变压器三维设计及构建符合国标的工程图

    1引言
    传统的二维CAD系统可以帮助设计人员把图纸绘制得规范、美观，这样做不但提高了绘图效率，而且便于图纸的修改及管理，起到了"甩绘图板"的作用。与传统的手工绘图相比，对减少产品设计错误、设计更改和返工现象并无影响，但对企业需要的设计质量没有大的提高。而利用三维CAD系统，不但可以方便地设讣出所见即所得的三维实体产品模型，并且还能以这些模型为基础，进行产品装配和干涉检查、对重要零部件进行有限元分析与优化设计以及产品数据共享与集成等。因此目前很多制造行业包括变压器行业在进行产品设计时，逐渐引入三维设计的概念和方法。
    三维设计软件有很多种，其中SolidWorks是由美国Solidworks公司在总结和继承了大型机械CAD软件基础上，开发出的一套三维设计CAD软件。其包括力、热以及流场分析等系统，基本可以满足各种工程需求，因此获得了广泛的应用。
   
    2基于SolidWorks的变压器三维设计方法
    变压器三维设计与二维设计都是在电磁方案完成确定后进行的。三维设计的基本原理与生产实践非常相近，即首先设计产品零件，然后按一定关系装配成一个整体(产品)。这种设计思想在三维设计时又体现为下面两种形式：自上而下(Top Down)的设计和自下而上(Down Top)的设计。
    自下而上的设计是指用户先设计好产品的各个零部件，再运用装配关系把各个零部件组合成产品的设计方法。在装配关系定制好之后，不仅做到尺寸参数全相关，而且实现几何形状、零部件之间全自动完全相关，一旦修改其中一部分，其他与之相关的模型、尺寸等自动更新，不需要人工参与；自上而下的设计是在装配环境下进行相关子部件设计的一种方法，这种设计方法可边设计边装配，与变压器加工过程中的"配制"过程很相似，基本起到了变压器二维设计中"布置图设计"的作用。
    自下而上设计法是比较传统的方法。在自下而上设计中，先生成零件并将之插入装配体，然后根据设计要求配合零件。当使用以前生成的不在线的零件时，自下而上的设计方案是首选的方法。自下而上设计法因为零部件是独立设计的，与自上而下设计法相比，它们的相互关系及重建行为更为简单。使用自下而上设计法可以让设计人员专注于单个零件的设计工作，当不需要建立控制零件大小和尺寸的参考关系时(相对于其他零件)，此方法较为适用。而自上而下设计法则从装配体中开始，这是两种设计方法的不同之处。设计人员可以使用一个零件的几何体来定义另一个零件，或生成组装零件后才添加的加工特征。设计者可以将布局草图作为设计的开端，定义固定的零件位置、基准面等，然后参考这些定义来设计零件。
    这两种设计形式在变压器设计过程中相互配合，一般不单独使用。以下情况下均可首先进行零件设计或部件设计。
    (1)对一些在产品结构中起骨架和基础作用的零件，如变压器铁心柱等。
    (2)对一些结构特征变化不大的零件，如变压器铁心夹件等。
    (3)对一些相对独立性较强的零件，如变压器绕组等。
    (4)对变压器外部装配部件，如储油柜、套管等。
    (5)变压器中用到的一些连接件，如拉螺杆、胶木螺母等。
    而对铁心拉带、铁轭绝缘、高低压引线支架及引线等设计，则一般需要在装配环境下对周围零部件关系进行考察后才进行零件设计。
    零件设计时首先要选定一个绘图基准面，并绘制二维的特征草图，然后利用SolidWorks的拉伸、旋转、切除、扫描和圆角等功能生成零件特征及零件。在变压器三维设计中，零件设计是产品设计的基础，这点与生产实践过程完全一致，零件设计好后，即可进行变压器产品装配，并按所需视角生成工程图。
   
    3变压器铁心参数化设计
    变压器设计包括铁心设计、高低压绕组设计、端绝缘设计、高低压引线设计和总装配设计等。铁心是变压器的磁路和骨架，也是三维建模的基础。设计时首先应根据变压器电磁方案设汁铁心柱，然后设计铁心夹件、夹件绝缘及夹件连接等。铁心设计可根据铁心截面参数、窗高及中心距等数据，把铁心柱作为一个零件，利用SolidWorks的基本方法逐级绘制草图，如图1所示，拉伸后如图2所示，生成铁心柱零件特征。铁心柱在结构上一般具有较强的规律性，而铁心柱设计本身是一件较为繁琐的工作，因此这里可借助SolidWorks提供的数据驱动的参数化设计方法进行设计，这样在进行其他产品铁心柱三维设计时，只需对铁心参数进行修改，即可自动生成铁心柱零件。但利用逐级拉伸铁心生成铁心柱的方法中重复参数较多，因此，笔者推荐一种从四分之一截面开始的铁心柱三维造型方法。
     首先在右视基准面上绘制四分之一的铁心柱截面，然后进行上下及左右草图"镜像"生成一个完整的截面。在前视基准面上按变压器铁心窗高、中心距数据绘制一个铁心框的中心线，中心线须垂直通过截面中点，然后进行"扫描"，即可生成一个铁心框，并利用特征"镜像"功能生成铁心柱零件。
    铁心柱成型后，建立一个装配体，把铁心柱零件作为装配体的基础并固定。根据变压器设计原则即可对变压器铁心夹件、连接件和拉带进行设计。如前所述，铁心夹件的设计可根据计算数据单独进行，然后插入到装配体中，并建立与铁心柱的装配关系，也可在装配环境下进行设计。
     而对于拉带这样的零件，在设计时一般是离不开装配体的参照关系的。在设计时首先把夹件、夹件绝缘和U型螺杆等装配到位后，利用在装配体中"插入新零件"的方法进行零件设计。在零件设计时，利用"捕捉"铁心和U型螺杆上特征点及对特征线进行"转换实体引用"等方法进行零件草图绘制，然后利用拉伸方法即可分别设计出拉带垫纸和拉带等零件。

4变压器器身、引线及总装配设计
   
    变压器电磁方案确定后，根据铁心窗高和绕组计算高度进行绕组和上下铁轭绝缘高度方向的尺寸分配。因为变压器绕组相对独立，所以高低压绕组可单独进行设计并进行装配。但绕组图一般只进行外型尺寸和引线出头设计，对绕制特点在三维模型中很难进行详细描述，因此在生成工程图纸时还需配合其他方法(如工艺加工图等)进行说明。变压器铁心、绕组、铁心夹件和铁轭绝缘装配后的三维模型。
    变压器器身设计完成后，开始变压器引线设计。引线设计时需要考虑引线与变压器铁心、夹件、油箱、开关及引线与引线之间绝缘距离关系，因此不论是二维还是三维，引线设计是重点。在二维设计中，主要通过布置图并配合绝缘距离进行引线设计，而在三维引线设计中，则可直接进行引线布置，然后对绝缘距离通过测量核算的方法进行。变压器引线设计是使引线布置在绝缘距离上满足要求，引线设计的结果一般表现为引线支架。
   变压器引线表现为空间形式，因此在三维建模时，变压器引线建模是较为复杂和繁琐的一项工作，一般可通过绘制空间线，选择引线截面然后进行扫描的方法来进行。对三相线一般可建立几个绘图平面，找出平面上特殊点，然后利用空间线连接起来即可。而对于分接引线，一般分为两步进行，木夹件以下部分设计与上述方法基本相同，这里不再赘述。木夹件以上部分，因空间关系非常复杂，因此可首先确定开关及分接引线在线夹上的夹紧位置，在上视基准面或平行基准面(这里定义菇吆平面)上用多根短三维空间线勾绘出分接线从开关接线柱到线夹处的轨迹，即二维意义上的分接线(中心线)俯视图。这时的三维空间线其实是位于一个平面上，然后调节三维空间线顶点Y坐标值，并分别按导线截面进行扫描，即可达到所需效果。引线确定后，即可进行木夹件的设计。只绘出箱盖以下部分，并且分接线对A、C相分接引线进行了隐藏处理。
    最后进行变压器总装配设计。在进行变压器总装配设计时，一般需提前完成油箱(含散热器)、箱盖、储油柜，高低压套管等的设计。在进行三维建模时，变压器油箱一般应在引线设计完成后进行。如进行分组设计，则应根据设计制造经验计算给出引线空间及油箱内尺寸，这样油箱和器身可同时设计，并按预定时间进行装配，具有比较高的设计效率，变压器装配效果如图11所示(该变压器无散热器)。三维模型建立后，利用三维模型即可生成工程图纸。
    在三维建模过程中，应注意以下几个问题。
    (1)设计零件时，一般可考虑把零件中心线与默认绘图基准面交叉线重合，这样可使零件具有一个较为简单的装配基准，便于确定零件的装配关系。
    (2)三维建模时，可参照变压器习惯的隶属关系，把相关零件组成一个装配关系。为便于文件管理，可把上一装配体作为下一装配关系中的子装配体。如模型复杂，计算机运算速度受限时，可结合使用零部件轻化及隐藏等方法以减小计算机运算量。
    (3)三维建模过程中，为便于区分零部件或便于确定装配关系，可设定零件材质及零件表面颜色。

5 工程图模板及工程图的生成
    三维设计的核心任务就是构造三维零件和装配体模型，然后利用构造好的三维零件和装配体可直接生成工程三视图。工程图对于产品设计有重要的作用，它是传递产品工程信息的规范，在三维零件制作完成后，需要按照一定标准规范绘制工程三视图。但SolidWorks默认的工程图模板是基于美国标准的，模板所设置的标题栏及标注格式等并不符合中国国标，因此需要构建符合国标的工程图模板。在SolidWorks中，工程图模板制作可分为两步：图纸格式的设置和工程图模板设置。
   
    5．1 图纸格式的设置
    主要任务为设置图框和标题栏内容，具体可进行如下操作。新建一个工程图，工作区域出现图纸，然后右键单击工程图纸空白处，从弹出菜单中选择"属性"，在"图纸格式／大小"中勾选"自定义图纸大小"，并按照"GB／T 14689-1993技术制图图纸幅面和格式"中图纸要求进行设置。以A3横放工程图为例，其选择尺寸为"420mmx297mm"。
     然后再右键单击图纸空白处，选择"编辑图纸格式"，切换到编辑图纸格式状态下，利用"直线"或"矩形"绘制功能绘制图框和标题栏线段，并根据国标要求利用"智能尺寸"功能对线段位置及长短进行约束，制作出符合国标的工程图框。绘制完成的图框如图12所示。
     全部绘制完成后，单击菜单"视图"，选择"显示／隐藏注解"命令，可隐藏标注的图框尺寸。如上所述，直接利用相关国家标准来绘制图框是很繁琐的，因此如果能够利用设计部门现有AutoCAD图纸模板进行转换，将使工作变得简单。具体实现方法为：首先把CAD图框按"AutoCAD 2000／LT2000 DXF"格式进行保存，然后在SolidWorks中打开该文件。点击下一步，并设置数据单位为"mm"，纸张大小按预定义进行修改即可，示例中为"A3一横向"。
   
    5．2工程图模板设置
    图纸格式设置完成后，可赋名保存为"图纸格式"文件。然后打开"工具"及"选项"对话框，选择"文件属性"进行参数设定，如图15所示。文件属性设定包括：网格间距，延伸线和折断线间距，折断尺寸间隙，注释水平折线长度，零件水平折线长度，箭头大小和剖面视图箭头大小，文字比例和文字显示大小及材料密度等内容。
    文件属性设定完成后，把该文件另存为"工程图模板"类型文件即可。
   
    5．3工程图的生成
    三维零件模型构建完成后，新建一个工程图文件、选择自制的符合国标的工程图模板，然后按视图要求生成二维图形，并进行标注，则该CAD图即是符合国家标准规范的工程图。
     如果是装配体，则还需对明细表进行改造。具体改造方法为首先按默认明细表模板生成一个明细表，然后对表格属性、表格格式等进行参数设定，通过插入新的列表格，调整列顺序、列宽度等使其尽量符合国标，最后右键单击明细表，可把该明细表赋名保存为"明细表模板"文件。明细表模板制作完成后，即可选择自制明细表模板生成装配图明细表，图17为配电变压器下夹件工程图。

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