電氣部件三維建模方法探析

摘 要：介紹數(shù)字化電氣設(shè)計(jì)中電氣部件常用的兩種三維建模方法，詳細(xì)描述基于外形尺寸的三維繪制和借助掃描儀進(jìn)行三維掃描建模的具體操作流程及注意事項(xiàng)。通過比較兩種建模方法的優(yōu)缺點(diǎn)，供設(shè)計(jì)者在實(shí)踐中選擇合適的建模方法，提高設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：電氣部件；三維建模；交流接觸器；三維掃描

中圖分類號(hào)：TP211+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-3769（2024）05-065-05

隨著科技進(jìn)步和電氣工程的發(fā)展，電氣部件三維建模在工程設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域變得越發(fā)重要。電氣部件三維建模不僅將其實(shí)體形態(tài)以虛擬三維模型呈現(xiàn)出來，而且對(duì)于理解其外形、尺寸以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。對(duì)于交流接觸器這類關(guān)鍵的電氣組件，三維建模能夠提供復(fù)雜的觸點(diǎn)系統(tǒng)、電磁鐵以及輔助接點(diǎn)的詳細(xì)視圖，對(duì)于確保電氣系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行起到重要作用。因?yàn)榻涣鹘佑|器通常包含多個(gè)可動(dòng)和固定的觸點(diǎn)，以及用于驅(qū)動(dòng)這些觸點(diǎn)的電磁機(jī)構(gòu)，這些部件的精確配合和運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)于接觸器的性能至關(guān)重要。通過三維建模，電氣工程師可以在計(jì)算機(jī)環(huán)境中對(duì)交流接觸器進(jìn)行模擬、分析和優(yōu)化，這不僅提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，還大大提升了制造過程的效率。然而，盡管三維建模技術(shù)為電氣部件的設(shè)計(jì)和分析帶來了革命性的變化，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然面臨諸多問題。例如，交流接觸器中具有復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)和非常細(xì)微的部件，獲取精確的三維數(shù)據(jù)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。此外，如何有效地處理這些部件的曲面建模、材料屬性以及與其他系統(tǒng)的集成等問題，也是當(dāng)前三維建模技術(shù)需要解決的關(guān)鍵問題。通過以上的論述可以看出，持續(xù)研究和改進(jìn)其三維建模技術(shù)顯得尤為迫切。

本文以工程中常見的交流接觸器為例，重點(diǎn)介紹基于外形尺寸的圖紙建模和借助掃描儀三維掃描建模的方法。通過比較兩種方法的優(yōu)劣，為電氣工程師提供建模指導(dǎo)和技術(shù)選擇。

一、圖紙建模

基于圖紙尺寸的建模方法是一種使用建模軟件并根據(jù)圖紙上的尺寸信息創(chuàng)建三維模型的方法。傳統(tǒng)的圖紙建模技術(shù)并非獨(dú)立存在，需要與其他技術(shù)結(jié)合在一起開展電氣、機(jī)械以及其他的工業(yè)設(shè)計(jì)[1]。本文使用專業(yè)建模軟件（如3ds Max、Solidworks、CATIA等）以及CAD二維矢量圖、影像數(shù)據(jù)或手工拍攝的照片作為參考，進(jìn)行人工建模來創(chuàng)建電氣部件的三維模型。這種方法能夠準(zhǔn)確地將部件的外形、尺寸和內(nèi)部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為虛擬的三維模型。

（一）流程和方法

以交流接觸器為例，介紹建立三維模型的流程和方法。

1.收集圖紙和尺寸信息

電氣部件圖紙和尺寸信息通常包括長度、寬度、高度、直徑等。常見交流接觸器的外形及安裝尺寸如圖 1、表 1所示。對(duì)具體尺寸進(jìn)行具體分析，明確模型每一部分的輪廓尺寸和具體的細(xì)節(jié)尺寸。

2.創(chuàng)建基本幾何體

根據(jù)圖紙中的幾何形狀，使用3ds Max、Solidworks等建模軟件，采用自底向上的設(shè)計(jì)順序創(chuàng)建部件的基本形狀，如立方體、圓柱體、球體等，把電氣器件的各部分逐一搭建[2]。

3.繪制輪廓線

根據(jù)圖紙上的輪廓線，使用建模軟件的直線、曲線等繪圖工具，選擇合適的基準(zhǔn)面繪制模型的輪廓線，準(zhǔn)確地描繪部件的外形；根據(jù)圖紙上的尺寸信息，使用建模軟件的尺寸工具添加相應(yīng)的尺寸參數(shù)，這樣可以確保建模的精確性和準(zhǔn)確性，如圖2所示。

4.添加特征和細(xì)節(jié)

根據(jù)圖紙上的特征和細(xì)節(jié)描述，使用建模軟件的添加特征工具來模擬部件的細(xì)節(jié)，如凹凸、孔洞、邊緣等，確定好各部分相對(duì)于本體的位置關(guān)系后，通過對(duì)二維圖形拉伸切除、旋轉(zhuǎn)、掃描、放樣、拔模、抽殼、筋、陣列等特征操作來實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體建模[3]，如圖3所示。對(duì)于模型有多層銅牌的，對(duì)其逐層進(jìn)行繪制，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)應(yīng)保證準(zhǔn)確無誤；對(duì)于模型中對(duì)稱的設(shè)計(jì)元素，利用鏡像或者陣列操作進(jìn)行繪制，減少設(shè)計(jì)失誤。安裝孔成型處應(yīng)注意模型的中的安裝孔是在模型主體上切除還是對(duì)模型貫穿，并明確安裝孔的具體尺寸數(shù)據(jù)，如圖 4所示。

5.優(yōu)化和調(diào)整

根據(jù)需要，對(duì)建模結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，確保模型與圖紙、尺寸和規(guī)格的一致性。模型上需要刻寫銘牌文本的，可以根據(jù)需要選擇合適的字體和高度等；對(duì)模型邊角可以適當(dāng)進(jìn)行圓角倒角操作。最后進(jìn)行外觀處理，如表面顏色的繪制、恰當(dāng)?shù)念伾O(shè)置[4]等，還原產(chǎn)品真實(shí)感覺，如圖 5所示。模型建成后導(dǎo)出為合適的文件格式，如STL、STEP等，方便工程應(yīng)用。

在三維設(shè)計(jì)完成后，可進(jìn)一步制作裝配爆炸圖，形象地模擬出裝配體各零件間的裝配和拆卸過程，并直接轉(zhuǎn)化為動(dòng)畫[5]。制作時(shí)可以遵循由外至里、由次到主的分離原則。需要調(diào)整時(shí)，在保留零件與零件之間相對(duì)方位的前提下，可以對(duì)各個(gè)零件移出的方向、距離等進(jìn)行調(diào)整。

（二）注意事項(xiàng)

基于圖紙尺寸進(jìn)行電氣部件三維建模過程中，要根據(jù)圖紙上的比例和比例尺進(jìn)行合理的縮放和調(diào)整，以確保模型的比例正確；盡可能模擬和表達(dá)圖紙上的細(xì)節(jié)和特征，確保模型的真實(shí)性。建模完成后，進(jìn)行模型的檢查和驗(yàn)證，確保模型的幾何形狀與實(shí)際部件的尺寸和形狀相符。建模過程中，如果遇到圖紙上的信息不明確或不完整的情況，及時(shí)查閱資料，與相關(guān)人員進(jìn)行溝通，獲取準(zhǔn)確的建模參考資料。

二、掃描建模

三維激光掃描技術(shù)是一種非接觸式的測(cè)量技術(shù)，通過激光器發(fā)射激光束，利用傳感器接收反射光信號(hào)，獲取物體表面的幾何形狀和細(xì)節(jié)信息，從而實(shí)現(xiàn)電氣部件的精確三維建模。

（一）流程和方法

仍以交流接觸器為例，準(zhǔn)備激光掃描儀ATOS Core 200。建模流程包含數(shù)字化點(diǎn)云的獲取、點(diǎn)云的預(yù)處理、三維模型的實(shí)體重建、模型優(yōu)化與局部處理、導(dǎo)入打印計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、軌跡優(yōu)化與支撐添加、打印等[6]環(huán)節(jié)。

1.三維激光掃描

將激光掃描儀固定在適當(dāng)?shù)奈恢?，通過掃描設(shè)備發(fā)射激光束并接收反射光信號(hào)，獲取交流接觸器表面的幾何形狀和細(xì)節(jié)信息。隨著硬件技術(shù)的進(jìn)步， 光學(xué)掃描精度越來越高。

2.數(shù)據(jù)處理

三維激光掃描技術(shù)是以非接觸式激光等方式掃描立體物品獲得大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、降噪、提取、封裝等一系列操作去除噪點(diǎn)和無關(guān)信息[7]，保留關(guān)鍵特征和幾何形狀，最后通過手工方式映射紋理信息生成高質(zhì)量的三維模型，準(zhǔn)確表達(dá)交流接觸器的外形。

3.優(yōu)化和調(diào)整

對(duì)照實(shí)物，對(duì)模型進(jìn)行細(xì)節(jié)和特征的增刪和調(diào)整，確保模型與實(shí)際交流接觸器的幾何形狀和尺寸相符，如圖 6所示。處理后的模型還需進(jìn)行上色處理。

（二）注意事項(xiàng)

基于三維激光掃描技術(shù)建模時(shí)，需要注意以下事項(xiàng)：

1.設(shè)備選擇和校準(zhǔn)

根據(jù)建模對(duì)象的尺寸和形狀，選擇具有適當(dāng)掃描范圍的設(shè)備；如果建模對(duì)象較大，確保設(shè)備能夠覆蓋整個(gè)對(duì)象表面，否則可能需要進(jìn)行多次掃描并進(jìn)行后續(xù)的配準(zhǔn)處理。具有高測(cè)量精度的三維掃描設(shè)備可以提供更準(zhǔn)確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；快速掃描設(shè)備可以在較短的時(shí)間內(nèi)獲取更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，提高建模的效率。

2.掃描環(huán)境和條件

確保掃描環(huán)境光線充足且穩(wěn)定，避免強(qiáng)光、逆光等影響因素，避免有遮擋物或反光表面對(duì)掃描結(jié)果產(chǎn)生影響。對(duì)于某些材質(zhì)特殊、表面顏色特殊的物體，可以用啞光白色顯影劑覆蓋被掃描物體的表面，并在被掃描物體上噴一層薄薄的顯影劑，使掃描數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。要注意過量噴灑顯影劑會(huì)造成物體厚度的疊加，影響掃描精度。

三、圖紙建模和掃描建模對(duì)比分析

在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于電氣部件模型的創(chuàng)建，我們常常需要權(quán)衡使用圖紙建模和掃描建模兩種方法。圖紙建模的過程相對(duì)簡(jiǎn)單直接，適用于已有尺寸數(shù)據(jù)或者需要強(qiáng)調(diào)細(xì)節(jié)精度的情況。通過參考技術(shù)文檔或者實(shí)物測(cè)量，電氣工程師可以快速創(chuàng)建出符合設(shè)計(jì)要求的模型，并且能夠靈活調(diào)整和優(yōu)化。這種方法依賴于建模人員的經(jīng)驗(yàn)和技能，其精度受到人為因素的限制，尤其在表達(dá)細(xì)節(jié)特征方面有一定優(yōu)勢(shì)。相較之下，掃描建模則更加注重獲取實(shí)物的真實(shí)形狀和細(xì)節(jié)信息。通過激光掃描儀或結(jié)構(gòu)光掃描儀等專業(yè)設(shè)備，可以精確地捕捉到部件的外部形狀，但在某些細(xì)節(jié)特征方面可能存在局限。掃描建模的過程需要對(duì)采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和清理，然后轉(zhuǎn)換為三維模型，這一過程相對(duì)復(fù)雜而耗時(shí)。雖然掃描建模的整體尺寸精度較高，但對(duì)于某些特殊的細(xì)節(jié)特征可能無法完全滿足設(shè)計(jì)要求。在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以根據(jù)具體情況靈活選擇建模方法。對(duì)于簡(jiǎn)單幾何形狀且要求時(shí)間效率的部件，掃描建?？赡芨鼮楹线m；而對(duì)于需要強(qiáng)調(diào)細(xì)節(jié)精度和忠實(shí)還原設(shè)計(jì)思想的部件，則圖紙建模更具優(yōu)勢(shì)。在特定情況下，兩種方法也可以結(jié)合使用，以充分發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢(shì)，提高建模效率和準(zhǔn)確性。

總之，圖紙建模和掃描建模都是重要的建模方法，在電氣部件設(shè)計(jì)中各具特色，需要根據(jù)具體需求和條件進(jìn)行選擇和運(yùn)用。通過對(duì)比，我們可以更好地理解它們的優(yōu)缺點(diǎn)，為實(shí)際應(yīng)用提供更為有效的建模解決方案。

四、部件模型的應(yīng)用

（一）模型仿真布局的重要意義

首先，電氣仿真布局在電氣設(shè)計(jì)中扮演著關(guān)鍵的角色，通過使用電氣模型模擬和分析電氣元件在特定環(huán)境下的布局與連接方式，為實(shí)際工程提供重要參考和指導(dǎo)。通過使用電氣模型對(duì)仿真空間進(jìn)行搭建，能夠有效優(yōu)化電氣元件的空間布置，使得工程師可以在設(shè)計(jì)初期嘗試不同的元件布局方案，評(píng)估不同方案對(duì)空間利用率和布線方式的影響，從而找到最優(yōu)的布局方法。以電氣柜的布局為例，如圖 7所示，通過模型搭建仿真環(huán)境可以確保電氣柜內(nèi)部空間的最佳利用和元件之間的合理安排。

其次，使用模型進(jìn)行仿真布局有助于后續(xù)電氣設(shè)備的安裝與維護(hù)，如圖 8所示，在確定具體的元件布局方案后可以有針對(duì)性地做出詳細(xì)的尺寸標(biāo)注，為生產(chǎn)人員提供有效的安裝指導(dǎo)。

從安全生產(chǎn)的角度分析，通過使用模型進(jìn)行仿真還能有效評(píng)估熱效應(yīng)和散熱設(shè)計(jì)。通過模擬電氣元件工作時(shí)的熱量產(chǎn)生及分布情況，分析元件放置對(duì)熱效應(yīng)的影響，為合理的散熱設(shè)計(jì)提供依據(jù)，確保電氣設(shè)備長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。其模型仿真對(duì)工程系統(tǒng)性能、安全性和穩(wěn)定性提供了較為全面的指導(dǎo)和保障。

（二）模型仿真對(duì)生產(chǎn)的重要作用

通過電氣模型進(jìn)行仿真布局對(duì)企業(yè)生產(chǎn)起到了重要的作用。這種技術(shù)應(yīng)用不僅是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)階段，而是在整個(gè)生產(chǎn)周期中的關(guān)鍵一環(huán)。

電氣模型的仿真布局提供了設(shè)計(jì)階段的全面性能評(píng)估和優(yōu)化。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程中，若出現(xiàn)布局或連接的問題，可能需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和資源來進(jìn)行調(diào)整和修正。但通過電氣模型的仿真，可以在設(shè)計(jì)階段就識(shí)別和解決這些問題，節(jié)省了后續(xù)的修改時(shí)間和成本投入。這種高效的設(shè)計(jì)流程可以加快產(chǎn)品上市時(shí)間，提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。在虛擬環(huán)境中模擬電氣元件的布局、連接和熱效應(yīng)，企業(yè)可以在產(chǎn)品實(shí)際制造之前識(shí)別和解決問題。這種提前預(yù)測(cè)能力可大大減少后續(xù)工程中的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和生產(chǎn)中的延誤，從而降低成本并提高生產(chǎn)效率。通過模擬電氣元件在實(shí)際環(huán)境下的布置方式，企業(yè)能夠評(píng)估元件之間的物理沖突、連線方式、熱量分布等問題，確保設(shè)計(jì)方案的合理性。這種全面性的評(píng)估可大大降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷和故障的風(fēng)險(xiǎn)，提升產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。

綜上，在企業(yè)的生產(chǎn)與設(shè)計(jì)中，電氣模型的仿真應(yīng)用不僅是一種工具，更是一項(xiàng)至關(guān)重要的戰(zhàn)略性利器。通過仿真技術(shù)的應(yīng)用，企業(yè)能夠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期階段就能夠?qū)崿F(xiàn)全面性能評(píng)估與優(yōu)化，這在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程中往往是難以做到的。而支撐這種模型仿真技術(shù)的基礎(chǔ)便是大量、不同種類且標(biāo)準(zhǔn)的電氣模型，所以，只有在高效、標(biāo)準(zhǔn)、靈活的建模流程下才能在短時(shí)間內(nèi)滿足模型仿真的需求。電氣模型的建模設(shè)計(jì)是整個(gè)生產(chǎn)鏈中的關(guān)鍵一環(huán)，掌握了先進(jìn)的設(shè)計(jì)流程才能為企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中保持優(yōu)勢(shì)。

隨著國家科技的不斷發(fā)展，工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域正經(jīng)歷著從傳統(tǒng)制造向智能制造的轉(zhuǎn)變。在這個(gè)變革的過程中，數(shù)字化和智能化的設(shè)計(jì)制造已經(jīng)成為電氣設(shè)計(jì)領(lǐng)域的關(guān)鍵發(fā)展方向。在這種變革的推動(dòng)下，3D掃描建模技術(shù)正逐漸取代傳統(tǒng)的基于圖紙數(shù)據(jù)的建模方法，成為主流。然而，傳統(tǒng)的圖紙建模方法仍然在特定情況下具有重要的作用，尤其是對(duì)于少量、簡(jiǎn)單以及要求高精度的部件模型而言。在實(shí)際應(yīng)用中，我們必須認(rèn)識(shí)到兩種方法各自的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)具體的部件特點(diǎn)靈活選擇最合適的建模方法，或者將兩種方法結(jié)合使用，以進(jìn)一步提高電氣部件建模的效率和準(zhǔn)確性。因此，本文對(duì)傳統(tǒng)基于圖紙數(shù)據(jù)的建模方法和3D掃描建模技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析，旨在為電氣設(shè)計(jì)領(lǐng)域的實(shí)踐提供更為全面和系統(tǒng)的指導(dǎo)。

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Analysis of 3D Modeling Methods for Electrical Components

——Taking AC Contactors as an Example

LIU Yi-zhu， WANG Zhen-hai， WANG Zhan-hui

（Tianjin Sino German University of Applied Sciences， Tianjin 300350）

Abstract： This paper introduces two commonly used 3D modeling methods for electrical components in digital electrical design， and provides a detailed description of the specific operation process and precautions for 3D drawing based on external dimensions and 3D scanning modeling using scanners. By comparing the advantages and disadvantages of two modeling methods， designers can choose the appropriate modeling methods in practice to improve design efficiency and accuracy.

Key words： Electrical Components； 3D Modeling； AC Contactor； 3D Scanning

收稿日期：2023-10-31

作者簡(jiǎn)介：劉藝柱（1975），男，山西省臨汾縣人，天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)智能制造學(xué)院教授，工程碩士，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化技術(shù)應(yīng)用；王珍海（2001），男，山西省晉中人，天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)智能制造學(xué)院本科（在讀），研究方向?yàn)閿?shù)字化電氣設(shè)計(jì)技術(shù)。

此文為以下項(xiàng)目的研究成果：天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目“新時(shí)代智能制造科普基地提升服務(wù)能力的探索與實(shí)踐”（項(xiàng)目編號(hào)：23KPXMRC00060）；天津市普通高等學(xué)校本科教學(xué)改革與質(zhì)量建設(shè)研究計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：B231210502）；天津市繼續(xù)教育教學(xué)改革和質(zhì)量提升研究計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：J2023028）；天津市市級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：202312105007）。