基于Creo2.0的變流器三維自動布線技術研究

（中車永濟電機有限公司，西安 710016）

0 引言

計算機輔助設計應用研究的不斷深入，極大的推動了三維CAD設計[1]軟件的飛速發展。基于三維CAD軟件的快速線纜自動布局[2]技術應用也成為國內外研究的熱點問題。

變流器內電器件眾多，空間較為緊湊，線束分布比較密集，項目的交期緊張。如何能在保證產品質量的同時，運用三維CAD技術，提升變流器的模塊化、協同化設計，在項目研發設計階段加強驗證，避免不必要的布線工藝返工和生產浪費，是應深入研究的重要課題。變流器中有大量的線纜，線纜對柜體的結構布局有很大的影響，變流器的設計得越來越緊湊，變流器內能容納所需的電纜，內部元器件的布置能否滿足線纜的折彎要求，線纜在變流器內如何固定，都是需要考慮的問題。同時，設計變流器時要考慮試驗調試、客戶端設備端接線、狀態檢查和維修。因此，提出一種基于Creo2.0[3]的三維自動布線技術，在數字化樣機上階段完成項目研發設計階段的評審，交流設計思路，推進企業的標準化研發流程。

1 三維自動布線概念介紹

使用三維設計的纜模塊進行三維布線后可以生成完整的數字化樣機[4]，該數字化樣機不僅包括結構件、電氣元件的布置、也包括電纜的進出線方式、線纜在變流器內的布置、線纜和接插件的選型、線纜的捆綁方式等。三維自動布線涉及線軸、元器件、連接器等概念。

1.1 線軸

線軸[5]類似于實際線軸，可用來按需要卷起一定量的纜或線。線軸是一些參數的集合，比如：顏色、量規等等，常見參數和含義如表1所示。為此，按照企業標準化規定，規范線軸的物料編碼、物料信息和參數定義，在電氣設計時直接調取。

表1 線軸參數定義

1.2 連接器

電氣設計中的接插件。一般由插頭和插座組成，一端安裝在設備上，一端與電纜固定在一起。例如插針、壓接端子、線環等。連接器是帶參數的零件，使用這些參數可以定義線、纜的連接位置。連接器模型會在出現邏輯引用時作為參考。連接器通常包括表示實際連接器的實體幾何。它們必須至少包含一個坐標系，用作線或纜的入口端[6]。為配合三維自動布線，能夠單獨提取完整的線束設計物料BOM和線束工程圖，便于采購、物料生產準備，則將變流器電氣設計中線纜端頭處理使用的插針、線環、接線片、光纖插頭等全部納入連接器范疇。

1.3 元件

元件主要指在電氣電纜設計中涉及到的一些儀器設備或者起電氣連接作用的物料。在變流柜電路中元件除去常見的電器件之外還有一些起電氣連接作用的螺栓、復合母排、銅排等。通過對其電氣接頭進行定義，方便后續接線識別和電氣工程師和機械工程師的并行設計。

2 三維自動布線關鍵技術

在數字樣機上進行三維數字化布線時需要參考實際變流柜的結構幾何，如箱體、障礙物（如螺絲孔或筋）以及其他可以輔助布線的幾何。線纜的首末位置也需要通過裝配的連接器的插針或端子的坐標系或者位置作為幾何參考。使用各種數據共享特征將以上幾何及參考傳遞到線纜裝配是三維布線首先需要解決的問題。電纜連接位置通過電氣邏輯數據來體現。借助電氣設計軟件生成能夠為三維設計軟件所識別的包含元器件、連接的線纜，及線纜的自和至的信息的電氣連接邏輯數據。通過“導入”操作，可將原理圖中已經設置好的電氣邏輯連接信息傳入到三維設計環境中，完成電氣連接關系與三維模型的匹配指定。在規劃線纜布局的基礎上，讀取線軸可生成該數字樣機的三維線束模型和線束工程圖。其中。變流器的三維自動布線流程如圖1所示。

3 基于Creo2.0的變流器的三維自動布線實施

Creo2.0軟件是由PTC公司推出的集參數化、直接建模技術、三維可視化技術與一體的新型CAD系統[6]。它具備互操作性、開放、易用等特點。文中以變流器為例，開展基于Creo2.0的變流器內部三維線束的設計過程。

3.1 創建線纜裝配結構

圖1 變流器三維自動布線流程

線纜設計不只是電氣設計的一部分，對于變流器，還關聯其設計、研發、工藝、加工制造的各個環節。線纜的設計部不單是完成電氣信號的邏輯關聯，最后仍需以標準的工程圖紙傳遞給后續工序，完成物料統計輸出，以便于采購準備、下料，實際柜體走線，完成整體線纜布局。為了加快產品的研發周期，變流器的數字化樣機設計階段需要合理的劃分裝配結構，劃分相對獨立的線纜裝配結構，方便于線纜的修改不致影響系統結構設計。劃分線纜裝配結構時應注意：1）先規劃好線纜裝配結構再開始線束模型的設計；2）總系統框架和各個分系統的框架設計遵循自頂向下，各分系統設計則采用并行設計；3）系統中各物料遵循本公司編碼規定，為唯一辨識碼，不影響理解；4）各分系統的劃分應結合變流器電氣功能和物理位置分布接近。結合變流柜的實際生產項目管理經驗，建立如圖2所示的線纜子裝配結構。

圖2 線纜子裝配劃分

3.2 配置線纜骨架

變流器的設計采用自頂向下的正向設計，引入骨架[8]概念，提出一種適用于變流器的兩級骨架的設計模式：線纜裝配總骨架-分系統子骨架。

首先建立線纜子裝配總運動骨架。將相關電氣設備、入口端坐標系、箱體、支架等繼承到變流器的線纜子總成的骨架中。當變流器總裝配結構中由于客戶要求或者工藝改進等引起變更時出現不可修復的線纜特征失敗風險時，可以在變流器線纜子總成中預先修改布線方式來規避風險，而且可以將可能的線纜失敗風險控制在子總成中而不影響變流器的總裝配。

其次根據變流柜的結構或者功能劃分，建立各個分系統標準子骨架。在各個分系統中利用收縮包絡[9]，一次性選擇多個零件作參照，將其收縮到各分系統子骨架模型中，作為視覺參照，指導變流器各分系統的三維設計。對于分布于單個子系統內部的線束可以直接在子骨架中進行裝配，以此節省計算機資源。配置的線纜骨架如圖3所示。

圖3 線纜骨架

3.3 匹配指定電氣連接

導入邏輯數據后，通過自動指定功能可以完成電氣邏輯的起始點定義，還可通過組裝，將缺少的端子裝配到參考設計所標識的位置，為線纜的進出位置提供物理和電氣信號連接點參考。

3.4 創建線束零件

針對變流器內部的三維線束設計，不僅需要考慮到電壓等級，還需要兼顧相關聯的電器件之間的位置關系。對會產生電磁干擾的線、纜需要放置在單獨的腔體或者屏蔽套中。對于有電路信號相連的電器件則盡量放置于同一線束中，遵循強弱電分離、交直流電路隔離、高低壓分開等原則[10]，還要兼顧設計階段的評審和論證時涉及到的修改便于查詢和管理。

3.5 布局線纜網絡

線纜網絡指線進出指定連接器時所必經的位置點網絡。變流器的線或纜可以在與其指定的連接器最接近的位置進入和退出網絡。通過將優先級分配給網絡中的不同定位點，可控制通過網絡的電線路徑和布局，指導線束的走形和布局。

通過布線網絡設定，完成對變流器內部線束的走形、分支等進行規劃。兼顧電磁兼容、強弱電分離、工藝可行性等方面，規劃的線纜路徑示意如圖4所示，應注意：

1）創建網絡應規劃好線纜的主路徑、分支點，切忌在相同路徑處重復創建網絡。

2）為了使最終沿網絡生成的線纜不與柜體干涉及創建網絡更加方便和后期修改，在創建網絡前應該在要創建網絡路徑的地方，先創建一個偏移基準面，再在基準面上繪制軌跡曲線。創建的偏移基準面和軌跡線建議放在線纜總骨架中。

3）通過網絡布線時，網格點間距要大于線纜的最小折彎半徑，否則出現線纜打結，無法生成等情況。

圖4 線纜路徑示意

3.6 布線纜

實際生產中，變流器內部的線束按照電壓等級劃分為A、B、C三類線束。根據3.5規劃的路徑方式一次性生成多根導線或纜，以提高設計效率。在設計工程隨時同布線工藝師溝通，調整修改生成的線或纜，使得線束的走向、路徑規劃更加靈活自由，貼合實際。此案例生成的變流器線纜如圖5所示。

圖5 變流器內部線束

變流器三維線束設計完成后，可通過線束展平功能，制作布線板，規范指導線束車間下線、布線等工序，滿足變流柜批量生產需求。展平的線束如圖6所示。

圖6 展平后的線束

通過Creo2.0的纜、線束模型報告參數，開發配置適合本企業的線束工程圖模板及線束BOM信息表。線束BOM信息表可動態鏈接至線束設計，并根據連接器和參數值的變化自動進行更新，確保數據的一致性。其中關鍵報告參數如下：

序號：&rpt.index

代號：&asm.mbr.drawingno

名稱：&asm.mbr.cname

材料：&asm.mbr.material

數量：&rpt.qty

列出線束模型中所用的線軸名稱：&harn.spool.cname

列出線束模型中中線、纜或線束的名稱：&harn.run.cname

列出所有線或纜連接的首末兩端的連接器名稱：&harn.run.cond.from/to.pin.cname

列出線束模型中所有線或纜連接的首末兩端的連接器接頭位置：&harn.run.from/to.conn.name

開發配置參數模板，導出包含線纜BOM信息的工程圖，如圖7所示，用于線束、接插件的采購以及車間下線、線束制作工藝。從設計源頭保證數據的準確性和完整性。利用計算機輔助設計提高企業的智能制造水平。

4 結語

本文介紹了三維自動布線技術的基本概念和關鍵技術，重點闡述了采用兩級骨架設計模式的基于Creo2.0的面向變流器線纜的布線案例，并研究開發了適合本企業的線束工程圖模板線纜信息BOM表，應用于變流器生產。三維自動布線的實施一方面為實現不同專業不同部門間的機電協同設計提供了新的思路。另一方面為企業開展全三維正向設計，信息化和工業化的深度融合，推動制造業的轉型發展發揮重大作用。

圖7 線纜BOM信息