配電設備三維布線工藝技術應用研究

陳源，王騰

（中國電子科技集團公司第二十八研究所系統(tǒng)裝備事業(yè)部，江蘇 南京 210007）

配電設備為電氣設備提供電能的配送與控制，具有供配電、開關控制、短路保護、過載保護、過電壓保護、漏電保護等功能，是電力系統(tǒng)的重要組成部分。配電設備內部線纜布局與敷設情況復雜，線纜布設質量直接關系到安全性和功能性。配電設備傳統(tǒng)布線方式為現場布線，這種布線方式只有在整機結構實物裝配完成后才能進行。配電設備的電訊工藝設計需要工藝人員根據首套實物樣機及個人經驗進行現場判斷，并結合樣機的具體情況不斷進行改進。現場布線模式下，配電設備生產效率低、成本高；產品設計中存在的布線不規(guī)范、元器件結構不合理等問題只有在實物樣機建立起來后才能發(fā)現。配電設備現場布線模式極大地制約了電子設備的快速研制能力，已遠遠無法滿足工程中對線纜設計的要求[1]。

基于Pro/E 軟件制作的三維模型進行三維布線，通過構建數字化樣機，可以清晰地觀察配電設備內部所有零部件的結構模型、工藝布線模型以及所處的位置、路徑和空間，形象直觀，有效避免或大幅減少了配電設備在設計階段中結構、電訊設計和布線工藝存在的問題[2]。

1 三維布線技術

1.1 技術優(yōu)勢

三維布線技術是三維空間內連接器間的線纜連接技術，基于構建成的三維結構模型，按照電氣接線設計圖，使用三維設計軟件進行立體線纜的布設。三維布線技術作為一種新的電子設備整機布線工藝技術，可以很好地彌補傳統(tǒng)布線技術的不足，已被廣泛應用于汽車、船舶、飛行器、電子設備等行業(yè)。其主要優(yōu)勢如下。

在工程研制階段，將布線設計由原來的“樣機/新產品試制階段”提前至“技術設計階段”。在技術設計階段，工藝師就可以根據電氣接線設計圖和三維結構模型進行電子設備整機三維布線設計，進行電路和結構設計的工藝性驗證。發(fā)現問題時只需與相關設計師溝通修改電子設計圖紙即可。這種在設計階段的交互，可大大提高設計效率，降低設計成本。

三維布線在三維結構模型上進行，相比于傳統(tǒng)的在實物樣機上手動測量，三維布線所獲得的線纜長度參數更加精準。尤其在以下情況，三維布線更具優(yōu)勢：線束在不規(guī)則結構件、空間曲面上布設時；模擬真實的線束空間狀態(tài)時；電子設備艙空間狹小，無測量操作空間時；使用三維布線設計，可以通過測量、隱藏、隱含、組裝、渲染等軟件功能，快速準確地獲取布線空間信息[3]。

1.2 設計流程

配電設備三維布線設計流程如圖1 所示。創(chuàng)建布線幾何是在三維結構模型中選取布線所需的零、部、組件創(chuàng)建骨架模型，然后在骨架模型上組裝連接器，并在連接器上創(chuàng)建線纜連接端坐標系；線纜線束劃分是電裝工藝人員根據線纜連接表，按照線纜電氣特性、連接方向路徑，把整機線纜劃分為若干線束，每個線束對應一個線束零件；布線路徑規(guī)劃是在統(tǒng)籌考慮走線干涉性、線束折彎半徑、電磁兼容后，在布線幾何上創(chuàng)建線纜線束連接路徑；三維布線是按照劃分好的線束創(chuàng)建線束零件，線束內導線、電纜在線束零件中按照規(guī)劃好的布線路徑進行布設；線束系統(tǒng)二維圖是根據生產需要對線束進行全部或局部展平，并創(chuàng)建二維線纜平面圖；根據線束系統(tǒng)二維圖進行線束試制，安裝驗證后進行批量生產[4-9]。

圖1 三維布線設計流程

1.3 關鍵技術

三維模型構建。三維布線是根據三維結構模型和線纜接線關系構建線纜數字化模型，進而確定線纜長度、空間走向等生產信息，其基礎是建立完整的對象模型，然后通過自動化方法或者人機交互進行布線。三維布線中的對象模型分為3 種：產品結構模型、電氣元件模型、線纜模型。產品結構模型是在三維結構模型中選取布線所需的零、部、組件創(chuàng)建的模型，是對三維結構模型的簡化。電氣元件模型是布線過程中與線纜直接連接的元器件。線纜模型是三維布線生成的線束零件模型。三維布線需要建立產品結構模型、電氣元件模型以及線纜模型，并在模型中準確表達設計信息、制造信息和工藝信息等各種信息。

布線路徑規(guī)劃。布線路徑規(guī)劃是根據產品的結構和功能需求，按照布線工藝規(guī)范，對線纜的布設路徑、空間走向、分叉位置、固定位置等進行合理的設計。配電設備線纜布設需考慮以下問題：①設計有效合理的電纜布設空間走線軌跡，以減少電纜之間的相互干擾，力求布線整齊美觀；②為滿足配電設備惡劣環(huán)境下的使用要求，電纜布設時確保線纜應力釋放，不允許松脫晃蕩導致電纜和設備接插件受力，影響電氣性能。布線路徑規(guī)劃通過設計各線纜的每個空間位置點，確保三維模型中連接器端線纜應力釋放的彎曲、各線纜束與結構件的相對位置、線纜束轉彎半徑、線纜束外直徑、分支線纜束匯入主線束和主線束引出分支線纜束位置及彎曲、各線纜長度等重要工藝參數，使三維布線設計中的線纜和線纜束與實際操作中的布線情況高度一致。

線纜信息輸出。三維布線目的是生成線纜長度、空間走向等生產信息，為生產提供可視化指導。三維布線設計結果的原始形式是線纜的數字化模型，將線纜信息輸出是三維布線設計指導產品生產的重要步驟。通過三維布線，可以得到線纜三維模型、線纜詳細信息、線纜展開圖三種信息[1]。

2 三維布線技術應用

以某型車載配電設備為例，采用三維布線技術進行整機布線。

2.1 三維布線設計

創(chuàng)建布線幾何。將基于Pro/E Wildfire 5.0 建立的車載配電設備結構數字化模型進行簡化，隱含與三維布線無關的零、部、組件，如緊固件等；同時，在結構數字化模型上建立各元器件線纜連接端的坐標系，包括連接器、端子排、開關等。創(chuàng)建的車載配電設備布線幾何如圖2 所示。

圖2 車載配電設備布線幾何

線纜線束劃分與布線路徑規(guī)劃。根據整機結構布局圖和線纜連接表，綜合考慮電性能指標、布線美觀性、維修性、方便生產等因素，該車載配電設備的線纜線束劃分為前面板線束、后面板線束、底板線束以及短連線線束4 類。另外，通過工藝性分析，規(guī)劃出車載配電設備的走線路徑并在三維模型中繪制，效果如圖3 所示。

圖3 車載配電設備布線路徑規(guī)劃

三維布線。Pro/E Wildfire 5.0 的三維布線模塊分為自動布線和手工布線2 種模式，本文采用手工布線模式進行車載配電設備的三維布線。按照線束劃分結果創(chuàng)建前面板線束、后面板線束、底板線束以及短連線線束4 個零件；根據線纜連接表創(chuàng)建線軸，并定義線軸的線纜型號、線纜外徑、最小折彎半徑等信息；使用手工布線模塊逐個創(chuàng)建線纜，定義線纜的源段、末端、線軸等。車載配電設備三維布線效果如圖4 所示。

圖4 車載配電設備三維布線效果

線纜信息輸出。線纜信息輸出包括線纜三維模型、線纜詳細信息、線纜展開圖。結合生產實際情況，線纜三維模型采用STP 格式，該模型可以在Pro/E、UG、CATⅠA 等三維設計軟件中進行查看和編輯；線纜詳細信息包括線號、源段、末端、線纜型號、線纜顏色、線纜長度、線纜直徑、最小折彎半徑等，可通過Pro/E Wildfire 5.0 在三維布線模型中進行提取并以報表形式輸出。線纜詳細信息傳遞給自動下線工位和電訊裝配工位，用于指導線纜的制作和裝配；線纜展開圖是將配電設備前面板線束、后面板線束、底板線束以及短連線線束轉變到二維平面上，形象直觀地呈現出線束的基本結構和平鋪后形態(tài)，以指導線束制作。

2.2 實物樣機制作

依據線纜三維模型、線纜詳細信息、線纜展開圖，組織生產車間完成車載配電設備實物樣機制作，包括線纜自動下線、線纜裝焊、電訊鉗裝、電訊裝配等。車載配電設備實物樣機如圖5 所示。可以看出，實物樣機與三維布線模型外觀基本一致。同時，實物樣機制作過程中未發(fā)現因布線不規(guī)范、元器件結構不合理等設計問題造成的返工現象。此外，三維布線的應用使得結構零件生產與線束零件制作可同步開展，大幅度提升了生產效率。

圖5 車載配電設備實物樣機

3 結束語

通過配電設備三維布線技術應用探索，建立了某型車載配電設備的三維布線模型，輸出了線纜生產信息，完成了實物樣機制作。對比實物樣機與三維布線模型，外觀基本一致；跟蹤生產過程，未發(fā)現布線不規(guī)范、元器件結構不合理等設計問題，避免了生產過程的返工；此外，三維布線的應用實現了結構零件生產于線束零件生產的并行，提升了生產效率。配電設備三維布線技術較好地解決了傳統(tǒng)布線模式的問題，有著極其廣泛的應用前景。