基于Creo的無人機(jī)三維布線設(shè)計(jì)

摘" 要：該文分析三維設(shè)計(jì)軟件Creo/Cabling的線纜敷設(shè)方法，包括三維布線的流程和優(yōu)勢，介紹手動(dòng)布線的5個(gè)基本步驟（線束創(chuàng)建、線軸創(chuàng)建、元件設(shè)置、線纜敷設(shè)和修改布線路徑）。并將該方法應(yīng)用到無人機(jī)的電纜布線設(shè)計(jì)。通過實(shí)際布線仿真，針對布線時(shí)各步驟需要注意的問題進(jìn)行詳細(xì)說明；結(jié)合電磁兼容設(shè)計(jì)的需求，對無人機(jī)電纜進(jìn)行分類，提出無人機(jī)三維布線設(shè)計(jì)中需注意的幾個(gè)問題，并總結(jié)無人機(jī)線纜布線的設(shè)計(jì)原則。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；三維布線；Creo；設(shè)計(jì)原則；電磁兼容；線束創(chuàng)建；線軸創(chuàng)建；元件設(shè)置

中圖分類號(hào)：U455.6" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）32-0115-04

Abstract： This paper analyzes the cable laying method of 3D design software Creo/Cabling， including the process and advantages of 3D wiring， and introduces the five basic steps of manual wiring（wire harness creation， spool creation， component setting， cable laying， and modification of wiring path）. The method is applied to the cable wiring design of drones. Through actual wiring simulation， the issues that need to be paid attention to in each step of wiring are explained in detail. Combined with the requirements of electromagnetic compatibility design， the drone cables are classified， and several issues that need to be paid attention to in the three-dimensional wiring design of drone are proposed， and the design principles of drone cable wiring are summarized.

Keywords： drone; 3D wiring; Creo; design principles; electromagnetic compatibility; wiring harness creation; spool creation; component setting

無人機(jī)（UAV）是一種自帶動(dòng)力裝置的、可遙控亦可自控的飛行器，能執(zhí)行各種任務(wù)并能多次使用的無人駕駛飛行器。自90年代以來，國內(nèi)外各種性能優(yōu)異、技術(shù)先進(jìn)的新型無人機(jī)（如長航時(shí)無人機(jī)、無人作戰(zhàn)飛機(jī)、微型無人機(jī)、高原無人機(jī)等）不斷涌現(xiàn)[1]。隨著無人機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，市場競爭也越來越激烈。無人機(jī)的設(shè)備越來越輕量化、模塊化、智能化，狹小空間內(nèi)布置的設(shè)備也越來越復(fù)雜，線纜敷設(shè)也面臨著嚴(yán)峻考驗(yàn)。為了快速響應(yīng)市場需求，以往多通過二維設(shè)計(jì)進(jìn)行敷設(shè)，但顯然已經(jīng)不能滿足市場需求，取而代之的是計(jì)算機(jī)輔助三維設(shè)計(jì)[2-3]。采用全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，摒棄傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中大量的二維圖紙，進(jìn)行預(yù)裝配從而可以提高無人機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)效率，減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，縮短研發(fā)周期。

1" Creo/Cabling應(yīng)用于無人機(jī)三維線纜敷設(shè)

軟件Creo Parametric是目前較為流行的一款三維設(shè)計(jì)軟件，自帶有一個(gè)專業(yè)的三維布線模塊（Cabling），可以將無人機(jī)線纜設(shè)計(jì)由被動(dòng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變成主動(dòng)設(shè)計(jì)，提前模擬線纜敷設(shè)，在產(chǎn)品生產(chǎn)前期解決線纜敷設(shè)問題，減少生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本[4-7]。

Creo三維布線設(shè)計(jì)能有效模擬線纜的直徑、敷設(shè)路徑、分支位置并且確定裝配線纜長度，同時(shí)也可以檢查線纜間及線纜與設(shè)備、結(jié)構(gòu)件之間的干涉性和可彎折性，三維敷設(shè)直觀有效，所視即所得。三維布線設(shè)計(jì)分為自動(dòng)布線和手動(dòng)布線2種方式。其中，自動(dòng)布線需要預(yù)先定義好線纜和接插件的邏輯關(guān)系圖，并繪制路徑網(wǎng)絡(luò)圖，自動(dòng)化程度不高，技術(shù)尚不成熟，若布線失敗還需要手動(dòng)修復(fù)。而手動(dòng)布線過程清晰，布置的線纜更加美觀，更改容易，是目前三維布線設(shè)計(jì)的首選方式，實(shí)際應(yīng)用中，往往選用該方式布線。

手動(dòng)布線一般包括以下5個(gè)步驟：①線束創(chuàng)建（HARNESS）；②線軸創(chuàng)建（SPOOL）；③元件設(shè)置（COMPONENT）；④線纜敷設(shè)（ROUTE）；⑤修改布線路徑。

1.1" 創(chuàng)建線束（HARNESS）

線束是包括多根線纜的集合的名稱，其后綴名是“.prt”，在Creo/Cabling中正如零件叫做PART，裝配叫做ASSEMBLE，線束就叫HARNESS，它是作為一個(gè)零件來看待，但是不能獨(dú)立作為零件打開?？梢栽谝粋€(gè)組件中創(chuàng)建多個(gè)線束，但是每次只有一個(gè)線束處于活動(dòng)狀態(tài)。

在三維布線時(shí)，在裝配體模式下，點(diǎn)擊應(yīng)用程序-纜，進(jìn)入纜模塊，點(diǎn)擊“創(chuàng)建線束”進(jìn)入線束創(chuàng)建，定義線束名稱，如圖1所示。

1.2" 創(chuàng)建線軸（SPOOL）

所謂線軸是指線纜的類型和規(guī)格，用來定義線纜、導(dǎo)線和護(hù)套等電纜特征，如導(dǎo)線最小彎曲半徑、導(dǎo)線顏色、導(dǎo)線直徑、導(dǎo)線絕緣類型等，線軸文件后綴名是“.spl”。線軸分為4種類型：①線，即單根導(dǎo)線（wire）；②纜，即多芯線纜（cable）；③鞘，即護(hù)套（sheath），包括熱縮套管（shrink）、絕緣膠帶（tape）和電氣套管（tube）；④帶，即扁平電纜（Ribbon spools）。

創(chuàng)建線軸如圖2所示。

必須在預(yù)定義的線軸設(shè)計(jì)中創(chuàng)建常用的每條導(dǎo)線、電纜、扁平電纜和護(hù)套，便于后續(xù)布線調(diào)用。點(diǎn)擊“線軸”和“創(chuàng)建”圖標(biāo)，選擇需用使用線軸的類型，進(jìn)入線纜規(guī)格參數(shù)創(chuàng)建，如圖2所示。

1.3" 設(shè)置元件（COMPONENT）

將組件中的3維元器件（如接線端子、插頭、插座等）指定為連接器，并向元器件定義中添加該元器件的特征參數(shù)，使元器件成為線纜的起止點(diǎn)。在此步驟中，需要定義作為連接器的組件、連接器電纜入口端、深入連接器內(nèi)的電纜長度、連接器連接電纜的種類等信息。

在指定操作之前，需要在欲指定的元件上預(yù)先定義好接線端口的坐標(biāo)系，Z軸方向需要朝外。點(diǎn)擊“指定”選擇需要指定為連接器的組件，輸入名稱。點(diǎn)擊“入口端”，選擇連接器的入口坐標(biāo)系，如圖3所示。

1.4" 線纜布置（ROUTE）

Creo線纜敷設(shè)時(shí)，線纜的走線軌跡是借助布置一串的空間點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的，點(diǎn)與點(diǎn)之間的連線由系統(tǒng)自動(dòng)生成。通過創(chuàng)建一定數(shù)量的空間點(diǎn)來進(jìn)行布線設(shè)計(jì)，需要定義線纜種類，選擇線纜的起始點(diǎn)等。可以選擇以下3種布線方式。

1.4.1" 簡單布線（Simple Route）

為所定義的起點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置之間的每一條電線或電纜進(jìn)行單段布線。

1.4.2" 通過網(wǎng)絡(luò)（Via Network）

通過網(wǎng)絡(luò)對電纜進(jìn)行自動(dòng)布線，布線前須創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)。

1.4.3" 沿電纜（Follow Cable）

沿著先前布線的電纜的路徑對所選的電纜和導(dǎo)線進(jìn)行布線。

點(diǎn)擊“布線纜”，選擇之前指定好的元件的入口坐標(biāo)系作為起點(diǎn)和終點(diǎn)，在之前定義好的線軸里選擇合適的電纜規(guī)格，定義好線纜名稱，最后選擇相應(yīng)的布線方式，如圖4所示。

1.5" 修改布線路徑

線纜敷設(shè)的基本軌跡設(shè)計(jì)完成后，可根據(jù)實(shí)際需要對其走線軌跡徑進(jìn)行反復(fù)調(diào)整。通過插入、刪除、新增一系列的中間軌跡點(diǎn)使其沿著所需的軌跡走線。

選擇需要修改路徑的線纜，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“插入位置”即可插入走線位置點(diǎn)，如圖5所示。走線的位置點(diǎn)實(shí)際上并不在所選擇的參照平面上，系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置為該點(diǎn)位于距離參照平面0.6倍于線纜直徑線纜的中心線上。

最后，點(diǎn)擊“粗線纜”查看電纜布線效果，如圖6所示。

2" 線纜布線設(shè)計(jì)原則

無人機(jī)上設(shè)備密集，空間狹小，電磁環(huán)境復(fù)雜。在線纜布線設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮結(jié)構(gòu)工藝上的可操作性和易維護(hù)性，還必須考慮電磁兼容性。

在結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)上，Creo布線設(shè)計(jì)時(shí)，線纜的走線應(yīng)在縱、橫、高方向上對齊，避免走斜線。此外，線纜應(yīng)盡量大角度轉(zhuǎn)彎，避免銳角轉(zhuǎn)彎；走線要盡量遠(yuǎn)離活動(dòng)部位和熱源；在通過諸如鈑金孔等鋒利邊緣時(shí)要采取相應(yīng)保護(hù)措施，以避免損傷電纜。

而在電磁兼容設(shè)計(jì)上，無人機(jī)上線纜通常可分為以下幾種類型。

電源系統(tǒng)中承載大電流的功率線，包括115 V、400 Hz單相或三相電源線，以及28.5 V正常直流和應(yīng)急直流電源線。此類電線直徑較大，一般單獨(dú)敷設(shè)。

次級功率線，即為電源系統(tǒng)的控制信號(hào)線以及配電和饋電線。該類電線包括電氣負(fù)載和負(fù)載匯流條之間的傳輸線，一般按交流配電系統(tǒng)、直流配電系統(tǒng)分類組合成不同線束。

無特殊要求的線束。即對干擾不敏感和沒有特殊隔離要求的各系統(tǒng)電線電纜組成的線束。

敏感線束。該類為對電磁干擾比較敏感線路的電線。包括火控系統(tǒng)、自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)、電傳操縱系統(tǒng)、燃油油量表系統(tǒng)、低電平數(shù)字輸入電路等。此類電線要單獨(dú)成束，隔離敷設(shè)。

同軸電纜。所有無線電系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)的同軸電纜都屬于這一類。為避免干擾，對于高頻同軸電纜和甚高頻同軸電纜等都要單獨(dú)成束，并隔離敷設(shè)。

因此，在布線通常要遵循以下準(zhǔn)則。

1）具有近似相同的干擾電平及相似干擾類型的線纜可成束敷設(shè)。

2）對于產(chǎn)生干擾較大的電線束應(yīng)該產(chǎn)生干擾較小的電線束隔離開來，以免信號(hào)受影響。

3）不同類電纜應(yīng)該進(jìn)行空間分離，以便實(shí)現(xiàn)二者干擾的隔離。

4）如果存在不同類型的電線或電纜無法避免會(huì)布置在較近距離時(shí)，（如穿過隔框同一個(gè)孔時(shí)）電線、電纜應(yīng)在隔框孔各側(cè)盡量按要求隔離開。

5）電線電纜要盡可能間隔一定距離，并注意電纜走向與敷設(shè)，防止耦合過大干擾。

6）電源電纜及電流大于5 A的其他電纜，應(yīng)靠近金屬框架或蒙皮進(jìn)行敷設(shè)。

7）隔離線、敏感線和電源線需遠(yuǎn)離電磁干擾發(fā)射線，包括蒙皮開口處、非金屬結(jié)構(gòu)部件等。

8）當(dāng)信號(hào)線纜較容易受干擾，這類較為敏感的線纜如果無法避免靠近電源線敷設(shè)時(shí)，應(yīng)盡可能使二者之間敷設(shè)成直角；對不同類的電纜也盡可能不平行走線。

9）對于直流電源電纜如果只允許采用單芯電線敷設(shè)時(shí)，電源正線盡量靠近電源回線進(jìn)行敷設(shè)。

3" 結(jié)束語

三維布線軟件的使用改變了傳統(tǒng)的二維平面圖紙?jiān)O(shè)計(jì)模式。本文基于三維設(shè)計(jì)軟件Creo對該軟件的布線方法進(jìn)行了詳細(xì)論述，著重介紹了手動(dòng)布線的5個(gè)基本步驟（線束創(chuàng)建（HARNESS）、線軸創(chuàng)建（SPOOL）、元件設(shè)置（COMPONENT）、線纜敷設(shè)（ROUTE）、修改布線路徑）。并按照該步驟，進(jìn)行了具體的無人機(jī)電纜布線設(shè)計(jì)。此外，針對布線時(shí)各節(jié)點(diǎn)需要注意的問題，進(jìn)行具體說明。最后，結(jié)合電磁兼容設(shè)計(jì)的需求，對無人機(jī)電纜進(jìn)行分類；提出了無人機(jī)三維布線設(shè)計(jì)需注意的幾個(gè)問題，并總結(jié)無人機(jī)線纜布線的設(shè)計(jì)原則。這些原則有助于提高安全性、可靠性，降低電磁干擾，為系統(tǒng)可靠兼容工作奠定基礎(chǔ)。通過該方法，為后續(xù)其他機(jī)型、飛行器的布線仿真，為實(shí)際生產(chǎn)中的走線、電纜制作、固定布置、維護(hù)保養(yǎng)等提供三維實(shí)景依據(jù)，提高了產(chǎn)品的電氣可靠性和整機(jī)布線的美觀性。

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