虚拟环境下复杂线缆的集成信息模型_刘佳顺.pdf

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1、第 卷第期计算机集成制造系统 年月 文章编号：（）收稿日期：；修订日期：。；基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；“十二五”总装预先研究资助项目（）；“十二五”国防基础科研资助项目（）。：，（），（），（）虚拟环境下复杂线缆的集成信息模型刘佳顺，刘检华，王志斌，尚炜（北京理工大学 机械与车辆学院，北京 ）摘要：针对复杂线缆研制过程中布线信息分散、部分工程信息表达不完整的问题，提出虚拟环境下复杂线缆的集成信息模型。该模型以线缆的几何模型信息与线束模型信息为核心，采用样条曲线拟合线缆的几何形态，利用线缆的连接关系信息和拓扑结构信息建立线缆各接口间的线束连通关系，在此基础上将线缆的基本属性信息、连

2、接关系信息、附件信息、拓扑结构信息、几何模型信息及线束模型信息进行集成，服务于线缆虚拟布线设计和装配过程仿真。利用该模型进行线缆虚拟布线设计与装配过程仿真应用，输出了线缆制作部门和装配部门所需的工艺文件，通过工程实例验证了该集成信息模型的正确性。关键词：线缆建模；集成信息模型；线束模型；虚拟布线中图分类号：文献标志码：，（，）：，：；引言线缆作为传输信息和能量的通道，被广泛应用于各类机电产品中。在航天、航空等复杂产品中，线缆的布局合理性和装配可靠性问题已成为影响其整机质量的重要因素之一。线缆虚拟布线技术与装配过程仿真技术的出现和发展，为解决机电产品中复杂线缆的设计与装配问题提供了有效的途径。虚

3、拟环境下的线缆建模是实现线缆虚拟布线与装配过程仿真的基础，国内外学者在虚拟环境下的线缆建模方面取得了不少成果。等尝试解决线缆布局设计中的结构、连通性和几何布局问题；第期刘佳顺 等：虚拟环境下复杂线缆的集成信息模型此后 研究了基于遗传算法的自动布局算法，在研究中提到了线缆的拓扑结构、连通性等问题，并以无向 图 的形式来 表达 线缆 的拓扑 结 构；等考虑线缆的弯曲特性，提出了线缆弹簧质点模型，模拟了不同刚度线缆在承受重力时的空间形态，实现了线缆的实时碰撞检测及响应；等基于线缆的定长模型，将线束分为简单的线缆段来表达其整体结构，并应用于虚拟环境下的交互式布线；等对虚拟环境中基于产品数字模型的布线设

4、计开展了研究，开发了一套沉浸式的人机交互布线系统进行线缆的布局设计，并对布线效率进行了检验；刘检华等提出虚拟环境下的线缆离散控制点模型，以及虚拟环境下基于离散控制点的线缆装配规划方法，从几何上为解决线缆的优化布局与装配规划问题进行了有益的探讨；魏发远等提出一种基于虚拟样机的交互式电缆布线方法，在该研究中将线缆抽象为蛇形机器人模型，通过运动学求解实现装配仿真中的线缆运动表达。以上研究成果分别从线缆的弯曲特性、几何形态、布线操作、装配规划和运动表达等角度进行与线缆建模相关的研究：实时的物理模型能够使虚拟环境下的线缆形态更加逼真；虚拟布线设计模式能够提高布线效率；运动学分析能够在一定程度上描述动态线

5、缆的特性。但从布线设计的发展与应用角度，需要综合考虑实际线缆呈现为线束状态、线缆的捆扎固定、线缆装配仿真等问题，使虚拟布线设计能够服务于线缆设计、制作及装配的整个周期。因此，需要一个能够表达上述问题的布线综合信息模型，但目前还未有针对虚拟布线设计中线束模型信息以及与其他信息进行集成的研究。本文结合工程实际，在分析线缆设计与制造流程的基础上，提出一种虚拟环境下复杂线缆的集成信息模型，并基于该模型开发了虚拟布线设计与装配过程仿真系统，满足了当前复杂线缆研制过程中关于布线信息尤其是线束模型信息的需求。工程中线缆设计与制造流程分析 传统设计与制造流程线缆的布线设计、制作及装配是产品电气系统设计与制造过

6、程中的重要环节之一。在航天等军工企业中，线缆的传统设计与制造流程可归纳为四个阶段，即电气原理设计阶段、布线设计阶段、线缆制作阶段和线缆装配阶段。（）电气原理设计阶段根据电气系统提出的设计要求，从原理和功能的角度设计电路系统，形成产品的电气系统逻辑原理图，该过程的设计结果仅考虑电气系统的功能实现，并不考虑线缆的具体布局和装配实施问题。（）布线设计阶段根据电气原理设计选定对应规格的导线、电缆和元器件等的型号规格，以实现电气系统的功能，同时根据产品的数字样机或物理样机，确定线缆的分支结构、空间走向、端接出线方式等，并估计导线长度。设计结果通常以接线图、接线表、线扎图和材料报表等形式输出。（）线缆制作

7、阶段线缆制作通常由专门的线缆车间完成，根据布线设计阶段的结果，采购相应的原材料并制作出符合设计要求的线缆零件。其中，线缆的详细走向、精确长度及固定位置等通常是在产品的实物样机上采用线缆模拟取样的方式获得。（）线缆装配阶段根据装配工艺要求完成线缆的安装，线缆的装配工艺通常是在复杂产品物理样机上，通过对线缆零件的反复试装，确定线缆的固定和捆扎方式、装配顺序和工艺要求等，进而形成装配工艺文档。传统的线缆设计与制造流程存在以下不足：产品的结构设计与线缆的布线设计相分离。只有完成结构的设计、制造和装配后，才能进行线缆的实物试装，具有串行工作模式的弊端。布线信息不完整导致布线设计的功能薄弱。在布线设计和线

8、缆制作过程中缺乏空间布局信息、线束模型信息等，线缆制作部门仍需与实物样机比对下线，布线设计功能体现不佳。线缆的装配工艺指导落后。缺乏先进的装配现场工艺示教方法，导致线缆现场装配时的规范性和一致性差，最终导致线缆装配质量不稳定。本文针对线缆的传统设计与制造流程的弊端，提出了一种新的线缆设计与制造流程。设计与制造新流程在线缆设计与制造新流程中，引入虚拟布线技术与装配过程仿真技术，并将其作为线缆设计与制造的核心，同时建立虚拟环境下复杂线缆的集成信息模型，将布线设计过程中的相关信息进行集成，高效完成线缆的设计、制作和装配。图所示为线缆的设计与制造新流程，图中实线表示流程的进行，虚线表示信息的流动。线缆

9、的设计与制造新流程同样分为电气原理设计阶段、虚拟布线设计与装配过程仿真阶段、线缆制计算机集成制造系统第 卷作阶段和线缆装配阶段四个阶段。其中，虚拟布线设计与装配过程仿真阶段是该流程的核心。虚拟布线设计是进行线缆装配仿真的基础，同时装配过程仿真可实现对布线设计合理性和装配工艺可靠性的验证，从而在工程设计阶段实现线缆布局与装配工艺的优化。虚拟布线设计与装配过程仿真阶段主要包括两方面内容：（）线缆虚拟布线设计以电气原理设计、产品设计要求及产品结构模型为输入信息，利用基于线缆集成信息模型的虚拟布线系统，在产品数字样机上进行线缆的布线设计，包括：导线和元器件等型号规格的选定；线缆的分支结构位置、空间走向

10、、端接出线方式的确定；线束信息的创建以及与长度信息、截面信息的结合；线束的捆扎、固定方案的确定等。（）线缆装配过程仿真依据虚拟布线设计结果进行线缆的装配过程仿真，重点验证线缆的布局合理性与可装配性，并优化装配工艺，同时生成可指导现场操作的装配工艺规划文件。线缆的设计与制造新流程的特点是：（）产品结构设计与线缆布线设计相结合将数字样机作为产品数据来源，实现了产品结构部分与线缆部分的并行工作。（）增强了线缆布线设计的功能充分考虑线束信息、截面信息等工程中的必要信息，并将这些信息进行集成，形成线缆的集成信息模型，通过此模型将线缆的设计与制造联系起来，确保设计与制造过程中信息的共享。（）为线缆制作与现

11、场装配提供数据文档一方面通过虚拟布线输出的详细布线结果信息，为线缆制作部门提供所需的关键数据；另一方面通过装配过程仿真输出工艺规划文档，为线缆现场装配提供可视化指导。线缆设计与制造新流程的关键在于虚拟布线设计与装配过程仿真，而虚拟布线设计与装配过程仿真的重点在于包含完整信息的线缆的建模，尤其是如何实现线缆设计与制造过程中线缆信息的表达与集成。复杂线缆的集成信息模型复杂线缆的集成信息模型包含了线缆虚拟布线与装配过程仿真中的多维度、多层次信息，主要包括线缆基本属性信息、连接关系信息、附件信息、拓扑结构信息、几何模型信息和线束模型信息等。复杂线缆的集成信息模型如图所示，其中线缆几何模型信息和线束模型

12、信息是整个集成信息模型的核心，在线缆的布线设计过程中，这些信息相互关联并被多次调用。基本属性信息典型的复杂线缆由线缆体、线缆附件和辅助材料等部分组成。各组成部分的共性信息（如代号、颜色、几何尺寸等）可被抽象出来，作为集成信息模型中的基本属性信息，在虚拟布线设计中将多次引用基本属性信息，来反映实际布线过程中的情形。连接关系信息线缆是连接各元器件端口的通道，确保线缆模型的连接关系与电气原理设计图一致，是开展虚拟布线的前提之一。接线表是虚拟布线设计的重要输入信息，该表详细给出了线缆中所有连接导线两端的端子信息，包括导线规格、接插件代号、接插件规格和针脚号等。线缆的集成信息模型根据接线表获取线缆的详细

13、连接关系信息，作为拓扑结构信息和线束模型信息中电气信息的数据来源。第期刘佳顺 等：虚拟环境下复杂线缆的集成信息模型 附件信息在线缆的集成信息模型中，线缆附件包括接插件和固定捆扎件等，常见的线缆附件有接头和线夹，如图所示。复杂线缆的集成信息模型将线缆附件和线缆材料统一为线缆附件材料库，供虚拟布线设计时选用。接插件用来连接线缆和元器件上的插接端口。接插件有多种规格，常用的接插件按其截面形状分为矩形接插件和圆形接插件两大类。针对虚拟布线设计和线缆装配仿真的需求，接插件应包含的信息有基本属性信息、工艺约束信息及电气连接关系信息。其中工艺约束信息包括接插件尾端线缆的弯曲约束、接插件的插装方向角度（如号针

14、脚的方位）约束等。捆扎件和固定件是把数根导线捆扎成束后，固定于特定位置的重要附件。线缆的固定和捆扎结果影响着整个线缆分支的空间布局，以及线缆甚至整机的可靠性。固定捆扎件应包含基本属性信息、固定捆扎件安装的间隔距离信息以及各固定捆扎件已约束的线束等信息。拓扑结构信息如图所示为一个典型线缆的三维模型。从模型的组成来看，空间中若干点（即控制点）的位置决定了线缆的空间构型，利用插值方法进行光顺后便得到了光滑的曲线显示。整个线缆由若干个线缆段（将端点与邻近分支点之间、相邻分支点之间的部分均称为线缆段）构成，而每个线缆段由若干个控制点构成，因此控制点是构成线缆拓扑结构的基本元素。在所有控制点中，包含端点和

15、分支点两类特殊的点。端点关联着接插件或接线端子；分支点是两个或多个线缆段的公共点，即分支的汇合处。图 中的线缆有五个端点和两个分支点。从线缆的拓扑结构出发，可将一个线缆的构成按线缆、线缆段和控制点之间的关系来表达，如图所示。从该拓扑结构可以清晰地看出各组成元素的从属关系及连接关系。线缆的拓扑结构信息应当包含基本属性信息、控制点的邻接关系信息、组成元素间的包含与被包含关系信息等。利用线缆的拓扑结构信息可知线缆中任意两个控制点间的连通情况，在此基础上将基本属性信息和附件信息与其关联，构成线缆几何模型信息的数据来源。几何模型信息线缆的几何模型信息是将基本属性信息、附件信息和拓扑结构信息进行综合，通过

16、虚拟布线操作确定线缆的空间位姿状态后，利用拟合、插值方法得到的线缆几何表达。基于离散控制点建模的线缆空间位姿完全由构成其拓扑结构的控制点决定，利用曲线拟合插值方法光顺后可得到光滑的三维显示。目前，比较流行的曲线造型方法有 曲线、样条曲线 和 非 均匀 有 理 样 条 曲 线（，）等。计算机集成制造系统第 卷在三维环境下分别利用分段 曲线和 样条曲线进行拟合插值光顺，得到的结果如图所示，可见样条曲线的光顺效果较好。线缆的几何模型信息既包含了基本属性信息、附件信息、拓扑结构信息，也包含了控制点的空间位姿信息、线束截面信息等，能够为线缆在三维环境中的显示和布线结果的输出提供依据。线束模型信息复杂线缆

17、在三维环境中进行显示时均采用线束的形式。一方面，实际中的多根导线通常会安装套管等辅助材料，形成线缆束；另一方面，若将所有导线均单独显示，则对计算机图形渲染要求过高。因此，以线束的形式来实现线缆几何模型的三维显示和电气连接信息的关联，是解决布线设计问题的有效途径。线缆的线束模型是指在虚拟布线设计中，根据接线表得到的电气连接关系信息，将成束的数根导线以单根显示，着眼于每一束导线的连通路径，同时充分考虑线缆的连接关系信息和材料信息的线缆表达模型。为此，从连通路径信息的表达和连接端子信息的表达两方面对线束模型进行介绍。如图所示的典型多分支线缆，从直观上看，其连通路径并不清晰。实际上，接头接头包含一个连

18、通的线束；接头接头包含一个连通的线束；接头接头也包含一个连通的线束。可见，仅从线缆的几何模型三维显示，并不能得到线缆段内部导线的连通关系详情。因此，需要通过线束模型对所有存在的成束导线创建一个线束，定义其两个连接端口信息和内部导线组成信息，形成一条路径。同时，考虑到线缆与接插件相连接处的详细针脚分布情形（如图），有必要在线束模型中添加两端口的针脚详情信息。如某线束首端焊接在代号为 的接插件上的针脚号为“，”，尾端焊接在代号为 的接插件上的针脚号为“，”，则线束模型中应包含此两组针脚号，自动统计导线根数根，获取导线规格，并能够与元器件上的相应接插件端口相匹配。基于以上对线束特性的描述，线缆的线束

19、模型表达如图所示。线束模型中应包括始端接插件代号及型号信息、终端接插件代号及型号信息、导线长第期刘佳顺 等：虚拟环境下复杂线缆的集成信息模型度信息、导线数目、导线型号信息和针脚详情。信息来源包括线缆的几何模型信息和连接关系信息，从线缆的几何模型信息可以得到导线的精确长度信息，其余信息均从接线表中获得。线束模型详细表达了一个复杂线缆的电气连通关系和相关属性，是进行材料报表输出及线 缆连 通 情 况 检 查 的 数 据基础。基于集成信息模型的布线设计结果输出利用线缆的集成信息模型进行布线设计，可以得到线缆设计部门及装配部门所需的结果信息，根据这些信息可直接进行线缆的制作与装配。（）线缆三维模型的输

20、出线缆的三维模型输出包含两层含义：基于集成信息模型创建的布线结果文件，可利用数据传输形式发送到其他用户端，在其他用户端的相同系统下还原，生成线缆实体并可编辑或查看其组成及各类属性信息，保留了线缆的柔性体特性；可通过三维图形造型引擎将创建的线缆保存为实体模型文件（如 文件），并利用三维 计 算 机 辅 助 设 计（，）软件（如 ）打开，进行装配或浏览等操作，但经过这一步骤生成的实体模型已经失去柔性，成为刚性部件。（）线缆材料清单的输出根据完成布线的结果信息，结合线缆的线束模型信息，进行导线、附件等相关附件和材料的统计，并以报表形式输出。材料清单中详细列出了所有导线的型号、下线长度及总长度，接插件

21、等附件的型号及相应的数量，辅助材料的型号及数量等。根据统计数据和线缆材料属性可以得到线缆的重量，统计数据也为线缆制作部门订购材料提供数据来源。（）平面分支图、钉板图的输出根据线缆的拓扑结构信息与几何模型信息，可将任意一个布线完成的线缆表达为无向图，并进一步利用绘图算法将其输出，得到线缆的平面分支图。平面分支图清晰地表达了线缆的分支结构，包括所有连接端的代号、各分支长度等信息，这些信息是进一步绘制线缆钉板图的基础。而在线缆的实际生产中，要考虑线缆走线时的弯折、分叉等约束，仅依据线缆的平面分支图还不能进行线束的生产。因此，在平面分支图的基础上，结合线缆的三维模型可进行线缆钉板图的绘制。应用实例基于

22、前述的线缆集成信息模型，开发了虚拟环境下复杂线缆的虚拟布线设计与装配过程仿真系统，并进行了工程验证。根据线缆的设计与制造新流程进行具体布线设计，具体如下：在三维环境下的结构件模型上，通过交互式布线创建线缆，合理安排空间走向与分支结构，选用相应的接插件并添加线缆捆扎与固定附件，最后对弯曲半径进行检查并输出相关报表清单，完成布局的实例及输出的报表，如图 所示。计算机集成制造系统第 卷完成布线设计后可进行线缆的装配过程仿真，如图 所示。利用线缆集成信息模型中的附件信息和线束模型信息，使线缆装配过程仿真流程更加完整，形成的装配工艺指导更加实用。选取其中一个线缆零件 ，详细描述一个带分支线缆从布线设计到

23、下线制作的过程。整个过程分为五步，各步骤的相关信息如图 图 所示。从线缆 的线束详情图（如图 ）可以得到其电气连接关系信息并创建线束模型，根据布线规则在结构件上进行布线，完成布线后可将线缆 的三维模型单独显示，如图 所示。根据线缆的定长模型，可将完成布线的线缆 进行展平操作（如图 ），展平后的线缆清晰地显示了其分支结构。利用平面图输出功能生成线缆 的平面分支图，如图 所示。最后，根据图 图 中的相关信息，绘制线缆零件 的二维钉板图，如图 所示。线缆生产部门可根据材料报表及钉板图采购原材料，直接利用钉板图进行线缆下线制作。结束语本文提出了一种虚拟环境下复杂线缆的集成信第期刘佳顺 等：虚拟环境下复

24、杂线缆的集成信息模型息模型，该模型充分考虑了虚拟布线设计过程中布线信息的集成，将几何模型信息与线束模型信息作为核心，开展线缆的虚拟布线设计与装配过程仿真，并在复杂线缆的设计与制造新流程下输出了线缆制作部门与装配部门所需的工程信息，在一定程度上解决了线缆研制过程中布线信息分散、部分工程信息不完整的问题。下一步研究工作将针对布线设计与装配过程仿真的线缆物理模型引入集成信息模型，并在此基础上进行线缆性能的分析。参考文献：，：，：，：，：，：，（），：，：，：，：，（）：，（）：（）刘检华，万毕乐，宁汝新虚拟环境下基于离散控制点的线缆装配规划技术研究机械工程学报，（）：，（）：（）魏发远，陈新发，王峰军电缆虚拟布线及其逆运动学仿真计算机辅助设计与图形学学报，（）：，（）朱心 雄自 由 曲 线 曲 面 造 型 技 术 北 京：科 学 出 版社，作者简介：刘佳顺（），男，四川中江人，博士研究生，研究方向：线缆建模、布局与装配仿真，：；刘检华（），男，江西萍乡人，副教授，博士生导师，研究方向：数字化装配技术，通信作者，：；王志斌（），男，山东威海人，硕士研究生，研究方向：虚拟环境中的线缆装配仿真技术；尚炜（），男，山东淄博人，博士研究生，研究方向：线缆的数字化布局设计与装配规划。