配电设备三维布线工艺技术应用研究

陈源，王腾

（中国电子科技集团公司第二十八研究所系统装备事业部，江苏 南京 210007）

配电设备为电气设备提供电能的配送与控制，具有供配电、开关控制、短路保护、过载保护、过电压保护、漏电保护等功能，是电力系统的重要组成部分。配电设备内部线缆布局与敷设情况复杂，线缆布设质量直接关系到安全性和功能性。配电设备传统布线方式为现场布线，这种布线方式只有在整机结构实物装配完成后才能进行。配电设备的电讯工艺设计需要工艺人员根据首套实物样机及个人经验进行现场判断，并结合样机的具体情况不断进行改进。现场布线模式下，配电设备生产效率低、成本高；产品设计中存在的布线不规范、元器件结构不合理等问题只有在实物样机建立起来后才能发现。配电设备现场布线模式极大地制约了电子设备的快速研制能力，已远远无法满足工程中对线缆设计的要求[1]。

基于Pro/E 软件制作的三维模型进行三维布线，通过构建数字化样机，可以清晰地观察配电设备内部所有零部件的结构模型、工艺布线模型以及所处的位置、路径和空间，形象直观，有效避免或大幅减少了配电设备在设计阶段中结构、电讯设计和布线工艺存在的问题[2]。

1 三维布线技术

1.1 技术优势

三维布线技术是三维空间内连接器间的线缆连接技术，基于构建成的三维结构模型，按照电气接线设计图，使用三维设计软件进行立体线缆的布设。三维布线技术作为一种新的电子设备整机布线工艺技术，可以很好地弥补传统布线技术的不足，已被广泛应用于汽车、船舶、飞行器、电子设备等行业。其主要优势如下。

在工程研制阶段，将布线设计由原来的“样机/新产品试制阶段”提前至“技术设计阶段”。在技术设计阶段，工艺师就可以根据电气接线设计图和三维结构模型进行电子设备整机三维布线设计，进行电路和结构设计的工艺性验证。发现问题时只需与相关设计师沟通修改电子设计图纸即可。这种在设计阶段的交互，可大大提高设计效率，降低设计成本。

三维布线在三维结构模型上进行，相比于传统的在实物样机上手动测量，三维布线所获得的线缆长度参数更加精准。尤其在以下情况，三维布线更具优势：线束在不规则结构件、空间曲面上布设时；模拟真实的线束空间状态时；电子设备舱空间狭小，无测量操作空间时；使用三维布线设计，可以通过测量、隐藏、隐含、组装、渲染等软件功能，快速准确地获取布线空间信息[3]。

1.2 设计流程

配电设备三维布线设计流程如图1 所示。创建布线几何是在三维结构模型中选取布线所需的零、部、组件创建骨架模型，然后在骨架模型上组装连接器，并在连接器上创建线缆连接端坐标系；线缆线束划分是电装工艺人员根据线缆连接表，按照线缆电气特性、连接方向路径，把整机线缆划分为若干线束，每个线束对应一个线束零件；布线路径规划是在统筹考虑走线干涉性、线束折弯半径、电磁兼容后，在布线几何上创建线缆线束连接路径；三维布线是按照划分好的线束创建线束零件，线束内导线、电缆在线束零件中按照规划好的布线路径进行布设；线束系统二维图是根据生产需要对线束进行全部或局部展平，并创建二维线缆平面图；根据线束系统二维图进行线束试制，安装验证后进行批量生产[4-9]。

图1 三维布线设计流程

1.3 关键技术

三维模型构建。三维布线是根据三维结构模型和线缆接线关系构建线缆数字化模型，进而确定线缆长度、空间走向等生产信息，其基础是建立完整的对象模型，然后通过自动化方法或者人机交互进行布线。三维布线中的对象模型分为3 种：产品结构模型、电气元件模型、线缆模型。产品结构模型是在三维结构模型中选取布线所需的零、部、组件创建的模型，是对三维结构模型的简化。电气元件模型是布线过程中与线缆直接连接的元器件。线缆模型是三维布线生成的线束零件模型。三维布线需要建立产品结构模型、电气元件模型以及线缆模型，并在模型中准确表达设计信息、制造信息和工艺信息等各种信息。

布线路径规划。布线路径规划是根据产品的结构和功能需求，按照布线工艺规范，对线缆的布设路径、空间走向、分叉位置、固定位置等进行合理的设计。配电设备线缆布设需考虑以下问题：①设计有效合理的电缆布设空间走线轨迹，以减少电缆之间的相互干扰，力求布线整齐美观；②为满足配电设备恶劣环境下的使用要求，电缆布设时确保线缆应力释放，不允许松脱晃荡导致电缆和设备接插件受力，影响电气性能。布线路径规划通过设计各线缆的每个空间位置点，确保三维模型中连接器端线缆应力释放的弯曲、各线缆束与结构件的相对位置、线缆束转弯半径、线缆束外直径、分支线缆束汇入主线束和主线束引出分支线缆束位置及弯曲、各线缆长度等重要工艺参数，使三维布线设计中的线缆和线缆束与实际操作中的布线情况高度一致。

线缆信息输出。三维布线目的是生成线缆长度、空间走向等生产信息，为生产提供可视化指导。三维布线设计结果的原始形式是线缆的数字化模型，将线缆信息输出是三维布线设计指导产品生产的重要步骤。通过三维布线，可以得到线缆三维模型、线缆详细信息、线缆展开图三种信息[1]。

2 三维布线技术应用

以某型车载配电设备为例，采用三维布线技术进行整机布线。

2.1 三维布线设计

创建布线几何。将基于Pro/E Wildfire 5.0 建立的车载配电设备结构数字化模型进行简化，隐含与三维布线无关的零、部、组件，如紧固件等；同时，在结构数字化模型上建立各元器件线缆连接端的坐标系，包括连接器、端子排、开关等。创建的车载配电设备布线几何如图2 所示。

图2 车载配电设备布线几何

线缆线束划分与布线路径规划。根据整机结构布局图和线缆连接表，综合考虑电性能指标、布线美观性、维修性、方便生产等因素，该车载配电设备的线缆线束划分为前面板线束、后面板线束、底板线束以及短连线线束4 类。另外，通过工艺性分析，规划出车载配电设备的走线路径并在三维模型中绘制，效果如图3 所示。

图3 车载配电设备布线路径规划

三维布线。Pro/E Wildfire 5.0 的三维布线模块分为自动布线和手工布线2 种模式，本文采用手工布线模式进行车载配电设备的三维布线。按照线束划分结果创建前面板线束、后面板线束、底板线束以及短连线线束4 个零件；根据线缆连接表创建线轴，并定义线轴的线缆型号、线缆外径、最小折弯半径等信息；使用手工布线模块逐个创建线缆，定义线缆的源段、末端、线轴等。车载配电设备三维布线效果如图4 所示。

图4 车载配电设备三维布线效果

线缆信息输出。线缆信息输出包括线缆三维模型、线缆详细信息、线缆展开图。结合生产实际情况，线缆三维模型采用STP 格式，该模型可以在Pro/E、UG、CATⅠA 等三维设计软件中进行查看和编辑；线缆详细信息包括线号、源段、末端、线缆型号、线缆颜色、线缆长度、线缆直径、最小折弯半径等，可通过Pro/E Wildfire 5.0 在三维布线模型中进行提取并以报表形式输出。线缆详细信息传递给自动下线工位和电讯装配工位，用于指导线缆的制作和装配；线缆展开图是将配电设备前面板线束、后面板线束、底板线束以及短连线线束转变到二维平面上，形象直观地呈现出线束的基本结构和平铺后形态，以指导线束制作。

2.2 实物样机制作

依据线缆三维模型、线缆详细信息、线缆展开图，组织生产车间完成车载配电设备实物样机制作，包括线缆自动下线、线缆装焊、电讯钳装、电讯装配等。车载配电设备实物样机如图5 所示。可以看出，实物样机与三维布线模型外观基本一致。同时，实物样机制作过程中未发现因布线不规范、元器件结构不合理等设计问题造成的返工现象。此外，三维布线的应用使得结构零件生产与线束零件制作可同步开展，大幅度提升了生产效率。

图5 车载配电设备实物样机

3 结束语

通过配电设备三维布线技术应用探索，建立了某型车载配电设备的三维布线模型，输出了线缆生产信息，完成了实物样机制作。对比实物样机与三维布线模型，外观基本一致；跟踪生产过程，未发现布线不规范、元器件结构不合理等设计问题，避免了生产过程的返工；此外，三维布线的应用实现了结构零件生产于线束零件生产的并行，提升了生产效率。配电设备三维布线技术较好地解决了传统布线模式的问题，有着极其广泛的应用前景。