三维布线技术的应用研究

1. 引言

随着电子设备向小型化、模块化发展以及设备的内部走线日益复杂，设备的内部结构和信号传输特点对布线提出了更高的要求，高效、规范的进行电气设备布线已愈加重要。

传统电子设备布线由电气设计人员根据选择线缆型号估算线束分支直径，结合结构及布线图纸，粗略测算出线束走线路径、长度等，待实物样机试制并完成后，根据样机手工测量线缆尺寸，进一步规划走线路径，绘制电子布线图。

这种方法有以下三个缺点：一是需要待实物样机加工出来才能进行线扎图绘制，生产周期较长；二是样机布线，沟通反馈滞后，重复制作样机迭代改进成本较高；三是现场测绘，狭小空间受限于结构容易产生误差，线束分支出线位置容易偏差，预估现场尺寸精度较低，造成线料浪费[1]。

要在生产中解决这些问题，使用三维布线软件是一个很好的选择，它不仅使布线设计在生产样机前进行，而且是结构、电气和工艺布线开展并行设计的一个平台和切入点。其布线速度快，布线信息直观，可以很好地指导生产 [2]。

2. 三维布线软件

CAD 测量绘制、西门子公司的 UG 电气布线系统及专业三维布线软件都是解决传统布线困难的效方法，CAD 需在二维结构图测量大量数据、工作量大，对设计阶段结构改进起不到明显优化；UG 附带电气布线模块自动化低，人机交互复杂，布线路径生成效率低，布线路径干涉检测困难。

而专业三维布线软件可以解决这些问题，它们将线缆布设和三维立体图融合到一起，而且 3D 设计环境和 2D 线扎图制作环境是相互关联的，任一环境的改变，在另一环境都将做自动改变 [3]。同时，这类软件还包含一系列的设计规则，用来校验线缆布设的正确性。自动生成所有的线扎制作信息，这也使得在结构及电气设计发生更改时，线缆布设图得到及时更新 [4]。本文以 EPLANHarness proD 三维布线软件为例，说明其在工艺布线上的应用。

3. 三维布线设计

3.1 模型库的建立

通过建立数字化样机进行布线的先决条件是具有丰富的数据库及模型库，结构模型的细化程度直接决定虚拟布线的精确度，建立模型库，尤其是连接器库及线缆库是精确快速布线的基础。

为了进行电连接器各点导线的布设和电连接器的装配定位，需要对电连接器进行端口属性的设置，如方向、大小、连接数量等。在全自动布线的过程中通过引入接线表中各接线位点之间的连接关系，实现整机布线，如果不使用元件表和接线表给出这些关系，可以进行人工指定，进行手工布线。

同时针对导线建立线缆库。线缆库包含了电缆型号规格、直径、最小转弯半径、颜色等信息；同时对于导线的包覆层，如套管、聚乙烯膜，也可以进行单独指定和更改。

3.2 布线操作

在三维布线操作中需首先引入三维模型，如 UG 模型，形成完整的三维结构模型。之后在机体模型中通过模型库添加各连接器作为连接节点。

在进行线缆连接之前需在数字样机中建立一条到目标器件的线束，该线束无论在全自动布线、半自动布线还是手工布线中都需要使用，它的主要作用就是约束后续线缆，使其在设计师所规定的路径上进行放置。该路径由线束与控制点组成，路径建立完毕后即可生成线束，之后进行各器件的布线操作。但在确定控制点位置和线束方向时，必须满足图纸中相关的结构、电讯技术要求及工艺要求。同时不要创建无用的定位点，否则不仅浪费时间，而且给后续线缆束修改带来不必要的麻烦。

之后需建立连接器之间的接线逻辑关系，即依照接线表使用对应线缆连接各连接器，连接线缆可采用自动连接和手工连接两种方式，自动连接为接线表直接导入 , 它操作较为简单，在逻辑参照的基础上，根据导线型号选择模型库的线轴，系统自动识别线轴的起点和终点，这种方式比较适合存在大量线束连接的复杂整机布线，但是对模型的要求比较高，需要在建立模型库时准确定义每个接线端子。对于模型库不全或线束数量不多的情况下，使用手工连接反而会提高布线速度。

在接线逻辑建立后需设计线缆走线路径，该路径即为上文建立的线束，在走线路径的设计过程中可以通过选择不同线束来决定布线的路径。这个过程中可采用全自动布线方式、半自动布线方式及手工布线方式进行布线。

但自动布线实际上“自动化”程度并不高，它会自动选择路径最近的线束进行布设，但在很多情况下，线缆走线也要考虑其他因素，如信号线、电源线的分离，不同设备的预留空间，安装的便利程度等，这导致自动布线完全成功布线率不高，需要手动布线进行配合方能完成其“自动。故半自动布线在实际操作中应用更为广泛。在实际布线时，线缆有单芯、多芯和扁平等不同类型，以及一些悬空线缆缺乏必要的参考，其布线操作也不尽相同，尤其是悬空线缆布置起来较困难，这些在操作时也需加以区别对待。

4. 结语

借助 EPLAN Harness proD 的三维布线能力，可以在虚拟环境中精准定义电子整机的元器件布局和线缆路径，显著提高设计效率与工艺设计质量。该软件促成了电气、结构、工艺设计的早期协同，在开发阶段即解决问题，大幅减少设计迭代。由此创建的三维布线模型，精确输出了可直接用于三维虚拟装配工艺设计的核心数据——如下线表、元件明细表、点位定义表等。这彻底改变了传统二维布线工艺设计的局限，生成的工艺文件更具指导价值，从根本上确保了电子整机产品的质量、可靠性与一致性。

参考文献：

[1] 刘振宇，周德俭，吴兆华，等 . 一种面向电子整机的三维布线算法研究与实现 [J]. 电子工艺技术，2010，31（1）：6-8.

[2] 李晓麟 . 低频电缆及机柜的装联 [J]. 电子工艺技术，2003，24（5）：227-228.

[3] 周三三，刘恩福．电子设备三维布线工艺技术应用研究 [J]．电子工艺技术，2011，32（4）：227 － 228

[4] 宋倩．机电产品线缆三维路径规划技术研究[D]．南京：南京航空航天大学，2018

作者简介：张明晨（1998.1-），男，汉族，山东泰安人，中国电子科技集团公司第二十研究所，助理工程师，硕士研究生学历，主要从事电子设备装联工艺研究。