高速列车线缆组件三维建模标准研究

王栋， 高思军， 马力

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛266111；2. 华中科技大学 无锡研究院，江苏 无锡214174）

0 引 言

线缆组件是一组线、缆、连接器及附件的装配组合，是整机互连的基本组成单元，在轨道交通装备领域又可被称为线束。线缆组件的设计是装备设计过程中的一个关键环节，同时也是数字样机的一个重要组成部分。自上世纪末轨道交通行业开始引入三维建模软件，到2005年左右三维设计逐步普及，直到2015年前后应用三维软件进行线缆组件设计的全面展开，线缆组件的设计在轨道交通行业的各领域已经大量应用，并取得巨大的效益。随着机电产品的复杂程度提高，目前商品化三维计算机辅助设计软件如Creo/Pro/E、CATIA、UG等都提供了三维布线功能，在这些软件上进行三维布线简化了在样机上布线的复杂程度，但是对于线缆拓扑结构和路径的规划依旧只能通过反复尝试得到最佳方案。刘检华等[1]针对活动线缆的细长性与大变形、小应变的特点,实现了虚拟环境下线缆的物理特性建模与运动仿真。吴保胜[2]根据线缆布线领域对数字化虚拟三维线缆布线的需求, 从柔性线缆信息建模、布线空间建模、布线路径规划等方面对虚拟布线技术进行了研究, 在此基础上开发出复杂机电产品柔性线缆三维布线设计原型系统。但是以上研究都未能很好地将线缆的设计与建模很好地结合起来，建模的自动化程度不高[3]。伴随着这一应用的浪潮，轨道交通行业也逐步开展了多项数字化设计与制造标准的研究与编制工作，以满足不同研制单位的标准需求，但在线缆组件的设计领域，轨道交通行业中目前尚无相关标准，无法对现行设计起有效的规范及指导作用。综合来说，线缆组件的设计现状是无序的，不同单位或单位内部不同部门之间，在设计流程、方法及接口的不统一，数据难以共享和传递，对设计的上下游和制造业均造成极大的困扰，同时也造成平台及基础库等方面的重复建设。因此，有必要针对基于三维建模软件的线缆组件设计的具体需求，开展该专项标准研究与编制工作，促进轨道交通行业线缆组件数字化设计技术的发展。

线缆组件三维模型构建的方法有很多种，大多与不同的行业和工艺方法密切相关。针对不同的行业和工艺方法其采用的方法也是不一样的。因此，不能基于某一特定的线缆组件三维模型构建方法来总结，而是要具体分析电子装备特点，分析提炼符合行业特色的线缆组件三维模型构建方法，在此基础上，总结其线缆组件三维模型的构建要求，以及在不同的应用场景的各种操作中总结和提炼出需要共同遵守的规则和技术点。

1 线缆组件三维建模技术研究

1.1 概述

三维布线系统开发过程中，涉及到许多关键技术，包括线缆模型管理、参数化建模、布线路径规划、线缆信息输出、干涉检查等[4]。在数字样机上进行虚拟布线设计时，柔性线缆包含了大量的信息，保证线缆信息的完整性，能形成良好的语义表达，是布线设计的前提和基础。建模平台或工具的选择能够满足线缆手工或者自动布线的要求，还包含线缆接线图设计模块和相关数据接口；根据设计的线缆接线图，一般宜采用线缆自动布线的建模方式，在建模过程中保持元件模型名属性与模型名匹配；对系统颜色文件（包括线缆颜色配置文件）、语言环境、公差设置、缺省模板、缺省层、缺省路径、辅助面、工程图和基本量纲进行设置，量纲通常包括模型的长度、质量、时间、力、温度等；线缆组件模型与实物一般应保持1:1的比例关系。在某些特殊应用场合（例如采用中心线简化模型时），可使用其它比例；布线装配模型应包含绝对坐标系信息，一般可根据不同产品的建模和装配特点使用相对坐标系和绝对坐标系，坐标系的使用可在产品设计前统一定义；应给出标记，其标记应简明易读；线缆组件应具备中心线和实体两种显示状态。中心线显示状态用于表达布线路径和位置点；实体显示状态用于表达电缆形状、空间分布及占用颜色等特征。

1.2 线缆组件三维建模

1.2.1 建模流程

针对线缆组件三维建模，不同的软件平台和企业，三维建模流程都不统一，具有明显的软件特色和企业规定。布线系统的功能模块主要包括线缆创建模块、路径生成模块、线缆修改模块、线缆显示模块和线缆明细表等[5]。根据不同软件平台提炼总结了三维建模流程，具有更广泛的通用性。线缆组件三维建模流程一般包括环境参数设置、模型预处理、三维布线、后期处理及发布等，其流程

如图1所示。

1.2.2 建模步骤

线缆组件三维建模具体步骤一般包含布线装配模型建模、创建线缆组件、创建线轴、定义元件、创建布线网络图、创建线缆特征、三维布线、线缆整理及优化、创建修饰特征、防护及固定、模型确认。

1）布线装配模型建模。在布线装配模型建模前完成装备结构部分的装配建模；布线装配模型一般在装备中需要进行三维布线的装配中创建；布线装配模型包含骨架模型并与原装配模型相关联；骨架模型提取与布线相关的特征，如元件的安装坐标系、布线参照等并作出简化，一般采用外部收缩包络、外部复制几何等收集手段。

图1 线缆组件三维建模流程

2）创建线缆组件。在装配环境中进入布线模块进行创建；可在布线装配模型中创建多个线缆组件和子线缆组件；为区分不同的线缆组件，创建线缆组件时应规范命名，建议按结构装配的名称+线缆组件的设计内容进行，线缆组件的设计内容可分为混装电缆网、高频电缆网、低频电缆网等。以单机为例，如是针对一体化模块单机的高频电缆的布线，线缆组件可命名为一体化模块高频电缆网。

3）创建线规。根据线缆的类型，选择正确的线轴类型；在发布允许的场合，可以对线轴属性进行简化，忽略设计无关的部分。

4）定义元件。元件模型不仅要满足外形及装配要求，还应定义与布线相关的特征；元件模型与布线相关的特征主要有线缆的接入点、接入方向、线缆的分布、线缆的内部长度等；创建相应的特征，如坐标系、轴等，用于标记线缆的接入点、接入方向等；确定线缆内部长度和线缆分布形式，线缆分布形式一般有单芯导线、按圆内分布线多芯线缆和一字形排列的扁平方式；连接器的名称应与线缆接线图相同。

5）创建线缆特征。创建线缆特征，确定布置的线缆形式，包括单芯线缆、多芯线缆和扁平线；选择连接到相应连接器模型的坐标，生成线缆模型。

6）创建布线网络图。布线网络图包含布线的主平面、主通道及各个线缆组件的主干支部分；宜选用不易变更的基础参照创建布线网络图；可创建成如Y、U、O等各种开放和封闭的形状。

7）三维布线。线缆三维模型构建时，力求线缆长度最短；线束控制点要求少而精，避免重复无效的点存在；在有限的布线空间中，对线缆的最小折弯半径进行检查，验证其折弯通过性。

8）线缆整理及优化。根据线缆的分布及出头情况，对线缆模型进行适当整理和修改；消除线束内线缆的扭曲分布情况；消除因折弯半径不足引起的非正常缠绕。

9）模型确认。在线缆三维模型按流程构建完成后，应进行确认和优化工作，包括：线束实体同时通过卡箍、过线孔槽时，进行线缆通过性及干涉验证；线缆三维模型构建时，力求线缆长度最短；在有限的布线空间中，对线缆的最小折弯半径进行检查，验证其折弯通过性；根据线缆的分布及出头情况，对线缆模型进行适当整理和修改；线束控制点的应少而精，避免重复无效的点存在；考虑布线时线缆的电性能影响，主要是设备的信号、辐射等对线缆的干扰。

1.2.3 发布与应用

1）线缆组件线扎图。线缆组件线扎图由线缆展平生成，用于线缆组件的加工制作；包括线束号，单根导线应标出线号及去向；分支的终端应加标注与接线图一致的编号及线缆清单；在线束干线和各分支线段上应标注长度尺寸，长度由软件自动生成并留有适当余量；包含线缆连接表，包括线缆编号、型号、长度、线缆连接关系等内容；包含明细表，包括制造线束所需的电线、线缆、连接器、保护、标记和其他消耗材料、标准件及零件的类型、数量和质量等内容；包含保护标记，包括注明保护位置和材料，保护用标准件型号或零部件图号；包含定位标记，包括线束主干线与定位结构件的位置关系及尺寸。

2）线缆组件装配图。线缆组件装配图一般包括总图和向视图，用于设备上进行线缆组件的装配；总图宜表达线束在设备上的敷设全貌，包括敷设通路、所接的设备名称、线束号及紧固件、标准件等；向视图包括三维尺寸、有关结构的外形、结构件图号、布线相关基准及需在结构上开孔的位置；包括固定线束用卡箍的定位尺寸、安装形式、所用标准件或支架、卡箍内的线束名称；包含明细表，包括敷设所需的卡箍、支架和螺钉等内容；与布线无关的因素以简化的方式去除。

2 实验验证

基于Creo软件，对线缆组件的三维建模流程及主要内容进行了验证，根据三维建模流程，采用参数化设计的方法，创建了常用的元器件三维模型库，通过可视化的布线手段和路径规划功能，实现多路径的三维可视化及调整，能够快速生成面向车间线缆加工和装配的线扎图和装配图，确认所形成的标准研究内容及条款要求具有可实施性。

1）线缆装配建模。在产品设备顶级装配中创建新的电缆装配模型，并在需要参考共享的零件上创建发布几何；在线缆骨架模型中复制外部几何，如图2所示。

图2 在线缆骨架模型中复制外部几何

2）连接器建模与安装。构建连接器模型，建模方法与普通零件类似，但应设置好安装坐标系和接线坐标系，如图3所示。安装连接器的过程如图4所示。

图3 构建连接器模型

图4 安装连接器

3）进入线缆建模模块。单击“应用程序”→“电缆”，进入布线模式。

图5 参数值修改

6）定义零件为可接线缆的连接件。选择“工具”→“元件”→“指定”，选择指定零件和接入点，以及类型。

图6 布线对话框1

图7 布线对话框2

图8 创建路径并整理

图9 创建缆束特征

10） 创建布线网络图。点击创建布线网络命令，选择合适的位置点，创建多种可能的路径，如图10所示。

图10 创建布线网络

11）创建修饰特征。根据需要创建扎线扣、胶带和标签等修饰特征，如图11所示。

图11 创建扎线扣、胶带和标签等修饰特征

3 结 论

线缆布线与安装是复杂机电产品设计中带有普遍性的难题，线缆的敷设质量已成为衡量产品整机性能和可靠性的一个重要指标[6]。立足国内外线缆组件三维建模技术发展趋势，综合考虑轨道交通行业生产线数字化建模与仿真技术应用现状及应用需求，构建线缆组件三维建模标准，满足了不同研制单位的标准需求，对现行设计起有效的规范及指导作用。基于标准的推广应用及使能工具的定制开发，为高速列车等复杂产品的研发提供有效的线缆三维设计、装配规划和现场加工应用方法和工具，提高线缆布局设计的效率和质量。