楊 淑

（明導(dǎo)（上海）電子科技有限公司，上海 200120）

近年來，隨著國內(nèi)新能源汽車的普及和智能網(wǎng)聯(lián)的發(fā)展，汽車上不僅出現(xiàn)了新功能的電子產(chǎn)品，原有單純的機械系統(tǒng)在許多領(lǐng)域都實現(xiàn)了機電一體化控制［1］。當(dāng)前客戶對定制化車型的需求日益增長，市場競爭加劇，這就要求整車廠必須加速產(chǎn)品研發(fā)進度和產(chǎn)品迭代，快速推出產(chǎn)品響應(yīng)市場需求［2］。與此同時，線束系統(tǒng)的設(shè)計品質(zhì)直接關(guān)系到車輛的安全性，因此汽車線束系統(tǒng)的設(shè)計變得更為重要和嚴(yán)格。本文主要關(guān)注目前線束行業(yè)主流的設(shè)計模式并重點介紹基于ECAD與MCAD協(xié)同的線束設(shè)計方法。

1 目前主流的線束設(shè)計方法

1.1 基于AUTOCAD+Excel的線束設(shè)計

目前不少線束供應(yīng)商仍然采用基于二維機械制圖軟件AUTOCAD的二維圖紙和Excel表格完成線束設(shè)計［3］，這種開發(fā)方式最大的弊端就是無法復(fù)用設(shè)計數(shù)據(jù)，導(dǎo)致產(chǎn)品開發(fā)周期長，無法快速響應(yīng)市場需求。這種基于圖形元素而不是數(shù)據(jù)對象的開發(fā)方式和理念已經(jīng)難以應(yīng)對近年來電子電氣領(lǐng)域的突破性和爆發(fā)性發(fā)展。

1.2 基于三維MCAD的線束設(shè)計

為了應(yīng)對配置不斷增多且日趨復(fù)雜的線束系統(tǒng)所帶來的復(fù)雜性、可靠性、模塊化和集成化以及產(chǎn)品快速迭代等挑戰(zhàn)，國內(nèi)外不少的整車廠在電氣系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計階段都采用比如CATIA/NX等三維MCAD（Mechanical CAD）軟件進行線束布置和布線［4］。

首先，這種設(shè)計方式需要在三維布置階段完成電源分配、線束防護和導(dǎo)線路徑優(yōu)化等工作，但目前國內(nèi)難以實現(xiàn)［5］。

其次，目前國內(nèi)絕大多數(shù)的供應(yīng)商無法根據(jù)三維數(shù)據(jù)直接進行線束加工制造，線束二維圖紙和后續(xù)的工裝板設(shè)計仍然是線束制造的重要輸入信息。在設(shè)計流程上要先進行線束三維設(shè)計，之后電氣工程師按照自身經(jīng)驗和標(biāo)準(zhǔn)部門法規(guī)以及各電氣子系統(tǒng)模塊信息設(shè)計整車電氣原理，確定線束附件的設(shè)置，最后完成二維線束圖紙［6］。

1）導(dǎo)致線束二維圖紙設(shè)計無法與線束三維同步并行設(shè)計，兩者之間缺乏有效的信息交流，導(dǎo)致線束系統(tǒng)開發(fā)周期變長。

2）設(shè)計流程本身嚴(yán)重依賴于工程師的經(jīng)驗積累，人員流動等因素會影響線束設(shè)計品質(zhì)和設(shè)計進度。

3）基于MCAD的線束設(shè)計也難以應(yīng)對當(dāng)前客戶日益增長的車型定制化需求和產(chǎn)品快速迭代帶來的設(shè)計變更等挑戰(zhàn)。

1.3 基于ECAD+MCAD協(xié)同的線束設(shè)計

考慮到日益增長的整車機電系統(tǒng)復(fù)雜性所帶來的影響，目前適合國內(nèi)線束設(shè)計行業(yè)的最佳方案是確保所用的系統(tǒng)允許工程師在整個設(shè)計過程中以一致的方式交換電氣ECAD（Electrical CAD）和機械MCAD數(shù)據(jù)，即基于ECAD與MCAD的線束協(xié)同開發(fā)，這種設(shè)計模式可以帶來如下的目標(biāo)收益。

1）專業(yè)的線束ECAD工具能夠應(yīng)對日趨復(fù)雜的整車電氣系統(tǒng)所帶來的各種挑戰(zhàn)。借助ECAD工具，可以最高效的方式復(fù)用各種零件數(shù)據(jù)庫、圖形數(shù)據(jù)庫以及所有的電氣原理設(shè)計和二維線束圖設(shè)計；利用內(nèi)置的完善的“設(shè)計規(guī)則檢查”來檢驗線束設(shè)計的正確性與準(zhǔn)確性；個性化的圖紙風(fēng)格定義即同一張圖紙數(shù)據(jù)在不同的風(fēng)格下進行不同的風(fēng)格展示，避免了重復(fù)性的產(chǎn)品開發(fā)。

2）一致的數(shù)據(jù)交換可以確保線束在電氣ECAD和機械MCAD領(lǐng)域的設(shè)計能夠互相兼容，雙方團隊可以及時有效地針對發(fā)現(xiàn)的問題進行溝通，盡早規(guī)避可能帶來的返工風(fēng)險。

3）ECAD和MCAD工具的協(xié)同使線束設(shè)計變得連貫，優(yōu)化了產(chǎn)品研發(fā)的流程，使得整個設(shè)計流程以高效率的并行方式進行。這將更有利于創(chuàng)建更準(zhǔn)確的線束設(shè)計并提高生產(chǎn)率，最終可以縮短產(chǎn)品上市時間。

在ECAD工具方面，目前在汽車線束行業(yè)廣泛應(yīng)用的一款ECAD工具是由西門子工業(yè)軟件公司專為線束設(shè)計行業(yè)提供的一款以數(shù)據(jù)為中心的汽車電線束系統(tǒng)設(shè)計全流程解決方案Capital。這款ECAD工具套件包含了數(shù)十個功能強大的子模塊，主要包含了Capital Logic整車原理設(shè)計工具、Capital Topology整車拓撲設(shè)計工具、Capital HarnessXC整車二維圖紙設(shè)計工具以及Capital Bridge模塊用于和MCAD工具進行數(shù)據(jù)交互。整車廠和線束供應(yīng)商的工程師可在Capital工具中高效創(chuàng)建并利用電氣設(shè)計數(shù)據(jù)，Capital強大的技術(shù)能力可壓縮產(chǎn)品定義、設(shè)計、驗證、制造、服務(wù)等環(huán)節(jié)的成本，此外還高度開放了軟件的API接口用于擴展軟件功能，被國內(nèi)外主流汽車整車廠廣泛采用為線束系統(tǒng)開發(fā)平臺。

在MCAD工具方面，CATIA是達索公司推出的一款在汽車行業(yè)應(yīng)用非常廣泛的三維MCAD工具。國內(nèi)有客戶在CATIA中完成線束三維布置得到分支及線束段長度信息，之后在Capital工具集中的HarnessXC模塊實現(xiàn)線束附件選擇、焊點位置設(shè)置與優(yōu)化以及線束段覆蓋物等設(shè)計。目前，國內(nèi)整車廠如一汽商用車已經(jīng)成功采用Capital與CATIA的聯(lián)合開發(fā)模式，如圖1所示，并受益于線束設(shè)計工作平臺化、智能化，電氣系統(tǒng)的品質(zhì)得到了有效提升［5］。江淮汽車采用這種Capital與CATIA協(xié)同平臺使得線束設(shè)計信息化、平臺化，設(shè)計流程規(guī)范化，為設(shè)計校核時間提前至設(shè)計初期，提升了早期發(fā)現(xiàn)設(shè)計錯誤的能力，并積累了信息化設(shè)計工具應(yīng)用經(jīng)驗［6］。

圖1 汽車線束系統(tǒng)設(shè)計流程

在MCAD方面，西門子公司推出的NX是一款既靈活又具有強大功能的集成式解決方案，是另一款被汽車行業(yè)廣泛應(yīng)用的MCAD工具。目前國內(nèi)論文在ECAD和NX協(xié)同的線束設(shè)計方面的介紹很少，本文將以此詳細展開介紹。

2 基于Capital+NX的協(xié)同方案

2.1 基于XML文件的Capital與NX協(xié)同設(shè)計

XML是一種用于存儲數(shù)據(jù)的跨平臺格式，具有豐富的可擴展性，因此開發(fā)基于XML格式的接口用于Capital與NX工具之間的數(shù)據(jù)交互是一種可行方案，比如西門子公司開發(fā)的PLM XML可被用于Capital與NX之間的數(shù)據(jù)交互。

2.1.1 Capital與NX在電氣原理設(shè)計階段的協(xié)同

首先，ECAD工程師即整車電氣原理設(shè)計人員需要在Capital中創(chuàng)建接線和連接布局，然后把電氣連接性導(dǎo)出給PLMXML格式的文件傳遞給NX，如圖2步驟1所示。

圖2 Capital與NX在整車電氣原理圖階段協(xié)同

其次，MCAD工程師把數(shù)據(jù)導(dǎo)入NX，電氣數(shù)據(jù)則自動鏈接到NX中的三維對象，如圖2步驟2所示。之后可以在車輛或者部件中進行布線，并把經(jīng)過MCAD工具加工處理過的數(shù)據(jù)導(dǎo)出為PLMXML格式的文件傳遞給ECAD工程師。

最后，ECAD工程師將MCAD工程師傳遞回來的數(shù)據(jù)導(dǎo)入工具中對數(shù)據(jù)進行一系列基于規(guī)則的設(shè)計規(guī)則檢查，如圖2步驟3所示。這將使得ECAD工具中的接線具有三維工具計算出的精確導(dǎo)線長度信息，據(jù)此信息可以進行精確的電氣分析，比如電壓降等。

2.1.2 Capital與NX在線束設(shè)計階段的協(xié)同

首先，MCAD工程師導(dǎo)出PLMXML格式的線束描述文件，該文件包含了分支走向與長度、連接器零件號、焊點與卡扣等線束附件信息，如圖3步驟1所示。

圖3 Capital與NX在線束設(shè)計階段協(xié)同

其次，ECAD電氣工程師通過Capital內(nèi)置的變更管理工具“Change Manager”來對線束文件展平成“魚骨圖”，并評估是否接受或者拒絕某一項線束信息變更，如圖3步驟2所示。

最后，ECAD電氣工程師可以將PLMXML文件中包含的線束信息增量的方式添加到CapitalHarnessXC或者ModularXC中的二維線束圖上，如圖3步驟3所示。

2.2 ECAD與MCAD協(xié)同下的變更管理

日益復(fù)雜的整車電氣系統(tǒng)導(dǎo)致進行線束設(shè)計時會有數(shù)以千計的設(shè)計變更單，影響著線纜的類型、長度和物理布局等信息。一種可靠的變更管理方法對于整車電氣設(shè)計與機械設(shè)計至關(guān)重要。

比如，針對一輛具有自動駕駛功能的汽車，制造工程師可能需要把激光雷達的安裝位置按照工程需要移動到另一位置。這很可能需要對線束進行重新布局，甚至可能需要增加一個焊點來應(yīng)對這種位置調(diào)整。激光雷達工頻高達600MHz，所以改變線纜的長度或者增加一個焊點很可能會危害雷達重要信號的信號完整性。此時，單純改變一個雷達的位置會導(dǎo)致電氣與機械方面的多個設(shè)計變更單，這就需要能更好地從成本、質(zhì)量、平衡以及功能等多個方面去驗證變更的合理性。

變更管理的挑戰(zhàn)在于如何高效和快速地進行變更跟蹤，這主要體現(xiàn)在如下兩方面。

1）如何自動合并數(shù)據(jù)并將設(shè)計變更清晰地呈現(xiàn)給設(shè)計人員。Capital內(nèi)置的先進變更管理工具可自動創(chuàng)建設(shè)計變更清單，如圖4所示。設(shè)計人員可以清晰地查看哪些對象跟當(dāng)前圖紙上的數(shù)據(jù)有差異，并可以手工進行“確認(rèn)變更”。

圖4 Capital變更管理器界面

通過該清單，ECAD設(shè)計人員使用變更管理器可以通過“展平”功能預(yù)覽一組變更，展平方式可以是三維展平（圖5）、正交展平（圖6）或展開（圖7）。

圖5 三維展平預(yù)覽

圖6 正交展平預(yù)覽

圖7 展開方式預(yù)覽

2）定義好完善的變更策略，包括主數(shù)據(jù)以及變更的流動方向。

Capital內(nèi)置的變更管理工具ChangeManager模塊具有豐富的綜合選項，可用于對各個設(shè)計流程定制不同的變更策略。比如，可以通過自定義規(guī)則來指定MCAD導(dǎo)出的PLMXML文件只對ECAD中的二維圖紙上的連接器的質(zhì)量進行更新，而不能更新其電氣屬性等。

3 結(jié)論

從信息系統(tǒng)的應(yīng)用角度看，線束設(shè)計ECAD工具和MCAD工具的整合必將帶來設(shè)計流程的優(yōu)化，流程優(yōu)化的最顯著效果就是效率的提升。Capital作為先進的整車電氣系統(tǒng)開發(fā)平臺，可以幫助整車廠應(yīng)對日趨復(fù)雜的線束設(shè)計并支持設(shè)計數(shù)據(jù)的復(fù)用。整車廠可以借助Capital與NX協(xié)同平臺進行線束并行開發(fā)，加速產(chǎn)品設(shè)計，快速迭代，占領(lǐng)市場，提高了整車電線束系統(tǒng)開發(fā)的效率和可靠性，這種設(shè)計模式必將成為電氣線束系統(tǒng)開發(fā)的發(fā)展趨勢。