1 前言
本文介紹項目是天水長城開關廠2002～2003年度的重點新品開發項目，專為青藏鐵路開發的、處于領先地位的新型中壓開關設備“XGNE-40.5”。“XGNE-40.5”是40.5kV電壓等級，采用SF6氣體作為絕緣介質，采用真空開斷的C-GIS開關設備，是國際上新發展起來的高新技術的成套配電裝置。與其他相同電壓等級的開關設備相比較，“XGNE-40.5”具有體積小，可靠性高，免維護等優越性，因而能夠適應各種惡劣的運行環境。
天水長城開關廠是具有33年歷史的、擁有完整的產品系列的、中國年產量最高的專業輸變電開關設備制造企業，主要生產0.4～35kV高壓開關設備、3～35kV高壓電器元件及低壓開關柜。產品廣泛用于國家大、中型電力工程和工業項目，并出口到二十多個國家和地區。
電力是支撐國民經濟建設與發展的重要能源，是我國國民經濟實現可持續發展的基礎。當前我國的電力供應總體上偏緊，電力消費保持高速增長。輸變電設備制造業，尤其是中壓開關制造行業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的沖擊，為加快我廠新型開關設備的產品研發速度，在開關設備的設計和制造中引入新的理念和方法勢在必行。我廠繼產品設計成功地應用二維CAD技術之后，為提高產品設計效能，推動設計工具的標準化，又購買了PTC公司的機械設計自動化軟件系統Pro/ENGINEER、Pro/Motion和Pro/Structure等三維設計軟件進行輔助設計工作。應用PTC解決方案進行了包括“XGNE-40.5”在內的一系列新產品開發項目。
2 采用PTC解決方案的項目目標
（1） 由于市場需求和企業新產品開發計劃的迫切要求，產品必須在兩年內完成從研發到生產的全過程。
（2） 在產品的前期階段能看到產品的三維仿真模型，同時應該可以在三維環境下很輕易地觀察產品模型中任意感興趣的剖面，以作為工程選型的基礎。
（3） 采用自頂向下的裝配設計，在設計中可以先用零部件的外輪部來考慮預留空間，然后在后續的設計中用詳細設計的零部件進行替換。也可以在裝配中進行零件設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） 通過機構分析和產生的動作仿真看到我們所關心的零部件的速度、位置以及加速度，初步驗證機構工作的正確性。
（5） 對產品設計的運動部分進行運動力學方面的研究和優化。
（6） 對產品設計的結構進行研究和優化。
（7） 行為建模生成關鍵零部件關鍵部位的外形。
（8） 產生開關設備裝配過程和聯鎖操作過程的動態演示，為開關設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） 產品設計過程中的數據庫內容全相關性和工程數據的可再利用性。
3 采用PTC解決方案的項目內容
3.1 CAD實體幾何造型（應用Pro/ENGINEER建立數學模型）
采用幾何造型的方法將產品的數學模型在計算機內部建立，在幾何造型時，我們力求做到以下幾點。
（1）明確設計意圖，創建幾何模型，由設計要求導出幾何模型。利用特征和設計基準，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性和參數化。全相關性是指在設計過程中任何一處的變動都會反映到從設計到加工的各個過程，以確保所有零件和各個環節保持一致性和協調性。參數化是指用熟知的特征作為產品的幾何模型的構造要素，通過給這些特征設置參數，然后修改參數很容易地進行多次設計，實現產品開發。
（3） 產品設計中的裝配關系管理。將各個零部件裝在合適的位置上，確定系統部件間的裝配關系，系統會根據給定的約束自動地安排零部件的裝配關系，如改變一零件的裝配相關尺寸，則與它相關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進行優化分析）
（1） 干涉檢查及結構檢查。通過對各零部件的空間體積進行計算，可以及早的發現產品結構設計中相互干涉影響的部分，保證產品設計的正確性。
（2） 進行機構運動仿真。了解機構的運行情況，研究機構的靈敏度，自動地優化機構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系。使用這些計算結果通過改變參數可以實現最佳的設計方案來優化設計。具體地講能完成以下的工作：簡便而快速地校驗機構模型的空間關系；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變化；指定運動驅動器模擬機構運動中的實際載荷；優化機構模型，研究運動過程中各種可能發生的情況時參數及受力情況的變化。
（3） 結構優化設計。在一定載荷的條件下評估產品的性能，預測產品在實際使用環境下的性能，研究哪些設計參數對結構特性有最大的影響，進行幾何形狀優化。對產品設計構想中的任意類型結構進行建模，通過CAE分析結果比較各方案的優劣；施加不同載荷的約束，觀察各參數及相關結構設計變量的變化情況；進行結構形狀優化和靈敏度分析，尋找最佳工作點；針對設計方案，輸出多種格式的結果，方便設計數據的共享。
4 PTC解決方案的實施過程及結果
該作品中應用PTC解決方案按照設計流程主要經歷三個階段（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解決方案的產品開發流程
4.1 研究性開發階段
在研究性開發階段，主要任務是確定今后整體設計的理念和宗旨，即根據設計師的創造性構想，結合設計對象的功能性制定總體設計方案。解決諸如“采用何種結構形式和驅動方式”、“預計達到的參數值是多少”和“采用何種材料”等影響到具體設計階段的問題。主要的工作內容為應用Pro/ENGINEER及相關模塊進行驅動機構最初形式的概念化設計，建立幾種最初構想方案的3D模型，創建相應的布局框架，以直觀的形式比較、確定設計方案，并確定相關需要解決的工程問題，同時決定設計過程中分工和權限分配。
圖2 采用PTC解決方案進行產品設計后建立的3D模型
4.2 具體設計階段
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在具體設計階段，主要是要按照前一階段所確定的設計方案，進一步進行細化設計，確定各零部件的形狀、尺寸以及材料的選擇。同時根據設計中遇到的需要改進之處，在充分論證的基礎上，對總體設計方案進行修正，最終初步完成產品設計圖樣。在具體的工作過程中，我們首先按照設計方案為基準做出相應的產品骨架（Skeleton）模型，然后使用Pro/ENGINEER軟件及其相關的CAD模塊作為設計工具，采用自頂向下的設計方式進行產品具體設計。通過骨架模型，我們得到了諸如產品架構、各種零部件的位置及相互連接等相關信息。這樣，相關設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構形式設計。同時針對設計中暴露出的不足，對設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，設計工程師在較短的時間內就分工協作完成了產品的設計工作設計；我們課題組的4人利用Pro/ENGINEER進行C-GIS的設計，經過兩個月的時間我們已完成總體結構設計。比起通常6～9個月的設計耗時，所用時間不到原有耗時的三分之一，設計效率獲得很大提高。
4.3 設計校驗階段
在設計校驗階段，需要解決“產品結構形式和強度是否可靠”、“運動部分的運動形式和各項參數是否達到要求”、“機構的總體效率如何”、“能量分配是否合理”等問題，同時還須按照預定參數和運動形式的要求，確定關鍵運動零部件（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。為保證產品設計的合理和可靠，這一階段主要是采用Pro/ENGINEER及Pro/Mechanica及相關的CAE模塊，進行了這樣幾項工作：①對驅動機構運動部分的整個運動過程進行仿真運動分析；②對產品設計結構和運動能量分配進行優化處理 ；③針對校驗結果，對機構形式和設計方案進行合理改進 ；④按照優化后外部條件利用行為建模方式生成優化后的關鍵零部件機構和外形尺寸，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化過程，驅動機構的主要運動參數分閘運動速度和機構運動效率獲得了顯著提高。圖3是在利用Pro/Mechanica對機構進行仿真運動分析并進行優化后得到的運動部件速度曲線。原有產品設計能夠達到的運動速度為1200mm/s，儲能彈簧力為5200N，優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，該產品中驅動機構總傳動效率從30%提高到70%。經產品試制后試驗驗證，試驗數據與此相符。
經過第四項的工作，我們利用行為建模功能模塊自動生成了機構優化后的關鍵運動零部件結構和外形尺寸。以驅動凸輪為例，圖4為根據對凸輪接觸部位接觸力進行分析優化的結果，結合Pro/ENGINEER軟件對驅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化結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動凸輪進行仿真運動分析獲得的優化后凸輪接觸力，凸輪接觸力從原設計的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產品的整體可靠性。
產品試制和試驗后，產品各項參數均符合并優于原設計要求，產品設計取得了圓滿成功。PTC解決方案中設計數據庫的相關聯性使得在生產過程中與CAM技術相結合可以方便快捷的進行零件加工。無論是把數字文件直接應用到數控機床還是為傳統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系和間隙進行檢查。
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圖3 采用Pro/Mechanica對機構進行仿真運動并優化后得到的最終運動速度曲線
圖4 對驅動凸輪接觸部分外型進行行為建模的模型情況
圖5 對驅動凸輪接觸部分外型優化后得到的凸輪接觸力
5 項目效益和現狀
我們原來使用的CAD設計軟件主要是二維設計軟件，由于設計軟件數據集成能力和設計體系不很理想，加之二維軟件對模型進行仿真分析校驗的能力較差，使得設計者在設計階段對產品可靠性的了解僅限于經驗值，無法進行細節性的優化設計，影響了產品開發速度和效率。通過應用Pro/ENGINEER及Pro/Mechanica，以該作品為例，傳統方法開發該類開關設備（從立項到試驗通過），使用5～10人的設計小組，平均花費需要5年時間。通過應用Pro/ENGINEER及Pro/Mechanica，我們使用4人設計小組1年半就已經完成了上述工作，工作效率大大提高。新產品上市時間由5年縮短為2年，節約成本在人民幣百萬元以上。同時由于設計軟件同生產的緊密結合，設計差錯減少達80%以上，所有錯誤都能被及時發現并加以妥善解決。現在“XGNE-40.5”已完成了產品開發過程和全部試驗項目，新產品設計取得了圓滿成功。
6 結束語
PTC解決方案的應用，將加快我廠新型開關柜及斷路器、環網柜等產品的研制速度，使它的設計更加合理、完美。PTC解決方案這一技術作為新的設計手段，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和應用，必將使我廠在整個設計、制造觀念上發生變革，大縮短產品開發周期，促進我廠產品質量的提高，提高我廠應用CAD/CAE/CAM/PDM集成技術進行信息化產品設計和制造水平，為我國電力工業提供安全可靠、性能穩定、技術含量高的輸變電設備。