面向汽车电线束制造企业的集成化CAPP系统研究与开发

最真的我 · 发表于 2010-12-25 09:13

汽车电子化的进展迅速，已经进入了使用电子技术实现高端功能的时代。与此同时，在设计阶段便考虑电磁环境的做法也愈发重要。汽车整体和开发的全部工序都需要在充分意识到EMC（Electro-magnetic Compatibility）的体系中实施。也就是说，“EMC设计框架”已经是不可或缺的机制。
这一机制包括了设计技术、EMC对策、系统开发、交流等产品化所需要的技术和体制。如果能够按照生产一线的实际情况对这些进行恰当的整理，那么就可以灵活应对人们对于汽车的需求变化。

在这里，笔者将以汽车导航系统（车载导航仪）设计一线的经验为依据，从汽车部件厂商的角度出发，介绍对车载设备EMC的思考方法、以及设计流程的一部分。
电磁辐射强度随着车载导航仪的高性能而增大

首先介绍车载导航仪的多功能化和高速化。众所周知，车载导航仪的出发点是导航，然后才是通过DSRC（Dedicated Short Range Communications ）、电视、移动网络等通信手段与车外相连接。现在，车载导航仪已不再是单纯的指路工具，而是发展成为了能够借助各类供应商进行多种内容交换的双向交流装置。为了向驾驶员提供安全、放心、便利、舒适的驾驶环境，车载导航仪正在向联结人与机械（这里指汽车）的HMI（Human Machine Interface）中心转变

图1：汽车多媒体全球导航仪从“指路”装置转变成了向驾驶员提供“贴心服务”和“愉悦心情”的HMI中今后，车载导航仪的多媒体化还将继续发展，在兼顾前面提到的“安全放心”、“便利舒适”这两个主轴的同时，不断增加功能（图2）。因此，与EMC相关的技术也将愈发重要。比如，当车载导航仪能够与车辆内各个仪器联动，协助防止冲撞时，车载导航仪本身作为传感器，就需要较高的可靠性。这时，抗扰度（对于电磁噪声的耐受性）就会成为课题。而且，随着车内外网络的拓展，防止与外部仪器之间相互干扰的EMC技术也愈发重要。在声音识别和停车辅助等车载导航仪本身的多功能化，以及音视频娱乐功能的一体化进程中，考虑电磁噪声的发射问题是不可回避的课题。

图2：车载导航仪的多媒体化在兼顾“贴心服务”和“愉悦心情”的同时增加功能。EMC成为重要课题。来自CPU和内存的辐射增大
在这里，让我们来回顾一下车载导航仪的发展历史。1987年作为电子地图显示装置问世的车载导航仪，首先于1990年实现了搜索前往目的地路径和指路的功能，然后，到1995年左右，指路实现了语音化。接着，进入2000年以后，与各种网络服务联动的多媒体化得到了发展。
为了实现上述进步，车载导航仪的性能得到了稳步提高。以路径搜索时间为例，2007年与1990年相比，时间缩短到了1/10以下。位置误差（精度）实现了1/6以下的高精度化（图3）。

图3：性能的变化图在从导航仪向语音导航仪、多媒体型导航仪转变的过程中实现了大幅度的高速化·高精度化其原动力毋庸置疑是CPU的进步（即计算机系统的大规模化和时钟的高速化）。车载导航仪的CPU时钟和内存总线时钟频率近来得到了快速提高（图4）。CPU时钟频率正在逼近上限，今后，提高性能可能要依赖在一个LSI内配置多个CPU的多CPU化进程。而另一方面，DRAM的内存总线还在以不增加位宽的前提下提高性能，因此，时钟频率的上升势不可挡。

图4：车载导航仪用CPU/DRAM的高速化趋势辐射能的预测趋于重要芯片面积和时钟频率的增加容易导致辐射电磁噪声增大。因此，对这些辐射源的辐射进行预测管理会逐渐成为重要环节。对于车载导航仪的核心（Navi-Core），如图5（a）所示，CPU和总线是主要辐射源。由经验可知，直接来自于CPU的辐射能指标Pc与工作电压的平方、工作频率、芯片面积分别成正比，这些数值的积被作为“辐射能指标”应用到了预测管理（图5（b）注1）之中。内存总线的辐射能指标Pm也同样与工作电压的平方、工作频率、内存总线位宽的积成正比。
注1）来自CPU的电磁噪声主要有以下两个发生源：（1）来自时钟线和信号线的辐射，（2）驱动电路直通电流的辐射。笔者认为（2）占主要地位。驱动电路一般由两个晶体管的图腾柱结构组成，在时钟的边缘部分存在电流贯穿上下晶体管的时刻。该直通电流的辐射是过流进入无限接近于0的阻抗时产生的，远远大于（1）中充放电电流流经时钟线和信号线布线时的辐射。因此可以认为，辐射同样为（2）较大。

车载导航仪的CPU/内存总线辐射能把这些辐射能指标的变化绘制成图表可以得到类似于图5（c）的增长曲线。该指标为20以下时无需特殊对策，70以下时需要从设计阶段开始实施对策，如果超过70，凭借现有的知识则很难找出对策。因此，2010年之后的对策技术开发将更加重要。
如上所述，随着电子电路辐射能的增大，从设计阶段开始研究EMC已经成为了不可或缺的步骤。
车辆的电磁环境整理为3级
给出的树形图对于理解EMC的整体结构很有帮助，本公司的内部培训也经常使用。这是按照发射/抗扰度、传导/辐射的组合，把EMC分成四个大类进行整理的方法。其中，在设计阶段的EMC研究和测量精度方面，尤其需要注意的是电场的辐射。

：EMC的分类树在设计阶段研究EMC时需要特别注意电场辐射噪声EMC有国际标准，与发射相关的CISPR（Comite International Special des Perturbations Radioelectriques）、与抗扰度相关的ISO（International Organization for Standardization）等都被制定成了标准。此外，各国和地区也通过法律对发射和抗扰度进行了规制。
而且，汽车厂商为了使汽车产品能够上市，还会沿袭CISPR和ISO的思考方法，自行制定一些部分更加严格的标准。各汽车厂商制定的发射标准与CISPR25（用于保护车载接收器的干扰波限值及测量法）相比，有时GPS频带和通信频带的发射限值规定会偏低，对于部件厂商而言要求非常严格。
辐射抗扰度的标准同样如此，某些汽车厂商甚至提出了在雷达频带下抗扰度为600V/m的苛刻要求。与ISO11452（车载仪器的抗扰度试验标准）在特定频率下的期望值为200V/m相比，需要耐受3倍的数值，所以汽车厂商要求的指标更汽车电线束素有汽车神经之称，是汽车动力和各种信号分配系统PASDS(Power and Signal Distribution System)的传输载体。就目前的技术水平而言，汽车的功能愈强，其线束的技术含量及复杂程度就愈高。目前有很大一部分线束生产企业仍然由工艺设计人员使用AutoCAD手工作线束图，然后传入车间生产。无疑这样的从规划线束到生产等一系列过程效率低，不易保证质量，难于实现线束设计信息化、工艺过程自动化。面向汽车电线束制造企业的集成化CAPP系统结合工艺知识库将线束的规划、工艺信息的生成与导出、线束生产等融为一体，有效地解决了企业的生产效率低和产品质量不合格等问题。
1 汽车电线束生产企业工艺文件特点
工艺文件类型多样，从文件的性质来看可以分为静态和动态两种类型，其主要来源是已规范的工艺规程和工艺设计手册。对于汽车电线束生产企业而言，静态文件主要由线束生产规范、企业生产规范等组成。动态文件由工艺任务分配卡组成，它是生产前编制的综合详细工艺文件、线束图设计过程中的产物，供生产管理和调度用。大多数工序根据产品特点结合工艺文件严格按顺序进行，少数工序由工人自己灵活决定。各种工序完成后，质量检测人员根据检验卡要求对产品进行合格性检查。这类企业的工艺文件特点是：多类型、文件按接单的产品归档。企业各个部门之间的相互协调和沟通限制在纸质文件方式，严重影响了企业效益的提高，这些主要表现在： 1)根据在AutoCAD上绘制成的线束图形进行手工工艺任务分配卡设计；2)产品数据没有实现共享，工艺专家的经验和知识没有实现积累；3)产品设计过程缺乏管理和控制；4)工艺资源没有实现优化配置。
计算机辅助工艺过程设计CAPP系统的功能分析
通过汽车线束制造企业的实际调研和分析，确定汽车线束制造企业的CAPP系统的功能需求应从设计、管理、集成等多方面来解决企业的工艺设计和生产问题。系统的功能流程图如图1所示。
功能流程图系统的功能主要有以下几个方面：

(1)基于汽车线束产品结构：在企业中，一切生产活动都是围绕产品而展开的。基于线束产品结构进行工艺设计，可以直观、方便、快捷地查找和管理工艺文件，有效地指导车间线束组装生产。
(2)汽车线束工艺设计：这是工艺工作的核心工作，CAPP应高效率、高质量地保证工艺设计的完成，主要包括线束工序流向编制、汽车线束图的绘制、标准工时计算等。
(3)线束资源的利用：在工艺设计的过程中，需要应用工艺技术支撑数据(线束生产规范、国家／企业技术线束标准)，参考工艺技术基础数据。各个企业的资源是不同的，并且使用资源的方式也是不同的。
(4)线束工艺文件生成：是工艺工作的最后一步。它对线束图材料消耗和工时计算的汇总，并且其中的电线压接数据和单配图是组装达标线束的有效保障。

(5)线束工艺设计管理：这是工艺工作的管理部分，包括线束图版本管理、物料编码管理、线束工艺文件安全管理等，对于企业规范管理有着极为重要的意义。

(6)线束图和工艺文件网络化：局域网中，通过Web方式，依托Http协议将线束图和部分工艺文件在生产车间和仓库终端显示，指导工人生产以及仓库物料的准备。

3 CAPP系统结构组成中
开发汽车线束CAPP系统，是在考虑汽车线束企业本身需求前提下，同时充分考虑设计对象即线束的特点和线束制造企业的实际需要，实用性与先进性并举。

系统以典型的C／S(Client／Server)结构和B／S(Browse／Server)结构为有效结合。即设计图形和各种线束组成部分如插接件、包覆件等零件图形，工艺信息及基础物料信息等存放在后台数据库，在工艺设计员端进行常规工艺线束图设计，在仓库和车间终端显示工艺文件等信息指导生产

此模块是保障系统在安全可靠环境下运行的关键。具体的工作是：将用户分为设计员、管理员等多种类别，根据权限进行判断和设置系统各种功能使用权，确认线束文档的检入、检出，统一打印输出，工艺文档信息等产品数据的安全。
3．2图形设计
线束的绘制，然后进行包覆件、表面包覆、插接件等必要线束零件设计，产生真实形象线束来指导生产。
3．3工艺信息模块
根据在系统上绘制的线束图，生成相应的工艺文件并进行必要的管理。它是系统核心的组成部分，包括以excel文件的格式得到生产线束中，所有材料和所需工时的消耗及需要注意的各种线束零件组装顺序和方向。
3．4物料管理模块
其功能是对生产线束的各种基本物质资料的管理。例如对电线、包覆件、插接件、表面包覆的基本信息进行增加、删除、修改、筛选等功能。

3．5线束图管理模块

主要实现对线束生产车间、仓库等终端，以Web方式呈现出指导生产和物料管理的相关资料。
CAPP系统的关键技术
．1线束图形数据库的设计

图形数据库实现对设计的线束图形特征的静态描述，在整个集成化CAPP中起着"承上启下" 的作用，主要包括电线、包覆件、插件等各种线束零件的信息。对设计员及管理员而言，他们能很清晰了解线束材料消耗以及组装时的布局情况。而对于企业管理人员以及组装人员，他们能通过图形信息的载体即工艺信息来指导自己的工作。依据AutoCAD自身数据库特点，提取图形旬柄和自定义图形标记作为识别图形的标志。如图3所示为CAPP系统所作的电线主线束，其中j0、jl、j2、j3、j4表示主线束上的节点号。在图形数据库中应该有这些字段来明确表示它：线束产品图号、节点号、父节点、距离、节点句柄、节点号句柄、距离句柄、线句柄，其中旬柄是AutoCAD记录图形的标志性属性，通过它可以对图形进行修改、删除、移动等操作；线束产品图号表示整张线束图的图号，节点号、父节点、距离表示线束图中节点的特征。总结图3的信息，各种句柄信息由AutoCAD生成，j0没有父节点，jl的父节点是J0、距离是200单位，j2的父节点是jl、距离是300单位，j3的父节点厨2、距离是400单位。

图3 电线主线束4．2工艺过程的生成
大多数CAPP系统采用的是一种简单的"线性批处理"过程模型№1，它将整个工艺设计过程按任务内容划分成几个顺序执行的(即线性过程的)子任务，如物料录入、线束零件设计、线束图设计、工艺生成与工艺数据导出等等，子任务之间很少有反馈和迭代，并且每一子任务中的设计分析都是针对线束图设计一次性地(即批处理式)进行。由于这一模式没有反映出工艺过程设计的本质，以此开发的CAPP系统存在许多问题。

对于有经验的设计人员来说，设计工艺并不是按照固定的顺序来进行，相反，子任务之间常常并行交叉，是一个反复调整的过程，工艺设计过程表现出并发交叉，是个反复调整的过程，工艺设计过程表现出并发性。例如一般线束的工艺设计是按照线束剥头、铆压、穿插接件、单配、终配顺序进行，对于熟悉的设计人员，可以根据线束图先穿插接件，再进行剥头、铆压、单配等工序。其次，工艺人员进行设计时不是一次性地分析、考虑画线束图的所有步骤，而是首先阅览打印或传真到的线束图样本，确定主要工艺，然后进行零件设计及其他辅助工艺，最后进行整个图形的整体设计。
这里线束设计采用渐进式模型。从分析线束零件信息入手，先建立工艺过程原形，即首先建立物料信息、线束零件信息及其图形，通过工艺规则来进行线束图形设计，从而渐进地完成整个零件的工艺规程设计。
．3工艺过程的输出及与Web信息系统的集成

(1)工艺数据库。工艺数据库是存放系统所生成的工艺设计结果的数据库，包括工艺过程表、材料清单表和总工艺卡表。系统将工艺数据库存放在服务器上，为局域网上的工作站点所共享P1，用户可在各种运行线束CAPP系统的工作站点通过网络，随时调用查询并可输出线束零件信息、线束图信息和材料清单。中国汽车设计网H6TL"g;O t5S
(2)与Web Server的集成。通过Web Server存放线束图、工艺数据，与线束设计系统的服务器共享资源。但是不同点是它主要面向线束生产企业的工厂和仓库等部门而设计，为其提供必要的信息以保障线束一线生产和线束物料管理的效率。
系统实现
1系统技术平台选择
系统开发环境的选择不仅要考虑系统开发的需求，而且还要考虑企业的经济条件和实际运行环境。根据汽车线束制造企业自身的特点及对工艺信息保密性的要求程度，本系统以AutoCAD 2006为二次开发平台，结合C／S和B／S的混合模式的特点，采用ObjectARX2006降1在Visual C++．Net环境下开发。CAPP系统客户机平台采用Windows XP Professional，服务器采用Windows 2000 Server。在CAPP系统中存在大量的工艺数据和图形文件，这些文件在网络用户之间相互传阅，对网络性能提出了较高的要求，因而要求大容量数据库和硬盘空间的支持。

5．2数据库设计和访问
数据库设计中由于工艺规程涉及到的关系多，需要建立ER图，在数据处理上必须保证数据的一致性和完整性，必须对表进行合理的约束设置。为了实现CAPP系统对数据库数据的访问，采用OLEDB技术。系统为基础物料信息、线束分装工艺卡片、线束系统管理、线束图形、工艺文件分别建立了数据库。

6 系统应用
系统在湖北某线束厂进行了应用，效果良好。该厂属中型线束及汽车配件生产厂，拥有工艺技术部、零件设计部、质量检测部、资料部、网络中心、生产车间、仓库等部门。将系统的数据库部署在网络中心，C／S与B／S模块部署在工艺技术部和零件设计部，B／S模块部署在生产车间，C／S模块部署在仓库。工艺技术部利用系统设计和线束图和工艺，获取工艺信息；零件设计部利用系统设计线束图中的零件，供工艺技术部使用；生产车间利用浏览器观察工艺技术部设计的线束图和工艺数据，指导生产；仓库利用系统观察工艺数据，进行线束物料的准备。经过多月的使用，该厂的工艺设计效率大大提高，由原来的73％提高到93％，产品不合格率也由原来的19％降至6％。最重要的是，该厂的线束生产周期缩短为原来的213，极大地提了企业接单效率和对外竞争力。

7 结语
通过对线束企业的实际调研，总结出汽车线束制造企业工艺文件的特点，对汽车线束制造企业的CAPP系统进行了功能分析，设计出符合这些企业的CAPP系统的总体结构和功能模块，研究和探讨了CAPP系统各功能模块的设计和实现。系统在某线束制造有限责任公司得到了实际应用，并取得了很好的应用效果。实践证明，对汽车线束制造企业的线束工艺设计和生产具有重要的作用。(end)
为苛刻。

如上所述，进行设计需要从发射和抗扰度两个方面出发，在遵守EMC相关法令和汽车厂商所要求的指标的同时，使终端用户感到满意。对于设计技术人员而言，重要的是将EMC设计视为产品的基本功能之一。
但是，电子仪器的网络环境正在车内外不断拓展。车外有借助手机等的广域通信网、借助无线LAN的狭域无线系统。车内则遍布信息系统、车体系统、传动系统等多种有线LAN。所涉及的EMC模式按照图7整理为3级后更加容易理解。如图，1级是与发射塔·无线基站·雷达等车辆外部相关的EMC，2级是与车载导航仪和车载仪器间的干涉相关的EMC，3级是与车载导航仪的仪器内干涉相关的EMC。

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