焊接工裝智能CAD技術研究

劉雙明陜西建設機械股份有限公司工程機械研究院

焊接工裝智能CAD技術研究

劉雙明
陜西建設機械股份有限公司工程機械研究院

本文首先對智能CAD技術進行簡單的概述，了解智能CAD技術的概念含義，然后對焊接工裝夾具進行分析，研究這種特殊加工工藝使用的夾具的特殊性，最后結(jié)合智能CAD技術和焊接工裝夾具的特點研究分析如何利用智能CAD技術對焊接工裝進行方案設計，從而提高智能CAD技術在焊接工藝和工裝夾具設計中的使用，同時提高智能CAD技術水平和焊接工裝夾具的設計水平，保障焊接工裝夾具的設計質(zhì)量，促進我國焊接技術的更好發(fā)展。

智能CAD；焊接；工裝夾具；方案設計

1、前言

任何工業(yè)產(chǎn)品在投入生產(chǎn)之前都要首先進行產(chǎn)品設計，尤其是對于重工業(yè)機械產(chǎn)品而言，對于產(chǎn)品進行合理的方案設計是進行一切其他設計和生產(chǎn)制造的前提?，F(xiàn)階段在產(chǎn)品設計過程中會普遍使用CAD技術，傳統(tǒng)的CAD技術能夠比較好的滿足對于單一產(chǎn)品的最后階段的生產(chǎn)標準尺寸繪制，但是無法支持對于產(chǎn)品的功能定義、概念設計以及對產(chǎn)品最初的定義設計等關鍵階段。而這幾個階段的設計是對于最終產(chǎn)品的設計質(zhì)量影響最大，也是最能發(fā)揮設計者個人創(chuàng)造能力的部分。近段時間以來，隨著隨著人工智能技術在產(chǎn)品設計領域的廣泛使用，大量的產(chǎn)品在設計階段引入智能CAD技術來輔助產(chǎn)品的方案設計。產(chǎn)品的方案設計是對于產(chǎn)品的結(jié)構、性能以及生產(chǎn)工藝和制造成本影響最直接的環(huán)節(jié)，對方案設計環(huán)節(jié)應用智能CAD技術能夠有效提高生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量以及生產(chǎn)廠家的競爭力。

在工業(yè)生產(chǎn)機械制造的過程中會經(jīng)常使用到焊接設備，其中焊接工裝夾具是現(xiàn)階段所有焊接工藝裝備中最典型的設備。長期以來都是使用手工設計的方式對焊接工裝夾具進行方案設計。隨著近年來焊接技術的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸建立完善了關于焊接結(jié)構產(chǎn)品信息的模型數(shù)據(jù)庫，因此現(xiàn)階段能夠充分利用這些模型來對焊接工裝在進行方案設計中用到的規(guī)律進行抽象描述，對方案設計的各項功能特征進行分析，有利于對焊接工裝方案設計智能CAD系統(tǒng)建立總體的設計策略，為提高整體的智能CAD技術奠定基礎。

2、智能CAD技術概述

自20實際末以來，信息技術逐漸取得發(fā)展，各行各業(yè)智能化的程度逐漸加深。最近幾年隨著計算機信息等高新技術在機械制造行業(yè)的推廣使用，逐漸將傳統(tǒng)的CAD技術與新型人工智能和專家系統(tǒng)進行融合，使得機械產(chǎn)品的從設計到生產(chǎn)加工的智能化程度逐漸加深，目前已經(jīng)在機械行業(yè)形成了智能CAD系統(tǒng)的雛形。隨著智能CAD系統(tǒng)優(yōu)勢的凸顯，對于ICAD系統(tǒng)的研究也逐漸得到越來越多專業(yè)人士的關注?，F(xiàn)階段智能CAD技術已經(jīng)逐漸融合傳統(tǒng)的CAD技術、新興人工智能技術以及先進的計算機信息技術等，成為機械行業(yè)綜合性比較強、指向性比較前沿的研究課題。

不同的行業(yè)需要不同的機械產(chǎn)品，不同的產(chǎn)品也有不同的型號類型?，F(xiàn)階段還沒有一款機械設計工具能夠滿足不同行業(yè)機械產(chǎn)品的所有需求，因此往往需要針對不同的機械產(chǎn)品進行相關產(chǎn)品設計的研究，比如說各種生產(chǎn)加工機床的方案設計、適用于不同情況的減速器的設計、各種類型軸承的設計以及各種焊接工裝夾具的智能設計生產(chǎn)等等。

3、焊接工裝的特殊性

焊接工裝夾具結(jié)構表復雜，主要由夾具體、焊接物體定位器和焊接物體的夾緊裝置三部分組成。根據(jù)夾具工裝的適用范圍可以將其分為通用型夾具和專用型夾具兩種，為了更好實現(xiàn)夾具的通用型，一般對焊接夾具工裝進行標準化設計，但是由于所焊接的物體形狀各異，具體焊接中使用的焊接技術也不盡相同，往往需要對特殊焊接物設計專用的焊接夾具。焊接工裝夾具與其他機械夾具既有相同的地方，也有一些特殊之處，主要有以下幾點：

3.1與其他機械加工不同的地方是，其他機械加工是“減”的過程，而焊接是一個“加”的過程，焊接過程中需要不斷對整個焊接件進行裝配和固定，而且要遵循一定的先后順序。而且焊接過程是一個持續(xù)的過程，需要單獨對每一個要進行焊接的零件進行定位然后用夾緊裝置進行夾緊。因此焊接工裝夾具一般會比其他機械加工使用的夾具結(jié)構更加復雜，需要用到的定位和夾緊裝置數(shù)量也會更多。

3.2焊接工裝夾具的定位裝夾系統(tǒng)與普通的機械加工中使用的定位裝夾系統(tǒng)有很大的不同，普通的機械加工只有單一的加工工件，因此其加工夾具的定位裝夾系統(tǒng)只需要完成對單一工件的定位裝夾。而焊接加工中的加工對象至少有兩個，在焊接過程中既要實現(xiàn)對兩個加工對象接頭位置的定位裝夾，對焊接接頭進行準確裝配，這是焊接工裝夾具的主裝夾系統(tǒng)；另外要實現(xiàn)對這一部分夾緊機構的定位夾緊，這也是整個焊接工裝夾具的輔助裝夾系統(tǒng)。

3.3焊接過程中被加工的零部件往往會由于受熱等原因會出現(xiàn)一定的變形。因此在進行焊接加工的時候，需要在焊接工裝夾具中設計相應的反變形裝置和剛性固定裝置來實現(xiàn)對工件的剛性夾固。但是考慮到某些工件存在比較大的內(nèi)應力，就需要給工件預留一定的移動量。這也說明了焊接工裝夾具的復雜性，需要根據(jù)不同的工作情況，不同的焊接工件設計相應的焊接工裝夾具。同時在焊接工裝夾具的定位設計中往往也就不需要很高的精度。

3.4工件的焊接總是會伴隨高溫產(chǎn)生，同時由于焊接加工過程時間長短的不確定性就會造成不同零部件的不同部位出現(xiàn)不同程度的加熱或者冷卻，從而導致在焊接過程中以及在焊接完成后，焊接工件的焊道位置在各個方向都會產(chǎn)生比較大的變形。所以在對焊接工裝夾具進行設計的時候需要考慮到焊接工件的應力變化，盡量提高焊接夾具的剛度，確保夾具不出現(xiàn)變形，同時要綜合考慮焊接工件的應力變化，提高裝配的精度。

3.5焊接過程涉及到高溫操作，危險性更大。因此對于焊接工件的夾緊系統(tǒng)，要保持其自鎖性能，保證工價夾緊的安全可靠性，避免出現(xiàn)工件的脫落。另外要注意保持焊接工裝夾具和被焊接加工工件之間的接觸。與此同時要預留出合理的裝配焊接空間，避免出現(xiàn)夾具影響正常焊接加工的情況。

4、利用智能CAD技術對焊接工裝夾具進行方案設計

4.1焊接工裝方案設計的具體流程

對焊接工裝夾具進行方案設計首先要分析焊接工件的相關信息，比如形狀、接頭以及裝配要求等。然后根據(jù)焊接工件的相關信息來確定焊接工裝夾具要滿足的各種功能需求以及設計中需要特別注意的地方。最后根據(jù)相應的功能需求建立焊接工裝夾具的基本方案并繪制夾具模型的草圖。這樣就可以根據(jù)具體的方案設計對焊接工裝夾具的裝配圖和需要使用的零部件進行詳細的設計，同時確定相應的定位和夾緊方案。另外可以對焊接工裝夾具的方案設計進行進一步的優(yōu)化，確定最終的夾具方案。

4.2焊接工裝方案設計的基礎知識

在對焊接工裝夾具進行方案設計的過程中一般是要根據(jù)被焊接加工的工件選擇有參照性的夾具模型以及參考方案，在此基礎上進行修改。但是當被焊接加工的工件是屬于特殊工件，在模型庫沒有可以參照的夾具模型的時候就需要利用基本的設計經(jīng)驗和基礎性的設計知識來進行方案設計。比如在選擇定位夾緊方式的時候，如果被焊接工件有管道類型的結(jié)構就可以用三爪卡盤對元件夾緊進行焊接。

4.3焊接工裝方案設計的智能CAD系統(tǒng)設計

綜合前面介紹的焊接工裝方案設計的具體流程以及焊接工裝方案設計的基礎知識和智能CAD技術來實現(xiàn)對焊接工裝方案的智能設計。具體的設計過程可以分為基于焊接工件基本數(shù)據(jù)的焊接工裝夾具功能分析、基于焊接工裝夾具實例的初步設計、基于焊接工裝方案設計的基礎知識的修改以及最終焊接工裝夾具方案設計的評價分析和輸出四個主要階段。

在功能分析階段首先要分析被加工工件的基本信息，了解被焊接工件的使用環(huán)境和用途，提取出相關特征信息，然后研究整理出焊接工裝夾具的功能需求。得到功能需求后進入基于焊接工裝夾具實例的設計階段，根據(jù)相關功能需求在智能CAD系統(tǒng)中選取與功能需求相匹配的設計實例作為方案設計的參照方案。之后根據(jù)焊接工裝方案設計的基礎知識，對一些與實際焊接工裝夾具不匹配的功能進行刪除或者修改，從而逐漸完善焊接工裝夾具的各項功能需求。最后對完善后的方案進行評價分析，將最終結(jié)果從智能CAD系統(tǒng)中進行輸出。最終的輸出內(nèi)容要包括完整的焊接工裝夾具結(jié)構，有相應的定位夾緊方案并設計裝配定位夾緊機構，同時要對夾緊力進行計算和校核。最理想的狀態(tài)是能夠在智能CAD系統(tǒng)中選取提供定位夾緊機構的參數(shù)化模型從而直接進行加工生產(chǎn)。

5、結(jié)語

智能CAD技術的應用在機械行業(yè)已經(jīng)逐漸成為一種發(fā)展趨勢。在焊接工裝中使用智能CAD技術能夠比較方便的進行焊接工裝夾具的設計，滿足焊接加工的需要。未來隨著智能CAD技術的推廣使用將建立更多焊接工裝夾具的模型數(shù)據(jù)和焊接工件的特征數(shù)據(jù)，有利于后期對焊接工裝夾具進行設計，為焊接工裝夾具設計技術的發(fā)展奠定基礎。現(xiàn)階段智能CAD的相關技術還不是很成熟，仍然需要相關技術人員的努力，不斷提高智能CAD技術在各行業(yè)中的使用，利用智能CAD技術來實現(xiàn)機械行業(yè)的跨越式發(fā)展。

[1]戴鴻濱,林三寶.焊接工裝夾具方案設計智能CAD技術的研究[J].焊接,2004,(2):13-16.

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[3]林三寶.焊接變位機方案設計智能CAD技術的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學,2000.