复杂产品的电缆布局方法.doc

《复杂产品的电缆布局方法.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、复杂产品的电缆布局方法魏发远邓克文王峰军陈新发（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川绵阳919信箱411分箱，621900）摘要：从工程应用的角度提出了一套针对电缆布局问题的解决方案，将电缆布局问题分解为拓扑规划、几何建模和装配性检查三个子问题。针对拓扑规划问题，提出了基于虚拟样机的人机交互式规划方法，进而获得电缆束的拓扑模型；针对几何建模问题，提出了基于能量优化的电缆自动生成方法，将电缆拓扑模型转化为几何模型；针对装配性检查问题，提出了逆运动学仿真方法，对电缆几何模型进行装配性分析。最后，用一个工程实例对

2、上述方法进行了验证。关键词：电缆布局；人机交互；能量优化法；逆运动学1引言电缆是产品中特殊而重要的组成部分之一，虽然在产品中所占的比例较小，但是对产品的影响十分明显，如果电缆设计不合理，不仅影响产品的电磁兼容、散热等性能，还会产生摇摆现象，造成电缆插头的松动和脱落，给产品可靠性带来隐患，对于导弹等航天器，电缆还直接影响到弹头的质心横偏和转动惯量等重要性能。因此，电缆布局是产品设计的重要内容之一。由于电缆布局问题在产品开发中的重要性，国内外学者和工程人员都对这一问题进行了一定程度的研究，目前这些研究工作主要集中

3、在电缆布局规划方面，如Conru提出了基于人工智能的自动化布局方法[1~2]，该方法以成本作为目标函数，利用遗传算法寻找最佳的电缆路径，由于该方法所建立的优化模型是一个复杂的非凸NP问题，目前仅限于简单问题的学术探讨，对于复杂的工程问题无能为力。随着CAD技术的发展，一些优秀的CAD软件如UG、CATIA等已配有相应的电缆布局模块，可以在三维模型中进行电缆路径规划、卡箍设置和长度计算。但是这些软件并未把电缆处理成一个柔性变形体，而是通过B-Spline或Bezier曲线来描述电缆的静态形状，不能反映电缆的质量

4、、抗弯、抗拉等力学特性，此外，目前的CAD软件还难以实时处理布局过程中电缆与刚性组件频繁干涉的问题。本文在前人工作的基础上，从工程应用的角度，对电缆布局问题进行了系统的研究。2总体思路电缆布局的基本任务是以电路图为依据，在有限的空间内对电缆连接关系进行分叉、捆扎、设置卡箍，进而建立电缆几何模型、计算电缆长度并进行装配性检查。从优化的角度看，电缆布局问题可描述为：(1)式中ui表示构成电缆拓扑的端点、分叉点、卡箍的位置，vi表示电缆曲线的控制参数，wi表示电缆截面信息；L为电缆长度；dmin为电缆及其插头与其它

5、组件间的最小距离，由于电缆是柔性件，dmin在装配过程中是动态变化的。电缆布局的思路如图1：首先，根据电路图、布局空间等布局前提，利用人机交互方法进行拓扑规划，得到电缆拓扑模型；其次，根据电缆拓扑模型，利用能量优化方法建立电缆几何模型、计算电缆长度；最后，利用逆运动学仿真方法对建立的电缆几何模型进行装配性检查，如果检查结果无法进行安装，则返回修改拓扑模型或几何模型，如果可以安装，则布局结束。图1电缆布局的基本思路3拓扑规划拓扑规划的基本任务是根据电路图、布局空间等布局前提“设计”出电缆束的拓扑模型和空间路径，

6、即确定式(1)中的ui，这是一个典型的空间规划问题，理论上可以采用计算机自动推理的方法进行求解，但由于待定参数多、可行空间复杂、难以建立准确的数学模型，这种方法在工程上难以实用。比较可行的方法是借助于人类智能、利用人机交互的手段来予以解决。因此，将虚拟样机思想应用于产品电缆布局问题，利用虚拟现实技术可视化程度高、人机交互能力强的特点将布局人员融入到布局活动中，交互地进行电缆拓扑设计和路径规划，为电缆几何模型的建立奠定基础。这一过程为：①基于产品结构模型确定电缆布局的可行空间；②在布局可行空间中根据电缆连接列表

7、指定电缆束的端点、分叉点、卡箍位置ui；③连接上述关键点生成由多段折线构成的电缆路径，从而确定了电缆束拓扑、路径和卡箍位置；④判断电缆拓扑、路径和卡箍位置是否满足空间约束、是否符合电缆布局规范，若符合则进入电缆几何建模阶段，否则进行修改并重复上述过程。上述过程是设计人员与布局环境相互协作、通过人机交互的方式完成的。4几何建模几何建模的任务是将拓扑规划得到的树状模型转化成电缆几何模型，即确定式(1)中的vi。由于电缆被端点、分叉点和卡箍分成很多子段，而电缆中心线通常是一曲线，所以建立电缆几何模型的基本思想是：利

8、用曲线建模方法建立中心曲线后根据截面形状拉伸建立子段的几何模型，所有子段模型构成整束电缆模型。为了反映电缆的抗弯、抗拉等力学特性，采用能量优化法进行电缆曲线建模，其基本思想是：①构造合适的函数形式来描述电缆曲线；②根据能量最小原理确定处于稳定状态时电缆函数中的待定参数vi。4.1电缆曲线函数采用单段三次准均匀B样条函数来描述电缆子段，其形式为:(2)其中，，，为基函数；参数u满足约束；Vi为B样条曲