基于Creo/Cabling的電力電子設(shè)備三維布線應(yīng)用

鄭　超，曹　倫，周曉東，蔡　瀟

(1.特變新疆新能源股份有限公司，新疆烏魯木齊　830011) (2.特變電工西安電氣科技有限公司，陜西西安　710000)

?

基于Creo/Cabling的電力電子設(shè)備三維布線應(yīng)用

鄭超1，曹倫1，周曉東2，蔡瀟2

(1.特變新疆新能源股份有限公司，新疆烏魯木齊830011) (2.特變電工西安電氣科技有限公司，陜西西安710000)

摘要:首先指出了電力電子設(shè)備采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)－布線串行設(shè)計方法的缺點，提出了將三維布線應(yīng)用在結(jié)構(gòu)開發(fā)階段的并行設(shè)計方法;接著介紹了三維布線的流程和優(yōu)勢;最后通過工程實踐，驗證了結(jié)構(gòu)－布線并行設(shè)計方法，不僅縮短了開發(fā)周期，還能提高所布線路的可靠性和美觀性。關(guān)鍵詞: Creo;三維布線;電力電子設(shè)備;并行設(shè)計

為了快速響應(yīng)市場需求，電力電子設(shè)備更新?lián)Q代的速度在不斷加快，這對產(chǎn)品的開發(fā)質(zhì)量、周期和成本控制均提出了更高的要求?，F(xiàn)代電力電子設(shè)備都在向著輕量化、微型化、模塊化和智能化的方向發(fā)展，作為產(chǎn)品設(shè)計和優(yōu)化的方法，傳統(tǒng)的二維設(shè)計已經(jīng)不能滿足市場要求，取而代之的是計算機輔助三維設(shè)計［1］。

電力電子設(shè)備同其他許多工業(yè)產(chǎn)品一樣，在開發(fā)階段，它是以數(shù)字化樣機的形式呈現(xiàn)的。數(shù)字化樣機相對于實物樣機其好處是，在產(chǎn)品的全生命周期中，通過信息的集成，任何階段都可以方便地管理產(chǎn)品［2］。一個完整的電力電子產(chǎn)品數(shù)字化樣機模型中，包含了鈑金件、PCBA板、連接器和線纜等。一個高質(zhì)量的電力電子產(chǎn)品，必須具備高質(zhì)量的電路設(shè)計、電氣布線設(shè)計、軟件設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計等。在數(shù)字化樣機中，結(jié)構(gòu)工程師能夠形象而直觀地進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和電氣布線設(shè)計。在當今許多產(chǎn)品的開發(fā)過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計是采用三維結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊實現(xiàn)的，但電氣布線設(shè)計仍然采用的是傳統(tǒng)設(shè)計方法，即實物樣機回來以后，依靠電氣工程師的經(jīng)驗去現(xiàn)場測量、做線和布線，從而完成整機的電氣布線設(shè)計。這是一種先結(jié)構(gòu)設(shè)計后電氣布線設(shè)計的串行設(shè)計方法，其缺點是既會延長產(chǎn)品的開發(fā)周期，也容易造成產(chǎn)品可靠性的降低。而三維布線技術(shù)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)開發(fā)過程中的應(yīng)用，可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和電氣布線的并行設(shè)計，有效縮短開發(fā)周期，且提高產(chǎn)品的可靠性。

1　基于Creo/Cabling的三維布線設(shè)計

在使用Creo Parametric軟件設(shè)計完成產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機之后，工程師就可以開始三維布線的設(shè)計。在Creo Parametric軟件中，自帶有一個專業(yè)的三維布線模塊Cabling，該模塊功能強大，使用該模塊能夠創(chuàng)建出逼真的三維線纜模型。在該模塊中，線纜接入到連接器的三維模型輸入端口。線纜的種類有單芯、多芯和扁平線纜，連接器的種類有接插件(OT端子、UT端子、DB端子和Pheonix端子等)、電氣元件(整流橋、接觸器和變壓器等)和密封件(防水鎖頭、MC4端子)等。在進行三維布線操作之前，作為連接器的零件在線纜接口處要根據(jù)所接線纜種類設(shè)置合理的輔助坐標系，并要保證坐標系方向的正確性。

3種線纜接入連接器的布置方式如下。

單芯導(dǎo)線:通過z軸接入連接器，因此z軸的正方向一定要朝向線纜接入的逆方向，否則線就會接反。

多芯線纜:各電纜通過z軸接入連接器，呈圓形均勻分布在z軸周圍，因此z軸的正方向一定要朝向線纜接入的逆方向，否則線就會接反。

扁平線:各根線通過z軸接入連接器，沿著y軸方向向兩邊展開，因此z軸的正方向一定要朝向線纜接入的逆方向，y軸朝向扁平線長邊的方向。

Creo/Cabling中的布線操作分為手工布線和自動布線。手工布線相對自動布線流程簡單、容易理解，布出來的線纜也更加美觀，而且修改起來也更容易，其操作流程如圖1所示。

圖1　手工布線操作流程圖

下面以特變新疆新能源股份有限公司某款產(chǎn)品中某線纜布線為例，詳細說明三維布線設(shè)計的過程。

1.1線纜集合的創(chuàng)建

Harness表示多根線纜的集合，在Creo/Cabling中它的后綴名是“.prt”，是作為一個零件來看待的。但是它不能單獨打開，只能在裝配體中打開。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機裝配體模式下，進入應(yīng)用程序的纜模塊，創(chuàng)建線束，如圖2所示，在此步驟中，需要定義線束名稱。

圖2　創(chuàng)建線束

1.2線軸的創(chuàng)建

Spool線軸用來定義線纜的規(guī)格。創(chuàng)建線軸，如圖3所示，在此步驟中，需要定義電纜名稱、種類、顏色、直徑、最小折彎半徑等。布線工藝的一般要求是，線纜接入接插件的部分，其最小折彎半徑是線纜直徑的5倍，其余部分的最小折彎半徑是線纜直徑的2倍。

1.3連接器的定義

在數(shù)字化樣機中，將需要接線的一般零、組件模型定義為可以連接線纜的電氣元件或接插件。定義連接器，如圖4所示，在此步驟中，需要定義的有選擇作為連接器的零組件、連接器的電纜入口端、伸入連接器內(nèi)電纜的長度、輸入連接器的電纜種類。

圖3　創(chuàng)建線軸

圖4　定義連接器

1.4布線

在Cabling模塊中，線纜路徑是通過設(shè)計一系列的空間點來確定的，點與點之間的線由系統(tǒng)自動生成，因此布線操作其實就是設(shè)計一系列的空間點，點越多電纜的路徑越精確。實際操作中，可以根據(jù)具體項目需要，通過創(chuàng)建一定數(shù)量的點進行布線的設(shè)計。布線操作如圖5所示，在此步驟中，需要定義的有布線的線纜種類、線纜的起始點、線纜的名稱、布線所屬的線纜規(guī)格。布線設(shè)計的原則是，走線盡量在縱、橫、高方向上對齊，避免走斜線，電源線和信號線分開，交直流線分開，高低壓信號線分開，強弱電流信號線分開，高低頻信號線分開。走線要遠離熱源、振動或活動部位，長度要留余量，走線避免銳角轉(zhuǎn)彎，線束在通過鈑金孔或跨鈑金鋒利邊緣時要設(shè)計保護措施，線纜轉(zhuǎn)彎處要設(shè)計固定點，走線要易裝配、易操作、易維修［3］。

圖5　布線

1.5線纜路徑的修改

線纜的基本路徑設(shè)計完成后，通過增加一系列的中間點，使線纜沿著預(yù)訂的路線走線。修改線纜路徑其實就是增加線纜路徑通過的關(guān)鍵點。一般電纜都是沿著橋架、支撐等走線，在相應(yīng)的平面上建立一系列的點，即可完成對路徑的修改。注意:在平面上建立的線纜參考點，雖然選的參考面是平面，但點實際上不在該平面上，系統(tǒng)默認該點位于距離參考平面0.6倍線纜直徑(帶絕緣層的直徑)的線纜中心線上，因此不必擔心線纜會和平面干涉。修改線纜路徑，如圖6所示。修改完成后，該線纜的布線效果如圖7所示。

圖6　修改線纜路徑

2　三維布線的優(yōu)勢和作用

采用Creo Parametric標準模塊和Creo/Cabling三維布線模塊，可以創(chuàng)建完整的數(shù)字化樣機。有了完整的數(shù)字化樣機，來自結(jié)構(gòu)、硬件、PCB、測試等的各相關(guān)工程師就可以一起更加直觀、更加詳細地評審產(chǎn)品設(shè)計和提出修改意見，這樣就將一些潛在的技術(shù)風險提前暴露，并在開發(fā)階段予以解決。在產(chǎn)品的全生命周期內(nèi)，由于設(shè)計問題而造成的經(jīng)濟損失，將在設(shè)計以后的各階段中成幾何級數(shù)放大。因此，創(chuàng)建完整的數(shù)字化樣機，依靠各個領(lǐng)域的專業(yè)人士對數(shù)字化樣機進行評審，可以確保設(shè)計的質(zhì)量。高水平的設(shè)計能力是企業(yè)的核心競爭力之一。

圖7　修改路徑后的線纜圖

使用Creo/Cabling三維布線模塊，不僅可以創(chuàng)建數(shù)字化樣機，為項目組成員提供可視化評審依據(jù)，同時依靠該模塊提供的工具，還可以根據(jù)具體過程需要對線纜執(zhí)行各種操作，評估已布線纜的工藝性，從而保證結(jié)構(gòu)－布線并行設(shè)計的有效性。

2.1檢驗線纜的可折彎性

在一臺電力電子設(shè)備中，使用到的線纜規(guī)格不止一種。線纜的規(guī)格不同，其外徑也不同，最小折彎半徑也不同。在布線空間緊湊或線纜直徑較大的情況下，首先要考慮線纜通過某些路徑時是否能折彎，其次還要考慮線纜的折彎半徑的大小。線纜最小折彎半徑設(shè)計得過大，會造成布線空間不夠或線纜的浪費;設(shè)計得過小，會使線纜無法折彎或造成線纜承受較大折彎應(yīng)力而影響電氣性能。在布線時，如果線纜路徑不符合設(shè)計時所規(guī)定的最小折彎半徑，其路徑不予顯示，如圖8所示;反之，則予以顯示，如圖9所示。

2.2檢查電氣間隙

電力電子設(shè)備根據(jù)其應(yīng)用環(huán)境和使用性能，對產(chǎn)品內(nèi)部線纜與線纜、線纜與零件之間的最短距離有要求，通過對其的測量和修改，可以保證線纜之間、線纜和裸露銅排之間、線纜與其他裸露導(dǎo)電體之間的最小電氣間隙符合要求，從而有效提高產(chǎn)品的可靠性和安全性。檢查線纜和導(dǎo)電零件間的電氣間隙如圖10所示。

圖8　不符合最小折彎半徑要求的線纜

圖9　符合最小折彎半徑要求的線纜

2.3獲取線纜規(guī)格

結(jié)構(gòu)和布線都設(shè)計完成后，制作線纜所需要的參數(shù)即線纜的規(guī)格、顏色、長度和端子型號就已經(jīng)確定。通過對數(shù)字樣機執(zhí)行某項操作，獲取上述參數(shù)，并根據(jù)實際情況確定線纜長度后即可委外加工。與此同時，結(jié)構(gòu)件也已委外加工。兩者同步進行，完成加工后就可以立即裝機接線。獲取線纜信息如圖11所示。

圖10　檢查線纜和導(dǎo)電零件間的電氣間隙

圖11　獲取線纜信息

3　三維布線的應(yīng)用實例

特變新疆新能源股份有限公司在開發(fā)某款電力電子設(shè)備時，成功地將三維布線應(yīng)用于該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)開發(fā)過程中，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)和布線的并行設(shè)計，顯著縮短了該產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高了可靠性，且增強了內(nèi)部布線的美觀性。結(jié)構(gòu)和布線并行設(shè)計完成后的數(shù)字樣機如圖12所示，根據(jù)該數(shù)字樣機打樣回來、裝配完成后的實物如圖13所示。很明顯實物樣機和數(shù)字樣機在外觀上基本一致。由于前期數(shù)字樣機中布線設(shè)計已經(jīng)做好，故結(jié)構(gòu)件打樣回來后，結(jié)構(gòu)裝機和整機布線是同時進行，整機裝機用時少且內(nèi)部布線美觀。除設(shè)計人員以外的其他人員對機柜內(nèi)的結(jié)構(gòu)、器件和布線情況也一目了然。若該產(chǎn)品今后需要優(yōu)化或升級改版時，設(shè)計人員只需對數(shù)字樣機中結(jié)構(gòu)、線纜的設(shè)計參數(shù)進行編輯和修改，就可直接下發(fā)圖紙進行批量生產(chǎn)，無需再打樣驗證，因而可快速響應(yīng)市場需求。

圖12　完成結(jié)構(gòu)和布線的數(shù)字樣機

圖13　某設(shè)備完成裝機后的某部分照片

4　結(jié)束語

本文簡要介紹了一種借助于三維設(shè)計軟件Creo Parametric的結(jié)構(gòu)－布線并行設(shè)計方法，并將此并行設(shè)計方法成功應(yīng)用于特變新疆新能源股份有限公司的某電力電子新品開發(fā)中，實施效果表明，對于電力電子設(shè)備開發(fā)，結(jié)構(gòu)－布線的并行設(shè)計方法不僅可以縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期及降低研發(fā)成本，而且還能提高產(chǎn)品的電氣可靠性、整機布線美觀性，從而提升新產(chǎn)品的市場競爭力。

參考文獻:

［1］郭林松，邱兆義，趙立博.利用Pro/E進行三維布線工藝設(shè)計［J］.船電技術(shù)，2014(1) :5－7.

［2］王美靖，李怡麒，李鑫，等.基于CHS與Pro/E_Cabling電氣系統(tǒng)線纜線束數(shù)字化設(shè)計［J］.車輛與動力技術(shù)，2013(3) : 43－45.

［3］趙娜，郝駿剛，胡鋼.基于Creo2.0/Cabling的載車集成三維布線設(shè)計［J］.電腦開發(fā)與應(yīng)用，2013(10) :44－46.

Application of 3D routing based on Creo/Cabling in power electronic equipment

ZHENG Chao1，CAO Lun1，ZHOU Xiaodong2，CAI Xiao2
(1.TBEA Sunoasis Co.，Ltd.，Xinjiang Urumqi，830011，China) (2.TBEA Xi＇an Electric Technology Co.，Ltd.，Shaanxi Xi＇an，710000，China)

Abstract:It points out the shortcomings of the traditional structure－route serial design method in the power electronic equipment，proposers the parallel design method of three－dimensional routing used in the structure development phase，introduces the process and advantages of three－dimensional routing.Finally，it takes the engineering practice to prove that structure－route parallel design method not only shortens the development cycle，but also improves the reliability and aesthetics.

Key words:Creo; 3D routing; power electronic equipment; parallel design

DOI:10.3969/j.issn.2095－509X.2015.06.007

作者簡介:鄭超(1987—)，男，湖北黃岡人，特變新疆新能源股份有限公司工程師，主要從事電力電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)開發(fā)。

收稿日期:2015－01－19

中圖分類號:TP391.7

文獻標志碼:A

文章編號:2095－509X(2015) 06－0027－05