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浅谈成套电气二次导线一体化解决方案关键技术
摘要：本文提出了基于Superharness三维仿真软件的成套电气二次导线一体化解决方案，该方案以关系型数据库驱动的专家系统[3]为核心，采用不同的模型数据建立手段，通过走线槽以及集线器的方式，自动生成三维空间走线图，最终以离线线束的方式展现出来；
中图分类号：U418.6 文献标识码： A
1. 引言成套开关设备行业进入90年代后，尤其在近几年来发展飞快，新产品日新月异层出不穷。产品不仅在性能、结构等各方面有了巨大的进步，其在外观的要求也越来越高，正在向家具化、装饰化方向发展。
二次回路是任何电气设备必不可少的重要组成部分，二次回路的电气性能好坏直接影响到整台电气设备的性能和可靠性、安全性。同时，其二次元件的装配、标号，导线的选择、敷设以及排列组合灯项目，构成二次回路布线工艺的重要内容[1]。二次布线工艺水平的高低将对产品质量产生直接的影响。
过去企业只注重产品的结构性设计及电气性能的改进，而忽视了二次布线工作，造成了二次回路布线工艺落后，方法陈旧。在新的形势下，原来的二次布线工艺已远远不能适应新产品开发以及市场发展的需要。因此，采用新工艺新技术，使用合适的新型电气附件等，已成为十分迫切的问题。
2. Superharness与三维图形技术
Superharness是一款基于成套电气制造行业的二次导线CAD/CAM/CAPP软件系统，它以柜体三维结构模型和Superworks生产的接线文件为数据基础，完成电气柜内导线的三维布线模拟，进而生产加工导线用数控代码，完成导线的自动布局生成。
2.1 电器元件数据模型的建立
成套电器开关柜二次回路中的电器元件多种多样，各种元件接线端的形状、位置及接线方式也有很多变化。为了准确反映三维空间中二次接线的起止位置及走线路径，计算机必须对各种元件的不同情况进行判断，因此，它必须具备应付各种可能出现的接线端子的专家经验；进一步考虑，为了适应以后可能出现的新的情况，计算机软件系统不断累积建立元件库，从而使得整套软件系统可以顺利流转。
成套电气产品的机械结构种类较多，产品较为复杂，且各个生产厂家均有其各自的特点。因此模型的建立是二次导线一体化的基础，本文提出了一下两种建模方式，如图1所示；
手动建模方法：建模者不必知道产品结构细节，只需要输入器件安装或导线行走所在平面大小及空间相对位置坐标，即可用一系列空间平面完成产品建模，该平面逼近建模的方法简单又实用；
抽取建模方法：该方法利用目前流行的三维设计软件生产的结构数据，将安装电器元件与布线相关的结构模型要素提取出来，然后读入Superharness中完成结构建模。该方案数据准确，效率高，但是必须先提供三维图纸；
图1 手动/抽取建模方法
2.2 三维布线空间的器件与接线信息导入
目前设计软件多采用距离定位，将元器件距边框的长度标注，从而定义元器件位置，而本文提出智能化装配模式，根据电气制造厂生产过程中绘制的面板开孔图或器件布置图，智能化的完成电气器件在产品结构模型中的布置，以模拟车间实际产品的器件装配，如图2所示。
接线信息由Superworks绘图软件导入完成，Superworks绘图软件可以产生专家系统的知识库，而专家系统是由事实库和规则库组成[4]。事实库中最初存放的是各个接线端子的信息，而规则库中存贮了根据不同接线端子生产不同的走线路径的规则，通过器件和接线信息的导入可以成功将电气绘图技术与三维技术完美的体现在Superharness当中。
图2 三维布线空间器件的智能化装配
2.3 路径规划与三维布线的生成
一般情况下，节点如何布线可以归结为图论[2]中的最短路径问题。因此，首先要生产一个以接线所经空间拐点为节点的拓扑网络。但是如果将所有接线端子及可能出现的每个空间拐点作为网络节点，那么这个拓扑网络将极其复杂以至无法求解。在实际生产中，接线工人为了方便走线，会在开关柜内
图3 整个开关柜走线槽与连接网络
设计出若干走线槽。二次连线都是成捆地从这些走线槽内经过。基于这种经验，将走线槽的概念扩展，可以在开关柜内生产一个连通的连接网络，如图3所示。图中显示了一个空完成的连接网络，虽然连接网络是一个空间的概念，但由它产生的拓扑网络是一个节点具有三维坐标的平面图，因此可以采用求网络最短路径的算法获得接线路径，经过如此处理后，只要把连接网络中的拐点作为网络节点就可求取其间的通路，从而大大简化了问题的复杂性。
简而言之，路径规划可借助于走线槽与集线器，利用图论最短距离理论规则约束，从而实现三维布线的效果。
3. 系统输出与离线线束技术
3.1 系统输出
Superharness软件求解完毕后，系统会生产三维空间的二次走线图以及附有每根接线长度的连线表，利用系统提供的三维缩放、平移及旋转工具，用户可以很方便的观察整体布线结果。然而开关柜内的走线大都是成捆的，当接线完成后很难直接看出每根连线的走向，因此系统提供了加亮被选择接线的功能，即用户在三维画面右侧接线表中选定某根接线，三维图形中相应的接线便会显示红色亮线。系统在计算每根接线的长度时，一般情况是先根据从接线端子走到连接网络时所经节点的坐标求取接线端子到连接网络的距离，再加上连接网络中经过的所有边的权值得出连线总长。对于这种直接和一次线路相接的端子，系统会另外再加上一定的冗余长度。对于不同板件的软连接线，采用过门集线器的方式连接，从而可以调节线长。
3.2 离线线束技术
离线线束技术分为自动下线技术（CAM）与动态钉板图线束精细化制作技术（CAPP）。Super- harness输出导线信息一览表包括产品中每根导线的长度，两端的剥皮长度，配用接线头，导线两端标识，导线截面及颜色，线号管穿套方向等，可用于手工下线是参考。此外，该软件系统还可生产DDS文件，配合KOMAX自动下线设备，完成导线的全自动加工，包括切断，剥皮，压接，穿套线号管（或喷字标识）等[5]。
动态钉板图线束精细化制作技术采用了子线束工艺以有效控制导线放置产生的误差，如图4所示，其单股线束直径为20mm，内外部导线长度距离为25mm，为线束制作冗余范围之内。配合自制的线束制造工具，即能方便快捷的生产出美观的二次线束。
图4 离线精细化线束图及误差分解图
4. 总结
本文介绍了一种用于电器开关柜二次回路三维空间布线的关系型数据库驱动的Superharness软件系统。该系统将走线槽的概念扩展，形成柜内的连接网络，采用了图论中最短路径算法作为模式匹配的依据将接线由各个接线端子走到连接网络中。最终根据输出文件，采用离线线束技术将二次导线以线束方式呈现出来。
参考文献
[1] 张继强,陈德桂.成套电器开关柜二次布线的三维仿真[J].西安交通大学学报,1999,8（8）:11-15
[2] 王朝瑞. 图论.北京:人民教育出版社,1981.
[3] 何新贵. 知识处理与专家系统.北京:国防工业出版社.
[4] Liu Hua Sheng,Wang You Ren. Real-time Lane Detection for Vehicle Vision Navigation System[J].Computer Measurement & Control,,2004,12(10):901-904
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