朱 潔

（中國(guó)東方電氣集團(tuán)有限公司中央研究院，四川成都，611731）

運(yùn)用TOP-DOWN設(shè)計(jì)方法將參數(shù)模型建立在骨架基礎(chǔ)上，使零件設(shè)計(jì)基于參數(shù)和骨架定位的關(guān)系。TOP-DOWN設(shè)計(jì)首先采用三維空間坐標(biāo)點(diǎn)、樣條線、多截面曲面把整機(jī)框架設(shè)計(jì)好，然后結(jié)合幾何體骨架技術(shù)設(shè)計(jì)相關(guān)部套骨架，最后進(jìn)行零件實(shí)體設(shè)計(jì)。在預(yù)裝配的數(shù)字樣機(jī)上即可檢查干涉和修改設(shè)計(jì)中的不協(xié)調(diào)，使設(shè)計(jì)不斷優(yōu)化。

1 總體骨架設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)水輪機(jī)總體骨架，機(jī)組參數(shù)設(shè)置方案有制定水機(jī)流道圖、大部套之間配合面、導(dǎo)葉布置圖、接口尺寸、重要關(guān)聯(lián)尺寸。確定機(jī)組的主要參數(shù)包括轉(zhuǎn)輪直徑D(mm)、額定出力Nt(kW)、額定轉(zhuǎn)速n(r/min)、主軸參數(shù)、抬機(jī)量(mm)、主軸密封參數(shù)、水導(dǎo)軸承參數(shù)、導(dǎo)葉布置圖參數(shù)、部套間緊固件參數(shù)。

發(fā)電機(jī)總體骨架，采用Insert Body骨架Publication設(shè)計(jì)方法，機(jī)組參數(shù)設(shè)置方案包括計(jì)算發(fā)電機(jī)總裝高層位置、各部套位置尺寸及各部套把合螺栓位置。確定機(jī)組的主要參數(shù)包括總裝參數(shù)、重要高程參數(shù)、定子參數(shù)、轉(zhuǎn)子參數(shù)、軸承參數(shù)、上機(jī)架參數(shù)、下機(jī)架參數(shù)、輔助部套參數(shù)。

（左）水輪機(jī)骨架（右）發(fā)電機(jī)骨架

2 主要部套設(shè)計(jì)

2.1 水輪機(jī)部套

2.1.1 轉(zhuǎn)輪裝配三維模板設(shè)計(jì)

利用CATIA的參數(shù)化設(shè)計(jì)，以混流式為例在同型號(hào)轉(zhuǎn)輪三維模板的設(shè)計(jì)中流道、葉片的三維實(shí)體模型可進(jìn)行比例縮放；在不同型號(hào)轉(zhuǎn)輪三維模板的設(shè)計(jì)中主軸根據(jù)傳遞扭矩，采用參數(shù)化關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，在公式編輯器中做修改便能快速生成新的三維模型。上冠、下環(huán)采用對(duì)截面草圖及Design Table進(jìn)行調(diào)整的方法就能快捷、直觀地完成新的上冠、下環(huán)模型。

2.1.2 主軸的計(jì)算

通過添加Parameters和Relations計(jì)算得到主軸直徑，當(dāng)轉(zhuǎn)輪直徑改變時(shí)通過CATIA公式編輯器計(jì)算，便得到相應(yīng)參數(shù)驅(qū)動(dòng)模型變形。主軸計(jì)算參數(shù)：額定出力Nt（KW）、額定轉(zhuǎn)速、主軸軸徑上限、主軸軸徑下限、主軸軸徑修正值等。

主軸計(jì)算公式編輯為：

主軸傳遞扭矩

f(x)=round(97400*‘主軸計(jì)算參數(shù)額定出力Nt(KW)’/‘主軸計(jì)算參數(shù)額定轉(zhuǎn)速’/1000)/100

主軸軸徑（Dz）

f(x)=round((‘主軸計(jì)算參數(shù)主軸軸徑上限’+‘主軸計(jì)算參數(shù)主軸軸徑下限’)/2mm)*1mm+‘主軸計(jì)算參數(shù)主軸軸徑修正值’

主軸法蘭轉(zhuǎn)輪端直徑（Df）

f(x)=‘主軸參數(shù)主軸軸徑（Dz）’+‘主軸參數(shù)主軸轉(zhuǎn)輪把合螺栓直徑’*5-15mm

主軸設(shè)計(jì)運(yùn)用主軸參數(shù)關(guān)聯(lián)EXCEL設(shè)計(jì)表，添加了參數(shù)關(guān)系的尺寸由設(shè)計(jì)表數(shù)據(jù)控制就可以逐漸在EXCEL設(shè)計(jì)表中存放一系列的數(shù)據(jù)，使模板設(shè)計(jì)內(nèi)容不斷豐富起來。

主軸扭矩曲線和參數(shù)設(shè)計(jì)表

2.1.3 轉(zhuǎn)輪葉片模型

轉(zhuǎn)輪葉片模型設(shè)計(jì)是由幾百個(gè)空間坐標(biāo)點(diǎn)連成樣條線構(gòu)成多截面曲面后生成零件實(shí)體?？臻g坐標(biāo)點(diǎn)輸入Excel表，用Visual Basic及宏命令導(dǎo)入CATIA。當(dāng)坐標(biāo)點(diǎn)連成樣條線時(shí)便能清晰地看出截面形線的光順度，這時(shí)可以對(duì)曲面設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。為了提高葉片曲面模型設(shè)計(jì)中葉片表面質(zhì)量為數(shù)控加工做準(zhǔn)備，需要建立幾何圖形集把多截面曲面化分出更細(xì)致的輪廓線和引導(dǎo)線，構(gòu)成網(wǎng)狀曲面。最后由優(yōu)化后的曲面橋接、結(jié)合成封閉曲面生成實(shí)體葉片。

混流式和軸流轉(zhuǎn)漿式轉(zhuǎn)輪三維模型

2.1.4 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)

Catia在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可使用參數(shù)修改，觀察導(dǎo)葉在不同開度時(shí)大耳孔行程，并做出大耳孔行程和導(dǎo)葉開度的關(guān)系曲線圖。通過Product Engineering Optimizer和Run Optimization產(chǎn)生活動(dòng)導(dǎo)葉立面密封的最佳搭接位置，當(dāng)調(diào)節(jié)活動(dòng)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角參數(shù)時(shí)活動(dòng)導(dǎo)葉會(huì)旋轉(zhuǎn)到全關(guān)或全開位置。三維動(dòng)態(tài)分析實(shí)現(xiàn)了空間尺寸的精確測(cè)量和工藝的優(yōu)化。

軸流式水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)

貫流式水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)

2.2 發(fā)電機(jī)部套

2.2.1 定子轉(zhuǎn)子模型設(shè)計(jì)

定子機(jī)座采用Generative Sheetmetal Design設(shè)計(jì)，可方便鈑金展開后在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行下料。定子鐵芯沖片、轉(zhuǎn)子磁軛采用單實(shí)體建模，節(jié)省軟件占用內(nèi)存。定子線圈采用Generative Shape Design和知識(shí)模板建模，通過Knowledge Advisor的Loop命令將visual basic設(shè)計(jì)程序融入產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)子主軸承受額定轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子支架主要承受額定轉(zhuǎn)矩、重力、磁極及磁軛、轉(zhuǎn)子支架本身離心力及熱打鍵徑向配合力。catia模型的建立直接影響強(qiáng)度和剛度分析的結(jié)果。

定子和轉(zhuǎn)子三維模型

2.1.2 上機(jī)架、下機(jī)架模型設(shè)計(jì)

機(jī)架定位面在總體骨架設(shè)計(jì)時(shí)便已確定，將publish的高程面載入部套設(shè)計(jì)。發(fā)電機(jī)上、下機(jī)架、推力軸承、導(dǎo)軸承可建立通用件模型庫(kù)。在top-down設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的改變通過控制結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵參數(shù)實(shí)現(xiàn)，參數(shù)改變將由Formula計(jì)算被自動(dòng)傳遞到子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

上下機(jī)架及軸承三維模型

3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)

CATIA的Catalog Browser可以將軸承、閥門、標(biāo)準(zhǔn)件、通用件等在庫(kù)編輯器形成不同型號(hào)參數(shù)的session document，形成知識(shí)模板User Feature輸出，可以優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提升設(shè)計(jì)手段，縮短設(shè)計(jì)周期。

運(yùn)用CATIA三維設(shè)計(jì)軟件的用戶定義的知識(shí)模板和Knowledge Advisor設(shè)計(jì)重要部套，通過用戶交互模型建立知識(shí)工程庫(kù)。利用由Knowledgeware模塊提供的函數(shù)功能、高級(jí)測(cè)量、方程式建立和參數(shù)關(guān)系管理工具獲取的知識(shí)可以用在協(xié)同產(chǎn)品開發(fā)中，豐富產(chǎn)品開發(fā)流程。Knowledge Advisor模塊下Parameters Explore在設(shè)計(jì)中的靈活使用，使產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)及技術(shù)革新在產(chǎn)品開發(fā)階段得以實(shí)現(xiàn)。

燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組

軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機(jī)組（左）水機(jī)部分 （右）電機(jī)部分

4 結(jié)論

CATIA三維top-down設(shè)計(jì)把結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)用參數(shù)的形式進(jìn)行控制，在不同的型號(hào)的零部件設(shè)計(jì)中，不用重新繪制三維模型，只須輸入變化的控制數(shù)據(jù)就可以進(jìn)行變形設(shè)計(jì)，節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間，從而達(dá)到把更多設(shè)計(jì)時(shí)間用于優(yōu)化設(shè)計(jì)方面。CATIA三維建模使結(jié)構(gòu)分析、重量計(jì)算、干涉檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)仿真和數(shù)字加工在設(shè)計(jì)過程中模擬完成，節(jié)省了材料和生產(chǎn)費(fèi)用。Catalog Browser和design table的使用為設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立打下了基礎(chǔ)，CATIA三維軟件建立的設(shè)計(jì)技術(shù)交流共享平臺(tái)，適時(shí)更新的數(shù)據(jù)為相互關(guān)聯(lián)的部套設(shè)計(jì)提供更好的參照，為企業(yè)的新產(chǎn)品開發(fā)節(jié)約了成本。

[1]程良駿.水輪機(jī).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

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[3]毛君，陳洪月，謝苗.基于pro/E的自頂向下的產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2007.