三维布线技术在充电桩产品中的应用

张保增，陈天锦，王 伟，宣志文

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三维布线技术在充电桩产品中的应用

张保增，陈天锦，王 伟，宣志文

（许继电源有限公司，河南省许昌市 461000）

在充电桩的生产中不可避免地需要进行配线。传统的配线方法是工人在生产中根据配线图进行配线，配线速度慢，配线路径不能充分优化，配线错误率较高。同时设计中不进行三维布线可能带来设计错误，导致生产中无法配线。使用Creo的三维布线技术在设计过程中进行布线模拟，有效避免了设计过程的错误，并可以在设计中进行布线的优化；同时三维的工艺文件能够有效指导工人现场配线，减少了配线过程的错误。

充电桩；三维配线；Creo软件

1 引言

随着国家对电动汽车的推广，市场对充电桩的需求也变得大起来。国家和国家电网公司也出版了一些相应的标准。国家标准GB/T 20234 《电动汽车传导充电用连接装置》和国家电网企业标准Q/GDW 1234 《电动汽车充电接口规程》规定了相关的充电桩的接口，保证了电动汽车和充电桩产品可以进行互操作。国家标准GB/T 18487《电动汽车传导充电系统》规定了电动汽车充电系统的分类、通用要求、通信和电击防护等功能。

虽然有一些相关充电桩的标准，但对于充电桩的显示、付费和功率等功能没有进行规定，对型式也没有相应的标准可循。导致市场上的充电桩产品规格多样，生产厂家生产充电桩的过程中需要进行小批量多品种的生产。为了保证充电桩产品的多样性，各功能模块之间需要进行柔性配线。一般来说，即使一个简单的充电桩也需要上百根走线。事实上，在充电桩的生产过程中，配线占用了一半以上的时间。针对充电桩产品的配线技术进行研究非常必要。

2 配线工作现状

在当前充电桩的生产过程中，配线大多采用布线工艺卡片作为布线依据，而布线工艺卡片一般为二维简图或者文字描述的形式，布线工艺卡片不能直观地描述线缆连接情况和走线路径，布线人员大多凭借多年的布线经验进行布线。传统的布线模式主要有以下缺点。

1）传统布线操作烦琐、效率低而且容易出错，生产成本高。

2）线束现场制作较慢，线束不能提前制作。如果使用钉板进行模拟计算容易导致导线过长，浪费严重。

3）设计过程不考虑电缆的折弯可能性，对于较粗的线缆可能导致生产安装过程配线困难。

4）指导文件不够直观，工人寻找布线路径需要较长时间。

5）各个工人根据自己经验布线，布线路径随意性较大。

6）布线路径无法直观显示，很难事先进行评审并有效优化。

7）严格的布线参数需要样机安装完成后在样机上测量，在柔性生产中导致较长的生产周期。

总之，虽然看起来配线只是简单的工作，没有技术含量，但是由于配线数量较多，拓扑结构复杂，导致在大多时候配线是充电桩生产的瓶颈，影响着充电桩产品的质量和效益。文献[1]提出了手工立体布线工艺，介绍了手工立体布线工艺的概念和特点。文献[2]使用3D-CAD技术进行了动力机车的配线模拟，并在生产过程中使用三维显示技术指导生产。文献[3]在电气配线实施过程中采用剪布线表规范指导电气布线的工艺方法，可以降低操作难度，但仍旧是使用文字实现布线的指导。使用三维布线工具进行充电桩产品的布线，并用布线结果指导生产势在必行。

3 Creo6.0布线方法

Creo软件是美国PTC公司推出的CAD设计软件包。具备互操作性、开放和易用三大特点，方便对产品进行三维建模。通过相应的布线插件，Creo可以实现三维布线功能。三维布线的过程主要包括建立基础模型、布线和生成相应的工艺文档三个步骤。

3.1 建立基础模型

在进行布线之前，首先需要建立相关的电气三维模型图，为布线提供一个基本的三维空间。建立零件的三维模型后，需要在模型上建立坐标系，作为引线端子的位置信息。其中导线引线方向沿坐标系的轴方向向外。如果需要相应的端子（例如OT端子或UT端子），还需要设计相应的端子三维模型，并在端子上设置相应的引线位置，把端子安装在模型的相应位置。在Creo软件中绘制的带有引线端子的模型如图1所示。其中空气断路器的A0、B0、C0、A1、B1、C1以及OT端子上的坐标系可以作为导线入口端位置。

图1 带有引线端的模型

3.2 指定连接器

对电气元件建立连接端子位置后，还需要指定零件为连接器，选择菜单“应用程序->缆”进入布线环境。然后选择“逻辑数据”功能模块中的“自动指定->指定”选项，然后使用鼠标左键选中相应的零件指定其为连接器。菜单界面如图2所示。

图2 指定连接器界面

选定连接器后，进行连接器参数设置功能，如图3所示。

图3 连接器参数设置

3.3 连接器入口端设置

指定连接器后，需要指定连接器上的哪些坐标为接线入口端子。单击弹出菜单中的“入口端”选项，然后使用鼠标单击相应端子坐标。如果需要选择多个坐标，则按下CTRL键连续选中多个坐标，然后单击“确定”按钮，如图4所示。

图4 指定引线入口端界面

图5 连接器内的线缆长度设置

在弹出的对话框中选择端子的类型，如图6所示。

图6 选择入口端类型界面

其中选项“线”表示入口端只能引出一根导线；选项“圆形”表示入口端可以引出多根导线；选项“扁平”表示入口端为扁平带缆的一个端子。选中导线类型后，单击上面“完成”选项后完成入口端的设置。

3.4 线轴设置

指定连接器后，还需要进行线轴的设置。线轴表示导线的类型。以普通的导线为例，单击逻辑数据中的“数轴”选项，在弹出的对话框中单击“创建”，如图7所示。

图7 创建线轴界面

图8 线轴名称设置

设置线轴的名称后，弹出设置线轴参数对话框，如图9所示。

需要输入的线轴的参数包括线轴的最小弯曲半径（MIN_BEND_RADIUS）、线轴外径（THICKNESS）、尺寸单位（UNITS）和线轴颜色（COLOR）。输入线轴的参数后，单击图中“确定”按钮，完成线轴的设置。然后单击上一级对话框的“完成/返回”按钮完成线轴的设置。

图9 线轴参数设置界面

3.5 布线

完成连接器和线轴的设置之后，就可以进行布线了。选择布线模块的“布设缆”按钮，进入布线状态，如图10所示。

图10 布线界面

然后选择导线使用的线轴，最后选择布线类型。布线类型包括通过网络、简单布线、沿缆和沿管线。在通过网络方式下，需要首先建立布线网络，然后软件自动沿网络布线。简单布线按照最近的样条曲线路径布线，沿缆和沿管线是沿固定的路线布线。简单布线后的布线结果，如图12所示。

图11 选择入口端

图12 简单布线后的布线结果

如果需要改变导线的路径，可以在导线路径上插入点，从而实现走线的定制。单击“位置”对话框中的“位置”选项，如图13所示。

图13 设置导线路径位置

然后首先使用鼠标左键选中需要添加位置的导线，然后单击需要添加的位置，实现导线的走向定制。如果需要对一条导线添加多个位置，可以选中导线后，依次从导线的起点向终点添加多个位置，设置后的导线走线如图14所示。

图14 沿线槽布的导线路径

在充电桩的产品设计过程中，柔性导线也不能随心所欲地折弯，导线都有一定的最小折弯半径。所以在导线布线时，特别是对于粗导线进行模拟布线时，如果空间有限，则可能会导致布线失败。这种情况下需要对结构设计进行优化，保证产品设计的合理性。

在产品模拟布线完成后，可以使用软件自动完成线束表的编制。三维布线完成的线束表，可以作为制作线束的依据。布线完成后的部分线束表如表1所示。

表1 导出线束数据

通过软件还能生成三维的配线图。在生产过程中，使用配线的三维图作为工人配线的可视化工艺文档，可以提高工人配线的速度和质量。部分线束布置如图15所示。

图15 生成线束图

4 结论

使用三维布线和三维可视化工艺后，可以给充电桩产品的设计和生产带来如下好处。

1）设计过程考虑电缆的折弯可能性，设计出来的产品配线工艺性好。

2）可视化的模拟布线方便进行严格的评审，保证精确的导线长度，有效避免导线浪费。

3）三维配线指导文件直观，对工人的要求低，保证产品配线路径一致。

4）提前生产线束保证较短的产品生产周期。

5 需要改进之处

[1] 于宏辉．适用于机电装备的手工立体布线工艺[J]．机械制造，2019，57(4)：9-91．

[2] 川瀬瀬司，刘丽杰．利用3D-CAD和IoT的车辆配线技术[J]．国外铁道机车与动车，2020(3)：7-20．

[3] 张学秀，陆辉，张亚静，等．时速160 km动力集中电动车组电气配线布置[J]．铁路采购与物流，2020，15(3)：6-48．