劉雙明陜西建設(shè)機(jī)械股份有限公司工程機(jī)械研究院

焊接工裝智能CAD技術(shù)研究

劉雙明
陜西建設(shè)機(jī)械股份有限公司工程機(jī)械研究院

本文首先對(duì)智能CAD技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的概述，了解智能CAD技術(shù)的概念含義，然后對(duì)焊接工裝夾具進(jìn)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(shù)和焊接工裝夾具的特點(diǎn)研究分析如何利用智能CAD技術(shù)對(duì)焊接工裝進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，從而提高智能CAD技術(shù)在焊接工藝和工裝夾具設(shè)計(jì)中的使用，同時(shí)提高智能CAD技術(shù)水平和焊接工裝夾具的設(shè)計(jì)水平，保障焊接工裝夾具的設(shè)計(jì)質(zhì)量，促進(jìn)我國(guó)焊接技術(shù)的更好發(fā)展。

智能CAD；焊接；工裝夾具；方案設(shè)計(jì)

1、前言

任何工業(yè)產(chǎn)品在投入生產(chǎn)之前都要首先進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，尤其是對(duì)于重工業(yè)機(jī)械產(chǎn)品而言，對(duì)于產(chǎn)品進(jìn)行合理的方案設(shè)計(jì)是進(jìn)行一切其他設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造的前提?，F(xiàn)階段在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)普遍使用CAD技術(shù)，傳統(tǒng)的CAD技術(shù)能夠比較好的滿足對(duì)于單一產(chǎn)品的最后階段的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)尺寸繪制，但是無(wú)法支持對(duì)于產(chǎn)品的功能定義、概念設(shè)計(jì)以及對(duì)產(chǎn)品最初的定義設(shè)計(jì)等關(guān)鍵階段。而這幾個(gè)階段的設(shè)計(jì)是對(duì)于最終產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量影響最大，也是最能發(fā)揮設(shè)計(jì)者個(gè)人創(chuàng)造能力的部分。近段時(shí)間以來(lái)，隨著隨著人工智能技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域的廣泛使用，大量的產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段引入智能CAD技術(shù)來(lái)輔助產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)。產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)是對(duì)于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、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(duì)方案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)用智能CAD技術(shù)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(jìng)爭(zhēng)力。

在工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械制造的過(guò)程中會(huì)經(jīng)常使用到焊接設(shè)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(shè)備。長(zhǎng)期以來(lái)都是使用手工設(shè)計(jì)的方式對(duì)焊接工裝夾具進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。隨著近年來(lái)焊接技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸建立完善了關(guān)于焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品信息的模型數(shù)據(jù)庫(kù)，因此現(xiàn)階段能夠充分利用這些模型來(lái)對(duì)焊接工裝在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)中用到的規(guī)律進(jìn)行抽象描述，對(duì)方案設(shè)計(jì)的各項(xiàng)功能特征進(jìn)行分析，有利于對(duì)焊接工裝方案設(shè)計(jì)智能CAD系統(tǒng)建立總體的設(shè)計(jì)策略，為提高整體的智能CAD技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

2、智能CAD技術(shù)概述

自20實(shí)際末以來(lái)，信息技術(shù)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(jì)算機(jī)信息等高新技術(shù)在機(jī)械制造行業(yè)的推廣使用，逐漸將傳統(tǒng)的CAD技術(shù)與新型人工智能和專家系統(tǒng)進(jìn)行融合，使得機(jī)械產(chǎn)品的從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)加工的智能化程度逐漸加深，目前已經(jīng)在機(jī)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(shì)的凸顯，對(duì)于ICAD系統(tǒng)的研究也逐漸得到越來(lái)越多專業(yè)人士的關(guān)注?，F(xiàn)階段智能CAD技術(shù)已經(jīng)逐漸融合傳統(tǒng)的CAD技術(shù)、新興人工智能技術(shù)以及先進(jìn)的計(jì)算機(jī)信息技術(shù)等，成為機(jī)械行業(yè)綜合性比較強(qiáng)、指向性比較前沿的研究課題。

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

3、焊接工裝的特殊性

焊接工裝夾具結(jié)構(gòu)表復(fù)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(shí)現(xiàn)夾具的通用型，一般對(duì)焊接夾具工裝進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，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(shù)也不盡相同，往往需要對(duì)特殊焊接物設(shè)計(jì)專用的焊接夾具。焊接工裝夾具與其他機(jī)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(diǎn)：

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

3.2焊接工裝夾具的定位裝夾系統(tǒng)與普通的機(jī)械加工中使用的定位裝夾系統(tǒng)有很大的不同，普通的機(jī)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(duì)單一工件的定位裝夾。而焊接加工中的加工對(duì)象至少有兩個(gè)，在焊接過(guò)程中既要實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)加工對(duì)象接頭位置的定位裝夾，對(duì)焊接接頭進(jìn)行準(zhǔn)確裝配，這是焊接工裝夾具的主裝夾系統(tǒng)；另外要實(shí)現(xiàn)對(duì)這一部分夾緊機(jī)構(gòu)的定位夾緊，這也是整個(gè)焊接工裝夾具的輔助裝夾系統(tǒng)。

3.3焊接過(guò)程中被加工的零部件往往會(huì)由于受熱等原因會(huì)出現(xiàn)一定的變形。因此在進(jìn)行焊接加工的時(shí)候，需要在焊接工裝夾具中設(shè)計(jì)相應(yīng)的反變形裝置和剛性固定裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的剛性?shī)A固。但是考慮到某些工件存在比較大的內(nèi)應(yīng)力，就需要給工件預(yù)留一定的移動(dòng)量。這也說(shuō)明了焊接工裝夾具的復(fù)雜性，需要根據(jù)不同的工作情況，不同的焊接工件設(shè)計(jì)相應(yīng)的焊接工裝夾具。同時(shí)在焊接工裝夾具的定位設(shè)計(jì)中往往也就不需要很高的精度。

3.4工件的焊接總是會(huì)伴隨高溫產(chǎn)生，同時(shí)由于焊接加工過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)短的不確定性就會(huì)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(dǎo)致在焊接過(guò)程中以及在焊接完成后，焊接工件的焊道位置在各個(gè)方向都會(huì)產(chǎn)生比較大的變形。所以在對(duì)焊接工裝夾具進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候需要考慮到焊接工件的應(yīng)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(shí)要綜合考慮焊接工件的應(yīng)力變化，提高裝配的精度。

3.5焊接過(guò)程涉及到高溫操作，危險(xiǎn)性更大。因此對(duì)于焊接工件的夾緊系統(tǒng)，要保持其自鎖性能，保證工價(jià)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(shí)要預(yù)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(shù)對(duì)焊接工裝夾具進(jìn)行方案設(shè)計(jì)

4.1焊接工裝方案設(shè)計(jì)的具體流程

對(duì)焊接工裝夾具進(jìn)行方案設(shè)計(jì)首先要分析焊接工件的相關(guān)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(guān)信息來(lái)確定焊接工裝夾具要滿足的各種功能需求以及設(shè)計(jì)中需要特別注意的地方。最后根據(jù)相應(yīng)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(shè)計(jì)對(duì)焊接工裝夾具的裝配圖和需要使用的零部件進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)，同時(shí)確定相應(yīng)的定位和夾緊方案。另外可以對(duì)焊接工裝夾具的方案設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，確定最終的夾具方案。

4.2焊接工裝方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)

在對(duì)焊接工裝夾具進(jìn)行方案設(shè)計(jì)的過(guò)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(chǔ)上進(jìn)行修改。但是當(dāng)被焊接加工的工件是屬于特殊工件，在模型庫(kù)沒有可以參照的夾具模型的時(shí)候就需要利用基本的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)性的設(shè)計(jì)知識(shí)來(lái)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。比如在選擇定位夾緊方式的時(shí)候，如果被焊接工件有管道類型的結(jié)構(gòu)就可以用三爪卡盤對(duì)元件夾緊進(jìn)行焊接。

4.3焊接工裝方案設(shè)計(jì)的智能CAD系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合前面介紹的焊接工裝方案設(shè)計(jì)的具體流程以及焊接工裝方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)和智能CAD技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接工裝方案的智能設(shè)計(jì)。具體的設(shè)計(jì)過(guò)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(shí)例的初步設(shè)計(jì)、基于焊接工裝方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)的修改以及最終焊接工裝夾具方案設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)分析和輸出四個(gè)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(guān)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(jìn)入基于焊接工裝夾具實(shí)例的設(shè)計(jì)階段，根據(jù)相關(guān)功能需求在智能CAD系統(tǒng)中選取與功能需求相匹配的設(shè)計(jì)實(shí)例作為方案設(shè)計(jì)的參照方案。之后根據(jù)焊接工裝方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)一些與實(shí)際焊接工裝夾具不匹配的功能進(jìn)行刪除或者修改，從而逐漸完善焊接工裝夾具的各項(xiàng)功能需求。最后對(duì)完善后的方案進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，將最終結(jié)果從智能CAD系統(tǒng)中進(jìn)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(gòu)，有相應(yīng)的定位夾緊方案并設(shè)計(jì)裝配定位夾緊機(jī)構(gòu)，同時(shí)要對(duì)夾緊力進(jìn)行計(jì)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(jī)構(gòu)的參數(shù)化模型從而直接進(jìn)行加工生產(chǎn)。

5、結(jié)語(yǔ)

智能CAD技術(shù)的應(yīng)用在機(jī)械行業(yè)已經(jīng)逐漸成為一種發(fā)展趨勢(shì)。在焊接工裝中使用智能CAD技術(shù)能夠比較方便的進(jìn)行焊接工裝夾具的設(shè)計(jì)，滿足焊接加工的需要。未來(lái)隨著智能CAD技術(shù)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(duì)焊接工裝夾具進(jìn)行設(shè)計(jì)，為焊接工裝夾具設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)?，F(xiàn)階段智能CAD的相關(guān)技術(shù)還不是很成熟，仍然需要相關(guān)技術(shù)人員的努力，不斷提高智能CAD技術(shù)在各行業(yè)中的使用，利用智能CAD技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)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(shè)計(jì)智能CAD技術(shù)的研究[J].焊接,2004,(2):13-16.

[2]戴鴻濱,林三寶.焊接夾具方案設(shè)計(jì)智能CAD系統(tǒng)的知識(shí)表達(dá)[J].焊接,2004,(5):26-28.

[3]林三寶.焊接變位機(jī)方案設(shè)計(jì)智能CAD技術(shù)的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2000.