PTC解决计划在开关制造行业中的应用

PTＣ解决方案在开关制造行业中的应用该文所述项目对象是中压开关制造行业中最早采纳PTC解决方案介入新产品的开发、设计、产品性能优化全过程,并取得了圆满成功的一个典型案例。该项目主要采纳了Pｒo/ENＧIＮEER和Pro/Meｃhanica两种模块分别进行产品设计（CAD）和功能分析（ＣAE)方面的工作，其主要内容是对我厂开发的国内最新的高压开关设备产品所配用断路器的驱动机构进行开发设计，仿真分析和结构优化。

１前言ﻫ

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本文介绍项目是天水HＹＰＥＲＬINK＂ｈｔtp:／／ｉt.ｍiｅ168。com／qiye/gｒeatｗａlｌ"＼o”greatwalｌ，长城"\ｔ"_blank"长城开关厂２00２～２０03年度的重点新品开发项目，专为青藏HYＰERＬＩNK”http：//mie1６８。com/zｈuanｔｉ/tielu．hｔｍ"\ｏ”tieｌｕ，铁路"\t"_bｌanｋ"铁路开发的、处于领先地位的新型中压开关HYPERLＩＮK”hｔｔp://mｉe1６8。ｃoｍ/mａnage/ｓｈeｂｅi－kｕcｕn。htm”\o”sｈebｅi—ｋuｃun,设备，库存"\t"_bｌａｎk”设备“ＸGNＥ—4０.5”。“XGNE－４０．５”是４0.5kV电压等级，采纳ＳF6气体作为绝缘介质,采纳真空开断的C—GＩS开关设备,是国际上新进展起来的高新技术的成套配电装置。与其他相同电压等级的开关设备相比较,“XＧNＥ—40。5”具有体积小，牢靠性高,免维护等优越性，因而能够适应各种恶劣的运行环境。

天水长城开关厂是具有33年历史的、拥有完整的产品系列的、中国年产量最高的专业输变电开关设备制造企业,主要生产0.4~３5ｋＶ高压开关设备、3～35ｋＶ高压电器元件及低压开关柜。产品广泛用于国家大、中型电力工程和工业项目，并出口到二十多个国家和地区。ﻫ

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电力是支撑国民ＨYPEＲＬIＮK”http：/／ｍie１68.ｃom／meｅｔiｎg／eｃoｎoｍy．ｈtｍ＂\ｏ"eｃonomｙ,经济，企业观察”\ｔ”＿bｌanｋ"经济建设与进展的重要能源，是我国国民经济实现可持续进展的基础.当前我国的电力供应总体上偏紧,电力消费保持高速增长。输变电设备ＨＹPＥRＬＩＮK”httｐ:／/ｍｉe16８。cｏm/zｈｕanｔi／zhizaoｙe。ｈtm＂\o＂zｈｉzaoyｅ，制造业＂\ｔ"_bｌaｎk”制造业,尤其是中压开关制造行业的市场前景十分宽阔。

由于市场HYPEＲLＩＮK＂http://miｅ168.com/ｚｈuａnｔi／ｃompete．htm"\ｏ＂ｃomｐete，竞争＂\t”_ｂlaｎk”竞争日益激烈和面对国外HYＰＥＲLINＫ"ｈttp：//miｅ16８．cｏm/zｈuantｉ/zhiｍingqiye.htm"\o”zhiｍiｎgqiye,知名企业"\t"_blａnｋ”知名企业的冲击，为加快我厂新型开关设备的产品HYPERLIＮK”ｈttp://mie168.cｏm／mａnａge/yanfa-gonｇyi。htm”\o"yanfａ—gongyｉ,研发,工艺＂＼ｔ”＿bｌank"研发速度，在开关设备的设计和制造中引入新的理念和方法势在必行.我厂继产品设计成功地应用二维ＨＹＰEＲLＩNK”hｔtp:/／ｉt.ｍie１６8。com/cａｄ"\ｏ”cad,ＣAD，计算机辅助设计"\ｔ”_ｂlanｋ"ＣAD技术之后,为提高产品设计效能,推动设计工具的标准化,又购买了HYPＥRLINK”hｔｔp：／／it。mｉe1６8．cｏm/ｑｉye/ＰTＣ"＼o＂PＴC,ＰTC＂\t"_ｂlaｎｋ”ＰTC公司的机械设计自动化软件系统Ｐro／ＥNGINEER、Prｏ/Mｏｔion和Pｒｏ／Structｕre等三维设计软件进行帮助设计工作。应用ＰTＣHYPEＲＬＩＮK＂httｐ：/／ｍiｅ１６8。com/ｚhuanti／caｓe.hｔｍ"＼ｏ”ｃase，解决方案”＼t"_blank＂解决方案进行了包括“XＧNＥ—４0。5”在内的一系列新产品开发项目.

2采纳ＰTＣ解决方案的项目HYPERLINK”http：//ｍｉe168.ｃｏm／mａｎａgｅ／zuzｈｉ-mubｉao.ｈｔm"\ｏ＂zｕｚhi—mubiao,组织,目标＂\ｔ"＿blaｎk"目标ﻫ

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（1）由于市场需求和企业新产品开发计划的迫切要求，产品必须在两年内完成从研发到生产的全过程.ﻫ

(2)在产品的前期阶段能看到产品的三维仿真模型,同时应该可以在三维环境下很轻易地观察产品模型中任意感爱好的剖面，以作为工程选型的基础。

（３)采纳自顶向下的装配设计,在设计中可以先用零部件的外轮部来考虑预留空间，然后在后续的设计中用简略设计的零部件进行替换.也可以在装配中进行零件设计以保证其外形和装配的精度。还可用干涉及间隙检查的功能来检查装配情况.ﻫ

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（4）通过机构分析和产生的动作仿真看到我们所关心的零部件的速度、位置以及加速度,初步验证机构工作的正确性.

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(5)对产品设计的运动部分进行运动力学方面的讨论和优化。ﻫ

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(6)对产品设计的结构进行讨论和优化。ﻫ

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（７）行为建模生成关键零部件关键部位的外形.ﻫ

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(8)产生开关设备装配过程和联锁操作过程的动态演示，为开关设备的装配工和维修员供应ＨＹPERLINK"ｈttp：//mｉe168.cｏm／ｈuｍaｎ－resource/peixunfaｚhaｎ．htm”＼o＂peixun，培训”＼t＂_blａnk"培训,同时为用户和参观人员供应清楚的演示和教学.

（9）产品设计过程中的HYPERLＩＮK＂http：/／ｍiｅ16８.com／zｈuantｉ/shujuｋu．htｍ"＼o"shuｊuｋu，数据库”＼ｔ＂＿ｂｌank"数据库内容全相关性和工程数据的可再利用性.

3采纳PTＣ解决方案的项目内容

３．1ＣＡD实体几何造型（应用Pro／ENGＩＮＥER建立数学模型）ﻫ

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采纳几何造型的方法将产品的数学模型在计算机内部建立，在几何造型时，我们力求做到以下几点。ﻫ

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（1）明确设计意图，创建几何模型，由设计要求导出几何模型。利用特征和设计基准,生成三维实体，可以在三维空间中观看它的外形；当需要修改零件时，只需修改尺寸或增加特征。

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（2)基于特征建模的全相关性和参数化。全相关性是指在设计过程中任何一处的变动都会反映到从设计到加工的各个过程，以确保全部零件和各个环节保持全都性和协调性。参数化是指用熟知的特征作为产品的几何模型的构造要素，通过给这些特征设置参数，然后修改参数很容易地进行多次设计，实现产品开发。ﻫ

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(3）产品设计中的装配关系管理。将各个零部件装在合适的位置上，确定系统部件间的装配关系,系统会依据给定的HYPERLＩNK＂hｔtp：／/mie１68。coｍ/ｍanａge／ｐｉngｊｉng-yuesｈu．htm"\o＂piｎgjinｇ－ｙｕｅshu，瓶颈,约束”＼ｔ”_blａnk"约束自动地支配零部件的装配关系，如转变一零件的装配相关尺寸,则与它相关零部件位置或约束都会自动地转变。

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ＨＹＰEＲLINＫ＂httｐ://ｉt.ｍiｅ1６8．cｏｍ／CAＥ/index．htm＂＼ｏ＂ｃaｅ，计算机辅助工程，CAE＂\t”_ｂｌａnk”CAE功能仿真(应用Pro／Ｍｅｃhａnicａ进行优化分析)ﻫ

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(１）干涉检查及结构检查.通过对各零部件的空间体积进行计算，可以及早的发现产品结构设计中相互干涉影响的部分,保证产品设计的正确性。ﻫ

（2）进行机构运动仿真。了解机构的运行情况,讨论机构的灵敏度,自动地优化机构以满意特定的目的和限制，能够计算组合体中运动和影响运动的力之间的关系。使用这些计算结果通过转变参数可以实现最佳的设计方案来优化设计。简略地讲能完成以下的工作:简便而快速地校验机构模型的空间关系；利用行为建模功能合成凸轮轮廓并讨论相应的运动条件下的参数变化；指定运动驱动器模拟机构运动中的实际载荷；优化机构模型,讨论运动过程中各种可能发生的情况时参数及受力情况的变化.ﻫ

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（3）结构优化设计。在肯定载荷的条件下评估产品的性能，猜测产品在实际使用环境下的性能,讨论哪些设计参数对结构特性有最大的影响,进行几何外形优化.对产品设计构想中的任意类型结构进行建模,通过CＡＥ分析结果比较各方案的优劣；施加不同载荷的约束,观察各参数及相关结构设计变量的变化情况;进行结构外形优化和灵敏度分析,寻找最佳工作点；针对设计方案,输出多种格式的结果,便利设计数据的共享。

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PTC解决方案的实施过程及结果

该作品中应用PＴＣ解决方案依据设计流程主要经历三个阶段（如图1所示),采纳了Prｏ／ENGＩNＥEＲ２001和Pro／Mechaｎｉｃａ两种ＰTC软件模块.ﻫ

图１该项目采纳PＴC解决方案的产品开发流程

４。1讨论性开发阶段ﻫ

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在讨论性开发阶段,主要任务是确定今后整体设计的理念和宗旨，即依据设计师的制造性构想，结合设计对象的功能性制定总体设计方案.解决诸如“采纳何种结构形式和驱动方式”、“估计达到的参数值是多少"和“采纳何种材料"等影响到简略设计阶段的问题。主要的工作内容为应用Prｏ／ENＧＩＮEER及相关模块进行驱动机构最初形式的概念化设计,建立几种最初构想方案的３Ｄ模型,创建相应的布局框架,以直观的形式比较、确定设计方案,并确定相关需要解决的工程问题，同时决定设计过程中分工和权限安排。图2采纳PTＣ解决方案进行产品设计后建立的3Ｄ模型

４.2简略设计阶段ﻫ

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在简略设计阶段，主要是要依据前一阶段所确定的设计方案,进一步进行细化设计，确定各零部件的外形、尺寸以及材料的选择。同时依据设计中遇到的需要改进之处，在充分论证的基础上，对总体设计方案进行修正，最终初步完成产品设计图样。在简略的工作过程中，我们首先依据设计方案为基准做出相应的产品骨架（Skeletｏｎ）模型,然后使用Ｐrｏ／ENGＩNEＥＲ软件及其相关的ＣAD模块作为设计工具，采纳自顶向下的设计方式进行产品简略设计。通过骨架模型，我们得到了诸如产品架构、各种零部件的位置及相互连接等相关信息。这样，相关设计人员就只需基于骨架模型，集中注意力于相应的零部件的结构形式设计。同时针对设计中暴露出的不足，对设计方案和骨架模型作出了部分修正。通过参照骨架进行几何复制,设计工程师在较短的时间内就分工协作完成了产品的设计工作设计；我们课题组的４人利用Ｐrｏ／ENGINＥER进行C—ＧIS的设计，经过两个月的时间我们已完成总体结构设计。比起通常6~9个月的设计耗时，所用时间不到原有耗时的三分之一，设计效率获得很大提高.

４．3设计校验阶段ﻫ

在设计校验阶段，需要解决“产品结构形式和强度是否牢靠”、“运动部分的运动形式和各项参数是否达到要求”、“机构的总体效率如何”、“能量安排是否合理"等问题,同时还须依据预定参数和运动形式的要求,确定关键运动零部件（这里仅举其中一项凸轮为例）的外形尺寸并检验其刚度是否牢靠.为保证产品设计的合理和牢靠，这一阶段主要是采纳Pro/ＥNＧINＥEＲ及Pro/Mecｈanica及相关的ＣAE模块,进行了这样几项工作：①对驱动机构运动部分的整个运动过程进行仿真运动分析;②对产品设计结构和运动能量安排进行优化处理；③针对校验结果，对机构形式和设计方案进行合理改进；④依据优化后外部条件利用行为建模方式生成优化后的关键零部件机构和外形尺寸，并对其受力情况进行分析，与原有受力情况相比较，校验该件的强度。ﻫ

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通过前三项工作的校验优化过程，驱动机构的主要运动参数分闸运动速度和机构运动效率获得了显著提高。图3是在利用Prｏ/Mｅcｈａniｃa对机构进行仿真运动分析并进行优化后得到的运动部件速度曲线。原有产品设计能够达到的运动速度为１２00mm/ｓ，储能弹簧力为5200N，优化分析后在储能弹簧力降制至２5０0N的情况下,运动速度提高到了2000mm/ｓ，该产品中驱动机构总传动效率从3０%提高到7０%。经产品试制后试验验证，试验数据与此相符.

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经过第四项的工作，我们利用行为建模功能模块自动生成了机构优化后的关键运动零部件结构和外形尺寸。以驱动凸轮为例,图4为依据对凸轮接触部位接触力进行分析优化的结果，结合Ｐro／ENGＩNＥER软件对驱动凸轮接触部格外型进行行为建模的模型情况。通过行为建模，可以准时精准地将优化结果反映到零件模型的变化中,很大程度上减小了凸轮接触部分的碰撞力,使其运动效率和工作牢靠性得到明显提高。图5为采纳行为建模外型驱动凸轮进行仿真运动分析获得的优化后凸轮接触力,凸轮接触力从原设计的2０0000Ｎ削减到低于100000N，凸轮的牢靠性提高很大,从而也提高了所开发产品的整体牢靠性。ﻫ

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产品试制和试验后，产品各项参数均符合并优于原设计要求,产品设计取得了圆满成功。ＰＴＣ解决方案中设计数据库的相关联性使得在生产过程中与HYＰERLＩNK”ｈttp:/／iｔ.ｍie１６８。ｃｏm／CAM/iｎｄex.htｍ”\o"ｃam,ＣAM,计算机辅助制造”\t”_ｂlank＂ＣＡM技术相结合可以便利快捷的进行零件加工。无论是把数字文件直接应用到数控机床还是为传统模型的制造供应三维模型,采纳Prｏ/ＥNGINＥER快速建模都可以为快速的制造和设计更改的准时反映供应有效的支持。同时Pro/ＥNＧINEEＲ供应的干涉检查功能使我们不需依靠物理模型就可以对零部件之间的装配关系和间隙进行检查。ﻫ

图３

采纳Pro/Mechａnica对机构进行仿真运动并优化后得到的最终运动速度曲线

ﻫ图4

对驱动凸轮接触部格外型进行行为建模的模型情况ﻫ

ﻫ图５

对驱动凸轮接触部格外型优化后得到的凸轮接触力

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项目效益和现状ﻫ

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我们原来使用的CAD设计软件主要是二维设计软件，由于设计软件数据集成能力和设计体系不很抱负，加之二维软件对模型进行仿真分析校验的能力较差，使得设计者在设计阶段对产品牢靠性的了解仅限于阅历值,无法进行ＨYPＥRＬINK”hｔtp