基于Pro/Toolkit的线缆组件快速几何建模技术

杜海遥，张丹，展阔杰，左敦稳

(南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016)

0 引言

线缆组件是机电产品中传输电源和各种信号的重要器件，广泛应用在军民两用的机电产品中。通常在机电产品电器控制系统设计完成后会根据各个控制单元的连通情况确定接线表，布线人员根据接线表对产品样机进行线缆布置，线缆布置过程中，线缆的拓扑结构和线缆路径的确定基本依赖于人工经验，需通过多次反复尝试不同的布线方案才能最终定型。随着机电产品的复杂程度提高，目前商品化三维计算机辅助设计软件如Creo/ProE，CATIA，UG等都提供了三维布线功能，在这些软件上进行三维布线简化了在样机上布线的复杂程度，但是对于线缆拓扑结构和路径的规划依旧只能通过反复尝试得到最佳方案。针对线缆拓扑结构和路径的优化，国内外学者都进行了大量的研究，利用各种智能算法快速获得了近似最优的线缆结构和拓扑结构[1-2]。

但是这些方法的研究偏重于算法本身，可以获得线缆布线的路径，但无法获得直观的布线方案，难以应用到CAD软件中的产品数字化模型中，建立包括机械结构和电缆造型的整机三维模型。因此对机电产品线缆组件进行快速建模，能够使智能算法获得的结果更好的展现在三维模型中，使其能更好地用于解决工程实际问题。

受限于技术条件，线缆的快速建模的研究开展的较迟，1991年，Caudell等[3]最早提出了将虚拟环境与线缆布线相结合的思想。随着CAD技术的迅速发展和广泛应用，布线方面的研究也越来越多，致力于研究设计一种易于操作、结果逼真的布线系统。F.M.Ng等[4]通过对英国五大先进技术机电公司的布线现状进行调查研究，掌握当前企业在线束设计和规划的实际应用情况，提出了一种使用虚拟现实技术进行实时线缆布线的方法，通过头盔显示器与系统相连，并对效率进行了检验，验证了其可行性。魏发远等[5]利用虚拟样机技术的可视性和人机交互能力规划出电缆路径。万毕乐等[6]在HP Xw8000上开发了一个虚拟装配系统进行线缆建模和布线的研究。马龙等[7]研究了基于能量优化的线缆分段建模方式。苗振腾等[8]等以UG为平台，开发建立了UG的自动布线系统，并将其集成到UG软件中，简化了布线操作。

但是以上的研究都未能很好地将线缆的设计与建模很好的结合起来，建模的自动化程度不高。对此，提出了一种基于Pro/Toolkit的线缆组件快速几何建模方法，针对特定格式的线缆组件信息模型，在Creo软件中实现线缆组件的快速自动几何建模。

1 线缆组件的快速几何建模流程

线缆组件的快速建模分为三步流程(图1)，线缆组件信息文件的创建、模型信息的读取与处理、线缆组件三维模型的几何造型。

图1 线缆组件的快速几何建模流程

线缆组件信息文件为建模的输入条件，是线缆组件的信息模型和线缆组件设计系统的输出结果。在获得线缆组件信息文件后，对其进行读取，获得利用Pro/Toolkit进行建模时所需的参数信息。最终根据处理后的参数信息，调用相关函数，在Creo环境下进行线缆组件三维模型的几何造型。

2 线缆组件信息模型

线缆组件信息文件作为线缆组件快速建模的输入条件，其中存储内容是根据线缆组件设计结果得到的线缆组件信息模型。线缆信息模型作为整个线缆组件快速建模的基础数据，并需要有一个通用的模型结构并以合适的存储结构存储。

2.1 线缆组件信息模型结构

线缆组件快速建模，其目的是使算法所获得的结果更好地应用于工程实际问题，作为输入条件的线缆信息模型所包含的信息既需要包括线缆的电气属性和物理属性，也需要包含线缆组件的结构及路径信息。在本文所述的建模方法中，线缆组件的信息模型为线缆建模的输入条件，其应由一组参数变量表征，并且一组具有明确数值的参数变量应该可以唯一确定一个线缆组件。根据生产和设计的过程将线缆捆扎后形成的各段线缆和线缆束分支结构统称为线缆分支，线缆分支的端点称为连通点，其中各段线缆分支共用的连通点称为分支点，在实际生产中线缆分支上需要固定的点称为路径点。

图2为线缆组件信息模型，由4个参数信息集组成：物理属性集、电气属性集、结构属性集、分支路径集。信息模型中，物理属性集为线缆中所有的线缆属性，包括由线缆类型ID、颜色、直径、最小弯曲半径组成的一系列参数组；电气属性集为线缆组件中所有的电气连接关系，包括每根线缆连接的两个端口ID以及连接端口所用的线缆类型ID；线缆组件的结构属性集包含了线缆组件中所有分支点，包括每个分支点ID以及与其相连的连通点(分支点或端口)ID；分支路径集为线缆组件中所有的分支路径，分支路径由包括每段分支的起始连通点ID、路径点ID几何、终止连通点ID，其中起始连通点和终止连通点为分支点或端口，每个点ID对应一个空间三维坐标。

图2 线缆组件信息模型

2.2 线缆组件信息模型的存储

在线缆组件信息模型中，物理属性集和电气属性集所反映的是组件中各线缆自身的属性，而结构属性集和分支路径集反映的是线缆组件的布局设计，并且分支路径集中各分支是由线缆组件的结构属性所确定。因此，将线缆组件的信息模型分为属性和结构及路径两部分进行存储。属性部分以各单根线缆为单位，存储其电气属性和物理属性。结构及路径部分以线缆组件结构中的各分支点为单位，存储以分支点为端点的各线缆分支及其分支路径。

现选用的线缆组件信息文件格式为XML格式，其具体的存储结构如图3所示。

图3 线缆组件信息XML文件存储结构

3 基于Pro/tookit的线缆组件三维几何建模

Creo中线缆组件的模型分为线缆模型和线缆束模型，线缆模型为在某些线缆分支上未捆扎的单根线缆模型，线缆束模型为多根线缆捆扎在一起的模型。通过对线缆组件信息文件的读取和处理，获得建模所需的相关参数，包括各线缆以及线缆束信息。在本文所述的快速建模方法中，由于线缆组件的具体路径点是基于坐标确定，并且使用Pro/Toolkit中所提供的相关函数进行建模与手动建模有所区别，所以在建模中先创建线缆束和线缆的属性特征参数，再对线缆束进行建模，最后对线缆进行建模，最终生成的模型包括线缆束模型以及在某些线缆分支上未捆扎的单根线缆模型。

线缆组件快速建模主要目的是为了使线缆组件的设计结果能应用到实际装配过程中，所以针对线缆组件的路径，只限制各线缆及线缆束通过设计结果中设定的主要路径点，而线缆组件在各个路径点之间的造型则根据其物理属性由Creo自动生成。

3.1 线缆束的建模

线缆束的建模顺序依照线缆束包含线缆数量从多到少依次建模。根据线缆组件信息模型中获得的线缆束信息，线缆束的路径为线缆束所在线缆分支的路径，相邻的线缆分支上的线缆束会有包含关系。当与线缆束相邻的其他线缆束尚未建模时，只需依据线缆束路径中各点的坐标创建基准点特征，使线缆束通过各点并生成模型，得到的模型即为线缆束的三维模型。

在对结构如图4(a)中的b1和b2两根线缆束进行建模时，由于b3线缆束已完成建模，如果按照上文所述的方法建模，会出现如图4(b)所示情况，图中3段线缆束的端点虽然为同一分支点，但线缆束模型的端面没有重合，线缆束之间并没有柔性的相连，不能体现出3根线缆束之间的包含关系。针对这种情况，在对线缆束进行建模时，如果与之相邻的线缆束已完成建模，则通过特征遍历的方法，获得线缆束公共端线缆路径点特征ID，并使当前建模的线缆束通过该线缆路径点而不是创建的基准点，这样可以得到图4(c)所示的效果。

图4 线缆束通过同一线缆路径点

对图4(a)所示的线缆束拓扑结构，在线缆设计时，线缆束所包含的线缆有可能会出现如图5(a)所示的特殊情况，即相邻3根线缆束之间没有包含关系。所以在进行建模时，需对当前建模线缆束进行判断，如果其和与其相邻的线缆束之间没有包含关系，则对该线缆束向内缩进一段距离进行建模，获得如图5(b)所示的效果。

图5 线缆束特殊情况

3.2 线缆的建模

线缆的建模采用分段建模的方式，根据线缆通过的线缆分支顺序进行建模。对于未与其他线缆捆扎的线缆段，每段的建模方式与线缆束建模类似，根据其路径坐标创建基准点，并使线缆依次通过各基准点或线缆路径点并生成模型。对于与其他线缆捆扎的线缆段，根据线缆束两端线缆路径点特征ID使线缆通过线缆束两端的线缆路径点，由于线缆束的模型已经生成，所以捆扎段线缆的模型不会重复生成，但其路径信息将会记录在该线缆的相应属性和参数中。最终得到的模型效果如图6所示。

图6 线缆及其所属线缆束结构及模型

4 应用实例

现以某机电产品线缆组件进行快速建模。其接线表见表1，其线缆分支结构如图7所示。

表1 线缆组件接线表

图7 线缆组件分支结构

根据线缆组件的接线表和分支结构以及各段线缆的具体路径，获得线缆组件的信息文件，其XML文件如图8所示。经过读取和数据重构，对获得的线缆进行建模，最终获得该机电产品的线缆组件三维模型如图9所示。

图8 线缆组件信息XML文件

图9 某机电产品线缆组件三维模型

5 结语

针对线缆组件的设计和生产过程，结合线缆组件的物理属性、电气属性、拓扑结构、路径信息设计了一种线缆组件信息模型，并利用Creo二次开发工具Pro/Toolkit针对线缆组件的参数信息进行了线缆组件的几何建模，获得效果较好符合实际的线缆组件三维模型。提出的线缆组件信息模型，为线缆组件的设计系统提供了一种规范的输出格式，使其结果能够更好地应用在实际生产和三维建模中。通过读取信息模型，并处理相应的参数信息，在Creo中进行几何建模，最终得到的线缆组件几何模型,为线缆组件实际生产提供了直观的参考，使实际生产过程更加规范化，提高了机电产品研发过程中线缆组件的设计周期，减少了研发成本，从而提高了研发效率和生产效率。

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