模型驱动的航空环控散热器总装焊接夹具变型设计

摘 要

　　航空环控散热器作为飞行器环境控制的重要机载系统附件，其性能直接影响着环控系统电子电气设备的正常工作，而散热器总装焊接夹具的设计效率和质量直接影响着散热器的研制周期和性能。当前，散热器新品增加快，夹具设计更改频繁，设计人员主要以散热器产品图纸尺寸为数据源，在二维图纸上逐个地手动修改焊接夹具元件的尺寸参数，直到满足新散热器的装夹要求。这种设计方法效率低，不够直观，规范性差，更容易导致人为误差，许多好的设计知识未得到重用，另外，夹具设计结果为二维图，无法为数控加工编程及仿真、现场作业指导等工艺业务提供所需的三维模型数据。因此，如何提高环控散热器总装焊接夹具的设计效率和质量，缩短总装焊接夹具对散热器参数变更的响应时间，对散热器产品的研制具有重要意义。

　　本文提出一种模型驱动的航空环控散热器总装焊接夹具变型设计方法，该方法基于产品主模型思想，通过构建散热器总装焊接夹具变型设计主模型，并将散热器产品三维模型的装夹特征、工艺属性信息与总装焊接夹具变型设计主模型中的元件尺寸映射关联，实现两者之间的参数联动，整个过程以三维模型为操作对象，从而摒弃手动修改夹具图纸元件尺寸和繁杂数据参数的输入，大幅简化了设计操作，减少了重复工作量，有效重用已有的夹具设计知识，进而提高了总装焊接夹具的设计效率和质量稳定性。

　　本文的研究内容和成果如下：

　　（1）分析了航空环控散热器和其总装焊接夹具的结构特点，总结了散热器总装焊接夹具变型设计需求；提出了总装焊接夹具变型设计总体思路及模型驱动的散热器总装焊接夹具变型设计方法。

　　（2）分析了散热器模型装夹特征和工艺属性信息对夹具结构尺寸参数的影响，基于参数化设计技术和复杂网络理论，构建了以装夹特征和工艺属性为输入量的散热器模型主模型和总装焊接夹具主模型，建立了两者间的关联关系后封装成总装焊接夹具变型设计主模型，并搭建了 以 TC 为平台的总装焊接夹具变型设计主模型库，便于夹具设计时的检索调用和管理。 （3）通过提取散热器模型的工艺属性和装夹特征值，并映射到散热器总装焊接夹具变型设计主模型上，实现了总装焊接夹具主模型快速变型生成新夹具，另外，实现了散热器模型与新夹具的快速装配以及快速批量地导出总装焊接夹具二维图纸。

　　（4）基于 NX 和 TC 软件平台，以 NX Open API 和 Visual C++为开发工具，开发了模型驱动的航空环控散热器总装焊接夹具变型设计系统，满足了企业的实际需求。

　　关键词：航空环控散热器，总装焊接夹具，主模型，装夹特征，工艺属性，变型设计

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 录

　　第一章 绪论

　　1.1 研究背景及意义

　　航空环控系统是机载设备的关键系统之一，其主要功能是在不同作战或飞行环境下，为乘机人员及机载设备提供良好的乘坐和工作环境。散热器作为航空环控系统的重要部件，主要用于散发环控系统工作时的热量，避免环控系统高温工作，保障航空环控系统工作状态的稳定性和可靠性，散热器质量的优劣将直接影响航空环控系统能否正常运作[1-2].在散热器的生产制造过程中，总装焊接是其中的关键工序，该工序需要将芯体、封头、法兰等多个零部件精确装配焊接到一起，最终形成散热器成品，为保证散热器的总装焊接质量和效率，通常需要设计专用的总装焊接夹具。

　　目前，国内航空环控系统制造企业中，散热器总装焊接夹具的设计多采用手动绘制二维图纸的设计模式，其流程如图 1.1 所示。首先，散热器产品设计人员根据客户需求绘制散热器产品的二维图纸；总装夹具设计人员接收到散热器图纸后，根据散热器产品图纸的几何外形特征及尺寸，结合散热器总装焊接工艺的要求，查找类型结构相似的总装焊接夹具图纸，然后修改夹具图纸中元件的尺寸，直到该总装焊接夹具满足装夹要求。

　　这种设计模式，夹具的设计质量取决于设计人员自身的知识和技能水平，且很多优秀的设计知识没有有效共享和重用，导致夹具设计质量稳定性和规范性较差；且散热器产品更改时，需要夹具设计人员逐一手动更改夹具的设计元素，重复工作量大且容易产生人为误差；此外，在夹具设计过程中，夹具设计人员需要从散热器二维图样中人为识别装夹特征和装夹尺寸，再基于此绘制夹具二维图，而没有直接重用产品三维模型进行夹具设计，从而阻碍了产品设计数据的一致性传递。事实上，航空环控系统散热器种类虽多，但其产品外形具有一定的相似性，因而总装焊接的夹具结构也较为相似。如何有效重用产品设计数据，并基于已有的航空环控系统散热器总装焊接夹具设计结构和知识，快速变型生成新的满足装夹要求的夹具结构，对于提升夹具的设计效率、规范性和质量稳定性，进而缩短散热器产品的研制周期具有重要意义。

　　针对以上问题，本文提出了一种模型驱动的航空环控散热器总装焊接夹具变型设计方法，该方法基于产品主模型思想和变型设计技术，直接用散热器产品三维模型驱动散热器总装焊接夹具变型设计主模型，使之自动变型，生成新的夹具结构模型。将模型驱动的变型设计方法应用于环控散热器总装焊接夹具设计，具有如下意义：

　　（1）设计方式从二维图纸到三维模型，利于设计知识和设计经验的有效保存和重用，提升设计质量：通过构建散热器模型主模型和总装焊接夹具变型设计主模型，固化了企业已有的优秀夹具装夹结构和知识，将传统依靠二维图纸的散热器总装焊接夹具设计转换为产品三维模型驱动主模型变型的方式，使生成的新夹具为三维数模形式，不仅利于保存夹具设计知识，提升夹具设计质量，更利于后续夹具元件的数控加工编程与受力仿真分析。 （2）提高夹具设计效率，缩短了散热器研制周期：将散热器模型的装夹特征和工艺属性作为输入，驱动总装焊接夹具变型设计主模型变型，使焊接夹具设计能够快速响应新散热器结构特征和工艺属性的变化，简化了总装焊接夹具设计操作，提高了设计效率。通过散热器总装焊接夹具变型设计主模型库的建立，散热器产品设计之初，就可以并行地利用散热器三维模型驱动总装焊接夹具变型设计主模型变型生成新夹具，实现散热器设计部门和工装夹具间部门的协 同设计，缩短了散热器的研制周期。

　　（3）总装焊接夹具三维模型快速生成二维图纸：根据企业需求，通过建立图幅模板，再构建总装焊接夹具元部件图纸模板，该图纸模板随三维模型变型自动更新，并对其赋予唯一 ID号，即可快速批量导出夹具元部件二维 PDF 图纸，减少了设计人员手工重复绘图的工作，便于后续制造加工。

　　1.2 国内外研究现状

　　1.2.1 计算机辅助夹具设计

　　夹具设计和制造作为产品研制过程中的重要组成部分，其设计和制造周期约占整个产品研制周期的 20%-40%,对于制造企业来说提高夹具设计的效率，缩短生产准备周期是提高竞争力最有效方法之一[3].由此，关于计算机辅助夹具设计（CAFD）技术及相应的设计系统的研究如雨后春笋般增长[4].

　　计算机辅助夹具设计就是借助计算辅助设计（CAD）技术来实现夹具一定程度的自动化设 计，即进行夹具的方案规划、元件快速选取并组装、夹具性能评价、输出夹具图。计算辅助夹具设计相关研究最早可追溯到上个世纪七十年代，国外学者展开了对计算机辅助夹具设计技术的研究，如德国和俄罗斯学者。法国学者 Ingrand 和 Latombe 于 1980 年开发了首个 CAFD 专家系统，A. Markus 在 1984 年使用 Prolog 语言设计了一套在半自动地组合夹具组装 CAFD 专家系统，我国在二十世纪八十年代中期也开始了 CAFD 技术的研究[5-6].

　　CAFD 技术发展大致可分为三个阶段[7-9]: （1）交互式夹具设计系统：上世纪八十年代初，利用 CAD 的图形库减少夹具设计的一些重复性工作。 （2）半自动化夹具设计系统：上世纪八十年代中后期，基于知识和成组技术的计算机辅助夹具设计系统实现了相似性夹具的实例检索，以及夹具的安装、定位、夹紧等辅助设计。

　　（3）自动化夹具设计系统：从夹具自动规划，智能选件，元件自动装配等方面发展了基于实例的、规则的计算机辅助组合夹具设计系统。

　　目前，国内外 CAFD 系统在夹具的安装规划，夹具规划，夹具结构设计，夹具性能评价四个方面提出了许多相关的设计技术方法，并取得了一些成果，但也存在着如下不足：

　　（1）夹具设计总是在工艺设计人员完工序模型后才开始进行，未实现并行化设计且没有使 用有效的 CAD/CAPP 的集成去描述工件的特征和工艺信息，导致效率和质量的低下。 （2）计算机辅助夹具设计技术的智能化程度还有待提高，基于 CBR 的夹具辅助设计在理论上解决了设计经验的不足，但是 CBR 技术多集中于夹具实例的表示和快速检索方面，在夹具实例快速修改方面的研究甚少。

　　1.2.2 焊接夹具设计

　　随着焊接工艺的发展，焊接结构向着超大型、耐载荷、耐磨、耐低温、高容量等方向发展，尤其二十世纪八十年代初期以来，焊接机器人占总工业机器人的比重越来越大，要实现焊接的自动化和智能化，就要求高质量、高性能的焊接材料和焊接夹具，其中焊接夹具也称为焊接工装夹具，相比于传统的机床夹具，焊接夹具有如下几个特点[10]: （1）焊接夹具需要兼具装配和焊接操作功能，其中装配和焊接的零部件通常有多个，这些零部件是按照一定先后顺序进行装配和焊接的。

　　（2）零部件在焊接夹具中定位夹紧所受的夹持力通常比较小，焊接时需要考虑焊接应力，即零部件的热胀冷缩，所以焊接夹具设计时需要考虑零部件在某些方向的伸缩性。

　　（3）有时焊接夹具常作为焊接电源回路的一部分，为了避免焊接件受电流的影响，需要将焊接夹具做绝缘处理。

　　（4）对于受热极容易变形的薄板冲压件，焊接夹具一般不采用六点定位原理，需采用其余的辅助定位点和夹紧点；另外，焊接夹具的结构也需要考虑零部件的焊接方式。

　　针对焊接夹具的特点，为了提高焊接夹具的设计效率和设计质量，国内外学者做了许多相 关研究。

　　Achim Kampker[11]等人在特殊复杂焊接夹具元件的设计方面，采用从三维软件参数化设计到使用 3D 打印技术直接打印夹具制造元件，以减少焊接夹具的制造时间，但采用 3D 打印技术制造夹具元件的精度有待提高且制造成本比较昂贵。

　　B. Li[12]等人为了满足激光焊接板料装配的特殊要求，提出了一种基于新定位方案的夹具配置方法。该方法采用逆向工程技术对装配件进行几何建模，首先设计装配焊接模式，以确定焊接位置；然后，依次进行夹具结构的总体设计、确定性优化和稳健设计。这种设计形式适用于创新性夹具设计。

　　H. T. Hsieh[13]等人针对搅拌摩擦焊接夹具设计过程的中的难点，使用 TRIZ 理论来解决夹具设计过程中的冲突问题，为设计人员设计夹具提供了理论支持。当然，国外也有许多学者利用有限元仿真软件对已经设计好的焊接夹具进行受力仿真，来改进夹具元件尺寸或者结构。

　　同样的，虽然国内焊接工艺的发展较晚，国内学者对焊接夹具设计的相关研究起步较晚，但也取得了一定的成果和进展，这些研究大多是都是结合现有的 CAD 系统。

　　付红[14]等人在汽车车身焊接夹具设计中，用 UG WAVE（WAVE 是一种装配模型之间关联关系建立的有力工具）将汽车车身复杂曲面、车身焊接夹结构元件间的尺寸参数进行关联，使夹具设计过程中，车身与夹具之间的数据，夹具元件之间的数据严格控制，减少了重复零件的设计过程，提高了零件设计知识的重用，较好地提高了夹具设计的效率。

　　青岛大学的张发全[15]等人提出了一种模块化的柔性动车构架组焊工序的焊接夹具设计方法，将焊接夹具元部件根据作用的不同划分为不同的结构模块，并且各个模块的位置在夹具基座上可以手动调整，以此满足不同的尺寸型号的阻焊工序装夹焊接，提高夹具设计效率。

　　钱丹和米国强[16-17]等人基于实例推理的思想，研究了焊接夹具设计系统。通过搭建焊接夹具元件标准件实例库，以标准件的检索和调用来实现焊接夹具的快速设计。这种方法对于专用焊接夹具设计比较局限 .

　　重庆大学的陈猛[18]等人针对二维图式的汽车车身焊接夹具设计方式的不足，提出了三维数据形式的焊接夹具 CAD 设计系统，该系统包括三维的夹具设计以及三维夹具到二维图的快速转换，并且搭建了用来对零件进行定位夹紧的实例库，以此来提高焊接夹具的设计效率。

　　另外，国内许多学者为了提高了焊接夹具的设计效率，提出了诸多层面的知识重用。如南京航空航天大学陈明生[19]等人针对航空件焊接夹具的设计，提出了多个层次的知识重用，包括设计过程的知识重用、零部件的重用、装配关系的重用、特征的重用，较好地为高效率设计航空件焊接夹具提供了思路。

　　1.2.3 变型设计技术

　　变型设计（Variant Design）是以不改变原产品的基本原理、功能和结构等为前提，对组成产品相关元组件的尺寸进行重新赋值，或改变部分元件的结构位置，以适应新产品的功能需求。

　　变型设计是产品部件族应用的扩展，可以对已有的设计知识、经验等资源进行重用，降低设计生产成本，使企业能够快速地响应市场的需求变化，达到高效率、高质量地满足客户对产品定制化的需求[20-21].目前，变型设计相关的理论和方法包括基于参数化和变量化的变型设计、基于装配模型的变型设计、基于产品基因和物理表达的变型设计、基于特征的变型设计。

　　（1）基于参数化的变型设计参数化设计就是在产品对象的结构或形状比较固定的基础上，使用一定的参数来控制产品的约束关系和尺寸值，即尺寸参数驱动。这需要参数控制的产品变型结构尺寸有显示的对应关系。因此，参数化的变型驱动多用于标准化程度比较高的产品或结构比较简单的产品中。马龙[22]等人研究了大型曲柄压力机的参数化变型设计，通过 Excel 建立部件间参数数据库管理公式，将这些参数赋值给尺寸表达式来驱动变型。

　　（2）基于装配模型的变型设计装配模型不仅包了含单个零部件的设计参数和装配造型，而且包含了装配层次和装配信息，通过改变装配模型中零部件的尺寸参数和装配位置，实现装配模型的变型设计。田蕴[23]通过基于顶层基本骨架 TBS 模型的装配建模技术对产品装配信息的特征进行了表达，建立了面向需求的产品变型设计框架，以参数化特征技术为平台，实现了在零件层和部件层中的多层次变型设计。

　　（3）基于产品基因和物理表达的变型设计基于产品基因和物理量的变型设计方法主要是在产品功能原理层的变型设计而不是在产品的结构层面上的参数更改或结构调整，将产品的实现原理、结构、功能等多层面特征属性的信息模型看作产品的基因序列，再用物理定律或者物理定律链表达产品功能模型，这种变型设计产生的产品创新级别比较高[24]. （4）基于特征的变型设计这种设计方法多用于零件级别的产品变型设计。对产品的特征进行操作是整个研制过程中的必要步骤。产品可以看作是由有着不同形状和功能属性的特征构成，而不是仅仅局限于产品的几何信息。基于特征的变型设计通过调用用户自定义的特征库或系统提供的特征库中的特征就可以达到产品变型设计，往往结合参数化设计方法，但产品特征间的相互影响又不利于产品模型的更改和维护。在这方面的研究中，冯月一[25]通过对飞机钣金件和结构件的特征进行总结和归纳，建立了零件的特征模板和零件特征库，通过变型设计系统调用库特征实现飞机零件的快速设计。南京航空航天大学的刘金山[26]等人通过对工序件的特征进行信息表达和用基于特征套件方式对夹具结构进行描述，然后比较工件产品特征的相似性以及对其约束完整性求解，实现了夹具基于特征的自动化设计。另外，南京航空航天大学的卜庆奎[27]研究了基于装夹特征的航空发动机机加夹具变型设计，将发动机机匣的装夹特征作为输入，实现了机匣夹具的快速变型设计，但仅考虑了通用性的机匣夹具装夹结构与机匣装夹特征的关系。

　　综上所述，现有的焊接夹具设计都必须基于 CAD 系统，且多数研究都是集中于汽车行业零部件的焊接夹具设计；焊接夹具的设计研究主要分为创新性设计和知识重用性研究，创新性研究是从无到有，或者是改变原有夹具的设计结构，进行重新设计；知识重用性是重用已有夹具的设计知识或其它夹具设计资源并结合变型设计技术，以此达到快速设计同类型不同型号工件的焊接夹具，缩短产品设计周期，提高企业的竞争力。当前，大多数焊接夹具的设计就是如何快速有效地重用已有夹具设计资源。

　　1.3 课题来源与研究内容

　　1.3.1 课题来

　　源本课题是南京航空航天大学与国内某航空机载设备制造企业合作开展的项目。课题的目的是开发一个模型驱动的航空环控散热器总装焊接夹具变型设计系统，可以针对同类型不同规格的散热器总装焊接夹具的快速设计，并完成总装焊接夹具元部件的快速出图。

　　1.3.2 研究内容

　　本文提出了一种模型驱动的航空环控散热器总装焊接夹具变型设计方法，并开发了模型驱动的航空环控散热器总装焊接变型设计系统，且该系统成功应用于国内某航空机载设备制造企业中，具体研究内容如下：

　　（1）散热器总装焊接夹具变型设计需求分析及变型设计方法通过分析不同类型航空环控散热器的结构、工艺属性对总装焊接夹具装夹结构的影响，提 出了总装焊接夹具变型设计的具体需求，并基于此，给出了总装焊接夹具变型设计总体思路和原理，提出了模型驱动的总装焊接夹具变型设计方法。

　　（2）总装焊接夹具变型设计主模型构建分析了散热器模型装夹特征和工艺属性影响的尺寸参数信息，基于参数化设计和复杂网络理论，构建了以装夹特征和工艺属性为输入量的散热器模型主模型和总装焊接夹具主模型，建立两者间的关联关系后，封装成总装焊接夹具变型设计主模型，并搭建了 TC 平台的总装焊接夹具变型设计主模型库，便于设计夹具时，夹具变型设计主模型的检索调用和管理。

　　（3）模型驱动总装焊接夹具变型设计主模型变型通过提取散热器模型的工艺属性和装夹特征值，映射到散热器总装焊接夹具变型设计主模型上，实现了总装焊接夹具主模型快速变型，并生成新的总装焊接夹具；将散热器模型与新生 成的夹具自动装配来检验新夹具是否符合装夹要求及便于后续仿真分析；另外，可快速批量导出夹具总装及夹具元部件二维图纸。

　　（4）模型驱动的航空环控散热器总装焊接夹具变型设计系统的开发基于 NX 和 TC 软件平台，以 NX Open API、Visual C++为开发工具，开发了模型驱动的航空环控散热器总装焊接夹具变型设计系统，满足了企业的实际需求。

　　1.4 章节安排

　　根据研究内容，本文总共分为六个章节，各章的具体内容如下：

　　第一章 绪论：论述了本文的研究背景、意义和来源，分析了散热器总装焊接夹具变型设计的重要性和必要性；从计算机辅助夹具设计、焊接夹具设计和变型设计技术三个方面介绍了国内外学者的研究现状，详细分析并总结了当前的焊接夹具设计技术；最后，分析了当前企业散热器总装焊接夹具设计的不足，提出了以散热器产品模型驱动总装焊接夹具变型设计的方法，明确了本文的研究内容，并给出了全文的章节结构和安排。

　　第二章 航空环控散热器总装焊接夹具变型设计需求与方法：通过分析环控散热器自身的结构特点、总装焊接夹具的结构特点得到了散热器工艺属性和装夹特征对夹具元组件结构变型设计的影响变量，提出了总装焊接夹具变型设计需求。在此基础上，基于主模型和变型设计技术，提出了以装夹特征和工艺属性为输入的航空环控散热器总装焊接夹具变型设计的方法。

　　第三章 航空环控散热器总装焊接夹具变型设计主模型构建：分析了总装焊接夹具变型设计主模型构建的原理，给出了主模型构建的一般流程。由此，通过分析散热器模型装夹特征和工艺属性与夹具变型主尺寸参数的关联关系，基于复杂网络理论构建了参数化的散热器模型主模型和总装焊接夹具主模型，并将两者进行参数关联，构建了以装夹特征和工艺属性为输入变量的总装焊接夹具变型设计主模型。最后，基于 Teamcener 平台，研究了总装焊接夹具变型设计主模型库的搭建，且将夹具变型设计主模型的输入接口保存在主模型自身属性中。

　　第四章 模型驱动的散热器总装焊接夹具生成：给出了散热器模型驱动总装焊接夹具变型设计的具体过程，分析了散热器模型特装夹信息和工艺属性信息提取方法，在此基础上，将提取的信息值与散热器模型主模型中的参数表达式进行一一匹配，驱动散热器模型主模型变型，进而实现夹具变型设计主模型变型生成新的夹具；另外，为了减少设计人员在检验夹具是否符合装夹要求时的繁琐装配操作及夹具制造加工时绘制导出图纸等重复操作，研究了基于约束几何元素标识的快速装配方法和图纸模板的快速批量出图方法。

　　第五章 模型驱动的环控散热器总装焊接夹具变型设计系统实现：介绍了模型驱动的总装焊接夹具变型设计系统的开发行环境、NX 二次开技术以及二次开发的一般步骤，并分析了本系统的开发需求及系统开发的功能，基于此，绘制了系统的总体架构并对系统的各个功能做了详细介绍；最后，介绍了本系统的运行流程，并以普通四封头散热器总装模型总装焊接夹具设计为例，验证了系统总装焊接夹具主模型定义、总装焊接夹具变型设计及快速出图模块功能的有效性和实用性。

　　第六章 总结与展望：对全文的工作进行了总结，并展望了今后工作的一些发展思路。

　　全文组织结构如图 1.2 所示：

　　第二章 航空环控散热器总装焊接夹具变型设计需求与方法

　　2.1 引言

　　2.2 航空环控散热器总装焊接夹具变型设计需求

　　2.2.1 散热器结构和工艺属性分析

　　2.2.2 总装焊接夹具结构分析

　　2.3 航空环控散热器总装焊接夹具变型设计方法

　　2.3.1 主模型技术

　　2.3.2 总装焊接夹具变型设计原理

　　2.4 本章小结

　　第三章 航空环控散热器总装焊接夹具变型设计主模型构建

　　3.1 引言

　　3.2 夹具变型设计主模型构建原理

　　3.2.1 参数化设计

　　3.2.2 夹具变型设计主模型构建流程

　　3.3 散热器模型主模型构建

　　3.3.1 散热器模型装夹特征和工艺属性分析

　　3.3.2 散热器模型主模型建模

　　3.3.3 散热器模型主模型生成

　　3.4 总装焊接夹具主模型构建

　　3.4.1 总装焊接夹具元件分类及参数化建模

　　3.4.2 总装焊接夹具功能结构参数化建模

　　3.4.3 总装焊接夹具功能结构间参数关联关系建立

　　3.4.4 总装焊接夹具主模型生成

　　3.5 总装焊接夹具变型设计主模型构建

　　3.5.1 散热器模型主模型与夹具主模型关联关系建立

　　3.5.2 总装焊接夹具变型设计主模型输入接口提取

　　3.5.3 总装焊接夹具变型设计主模型生成

　　3.6 基于 TeamCenter 的夹具变型设计主模型库构建

　　3.6.1 TeamCenter 软件介绍

　　3.6.2 夹具变型设计主模型库构建

　　3.7 本章小结

　　第四章 模型驱动的散热器总装焊接夹具生成

　　4.1 引言

　　4.2 散热器模型装夹和工艺属性信息提取

　　4.3 总装焊接夹具变型设计主模型变型

　　4.3.1 散热器模型主模型变型

　　4.3.2 总装焊接夹具主模型变型

　　4.3.3 新夹具装夹要求检验

　　4.4 总装焊接夹具快速出图

　　4.4 本章小结

　　第五章 模型驱动的环控散热器总装焊接夹具变型设计系统实现

　　5.1 引言

　　5.2 环控散热器总装焊接夹具变型设计统开发环境及相关技术

　　5.2.1 系统开发环境

　　5.2.2 NX 二次开发技术

　　5.3 环控散热器总装焊接夹具变型设计系统总体设计

　　5.3.1 系统需求分析

　　5.3.2 系统总体设计方案

　　5.3.2 系统功能简介

　　5.4 系统功能实现

　　5.4.1 系统运行流程

　　5.4.2 系统运行实例

　　5.5 本章小结

　　第六章 总结与展望

　　6.1 全文工作总结

　　航空环控散热器作为飞行器环境控制的重要机载系统附件，其性能直接影响飞行器的乘坐环境和电子电气设备的正常工作，而散热器总装焊接夹具作为散热器产品模型焊接制造过程中非常重要的夹具，其设计制造的效率和质量决定着散热器设计周期和性能，因此固化总装焊接夹具设计知识，提高散热器总装焊接夹具设计效率对散热器的性能和研制周期具有重要意义。

　　本文通过分析当前航空企业环控散热器总装焊接夹具设计的流程，指出了其存在的缺点，为了提高总装焊接夹具设计效率，固化和重用夹具设计知识，减少重复性工作，使用更直观的三维数字化手段加强产品设计和工装部门间的协作交流，基于主模型技术和参数化变型设计技术，提出了模型驱动的航空环控散热器总装焊接夹具变型设计方法。依据散热器主要由其装夹特征和工艺属性对总装焊接夹具结构尺寸有影响，构建了散热器总装焊接夹具变型设计主模型，并将散热器模型与其模型主模型中的装夹特征和工艺属性自动关联，实现两者之间的参数联动，最后达到总装焊接夹具设计对散热器模型装夹信息和工艺属性信息变更的快速响应，提高了散热器总装焊接夹具的设计效率和质量稳定性。

　　本文的主要工作和研究内容总结如下：

　　（1）根据当前企业基于二维图纸的散热器总装焊接夹具设计流程，分析了散热器和总装焊接夹具结构特点，归纳总结了散热器装夹特征和工艺属性对总装焊接夹具变型设计的需要，提出了全三维化的模型驱动的散热器总装焊接夹具变型设计方法，又能够依据实际需求从三维模型直接快速批量导出二维图纸，利于夹具设计效率的提高和企业从二维到三维设计的过渡。

　　（2）分析了夹具变型设计主模型构建原理，从散热器装夹特征和工艺属性方面分析，构建了参数化的散热器模型主模型，将散热器模型主模型的参数用表达式和模型属性值的方式存储；另外，基于复杂网络理论，构建了夹具功能结构间的尺寸关联、功能结构元件间的尺寸关联以及构建了以散热器模型装夹特征和工艺属性作为输入量的散热器总装焊接夹具变型设计主模型，并将夹具变型设计主模型的输入接口以模型属性值的形式保存；最后，基于 TC 平台，搭建了总装焊接夹具变型设计主模型库，利于企业不同部门间的检索调用和管理。

　　（3）提出了散热器模型装夹信息和工艺属性信息提取方法，并保存在变量矩阵中，基于此，给出了散热器产品模型驱动总装焊接夹具变型生成新夹具的过程。通过将保存在散热器模型变量矩阵中的信息与夹具变型设计主模型的输入接口匹配映射，实现了散热器模型设计主尺寸参数到其模型主模型，再到夹具主模型的传递，并驱动变型生成新的夹具。此外，提出了基于装配约束几何元素标识的快速装配方法，实现了散热器模型与新夹具的快速装配，以此检验新夹具是否符合装夹要求；基于图纸模板的方法，实现了总装焊接夹具元部件快速批量出图。

　　（4）结合某航空企业的实际需求，通过对模型驱动的航空环控总装焊接夹具变型设计技术的研究，基于 NX 二次开发技术，以 NX8.5.和 Teamcenter8 为平台，开发了模型驱动的航空环控散热器总装焊接夹具变型设计系统，包含总装焊接夹具主模型定义模块、总装焊接夹具变型设计模块和总装焊接夹具快速出图模块，实现了总装焊接夹具对散热器尺寸参数和工艺属性信息的快速变更响应，实现了夹具设计上的全三维化，利于设计知识有效保存，同时又能快速地为元部件的制造加工提供二维图，提高了总装焊接夹具设计效率，缩短了散热器研制周期。

　　6.2 展望

　　本文虽然在环控散热器总装焊接变型设计研究方面取得一些成果，开发出了模型驱动的总装焊接夹具变型设计系统，并在某航空企业得到应用，提高了总装焊接夹具设计效率，但本系统还有一些进一步完善的地方。

　　（1）总装焊接夹具变型设计主模型库资源有限：本文针对的总装焊接夹具变型设计研究多为占总散热器数量较多的四封头普通散热器和双法兰散热器，对于其他封头数的散热器和数量较少的特殊散热器夹具变型设计主模型有待扩充，以便于后续更多型号散热器总装焊接夹具快 速设计的可能。

　　（2）与散热器研制过程的其它夹具设计系统集成：散热器的整个设计过程除了最复杂的总装焊接夹具外，还有散热器芯体钎焊夹具、芯体气试夹具、总装气试夹具，这些夹具虽然结构比较简单，但作为散热器夹具设计的一部分同样影响着散热器产品的研制周期，后续可以将这些夹具设计系统集成以实现散热器夹具全三维化设计。

　　（3）将特征识别技术应用于散热器模型的装夹信息提取：本系统中，为新散热器模型设计夹具时，用户是根据操作示意图手动点选模型的装夹特征以获取尺寸信息，后续可以运用特征识别技术自动识别并获取散热器模型上装夹特征的尺寸来减少用户操作，进一步提高总装焊接夹具设计效率。

　　（4）总装焊接夹具中的定制件升级为标准件，有效重用夹具元件，节省成本：散热器总装焊接夹具元件多为定制件，系统每一次生成新夹具都对应着一套尺寸不同的夹具系列元件，没有对夹具主模型元件尺寸型号的统计，导致企业总装焊接夹具站库的元件越来越多，势必会造成资源浪费，所以，后续可以在系统中加入夹具元件尺寸型号统计功能，对出现一定频次的元件升级为标准件，表明该件可重用，无须再重复加工制造，从而节省企业成本。

　　参考文献

　　[1] HUANG H, SPADACCINI LJ, SOBEL DR. Fuel-cooled thermal management for advancedaeroengines[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2004, 126: 284-293.

　　[2] 朱春玲。飞行器环境控制与安全救生[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

　　[3] 张胜文， 苏延浩。计算机辅助夹具设计技术发展综述[J].制造技术与机床，2015（04）：50-55.

　　[4] 陆晓斌。 基于三维工序模型的组合夹具快速设计技术研究[D].南京航空航天大学，2014.

　　[5] 吴磊，苏开华，程国飞。计算机辅助夹具设计发展现状与趋势[J].装备制造技术， 2011（ 11） : 89-91.

　　[6] 蔡瑾，段国林，姚涛，等。计算机辅助夹具设计技术回顾与发展趋势综述[J].机械设计，2010,27（ 2） : 1-6.

　　[7] Rong Yiming,Zhu Yaoxiang. Computer - aided fixture design[M].NewYork: MarcelDekker,1999.

　　[8] Nee A Y C,Whybrew K,Senthil kumar A. Advanced Fixture Design for FMS[M]. AdvancedManufacturing,UK: Springer - Verlag,1995.

　　[9] Senthil kumar A,Fuh J Y H ,Kow T S. An automated design and assemblyofinterference - freemodular fixture setup[J]. Computer - AidedDesgin,2000（ 32） : 583-596.

　　[10] 王纯祥。焊接工装夹具设计及应用[M].北京：化学工业出版社， 2011:2-4.

　　[11] Achim Kampker,Georg Bergweiler,Ansgar Hollah,Kolja Lichtenth?ler,Sebastian Leimbrink.Design and testing of the different interfaces in a 3D printed welding jig[J].ProcediaCIRP,2019,81.

　　[12] B. Li,B.W. Shui,K.J. Lau. Fixture Configuration Design for Sheet Metal Assembly with LaserWelding: A Case Study[J].International Journal of Advanced ManufacturingTechnology,2001,19（7）。

　　[13] H. T. Hsieh,J. L. Chen. Using TRIZ methods in friction stir welding design[J].The InternationalJournal of Advanced Manufacturing Technology,2010,46（9-12）。

　　[14] 付红，张伯权，李勇，史月丽，王洪涛。UG/WAVE 技术在汽车焊装夹具设计中的应用[J].机械设计与制造，2007（10）：35-36.

　　[15] 张发全，王廷和，贾婷婷。基于 NX 的柔性焊接夹具方案设计[J].机械制造，2016,54（10）：86-88.

　　[16] 钱 丹 , 汪 振 , 王 霄 . 基 于 CBR 的 车 身 焊 接 夹 具 CAD 系统开发 [J]. 热加工工艺，2018,47（23）：237-240.

　　[17] 米国强。基于案例的汽车焊接夹具设计探究[J].内燃机与配件，2019（02）：73-74.

　　[18] 陈猛，郭钢，冯卫，范明朝。汽车焊接夹具 CAD 系统研究与开发[J].汽车科技，2001（01）：11-13.

　　[19] 陈明生，廖文和，李迎光。航空件焊接夹具设计知识重用技术研究和实现[J].机械制造与自动化，2006（02）：11-14.

　　[20] 龚京忠 , 邱 静 , 李国喜 , 李 伟 . 产 品 模 块 可 拓 变 型 设 计 方 法 [J]. 计算机 集成制造系统，2008（07）：1256-1267+1312.

　　[21] 齐从谦，贾伟新。支持变型设计的装配模型建模方法研究[J].机械工程学报，2004（01）：38-42.

　　[22] 马龙，宋龙，贾志欣。基于参数化的大型曲柄压力机变型设计方法研究与实践[J].锻压技术，2015,40（04）：97-101.

　　[23] 田蕴。基于装配模型的产品变型设计与应用[D].山东大学，2005.

　　[24] 刘伟，曹国忠，檀润华，李梦林。基于产品基因与物理表达的变型设计[J].计算机集成制造系统，2015,21（02）：381-391.

　　[25] 冯月一。 基于特征的飞机复杂零件变型设计技术研究[D].沈阳理工大学，2015.

　　[26] 刘金山，廖文和，刘长毅，郭宇。基于特征相似性的夹具变型设计方法研究[J].中国机械工程，2008（04）：379-384.

　　[27] 卜庆奎。 航空发动机零件机加夹具变型设计技术研究[D].南京航空航天大学，2017.

　　[28] 蔡长韬。基于 STEP/XML 的集成化工艺信息描述方法研究 [J].计算机集成制造系统，2008（05）：912-917.

　　[29] 陈兴玉，张红旗，陈帝江，张冲，肖承翔。复杂机电产品全三维工艺设计方法[J].雷达科学与技术，2010,8（05）：474-479.

　　[30] 刘金锋，倪中华，刘晓军，程亚龙。基于工艺模型的工艺信息表达与管理技术[J].计算机集成制造系统，2015,21（07）：1756-1763.

　　[31] 刘梦晴。基于主模型的船用柴油机关键件集成 CAM 系统研究[D].江苏科技大学，2015.

　　[32] 袁清珂，张道林，曹岩，刘宁，赵汝嘉，李成博，陶毅，黄肖华。产品主模型技术的研究[J].中国机械工程，1999（01）：20-23+3.

　　[33] 樊蓓蓓，祁国宁。基于复杂网络的产品族结构建模及模块分析方法[J].机械工程学报，2007（03）：187-192+198.

　　[34] CHRISTONPH M H, ROBERT A.CAD and the product master model[J].Computer-AidedDesign,1998,30（11）：905-918.

　　[35] 徐新胜，程鑫，严天宏。产品变型主模型的参数标定与容差划分方法[J].机械工程学报，2011,47（01）：132-137.

　　[37] 刘璇， 沈晓红。特征定义及构成[J].北京轻工业学院学报， 1997,15（2）： 79-85.

　　[38] David S. Kelley.Pro/ENGINEER Wildfire 机械设计教程[M].北京：清华大学出版社，2005.

　　[39] 莫蓉，常智勇等，图表详解 UG NX 二次开发[M].北京，电子工业出版社，2008.

　　[40] 马军。零件资源分类、建模与共享技术及其在零件库中的应用研究[D].浙江大学，2008.

　　[41] 渠元菊。变型设计中尺寸约束及参数传递研究[D].沈阳理工大学，2013.

　　[42] 李振泉。基于零部件优先级的尺寸传递方法研究[D].沈阳理工大学，2013.

　　[43] 朱斌，江平宇。回归分析及其在产品变型设计中的应用[J].计算机辅助设计与图形学学报，2003（06）：746-750.

　　[44] 李金华。机械产品柔性装配及其自适应变型设计[D].浙江大学，2007.

　　[45] 方水良，沈振华。复杂产品的尺寸传递结构研究[J].计算机集成制造系统（CIMS）2006,12（12）：1939-1945.

　　[46] Rose C, Jonh S W, Chris A M. An object-oriented modeling framework for representinguncertainty in early variant design[J]. Research in Engineering Design,2003, 14:173-183.

　　[47] Luo Y C, Lin L F, Dong J X. Research on automatic acquisition ofmating constraints[J]. TheProceeding of the Sixth World Congress on assembly Intelligent Control and Automation, June21-23, 2006, 6874-6879.

　　[48] Kramer G A, Ram A. Assembly modeling by geometric constraint satisfaction[J].

　　Computer-Aided DESIGN, 1996, 28（9）：707-722.

　　[49] Kim J, Kim K. Solving 3d geometric constraints for assembly modeling[J]. AdvancedManufacturing Technology, 2000, 16:843-849.

　　[50] Y. Ma, G. Cheng, Z. Liu, F. Xie, K.A. Dawson, J.O. Indekeu, H.E. Stanley, C. Tsallis Fuzzynodes recognition based on spectral clustering in complex networks Physica A[J]: StatisticalMechanics & Its Applications, 465 （2017）， pp. 792-797,[51] Cheng Zhou,Ting Kong,Ying Zhou,Hantao Zhang,Lieyun Ding. Unsupervised spectral clusteringfor shield tunneling machine monitoring data with complex network theory[J]. Automation inConstruction,2019,107.

　　[52] 刘夫云，祁国宁。配置产品尺寸参数传递方法及其应用[J].机械工程学报。2007,43（4）：144-151.

　　[53] 刘夫云，邓小林。配置产品尺寸参数修改与变型设计方法研究[J].计算机集成制造系统（CIMS），2008, 14 （11）：2092-2097.

　　[54] 李华华，袁逸萍，李晓娟，田书广。复杂产品制造过程网络建模与演化分析[J].组合机床与自动化加工技术，2016（08）：1-4.

　　[55] 蔡育冰，夏清洁，宋福田。基于Teamcenter的动车组车体工艺设计研究及应用[J].机械设计与制造工程，2013,42（07）：25-28.

　　[56] 杨立强，吴亚渝，范星星，钟浩。基于 Teamcenter 的三维数字化工艺技术研究[J].新技术新工艺，2019（10）：28-34.

　　[57] 刘蕊。基于 TeamCenter 的协同设计技术研究[J].机电工程技术，2019,48（10）：159-161.

　　[58] 童春桥。基于 TeamCenter 系统开展产品设计与工艺协同[J].智能制造，2019（07）：47-50.

　　[59] 王海根，刘健。基于约束的组合夹具装配建模与设计[J].组合机床与自动化加工技术，2006（04）：34-37.

　　[60] 杜夏威，郭宏，闫献国，王晓慧。基于尺寸路径图的组合夹具装配方法研究[J].组合机床与自动化加工技术，2014（11）：143-146.

　　[61] 陆 晓 斌 , 周 来 水 , 姚铄等 . 基 于 特 征 的 组 合 夹 具 快 速 装 配 设 计 [J]. 航 空 制 造 技术，2015（S1）：80-83+95.

　　[62] 于海全，彭高亮，刘文剑。虚拟环境中组合夹具装配库的应用研究[J].计算机工程与应用，2010,46（27）：220-223.

　　[63] 朱浩煜。柔性夹具自动化装配技术的研究[D].南昌航空大学，2013.

　　[64] Emad Abouel Nasr, Abdulrahman AI-Ahmari,Awais Ahmad Khan,et. An automatic fixturemodeling system using search strategy[J].Engineering Manufacture,2015, Vol. 229（12）2165-2179.

　　[65] 卢文轩。基于规则推理和多层实例库的组合夹具设计系统开发[D].南京航空航天大学，2017.

　　[66] Hossein Tohidi,and Tarek, AIGeddawy.Change management in modular assembly systems tocorrespond to product geometry change[J],International journal of ProductionResearch,2018,12:1-12.

　　[67] 高晓亮 , 米 沛 , 颜 强 . 凝汽器三维模型与二维图纸的参数化设计 [J]. 电 站 辅机，2018,39（02）：27-29+38.

　　[68] 龙文盼。行波管零部件二维图纸自动化生成技术研究[C].中国电子学会真空电子学分会、微波电真空器件国家级重点实验室。2016 真空电子学分会第二十届学术年会论文集（下）。中国电子学会真空电子学分会、微波电真空器件国家级重点实验室：中国电子学会真空电子学分会，2016:220-224.

　　[69] 卢伟。基于 UG 的电极二维工程图纸自动生成技术的研究[D].华中科技大学，2007.

　　[70] 佘晶，黄翔。特征尺寸自动标注方法的研究及实现[J].机械制造与自动化，2005（01）：108-111.

　　[71] 黄勇，张博林，薛运锋。UG 二次开发与数据库运用[M].北京：电子工业出版社，2008:1.

　　[72] 汪锐。NXOpenAPI 编程技术[M].北京：电子工业出版社，2012:1-3.

致谢

　　南航时光犹如划过天空的流星，快得看不见尾巴却闪耀着些许光芒。南航时光有精致迷人的御园风景，有可口美味的菜肴，更有可爱美好的人和事。在此，谨向所有爱护、支持、包容和帮助过我的老师们 、同学们、朋友们和家人们表示深深的感谢！

　　首先，感谢我的导师周来水教授。周老师是我凛冬科研路上的一米阳光，是我酷暑生活旅途中的一缕微风；周老师在学术研究和生活阅历上像一盏灯塔给航海的我们指明方向。周老师一直告诫着我们做事情必须抓住事物的本质，正如半秒钟就看清事物本质，和一辈子都看不清本质的人，命运注定不同。为此，特别感谢周老师在我科研和生活道路上的指引。

　　在本课题研究过程中，特别感谢卫炜老师的耐心指导和帮助，卫老师如此的平易近人就像朋友一样，却不失我们的尊敬。感谢安老师从入学以来的无微不至的照顾，尤其是您运动时矫健的身姿以及能将教研室几十号人的名字像顺口溜一样叫上令我由衷的敬佩。另外，感谢王小平老师、王志国老师、汪俊老师等对我的关心和指导。

　　感谢黄斌达师兄对我提出的疑惑不厌其烦地解答，让我在论文的开题和撰写中更加明确。

　　感谢博士生闫杰琼、陈梦琪、李国华、岳烜德、刘霞、高国强、杨浩然、韩宁和张薇，他们默默地科研耕耘为我们树立了良好的榜样。感谢硕士生韦义文、冯天民、尚佳策、陈江宁、花蕾蕾、叶鑫和魏灵航，感谢他们在科研上的帮助和生活上的欢声笑语。感谢胡少乾、海宇、文思扬、黄耀然、韦正渊、蔡跃波、王楚凡和刘庆波师弟们，感谢他们为时而烦闷的教研室带来的朝气蓬勃和无尽笑点。

　　感谢我的室友李俊杰、雷鹏福和张志平，感谢我们一起运动时的大汗淋漓，一起吃喝玩乐时的无忧无虑。

　　感谢我的父母亲和姐姐们，家永远是我的避风巷，家永远是我的幸福湾，家永远留在心中。

　　最后，感谢所有有幸相识的人，有你们真好，祝愿你们身体健康，万事如意。

（如您需要查看本篇毕业设计全文，请您联系客服索取）