榮佑珍，劉仁培，魏艷紅

（南京航空航天大學(xué)焊接數(shù)字化技術(shù)研究室， 南京 211100）

“中國制造2025”的提出進(jìn)一步加快了制造業(yè)向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型的步伐，航空航天工業(yè)作為反映國家制造業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一，必然會(huì)朝著中、高端和智能制造等方向轉(zhuǎn)型并穩(wěn)步發(fā)展[1]。焊接是制造業(yè)極其重要的一種加工方法，尤其是在航空飛機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)的研制和生產(chǎn)中占據(jù)重要地位，傳統(tǒng)焊接工藝由于其復(fù)雜性和耗時(shí)性，已逐漸脫離當(dāng)代先進(jìn)制造的發(fā)展要求。據(jù)了解，焊接的工作量已占航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造總工時(shí)的10%左右[2]。在這樣的背景下，建立和發(fā)展焊接數(shù)據(jù)庫及專家系統(tǒng)是提高焊接產(chǎn)品質(zhì)量、縮短生產(chǎn)周期、實(shí)現(xiàn)智能化管理的重要舉措。

航空焊接數(shù)據(jù)庫

焊接數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)了有效存儲(chǔ)及管理企業(yè)的焊接基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要包括焊接基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、焊接試驗(yàn)數(shù)據(jù)、焊接標(biāo)準(zhǔn)、成熟焊接工藝、焊接缺陷診斷案例等。國外對焊接數(shù)據(jù)庫的研究較早，1976年日本就成立了焊接數(shù)據(jù)庫委員會(huì)，美國、英國、德國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家也都相繼開展了焊接數(shù)據(jù)庫的研究[3-5]。我國從20世紀(jì)80年代后期開始焊接數(shù)據(jù)庫的研究[6]，到目前為止已開發(fā)多種類型焊接數(shù)據(jù)庫，并在多家企業(yè)得到應(yīng)用。

近幾年，航空制造專用焊接數(shù)據(jù)庫在開始逐漸在企業(yè)得到應(yīng)用，南京航空航天大學(xué)和航空工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司合作，利用ASP腳本語言和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫技術(shù)開發(fā)了焊接數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)[7-8]。該系統(tǒng)從航空材料焊接數(shù)據(jù)需求角度出發(fā)，對焊接標(biāo)準(zhǔn)、材料、裝備和工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分類，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分級(jí)存儲(chǔ)和管理。柔性化的開發(fā)模式和強(qiáng)擴(kuò)展性的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)框架，既保證了新數(shù)據(jù)的有效存儲(chǔ)，又可將形式多樣的數(shù)據(jù)整合起來，使得航空材料焊接數(shù)據(jù)能夠很好地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程共享。

數(shù)據(jù)庫是專家系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在很大程度上決定了系統(tǒng)的實(shí)用性和準(zhǔn)確性[9-10]。圖1為南京航空航天大學(xué)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)單位合作開發(fā)的焊接參數(shù)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)示意圖。該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通過建立底層的各類焊接數(shù)據(jù)庫，為PDM系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)集成接口，為焊接工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的自動(dòng)工藝設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖1 焊接參數(shù)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of welding parameter database structure

航空焊接工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)

焊接專家系統(tǒng)是一種具有相當(dāng)于人類焊接專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)水平，以及解決焊接問題的能力的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它具有知識(shí)信息處理能力、知識(shí)利用能力、知識(shí)推理能力和咨詢解釋能力，是人工智能的一個(gè)分支[11]。早在20世紀(jì)80年代中期，國外的焊接專家們就致力于焊接專家系統(tǒng)的研發(fā)，經(jīng)過近30年發(fā)展，國外各研究機(jī)構(gòu)已開發(fā)出多種類型的焊接專家系統(tǒng)。我國最早見于報(bào)道的焊接專家系統(tǒng)是1988年南昌航空工業(yè)學(xué)院（今南昌航空大學(xué)）開發(fā)的焊接方法選擇專家系統(tǒng)[12]。雖然我國焊接專家系統(tǒng)的研究相較于國外起步較晚，但目前各研究機(jī)構(gòu)也開發(fā)出多種類型的焊接專家系統(tǒng)，主要集中在工藝設(shè)計(jì)、材料設(shè)備選擇和缺陷分析等方面。其中，以工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)研究最多，目前已在航空航天、機(jī)車車輛、船舶重工等多個(gè)行業(yè)得到實(shí)際應(yīng)用。

航空焊接產(chǎn)品相較于其他行業(yè)對焊接質(zhì)量的要求更高，焊接工藝的選用更要嚴(yán)格遵循4個(gè)原則，即材料的焊接性、焊接接頭的性能要求、焊接變形與焊后檢驗(yàn)的可達(dá)性原則[13]。隨著航空技術(shù)的飛速發(fā)展，新機(jī)型的不斷出現(xiàn)，對焊接工藝的設(shè)計(jì)也提出了新的挑戰(zhàn)，不僅要設(shè)計(jì)出能保證航空適航要求的高質(zhì)量焊接工藝，還應(yīng)盡可能縮短焊接產(chǎn)品研發(fā)與制造的周期[14]。航空工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司開發(fā)的高溫合金焊接工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高溫合金焊接工藝指導(dǎo)書的自動(dòng)設(shè)計(jì)功能，內(nèi)容包括焊接接頭設(shè)計(jì)、焊接材料選擇、焊接工藝參數(shù)選擇等。

南京航空航天大學(xué)與航空制造單位合作開發(fā)設(shè)計(jì)了焊接數(shù)據(jù)庫及專家系統(tǒng)平臺(tái)，該專家系統(tǒng)平臺(tái)包含3部分，即工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)、知識(shí)庫和模型庫。圖2為該系統(tǒng)的專家系統(tǒng)平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)圖。其中知識(shí)庫中的結(jié)論庫包含成熟焊接工藝規(guī)程，即在應(yīng)用該部分知識(shí)時(shí)需要調(diào)用數(shù)據(jù)庫平臺(tái)下的成熟焊接工藝數(shù)據(jù)庫，焊接工藝知識(shí)包括可焊母材信息、焊接材料、接頭形式和焊接工藝參數(shù)等。該系統(tǒng)采用正向推理與反向推理相結(jié)合的方法，工藝設(shè)計(jì)時(shí)首先進(jìn)行反向推理，匹配并能應(yīng)用已經(jīng)設(shè)計(jì)的工藝指導(dǎo)書或者成熟焊接工藝規(guī)程，若沒有，則進(jìn)行正向工藝設(shè)計(jì)推理。該系統(tǒng)平臺(tái)通過設(shè)計(jì)科學(xué)合理的推理機(jī)，實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)鎢極氬弧焊、自動(dòng)鎢極氬弧焊、電阻焊和真空電子束焊工藝指導(dǎo)書的自動(dòng)設(shè)計(jì)。

航空焊接缺陷診斷專家系統(tǒng)

航空工業(yè)在焊接生產(chǎn)過程中，焊接缺陷的存在嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量，如何控制和防止各類焊接缺陷的產(chǎn)生，是焊接工程師們不斷追求的方向。焊接缺陷診斷專家系統(tǒng)是根據(jù)焊接缺陷特征判斷缺陷類型，或已知焊接缺陷類型分析缺陷成因的一種專家系統(tǒng)[15]。國內(nèi)外對焊接缺陷診斷專家系統(tǒng)的研究也比較多，是技術(shù)相對比較成熟的一類專家系統(tǒng)，在不同領(lǐng)域的制造業(yè)中也得到了實(shí)際應(yīng)用，對焊接質(zhì)量的控制頗有成效。

航空工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限公司和南京航空航天大學(xué)合作設(shè)計(jì)開發(fā)的鋼材焊接缺陷診斷專家系統(tǒng)[16]，根據(jù)X射線影像特點(diǎn)、焊接結(jié)構(gòu)、焊接工藝或其他焊接事實(shí)能夠推理判斷焊接缺陷類型，并給出相應(yīng)的置信度。

另外，焊接結(jié)構(gòu)在承受外載和環(huán)境作用下的斷裂性能和裂紋擴(kuò)展性能的整體性要求也是控制焊接質(zhì)量的重要因素。航空工業(yè)北京航空制造工程研究所萬曉慧等[17]針對焊接結(jié)構(gòu)完整性研究，建立了焊接結(jié)構(gòu)完整性數(shù)據(jù)庫及專家系統(tǒng)。該系統(tǒng)參考英國標(biāo)準(zhǔn)BS7910中的評定方法，針對帶缺陷結(jié)構(gòu)，評定該結(jié)構(gòu)是否安全，并得到結(jié)構(gòu)的裂紋容限尺寸。

焊接缺陷診斷專家系統(tǒng)和焊接結(jié)構(gòu)完整性專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，為保證焊接質(zhì)量打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

航空焊接信息管理平臺(tái)

焊接生產(chǎn)是一項(xiàng)涉及多個(gè)單位、多個(gè)部門，甚至要跨區(qū)域執(zhí)行管理的復(fù)雜工程，焊接信息管理難度較大。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，焊接信息管理平臺(tái)的建設(shè)為實(shí)現(xiàn)焊接工藝流程在線智能化協(xié)同辦公提供了可能。南京航空航天大學(xué)與航空制造單位合作建設(shè)的焊接數(shù)據(jù)庫及專家系統(tǒng)平臺(tái)的核心功能，就是在數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)在局域網(wǎng)內(nèi)焊接工藝過程協(xié)同智能辦公。圖3為該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路圖，數(shù)據(jù)庫平臺(tái)與專家系統(tǒng)平臺(tái)都集成到信息管理平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)信息管理平臺(tái)的各項(xiàng)功能提供數(shù)據(jù)與知識(shí)支撐。

該信息管理平臺(tái)包括初始條件獲取與管理、工藝規(guī)程在線編制、工藝規(guī)程簽審、工藝規(guī)程發(fā)布、工藝規(guī)程執(zhí)行與記錄和文件歸檔等。初始條件獲取與管理模塊可通過EXCEL導(dǎo)入等方式快速獲取焊接初始信息，為工藝規(guī)程編制提供輸入條件；工藝規(guī)程編制模塊，可根據(jù)焊接初始條件智能匹配焊接設(shè)備、焊接參數(shù)和焊工，生成焊接工藝規(guī)程文件；工藝規(guī)程簽審模塊，根據(jù)不同企業(yè)審批流程，完成在線快速審批工作；工藝規(guī)程發(fā)布模塊是將編制簽審后的焊接工藝規(guī)程在線（或打印成紙質(zhì)）下發(fā)到施焊車間，焊工或車間工程師可以在線（或通過紙質(zhì)）獲取焊接工藝規(guī)程；工藝規(guī)程執(zhí)行與記錄模塊用于焊后記錄焊工施焊的實(shí)際工藝參數(shù)以及檢驗(yàn)結(jié)果；最后在產(chǎn)品生產(chǎn)結(jié)束后，在歸檔模塊將焊接部分涉及的文件（包括工藝規(guī)程、檢驗(yàn)記錄等）定稿歸檔。

除此之外，系統(tǒng)還設(shè)有用戶權(quán)限管理功能，用戶權(quán)限管理采用用戶-角色-權(quán)限模型，建立權(quán)限管理，讓每位用戶都在自己的權(quán)限范圍內(nèi)進(jìn)行操作。不同用戶之間信息傳遞便利，大大提高了辦公效率。

圖2 專家系統(tǒng)平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of expert system platform function

圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路圖Fig.3 Ideas diagram of overall system design

發(fā)展趨勢

焊接數(shù)據(jù)庫及專家系統(tǒng)作為焊接數(shù)字化基礎(chǔ)，雖然在國內(nèi)已有多年研究基礎(chǔ)，總體設(shè)計(jì)框架也日趨成熟，但針對航空標(biāo)準(zhǔn)和航空材料的焊接數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用近幾年才剛剛開始[18]。雖然目前取得一定的應(yīng)用效果，但很多功能仍然有待于進(jìn)一步完善。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)航空裝備制造業(yè)的全面數(shù)字化應(yīng)用，在已有焊接數(shù)據(jù)庫及專家系統(tǒng)研究基礎(chǔ)上，提出將焊接質(zhì)量預(yù)測專家系統(tǒng)和制造業(yè)大數(shù)據(jù)分析挖掘技術(shù)運(yùn)用到航空焊接數(shù)據(jù)庫及專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。

1 焊接質(zhì)量預(yù)測專家系統(tǒng)

焊接質(zhì)量一般通過沖擊、拉伸、彎曲等多種檢測試驗(yàn)來得到保證，不僅需要較長的檢測周期，而且還消耗大量人力、物力、財(cái)力。工程師希望在工藝設(shè)計(jì)時(shí)就可以預(yù)測焊接質(zhì)量，從而達(dá)到工藝優(yōu)化的目的。早在1993年，魏艷紅等[19]就通過總結(jié)大量的工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了20#、20g、16MnR及19Mn6 這4種鋼材的焊接接頭機(jī)械性能數(shù)學(xué)模型，并成功地建立了一個(gè)焊接接頭機(jī)械性能預(yù)測專家系統(tǒng)。

經(jīng)過20多年的發(fā)展，不斷有人對焊接接頭力學(xué)性能預(yù)測模型進(jìn)行研究，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和遺傳算法為主要研究潮流。張永志等[20]建立了動(dòng)態(tài)模糊徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Radial Basis Function, RBF）焊接接頭力學(xué)性能預(yù)測模型，具有較高的預(yù)測精度，適用于預(yù)測焊接接頭力學(xué)性能；劉小文等[21]進(jìn)行了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的攪拌摩擦焊接頭質(zhì)量預(yù)測系統(tǒng)研究，實(shí)現(xiàn)了對工藝參數(shù)的優(yōu)化；劉立鵬[22]設(shè)計(jì)了基于BP網(wǎng)絡(luò)模型的焊接接頭力學(xué)性能預(yù)測系統(tǒng)，后又使用遺傳算法優(yōu)化了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，基于新的遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立的預(yù)測專家系統(tǒng)達(dá)到的抗拉強(qiáng)度最大預(yù)測誤差為2.96%、延伸率最大預(yù)測誤差為4.78%。

焊接質(zhì)量預(yù)測專家系統(tǒng)在國內(nèi)已有20多年研究基礎(chǔ)，各種預(yù)測模型不斷優(yōu)化，預(yù)測精度不斷提高，但目前實(shí)際應(yīng)用于航空制造企業(yè)的焊接質(zhì)量預(yù)測專家系統(tǒng)還未見報(bào)道。

2 制造業(yè)大數(shù)據(jù)分析挖掘技術(shù)

大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨，互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)架構(gòu)的成熟，云計(jì)算技術(shù)的助推，催生了一系列新的數(shù)據(jù)研究模式[23]。如何從海量數(shù)據(jù)中分析挖掘出有價(jià)值的潛在知識(shí)信息，成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。焊接生產(chǎn)過程是一個(gè)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)的過程，問題的產(chǎn)生和解決也是一個(gè)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)的過程，通過對這些數(shù)據(jù)的分析和挖掘可以了解問題產(chǎn)生的過程和解決的方式，將這些信息抽象化建模后轉(zhuǎn)化為知識(shí)，再利用知識(shí)去認(rèn)識(shí)、解決和避免問題。李杰教授等[24]指出，要利用大數(shù)據(jù)技術(shù)來推動(dòng)智能制造的3個(gè)方向：一是利用數(shù)據(jù)了解和解決可見問題（如避免產(chǎn)品缺陷等）；二是利用數(shù)據(jù)分析來預(yù)測不可見問題；三是從數(shù)據(jù)中挖掘新知識(shí)，再利用新知識(shí)重新去定義問題。

將大數(shù)據(jù)分析挖掘技術(shù)運(yùn)用到焊接數(shù)據(jù)庫及專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將是焊接專家系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)新方向。

結(jié)論

航空專用焊接數(shù)據(jù)庫及專家系統(tǒng)在國內(nèi)發(fā)展迅速，已取得可喜成績，并具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，航空制造業(yè)焊接數(shù)字化總體框架日趨成熟，各種類型的航空材料焊接數(shù)據(jù)庫不斷開發(fā)完善，航空專用焊接專家系統(tǒng)的發(fā)展也已具有一定水平，但還不夠成熟，更多功能還有待于焊接研究學(xué)者與航空單位合作設(shè)計(jì)開發(fā)。相信不遠(yuǎn)的將來，焊接數(shù)據(jù)庫及專家系統(tǒng)技術(shù)將帶領(lǐng)航空制造業(yè)步入一個(gè)新的發(fā)展階段。

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