应用Pro/ENGINEER软件进行三维布线

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一、绪论    1.三维立体布线在电子设备设计及制造中的作用
8 r! o2 P8 e3 w! u7 O, s- k% a  I# v    本文所指的三维布线，即指线扎图的设计。在传统的生产工艺中，线扎的设计和生产一般都在总装阶段进行，因此，线扎的设计和生产是电子设备制造过程中一个最为重要的环节。
+ a. n) H9 h$ p/ `" G/ }. L0 o% r    2.电子设备对三维布线的要求
    随着设计技术的飞速发展，对制造业提出了日益严格的要求，主要体现在以下几个方面。
7 a' \/ ]& a- y  l) y# d    (1)随着电子设备的更新速度日益加快，产品从设计到面向市场的过程所用时间也越来越短，这就要求制造业能尽快地适应市场的节奏及设计的迅速变化，在设计时同步进行三维布线，将三维布线可能带来的问题解决在设计阶段。
% u% q; a) I9 K: N* c8 D    (2)随着电子设备向小型化、模块化发展以及设备和结构的内部走线日益复杂，设备的内部结构和电磁环境对走线提出了更高的要求。
    (3)除了功能这个重要因素以外，制作成本也是比较电子设备优劣的一个重要因素。在产品功能相近的情况下，缩短产品生产周期、降低劳动力费用及减少原材料消耗和浪费将极大地提高电子产品的竞争力。
0 n! B# @, ^+ l  S( L- ?. S( P6 Z    3.使用传统工艺进行三维布线带来的问题
    在传统的生产工艺中，基本流程包括设计图纸的下达、准备工作、建立电子设备的三维结构模型、线扎的规划、走线路径的测量、绘制扎线板图和原材料清单、制造第一个线扎、更改错误、新线扎的制造和测试以及最终文件产生等。
, Q$ q/ Z# w5 C    由于线扎的大小及规模有区别，各个企业的管理及工艺也有所不同，因此在具体的流程上可能有所差别。总的来说，设计及制作工序比上述流程要简单，一般情况下是直接在实物上进行线扎的制作。
从常规的工艺流程中可以看出，使用常规工艺制作线扎，可能会带来以下问题：
    (1)结构设计导致的走线空间问题；
    (2)走线不合理带来的电磁兼容性问题；
    (3)线扎设计及制作过程的反复带来的时间浪费；
4 M8 y' q. |/ L/ u    (4)线扎的制作费用高；
    (5)线扎制作过程中人为因素导致产品质量的变化；
    (6)更改过程很复杂且易出错。
3 e$ {( S' d- o9 r) F    要解决以上这些问题，就必须使用三维立体布线CAD软件。
4 _3 T  s# z- }3 x" c    4.三维布线实现的可能
    实现三维布线，首先是生产的客观要求；其次，随着三维设计软件的引入和普及，国内许多企业和研究所都实现了三维设计，这为三维布线在客观上提供了条件；而三维立体布线软件本身的发展也给三维布线提供了可能。

二、三维立体布线CAD软件
& m% M# J/ h! o1 c0 p' x% x, e. e' F    三维立体布线CAD软件也称作Harness软件，目前国外的品种较多，功能也日益完善。这些软件主要有以下特点。
6 v! `0 N* m- R0 d    (1)三维立体布线CAD软件将线扎图的设计和绘制与现有的3D机械设计软件完美地融合到一起，使设计过程非常流畅。软件的3D设计环境和2D线扎图生成环境是互相关联的，在任何一个环境中所作的改变，都会体现在另一个环境中，这减少了更改机械及电讯设计时出错的机会。
    (2)三维立体布线CAD软件可以从电原理图和ASCII文本文件中获取电讯的接线信息，实现了与电讯数据的融合。
. r+ X4 x" l' Z2 F; |  {% d    (3)三维立体布线CAD软件直接在3D机械模型中工作，节省了在常规线扎制作工艺中测量及建立三维结构模型所需要的时间。
1 l5 E( s% H" g  ~! I. W$ P* b) ]  j% U    (4)三维立体布线CAD软件在线扎图的设计过程中，可以综合所有针对线扎设计的要求和规则。这些要求和规则包括电气方面、机械方面和制作工艺方面的，用来校验线扎图的设计，使设计出的线扎符合产品各方面的要求。
& }# h6 N# D0 |/ Q: S$ w    (5)三维立体布线CAD软件在线扎设计完成后，能够从3D设计数据中自动生成所有生产所需的信息，如原材料清单、导线列表和扎线板图等，从而消除了人工制作产生的影响。
8 X* A" R+ _: c; F    (6)三维立体布线CAD软件在线扎设计完成后，所有的设计信息都存储在3D模型中，并且可以随时调用，可维护批产的一致性。
    (7)三维立体布线CAD软件实现了设计中所见即所得。
    随着三维机械设计软件的发展，Harness软件也真正进入了三维时代。下面我们将结合PTC公司出品的Pro/ENGINEER设计软件，认识三维Harness软件的基本特点以及在线扎图的设计和制作中的应用。

! W0 D, s5 r3 ~三、Pro/ENGINEER软件与三维立体布线相关的基本功能
    1.Pro/ENGINEER软件简介
- {6 Y( g+ G% K6 n$ {; w    Pro/ENGINEER是美国PTC公司开发的大型三维机械辅助设计软件，集设计、分析、测试和制造于一体。Pro/ENGINEER软件由多个模块组成，三维布线模块Pro/CABLING是Pro/ENGINEER众多模块中实现三维布线功能的基本模块。
& T8 z4 x) I, j+ n$ s/ s  d    2.Pro/CABLING模块的基本功能
0 ]% l/ t: J+ g8 I2 r& V& _    Pro/CABLING模块与其他Pro/ENGINEER模块是协同工作的，它需要的三维立体模型由Pro/ENGINEER软件中的Pro/ENGINEER模块提供。Pro/CABLING模块包括一些子模块，如Pro/ROUTING和Pro/DIAGRAM等，主要解决三维空间的立体布线问题，功能如下。
    (1)线扎设计，即所生成的线扎图为三维立体模型图。
/ H4 N& B( |) O( l" e& l& z    (2)扎线板制作，即三维的线扎图生成以后，可在此转化为二维的扎线图，供生产所用。
    (3)表报统计，即生成整个线扎的各项参数，如线缆的长度、线扎的重量和线扎的制作成本等。
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8 d9 k. ]& N7 m5 y( M# S四、实践应用Pro/ENGINEER的三维立体布线功能
4 d1 W( h  n' O% S2 N. p) \    我们以电子设备中的一个分机为例，对三维布线的CAD流程加以论述。
    1.先期工作
    先期工作主要是指建立设计线扎图所必需的结构及电讯模型，这些模型的建立及参数的生成由其他模块完成。先期工作主要包括两大部分，即建立符合三维布线要求的结构三维立体模型以及生成该模型的接线原理图等信息。
2 z8 E- G; Y" F/ L& R% y    (1)组装实体模型的建立
% x0 R$ y6 z; S4 q5 D    组装的实体模型，即用Pro/ENGINEER机械设计模块制作的分机及机柜的3D组装图，应包括设计线扎图所必需的部分，并可适当去除无用部分以简化模型。
6 N$ T& T) V& m    (2)接线原理图绘制
+ G  A* e7 a$ h    这一部分主要由绘制原理图的子模块Pro/DIAGRAM完成，其中包含设计线扎时所需的逻辑连接信息、连接器和线缆信息等。电讯信息是从电理图文件或ASCII 文本文件中输入的，需要电讯部门提供相应的符合要求的文件。在这个实例中，电讯信息是由子模块Pro/DIAGRAM完成。
局部显示，如图1所示。

图1 局部显示图

    2.建立连接器及与接线相关器件的信息
    建立连接器的信息包括建立连接器的三维信息和连接器的连接信息两个方面。
" ]% e; T9 U4 R3 C) w8 Q  H    连接器的三维信息是连接器的3D模型。在一般情况下，连接器的外形在组装实体模型建立过程中已建好，可直接使用；在另一种情况下，某些三维立体布线CAD软件附带常用的连接器信息，这些连接器信息可直接引入到组装实体模型中。
. E( ?: K2 B$ Y' p8 I  E6 G    连接器三维信息建立完毕后，下一步就是建立连接器的连接信息。在连接器中加入插芯的信息，即导线连接的插芯位置和数量等。
    建立完毕的连接器三维模型，如图2所示。
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图2 建立完毕的连接器的三维模型

    建立器件信息的过程与建立连接器的过程相似，在此就不做描述了。
- z* }, }% G  o5 T8 B    3.三维布线实体模型的建立
' N$ O9 \$ G2 a1 @# {4 D! t    三维布线实体模型符合线扎图的设计要求，是包含结构及电讯相关信息的机柜或分机的3D组装模型。
    (1)连接器及器件信息的引入
% x- O  D6 W' N$ S- O8 t    这一步骤主要是将连接器及器件按各自的X、Y、Z坐标定位在组装的实体模型中，使连接器与三维模型合为一体。
& N& Q" O6 d; _: e8 x. m# F    该步骤完成后的分机三维模型，如图3所示。
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图3 分机的三维模型

    (2)输入电讯信息
    Diagram生成以后，可由结构3D组装模型引入，将Diagram中的元器件、连接器的参数和接线信息引入到结构的3D实体模型中，与三维模型中的实体相对应。
/ E! c( I4 e) `: |- z# u8 S    通过上述步骤，三维布线实体模型的建立工作结束，在此基础上可以进行后续的三维布线工作。
    4.三维布线
2 F/ ?" \! N7 ?3 H    三维布线由Pro/CABLING模块完成，通过手动或自动功能生成三维 harness模型，工作流程如下。
' s, j( I; D  j. M- Z6 h4 H    (1)Network的建立
( F7 c% W- ]2 v9 ?9 I    Network是线扎的布线网络图，即定义线缆的走线方向和位置，也可称作布线通道或者虚拟管道。定义Network是生成harness最关键的一步，用户可以设计出符合要求的全部可能的走线路径，从而通知计算机哪些走线路径是允许的，而哪些是不允许的。因此，定义这些路径时应尽量定义出所有可能的路径，让计算机加以识别，选出最佳路径。
    Network定义是否合理，将直接关系到自动布线的成功与否，应重点对待。通过布线通道的建立，Pro/CABLING完成了电连接信息和机械信息的融合。
    (2)布线
5 T* K/ {- c: {) h7 P' X    布线分为手动布线和自动布线两种方式。其中，手动布线是点击导线和电缆通过的路径，通过Harness软件的用户交互式布线功能完成布线。而自动布线就是通过一次点击自动布线，所有的导线都将自动布设完毕。
  L9 C. v/ D% M    自动布线完成的结果，如图4所示。
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图4 自动布线完成的结果

    孤立出来的线扎，如图5所示。
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图5 孤立出来的线扎

    在布线过程中，可以单根布线，也可以多根同时布线。Pro/ROUTING子模块将检验创建的Network，计算出连接点之间的最短距离，生成线扎。
    在布线过程中，不论是交互式布线还是自动布线，用户都可以根据实际需要，设立布线规则。诸如确定导线可以经过的布线通道或不能通过的布线通道，并在线扎的设计过程中对线扎进行调整和修改，使生成的线扎更加符合要求。
    5.生成设计文件
    (1)建立导线列表和清单
# G8 \& r1 ?) G4 `& d5 Z- N    这一步骤完全由软件自动完成，在布线的同时，导线的实际长度等信息和附加特性被存储在Harness软件的数据库中，报表可以按设定的格式输出，并且随着布线的更改，报表中的数据均可自动更新。生成的图表包括多个与制作线扎相关的选项，一般包括导线的连接点及导线的长度等，选项可以根据实际需要进行修改。
+ \( g; ~' t7 K$ j, }    (2)从3D模型中建立扎线板图
& r0 }% J4 g% V$ j    在实际制造时，扎线板图用于平铺导线，组装实际的线扎。从3D的线扎装配模型中，Harness软件自动将3D模型展开成一个2D的扎线板图，用户可以对展开图加以修改，如移动导线和线束以及加入字符和线扎名称等，以保证图纸符合生产要求。
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五、三维立体布线CAD软件实践的关键技术
' ?* V% ^& N' p- X1 d    因为整机的三维布线是综合性工程，所以应用三维立体布线CAD软件，需要用到以下关键技术：
, ^: H7 t+ u0 d9 A6 ^% R    (1)成熟的电子装联及相关技术；
; i' u2 V: ]% ?% K: |4 @& K    (2)根据企业实际需求购买合适的三维立体布线CAD软件；
: ^& X, d$ D8 a0 I9 Q+ M    (3)根据企业实际需求构建理想的工作模式；
    (4)机械三维设计技术；
( e; I: U1 b; q- V' |    (5)与电讯设计部门的数据转换；
    (6)三维立体布线CAD软件的二次开发；
    (7)相关的技术配合。
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六、总结
! z1 U2 K, Q+ S0 a# L6 X* V    通过对上述实例的研究，可以达成以下共识。
    (1)在整个电子设备的设计过程中，线扎设计是一个重要步骤。
$ a/ w/ s1 {: ^) v% U, u    (2)与传统方法相比，使用三维立体布线CAD软件进行设计在人工费用、工作效率、资源合理配制、线扎设计合理性及线扎质量等方面都有着质的飞跃。同时，费用更低，改变了传统线扎制作的滞后性。
    (3)所有的设计数据都存储在计算机中，由中心数据库统一管理，为各个设计部门提供更加准确并可重复利用的一致性数据信息。
    因此，我们应积极研究和应用Harness软件技术以促进我国电子设备制造业的发展。