1 前言
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)。當前我國的電力供應總體上偏緊，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)計工具的標準化，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
（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，同時為用戶和參觀人員提供清晰的演示和教學。
（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（應用Pro/ENGINEER建立數(shù)學模型）
采用幾何造型的方法將產(chǎn)品的數(shù)學模型在計算機內(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)計要求導出幾何模型。利用特征和設(shè)計基準，生成三維實體，可以在三維空間中觀看它的形狀；當需要修改零件時，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。
圖1 該項目采用PTC解決方案的產(chǎn)品開發(fā)流程
4.1 研究性開發(fā)階段
在研究性開發(fā)階段，主要任務是確定今后整體設(shè)計的理念和宗旨，即根據(jù)設(shè)計師的創(chuàng)造性構(gòu)想，結(jié)合設(shè)計對象的功能性制定總體設(shè)計方案。解決諸如“采用何種結(jié)構(gòu)形式和驅(qū)動方式”、“預計達到的參數(shù)值是多少”和“采用何種材料”等影響到具體設(shè)計階段的問題。主要的工作內(nèi)容為應用Pro/ENGINEER及相關(guān)模塊進行驅(qū)動機構(gòu)最初形式的概念化設(shè)計，建立幾種最初構(gòu)想方案的3D模型，創(chuàng)建相應的布局框架，以直觀的形式比較、確定設(shè)計方案，并確定相關(guān)需要解決的工程問題，同時決定設(shè)計過程中分工和權(quán)限分配。
圖2 采用PTC解決方案進行產(chǎn)品設(shè)計后建立的3D模型
4.2 具體設(shè)計階段
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在具體設(shè)計階段，主要是要按照前一階段所確定的設(shè)計方案，進一步進行細化設(shè)計，確定各零部件的形狀、尺寸以及材料的選擇。同時根據(jù)設(shè)計中遇到的需要改進之處，在充分論證的基礎(chǔ)上，對總體設(shè)計方案進行修正，最終初步完成產(chǎn)品設(shè)計圖樣。在具體的工作過程中，我們首先按照設(shè)計方案為基準做出相應的產(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)計工具，采用自頂向下的設(shè)計方式進行產(chǎn)品具體設(shè)計。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)計人員就只需基于骨架模型，集中注意力于相應的零部件的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計。同時針對設(shè)計中暴露出的不足，對設(shè)計方案和骨架模型作出了部分修正。通過參照骨架進行幾何復制，設(shè)計工程師在較短的時間內(nèi)就分工協(xié)作完成了產(chǎn)品的設(shè)計工作設(shè)計；我們課題組的4人利用Pro/ENGINEER進行C-GIS的設(shè)計，經(jīng)過兩個月的時間我們已完成總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。比起通常6～9個月的設(shè)計耗時，所用時間不到原有耗時的三分之一，設(shè)計效率獲得很大提高。
4.3 設(shè)計校驗階段
在設(shè)計校驗階段，需要解決“產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式和強度是否可靠”、“運動部分的運動形式和各項參數(shù)是否達到要求”、“機構(gòu)的總體效率如何”、“能量分配是否合理”等問題，同時還須按照預定參數(shù)和運動形式的要求，確定關(guān)鍵運動零部件（這里僅舉其中一項凸輪為例）的外形尺寸并檢驗其剛度是否可靠。為保證產(chǎn)品設(shè)計的合理和可靠，這一階段主要是采用Pro/ENGINEER及Pro/Mechanica及相關(guān)的CAE模塊，進行了這樣幾項工作：①對驅(qū)動機構(gòu)運動部分的整個運動過程進行仿真運動分析；②對產(chǎn)品設(shè)計結(jié)構(gòu)和運動能量分配進行優(yōu)化處理 ；③針對校驗結(jié)果，對機構(gòu)形式和設(shè)計方案進行合理改進 ；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)鍵零部件機構(gòu)和外形尺寸，并對其受力情況進行分析，與原有受力情況相比較，校驗該件的強度。
通過前三項工作的校驗優(yōu)化過程，驅(qū)動機構(gòu)的主要運動參數(shù)分閘運動速度和機構(gòu)運動效率獲得了顯著提高。圖3是在利用Pro/Mechanica對機構(gòu)進行仿真運動分析并進行優(yōu)化后得到的運動部件速度曲線。原有產(chǎn)品設(shè)計能夠達到的運動速度為1200mm/s，儲能彈簧力為5200N，優(yōu)化分析后在儲能彈簧力降制至2500N的情況下，運動速度提高到了2000mm/s，該產(chǎn)品中驅(qū)動機構(gòu)總傳動效率從30%提高到70%。經(jīng)產(chǎn)品試制后試驗驗證，試驗數(shù)據(jù)與此相符。
經(jīng)過第四項的工作，我們利用行為建模功能模塊自動生成了機構(gòu)優(yōu)化后的關(guān)鍵運動零部件結(jié)構(gòu)和外形尺寸。以驅(qū)動凸輪為例，圖4為根據(jù)對凸輪接觸部位接觸力進行分析優(yōu)化的結(jié)果，結(jié)合Pro/ENGINEER軟件對驅(qū)動凸輪接觸部分外型進行行為建模的模型情況。通過行為建模，可以及時準確地將優(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，使其運動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)動凸輪進行仿真運動分析獲得的優(yōu)化后凸輪接觸力，凸輪接觸力從原設(shè)計的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。
產(chǎn)品試制和試驗后，產(chǎn)品各項參數(shù)均符合并優(yōu)于原設(shè)計要求，產(chǎn)品設(shè)計取得了圓滿成功。PTC解決方案中設(shè)計數(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行零件加工。無論是把數(shù)字文件直接應用到數(shù)控機床還是為傳統(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)計更改的及時反映提供有效的支持。同時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零部件之間的裝配關(guān)系和間隙進行檢查。
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圖3 采用Pro/Mechanica對機構(gòu)進行仿真運動并優(yōu)化后得到的最終運動速度曲線
圖4 對驅(qū)動凸輪接觸部分外型進行行為建模的模型情況
圖5 對驅(qū)動凸輪接觸部分外型優(yōu)化后得到的凸輪接觸力
5 項目效益和現(xiàn)狀
我們原來使用的CAD設(shè)計軟件主要是二維設(shè)計軟件，由于設(shè)計軟件數(shù)據(jù)集成能力和設(shè)計體系不很理想，加之二維軟件對模型進行仿真分析校驗的能力較差，使得設(shè)計者在設(shè)計階段對產(chǎn)品可靠性的了解僅限于經(jīng)驗值，無法進行細節(jié)性的優(yōu)化設(shè)計，影響了產(chǎn)品開發(fā)速度和效率。通過應用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（從立項到試驗通過），使用5～10人的設(shè)計小組，平均花費需要5年時間。通過應用Pro/ENGINEER及Pro/Mechanica，我們使用4人設(shè)計小組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。同時由于設(shè)計軟件同生產(chǎn)的緊密結(jié)合，設(shè)計差錯減少達80%以上，所有錯誤都能被及時發(fā)現(xiàn)并加以妥善解決�，F(xiàn)在“XGNE-40.5”已完成了產(chǎn)品開發(fā)過程和全部試驗項目，新產(chǎn)品設(shè)計取得了圓滿成功。
6 結(jié)束語
PTC解決方案的應用，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)計更加合理、完美。PTC解決方案這一技術(shù)作為新的設(shè)計手段，正在逐漸被工程界所認識和接納。隨著PTC解決方案在我廠的進一步開發(fā)和應用，必將使我廠在整個設(shè)計、制造觀念上發(fā)生變革，大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，促進我廠產(chǎn)品質(zhì)量的提高，提高我廠應用CAD/CAE/CAM/PDM集成技術(shù)進行信息化產(chǎn)品設(shè)計和制造水平，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。