PTC解決方案在開關(guān)制造行業(yè)中的應(yīng)用

　　本文介紹項目是天水長城開關(guān)廠2002～2003年度的重點新品開發(fā)項目，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，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，免維護等優(yōu)越性，因而能夠適應(yīng)各種惡劣的運行環(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)項目，并出口到二十多個國家和地區(qū)。

　　電力是支撐國民經(jīng)濟建設(shè)與發(fā)展的重要能源，是我國國民經(jīng)濟實現(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)計和制造中引入新的理念和方法勢在必行。我廠繼產(chǎn)品設(shè)計成功地應(yīng)用二維CAD技術(shù)之后，為提高產(chǎn)品設(shè)計效能，推動設(shè)計工具的標(biāo)準(zhǔn)化，又購買了PTC公司的機械設(shè)計自動化軟件系統(tǒng)Pro/ENGINEER、Pro/Motion和Pro/Structure等三維設(shè)計軟件進行輔助設(shè)計工作。應(yīng)用PTC解決方案進行了包括“XGNE-40.5”在內(nèi)的一系列新產(chǎn)品開發(fā)項目。

2 采用PTC解決方案的項目目標(biāo)
（1） 由于市場需求和企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)計劃的迫切要求，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，在設(shè)計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)計中用詳細設(shè)計的零部件進行替換。也可以在裝配中進行零件設(shè)計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） 通過機構(gòu)分析和產(chǎn)生的動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，初步驗證機構(gòu)工作的正確性。
（5） 對產(chǎn)品設(shè)計的運動部分進行運動力學(xué)方面的研究和優(yōu)化。
（6） 對產(chǎn)品設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行研究和優(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解決方案的項目內(nèi)容
3.1 CAD實體幾何造型（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)模型在計算機內(nèi)部建立，在幾何造型時，我們力求做到以下幾點。
（1）明確設(shè)計意圖，創(chuàng)建幾何模型，由設(shè)計要求導(dǎo)出幾何模型。利用特征和設(shè)計基準(zhǔn)，生成三維實體，可以在三維空間中觀看它的形狀；當(dāng)需要修改零件時，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)計過程中任何一處的變動都會反映到從設(shè)計到加工的各個過程，以確保所有零件和各個環(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)很容易地進行多次設(shè)計，實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。
（3） 產(chǎn)品設(shè)計中的裝配關(guān)系管理。將各個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)會根據(jù)給定的約束自動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自動地改變。

3.2 CAE功能仿真（應(yīng)用Pro/Mechanica進行優(yōu)化分析）
（1） 干涉檢查及結(jié)構(gòu)檢查。通過對各零部件的空間體積進行計算，可以及早的發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計中相互干涉影響的部分，保證產(chǎn)品設(shè)計的正確性。
（2） 進行機構(gòu)運動仿真。了解機構(gòu)的運行情況，研究機構(gòu)的靈敏度，自動地優(yōu)化機構(gòu)以滿足特定的目的和限制，能夠計算組合體中運動和影響運動的力之間的關(guān)系。使用這些計算結(jié)果通過改變參數(shù)可以實現(xiàn)最佳的設(shè)計方案來優(yōu)化設(shè)計。具體地講能完成以下的工作：簡便而快速地校驗機構(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)的運動條件下的參數(shù)變化；指定運動驅(qū)動器模擬機構(gòu)運動中的實際載荷；優(yōu)化機構(gòu)模型，研究運動過程中各種可能發(fā)生的情況時參數(shù)及受力情況的變化。
（3） 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。在一定載荷的條件下評估產(chǎn)品的性能，預(yù)測產(chǎn)品在實際使用環(huán)境下的性能，研究哪些設(shè)計參數(shù)對結(jié)構(gòu)特性有最大的影響，進行幾何形狀優(yōu)化。對產(chǎn)品設(shè)計構(gòu)想中的任意類型結(jié)構(gòu)進行建模，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)計變量的變化情況；進行結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化和靈敏度分析，尋找最佳工作點；針對設(shè)計方案，輸出多種格式的結(jié)果，方便設(shè)計數(shù)據(jù)的共享。

4 PTC解決方案的實施過程及結(jié)果
該作品中應(yīng)用PTC解決方案按照設(shè)計流程主要經(jīng)歷三個階段（如圖1所示），采用了Pro/ENGINEER 2001和Pro/Mechanica兩種PTC軟件模塊。