PTC解决方案在开关制造行业中的应用

    【摘    要】该文所述项目对象是中压开关制造行业中最早采用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。该项目主要采用了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

    本文介绍项目是天水长城开关厂2002～2003年度的重点新品开发项目，专为青藏铁路开发的、处于领先地位的新型中压开关设备“XGNE-40.5”。“XGNE-40.5”是40.5kV电压等级，采用SF6气体作为绝缘介质，采用真空开断的C-GIS开关设备，是国际上新发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，可靠性高，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。

    电力是支撑国民经济建设与发展的重要能源，是我国国民经济实现可持续发展的基础。当前我国的电力供应总体上偏紧，电力消费保持高速增长。输变电设备制造业，尤其是中压开关制造行业的市场前景十分广阔。

    由于市场竞争日益激烈和面对国外知名企业的冲击，为加快我厂新型开关设备的产品研发速度，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辅助设计工作。应用PTC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 采用PTC解决方案的项目目标

    （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。

    （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兴趣的剖面，以作为工程选型的基础。

    （3） 采用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详细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形状和装配的精度。还可用干涉及间隙检查的功能来检查装配情况。

    （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。

    （5） 对产品设计的运动部分进行运动力学方面的研究和优化。

    （6） 对产品设计的结构进行研究和优化。

    （7） 行为建模生成关键零部件关键部位的外形。

    （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提供培训，同时为用户和参观人员提供清晰的演示和教学。

    （9） 产品设计过程中的数据库内容全相关性和工程数据的可再利用性。

3 采用PTC解决方案的项目内容

3.1 CAD实体几何造型（应用Pro/ENGINEER建立数学模型）

    采用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。

    （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形状；当需要修改零件时，只需修改尺寸或增加特征。

    （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，以确保所有零件和各个环节保持一致性和协调性。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。

    （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，系统会根据给定的约束自动地安排零部件的装配关系，如改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改变。

3.2  CAE功能仿真（应用Pro/Mechanica进行优化分析）

    （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。

    （2） 进行机构运动仿真。了解机构的运行情况，研究机构的灵敏度，自动地优化机构以满足特定的目的和限制，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改变参数可以实现最佳的设计方案来优化设计。具体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研究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，研究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。

    （3） 结构优化设计。在一定载荷的条件下评估产品的性能，预测产品在实际使用环境下的性能，研究哪些设计参数对结构特性有最大的影响，进行几何形状优化。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；进行结构形状优化和灵敏度分析，寻找最佳工作点；针对设计方案，输出多种格式的结果，方便设计数据的共享。

4  PTC解决方案的实施过程及结果

    该作品中应用PTC解决方案按照设计流程主要经历三个阶段（如图1所示），采用了Pro/ENGINEER 2001和Pro/Mechanica两种PTC软件模块。

图1 该项目采用PTC解决方案的产品开发流程

4.1 研究性开发阶段

    在研究性开发阶段，主要任务是确定今后整体设计的理念和宗旨，即根据设计师的创造性构想，结合设计对象的功能性制定总体设计方案。解决诸如“采用何种结构形式和驱动方式”、“预计达到的参数值是多少”和“采用何种材料”等影响到具体设计阶段的问题。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分配。

图2 采用PTC解决方案进行产品设计后建立的3D模型

4.2 具体设计阶段

    在具体设计阶段，主要是要按照前一阶段所确定的设计方案，进一步进行细化设计，确定各零部件的形状、尺寸以及材料的选择。同时根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。在具体的工作过程中，我们首先按照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，采用自顶向下的设计方式进行产品具体设计。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

    在设计校验阶段，需要解决“产品结构形式和强度是否可靠”、“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”、“能量分配是否合理”等问题，同时还须按照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可靠。为保证产品设计的合理和可靠，这一阶段主要是采用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分配进行优化处理 ；③针对校验结果，对机构形式和设计方案进行合理改进 ；④按照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。

    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。

    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为根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分外型进行行为建模的模型情况。通过行为建模，可以及时准确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可靠性得到明显提高。图5为采用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减少到低于100000N，凸轮的可靠性提高很大，从而也提高了所开发产品的整体可靠性。

    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CAM技术相结合可以方便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提供三维模型，采用Pro/ENGINEER快速建模都可以为快速的制造和设计更改的及时反映提供有效的支持。同时Pro/ENGINEER提供的干涉检查功能使我们不需依赖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。

图3  采用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

图4  对驱动凸轮接触部分外型进行行为建模的模型情况

图5  对驱动凸轮接触部分外型优化后得到的凸轮接触力

5  项目效益和现状

    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理想，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可靠性的了解仅限于经验值，无法进行细节性的优化设计，影响了产品开发速度和效率。通过应用Pro/ENGINEER及Pro/Mechanica，以该作品为例，传统方法开发该类开关设备（从立项到试验通过），使用5～10人的设计小组，平均花费需要5年时间。通过应用Pro/ENGINEER及Pro/Mechanica，我们使用4人设计小组1年半就已经完成了上述工作，工作效率大大提高。新产品上市时间由5年缩短为2年，节约成本在人民币百万元以上。同时由于设计软件同生产的紧密结合，设计差错减少达80%以上，所有错误都能被及时发现并加以妥善解决。现在“XGNE-40.5”已完成了产品开发过程和全部试验项目，新产品设计取得了圆满成功。

6  结束语

    PTC解决方案的应用，将加快我厂新型开关柜及断路器、环网柜等产品的研制速度，使它的设计更加合理、完美。PTC解决方案这一技术作为新的设计手段，正在逐渐被工程界所认识和接纳。随着PTC解决方案在我厂的进一步开发和应用，必将使我厂在整个设计、制造观念上发生变革，大缩短产品开发周期，促进我厂产品质量的提高，提高我厂应用CAD/CAE/CAM/PDM集成技术进行信息化产品设计和制造水平，为我国电力工业提供安全可靠、性能稳定、技术含量高的输变电设备。