高速列車線纜組件三維建模標準研究

王棟， 高思軍， 馬力

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島266111；2. 華中科技大學 無錫研究院，江蘇 無錫214174）

0 引 言

線纜組件是一組線、纜、連接器及附件的裝配組合，是整機互連的基本組成單元，在軌道交通裝備領域又可被稱為線束。線纜組件的設計是裝備設計過程中的一個關鍵環節，同時也是數字樣機的一個重要組成部分。自上世紀末軌道交通行業開始引入三維建模軟件，到2005年左右三維設計逐步普及，直到2015年前后應用三維軟件進行線纜組件設計的全面展開，線纜組件的設計在軌道交通行業的各領域已經大量應用，并取得巨大的效益。隨著機電產品的復雜程度提高，目前商品化三維計算機輔助設計軟件如Creo/Pro/E、CATIA、UG等都提供了三維布線功能，在這些軟件上進行三維布線簡化了在樣機上布線的復雜程度，但是對于線纜拓撲結構和路徑的規劃依舊只能通過反復嘗試得到最佳方案。劉檢華等[1]針對活動線纜的細長性與大變形、小應變的特點,實現了虛擬環境下線纜的物理特性建模與運動仿真。吳保勝[2]根據線纜布線領域對數字化虛擬三維線纜布線的需求, 從柔性線纜信息建模、布線空間建模、布線路徑規劃等方面對虛擬布線技術進行了研究, 在此基礎上開發出復雜機電產品柔性線纜三維布線設計原型系統。但是以上研究都未能很好地將線纜的設計與建模很好地結合起來，建模的自動化程度不高[3]。伴隨著這一應用的浪潮，軌道交通行業也逐步開展了多項數字化設計與制造標準的研究與編制工作，以滿足不同研制單位的標準需求，但在線纜組件的設計領域，軌道交通行業中目前尚無相關標準，無法對現行設計起有效的規范及指導作用。綜合來說，線纜組件的設計現狀是無序的，不同單位或單位內部不同部門之間，在設計流程、方法及接口的不統一，數據難以共享和傳遞，對設計的上下游和制造業均造成極大的困擾，同時也造成平臺及基礎庫等方面的重復建設。因此，有必要針對基于三維建模軟件的線纜組件設計的具體需求，開展該專項標準研究與編制工作，促進軌道交通行業線纜組件數字化設計技術的發展。

線纜組件三維模型構建的方法有很多種，大多與不同的行業和工藝方法密切相關。針對不同的行業和工藝方法其采用的方法也是不一樣的。因此，不能基于某一特定的線纜組件三維模型構建方法來總結，而是要具體分析電子裝備特點，分析提煉符合行業特色的線纜組件三維模型構建方法，在此基礎上，總結其線纜組件三維模型的構建要求，以及在不同的應用場景的各種操作中總結和提煉出需要共同遵守的規則和技術點。

1 線纜組件三維建模技術研究

1.1 概述

三維布線系統開發過程中，涉及到許多關鍵技術，包括線纜模型管理、參數化建模、布線路徑規劃、線纜信息輸出、干涉檢查等[4]。在數字樣機上進行虛擬布線設計時，柔性線纜包含了大量的信息，保證線纜信息的完整性，能形成良好的語義表達，是布線設計的前提和基礎。建模平臺或工具的選擇能夠滿足線纜手工或者自動布線的要求，還包含線纜接線圖設計模塊和相關數據接口；根據設計的線纜接線圖，一般宜采用線纜自動布線的建模方式，在建模過程中保持元件模型名屬性與模型名匹配；對系統顏色文件（包括線纜顏色配置文件）、語言環境、公差設置、缺省模板、缺省層、缺省路徑、輔助面、工程圖和基本量綱進行設置，量綱通常包括模型的長度、質量、時間、力、溫度等；線纜組件模型與實物一般應保持1:1的比例關系。在某些特殊應用場合（例如采用中心線簡化模型時），可使用其它比例；布線裝配模型應包含絕對坐標系信息，一般可根據不同產品的建模和裝配特點使用相對坐標系和絕對坐標系，坐標系的使用可在產品設計前統一定義；應給出標記，其標記應簡明易讀；線纜組件應具備中心線和實體兩種顯示狀態。中心線顯示狀態用于表達布線路徑和位置點；實體顯示狀態用于表達電纜形狀、空間分布及占用顏色等特征。

1.2 線纜組件三維建模

1.2.1 建模流程

針對線纜組件三維建模，不同的軟件平臺和企業，三維建模流程都不統一，具有明顯的軟件特色和企業規定。布線系統的功能模塊主要包括線纜創建模塊、路徑生成模塊、線纜修改模塊、線纜顯示模塊和線纜明細表等[5]。根據不同軟件平臺提煉總結了三維建模流程，具有更廣泛的通用性。線纜組件三維建模流程一般包括環境參數設置、模型預處理、三維布線、后期處理及發布等，其流程

如圖1所示。

1.2.2 建模步驟

線纜組件三維建模具體步驟一般包含布線裝配模型建模、創建線纜組件、創建線軸、定義元件、創建布線網絡圖、創建線纜特征、三維布線、線纜整理及優化、創建修飾特征、防護及固定、模型確認。

1）布線裝配模型建模。在布線裝配模型建模前完成裝備結構部分的裝配建模；布線裝配模型一般在裝備中需要進行三維布線的裝配中創建；布線裝配模型包含骨架模型并與原裝配模型相關聯；骨架模型提取與布線相關的特征，如元件的安裝坐標系、布線參照等并作出簡化，一般采用外部收縮包絡、外部復制幾何等收集手段。

圖1 線纜組件三維建模流程

2）創建線纜組件。在裝配環境中進入布線模塊進行創建；可在布線裝配模型中創建多個線纜組件和子線纜組件；為區分不同的線纜組件，創建線纜組件時應規范命名，建議按結構裝配的名稱+線纜組件的設計內容進行，線纜組件的設計內容可分為混裝電纜網、高頻電纜網、低頻電纜網等。以單機為例，如是針對一體化模塊單機的高頻電纜的布線，線纜組件可命名為一體化模塊高頻電纜網。

3）創建線規。根據線纜的類型，選擇正確的線軸類型；在發布允許的場合，可以對線軸屬性進行簡化，忽略設計無關的部分。

4）定義元件。元件模型不僅要滿足外形及裝配要求，還應定義與布線相關的特征；元件模型與布線相關的特征主要有線纜的接入點、接入方向、線纜的分布、線纜的內部長度等；創建相應的特征，如坐標系、軸等，用于標記線纜的接入點、接入方向等；確定線纜內部長度和線纜分布形式，線纜分布形式一般有單芯導線、按圓內分布線多芯線纜和一字形排列的扁平方式；連接器的名稱應與線纜接線圖相同。

5）創建線纜特征。創建線纜特征，確定布置的線纜形式，包括單芯線纜、多芯線纜和扁平線；選擇連接到相應連接器模型的坐標，生成線纜模型。

6）創建布線網絡圖。布線網絡圖包含布線的主平面、主通道及各個線纜組件的主干支部分；宜選用不易變更的基礎參照創建布線網絡圖；可創建成如Y、U、O等各種開放和封閉的形狀。

7）三維布線。線纜三維模型構建時，力求線纜長度最短；線束控制點要求少而精，避免重復無效的點存在；在有限的布線空間中，對線纜的最小折彎半徑進行檢查，驗證其折彎通過性。

8）線纜整理及優化。根據線纜的分布及出頭情況，對線纜模型進行適當整理和修改；消除線束內線纜的扭曲分布情況；消除因折彎半徑不足引起的非正常纏繞。

9）模型確認。在線纜三維模型按流程構建完成后，應進行確認和優化工作，包括：線束實體同時通過卡箍、過線孔槽時，進行線纜通過性及干涉驗證；線纜三維模型構建時，力求線纜長度最短；在有限的布線空間中，對線纜的最小折彎半徑進行檢查，驗證其折彎通過性；根據線纜的分布及出頭情況，對線纜模型進行適當整理和修改；線束控制點的應少而精，避免重復無效的點存在；考慮布線時線纜的電性能影響，主要是設備的信號、輻射等對線纜的干擾。

1.2.3 發布與應用

1）線纜組件線扎圖。線纜組件線扎圖由線纜展平生成，用于線纜組件的加工制作；包括線束號，單根導線應標出線號及去向；分支的終端應加標注與接線圖一致的編號及線纜清單；在線束干線和各分支線段上應標注長度尺寸，長度由軟件自動生成并留有適當余量；包含線纜連接表，包括線纜編號、型號、長度、線纜連接關系等內容；包含明細表，包括制造線束所需的電線、線纜、連接器、保護、標記和其他消耗材料、標準件及零件的類型、數量和質量等內容；包含保護標記，包括注明保護位置和材料，保護用標準件型號或零部件圖號；包含定位標記，包括線束主干線與定位結構件的位置關系及尺寸。

2）線纜組件裝配圖。線纜組件裝配圖一般包括總圖和向視圖，用于設備上進行線纜組件的裝配；總圖宜表達線束在設備上的敷設全貌，包括敷設通路、所接的設備名稱、線束號及緊固件、標準件等；向視圖包括三維尺寸、有關結構的外形、結構件圖號、布線相關基準及需在結構上開孔的位置；包括固定線束用卡箍的定位尺寸、安裝形式、所用標準件或支架、卡箍內的線束名稱；包含明細表，包括敷設所需的卡箍、支架和螺釘等內容；與布線無關的因素以簡化的方式去除。

2 實驗驗證

基于Creo軟件，對線纜組件的三維建模流程及主要內容進行了驗證，根據三維建模流程，采用參數化設計的方法，創建了常用的元器件三維模型庫，通過可視化的布線手段和路徑規劃功能，實現多路徑的三維可視化及調整，能夠快速生成面向車間線纜加工和裝配的線扎圖和裝配圖，確認所形成的標準研究內容及條款要求具有可實施性。

1）線纜裝配建模。在產品設備頂級裝配中創建新的電纜裝配模型，并在需要參考共享的零件上創建發布幾何；在線纜骨架模型中復制外部幾何，如圖2所示。

圖2 在線纜骨架模型中復制外部幾何

2）連接器建模與安裝。構建連接器模型，建模方法與普通零件類似，但應設置好安裝坐標系和接線坐標系，如圖3所示。安裝連接器的過程如圖4所示。

圖3 構建連接器模型

圖4 安裝連接器

3）進入線纜建模模塊。單擊“應用程序”→“電纜”，進入布線模式。

圖5 參數值修改

6）定義零件為可接線纜的連接件。選擇“工具”→“元件”→“指定”，選擇指定零件和接入點，以及類型。

圖6 布線對話框1

圖7 布線對話框2

圖8 創建路徑并整理

圖9 創建纜束特征

10） 創建布線網絡圖。點擊創建布線網絡命令，選擇合適的位置點，創建多種可能的路徑，如圖10所示。

圖10 創建布線網絡

11）創建修飾特征。根據需要創建扎線扣、膠帶和標簽等修飾特征，如圖11所示。

圖11 創建扎線扣、膠帶和標簽等修飾特征

3 結 論

線纜布線與安裝是復雜機電產品設計中帶有普遍性的難題，線纜的敷設質量已成為衡量產品整機性能和可靠性的一個重要指標[6]。立足國內外線纜組件三維建模技術發展趨勢，綜合考慮軌道交通行業生產線數字化建模與仿真技術應用現狀及應用需求，構建線纜組件三維建模標準，滿足了不同研制單位的標準需求，對現行設計起有效的規范及指導作用。基于標準的推廣應用及使能工具的定制開發，為高速列車等復雜產品的研發提供有效的線纜三維設計、裝配規劃和現場加工應用方法和工具，提高線纜布局設計的效率和質量。