《电子技术应用》

机电协同布线应用

作者:王瑞
2018/9/29 16:05:00

  一、前言

  2018年,Trace Software推出了《电气CAD软件选型指南》白皮书,分析了当前国外电气软件的发展方向和三大发展趋势,为电气CAD软件选型公司提供参考。

  机电协同布线设计必然离不开电气原理设计,传统的设计方式将电气与工艺设计分离,对适应当前智能制造大背景下带来的智能产线升级,智能装备设计及制造造成瓶颈,大多数行业龙头企业都在寻求机与电的有效融合,数据互通,在此大背景下,如何电气数据与结构数据融合,既数据可重复使用,成为装备制造企业在信息化建设最后一公里的关键点。

  本文讲解在应用成熟电气CAD数字化设计软件的基础上,基于Creo三维平台的布线及工艺文件输出应用案例。

  二、机电协同设计的前提条件

  从事设计的工作者都很清楚,参数化设计在电气设计中发挥着重要作用,传统的CAD图形化设计已经不能满足新一代工程项目的复杂设计要求。因此,电气参数化设计是完成机电协同设计的前提条件。

  我们知道,电气布线要求有电气原理的支撑,在电气原理设计环节实现完整的参数化设计是实现数字化布线设计及电气数据管控的基础和必要条件。目前较成熟的电气参数化设计软件有eplan和elecworks,两者都是基于数据库的对象式设计,本章重点介绍elecworks的参数化设计方式,及与Creo协同完成机电布线的应用案例。

  前期通过elecworks完成电气原理图创建的大致步骤如下:

  1. 创建项目,根据应用标准选择项目模板。

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  elecworks支持GB,IEC,ANSI,JIS四种设计标准,选用不同的标准模板,软件会自动调用各国标准中所定义的设计规范,并自动应用到项目的各个设计环节,例如字体,编号样式,符号标准,选型标准,图框标准等。

  2.创建原理图模板,使用参数化工具高效完成电线,电缆,电气元件,端子等原理图设计,如有PLC相关设计,还可以使用PLC参数化管理工具完成PLC接线图的设计。

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  通过软件自带的图库及选型库,设计者可使用拖拽的方式完成图形内容搭建,对于一些特殊期间,例如伺服变频设备,软件通常采用black box(黑盒)设计,只需在图纸中绘制一个矩形,软件会赋予它电气连接点参数,选型参数,它立即成为一个参数化电气设备。

  3.生成BOM清单,完成参数化的原理设计后,电气元件及线缆连接信息完全保存在数据库中,通过elecworks内置BOM导出工具,可自定义提取所有报表数据,例如电缆清单,接线表,物料清单,端子报表等。

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  对于报表的编辑工作,也不像其他软件,需要利用编程语言单独开发固定的模板。elecworks则开放了界面式报表编辑器,将数百种变量变为可视化参数,用户只需要在模板的合适位置添加所需变量,并可以在可视化窗口中调整报表的排序规则,数据分类规则等,定制化的报表配置可在几分钟内完成。

  本案例中导出的为电线接线表清单,包含了电线的物料标准,从到端的工艺接头,两端设备详细连接点信息,线号表,长度等内容。

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  4.面板布局图,基于elecworks参数化的物料库,可自动提取与真实物料选型1:1尺寸的外形图,由设计者完成面板布局。

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  参数化的优势是通过动态尺寸数据的驱动,外形图在布局时自动匹配,不再需要人为录入尺寸,此设计方式节约了大量的人工选型及绘制面板布局时间。

  三、单独应用Creo的布线

  在参数化电气CAD软件没有实现机电协同应用之前,通常专业的三维CAD软件也会提供一些Cabling(布线)模块,例如 UG的Cabling,Creo的Piping and Cabling,SolidWorks的Routing等。

  这里我们不妨先来了解一下基于三维CAD软件自身提供的布线模块的工作原理,有助于与后面章节机电协同设计形成一个鲜明的对比,我们拿Creo布线模块举例。

  Creo布线简单来讲分为几个步骤:

  1.3D布线前的准备,主要是对三维模型预处理,通过简化模型,调整模型树机构,建立坐标系,参考轴等工作; 再就是需要处理端子出线方向。

  2.准备接线数据中性文件,.nwf, .xls, .xml等格式文件,此准备过程需要通过电气CAD进行导出,或者需人工录入,录入过程需要对电气原理图有比较深入的理解,结合实际设备的端子接头编制中性文件,以备导入所需。

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  图6.待导入的中性文件

  3.导入.nwf中性文件,一一对应文件表中各数据与3D模型的关联关系,此过程需要人工比对,需要对电气原理图和3D模型有非常清楚的认识。

  4.创建布线网络,明确走线的公共路径,比如建立一条从A到B的高速公路,需要通过草图绘制一些基准面或基准线,为了是路径达到更美观的效果。

  5.开始自动布线,布线的结果和过程取决于接线表的准确度以及模型与电气参数的一致性。

  6.生成各类工艺报表,线缆长度报表,3D线缆展平图等。

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  图7.线缆长度表

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  图8.3D线缆展平图

  以上过程,我们不难发现,对于设计者的要求很高,需要设计者能够识别原理图数据,输出为Creo可导入格式,同时要求设计者了解三维装配中的零件结构并能进行电气元件参数的定义工作,如果装配体中涉及的电线电缆数量增多,此工作量会呈几何倍数增加,设计者需要在大量的线缆中甄别器件连接点,并能够准确在三维装配中筛选出有用的电气模型,经过一些企业的走访,要实现设计指导生产并非易事,随着设计周期和生产周期的压力,大部分企业并不能在生产开始前按照上述步骤完成具有生产指导意义的3D布线工作。

  四、借助elecworks for Creo的布线

  2005年,elecworks业内最早的推出了基于三维CAD软件无缝集成的布线模块,何谓无缝集成?它的工作方式完全颠覆了我们传统思维模式,甚至有些设计者亲眼见证这种集成方式之后,大呼没有想到可以这样集成。

  其实,最早与elecworks合作的当属SolidWorks,很多SolidWorks用户目前也都了解这一集成功能,但是由于Creo之前并没有可与之竞争的集成方案,因此Creo用户大部分不了解这种集成模式。

  首先,elecworks for Creo是完全嵌入在Creo菜单中的外挂插件,通过此插件,可以连通三维模型与elecworks电气原理数据,简单理解的话,就是省去了任何中间格式文件的转换过程。

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  采用elecworks for Creo布线过程大致如下:

  1.使用elecworks 2D软件完成电气原理图设计。既本文章节二中提到的前提条件,这个步骤非常重要,它是数据生成的主要来源,当然,elecworks也可以不绘制原理图,利用“excel自动化”功能,通过选配式设计直接指导三维布线,本文不再详细描述此方法。

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  2.进入Creo界面,elecworks菜单,可通过“工程管理”菜单直接进入上述的电气项目。

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  前面提到elecworks基于数据库的设计方式,可通过Creo插件直接读取到电气项目数据,并且可以在Creo环境下直接预览电气图纸。打开工程浏览器中的Creo格式文件,通过此方式进入,其实已经建立了电气数据与Creo装配体的关联。

  3.三维模型与电气零件的关联。

  a)对于还没有三维电气模型的装配体,通过elecworks自带的模型库,可以直接点击“插入零件”菜单,选择本项目中需要插入模型的电气零件名称,elecworks自动调出此设备零件模型,用户只需在Creo中放置具体位置即可。

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  b)对于已有三维电气模型的装配体,用户只需先选中要定义电气属性的模型,再点击elecworks菜单中的“关联”菜单,选择要关联的电气零件名称,就能瞬间完成电气数据与三维模型的关联。

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  4.布线网络的设置。

  对于需要线槽的路径,用户可直接调用elecworks提供的标准线槽,放置在装配体的合适位置即可,无需另外建立坐标系和布线网络。

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  对于类似柜门,或者复杂走线空间的环境,用户可通过“缆”功能,创建虚拟布线网络专用通道,结合Creo的基本功能应用,建立布线路径坐标系,既上文中提到的线路走线的公共路径。

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  5.自动布线。点击elecworks菜单中的“自动布线”菜单,可快速自动完成网络布线,且可直接切换为实体布线,既可以根据电气原理中的线缆属性,截面积大小自动生成具有真实指导意义的实体布线,用户也可以对个别线路进行手动调整。

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  6.工艺文件输出。布线结束后,返回到elecworks 2D界面,可在接线表中一键式更新线缆长度。

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  7.此外,elecworks接口不仅模拟电线布线,更可以实现快速电缆布线,并且能真实反映电缆各芯剥皮段的接线方式及长度;对有些需要完成线束设计的企业,通过elecworks线束设计模块,能够根据定义自动生成电缆束设计,此内容本文不再详细描述,实例效果如下图。

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  通过以上步骤,就完成利用elecworks for Creo的快速布线,我们不难发现,布线的所有操作环境都在原有的Creo环境下,用户无需学习任何额外的三维软件,还可以直接利用Creo已装配的模型,在资源的重复利用,实现的可行性方面都具有真实意义。

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  五、结语

  elecworks for Creo的优势就是,真实协同设计环境的搭建,及应用的便捷性。对比Creo手动布线,它节省了中性文件的准备时间,不需要进行文件或模型的导入或导出,这样,从根本上解决了设计者既需要充分了解电气原理,又必须有足够经验面对复杂三维模型,对于处理大装配体,复杂布线网络的实现提供的可能性。

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  对比Creo手工布线和elecworks自动布线,我们不难发现,用户无法成熟应用的原因也在于应对用户临时提出的需求变更,手动导入,关联,和布线已经耗费了大量时间,面临原理设计变更时,此过程几乎不可能再复制。

  另外,此方式对于工程师的个人能力要求则大大降低,电气工程师无需掌握详尽的三维软件技巧,无需掌握建模知识,只需规划合理的布线路径就能实现数字化布线。

  第三,通过引入elecworks网络版,elecworks 2D 与Creo可以实现远距离协同设计,分别由电气设计和机械或工艺团队在各自的工作段完成设计。

  当然,协同设计的概念远远不至于电气原理驱动三维布线,也不至于电气设计与机械设计远程共享数据,协同设计还可能涉及到PLM的项目管理,ERP的物料协同,甚至是大项目对于电气设计团队的协作设计要求,本文只是通过elecworks for Creo的集成,引入到机电无缝集成的工作方式,随着企业信息化平台的不断完善,我们相信,机电协同设计还会有更加完善的内容加入。



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