面向CAD/CAPP集成的线束产品信息建模

周学良，阮景奎

（湖北汽车工业学院 机械工程系，湖北 十堰 442002）

面向CAD/CAPP集成的线束产品信息建模

周学良，阮景奎

（湖北汽车工业学院 机械工程系，湖北 十堰 442002）

在分析线束产品结构特点的基础上，采用面向对象的方法建立了线束产品的结构信息模型，并对其主体部分进行了形式化描述；同时提出了利用通用CAD系统建立高层次图形对象的功能建立线束图形模型的方法，该方法将产品结构信息存储在数据库，通过图形句柄建立图形与结构信息的关联，实现二者的同步更新和互操作。最后，通过开发的线束CAPP系统的建模实例表明该建模方法实用有效。

线束；信息建模；图形建模；CAD/CAPP

目前，国内大多数线束生产企业仍然采用传统的来图加工的方式进行生产，即根据主机厂的线束设计图采用手工或者简单的工艺设计系统进行工艺规划，然后打印工艺卡下发到车间进行生产。整个过程虽然也局部使用了计算机进行辅助设计，但没有采用集成化的CAPP（Computer Aided Process Planning）系统，通过充分利用主机厂的设计信息提高工艺设计的效率和质量。国外开发的CHS、 SimWire等线束辅助设计系统已经实现了与三维线束软件（如CATIA）的信息集成，并在汽车、飞机、铁路和航空航天等领域的线束生产厂发挥着重要作用［1］，但是这些软件不完全符合我国线束生产企业的工艺习惯，而且价格昂贵，非一般企业所能承受。因此，研究开发具有自主知识产权的线束辅助设计系统对提高我国线束生产企业的工艺设计水平和生产效率具有重要意义。

近几年，国内的一些高校也先后展开了对线束工艺设计系统的深入研究，并取得了一定成果。合肥工业大学的吴黄、刘晓平等人研究了基于虚框和虚点的线束工艺图建模方法及汽车线束辅助图纸绘制系统［1-2］，湖北汽车工业学院基于AutoCAD软件研究并开发了汽车线束CAPP系统［3］；这些研究主要集中于线束工艺设计系统的原理和开发技术，仍然无法实现与三维CAD系统的信息集成。产品信息模型是实现CAD/CAPP系统信息集成的基础，也是CAD/CAPP系统数据共享的核心。本文从CAD/CAPP信息集成的角度，研究线束产品信息模型的建立与表达，以期为实现线束CAPP系统与三维CAD系统的信息集成奠定基础。

1 线束组成结构分析

要建立线束的产品信息模型，应分析它的结构组成及其特点。如图1所示，从物料组成的角度看，线束主要由标准电器件（如护套、护套附件等）、紧固件以及电线和表面包覆材料组成，表面包覆材料包括套管、胶带、海绵等具有某种标准规格的材料。电线根据所传递信号的起至位置经过一定的路径，其两端的连接情况分为2种：一种是铆压接头后接入电器插接件或搭铁，最终与某电器功能部位连接；另一种是直接与其他电线内联。将多根电线经过相同位置的电线用表面包覆材料包裹或用紧固件捆扎在一起形成线束，由于不同电线的起至位置不尽相同，导致线束出现分支，这样就形成了线束构件之间的复杂连接关系，包括电线与电线之间、电线与插接件之间、线束与插接件之间的连接关系；线束承载的功能越多，其结构关系越复杂，形成的支线束也越多。因此，面向CAD/CAPP集成的线束产品信息模型不仅要描述各组成部分的工程、物理属性及其相互之间的连接关系，还要以图形的方式描述其连接关系及生产工艺信息，及建立线束的图形模型，不过与机械产品不同，线束主要标准电器零部件及电线和包覆材料组成，其图形模型只需能对线束构件进行辨识并正确描述它们之间的连接关系与尺寸要求即可，不需严格的形状要求。

2 线束产品信息建模

产品信息模型是产品从毛坯到成品的整个设

计和制造过程所需要的信息总和，是由产品结构信息模型和产品工艺信息模型组成的复合模型［4］，因此，线束产品信息建模包括对产品结构信息、工艺信息及装配工艺图的完整描述。产品结构信息模型是描述产品的结构组成以及各组成元素连接关系的信息总和，是CAPP系统进行工艺设计的基础，因此线束结构信息模型应正确、完整的描述回路、线束及其表面包覆、插接件、紧固件的工程、物理属性及它们之间的连接关系，其中的关键是线束构件之间的连接关系，即线束组成结构信息的描述，它将直接影响到后续工艺计算的算法设计与运行效率。下面对线束构件及总体结构信息进行建模。

2.1 线束结构信息建模

图1 线束实物图

1）线束主体建模

从上文分析可知，将多根经过相同路径的电线包裹捆扎在一起形成了线束主体，为了清楚描述线束主体的结构信息，这里引入线束段的概念，线束段定义为2个最近线束分支点或线束末端之间的一段连续线束，每个线束段表面由包覆材料包裹或者由紧固件捆扎，所有线束段连接在一起构成线束主体。线束段的工程、物料属性包括长度、表面包扎方式以及与其它线束段的连接关系，因此，线束段可以形式化描述如下：

定义线束的分支点为节点，所有节点的集合为V；

定义线束段为连接2个节点i和j的一条边（vi，vj），所有边的集合为E；

则所有的线束段形成一个无向、无环的连通图

并且满足如下条件：

电线的工程、物理属性包括种类、规格、颜色、长度等信息，其连接关系即两端的连接位置包括2种情况：一种是铆压相应的接头后从某一线束节点接入护套，将插接件与线束连接在一起，或者搭铁后从线束节点伸出一定长度；另一种情况是以某线束节点为基准的某个位置与其它电线内联，也就是说，经过相同路径的电线聚集在一起形成线束，线束又可以分割成线束段，因此，电线的路径信息可以由线束段及其之间的连接关系和电线两端的连接位置进行描述。

2）电器件信息建模

线束电器件包括插接件、插接件附件、紧固件等。插接件是线束上用于电器件连接的防护塑料件，每个插接件包含一个或多个插孔，电线的一端铆压接头后从线束的节点伸出接入插接件的某个插孔，实现线路的导通，为了防水密封，有些连接器的插孔配有密封塞或堵塞，当插孔中有电线接入时，在接头的尾端套一个密封塞，当插孔中没有电线接入时，用堵塞密封插孔；另外，部分插接件还配有专用附件。因此插接件的工程、物理属性包括物料编码、名称、图号、孔位线号、孔位附件、接出位置（接入插接件的电线从那个线束节点伸出）、接出长度（接入插接件的电线从伸出节点只插接件的裸线长度）及附件等信息。插接件附件的属性包括物料编码、名称、图号、厂家等信息。

包覆件是线束表面用于定位、捆扎的塑料标准件，它对电线的长度计算没有影响，因此，它的属性信息包括物理编码、名称、图号、厂家和包扎位置等信息，其中包扎位置包括包扎定位的基准节点以及与基准节点间的定位距离。

3）包覆材料信息建模

包覆材料用于线束段的表面包覆，为了表示方便，本文通过建立包覆工艺方法建立表面包覆与包覆材料的联系，即每种包覆方法消耗相应的包覆材料，而每个线束段采用某种包覆方法。图2显示了线束段、包覆方法及包覆材料之间的E-R模型及各实体的属性信息。

图2 线束段表面包覆的E-R模型

综上所述，采用面向对象的分析方法，可以将构成线束的构件元素抽象为对象类，主要包括回路、线束段、插接件、附件、接头、包覆件等对象，这些类之间的关系如图3所示。

图3 线束组成构件的类图

2.2 线束图形建模

在进行线束设计时，除了需要在系统内部建立产品结构信息模型，还需要以图形方式显示设计结果。针对线束产品包括的线束段、连接器、包附件等元素，应该以包含工程与物理信息的图形显示，方便设计人员的操作与修改。一般而言，通用的CAD平台，如AutoCAD、UG等，其模型是以基本图元为单位建立的，并不具备线束工艺设计领域所包含的特定语义，要实现上述功能十分的复杂。因此，为了降低建模的复杂程度，需要以更高的抽象层次建立线束段、接插件、紧固件和包裹件等部件的图形模型，该模型不仅能表达线束构件的形状特征，而且包括它的工程与物理属性信息等。

建立线束构件的图形模型包括2种实现方式，一种是针对线束产品，开发专用的线束图形设计系统，实现在构件级的抽象层次对图形进行创建、修改和删除，建立线束的图形模型，这种方法需要基于图形内核从底层进行开发，难度很大，非一般的开发团队所能胜任，而且也没有必要；另一种是在现有CAD系统的基础上进行二次开发，一般通用CAD系统都提供的通过关联图元建立高层次图形对象的功能，如AutoCAD软件可以通过关联图形对象并为其命名来创建图块，而且还可以为图块附着属性信息。文献［1］基于通用CAD平台采用虚框和虚点的方法实现线束构件的图形建模，通过虚框存储线束构件的图元信息，这种方法可以满足一般构件图形信息的描述，但会丢失斜线和曲线等图形实体的细节信息［1］。而采用图块的方式充分利用CAD系统的图块管理功能存储和管理构件图形的图元信息，并利用CAD系统提供的图形操作功能实现对线束构件图形的整体操作，避免了复杂的图元信息的管理工作，实现也较为简单。尽管基于通用CAD平台进行二次开发在一定程度上受到基础CAD平台的操作习惯、界面布局等方面的限制，但相比第1种方式具有开发难度较小、周期短以及成本低的优势，而且对开发人员的要求相对较低，因此，基于通用CAD平台进行扩展功能开发通常是应用软件开发的首选方式，本文也采用这种方式实现线束的图形建模。

由于通用CAD软件建立的以图元为单位图形对象，默认情况下，图形对象不包含线束构件的工程、物理属性，因此，基于CAD平台实现线束图形建模的关键是如何实现产品结构信息与图形对象的融合。以AutoCAD软件为例，有3种实现工程信息与图形对象融合为一体的方法，进行更高层次的图形建模。

1）通过句柄建立图形与工程信息的关联

这种方式将图形与产品信息独立存放，图形以CAD系统的文件格式进行存储，产品信息存放于数据库中，但是产品信息中包含图形文件的地址和文件名（图形文件一般由文件服务器统一管理），同时包含每个构件图形的标识信息以建立构件信息与构件图形的关联，以AutoCAD为例，可以通过3种方式找到一个图形对象：句柄、对象ID和实例指针，当AutoCAD没有运行时，图形信息存储在图形文件中，包含在图形文件中的对象通过它们的句柄识别。一个图形文件打开后，图形信息可以通过图形数据库（AcDbDatabase）来访问，在数据库中每个图形对象都有一个对象ID，对象ID只在当前编辑对话的整个过程有效，因此，同一个图形对象的ID在不同的编辑对话过程可能不同。要对一个图形对象进行操作，需要先通过图形对象（AcDbObject）的打开函数将其打开，打开函数根据对象ID返回它的对象指针，通过该指针可以对图形进行操作，这个指针指导对象被关闭，一直有效。句柄、对象ID和指针之间的关系图如图4所示。

图4 句柄、对象ID及指针之间的关系

由此可知，图形对象的3种标识信息中只有句柄在图形从建立至删除的整个过程一直保持不变。因此，要在数据库中建立产品信息与构件图形对象的关联，应该构件信息中存储对应图形的句柄信息，通过句柄信息实现图形与构件信息的同步更新。具体实现方式可以采用在CAD系统中广泛采用的MVC（Model-View-Control）结构，模型（Model）对应构件的信息模型，视图（View）对应图形信息和存储在数据库中的工程、物理属性及其与其它构件的连接信息，控制（Control）模块控制视图与模型的同步更新及关联操作。

通过句柄建立图形与工程信息关联的方式将构件信息存储在数据库中，方便程序实现信息的查询、修改和删除等操作，便于实现与ERP等信息系统的集成，但要处理好图形与信息的同步更新的问题，否则会出现图形与信息不匹配的问题。

2）将工程信息作为图形的扩展数据

这种方式将构件的工程、物理属性信息作为图形对象的扩展数据存储于图形文件中，实现图形与信息的同步更新。同样以AutoCAD为例，该系统提供了2种机制来添加具体对象的数据：扩展数据（Xdata）、扩展记录（Xrecord）。

扩展数据由一个结果缓冲区链表构成并存放在实体的标准定义数据之后，数据的内容、含义和结构都是有应用程序定义。通过这个机制可以向一个对象添加少量属性数据，扩展数据机制可以高效地为对象添加数据，但其数据量的大小受到限制（AutoCAD限制在16 kB以内，一般的应用开发都能满足）。

扩展记录用于存储和管理任意的数据流，包括与实体完全分离的非图形信息，而且扩展记录中存储的数据量没有固定的大小限制，它使增加任意的、应用程序相关的数据成为可能。扩展记录也可以为任何图形对象所拥有，当图形对象被修改时，相应的数据信息在扩展记录中被修改，这使得扩展记录可以代替扩展数据为图形对象添加相关的数据信息。

这种方式能够实现构件的工程、物理属性信息与图形同步更新，但在本质上仍然是将图形与工程信息相分离，实现起来比第一种方法复杂，而且数据存储在图形文件中，不方便与ERP等其他系统的集成。

3）将工程信息作为图形的属性

这种方式就是通过CAD平台提供的这种定义高层次图形对象的功能实现将构件的工程、物理信息全部作为图形的属性存储在图形文件中，与上述第2种方式不同的是，通过这种方法，应用程序直接从图形实体的定义数据中读取和操作构件的工程、物理信息。具体实现方法是，首先利用通用CAD系统绘制各种线束构件的形状特征，并为其定义相应的工程、物理属性，根据需要设置属性的可见性，然后将形状特征及各种属性一起定义成具有工程语义的线束构件的图形模型，并存入工艺数据库，进行线束设计或者为CAPP系统输入线束的产品信息时，从数据库中调用相应的线束构件的图块，为其设定具体的属性值，进行线束信息的描述，这样，既实现了线束产品结构信息的完整描述，也实现了线束的图形建模，方便设计人员的操作。

前面2种方式使得构件信息与图形实体相分离，应用程序需要采用一定的机制确保二者的统一，这种方式是的图形与工程信息完全融为一体，而且只有一个信息模型，不存在确保二者同步更新的问题。这种方法需要针对构件图形定义大量的属性，而且也是将工程、物理信息存放在图形文件中，同样不方便信息查询以及与其他系统的集成。

3 实例应用

基于上述研究，笔者开发了线束CAPP系统，采用基于CAD平台的方法实现图形建模，并通过句柄建立图形与工程信息方法实现二者的融合。该系统采用C/S（Client/Server，客户/服务器）结构模式，客户端基于AutoCAD软件开发，主要负责接受用户的输入、逻辑计算、图形显示与操作等功能；服务器端分为数据服务器和文件服务器两部分，数据服务器采用关系型数据库管理系统存储和管理各种工艺数据，文件服务器存储和管理线束的产品图及工艺图等图形文件。

1）线束建模实例

图5 主线束图形模型

为了简化输入过程，首先选择线束上最长或较长的线路作为主线束，并依次按线束的分支点划分节点，主线束的模型如图5所示，图中显示了主线束的3个节点J0、J1和J2，两线束段的长度分别是1200和300，包覆方式分别为密包和COT已剖管包覆，为了图面整洁，图形中线束包覆方式的工艺符号。其余不通过主线线路的分支线路从主线束节点或支线束结点接出，表面包覆分段描述每一个节点到前一节点之间的包覆方式，这样就描述了线束的主要结构。支线束的模型图6所示，支线束b58与主线束节点J9连接，b58的长度为320，包覆方式为COT尼龙硬质未剖管；与节点J9连接的另一支线束段是b13。

图6 支线束图形模型

2）插接件建模实例

插接件通过接入其插孔的电线与线束主体连接，电线从线束节点伸出铆压相应的接头后接入塑料插接件，从而将插接件与线束连接起来，同时也描述了电线的起止位置，电线两端的接出点之间的线束段构成的连通路径即是该电线经过的路径。插接件间的建模实例如图7所示，插接件设计界面的左上角显示其基本信息及其与线束节点的连接关系，右上角是其图形模型的预览示意图，从图7中可以看出，选用的是AMP厂生产的AMP 174982-2（黑）型插接件，连接位置是b1节点，电线接出长度为20；左下角显示它的孔位线号，右下角分别显示了插接件附件及插接件孔位附件的信息，从图7中可以看出其各个插孔的电线编号，其中一号孔线号为11038，对应选择的孔位附件有368120-2型防水栓和AMP 1711661-1（锡）型接头，附件有AMP 174983-7（黄）型的隔线栓。

图7 插接件件图形模型

3）包覆件建模实例

包覆件装在线束表面用于对线束进行定位、捆扎和保护，其建模实例如图8所示，图8中选用型号为37N-24072的烟斗帽安装在J2和J3节点之间的线束段上，并且距离J3节点的长度100。

图8 包覆件图形模型

由上述建模实例可以看出，基于CAD平台开发的线束产品信息建模方法可行，作者开发的线束CAPP系统将产品结构信息存储于数据库，并通过图形句柄建立结构信息与构件图形的关联，采用MVC的程序结构实现图形与结构信息的同步更新及互操作，开发难度较完全从底层开发线束建模系统要小的多，图9是利用该CAPP系统建立的某线束产品的图形模型，基于该线束模型，CAPP系统能快速计算生成线束的工艺文件。而且该系统也可以用于线束的设计，或者进一步开发从三维线束设计系统将线束设计信息导出该线束产品信息模型的接口程序，将实现线束CAD/CAPP的信息集成，提高线束设计到生产准备的周期，提升线束生产企业的生产力和竞争力。

4 结 论

采用面向对象的分析方法建立了面向CAD/ CAPP集成的线束产品结构信息模型，并提出利用通用CAD系统提供的建立高层次图形对象的方法建立线束的图形模型，将线束结构信息存储于数据库，通过图形句柄建立结构信息与图形的关联，采用MVC结构实现二者的同步更新及互操作。通过实例应用表明，该建模方法实用有效，下一步将研究开发接口程序，从三维线束设计系统将线束设计信息导出为线束产品信息模型，真正实现线束CAD/CAPP的信息集成。

图9 某线束产品图形建模实例

［1］吴 黄.汽车线束工艺图建模研究［D］.合肥：合肥工业大学,2008.

［2］李忠泽,程光春,刘晓平.汽车线束图纸辅助绘制系统的设计与实现［J］.电脑技术，2008（3）：36-40.

［3］周学良，阮景奎，胡明茂.汽车线束CAPP系统开发［J］.汽车技术，2008（7）：59-62.

［4］王隆太.机械CAD/CAM技术［M］.2版.北京：机械工业出版社，2005.

［5］李长勋.AutoCAD ObjectARX程序开发技术［M］.北京：国防工业出版社，2005.

Information Modeling of Electrical Harness Oriented to Integration of CAD/CAPP

Zhou Xueliang，Ruan Jingkui
（Dept.of Mechanical Engineering，Hubei Automotive Industries Institute，Shiyan 442002，China）

The structure information model of electrical harness was set up by oriented object method on the basis of analyzing its structural features，and the body part was described through formal methods.In addition，a graph modeling technique was proposed，which made use of the function of constructing upper hierarchy graphic objects provided by CAD systems.Its principle is that the structural information is saved into database and graphic handles was used to express the relationship of drafting and structural information to obtain synchronous update and inter-manipulation.Finally，modeling cases of CAPP system for electrical harness demonstrate that the modeling method is practical and valid.

electrical harness；information modeling；graph modeling；CAD/CAPP

TP311.52

A

1008-5483（2010）04-0024-07

10.3969/j.issn.1008-5483.2010.04.007

2010-10-13

湖北省教育厅科学技术研究计划指导性项目（B20102005）；湖北省重点实验室开放基金（ZDK201004）

周学良（1978-），男，湖北郧县人，博士生，从事CAD/CAPP/CAM研究。