焊接生產(chǎn)信息化與焊接工程應(yīng)用軟件

　　計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用使傳統(tǒng)機(jī)械制造業(yè)正在經(jīng)歷著一場(chǎng)革命，促使其向先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展。從國(guó)家“863”和“九五”計(jì)劃推進(jìn)CIMS 和CAD 應(yīng)用示范工程以來，我國(guó)在制造業(yè)信息化方面取得了相當(dāng)進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上，國(guó)家在“十五”期間提出了以“信息化帶動(dòng)工業(yè)化”的目標(biāo)，由科技部組織實(shí)施制造業(yè)信息化關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用示范工程，以加快制造業(yè)信息化的進(jìn)程。中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)于2002年9 月在北京召開了"機(jī)械工業(yè)企業(yè)信息化會(huì)議"，以進(jìn)一步推進(jìn)機(jī)械行業(yè)的企業(yè)信息化。
　
　　焊接技術(shù)作為機(jī)械制造業(yè)中必不可少的加工工藝，同樣也經(jīng)受信息化的巨大沖擊。為促進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用，各國(guó)及國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）已多次舉行專門的學(xué)術(shù)會(huì)議。英國(guó)焊接研究所（TWI）在1986 年召開了“焊接中的計(jì)算機(jī)技術(shù)”（Computer Technology in Welding）的國(guó)際會(huì)議，至2003 年已召開了13 次會(huì)議。與此同時(shí)，美國(guó)焊接協(xié)會(huì)（AWS）、焊接研究所（AWI）和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）自1986 年開始也組織了類似的會(huì)議，2003年在奧蘭多召開了第13 次會(huì)議。這些會(huì)議一般都包括專家系統(tǒng)、模擬與仿真、制造過程自動(dòng)化、管理和教育軟件等內(nèi)容，近兩年又增加了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和集成制造等方面的內(nèi)容。1988 年國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）在維也納召開的第41 屆年會(huì)的大會(huì)主題就是“Computer in Welding Technology”。此后，在IIW 第Ⅻ專業(yè)委員會(huì)會(huì)議上幾乎每年都有世界各國(guó)計(jì)算機(jī)在焊接領(lǐng)域的研究、應(yīng)用以及焊接工程應(yīng)用軟件發(fā)展情況的報(bào)道。1994 年在北京召開的IIW 第47 屆年會(huì)的大會(huì)主題報(bào)告題目為“信息時(shí)代的焊接”。另外，在IIW 第Ⅸ專業(yè)委員會(huì)中建立了“焊接數(shù)值分析”工作組。
　　

　　中國(guó)焊接學(xué)會(huì)在1986 年建立了“數(shù)值模擬和CAD/CAM 研究組”，后改稱為“計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)委員會(huì)（CAW）”。該專業(yè)委員會(huì)在1987、1988年兩次召開學(xué)術(shù)討論會(huì)，1989 年召開了“焊接專家系統(tǒng)”專題學(xué)術(shù)會(huì)議。1992 年、1996 年、2000 年、2004 年先后四次承辦了中國(guó)焊接協(xié)會(huì)和焊接學(xué)會(huì)聯(lián)合召開的全國(guó)“計(jì)算機(jī)在焊接中的應(yīng)用技術(shù)交流會(huì)”。2001 年在第十次全國(guó)焊接學(xué)術(shù)會(huì)議上組織了“焊接與IT”專題討論會(huì)。這些會(huì)議交流和討論的內(nèi)容反映了歷年來國(guó)內(nèi)許多學(xué)術(shù)單位和生產(chǎn)企業(yè)針對(duì)焊接研究和生產(chǎn)中的問題所開展的計(jì)算機(jī)應(yīng)用和信息化方面的大量工作。

　　在焊接領(lǐng)域開展專家系統(tǒng)工作是從1985 年開始的，國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）的統(tǒng)計(jì)資料表明：開展這方面研究開發(fā)工作的國(guó)家有中國(guó)、英國(guó)、美國(guó)、日本、德國(guó)、法國(guó)、丹麥、瑞典等，涉及工藝設(shè)計(jì)或工藝選擇（包括焊接材料或焊接方法選擇等）、焊接缺陷或設(shè)備故障診斷、焊接裂紋分析、焊接結(jié)構(gòu)斷裂評(píng)定、焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能分析、焊接預(yù)熱和焊后熱處理要求、焊接成本估算、實(shí)時(shí)監(jiān)控、焊接CAD（疲勞設(shè)計(jì)、符號(hào)繪制等）、焊工考試以及焊接技術(shù)人員和焊工的教育與培訓(xùn)多媒體軟件等方面。

　　許多國(guó)家自上世紀(jì)80 年代以來還建立了一些和焊接有關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)，例如焊接母材化學(xué)成分和性能數(shù)據(jù)庫(kù)、焊接材料化學(xué)成分和性能數(shù)據(jù)庫(kù)、焊接CCT 圖庫(kù)以及與焊接相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)庫(kù)等，并不斷在更新、擴(kuò)充。此外，德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)焊接研究所開發(fā)的電子束焊、氣體保護(hù)電弧焊和點(diǎn)焊模擬系統(tǒng)（EBSIM、MAGSIM、SPOTSIM）可以方便地通過計(jì)算得到在特定焊接條件下焊縫的形狀。
焊接界所關(guān)心的焊接生產(chǎn)信息化問題，除了包括一條優(yōu)質(zhì)焊縫形成過程的信息化以外，還包括焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)全過程的信息化。例如焊接結(jié)構(gòu)件裝焊計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃（WCAPP）、焊接生產(chǎn)施工管理、焊接生產(chǎn)質(zhì)量管理等。

　　2 焊接工程應(yīng)用軟件的用途和分類

　　焊接工程應(yīng)用軟件包括兩種不同類型：一種是和焊接或切割設(shè)備直接有關(guān)的、基于微處理器的控制類應(yīng)用軟件；另一種是獨(dú)立于焊接與切割設(shè)備的、基于微型計(jì)算機(jī)的各種信息和文檔處理類應(yīng)用軟件。但通常情況下一般是指后者。
國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）根據(jù)軟件的用途提出了焊接工程應(yīng)用軟件的分類方法（表1）。但同一用途的焊接軟件，由于開發(fā)單位和使用范圍不同以及依據(jù)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范不同，常常有多個(gè)品種，而且它們之間的差別可能很大。例如對(duì)于同樣的焊接過程信息和文檔存儲(chǔ)軟件，在用于電弧焊、電阻焊或電子束焊、激光焊時(shí)有很大的差別，而由于開發(fā)目的和采用的開發(fā)技術(shù)不同，這類軟件又可以分屬于數(shù)據(jù)庫(kù)類或是專家系統(tǒng)類而根本不同。

　　　　　　　　　　　　　　　表1 焊接工程應(yīng)用軟件的分類和用途（IIW）

　　為了使眾多的焊接工程應(yīng)用軟件更合理地進(jìn)行分門別類，日本焊接學(xué)會(huì)（JWS）和日本焊接工程協(xié)會(huì)（JWES），1994 年在對(duì)200 多個(gè)焊接企業(yè)進(jìn)行調(diào)查的基礎(chǔ)上提出了另一種分類方法（表2）。相對(duì)來說，日本提出的分類方法更能反映焊接軟件的多樣性和特殊性。例如，日本DAIHATSU 汽車公司開發(fā)的點(diǎn)焊參數(shù)計(jì)算軟件就屬于A4（焊接裝置及系統(tǒng)控制，即A 類中的第四子項(xiàng)，以下均類似）B6（焊接電源及裝備自動(dòng)化）C3（計(jì)算）D6（電阻焊）E4（汽車）類。然而，即使采用日本提出的分類方法也很難包含各種各樣的焊接應(yīng)用軟件。但是從中可以看出焊接軟件應(yīng)用范圍的廣泛性，并且可以深入了解焊接工程應(yīng)用軟件的發(fā)展方向。

　　　　　　　　　　　　　表2 焊接工程軟件的分類依據(jù)和子項(xiàng)（JWS 和JWES）

　　在焊接應(yīng)用軟件中，焊接專家系統(tǒng)、焊接CAPP系統(tǒng)、焊接數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是其典型的代表性應(yīng)用，相關(guān)開發(fā)技術(shù)和方法對(duì)于其它類型焊接軟件的開發(fā)具有借鑒作用，并且專家系統(tǒng)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)在各種類型的焊接軟件中都有不同程度的體現(xiàn)和應(yīng)用。

　　3 焊接工藝制定與管理專家系統(tǒng)

　　焊接工藝設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)、技巧性高。隨著研究的不斷深入，焊接正在向一門科學(xué)發(fā)展，已形成了一定的成熟理論和實(shí)踐法則，收集和整理了很多工程應(yīng)用規(guī)則和經(jīng)驗(yàn)公式。然而，焊接工藝是隨生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)發(fā)展而變化的，不具有精確的定義和嚴(yán)密的分析，具有模糊推理的性質(zhì)，并且與焊接質(zhì)量有關(guān)的一些指標(biāo)也難以量化，因此，焊接工藝設(shè)計(jì)是應(yīng)用專家系統(tǒng)的理想領(lǐng)域。
在鍋爐、壓力容器、石油管道、船舶、核電等重要金屬結(jié)構(gòu)的焊接生產(chǎn)制造中，焊接工藝必須根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范進(jìn)行嚴(yán)格的工藝評(píng)定，形成焊接工藝評(píng)定報(bào)告PQR，并在此基礎(chǔ)上生成焊接工藝指導(dǎo)書WPS，然后依據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)制定焊接工藝規(guī)程，以保證產(chǎn)品的焊接質(zhì)量和性能。如果在制定焊接工藝規(guī)程之前，沒有進(jìn)行過焊接工藝評(píng)定，工藝人員就要根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)提出焊接工藝評(píng)定委托書PPQR。各文檔之間的關(guān)系如圖1 所示。可見，制定一套焊接工藝規(guī)程文件要求嚴(yán)格，且過程繁瑣，因此開發(fā)能夠在對(duì)PQR 和WPS 進(jìn)行有效管理的基礎(chǔ)上編制、檢索焊接工藝規(guī)程的應(yīng)用軟件系統(tǒng)十分必要，它可以有效地利用現(xiàn)有PQR 和WPS，避免重復(fù)
進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，節(jié)約資金投入，并且可以保證焊接工藝規(guī)程制定的規(guī)范性和準(zhǔn)確性。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1 文檔關(guān)系示意圖

　　清華大學(xué)與北京燕山石化合作開發(fā)的焊接工藝制定與管理專家系統(tǒng)WEMS 以壓力容器制造為典型應(yīng)用背景，其主要功能如圖2 所示。系統(tǒng)通過以下兩種途徑來制定焊接工藝：1）基于PQR 或WPS，根據(jù)“ 鋼制壓力容器焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)JB4708-2000”由WPS 推理生成接頭焊接工藝卡并對(duì)焊接材料的消耗進(jìn)行計(jì)算和匯總，最終生成指導(dǎo)生產(chǎn)的焊接工藝規(guī)程；2）在焊接工藝設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)推理制定焊接工藝評(píng)定方案（委托書）。對(duì)某些焊接行業(yè)，該焊接工藝亦可直接用于生產(chǎn)。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2 WEMS 系統(tǒng)的主要功能

　　WEMS 系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計(jì)了系統(tǒng)的核心推理機(jī)，并解決了與CAD 等軟件的鏈接；工程報(bào)表設(shè)計(jì)器可以根據(jù)企業(yè)的需要靈活地定制各種格式和內(nèi)容的報(bào)表，可以直接對(duì)包含有圖形和數(shù)據(jù)的工藝報(bào)表進(jìn)行預(yù)覽與打印，而且實(shí)現(xiàn)了續(xù)頁(yè)、字體選擇和縮放、換行等功能。
此外，清華大學(xué)與北京航空工藝研究所合作開發(fā)了電子束焊接工藝專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目工藝流程文檔及電子束焊接所涉及的各種數(shù)據(jù)的的計(jì)算機(jī)管理，并且可采用擬合曲線法和溫度場(chǎng)模型計(jì)算法兩種方法推合理的電子束焊接工藝參數(shù)。

　　4 焊接工藝規(guī)劃WCAPP 系統(tǒng)

　　焊接結(jié)構(gòu)是由各種類型的焊接零部件組成的。在以往的焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)準(zhǔn)備活動(dòng)中，工藝規(guī)劃由工藝部門完成，而工時(shí)定額計(jì)算與匯總由勞資部門完成，材料定額計(jì)算與匯總則由供應(yīng)部門完成。這種運(yùn)作方式在很大程度上降低了生產(chǎn)準(zhǔn)備工作的效率，往往會(huì)出現(xiàn)工藝已經(jīng)制定完畢，但材料定額還沒有確定，從而使材料的供應(yīng)無法到位，或者工時(shí)安排存在偏差，使生產(chǎn)進(jìn)度互相牽制。因此，迫切需要一個(gè)針對(duì)整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的管理協(xié)調(diào)系統(tǒng)。
　　清華大學(xué)與太原重機(jī)集團(tuán)合作開發(fā)的針對(duì)重型機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)的焊接工藝規(guī)劃WCAPP 系統(tǒng)，在制定焊接零部件從下料開始到最后裝配焊接形成產(chǎn)品的工藝工序的同時(shí)，完成工時(shí)、材料定額的計(jì)算和匯總，最終形成一個(gè)可以指導(dǎo)整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)全過程的包含工時(shí)及材料定額的技術(shù)文檔，從而使生產(chǎn)準(zhǔn)備工作更加科學(xué)，有效地提高了生產(chǎn)準(zhǔn)備和管理效率。其總體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3 WCAPP 系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)

　　WCAPP 系統(tǒng)提供三種加工工藝工序制定方式：
　　
　　1）從典型件標(biāo)準(zhǔn)工藝工序庫(kù)直接提取
典型件標(biāo)準(zhǔn)工藝工序庫(kù)存放國(guó)家及企業(yè)的典型件標(biāo)準(zhǔn)工藝工序。系統(tǒng)在制定加工工藝工序時(shí)，首先查詢?cè)摌?biāo)準(zhǔn)工藝庫(kù)中是否有圖號(hào)與待制定工藝的零件相符合的標(biāo)準(zhǔn)工藝，若有，則直接提取。

　　2）根據(jù)工藝規(guī)則自動(dòng)生成加工工藝工序

　　工藝規(guī)則庫(kù)規(guī)定了板材零件、型材零件和部件的工藝工序生成規(guī)則。當(dāng)系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)工藝庫(kù)中搜索不到待制定工藝的零件時(shí)，則提供人機(jī)交互界面，由用戶輸入（選擇）必要的特征信息，系統(tǒng)通過工藝規(guī)則自動(dòng)生成加工工藝工序。

　　3）由工藝人員人工填寫
　　
　　當(dāng)焊接零部件在典型件標(biāo)準(zhǔn)工藝庫(kù)中不存在，又不符合采用工藝規(guī)則進(jìn)行工序制定的條件時(shí)，系統(tǒng)提供由工藝人員手工填寫工藝卡的制定方式。
　　此外，清華大學(xué)與徐州工程機(jī)械廠合作開發(fā)了工程機(jī)械裝焊RAWCAPP 系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)焊接結(jié)構(gòu)件裝焊工藝規(guī)劃的同時(shí)，借助PDM 的思想，實(shí)現(xiàn)了基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的工藝文檔管理、流程管理、用戶/角色/版本管理，并實(shí)現(xiàn)了與CAD、MRPII 系統(tǒng)的集成和信息交換。系統(tǒng)針對(duì)壓路機(jī)的主要焊接結(jié)構(gòu)件前車架、后車架、壓輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用了不同的工藝制定模式，如相似工藝法、典型工藝法和工藝模板法等，是一個(gè)既具有檢索和派生功能，又具有創(chuàng)成功能和通用化特點(diǎn)的綜合系統(tǒng)，使用戶能夠根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

　　5 車身裝焊質(zhì)量信息管理系統(tǒng)

　　汽車車身是一個(gè)復(fù)雜型面的殼體，是由數(shù)百個(gè)薄板沖壓件裝焊加工而成的。對(duì)車身裝焊過程的大量離散質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的組織和自動(dòng)化管理，實(shí)時(shí)而準(zhǔn)確地反映（白）車身生產(chǎn)的質(zhì)量狀況，為技術(shù)和管理人員提供分析質(zhì)量問題的手段，可以有效縮短故障響應(yīng)時(shí)間，增強(qiáng)質(zhì)量管理的科學(xué)性。

圖4 車身裝焊質(zhì)量信息管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　清華大學(xué)開發(fā)的車身裝焊質(zhì)量信息管理系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫(kù)建模和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)裝焊工藝、質(zhì)量檢測(cè)、統(tǒng)計(jì)過程控制與診斷、報(bào)表輸出的網(wǎng)絡(luò)化管理。其總體結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括如下主要功能：
　　1）檢驗(yàn)工藝和標(biāo)準(zhǔn)的編制、增加、刪除、修改和報(bào)表打印輸出等；
　　2）檢驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的輸入與管理；
　　3）生產(chǎn)質(zhì)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析以及統(tǒng)計(jì)報(bào)表的生成和打印輸出；
　　4）直方圖、排列圖等的自動(dòng)繪制和打印輸出；
　　5）采用統(tǒng)計(jì)過程控制（SPC）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車身裝焊質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控和趨勢(shì)預(yù)報(bào)；
　　6）采用統(tǒng)計(jì)過程診斷（SPD）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量故障原因的查找和分析；

　　工序質(zhì)量統(tǒng)計(jì)分析與過程控制和診斷是以預(yù)防為主的質(zhì)量預(yù)測(cè)和控制方法，它借助統(tǒng)計(jì)學(xué)的手段對(duì)工序生產(chǎn)質(zhì)量進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，并采取相應(yīng)措施來達(dá)到控制質(zhì)量的目標(biāo)。質(zhì)量統(tǒng)計(jì)方法分為兩類，一類是反應(yīng)質(zhì)量數(shù)據(jù)在某段時(shí)間內(nèi)的靜止?fàn)顟B(tài)，稱為簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)分析，如直方圖、排列圖等。另一類是反映質(zhì)量數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化規(guī)律的動(dòng)態(tài)方法，也就是基于控制圖的統(tǒng)計(jì)過程控制SPC 與統(tǒng)計(jì)過程診斷SPD。圖5 所示為SPC 控制用控制圖的實(shí)現(xiàn)界面。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖5 SPC 控制用控制圖

　　6 焊接工程應(yīng)用軟件的發(fā)展趨勢(shì)

　　模糊理論、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和面向?qū)ο蟮热斯ぶ悄苄录夹g(shù)的崛起為焊接工程應(yīng)用軟件的發(fā)展注入了新的活力。而網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的發(fā)展則對(duì)焊接工程應(yīng)用軟件的智能化提出了越來越高的要求。
基于信息技術(shù)與人工智能技術(shù)的現(xiàn)狀與動(dòng)態(tài)，焊接應(yīng)用軟件的發(fā)展趨勢(shì)可概括為如下幾個(gè)方面：

　　1)現(xiàn)有應(yīng)用研究的加強(qiáng)及新應(yīng)用領(lǐng)域的拓展；
　　2)人工智能新技術(shù)在焊接應(yīng)用軟件中的應(yīng)用研究及開發(fā)技術(shù)的提高；
　　3)充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)焊接應(yīng)用軟件的分布式處理和協(xié)同工作；
　　4)利用多媒體技術(shù)實(shí)現(xiàn)焊接應(yīng)用軟件人機(jī)接口的智能化和擬人化；
　　5)研制具有通用性的焊接應(yīng)用軟件及其開發(fā)工具。
 
 

（轉(zhuǎn)載）