Andrzej W IL K 1), Grzegorz KOSTRO2', Piotr DOBROW OLSKI3'
M O D E L O W A N IE P R Z E S T R Z E N N E E L E M E N T Ó W S IL N IK A A SYN C H R O N IC ZN E G O Z W Y K O R Z Y S T A N IE M P A K IE T U A u to C A D
Streszczenie. W artykule przedstawiono możliwości programu AutoCAD wspomagające proces modelowania przestrzennego wybranych elementów konstrukcyjnych silnika indukcyjnego klatkowego.
Omówiono wybrane zaawansowane techniki modelowania powierzchniowego i bryłowego oraz zastosowane do tego celu narzędzia programu AutoCAD. Pokazano modele przestrzenne walka, łożysk, pakietu wirnika oraz klatki wirnika na przykładzie silnika typu Sg100L4-AF.
Do automatycznego generowania modeli w środowisku AutoCAD napisano program w języku VisualLISP jako okienkową aplikację umożliwiającą pracę z programem nawet niedoświadczonemu użytkownikowi.
Położono duży nacisk na aspekty dydaktyczne aplikacji, która znacznie wspomaga proces dydaktyczny nauczania projektowania maszyn elektrycznych.
3D MODELLING OF ASYNCHRONOUS MOTOR CONSTRUCTIONAL PARTS USING AUTOCAD
Sum m ary. AutoCAD capabilities that are helpful In a process of the 3D modelling of squirrel-cage asynchronous motor constructional parts are presented in the paper.
Selected advanced techniques of surface (2D) and solid (3D) modelling and AutoCAD tools used for this purpose are discussed. For the motor type Sg100L4-AF three-dimensional models of its: shaft, bearings, squirrel-cage, stator and rotor core are presented.
For automatic creation of models in AutoCAD environment a program in VisualLISP language has been written. Even for an inexperienced user this window application program is easy to work with. Special attention has been paid to didactic aspects of the application and this considerably helps in a teaching process of electric machine design.
Key w o rd s : asynchronous motor, shaft, bearings, Iron core, solid modelling, surface modelling, VisualLISP, AutoCAD
1. W S TĘP
M odelowanie przestrzenne m aszyny elektrycznej je s t pewnym fragmentem procesu kom puterow ego w spom agania projektowania. W poszczególnych etapach tego procesu znane s ą w ym iary elem entów konstrukcyjnych maszyny. S ą one częściowo obliczane przez program, a częściow o definiow ane przez projektanta. W oparciu o te dane geometryczne można utworzyć przestrzenny m odel, odw zorow ujący w pewnym stopniu obiekt rzeczywisty, który stanowi podstawę do utworzenia dokum entacji technicznej lub w izualizacji siatki dyskretyzującej obiekt [3],
Istnieje obecnie stosunkowo duża liczba program ów wspomagających komputerowe m odelow anie przestrzenne. W sam ej rodzinie produktów znanej na polskim rynku firmy Autodesk m ożna w yróżnić takie pakiety, ja k AutoCAD, M echanical Desktop i 3D Studio MAX, które um ożliw iają tw orzenie grafiki trójwym iarowej. W iększość tego typu pakietów dedykowana je st środow iskom związanym z m echaniką, budow nictw em , architekturą itp. Programy te z pow odzeniem m o g ą być także w ykorzystane w inżynierii elektrycznej [2,4], gdyż umożliwiają
11 D r inż.. P olitechnika G dańska, W ydział Elektrotechniki i A utom atyki, 80-952 G dańsk, ul. N arutow icza 11/12, tel:
3471087, fax: 3410880, e-m ail: aw ilk@ elv.pg.eda.pl
2> M gr inż., P olitechnika G dańska, W ydział Elektrotechniki i A utom atyki, 80-952 G dańsk, ul. N arutow icza 11/12, tel:
3471157, fax: 3410880, e-m ail: kapral@ ds.pg.gda.pl
31 M gr inż., P olitechnika G dańska, W ydział Elektrotechniki i A utom atyki, 80-952 G dańsk, ul. N arutow icza 11/12, tel:
3471157, fax: 3410880, e-m ail: ndobrow @ ds.pg.eda.pl
w spółpracę z tzw. nakładkam i, czyli program am i dedykow anym i do konkretnych potrzeb inżyniera elektryka.
W pracy przedstaw iono m ożliw ości popularnego pakietu AutoC AD [1] w dziedzinie m odelow ania elem entów konstrukcyjnych silnika asynchronicznego. Z punktu widzenia projektanta jego istotną ce ch ą je st m ożliw ość tworzenia w łasnych aplikacji (nakładek) z wykorzystaniem takich ję zykó w program ow ania, jak: V isual LISP, V isual BASIC i V isual C++. W przypadku prostszych aplikacji optym alnym rozw iązaniem je s t w ykorzystanie języka V isual LISP [5], którego interpreter je s t integralną czę ścią pakietu AutoC AD .
2. A K W IZY C JA W Y M IA R Ó W KO NS TR U K C YJN Y C H
Punktem w yjścia w szystkich program ów do tw orzenia grafiki trójw ym iarowej (3D) je s t akwizycja w ym iarów konstrukcyjnych. Jeżeli w ym iary te s ą obliczane przez program y nie współpracujące bezpośrednio z A utoC AD -em , to m ogą być one im portowane do środowiska AutoCAD -a bezpośrednio z pliku. W ym agana je s t w tym przypadku nakładka program owa napisana w jednym z w yżej w ym ienionych program ów i w iedza dotycząca form atu pliku danych w pa.. .ięci masowej kom putera. Dane konstrukcyjne m odelu m og ą być definiowane rów nież przez użytkownika. Pod tym w zględem interfejs graficzny A utoC A D -a je s t w porównaniu z innymi program am i jednym z najlepszych. Użytkow nik m a do dyspozycji obszerny i łatw y w obsłudze zestaw różnych uchwytów (sposobów precyzyjnego przyciągania kursora do obiektu graficznego) oraz kilka alternatywnych s p osobów w prow adzania danych z klawiatury.
W przypadku program ow ych nakładek projektant je s t zobowiązany jedynie do edycji danych liczbowych w odpow iednich polach interfejsu okienkowego. Na rys.1 przedstawiono taki interfejs na przykładzie edycji danych w ym iarowych żłobka w irnika silnika asynchronicznego.
Rys. 1. Wprowadzanie danych wymiarowych żłobka wirnika za pomocą okienkowego interfejsu użytkownika Fig. 1. Entering rotor slot dimensions data with the help o f the user interface
W przypadku akwizycji danych za pom ocą okna dialogowego możliwa je st bieżąca kontrola popraw ności wprow adzanych przez projektanta danych.
3. T EC H N IKI M O D ELO W AN IA PRZESTR ZENNEG O
Tw orzenie obiektów trójw ym iarow ych w środowisku programu AutoC AD m oże być realizowane poprzez m odelow anie krawędziowe, pow ierzchniowe i bryłowe. W prezentowanej pracy w ykorzystano niektóre tylko techniki m odelowania bryłowego i powierzchniowego.
3.1. Utworzenie zarysu modelu
W iele elem entów silnika asynchronicznego ma jednakow y kształt przekroju w osi poprzecznej (pakiet żelaza) lub podłużnej (wałek, łożysko) m aszyny. To bardzo ułatwia zam odelowanie danego obiektu. Do tego celu w ystarcza tylko narysowanie zarysu obiektu w określonym przekroju.
W przypadku program owych nakładek punkty definiujące zarys przekroju s ą automatycznie obliczane przez program na podstawie w ym iarów zaczerpniętych z bazy danych lub w prow adzonych przez użytkownika.
Proces rozpoczyna się od w ygenerow ania rysunku zarysu obiektu na płaszczyźnie. Podstawą do narysow ania s ą charakterystyczne punkty łączone za p om ocą odpowiednich funkcji graficznych np. p o lllin ii {pline). Na rys.2a,b i c pokazano zarysy i charakterystyczne punkty odpowiednio takich obiektów , ja k fragm ent pakietu żelaza wirnika, wałka i łożyska.
Rys. 2. Charakterystyczne punkty i zarysy fragmentów przekrojów: a) pakietu wirnika, b) watka, c) łożyska Fig. 2. Outlines of cross-section fragments and their characteristic points: a) rotor core, b) shaft, c) bearing
Przykład kodu program u w języku VisualLISP do narysowania fragm entu zarysu pakietu wirnika przedstaw iono poniżej.
(com m and "PLINE" pt1 p t8 "a” "ca" p c2 p t7 “I" p t6 p t5 pt4
"a ” "ce" pc2 pt3 "I"p t2 "a" "ce" pc1 pt1 "cl")
C elowo zastosow ano tutaj zam knięty zarys żłobka w ystający poza zarys pakietu. S ą przynajmniej dwa powody, dla których to zrobiono. Po pierwsze, projektant nie m usi obliczać ,w których punktach następuje przecięcie zarysu żłobka z okręgiem wewnętrznym lub zewnętrznym pakietu. Program zrobi to sam przy zastosow aniu odpowiedniej procedury. Po drugie, na obwodzie je s t kilkadziesiąt żłobków , które ostatecznie m uszą być połączone ze so b ą za pom ocą łuków. Rysowanie tych w szystkich łuków je s t dla projektanta uciążliwe. Ponadto aby zrobić z tego zarysu bryłę, wszystkie te fragm enty krzyw ych i prostych m uszą stanow ić zam kniętą linię sklejaną. AutoCAD daje p rojektantow i w takiej sytuacji wygodne narzędzie w postaci operacji Boole'a na obiektach płaskich.
Istnieje m ożliw ość definiowania nazw poszczególnym fragm entom rysunku, co niewątpliwie w spom aga projektowanie, dlatego że projektant zam iast do zbioru okręgów prostych czy krzywych odw ołuje się do konkretnych zm iennych, np. żłobków, uzwojeń, izolacji, łożysk itp.
3.2. Tworzenie modelu przez obracanie zarysu w przestrzeni
Technika ta polega na obrocie zam kniętego zarysu obiektu w okół dowolnej osi w przestrzeni.
Sposób ten m oże być użyteczny do m odelow ania takich obiektów, których przekrój w osi podłużnej (obrotu) nie ulega zm ianie.
Za p o m o cą tego sposobu m ożna zam odelow ać np. w ał silnika, elem enty łożyska, pierścienie uzw ojenia klatkow ego, elem enty w entylatora itp. Podstawowym narzędziem program u AutoC AD do tego celu je s t polecenie REVO LVE, które w ym aga takich param etrów, ja k nazwy obiektów (zarysów), osi obrotu oraz kąta obrotu. Przykład kodu program u napisanego w języku VisualLISP w ykorzystującego polecenie R E V O LV E do utworzenia przestrzennego m odelu wałka oraz bieżni łożyska m oże m ieć postać: (com m and "REVO LVE" w ałek biezniaw "" os "360”).
Na rys.3 pokazano frag m e n t w ału silnika od strony czopa przenoszącego m om ent obrotow y oraz bieżnię w e w n ę trzn ą łożyska po operacji obrócenia zarysu przedstawionego na rys.2b i rys.2c w okół osi wirnika.
Rys. 3. Fragment modelu walka oraz bieżnia wewnętrzna łożyska wykonane techniką obrotu zarysu powierzchni wokół osi wirnika za pomocą funkcji REVOLVE
Fig. 3. A fragment of the shaft and internal bearing truck model obtained by rotation of the outline around the rotor axis using the REVOLVE function
G ęstość siatki obiektu m oże być regulowana przez użytkownika za pom ocą zm iennych system ow ych program u AutoC AD . Kąt obrotu m oże przybierać dowolne w artości z przedziału od 0 do 360 stopni kątowych. T ak w ykonany obiekt je s t traktow any przez program ja ko bryła, na której m og ą być realizow ane operacje Boole'a.
3.3. Tworzenie modelu przez wytłaczanie zarysu wzdłuż ścieżki
T echnika ta polega na w ytłaczaniu zam kniętego zarysu obiektu na płaszczyźnie w zdłuż osi prostopadłej do tej płaszczyzny. S posób ten m oże być użyteczny do m odelowania takich obiektów, których przekrój w osi poprzecznej (w osi w ytłaczania) nie ulega zm ianie.
Za p o m o cą tego sposobu m ożna zam odelow ać np. pakiet żelaza wirnika, pakiet żelaza stojana, uzwojenie stojana i w irnika w części żłobkowej itp. Podstawowym narzędziem program u AutoC AD do tego celu je s t polecenie EXTRUD E, które w ym aga podania takich param etrów, ja k nazwy o biektów (zarysów) oraz w ysokości w ytłaczania. Przykład kodu programu napisanego w języku V isualLIS P w ykorzystującego polecenie EX TR U D E do utworzenia przestrzennego m odelu pakietu żelaza w irnika m oże m ieć postać: (com m and "EXTR U D E " pakiet_w im ika Ir "0").
Na rys.4 pokazano fragm ent pakietu żelaza w irnika po operacji w ytłaczania zarysu, którego frag m e n t przedstaw iono na rys.2a.
Rys. 4. Fragment modelu pakietu żelaza wirnika wykonany techniką wyttaczania zarysu powierzchni wzdłuż osi wirnika za pomocą funkcji EXTRUDE
Fig. 4. A fragment of the iron rotor core model obtained by extrusion technique of the outline along the rotor axis using the EXTRUDE function
P odczas w ytłaczania obiektu istnieje m ożliw ość rozszerzania lub zwężania przekroju wzdłuż osi. T ak w ykonany obiekt je s t traktow any przez program jako bryła, na której m ogą być realizowane operacje Boole'a.
3.4. Operacje Boole’a na obiektach rysunkowych
A u to C A D w spom aga także m odelowanie poprzez operacje logiczne na obiektach płaskich i bryłach. U żytkow nik m a do dyspozycji takie rodzaje operacji, jak: dodawanie obiektów, o dejm ow anie i znajdow anie części w spólnych nachodzących na siebie brył. W ykorzystuje się do te g o celu takie narzędzia, jak: UN IO N (dodawanie), S U B TR A C T (odejm owanie) oraz INTERSECT (część w spólna).
Środow isko A utoC A D -a zawiera szereg gotowych do wykorzystania obiektów płaskich, p ow ierzchniow ych i bryłowych. W śród obiektów bryłowych znajdują się: sphere, cylinder, box, cone, torus itp. Niektóre z nich w ykorzystano do zamodelowania kuleczek łożyska (sphere) oraz wpustu (cylinder, box).
M odel wpustu w ykonano z w ykorzystaniem operacji Boole'a ( UNION) na dwóch obiektach typu cy lin d e r i jednym typu box. Kulki łożyska zam odelow ano w ykorzystując obiekt typu sphere, który skopiow ano w przestrzeni za p om ocą polecenia 3DARRAY. Rowek na wpust w czopie wału wykonano przy zastosow aniu polecenia SU B TR A C T zachow ując w nim odpow iednią sekwencję odw oływ ania się do obiektów.
Na rys.5 pokazano fragm ent wału, w pust oraz łożysko (bez koszyka) jako rezultat wyżej opisanych operacji Boole'a oraz szyku kołowego (3DARRAY).
Rys. 5. Fragment wału, w pust oraz łożysko (bez koszyka) jako wynik operacji Boole'a i szyku kołowego
Fig. 5. A fragment of the shaft, key and bearing (without the bearing cage) as a result of Boolean operations and the polar array function
3.5. Techniki modelowania powierzchniowego
A u to C A D w sp o m a g a m odelow anie pow ierzchniow e za po m o cą takich narzędzi jak: 3D Face, 3D Surfaces, 3DM esh, R evolved Surface, Edge Surface itp. Na obiektach tego typu nie można w ykonyw ać operacji Boole'a. S ą one je d n a k niezastąpione w przypadku m odelow ania bardzo złożonych kształtów . M ożna tu w ym ienić chociażby uzwojenie stojana w części czołowej, radełkow ana część wałka, skośny pakiet żelaza w irnika w raz z klatką, koszyk łożyska itp.
Na rys.6 pokazano m odel skośnego pakietu żelaza wirnika łącznie z klatką w ykonany przy zastosow aniu polecenia 3Dmesh.
Rys 6. Model skośnego pakietu żelaza wirnika oraz klatki wykonany za pomocą polecenia 3DMesh Fig. 6. Model of the skew iron rotor core and the squirrel cage obtained using the 3Dmesh function
P olecenie 3DM esh je s t najbardziej uniwersalnym narzędziem modelowania powierzchniowego.
W ym aga ono od użytkow nika zdefiniowania w szystkich w spółrzędnych w ęzłów siatki.
3.6. Techniki tworzenia realistycznych efektów wizualnych w środowisku AutoCAD-a
Sposoby w spom agające tworzenie realistycznych obiektów wizualnych polegają na ukrywaniu (polecenie HIDE) niewidocznych krawędzi obiektu (rys.3,4,5,6), cieniowaniu (polecenie SHADE) oraz powlekaniu (m oduł RENDER). Najlepsze efekty w izualne uzyskuje się z wykorzystaniem m odułu RENDER, gdyż um ożliwia on definiowanie tła, oświetlanie oraz nakładanie m ateriałów (z biblioteki lub definiowanych przez użytkownika).Na rys.7 pokazano fragm ent m odelu w irnika po zastosow aniu m odułu RENDER.
Rys. 7. Fragment modelu wirnika silnika asynchronicznego po zastosowaniu modułu RENDER Fig. 7. A fragment of the asynchronous rotor model after using the RENDER module
4. PO DSUM O W ANIE
W pracy przedstawiono m ożliw ości m odelowania w środowisku pakietu AutoCAD elementów silnika asynchronicznego na przykładzie wałka, łożyska, pakietu żelaza wirnika i klatki wirnika.
Pokazano, że techniki i narzędzia m odelowania dostępne użytkownikowi s ą wystarczające do zam odelow ania każdego elem entu silnika asynchronicznego.
W spółrzędne w ęzłów siatki obiektu m ogą być wykorzystane w innych programach obliczeniow ych np. wykorzystujących m etody elem entów skończonych.
Istotną za le tą program u AutoC AD je st m ożliwość tworzenia własnych aplikacji (nakładek) z wykorzystaniem takich ję zykó w program owania jak: Visual LISP, Visual BASIC i Visual C++.
LITERATURA
1.A utoC A D R14: U ser’s Guide. Autodesk, Inc. USA 1997.
2 .M ichna M., W ilk A.: Procedury graficzne wspom agające projektowanie pakietu stojana i wirnika z wykorzystaniem program u AutoC AD . IV Konferencja Naukowo-Techniczna „ZASTOSOWANIA K O M PU TER Ó W W ELEKTR O TEC H N IC E” . Poznań/Kiekrz, 1999, str. 541-544.
3.P ietrow ski W ., Szeląg W ., Dem enko A.: Zastosow anie bibliotegi graficznej O penG L do wizualizacji siatek dyskretyzujących w układach 3D. V Konferencja Naukowo-Techniczna
„ZA S TO S O W A N IA K O M P U T E R Ó W W E LE KTR O TEC H N IC E” . Tom II. Poznań/Kiekrz, 1999, str.
435-438.
4 .W ilk A., Nadolski A.: Kom puterow y atlas uzwojeń silników asynchronicznych trójfazowych.
V Konferencja Naukow o-Techniczna „ZA STO S O W AN IA KO M PUTERÓ W W ELEKTRO TE
C H N IC E ”. Tom II. Poznań/Kiekrz, 2000, str. 463-466.
5.VlsualLISP : V isual LISP D eveloper’s Guide. Autodesk, Inc. USA 1999.
Recenzent: Dr hab. inż. Bronislaw Drak
W płynęło do Redakcji dnia 15 lutego 2001 r.
Abstract
T he paper presents a num ber o f possible A utoC A D applications to a 3D C om puter Aided M odelling o f selected constructional elem ents o f an Induction cage motor. The following elem ents of an induction cage m oto r have been m odelled: m otor shaft, com plete bearing, rotor and stator core and rotor squirrel cage.
The chosen advanced techniques o f surface and solid m odelling m ethods as well as the applied fo r this purpose A u to C A D tools are discussed.
C reation o f 3D objects in the A utoC A D environm ent can be realized by m eans o f edge, surface and solid m odelling. O nly som e o f the m entioned above techniques have been used in the presented paper.
The m odel creation process starts from dim ension data acquisition. They have been loaded from data file or introduced directly by the user (Fig.1).
In m any cases the m odeling process starts from drawing the object outline as showed in Figs.2a,b and c. The next step is using tools of solid m odelling w ith respect to the object outline.
O ne o f the m ethods uses revolving the outline around the chosen axis. The m ethod allows to createn for exam ple m odels o f a shaft or bearings (Fig.3). A n o th e r technique is based on extruding the m odel outline along the chosen path. The stator or rotor core m odels can be obtained this way, as shown in Fig.4.
More com plicated objects are obtained by using Boolean operation o f union, intersection or subtraction. A key and a splinew ay in a shaft can be obtained this way (Fig.5).
A utoC A D provides several m ethods fo r creating surface m eshes. A mesh represents an object surface using planar facets. W ith the 3DM esh com m and user can construct very irregular surfaces.
Finally knurling o f the shaft and twisting of the rotor core m odel can be presented this way. The m odel o f the skew iron rotor core and the squirrel cage obtained by using the 3Dm esh function is shown in Fig.6.
AutoC A D supports several program m ing languages, from AutoLIS P to C++ interface. AutoLISP lets users w rite program s in a powerful high-level language that is w ell suited to graphical applications. A pplication to object m odeling o f objects presented in th is paper has been written in VisualLIS P language.
