陳振林， 張玉蓮， 苑興楠， 魏艷紅

(1.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng)，110043;2.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 211106;3.南京維爾德智能科技有限公司，江蘇 南京 211100)

0 前言

航空工業(yè)在世界上各個(gè)國(guó)家中都備受重視，航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為航空飛行器的心臟，更是匯集了很多的新興功能和高端科技[1]。焊接技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造過(guò)程中占據(jù)了極其重要的地位，而優(yōu)質(zhì)的焊接工藝和焊接工藝指導(dǎo)文件是保存焊接質(zhì)量的重要措施。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在焊接領(lǐng)域的發(fā)展，在焊接工藝數(shù)據(jù)管理中引入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，可以依托計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力，制定更加科學(xué)合理的焊接工藝參數(shù)，提高焊接質(zhì)量和焊接效率。

自上世紀(jì)80年代以來(lái)，清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等學(xué)校開(kāi)始與企業(yè)合作，對(duì)已經(jīng)趨于成熟的焊接行業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)焊接數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的研究[2-5]。近年來(lái)，軌道車輛、壓力容器、船舶和航空航天行業(yè)也在積極建立相關(guān)焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)，用以提高企業(yè)生產(chǎn)效率及核心競(jìng)爭(zhēng)力。滬東中華造船有限公司針對(duì)各種船用特殊鋼材的焊接工藝操作規(guī)程設(shè)計(jì)了一個(gè)較為完善的焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，開(kāi)創(chuàng)了船舶工業(yè)系統(tǒng)在焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)方面的先河；中車青島四方機(jī)車車輛有限公司開(kāi)發(fā)了焊接工藝信息化管理系統(tǒng)，可以支撐企業(yè)焊接工藝制定及焊接件生產(chǎn)過(guò)程；成都飛機(jī)工業(yè)有限公司與南京航空航天大學(xué)合作開(kāi)發(fā)的航空用焊接數(shù)據(jù)庫(kù)及專家系統(tǒng)可以對(duì)焊接工藝制定過(guò)程進(jìn)行流程化管理，提高了航空焊接生產(chǎn)領(lǐng)域管理規(guī)范化水平[6]。

從焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)展?fàn)顩r可以看出，企業(yè)逐步淘汰紙質(zhì)的焊接工藝文件，將其轉(zhuǎn)化為電子文件，并將已有的焊接工藝數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行儲(chǔ)存和管理，相應(yīng)的，使用焊接工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)進(jìn)行工藝文件設(shè)計(jì)也逐步替代了大量重復(fù)的人工設(shè)計(jì)工作。文中針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件焊接過(guò)程中工藝制備時(shí)間周期長(zhǎng)，效率低下的問(wèn)題，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了焊接工藝資源數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，對(duì)大量的焊接工藝相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)有效的管理使用，并基于數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)快速編制焊接工藝文件，不僅提高了工作效率，還規(guī)避了可能因人工編制文件而產(chǎn)生的不足，滿足了實(shí)際生產(chǎn)需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括焊接數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)和焊接工藝智能編制平臺(tái)兩大功能板塊和用戶權(quán)限管理模塊。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

焊接數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)包含四大數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，即焊接基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、焊接參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)、材料焊接性能數(shù)據(jù)庫(kù)、典型零件案例庫(kù)。焊接數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)主要存儲(chǔ)及管理焊接工藝涉及的焊接數(shù)據(jù)包括焊接材料各種性能參數(shù)、焊接過(guò)程參數(shù)及焊接件基本信息，對(duì)一些典型零件焊接工藝相關(guān)參數(shù)也進(jìn)行了收錄以便于快速查找并應(yīng)用。焊接工藝智能編制平臺(tái)以焊接數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的匹配規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了編制工藝時(shí)關(guān)聯(lián)材料牌號(hào)、焊接設(shè)備及編號(hào)等初始信息的錄入，自動(dòng)生成焊接工藝參數(shù)等信息，快速完成焊接工藝文件的編制。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 焊接數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

焊接數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括焊接基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、焊接參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)、材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)及典型零件案例庫(kù)。焊接基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)焊接工藝涉及的焊接基礎(chǔ)資料，包括母材材料、填充材料、接頭形式、焊接設(shè)備、焊接通用要求、焊接標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)、焊接基礎(chǔ)問(wèn)題等模塊,如圖2所示。焊接參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)是結(jié)合產(chǎn)品型號(hào)的常用材料建立的用于存儲(chǔ)焊接工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，工藝參數(shù)數(shù)據(jù)內(nèi)容是根據(jù)四大類共16種不同的焊接方法進(jìn)行分類設(shè)計(jì)與存儲(chǔ)，主要包括焊接電流、焊接電壓、送絲速度、氣體流量等焊接工藝參數(shù)。材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)將企業(yè)常用材料的焊接性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并有效管理，用于快速查詢和掌握材料焊接性能。典型零件案例庫(kù)是設(shè)計(jì)和存儲(chǔ)重點(diǎn)型號(hào)產(chǎn)品零部件或者典型零部件在焊接攻關(guān)過(guò)程中獲得的所有焊接成果，包括焊接工藝、檢測(cè)方法、焊接缺陷、變形情況、問(wèn)題解決措施等。

圖2 焊接基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)功能設(shè)計(jì)

對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中相對(duì)抽象、零散的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯處理，建立數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，可以使用戶不需要直接對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作，而是通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)中已經(jīng)設(shè)計(jì)好的功能對(duì)數(shù)據(jù)直接處理。同時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)作為底層數(shù)據(jù)庫(kù)與用戶操作界面的連接樞紐，還承擔(dān)著數(shù)據(jù)共享及與其他系統(tǒng)集成對(duì)接的重要作用。每個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)都會(huì)根據(jù)具體使用及展示需求進(jìn)行功能設(shè)計(jì)。在該系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫(kù)功能設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中各類數(shù)據(jù)的基本操作，如增加、修改、刪除、查看、搜索等基本功能，使所有數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)更新，保持?jǐn)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。

(2)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)批量處理操作，如批量刪除、批量導(dǎo)入，提高數(shù)據(jù)編輯效率，減少重復(fù)工作。

(3)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中文件或圖片數(shù)據(jù)的多格式存儲(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)其基本操作，如文件或圖片的上傳、下載、打印、預(yù)覽等功能。

(4)實(shí)現(xiàn)各數(shù)據(jù)庫(kù)中的相關(guān)數(shù)據(jù)的配合調(diào)用，并使用一定的邏輯算法，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，使?shù)據(jù)庫(kù)前臺(tái)系統(tǒng)可以呈現(xiàn)出完整的焊接工藝參數(shù)數(shù)據(jù)。

3 焊接工藝智能編制平臺(tái)設(shè)計(jì)

焊接工藝智能編制平臺(tái)以焊接數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的匹配規(guī)則和推理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)編制工藝時(shí)可快速關(guān)聯(lián)焊接數(shù)據(jù)庫(kù)中各類相關(guān)信息的錄入，自動(dòng)生成焊接工藝參數(shù)等信息，快速完成焊接工藝文件的編制。該平臺(tái)的工藝編制過(guò)程如圖3所示，首先輸入焊接基本信息，如焊接方法、母材材料等，并從基本數(shù)據(jù)庫(kù)中關(guān)聯(lián)相關(guān)信息，再?gòu)囊呀?jīng)預(yù)填充的表單中選擇性輸入工序內(nèi)容和技術(shù)條件，根據(jù)用戶在編制工藝時(shí)輸入的初始參數(shù)，根據(jù)一定的匹配規(guī)則，在數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取匹配的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)，如填充材料、焊接速度等，并在前臺(tái)展示。若符合條件的數(shù)據(jù)不止一條，用戶可以手動(dòng)選擇最適合的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)，并自動(dòng)填充入工藝文件中，若符合條件的數(shù)據(jù)只有一條，則這些數(shù)據(jù)將無(wú)需人工選擇自動(dòng)填充入工藝文件報(bào)表相應(yīng)位置。

圖3 焊接工藝智能編制平臺(tái)編制過(guò)程

4 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法

該系統(tǒng)主要使用Java作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，Java是一門面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，功能強(qiáng)大而相對(duì)來(lái)說(shuō)使用簡(jiǎn)單?；跒g覽器/服務(wù)器(Browser/Service)架構(gòu)，并使用spring MVC作為開(kāi)發(fā)框架，將前端響應(yīng)和后端處理進(jìn)行分層，減少系統(tǒng)維護(hù)量，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其原理圖如圖4所示。首先用戶發(fā)出請(qǐng)求，請(qǐng)求到達(dá)前端控制器，前端控制器根據(jù)用戶請(qǐng)求地址，請(qǐng)求處理器映射器查找匹配該請(qǐng)求地址的處理器，并返回一個(gè)執(zhí)行鏈，前端控制器再請(qǐng)求處理器適配器調(diào)用相應(yīng)的處理器進(jìn)行業(yè)務(wù)處理，并返回給前端控制器，前端控制器再請(qǐng)求視圖解析器對(duì)返回的邏輯視圖進(jìn)行解析，最后前端控制器將返回的視圖進(jìn)行渲染并把數(shù)據(jù)裝入到返回域，返回給用戶，用戶即可實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求。

圖4 spring MVC開(kāi)發(fā)框架原理圖

4.2 系統(tǒng)功能及應(yīng)用

系統(tǒng)功能目錄如圖5左側(cè)框所示，主要分為用戶管理、四大數(shù)據(jù)庫(kù)和焊接工藝智能編制三個(gè)模塊。

在數(shù)據(jù)庫(kù)管理頁(yè)面中，以焊接基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中母材材料數(shù)據(jù)庫(kù)管理為例介紹數(shù)據(jù)庫(kù)基本功能，母材材料數(shù)據(jù)庫(kù)主要分為鋼、高溫合金、鈦合金和鋁合金四大類型，又根據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)格式的差別分為了九個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)模板，供用戶查看使用。用戶可以通過(guò)交互界面上的功能按鍵，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行基礎(chǔ)的增加、批量刪除、查詢等操作，通過(guò)每一行數(shù)據(jù)后的功能圖標(biāo)，對(duì)所在行數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、修改、單條刪除等操作。

在焊接工藝智能編制平臺(tái)中，根據(jù)不同的焊接方法，將焊接工藝編制分為弧焊、高能束焊、壓焊和釬焊四個(gè)模塊。以高能束焊中的真空電子束焊為例對(duì)焊接工藝智能編制進(jìn)行介紹，如圖6所示，用戶首先需要在焊接初始條件欄中輸入如材料牌號(hào)、接頭厚度、焊接設(shè)備等焊接零件基本信息，如有需求也可在草圖欄上傳草圖?；拘畔⑻顚懲瓿珊?，根據(jù)所填寫的基本信息，可以按照匹配因素對(duì)工作內(nèi)容及附注欄和焊接參數(shù)欄中的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)匹配和填充，這兩個(gè)模塊是系統(tǒng)智能編制焊接工藝的核心模塊，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶在初始條件欄中的信息來(lái)分析匹配出合適的焊接工作內(nèi)容和焊接參數(shù)，若無(wú)合適匹配結(jié)果，用戶也可在匹配界面進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)工作，添加合適工藝數(shù)據(jù)以供選擇。

完成真空電子束焊工藝編制之后，數(shù)據(jù)將被保存到真空電子束焊焊接工藝規(guī)程數(shù)據(jù)庫(kù)，點(diǎn)擊相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)按鈕，則可進(jìn)入真空電子束焊的焊接工藝規(guī)程界面，用戶可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的基本操作。

圖5 焊接基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)母材材料數(shù)據(jù)庫(kù)管理界面(低碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼)

圖6 真空電子束焊工藝智能編制界面參數(shù)輸入模塊

5 結(jié)論

(1)針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)焊接工藝參數(shù)的存儲(chǔ)需求，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了焊接數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了焊接基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、焊接參數(shù)數(shù)據(jù)、材料性能數(shù)據(jù)和典型零件案例數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和共享。

(2)以焊接數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了焊接工藝智能編制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)編制工藝參數(shù)的關(guān)聯(lián)輸入和自動(dòng)匹配，快速完成焊接工藝文件編制工作，比人工編制效率提高50%。

(3)將焊接數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)和焊接工藝智能編制平臺(tái)集成為焊接工藝資源數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，極大的提高了工作效率，縮短了工藝制備周期，實(shí)現(xiàn)了焊接工藝編制過(guò)程的信息化管理。