三維布線技術(shù)在充電樁產(chǎn)品中的應(yīng)用

張保增，陳天錦，王 偉，宣志文

應(yīng)用 Application

三維布線技術(shù)在充電樁產(chǎn)品中的應(yīng)用

張保增，陳天錦，王 偉，宣志文

（許繼電源有限公司，河南省許昌市 461000）

在充電樁的生產(chǎn)中不可避免地需要進(jìn)行配線。傳統(tǒng)的配線方法是工人在生產(chǎn)中根據(jù)配線圖進(jìn)行配線，配線速度慢，配線路徑不能充分優(yōu)化，配線錯(cuò)誤率較高。同時(shí)設(shè)計(jì)中不進(jìn)行三維布線可能帶來設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，導(dǎo)致生產(chǎn)中無(wú)法配線。使用Creo的三維布線技術(shù)在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行布線模擬，有效避免了設(shè)計(jì)過程的錯(cuò)誤，并可以在設(shè)計(jì)中進(jìn)行布線的優(yōu)化；同時(shí)三維的工藝文件能夠有效指導(dǎo)工人現(xiàn)場(chǎng)配線，減少了配線過程的錯(cuò)誤。

充電樁；三維配線；Creo軟件

1 引言

隨著國(guó)家對(duì)電動(dòng)汽車的推廣，市場(chǎng)對(duì)充電樁的需求也變得大起來。國(guó)家和國(guó)家電網(wǎng)公司也出版了一些相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20234 《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置》和國(guó)家電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 1234 《電動(dòng)汽車充電接口規(guī)程》規(guī)定了相關(guān)的充電樁的接口，保證了電動(dòng)汽車和充電樁產(chǎn)品可以進(jìn)行互操作。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18487《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)》規(guī)定了電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的分類、通用要求、通信和電擊防護(hù)等功能。

雖然有一些相關(guān)充電樁的標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)于充電樁的顯示、付費(fèi)和功率等功能沒有進(jìn)行規(guī)定，對(duì)型式也沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)可循。導(dǎo)致市場(chǎng)上的充電樁產(chǎn)品規(guī)格多樣，生產(chǎn)廠家生產(chǎn)充電樁的過程中需要進(jìn)行小批量多品種的生產(chǎn)。為了保證充電樁產(chǎn)品的多樣性，各功能模塊之間需要進(jìn)行柔性配線。一般來說，即使一個(gè)簡(jiǎn)單的充電樁也需要上百根走線。事實(shí)上，在充電樁的生產(chǎn)過程中，配線占用了一半以上的時(shí)間。針對(duì)充電樁產(chǎn)品的配線技術(shù)進(jìn)行研究非常必要。

2 配線工作現(xiàn)狀

在當(dāng)前充電樁的生產(chǎn)過程中，配線大多采用布線工藝卡片作為布線依據(jù)，而布線工藝卡片一般為二維簡(jiǎn)圖或者文字描述的形式，布線工藝卡片不能直觀地描述線纜連接情況和走線路徑，布線人員大多憑借多年的布線經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行布線。傳統(tǒng)的布線模式主要有以下缺點(diǎn)。

1）傳統(tǒng)布線操作煩瑣、效率低而且容易出錯(cuò)，生產(chǎn)成本高。

2）線束現(xiàn)場(chǎng)制作較慢，線束不能提前制作。如果使用釘板進(jìn)行模擬計(jì)算容易導(dǎo)致導(dǎo)線過長(zhǎng)，浪費(fèi)嚴(yán)重。

3）設(shè)計(jì)過程不考慮電纜的折彎可能性，對(duì)于較粗的線纜可能導(dǎo)致生產(chǎn)安裝過程配線困難。

4）指導(dǎo)文件不夠直觀，工人尋找布線路徑需要較長(zhǎng)時(shí)間。

5）各個(gè)工人根據(jù)自己經(jīng)驗(yàn)布線，布線路徑隨意性較大。

6）布線路徑無(wú)法直觀顯示，很難事先進(jìn)行評(píng)審并有效優(yōu)化。

7）嚴(yán)格的布線參數(shù)需要樣機(jī)安裝完成后在樣機(jī)上測(cè)量，在柔性生產(chǎn)中導(dǎo)致較長(zhǎng)的生產(chǎn)周期。

總之，雖然看起來配線只是簡(jiǎn)單的工作，沒有技術(shù)含量，但是由于配線數(shù)量較多，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致在大多時(shí)候配線是充電樁生產(chǎn)的瓶頸，影響著充電樁產(chǎn)品的質(zhì)量和效益。文獻(xiàn)[1]提出了手工立體布線工藝，介紹了手工立體布線工藝的概念和特點(diǎn)。文獻(xiàn)[2]使用3D-CAD技術(shù)進(jìn)行了動(dòng)力機(jī)車的配線模擬，并在生產(chǎn)過程中使用三維顯示技術(shù)指導(dǎo)生產(chǎn)。文獻(xiàn)[3]在電氣配線實(shí)施過程中采用剪布線表規(guī)范指導(dǎo)電氣布線的工藝方法，可以降低操作難度，但仍舊是使用文字實(shí)現(xiàn)布線的指導(dǎo)。使用三維布線工具進(jìn)行充電樁產(chǎn)品的布線，并用布線結(jié)果指導(dǎo)生產(chǎn)勢(shì)在必行。

3 Creo6.0布線方法

Creo軟件是美國(guó)PTC公司推出的CAD設(shè)計(jì)軟件包。具備互操作性、開放和易用三大特點(diǎn)，方便對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行三維建模。通過相應(yīng)的布線插件，Creo可以實(shí)現(xiàn)三維布線功能。三維布線的過程主要包括建立基礎(chǔ)模型、布線和生成相應(yīng)的工藝文檔三個(gè)步驟。

3.1 建立基礎(chǔ)模型

在進(jìn)行布線之前，首先需要建立相關(guān)的電氣三維模型圖，為布線提供一個(gè)基本的三維空間。建立零件的三維模型后，需要在模型上建立坐標(biāo)系，作為引線端子的位置信息。其中導(dǎo)線引線方向沿坐標(biāo)系的軸方向向外。如果需要相應(yīng)的端子（例如OT端子或UT端子），還需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的端子三維模型，并在端子上設(shè)置相應(yīng)的引線位置，把端子安裝在模型的相應(yīng)位置。在Creo軟件中繪制的帶有引線端子的模型如圖1所示。其中空氣斷路器的A0、B0、C0、A1、B1、C1以及OT端子上的坐標(biāo)系可以作為導(dǎo)線入口端位置。

圖1 帶有引線端的模型

3.2 指定連接器

對(duì)電氣元件建立連接端子位置后，還需要指定零件為連接器，選擇菜單“應(yīng)用程序->纜”進(jìn)入布線環(huán)境。然后選擇“邏輯數(shù)據(jù)”功能模塊中的“自動(dòng)指定->指定”選項(xiàng)，然后使用鼠標(biāo)左鍵選中相應(yīng)的零件指定其為連接器。菜單界面如圖2所示。

圖2 指定連接器界面

選定連接器后，進(jìn)行連接器參數(shù)設(shè)置功能，如圖3所示。

圖3 連接器參數(shù)設(shè)置

3.3 連接器入口端設(shè)置

指定連接器后，需要指定連接器上的哪些坐標(biāo)為接線入口端子。單擊彈出菜單中的“入口端”選項(xiàng)，然后使用鼠標(biāo)單擊相應(yīng)端子坐標(biāo)。如果需要選擇多個(gè)坐標(biāo)，則按下CTRL鍵連續(xù)選中多個(gè)坐標(biāo)，然后單擊“確定”按鈕，如圖4所示。

圖4 指定引線入口端界面

圖5 連接器內(nèi)的線纜長(zhǎng)度設(shè)置

在彈出的對(duì)話框中選擇端子的類型，如圖6所示。

圖6 選擇入口端類型界面

其中選項(xiàng)“線”表示入口端只能引出一根導(dǎo)線；選項(xiàng)“圓形”表示入口端可以引出多根導(dǎo)線；選項(xiàng)“扁平”表示入口端為扁平帶纜的一個(gè)端子。選中導(dǎo)線類型后，單擊上面“完成”選項(xiàng)后完成入口端的設(shè)置。

3.4 線軸設(shè)置

指定連接器后，還需要進(jìn)行線軸的設(shè)置。線軸表示導(dǎo)線的類型。以普通的導(dǎo)線為例，單擊邏輯數(shù)據(jù)中的“數(shù)軸”選項(xiàng)，在彈出的對(duì)話框中單擊“創(chuàng)建”，如圖7所示。

圖7 創(chuàng)建線軸界面

圖8 線軸名稱設(shè)置

設(shè)置線軸的名稱后，彈出設(shè)置線軸參數(shù)對(duì)話框，如圖9所示。

需要輸入的線軸的參數(shù)包括線軸的最小彎曲半徑（MIN_BEND_RADIUS）、線軸外徑（THICKNESS）、尺寸單位（UNITS）和線軸顏色（COLOR）。輸入線軸的參數(shù)后，單擊圖中“確定”按鈕，完成線軸的設(shè)置。然后單擊上一級(jí)對(duì)話框的“完成/返回”按鈕完成線軸的設(shè)置。

圖9 線軸參數(shù)設(shè)置界面

3.5 布線

完成連接器和線軸的設(shè)置之后，就可以進(jìn)行布線了。選擇布線模塊的“布設(shè)纜”按鈕，進(jìn)入布線狀態(tài)，如圖10所示。

圖10 布線界面

然后選擇導(dǎo)線使用的線軸，最后選擇布線類型。布線類型包括通過網(wǎng)絡(luò)、簡(jiǎn)單布線、沿纜和沿管線。在通過網(wǎng)絡(luò)方式下，需要首先建立布線網(wǎng)絡(luò)，然后軟件自動(dòng)沿網(wǎng)絡(luò)布線。簡(jiǎn)單布線按照最近的樣條曲線路徑布線，沿纜和沿管線是沿固定的路線布線。簡(jiǎn)單布線后的布線結(jié)果，如圖12所示。

圖11 選擇入口端

圖12 簡(jiǎn)單布線后的布線結(jié)果

如果需要改變導(dǎo)線的路徑，可以在導(dǎo)線路徑上插入點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)走線的定制。單擊“位置”對(duì)話框中的“位置”選項(xiàng)，如圖13所示。

圖13 設(shè)置導(dǎo)線路徑位置

然后首先使用鼠標(biāo)左鍵選中需要添加位置的導(dǎo)線，然后單擊需要添加的位置，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線的走向定制。如果需要對(duì)一條導(dǎo)線添加多個(gè)位置，可以選中導(dǎo)線后，依次從導(dǎo)線的起點(diǎn)向終點(diǎn)添加多個(gè)位置，設(shè)置后的導(dǎo)線走線如圖14所示。

圖14 沿線槽布的導(dǎo)線路徑

在充電樁的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，柔性導(dǎo)線也不能隨心所欲地折彎，導(dǎo)線都有一定的最小折彎半徑。所以在導(dǎo)線布線時(shí)，特別是對(duì)于粗導(dǎo)線進(jìn)行模擬布線時(shí)，如果空間有限，則可能會(huì)導(dǎo)致布線失敗。這種情況下需要對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性。

在產(chǎn)品模擬布線完成后，可以使用軟件自動(dòng)完成線束表的編制。三維布線完成的線束表，可以作為制作線束的依據(jù)。布線完成后的部分線束表如表1所示。

表1 導(dǎo)出線束數(shù)據(jù)

通過軟件還能生成三維的配線圖。在生產(chǎn)過程中，使用配線的三維圖作為工人配線的可視化工藝文檔，可以提高工人配線的速度和質(zhì)量。部分線束布置如圖15所示。

圖15 生成線束圖

4 結(jié)論

使用三維布線和三維可視化工藝后，可以給充電樁產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)帶來如下好處。

1）設(shè)計(jì)過程考慮電纜的折彎可能性，設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品配線工藝性好。

2）可視化的模擬布線方便進(jìn)行嚴(yán)格的評(píng)審，保證精確的導(dǎo)線長(zhǎng)度，有效避免導(dǎo)線浪費(fèi)。

3）三維配線指導(dǎo)文件直觀，對(duì)工人的要求低，保證產(chǎn)品配線路徑一致。

4）提前生產(chǎn)線束保證較短的產(chǎn)品生產(chǎn)周期。

5 需要改進(jìn)之處

[1] 于宏輝．適用于機(jī)電裝備的手工立體布線工藝[J]．機(jī)械制造，2019，57(4)：9-91．

[2] 川瀬瀬司，劉麗杰．利用3D-CAD和IoT的車輛配線技術(shù)[J]．國(guó)外鐵道機(jī)車與動(dòng)車，2020(3)：7-20．

[3] 張學(xué)秀，陸輝，張亞靜，等．時(shí)速160 km動(dòng)力集中電動(dòng)車組電氣配線布置[J]．鐵路采購(gòu)與物流，2020，15(3)：6-48．