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船用柴油机有很大一部分是由管类零件组成的。随着船舶工业和制造业的发展，市场对种类繁多且形状各异的管件的需求量不断增加，管类零件产品也正向复杂、精密、多品种、小批量的方向发展。在管件连接中，焊接是最常用也是使用最多的一种方法，然而管道焊接的现场情况复杂、施焊环境恶劣、焊缝数量较多、焊接质量不易保证，而且其工艺要求越来越严格、空间走向也更复杂，有时用图纸都很难明确表达其空间位置，并且在生产船用柴油机管件时，还会遇到没有完整的产品图纸而要求设计制造夹具的情况，即无图工装[1]。这就往往需要各企业根据自身的产品结构特点、生产条件和实际需要自行设计制造或者外协定做专用焊接夹具。虽然专用焊接夹具保证了定位精度，但是同时也造成一系列问题，如夹具制造周期长、资金重复投入、夹具存放占用空间大、使用范围小、功能单一化、增加了工装管理难度等，这些缺点极大地影响了柴油机的成本，同时也降低了企业的竞争力。

夹具作为一种特殊的产品，需要丰富的设计经验，设计人员的经验与技能将直接影响设计结果。夹具设计是一项基于经验的机械结构设计，是集知识、经验决策、计算、绘图于一体的复杂设计，并对工程分析和设计技巧有较高要求[2]。针对上述问题，有必要开展较为系统而深入的研究，运用计算机辅助设计及知识技术，设计出一套反应快速、调整方便、工艺性好、制造成本低的新型管件柔性焊接夹具，并且开发一套管件焊接位置调整、装配及仿真的智能系统来指导操作人员调整夹具及管件位置，从而减少专用夹具的使用、提高焊接精度、提高生产效率、降低成本，促进夹具技术的发展。

1.2 课题研究的现状

工艺装备通常是指机械制造中用到的夹具、刀具模具、量具、辅具等的总称（简称工装）[3]。焊接夹具是将焊件正确定位并夹紧后用于装配和焊接的工艺装备，基本结构包括定位装置、夹紧机构、夹具体三部分。其中，除夹具体是根据焊件结构形状进行专门设计外，夹紧机构和定位装置大多是采用通用结构形式。焊接夹具的特点是由装配焊接工艺和焊接结构的形式决定的，总结如下[4]：

(1) 由于焊件一般由多个简单零件组焊而成，这些零件的装配和定位方式在焊接工装夹具上是按顺序进行的，因而焊件的定位和夹紧是单独进行的；

(2) 由于焊接过程中会产生大量热量而引起焊接变形，因而焊接夹具应提供零件反变形或者刚性的夹固，并且允许某些零件在特定方向自由伸缩；

(3) 焊接夹具装焊完之后，尺寸增大，重量增加，形状变得复杂，因而增加了从工装夹具上卸下的难度；

(4) 焊接夹具的形状精度，除精密焊件所用的夹具外，一般焊接夹具本身的制造精度和焊件的定位精度均低于机床夹具的相应指标。

为了提高生产效率，降低成本，国内外企业机构都在积极致力于柔性夹具的研究设计与其CAD技术的研究，并通过虚拟样机技术实现其虚拟仿真以检验其装夹方案的合理性，对实际生产起到指导作用。

1.2.1 国内管件焊接夹具及其虚拟仿真技术研究现状

在国内，我国最早研究生产组合夹具的天津组合夹具厂和天津市机电工业科技信息研究所开发研制了电永磁孔系列组合夹具。

电永磁孔系列组合夹具具有安全可靠、使用方便、节约能源、高柔性、高效率、高精度、价格适宜等优势，成为代替传统夹具的理想夹具，有着广阔的市场前景。他不仅填补了国内空白，也是世界夹具发展史的一大创新；南京航空航天大学和成都飞机工业有限责任公司联合开发利用的数控导管焊接夹具CAD系统，其中主要是研究如何在三维环境下建立数控导管，并根据导管的关键点信息进行导管焊接底面的位置优化，而对于其导管定位夹紧采用了传统的专用夹具。 (责任编辑：qin)