一、前言
2018年，Trace Software推出了《電氣CAD軟件選型指南》白皮書，分析了當(dāng)前國外電氣軟件的發(fā)展方向和三大發(fā)展趨勢，為電氣CAD軟件選型公司提供參考。
機電協(xié)同布線設(shè)計必然離不開電氣原理設(shè)計，傳統(tǒng)的設(shè)計方式將電氣與工藝設(shè)計分離，對適應(yīng)當(dāng)前智能制造大背景下帶來的智能產(chǎn)線升級，智能裝備設(shè)計及制造造成瓶頸，大多數(shù)行業(yè)龍頭企業(yè)都在尋求機與電的有效融合，數(shù)據(jù)互通，在此大背景下，如何電氣數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)融合，既數(shù)據(jù)可重復(fù)使用，成為裝備制造企業(yè)在信息化建設(shè)最后一公里的關(guān)鍵點。
本文講解在應(yīng)用成熟電氣CAD數(shù)字化設(shè)計軟件的基礎(chǔ)上，基于Creo三維平臺的布線及工藝文件輸出應(yīng)用案例。
二、機電協(xié)同設(shè)計的前提條件
從事設(shè)計的工作者都很清楚，參數(shù)化設(shè)計在電氣設(shè)計中發(fā)揮著重要作用，傳統(tǒng)的CAD圖形化設(shè)計已經(jīng)不能滿足新一代工程項目的復(fù)雜設(shè)計要求。因此，電氣參數(shù)化設(shè)計是完成機電協(xié)同設(shè)計的前提條件。
我們知道，電氣布線要求有電氣原理的支撐，在電氣原理設(shè)計環(huán)節(jié)實現(xiàn)完整的參數(shù)化設(shè)計是實現(xiàn)數(shù)字化布線設(shè)計及電氣數(shù)據(jù)管控的基礎(chǔ)和必要條件。目前較成熟的電氣參數(shù)化設(shè)計軟件有eplan和elecworks，兩者都是基于數(shù)據(jù)庫的對象式設(shè)計，本章重點介紹elecworks的參數(shù)化設(shè)計方式，及與Creo協(xié)同完成機電布線的應(yīng)用案例。
前期通過elecworks完成電氣原理圖創(chuàng)建的大致步驟如下：
創(chuàng)建項目，根據(jù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)選擇項目模板。
elecworks支持GB,IEC,ANSI,JIS四種設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，選用不同的標(biāo)準(zhǔn)模板，軟件會自動調(diào)用各國標(biāo)準(zhǔn)中所定義的設(shè)計規(guī)范，并自動應(yīng)用到項目的各個設(shè)計環(huán)節(jié)，例如字體，編號樣式，符號標(biāo)準(zhǔn)，選型標(biāo)準(zhǔn)，圖框標(biāo)準(zhǔn)等。
2.創(chuàng)建原理圖模板，使用參數(shù)化工具高效完成電線，電纜，電氣元件，端子等原理圖設(shè)計，如有PLC相關(guān)設(shè)計，還可以使用PLC參數(shù)化管理工具完成PLC接線圖的設(shè)計。
通過軟件自帶的圖庫及選型庫，設(shè)計者可使用拖拽的方式完成圖形內(nèi)容搭建，對于一些特殊期間，例如伺服變頻設(shè)備，軟件通常采用black box(黑盒)設(shè)計，只需在圖紙中繪制一個矩形，軟件會賦予它電氣連接點參數(shù)，選型參數(shù)，它立即成為一個參數(shù)化電氣設(shè)備。
3.生成BOM清單，完成參數(shù)化的原理設(shè)計后，電氣元件及線纜連接信息完全保存在數(shù)據(jù)庫中，通過elecworks內(nèi)置BOM導(dǎo)出工具，可自定義提取所有報表數(shù)據(jù)，例如電纜清單，接線表，物料清單，端子報表等。
對于報表的編輯工作，也不像其他軟件，需要利用編程語言單獨開發(fā)固定的模板。elecworks則開放了界面式報表編輯器，將數(shù)百種變量變?yōu)榭梢暬瘏?shù)，用戶只需要在模板的合適位置添加所需變量，并可以在可視化窗口中調(diào)整報表的排序規(guī)則，數(shù)據(jù)分類規(guī)則等，定制化的報表配置可在幾分鐘內(nèi)完成。
本案例中導(dǎo)出的為電線接線表清單，包含了電線的物料標(biāo)準(zhǔn)，從到端的工藝接頭，兩端設(shè)備詳細(xì)連接點信息，線號表，長度等內(nèi)容。
4.面板布局圖，基于elecworks參數(shù)化的物料庫，可自動提取與真實物料選型1:1尺寸的外形圖，由設(shè)計者完成面板布局。
參數(shù)化的優(yōu)勢是通過動態(tài)尺寸數(shù)據(jù)的驅(qū)動，外形圖在布局時自動匹配，不再需要人為錄入尺寸，此設(shè)計方式節(jié)約了大量的人工選型及繪制面板布局時間。
三、單獨應(yīng)用Creo的布線
在參數(shù)化電氣CAD軟件沒有實現(xiàn)機電協(xié)同應(yīng)用之前，通常專業(yè)的三維CAD軟件也會提供一些Cabling（布線）模塊，例如 UG的Cabling，Creo的Piping and Cabling，SolidWorks的Routing等。
這里我們不妨先來了解一下基于三維CAD軟件自身提供的布線模塊的工作原理，有助于與后面章節(jié)機電協(xié)同設(shè)計形成一個鮮明的對比，我們拿Creo布線模塊舉例。
Creo布線簡單來講分為幾個步驟：
1.3D布線前的準(zhǔn)備，主要是對三維模型預(yù)處理，通過簡化模型，調(diào)整模型樹機構(gòu)，建立坐標(biāo)系，參考軸等工作； 再就是需要處理端子出線方向。
2.準(zhǔn)備接線數(shù)據(jù)中性文件，.nwf, .xls, .xml等格式文件，此準(zhǔn)備過程需要通過電氣CAD進(jìn)行導(dǎo)出，或者需人工錄入，錄入過程需要對電氣原理圖有比較深入的理解，結(jié)合實際設(shè)備的端子接頭編制中性文件，以備導(dǎo)入所需。
圖6.待導(dǎo)入的中性文件
3.導(dǎo)入.nwf中性文件，一一對應(yīng)文件表中各數(shù)據(jù)與3D模型的關(guān)聯(lián)關(guān)系，此過程需要人工比對，需要對電氣原理圖和3D模型有非常清楚的認(rèn)識。
4.創(chuàng)建布線網(wǎng)絡(luò)，明確走線的公共路徑，比如建立一條從A到B的高速公路，需要通過草圖繪制一些基準(zhǔn)面或基準(zhǔn)線，為了是路徑達(dá)到更美觀的效果。
5.開始自動布線，布線的結(jié)果和過程取決于接線表的準(zhǔn)確度以及模型與電氣參數(shù)的一致性。
6.生成各類工藝報表，線纜長度報表，3D線纜展平圖等。
圖7.線纜長度表
圖8.3D線纜展平圖
以上過程，我們不難發(fā)現(xiàn)，對于設(shè)計者的要求很高，需要設(shè)計者能夠識別原理圖數(shù)據(jù)，輸出為Creo可導(dǎo)入格式，同時要求設(shè)計者了解三維裝配中的零件結(jié)構(gòu)并能進(jìn)行電氣元件參數(shù)的定義工作，如果裝配體中涉及的電線電纜數(shù)量增多，此工作量會呈幾何倍數(shù)增加，設(shè)計者需要在大量的線纜中甄別器件連接點，并能夠準(zhǔn)確在三維裝配中篩選出有用的電氣模型，經(jīng)過一些企業(yè)的走訪，要實現(xiàn)設(shè)計指導(dǎo)生產(chǎn)并非易事，隨著設(shè)計周期和生產(chǎn)周期的壓力，大部分企業(yè)并不能在生產(chǎn)開始前按照上述步驟完成具有生產(chǎn)指導(dǎo)意義的3D布線工作。
四、借助elecworks for Creo的布線
2005年，elecworks業(yè)內(nèi)最早的推出了基于三維CAD軟件無縫集成的布線模塊，何謂無縫集成？它的工作方式完全顛覆了我們傳統(tǒng)思維模式，甚至有些設(shè)計者親眼見證這種集成方式之后，大呼沒有想到可以這樣集成。
其實，最早與elecworks合作的當(dāng)屬SolidWorks，很多SolidWorks用戶目前也都了解這一集成功能，但是由于Creo之前并沒有可與之競爭的集成方案，因此Creo用戶大部分不了解這種集成模式。
首先，elecworks for Creo是完全嵌入在Creo菜單中的外掛插件，通過此插件，可以連通三維模型與elecworks電氣原理數(shù)據(jù)，簡單理解的話，就是省去了任何中間格式文件的轉(zhuǎn)換過程。
采用elecworks for Creo布線過程大致如下：
1．使用elecworks 2D軟件完成電氣原理圖設(shè)計。既本文章節(jié)二中提到的前提條件，這個步驟非常重要，它是數(shù)據(jù)生成的主要來源，當(dāng)然，elecworks也可以不繪制原理圖，利用“excel自動化”功能，通過選配式設(shè)計直接指導(dǎo)三維布線，本文不再詳細(xì)描述此方法。
2．進(jìn)入Creo界面，elecworks菜單，可通過“工程管理”菜單直接進(jìn)入上述的電氣項目。
前面提到elecworks基于數(shù)據(jù)庫的設(shè)計方式，可通過Creo插件直接讀取到電氣項目數(shù)據(jù)，并且可以在Creo環(huán)境下直接預(yù)覽電氣圖紙。打開工程瀏覽器中的Creo格式文件，通過此方式進(jìn)入，其實已經(jīng)建立了電氣數(shù)據(jù)與Creo裝配體的關(guān)聯(lián)。
3．三維模型與電氣零件的關(guān)聯(lián)。
a)對于還沒有三維電氣模型的裝配體，通過elecworks自帶的模型庫，可以直接點擊“插入零件”菜單，選擇本項目中需要插入模型的電氣零件名稱，elecworks自動調(diào)出此設(shè)備零件模型，用戶只需在Creo中放置具體位置即可。
b)對于已有三維電氣模型的裝配體，用戶只需先選中要定義電氣屬性的模型，再點擊elecworks菜單中的“關(guān)聯(lián)”菜單，選擇要關(guān)聯(lián)的電氣零件名稱，就能瞬間完成電氣數(shù)據(jù)與三維模型的關(guān)聯(lián)。
4．布線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置。
對于需要線槽的路徑，用戶可直接調(diào)用elecworks提供的標(biāo)準(zhǔn)線槽，放置在裝配體的合適位置即可，無需另外建立坐標(biāo)系和布線網(wǎng)絡(luò)。
對于類似柜門，或者復(fù)雜走線空間的環(huán)境，用戶可通過“纜”功能，創(chuàng)建虛擬布線網(wǎng)絡(luò)專用通道，結(jié)合Creo的基本功能應(yīng)用，建立布線路徑坐標(biāo)系，既上文中提到的線路走線的公共路徑。
5.自動布線。點擊elecworks菜單中的“自動布線”菜單，可快速自動完成網(wǎng)絡(luò)布線，且可直接切換為實體布線，既可以根據(jù)電氣原理中的線纜屬性，截面積大小自動生成具有真實指導(dǎo)意義的實體布線，用戶也可以對個別線路進(jìn)行手動調(diào)整。
6.工藝文件輸出。布線結(jié)束后，返回到elecworks 2D界面，可在接線表中一鍵式更新線纜長度。
7.此外，elecworks接口不僅模擬電線布線，更可以實現(xiàn)快速電纜布線，并且能真實反映電纜各芯剝皮段的接線方式及長度；對有些需要完成線束設(shè)計的企業(yè)，通過elecworks線束設(shè)計模塊，能夠根據(jù)定義自動生成電纜束設(shè)計，此內(nèi)容本文不再詳細(xì)描述，實例效果如下圖。
通過以上步驟，就完成利用elecworks for Creo的快速布線，我們不難發(fā)現(xiàn)，布線的所有操作環(huán)境都在原有的Creo環(huán)境下，用戶無需學(xué)習(xí)任何額外的三維軟件，還可以直接利用Creo已裝配的模型，在資源的重復(fù)利用，實現(xiàn)的可行性方面都具有真實意義。
五、結(jié)語
elecworks for Creo的優(yōu)勢就是，真實協(xié)同設(shè)計環(huán)境的搭建，及應(yīng)用的便捷性。對比Creo手動布線，它節(jié)省了中性文件的準(zhǔn)備時間，不需要進(jìn)行文件或模型的導(dǎo)入或?qū)С?，這樣，從根本上解決了設(shè)計者既需要充分了解電氣原理，又必須有足夠經(jīng)驗面對復(fù)雜三維模型，對于處理大裝配體，復(fù)雜布線網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)提供的可能性。
對比Creo手工布線和elecworks自動布線，我們不難發(fā)現(xiàn)，用戶無法成熟應(yīng)用的原因也在于應(yīng)對用戶臨時提出的需求變更，手動導(dǎo)入，關(guān)聯(lián)，和布線已經(jīng)耗費了大量時間，面臨原理設(shè)計變更時，此過程幾乎不可能再復(fù)制。
另外，此方式對于工程師的個人能力要求則大大降低，電氣工程師無需掌握詳盡的三維軟件技巧，無需掌握建模知識，只需規(guī)劃合理的布線路徑就能實現(xiàn)數(shù)字化布線。
第三，通過引入elecworks網(wǎng)絡(luò)版，elecworks 2D 與Creo可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離協(xié)同設(shè)計，分別由電氣設(shè)計和機械或工藝團(tuán)隊在各自的工作段完成設(shè)計。
當(dāng)然，協(xié)同設(shè)計的概念遠(yuǎn)遠(yuǎn)不至于電氣原理驅(qū)動三維布線，也不至于電氣設(shè)計與機械設(shè)計遠(yuǎn)程共享數(shù)據(jù)，協(xié)同設(shè)計還可能涉及到PLM的項目管理，ERP的物料協(xié)同，甚至是大項目對于電氣設(shè)計團(tuán)隊的協(xié)作設(shè)計要求，本文只是通過elecworks for Creo的集成，引入到機電無縫集成的工作方式，隨著企業(yè)信息化平臺的不斷完善，我們相信，機電協(xié)同設(shè)計還會有更加完善的內(nèi)容加入。