焊接工装智能CAD技术研究

刘双明陕西建设机械股份有限公司工程机械研究院

焊接工装智能CAD技术研究

刘双明
陕西建设机械股份有限公司工程机械研究院

本文首先对智能CAD技术进行简单的概述，了解智能CAD技术的概念含义，然后对焊接工装夹具进行分析，研究这种特殊加工工艺使用的夹具的特殊性，最后结合智能CAD技术和焊接工装夹具的特点研究分析如何利用智能CAD技术对焊接工装进行方案设计，从而提高智能CAD技术在焊接工艺和工装夹具设计中的使用，同时提高智能CAD技术水平和焊接工装夹具的设计水平，保障焊接工装夹具的设计质量，促进我国焊接技术的更好发展。

智能CAD；焊接；工装夹具；方案设计

1、前言

任何工业产品在投入生产之前都要首先进行产品设计，尤其是对于重工业机械产品而言，对于产品进行合理的方案设计是进行一切其他设计和生产制造的前提。现阶段在产品设计过程中会普遍使用CAD技术，传统的CAD技术能够比较好的满足对于单一产品的最后阶段的生产标准尺寸绘制，但是无法支持对于产品的功能定义、概念设计以及对产品最初的定义设计等关键阶段。而这几个阶段的设计是对于最终产品的设计质量影响最大，也是最能发挥设计者个人创造能力的部分。近段时间以来，随着随着人工智能技术在产品设计领域的广泛使用，大量的产品在设计阶段引入智能CAD技术来辅助产品的方案设计。产品的方案设计是对于产品的结构、性能以及生产工艺和制造成本影响最直接的环节，对方案设计环节应用智能CAD技术能够有效提高生产产品的质量以及生产厂家的竞争力。

在工业生产机械制造的过程中会经常使用到焊接设备，其中焊接工装夹具是现阶段所有焊接工艺装备中最典型的设备。长期以来都是使用手工设计的方式对焊接工装夹具进行方案设计。随着近年来焊接技术的发展，现在已经逐渐建立完善了关于焊接结构产品信息的模型数据库，因此现阶段能够充分利用这些模型来对焊接工装在进行方案设计中用到的规律进行抽象描述，对方案设计的各项功能特征进行分析，有利于对焊接工装方案设计智能CAD系统建立总体的设计策略，为提高整体的智能CAD技术奠定基础。

2、智能CAD技术概述

自20实际末以来，信息技术逐渐取得发展，各行各业智能化的程度逐渐加深。最近几年随着计算机信息等高新技术在机械制造行业的推广使用，逐渐将传统的CAD技术与新型人工智能和专家系统进行融合，使得机械产品的从设计到生产加工的智能化程度逐渐加深，目前已经在机械行业形成了智能CAD系统的雏形。随着智能CAD系统优势的凸显，对于ICAD系统的研究也逐渐得到越来越多专业人士的关注。现阶段智能CAD技术已经逐渐融合传统的CAD技术、新兴人工智能技术以及先进的计算机信息技术等，成为机械行业综合性比较强、指向性比较前沿的研究课题。

不同的行业需要不同的机械产品，不同的产品也有不同的型号类型。现阶段还没有一款机械设计工具能够满足不同行业机械产品的所有需求，因此往往需要针对不同的机械产品进行相关产品设计的研究，比如说各种生产加工机床的方案设计、适用于不同情况的减速器的设计、各种类型轴承的设计以及各种焊接工装夹具的智能设计生产等等。

3、焊接工装的特殊性

焊接工装夹具结构表复杂，主要由夹具体、焊接物体定位器和焊接物体的夹紧装置三部分组成。根据夹具工装的适用范围可以将其分为通用型夹具和专用型夹具两种，为了更好实现夹具的通用型，一般对焊接夹具工装进行标准化设计，但是由于所焊接的物体形状各异，具体焊接中使用的焊接技术也不尽相同，往往需要对特殊焊接物设计专用的焊接夹具。焊接工装夹具与其他机械夹具既有相同的地方，也有一些特殊之处，主要有以下几点：

3.1与其他机械加工不同的地方是，其他机械加工是“减”的过程，而焊接是一个“加”的过程，焊接过程中需要不断对整个焊接件进行装配和固定，而且要遵循一定的先后顺序。而且焊接过程是一个持续的过程，需要单独对每一个要进行焊接的零件进行定位然后用夹紧装置进行夹紧。因此焊接工装夹具一般会比其他机械加工使用的夹具结构更加复杂，需要用到的定位和夹紧装置数量也会更多。

3.2焊接工装夹具的定位装夹系统与普通的机械加工中使用的定位装夹系统有很大的不同，普通的机械加工只有单一的加工工件，因此其加工夹具的定位装夹系统只需要完成对单一工件的定位装夹。而焊接加工中的加工对象至少有两个，在焊接过程中既要实现对两个加工对象接头位置的定位装夹，对焊接接头进行准确装配，这是焊接工装夹具的主装夹系统；另外要实现对这一部分夹紧机构的定位夹紧，这也是整个焊接工装夹具的辅助装夹系统。

3.3焊接过程中被加工的零部件往往会由于受热等原因会出现一定的变形。因此在进行焊接加工的时候，需要在焊接工装夹具中设计相应的反变形装置和刚性固定装置来实现对工件的刚性夹固。但是考虑到某些工件存在比较大的内应力，就需要给工件预留一定的移动量。这也说明了焊接工装夹具的复杂性，需要根据不同的工作情况，不同的焊接工件设计相应的焊接工装夹具。同时在焊接工装夹具的定位设计中往往也就不需要很高的精度。

3.4工件的焊接总是会伴随高温产生，同时由于焊接加工过程时间长短的不确定性就会造成不同零部件的不同部位出现不同程度的加热或者冷却，从而导致在焊接过程中以及在焊接完成后，焊接工件的焊道位置在各个方向都会产生比较大的变形。所以在对焊接工装夹具进行设计的时候需要考虑到焊接工件的应力变化，尽量提高焊接夹具的刚度，确保夹具不出现变形，同时要综合考虑焊接工件的应力变化，提高装配的精度。

3.5焊接过程涉及到高温操作，危险性更大。因此对于焊接工件的夹紧系统，要保持其自锁性能，保证工价夹紧的安全可靠性，避免出现工件的脱落。另外要注意保持焊接工装夹具和被焊接加工工件之间的接触。与此同时要预留出合理的装配焊接空间，避免出现夹具影响正常焊接加工的情况。

4、利用智能CAD技术对焊接工装夹具进行方案设计

4.1焊接工装方案设计的具体流程

对焊接工装夹具进行方案设计首先要分析焊接工件的相关信息，比如形状、接头以及装配要求等。然后根据焊接工件的相关信息来确定焊接工装夹具要满足的各种功能需求以及设计中需要特别注意的地方。最后根据相应的功能需求建立焊接工装夹具的基本方案并绘制夹具模型的草图。这样就可以根据具体的方案设计对焊接工装夹具的装配图和需要使用的零部件进行详细的设计，同时确定相应的定位和夹紧方案。另外可以对焊接工装夹具的方案设计进行进一步的优化，确定最终的夹具方案。

4.2焊接工装方案设计的基础知识

在对焊接工装夹具进行方案设计的过程中一般是要根据被焊接加工的工件选择有参照性的夹具模型以及参考方案，在此基础上进行修改。但是当被焊接加工的工件是属于特殊工件，在模型库没有可以参照的夹具模型的时候就需要利用基本的设计经验和基础性的设计知识来进行方案设计。比如在选择定位夹紧方式的时候，如果被焊接工件有管道类型的结构就可以用三爪卡盘对元件夹紧进行焊接。

4.3焊接工装方案设计的智能CAD系统设计

综合前面介绍的焊接工装方案设计的具体流程以及焊接工装方案设计的基础知识和智能CAD技术来实现对焊接工装方案的智能设计。具体的设计过程可以分为基于焊接工件基本数据的焊接工装夹具功能分析、基于焊接工装夹具实例的初步设计、基于焊接工装方案设计的基础知识的修改以及最终焊接工装夹具方案设计的评价分析和输出四个主要阶段。

在功能分析阶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环境和用途，提取出相关特征信息，然后研究整理出焊接工装夹具的功能需求。得到功能需求后进入基于焊接工装夹具实例的设计阶段，根据相关功能需求在智能CAD系统中选取与功能需求相匹配的设计实例作为方案设计的参照方案。之后根据焊接工装方案设计的基础知识，对一些与实际焊接工装夹具不匹配的功能进行删除或者修改，从而逐渐完善焊接工装夹具的各项功能需求。最后对完善后的方案进行评价分析，将最终结果从智能CAD系统中进行输出。最终的输出内容要包括完整的焊接工装夹具结构，有相应的定位夹紧方案并设计装配定位夹紧机构，同时要对夹紧力进行计算和校核。最理想的状态是能够在智能CAD系统中选取提供定位夹紧机构的参数化模型从而直接进行加工生产。

5、结语

智能CAD技术的应用在机械行业已经逐渐成为一种发展趋势。在焊接工装中使用智能CAD技术能够比较方便的进行焊接工装夹具的设计，满足焊接加工的需要。未来随着智能CAD技术的推广使用将建立更多焊接工装夹具的模型数据和焊接工件的特征数据，有利于后期对焊接工装夹具进行设计，为焊接工装夹具设计技术的发展奠定基础。现阶段智能CAD的相关技术还不是很成熟，仍然需要相关技术人员的努力，不断提高智能CAD技术在各行业中的使用，利用智能CAD技术来实现机械行业的跨越式发展。

[1]戴鸿滨,林三宝.焊接工装夹具方案设计智能CAD技术的研究[J].焊接,2004,(2):13-16.

[2]戴鸿滨,林三宝.焊接夹具方案设计智能CAD系统的知识表达[J].焊接,2004,(5):26-28.

[3]林三宝.焊接变位机方案设计智能CAD技术的研究[D].哈尔滨工业大学,2000.