基于ProE的GTH22热继电器设计.docx
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基于ProE的GTH22热继电器设计
毕业设计（论文）
题 目：
基于Pro/E的GTH-22热继电器设计
系 部：
信息技术系
专 业：
低压电器制造及应用
学 号：
学生姓名：
导师姓名：
导师职称：
二○一四年五月
摘要
随着全球科技快速的发展，使全球经济一体化深入，中国作为发展中国家之一，其制造业是国民经济的命脉，机械制造业又是制造业中的支柱与核心，而在温州柳市地区拥有很浓厚的低压电器制造行业的氛围，足以证明电器行业在国民经济中起到举足轻重的作用。
计算机集成制造（CIM）已经成为现代企业科技进步和实现现代化的标志，我们将用计算机辅助制造工程技术（Pro/ENGINEER）对我国传统产业进行改造，是我国制造业走向世界、走向现代化的必经之路，将电器行业推向了一个新的里程牌。
本课题在研究热继电器产品设计及相应软件系统的基础上，对热继电器CAD三维设计系统的进行开发，为低压产品CAD设计系统的设计工作提供一种模式。
此系统具备了产品参数化绘图、装配、动态仿真等多种功能，能够在某种程度上代替设计人员完成设计、计算、校验及图形处理等一系列繁琐的工作从而大大缩短设计周期，减轻设计人员的劳动强度，提高设计效率。
热继电器是低压电器产品中的一种保护电器,是电动机过载保护的元件，其具有结构简单、体积小、使用方便等优点，并且常与接触器相互配合使用于三相交流电动机的断相保护和过载保护。
在实际工作中由于热继电器选用不合理造成电动机烧毁的情况也时常发生，因此选用合理的热继电器对电动机的过载保护和断相运行具有非常好的作用。
为了更好地提高热继电器可靠性、经济性与实用性，我们采用Pro/ENGINEER辅助制造工程技术进行热继电器设计与改造，从计算机电脑中实现3D视图并且进行模拟运动仿真现象，从而更清楚实现产品设计与工艺，为设计者得以在节省时间及设计成本的同时，扩充现有软件系统的投资，达到在生产上缩短生产周期，提高工作效率。
【关键词】Pro/ENGINEER；热继电器；装配；运动仿真
引言
随着全球科技快速的发展，使全球经济一体化深入，中国作为发展中国家之一，其制造业是国民经济的命脉，机械制造业又是制造业中的支柱与核心，而在温州柳市地区拥有很浓厚的低压电器制造行业的氛围，足以证明电器行业在国民经济中所发挥的作用越来越明显。
机械、电子、石油、汽车、建筑五大支柱产业都需要电器行业的发展与之结合适应。
可以说电器行业的发展已成为关系到国家新技术产业化的重要因素，而电器CAD是现代电器行业发展中的一个重要环节。
在现代社会生产领域中，计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助管理以及将它们有机地集成起来的计算机集成制造（CIM）已经成为现代企业科技进步和实现现代化的标志。
用计算机辅助制造工程技术（Pro/ENGINEER）对我国传统产业进行改造，是我国制造业走向世界、走向现代化的必经之路，将电器行业推向了一个新的里程牌。
近年来，由于计算机技术、三维彩色图形仿真技术和软件编程技术的飞速发展，电器CAD受人们的重视程度越来越明显。
计算机绘图从二位平面图发展到三维立体图，计算机辅助设计也已从二维设计发展到三维设计。
三维模型具有很强的可观性，能够准确反映设计者的设计思想。
因为设计和制造领域面过于复杂，所以任何一个CAD软件都无法应付所有的专业分支。
企业需要提高设计效益、降低成本、缩短设计周期，也就是需要高效率的应用CAD设计软件时，就需要对商业的CAD软件进行一些插图设计，也就是我们所说的二次开发。
电器行业产品的开发，我们不但要对产品开发软件的造型功能进行专业化改造，还要开发电器产品特有的设计模块。
现在的CAD系统，如Pro/ENGINEER、UG、SolidWorks等，都是比较通用的大型三维软件设计系统。
在传统的设计过程中，设计人员必须花大量时间和精力去查手册、手工计算等步骤。
因此此类软件的基础上开发出适合电器行业的功能插件，将会大大提高产品的设计效率，加快产品的更新速度，从而提高企业的市场竞争能力。
如何用Pro/E软件让电器产品的设计和生产，是一个亟待解决的问题。
第1章Pro/E软件技术简介及应用
1.1Pro/E技术介绍
PTC公司成立于1989年，是目前三大设计软件公司最年轻的，拥有最先进的技术，Pro/E（Pro/Engineer操作软件）是美国参数技术公司（ParametricTechnologyCorporation，简称PTC）的重要产品。
在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一。
特别是在国内产品设计领域占据重要位置。
1.2Pro/E主要特性
（1）参数化设计：
相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。
（2）特征建模：
Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。
这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。
（3）单一数据库：
Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。
所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。
换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。
这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。
这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。
（4）直观装配管理：
Pro/ENGINEER的基本结构能够使利用一些直观的命令，例如“贴合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。
高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制
（5）易于使用：
菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。
1.3CAD技术的改革和发展
①第一次CAD技术创新--曲面造型技术
20世纪70年代，为解决飞机和汽车制造中遇到的大量的自由曲面问题，出现了贝塞尔算法，使人们利用计算机处理曲线及曲面问题变得可行，同时也使得法国达索飞机制造公司的开发者能在二维绘图系统CAD/CAM的基础上，开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统CATIA。
它的出现，标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来，首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得CAM技术的开发有了实现的基础。
②第二次CAD技术创新--实体造型技术
基于对CAD/CAE一体化技术发展的探索，SDRC公司于1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件--I-DEAS。
由于实体造型技术能够精确表达零部件的全部属性，在理论上有助于统一CAD\CAE\CAM的模型表达，给设计带来了惊人的方便性，它代表着未来技术的发展方向。
③第三次CAD技术创新--参数化技术
进入20世纪80年代中期，CV公司内部以高级副总裁为首的人员提出了一种比无约束造型更新颖、更好的算法--参数化实体造型方法。
从算法来说，它主要有以下特点：
基于特征的设计、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。
由于CV公司内部否决了参数化技术方案，研究参数化技术的人员在新思想无法实现时集体离开了CV公司，另成立一个参数化技术公司（PTC），开始研制命名为Pro/ENGINEER的参数化软件。
20世纪90年代，参数化技术变得成熟起来，充分体现出其在许多通用件、零部件设计上存在的简便易行的优势。
④第四次CAD技术创新--变量化技术
SDRC公司以参数化技术为蓝本，提出了一种比参数化技术更先进的实体造型技术--变量化技术。
变量化技术既保持了参数化技术的优点，同时又克服了它的许多不足之处，变量化技术的成功应用，为CAD技术的发展提供了更大的空间和机遇。
同时，SDRC公司的I-DEAS成为美国福特汽车公司首选的CAD/CAM软件。
1.4国内外的电器设计研究进展状况
目前国内外机械制造业中应用较广泛的CAD/CAM软件有Pro/ENGINEER、AutoCAD、MasterCAM、Unigraphics（简称UG）。
Pro/ENGINEER是一套具有优秀的三维造型功能、强大的参数化设计和统一数据库管理等特点的CAD/CAM软件，而AutoCAD有完善的二维工程图样设计功能。
因而，结合Pro/ENGINEER的特点进行产品的三维参数化设计，利用AutoCAD强大的二维绘图功能，进行图样的处理和方案保存，是一种可行而有效的方法。
又如，MasterCAM在中小型模具制造企业中应用较普遍，但其CAD部分功能相对较弱，进行复杂曲面、实体造型时较困难因而，可以结合Pro/ENGINEER的特点进行产品的参数化实体设计，再导入MasterCAM中进行NC程序的编制。
而UG软件在数控加工市场具有良好的口碑，占有大量的市场，尤其在高端多轴精密加工市场占有领先地位，但其设计软件市场占有率不高，UG本身没有良好的分析工具，因此其分析功能主要是借用第三方软件。
据调研显示，河北工业大学基于PROENGINEER的交流接触器三维设计系统中将CJ-20交流接触器的三维设计并将其参数化设计建立了数据库，由此更好的设计产品并进行加工制造。
Pro/e与传统的二维软件设计产品相比，产品从方案设计到投产得开发时间可缩短60%，且提高了产品质量。
改模次数也从原来的几十次减少到现在的几次，甚至不用修改，大大节省了改模费用和时间。
用pro/e渲染过的三维产品形象逼真，在产品开发前期就可在计算机中看到虚拟样机，深受客户的青睐。
第2章低压电器设备及热继电器介绍
2.1低压电器的概念
低压电器是用于交流额定电压1200V及以下和直流额定电压1500V及以下电路中起通断、保护、控制、及调节作用的电器。
低压电器又分为低压配电电器和低压控制电器。
低压熔断器是配电器之一，除此之外还有开关和断路器。
低压配电电器的作用是在低压配电线路中，对线路和设备进行保护，以及通断、转换电源或负载。
2.2热继电器介绍
2.2.1热继电器的原理
热继电器是用于电动机或其它电气设备、电气线路的过载保护的保护电器。
它是利用电流的热效应原理来工作，其主要部分是由双金属片组成过电流元件的保护电器。
而双金属片是由不同材料的主动层和被动层组成的，主动层材料采用较高膨胀系数的镍钴铁合金。
被动层材料采用膨胀系数很小铁镍合金。
因此，双金属片受热后会向膨胀系数较小的被动层一面弯曲。
当电流过大时，双金片发热，从而使其变形、位移，项开常闭保护触点，使接触器控制回路断开，从而使主电路断电，之后温度降低，双金属片冷却，保护触电闭合，恢复电路的接通，但此时主电路的自保控制回路已断开，需重新按动开始按钮，才能重新恢复工作。
继电器一般都有能反映一定输入变量（如电流、电压、功率、阻抗、频率、温度、压力、速度、光等）的感应机构（输入部分）；有能对被控电路实现“通”、“断”控制的执行机构（输出部分）；在继电器的输入部分和输出部分之间，还有对输入量进行耦合隔离，功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构（驱动部分）。
概括起来，继电器有如下几种作用：
1.扩大控制范围。
例如，多触点继电器控制信号达到某一定值时，可以按触点组的不同形式，同时换接、开断、接通多路电路。
2.放大。
例如，灵敏型继电器、中间继电器等，用一个很微小的控制量，可以控制很大功率的电路。
3.综合信号。
例如，当多个控制信号按规定的形式输入多绕组继电器时，经过比较综合，达到预定的控制效果。
4.自动、遥控、监测。
例如，自动装置上的继电器与其他电器一起，可以组成程序控制线路，从而实现自动化运行。
2.2.2热继电器的加热方式
图21加热方式
（a）直接加热式:
直接加热就是把双金属片当作热元件，让电流直接通过它。
因为双金属片本身具有一定电阻，所以当电流通过时，它也能产生热量。
由于双金属片作为感测元件和加热元件。
因此，这种加热方式具有结构简单、体积小、节省材料、发热时间常数小和反映温度变化比较迅速等特点。
（b）间接加热式:
间接加热是通过在电的方面与双金属片无联系的加热元件产生热量。
加热元件为丝状或带状.环绕在双金属片周围。
由于加热元件产生的热量要经过空气传播给双金属片，因而发热时间常数大.反映温度变化的速率也比较慢。
（c）复合加热式复合加热实际上是直接加热与间接加热两种形式的结合，复合加热的发热时间常数介于以上两种形式之间.其电阻值可依靠并联或串联不同电阻而很方便地进行调整，且又兼具直接加热和间接加热的长处，所以获得了广泛的应用。
（d）电流互感器加热式;电流互感器加热主要用于大容量的热继电器以及重载起动的热继电器。
2.2.3热继电器的双金属材料
GTH-22热继电器的双金属片的材料使用是镍铁合金、镍铬铁合金。
镍铬、镍铬铁合金具有较高而稳定的电阻率，耐腐蚀，表面抗氧化性能好，在高温下有较好的强度搞震动，变形性能好，有良好的加工性能和可焊性，广泛用于工业电炉，家用电器，机械制造，发热元件和电阻变阻器等材料。
表21双金属片的材料
SP：
各种牌号的电阻电热合金材料均配入适量稀土，钛等微量元素，使之提高其加工性能，延长其使用寿命。
2.2.4热继电器的结构及工作应用
GTH-22热继电器的结构原理图：
图22热继电器的结构原理图
1—复位按钮2—导板3—常开静触头4—常开动触头5—常闭动触头
6—常闭静触头7—双金属片8—驱动杆9—杠杆10—调节螺钉
11—调节旋钮12—连动杆13—弹簧
GTH-22热继电器在结构上相比老式热继电器的简单，在工艺工装上比老式的工序步骤少，组装过程简单易懂，从而达到高效生产的目的。
图2-2热继电器的结构原理图更好的讲述了产品内部的结构并做出明确文字标注。
电动机在实际运行中，如拖动生产机械进行工作过程中，若机械出现不正常的情况或电路异常使电动机遇到过载，则电动机转速下降、绕组中的电流将增大，使电动机的绕组温度升高。
若过载电流不大且过载的时间较短，电动机绕组不超过允许温升，这种过载是允许的。
但若过载时间长，过载电流大，电动机绕组的温升就会超过允许值，使电动机绕组老化，缩短电动机的使用寿命，严重时甚至会使电动机绕组烧毁。
所以，这种过载是电动机不能承受的。
热继电器是在保护电动机过载方面具有反时限特性和结构简单的特点。
在非频繁起动或起动间隙足以使热继电器完全冷却（热继电器温度等于环境温度）的使用场合，必须保证热继电器在电动机起动过程中不致误动作。
热继电器的检测试验通常采用单相电源检测试验方法。
室内温度设为25℃，对双金属片式热继电器GTH-22（脱扣级别lo）的检测试验标准及结果如表2-2所示。
表22各级通电的动作范围
SP：
产品调试动作后应检查复位时间，自动复位时间In≤63A、t＜5min，In＞63A、t＜8min，手动复位时间，t＜2min。
第3章GTH-22热继电器模型设计
3.1新建零件文件
打开pro/e软件
进入界面
单击“创建新对象”按钮
，弹出“新建”对话框，如图3-1所示。
选择类型|零件后，点击取消使用缺省模板选项，然后选用mmns_part_solid选项，再点击“确定”最后出现设计画面，如图3-2所示。
图31新建对话框图32新文件选项框
3.2热继电器的底座设计
（1）新建零件命名为prt0001，点击右工具箱的拉伸工具
按钮，在底部弹出的工作区中选择放置
按钮，弹出对话框之后选择定义按钮，弹出草绘对话框，如图3-3，选择RIGHT面进入绘制页面，如图3-4。
图33草绘对话框图34草绘界面
（2）点击创建2点线
按钮，然后输入所量的尺寸，如图3-5，再点击
按钮，修改拉伸深度为44
，最后点击打钩
按钮，如图3-6。
图35底座草绘图36拉伸实体
（3）点击基准平面工具
按钮，进入基准平面界面，选择参照【RIGHT：
F1】，偏距为22，如图3-7。
图37基准平面
（4）点击拉伸|矩形|去除材料
如图3-8后，选择阵列工具
进入阵列界面选择方向按钮，并第一方向参照DTM1，数量为2，间距13.5，再将第二方向参照为DTM1，点击反向
，数量为2，间距13.5，如图3-9
图38拉伸去除图39方向阵列
（5）点击拉伸|镜像
按钮，选择镜像平面为DTM1，如图3-10，再进行多次拉伸如图3-11。
图310镜像图311拉伸
（6）点击拉伸|去除材料|阵列，进入阵列界面选择尺寸按钮，并将第一方向阵列尺寸选择d88：
F20（拉伸_4_1）,数量3，增量为13.5，如图3-12.。
在进行多次阵列，选择参照按钮，如图3-13。
图312尺寸陈列图313参照阵列
（7）点击拉伸|去除材料|镜像|倒角，进入倒角界面选择所需倒角的边【边：
F69】、【边：
F33】、【边：
F73】，再选择角度*D其角度85°D为1，如图3-14。
点击拉伸|草绘|参照选取所参照的边后，选择创建矩形其宽1.5，长10，在点击
按钮，然后点击去除材，再选择打钩
按钮。
最后进行倒角并进入倒角界面选择所需倒角的边【边：
F90】，在选择D*D其D为1.5，如图3-15所示。
图314倒角图315内部处理
（8）单击拉伸|去除材料|拔模，进入拔模界面选择所点击的拔模曲面【曲面：
F112】，再选择拔模曲轴【曲面：
F5】拖动方向【曲面：
F5】角度为5°，然后重复拔模将两边对称，最后通过镜像为DTM1，如图3-16
图316底座外观处理
（9）单击倒圆角工具，进入倒圆角界面点击所需要倒圆角的边【边：
F126】其半径为2然后单击预览按钮
进行预览，如确认正确则单击预览按钮
完成如图3-17，最后在数次的倒圆角|镜像后，最终得到热继电器底座，图如3-18所示。
图317倒圆角图318底座实体
3.3热继电器双金属片的绘制
（1）新建零件命名为“shuangjinshupian”，选择拉伸点击左键进入界面用创建2点线画尺寸长度如图3-19，再点击插入|扫描|伸出项出现【伸出项：
扫描】界面，将轨迹|草绘轨迹|草绘平面点击【曲面：
F5】为基准平面，方向为正向，草绘视图点击缺省，然后进入草绘界面将所设定的轨迹画出，点击确定。
弹出属性界面属性|自由端点，进入草绘横截面界线中，点击创建矩形画出矩形并确定位置，再按下确定按钮，然后点击预览按钮观察图像，确定无误后点击确定按钮，如图3-20。
图319双金属拉伸图320扫描草绘
（2）经过多次圆柱和矩形的拉伸|草绘|参照|去除材料|伸至曲面
以便拉伸实体终止于下一表面等步骤后，如图3-21所示。
再点击插入|扫描|伸出项将两部分更好的连接起来，然后用拉伸|倒角使部件更美观，建立基准平面工具|镜像基准面DTM1建立有助于镜像工具的实现如图3-22所示。
图321拉伸去除图322镜像处理
（3）使用基准平面工具建立基准面DTM2便于下面的轨迹扫描，单击插入|扫描|伸出项画出设计好的轨迹如图3-23所示，然后进行拉伸、去除材料、倒圆角、倒角使零件更细化，最后点击阵列|尺寸设定参照面后，输入其数量为8，增量为-1.5，如图3-24所示。
图323伸出项扫描图324尺寸阵列
（4）使用基准平面工具建立基准面DTM3便于下面的螺旋扫描，点击插入|螺旋扫描|切口出现【切剪：
螺旋扫描】界面，将菜单管理器点击常数、穿过轴、右手定则后点击完成，再草绘平面点击平面DTM3为基准面，方向是正向，草绘视图按下缺省，然后进入草绘界面将所设定的轨迹和中心线画出，点击确定。
进入螺距为0.25。
然后进入草绘横截面界线中，点击创建2点线画出三角形并确定位置，再按下确定按钮然后点击预览按钮观察图像，确定无误后点击确定按钮，如图3-25。
再次使用基准平面工具建立基准面DTM4便于下面的设置基准点，单击基准点工具
在基准面DTM4上选择点如图3-26
图325螺旋扫描图326基准点的建立
（5）当基准点PNT1、PNT2、PNT3、PNT4、PNT5确立后，选择插入基准平面
将菜单管理器点经过点出现【曲面：
通过点】|【曲线点】点击PNT1、PNT2后，点击相切|起始、曲面、法向其曲面为【曲面：
F5】，然后进入第二点PNT2终止、曲面、法向其曲面为【曲面：
F5】|反向，如图3-27所示，再多次使用同样的方法画出其他曲线。
最后通过扫描混合进行制作绕线的形成最后的双金属片如图3-28
图327曲线建立图328双金属片实体
3.4热继电器底座螺丝的绘制
（1）新建零件命名为“dizuoluosi”，选择旋转点击进入界面点击放置|草绘自定义选择TOP面为基准面，然后进入草绘界面用创建2点线画出实线和中心线，再选择角度为360°，点击确定，如图3-29所示。
当旋转完成时，通过拉伸|去除材料后，进行阵列|轴选定中心轴A_2，数量为4，角度为90°，然后点击插入|螺旋扫描|伸出项输入所需要的数后，最后进行倒圆角及旋转使其细节化后得到热继电器底座螺丝的零件如图3-30。
图329旋转图330螺丝成品展示
3.5热继电器上盖的绘制
（1）新建零件命名为“shanggai”，选择拉伸以TOP面为基准面，点击左键进入界面用创建矩形画尺寸长度44，宽度为26，厚度为34。
再点击拉伸|去除材料|阵列，进入阵列界面选择尺寸按钮，并将第一方向阵列尺寸选择d8：
F7（拉伸_2_1）,数量4，增量为9.8。
再次使用拉伸|去除材料得到上盖内部的框架，此时使用拉伸|阵列|方向，并第一方向参照为RIGHT，数量为2，间距9.8，再将第二方向参照为RIGHT，点击反向，数量为2，间距9.8，如图3-31然后进行倒圆角、倒角、多次拉伸和阵列后，零件的内部基本雏形已呈现如图3-32
图331方向阵列图332拉伸去除
（2）在零件内部雏形的基础上，进行反复的拉伸、拉伸|去除材料、倒圆角、阵列、拔模，使内部结构细化，便于按钮、导板、连杆的零件的放置，如图3-33。
最后将上盖零件的外部结构进行数次的拉伸、拉伸|去除材料、倒角、镜像、阵列、拔模等步骤，最终获得热继电器的上盖如图3-34.。
图333内部处理图334上盖成品
3.6热继电器触点端的绘制
（1）新建零件命名为“changkaishangduan”，选择点击插入|扫描|伸出项，出现【伸出项：
扫描】界面，将轨迹|草绘轨迹|草绘平面点击TOP为基准平面，方向为正向，草绘视图点击缺省，然后进入草绘界面将所设定的轨迹画出，点击确定。
弹出属性界面属性|自由端点，进入草绘横截面界线中，
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