PTC解決方案在開關(guān)制造行業(yè)中的應(yīng)用

　　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”?！癤GNE-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。

2 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） 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。
（7） 行為建模生成關(guān)鍵零部件關(guān)鍵部位的外形。
（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)。
（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。

3 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)。
（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）
（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
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。