高速列車線纜組件三維建模標(biāo)準(zhǔn)研究

王棟， 高思軍， 馬力

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島266111；2. 華中科技大學(xué) 無(wú)錫研究院，江蘇 無(wú)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(jī)互連的基本組成單元，在軌道交通裝備領(lǐng)域又可被稱為線束。線纜組件的設(shè)計(jì)是裝備設(shè)計(jì)過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時(shí)也是數(shù)字樣機(jī)的一個(gè)重要組成部分。自上世紀(jì)末軌道交通行業(yè)開(kāi)始引入三維建模軟件，到2005年左右三維設(shè)計(jì)逐步普及，直到2015年前后應(yīng)用三維軟件進(jìn)行線纜組件設(shè)計(jì)的全面展開(kāi)，線纜組件的設(shè)計(jì)在軌道交通行業(yè)的各領(lǐng)域已經(jīng)大量應(yīng)用，并取得巨大的效益。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/Pro/E、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。劉檢華等[1]針對(duì)活動(dòng)線纜的細(xì)長(zhǎng)性與大變形、小應(yīng)變的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了虛擬環(huán)境下線纜的物理特性建模與運(yùn)動(dòng)仿真。吳保勝[2]根據(jù)線纜布線領(lǐng)域?qū)?shù)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(guī)劃等方面對(duì)虛擬布線技術(shù)進(jìn)行了研究, 在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品柔性線纜三維布線設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)。但是以上研究都未能很好地將線纜的設(shè)計(jì)與建模很好地結(jié)合起來(lái)，建模的自動(dòng)化程度不高[3]。伴隨著這一應(yīng)用的浪潮，軌道交通行業(yè)也逐步開(kāi)展了多項(xiàng)數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造標(biāo)準(zhǔn)的研究與編制工作，以滿足不同研制單位的標(biāo)準(zhǔn)需求，但在線纜組件的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，軌道交通行業(yè)中目前尚無(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法對(duì)現(xiàn)行設(shè)計(jì)起有效的規(guī)范及指導(dǎo)作用。綜合來(lái)說(shuō)，線纜組件的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀是無(wú)序的，不同單位或單位內(nèi)部不同部門之間，在設(shè)計(jì)流程、方法及接口的不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)難以共享和傳遞，對(duì)設(shè)計(jì)的上下游和制造業(yè)均造成極大的困擾，同時(shí)也造成平臺(tái)及基礎(chǔ)庫(kù)等方面的重復(fù)建設(shè)。因此，有必要針對(duì)基于三維建模軟件的線纜組件設(shè)計(jì)的具體需求，開(kāi)展該專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)研究與編制工作，促進(jìn)軌道交通行業(yè)線纜組件數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。

線纜組件三維模型構(gòu)建的方法有很多種，大多與不同的行業(yè)和工藝方法密切相關(guān)。針對(duì)不同的行業(yè)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(gòu)建方法來(lái)總結(jié)，而是要具體分析電子裝備特點(diǎn)，分析提煉符合行業(yè)特色的線纜組件三維模型構(gòu)建方法，在此基礎(chǔ)上，總結(jié)其線纜組件三維模型的構(gòu)建要求，以及在不同的應(yīng)用場(chǎng)景的各種操作中總結(jié)和提煉出需要共同遵守的規(guī)則和技術(shù)點(diǎn)。

1 線纜組件三維建模技術(shù)研究

1.1 概述

三維布線系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，涉及到許多關(guān)鍵技術(shù)，包括線纜模型管理、參數(shù)化建模、布線路徑規(guī)劃、線纜信息輸出、干涉檢查等[4]。在數(shù)字樣機(jī)上進(jìn)行虛擬布線設(shè)計(jì)時(shí)，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(yǔ)義表達(dá)，是布線設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)。建模平臺(tái)或工具的選擇能夠滿足線纜手工或者自動(dòng)布線的要求，還包含線纜接線圖設(shè)計(jì)模塊和相關(guān)數(shù)據(jù)接口；根據(jù)設(shè)計(jì)的線纜接線圖，一般宜采用線纜自動(dòng)布線的建模方式，在建模過(guò)程中保持元件模型名屬性與模型名匹配；對(duì)系統(tǒng)顏色文件（包括線纜顏色配置文件）、語(yǔ)言環(huán)境、公差設(shè)置、缺省模板、缺省層、缺省路徑、輔助面、工程圖和基本量綱進(jìn)行設(shè)置，量綱通常包括模型的長(zhǎng)度、質(zhì)量、時(shí)間、力、溫度等；線纜組件模型與實(shí)物一般應(yīng)保持1:1的比例關(guān)系。在某些特殊應(yīng)用場(chǎng)合（例如采用中心線簡(jiǎn)化模型時(shí)），可使用其它比例；布線裝配模型應(yīng)包含絕對(duì)坐標(biāo)系信息，一般可根據(jù)不同產(chǎn)品的建模和裝配特點(diǎn)使用相對(duì)坐標(biāo)系和絕對(duì)坐標(biāo)系，坐標(biāo)系的使用可在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前統(tǒng)一定義；應(yīng)給出標(biāo)記，其標(biāo)記應(yīng)簡(jiǎn)明易讀；線纜組件應(yīng)具備中心線和實(shí)體兩種顯示狀態(tài)。中心線顯示狀態(tài)用于表達(dá)布線路徑和位置點(diǎn)；實(shí)體顯示狀態(tài)用于表達(dá)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(duì)線纜組件三維建模，不同的軟件平臺(tái)和企業(yè)，三維建模流程都不統(tǒng)一，具有明顯的軟件特色和企業(yè)規(guī)定。布線系統(tǒng)的功能模塊主要包括線纜創(chuàng)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(xì)表等[5]。根據(jù)不同軟件平臺(tái)提煉總結(jié)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(huán)境參數(shù)設(shè)置、模型預(yù)處理、三維布線、后期處理及發(fā)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(chuàng)建線纜組件、創(chuàng)建線軸、定義元件、創(chuàng)建布線網(wǎng)絡(luò)圖、創(chuàng)建線纜特征、三維布線、線纜整理及優(yōu)化、創(chuàng)建修飾特征、防護(hù)及固定、模型確認(rèn)。

1）布線裝配模型建模。在布線裝配模型建模前完成裝備結(jié)構(gòu)部分的裝配建模；布線裝配模型一般在裝備中需要進(jìn)行三維布線的裝配中創(chuàng)建；布線裝配模型包含骨架模型并與原裝配模型相關(guān)聯(lián)；骨架模型提取與布線相關(guān)的特征，如元件的安裝坐標(biāo)系、布線參照等并作出簡(jiǎn)化，一般采用外部收縮包絡(luò)、外部復(fù)制幾何等收集手段。

圖1 線纜組件三維建模流程

2）創(chuàng)建線纜組件。在裝配環(huán)境中進(jìn)入布線模塊進(jìn)行創(chuàng)建；可在布線裝配模型中創(chuàng)建多個(gè)線纜組件和子線纜組件；為區(qū)分不同的線纜組件，創(chuàng)建線纜組件時(shí)應(yīng)規(guī)范命名，建議按結(jié)構(gòu)裝配的名稱+線纜組件的設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行，線纜組件的設(shè)計(jì)內(nèi)容可分為混裝電纜網(wǎng)、高頻電纜網(wǎng)、低頻電纜網(wǎng)等。以單機(jī)為例，如是針對(duì)一體化模塊單機(jī)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(wǎng)。

3）創(chuàng)建線規(guī)。根據(jù)線纜的類型，選擇正確的線軸類型；在發(fā)布允許的場(chǎng)合，可以對(duì)線軸屬性進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略設(shè)計(jì)無(wú)關(guān)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(yīng)定義與布線相關(guān)的特征；元件模型與布線相關(guān)的特征主要有線纜的接入點(diǎn)、接入方向、線纜的分布、線纜的內(nèi)部長(zhǎng)度等；創(chuàng)建相應(yīng)的特征，如坐標(biāo)系、軸等，用于標(biāo)記線纜的接入點(diǎn)、接入方向等；確定線纜內(nèi)部長(zhǎng)度和線纜分布形式，線纜分布形式一般有單芯導(dǎo)線、按圓內(nèi)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(yīng)與線纜接線圖相同。

5）創(chuàng)建線纜特征。創(chuàng)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(yīng)連接器模型的坐標(biāo)，生成線纜模型。

6）創(chuàng)建布線網(wǎng)絡(luò)圖。布線網(wǎng)絡(luò)圖包含布線的主平面、主通道及各個(gè)線纜組件的主干支部分；宜選用不易變更的基礎(chǔ)參照創(chuàng)建布線網(wǎng)絡(luò)圖；可創(chuàng)建成如Y、U、O等各種開(kāi)放和封閉的形狀。

7）三維布線。線纜三維模型構(gòu)建時(shí)，力求線纜長(zhǎng)度最短；線束控制點(diǎn)要求少而精，避免重復(fù)無(wú)效的點(diǎn)存在；在有限的布線空間中，對(duì)線纜的最小折彎半徑進(jìn)行檢查，驗(yàn)證其折彎通過(guò)性。

8）線纜整理及優(yōu)化。根據(jù)線纜的分布及出頭情況，對(duì)線纜模型進(jìn)行適當(dāng)整理和修改；消除線束內(nèi)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(rèn)。在線纜三維模型按流程構(gòu)建完成后，應(yīng)進(jìn)行確認(rèn)和優(yōu)化工作，包括：線束實(shí)體同時(shí)通過(guò)卡箍、過(guò)線孔槽時(shí)，進(jìn)行線纜通過(guò)性及干涉驗(yàn)證；線纜三維模型構(gòu)建時(shí)，力求線纜長(zhǎng)度最短；在有限的布線空間中，對(duì)線纜的最小折彎半徑進(jìn)行檢查，驗(yàn)證其折彎通過(guò)性；根據(jù)線纜的分布及出頭情況，對(duì)線纜模型進(jìn)行適當(dāng)整理和修改；線束控制點(diǎn)的應(yīng)少而精，避免重復(fù)無(wú)效的點(diǎn)存在；考慮布線時(shí)線纜的電性能影響，主要是設(shè)備的信號(hào)、輻射等對(duì)線纜的干擾。

1.2.3 發(fā)布與應(yīng)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(hào)，單根導(dǎo)線應(yīng)標(biāo)出線號(hào)及去向；分支的終端應(yīng)加標(biāo)注與接線圖一致的編號(hào)及線纜清單；在線束干線和各分支線段上應(yīng)標(biāo)注長(zhǎng)度尺寸，長(zhǎng)度由軟件自動(dòng)生成并留有適當(dāng)余量；包含線纜連接表，包括線纜編號(hào)、型號(hào)、長(zhǎng)度、線纜連接關(guān)系等內(nèi)容；包含明細(xì)表，包括制造線束所需的電線、線纜、連接器、保護(hù)、標(biāo)記和其他消耗材料、標(biāo)準(zhǔn)件及零件的類型、數(shù)量和質(zhì)量等內(nèi)容；包含保護(hù)標(biāo)記，包括注明保護(hù)位置和材料，保護(hù)用標(biāo)準(zhǔn)件型號(hào)或零部件圖號(hào)；包含定位標(biāo)記，包括線束主干線與定位結(jié)構(gòu)件的位置關(guān)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(shè)備上進(jìn)行線纜組件的裝配；總圖宜表達(dá)線束在設(shè)備上的敷設(shè)全貌，包括敷設(shè)通路、所接的設(shè)備名稱、線束號(hào)及緊固件、標(biāo)準(zhǔn)件等；向視圖包括三維尺寸、有關(guān)結(jié)構(gòu)的外形、結(jié)構(gòu)件圖號(hào)、布線相關(guān)基準(zhǔn)及需在結(jié)構(gòu)上開(kāi)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(biāo)準(zhǔn)件或支架、卡箍?jī)?nèi)的線束名稱；包含明細(xì)表，包括敷設(shè)所需的卡箍、支架和螺釘?shù)葍?nèi)容；與布線無(wú)關(guān)的因素以簡(jiǎn)化的方式去除。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于Creo軟件，對(duì)線纜組件的三維建模流程及主要內(nèi)容進(jìn)行了驗(yàn)證，根據(jù)三維建模流程，采用參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法，創(chuàng)建了常用的元器件三維模型庫(kù)，通過(guò)可視化的布線手段和路徑規(guī)劃功能，實(shí)現(xiàn)多路徑的三維可視化及調(diào)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(rèn)所形成的標(biāo)準(zhǔn)研究?jī)?nèi)容及條款要求具有可實(shí)施性。

1）線纜裝配建模。在產(chǎn)品設(shè)備頂級(jí)裝配中創(chuàng)建新的電纜裝配模型，并在需要參考共享的零件上創(chuàng)建發(fā)布幾何；在線纜骨架模型中復(fù)制外部幾何，如圖2所示。

圖2 在線纜骨架模型中復(fù)制外部幾何

2）連接器建模與安裝。構(gòu)建連接器模型，建模方法與普通零件類似，但應(yīng)設(shè)置好安裝坐標(biāo)系和接線坐標(biāo)系，如圖3所示。安裝連接器的過(guò)程如圖4所示。

圖3 構(gòu)建連接器模型

圖4 安裝連接器

3）進(jìn)入線纜建模模塊。單擊“應(yīng)用程序”→“電纜”，進(jìn)入布線模式。

圖5 參數(shù)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(diǎn)，以及類型。

圖6 布線對(duì)話框1

圖7 布線對(duì)話框2

圖8 創(chuàng)建路徑并整理

圖9 創(chuàng)建纜束特征

10） 創(chuàng)建布線網(wǎng)絡(luò)圖。點(diǎn)擊創(chuàng)建布線網(wǎng)絡(luò)命令，選擇合適的位置點(diǎn)，創(chuàng)建多種可能的路徑，如圖10所示。

圖10 創(chuàng)建布線網(wǎng)絡(luò)

11）創(chuàng)建修飾特征。根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建扎線扣、膠帶和標(biāo)簽等修飾特征，如圖11所示。

圖11 創(chuàng)建扎線扣、膠帶和標(biāo)簽等修飾特征

3 結(jié) 論

線纜布線與安裝是復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中帶有普遍性的難題，線纜的敷設(shè)質(zhì)量已成為衡量產(chǎn)品整機(jī)性能和可靠性的一個(gè)重要指標(biāo)[6]。立足國(guó)內(nèi)外線纜組件三維建模技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，綜合考慮軌道交通行業(yè)生產(chǎn)線數(shù)字化建模與仿真技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及應(yīng)用需求，構(gòu)建線纜組件三維建模標(biāo)準(zhǔn)，滿足了不同研制單位的標(biāo)準(zhǔn)需求，對(duì)現(xiàn)行設(shè)計(jì)起有效的規(guī)范及指導(dǎo)作用?；跇?biāo)準(zhǔn)的推廣應(yīng)用及使能工具的定制開(kāi)發(fā)，為高速列車等復(fù)雜產(chǎn)品的研發(fā)提供有效的線纜三維設(shè)計(jì)、裝配規(guī)劃和現(xiàn)場(chǎng)加工應(yīng)用方法和工具，提高線纜布局設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。