汽車線束內(nèi)聯(lián)工藝自動規(guī)劃算法

凌欣南， 張 龍， 徐本柱

（1.合肥江淮新發(fā)汽車有限公司，安徽 合肥 230601；2.合肥工業(yè)大學(xué) 計算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引言

隨著人們對汽車的安全性、舒適性、動力性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和可靠性等各項(xiàng)性能指標(biāo)要求的不斷提高，汽車上的電器設(shè)備、功能也日趨增多，因此連接汽車電器件的線束也變得越來越重要［1－2］。汽車線束在生產(chǎn)之前，需要首先分析線束圖紙［3］，提取其包含的工序種類以及數(shù)目，然后進(jìn)行合理的 工 藝 規(guī) 劃［4－5］、制 定 高 效 的 工 藝 路 線［6－7］以提高實(shí)際生產(chǎn)的效率，最后經(jīng)過裁線、壓接、組裝等一系列復(fù)雜的工序才能加工完成。然而，通常一款中等規(guī)模的汽車線束，其包含的工序達(dá)數(shù)千道之多。對于線束的工藝設(shè)計，國內(nèi)很多線束生產(chǎn)企業(yè)都是使用通用CAD軟件進(jìn)行直接繪圖，但是目前市面上的通用CAD軟件基本上都是面對多專業(yè)的帶有共性的開發(fā)平臺，它所涵蓋的范疇相對較大，在其環(huán)境下繪制圖形時沒有賦予特定領(lǐng)域所具有的語義［8］。這是一種低層次的設(shè)計方法，系統(tǒng)僅僅產(chǎn)生用戶設(shè)計的結(jié)果，如二維或三維圖形，用戶在繪圖時無法精確地表達(dá)設(shè)計意圖，因此也不能很好地理解設(shè)計［9］。

汽車線束的內(nèi)聯(lián)設(shè)計是線束工藝設(shè)計中的重要步驟，是線束生產(chǎn)過程中必不可少的環(huán)節(jié)。線束內(nèi)聯(lián)設(shè)計需要工藝設(shè)計人員根據(jù)導(dǎo)線連接回路表，分析汽車線束圖紙中各種電器件及導(dǎo)線的復(fù)雜連接關(guān)系，同時分析各個導(dǎo)通回路之間的約束，確定中間壓接端子的位置（稱之為內(nèi)聯(lián)點(diǎn)），并由此計算各導(dǎo)線的下線尺寸，最后還要制作內(nèi)聯(lián)工藝卡等工藝文件用于指導(dǎo)車間的生產(chǎn)。如果純粹依靠工藝設(shè)計人員手動進(jìn)行整個內(nèi)聯(lián)設(shè)計，計算工作量非常大，錯誤率高，效率低。據(jù)統(tǒng)計，由一名操作熟練的工藝設(shè)計人員單獨(dú)完成一套整車線束內(nèi)聯(lián)設(shè)計至少需要2周時間，且正確率經(jīng)常不能得到有效保證。本文針對目前汽車線束生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行線束內(nèi)聯(lián)設(shè)計工作量大、錯誤率高、效率低、與企業(yè)追求信息化的需要脫節(jié)等問題［2］，基于ObjectARX2007開發(fā)包，以SQL Server2005為后臺數(shù)據(jù)庫，對AutoCAD軟件進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一個汽車線束內(nèi)聯(lián)設(shè)計系統(tǒng)。

本系統(tǒng)可以自動從線束圖紙中提取出所有內(nèi)聯(lián)回路（導(dǎo)通回路），并且根據(jù)參與壓接的各根導(dǎo)線所在接插件的位置，生成內(nèi)聯(lián)設(shè)計交互環(huán)境，同時提示可供用戶選擇的內(nèi)聯(lián)點(diǎn)和可能發(fā)生位置干涉的內(nèi)聯(lián)點(diǎn)。線束工藝設(shè)計人員只需根據(jù)系統(tǒng)的提示輸入內(nèi)聯(lián)點(diǎn)位置，系統(tǒng)便可自行生成內(nèi)聯(lián)工藝卡。

1 汽車線束工藝圖及內(nèi)聯(lián)回路的定義

汽車線束主要由導(dǎo)線、接插件、包裹件、緊固件以及壓接端子等幾部分組成。汽車線束工藝圖如圖1所示，它是對線束的抽象和圖形化表示，主要描述線束中各導(dǎo)線間連接關(guān)系、功能布局和幾何尺寸等信息，其中接插件包含了除線長之外的導(dǎo)線線號、顏色、線徑等信息。

研究其導(dǎo)線部分，線束本質(zhì)上是一個無向連通無環(huán)圖，下面給出線束工藝圖中的端點(diǎn)、結(jié)點(diǎn)和線束段等的定義。

圖1 線束工藝圖

圖1中，度為1的結(jié)點(diǎn)為線束工藝圖的端點(diǎn)，是多根導(dǎo)線線端的集合d＝｛1，2，…，n｝，其中1，2，…，n為導(dǎo)線的線號（表示一根導(dǎo)線的線端，也可表示為1A、50B等），一般端點(diǎn)連接到接插件，所有端點(diǎn)的集合記為D；線束工藝圖的分支點(diǎn)是圖1中度為2或2以上的結(jié)點(diǎn)，為線束工藝圖的分支點(diǎn)，記錄著線束的定位信息，描述其分支情況，所有分支點(diǎn)的集合記為B；線束工藝圖中端點(diǎn)和分支點(diǎn)統(tǒng)稱為結(jié)點(diǎn)，將線束工藝圖結(jié)點(diǎn)順序編號，所有結(jié)點(diǎn)集合V＝D∪B＝｛v1，v2，…，vk｝為結(jié)點(diǎn)的集合。線束工藝圖中連接2個結(jié)點(diǎn)的邊稱為線束段，設(shè)頂點(diǎn)u，v∈V為線束工藝圖的結(jié)點(diǎn)，則邊e＝（u，v）為線束段，它是導(dǎo)線的集合，線束段內(nèi)包含1根或多根導(dǎo)線。線束工藝圖中所有線束段的集合記為E＝｛e1，e2，…，en｝。

1根或多根物理上連接在一起可以相互導(dǎo)通電流的導(dǎo)線集合稱之為線束工藝圖的導(dǎo)通回路，記為CL（connection loop），可以用線束段序列｛e1，e2，…，ek｝表示，其中ei∈E對應(yīng)該線束段中的1根實(shí)際導(dǎo)線。

為了在內(nèi)聯(lián)設(shè)計過程中針對不同情況實(shí)施不同的處理方法，本文先對導(dǎo)線進(jìn)行分類，線束圖紙中的導(dǎo)線根據(jù)電路邏輯連接關(guān)系可以分為2大類：單根線和內(nèi)聯(lián)線。

（1）單根線。對于給定的導(dǎo)線全集W＝｛w1，…，wi，…，wn｝，若wi與其他任何導(dǎo)線wj（wi，wj∈W，1≤i，j≤n，i≠j）均不構(gòu)成導(dǎo)通回路，則稱wi為單根線。單根線的兩端通常直接插于不同接插件的端口中。

（2）內(nèi)聯(lián)線。對于給定的導(dǎo)線全集W＝｛w1，…，wi，…，wn｝，若wi與其他任何導(dǎo)線wj（wi，wj∈W，1≤i，j≤n，i≠j）能構(gòu)成導(dǎo)通回路，則稱wi為內(nèi)聯(lián)線。wi的一端通常插于接插件的端口中，而另一端與wj通過中間壓接端子連接，形成內(nèi)聯(lián)回路。

2 內(nèi)聯(lián)回路的自動提取和規(guī)劃算法

2.1 內(nèi)聯(lián)回路自動提取算法

線束的回路表如圖2所示，它記錄線束工藝圖中的各導(dǎo)線端點(diǎn)的線號和位置，簡潔明了地反映各回路的組成，表中每個回路號對應(yīng)的線號集組成一條回路線號集?；芈繁碇邪男畔⒈姸?，人工輸入耗時費(fèi)力并容易出錯，需要考慮回路表的自動生成，目前根據(jù)不同的線號規(guī)則和輸入原則有3種生成回路表的方式。

圖2 線束的回路表

（1）基于線號命名規(guī)則方式。線號的命名采用如下規(guī)則：線號是數(shù)字加字母的組合，其中數(shù)字表明回路號，字母表示回路的端點(diǎn)，如1A、1B、1C、1D構(gòu)成1號回路，并且具有4個端點(diǎn)，基于本規(guī)則可以提取出回路表。該方式無需顯示輸入回路信息，由線束工藝圖給出線束的回路表就是這種方式。

（2）預(yù)先輸入導(dǎo)線兩端的連接情況。這種方式主要輸入內(nèi)聯(lián)線的信息，繪制線束工藝圖之前手動輸入每根導(dǎo)線兩端的連接情況，如1A一端連接接插件，一端連接1B，表明1A、1B同屬于一個回路，再根據(jù)1B的連接情況確定回路組成。單根線的兩端都與接插件相連接，不與其他導(dǎo)線合壓并且兩端線號相同，可以不用另行輸入。

（3）自定義方式。線束工藝圖繪制完成后，自動將圖中出現(xiàn)的線號全部列出，由操作者選擇一些線號作為回路，指明回路組成情況，最后搜索線束圖紙產(chǎn)生回路表。

為正確提取線束工藝圖中的回路信息，除了需要各回路的線號組成外，還需作以下約定：

（1）回路表中線號所對應(yīng)的任意一個頂點(diǎn)都可在線束工藝圖的端點(diǎn)中找到。

（2）線束工藝圖中的任意一個端點(diǎn)（度為1的結(jié)點(diǎn)）都至少在回路表中出現(xiàn)1次，這也保證了每一個都接有電氣元件。

上述約定可以保證算法處理的點(diǎn)都是線束工藝圖中的端點(diǎn)，同時可以對每一個有效結(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合模型表示，根據(jù)回路提取算法1從線束工藝模型中提取出回路信息，作為內(nèi)聯(lián)設(shè)計的依據(jù)，進(jìn)而產(chǎn)生線束BOM。

算法1 線束工藝圖回路提取算法。

輸入：線束工藝圖和回路表。

輸出：線束工藝圖所有回路。

步驟如下：

（1）對線束工藝圖基于上述約束規(guī)則進(jìn)行檢測。若滿足，算法繼續(xù)；否則，返回錯誤請求修改。

（2）從回路表中取回路線號集規(guī)則CSR＝｛wn1，wn2，…，wnk｝表示的回路，其中wni為回路中的線號，k為線號個數(shù)，CSR?WN，初始化該回路CL＝?。

（3）搜索接插件集合C，尋找c使得c∈C，c與wn1相連接，記錄接插件c的名稱及孔位信息和連接端點(diǎn)d，令i＝2。

（4）＋＋i，深度搜索圖得到x1與xi之間路徑CL′＝｛e1，e2，…，el｝，搜索C，尋找c使得c∈C，c與wni相連接，記錄接插件c的名稱、孔位和端點(diǎn)信息，令j＝1。

（5）如果線束段ej?CL，將ej加入CL，＋＋j。

（6）如果j≤l，轉(zhuǎn)步驟（5）。

（7）如果i≤k，轉(zhuǎn)步驟（4）。

（8）對在導(dǎo)通回路CL中首尾相接、構(gòu)成一條直線的多條線執(zhí)行合并操作。

（9）將回路CL中相關(guān)信息保存到回路表中（顯然CL?E）。

（10）回路表中回路已處理完則算法結(jié)束；否則跳至步驟（2）。

線束工藝圖含有6條回路線號集，運(yùn)行算法1可以對其進(jìn)行分解，最終獲得6個回路，如圖3所示，其中1～3號回路為內(nèi)聯(lián)回路，4～6號回路則是單根線。

圖3 回路提取結(jié)果

2.2 內(nèi)聯(lián)回路規(guī)劃算法

提取全部回路信息后可求出單根線的導(dǎo)線組成和線長，但不能確定內(nèi)聯(lián)回路的導(dǎo)線組成和長度，還需要指定其內(nèi)聯(lián)點(diǎn)，確定導(dǎo)線間的連接后方可求出其導(dǎo)線組成及每根線的長度。

內(nèi)聯(lián)點(diǎn)（connection point，簡稱CP）是內(nèi)聯(lián)回路CL中2根或以上導(dǎo)線物理連接的位置，在CP處用中壓端子將導(dǎo)線連接在一起，構(gòu)成導(dǎo)通回路。由于安全及成本關(guān)系，內(nèi)聯(lián)點(diǎn)不能選在分支點(diǎn)上，必須偏移一定的距離，一般在20～50mm。同時內(nèi)聯(lián)點(diǎn)必須在內(nèi)聯(lián)回路上，不能存在于獨(dú)立導(dǎo)線中，否則會產(chǎn)生多余的中間壓接端子，造成材料浪費(fèi)。

算法2 內(nèi)聯(lián)回路規(guī)劃算法。

輸入：線束工藝圖所有回路。

輸出：內(nèi)聯(lián)工藝卡片、BOM等工藝文件。

步驟如下：

（1）根據(jù)線束圖紙語義模型中導(dǎo)線的邏輯連接關(guān)系，提取出各個內(nèi)聯(lián)回路，并建立連接回路表。

（2）取出連接回路表中的一個未處理內(nèi)聯(lián)回路，為其生成內(nèi)聯(lián)設(shè)計交互環(huán)境。

（3）用戶輸入內(nèi)聯(lián)點(diǎn)，并保證其滿足前文所述的2個約束條件。

（4）內(nèi)聯(lián)點(diǎn)確定后，分析內(nèi)聯(lián)回路中導(dǎo)線實(shí)際物理連接關(guān)系并計算每根導(dǎo)線的長度尺寸。

（5）根據(jù)導(dǎo)線屬性，在專業(yè)知識數(shù)據(jù)庫的支持下，自動為導(dǎo)線添加端壓端子和中間壓接端子。

（6）根據(jù)當(dāng)前設(shè)計要求，選擇添加熱縮管等附加件。

（7）為內(nèi)聯(lián)回路生成內(nèi)聯(lián)工藝卡。

（8）重復(fù)步驟（2）～步驟（7），直至把連接回路表中所有的內(nèi)聯(lián)回路處理完畢。

內(nèi)聯(lián)回路CL中所有的內(nèi)聯(lián)點(diǎn)構(gòu)成CL的內(nèi)聯(lián)點(diǎn)集合，記為CPSCL。若內(nèi)聯(lián)點(diǎn)CPi處于其他2個內(nèi)聯(lián)點(diǎn)CPj、CPk之間，則稱CPi為中間內(nèi)聯(lián)點(diǎn)。如圖4所示，CP2和CP3是中間內(nèi)聯(lián)點(diǎn)，CP1和CP2則為非中間內(nèi)聯(lián)點(diǎn)。內(nèi)聯(lián)點(diǎn)CP是內(nèi)聯(lián)回路CL的非中間內(nèi)聯(lián)點(diǎn)，記為CPi→CL。

圖4 中間內(nèi)聯(lián)點(diǎn)與非中間內(nèi)聯(lián)點(diǎn)

內(nèi)聯(lián)回路在選定內(nèi)聯(lián)點(diǎn)的情況下并不能完全確定導(dǎo)線的實(shí)際物理連接關(guān)系，如圖5所示。圖5a所示為內(nèi)聯(lián)回路CL中選擇了2個內(nèi)聯(lián)點(diǎn)CP1、CP2，于是對于端點(diǎn)d2中的導(dǎo)線連接便有2種可能性：一種是連接到內(nèi)聯(lián)點(diǎn)CP1上，如圖5b中虛線所示；另一種是連接到內(nèi)聯(lián)點(diǎn)CP2上，如圖5c中虛線所示。在這2種情況中，頂點(diǎn)d2中導(dǎo)線的長度尺寸也會有所不同。

圖5 導(dǎo)線的實(shí)際物理連接關(guān)系

根據(jù)內(nèi)聯(lián)點(diǎn)選擇的具體位置，線束內(nèi)聯(lián)設(shè)計就是把內(nèi)聯(lián)回路的無向連通圖結(jié)構(gòu)變換成符合導(dǎo)線實(shí)際物理連接關(guān)系的有向樹。對于已指定內(nèi)聯(lián)點(diǎn)的內(nèi)聯(lián)回路，可以構(gòu)建出表示其所包含導(dǎo)線的實(shí)際物理連接關(guān)系的有向樹。

首先選擇內(nèi)聯(lián)回路CL中合法的內(nèi)聯(lián)點(diǎn)，然后確定CL的主內(nèi)聯(lián)點(diǎn)，主內(nèi)聯(lián)點(diǎn)確定規(guī)則如下：

內(nèi)聯(lián)點(diǎn)CP的度定義為內(nèi)聯(lián)回路中不通過其他內(nèi)聯(lián)點(diǎn)而直接與其連接的端點(diǎn)個數(shù)，記為degree（CP），令δ（CL）＝min｛degree（CP）｜CP∈CPSCL∧CP→CL｝，則集合CPSCL中所有滿足degree（CP）＝δ（CL）∧CP→CL的內(nèi)聯(lián)點(diǎn)作為主內(nèi)聯(lián)點(diǎn)，如果滿足該條件的內(nèi)聯(lián)點(diǎn)不止1個，則任取其中1個作為主內(nèi)聯(lián)點(diǎn)。主內(nèi)聯(lián)點(diǎn)起著確定內(nèi)聯(lián)回路CL中各導(dǎo)線實(shí)際連接方向的作用。

最后以確定的主內(nèi)聯(lián)點(diǎn)CPm為有向樹的根結(jié)點(diǎn)，采用廣度優(yōu)先搜索算法遍歷內(nèi)聯(lián)回路CL，獲得的廣度優(yōu)先搜索數(shù)即為所求。

內(nèi)聯(lián)回路的有向樹如圖6所示。對圖6a所示內(nèi)聯(lián)回路，選定內(nèi)聯(lián)點(diǎn)為CP1和CP2，可知與CP1直接相連端點(diǎn)為d2和d3，與CP2直接相連端點(diǎn)為d3、d4和d5，故有degree（CP1）＝2，degree（CP2）＝3，因而選CP1為主 內(nèi)聯(lián)點(diǎn)，以CP1為根進(jìn)行廣度優(yōu)先搜索如圖6c所示的有向樹。根據(jù)該有向樹可知這個內(nèi)聯(lián)回路由5根導(dǎo)線組成，其中d2和d3連接到CP1，d4和d5連接到CP2，CP1和CP2相連導(dǎo)線為內(nèi)聯(lián)點(diǎn)間的導(dǎo)線，稱為中段，需要人工指定其規(guī)格。

圖6 內(nèi)聯(lián)回路的有向樹

3 系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例

圖7所示為利用本系統(tǒng)繪制出來的線束工藝輔助設(shè)計系統(tǒng)樣例。

圖7 線束工藝輔助設(shè)計系統(tǒng)樣例

圖8所示為內(nèi)聯(lián)規(guī)劃算法交互環(huán)境。

圖8 內(nèi)聯(lián)規(guī)劃算法及交互環(huán)境

圖9所示為系統(tǒng)自動生成的內(nèi)聯(lián)工藝卡，目前根據(jù)本規(guī)劃算法所生成的內(nèi)聯(lián)工藝卡已經(jīng)應(yīng)用于新發(fā)公司實(shí)際生產(chǎn)之中，較之以前的人工規(guī)劃，極大地提高了效率和準(zhǔn)確性。

圖9 內(nèi)聯(lián)工藝卡片

4 結(jié)束語

本文針對線束內(nèi)聯(lián)設(shè)計的特點(diǎn)，總結(jié)了線束內(nèi)聯(lián)設(shè)計過程中的工程語義約束信息，并建立關(guān)聯(lián)圖模型，通過內(nèi)聯(lián)回路自動提取算法以及規(guī)劃算法自動完成對整個線束圖紙的內(nèi)聯(lián)設(shè)計序列規(guī)劃。最后的實(shí)例表明該方法是有效可行的，能較好地解決大線束圖紙中內(nèi)聯(lián)設(shè)計序列規(guī)劃問題。本方法的最大優(yōu)點(diǎn)是整個內(nèi)聯(lián)設(shè)計序列規(guī)劃能夠自動完成，不需要與用戶進(jìn)行交互。然而由本文方法得到的內(nèi)聯(lián)設(shè)計序列僅是所有可行內(nèi)聯(lián)設(shè)計序列中的一個，并不能確保其是最優(yōu)的，原因在于當(dāng)多個接插件的“內(nèi)聯(lián)度”和“單聯(lián)度”都相等時，主件選擇具有一定的隨機(jī)性。此外，若遇到線束圖紙中存在某些極端情況，如大接插件與其他所有接插件均有回路約束關(guān)系時，該算法會把整個線束作為一個子裝配體。如果能夠進(jìn)一步總結(jié)線束內(nèi)聯(lián)設(shè)計過程中的其他約束，如設(shè)定主件的內(nèi)聯(lián)回路數(shù)目閾值，考慮壓接位置約束、子裝配體數(shù)目約束等，將使自動內(nèi)聯(lián)設(shè)計規(guī)劃的結(jié)果更符合工程設(shè)計上的要求，進(jìn)一步提高裝配的效率。

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