基于Pro/e的二次接线三维设计研究

魏华贤，李 威，徐 晗，刘玉飞，范孟豹

（中国矿业大学 机电工程学院，徐州 221008）

0 引言

二次接线作为成套设备的重要部分主要完成对一次设备的监测、控制及保护，一般由测量仪表、控制元件及控制电缆等低压设备组成。设置在地铁供电系统中用于杂散电流腐蚀防护的单导装置是典型的含有一次接线及二次接线的成套电气柜。这类电气柜的模块化、集成化及规范化程度较低。但随着我国城市化水平的推进，这类设备的需求在快速增加。二次接线设计是从原理图出发到获得接线图表的设计过程，目前的二次接线设计主要基于2D-CAD，二次接线逐渐成为了一项重要又费时费力的工作[1]，也成为了缩短成套设备生产周期的瓶颈。

为了加快设计过程，国内已有基于二维CAD软件开发的二次接线自动生成系统的研究[1]，但系统复杂，且仍需通过样机接线来获得线缆长度。随着三维辅助设计技术的普及，将计算机三维辅助设计技术应用到电气设计中已日趋广泛，国内外的相关研究较多，如Robinson,G、刘检华等在虚拟环境下线缆建模及装配规划的研究[2]，其侧重于虚拟现实技术，且需要昂贵的虚拟交互设备；王金芳、郭伟等进行了三维线缆的规划及快速布线研究[3,4]，实现了线缆的三维自动布设，但他们关注的主要对象是线缆。

本文根据二次接线设计的工程需求及特点，对基于三维设计软件Pro/e的二次接线设计进行了研究，首先形成原理图的规范输入和管理，然后实现对原理图信息的抓取并指导三维布线，进行二次回路的三维自动布线，输出的接线图表可直接进入样机试验并量产。最后设计了针对单导装置的二次接线三维辅助设计系统，结果表明二次接线设计效率及质量获得较大提高。

1 关键技术

类似二维的二次接线工作流程，要实现三维辅助设计的二次接线，首先需要抓取原理图的元件及接线信息，根据这些信息进行三维布线并提高软件布线与实际布线的吻合度，最后输出接线图及接线表即可，该流程如图1所示。无规矩不成方圆，这些功能对Pro/e软件自身来说虽是可以实现的，但如果不按照正确的方法进行设计，其效率也并不比二维设计高，因此研究正确有效的设计规范及方法是必须的。

图1 三维辅助的二次接线设计过程

为了探索基于Pro/e的三维二次布线，必须建立相应的3D布线模型，考虑影响布线的因素主要有器件外形、位置及线端方位，可简化模型的造型工作，本文建立的初始模型如图2所示。需要强调的是，对于成套设备，二次器件的类型是相对固定的，因此3D模型的可重复利用率较高，3D建模不是主要工作。

图2 三维布线模型

通过选项修改config.pro文件可实现统一的Pro/E软件设计环境，有助于提高设计效率，本文对以下选项进行设置：

pro_ymbol_dir，符号库目录的全路径名

pro_spool_dir，缆规格库目录的全路径名

grid_snap，Yes

model_grid_spacing，5

对应图1的二次接线工作，本文探索了以下设计流程：

1.1 原理图快速输入

二次接线中原理图所包含的元件信息及接线信息是二次接线设计的信息源。二维的接线设计有的通过识别原理图的绘图信息获得接线及符号信息，再通过人工注册将符号信息转换为元件信息；也有的提供设计模块对二维绘制进行统一和规范[1]，这些基于二维的方法，或涉及复杂的算法，或系统辅助、效率较低。在Pro/ENGINEER中，其Diagram模块可图形化的表示线、缆、电气元件和管脚，可自动捕捉元件及接线信息，即设计者只需按照Diagram的规则将原理图输入软件，而不需前述的那些复杂的处理方法即可实现原理图信息抓取。文献[5]和文献[6]给出了运用Pro/Diagram设计原理图的一般过程。为了加快二次回路原理图的输入效率，本文首先进行了两项工作：

1) 对电气符号的绘制进行统一，方便符号放置及更换；

2) 建立符号库及线缆库，减少重复工作；（1） 电气符号库的建立

在Diagram中，元件及固定接插件是通过符号（symbol）来表示的，每一个符号由图形和字符组成，有导线接入的器件还必须定义节点。根据二次回路原理图的特点，需要定义四类符号，所定义的符号如图3所示。

普通符号：在原理图中代表一个实物元件的图形及字符。如图中的a为端子的符号。

多视图元件符号：在原理图中分开放置的两个或多个普通符号，且他们仅代表一个实物元件。如图中b是表示同一个开关的两个符号，由于二次原理图的表达方式要求他们同时分别放置在端子排图及控制回路图中；更典型的是c所表示的热继电器的符号，两个符号分别代表同一个热继电器的线圈和常闭触点。

多视图连接器：与多视图元件符号概念相近。在Diagram中，“元件”可代表具有电气连接及电气功能的器件如接触器、电阻等；“连接器”代表仅具有电气连接功能的器件如接线端子。

元件组符号：在原理图中两个或多个普通符号的固定组合，他们仍代表各自的器件，但在原理图中同时放置、移动及删除。通常用来表示需要通过连接器接入线缆的元件，如图中d表示分流器RS与OT端子的组合，实际中分流器一般用OT端子进行接线。

图3 电气符号

（2）线缆规格库的建立

Pro/E中的spool即线缆规格包括单芯导线（wire）、多芯导线（cable）及护线套（sheath）三种，其本质上是一组描述导线或护线套的参数。其就像编程语言中的类或结构的概念，而在具体布线时生产的导线就是线缆规格的实例。在实际接线中，导线及护线套规格是有限的，线缆规格库平时几乎不用扩充。

3）原理图绘制

有了上述符号库及线缆库的基础，加上开头所述的选项设置，原理的绘制将变得非常便捷。本文在Diagram中所绘制的原理图如图4所示。绘制过程为：(1) 放置元件实例并赋予唯一标号；(2) 用导线连接各元件的管脚节点；(3) 统一修改元件参数及线缆参数。需要注意是：Pro/Diagram中的图尽量对应原理图，但二维的原理图中通常将等电位的线缆用同一个线标，但Pro/Diagram中每两个管脚之间必须产生一条导线并标记唯一的线标，即按实际接线的思想，本文采取的措施是将等电位线标前缀统一而后部顺序递增，如L11、L11-1、L11-2代表三根等电位线缆。

图4 Pro/Diagram中绘制的二次原理图

1.2 三维快速布线

1) 布线结构

创建合理的装配结构，是布线设计人员和结构设计人员进行并行设计的前提[7]，本文为了方便模型管理，采用结构装配作为布线装配的子装配，线缆布置在布线装配中的布线结构。

2) 网络网络建模

一般情况下，成套设备的二次线缆从器件端口接出后会捆扎在一起，再用缠绕管缠绕放置在走线槽中，走线槽安装在柜内面板或结构件上并横平竖直排布。而Pro/Cabling的自动布线恰恰是基于Network（即绘制在柜内的主要走线路径）进行的，软件在自动布线时根据输入的逻辑参照，自动选择network以最短的距离将相应的元件相连。自动布线的成功率很大程度上取决于network质量，若绘制的netwrok足够完整且曲线之间光滑连接，则可较好的提高自动布线的成功率。

本文构建了从端口-走线槽-端口的完整network，走线槽内的network是走线槽的中直线，端口与走线槽之间、走线槽之间用三次参数样条曲线达到光滑连接，如图5所示。

图5 端口与走线槽之间的network

图5所示的端口与走线槽之间的network曲线是过起点P0和终点P1的一段三次参数样条曲线，其以t为参数的矢量方程可表示为：

参数方程中的系数A1、B1、C1、D1由起始端点向量P0和P1，以及起始端点的切向量P0'和P1'决定。

端点向量由坐标位置可分别得到；对于起点令曲线与坐标轴Z轴相切可得其切矢P0'；对于终点令曲线与走线槽内network支线相切可得切矢P1'。

由以上条件可列出四个等式：

由(2)式可得到三次参数样条曲线的描述方程矩阵形式为：

用参数方程能在Pro/E中快速的绘制三次样条曲线，根据样条曲线描点构成一个完整的network后即可进入自动布线。本文所构建的network如图6所示，需要注意的是network必须要构成互通的一个整体才能顺利进行自动布线。

图6 整机Network

3) 三维线缆生成及布线优化

Pro/Cabling自动布线时采用最短路径将元件端口相连接，实际中可能出现缠绕的线太粗而放在一个走线槽中太拥挤，因此需要对一个走线槽内能运行放入的导线数量进行检查并修改。Pro/Cabling提供了对通过节点的导线数量进行限制的设置，但是当自动布线超过了限制时将会自动停止布线，因此为了不影响自动布线而需在自动布线介绍后进行检查和修改。同时也可以对其他布线不合理的地方进行微调，以提高线扎图的质量。本文最后获得的二次回路三维布线模型如图7所示。

图7 二次回路三维布线模型

1.3 接线信息输出

进行三维布线的目的就是为了最终获得能指导实际生产的图表，一般包括线扎图、接线表及板钉图。Pro/Cabling对这些图表提供了完整的支持，相关制作步骤参见文献[6]，本文最后获得的部分接线表如表1所示。

表1 接线表

2 单向导通装置的三维二次布线

本文针对国内某知名杂散电流设备厂家生产单向导通装置的二次接线特点，应用前面所述技术对二次回路进行了三维设计，建立了相应的符号库及元件模型，绘制了单导装置二次回路原理图并进行三维自动布线，最终实现的单导装置二次布线模型及实物图如图8所示，二次接线的三维模型与实物二次接线相似度较高，表明通过三维辅助设计得到的二次布线图表能用于指导实际生产。

3 结论

本文通过建立一个简单的二次回路三维布线

图8 单向导通装置二次接线实物与三维模型对比

模型研究了应用Pro/E软件实现成套设备二次接线三维辅助设计的过程，并在单向导通装置的二次接线中得到验证，避免了二维辅助设计时需要设计算法提取原理图信息的缺点，可较方便地从原理图快速获得接线信息，并用虚拟样机加速设计过程。对于三维辅助设计的二次接线，快速准确的输入原理图到Pro/Diagram中是布线设计的基础，建立完整的合理的布线网络是自动布线成功的关键，而建立符号数据库及设计规范可减少重复工作、提高设计效率。为了使Pro/E软件下拉式的菜单操作更直观，应分析二次接线三维辅助设计的完整需求，并开发针对性较强的引导式设计界面，构建面向产品的二次回路三维布线系统，是进一步研究的内容。

[1] 陆欣星,邹北骥,彭小宁,等.一种优化的二次接线自动生成方法研究[J].工程图学学报,2008(4):31-37.

[2] Robinson,G,Ritchie,J.M，Day,P.N，et al. System design and user evaluation of Co-Star: An immersive stereoscopic system for cable harness design[J].COMPUTER-AIDED DESIGN,2007,39(4):245-257.

[3] 郭伟,刘艳芳,赵辉,等.基于骨架模型的快速布线方法[J].计算机集成制造系统,2012,18(11):2391-2397.

[4] 王金芳.基于Pro/E的线缆装配规划系统的研究与设计[D].南京:南京航空航天大学,2008.

[5] 陆晓燕,陈波宁,季峰,等.Pro/ENGINEER Diagram电气逻辑原理图的设计（一）[J].CAD/CAM与制造业信息化,2010(4):96-98.

[6] 陆晓燕,陈波宁,季峰,等.Pro/ENGINEER Diagram电气逻辑原理图的设计（二）[J].CAD/CAM与制造业信息化,2010(4):96-98.

[7] 黄国振.构建数字化样机-Pro/ENGINEER Wildfire钣金设计与三维布线1版[M].北京:人民邮电出版社,2006.