造最終配線。但無論他們的選擇，模塊的制造和最終的裝配需要相同的制造和裝配技術。

自動化裝配流程對線束制造來說是一個挑戰，自動化裝配系統必須非常靈活，易于適應，以滿足項目各個階段中出現的各種動態需求，線束裝配流程自動化的難點。

(1)處理困難，因為線束的一部分是非常靈活的元件，長度很長。

(2)形成最終線束的各種組件：不同長度和直徑的電線、端子、密封件、連接器、保護、連接部件、緊固件等。

(3)確保連接所需的多種操作：簡單壓接(手動或自動)、雙線壓接(手動或自動)、超聲波焊接、扭轉、將終端線組件插入連接器、應用保護等。

(4)在項目開發階段發生的布線架構更改，包括操作順序和裝配系統的快速修改/適應。

線束的設計過程必須考慮幾個因素，以便將線束以最佳方式集成到電子設備架構中。線束預計將在相同參數下運行，大約20年不改變元件之間的連接，因此設計過程必須確保產品的質量和可靠性。為此，設計過程必須考慮構成線束的部件的質量及其制造的材料。

線束的設計始于電氣接線圖的實現，其中包括所有電氣和電子設備，以及它們之間的電氣連接。根據其操作要求，通過電氣研究確定重要的技術方面，例如：

(1)確保最佳連接所需導線的直徑。

(2)保護電線的保險絲的口徑(等級)。

(3)繼電器的口徑。

(4)決定在適當的地方使用雙絞線而不是單線來消除電磁干擾。

布線結構將考慮集成在電子設備上的區域施加的溫度和濕度限制，因此：

(1)接線部件的溫度等級必須與其工作環境相對應。

(2)在電子設備易受高濕度影響的區域，需要使用密封連接器，并對每根電線上的金屬端子進行壓接密封。

(3)根據布線通過區域的侵蝕性電位和組件施加的靈活性要求，選擇電線上的保護裝置。

(4)為了對接線進行最佳保護、定向和固定，將使用連接部件(電線穿過金屬框架時的保護墊圈、用于固定和形成路徑的塑料部件等)。

設計過程中一個特別重要的步驟是線束的3D建模，這有助于定義如何將其集成到電子設備中，在3D模型中，代表了布線運行環境中的所有組件。這是建立線束路徑的階段，模擬線束辯論，以便預測和防止線束與其他零件接觸時因線束攻擊而導致的未來事件。布線路徑必須符合以下幾個條件，例如：

(1)通過使用相應的固定元件和線束穿過區域中現有熱狀況施加的保護，消除靠近具有侵蝕潛力的元件/區域所帶來的風險。

(2)選擇的路徑必須盡可能直接，以免增加不必要的布線長度。

(3)路徑的選擇必須需要考慮使電子設備上的線束組裝盡可能容易，如果確定在電子設備上安裝布線存在困難，則需要修改路徑和/或修改線束架構(修改布線漂移的長度、消除或添加固定元件)。

任何與上述條件的偏差都會導致接線發生變化，這取決于項目的階段，它會產生更高或更低的成本。根據電氣圖和三維建模，在接線裝配板上繪制二維圖紙，對于旋轉式裝配線，二維圖紙包含線束的完整布局，以及線束裝配所必需的指示。進入裝配線組件的每一塊板上都標著同樣的圖紙。對于實踐中使用最多的動態裝配線類型，在構成裝配線的每個板上繪制了與裝配過程的特定階段相對應的多個二維圖紙。

5 并行生產

在沒有數字樣機和三維布線技術之前，傳統的生產方式是一種串行的方式。電氣設計師在接線圖上通常只是示意性地標出電氣互聯的接線關系，通常沒有規劃線束的路徑，更沒有提供線束的長度。為此，常用的方法有兩種，一種是電氣設計師根據整機設備的布局情況，大致估算出線束組件的長度，并留足夠長的余量，然后提前進行采購；第二種方法就是交由生產制造部門進行后期的工藝測繪。這種測繪是在設備的結構件加工完成并且全部相關的電連接器以及電氣部件和板卡裝配到位后開展的，因此是一種有前后關聯關系的串行生產過程，這種過程必然會延長生產周期。

機電協同設計與三維布線技術的應用，使得在設計階段就能夠獲得真實的線束組件路徑和長度數據。因此為并行生產提供了可能。所謂并行生產就是設備的結構件加工、連接器等電氣部件的采購、電路板的加工和線束組件的采購或加工可以同時進行，等以上物料齊備后就可以開展設備的裝配過程。這些前期并行生產或采購的物料可以理解為模塊化的“積木”，后期的裝配過程也就成為簡單快速的“搭積木”的過程。

電子整機設備模塊化的規劃設計、線束組件作為主要電氣互聯手段的使用、數字樣機的建立、協同設計的開展、三維布線的實施都為并行生產提供了強大有力的支持。

6 三維可視化裝配

數字樣機、三維布線都是為后續的生產加工等產品的生命周期服務的，其中產品的裝配過程也是一個重要環節。

在三維布線環節，還有一個重要的內容，就是對線束組件進行標注，使其在數字樣機三維模型中能夠進行方便的識別。工藝人員可以根據三維布線模型，給出三維的線束組件在電子整機設備上的三維裝配視圖，以方便裝配人員通過可視化終端，瀏覽裝配三維裝配文件，按照順序進行裝配工作。

結語

線束組件是組成電子整機設備的重要部分，使用線束組件體現了可制造性設計的理念。通過數字樣機的建立、機電協同設計的開展以及三維布線的實施，最終會產生并行生產以及可視化裝配的結果。

數字化不僅僅是一種方法和手段，更是一種先進的理念。這種理念能夠解決以往多年的問題，帶來新的思維和工作方法。線束組件在電子整機設備中的應用，正是數字化在設計和生產中的很好體現與詮釋。