三維電氣布線技術(shù)在引信中的應(yīng)用研究

中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院 婁心豪 王 燕 翟紅旗 苗晉玲

基于模型的數(shù)字化定義技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了多年，是軍工企業(yè)推進(jìn)設(shè)計(jì)制造一體化和提升核心競(jìng)爭(zhēng)力的必由之路。其中，實(shí)現(xiàn)線纜設(shè)計(jì)的數(shù)字化定義是重要的基礎(chǔ)之一。

引信通過(guò)線纜將各個(gè)分系統(tǒng)有機(jī)連接在一起形成一個(gè)整體，使各分系統(tǒng)能按相應(yīng)的工作時(shí)序和控制邏輯完成電氣信號(hào)的交換和傳遞。目前，對(duì)于引信線纜設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式主要是按實(shí)物并結(jié)合圖紙技術(shù)要求及工藝要求，繪制二維平面圖，放置在樣板上制作線纜。這種布線方式經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)引信內(nèi)部空間狹小、布線路徑受阻或不合理，甚至布線無(wú)法實(shí)施等問(wèn)題[1]。同時(shí)存在著主觀性強(qiáng)、盲目性大、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)等諸多不足之處，不利于設(shè)計(jì)信息的可靠傳遞，同時(shí)也不能和已有的結(jié)構(gòu)樣機(jī)完美地結(jié)合在一起[2]。

UG軟件中的Routing Electrical電氣布線模塊是一個(gè)用于生成電氣布線數(shù)據(jù)的三維設(shè)計(jì)工具，具有為機(jī)械工程師、電氣工程師和工藝人員提供生成電氣布線系統(tǒng)虛擬樣機(jī)的功能。利用Routing Electrical模塊，可以建立數(shù)字化的引信線纜,從而使設(shè)計(jì)過(guò)程流暢，保證數(shù)字樣機(jī)裝配模型中線纜模型的正確性和完整性，利于檢查與修改[3]。

本文基于UG 6.0軟件的Routing Electrical模塊，以某引信為背景，詳細(xì)研究了引信三維線纜模型的建立過(guò)程，重點(diǎn)分析了元器件端口的定義、元件表和接線表建立、導(dǎo)入和配置、終端線路的創(chuàng)建等關(guān)鍵步驟，并生成了二維制造模板。此外，還對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了分析。

1 引信線纜的數(shù)字化設(shè)計(jì)

1.1 建立引信線纜的子裝配

本文中將引信線纜上的接插件稱為子件，與子件相配的、電路板上的接插件成為母件。首先進(jìn)入Modeling模塊，在原有的引信樣機(jī)目錄下創(chuàng)建一個(gè)空的線纜子裝配，并將這個(gè)子裝配設(shè)置為當(dāng)前工作部件，引信線纜模型的設(shè)計(jì)，均在該空的子裝配中進(jìn)行。然后進(jìn)入Routing Electrical模塊，進(jìn)行引信線纜建模。

用wave link命令將電路板上接插件（母件）的端口拷貝到線纜組件裝配中，為后面接插件的放置做好準(zhǔn)備。

1.2 定義接插件的端口屬性

導(dǎo)線與零件的連接不僅指物理連接，還指其邏輯連接。為了成功地配通連接，首先必須為接插件待連接的端口提供標(biāo)識(shí)符，接線表借助于標(biāo)識(shí)符建立起邏輯連接。

引信中使用的接插件為微矩形接插件，對(duì)微矩形接插件端口屬性的定義分為兩部分：定義適配端口（Fitting port）和多端口(Multi port)。兩者的標(biāo)識(shí)符號(hào)，如圖1所示。

1.2.1 定義適配端口

適配端口用于連接母件和子件，允許端到端的匹配和正確的接頭方位。定義適配端口，就是在微矩形接插件相互配對(duì)的母件和子件上分別設(shè)置一完全配合的矢量，在裝配子件時(shí)，可以利用已定義好的適配端口，快捷地和母件裝配在一起。

在定義子件和母件的適配端口屬性時(shí)，尤其要注意原點(diǎn)（Origin）和旋轉(zhuǎn)矢量（Rotation vector）的選取，正確選擇對(duì)應(yīng)參數(shù)，是子件和母件正確配合的充分條件。

圖1 端口屬性標(biāo)識(shí)符Fig.1 The port attribute identifier

1.2.2 定義多端口

在引信線纜的制造中，每根導(dǎo)線需要和微矩形接插件上相應(yīng)的插針焊接起來(lái)，形成一個(gè)線纜整體。微矩形接插件上的插針提供了導(dǎo)線連接到接插件上的準(zhǔn)確位置。因此，可以通過(guò)為每個(gè)插針定義唯一的標(biāo)識(shí)符來(lái)表示一系列的連接，也就是說(shuō)需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)線纜主路徑到接插件的邏輯接頭。在Routing Electrical模塊中，通過(guò)對(duì)接插件定義多端口屬性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每根插針的定義和辨識(shí)。多端口屬性被定義后可以永久地保存在接插件上。引信線纜中的9腳微矩形接插件的適配端口和多端口，如圖2所示。

圖2 9腳微矩形接插件端口屬性圖Fig.2 Port attribute graph of 9 pins micro rectangular connector

本文中的引信線纜包括2個(gè)25腳微矩形接插件和2個(gè)9腳微矩形接插件，在對(duì)線纜接插件子件端口屬性定義完畢后，就可以利用端口定位方式把它們和電路板上相配對(duì)的母件裝配起來(lái)。9腳微矩形接插件裝配后的效果，如圖3所示。

1.3 繪制布線路徑

圖3 9腳微矩形接插件裝配圖Fig.3 Assembly graph of 9 pins micro-rectangular connector

在繪制布線路徑前，需要熟悉引信樣機(jī)的三維視圖、整個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其空間，并對(duì)視圖進(jìn)行必要的管理或修改。同時(shí)，根據(jù)圖紙中布線技術(shù)要求和工藝要求，對(duì)布線路徑進(jìn)行規(guī)劃，擇優(yōu)確定路徑。三維布線結(jié)束后，對(duì)其從整體或局部進(jìn)行適應(yīng)性修改及整理，為后面生成制造模板做準(zhǔn)備，同時(shí)讓布設(shè)出來(lái)線纜更加美觀合理。

最后，利用Routing path工具條中的Spline path命令，可以在結(jié)構(gòu)樣機(jī)上繪制出布線路徑。引信線纜的布線路徑，如圖4所示。

圖4 引信線纜布線路徑Fig.4 Routing path of fuze cable

1.4 元件表和接線表

在配通引信線纜連接之前，還要根據(jù)實(shí)際的接線關(guān)系，建立起元件表和接線表。元件表中列出線纜中所有的接插件，并對(duì)其進(jìn)行規(guī)范命名，給每個(gè)接插件按照具體要求賦一個(gè)唯一ID，使UG系統(tǒng)能夠精確識(shí)別；而接線表列出線纜中所有導(dǎo)線的連接關(guān)系，給出每根導(dǎo)線從何處連接到何處的信息。

1.4.1 建立元件表和接線表

元件表和接線表有多種類型，本文中利用Example格式建立。對(duì)于此種類型的元件表，格式一般是相同的，可以根據(jù)實(shí)際的接線關(guān)系，利用文本編輯器修改UG安裝目錄下的CFG文件，并保存為對(duì)應(yīng)的格式來(lái)實(shí)現(xiàn)。元件表的格式為*.cmp，接線表的格式為*.hrn。

本文中利用Example格式建立的引信線纜元件表和接線表，如圖5和圖6。圖 5 中，part_name 為UG裝配中連接器的名稱；unique_id為連接器的ID號(hào)；connector_id 為連接器標(biāo)識(shí)，當(dāng)有多個(gè)相同名稱的連接器參與裝配時(shí)，可通過(guò)標(biāo)識(shí)進(jìn)行區(qū)分；signal 為信號(hào)名稱；description 為連接器說(shuō)明。 圖 6 中，unique_id 為導(dǎo)線號(hào)；from_comp 為信號(hào)來(lái)源的零組件；from_conn 為信號(hào)來(lái)源的連接器；from_port為信號(hào)來(lái)源的連接器端口號(hào)；to_comp 為信號(hào)去向的零組件；to_conn 為信號(hào)去向連接器；to_port 為信號(hào)去向的連接器端口號(hào)；gauge 為線號(hào)；type 為線纜類型；color 為線纜顏色；length 為線纜長(zhǎng)度；cut_length 為剝線長(zhǎng)度；fabrication 為線纜構(gòu)成；description 為接線說(shuō)明。

1.4.2 導(dǎo)入元件表和接線表

在導(dǎo)入元件表和接線表之前，需要先在裝配導(dǎo)航器中將線纜子裝配設(shè)置為當(dāng)前工作零部件。

圖5 引信線纜元件表Fig.5 Components list of fuze cable

圖6 引信線纜接線表Fig.6 Wiring table of fuze cable

元件表的導(dǎo)入步驟為：打開組件導(dǎo)航器，選擇MB3→Import→Merge，選擇之前建立引信線纜元件表。

接線表的導(dǎo)入過(guò)程和元件表相似：打開接線導(dǎo)航器，選擇MB3→Import→Merge，選擇引信線纜接線表。

此時(shí)，元件表和接線表并沒(méi)有和相應(yīng)的接插件或者路徑建立關(guān)系，還需要對(duì)二者進(jìn)行配置。

1.4.3 配置元件表和接線表

該過(guò)程包括2個(gè)部分：元件表的配置和接線表的配置。配置元件表目的是把元件表中的標(biāo)識(shí)分配給對(duì)應(yīng)的接插件；配置接線表則是根據(jù)接線表中的邏輯關(guān)系生成電氣路線。

首先在組件導(dǎo)航器中，在導(dǎo)入的元件表中任何一行前選擇MB3→Select all，然后選擇Auto assign，即可自動(dòng)配置接插件。但是，對(duì)于多處使用的接插件，由于并非唯一的，系統(tǒng)不能正確識(shí)別，需要進(jìn)行手動(dòng)配置（Manual assign）。

在接線導(dǎo)航器中，點(diǎn)擊MB3，選擇AutoRoute→Pin level即可配通接插件各管腳之間的邏輯連接。

配置完成后，系統(tǒng)可以自動(dòng)計(jì)算每根導(dǎo)線的長(zhǎng)度和捆扎線纜直徑。最終配置完畢的引信線纜元件表和接線表如圖7和圖8所示，表中每一行前的“√”，表示該項(xiàng)已經(jīng)配置成功。

圖7 引信線纜元件表的配置Fig.7 Components list configuration of fuze cable

圖8 引信線纜接線表的配置Fig.8 Wiring table configuration of fuze cable

1.5 創(chuàng)建終端線路

創(chuàng)建終端線路可以形象地在線纜和接插件子件之間繪制出單根導(dǎo)線，創(chuàng)建完終端線路的引信線纜模型在引信結(jié)構(gòu)樣機(jī)上的裝配效果，如圖9所示。

圖9 引信線纜三維模型Fig.9 3D model of fuze cable

至此，引信線纜的三維裝配模型已經(jīng)完整地建立出來(lái)。

1.6 生成制造模板（Formboard）

為便于適應(yīng)生產(chǎn)，在三維布線完全結(jié)束后，根據(jù)需要對(duì)線纜進(jìn)行全部或局部展平工作，然后在此基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)換創(chuàng)建二維制造模板，這項(xiàng)工作對(duì)整個(gè)三維布線來(lái)說(shuō)，是至關(guān)重要的一步。其轉(zhuǎn)換結(jié)果直接影響后續(xù)線纜的準(zhǔn)確性及可生產(chǎn)性。

制造模板是用一個(gè)平面的和直線的模型來(lái)描述一個(gè)3D的線纜模型。模板中的線纜模型看起來(lái)像是將空間3D的線路放在一個(gè)平板上并將其拉直。它能夠維持線纜的基本輪廓并保持原有的規(guī)格，只是將部分或者全部的線纜拉直而已。本質(zhì)上講，制造模板的目的是為了使線纜的制造變得更加容易，制造模板是引信線纜制造最基本的輸入。

在制造模板上，可以根據(jù)需要，選擇性地列出工人施工時(shí)所需要的信息，比如節(jié)點(diǎn)之間的路徑長(zhǎng)度、每根導(dǎo)線的長(zhǎng)度、連接信息等。圖10為引信線纜的制造模板，右上方列出的是N1、N2、N3、N4四個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的線路長(zhǎng)度和捆扎線纜的直徑。

圖10 引信線纜制造模板Fig.10 Formboard of fuze cable

2 關(guān)鍵問(wèn)題分析

2.1 端口參數(shù)

在進(jìn)行接插件的端口定義時(shí)，會(huì)遇到3個(gè)參數(shù)：Cutback length、Extension、Engagement，這 3個(gè)參數(shù)的正確理解和設(shè)置是端口定義成功的前提。

如圖11所示，Cutback length指的是創(chuàng)建終端線路過(guò)程中，終端線路沿著主路徑從端口回退的距離。而Extension則指的是一個(gè)樣條曲線路徑在接近端口時(shí)保持直線的長(zhǎng)度。

圖11 端口參數(shù)Fig.11 Parameters of port definition

如圖12所示，Engagement指的是所創(chuàng)建的終端線路末端，距多端口原點(diǎn)的距離。

2.2 布線路徑

創(chuàng)建布線路徑通過(guò)定義一組控制點(diǎn)來(lái)擬合電氣線束的實(shí)際形狀，通常情況下有“過(guò)極點(diǎn)”和“通過(guò)點(diǎn)”2種形式。布線路徑?jīng)Q定著整個(gè)引信線纜的美觀性及合理性，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，布線路徑往往要經(jīng)過(guò)多次修整才能滿足要求。

引信線纜的布線路徑通常是樣條路徑，而不是直線或者圓弧，可以根據(jù)需要對(duì)路徑進(jìn)行分割或者合并。

除此之外，還可以利用過(guò)線孔或者卡箍等，控制路徑的走向，在本文引信線纜的設(shè)計(jì)中，線纜要通過(guò)如圖13中的孔，則可以選擇孔的中心為控制點(diǎn)，對(duì)路徑進(jìn)行控制，使線纜的形狀更為真實(shí)。

圖12 Engagement參數(shù)Fig.12 Parameters of engagement

圖13 引信線纜過(guò)線孔Fig.13 Wire through hole of fuze cable

3 結(jié)論

對(duì)于引信線纜的制作，由于引信內(nèi)部空間體積限制、線纜傳輸信號(hào)的復(fù)雜性等，對(duì)線纜設(shè)計(jì)提出了較高的要求。傳統(tǒng)的引信線纜制作以人工經(jīng)驗(yàn)為主，具有主觀性和盲目性，不易在設(shè)計(jì)初期發(fā)現(xiàn)和改進(jìn)線纜設(shè)計(jì)中的問(wèn)題。本文以引信整機(jī)三維電氣布線技術(shù)為研究對(duì)象，利用UG 6.0軟件的Routing Electrical模塊建立了完整的引信線纜三維模型，詳細(xì)分析了布線的關(guān)鍵步驟，并生成引信線纜的制造模板供制作使用。通過(guò)引信線纜設(shè)計(jì)方法的革新，實(shí)現(xiàn)了線纜設(shè)計(jì)的數(shù)字化定義，進(jìn)一步完善了原有的結(jié)構(gòu)樣機(jī)模型，同時(shí)縮短了引信線纜的研制周期，極大地提高了引信線纜的研制效率和可靠性。

[1]周三三,劉恩福. 電子設(shè)備三維布線工藝技術(shù)應(yīng)用研究. 電子工藝技術(shù), 2011,32(4)：227-233.

[2]劉振宇,周德儉,吳兆華,等. 一種面向電子整機(jī)的三維布線算法研究與實(shí)現(xiàn). 電子工藝技術(shù),2010,31(1)：6-8.

[3]周德儉,吳兆華.電氣互聯(lián)技術(shù)及其發(fā)展動(dòng)態(tài).電子工藝技術(shù) ,2002(1)：1-4.