PTC解決方案在開關(guān)制造行業(yè)中的應(yīng)用

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1 前言
8 T- b2 C8 b, S; i) B7 _    本文介紹項(xiàng)目是天水長城開關(guān)廠2002～2003年度的重點(diǎn)新品開發(fā)項(xiàng)目，專為青藏鐵路開發(fā)的、處于領(lǐng)先地位的新型中壓開關(guān)設(shè)備“XGNE-40.5”。“XGNE-40.5”是40.5kV電壓等級(jí)，采用SF6氣體作為絕緣介質(zhì)，采用真空開斷的C-GIS開關(guān)設(shè)備，是國際上新發(fā)展起來的高新技術(shù)的成套配電裝置。與其他相同電壓等級(jí)的開關(guān)設(shè)備相比較，“XGNE-40.5”具有體積小，可靠性高，免維護(hù)等優(yōu)越性，因而能夠適應(yīng)各種惡劣的運(yùn)行環(huán)境。
    天水長城開關(guān)廠是具有33年歷史的、擁有完整的產(chǎn)品系列的、中國年產(chǎn)量最高的專業(yè)輸變電開關(guān)設(shè)備制造企業(yè)，主要生產(chǎn)0.4～35kV高壓開關(guān)設(shè)備、3～35kV高壓電器元件及低壓開關(guān)柜。產(chǎn)品廣泛用于國家大、中型電力工程和工業(yè)項(xiàng)目，并出口到二十多個(gè)國家和地區(qū)。
    電力是支撐國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)與發(fā)展的重要能源，是我國國民經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。當(dāng)前我國的電力供應(yīng)總體上偏緊，電力消費(fèi)保持高速增長。輸變電設(shè)備制造業(yè)，尤其是中壓開關(guān)制造行業(yè)的市場前景十分廣闊。
    由于市場競爭日益激烈和面對(duì)國外知名企業(yè)的沖擊，為加快我廠新型開關(guān)設(shè)備的產(chǎn)品研發(fā)速度，在開關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造中引入新的理念和方法勢(shì)在必行。我廠繼產(chǎn)品設(shè)計(jì)成功地應(yīng)用二維CAD技術(shù)之后，為提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效能，推動(dòng)設(shè)計(jì)工具的標(biāo)準(zhǔn)化，又購買了PTC公司的機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件系統(tǒng)Pro/ENGINEER、Pro/Motion和Pro/Structure等三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)工作。應(yīng)用PTC解決方案進(jìn)行了包括“XGNE-40.5”在內(nèi)的一系列新產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目。
7 N/ n+ h( {+ E% y3 Q2 采用PTC解決方案的項(xiàng)目目標(biāo)
    （1） 由于市場需求和企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)計(jì)劃的迫切要求，產(chǎn)品必須在兩年內(nèi)完成從研發(fā)到生產(chǎn)的全過程。
2 ]9 E6 }7 P9 z% v9 @* h/ B4 }) ?    （2） 在產(chǎn)品的前期階段能看到產(chǎn)品的三維仿真模型，同時(shí)應(yīng)該可以在三維環(huán)境下很輕易地觀察產(chǎn)品模型中任意感興趣的剖面，以作為工程選型的基礎(chǔ)。
    （3） 采用自頂向下的裝配設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中可以先用零部件的外輪部來考慮預(yù)留空間，然后在后續(xù)的設(shè)計(jì)中用詳細(xì)設(shè)計(jì)的零部件進(jìn)行替換。也可以在裝配中進(jìn)行零件設(shè)計(jì)以保證其形狀和裝配的精度。還可用干涉及間隙檢查的功能來檢查裝配情況。
    （4） 通過機(jī)構(gòu)分析和產(chǎn)生的動(dòng)作仿真看到我們所關(guān)心的零部件的速度、位置以及加速度，初步驗(yàn)證機(jī)構(gòu)工作的正確性。
    （5） 對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)部分進(jìn)行運(yùn)動(dòng)力學(xué)方面的研究和優(yōu)化。
    （6） 對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究和優(yōu)化。
4 j7 k5 e% F1 o) P    （7） 行為建模生成關(guān)鍵零部件關(guān)鍵部位的外形。
+ s/ e- y( d) C* p' O    （8） 產(chǎn)生開關(guān)設(shè)備裝配過程和聯(lián)鎖操作過程的動(dòng)態(tài)演示，為開關(guān)設(shè)備的裝配工和維修員提供培訓(xùn)，同時(shí)為用戶和參觀人員提供清晰的演示和教學(xué)。
; Y$ O' y: J8 a& K* H) V" i/ k7 p    （9） 產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的數(shù)據(jù)庫內(nèi)容全相關(guān)性和工程數(shù)據(jù)的可再利用性。
( W3 G9 l. X' _8 p& U  I3 采用PTC解決方案的項(xiàng)目內(nèi)容
3.1 CAD實(shí)體幾何造型（應(yīng)用Pro/ENGINEER建立數(shù)學(xué)模型）
    采用幾何造型的方法將產(chǎn)品的數(shù)學(xué)模型在計(jì)算機(jī)內(nèi)部建立，在幾何造型時(shí)，我們力求做到以下幾點(diǎn)。
    （1）明確設(shè)計(jì)意圖，創(chuàng)建幾何模型，由設(shè)計(jì)要求導(dǎo)出幾何模型。利用特征和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，生成三維實(shí)體，可以在三維空間中觀看它的形狀；當(dāng)需要修改零件時(shí)，只需修改尺寸或增加特征。
    （2） 基于特征建模的全相關(guān)性和參數(shù)化。全相關(guān)性是指在設(shè)計(jì)過程中任何一處的變動(dòng)都會(huì)反映到從設(shè)計(jì)到加工的各個(gè)過程，以確保所有零件和各個(gè)環(huán)節(jié)保持一致性和協(xié)調(diào)性。參數(shù)化是指用熟知的特征作為產(chǎn)品的幾何模型的構(gòu)造要素，通過給這些特征設(shè)置參數(shù)，然后修改參數(shù)很容易地進(jìn)行多次設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。
$ c3 v: e9 |2 c  p2 R" d+ o; T    （3） 產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的裝配關(guān)系管理。將各個(gè)零部件裝在合適的位置上，確定系統(tǒng)部件間的裝配關(guān)系，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)給定的約束自動(dòng)地安排零部件的裝配關(guān)系，如改變一零件的裝配相關(guān)尺寸，則與它相關(guān)零部件位置或約束都會(huì)自動(dòng)地改變。
3.2  CAE功能仿真（應(yīng)用Pro/Mechanica進(jìn)行優(yōu)化分析）
, f5 g0 D" _  ~" A# [# ^    （1） 干涉檢查及結(jié)構(gòu)檢查。通過對(duì)各零部件的空間體積進(jìn)行計(jì)算，可以及早的發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中相互干涉影響的部分，保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的正確性。
    （2） 進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真。了解機(jī)構(gòu)的運(yùn)行情況，研究機(jī)構(gòu)的靈敏度，自動(dòng)地優(yōu)化機(jī)構(gòu)以滿足特定的目的和限制，能夠計(jì)算組合體中運(yùn)動(dòng)和影響運(yùn)動(dòng)的力之間的關(guān)系。使用這些計(jì)算結(jié)果通過改變參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)最佳的設(shè)計(jì)方案來優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體地講能完成以下的工作：簡便而快速地校驗(yàn)機(jī)構(gòu)模型的空間關(guān)系；利用行為建模功能合成凸輪輪廓并研究相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)條件下的參數(shù)變化；指定運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器模擬機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中的實(shí)際載荷；優(yōu)化機(jī)構(gòu)模型，研究運(yùn)動(dòng)過程中各種可能發(fā)生的情況時(shí)參數(shù)及受力情況的變化。
    （3） 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在一定載荷的條件下評(píng)估產(chǎn)品的性能，預(yù)測(cè)產(chǎn)品在實(shí)際使用環(huán)境下的性能，研究哪些設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)特性有最大的影響，進(jìn)行幾何形狀優(yōu)化。對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)構(gòu)想中的任意類型結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，通過CAE分析結(jié)果比較各方案的優(yōu)劣；施加不同載荷的約束，觀察各參數(shù)及相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量的變化情況；進(jìn)行結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化和靈敏度分析，尋找最佳工作點(diǎn)；針對(duì)設(shè)計(jì)方案，輸出多種格式的結(jié)果，方便設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的共享。
4  PTC解決方案的實(shí)施過程及結(jié)果
* r4 p( K5 I4 Q    該作品中應(yīng)用PTC解決方案按照設(shè)計(jì)流程主要經(jīng)歷三個(gè)階段（如圖1所示），采用了Pro/ENGINEER 2001和Pro/Mechanica兩種PTC軟件模塊。

圖1 該項(xiàng)目采用PTC解決方案的產(chǎn)品開發(fā)流程

4.1 研究性開發(fā)階段
# B& Z# Q' z  A    在研究性開發(fā)階段，主要任務(wù)是確定今后整體設(shè)計(jì)的理念和宗旨，即根據(jù)設(shè)計(jì)師的創(chuàng)造性構(gòu)想，結(jié)合設(shè)計(jì)對(duì)象的功能性制定總體設(shè)計(jì)方案。解決諸如“采用何種結(jié)構(gòu)形式和驅(qū)動(dòng)方式”、“預(yù)計(jì)達(dá)到的參數(shù)值是多少”和“采用何種材料”等影響到具體設(shè)計(jì)階段的問題。主要的工作內(nèi)容為應(yīng)用Pro/ENGINEER及相關(guān)模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)最初形式的概念化設(shè)計(jì)，建立幾種最初構(gòu)想方案的3D模型，創(chuàng)建相應(yīng)的布局框架，以直觀的形式比較、確定設(shè)計(jì)方案，并確定相關(guān)需要解決的工程問題，同時(shí)決定設(shè)計(jì)過程中分工和權(quán)限分配。
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圖2 采用PTC解決方案進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)后建立的3D模型

4.2 具體設(shè)計(jì)階段
3 ~# ]8 {  r% K9 v; p    在具體設(shè)計(jì)階段，主要是要按照前一階段所確定的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)一步進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)，確定各零部件的形狀、尺寸以及材料的選擇。同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)中遇到的需要改進(jìn)之處，在充分論證的基礎(chǔ)上，對(duì)總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修正，最終初步完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖樣。在具體的工作過程中，我們首先按照設(shè)計(jì)方案為基準(zhǔn)做出相應(yīng)的產(chǎn)品骨架（Skeleton）模型，然后使用Pro/ENGINEER軟件及其相關(guān)的CAD模塊作為設(shè)計(jì)工具，采用自頂向下的設(shè)計(jì)方式進(jìn)行產(chǎn)品具體設(shè)計(jì)。通過骨架模型，我們得到了諸如產(chǎn)品架構(gòu)、各種零部件的位置及相互連接等相關(guān)信息。這樣，相關(guān)設(shè)計(jì)人員就只需基于骨架模型，集中注意力于相應(yīng)的零部件的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)。同時(shí)針對(duì)設(shè)計(jì)中暴露出的不足，對(duì)設(shè)計(jì)方案和骨架模型作出了部分修正。通過參照骨架進(jìn)行幾何復(fù)制，設(shè)計(jì)工程師在較短的時(shí)間內(nèi)就分工協(xié)作完成了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作設(shè)計(jì)；我們課題組的4人利用Pro/ENGINEER進(jìn)行C-GIS的設(shè)計(jì)，經(jīng)過兩個(gè)月的時(shí)間我們已完成總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。比起通常6～9個(gè)月的設(shè)計(jì)耗時(shí)，所用時(shí)間不到原有耗時(shí)的三分之一，設(shè)計(jì)效率獲得很大提高。
4.3 設(shè)計(jì)校驗(yàn)階段
2 `& x) P  J( K" c" _! j    在設(shè)計(jì)校驗(yàn)階段，需要解決“產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式和強(qiáng)度是否可靠”、“運(yùn)動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)形式和各項(xiàng)參數(shù)是否達(dá)到要求”、“機(jī)構(gòu)的總體效率如何”、“能量分配是否合理”等問題，同時(shí)還須按照預(yù)定參數(shù)和運(yùn)動(dòng)形式的要求，確定關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)零部件（這里僅舉其中一項(xiàng)凸輪為例）的外形尺寸并檢驗(yàn)其剛度是否可靠。為保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理和可靠，這一階段主要是采用Pro/ENGINEER及Pro/Mechanica及相關(guān)的CAE模塊，進(jìn)行了這樣幾項(xiàng)工作：①對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部分的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仿真運(yùn)動(dòng)分析；②對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)能量分配進(jìn)行優(yōu)化處理 ；③針對(duì)校驗(yàn)結(jié)果，對(duì)機(jī)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行合理改進(jìn) ；④按照優(yōu)化后外部條件利用行為建模方式生成優(yōu)化后的關(guān)鍵零部件機(jī)構(gòu)和外形尺寸，并對(duì)其受力情況進(jìn)行分析，與原有受力情況相比較，校驗(yàn)該件的強(qiáng)度。
    通過前三項(xiàng)工作的校驗(yàn)優(yōu)化過程，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)分閘運(yùn)動(dòng)速度和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)效率獲得了顯著提高。圖3是在利用Pro/Mechanica對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真運(yùn)動(dòng)分析并進(jìn)行優(yōu)化后得到的運(yùn)動(dòng)部件速度曲線。原有產(chǎn)品設(shè)計(jì)能夠達(dá)到的運(yùn)動(dòng)速度為1200mm/s，儲(chǔ)能彈簧力為5200N，優(yōu)化分析后在儲(chǔ)能彈簧力降制至2500N的情況下，運(yùn)動(dòng)速度提高到了2000mm/s，該產(chǎn)品中驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)總傳動(dòng)效率從30%提高到70%。經(jīng)產(chǎn)品試制后試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與此相符。
    經(jīng)過第四項(xiàng)的工作，我們利用行為建模功能模塊自動(dòng)生成了機(jī)構(gòu)優(yōu)化后的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)零部件結(jié)構(gòu)和外形尺寸。以驅(qū)動(dòng)凸輪為例，圖4為根據(jù)對(duì)凸輪接觸部位接觸力進(jìn)行分析優(yōu)化的結(jié)果，結(jié)合Pro/ENGINEER軟件對(duì)驅(qū)動(dòng)凸輪接觸部分外型進(jìn)行行為建模的模型情況。通過行為建模，可以及時(shí)準(zhǔn)確地將優(yōu)化結(jié)果反映到零件模型的變化中，很大程度上減小了凸輪接觸部分的碰撞力，使其運(yùn)動(dòng)效率和工作可靠性得到明顯提高。圖5為采用行為建模外型驅(qū)動(dòng)凸輪進(jìn)行仿真運(yùn)動(dòng)分析獲得的優(yōu)化后凸輪接觸力，凸輪接觸力從原設(shè)計(jì)的200000N減少到低于100000N，凸輪的可靠性提高很大，從而也提高了所開發(fā)產(chǎn)品的整體可靠性。
* ?# l/ k$ _/ [6 F, r    產(chǎn)品試制和試驗(yàn)后，產(chǎn)品各項(xiàng)參數(shù)均符合并優(yōu)于原設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)品設(shè)計(jì)取得了圓滿成功。PTC解決方案中設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫的相關(guān)聯(lián)性使得在生產(chǎn)過程中與CAM技術(shù)相結(jié)合可以方便快捷的進(jìn)行零件加工。無論是把數(shù)字文件直接應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床還是為傳統(tǒng)模型的制造提供三維模型，采用Pro/ENGINEER快速建模都可以為快速的制造和設(shè)計(jì)更改的及時(shí)反映提供有效的支持。同時(shí)Pro/ENGINEER提供的干涉檢查功能使我們不需依賴物理模型就可以對(duì)零部件之間的裝配關(guān)系和間隙進(jìn)行檢查。
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圖3  采用Pro/Mechanica對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真運(yùn)動(dòng)并優(yōu)化后得到的最終運(yùn)動(dòng)速度曲線

圖4  對(duì)驅(qū)動(dòng)凸輪接觸部分外型進(jìn)行行為建模的模型情況

圖5  對(duì)驅(qū)動(dòng)凸輪接觸部分外型優(yōu)化后得到的凸輪接觸力

5  項(xiàng)目效益和現(xiàn)狀
# g5 ~& ~- |6 P    我們?cè)瓉硎褂玫腃AD設(shè)計(jì)軟件主要是二維設(shè)計(jì)軟件，由于設(shè)計(jì)軟件數(shù)據(jù)集成能力和設(shè)計(jì)體系不很理想，加之二維軟件對(duì)模型進(jìn)行仿真分析校驗(yàn)的能力較差，使得設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品可靠性的了解僅限于經(jīng)驗(yàn)值，無法進(jìn)行細(xì)節(jié)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，影響了產(chǎn)品開發(fā)速度和效率。通過應(yīng)用Pro/ENGINEER及Pro/Mechanica，以該作品為例，傳統(tǒng)方法開發(fā)該類開關(guān)設(shè)備（從立項(xiàng)到試驗(yàn)通過），使用5～10人的設(shè)計(jì)小組，平均花費(fèi)需要5年時(shí)間。通過應(yīng)用Pro/ENGINEER及Pro/Mechanica，我們使用4人設(shè)計(jì)小組1年半就已經(jīng)完成了上述工作，工作效率大大提高。新產(chǎn)品上市時(shí)間由5年縮短為2年，節(jié)約成本在人民幣百萬元以上。同時(shí)由于設(shè)計(jì)軟件同生產(chǎn)的緊密結(jié)合，設(shè)計(jì)差錯(cuò)減少達(dá)80%以上，所有錯(cuò)誤都能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并加以妥善解決。現(xiàn)在“XGNE-40.5”已完成了產(chǎn)品開發(fā)過程和全部試驗(yàn)項(xiàng)目，新產(chǎn)品設(shè)計(jì)取得了圓滿成功。
6  結(jié)束語
    PTC解決方案的應(yīng)用，將加快我廠新型開關(guān)柜及斷路器、環(huán)網(wǎng)柜等產(chǎn)品的研制速度，使它的設(shè)計(jì)更加合理、完美。PTC解決方案這一技術(shù)作為新的設(shè)計(jì)手段，正在逐漸被工程界所認(rèn)識(shí)和接納。隨著PTC解決方案在我廠的進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用，必將使我廠在整個(gè)設(shè)計(jì)、制造觀念上發(fā)生變革，大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，促進(jìn)我廠產(chǎn)品質(zhì)量的提高，提高我廠應(yīng)用CAD/CAE/CAM/PDM集成技術(shù)進(jìn)行信息化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造水平，為我國電力工業(yè)提供安全可靠、性能穩(wěn)定、技術(shù)含量高的輸變電設(shè)備