杜海遙，張丹，展闊杰，左敦穩(wěn)

(南京航空航天大學(xué) 機電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

線纜組件是機電產(chǎn)品中傳輸電源和各種信號的重要器件，廣泛應(yīng)用在軍民兩用的機電產(chǎn)品中。通常在機電產(chǎn)品電器控制系統(tǒng)設(shè)計完成后會根據(jù)各個控制單元的連通情況確定接線表，布線人員根據(jù)接線表對產(chǎn)品樣機進行線纜布置，線纜布置過程中，線纜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和線纜路徑的確定基本依賴于人工經(jīng)驗，需通過多次反復(fù)嘗試不同的布線方案才能最終定型。隨著機電產(chǎn)品的復(fù)雜程度提高，目前商品化三維計算機輔助設(shè)計軟件如Creo/ProE，CATIA，UG等都提供了三維布線功能，在這些軟件上進行三維布線簡化了在樣機上布線的復(fù)雜程度，但是對于線纜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路徑的規(guī)劃依舊只能通過反復(fù)嘗試得到最佳方案。針對線纜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路徑的優(yōu)化，國內(nèi)外學(xué)者都進行了大量的研究，利用各種智能算法快速獲得了近似最優(yōu)的線纜結(jié)構(gòu)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1-2]。

但是這些方法的研究偏重于算法本身，可以獲得線纜布線的路徑，但無法獲得直觀的布線方案，難以應(yīng)用到CAD軟件中的產(chǎn)品數(shù)字化模型中，建立包括機械結(jié)構(gòu)和電纜造型的整機三維模型。因此對機電產(chǎn)品線纜組件進行快速建模，能夠使智能算法獲得的結(jié)果更好的展現(xiàn)在三維模型中，使其能更好地用于解決工程實際問題。

受限于技術(shù)條件，線纜的快速建模的研究開展的較遲，1991年，Caudell等[3]最早提出了將虛擬環(huán)境與線纜布線相結(jié)合的思想。隨著CAD技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，布線方面的研究也越來越多，致力于研究設(shè)計一種易于操作、結(jié)果逼真的布線系統(tǒng)。F.M.Ng等[4]通過對英國五大先進技術(shù)機電公司的布線現(xiàn)狀進行調(diào)查研究，掌握當(dāng)前企業(yè)在線束設(shè)計和規(guī)劃的實際應(yīng)用情況，提出了一種使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行實時線纜布線的方法，通過頭盔顯示器與系統(tǒng)相連，并對效率進行了檢驗，驗證了其可行性。魏發(fā)遠(yuǎn)等[5]利用虛擬樣機技術(shù)的可視性和人機交互能力規(guī)劃出電纜路徑。萬畢樂等[6]在HP Xw8000上開發(fā)了一個虛擬裝配系統(tǒng)進行線纜建模和布線的研究。馬龍等[7]研究了基于能量優(yōu)化的線纜分段建模方式。苗振騰等[8]等以UG為平臺，開發(fā)建立了UG的自動布線系統(tǒng)，并將其集成到UG軟件中，簡化了布線操作。

但是以上的研究都未能很好地將線纜的設(shè)計與建模很好的結(jié)合起來，建模的自動化程度不高。對此，提出了一種基于Pro/Toolkit的線纜組件快速幾何建模方法，針對特定格式的線纜組件信息模型，在Creo軟件中實現(xiàn)線纜組件的快速自動幾何建模。

1 線纜組件的快速幾何建模流程

線纜組件的快速建模分為三步流程(圖1)，線纜組件信息文件的創(chuàng)建、模型信息的讀取與處理、線纜組件三維模型的幾何造型。

圖1 線纜組件的快速幾何建模流程

線纜組件信息文件為建模的輸入條件，是線纜組件的信息模型和線纜組件設(shè)計系統(tǒng)的輸出結(jié)果。在獲得線纜組件信息文件后，對其進行讀取，獲得利用Pro/Toolkit進行建模時所需的參數(shù)信息。最終根據(jù)處理后的參數(shù)信息，調(diào)用相關(guān)函數(shù)，在Creo環(huán)境下進行線纜組件三維模型的幾何造型。

2 線纜組件信息模型

線纜組件信息文件作為線纜組件快速建模的輸入條件，其中存儲內(nèi)容是根據(jù)線纜組件設(shè)計結(jié)果得到的線纜組件信息模型。線纜信息模型作為整個線纜組件快速建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并需要有一個通用的模型結(jié)構(gòu)并以合適的存儲結(jié)構(gòu)存儲。

2.1 線纜組件信息模型結(jié)構(gòu)

線纜組件快速建模，其目的是使算法所獲得的結(jié)果更好地應(yīng)用于工程實際問題，作為輸入條件的線纜信息模型所包含的信息既需要包括線纜的電氣屬性和物理屬性，也需要包含線纜組件的結(jié)構(gòu)及路徑信息。在本文所述的建模方法中，線纜組件的信息模型為線纜建模的輸入條件，其應(yīng)由一組參數(shù)變量表征，并且一組具有明確數(shù)值的參數(shù)變量應(yīng)該可以唯一確定一個線纜組件。根據(jù)生產(chǎn)和設(shè)計的過程將線纜捆扎后形成的各段線纜和線纜束分支結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為線纜分支，線纜分支的端點稱為連通點，其中各段線纜分支共用的連通點稱為分支點，在實際生產(chǎn)中線纜分支上需要固定的點稱為路徑點。

圖2為線纜組件信息模型，由4個參數(shù)信息集組成：物理屬性集、電氣屬性集、結(jié)構(gòu)屬性集、分支路徑集。信息模型中，物理屬性集為線纜中所有的線纜屬性，包括由線纜類型ID、顏色、直徑、最小彎曲半徑組成的一系列參數(shù)組；電氣屬性集為線纜組件中所有的電氣連接關(guān)系，包括每根線纜連接的兩個端口ID以及連接端口所用的線纜類型ID；線纜組件的結(jié)構(gòu)屬性集包含了線纜組件中所有分支點，包括每個分支點ID以及與其相連的連通點(分支點或端口)ID；分支路徑集為線纜組件中所有的分支路徑，分支路徑由包括每段分支的起始連通點ID、路徑點ID幾何、終止連通點ID，其中起始連通點和終止連通點為分支點或端口，每個點ID對應(yīng)一個空間三維坐標(biāo)。

圖2 線纜組件信息模型

2.2 線纜組件信息模型的存儲

在線纜組件信息模型中，物理屬性集和電氣屬性集所反映的是組件中各線纜自身的屬性，而結(jié)構(gòu)屬性集和分支路徑集反映的是線纜組件的布局設(shè)計，并且分支路徑集中各分支是由線纜組件的結(jié)構(gòu)屬性所確定。因此，將線纜組件的信息模型分為屬性和結(jié)構(gòu)及路徑兩部分進行存儲。屬性部分以各單根線纜為單位，存儲其電氣屬性和物理屬性。結(jié)構(gòu)及路徑部分以線纜組件結(jié)構(gòu)中的各分支點為單位，存儲以分支點為端點的各線纜分支及其分支路徑。

現(xiàn)選用的線纜組件信息文件格式為XML格式，其具體的存儲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 線纜組件信息XML文件存儲結(jié)構(gòu)

3 基于Pro/tookit的線纜組件三維幾何建模

Creo中線纜組件的模型分為線纜模型和線纜束模型，線纜模型為在某些線纜分支上未捆扎的單根線纜模型，線纜束模型為多根線纜捆扎在一起的模型。通過對線纜組件信息文件的讀取和處理，獲得建模所需的相關(guān)參數(shù)，包括各線纜以及線纜束信息。在本文所述的快速建模方法中，由于線纜組件的具體路徑點是基于坐標(biāo)確定，并且使用Pro/Toolkit中所提供的相關(guān)函數(shù)進行建模與手動建模有所區(qū)別，所以在建模中先創(chuàng)建線纜束和線纜的屬性特征參數(shù)，再對線纜束進行建模，最后對線纜進行建模，最終生成的模型包括線纜束模型以及在某些線纜分支上未捆扎的單根線纜模型。

線纜組件快速建模主要目的是為了使線纜組件的設(shè)計結(jié)果能應(yīng)用到實際裝配過程中，所以針對線纜組件的路徑，只限制各線纜及線纜束通過設(shè)計結(jié)果中設(shè)定的主要路徑點，而線纜組件在各個路徑點之間的造型則根據(jù)其物理屬性由Creo自動生成。

3.1 線纜束的建模

線纜束的建模順序依照線纜束包含線纜數(shù)量從多到少依次建模。根據(jù)線纜組件信息模型中獲得的線纜束信息，線纜束的路徑為線纜束所在線纜分支的路徑，相鄰的線纜分支上的線纜束會有包含關(guān)系。當(dāng)與線纜束相鄰的其他線纜束尚未建模時，只需依據(jù)線纜束路徑中各點的坐標(biāo)創(chuàng)建基準(zhǔn)點特征，使線纜束通過各點并生成模型，得到的模型即為線纜束的三維模型。

在對結(jié)構(gòu)如圖4(a)中的b1和b2兩根線纜束進行建模時，由于b3線纜束已完成建模，如果按照上文所述的方法建模，會出現(xiàn)如圖4(b)所示情況，圖中3段線纜束的端點雖然為同一分支點，但線纜束模型的端面沒有重合，線纜束之間并沒有柔性的相連，不能體現(xiàn)出3根線纜束之間的包含關(guān)系。針對這種情況，在對線纜束進行建模時，如果與之相鄰的線纜束已完成建模，則通過特征遍歷的方法，獲得線纜束公共端線纜路徑點特征ID，并使當(dāng)前建模的線纜束通過該線纜路徑點而不是創(chuàng)建的基準(zhǔn)點，這樣可以得到圖4(c)所示的效果。

圖4 線纜束通過同一線纜路徑點

對圖4(a)所示的線纜束拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在線纜設(shè)計時，線纜束所包含的線纜有可能會出現(xiàn)如圖5(a)所示的特殊情況，即相鄰3根線纜束之間沒有包含關(guān)系。所以在進行建模時，需對當(dāng)前建模線纜束進行判斷，如果其和與其相鄰的線纜束之間沒有包含關(guān)系，則對該線纜束向內(nèi)縮進一段距離進行建模，獲得如圖5(b)所示的效果。

圖5 線纜束特殊情況

3.2 線纜的建模

線纜的建模采用分段建模的方式，根據(jù)線纜通過的線纜分支順序進行建模。對于未與其他線纜捆扎的線纜段，每段的建模方式與線纜束建模類似，根據(jù)其路徑坐標(biāo)創(chuàng)建基準(zhǔn)點，并使線纜依次通過各基準(zhǔn)點或線纜路徑點并生成模型。對于與其他線纜捆扎的線纜段，根據(jù)線纜束兩端線纜路徑點特征ID使線纜通過線纜束兩端的線纜路徑點，由于線纜束的模型已經(jīng)生成，所以捆扎段線纜的模型不會重復(fù)生成，但其路徑信息將會記錄在該線纜的相應(yīng)屬性和參數(shù)中。最終得到的模型效果如圖6所示。

圖6 線纜及其所屬線纜束結(jié)構(gòu)及模型

4 應(yīng)用實例

現(xiàn)以某機電產(chǎn)品線纜組件進行快速建模。其接線表見表1，其線纜分支結(jié)構(gòu)如圖7所示。

表1 線纜組件接線表

圖7 線纜組件分支結(jié)構(gòu)

根據(jù)線纜組件的接線表和分支結(jié)構(gòu)以及各段線纜的具體路徑，獲得線纜組件的信息文件，其XML文件如圖8所示。經(jīng)過讀取和數(shù)據(jù)重構(gòu)，對獲得的線纜進行建模，最終獲得該機電產(chǎn)品的線纜組件三維模型如圖9所示。

圖8 線纜組件信息XML文件

圖9 某機電產(chǎn)品線纜組件三維模型

5 結(jié)語

針對線纜組件的設(shè)計和生產(chǎn)過程，結(jié)合線纜組件的物理屬性、電氣屬性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、路徑信息設(shè)計了一種線纜組件信息模型，并利用Creo二次開發(fā)工具Pro/Toolkit針對線纜組件的參數(shù)信息進行了線纜組件的幾何建模，獲得效果較好符合實際的線纜組件三維模型。提出的線纜組件信息模型，為線纜組件的設(shè)計系統(tǒng)提供了一種規(guī)范的輸出格式，使其結(jié)果能夠更好地應(yīng)用在實際生產(chǎn)和三維建模中。通過讀取信息模型，并處理相應(yīng)的參數(shù)信息，在Creo中進行幾何建模，最終得到的線纜組件幾何模型,為線纜組件實際生產(chǎn)提供了直觀的參考，使實際生產(chǎn)過程更加規(guī)范化，提高了機電產(chǎn)品研發(fā)過程中線纜組件的設(shè)計周期，減少了研發(fā)成本，從而提高了研發(fā)效率和生產(chǎn)效率。

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