CN101667212A - 一种电力机车设备的三维布线设计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电力机车的三维布线设计方法及三维布线设计装置，所述方法采用计算机和CATIA软件构成三维布线CATIA操作平台，该方法包括：设置电气零件库，该电气零件库包括所述电力机车设备的各类电气元件模型，所述电气元件模型定义有元件代号及元件电气属性；根据所述电气元件模型设计电力机车设备的三维数字模型；调用所述零件库模块，根据所述三维数字模型进行电气元件的装配，并设定各电气元件间的布线路径约束条件，根据所述布线路径约束条件进行三维布线；对三维布线后的线缆进行空间干涉检测，并基于干涉检测结果进行布线路径的优化调整；以及根据优化调整后的布线路径自动生成导线报表。

Description

一种电力机车设备的三维布线设计方法及装置

技术领域

本发明涉及电力机车制造领域，特别是涉及电力机车设备的快速三维布线设计方法及装置。

背景技术

目前，国内在电力机车研制和批量生产中常用的布线设计方法基本上是二维的，技术比较落后。如图1所示，传统的电力机车布线设计方法是：

(1)电气原理工程师出电力机车原理图、设备总装工程师出二维总装设备布置图；

(2)布线工程师依据电力机车原理图、二维总装设备布置图，手工对主电路、附助电路、控制电路分开布线，分别由专人负责，各专门负责人之间的沟通仅限于各类电气接口；

(3)布线工程师出接线图、接线表；

(4)布线工程师现场服务解决整车线缆装配施工中出现的问题。

这种电气布线设计，容易导致下面四种情况：

1)布线设计周期较长、速度慢。

布线工程师投入设计晚，并且不能对电力机车原理设计提出自己的意见，返工率高。

2)布线设计精度低、可靠性差。

布线图只能对线缆的大致走向进行描述，空间感不强，布线容易出现空间干涉，具体情况要靠布线工程师现场服务确定，由于现场服务的布线工程师不只一个人，会出现同型号的车可能存在局部布线不同的情况，施工规范性容易打折扣。

3)布线设计以经验为主，成本高。

设计师依据电力机车原理图、二维总装设备布置图布线，无法准确确定长度，往往采取“宁长不短”的原则，经常出现某种车型的首台车布线设计严重超长，而此类车型布线的具体长度要经过几台车甚至一批车才能确定。

4)接线图、接线表人工录入，繁琐、耗时、易错。

以上四种情况使传统的电力机车布线设计成为影响电力机车产品可靠性和快速设计制造的“瓶颈”技术之一。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种电力机车的三维布线方法，以提高电力机车布线设计的速度与精度，并降低成本。

本发明的另一目的在于提供一种电力机车的三维布线操作平台。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种电力机车设备的三维布线方法，该方法采用计算机和CATIA软件构成三维布线CATIA操作平台，该方法包括：

设置电气零件库，该电气零件库包括所述电力机车设备的各类电气元件模型，所述电气元件模型定义有元件代号及元件电气属性；

根据所述电气元件模型设计电力机车设备的三维数字模型；

调用所述零件库模块，根据所述三维数字模型进行电气元件的装配，并设定各电气元件间的布线路径约束条件，根据所述布线路径约束条件进行三维布线；

对三维布线后的线缆进行空间干涉检测，并基于干涉检测结果进行布线路径的优化调整；以及

根据优化调整后的布线路径自动生成导线报表。

为了实现上述目的，本发明实施例还提供一种电力机车设备的三维布线设计装置，该装置设置在计算机和CATIA软件构成三维布线CATIA操作平台中，该装置包括：

电气零件库模块，用于设置电气零件库，该电气零件库包括所述电力机车设备的各类电气元件模型，所述电气元件模型定义有元件代号及元件电气属性；

三维数字建模模块，用于根据所述电气元件模型设计电力机车设备的三维数字模型；

三维布线模块，用于调用所述电气零件库模块，根据所述三维数字模型进行电气元件的装配，并设定各电气元件间的布线路径约束条件，根据所述布线路径约束条件进行三维布线；

干涉检测模块，用于对三维布线后的线缆进行空间干涉检测，并基于干涉检测结果进行布线路径的优化调整；以及

布线设计参数输出模块，用于根据优化调整后的布线路径自动生成导线报表。

本发明通过计算机和CATIA软件构成的三维设计操作平台，大幅提高了电力机车布线设计的速度及布线设计的质量，并降低了成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为现有的二维布线设计方法的流程图；

图2为本发明实施例的进行三维布线设计的流程图；

图3a至图3g为本发明实施例的零件库中的线卡、螺栓、螺母、垫圈、传感器探头、电缆、接线盒等零件示意图；

图4为本发明实施例中另一线卡形式的模型图；

图5为本发明实施例的三维数字载体转向架模型示意图；

图6为本发明实施例轴承故障检测装置的三维布线图；

图7为本发明实施例的进行空间干涉检测的示意图；

图8为本发明实施例的三维布线设计装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明以计算机软件为辅助工具，建立在布线空间三维数字化建模造型的基础上，采用组合连接方式和结构化的布线方法，在确定了布线路径约束条件的前提下，进行三维空间里各电气元件间的电气连接，完成自动三维布线。

本发明是利用计算机和CATIA软件构成三维布线设计CATIA操作平台实现三维布线的设计的。CATIA(Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application)软件是法国达索公司开发的世界上主流的、高档、全面的计算机辅助设计/计算机辅助制造/计算机辅助工程(CAD/CAM/CAE)一体化软件，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子\电器、消费品等行业。CATIA的外形设计和风格设计为零件设计提供了集成工具，而且该软件具有很强的曲面造型功能，它提供了极丰富的造型工具来支持用户的造型需求。本发明就是采用计算机和CATIA软件构成三维布线设计CATIA操作平台来完成电力机车的三维布线设计。CATIA软件具有多个版本，CATIAV5R17是其中的一个版本，本发明实施例就是采用CATIAV5R17软件，但本发明并不限于此，只要能够基于本发明的设计步骤，实现本发明的三维布线设计，其他的CATIA软件版本同样可以应用于本发明，并构成本发明的一部分。

图2为本发明实施例的电力机车三维布线的设计方法流程图，如图2所示，该方法包括如下步骤：

(一)利用CATIA操作平台建立电气零件库。

本发明实施例可与电气原理设计同时开始布线设计，建立电气零件库。该电气零件库是包括电力机车的各类电气元件模型(包括接插件模型)的数据库，所述电气元件模型可以按照行业标准进行绘制，或者自行设计。各类电气元件模型都具备元件代号等信息，可将不同类别的电气元件(包括零部件)根据实际情况分别定义其类型(如托板、设备、连接器、插头、插座、插针、过线螺母、端子、支架、密封垫、接地销、垫圈、螺栓、螺母、密封胶、屏蔽线、热缩管等)，并赋予其电气属性，即赋予其与其它部件连接的特征，例如在端子上需要定义其某一端应具备与线缆连接的特征，这样在线缆布置时CATIA系统可以自动识别。图3a至图3g为本发明建立的零件库中安装线卡、螺栓、螺母、垫圈、传感器探头、电缆、接线盒等零件的示意图。图中的各零件在电气零件库中都设置有元件代号信息，如：安装线卡的元件代号为B061224506，螺栓为B061024103，螺母为B061024539，垫圈为B061526348，接线盒为B06120789。当然，图3a-图3e中的零件仅用于示例，同类型零件可以有多种的结构形式，而并不限于图中的形式，例如，对线卡来说，除图3a中的形式外，还可以有其他形式，如图4中所示。

赋予电气属性的电气元件模型可以按其类型存入电气零件库中不同的子库，如插头库、电缆库、保护套库等，以方便在后续设计时可按需要快速查找。

(二)基于所述的三维电气零件库，利用CATIA操作平台建立电力机车三维数字模型(三维整车结构模型)。

该三维数字模型就是实际待布线的电力机车的结构模型，是构建三维布线的载体。

(三)调用所述电气零件库模块，根据整车结构模型进行零部件的装配及三维布线。

本步骤是在三维数字化建模的基础上，依据布线数据库，进行整车结构模型的三维布线，该步骤又包括：

(1)零部件装配步骤。

按设计要求将所需零部件从电气零件库内调出，使用CATIA智能位置捕捉功能和罗盘功能，根据整车结构模型快速将零部件装配到位。

(2)按照装配的零部件，对整车结构模型进行三维布线。

本步骤是基于电气元件模型的电气属性对零部件进行人工约束，并于人工约束后自动实现三维布线。如可将56芯插头与一根电缆接到一起。

该步骤具体又包括：

I.电气装配步骤。

该步骤是根据各零部件连接属性的不同设置零部件间布线路径的约束条件，以实现电气装配，布线路径的约束条件包括设定扎线座、走线槽、走线的弯角度及走线路径等。

II.电缆连接步骤。

本步骤是根据所述布线路径的约束条件对整车模型的零部件进行电缆连接约束，例如把轴温检测装置接线盒插头X1与轴温检测装置传感器X1进行电缆连接约束。

III.线束生成步骤。

本步骤是按照设计要求(如根据所述电缆连接约束)，在不同设备见进行电缆连接。例如在轴温检测装置接线盒插头X1与轴温检测装置传感器P1间生成线束S5。

IV.添加护套步骤。

例如在轴温检测装置接线盒插头X1与轴温检测装置传感器P1间线束上生成电缆保护套。

上述步骤(一)至(三)是初步的三维布线步骤，以某型电力机车转向架轴温检测装置为例，对其进行初步三维布线的步骤大致包括：

(1)首先在CATIA中画出安装线卡、螺母、传感器探头、电缆、垫圈、接线盒、螺栓等电气元件，并赋予所述电气元件与其它部件连接的特征，如在线卡上定义其与线缆连接的特征，这样在线缆布置时系统可以自动识别，赋予电气属性的电气模型在电气零件库模块下可以按其类别存入不同的库，在后续设计时可按需要快速查找。

(2)调出三维布线的载体转向架，如图5所示。

(3)将所需零部件安装线卡、螺母、传感器探头、电缆、垫圈、接线盒、螺栓从电气零件库内调出后，使用CATIA的智能位置捕捉功能并结合罗盘快速的将上述零部件装配到位。并在不同设备间连接电缆、添加约束，例如把连接盒X1插头与传感器P1进行连接约束，在连接盒X1与传感器P1间生成线束S5，生成电缆保护套。完成布线后的载体转向架如图6所示。

(四)三维布线路径优化

根据上述步骤进行初步的三维布线后，有的线路之间可能会存在如下问题：电磁干扰、线扎粗细不合适、线缆长短不合适或布线不符合客户要求，在此情况下，还需要进行布线路径的优化，以求得最优路径。

进行布线路径的优化可以参照现有的路径优化规则进行，如可依据如下几种方式中的一种或多种的组合进行优化以得到符合要求的布线路径：

(1)依据《中华人民共和国铁道行业标准》TB/T 1333.1铁路应用 机车车辆电气设备 第一部分：一般使用条件和通用规则；(中华人民共和国铁道部2002-05-17发布 2002-12-01实施)。

(2)依据《中华人民共和国铁道行业标准》TB/T 1507机车电气设备布线规则；(中华人民共和国铁道部1993-11-11批准1994-07-01实施)。

(3)依据欧洲标准EN 50343：2003，铁路应用-机车车辆·电缆布线的安装规则；

(4)依据欧洲标准EN 50121-3-1：2000，铁路应用-电磁兼容性-第3·1部分：机车车辆-火车与整车；

(5)依据欧洲标准EN 50121-3-2：2000，铁路应用-电磁兼容性-第3·2部分：机车车辆-仪器与设备；

(6)依据客户具体要求；以及

(7)布线工程师的经验。

(五)对三维布线后的整车结构模型线缆进行空间干涉检测，并基于干涉检测结果进行布线路径的调整。

本步骤是采用CATIA改进的狄克斯特拉算法对三维空间里线缆和结构模型的数据分布进行比较分析，能够对三维空间走线路径进行干涉检测，并利用空间分离的方法对发现干涉的路径进行布线优化，布线路径干涉检测优化流程图如图7所示，包括如下步骤：

(1)判断布线路径。

该步骤主要是看有无因误操作或电脑故障导致布线路径错误。

本步骤可以通过分块调出整车三维模型和线缆模型进行直观判断。因为同时调出整车三维模型和线缆模型需要很多时间而且在实际操作中容易死机，因此可分块调出整车三维模型和线缆模型，如可分为司机室、机械间、底架下、底架上几部分分开判断。

(2)利用改进的狄克斯特拉算法对布线路径进行空间干涉检测。

该算法是CATIA软件内部的算法，因此在此不对其进行过多说明。

(3)基于检测结果进行路径调整优化。

如果检测到空间干涉，则可重新进入初步三维布线步骤，调整布线数据库，重新对线缆进行约束，使线缆路径满足设计要求。

(4)记录路径。

没有空间干涉的线缆路径视为最优线缆路径。如果未检测到空间干涉或经路径调整优化后消除了空间干涉，则记录下对应的最优的线缆路径。

(六)生成导线报表

三维布线调整优化完毕后，可自动生成导线报表。生成的导线报表格式如表1。

表1.转向架轴温检测装置布线表

通过上述步骤，便完成了对电力机车的三维布线设计。布线工程师可根据整车结构模型的三维布线设计结果对电力机车进行线缆的电气装配，进而完成三维布线。

如上仅为对本发明的三维布线设计方法一种实施方式的说明，在实际操作中，只要能够达到大体上相同的结果，并不需要一定照图2所示的流程图中的步骤顺序来进行，且图2所示的步骤不一定要连续进行，亦即其它步骤也可插入于其中。

上述可知，本发明可以达到如下效果：

1、本发明实施例的设计思路不同于现有的方法，电力机车布线工程师与电力机车原理设计师、设备布置工程师能同时投入设计，可以充分发挥设计人员的专业知识和工程经验，减少布线返工率，能大幅提高电力机车布线设计的速度，缩短设计周期。

2、本发明实施例采用了CATIAV5R17能实现电力机车研制过程中的三维布线，大幅度提高了布线速度，设计过程可控，是一个逐步优化的过程，可以有效防止设计中的装配缺陷，利于提高布线设计的质量，利于流水线作业，提高了电力机车的可靠性、稳定性。

3、本发明实施例采用计算机三维布线，能准确提供线缆长度参数，不需要经过物理样车验证，省工、省时，提高了快速研制能力，可有效减少额外成本的发生，利于成本控制。

4、本发明实施例采用空间干涉检测，避免了路径干涉，提高了整车的可靠性、稳定性。

5、本发明实施例中的接线图、接线表自动生成避免了人工录入的繁琐、耗时、易错。

本发明实施例中用于实现上述三维布线设计方法的三维布线设计装置如图8所示，包括如下结构：电气零件库模块、三维数字建模模块、三维布线模块、路径优化模块、干涉检测模块以及布线设计参数输出模块，其中：

所述电气零件库模块用于利用计算机和CATIA软件构成三维布线设计CATIA操作平台存储电力机车的各类电气元件模型于电气零件库中，该各类电气元件模型都具备元件代号等信息，可将不同类别的电气元件根据实际情况分别定义其类型，并赋予其与其它部件连接的特征，这样在线缆布置时CATIA平台可以自动识别。

所述三维数字建模模块用于建立并存储实际待布线的电力机车的结构模型。

所述三维布线模块用于调用所述电气零件库模块，根据整车结构模型进行零部件的装配及三维布线。具体地，该三维布线模块还包括如下模块：零部件装配模块，用于调出电气零件库中的零部件，使用CATIA智能位置捕捉功能和罗盘功能，根据整车结构模型快速将所述零部件装配到位；电气装配模块，用于设定扎线座、走线槽、走线的弯角度及走线路径；连接约束模块，用于根据零部件之间的电气连接属性在各零部件进行连接约束；线束生成模块，用于根据所述连接约束，在零部件之间进行电缆连接；电缆保护套模块，用于在电缆上形成电缆保护套，以保证电缆之间的安全。所述三维布线模块还可包括用于添加约束的约束添加模块、用于调整线缆进展度的调整模块、以及用于添加线缆分支的分支添加模块。

所述路径优化模块用于根据现有的路径优化规则自动或手动对三维布线路径进行优化。

所述干涉检测模块用于对三维布线后的整车结构模型线缆进行空间干涉检测，并基于干涉检测结果进行布线路径的调整。

所述布线设计参数输出模块用于根据经检测没有空间干涉或经调整后消除了空间干涉的布线信息数据生成布线表输出(如表1所示)。

本发明实施例中的三维布线设计装置同样可以实现上述方法中实现的种种优点效果。

本领域普通技术人员可以理解实现本发明实施例方法中的全部或部分步骤是通过软件(程序)来指令相关的硬件来完成，该软件可以存储于计算机可读取存储介质中，比如ROM/RAM、磁碟、光盘等。当上述软件被机器，如计算机加载且执行时，此机器变成用以参与本发明的装置。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电力机车设备的三维布线设计方法，其特征在于，该方法采用计算机和CATIA软件构成三维布线CATIA操作平台，该方法包括：

设置电气零件库，该电气零件库包括所述电力机车设备的各类电气元件模型，所述电气元件模型定义有元件代号及元件电气属性；

根据所述电气元件模型设计电力机车设备的三维数字模型；

调用所述零件库模块，根据所述三维数字模型进行电气元件的装配，并设定各电气元件间的布线路径约束条件，根据所述布线路径约束条件进行三维布线；

对三维布线后的线缆进行空间干涉检测，并基于干涉检测结果进行布线路径的优化调整；以及

根据优化调整后的布线路径自动生成导线报表。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述各电气元件间的布线路径约束条件包括：各电气元件间的扎线座、走线槽、走线的弯角度以及走线路径。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述布线路径约束条件进行三维布线的步骤包括：

在电气元件之间设置电缆连接约束条件；以及

根据所述电缆连接约束条件生成线缆线束。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述布线路径约束条件进行三维布线的步骤还包括：

对所述生成的线缆线束添加户套。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

在所述空间干涉检测前，对三维布线后的布线路径进行优化。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对三维布线后的线缆进行空间干涉检测，并基于干涉检测结果进行布线路径的优化调整的步骤包括：

分块调出所述三维数字模型的布线路径；

利用改进的狄克斯特拉算法对调出的布线路径进行空间干涉检测；

基于检测结果进行路径调整优化；以及

记录下调整优化后的线缆路径。

7.一种电力机车设备的三维布线设计装置，该装置设置在计算机和CATIA软件构成三维布线CATIA操作平台中，其特征在于，该装置包括：

电气零件库模块，用于设置电气零件库，该电气零件库包括所述电力机车设备的各类电气元件模型，所述电气元件模型定义有元件代号及元件电气属性；

三维数字建模模块，用于根据所述电气元件模型设计电力机车设备的三维数字模型；

三维布线模块，用于调用所述电气零件库模块，根据所述三维数字模型进行电气元件的装配，并设定各电气元件间的布线路径约束条件，根据所述布线路径约束条件进行三维布线；

干涉检测模块，用于对三维布线后的线缆进行空间干涉检测，并基于干涉检测结果进行布线路径的优化调整；以及

布线设计参数输出模块，用于根据优化调整后的布线路径自动生成导线报表。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述三维布线模块包括：

电气元件装配模块，用于调出电气零件库中的电气元件，并根据所述三维数字模型将所述电气元件装配到位；

电气装配模块，用于设定各电气元件间的扎线座、走线槽、走线的弯角度以及走线路径；

连接约束模块，用于在电气元件之间设置电缆连接约束条件；以及

线束生成模块，用于根据所述电缆连接约束条件生成线缆线束。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述三维布线模块还包括：

护套添加模块，用于对所述生成的线缆线束添加护套。

10.根据权利要求7-9中任意一项所述的装置，其特征在于，该装置还包括：

布线路径优化模块，连接所述三维布线模块，用于对三维布线后的布线路径进行优化，并传输至干涉检测模块。

Images