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线束工艺图的建模研究 摘要 随着c a d 建模技术的飞速发展及汽车线束工艺设计领域通用c a d 软件的 广泛应用，汽车线束工艺图的建模研究应运而生。本文在介绍汽车线束工艺设 计领域知识的基础上，开展了线束工艺图的建模研究工作，重点分析了多家汽 车线束企业的线束工艺图表示方式，对其信息进行分类整理，总结其特征；借 鉴其他领域已有的c a d 建模经验，运用面向对象方法对线束工艺图进行分析 建模，建立了线束工艺图模型，为c a d 建模技术在汽车线束工艺设计领域的 应用提供了理论基础与技术支持。本文的主要研究内容包括以下几个方面： 1 ) 线束工艺图信息的分类与特征总结。通过对多家汽车线束企业不同风格的 线束工艺图分析总结，基于不同的分类标准，对线束工艺图中所包含的信 息进行了分类。总结了线束工艺图的特征，包括几何简单性、区域聚集性、 局部约束特性和整体约束特性等，并在此基础上给出了线束工艺图的形式 化描述。 2 ) 线束工艺图模型的建立。完成了对部件的几何实体信息、工程与物理属性 信息以及部件之间的局部约束信息和全局连接约束信息的描述；对线束工 艺图的操作信息进行了建模，设计了便捷的交互环境；同时，预留了接口 以支持多家汽车线束企业不同的图形表示风格，以及针对不同的c a d 平台 和数据库平台具有可移植性。 3 ) 系统实现及验证。结合国内多家汽车线束企业的线束工艺设计与生产现状， 设计并实现了线束工艺辅助设计系统中的线束工艺图辅助绘制模块。方便 了工艺设计人员绘制线束工艺图，为后续工艺步骤提供了数据支持。并将 该系统应用于实际的线束设计与生产中，取得了良好的效果。 关键词：c a d 建模，线束工艺图，虚框链表，面向对象，设计模式 本文主要工作得到了国家自然科学基金项目“科学计算中面向建模的多态 机理研究 ( 6 0 6 7 3 0 2 8 ) 、合肥市应用技术研究与开发项目“基于信号量机制的 生产调度及其可视化”( 2 0 0 8 10 0 4 ) 、江淮汽车合肥工大汽车技术研究院三期 项目“江淮汽车线束工艺设计软件开发”的共同资助。 r e s e a r c ho nm o d e l i n gf o rw i r eh a r n e s st e c h n o l o g i c a lg r a p h a bs t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fc a dm o d e l i n gt e c h n o l o g ya n dt h ew i d ea p p l i c a t i o n o fg e n e r a lc a d p l a t f o r mi nw i r eh a r n e s st e c h n o l o g i c a ld e s i g nf i e l df o rm o t o rh a d p a v e dt h ew a yf o rr e s e a r c ho nw i r eh a r n e s st e c h n o l o g i c a lg r a p h ( w h t g ) m o d e l i n g t h i sd i s s e r t a t i o nd o e s r e s e a r c ho nm o d e l i n gf o rw h t g ，u n d e rt h ea n a l y s i so f d i f f e r e n tr e p r e s e n t a t i o n s ，c l a s s i f i c a t i o no ft h ei n f o r m a t i o na n ds u m m a r i z a t i o no f t h ef e a t u r e sf o rw h t go fm a n yw i r eh a r n e s se n t e r p r i s e s ，w h i c hi sb a s e do nt h e i n t r o d u c t i o no fk n o w l e d g ea b o u tw i r eh a r n e s st e c h n o l o g i c a ld e s i g n t op r o v i d e t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o na n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h ea p p l i c a t i o no fc a dm o d e l i n g i nw i r eh a r n e s st e c h n o l o g i c a ld e s i g nf i e l d ，t h i sd i s s e r t a t i o nd o e sf u r t h e rr e s e a r c h f o rw h t g m o d e l i n gw i t ho om e t h o d s ，w h i c hu s e dt h ec a dm o d e l i n ge x p e r i e n c e o f m a n yo t h e rf i e l d sf o rr e f e r e n c e t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e ： 1 ) i n f o r m a t i o n c l a s s i f i c a t i o na n df e a t u r e ss u m m a r i z a t i o nf o rw h t g t h e i n f o r m a t i o no fw h t gi sc l a s s i f i e du n d e rt h e a n a l y s i s o fd i f f e r e n t r e p r e s e n t a t i o n sf o rw h t g o fm a n yw i r eh a r n e s se n t e r p r i s e s ，w h i c hi sb a s e do n d i f f e r e n tc l a s s i f i c a t i o nc r i t e r i o n t h ef o r m a l i z a t i o nd e s c r i p t i o no fw h t gi s g i v e nu n d e rt h es u m m a r i z a t i o no ft h ef e a t u r e s ，i n c l u d i n gg e o m e t r ys i m p l e n e s s ， r e g i o na s s e m b l y , l o c a lc o n s t r a i n s ，g l o b a lc o n s t r a i n s ，a n ds oo n 2 ) m o d e l i n gf o rw h t g t h ed e s c r i p t i o no fi n f o r m a t i o nb e l o wi sp r e s e n t e d ， i n c l u d i n gg e o m e t r ye n t i t yi n f o r m a t i o n ，e n g i n e e ra n dp h y s i c a la t t r i b u t e s ，l o c a l c o n s t r a i n sa m o n gc o m p o n e n t s ，g l o b a lc o n s t r a i n si nw h t g ，a n ds oo n a c o n v e n i e n ti n t e r a c t i o ne n v i r o n m e n ti se s t a b l i s h e d ，b a s e do nm o d e l i n gf o r o p e r a t i o ni n f o r m a t i o n f u r t h e r m o r e ，t h ei n t e r f a c ei sd e s i g n e df o r d i f f e r e n t r e p r e s e n t a t i o n so fw h t g ，a n dt r a n s p l a n t o nd i f f e r e n tc a da n dd a t a b a s e p l a t f o r m 3 ) s y s t e mi m p l e m e n t a t i o na n dv a l i d a t i o n t h ew h t ga i d e dp l o t t i n gm o d u l ei n w i r eh a r n e s sa i d e dd e s i g ns y s t e mi sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d ，c o n s i d e r i n gt h e s t a t u so fw i r eh a r n e s st e c h n o l o g i c a l d e s i g na n dm a n u f a c t u r ei nm a n yw i r e h a r n e s se n t e r p r i s e s t h ew o r ko fu s e ri ss i m p l i f i e d ，a n dt h ed a t af o rn e x ts t e p s i nw i r eh a r n e s st e c h n o l o g i c a ld e s i g ni ss u p p o r t e d t h es y s t e mh a sb e e nu s e di n w i r eh a r n e s sd e s i g na n dm a n u f a c t u r e ，a n dc o m e si n t oe f f e c t k e y w o r d s ：c a dm o d e l i n g ，w i r eh a r n e s st e c h n o l o g i c a lg r a p h ，v i r t u a lr e c t a n g l el i s t ， o b je c to r i e n t e d ，d e s i g np a t t e r n 图表目录 图1 1 汽车线束在汽车中的分布图1 图1 21 8 0 0 2 0 0 0 m l 排量级乘用车的线束复杂化和线径增大的趋势2 图1 3 汽车线束设计与生产流程3 图1 4c h s 的系统总体框架5 图1 5c h s 的设计流程5 图1 6v e s y s 的系统总体框架6 图2 1 系统的业务流程1 2 图2 2 系统的模块划分1 3 图2 3 系统的核心业务模块13 图2 4 系统的辅助模块：1 4 图2 5 线束工艺设计软件系统的物理部署1 4 图3 1 线束工艺图示例1 8 图3 2 部件的工程与物理属性1 8 图3 3 部件的图形18 图3 4 接插件之间的连接关系18 图3 5 线束工艺图的区域聚集性19 图3 6 插头型的接插件2 1 图3 7 插座型的接插件2 1 图3 8 经典的三层体系结构2 3 图3 9m v c 模式2 4 图4 1 线束工艺模型的重要地位2 6 图4 2 部件图形2 7 图4 3x m l 文档描述的部件图形示例2 7 图4 4 节点的描述2 8 图4 5 线束段的描述2 9 图4 6 接插件的类层次关系：3 0 图4 7 单脚紧固件图形3 1 图4 8 双脚紧固件图形3 1 图4 9 紧固件的类层次结构3 2 图4 1 0 包裹件的类层次结构3 3 图4 1 1 线束工艺图模型3 4 图4 1 2 针对可移植性的设计。3 5 图4 1 3 线束工艺图辅助绘制模块的命令封装。3 6 图4 1 4 命令嵌套时可能存在的条件判断。3 6 图4 15 选择操作的序列图。3 7 图5 1 部件种类和操作种类3 9 图5 2 新建护套操作3 9 图5 3 修改外框操作3 9 图5 4 紧固件删除操作3 9 图5 5 线束段之间形成环路4 0 图5 6 护套没有连接到线束段上4 0 图5 7 线束工艺图示例4 0 图5 8 线束工艺图错误信息提示4 1 图5 9 与a u t o c a d 风格一致的界面4 1 图5 1 0 移动紧固件操作4 2 表3 1 线束工艺图的局部约束特性1 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金目墨三些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：关贡签字日期：肼胡刁旧 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒目巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金目巴王些态堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 关 导师签名： 签字日期：死，呀年刃月町日 签字日期：口 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 月写日 致谢 至此论文完稿之际，感谢长期以来一直对我提供无私帮助的人们。 首先感谢我的导师刘晓平教授。三年来每一点成绩的取得都离不开刘老师 的关心和帮助。刘老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作 风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易 近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的人生目标、掌握了基本 的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。 感谢v c c 研究室( 合肥工业大学计算机与信息学院可视化与协同计算研 究室) 的老师和同学们，对本论文的完成提出了很多宝贵意见，并对我的研究 工作给予无私的帮助；作为线束项目组的一员，在与徐本柱、何士双、程光春 等人相处的日子里，团结合作，相互鼓励，在研究与开发过程中得到了他们很 多帮助和指导，对本论文的撰写与定稿提出了很多中肯的意见与建议，对此表 示衷心的感谢；感谢罗月童、郑利平、路强和石慧诸位老师在学习中对我的关 照与指导；感谢同届好友张高峰、何士双、李书杰、唐益明和卫兴武在三年学 习过程中的关心与帮助。 本文的素材来源于工程c a d 的实际课题研究，在汽车线束工艺设计的总 结与提炼的过程中得到了合肥江淮新发汽车有限公司的张贤文、赵红里和合肥 得润电子器件有限公司的梁季等多位工程师的支持与帮助，许多数据来源于多 年的工程实践，在此表示衷心的感谢! 感谢我的父母，没有他们的关心与支持，我不会取得现在的成绩，在此致 上我最诚挚谢意! 最后，向本文中所引用文献的作者们，向所有关心和帮助过我的老师、同 学与朋友们表示感谢! 吴黄 2 0 0 8 年5 月 第1 章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 汽车线束概述 为了使汽车上繁多的导线整体美观而不凌乱，接线安装方便，以及保护绝 缘层不易损坏，汽车上都将不同规格、不同工作用途的导线经包扎成束，称为 电线束，简称线束【1 1 。汽车线束素有汽车神经之称，是对汽车进行电信号控制 的载体，是汽车电路的网络主体，没有线柬也就不存在汽车电路，如图1 1 所 示。汽车线束既要确保传送电信号，也要保证连接电路的可靠性，向电子电气 部件供应规定的电流值，防止对周围电路的电磁干扰，并要排除电器短路。目 前，汽车线柬由导线、接插件、传感器以及其他器件组成。汽车线束要能保证 汽车在各种恶劣环境和行驶条件下更高的安全可靠性，这就为汽车线束的技术 发展提出了更高的要求。 图1 - 1 汽车线束在汽车中的分布图 随着汽车线束发展到一定时期，线束生产厂家之间的竞争出现白热化。竞 争对手也将在有规模、有实力、有诚信的企业之间进行较量。规模较小的企业 将会被淘汰。线束组装越来越集中在有技术实力型的企业。因汽车线束不同于 一般线柬，还有一部分电子组件是附在汽车线束上面的，比如传感器、厚膜电 路混装，此类电子组件技术含量较高，强调技术安全可靠；已经超越了简单的 一般性组装。 随着i t 技术的发展而出现的e 概念车。提出了汽车网络化、模块化的发 展方向，网络集群已经呼之欲出，使线束的制造技术又将出现第二次飞跃。电 线束的功能由普通信号传递扩大到数据传递。 此外，受导线传输信号影响的局限性，将大量使用光缆，使汽车线束的制 造技术迎来第三次飞跃。光缆具有传输速度快、容量大、体积小、保密性强、 抗干扰好等优势，将很快成为未来汽车数据处理和交换的重要优选材料，使动 力和信号分配系统进入一个新的发展历史阶段。 随着汽车功能的增加，电子控制技术的普遍应用，再加上人们对汽车的安 全性、舒适性和经济性的要求越来越高，汽车上的电器配置、功能越来越多， 电气件和导线也会越来越多，连接各个电气件的线束也变得越粗越重【2 】。因此， 汽车线束技术目前正朝着c a n 总线配置、多路传输技术、多站连接技术、电 子电气合一技术等方向发展。但从线束的发展趋势来看，其车载数量和复杂程 度仍然在不断增加的过程中。据统计，在一辆高档轿车中，其导线长度可达到 2 k i n ，电气接点可达到1 5 0 0 个。如图1 2 所示的是1 8 0 0 2 0 0 0 m l 排量级乘用 车的线束复杂化和线径增大的趋势。 图1 21 8 0 0 2 0 0 0 m l 排量级乘用车的线束复杂化和线径增大的趋势 1 1 2 汽车线束设计与生产概述 如图1 3 所示，汽车线束的设计与生产主要分为以下三个步骤：电气设计、 工艺设计和线束生产。在电气设计中，汽车电气设计人员根据汽车所需的电气 功能绘制电路原理图。电路原理图是表达各个电气部分之间关系的图形，它不 反映电气件彼此之间怎样连接，不受各个电气元件的尺寸形状和它们之间距离 的影响，其中缺乏导线的长度以及接插件的型号等信息，因此电路原理图并不 能直接用于指导汽车线束的生产，还需要通过线束工艺设计来连接电气设计与 线束生产。线束工艺设计是在电路原理图的指导下，参照汽车模型，设计导线 在汽车中的走线方式、接插件和包裹件的尺寸形状，制定线束约束条件，并绘 制出线束工艺图；对于较为复杂的汽车线束，还需要编制出内联工艺卡、预装 工艺卡、下线压接卡等多种工艺卡片，用于指导汽车线束生产，简化实际生产 2 过程【3j 。在线束工艺设计生成的各种工艺报表卡片的基础上，汽车线束生产人 员就可以进行截线、压接、内联、预装、包裹、总成等汽车线束工艺。 参照国内外众多企业的线束设计与生产现状，汽车线束的设计与生产可分 为两个阶段，第一阶段是汽车线束电气设计阶段，该阶段的工作是在汽车整车 总装企业中完成的，如通用汽车公司、一汽大众汽车有限公司、江淮汽车有限 公司等企业。汽车线束电气设计人员根据汽车所需的电气功能绘制出电路原理 图，然后将其分发给配套的汽车线束企业：第二阶段是汽车线束工艺设计与生 产阶段，该阶段的工作是在汽车线束企业中完成的，如德尔福( d e l p h i ) 派 克电气有限公司、长春市灯泡电线有限公司、上海金亭汽车线束有限公司等企 业。根据汽车整车总装企业下发的电路原理图，汽车线束工艺设计人员参照着 汽车模型，绘制出线束工艺图、内联工艺卡、预装工艺卡、下线压接卡等多种 工艺报表卡片，然后将其派送至线束生产车间，汽车线束生产人员根据工艺报 表卡片上面的工时工序进行线束生产。 汽车整车总装企业汽车线束企业 电气设计工艺设计线束生产 ；绘制电路原理图，： 绘制线束工艺图截线 f。c：5t 。 ? ，k t f 。f ，g 穰 编制内联工艺卡； 压接 编制预装t 艺等 ；内联i 搠教纛翁孱鹫，莪 l 预装 a ； 包裹 秀 么。夔戎，一 图i 3 汽车线束设计与生产流程 由上可知，因为历史、经济等方面的缘故，本来应一气呵成的汽车线束设 计与生产流程被人为地划分成了两个阶段，造成了汽车线束设计与生产分离、 电气设计与工艺设计分离的现状，形成了难以规模化经济、产品开发投入不足、 汽车线束企业与汽车整车总装企业的同步产品开发能力难以形成、不适应新车 型开发时间缩短的要求等局面，这将进一步增加线束工艺设计与生产的难度， 下文将进一步描述线束工艺设计的现状。 1 1 3 线束工艺设计现状 汽车线束工艺设计的好坏不仅影响着线束产品的开发、质量和生产效率的 提高，而且还严重制约着企业的经济效益增长和生产的顺利进行 4 】。因此在汽 车电子设备中，为了提高产品的可靠性和可维修性，改善产品的内部结构，在 线束装配时需要线束工艺图，而国内的汽车线束生产企业中，只有中等规模以 上的线束生产企业使用线束工艺图来指导线束工艺生产。 绘制线束工艺图的通常做法是在汽车线束电路原理图的指导下，设定线束 在汽车模型中的走线方式，制定线束约束条件，工艺设计人员根据实际走线长 度确定下线长度，人工设定走线位置，将所有线束按一定要求展开在一个平面 上，利用c a d 软件绘制线束工艺图。对于较为复杂的汽车线束设计，还需要 绘制内联工艺卡、预装工艺卡等工艺卡片，用于指导汽车线束生产，简化实际 生产过程。此外，对于汽车线束企业而言，线束产品存在品种多，批量小，结 构复杂等特点，且大多数线束产品是针对已有的产品进行部分改动而成的，如 果出现此种情况，工艺设计人员还需要重新在汽车模型中测量下线长度，更改 线束工艺图纸，并在此基础上生成内联工艺卡、预装工艺卡等工艺卡片。 这种依靠手工进行线束工艺设计的方式，计算机仅作为绘图工具，没有辅 助设计功能，难度大、效率低、指导产品生产的有效性低，已经远远不能适应 科研生产要求，与企业追求信息化的需要脱节。随着汽车产业的发展和汽车产 品的升级换代，汽车线束生产企业对线束工艺设计提出了高的要求。 1 2 问题的提出 针对汽车线束工艺设计中存在的上述问题，作者所在的v c c 研究室联合 了合肥江淮新发汽车有限公司等多家汽车线束企业共同开发了线束工艺辅助 设计系统，该系统能够辅助线束工艺设计人员编制品号明细表、回路明细表， 绘制线束工艺图；实现预装工艺卡、内联工艺卡、排线图、套管用量表的半自 动生成，下线压接工艺卡、物料明细表、整车物料明细表自动生成。在正确生 成各种线束工艺卡片、报表的同时，做到了操作简易方便、缩短工艺设计周期， 解决了汽车线束企业线束工艺任务繁重，线束工艺设计人员严重短缺的困难。 将线束工艺设计人员从各种复杂的计算中解放出来，享受到计算机带来的种种 方便，使企业的技术人才、技术实力、计算效率状况得到明显改善，使线束工 艺设计变得更科学、安全和迅速。 作为线束工艺辅助设计系统基础模块的线束工艺图绘制模块中，灵活而完 整的操作信息将为线束工艺设计人员提供一个便利的交互环境，方便其绘制线 束工艺图，特别是对“演变工艺”图纸的绘制；而语义准确、合理、一致，且 具有一定抽象层次的部件几何实体信息、工程与物理属性信息以及部件之间的 局部连接约束信息和全局连接约束信息为线束工艺模型的建立奠定了良好的 基础，方便了后续工艺步骤的开展；此外，该模块还需支持多家汽车线束企业 不同的图形表示风格，以及针对不同的c a d 平台和数据库平台具有可移植性。 这一切的实现都是建立在线束工艺图模型的基础上，因此研究线束工艺图模型 的部件建模、整体结构建模以及操作信息建模成为了线束工艺图绘制模块实现 的关键所在。 4 1 3 国内外研究现状概述 1 3 1 线束软件的相关研发现状 线束相关的软件在国内外已经具有广泛的研究应用，分别在线束的电气设 计、工艺设计、仿真分析、清单管理等方面发挥着重要的作用。 1 ) c a p i t a lh a r n e s ss y s t e m ( c h s ) c h s 是美国明导公司( m e n t o rg r a p h i c ) 开发的最先进的电气系统设计平 台，覆盖了从系统级设计、逻辑设计到线束设计、制造、分析的完整的电气系 统设计流程，被全世界的飞机、汽车、航空、航天等领域和行业的o e m 厂和 线束加工厂广泛采用 5 】 6 1 。系统总体框架如图1 4 所示： 系统级设计电路设计线束设计与工程化 ? 系统管理 ?37 与m c a d p d m e r p 的接l j仿真与分析线束加1 ：与制造 图1 - 4c h s 的系统总体框架 c h s 基于以数据为中心的思想，支持广泛使用的o r a c l e 数据库，整个流程 中所有的数据实施统一管理，可以被各个阶段的设计软件访问；支持先进的线 束设计理念如复合设计、模块化设计等；支持全面的数据管理，提供数据、项 目、器件库、用户等管理功能；提供强大的仿真和分析功能；支持与主流m c a d 、 p d m 软件的连接。它提供了如图1 5 所示的两种设计流程，其中i n t e r a c t i v e 流 程是在集成化的图形设计环境中手工完成逻辑设计和接线图设计，而 g e n e r a t i v e 流程则是当前最先进的、效率最高的电气系统设计流程，能够根据 逻辑设计、拓扑结构和设计规则自动综合生成接线图【6 j 。 图1 5c h s 的设计流程 2 ) v e s y se l e c t r i c a ls e r i e s ( v e s y s ) v e s y s 同样为美国明导公司( m e n t o rg r a p h i c ) 开发，提供了从电路设计与 分析，到线束设计、加工制造和服务完整的电气系统设计流程【7 】【8 1 。可以帮助 用户缩短设计周期，提高设计质量，降低成本。系统总体框架如图1 6 所示。 v e s y s 具有模拟电气系统虚拟原型的独特功能，从而可以在早期确认连线 系统，减少对物理原型的依赖；可以把智能化输入的电路设计在早期就传给制 造阶段，减少了后期的设计修改，缩短工程化和产品的交货期，降低成本，提 高了产品质量；支持和3 dm c a d 、p d m 、m r p 及其它系统双向的数据共享； 基于文件的设计流程，适用于对数据管理和复杂的配置管理要求不高的用户【8 】。 图1 6v e s y s 的系统总体框架 3 ) s i m w i r e s i m w i r e 是由日本关东汽车工业公司自主研发而成的，基于应用环境 c a t i av 5 的三维线束仿真分析软件。该系统已开始在日本关东汽车工业公司 内部的设计及生产技术部门中得到使用，通过f e m ( 有限元素法) 仿真线束的 刚性和重力的影响，可及时确认线束形变的情况等信息。在“人与车科技展 2 0 0 6 ”上，s i m w i r e 得到了展示，受到了业内的广泛关注【9 】。 在s i m w i r e 中，通过使用鼠标拖动线束的端点时，根据位置的变化、线束 形状也会随之改变。这时，基于f e m 的模拟也在实时运行，并显示出受刚性 和自重影响的线束形状。通过这一功能，可准确验证连接音响及开关等部件的 线束在安装路径中的形变情况。其它功能方面，自动评测线束的超长部分是否 满足连接器的连接及夹板的固定作业所需长度；为预测线束的破损及作业负 荷，用彩色图形显示线束承受的应力等。超长自动评测功能除可显示评估结果 外，还具有对需要修改的部分自动提出改进方案的功能。 4 ) h a r n w a r e 与h a r n v i s h a r n w a r e 是美国泰科电子公司( t y c oe l e c t r o n i c s ) 专为国防、铁路、航天 以及汽车行业而设计的计算机辅助线束设计系统。而h a r n v i s 则是该公司开发 的一款三维线束设计可视化系统 1 0 】。 在给出简单的几何、尺寸、连接器信息和详细的导线信息后，h a r n w a r e 可以得到一个设计序列，该序列有助于线束设计的诸多方面。h a r n w a r e 通过与 工程师的交互完成线束设计任务，系统所选择的方案及计算结果均可通过修改 以满足特定的需求。保存在线束图纸中的设计数据可以通过“设计助手 ( d e s i g n 6 w i z a r d ) 方便地获取，这有利于包容设计变化、修改设计约束或者分析其他的 设计方案。而且，设计检查功能可以获得各种方案与最佳方案的偏离情况。 h a r n v i s 线束设计可视化系统能够根据h a r n w a r e 的线束设计结果自动产生 三维模型。h a r n v i s 三维模型提供了线束的虚拟原型，该原型使得用户可以直 观地看出线束的长度、线径，并可根据需要对要观察的部分进行缩放。 5 ) 其他线束相关软件 瑞士s c h l e u n i g e r 公司的w i r el i s tm a n a g e m e n ts o f t w a r e ( w l m s ) 【i l j 主要 是针对线束清单的管理；法国v a l e o 公司的v a l e oe l e c t r o n i c sa n dc o n n e c t i v e s y s t e m s ( v e c s ) 1 2 】主要包含主体控制器、电子模块、模块化的电子线束、电 能管理系统等，偏重更为灵活的模块化设计，目前尚无详细信息。 在上述这些线束软件系统中，c h s 是一整套的线束解决方案，包含逻辑设 计、电气设计、工艺设计、实际生产，并提供了各阶段的仿真分析，电器件的 管理与共享、界面操作等都做得十分周全而细致，但其工艺设计模块并不独立 于电气设计模块，而是依赖于电气设计模块的设计结果，这很难适应国内汽车 线束生产企业的实际生产现状；v e s y s 是基于a u t o c a d 开发的线束软件系统， 包含了c h s 的基本功能，可以认为是c h s 的简化版本，其工艺设计与模板布 局模块可独立于电气设计与分析模块存在，该模块具有快速的线束图形化布 局、计算和显示导线长度和线束直径、自动产生线束生产报告等特点，但其产 生的生产报告中缺少国内汽车线束企业通常所需的内联工艺卡、预装工艺卡等 工艺卡片：s i m w a r e 侧重线束的仿真分析，很少涉及到汽车线束电气设计与工 艺设计方面的内容；h a r n w a r e 和h a r n v i s 是基于v i s i o 的线束软件系统，侧重 于线束工艺设计，在线束图以及连接关系的表示上与国内汽车线束企业的通常 做法相似。以上多种线束软件系统各有特点，对v c c 研究室的线束工艺辅助 设计系统的研发工作有着借鉴作用。 1 3 2c a d 领域建模的研究现状 当今计算机软件和硬件的迅速发展，大型网络与多媒体技术的兴起，使 c a d 在计算机应用领域的广度和深度上发生了极其深刻的变化，并朝着自动化 方向发展，作为先进制造技术的一项关键技术一一计算机辅助设计技术，在各 个领域中应用得越来越广泛。通过应用人工智能和专家系统技术，把所有的功 能在单一的公共数据库下集成起来，大大提高了c a d 软件产品的设计自动化 程度。绝大多数工程c a d 应用软件是建立在支持二次开发的、通用的商用c a d 支撑系统之上的专用辅助设计系统。设计方法学的主要变化将是设计者在什么 抽象级进行设计，近年来的趋势是在系统设计中采用越来越高的抽象数据类型 层次的自动综合【l3 | 。 工程c a d 应用软件开发是把当前系统分解、模型化，映射成计算机表示 和处理的模型，最后形成能完成一定任务的c a d 系统。关键是系统分析建模， 7 其中对当前系统的分析是非常重要的。c a d 系统模型的具体形式取决于建模目 标，不同的要求与条件限制得到不同的结果。软件的质量在很大程度上由系统 模型是否合理与恰当所决定，而软件的数据完整性、连续性、可维护性、可修 改性、可复用性、效率等确实是c a d 软件开发中的重要的，必须解决的问题。 工程c a d 系统开发遵从软件工程的一般原则，可采用软件工程的现行方 法，但针对某一具体专业设计的应用开发，它还具有自身的规律和特殊性，认 识这些规律和特殊性，可以使得分析建模的求解空间和现实世界中的问题空间 在结构上相一致。目前c a d 领域建模研究在国内外已经具有了广泛的研究应 用，在管道设计、机械零件设计、建筑设计、城市建筑布局、虚拟装配等领域 发挥着重要的作用。 1 ) 管道设计领域 管道设计是一复杂、涉及多种约束原则及多种学科的工程设计，应用遍布 石油、化工、煤热、食品等诸多具有物料反应过程的设计领域。典型的管道设 计过程包括工艺设计、设备设计、工程设计或配管设计等，其中在前两者的基 础上构造工厂的管道模型，其中隐含管件、设备的工程或物理属性、工程约束 关系及三维几何图形描述。管网模型是整个工厂设计的核心，不仅因为设备、 管子、管件是化工厂处理物料的载体，更重要的是模型中的大量设计约束隐含 在这些构件的连接、匹配之中。因此，在建模中，构件之间拓扑关系的建立是 解决核心问题的关键。这包括两个方面，一是构件之间局部关系约束的建立； 二是模型构件的整体关系描述。文献 1 4 】 15 】采用的是“智能线”描述，将管件、 管子抽象为三维线段或圆弧，通过这些基本实体建立管件、管子之间的关系约 束。文献 1 6 采用的是基于“连接点”描述的方法，即通过在两管件的连接处 引入连接节点来描述两管件之间的连接关系。文献 17 提出了“对偶点方法 来描述构件之间的局部拓扑，用扩展权域的图结构描述管网的整体模型。文献 18 提出了“智能点”的概念，避免了以前方法在模型统一性和结构简单性方 面的缺陷。 2 ) 机械零件设计领域 针对二维图形的机械零件图，文献 1 9 1 提出了采用“包容矩形”来描述基 本的图元，然后通过外接矩形的融合算法，划分出视图区域，并在此基础上进 行区域图形识别；针对回转类的机械零件，文献 2 0 提出了基于特征的零件信 息建模，将几何信息与加工信息通过特征元素反映到系统中，最终实现对回转 类零件各种形状特征要素的尺寸、公差、表面粗糙度等工艺信息的描述；针对 质心变化的多体系统，文献 2 1 1 基于虚功率原理，建立了该系统非质心系动力 学方程，所得到的非质心系动力学方程物理意义直观，形式简单，且与质心动 力学方程具有一致性；针对复杂机械系统仿真平台，文献 2 2 1 基于多体系统动 力学建模理论，采用面向对象思想对于复杂机械系统模型管理技术作了详细探 讨，提出了一套支持复杂机械系统仿真快速建模的模型管理机制，支持基于子 系统的层次建模和模型重用。 3 ) 城市建筑布局领域 快捷的3 d 城市建模是城市规划、数字娱乐、电子学习等虚拟现实应用的 基础前提。采用交互式建模工具及商业造型软件建模是费时、烦琐的手工任务。 文献 2 3 】中采用的是基于几何和图像结合的建模技术，在测绘领域应用广泛， 综合2 d 信息重构建筑物、道路、地形地貌的几何模型实现的结果往往比较逼 真地恢复了真实城市的模型；p a r i s h 等利用道路生成虚拟城市的道路网和建筑 的几何模型，完成了城市模型的构造 2 4 】；s u n 等主要解决了道路网的生成问题， 归纳了4 种风格的道路网生成模板，表示方式分别采用v o r o n o i 图模型和简化 的规则产生式【2 5 】；g r i m s d a l e 等采用专家系统的方法设计虚拟城市的功能分区、 道路元素及建筑物等要素分布，定义知识库和规则进行推理，但是并没有提供 实现1 2 卅；l e c h n e r 等把a g e n t 技术引入到城市建模，用于解决分区和道路网建 模任务【27 1 ，避免了显式定义规则的复杂性。 4 ) 虚拟装配领域 虚拟装配建模是为了方便对虚拟环境中的产品模型进行可装配性分析，从 而更好地为虚拟装配规划和仿真服务。其关键在于能提供一种在计算机内有效 地表达装配体内在和外在关系的方法。国内外学者在这方面已有了一定的研究 和进展，提出了一些装配模型。这些模型大致可分为基于图结构的装配模型和 基于层次结构的装配模型两大类。典型的图结构模型，如b o u r j a u l t 提出的连接 图模型【2 8 1 ，s h i n 等人建立的联络图模型【2 9 1 ，h o m e nd em e l b 等人给出的关联模 型 30 1 ，d ef a z i o 和w h i t n e y 的优先联系图模型【3 1 1 ，w i l s o n 的接触模型【3 2 】等。 图结构模型具有清晰、直观的优点，但当问题规模较大时，计算规模急剧增大， 且模型不符合产品的实际构造习惯，不利于约束求解，目前较少被使用。基于 层次结构的装配模型有文献 3 3 】提出的虚链模型，文献 3 4 】提出的产品层次信息 模型，文献【3 5 提出的基于多叉树的信息集成模型，文献 3 6 提出的基于二叉树 的装配模型。此外，c h u n f o n gy o u 、w i n f r i e dv a nh o l l a n d 等人引入了装配特 征，利用面向对象的方法建立了这类结构的装配模型 3 7 】【38 1 。层次模型可减少存 储空间，降低规划的复杂度，这种结构目前采用的较多。 上述文献表明在特定的应用领域，能够使用不同的建模方法建立具有一定 抽象层次的c a d 模型，c a d 建模技术在相关领域的发展是符合其发展趋势的。 目前国内外在线束领域的研究主要集中于电气设计【”】和构件设计 4 0 】 4 l 】领域， 在线束工艺设计领域的研究集中在产品数据管理、流程监控和质量控制等方面 【4 2 4 3 1 ，未见c a d 建模方面的研究。在借鉴相关领域c a d 建模思想和方法的 基础上，本文将c a d 建模技术引入到汽车线束工艺设计领域，为c a d 建模技 术在汽车线束领域的应用提供了理论基础与技术支持。 9 1 4 课题来源 本论文主要得到了国家自然科学基金项目“科学计算中面向建模的多态机 理研究”( 6 0 6 7 3 2 0 8 ) 、合肥市应用技术研究与开发项目“基于信号量机制的生 产调度及其可视化 ( 2 0 0 8 1 0 0 4 ) 、江淮汽车合肥工大汽车技术研究院三期项 目“江淮汽车线柬工艺设计软件开发”的共同资助。 1 5 论文内容安排 论文的主要工作是将面向对象的建模方法与汽车线束工艺设计领域相结 合，建立线束工艺图模型。明确了“方便用户交互，为建立线束工艺模型奠定 基础，支持多家汽车线束企业不同的绘图风格，针对不同的c a d 平台和数据 库平台具有可移植性的建模目标，在总结汽车线束工艺设计领域自身的规律 和特殊性的基础上，运用面向对象的建模技术，建立了具有数据完整性、操作 便捷性、可修改性、可维护性、可复用性的线束工艺图模型。论文的主要内容 安排如下： 第一章绪论，首先介绍了汽车线束的基础知识和未来的发展趋势、线束的 设计与生产概况，并就线束工艺设计的现状进行了详细介绍：其次，针对线束 工艺设计中存在的问题，提出了本文需要解决的几个问题；再次，针对线束相 关软件的研发现状、c a d 领域建模的发展现状和趋势进行了国内外研究概述； 最后简要说明了论文的主要研究内容。 第二章线束工艺辅助设计系统，主要介绍了论文涉及的相关概念和术语， 描述了线束工艺辅助设计系统的业务流程、整体架构以及相关的技术支持，并 详