电气柜装配序列规划及铜排布局方法研究与实现

魏添君

（中铁建电气化局集团西安电气化制品有限公司，陕西 西安 710000）

随着电气市场的发展，电能产品的需求量越来越大，为了提高电能质量，很多电气企业都采用CAD 软件辅助计算机技术进行电气柜的设计工作[1]。但是，随着人们对电气装备的需求持续增加，传统的电气装备及其设计方式已不能适应并满足电气柜在使用中的柔性需求[2]。为排除相关因素的干扰，在设计过程中，技术人员往往需要花费大量时间、精力完成电气柜干扰检测、线路设计和组件安装等方面的工作，该现象对设计者工作效率的影响较大。

对该方面内容进行研究可发现，电气柜内的部件主要包括金属部件、电器部件和通用标准部件，这些部件便于加工、装配，可在电气柜内实现自动化转换[3]。要提高电气柜的设计效率和精度，提升电气企业在市场内的核心竞争力，必须要进行柜内装配序列规划工作的优化与铜排的自动布局。“装配”是电气柜产品制造周期中最耗费人力物力、最复杂的一个环节，该环节会对产品生产效率、成本与质量产生较大影响[4]。

其中，装配次序的确定是装配过程的核心，也是实现装配过程自动化的重要步骤。进行装配序列规划时，需要重点考虑装配过程是否存在相互干扰、装配模式是否能正确约束等问题[5]。为了对该方面工作进行优化，在施工中，技术人员需要根据设计图与电气柜装配需求，做好现场沟通工作，以深化柜内装配与铜排布局作业。

1 电气柜装配序列规划

1.1 装配相关矩阵生成

为确保相关工作在实施中的规范性，需要根据电气柜装配规划需求，建立相关矩阵。

1.1.1 连接矩阵

利用连接矩阵，可以表达电气柜内各个组件、部件和元件之间的连接关系，从而能更直观地分析柜内组件运行过程的稳定性[6]。如果柜内元件间存在耦合关系，又可分为接触性耦合和稳定性耦合。前者甚至可在不施加任何外力配合的条件下实现元件之间的耦合连接，包括孔轴配合和零件贴合等，后者是指通过螺栓、螺母，按照螺纹进行元件之间的焊接，以此实现柜内元件的连接。建立柜内元件/零件之间的连接矩阵，如公式（1）所示。

式中：C代表柜内元件/零件之间的连接矩阵；n代表连接矩阵的行数与列数；cij代表柜内元件i与元件j之间的连接关系。

对cij在不同条件下的取值进行分析，如公式（2）所示。

除上述3 种较常见的连接关系外，根据物元-关系模型，进行柜内元件之间配合关系的描述，相关内容见表1。

表1 柜内元件之间配合关系的描述

1.1.2 支撑矩阵

在SolidEdge 软件中进行电气柜的装配式设计时并没有将每个元件的重力计算在内，而在实际的装配中，每个零件都是有重力的。因此，进行装配顺序规划时，要用支撑矩阵来表示部件之间的支撑关系，这样才能更好地反映出电气柜实际的装配过程和状态[7]。建立柜内元件/零件之间的支撑矩阵，如公式（3）所示。

式中：S代表柜内元件（/零件）之间的支撑矩阵；sij代表柜内元件i在重力方向上对元件j的支撑作用。

对sij在不同条件下的取值进行分析，如公式（4）所示。

1.2 基于改进遗传算法的装配序列规划

在上述内容的基础上设计基于改进遗传算法的装配序列规划，其中改进遗传算法流程如图1 所示。

图1 改进遗传算法训练流程

电气柜中的元件类型较多、装配关系复杂且装配序列的排列组合数目多，装配时将会对算法效率和后续运算产生较大影响。为提高装配序列规划效率，将整个子装配体看作一个零件，对每个零件进行次序规划，再对总装次序进行装配规划。该过程如图2 所示。

图2 装配序列规划次序

装配时，需要先进行遗传算法的初始化，将柜内的每个元件进行编号，根据编号生成对应的初始化种群矩阵。矩阵中，行数对应种群的个体数量、列数对应柜内元件数量。

为保证装配工作的顺利实施，装配时需要做好每个对应合体的适应度计算，根据个体（元件）的适应值进行装配中的排序。持续执行上述步骤，判断在迭代条件内元件的适应值是否能够达到终止需求，如达到终止需求，则终止迭代与训练过程，输出每个元件个体对应的适应值，按照适应值进行柜内元件的装配排序。反之，如未达到终止条件，需要调整元件的数量，再进行适应度的计算与训练。根据上述步骤，实现装配序列规划。

2 电气柜中的铜排布局方法

2.1 设置铜排路径规划工程约束条件

电气柜内部结构十分紧凑，组成零件众多，因此电气柜内部的铜排规划可利用空间狭小而不规则，需要对电气柜内的铜排进行合理布局规划。在布局前，需要设置相应的约束条件，确保布局合理性。分别从物理干涉、电气干涉、铜排走向、成本以及稳定性5 个方面设置相应的约束条件，并将其转化为数学表达式，如公式（5）～公式（9）所示。

式中：Lconstrain=0 代表铜排的布局不得与电气柜内的元器件发生碰撞干涉。在电气柜中，铜排用于输送电流和连接各个电气设备，如果铜排绝缘套出现损坏，则铜排与其他元器件碰撞会导致电路故障；Econstrain=0 代表各类铜排之间不得出现电气干涉情况；Fconstrain代表铜排与元器件的连接部分必须保证平滑。除了必要位置需要进行弯折外，布局时应尽可能保证铜排的横平竖直；Lconstrain表示铜排所消耗的成本，通常是由铜排的长度和型号决定；Mconstrain表示铜排的弯折次数。

2.2 布线环境空间处理

电气柜中的电子元器件通常都装在一个安装板上，相当于利用一个安装板将具有不同功能的电子元器件分开。不同型号的电气柜电器元件的布局有所差异，因此铜排的布线方式也会有一定差异。但是，在本质上，铜排都是用来连接2 个电器元件，或者一端连接电器元件，一端连接水平排的，铜排可以充当导电元件，以确保电路的正常运行。电气柜的空间比较狭小，结构元件的类型各异，尺寸和外形参差不齐，配线的空间也是不规则的。在电气柜中，除电器元件外，还存在其他零件，进行布线规划时应将其视为障碍物加以规避。

在对布线空间中铜排的线路进行规划之前，需要把布局环境中的数据转换成一种算法可以辨识的格式，而电气柜的布线空间是一个三维空间，因此把算法中采用的两维平面坐标（x，y）替换成三维空间坐标（x，y，z）。同时，为了减少算法的计算复杂度，对线路空间内的其他部件进行数据处理，通常采用围框式的方法对其他部件进行处理。此外，布局时需要考虑已经规划的铜排对未规划铜排的影响。部分零部件简化示意图如图3 所示。

图3 电气柜内部分零部件简化示意图

2.3 基于改进RRT 算法的铜排路径规划

完成布线环境空间处理后，结合改进后的RRT 算法，对电气柜中的铜排布局路径进行规划。利用该算法对铜排进行从起点到终点的布局规划，在路径点之间选择性地去掉冗余点，得到关键路径点，以此使路径更平滑、顺畅。铜排路径点的优化示意图如图4 所示。

图4 铜排路径点优化示意图

在Xinit和Xgoal之间进行铜排布局规划，得到路径点集合，为图4 中的编号1～14 点。从图4 可以看出，该布局规划路径存在多处弯折，不符合铜排布局的约束条件。因此，将Xinit作为起点，与后面各个路径点进行连接，并同时进行碰撞测试。在测试过程中，如果不发生碰撞，则对下一个点进行加测。如果发生碰撞，则以碰撞点的上一个点作为起始点开始下一轮碰撞测试。图中a'和b'为碰撞路径。因此，选取编号8 的上一个点编号7 与Xinit相连，得到路径a。同理，得到路径b和路径c，组成最终的铜排规划路径。由于铜排自身有一定的宽度，因此进行布线时，规划点必须和其他部件保持安全距离，生成随机树时，必须满足一定的安全距离限制。为降低计算复杂度，先对障碍部分所处的区域做适当扩充，再将扩充后的区域合并为一个新的障碍。

假设铜排与障碍物之间的安全距离为l，铜排的宽度为w，则区域通过扩展距离如公式（10）所示。

式中：d代表扩展距离。

在障碍物区域的各个边上分别扩展d，形成新的障碍物区域，再将该区域作为障碍物进行路径随机搜索，确保最终得到的路径点不在该区域内，并保证最终铜排布局合理。

3 结语

传统的装配工艺与技术路线已不能适应电气行业产品质量不断提高、生产周期不断缩短以及人工成本持续降低的需要。针对该方面问题，该文进行了研究，全面优化了柜内装配序列，并在一定程度上解决了铜排布局过程中潜在的问题与不足，可为电气设计相关工作的实施提供进一步的技术指导。