在傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝中，使用常規(guī)方法會(huì)產(chǎn)生很多問(wèn)題。本文系統(tǒng)地介紹了三維立體布線CAD軟件的最新技術(shù)，舉例分析了應(yīng)用Pro/ENGINEER軟件解決三維布線設(shè)計(jì)問(wèn)題的一般過(guò)程，以及應(yīng)用該軟件所需的一些關(guān)鍵技術(shù)。本文提倡應(yīng)用Pro/ENGINEER軟件進(jìn)行三維布線，為線扎的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)很好的思路。

　　一、緒論

　　1.三維立體布線在電子設(shè)備設(shè)計(jì)及制造中的作用

　　本文所指的三維布線，即指線扎圖的設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝中，線扎的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)一般都在總裝階段進(jìn)行，因此，線扎的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)是電子設(shè)備制造過(guò)程中一個(gè)最為重要的環(huán)節(jié)。

　　2.電子設(shè)備對(duì)三維布線的要求

　　隨著設(shè)計(jì)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)制造業(yè)提出了日益嚴(yán)格的要求，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

　　(1)隨著電子設(shè)備的更新速度日益加快，產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到面向市場(chǎng)的過(guò)程所用時(shí)間也越來(lái)越短，這就要求制造業(yè)能盡快地適應(yīng)市場(chǎng)的節(jié)奏及設(shè)計(jì)的迅速變化，在設(shè)計(jì)時(shí)同步進(jìn)行三維布線，將三維布線可能帶來(lái)的問(wèn)題解決在設(shè)計(jì)階段。

　　(2)隨著電子設(shè)備向小型化、模塊化發(fā)展以及設(shè)備和結(jié)構(gòu)的內(nèi)部走線日益復(fù)雜，設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電磁環(huán)境對(duì)走線提出了更高的要求。

　　(3)除了功能這個(gè)重要因素以外，制作成本也是比較電子設(shè)備優(yōu)劣的一個(gè)重要因素。在產(chǎn)品功能相近的情況下，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期、降低勞動(dòng)力費(fèi)用及減少原材料消耗和浪費(fèi)將極大地提高電子產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

　　3.使用傳統(tǒng)工藝進(jìn)行三維布線帶來(lái)的問(wèn)題

　　在傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝中，基本流程包括設(shè)計(jì)圖紙的下達(dá)、準(zhǔn)備工作、建立電子設(shè)備的三維結(jié)構(gòu)模型、線扎的規(guī)劃、走線路徑的測(cè)量、繪制扎線板圖和原材料清單、制造第一個(gè)線扎、更改錯(cuò)誤、新線扎的制造和測(cè)試以及最終文件產(chǎn)生等。

　　由于線扎的大小及規(guī)模有區(qū)別，各個(gè)企業(yè)的管理及工藝也有所不同，因此在具體的流程上可能有所差別。總的來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)及制作工序比上述流程要簡(jiǎn)單，一般情況下是直接在實(shí)物上進(jìn)行線扎的制作。

　　從常規(guī)的工藝流程中可以看出，使用常規(guī)工藝制作線扎，可能會(huì)帶來(lái)以下問(wèn)題：

　　(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)致的走線空間問(wèn)題;

　　(2)走線不合理帶來(lái)的電磁兼容性問(wèn)題;

　　(3)線扎設(shè)計(jì)及制作過(guò)程的反復(fù)帶來(lái)的時(shí)間浪費(fèi);

　　(4)線扎的制作費(fèi)用高;

　　(5)線扎制作過(guò)程中人為因素導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的變化;

　　(6)更改過(guò)程很復(fù)雜且易出錯(cuò)。

　　要解決以上這些問(wèn)題，就必須使用三維立體布線CAD軟件。

　　4.三維布線實(shí)現(xiàn)的可能

　　實(shí)現(xiàn)三維布線，首先是生產(chǎn)的客觀要求;其次，隨著三維設(shè)計(jì)軟件的引入和普及，國(guó)內(nèi)許多企業(yè)和研究所都實(shí)現(xiàn)了三維設(shè)計(jì)，這為三維布線在客觀上提供了條件;而三維立體布線軟件本身的發(fā)展也給三維布線提供了可能。

　　二、三維立體布線CAD軟件

　　三維立體布線CAD軟件也稱作Harness軟件，目前國(guó)外的品種較多，功能也日益完善。這些軟件主要有以下特點(diǎn)。

　　(1)三維立體布線CAD軟件將線扎圖的設(shè)計(jì)和繪制與現(xiàn)有的3D機(jī)械設(shè)計(jì)軟件完美地融合到一起，使設(shè)計(jì)過(guò)程非常流暢。軟件的3D設(shè)計(jì)環(huán)境和2D線扎圖生成環(huán)境是互相關(guān)聯(lián)的，在任何一個(gè)環(huán)境中所作的改變，都會(huì)體現(xiàn)在另一個(gè)環(huán)境中，這減少了更改機(jī)械及電訊設(shè)計(jì)時(shí)出錯(cuò)的機(jī)會(huì)。

　　(2)三維立體布線CAD軟件可以從電原理圖和ASCII文本文件中獲取電訊的接線信息，實(shí)現(xiàn)了與電訊數(shù)據(jù)的融合。

　　(3)三維立體布線CAD軟件直接在3D機(jī)械模型中工作，節(jié)省了在常規(guī)線扎制作工藝中測(cè)量及建立三維結(jié)構(gòu)模型所需要的時(shí)間。

　　(4)三維立體布線CAD軟件在線扎圖的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以綜合所有針對(duì)線扎設(shè)計(jì)的要求和規(guī)則。這些要求和規(guī)則包括電氣方面、機(jī)械方面和制作工藝方面的，用來(lái)校驗(yàn)線扎圖的設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)出的線扎符合產(chǎn)品各方面的要求。

　　(5)三維立體布線CAD軟件在線扎設(shè)計(jì)完成后，能夠從3D設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中自動(dòng)生成所有生產(chǎn)所需的信息，如原材料清單、導(dǎo)線列表和扎線板圖等，從而消除了人工制作產(chǎn)生的影響。

　　(6)三維立體布線CAD軟件在線扎設(shè)計(jì)完成后，所有的設(shè)計(jì)信息都存儲(chǔ)在3D模型中，并且可以隨時(shí)調(diào)用，可維護(hù)批產(chǎn)的一致性。

　　(7)三維立體布線CAD軟件實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)中所見(jiàn)即所得。

　　隨著三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展，Harness軟件也真正進(jìn)入了三維時(shí)代。下面我們將結(jié)合PTC公司出品的Pro/ENGINEER設(shè)計(jì)軟件，認(rèn)識(shí)三維Harness軟件的基本特點(diǎn)以及在線扎圖的設(shè)計(jì)和制作中的應(yīng)用。

　　三、Pro/ENGINEER軟件與三維立體布線相關(guān)的基本功能

　　1.Pro/ENGINEER軟件簡(jiǎn)介

　　Pro/ENGINEER是美國(guó)PTC公司開(kāi)發(fā)的大型三維機(jī)械輔助設(shè)計(jì)軟件，集設(shè)計(jì)、分析、測(cè)試和制造于一體。Pro/ENGINEER軟件由多個(gè)模塊組成，三維布線模塊Pro/CABLING是Pro/ENGINEER眾多模塊中實(shí)現(xiàn)三維布線功能的基本模塊。

　　2.Pro/CABLING模塊的基本功能

　　Pro/CABLING模塊與其他Pro/ENGINEER模塊是協(xié)同工作的，它需要的三維立體模型由Pro/ENGINEER軟件中的Pro/ENGINEER模塊提供。Pro/CABLING模塊包括一些子模塊，如Pro/ROUTING和Pro/DIAGRAM等，主要解決三維空間的立體布線問(wèn)題，功能如下。

　　(1)線扎設(shè)計(jì)，即所生成的線扎圖為三維立體模型圖。

　　(2)扎線板制作，即三維的線扎圖生成以后，可在此轉(zhuǎn)化為二維的扎線圖，供生產(chǎn)所用。

　　(3)表報(bào)統(tǒng)計(jì)，即生成整個(gè)線扎的各項(xiàng)參數(shù)，如線纜的長(zhǎng)度、線扎的重量和線扎的制作成本等。

　　四、實(shí)踐應(yīng)用Pro/ENGINEER的三維立體布線功能

　　我們以電子設(shè)備中的一個(gè)分機(jī)為例，對(duì)三維布線的CAD流程加以論述。

　　1.先期工作

　　先期工作主要是指建立設(shè)計(jì)線扎圖所必需的結(jié)構(gòu)及電訊模型，這些模型的建立及參數(shù)的生成由其他模塊完成。先期工作主要包括兩大部分，即建立符合三維布線要求的結(jié)構(gòu)三維立體模型以及生成該模型的接線原理圖等信息。

　　(1)組裝實(shí)體模型的建立

　　組裝的實(shí)體模型，即用Pro/ENGINEER機(jī)械設(shè)計(jì)模塊制作的分機(jī)及機(jī)柜的3D組裝圖，應(yīng)包括設(shè)計(jì)線扎圖所必需的部分，并可適當(dāng)去除無(wú)用部分以簡(jiǎn)化模型。

　　(2)接線原理圖繪制

　　這一部分主要由繪制原理圖的子模塊Pro/DIAGRAM完成，其中包含設(shè)計(jì)線扎時(shí)所需的邏輯連接信息、連接器和線纜信息等。電訊信息是從電理圖文件或ASCII 文本文件中輸入的，需要電訊部門提供相應(yīng)的符合要求的文件。在這個(gè)實(shí)例中，電訊信息是由子模塊Pro/DIAGRAM完成。

　　局部顯示，如圖1所示。

圖1 局部顯示圖

　　2.建立連接器及與接線相關(guān)器件的信息

　　建立連接器的信息包括建立連接器的三維信息和連接器的連接信息兩個(gè)方面。

　　連接器的三維信息是連接器的3D模型。在一般情況下，連接器的外形在組裝實(shí)體模型建立過(guò)程中已建好，可直接使用;在另一種情況下，某些三維立體布線CAD軟件附帶常用的連接器信息，這些連接器信息可直接引入到組裝實(shí)體模型中。

　　連接器三維信息建立完畢后，下一步就是建立連接器的連接信息。在連接器中加入插芯的信息，即導(dǎo)線連接的插芯位置和數(shù)量等。

　　建立完畢的連接器三維模型，如圖2所示。

圖2 建立完畢的連接器的三維模型

　　建立器件信息的過(guò)程與建立連接器的過(guò)程相似，在此就不做描述了。

　　3.三維布線實(shí)體模型的建立

　　三維布線實(shí)體模型符合線扎圖的設(shè)計(jì)要求，是包含結(jié)構(gòu)及電訊相關(guān)信息的機(jī)柜或分機(jī)的3D組裝模型。

　　(1)連接器及器件信息的引入

　　這一步驟主要是將連接器及器件按各自的X、Y、Z坐標(biāo)定位在組裝的實(shí)體模型中，使連接器與三維模型合為一體。

　　該步驟完成后的分機(jī)三維模型，如圖3所示。

圖3 分機(jī)的三維模型

　　(2)輸入電訊信息

　　Diagram生成以后，可由結(jié)構(gòu)3D組裝模型引入，將Diagram中的元器件、連接器的參數(shù)和接線信息引入到結(jié)構(gòu)的3D實(shí)體模型中，與三維模型中的實(shí)體相對(duì)應(yīng)。

　　通過(guò)上述步驟，三維布線實(shí)體模型的建立工作結(jié)束，在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行后續(xù)的三維布線工作。

　　4.三維布線

　　三維布線由Pro/CABLING模塊完成，通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)功能生成三維 harness模型，工作流程如下。

　　(1)Network的建立

　　Network是線扎的布線網(wǎng)絡(luò)圖，即定義線纜的走線方向和位置，也可稱作布線通道或者虛擬管道。定義Network是生成harness最關(guān)鍵的一步，用戶可以設(shè)計(jì)出符合要求的全部可能的走線路徑，從而通知計(jì)算機(jī)哪些走線路徑是允許的，而哪些是不允許的。因此，定義這些路徑時(shí)應(yīng)盡量定義出所有可能的路徑，讓計(jì)算機(jī)加以識(shí)別，選出最佳路徑。

　　Network定義是否合理，將直接關(guān)系到自動(dòng)布線的成功與否，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)待。通過(guò)布線通道的建立，Pro/CABLING完成了電連接信息和機(jī)械信息的融合。

　　(2)布線

　　布線分為手動(dòng)布線和自動(dòng)布線兩種方式。其中，手動(dòng)布線是點(diǎn)擊導(dǎo)線和電纜通過(guò)的路徑，通過(guò)Harness軟件的用戶交互式布線功能完成布線。而自動(dòng)布線就是通過(guò)一次點(diǎn)擊自動(dòng)布線，所有的導(dǎo)線都將自動(dòng)布設(shè)完畢。

　　自動(dòng)布線完成的結(jié)果，如圖4所示。

圖4 自動(dòng)布線完成的結(jié)果

　　孤立出來(lái)的線扎，如圖5所示。

圖5 孤立出來(lái)的線扎

　　在布線過(guò)程中，可以單根布線，也可以多根同時(shí)布線。Pro/ROUTING子模塊將檢驗(yàn)創(chuàng)建的Network，計(jì)算出連接點(diǎn)之間的最短距離，生成線扎。

　　在布線過(guò)程中，不論是交互式布線還是自動(dòng)布線，用戶都可以根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)立布線規(guī)則。諸如確定導(dǎo)線可以經(jīng)過(guò)的布線通道或不能通過(guò)的布線通道，并在線扎的設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)線扎進(jìn)行調(diào)整和修改，使生成的線扎更加符合要求。

　　5.生成設(shè)計(jì)文件

　　(1)建立導(dǎo)線列表和清單

　　這一步驟完全由軟件自動(dòng)完成，在布線的同時(shí)，導(dǎo)線的實(shí)際長(zhǎng)度等信息和附加特性被存儲(chǔ)在Harness軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)中，報(bào)表可以按設(shè)定的格式輸出，并且隨著布線的更改，報(bào)表中的數(shù)據(jù)均可自動(dòng)更新。生成的圖表包括多個(gè)與制作線扎相關(guān)的選項(xiàng)，一般包括導(dǎo)線的連接點(diǎn)及導(dǎo)線的長(zhǎng)度等，選項(xiàng)可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行修改。

　　(2)從3D模型中建立扎線板圖

　　在實(shí)際制造時(shí)，扎線板圖用于平鋪導(dǎo)線，組裝實(shí)際的線扎。從3D的線扎裝配模型中，Harness軟件自動(dòng)將3D模型展開(kāi)成一個(gè)2D的扎線板圖，用戶可以對(duì)展開(kāi)圖加以修改，如移動(dòng)導(dǎo)線和線束以及加入字符和線扎名稱等，以保證圖紙符合生產(chǎn)要求。

　　五、三維立體布線CAD軟件實(shí)踐的關(guān)鍵技術(shù)

　　因?yàn)檎麢C(jī)的三維布線是綜合性工程，所以應(yīng)用三維立體布線CAD軟件，需要用到以下關(guān)鍵技術(shù)：

　　(1)成熟的電子裝聯(lián)及相關(guān)技術(shù);

　　(2)根據(jù)企業(yè)實(shí)際需求購(gòu)買合適的三維立體布線CAD軟件;

　　(3)根據(jù)企業(yè)實(shí)際需求構(gòu)建理想的工作模式;

　　(4)機(jī)械三維設(shè)計(jì)技術(shù);

　　(5)與電訊設(shè)計(jì)部門的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;

　　(6)三維立體布線CAD軟件的二次開(kāi)發(fā);

　　(7)相關(guān)的技術(shù)配合。

　　六、總結(jié)

　　通過(guò)對(duì)上述實(shí)例的研究，可以達(dá)成以下共識(shí)。

　　(1)在整個(gè)電子設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)程中，線扎設(shè)計(jì)是一個(gè)重要步驟。

　　(2)與傳統(tǒng)方法相比，使用三維立體布線CAD軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)在人工費(fèi)用、工作效率、資源合理配制、線扎設(shè)計(jì)合理性及線扎質(zhì)量等方面都有著質(zhì)的飛躍。同時(shí)，費(fèi)用更低，改變了傳統(tǒng)線扎制作的滯后性。

　　(3)所有的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，由中心數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一管理，為各個(gè)設(shè)計(jì)部門提供更加準(zhǔn)確并可重復(fù)利用的一致性數(shù)據(jù)信息。

　　因此，我們應(yīng)積極研究和應(yīng)用Harness軟件技術(shù)以促進(jìn)我國(guó)電子設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展。