應用Pro/ENGINEER軟件進行三維布線

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一、緒論    1.三維立體布線在電子設備設計及制造中的作用
$ d# O# y. \& [    本文所指的三維布線，即指線扎圖的設計。在傳統的生產工藝中，線扎的設計和生產一般都在總裝階段進行，因此，線扎的設計和生產是電子設備制造過程中一個最為重要的環節。
2 M9 Q5 N/ r' u    2.電子設備對三維布線的要求
! L9 W- {. M9 `  F    隨著設計技術的飛速發展，對制造業提出了日益嚴格的要求，主要體現在以下幾個方面。
. l! x0 z# ?! B: n5 H. H    (1)隨著電子設備的更新速度日益加快，產品從設計到面向市場的過程所用時間也越來越短，這就要求制造業能盡快地適應市場的節奏及設計的迅速變化，在設計時同步進行三維布線，將三維布線可能帶來的問題解決在設計階段。
/ g* |& {' J. x6 K    (2)隨著電子設備向小型化、模塊化發展以及設備和結構的內部走線日益復雜，設備的內部結構和電磁環境對走線提出了更高的要求。
    (3)除了功能這個重要因素以外，制作成本也是比較電子設備優劣的一個重要因素。在產品功能相近的情況下，縮短產品生產周期、降低勞動力費用及減少原材料消耗和浪費將極大地提高電子產品的競爭力。
    3.使用傳統工藝進行三維布線帶來的問題
    在傳統的生產工藝中，基本流程包括設計圖紙的下達、準備工作、建立電子設備的三維結構模型、線扎的規劃、走線路徑的測量、繪制扎線板圖和原材料清單、制造第一個線扎、更改錯誤、新線扎的制造和測試以及最終文件產生等。
    由于線扎的大小及規模有區別，各個企業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。總的來說，設計及制作工序比上述流程要簡單，一般情況下是直接在實物上進行線扎的制作。
從常規的工藝流程中可以看出，使用常規工藝制作線扎，可能會帶來以下問題：
3 A4 i  F) a# q$ Q/ D    (1)結構設計導致的走線空間問題；
    (2)走線不合理帶來的電磁兼容性問題；
    (3)線扎設計及制作過程的反復帶來的時間浪費；
    (4)線扎的制作費用高；
    (5)線扎制作過程中人為因素導致產品質量的變化；
! f1 X$ u0 a! R5 |, j    (6)更改過程很復雜且易出錯。
    要解決以上這些問題，就必須使用三維立體布線CAD軟件。
    4.三維布線實現的可能
    實現三維布線，首先是生產的客觀要求；其次，隨著三維設計軟件的引入和普及，國內許多企業和研究所都實現了三維設計，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展也給三維布線提供了可能。

  d- N, Q; p, w8 ?/ |7 g$ ?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，目前國外的品種較多，功能也日益完善。這些軟件主要有以下特點。
: M6 P7 [( n/ V% z0 t3 P1 h6 T5 ?    (1)三維立體布線CAD軟件將線扎圖的設計和繪制與現有的3D機械設計軟件完美地融合到一起，使設計過程非常流暢。軟件的3D設計環境和2D線扎圖生成環境是互相關聯的，在任何一個環境中所作的改變，都會體現在另一個環境中，這減少了更改機械及電訊設計時出錯的機會。
    (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，實現了與電訊數據的融合。
8 f9 \5 U4 l- h- O9 E    (3)三維立體布線CAD軟件直接在3D機械模型中工作，節省了在常規線扎制作工藝中測量及建立三維結構模型所需要的時間。
    (4)三維立體布線CAD軟件在線扎圖的設計過程中，可以綜合所有針對線扎設計的要求和規則。這些要求和規則包括電氣方面、機械方面和制作工藝方面的，用來校驗線扎圖的設計，使設計出的線扎符合產品各方面的要求。
2 m" g2 V$ E! _; x6 |/ L    (5)三維立體布線CAD軟件在線扎設計完成后，能夠從3D設計數據中自動生成所有生產所需的信息，如原材料清單、導線列表和扎線板圖等，從而消除了人工制作產生的影響。
( j/ ^9 Y, }& u+ C/ W    (6)三維立體布線CAD軟件在線扎設計完成后，所有的設計信息都存儲在3D模型中，并且可以隨時調用，可維護批產的一致性。
5 ^- h3 a  ^9 ]    (7)三維立體布線CAD軟件實現了設計中所見即所得。
    隨著三維機械設計軟件的發展，Harness軟件也真正進入了三維時代。下面我們將結合PTC公司出品的Pro/ENGINEER設計軟件，認識三維Harness軟件的基本特點以及在線扎圖的設計和制作中的應用。
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) ^5 Q6 Z% e7 n) ]三、Pro/ENGINEER軟件與三維立體布線相關的基本功能
    1.Pro/ENGINEER軟件簡介
    Pro/ENGINEER是美國PTC公司開發的大型三維機械輔助設計軟件，集設計、分析、測試和制造于一體。Pro/ENGINEER軟件由多個模塊組成，三維布線模塊Pro/CABLING是Pro/ENGINEER眾多模塊中實現三維布線功能的基本模塊。
    2.Pro/CABLING模塊的基本功能
7 ~1 e0 ^/ [: p    Pro/CABLING模塊與其他Pro/ENGINEER模塊是協同工作的，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題，功能如下。
& ~1 ^+ E( {: `- x9 J9 C    (1)線扎設計，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，可在此轉化為二維的扎線圖，供生產所用。
    (3)表報統計，即生成整個線扎的各項參數，如線纜的長度、線扎的重量和線扎的制作成本等。

四、實踐應用Pro/ENGINEER的三維立體布線功能
    我們以電子設備中的一個分機為例，對三維布線的CAD流程加以論述。
    1.先期工作
    先期工作主要是指建立設計線扎圖所必需的結構及電訊模型，這些模型的建立及參數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構三維立體模型以及生成該模型的接線原理圖等信息。
    (1)組裝實體模型的建立
    組裝的實體模型，即用Pro/ENGINEER機械設計模塊制作的分機及機柜的3D組裝圖，應包括設計線扎圖所必需的部分，并可適當去除無用部分以簡化模型。
3 X6 W7 s8 m8 @6 U9 i    (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，其中包含設計線扎時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的符合要求的文件。在這個實例中，電訊信息是由子模塊Pro/DIAGRAM完成。
局部顯示，如圖1所示。
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圖1 局部顯示圖

    2.建立連接器及與接線相關器件的信息
$ K; I4 ~+ z" k6 V; S" s& y8 M    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方面。
6 {9 p4 K, X% m/ i3 v    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體模型建立過程中已建好，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體模型中。
9 k. {" }3 k1 b; \    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，即導線連接的插芯位置和數量等。
    建立完畢的連接器三維模型，如圖2所示。
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圖2 建立完畢的連接器的三維模型

    建立器件信息的過程與建立連接器的過程相似，在此就不做描述了。
    3.三維布線實體模型的建立
( D' _0 r) O- R1 |! T    三維布線實體模型符合線扎圖的設計要求，是包含結構及電訊相關信息的機柜或分機的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坐標定位在組裝的實體模型中，使連接器與三維模型合為一體。
    該步驟完成后的分機三維模型，如圖3所示。

圖3 分機的三維模型

    (2)輸入電訊信息
    Diagram生成以后，可由結構3D組裝模型引入，將Diagram中的元器件、連接器的參數和接線信息引入到結構的3D實體模型中，與三維模型中的實體相對應。
    通過上述步驟，三維布線實體模型的建立工作結束，在此基礎上可以進行后續的三維布線工作。
: r* k, O2 v( G+ {- b' S    4.三維布線
    三維布線由Pro/CABLING模塊完成，通過手動或自動功能生成三維 harness模型，工作流程如下。
6 p" W; k  ?" f' l7 X6 d    (1)Network的建立
6 d) J  Y2 ^1 v, k) E3 M1 K4 \    Network是線扎的布線網絡圖，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最關鍵的一步，用戶可以設計出符合要求的全部可能的走線路徑，從而通知計算機哪些走線路徑是允許的，而哪些是不允許的。因此，定義這些路徑時應盡量定義出所有可能的路徑，讓計算機加以識別，選出最佳路徑。
) N1 A9 a$ @+ y8 `* E( }/ S* B    Network定義是否合理，將直接關系到自動布線的成功與否，應重點對待。通過布線通道的建立，Pro/CABLING完成了電連接信息和機械信息的融合。
    (2)布線
/ \4 R! l# Q5 X' d8 e5 N    布線分為手動布線和自動布線兩種方式。其中，手動布線是點擊導線和電纜通過的路徑，通過Harness軟件的用戶交互式布線功能完成布線。而自動布線就是通過一次點擊自動布線，所有的導線都將自動布設完畢。
$ N4 ^2 H+ |7 m( u    自動布線完成的結果，如圖4所示。
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圖4 自動布線完成的結果

    孤立出來的線扎，如圖5所示。
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圖5 孤立出來的線扎

    在布線過程中，可以單根布線，也可以多根同時布線。Pro/ROUTING子模塊將檢驗創建的Network，計算出連接點之間的最短距離，生成線扎。
    在布線過程中，不論是交互式布線還是自動布線，用戶都可以根據實際需要，設立布線規則。諸如確定導線可以經過的布線通道或不能通過的布線通道，并在線扎的設計過程中對線扎進行調整和修改，使生成的線扎更加符合要求。
    5.生成設計文件
/ x" t& d4 ~$ x& D: r    (1)建立導線列表和清單
- C4 \7 o' N2 V5 {# y' Y    這一步驟完全由軟件自動完成，在布線的同時，導線的實際長度等信息和附加特性被存儲在Harness軟件的數據庫中，報表可以按設定的格式輸出，并且隨著布線的更改，報表中的數據均可自動更新。生成的圖表包括多個與制作線扎相關的選項，一般包括導線的連接點及導線的長度等，選項可以根據實際需要進行修改。
    (2)從3D模型中建立扎線板圖
7 D& S+ m4 j$ ]* n$ o% x! d    在實際制造時，扎線板圖用于平鋪導線，組裝實際的線扎。從3D的線扎裝配模型中，Harness軟件自動將3D模型展開成一個2D的扎線板圖，用戶可以對展開圖加以修改，如移動導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要求。
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五、三維立體布線CAD軟件實踐的關鍵技術
    因為整機的三維布線是綜合性工程，所以應用三維立體布線CAD軟件，需要用到以下關鍵技術：
    (1)成熟的電子裝聯及相關技術；
0 r, {; J+ S3 o* `. U: u    (2)根據企業實際需求購買合適的三維立體布線CAD軟件；
6 r0 k/ {% B; [; f7 m" e    (3)根據企業實際需求構建理想的工作模式；
3 x8 O/ q& F' S# K    (4)機械三維設計技術；
    (5)與電訊設計部門的數據轉換；
    (6)三維立體布線CAD軟件的二次開發；
( F, O7 G$ a; k. z/ g/ m    (7)相關的技術配合。
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六、總結
4 {5 I+ v* {- F0 I    通過對上述實例的研究，可以達成以下共識。
8 u% d5 J2 L( ~2 `) k( q    (1)在整個電子設備的設計過程中，線扎設計是一個重要步驟。
% U9 l6 H) [* M, B4 H: c# T+ l% m) }    (2)與傳統方法相比，使用三維立體布線CAD軟件進行設計在人工費用、工作效率、資源合理配制、線扎設計合理性及線扎質量等方面都有著質的飛躍。同時，費用更低，改變了傳統線扎制作的滯后性。
+ S) ^5 G, ]' I% o3 z3 N    (3)所有的設計數據都存儲在計算機中，由中心數據庫統一管理，為各個設計部門提供更加準確并可重復利用的一致性數據信息。
    因此，我們應積極研究和應用Harness軟件技術以促進我國電子設備制造業的發展。