三维布线技术在电气柜中的应用

朱四伟

（沈阳航空航天大学航空宇航学院，辽宁 沈阳 110000）

0 引言

线缆是用来连接电气设备、控制装置设备等线束的统称，被广泛应用于家电、汽车、工业电气柜、导弹等产品中［1］。传统电气柜在制造过程中，线缆的布置通常将工艺卡作为布线的依据，而工艺卡无法直观的反应出线缆连接情况与布线路径，且对布线人员的工作经验要求很高。因此，传统布线工作方式存在以下问题。①布线模式操作烦琐、布线效率低，且容出错。②样机使用的线缆要现场制作，且不能提前完成。使用顶板图模拟做线时，不能准确把握实际线长。③二维简图无法直观地反映出布线路径、线缆的可折弯性，导致搜寻路径费时、布线路径随意、安装大线径困难。④由于无法事先显示布线路径效果，布线所需的信息只能在样机上进行测量，无法满足项目评估，且影响产品的市场投放周期。

1 三维布线技术优势

三维布线技术是利用三维软件布线模块对产品中带有电气属性的元件进行连接，并运用三维几何模型来模拟线缆的技术。三维布线技术较传统布线的优势有以下3方面。

1.1 检查线缆可折弯性

电气柜设计及生产时会使用不同规格的线缆，且不同线缆的对折弯半径不同。在电气柜中，功率线缆因承载大电流使其线径相对较大，如果在狭小空间对其进行布线，设计人员就要考虑线缆的可折弯性。所以，运用CREO中的布线模块对产品进行布线设计时，可在生产初期对有问题的线缆进行优化。这种前期的检查处理为后期生产提供便利。

1.2 检查电气间隙

根据电气柜的性能及其所处的电气环境，规定产品内部最小电气距离，其仅限于线缆与导电零件或线缆与线缆等。在电气环境中，最小距离是指电气间隙，也称安全距离。设计时，通过检查安全距离来保证线缆与铜排、钣金等的最小安全距离满足电气设计的基本要求。以往对线缆间的安全距离评估依赖有经验的人员，但经过三维布线后，通过三维样机就能轻松测量出电气柜内部电气间隙。发现问题还可随时修改。

1.3 获取线缆信息

在完成电气柜三维布线设计后，线缆的长度、规格大小、颜色及端子型号等基本确定。对布线后的三维样机进行查询便可获得上述信息参数。通过对线缆信息处理、转档出图，便可发给线缆厂进行加工。这种获取线缆规格的方式，较以往能大幅度缩减线缆制作时间，提高企业产能。

2 三维布线技术应用

CREO是美国PTC公司于2010年推出的一款CAD设计软件，可在产品设计时实现对结构和电气的并行设计。其主要用于线路模拟、电气间隙检查、线缆图制作等。线路模拟和电气间隙检查为解决产品前期开发出现的问题提供可视化便利，线缆图制作为后期生产节约时间，降低企业成本。

2.1 布线流程及准备

2.1.1 布线流程。基于CREO三维布线的工艺设计流程见图1。运用Cabling模块完成布线流程。该模块具有手动布线和自动布线两种功能。自动布线所用的电路图是基于RSD进行设计的［2］。采用自动布线时，产品设计人员只用设置线缆型号及布置路径（网络路径）即可，软件会自动完成布线；手动布线时，每一步都要设计人员手动完成，不仅要对线缆型号和布置线缆路径进行设置，还要对每个元器件的接线端口及每根线缆的起点和终点进行指定［4］。本研究采用手动和自动相结合的方式进行布线。

图1 三维布线流程图

2.1.2 布线前准备。在三维布线前，先构建产品的数字化结构模型及电气元器件模型，即将结构零部件、电气元器件装配到产品中，从而构建产品的三维模型。在完成产品三维模型后，要对产品模型进行前处理；对装配电气组件进行处理，对产品布线空间区域内的电气元器件进行装配，并使连接的电气端子端口朝外。注意在使用CREO进行布线时，连接线缆的端子或连接器在设置端口坐标系中的Z轴时，其必须指向出口端。

2.2 布线设计模块

由于三维布线要在CREO布线模块中完成，线缆的布线设计包括布线设计流程、模型管理等，完成布线的模型可用于信息文件的入库、查询、编辑和维护管理等，保证数据的可靠性和完整性，并用来指导企业生产。

2.2.1 线缆管理界面。线缆管理界面如图2所示，其方便了产品设计人员对布线所用到的线缆进行统一化管理，还可用来查询线缆的参数信息。线束零件管理功能模块便于布线人员对线缆零件进行统一分类管理，通过该功能可查询线缆的属性信息。

图2 线缆管理界面

2.2.2 电气元件模型管理。电气元件库包含端子库和电器结构模型库，其中端子库见图3。端子库包含产品设计所用到的连接器和电气端子，如针脚端子、OT端子、网络端子等。布线人员在对端电气件进行安装时，只要将所用模型从库中调出，然后利用坐标系就能实现快速安装。

图3 端子库

2.2.3 端口坐标系指定。在对连接器端口进行指定时，对其坐标系进行安装管理，如图4所示。在布线时，通过此窗口可快速选取连接器端口，并对端口信息进行管理。

图4 端口坐标系指定功能界面

2.2.4 人机交互布线。人机交互布线是通过指定连接器的起始端位置，并结合布线网络、线轴类型来实现线缆的铺设，如图5所示。

图5 人机交互布线功能界面

2.2.5 线缆结果输出及三维结果显示。线缆结果输出如图6所示。根据自动生成装配模型中现有线缆材料清单信息，结合CREO软件中输出的线缆二维展开图，可得到线缆的几何属性信息。

图6 线缆工程图

2.2.6 电气信息查询。用户可打开线缆电气信息查询界面就可对线缆模型、具体的线缆信息、连接件信息及关键路径节点进行查看。可对线缆的一些几何参数进行编辑。

3 结语

三维布线技术在电气设备整机的全生命周期中发挥着重要作用，特别是在设计和生产加工阶段，更起到优化设计、提高效率、降低成本和保障质量的作用［4］。本研究采用CREO三维布线仿真技术对电气柜进行实例操作，能有效解决传统布线存在的问题，并通过模型对产品结构设计的合理性及布线工艺的可行性进行分析，为新产品的快速推广提供技术支撑。