ECAD與MCAD協(xié)同在汽車線束設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

楊 淑

（明導(dǎo)（上海）電子科技有限公司，上海 200120）

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)新能源汽車的普及和智能網(wǎng)聯(lián)的發(fā)展，汽車上不僅出現(xiàn)了新功能的電子產(chǎn)品，原有單純的機(jī)械系統(tǒng)在許多領(lǐng)域都實(shí)現(xiàn)了機(jī)電一體化控制［1］。當(dāng)前客戶對(duì)定制化車型的需求日益增長(zhǎng)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇，這就要求整車廠必須加速產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)度和產(chǎn)品迭代，快速推出產(chǎn)品響應(yīng)市場(chǎng)需求［2］。與此同時(shí)，線束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)品質(zhì)直接關(guān)系到車輛的安全性，因此汽車線束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得更為重要和嚴(yán)格。本文主要關(guān)注目前線束行業(yè)主流的設(shè)計(jì)模式并重點(diǎn)介紹基于ECAD與MCAD協(xié)同的線束設(shè)計(jì)方法。

1 目前主流的線束設(shè)計(jì)方法

1.1 基于AUTOCAD+Excel的線束設(shè)計(jì)

目前不少線束供應(yīng)商仍然采用基于二維機(jī)械制圖軟件AUTOCAD的二維圖紙和Excel表格完成線束設(shè)計(jì)［3］，這種開發(fā)方式最大的弊端就是無(wú)法復(fù)用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致產(chǎn)品開發(fā)周期長(zhǎng)，無(wú)法快速響應(yīng)市場(chǎng)需求。這種基于圖形元素而不是數(shù)據(jù)對(duì)象的開發(fā)方式和理念已經(jīng)難以應(yīng)對(duì)近年來(lái)電子電氣領(lǐng)域的突破性和爆發(fā)性發(fā)展。

1.2 基于三維MCAD的線束設(shè)計(jì)

為了應(yīng)對(duì)配置不斷增多且日趨復(fù)雜的線束系統(tǒng)所帶來(lái)的復(fù)雜性、可靠性、模塊化和集成化以及產(chǎn)品快速迭代等挑戰(zhàn)，國(guó)內(nèi)外不少的整車廠在電氣系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)階段都采用比如CATIA/NX等三維MCAD（Mechanical CAD）軟件進(jìn)行線束布置和布線［4］。

首先，這種設(shè)計(jì)方式需要在三維布置階段完成電源分配、線束防護(hù)和導(dǎo)線路徑優(yōu)化等工作，但目前國(guó)內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)［5］。

其次，目前國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)的供應(yīng)商無(wú)法根據(jù)三維數(shù)據(jù)直接進(jìn)行線束加工制造，線束二維圖紙和后續(xù)的工裝板設(shè)計(jì)仍然是線束制造的重要輸入信息。在設(shè)計(jì)流程上要先進(jìn)行線束三維設(shè)計(jì)，之后電氣工程師按照自身經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)部門法規(guī)以及各電氣子系統(tǒng)模塊信息設(shè)計(jì)整車電氣原理，確定線束附件的設(shè)置，最后完成二維線束圖紙［6］。

1）導(dǎo)致線束二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)無(wú)法與線束三維同步并行設(shè)計(jì)，兩者之間缺乏有效的信息交流，導(dǎo)致線束系統(tǒng)開發(fā)周期變長(zhǎng)。

2）設(shè)計(jì)流程本身嚴(yán)重依賴于工程師的經(jīng)驗(yàn)積累，人員流動(dòng)等因素會(huì)影響線束設(shè)計(jì)品質(zhì)和設(shè)計(jì)進(jìn)度。

3）基于MCAD的線束設(shè)計(jì)也難以應(yīng)對(duì)當(dāng)前客戶日益增長(zhǎng)的車型定制化需求和產(chǎn)品快速迭代帶來(lái)的設(shè)計(jì)變更等挑戰(zhàn)。

1.3 基于ECAD+MCAD協(xié)同的線束設(shè)計(jì)

考慮到日益增長(zhǎng)的整車機(jī)電系統(tǒng)復(fù)雜性所帶來(lái)的影響，目前適合國(guó)內(nèi)線束設(shè)計(jì)行業(yè)的最佳方案是確保所用的系統(tǒng)允許工程師在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中以一致的方式交換電氣ECAD（Electrical CAD）和機(jī)械MCAD數(shù)據(jù)，即基于ECAD與MCAD的線束協(xié)同開發(fā)，這種設(shè)計(jì)模式可以帶來(lái)如下的目標(biāo)收益。

1）專業(yè)的線束ECAD工具能夠應(yīng)對(duì)日趨復(fù)雜的整車電氣系統(tǒng)所帶來(lái)的各種挑戰(zhàn)。借助ECAD工具，可以最高效的方式復(fù)用各種零件數(shù)據(jù)庫(kù)、圖形數(shù)據(jù)庫(kù)以及所有的電氣原理設(shè)計(jì)和二維線束圖設(shè)計(jì)；利用內(nèi)置的完善的“設(shè)計(jì)規(guī)則檢查”來(lái)檢驗(yàn)線束設(shè)計(jì)的正確性與準(zhǔn)確性；個(gè)性化的圖紙風(fēng)格定義即同一張圖紙數(shù)據(jù)在不同的風(fēng)格下進(jìn)行不同的風(fēng)格展示，避免了重復(fù)性的產(chǎn)品開發(fā)。

2）一致的數(shù)據(jù)交換可以確保線束在電氣ECAD和機(jī)械MCAD領(lǐng)域的設(shè)計(jì)能夠互相兼容，雙方團(tuán)隊(duì)可以及時(shí)有效地針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行溝通，盡早規(guī)避可能帶來(lái)的返工風(fēng)險(xiǎn)。

3）ECAD和MCAD工具的協(xié)同使線束設(shè)計(jì)變得連貫，優(yōu)化了產(chǎn)品研發(fā)的流程，使得整個(gè)設(shè)計(jì)流程以高效率的并行方式進(jìn)行。這將更有利于創(chuàng)建更準(zhǔn)確的線束設(shè)計(jì)并提高生產(chǎn)率，最終可以縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

在ECAD工具方面，目前在汽車線束行業(yè)廣泛應(yīng)用的一款ECAD工具是由西門子工業(yè)軟件公司專為線束設(shè)計(jì)行業(yè)提供的一款以數(shù)據(jù)為中心的汽車電線束系統(tǒng)設(shè)計(jì)全流程解決方案Capital。這款ECAD工具套件包含了數(shù)十個(gè)功能強(qiáng)大的子模塊，主要包含了Capital Logic整車原理設(shè)計(jì)工具、Capital Topology整車拓?fù)湓O(shè)計(jì)工具、Capital HarnessXC整車二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)工具以及Capital Bridge模塊用于和MCAD工具進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。整車廠和線束供應(yīng)商的工程師可在Capital工具中高效創(chuàng)建并利用電氣設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，Capital強(qiáng)大的技術(shù)能力可壓縮產(chǎn)品定義、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、制造、服務(wù)等環(huán)節(jié)的成本，此外還高度開放了軟件的API接口用于擴(kuò)展軟件功能，被國(guó)內(nèi)外主流汽車整車廠廣泛采用為線束系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)。

在MCAD工具方面，CATIA是達(dá)索公司推出的一款在汽車行業(yè)應(yīng)用非常廣泛的三維MCAD工具。國(guó)內(nèi)有客戶在CATIA中完成線束三維布置得到分支及線束段長(zhǎng)度信息，之后在Capital工具集中的HarnessXC模塊實(shí)現(xiàn)線束附件選擇、焊點(diǎn)位置設(shè)置與優(yōu)化以及線束段覆蓋物等設(shè)計(jì)。目前，國(guó)內(nèi)整車廠如一汽商用車已經(jīng)成功采用Capital與CATIA的聯(lián)合開發(fā)模式，如圖1所示，并受益于線束設(shè)計(jì)工作平臺(tái)化、智能化，電氣系統(tǒng)的品質(zhì)得到了有效提升［5］。江淮汽車采用這種Capital與CATIA協(xié)同平臺(tái)使得線束設(shè)計(jì)信息化、平臺(tái)化，設(shè)計(jì)流程規(guī)范化，為設(shè)計(jì)校核時(shí)間提前至設(shè)計(jì)初期，提升了早期發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的能力，并積累了信息化設(shè)計(jì)工具應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)［6］。

圖1 汽車線束系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(qiáng)大功能的集成式解決方案，是另一款被汽車行業(yè)廣泛應(yīng)用的MCAD工具。目前國(guó)內(nèi)論文在ECAD和NX協(xié)同的線束設(shè)計(jì)方面的介紹很少，本文將以此詳細(xì)展開介紹。

2 基于Capital+NX的協(xié)同方案

2.1 基于XML文件的Capital與NX協(xié)同設(shè)計(jì)

XML是一種用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的跨平臺(tái)格式，具有豐富的可擴(kuò)展性，因此開發(fā)基于XML格式的接口用于Capital與NX工具之間的數(shù)據(jù)交互是一種可行方案，比如西門子公司開發(fā)的PLM XML可被用于Capital與NX之間的數(shù)據(jù)交互。

2.1.1 Capital與NX在電氣原理設(shè)計(jì)階段的協(xié)同

首先，ECAD工程師即整車電氣原理設(shè)計(jì)人員需要在Capital中創(chuàng)建接線和連接布局，然后把電氣連接性導(dǎo)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(xié)同

其次，MCAD工程師把數(shù)據(jù)導(dǎo)入NX，電氣數(shù)據(jù)則自動(dòng)鏈接到NX中的三維對(duì)象，如圖2步驟2所示。之后可以在車輛或者部件中進(jìn)行布線，并把經(jīng)過(guò)MCAD工具加工處理過(guò)的數(shù)據(jù)導(dǎo)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(lái)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入工具中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列基于規(guī)則的設(shè)計(jì)規(guī)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(jì)算出的精確導(dǎo)線長(zhǎng)度信息，據(jù)此信息可以進(jìn)行精確的電氣分析，比如電壓降等。

2.1.2 Capital與NX在線束設(shè)計(jì)階段的協(xié)同

首先，MCAD工程師導(dǎo)出PLMXML格式的線束描述文件，該文件包含了分支走向與長(zhǎng)度、連接器零件號(hào)、焊點(diǎn)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(shè)計(jì)階段協(xié)同

其次，ECAD電氣工程師通過(guò)Capital內(nèi)置的變更管理工具“Change Manager”來(lái)對(duì)線束文件展平成“魚骨圖”，并評(píng)估是否接受或者拒絕某一項(xiàng)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M(jìn)odularXC中的二維線束圖上，如圖3步驟3所示。

2.2 ECAD與MCAD協(xié)同下的變更管理

日益復(fù)雜的整車電氣系統(tǒng)導(dǎo)致進(jìn)行線束設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)有數(shù)以千計(jì)的設(shè)計(jì)變更單，影響著線纜的類型、長(zhǎng)度和物理布局等信息。一種可靠的變更管理方法對(duì)于整車電氣設(shè)計(jì)與機(jī)械設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

比如，針對(duì)一輛具有自動(dòng)駕駛功能的汽車，制造工程師可能需要把激光雷達(dá)的安裝位置按照工程需要移動(dòng)到另一位置。這很可能需要對(duì)線束進(jìn)行重新布局，甚至可能需要增加一個(gè)焊點(diǎn)來(lái)應(yīng)對(duì)這種位置調(diào)整。激光雷達(dá)工頻高達(dá)600MHz，所以改變線纜的長(zhǎng)度或者增加一個(gè)焊點(diǎn)很可能會(huì)危害雷達(dá)重要信號(hào)的信號(hào)完整性。此時(shí)，單純改變一個(gè)雷達(dá)的位置會(huì)導(dǎo)致電氣與機(jī)械方面的多個(gè)設(shè)計(jì)變更單，這就需要能更好地從成本、質(zhì)量、平衡以及功能等多個(gè)方面去驗(yàn)證變更的合理性。

變更管理的挑戰(zhàn)在于如何高效和快速地進(jìn)行變更跟蹤，這主要體現(xiàn)在如下兩方面。

1）如何自動(dòng)合并數(shù)據(jù)并將設(shè)計(jì)變更清晰地呈現(xiàn)給設(shè)計(jì)人員。Capital內(nèi)置的先進(jìn)變更管理工具可自動(dòng)創(chuàng)建設(shè)計(jì)變更清單，如圖4所示。設(shè)計(jì)人員可以清晰地查看哪些對(duì)象跟當(dāng)前圖紙上的數(shù)據(jù)有差異，并可以手工進(jìn)行“確認(rèn)變更”。

圖4 Capital變更管理器界面

通過(guò)該清單，ECAD設(shè)計(jì)人員使用變更管理器可以通過(guò)“展平”功能預(yù)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(yù)覽

圖6 正交展平預(yù)覽

圖7 展開方式預(yù)覽

2）定義好完善的變更策略，包括主數(shù)據(jù)以及變更的流動(dòng)方向。

Capital內(nèi)置的變更管理工具ChangeManager模塊具有豐富的綜合選項(xiàng)，可用于對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)流程定制不同的變更策略。比如，可以通過(guò)自定義規(guī)則來(lái)指定MCAD導(dǎo)出的PLMXML文件只對(duì)ECAD中的二維圖紙上的連接器的質(zhì)量進(jìn)行更新，而不能更新其電氣屬性等。

3 結(jié)論

從信息系統(tǒng)的應(yīng)用角度看，線束設(shè)計(jì)ECAD工具和MCAD工具的整合必將帶來(lái)設(shè)計(jì)流程的優(yōu)化，流程優(yōu)化的最顯著效果就是效率的提升。Capital作為先進(jìn)的整車電氣系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，可以幫助整車廠應(yīng)對(duì)日趨復(fù)雜的線束設(shè)計(jì)并支持設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的復(fù)用。整車廠可以借助Capital與NX協(xié)同平臺(tái)進(jìn)行線束并行開發(fā)，加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)，快速迭代，占領(lǐng)市場(chǎng)，提高了整車電線束系統(tǒng)開發(fā)的效率和可靠性，這種設(shè)計(jì)模式必將成為電氣線束系統(tǒng)開發(fā)的發(fā)展趨勢(shì)。