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模型驅動的航空環控散熱器總裝焊接夾具變型設計

添加時間:2021/07/05 來源:未知 作者:樂楓
本文提出一種模型驅動的航空環控散熱器總裝焊接夾具變型設計方法,該方法基于產品主模型思想,通過構建散熱器總裝焊接夾具變型設計主模型.
以下為本篇論文正文:

摘 要

  航空環控散熱器作為飛行器環境控制的重要機載系統附件,其性能直接影響著環控系統電子電氣設備的正常工作,而散熱器總裝焊接夾具的設計效率和質量直接影響著散熱器的研制周期和性能。當前,散熱器新品增加快,夾具設計更改頻繁,設計人員主要以散熱器產品圖紙尺寸為數據源,在二維圖紙上逐個地手動修改焊接夾具元件的尺寸參數,直到滿足新散熱器的裝夾要求。這種設計方法效率低,不夠直觀,規范性差,更容易導致人為誤差,許多好的設計知識未得到重用,另外,夾具設計結果為二維圖,無法為數控加工編程及仿真、現場作業指導等工藝業務提供所需的三維模型數據。因此,如何提高環控散熱器總裝焊接夾具的設計效率和質量,縮短總裝焊接夾具對散熱器參數變更的響應時間,對散熱器產品的研制具有重要意義。

  本文提出一種模型驅動的航空環控散熱器總裝焊接夾具變型設計方法,該方法基于產品主模型思想,通過構建散熱器總裝焊接夾具變型設計主模型,并將散熱器產品三維模型的裝夾特征、工藝屬性信息與總裝焊接夾具變型設計主模型中的元件尺寸映射關聯,實現兩者之間的參數聯動,整個過程以三維模型為操作對象,從而摒棄手動修改夾具圖紙元件尺寸和繁雜數據參數的輸入,大幅簡化了設計操作,減少了重復工作量,有效重用已有的夾具設計知識,進而提高了總裝焊接夾具的設計效率和質量穩定性。

  本文的研究內容和成果如下:

 。1)分析了航空環控散熱器和其總裝焊接夾具的結構特點,總結了散熱器總裝焊接夾具變型設計需求;提出了總裝焊接夾具變型設計總體思路及模型驅動的散熱器總裝焊接夾具變型設計方法。

 。2)分析了散熱器模型裝夾特征和工藝屬性信息對夾具結構尺寸參數的影響,基于參數化設計技術和復雜網絡理論,構建了以裝夾特征和工藝屬性為輸入量的散熱器模型主模型和總裝焊接夾具主模型,建立了兩者間的關聯關系后封裝成總裝焊接夾具變型設計主模型,并搭建了 以 TC 為平臺的總裝焊接夾具變型設計主模型庫,便于夾具設計時的檢索調用和管理。 (3)通過提取散熱器模型的工藝屬性和裝夾特征值,并映射到散熱器總裝焊接夾具變型設計主模型上,實現了總裝焊接夾具主模型快速變型生成新夾具,另外,實現了散熱器模型與新夾具的快速裝配以及快速批量地導出總裝焊接夾具二維圖紙。

 。4)基于 NX 和 TC 軟件平臺,以 NX Open API 和 Visual C++為開發工具,開發了模型驅動的航空環控散熱器總裝焊接夾具變型設計系統,滿足了企業的實際需求。

  關鍵詞:航空環控散熱器,總裝焊接夾具,主模型,裝夾特征,工藝屬性,變型設計

夾具

ABSTRACT

  As an important airborne system accessory for aircraft environmental control, the performance ofthe aviation environment control radiator directly affects the normal operation of the electronic andelectrical equipment of the environmental control system, while the design efficiency and quality ofthe welding fixture of the radiator directly affect the development cycle and performance of theradiator. At present, the number of new radiators increases rapidly, and fixture design changesfrequently. Designers mainly use the drawing size of radiator products as the data source to manuallymodify the size parameters of welding fixture elements on two-dimensional drawings one by one untilthe requirements of new radiators are met. This design method is low efficiency, not intuitive, poorstandardization, more likely to lead to human errors, many good design knowledge has not beenreused, in addition, the fixture design results are two-dimensional drawings, which can't provide thethree-dimensional model data needed for NC machining programming and simulation, field workguidance and other process business. Therefore, how to improve the design efficiency and quality ofthe welding fixture of the environment control radiator and shorten the response time of the weldingfixture to the change of the size of the radiator is of great significance to the development of theradiator products.

  This paper presents a model-driven variant design method of welding fixture of aviationenvironment control radiators. Based on the idea of product master model, this method constructs thevariant design master model of welding fixture of radiators, and associates the fixture feature, processattribute information of 3D model of radiator product with the component size mapping in the variantdesign master model of general assembly welding fixture to realize two goals In the whole process,the three-dimensional model is taken as the operation object, thus the input of manually modifyingfixture component size and complex data parameters is abandoned, the design operation is greatlysimplified, the repeated workload is reduced, the existing fixture design knowledge is effectivelyreused, and the design efficiency and quality stability of the general assembly welding fixture areimproved. The research contents and achievements of this paper are as follows:

 。1) The structural characteristics of the aviation environment control radiator and its generalassembly welding fixture are analyzed, and the design requirements of the general assembly weldingfixture are summarized. The general idea of the variant design of the general assembly welding fixtureand the variant design method of the model driven radiator general assembly welding fixture are proposed.

 。2) The influence of the fixture features and process attribute information of the radiator modelon the structural dimension parameters of the fixture is analyzed, and based on the parametric designtechnology and complex network theory, the master model of the radiator model and the master modelof the general assembly welding fixture are constructed, and the relationship between them isestablished ,and the master model library of variant design of general assembly welding fixture basedon TC is built, which is convenient for the retrieval and management of fixture design.

 。3) By extracting the value of the process attributes and fixture features of the radiator model,and mapping them to the master model of the variant design of the radiator assembly welding fixture,the rapid driving variant generation of the assembly welding fixture is realized. In addition, the rapidassembly of the radiator model and the new fixture is realized, and the two-dimensional drawings ofthe assembly welding fixture are quickly and batch exported.

 。4) Based on NX and TC software platform ,and using the development tool of NX open API andVisual C + +, a model driven variant design system of welding fixture for general assembly ofaviation environment control radiator is developed, which meets the actual needs of the enterprise.

  Keywords:Aviation environment control radiator, Welding fixture, Master model, Fixture feature,Process attributes, Variant design.
 

目 錄

  第一章 緒論

  1.1 研究背景及意義

  航空環控系統是機載設備的關鍵系統之一,其主要功能是在不同作戰或飛行環境下,為乘機人員及機載設備提供良好的乘坐和工作環境。散熱器作為航空環控系統的重要部件,主要用于散發環控系統工作時的熱量,避免環控系統高溫工作,保障航空環控系統工作狀態的穩定性和可靠性,散熱器質量的優劣將直接影響航空環控系統能否正常運作[1-2].在散熱器的生產制造過程中,總裝焊接是其中的關鍵工序,該工序需要將芯體、封頭、法蘭等多個零部件精確裝配焊接到一起,最終形成散熱器成品,為保證散熱器的總裝焊接質量和效率,通常需要設計專用的總裝焊接夾具。

  目前,國內航空環控系統制造企業中,散熱器總裝焊接夾具的設計多采用手動繪制二維圖紙的設計模式,其流程如圖 1.1 所示。首先,散熱器產品設計人員根據客戶需求繪制散熱器產品的二維圖紙;總裝夾具設計人員接收到散熱器圖紙后,根據散熱器產品圖紙的幾何外形特征及尺寸,結合散熱器總裝焊接工藝的要求,查找類型結構相似的總裝焊接夾具圖紙,然后修改夾具圖紙中元件的尺寸,直到該總裝焊接夾具滿足裝夾要求。

  這種設計模式,夾具的設計質量取決于設計人員自身的知識和技能水平,且很多優秀的設計知識沒有有效共享和重用,導致夾具設計質量穩定性和規范性較差;且散熱器產品更改時,需要夾具設計人員逐一手動更改夾具的設計元素,重復工作量大且容易產生人為誤差;此外,在夾具設計過程中,夾具設計人員需要從散熱器二維圖樣中人為識別裝夾特征和裝夾尺寸,再基于此繪制夾具二維圖,而沒有直接重用產品三維模型進行夾具設計,從而阻礙了產品設計數據的一致性傳遞。事實上,航空環控系統散熱器種類雖多,但其產品外形具有一定的相似性,因而總裝焊接的夾具結構也較為相似。如何有效重用產品設計數據,并基于已有的航空環控系統散熱器總裝焊接夾具設計結構和知識,快速變型生成新的滿足裝夾要求的夾具結構,對于提升夾具的設計效率、規范性和質量穩定性,進而縮短散熱器產品的研制周期具有重要意義。

  針對以上問題,本文提出了一種模型驅動的航空環控散熱器總裝焊接夾具變型設計方法,該方法基于產品主模型思想和變型設計技術,直接用散熱器產品三維模型驅動散熱器總裝焊接夾具變型設計主模型,使之自動變型,生成新的夾具結構模型。將模型驅動的變型設計方法應用于環控散熱器總裝焊接夾具設計,具有如下意義:

 。1)設計方式從二維圖紙到三維模型,利于設計知識和設計經驗的有效保存和重用,提升設計質量:通過構建散熱器模型主模型和總裝焊接夾具變型設計主模型,固化了企業已有的優秀夾具裝夾結構和知識,將傳統依靠二維圖紙的散熱器總裝焊接夾具設計轉換為產品三維模型驅動主模型變型的方式,使生成的新夾具為三維數模形式,不僅利于保存夾具設計知識,提升夾具設計質量,更利于后續夾具元件的數控加工編程與受力仿真分析。 (2)提高夾具設計效率,縮短了散熱器研制周期:將散熱器模型的裝夾特征和工藝屬性作為輸入,驅動總裝焊接夾具變型設計主模型變型,使焊接夾具設計能夠快速響應新散熱器結構特征和工藝屬性的變化,簡化了總裝焊接夾具設計操作,提高了設計效率。通過散熱器總裝焊接夾具變型設計主模型庫的建立,散熱器產品設計之初,就可以并行地利用散熱器三維模型驅動總裝焊接夾具變型設計主模型變型生成新夾具,實現散熱器設計部門和工裝夾具間部門的協 同設計,縮短了散熱器的研制周期。

 。3)總裝焊接夾具三維模型快速生成二維圖紙:根據企業需求,通過建立圖幅模板,再構建總裝焊接夾具元部件圖紙模板,該圖紙模板隨三維模型變型自動更新,并對其賦予唯一 ID號,即可快速批量導出夾具元部件二維 PDF 圖紙,減少了設計人員手工重復繪圖的工作,便于后續制造加工。

  1.2 國內外研究現狀

  1.2.1 計算機輔助夾具設計

  夾具設計和制造作為產品研制過程中的重要組成部分,其設計和制造周期約占整個產品研制周期的 20%-40%,對于制造企業來說提高夾具設計的效率,縮短生產準備周期是提高競爭力最有效方法之一[3].由此,關于計算機輔助夾具設計(CAFD)技術及相應的設計系統的研究如雨后春筍般增長[4].

  計算機輔助夾具設計就是借助計算輔助設計(CAD)技術來實現夾具一定程度的自動化設 計,即進行夾具的方案規劃、元件快速選取并組裝、夾具性能評價、輸出夾具圖。計算輔助夾具設計相關研究最早可追溯到上個世紀七十年代,國外學者展開了對計算機輔助夾具設計技術的研究,如德國和俄羅斯學者。法國學者 Ingrand 和 Latombe 于 1980 年開發了首個 CAFD 專家系統,A. Markus 在 1984 年使用 Prolog 語言設計了一套在半自動地組合夾具組裝 CAFD 專家系統,我國在二十世紀八十年代中期也開始了 CAFD 技術的研究[5-6].

  CAFD 技術發展大致可分為三個階段[7-9]: (1)交互式夾具設計系統:上世紀八十年代初,利用 CAD 的圖形庫減少夾具設計的一些重復性工作。 (2)半自動化夾具設計系統:上世紀八十年代中后期,基于知識和成組技術的計算機輔助夾具設計系統實現了相似性夾具的實例檢索,以及夾具的安裝、定位、夾緊等輔助設計。

 。3)自動化夾具設計系統:從夾具自動規劃,智能選件,元件自動裝配等方面發展了基于實例的、規則的計算機輔助組合夾具設計系統。

  目前,國內外 CAFD 系統在夾具的安裝規劃,夾具規劃,夾具結構設計,夾具性能評價四個方面提出了許多相關的設計技術方法,并取得了一些成果,但也存在著如下不足:

 。1)夾具設計總是在工藝設計人員完工序模型后才開始進行,未實現并行化設計且沒有使 用有效的 CAD/CAPP 的集成去描述工件的特征和工藝信息,導致效率和質量的低下。 (2)計算機輔助夾具設計技術的智能化程度還有待提高,基于 CBR 的夾具輔助設計在理論上解決了設計經驗的不足,但是 CBR 技術多集中于夾具實例的表示和快速檢索方面,在夾具實例快速修改方面的研究甚少。

  1.2.2 焊接夾具設計

  隨著焊接工藝的發展,焊接結構向著超大型、耐載荷、耐磨、耐低溫、高容量等方向發展,尤其二十世紀八十年代初期以來,焊接機器人占總工業機器人的比重越來越大,要實現焊接的自動化和智能化,就要求高質量、高性能的焊接材料和焊接夾具,其中焊接夾具也稱為焊接工裝夾具,相比于傳統的機床夾具,焊接夾具有如下幾個特點[10]: (1)焊接夾具需要兼具裝配和焊接操作功能,其中裝配和焊接的零部件通常有多個,這些零部件是按照一定先后順序進行裝配和焊接的。

 。2)零部件在焊接夾具中定位夾緊所受的夾持力通常比較小,焊接時需要考慮焊接應力,即零部件的熱脹冷縮,所以焊接夾具設計時需要考慮零部件在某些方向的伸縮性。

 。3)有時焊接夾具常作為焊接電源回路的一部分,為了避免焊接件受電流的影響,需要將焊接夾具做絕緣處理。

 。4)對于受熱極容易變形的薄板沖壓件,焊接夾具一般不采用六點定位原理,需采用其余的輔助定位點和夾緊點;另外,焊接夾具的結構也需要考慮零部件的焊接方式。

  針對焊接夾具的特點,為了提高焊接夾具的設計效率和設計質量,國內外學者做了許多相 關研究。

  Achim Kampker[11]等人在特殊復雜焊接夾具元件的設計方面,采用從三維軟件參數化設計到使用 3D 打印技術直接打印夾具制造元件,以減少焊接夾具的制造時間,但采用 3D 打印技術制造夾具元件的精度有待提高且制造成本比較昂貴。

  B. Li[12]等人為了滿足激光焊接板料裝配的特殊要求,提出了一種基于新定位方案的夾具配置方法。該方法采用逆向工程技術對裝配件進行幾何建模,首先設計裝配焊接模式,以確定焊接位置;然后,依次進行夾具結構的總體設計、確定性優化和穩健設計。這種設計形式適用于創新性夾具設計。

  H. T. Hsieh[13]等人針對攪拌摩擦焊接夾具設計過程的中的難點,使用 TRIZ 理論來解決夾具設計過程中的沖突問題,為設計人員設計夾具提供了理論支持。當然,國外也有許多學者利用有限元仿真軟件對已經設計好的焊接夾具進行受力仿真,來改進夾具元件尺寸或者結構。

  同樣的,雖然國內焊接工藝的發展較晚,國內學者對焊接夾具設計的相關研究起步較晚,但也取得了一定的成果和進展,這些研究大多是都是結合現有的 CAD 系統。

  付紅[14]等人在汽車車身焊接夾具設計中,用 UG WAVE(WAVE 是一種裝配模型之間關聯關系建立的有力工具)將汽車車身復雜曲面、車身焊接夾結構元件間的尺寸參數進行關聯,使夾具設計過程中,車身與夾具之間的數據,夾具元件之間的數據嚴格控制,減少了重復零件的設計過程,提高了零件設計知識的重用,較好地提高了夾具設計的效率。

  青島大學的張發全[15]等人提出了一種模塊化的柔性動車構架組焊工序的焊接夾具設計方法,將焊接夾具元部件根據作用的不同劃分為不同的結構模塊,并且各個模塊的位置在夾具基座上可以手動調整,以此滿足不同的尺寸型號的阻焊工序裝夾焊接,提高夾具設計效率。

  錢丹和米國強[16-17]等人基于實例推理的思想,研究了焊接夾具設計系統。通過搭建焊接夾具元件標準件實例庫,以標準件的檢索和調用來實現焊接夾具的快速設計。這種方法對于專用焊接夾具設計比較局限 .

  重慶大學的陳猛[18]等人針對二維圖式的汽車車身焊接夾具設計方式的不足,提出了三維數據形式的焊接夾具 CAD 設計系統,該系統包括三維的夾具設計以及三維夾具到二維圖的快速轉換,并且搭建了用來對零件進行定位夾緊的實例庫,以此來提高焊接夾具的設計效率。

  另外,國內許多學者為了提高了焊接夾具的設計效率,提出了諸多層面的知識重用。如南京航空航天大學陳明生[19]等人針對航空件焊接夾具的設計,提出了多個層次的知識重用,包括設計過程的知識重用、零部件的重用、裝配關系的重用、特征的重用,較好地為高效率設計航空件焊接夾具提供了思路。

  1.2.3 變型設計技術

  變型設計(Variant Design)是以不改變原產品的基本原理、功能和結構等為前提,對組成產品相關元組件的尺寸進行重新賦值,或改變部分元件的結構位置,以適應新產品的功能需求。

  變型設計是產品部件族應用的擴展,可以對已有的設計知識、經驗等資源進行重用,降低設計生產成本,使企業能夠快速地響應市場的需求變化,達到高效率、高質量地滿足客戶對產品定制化的需求[20-21].目前,變型設計相關的理論和方法包括基于參數化和變量化的變型設計、基于裝配模型的變型設計、基于產品基因和物理表達的變型設計、基于特征的變型設計。

 。1)基于參數化的變型設計參數化設計就是在產品對象的結構或形狀比較固定的基礎上,使用一定的參數來控制產品的約束關系和尺寸值,即尺寸參數驅動。這需要參數控制的產品變型結構尺寸有顯示的對應關系。因此,參數化的變型驅動多用于標準化程度比較高的產品或結構比較簡單的產品中。馬龍[22]等人研究了大型曲柄壓力機的參數化變型設計,通過 Excel 建立部件間參數數據庫管理公式,將這些參數賦值給尺寸表達式來驅動變型。

 。2)基于裝配模型的變型設計裝配模型不僅包了含單個零部件的設計參數和裝配造型,而且包含了裝配層次和裝配信息,通過改變裝配模型中零部件的尺寸參數和裝配位置,實現裝配模型的變型設計。田蘊[23]通過基于頂層基本骨架 TBS 模型的裝配建模技術對產品裝配信息的特征進行了表達,建立了面向需求的產品變型設計框架,以參數化特征技術為平臺,實現了在零件層和部件層中的多層次變型設計。

 。3)基于產品基因和物理表達的變型設計基于產品基因和物理量的變型設計方法主要是在產品功能原理層的變型設計而不是在產品的結構層面上的參數更改或結構調整,將產品的實現原理、結構、功能等多層面特征屬性的信息模型看作產品的基因序列,再用物理定律或者物理定律鏈表達產品功能模型,這種變型設計產生的產品創新級別比較高[24]. (4)基于特征的變型設計這種設計方法多用于零件級別的產品變型設計。對產品的特征進行操作是整個研制過程中的必要步驟。產品可以看作是由有著不同形狀和功能屬性的特征構成,而不是僅僅局限于產品的幾何信息;谔卣鞯淖冃驮O計通過調用用戶自定義的特征庫或系統提供的特征庫中的特征就可以達到產品變型設計,往往結合參數化設計方法,但產品特征間的相互影響又不利于產品模型的更改和維護。在這方面的研究中,馮月一[25]通過對飛機鈑金件和結構件的特征進行總結和歸納,建立了零件的特征模板和零件特征庫,通過變型設計系統調用庫特征實現飛機零件的快速設計。南京航空航天大學的劉金山[26]等人通過對工序件的特征進行信息表達和用基于特征套件方式對夾具結構進行描述,然后比較工件產品特征的相似性以及對其約束完整性求解,實現了夾具基于特征的自動化設計。另外,南京航空航天大學的卜慶奎[27]研究了基于裝夾特征的航空發動機機加夾具變型設計,將發動機機匣的裝夾特征作為輸入,實現了機匣夾具的快速變型設計,但僅考慮了通用性的機匣夾具裝夾結構與機匣裝夾特征的關系。

  綜上所述,現有的焊接夾具設計都必須基于 CAD 系統,且多數研究都是集中于汽車行業零部件的焊接夾具設計;焊接夾具的設計研究主要分為創新性設計和知識重用性研究,創新性研究是從無到有,或者是改變原有夾具的設計結構,進行重新設計;知識重用性是重用已有夾具的設計知識或其它夾具設計資源并結合變型設計技術,以此達到快速設計同類型不同型號工件的焊接夾具,縮短產品設計周期,提高企業的競爭力。當前,大多數焊接夾具的設計就是如何快速有效地重用已有夾具設計資源。

  1.3 課題來源與研究內容

  1.3.1 課題來

  源本課題是南京航空航天大學與國內某航空機載設備制造企業合作開展的項目。課題的目的是開發一個模型驅動的航空環控散熱器總裝焊接夾具變型設計系統,可以針對同類型不同規格的散熱器總裝焊接夾具的快速設計,并完成總裝焊接夾具元部件的快速出圖。

  1.3.2 研究內容

  本文提出了一種模型驅動的航空環控散熱器總裝焊接夾具變型設計方法,并開發了模型驅動的航空環控散熱器總裝焊接變型設計系統,且該系統成功應用于國內某航空機載設備制造企業中,具體研究內容如下:

 。1)散熱器總裝焊接夾具變型設計需求分析及變型設計方法通過分析不同類型航空環控散熱器的結構、工藝屬性對總裝焊接夾具裝夾結構的影響,提 出了總裝焊接夾具變型設計的具體需求,并基于此,給出了總裝焊接夾具變型設計總體思路和原理,提出了模型驅動的總裝焊接夾具變型設計方法。

 。2)總裝焊接夾具變型設計主模型構建分析了散熱器模型裝夾特征和工藝屬性影響的尺寸參數信息,基于參數化設計和復雜網絡理論,構建了以裝夾特征和工藝屬性為輸入量的散熱器模型主模型和總裝焊接夾具主模型,建立兩者間的關聯關系后,封裝成總裝焊接夾具變型設計主模型,并搭建了 TC 平臺的總裝焊接夾具變型設計主模型庫,便于設計夾具時,夾具變型設計主模型的檢索調用和管理。

 。3)模型驅動總裝焊接夾具變型設計主模型變型通過提取散熱器模型的工藝屬性和裝夾特征值,映射到散熱器總裝焊接夾具變型設計主模型上,實現了總裝焊接夾具主模型快速變型,并生成新的總裝焊接夾具;將散熱器模型與新生 成的夾具自動裝配來檢驗新夾具是否符合裝夾要求及便于后續仿真分析;另外,可快速批量導出夾具總裝及夾具元部件二維圖紙。

 。4)模型驅動的航空環控散熱器總裝焊接夾具變型設計系統的開發基于 NX 和 TC 軟件平臺,以 NX Open API、Visual C++為開發工具,開發了模型驅動的航空環控散熱器總裝焊接夾具變型設計系統,滿足了企業的實際需求。

  1.4 章節安排

  根據研究內容,本文總共分為六個章節,各章的具體內容如下:

  第一章 緒論:論述了本文的研究背景、意義和來源,分析了散熱器總裝焊接夾具變型設計的重要性和必要性;從計算機輔助夾具設計、焊接夾具設計和變型設計技術三個方面介紹了國內外學者的研究現狀,詳細分析并總結了當前的焊接夾具設計技術;最后,分析了當前企業散熱器總裝焊接夾具設計的不足,提出了以散熱器產品模型驅動總裝焊接夾具變型設計的方法,明確了本文的研究內容,并給出了全文的章節結構和安排。

  第二章 航空環控散熱器總裝焊接夾具變型設計需求與方法:通過分析環控散熱器自身的結構特點、總裝焊接夾具的結構特點得到了散熱器工藝屬性和裝夾特征對夾具元組件結構變型設計的影響變量,提出了總裝焊接夾具變型設計需求。在此基礎上,基于主模型和變型設計技術,提出了以裝夾特征和工藝屬性為輸入的航空環控散熱器總裝焊接夾具變型設計的方法。

  第三章 航空環控散熱器總裝焊接夾具變型設計主模型構建:分析了總裝焊接夾具變型設計主模型構建的原理,給出了主模型構建的一般流程。由此,通過分析散熱器模型裝夾特征和工藝屬性與夾具變型主尺寸參數的關聯關系,基于復雜網絡理論構建了參數化的散熱器模型主模型和總裝焊接夾具主模型,并將兩者進行參數關聯,構建了以裝夾特征和工藝屬性為輸入變量的總裝焊接夾具變型設計主模型。最后,基于 Teamcener 平臺,研究了總裝焊接夾具變型設計主模型庫的搭建,且將夾具變型設計主模型的輸入接口保存在主模型自身屬性中。

  第四章 模型驅動的散熱器總裝焊接夾具生成:給出了散熱器模型驅動總裝焊接夾具變型設計的具體過程,分析了散熱器模型特裝夾信息和工藝屬性信息提取方法,在此基礎上,將提取的信息值與散熱器模型主模型中的參數表達式進行一一匹配,驅動散熱器模型主模型變型,進而實現夾具變型設計主模型變型生成新的夾具;另外,為了減少設計人員在檢驗夾具是否符合裝夾要求時的繁瑣裝配操作及夾具制造加工時繪制導出圖紙等重復操作,研究了基于約束幾何元素標識的快速裝配方法和圖紙模板的快速批量出圖方法。

  第五章 模型驅動的環控散熱器總裝焊接夾具變型設計系統實現:介紹了模型驅動的總裝焊接夾具變型設計系統的開發行環境、NX 二次開技術以及二次開發的一般步驟,并分析了本系統的開發需求及系統開發的功能,基于此,繪制了系統的總體架構并對系統的各個功能做了詳細介紹;最后,介紹了本系統的運行流程,并以普通四封頭散熱器總裝模型總裝焊接夾具設計為例,驗證了系統總裝焊接夾具主模型定義、總裝焊接夾具變型設計及快速出圖模塊功能的有效性和實用性。

  第六章 總結與展望:對全文的工作進行了總結,并展望了今后工作的一些發展思路。

  全文組織結構如圖 1.2 所示:

  第二章 航空環控散熱器總裝焊接夾具變型設計需求與方法

  2.1 引言

  2.2 航空環控散熱器總裝焊接夾具變型設計需求

  2.2.1 散熱器結構和工藝屬性分析

  2.2.2 總裝焊接夾具結構分析

  2.3 航空環控散熱器總裝焊接夾具變型設計方法

  2.3.1 主模型技術

  2.3.2 總裝焊接夾具變型設計原理

  2.4 本章小結

  第三章 航空環控散熱器總裝焊接夾具變型設計主模型構建

  3.1 引言

  3.2 夾具變型設計主模型構建原理

  3.2.1 參數化設計

  3.2.2 夾具變型設計主模型構建流程

  3.3 散熱器模型主模型構建

  3.3.1 散熱器模型裝夾特征和工藝屬性分析

  3.3.2 散熱器模型主模型建模

  3.3.3 散熱器模型主模型生成

  3.4 總裝焊接夾具主模型構建

  3.4.1 總裝焊接夾具元件分類及參數化建模

  3.4.2 總裝焊接夾具功能結構參數化建模

  3.4.3 總裝焊接夾具功能結構間參數關聯關系建立

  3.4.4 總裝焊接夾具主模型生成

  3.5 總裝焊接夾具變型設計主模型構建

  3.5.1 散熱器模型主模型與夾具主模型關聯關系建立

  3.5.2 總裝焊接夾具變型設計主模型輸入接口提取

  3.5.3 總裝焊接夾具變型設計主模型生成

  3.6 基于 TeamCenter 的夾具變型設計主模型庫構建

  3.6.1 TeamCenter 軟件介紹

  3.6.2 夾具變型設計主模型庫構建

  3.7 本章小結

  第四章 模型驅動的散熱器總裝焊接夾具生成

  4.1 引言

  4.2 散熱器模型裝夾和工藝屬性信息提取

  4.3 總裝焊接夾具變型設計主模型變型

  4.3.1 散熱器模型主模型變型

  4.3.2 總裝焊接夾具主模型變型

  4.3.3 新夾具裝夾要求檢驗

  4.4 總裝焊接夾具快速出圖

  4.4 本章小結

  第五章 模型驅動的環控散熱器總裝焊接夾具變型設計系統實現

  5.1 引言

  5.2 環控散熱器總裝焊接夾具變型設計統開發環境及相關技術

  5.2.1 系統開發環境

  5.2.2 NX 二次開發技術

  5.3 環控散熱器總裝焊接夾具變型設計系統總體設計

  5.3.1 系統需求分析

  5.3.2 系統總體設計方案

  5.3.2 系統功能簡介

  5.4 系統功能實現

  5.4.1 系統運行流程

  5.4.2 系統運行實例

  5.5 本章小結

  第六章 總結與展望

  6.1 全文工作總結

  航空環控散熱器作為飛行器環境控制的重要機載系統附件,其性能直接影響飛行器的乘坐環境和電子電氣設備的正常工作,而散熱器總裝焊接夾具作為散熱器產品模型焊接制造過程中非常重要的夾具,其設計制造的效率和質量決定著散熱器設計周期和性能,因此固化總裝焊接夾具設計知識,提高散熱器總裝焊接夾具設計效率對散熱器的性能和研制周期具有重要意義。

  本文通過分析當前航空企業環控散熱器總裝焊接夾具設計的流程,指出了其存在的缺點,為了提高總裝焊接夾具設計效率,固化和重用夾具設計知識,減少重復性工作,使用更直觀的三維數字化手段加強產品設計和工裝部門間的協作交流,基于主模型技術和參數化變型設計技術,提出了模型驅動的航空環控散熱器總裝焊接夾具變型設計方法。依據散熱器主要由其裝夾特征和工藝屬性對總裝焊接夾具結構尺寸有影響,構建了散熱器總裝焊接夾具變型設計主模型,并將散熱器模型與其模型主模型中的裝夾特征和工藝屬性自動關聯,實現兩者之間的參數聯動,最后達到總裝焊接夾具設計對散熱器模型裝夾信息和工藝屬性信息變更的快速響應,提高了散熱器總裝焊接夾具的設計效率和質量穩定性。

  本文的主要工作和研究內容總結如下:

 。1)根據當前企業基于二維圖紙的散熱器總裝焊接夾具設計流程,分析了散熱器和總裝焊接夾具結構特點,歸納總結了散熱器裝夾特征和工藝屬性對總裝焊接夾具變型設計的需要,提出了全三維化的模型驅動的散熱器總裝焊接夾具變型設計方法,又能夠依據實際需求從三維模型直接快速批量導出二維圖紙,利于夾具設計效率的提高和企業從二維到三維設計的過渡。

 。2)分析了夾具變型設計主模型構建原理,從散熱器裝夾特征和工藝屬性方面分析,構建了參數化的散熱器模型主模型,將散熱器模型主模型的參數用表達式和模型屬性值的方式存儲;另外,基于復雜網絡理論,構建了夾具功能結構間的尺寸關聯、功能結構元件間的尺寸關聯以及構建了以散熱器模型裝夾特征和工藝屬性作為輸入量的散熱器總裝焊接夾具變型設計主模型,并將夾具變型設計主模型的輸入接口以模型屬性值的形式保存;最后,基于 TC 平臺,搭建了總裝焊接夾具變型設計主模型庫,利于企業不同部門間的檢索調用和管理。

 。3)提出了散熱器模型裝夾信息和工藝屬性信息提取方法,并保存在變量矩陣中,基于此,給出了散熱器產品模型驅動總裝焊接夾具變型生成新夾具的過程。通過將保存在散熱器模型變量矩陣中的信息與夾具變型設計主模型的輸入接口匹配映射,實現了散熱器模型設計主尺寸參數到其模型主模型,再到夾具主模型的傳遞,并驅動變型生成新的夾具。此外,提出了基于裝配約束幾何元素標識的快速裝配方法,實現了散熱器模型與新夾具的快速裝配,以此檢驗新夾具是否符合裝夾要求;基于圖紙模板的方法,實現了總裝焊接夾具元部件快速批量出圖。

 。4)結合某航空企業的實際需求,通過對模型驅動的航空環控總裝焊接夾具變型設計技術的研究,基于 NX 二次開發技術,以 NX8.5.和 Teamcenter8 為平臺,開發了模型驅動的航空環控散熱器總裝焊接夾具變型設計系統,包含總裝焊接夾具主模型定義模塊、總裝焊接夾具變型設計模塊和總裝焊接夾具快速出圖模塊,實現了總裝焊接夾具對散熱器尺寸參數和工藝屬性信息的快速變更響應,實現了夾具設計上的全三維化,利于設計知識有效保存,同時又能快速地為元部件的制造加工提供二維圖,提高了總裝焊接夾具設計效率,縮短了散熱器研制周期。

  6.2 展望

  本文雖然在環控散熱器總裝焊接變型設計研究方面取得一些成果,開發出了模型驅動的總裝焊接夾具變型設計系統,并在某航空企業得到應用,提高了總裝焊接夾具設計效率,但本系統還有一些進一步完善的地方。

 。1)總裝焊接夾具變型設計主模型庫資源有限:本文針對的總裝焊接夾具變型設計研究多為占總散熱器數量較多的四封頭普通散熱器和雙法蘭散熱器,對于其他封頭數的散熱器和數量較少的特殊散熱器夾具變型設計主模型有待擴充,以便于后續更多型號散熱器總裝焊接夾具快 速設計的可能。

 。2)與散熱器研制過程的其它夾具設計系統集成:散熱器的整個設計過程除了最復雜的總裝焊接夾具外,還有散熱器芯體釬焊夾具、芯體氣試夾具、總裝氣試夾具,這些夾具雖然結構比較簡單,但作為散熱器夾具設計的一部分同樣影響著散熱器產品的研制周期,后續可以將這些夾具設計系統集成以實現散熱器夾具全三維化設計。

 。3)將特征識別技術應用于散熱器模型的裝夾信息提。罕鞠到y中,為新散熱器模型設計夾具時,用戶是根據操作示意圖手動點選模型的裝夾特征以獲取尺寸信息,后續可以運用特征識別技術自動識別并獲取散熱器模型上裝夾特征的尺寸來減少用戶操作,進一步提高總裝焊接夾具設計效率。

 。4)總裝焊接夾具中的定制件升級為標準件,有效重用夾具元件,節省成本:散熱器總裝焊接夾具元件多為定制件,系統每一次生成新夾具都對應著一套尺寸不同的夾具系列元件,沒有對夾具主模型元件尺寸型號的統計,導致企業總裝焊接夾具站庫的元件越來越多,勢必會造成資源浪費,所以,后續可以在系統中加入夾具元件尺寸型號統計功能,對出現一定頻次的元件升級為標準件,表明該件可重用,無須再重復加工制造,從而節省企業成本。

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致謝

  南航時光猶如劃過天空的流星,快得看不見尾巴卻閃耀著些許光芒。南航時光有精致迷人的御園風景,有可口美味的菜肴,更有可愛美好的人和事。在此,謹向所有愛護、支持、包容和幫助過我的老師們 、同學們、朋友們和家人們表示深深的感謝!

  首先,感謝我的導師周來水教授。周老師是我凜冬科研路上的一米陽光,是我酷暑生活旅途中的一縷微風;周老師在學術研究和生活閱歷上像一盞燈塔給航海的我們指明方向。周老師一直告誡著我們做事情必須抓住事物的本質,正如半秒鐘就看清事物本質,和一輩子都看不清本質的人,命運注定不同。為此,特別感謝周老師在我科研和生活道路上的指引。

  在本課題研究過程中,特別感謝衛煒老師的耐心指導和幫助,衛老師如此的平易近人就像朋友一樣,卻不失我們的尊敬。感謝安老師從入學以來的無微不至的照顧,尤其是您運動時矯健的身姿以及能將教研室幾十號人的名字像順口溜一樣叫上令我由衷的敬佩。另外,感謝王小平老師、王志國老師、汪俊老師等對我的關心和指導。

  感謝黃斌達師兄對我提出的疑惑不厭其煩地解答,讓我在論文的開題和撰寫中更加明確。

  感謝博士生閆杰瓊、陳夢琪、李國華、岳烜德、劉霞、高國強、楊浩然、韓寧和張薇,他們默默地科研耕耘為我們樹立了良好的榜樣。感謝碩士生韋義文、馮天民、尚佳策、陳江寧、花蕾蕾、葉鑫和魏靈航,感謝他們在科研上的幫助和生活上的歡聲笑語。感謝胡少乾、海宇、文思揚、黃耀然、韋正淵、蔡躍波、王楚凡和劉慶波師弟們,感謝他們為時而煩悶的教研室帶來的朝氣蓬勃和無盡笑點。

  感謝我的室友李俊杰、雷鵬福和張志平,感謝我們一起運動時的大汗淋漓,一起吃喝玩樂時的無憂無慮。

  感謝我的父母親和姐姐們,家永遠是我的避風巷,家永遠是我的幸福灣,家永遠留在心中。

  最后,感謝所有有幸相識的人,有你們真好,祝愿你們身體健康,萬事如意。

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