Pro/ENGINEER环境下的柴油机电气数字化设计研究

　　随着汽车排放法规的日益严格，为达到欧Ⅲ、欧Ⅳ、欧Ⅴ的排放标准，柴油机需要采用电控喷射或后处理技术等先进发动机控制技术，图1为复杂的先进排放的柴油机电控系统的构成图，图2为国外某款新型柴油机外形图，低排放的柴油机通过线束将先进的传感器、智能执行器与ECU之间连接起来。作为柴油机电控系统中传输电流与电信号的重要元器件，柴油机线束的设计质量与效率将影响整个柴油机的数字化设计与柴油机控制的可靠及信号的完整性。

　　笔者所在企业从很早之前就采用Pro/ENGINEER软件进行柴油机整机的三维数字化设计与制造，同时运用PTC公司的Windchill系统进行发动机各种机型的管理，采用自顶向下和并行工程等先进设计理念，协同设计开发具有先进水平的国内第一台具有自主知识产权的四气门商用柴油机—CA6DL“奥威”柴油机，使我国汽车工业与国外先进水平的差距一下缩短了20年。在产品开发过程中，采用三维开发技术使得工程技术人员彻底甩开了图板的束缚，构建的数字虚拟模型很好地满足了机械零部件的开发与应用，而且构建的柴油机数字三维模型可以进行虚拟的装配与运动仿真等消除干涉，避免了柴油机制造与装配过程中的反复修改再设计，极大地缩短了开发周期，而且从设计的源头降低了成本。

　　一、3D布线软件应用与现状

　　柴油机线束包括了导线、接插件和线束外部材料(胶带、波纹管、三通和护套等)。图3为柴油机线束的外形图，复杂的材料构成以及线缆的柔性结构为柴油机线束设计与装配规划提升了构建数字模型的复杂度。国内外学者与工程师从20世纪80年代开始，开始利用CAD技术和虚拟现实技术对线缆束数字化设计和规划进行研究。1992年，Caudell等提出了将虚拟环境与线缆布线相结合的思想，但碍于技术条件并没有实现。Loock等在前人工作的基础上提出了线缆弹簧模型，并对不同刚度的线缆在承受重力的状态下进行仿真模拟，取得了较好的效果。Hergenrother等从动力学的角度，开发了一个虚拟环境下的实时线缆装配布线系统，该系统通过头盔显示器以及三维鼠标等设备与系统交互，并对虚拟环境下进行线缆布线的效率进行了检验，实现了线缆静态干涉检测，但只能验证线缆布局设计的可行性，并没有对虚拟环境下的线缆布线规划技术进行更深一步的研究，这些研究距离实际应用仍有较大差距。

　　3D数字化设计软件的发展，使得线束的设计也进入了数字化的阶段。3D线束设计软件很多，但由于我厂已经在机械数字化设计时采用了PTC公司的Pro/ENGINEER Wildfire3.0，所以在柴油机电气数字化设计软件时采用Pro/ENGINEER的Cabling模块。作为大型的计算机辅助设计工程软件，Pro/ENGINEER软件在汽车柴油机、工业装备、IT设备和家用电器等行业应用广泛。

　　Pro/ENGINEER软件的线束设计模块具有强大的线束设计功能，而且Pro/ENGINEER软件的3D设计环境和2D线束工程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。Cabling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，图4为Pro/ENGINEER软件的线束设计工作流程图，从逻辑图中提取逻辑信息的能力极大地推动了线束数字化设计的自动化。

　　二、柴油机线束数字化设计

　　在设计欧Ⅲ柴油机时，由于研发时间紧以及对Pro/ENGINEER Cabling的运用还正在初始阶段，所以一开始主要根据三维管道来确定柴油机线束的长度，是否与柴油机其他零部件干涉等。虽然这样能够模拟出线束的走向，也可以为线束的二维设计提供帮助，但是柴油机机械三维与电气线束三维不能很好地结合，也不能实际真实反映线束的连接情况，更为重要的是，线束的设计过程中无法根据三维线束模型生成柴油机线束的二维图样，线束模型的更改无法在原来独立的CAD二维图样中进行相应更改，给开发欧Ⅲ甚至是欧Ⅳ、欧Ⅴ发动机带来了不便。

　　柴油机线束数字化设计时包括自动布线和手工布线，图5为自动布线与手动布线的示意图，手动布线无需设计Pro/Diagram原理逻辑图，在布线时注意线束与传感器之间的逻辑关系与名称即可，这样可以避免每次设置接插件的属性，以和Pro/ENGINEER中的接插件对应。

　　自动布线需要根据Pro/Diagram设计好的逻辑关系图，运用Pro/Diagram画原理接线图，设计清晰的线束和接插件的逻辑关系。这样虽然前期设计工作比较费时，但是完整精确的逻辑关系图可以极大地纠正线束连接出现错误。而且在Pro/Diagram定义好的接插件的模型名属性与Pro/ENGINEER环境中的模型名一一对应之后，系统将根据其逻辑关系自动布线，同时通过自动布线创建的Network来规定线缆的共同路径。NetWork功能类似于线束的公共路径，系统在自动布线时会自动沿着这个路径，以最短的距离将相应的元器件连接起来。

　　如果自动的路径不能满足要求，也可以人工制定。NetWork的一系列位置为自动布线的电缆定义缺省路径，使用“网络操作”(Network Ops)→“布线”(Route) 命令来添加位置，如同敷设电缆时一样，其区别在于没有与正在定义的路径相连的电缆，而是用一条虚线表示路径，此时网络与活动线束中的电缆相关联。对于指定到组件中其他线束的电缆，直到将它们所在的线束激活后，才开始进行布线。

　　Pro/Cabling设计过程中先定义NetWork路径，然后再进行线束布线，可以快速而准确地进行柴油机线束的三维几何布线，使得其后期的布线更加方便。手动布线与自动布线各有优缺点，应根据柴油机线束数字化设计的具体情况选择布线方式。

　　图6是我厂某款欧Ⅳ柴油机采用自动布线电气数字化设计流程图，利用Pro/ENGINEER软件的Pro/Diargram与Cabling模块进行柴油机线束的数字化设计，将柴油机线束设计和绘制与现有的3D机械设计软件完美地融合到一起，使得设计过程非常流畅，同时缩短了柴油机电气设计的研发周期，降低了整个柴油机的设计成本。

　　通过Pro/ENGINEER软件的电气数字化设计技术与交互式设计，为柴油机线束的设计、制造提供了一个强有力的开发平台，解决了柴油机电气设计的快速布置线束的敷设问题，同时构建了合理的三维线束模型，而且直接可以生成工程图样，提高柴油机线束的设计质量与效率。经过欧Ⅳ柴油机项目的顺利开发，柴油机电气的数字化设计极大地提高了柴油机集成开发的质量与效率，保证了欧Ⅳ柴油机的复杂集成的电控系统的有效连接与精确控制。

　　三、结束语

　　在欧Ⅳ柴油机开发过程中，柴油机电气数字化设计成功开发与应用的结果说明了以下几点。

　　(1)柴油机电气数字化设计对于欧Ⅳ柴油机电控系统的开发，极大地提高了开发效率与质量，降低了设计成本，由于Pro/ENGINEER电气数字化设计的优势，已经广泛用在了我厂其他欧Ⅳ和欧Ⅴ的柴油机的开发过程中。

　　(2)将电气数字化设计与机械数字化设计结合在同一环境下开发欧Ⅳ柴油机，避免了数字模型不同格式转化的繁琐过程，进一步提升了柴油机数字化开发质量。

　　(3)柴油机电控系统的数字化设计，完整一致的模型构成也为以后进行各种计算机辅助分析与二次开发提供了一个有效的平台。