杜海遙，張丹，展闊杰，左敦穩(wěn)

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

線纜組件是機(jī)電產(chǎn)品中傳輸電源和各種信號(hào)的重要器件，廣泛應(yīng)用在軍民兩用的機(jī)電產(chǎn)品中。通常在機(jī)電產(chǎn)品電器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后會(huì)根據(jù)各個(gè)控制單元的連通情況確定接線表，布線人員根據(jù)接線表對(duì)產(chǎn)品樣機(jī)進(jìn)行線纜布置，線纜布置過(guò)程中，線纜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和線纜路徑的確定基本依賴于人工經(jīng)驗(yàn)，需通過(guò)多次反復(fù)嘗試不同的布線方案才能最終定型。隨著機(jī)電產(chǎn)品的復(fù)雜程度提高，目前商品化三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件如Creo/ProE，CATIA，UG等都提供了三維布線功能，在這些軟件上進(jìn)行三維布線簡(jiǎn)化了在樣機(jī)上布線的復(fù)雜程度，但是對(duì)于線纜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路徑的規(guī)劃依舊只能通過(guò)反復(fù)嘗試得到最佳方案。針對(duì)線纜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路徑的優(yōu)化，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了大量的研究，利用各種智能算法快速獲得了近似最優(yōu)的線纜結(jié)構(gòu)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1-2]。

但是這些方法的研究偏重于算法本身，可以獲得線纜布線的路徑，但無(wú)法獲得直觀的布線方案，難以應(yīng)用到CAD軟件中的產(chǎn)品數(shù)字化模型中，建立包括機(jī)械結(jié)構(gòu)和電纜造型的整機(jī)三維模型。因此對(duì)機(jī)電產(chǎn)品線纜組件進(jìn)行快速建模，能夠使智能算法獲得的結(jié)果更好的展現(xiàn)在三維模型中，使其能更好地用于解決工程實(shí)際問(wèn)題。

受限于技術(shù)條件，線纜的快速建模的研究開(kāi)展的較遲，1991年，Caudell等[3]最早提出了將虛擬環(huán)境與線纜布線相結(jié)合的思想。隨著CAD技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，布線方面的研究也越來(lái)越多，致力于研究設(shè)計(jì)一種易于操作、結(jié)果逼真的布線系統(tǒng)。F.M.Ng等[4]通過(guò)對(duì)英國(guó)五大先進(jìn)技術(shù)機(jī)電公司的布線現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查研究，掌握當(dāng)前企業(yè)在線束設(shè)計(jì)和規(guī)劃的實(shí)際應(yīng)用情況，提出了一種使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)線纜布線的方法，通過(guò)頭盔顯示器與系統(tǒng)相連，并對(duì)效率進(jìn)行了檢驗(yàn)，驗(yàn)證了其可行性。魏發(fā)遠(yuǎn)等[5]利用虛擬樣機(jī)技術(shù)的可視性和人機(jī)交互能力規(guī)劃出電纜路徑。萬(wàn)畢樂(lè)等[6]在HP Xw8000上開(kāi)發(fā)了一個(gè)虛擬裝配系統(tǒng)進(jìn)行線纜建模和布線的研究。馬龍等[7]研究了基于能量?jī)?yōu)化的線纜分段建模方式。苗振騰等[8]等以UG為平臺(tái)，開(kāi)發(fā)建立了UG的自動(dòng)布線系統(tǒng)，并將其集成到UG軟件中，簡(jiǎn)化了布線操作。

但是以上的研究都未能很好地將線纜的設(shè)計(jì)與建模很好的結(jié)合起來(lái)，建模的自動(dòng)化程度不高。對(duì)此，提出了一種基于Pro/Toolkit的線纜組件快速幾何建模方法，針對(duì)特定格式的線纜組件信息模型，在Creo軟件中實(shí)現(xiàn)線纜組件的快速自動(dòng)幾何建模。

1 線纜組件的快速幾何建模流程

線纜組件的快速建模分為三步流程(圖1)，線纜組件信息文件的創(chuàng)建、模型信息的讀取與處理、線纜組件三維模型的幾何造型。

圖1 線纜組件的快速幾何建模流程

線纜組件信息文件為建模的輸入條件，是線纜組件的信息模型和線纜組件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的輸出結(jié)果。在獲得線纜組件信息文件后，對(duì)其進(jìn)行讀取，獲得利用Pro/Toolkit進(jìn)行建模時(shí)所需的參數(shù)信息。最終根據(jù)處理后的參數(shù)信息，調(diào)用相關(guān)函數(shù)，在Creo環(huán)境下進(jìn)行線纜組件三維模型的幾何造型。

2 線纜組件信息模型

線纜組件信息文件作為線纜組件快速建模的輸入條件，其中存儲(chǔ)內(nèi)容是根據(jù)線纜組件設(shè)計(jì)結(jié)果得到的線纜組件信息模型。線纜信息模型作為整個(gè)線纜組件快速建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并需要有一個(gè)通用的模型結(jié)構(gòu)并以合適的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)。

2.1 線纜組件信息模型結(jié)構(gòu)

線纜組件快速建模，其目的是使算法所獲得的結(jié)果更好地應(yīng)用于工程實(shí)際問(wèn)題，作為輸入條件的線纜信息模型所包含的信息既需要包括線纜的電氣屬性和物理屬性，也需要包含線纜組件的結(jié)構(gòu)及路徑信息。在本文所述的建模方法中，線纜組件的信息模型為線纜建模的輸入條件，其應(yīng)由一組參數(shù)變量表征，并且一組具有明確數(shù)值的參數(shù)變量應(yīng)該可以唯一確定一個(gè)線纜組件。根據(jù)生產(chǎn)和設(shè)計(jì)的過(guò)程將線纜捆扎后形成的各段線纜和線纜束分支結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為線纜分支，線纜分支的端點(diǎn)稱為連通點(diǎn)，其中各段線纜分支共用的連通點(diǎn)稱為分支點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中線纜分支上需要固定的點(diǎn)稱為路徑點(diǎn)。

圖2為線纜組件信息模型，由4個(gè)參數(shù)信息集組成：物理屬性集、電氣屬性集、結(jié)構(gòu)屬性集、分支路徑集。信息模型中，物理屬性集為線纜中所有的線纜屬性，包括由線纜類型ID、顏色、直徑、最小彎曲半徑組成的一系列參數(shù)組；電氣屬性集為線纜組件中所有的電氣連接關(guān)系，包括每根線纜連接的兩個(gè)端口ID以及連接端口所用的線纜類型ID；線纜組件的結(jié)構(gòu)屬性集包含了線纜組件中所有分支點(diǎn)，包括每個(gè)分支點(diǎn)ID以及與其相連的連通點(diǎn)(分支點(diǎn)或端口)ID；分支路徑集為線纜組件中所有的分支路徑，分支路徑由包括每段分支的起始連通點(diǎn)ID、路徑點(diǎn)ID幾何、終止連通點(diǎn)ID，其中起始連通點(diǎn)和終止連通點(diǎn)為分支點(diǎn)或端口，每個(gè)點(diǎn)ID對(duì)應(yīng)一個(gè)空間三維坐標(biāo)。

圖2 線纜組件信息模型

2.2 線纜組件信息模型的存儲(chǔ)

在線纜組件信息模型中，物理屬性集和電氣屬性集所反映的是組件中各線纜自身的屬性，而結(jié)構(gòu)屬性集和分支路徑集反映的是線纜組件的布局設(shè)計(jì)，并且分支路徑集中各分支是由線纜組件的結(jié)構(gòu)屬性所確定。因此，將線纜組件的信息模型分為屬性和結(jié)構(gòu)及路徑兩部分進(jìn)行存儲(chǔ)。屬性部分以各單根線纜為單位，存儲(chǔ)其電氣屬性和物理屬性。結(jié)構(gòu)及路徑部分以線纜組件結(jié)構(gòu)中的各分支點(diǎn)為單位，存儲(chǔ)以分支點(diǎn)為端點(diǎn)的各線纜分支及其分支路徑。

現(xiàn)選用的線纜組件信息文件格式為XML格式，其具體的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 線纜組件信息XML文件存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

3 基于Pro/tookit的線纜組件三維幾何建模

Creo中線纜組件的模型分為線纜模型和線纜束模型，線纜模型為在某些線纜分支上未捆扎的單根線纜模型，線纜束模型為多根線纜捆扎在一起的模型。通過(guò)對(duì)線纜組件信息文件的讀取和處理，獲得建模所需的相關(guān)參數(shù)，包括各線纜以及線纜束信息。在本文所述的快速建模方法中，由于線纜組件的具體路徑點(diǎn)是基于坐標(biāo)確定，并且使用Pro/Toolkit中所提供的相關(guān)函數(shù)進(jìn)行建模與手動(dòng)建模有所區(qū)別，所以在建模中先創(chuàng)建線纜束和線纜的屬性特征參數(shù)，再對(duì)線纜束進(jìn)行建模，最后對(duì)線纜進(jìn)行建模，最終生成的模型包括線纜束模型以及在某些線纜分支上未捆扎的單根線纜模型。

線纜組件快速建模主要目的是為了使線纜組件的設(shè)計(jì)結(jié)果能應(yīng)用到實(shí)際裝配過(guò)程中，所以針對(duì)線纜組件的路徑，只限制各線纜及線纜束通過(guò)設(shè)計(jì)結(jié)果中設(shè)定的主要路徑點(diǎn)，而線纜組件在各個(gè)路徑點(diǎn)之間的造型則根據(jù)其物理屬性由Creo自動(dòng)生成。

3.1 線纜束的建模

線纜束的建模順序依照線纜束包含線纜數(shù)量從多到少依次建模。根據(jù)線纜組件信息模型中獲得的線纜束信息，線纜束的路徑為線纜束所在線纜分支的路徑，相鄰的線纜分支上的線纜束會(huì)有包含關(guān)系。當(dāng)與線纜束相鄰的其他線纜束尚未建模時(shí)，只需依據(jù)線纜束路徑中各點(diǎn)的坐標(biāo)創(chuàng)建基準(zhǔn)點(diǎn)特征，使線纜束通過(guò)各點(diǎn)并生成模型，得到的模型即為線纜束的三維模型。

在對(duì)結(jié)構(gòu)如圖4(a)中的b1和b2兩根線纜束進(jìn)行建模時(shí)，由于b3線纜束已完成建模，如果按照上文所述的方法建模，會(huì)出現(xiàn)如圖4(b)所示情況，圖中3段線纜束的端點(diǎn)雖然為同一分支點(diǎn)，但線纜束模型的端面沒(méi)有重合，線纜束之間并沒(méi)有柔性的相連，不能體現(xiàn)出3根線纜束之間的包含關(guān)系。針對(duì)這種情況，在對(duì)線纜束進(jìn)行建模時(shí)，如果與之相鄰的線纜束已完成建模，則通過(guò)特征遍歷的方法，獲得線纜束公共端線纜路徑點(diǎn)特征ID，并使當(dāng)前建模的線纜束通過(guò)該線纜路徑點(diǎn)而不是創(chuàng)建的基準(zhǔn)點(diǎn)，這樣可以得到圖4(c)所示的效果。

圖4 線纜束通過(guò)同一線纜路徑點(diǎn)

對(duì)圖4(a)所示的線纜束拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在線纜設(shè)計(jì)時(shí)，線纜束所包含的線纜有可能會(huì)出現(xiàn)如圖5(a)所示的特殊情況，即相鄰3根線纜束之間沒(méi)有包含關(guān)系。所以在進(jìn)行建模時(shí)，需對(duì)當(dāng)前建模線纜束進(jìn)行判斷，如果其和與其相鄰的線纜束之間沒(méi)有包含關(guān)系，則對(duì)該線纜束向內(nèi)縮進(jìn)一段距離進(jìn)行建模，獲得如圖5(b)所示的效果。

圖5 線纜束特殊情況

3.2 線纜的建模

線纜的建模采用分段建模的方式，根據(jù)線纜通過(guò)的線纜分支順序進(jìn)行建模。對(duì)于未與其他線纜捆扎的線纜段，每段的建模方式與線纜束建模類似，根據(jù)其路徑坐標(biāo)創(chuàng)建基準(zhǔn)點(diǎn)，并使線纜依次通過(guò)各基準(zhǔn)點(diǎn)或線纜路徑點(diǎn)并生成模型。對(duì)于與其他線纜捆扎的線纜段，根據(jù)線纜束兩端線纜路徑點(diǎn)特征ID使線纜通過(guò)線纜束兩端的線纜路徑點(diǎn)，由于線纜束的模型已經(jīng)生成，所以捆扎段線纜的模型不會(huì)重復(fù)生成，但其路徑信息將會(huì)記錄在該線纜的相應(yīng)屬性和參數(shù)中。最終得到的模型效果如圖6所示。

圖6 線纜及其所屬線纜束結(jié)構(gòu)及模型

4 應(yīng)用實(shí)例

現(xiàn)以某機(jī)電產(chǎn)品線纜組件進(jìn)行快速建模。其接線表見(jiàn)表1，其線纜分支結(jié)構(gòu)如圖7所示。

表1 線纜組件接線表

圖7 線纜組件分支結(jié)構(gòu)

根據(jù)線纜組件的接線表和分支結(jié)構(gòu)以及各段線纜的具體路徑，獲得線纜組件的信息文件，其XML文件如圖8所示。經(jīng)過(guò)讀取和數(shù)據(jù)重構(gòu)，對(duì)獲得的線纜進(jìn)行建模，最終獲得該機(jī)電產(chǎn)品的線纜組件三維模型如圖9所示。

圖8 線纜組件信息XML文件

圖9 某機(jī)電產(chǎn)品線纜組件三維模型

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)線纜組件的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程，結(jié)合線纜組件的物理屬性、電氣屬性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、路徑信息設(shè)計(jì)了一種線纜組件信息模型，并利用Creo二次開(kāi)發(fā)工具Pro/Toolkit針對(duì)線纜組件的參數(shù)信息進(jìn)行了線纜組件的幾何建模，獲得效果較好符合實(shí)際的線纜組件三維模型。提出的線纜組件信息模型，為線纜組件的設(shè)計(jì)系統(tǒng)提供了一種規(guī)范的輸出格式，使其結(jié)果能夠更好地應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)和三維建模中。通過(guò)讀取信息模型，并處理相應(yīng)的參數(shù)信息，在Creo中進(jìn)行幾何建模，最終得到的線纜組件幾何模型,為線纜組件實(shí)際生產(chǎn)提供了直觀的參考，使實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程更加規(guī)范化，提高了機(jī)電產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中線纜組件的設(shè)計(jì)周期，減少了研發(fā)成本，從而提高了研發(fā)效率和生產(chǎn)效率。

[1] Ma X, Iida K, Xie M, et al. A genetic algorithm for the optimization of cable routing [J]. Systems and Computers in Japan, 2006, 37(7): 61-71.

[2] Cortés P, Larraeta J, Onieva L, et al. Genetic algorithm for planning cable telecommunication networks[J]. Applied Soft Computing, 2001, 1(1):21-33.

[3] Caudell T P, Mizell D W. Augmented reality;an application of heads-up display technology to manual manufacturing processes[C].Proceedings of the 25thHawaii International Conference on System Sciences. Washinton D.C, USA, 1992:659-669.

[4] F.M.NG, J.M.Ritchie, J.E.L.Simmons. Designing cable harness assemblies in virtual environments[J].Journal of Materials Processing Technlogy, 2000，107:37-43.

[5] 魏發(fā)遠(yuǎn). 基于虛擬樣機(jī)和粒子系統(tǒng)仿真技術(shù)的虛擬布線方法[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào),2005,12(4):208-212.

[6] 萬(wàn)畢樂(lè),寧汝新,劉檢華. 虛擬環(huán)境下的線纜裝配建模技術(shù)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2006,18:267-274.

[7] 馬龍,劉鵬遠(yuǎn),丁俊杰. 基于能量?jī)?yōu)化的線纜分段建模方法[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2012,20(8)：2207-2209.

[8] 苗振騰,方沂,路楊紅. 基于UG二次開(kāi)發(fā)的自動(dòng)電器布線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與控制,2009(4):59-61.

[9] Spak K. Cable Modeling and Internal Damping Developments[J]. Applied Mechanics Reviews, 2013, 65(1):69-126.