在傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝中，使用常規(guī)方法會產(chǎn)生很多問題。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)計問題的一般過程，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)計提供了一個很好的思路。

　　一、緒論

　　1.三維立體布線在電子設(shè)備設(shè)計及制造中的作用

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

　　2.電子設(shè)備對三維布線的要求

　　隨著設(shè)計技術(shù)的飛速發(fā)展，對制造業(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)計到面向市場的過程所用時間也越來越短，這就要求制造業(yè)能盡快地適應(yīng)市場的節(jié)奏及設(shè)計的迅速變化，在設(shè)計時同步進(jìn)行三維布線，將三維布線可能帶來的問題解決在設(shè)計階段。

　　(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(shè)備優(yōu)劣的一個重要因素。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)品的競爭力。

　　3.使用傳統(tǒng)工藝進(jìn)行三維布線帶來的問題

　　在傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝中，基本流程包括設(shè)計圖紙的下達(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(chǎn)生等。

　　由于線扎的大小及規(guī)模有區(qū)別，各個企業(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。總的來說，設(shè)計及制作工序比上述流程要簡單，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，可能會帶來以下問題：

　　(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計導(dǎo)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(shè)計及制作過程的反復(fù)帶來的時間浪費(fèi);

　　(4)線扎的制作費(fèi)用高;

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

　　(6)更改過程很復(fù)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(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)計軟件的引入和普及，國內(nèi)許多企業(yè)和研究所都實(shí)現(xiàn)了三維設(shè)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(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)計和繪制與現(xiàn)有的3D機(jī)械設(shè)計軟件完美地融合到一起，使設(shè)計過程非常流暢。軟件的3D設(shè)計環(huán)境和2D線扎圖生成環(huán)境是互相關(guān)聯(lián)的，在任何一個環(huán)境中所作的改變，都會體現(xiàn)在另一個環(huán)境中，這減少了更改機(jī)械及電訊設(shè)計時出錯的機(jī)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(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)線扎制作工藝中測量及建立三維結(jié)構(gòu)模型所需要的時間。

　　(4)三維立體布線CAD軟件在線扎圖的設(shè)計過程中，可以綜合所有針對線扎設(shè)計的要求和規(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，用來校驗(yàn)線扎圖的設(shè)計，使設(shè)計出的線扎符合產(chǎn)品各方面的要求。

　　(5)三維立體布線CAD軟件在線扎設(shè)計完成后，能夠從3D設(shè)計數(shù)據(jù)中自動生成所有生產(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)計完成后，所有的設(shè)計信息都存儲在3D模型中，并且可以隨時調(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)計中所見即所得。

　　隨著三維機(jī)械設(shè)計軟件的發(fā)展，Harness軟件也真正進(jìn)入了三維時代。下面我們將結(jié)合PTC公司出品的Pro/ENGINEER設(shè)計軟件，認(rèn)識三維Harness軟件的基本特點(diǎn)以及在線扎圖的設(shè)計和制作中的應(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軟件簡介

　　Pro/ENGINEER是美國PTC公司開發(fā)的大型三維機(jī)械輔助設(shè)計軟件，集設(shè)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(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題，功能如下。

　　(1)線扎設(shè)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(zhuǎn)化為二維的扎線圖，供生產(chǎn)所用。

　　(3)表報統(tǒng)計，即生成整個線扎的各項(xiàng)參數(shù)，如線纜的長度、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)備中的一個分機(jī)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(shè)計線扎圖所必需的結(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)計模塊制作的分機(jī)及機(jī)柜的3D組裝圖，應(yīng)包括設(shè)計線扎圖所必需的部分，并可適當(dāng)去除無用部分以簡化模型。

　　(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(yīng)的符合要求的文件。在這個實(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(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)體相對應(yīng)。

　　通過上述步驟，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，通過手動或自動功能生成三維 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)計出符合要求的全部可能的走線路徑，從而通知計算機(jī)哪些走線路徑是允許的，而哪些是不允許的。因此，定義這些路徑時應(yīng)盡量定義出所有可能的路徑，讓計算機(jī)加以識別，選出最佳路徑。

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

　　(2)布線

　　布線分為手動布線和自動布線兩種方式。其中，手動布線是點(diǎn)擊導(dǎo)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(diǎn)擊自動布線，所有的導(dǎo)線都將自動布設(shè)完畢。

　　自動布線完成的結(jié)果，如圖4所示。

圖4 自動布線完成的結(jié)果

　　孤立出來的線扎，如圖5所示。

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(yàn)創(chuàng)建的Network，計算出連接點(diǎn)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(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)過的布線通道或不能通過的布線通道，并在線扎的設(shè)計過程中對線扎進(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)計文件

　　(1)建立導(dǎo)線列表和清單

　　這一步驟完全由軟件自動完成，在布線的同時，導(dǎo)線的實(shí)際長度等信息和附加特性被存儲在Harness軟件的數(shù)據(jù)庫中，報表可以按設(shè)定的格式輸出，并且隨著布線的更改，報表中的數(shù)據(jù)均可自動更新。生成的圖表包括多個與制作線扎相關(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，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(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)計技術(shù);

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

　　(6)三維立體布線CAD軟件的二次開發(fā);

　　(7)相關(guān)的技術(shù)配合。

　　六、總結(jié)

　　通過對上述實(shí)例的研究，可以達(dá)成以下共識。

　　(1)在整個電子設(shè)備的設(shè)計過程中，線扎設(shè)計是一個重要步驟。

　　(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)計在人工費(fèi)用、工作效率、資源合理配制、線扎設(shè)計合理性及線扎質(zhì)量等方面都有著質(zhì)的飛躍。同時，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)計數(shù)據(jù)都存儲在計算機(jī)中，由中心數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理，為各個設(shè)計部門提供更加準(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)我國電子設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展。