王素清，馬彥軍

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

0 引言

隨著制造業(yè)智能制造技術(shù)的發(fā)展，人工智能逐步走入制造領(lǐng)域，很多工廠甚至實(shí)現(xiàn)了無(wú)人工廠，制造業(yè)迎來(lái)了新一輪生產(chǎn)管理和制造模式的變革。推進(jìn)制造過(guò)程智能化是《中國(guó)制造 2025》提出推進(jìn)信息化與工業(yè)化深度融合的一項(xiàng)重要指標(biāo)[1]，兩化融合在引領(lǐng)企業(yè)管理組織變革、培育新型能力等方面的作用初步顯現(xiàn)[2]。焊接技術(shù)在制造業(yè)領(lǐng)域扮演著不可或缺的角色，在智能制造技術(shù)的沖擊下也將迎來(lái)新一輪革新[3]。船舶行業(yè)的生產(chǎn)管理，以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向，采取集中粗放式、勞動(dòng)密集型生產(chǎn)模式，現(xiàn)在也逐步向精細(xì)化管理、智能生產(chǎn)制造轉(zhuǎn)變。焊接作業(yè)作為船舶建造的主要施工方式，智能焊機(jī)管控（焊接設(shè)備智能管理控制）技術(shù)和焊接機(jī)器人的引入，使焊接智能化作業(yè)模式逐步取代原有的作業(yè)模式，為船舶的焊接質(zhì)量和焊接效率提供了保證。焊接作業(yè)的智能化管控和施工需要全方位船體焊接建模設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)作為理論依據(jù)。

面向智能制造的焊接工藝設(shè)計(jì)有廣闊的應(yīng)用前景，目前國(guó)內(nèi)外許多船廠小組、中組階段等部分實(shí)現(xiàn)了焊接機(jī)器人焊接，為焊接機(jī)器人提供焊接接口數(shù)據(jù)也成為各船舶制造軟件亟需解決的一項(xiàng)技術(shù)需求。在焊接派工管理方面，由于焊縫的多樣性和復(fù)雜性，導(dǎo)致焊縫統(tǒng)計(jì)困難，也是困繞焊接派工和核算工作的一項(xiàng)技術(shù)問(wèn)題。在焊接施工方面，由于船舶焊接質(zhì)量跟蹤需求，需要對(duì)某些關(guān)鍵焊縫進(jìn)行質(zhì)量跟蹤，以前手工處理焊縫跟蹤數(shù)據(jù)，效率低，并且無(wú)法形成有效統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源。在焊接生產(chǎn)管理方面，焊機(jī)管控的智能化也對(duì)焊接建模提出了應(yīng)用需求。在國(guó)內(nèi)，SPD船體設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展為焊接工藝模型的建立提供了基礎(chǔ)。SPD船體設(shè)計(jì)軟件提供了船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建模，可以三維動(dòng)態(tài)觀察設(shè)計(jì)結(jié)果，并與許多軟件之間有數(shù)據(jù)傳輸通道，與許多生產(chǎn)管理軟件有數(shù)據(jù)接口，為實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)源和集成平臺(tái)提供保障。SPD船體設(shè)計(jì)軟件是由東欣軟件工程有限公司自主研發(fā)，在國(guó)內(nèi)有很廣泛的應(yīng)用。

綜上所述，面向智能制造的焊接工藝模型的建立成為焊接設(shè)計(jì)工作的必然趨勢(shì)，本文基于SPD軟件平臺(tái)研究焊接工藝模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)架構(gòu)，提出面向智能制造的焊接工藝模型的構(gòu)建方案。

1 焊接工藝模型設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)智能制造焊接工藝模型的實(shí)時(shí)交互設(shè)計(jì)，需要提供焊接設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)交互對(duì)象，即焊接幾何信息模型。在焊接幾何模型的基礎(chǔ)上，增加焊接工藝信息的設(shè)計(jì)，使焊接工藝信息設(shè)計(jì)可視化。

圖1描述了焊接模型的構(gòu)建過(guò)程，以焊接設(shè)計(jì)對(duì)象為構(gòu)建基礎(chǔ)，建立智能焊接模型。利用船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)作為焊接設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，形成船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和船體焊接設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一。通過(guò)分析船體結(jié)構(gòu)定義數(shù)據(jù)和船體結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)，制定了焊接模型幾何信息模型的構(gòu)建方案。利用船體結(jié)構(gòu)、裝配樹(shù)、船體分段模型和船體建造樹(shù)，建立焊接可視化設(shè)計(jì)索引樹(shù)，為智能焊接模型設(shè)計(jì)提供可視化設(shè)計(jì)索引平臺(tái)，構(gòu)建交互基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖1 焊接模型構(gòu)建過(guò)程

智能焊接模型通過(guò)焊接幾何信息和焊接工藝信息數(shù)據(jù)的聯(lián)合，達(dá)到視化焊接工藝數(shù)據(jù)的交互管理。二者模型數(shù)據(jù)統(tǒng)一于SPD船體設(shè)計(jì)系統(tǒng)的焊接計(jì)劃模塊，統(tǒng)一進(jìn)行智能焊接工藝模型的設(shè)計(jì)管理；焊接幾何模型和焊接工藝模型統(tǒng)一方式是采用同一模型號(hào)來(lái)進(jìn)行統(tǒng)一，在生成焊接模型時(shí)，同時(shí)生成一個(gè)全船唯一焊縫ID編碼來(lái)進(jìn)行焊接模型的標(biāo)識(shí)。

2 焊接工藝模型設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題

2.1 焊接模型冗余處理

焊縫模型生成過(guò)程中，焊接構(gòu)件設(shè)計(jì)變更引起焊接構(gòu)件模型變更，不可避免地會(huì)出現(xiàn)焊縫模型冗余。算法的不斷完善只能使所生成的焊縫更精確，盡量避免焊縫冗余，但不能完全消除焊縫冗余。

圖2描述了冗余數(shù)據(jù)的產(chǎn)生來(lái)源、冗余數(shù)據(jù)判定方法及解決方案，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下所示，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接模型的冗余處理，首先需要對(duì)其冗余信息進(jìn)行判定，具體的判定方法如下：

圖2 焊接模型冗余問(wèn)題處理

1）焊接模型標(biāo)注點(diǎn)位置重合法

在人們的預(yù)期中，在同一位置不可能出現(xiàn)多條焊縫，所以，采用該種方法可以找到重合計(jì)算的焊縫數(shù)據(jù)，這種焊縫用人工難以判別。

2）焊接構(gòu)件查詢法

在自動(dòng)搜索計(jì)算的焊縫模型中，焊接模型與船體構(gòu)件間是有對(duì)應(yīng)關(guān)系的，如果某條焊縫沒(méi)有找到相關(guān)聯(lián)的構(gòu)件，則說(shuō)明相關(guān)的構(gòu)件已經(jīng)不存在，則該焊縫是屬于多余焊縫。

3）船體結(jié)構(gòu)焊接樹(shù)重構(gòu)法

原理類似于焊接構(gòu)件查詢法，但以船體結(jié)構(gòu)樹(shù)對(duì)象，反向搜索，如果找到相關(guān)焊縫，則為非冗余即正常焊縫，如果沒(méi)有找到，則為冗余焊縫，需要?jiǎng)h除。

4）三維視圖焊縫模型人工觀察法

即將焊縫模型展現(xiàn)在三維視圖中，通過(guò)視圖顯示手段，觀察各焊縫的模型狀態(tài)，可以找到過(guò)長(zhǎng)的焊縫和沒(méi)有生成焊縫模型的焊縫。

5）焊縫長(zhǎng)度規(guī)則法

即通過(guò)對(duì)焊縫長(zhǎng)度進(jìn)行排序，找到過(guò)短的、過(guò)長(zhǎng)的、沒(méi)有正常焊縫長(zhǎng)度數(shù)據(jù)的不正確焊縫。

針對(duì)不同的焊接模型冗余原因，需要應(yīng)用不同的方法和手段，使獲取的焊接模型最終符合人們的預(yù)期，具體的處理方法如下：

1）焊接模型標(biāo)注點(diǎn)位置重合處理法

遍歷焊縫，兩兩比較，如果焊縫模型標(biāo)注點(diǎn)重合，則處理；這種情況需要進(jìn)行人工干預(yù)處理，系統(tǒng)提出重合焊縫列表集，人工交互解決這些矛盾。對(duì)于構(gòu)件重合時(shí)，需要人工干預(yù)；對(duì)于計(jì)算引起的重合，可以通過(guò)改進(jìn)焊縫運(yùn)算方法來(lái)解決。

2）焊接構(gòu)件查詢處理法

遍歷焊縫模型數(shù)據(jù)，查找焊縫的兩個(gè)構(gòu)件是否存在，如果不存在，則認(rèn)為該焊縫數(shù)據(jù)為冗余數(shù)據(jù)。該種方法僅適用于自動(dòng)算法。

3）船體結(jié)構(gòu)焊接樹(shù)反向查詢處理法

遍歷結(jié)構(gòu)焊接樹(shù)各焊縫，反向查找焊縫構(gòu)件相關(guān)焊縫，如果存在重復(fù)數(shù)據(jù)，則需要交互處理相關(guān)焊縫。

4）深層處理即焊接構(gòu)件重算處理法

如果遇到構(gòu)件大批量修改的情況，而且件號(hào)也大批量修改，則需要進(jìn)行重算，即先前所處理的焊縫只能用于焊接物量的預(yù)估，不能用于焊接生產(chǎn)的指導(dǎo)。

5）人工觀察處理法

在焊接工藝建模過(guò)程中，如果出現(xiàn)焊縫長(zhǎng)度或焊縫模型不正常的情況，則需要針對(duì)該種情況進(jìn)行干預(yù)。更改焊縫數(shù)據(jù)過(guò)長(zhǎng)的焊縫，刪除焊縫數(shù)據(jù)過(guò)短的數(shù)據(jù)，修正焊縫數(shù)據(jù)不正確的情況。

除了焊縫模型冗余問(wèn)題，還有焊縫模型缺失問(wèn)題。在焊縫模型的建立過(guò)程中，還有一些焊縫相關(guān)的構(gòu)件沒(méi)有建模，如一些鑄件等；還有一些焊縫沒(méi)有計(jì)算出來(lái)，構(gòu)件間建模間隙過(guò)大或其他原因；這些焊縫需要人工交互添加生成焊縫模型，以便后期與其它生產(chǎn)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)相接，形成統(tǒng)一數(shù)據(jù)源，為智能生產(chǎn)制造提供完整有效的焊接物量和焊接建造數(shù)據(jù)。

2.2 焊接工藝信息建模

通過(guò)研究船體焊接工藝智能化實(shí)施規(guī)范和需求，確定了焊接工藝模型信息內(nèi)容。研究了船體結(jié)構(gòu)模型（SPD船體結(jié)構(gòu)模型）、船體建造階段、船體焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)、船體焊接施工規(guī)范、船體焊接工時(shí)規(guī)范、船體焊接驗(yàn)收規(guī)范等與船體焊接設(shè)計(jì)建造相關(guān)的設(shè)計(jì)流程和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，收集了焊接設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)信息。調(diào)研了焊接實(shí)船施工過(guò)程，收集了焊接作業(yè)相關(guān)信息，如焊縫跟蹤圖、焊接工作圖、焊接材料定額管理、焊接工時(shí)管理等信息。調(diào)研了第三方軟件的焊接應(yīng)用需求，如焊接機(jī)器人接口數(shù)據(jù)、焊機(jī)管控?cái)?shù)據(jù)源、MES系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)、焊接派工管理、焊接質(zhì)量控制管理等。并對(duì)智能制造管理流程所需的焊接三維作業(yè)指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行了研究。

智能焊接模型是用于指導(dǎo)生產(chǎn)管理的理論數(shù)據(jù)來(lái)源依據(jù)，焊接建造與焊接工藝密切相關(guān)。焊接設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要滿足焊接設(shè)計(jì)規(guī)范；焊接建造過(guò)程中，需要滿足焊接建造規(guī)范，焊接質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范；焊接生產(chǎn)管理過(guò)程中，需要進(jìn)行焊接工時(shí)管理，焊接派工管理。為滿足這些規(guī)范和管理?xiàng)l件，需要在焊接建模設(shè)計(jì)階段給出完整的焊接工藝數(shù)據(jù)信息和焊接模型數(shù)據(jù)信息。

圖3描述了焊接工藝模型的構(gòu)建分類屬性信息，焊接工藝信息按不同生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段的要求分成以下3類。

圖3 焊接工藝模型的構(gòu)成

2.2.1 結(jié)構(gòu)建模要求

結(jié)構(gòu)建模過(guò)程中，需要針對(duì)不同的構(gòu)件及相關(guān)構(gòu)件在船體上的位置，設(shè)置不同的焊縫編碼、焊接坡口、焊接方法、焊角高度、焊接材料、焊縫長(zhǎng)度、焊接構(gòu)件（尺寸、規(guī)格、材料、類型）、焊接階段、焊接接頭型式等；根據(jù)結(jié)構(gòu)建模條件和焊接工時(shí)管理的需求，需生成焊接構(gòu)件類型和焊接接頭型式細(xì)分。

焊縫編碼用于對(duì)焊縫的識(shí)別。焊接坡口、焊接方法、焊接構(gòu)件類型和焊接接頭型式直接決定了焊接的難易程序和焊接工作量。焊接坡口可根據(jù)焊縫定位信息匹配船體結(jié)構(gòu)庫(kù)中定義數(shù)據(jù)獲取相應(yīng)的坡口樣式。焊接方法需要規(guī)則來(lái)生成一個(gè)初始數(shù)據(jù)。焊接構(gòu)件類型需要從船體結(jié)構(gòu)定義數(shù)據(jù)中獲取。焊接接頭型式從構(gòu)件間接頭關(guān)系可劃分為 3大類對(duì)接焊、角焊、搭接焊；根據(jù)焊接工時(shí)規(guī)范中的計(jì)算規(guī)則，焊接接頭型式這種分法遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要細(xì)分，如需要加上焊接的是構(gòu)件的哪條邊等情況。

2.2.2 焊接建造要求

焊接建造過(guò)程中，由于針對(duì)不同階段有不同的建造方位，需要設(shè)置焊縫朝向，焊接操作方位，焊接道數(shù)，焊縫是否跟蹤等。

根據(jù)船體焊縫的焊接重要性，有些焊縫需要進(jìn)行焊接質(zhì)量追蹤，使船體建造質(zhì)量得到保證。需要跟蹤的焊縫，需要生成焊縫跟蹤圖，這些焊縫數(shù)據(jù)需要發(fā)送焊接質(zhì)量管控系統(tǒng)。

焊接道數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)施工情況、焊接人員和焊接質(zhì)量相關(guān)，在有些情況下，也需要提前設(shè)計(jì)焊接道數(shù)。

焊接操作方位根據(jù)具體操作方式，分為立焊、平焊、仰焊、橫焊等[4]；需要根據(jù)具體焊接裝配結(jié)點(diǎn)的姿態(tài)和焊縫朝向來(lái)決定。一般情況下，焊接施工采取平焊和立焊為宜，所以施工時(shí)，裝配組立基面盡量與焊接需求相關(guān)聯(lián)。裝配基面的指定應(yīng)該與裝配節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)。焊縫朝向可以在進(jìn)行焊縫建模計(jì)算時(shí)，根據(jù)構(gòu)件和焊縫的船體坐標(biāo)下幾何空間關(guān)系自動(dòng)計(jì)算得到。通過(guò)組立基面和焊縫朝向信息判定焊接操作方位。通常情況下，仰焊可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整組立姿態(tài)來(lái)改變?yōu)槠胶?，所以，在通常焊接工時(shí)定額計(jì)算過(guò)程中，仰焊是按照平焊來(lái)計(jì)算焊接工時(shí)的，但不排除特殊情況。

2.2.3 焊接生產(chǎn)施工要求

焊接生產(chǎn)施工過(guò)程中，針對(duì)不同的焊縫，需進(jìn)行焊接人員、焊接工位，焊接設(shè)備及焊接材料等信息的匹配，需要設(shè)置焊接設(shè)備的電流電壓、焊接起始時(shí)間、焊接結(jié)束時(shí)間、焊接質(zhì)量控制等。

一般焊接設(shè)計(jì)階段，無(wú)法確定焊接生產(chǎn)施工時(shí)的要求，但在焊接生產(chǎn)管理和焊接智能制造時(shí)，為保證焊接質(zhì)量和組立裝配結(jié)點(diǎn)的完工節(jié)點(diǎn)，需要提供焊接生產(chǎn)施工時(shí)的焊接信息，為智能焊接制造生產(chǎn)管理提供全局把控提供理論數(shù)據(jù)。

2.3 焊接模型存儲(chǔ)

焊接模型是用于進(jìn)行焊接工藝設(shè)計(jì)的對(duì)象，需要進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，并具備與通用數(shù)據(jù)一致的增、刪、改的功能。焊接模型分為 2大類：焊接幾何模型數(shù)據(jù)和焊接工藝模型數(shù)據(jù)。目前存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方式主要是數(shù)據(jù)庫(kù)、文本文件、二進(jìn)制索引文件、XML文件等。在綜合考慮保存速度、交互、接口、集成及SPD船體設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)情況后，決定采用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)與二進(jìn)制索引文件相結(jié)合的解決方案。

圖4描述了焊接模型的存儲(chǔ)形式是通過(guò)焊接模型存取接口對(duì)焊接模型進(jìn)行分離存取。

圖4 焊接模型存儲(chǔ)技術(shù)

焊接幾何模型數(shù)據(jù)采用SPD自主研發(fā)的二進(jìn)行制索引文件進(jìn)行保存，方便交互和實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)察看。焊接工藝模型采用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)工程數(shù)據(jù)表的方式保存，方便二次開(kāi)發(fā)接口數(shù)據(jù)的讀取和管理軟件平臺(tái)的集成。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)面向智能制造的焊接工藝模型設(shè)計(jì)的研究，將智能焊接工藝數(shù)據(jù)模型概念逐步實(shí)例化，明晰了工藝模型組成條目，梳理了實(shí)體建模的規(guī)則和條件，解決了焊接設(shè)計(jì)過(guò)程的技術(shù)問(wèn)題，最終形成焊接模型設(shè)計(jì)及管理解決方案。按照船舶焊接工藝要求，結(jié)合三維建模特點(diǎn)，在SPD船體設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)上，以船體焊接設(shè)計(jì)所涉及的智能焊接模型為研究對(duì)象，編寫(xiě)面向智能制造的焊接工藝模型設(shè)計(jì)運(yùn)算包和建立焊接工藝模型存儲(chǔ)框架，為后續(xù)焊接工藝設(shè)計(jì)整體框架提供核心算法支持，為智能焊接管控平臺(tái)提供數(shù)據(jù)接口。