基于Creo2.0的变流器三维自动布线技术研究

（中车永济电机有限公司，西安 710016）

0 引言

计算机辅助设计应用研究的不断深入，极大的推动了三维CAD设计[1]软件的飞速发展。基于三维CAD软件的快速线缆自动布局[2]技术应用也成为国内外研究的热点问题。

变流器内电器件众多，空间较为紧凑，线束分布比较密集，项目的交期紧张。如何能在保证产品质量的同时，运用三维CAD技术，提升变流器的模块化、协同化设计，在项目研发设计阶段加强验证，避免不必要的布线工艺返工和生产浪费，是应深入研究的重要课题。变流器中有大量的线缆，线缆对柜体的结构布局有很大的影响，变流器的设计得越来越紧凑，变流器内能容纳所需的电缆，内部元器件的布置能否满足线缆的折弯要求，线缆在变流器内如何固定，都是需要考虑的问题。同时，设计变流器时要考虑试验调试、客户端设备端接线、状态检查和维修。因此，提出一种基于Creo2.0[3]的三维自动布线技术，在数字化样机上阶段完成项目研发设计阶段的评审，交流设计思路，推进企业的标准化研发流程。

1 三维自动布线概念介绍

使用三维设计的缆模块进行三维布线后可以生成完整的数字化样机[4]，该数字化样机不仅包括结构件、电气元件的布置、也包括电缆的进出线方式、线缆在变流器内的布置、线缆和接插件的选型、线缆的捆绑方式等。三维自动布线涉及线轴、元器件、连接器等概念。

1.1 线轴

线轴[5]类似于实际线轴，可用来按需要卷起一定量的缆或线。线轴是一些参数的集合，比如：颜色、量规等等，常见参数和含义如表1所示。为此，按照企业标准化规定，规范线轴的物料编码、物料信息和参数定义，在电气设计时直接调取。

表1 线轴参数定义

1.2 连接器

电气设计中的接插件。一般由插头和插座组成，一端安装在设备上，一端与电缆固定在一起。例如插针、压接端子、线环等。连接器是带参数的零件，使用这些参数可以定义线、缆的连接位置。连接器模型会在出现逻辑引用时作为参考。连接器通常包括表示实际连接器的实体几何。它们必须至少包含一个坐标系，用作线或缆的入口端[6]。为配合三维自动布线，能够单独提取完整的线束设计物料BOM和线束工程图，便于采购、物料生产准备，则将变流器电气设计中线缆端头处理使用的插针、线环、接线片、光纤插头等全部纳入连接器范畴。

1.3 元件

元件主要指在电气电缆设计中涉及到的一些仪器设备或者起电气连接作用的物料。在变流柜电路中元件除去常见的电器件之外还有一些起电气连接作用的螺栓、复合母排、铜排等。通过对其电气接头进行定义，方便后续接线识别和电气工程师和机械工程师的并行设计。

2 三维自动布线关键技术

在数字样机上进行三维数字化布线时需要参考实际变流柜的结构几何，如箱体、障碍物（如螺丝孔或筋）以及其他可以辅助布线的几何。线缆的首末位置也需要通过装配的连接器的插针或端子的坐标系或者位置作为几何参考。使用各种数据共享特征将以上几何及参考传递到线缆装配是三维布线首先需要解决的问题。电缆连接位置通过电气逻辑数据来体现。借助电气设计软件生成能够为三维设计软件所识别的包含元器件、连接的线缆，及线缆的自和至的信息的电气连接逻辑数据。通过“导入”操作，可将原理图中已经设置好的电气逻辑连接信息传入到三维设计环境中，完成电气连接关系与三维模型的匹配指定。在规划线缆布局的基础上，读取线轴可生成该数字样机的三维线束模型和线束工程图。其中。变流器的三维自动布线流程如图1所示。

3 基于Creo2.0的变流器的三维自动布线实施

Creo2.0软件是由PTC公司推出的集参数化、直接建模技术、三维可视化技术与一体的新型CAD系统[6]。它具备互操作性、开放、易用等特点。文中以变流器为例，开展基于Creo2.0的变流器内部三维线束的设计过程。

3.1 创建线缆装配结构

图1 变流器三维自动布线流程

线缆设计不只是电气设计的一部分，对于变流器，还关联其设计、研发、工艺、加工制造的各个环节。线缆的设计部不单是完成电气信号的逻辑关联，最后仍需以标准的工程图纸传递给后续工序，完成物料统计输出，以便于采购准备、下料，实际柜体走线，完成整体线缆布局。为了加快产品的研发周期，变流器的数字化样机设计阶段需要合理的划分装配结构，划分相对独立的线缆装配结构，方便于线缆的修改不致影响系统结构设计。划分线缆装配结构时应注意：1）先规划好线缆装配结构再开始线束模型的设计；2）总系统框架和各个分系统的框架设计遵循自顶向下，各分系统设计则采用并行设计；3）系统中各物料遵循本公司编码规定，为唯一辨识码，不影响理解；4）各分系统的划分应结合变流器电气功能和物理位置分布接近。结合变流柜的实际生产项目管理经验，建立如图2所示的线缆子装配结构。

图2 线缆子装配划分

3.2 配置线缆骨架

变流器的设计采用自顶向下的正向设计，引入骨架[8]概念，提出一种适用于变流器的两级骨架的设计模式：线缆装配总骨架-分系统子骨架。

首先建立线缆子装配总运动骨架。将相关电气设备、入口端坐标系、箱体、支架等继承到变流器的线缆子总成的骨架中。当变流器总装配结构中由于客户要求或者工艺改进等引起变更时出现不可修复的线缆特征失败风险时，可以在变流器线缆子总成中预先修改布线方式来规避风险，而且可以将可能的线缆失败风险控制在子总成中而不影响变流器的总装配。

其次根据变流柜的结构或者功能划分，建立各个分系统标准子骨架。在各个分系统中利用收缩包络[9]，一次性选择多个零件作参照，将其收缩到各分系统子骨架模型中，作为视觉参照，指导变流器各分系统的三维设计。对于分布于单个子系统内部的线束可以直接在子骨架中进行装配，以此节省计算机资源。配置的线缆骨架如图3所示。

图3 线缆骨架

3.3 匹配指定电气连接

导入逻辑数据后，通过自动指定功能可以完成电气逻辑的起始点定义，还可通过组装，将缺少的端子装配到参考设计所标识的位置，为线缆的进出位置提供物理和电气信号连接点参考。

3.4 创建线束零件

针对变流器内部的三维线束设计，不仅需要考虑到电压等级，还需要兼顾相关联的电器件之间的位置关系。对会产生电磁干扰的线、缆需要放置在单独的腔体或者屏蔽套中。对于有电路信号相连的电器件则尽量放置于同一线束中，遵循强弱电分离、交直流电路隔离、高低压分开等原则[10]，还要兼顾设计阶段的评审和论证时涉及到的修改便于查询和管理。

3.5 布局线缆网络

线缆网络指线进出指定连接器时所必经的位置点网络。变流器的线或缆可以在与其指定的连接器最接近的位置进入和退出网络。通过将优先级分配给网络中的不同定位点，可控制通过网络的电线路径和布局，指导线束的走形和布局。

通过布线网络设定，完成对变流器内部线束的走形、分支等进行规划。兼顾电磁兼容、强弱电分离、工艺可行性等方面，规划的线缆路径示意如图4所示，应注意：

1）创建网络应规划好线缆的主路径、分支点，切忌在相同路径处重复创建网络。

2）为了使最终沿网络生成的线缆不与柜体干涉及创建网络更加方便和后期修改，在创建网络前应该在要创建网络路径的地方，先创建一个偏移基准面，再在基准面上绘制轨迹曲线。创建的偏移基准面和轨迹线建议放在线缆总骨架中。

3）通过网络布线时，网格点间距要大于线缆的最小折弯半径，否则出现线缆打结，无法生成等情况。

图4 线缆路径示意

3.6 布线缆

实际生产中，变流器内部的线束按照电压等级划分为A、B、C三类线束。根据3.5规划的路径方式一次性生成多根导线或缆，以提高设计效率。在设计工程随时同布线工艺师沟通，调整修改生成的线或缆，使得线束的走向、路径规划更加灵活自由，贴合实际。此案例生成的变流器线缆如图5所示。

图5 变流器内部线束

变流器三维线束设计完成后，可通过线束展平功能，制作布线板，规范指导线束车间下线、布线等工序，满足变流柜批量生产需求。展平的线束如图6所示。

图6 展平后的线束

通过Creo2.0的缆、线束模型报告参数，开发配置适合本企业的线束工程图模板及线束BOM信息表。线束BOM信息表可动态链接至线束设计，并根据连接器和参数值的变化自动进行更新，确保数据的一致性。其中关键报告参数如下：

序号：&rpt.index

代号：&asm.mbr.drawingno

名称：&asm.mbr.cname

材料：&asm.mbr.material

数量：&rpt.qty

列出线束模型中所用的线轴名称：&harn.spool.cname

列出线束模型中中线、缆或线束的名称：&harn.run.cname

列出所有线或缆连接的首末两端的连接器名称：&harn.run.cond.from/to.pin.cname

列出线束模型中所有线或缆连接的首末两端的连接器接头位置：&harn.run.from/to.conn.name

开发配置参数模板，导出包含线缆BOM信息的工程图，如图7所示，用于线束、接插件的采购以及车间下线、线束制作工艺。从设计源头保证数据的准确性和完整性。利用计算机辅助设计提高企业的智能制造水平。

4 结语

本文介绍了三维自动布线技术的基本概念和关键技术，重点阐述了采用两级骨架设计模式的基于Creo2.0的面向变流器线缆的布线案例，并研究开发了适合本企业的线束工程图模板线缆信息BOM表，应用于变流器生产。三维自动布线的实施一方面为实现不同专业不同部门间的机电协同设计提供了新的思路。另一方面为企业开展全三维正向设计，信息化和工业化的深度融合，推动制造业的转型发展发挥重大作用。

图7 线缆BOM信息