王巧玲，榮 建 ，陳洪宇 ，魏艷紅，榮佑珍，吳振勇

（1.成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，四川 成都 610091；2.南京航空航天大學(xué)焊接數(shù)字化技術(shù)研究室，江蘇南京211100；3.南京維爾德智能科技有限公司，江蘇南京211100）

0 前言

航空制造業(yè)是反映國(guó)家制造業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一，航空制造領(lǐng)域也是先進(jìn)制造技術(shù)的孵化基地和示范基地[1]。隨著“中國(guó)制造2025”的提出，進(jìn)一步加快了制造業(yè)向智能化、數(shù)字化方向轉(zhuǎn)型，作為制造業(yè)發(fā)展典范的航空制造業(yè)數(shù)字化總體框架雖已日趨成熟，但在焊接生產(chǎn)領(lǐng)域智能化發(fā)展水平還不是很高，存在文件管理混亂、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)共享困難以及信息處理數(shù)字化水平低等一系列問題[2-5]。

作為焊接數(shù)字化研究基礎(chǔ)的焊接數(shù)據(jù)庫(kù)及專家系統(tǒng)，在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有多年研究[6-10]。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，焊接數(shù)據(jù)庫(kù)及專家系統(tǒng)也得到了較大發(fā)展，開發(fā)技術(shù)越來(lái)越成熟，此時(shí)建立針對(duì)航空標(biāo)準(zhǔn)和航空材料的航空工藝數(shù)據(jù)庫(kù)和專家系統(tǒng)是提高航空焊接生產(chǎn)數(shù)字化水平的重要舉措[11-12]。

1 需求分析

根據(jù)航空企業(yè)實(shí)際焊接產(chǎn)品的生產(chǎn)過程分析，系統(tǒng)需要具備以下兩大類功能：

（1）焊接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理。

存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包括常用母材和焊材數(shù)據(jù)、焊接接頭試驗(yàn)數(shù)據(jù)、焊接工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)、成熟焊接工藝數(shù)據(jù)、材料焊接性分析數(shù)據(jù)、焊接標(biāo)準(zhǔn)、焊工檔案、產(chǎn)品焊接產(chǎn)生的缺陷及解決方案等數(shù)據(jù)。

（2）焊接相關(guān)人員在線協(xié)同工作。

基于焊接數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)和工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)焊接工藝規(guī)程在線智能化編制；實(shí)現(xiàn)焊接工藝規(guī)程在局域網(wǎng)內(nèi)在線簽審、電子簽名功能；涉及平臺(tái)分級(jí)管理功能，實(shí)現(xiàn)焊接工人的焊接工藝規(guī)程查詢和記錄填寫；實(shí)現(xiàn)焊接工藝信息檢索、統(tǒng)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)焊接工藝報(bào)表自動(dòng)設(shè)計(jì)、輸出。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

焊接數(shù)據(jù)庫(kù)及專家系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)包括三大平臺(tái)——焊接數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)、焊接工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)平臺(tái)和焊接信息管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)、開發(fā)與集成，其中核心功能是在數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)和專家系統(tǒng)平臺(tái)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)焊接工藝過程在局域網(wǎng)內(nèi)協(xié)同智能辦公（焊接信息管理平臺(tái)），系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路Fig.1 Overall design ideas of the system

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)

數(shù)據(jù)庫(kù)的建立是為了保證企業(yè)焊接數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和共享，并且可作為焊接工藝規(guī)程編制的基礎(chǔ)支持?jǐn)?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要是對(duì)焊接試驗(yàn)數(shù)據(jù)、焊接基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、成熟工藝數(shù)據(jù)和焊接質(zhì)量案例數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.2 Database structure diagram

2.2 工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)平臺(tái)包含工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)、知識(shí)庫(kù)和模型庫(kù)3部分。建立各種焊接知識(shí)庫(kù)用于保證焊接知識(shí)的快速準(zhǔn)確利用和傳承，是專家系統(tǒng)不可或缺的部分。在焊接知識(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合焊接方法和材料特點(diǎn)，設(shè)計(jì)焊接工藝設(shè)計(jì)模型，最終實(shí)現(xiàn)焊接工藝指導(dǎo)書的自動(dòng)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)，用于輔助新焊接工藝規(guī)程的焊接參數(shù)設(shè)計(jì)。專家系統(tǒng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要實(shí)現(xiàn)手工鎢極氬弧焊、自動(dòng)鎢極氬弧焊、電阻焊和真空電子束焊等焊接方法的工藝設(shè)計(jì)。

圖3 專家系統(tǒng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.3 Expert systemstructure diagram

2.2.1 知識(shí)庫(kù)

知識(shí)通常分為專業(yè)知識(shí)和常識(shí)知識(shí)兩類。焊接專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建主要是針對(duì)焊接領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，用來(lái)存儲(chǔ)企業(yè)焊接基礎(chǔ)知識(shí)。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，這些知識(shí)主要來(lái)源于焊接手冊(cè)、焊接標(biāo)準(zhǔn)以及企業(yè)多年的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。從軟件設(shè)計(jì)角度出發(fā)，以焊接工藝設(shè)計(jì)的特點(diǎn)為依據(jù)來(lái)采集知識(shí)，首要獲得的是焊接方法、母材牌號(hào)、母材厚度、焊接位置、工藝措施信息，隨后才能得到與之匹配的接頭形式、焊接材料以及工藝參數(shù)信息。

知識(shí)庫(kù)的建立不僅有利于企業(yè)存儲(chǔ)、共享焊接知識(shí)，而且可以為工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持，知識(shí)庫(kù)中包含的結(jié)論庫(kù)存儲(chǔ)有大量成熟的焊接工藝規(guī)程文件，當(dāng)工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)需要運(yùn)用該部分知識(shí)時(shí)，就可以很方便地獲取使用。

2.2.2 模型庫(kù)與工藝設(shè)計(jì)

工藝設(shè)計(jì)采用正向推理與反向推理相結(jié)合的方法，推理過程如圖4所示。其中結(jié)論庫(kù)包含兩部分，一部分是工藝設(shè)計(jì)推理出的新焊接工藝指導(dǎo)書，另一部分是成熟的焊接工藝文件。工藝設(shè)計(jì)時(shí)首先進(jìn)行反向推理，匹配是否有已經(jīng)設(shè)計(jì)好或已成熟的工藝指導(dǎo)文件能應(yīng)用，若是沒有，則按照正向工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行推理。

工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)工作的一般步驟：首先用戶根據(jù)焊接方法選擇一種焊接工藝規(guī)范文件如手工鎢極氬弧焊，然后輸入初始條件——母材、厚度和接頭類型。系統(tǒng)獲取初始條件后，判斷是否有成熟的焊接工藝可以使用，若有則直接調(diào)取相應(yīng)數(shù)據(jù)，再調(diào)用焊工數(shù)據(jù)庫(kù)選擇合適的焊工，從而完成整個(gè)工藝文件的設(shè)計(jì)；若是沒有，則啟動(dòng)系統(tǒng)的正向推理機(jī)制,根據(jù)輸入的初始條件，調(diào)用相關(guān)知識(shí)庫(kù)先匹配出推薦的坡口形式及焊縫尺寸信息，然后進(jìn)一步推理出其他工藝參數(shù)，當(dāng)所有信息匹配結(jié)束，系統(tǒng)根據(jù)匹配信息自動(dòng)生成焊接工藝指導(dǎo)書，以供保存及打印使用。

2.3 焊接信息管理平臺(tái)

焊接信息管理平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程控制模塊，其功能是在數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)、專家系統(tǒng)平臺(tái)以及用戶權(quán)限管理基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)焊接工藝流程的在線智能化協(xié)同辦公。信息管理平臺(tái)流程如圖5所示，信息流主要有初始信息的獲取和管理、工藝規(guī)程編制、工藝規(guī)程簽審、工藝規(guī)程發(fā)布、工藝規(guī)程執(zhí)行與記錄和歸檔幾個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖4 推理過程示意Fig.4 Reasoning process

圖5 信息管理平臺(tái)流程Fig.5 Information management flow-process diagram

（1）初始信息的獲取和管理。

考慮到航空焊接領(lǐng)域的實(shí)際數(shù)據(jù)獲取途徑問題，系統(tǒng)提供了航空企業(yè)常用的3D建模設(shè)計(jì)軟件CATIA數(shù)據(jù)導(dǎo)入接口，為了方便企業(yè)現(xiàn)有數(shù)據(jù)的批量導(dǎo)入，還設(shè)計(jì)了EXCEL數(shù)據(jù)導(dǎo)入接口。由于初始信息是工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)推理的基礎(chǔ)，為了保證信息的完整和準(zhǔn)確，對(duì)初始信息設(shè)立管理模塊，主要是完成初始信息的補(bǔ)充、修改和統(tǒng)計(jì)功能。

（2）工藝規(guī)程編制。

即調(diào)用工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)平臺(tái)完成焊接工藝規(guī)程文件的自動(dòng)設(shè)計(jì)、保存和打印。

（3）工藝規(guī)程簽審。

焊接工藝規(guī)程文件編制好之后，需要經(jīng)過相關(guān)部門的校對(duì)審核。不同的企業(yè)簽審流程有一定的出入，一般要經(jīng)過校對(duì)、組長(zhǎng)、主任簽審，然后由主管工藝簽審焊縫等級(jí)與關(guān)重特性，最后經(jīng)檢驗(yàn)審核，下發(fā)。

（4）工藝規(guī)程發(fā)布。

將編制簽審后的焊接工藝規(guī)程在線（或者打印成紙質(zhì)版）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)版）獲取焊接工藝規(guī)程。

（5）工藝規(guī)程執(zhí)行與記錄。

工藝規(guī)程執(zhí)行時(shí)按照焊縫工序（修配、定位焊、矯正、焊接、矯正）執(zhí)行，并且焊縫焊接順序設(shè)置為可編輯，定位焊和焊接時(shí)的參數(shù)名稱與理論值鏈接到相應(yīng)的工藝規(guī)程，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，并實(shí)現(xiàn)了增、刪、改、查和統(tǒng)計(jì)等管理功能。

（6）歸檔。

待產(chǎn)品生產(chǎn)結(jié)束后，將焊接部分涉及的文件（包括工藝規(guī)程文件、檢驗(yàn)記錄等）定稿歸檔。

除了以上系統(tǒng)信息管理流程節(jié)點(diǎn)外，為保證系統(tǒng)在整個(gè)企業(yè)局域網(wǎng)內(nèi)有條不紊地運(yùn)行，還需要設(shè)置用戶權(quán)限管理。采用用戶-角色-權(quán)限模型，建立用戶權(quán)限管理，讓每位用戶的操作都是在自己的權(quán)限深度范圍內(nèi)，以保證數(shù)據(jù)安全和流程正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

軟件開發(fā)主要采用Spring Web MVC、mybatis、JS、HTML、CSS、FLASH、Oracle 等主流 Web 開發(fā)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。其中Spring Web MVC是一種基于Java實(shí)現(xiàn)Web MVC設(shè)計(jì)模式的請(qǐng)求驅(qū)動(dòng)類型輕量級(jí)Web框架，采用數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)邏輯、界面顯示分離的方法組織代碼，將業(yè)務(wù)邏輯聚集到一個(gè)部件中，在改進(jìn)界面及用戶交互使用時(shí)，不需要重新編寫業(yè)務(wù)邏輯，因此系統(tǒng)的可維護(hù)性很高。

系統(tǒng)采用 B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器）模式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在穩(wěn)定的局域網(wǎng)中，客戶端計(jì)算機(jī)在IE6及以上版本瀏覽器中輸入系統(tǒng)網(wǎng)址就可以登錄訪問系統(tǒng)，系統(tǒng)主界面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)主界面Fig.6 Systemmain interface

4 結(jié)論

（1）建立針對(duì)航空制造領(lǐng)域的焊接數(shù)據(jù)庫(kù)及專家系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了焊接試驗(yàn)數(shù)據(jù)、焊接基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、成熟工藝數(shù)據(jù)和焊接質(zhì)量案例數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和共享。

（2）建立焊接工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了手工鎢極氬弧焊、自動(dòng)鎢極氬弧焊、電阻焊和真空電子束焊等焊接方法的自動(dòng)工藝設(shè)計(jì)，并生成相應(yīng)的焊接工藝指導(dǎo)書供線上或線下使用。不僅提高了工藝文件編制效率和管理規(guī)范，而且減少了焊接工藝師的工作量，提高了焊接生產(chǎn)效率。

（3）建立了焊接信息管理平臺(tái)，在數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)、專家系統(tǒng)平臺(tái)以及用戶權(quán)限管理基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)焊接工藝流程的在線智能化協(xié)同辦公。對(duì)初始信息的獲取和管理、工藝規(guī)程編制、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、歸檔等進(jìn)行控制和管理，使整個(gè)焊接工藝過程實(shí)現(xiàn)信息化管理。

焊接數(shù)據(jù)庫(kù)、專家系統(tǒng)以及焊接信息管理系統(tǒng)的建立，提高了航空焊接生產(chǎn)領(lǐng)域管理規(guī)范化水平，并有效減少了焊接工藝師的工作量，提高了產(chǎn)品生產(chǎn)效率。