Pro/E在低压电器产品检验中的应用

曾作钦

（1 福建省产品质量检验研究院，福建 福州 350002）（2 国家低压开关电器产品质量监督检验中心，福建 福州 350002）

1 引言

Pro/Engineer(以下简称Pro/E)是由美国参数技术公司(PTC)推出的一款由设计到制造的一体化三维设计软件。该软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在三维造型软件领域中占有着重要地位，作为当今世界相关专业领域的新标准而得到业界的认可和推广[1]。它涵盖了产品从概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算、动态模拟与仿真、工程图输出，到生产加工成品的全过程，其中还包含了大量的电缆及管道布线、模具设计与分析等实用模块[2-6]。

在低压电器相关领域，Pro/E也同样得到了广泛应用。文献[4]利用 Pro/E 的 mechanism 模块对开关电器操动机构进行运动学分析，将产品的优化修改工作提前到设计阶段，提高设计产品的成型效率、精确度以及实用性能；文献[5、6]将Pro/E与ANSYS结合分别应用到电器元件产品和成套产品的设计优化中，为解决这些产品在设计、生产方面的问题提供理论依据和指导，提高产品的性能。而与这些不同，该文尝试将Pro/E应用到低压电器产品的检验中，以提高电器产品的检验效率，更好地服务企业，下面将展开这方面应用的研究。

2 问题的提出

随着我国智能电网建设的开展、工业生产电气化和自动化程度的提高，电器产品所起的作用越来越大，因此，保证其产品质量、产品能稳定运行以及性能良好具有重要的意义。而低压电器产品检验是鉴定其产品质量的一个重要方法，通过检验可以检查、验证产品的性能是否符合相关标准的规定；检查产品在制造上是否存在影响运行的缺陷；另外，通过对检验结果的分析可以判断产品的性能，找出改进设计、提高工艺性的途径，以设计、生产出优质的产品。

在低压电器产品的检验过程中，试验前的准备工作影响到检验的严格性、试验的顺利开展以及检验结果的可靠性，起着非常重要的作用。我们知道在进行大电流（如几十千安的电流）试验时，会产生巨大的电动力，如果样品安装不当，将会造成不可预测的危害。因此，在准备工作中，就包含着样品安装这个重要的工序，然而由于新产品层出不穷，产品规格多样化，一些传统的安装方法、安装工装等已无法满足新产品进行相关试验可靠安装的要求，必须设计加工专用的匹配工装。

另外，企业研发的同一批同类产品也会有很多的不同规格，进行试验就需要各种相互匹配的工装，其设计加工过程必然要耗费大量的时间，如果将这部分工作在企业产品送到之后才开始，就会大大增加该类产品的试验周期，无意识地延长了企业在该类产品上的研发周期；相反地，如果企业在进行试验联系预约时，就提供相应的产品尺寸参数，试验站就提前进行设计并加工，大大地缩短试验周期，为企业提供更高效的服务。

3 Pro/E的部分功能介绍

Pro/E是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋、槽、倒角和抽壳等，而采用这种手段建立的形体就自然、直观，无需采用复杂的几何设计方式，主要功能及特点如下：

（1）特征驱动（例如：筋、槽、倒角等）；

（2）参数化（参数=尺寸、图样中的特征、边界条件等）；

（3）通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间的关系来进行设计；

（4）支持大型、复杂组合件的设计（规则排列的系列组件、交替排列等）；

（5）贯穿所有应用的完全相关性（任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动），其它辅助模块进一步提高扩展 Pro/E的基本功能。

该造型不单可以在屏幕上显示，还可以输出二维和三维图形给予其它应用软件使用，如有限元分析及后置处理等，用户更可配上 Pro/E软件的其它模块或自行利用 C语言编程，以增强软件的功能。它在单用户环境下具有大部分的设计能力，组装能力和工程制图能力，并且支持符合工业标准的绘图仪。它的工程制图能力，包括：自动尺寸标注、参数特征生成，自动生成投影面、截面和局部视图等。而Pro/DETAIL扩展了Pro/E这些基本功能，允许直接从Pro/E的实体造型产品按ANSI/ISO/JIS/DIN标准生成工程图。这些扩展功能包括：全几何公差配合、字符高度控制、用户自定义字体、扩展视图功能、多层零件图和布置图等。下面以一种低压电器产品为例，利用Pro/E来解决前面提出的问题。

4 Pro/E在实际检验中的应用

母线夹是一种支持、固定母线的绝缘件，其功能是将母线固定在母线桥架上，并与桥架绝缘，适用于各种低压开关、配电柜。该产品的行业标准JB/T 10316-2002规定试验项目中的短路耐受强度验证试验要求：如图1所示，将母线夹固定在金属支架上，按GB7251.1-2005中表4规定系数的标准值和相应的功率因数通以短路峰值电流，时间为0.1s，试验3次，每次母线夹A1、A2、A3安装位置互易。

图1 母线夹短路耐受试验原理图

如果没有相关的试验经验，只从图1去分析，似乎整个试验安装很简单，并不像前面描述的这么困难。可是，事实却完全相反，我们知道为了满足不同低压开关、配电柜中母线走线的要求，企业所设计母线夹的总体尺寸，母线夹中母线的安装尺寸（包括安装深度、安装间距等）都不一样。因此，要保证可靠、安全的安装，至少需要配备以下三种工装：与母线夹尺寸匹配的母线末端短接排；与实际试验断口尺寸相符的母线前端转接排；整个母线系统（包括母线夹和母线排）的合理固定支架。

图2所示为利用Pro/E所绘制的某企业新研发的母线系统的布置图，横向布置的是母线夹产品，纵向布置的是配合母线夹进行试验专用的母线排。

图2 母线系统的布置

根据母线系统的尺寸参数以及满足所需短路试验电流的试验断口的尺寸，利用Pro/E进行了所需试验工装的设计，并与母线系统进行了模拟对接安装，得到的总装效果如图3(a)所示。从图中可见，在该母线系统末端，我们结合母线排的布置，将短接排设计成宽度不一的两个U型排，分别搭接在每极母线排的夹缝里，使得整个系统显得更加可靠；在母线系统前端，转接排的B极设计成简单的直排，而A、C极设计成中间带有一定折角的折线排，这样能使母线系统与试验断口间实现可靠的对接，保证试验安全地进行；在母线系统下方，设计了带有间断性开槽的横担，通过安装螺杆将母线系统与横担锁紧，再将横担安装在固定试验支架上即可。为了能更清楚看到母线系统总装中各部分的实际造型，这里另外提供了该总装的分解图，如图3(b)所示。至此，利用Pro/E完成了母线夹产品试验前所需的工装核心部分的设计。

图3 母线系统部分的总装及其分解

接下来，我们利用Pro/E对实际的试验断口也进行三维造型，再将图3(a)所示的母线系统总装与试验断口进行连接，如图4所示。从图中可以清楚看到，试验断口的三个极分别与母线系统的三个极的连接稳定可靠，所设计尺寸也合理。需要说明的是，母线夹下方用于安装母线夹的横担的固定支架采用普通的固定支架即可，因此在此图中未画出；而上文设计时在横担上留间断性开槽是为了方便与固定支架进行安装固定。

图4 母线系统与试验断口的连接

最后，需要做的就是将所有利用Pro/E设计的工装造型的工程图导出，并标上相应的尺寸，然后提供给企业或加工厂加工即可。图5所示为母线系统中A极前端转接排所导出的工程图，图中尚未标注任何尺寸。

图5 母线系统A极前端转接排工程图

为该系列母线夹产品设计的所有工装，经过实际试验的验证，都是合理、稳定、可靠的。此外，将产品试验所需的工装设计加工提前到企业产品送达之前完成，在企业产品送达之后，我们快速地完成相应的试验，大大提高了服务效率，得到了企业的好评。可见，Pro/E的三维造型及其工程图等功能在低压电器产品检验的前期准备阶段表现出不可忽视的作用。

4 结论

传统的安装工装已无法满足不断更新、变化的电器产品进行相关试验可靠安装的要求。研究尝试展开三维造型软件Pro/E在这方面的应用研究，并结合母线夹产品，依据实际试验所需，利用Pro/E设计了该产品进行短路耐受试验所需的后端短接排、前端转接排和下方的安装横担等工装，并与母线夹产品进行了组装，与试验断口进行了模拟连接，最后通过试验验证表明，所设计工装是合理、可靠的。这种方法可实现将产品安装工装的设计加工阶段提前完成，有助于缩短产品的试验周期，提高检验机构的检验和服务效率。

[1]支保军.Pro/ENGINEER Wildfire 5.0中文版入门与提高[M].北京: 清华大学出版社, 2011.

[2]邢亮,沈豫鄂.PROE运动仿真中单向匀速电机实现往复直线运动的方式及分析[J].舰船电子工程:2009,(9).

[3]冯方,胡国军.基于PROE的平面度数据处理分析[J].实验室研究与探索:2012,(6).

[4]伦智达,赵鹏睿,方俊元.基于Pro/E的高压开关分-合闸运动仿真分析[J].仪器仪表与分析监测:2013,(1).

[5]蒋昌华.基于虚拟样机塑壳断路器的运动仿真与优化设计[D].无锡: 江南大学, 2008.

[6]丁杰,荣智林.基于ProE和ANSYS的变流器柜体结构分析[J].变流技术与电力牵引:2008,(2).