三維布線技術(shù)在電氣柜中的應(yīng)用

朱四偉

（沈陽航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

線纜是用來連接電氣設(shè)備、控制裝置設(shè)備等線束的統(tǒng)稱，被廣泛應(yīng)用于家電、汽車、工業(yè)電氣柜、導(dǎo)彈等產(chǎn)品中［1］。傳統(tǒng)電氣柜在制造過程中，線纜的布置通常將工藝卡作為布線的依據(jù)，而工藝卡無法直觀的反應(yīng)出線纜連接情況與布線路徑，且對布線人員的工作經(jīng)驗要求很高。因此，傳統(tǒng)布線工作方式存在以下問題。①布線模式操作煩瑣、布線效率低，且容出錯。②樣機使用的線纜要現(xiàn)場制作，且不能提前完成。使用頂板圖模擬做線時，不能準(zhǔn)確把握實際線長。③二維簡圖無法直觀地反映出布線路徑、線纜的可折彎性，導(dǎo)致搜尋路徑費時、布線路徑隨意、安裝大線徑困難。④由于無法事先顯示布線路徑效果，布線所需的信息只能在樣機上進(jìn)行測量，無法滿足項目評估，且影響產(chǎn)品的市場投放周期。

1 三維布線技術(shù)優(yōu)勢

三維布線技術(shù)是利用三維軟件布線模塊對產(chǎn)品中帶有電氣屬性的元件進(jìn)行連接，并運用三維幾何模型來模擬線纜的技術(shù)。三維布線技術(shù)較傳統(tǒng)布線的優(yōu)勢有以下3方面。

1.1 檢查線纜可折彎性

電氣柜設(shè)計及生產(chǎn)時會使用不同規(guī)格的線纜，且不同線纜的對折彎半徑不同。在電氣柜中，功率線纜因承載大電流使其線徑相對較大，如果在狹小空間對其進(jìn)行布線，設(shè)計人員就要考慮線纜的可折彎性。所以，運用CREO中的布線模塊對產(chǎn)品進(jìn)行布線設(shè)計時，可在生產(chǎn)初期對有問題的線纜進(jìn)行優(yōu)化。這種前期的檢查處理為后期生產(chǎn)提供便利。

1.2 檢查電氣間隙

根據(jù)電氣柜的性能及其所處的電氣環(huán)境，規(guī)定產(chǎn)品內(nèi)部最小電氣距離，其僅限于線纜與導(dǎo)電零件或線纜與線纜等。在電氣環(huán)境中，最小距離是指電氣間隙，也稱安全距離。設(shè)計時，通過檢查安全距離來保證線纜與銅排、鈑金等的最小安全距離滿足電氣設(shè)計的基本要求。以往對線纜間的安全距離評估依賴有經(jīng)驗的人員，但經(jīng)過三維布線后，通過三維樣機就能輕松測量出電氣柜內(nèi)部電氣間隙。發(fā)現(xiàn)問題還可隨時修改。

1.3 獲取線纜信息

在完成電氣柜三維布線設(shè)計后，線纜的長度、規(guī)格大小、顏色及端子型號等基本確定。對布線后的三維樣機進(jìn)行查詢便可獲得上述信息參數(shù)。通過對線纜信息處理、轉(zhuǎn)檔出圖，便可發(fā)給線纜廠進(jìn)行加工。這種獲取線纜規(guī)格的方式，較以往能大幅度縮減線纜制作時間，提高企業(yè)產(chǎn)能。

2 三維布線技術(shù)應(yīng)用

CREO是美國PTC公司于2010年推出的一款CAD設(shè)計軟件，可在產(chǎn)品設(shè)計時實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)和電氣的并行設(shè)計。其主要用于線路模擬、電氣間隙檢查、線纜圖制作等。線路模擬和電氣間隙檢查為解決產(chǎn)品前期開發(fā)出現(xiàn)的問題提供可視化便利，線纜圖制作為后期生產(chǎn)節(jié)約時間，降低企業(yè)成本。

2.1 布線流程及準(zhǔn)備

2.1.1 布線流程。基于CREO三維布線的工藝設(shè)計流程見圖1。運用Cabling模塊完成布線流程。該模塊具有手動布線和自動布線兩種功能。自動布線所用的電路圖是基于RSD進(jìn)行設(shè)計的［2］。采用自動布線時，產(chǎn)品設(shè)計人員只用設(shè)置線纜型號及布置路徑（網(wǎng)絡(luò)路徑）即可，軟件會自動完成布線；手動布線時，每一步都要設(shè)計人員手動完成，不僅要對線纜型號和布置線纜路徑進(jìn)行設(shè)置，還要對每個元器件的接線端口及每根線纜的起點和終點進(jìn)行指定［4］。本研究采用手動和自動相結(jié)合的方式進(jìn)行布線。

圖1 三維布線流程圖

2.1.2 布線前準(zhǔn)備。在三維布線前，先構(gòu)建產(chǎn)品的數(shù)字化結(jié)構(gòu)模型及電氣元器件模型，即將結(jié)構(gòu)零部件、電氣元器件裝配到產(chǎn)品中，從而構(gòu)建產(chǎn)品的三維模型。在完成產(chǎn)品三維模型后，要對產(chǎn)品模型進(jìn)行前處理；對裝配電氣組件進(jìn)行處理，對產(chǎn)品布線空間區(qū)域內(nèi)的電氣元器件進(jìn)行裝配，并使連接的電氣端子端口朝外。注意在使用CREO進(jìn)行布線時，連接線纜的端子或連接器在設(shè)置端口坐標(biāo)系中的Z軸時，其必須指向出口端。

2.2 布線設(shè)計模塊

由于三維布線要在CREO布線模塊中完成，線纜的布線設(shè)計包括布線設(shè)計流程、模型管理等，完成布線的模型可用于信息文件的入庫、查詢、編輯和維護(hù)管理等，保證數(shù)據(jù)的可靠性和完整性，并用來指導(dǎo)企業(yè)生產(chǎn)。

2.2.1 線纜管理界面。線纜管理界面如圖2所示，其方便了產(chǎn)品設(shè)計人員對布線所用到的線纜進(jìn)行統(tǒng)一化管理，還可用來查詢線纜的參數(shù)信息。線束零件管理功能模塊便于布線人員對線纜零件進(jìn)行統(tǒng)一分類管理，通過該功能可查詢線纜的屬性信息。

圖2 線纜管理界面

2.2.2 電氣元件模型管理。電氣元件庫包含端子庫和電器結(jié)構(gòu)模型庫，其中端子庫見圖3。端子庫包含產(chǎn)品設(shè)計所用到的連接器和電氣端子，如針腳端子、OT端子、網(wǎng)絡(luò)端子等。布線人員在對端電氣件進(jìn)行安裝時，只要將所用模型從庫中調(diào)出，然后利用坐標(biāo)系就能實現(xiàn)快速安裝。

圖3 端子庫

2.2.3 端口坐標(biāo)系指定。在對連接器端口進(jìn)行指定時，對其坐標(biāo)系進(jìn)行安裝管理，如圖4所示。在布線時，通過此窗口可快速選取連接器端口，并對端口信息進(jìn)行管理。

圖4 端口坐標(biāo)系指定功能界面

2.2.4 人機交互布線。人機交互布線是通過指定連接器的起始端位置，并結(jié)合布線網(wǎng)絡(luò)、線軸類型來實現(xiàn)線纜的鋪設(shè)，如圖5所示。

圖5 人機交互布線功能界面

2.2.5 線纜結(jié)果輸出及三維結(jié)果顯示。線纜結(jié)果輸出如圖6所示。根據(jù)自動生成裝配模型中現(xiàn)有線纜材料清單信息，結(jié)合CREO軟件中輸出的線纜二維展開圖，可得到線纜的幾何屬性信息。

圖6 線纜工程圖

2.2.6 電氣信息查詢。用戶可打開線纜電氣信息查詢界面就可對線纜模型、具體的線纜信息、連接件信息及關(guān)鍵路徑節(jié)點進(jìn)行查看。可對線纜的一些幾何參數(shù)進(jìn)行編輯。

3 結(jié)語

三維布線技術(shù)在電氣設(shè)備整機的全生命周期中發(fā)揮著重要作用，特別是在設(shè)計和生產(chǎn)加工階段，更起到優(yōu)化設(shè)計、提高效率、降低成本和保障質(zhì)量的作用［4］。本研究采用CREO三維布線仿真技術(shù)對電氣柜進(jìn)行實例操作，能有效解決傳統(tǒng)布線存在的問題，并通過模型對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性及布線工藝的可行性進(jìn)行分析，為新產(chǎn)品的快速推廣提供技術(shù)支撐。