周成候，李峰

江蘇中車數(shù)字科技有限公司 江蘇南京 211500

1 序言

調(diào)研國內(nèi)已開發(fā)并供使用的焊接專家系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)，這些已有的系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中確實(shí)能夠?qū)附庸こ處熗瓿珊芏鄰?fù)雜且繁瑣的工作，為企業(yè)或相關(guān)單位節(jié)省可觀的經(jīng)費(fèi)，但仍存在著一些非常實(shí)際且亟待解決的問題。

主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1）缺少標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的開發(fā)流程，開發(fā)效率較低。一套標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的開發(fā)規(guī)則或流程，能夠有效保證系統(tǒng)開發(fā)的效率和成本，并且這樣的一套開發(fā)流程還能更好地使系統(tǒng)開發(fā)的結(jié)果更符合原始需求及設(shè)計(jì)的要求和規(guī)定。

2）系統(tǒng)維護(hù)性及可擴(kuò)展性較差。目前大多數(shù)的專家系統(tǒng)都是根據(jù)獲得的用戶需求一次性完成開發(fā)工作，維護(hù)及擴(kuò)展性能較差。但當(dāng)焊接標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)則或數(shù)據(jù)發(fā)生更改時(shí)，需要及時(shí)對(duì)原有的系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和擴(kuò)展，以滿足新的需要，這樣就要求開發(fā)的焊接專家系統(tǒng)具備較強(qiáng)的可維護(hù)性及擴(kuò)展性。

3）針對(duì)軌道交通行業(yè)，其相應(yīng)的焊接專家系統(tǒng)的研究幾乎空白。軌道交通裝備制造是一個(gè)焊接用量非常大的行業(yè)，其焊接材料、方法、工藝均有其自身的復(fù)雜性和特點(diǎn)，但針對(duì)軌道交通制造行業(yè)的焊接專家系統(tǒng)卻極少。

近幾年，相關(guān)人員針對(duì)高速列車的焊接基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理也有一定的研究，從對(duì)材料的牌號(hào)基礎(chǔ)信息、材料的批次信息、焊接過程中使用的工藝類參數(shù)、焊接所使用的設(shè)備、焊接疲勞數(shù)據(jù)以及焊接殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)化管理，形成針對(duì)高速列車焊接基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)疲勞數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析，自動(dòng)生成S－N曲線和lgS－lgN雙對(duì)數(shù)直線[1]。

本文確定的系統(tǒng)功能構(gòu)成如圖1所示，劃分了3個(gè)大的功能模塊：焊接工藝設(shè)計(jì)模塊、焊工資質(zhì)管理模塊及焊接材料消耗定額計(jì)算模塊。每個(gè)模塊又將根據(jù)細(xì)化的需求，進(jìn)行功能的劃分。

圖1 系統(tǒng)功能構(gòu)成

2 焊接工藝設(shè)計(jì)模塊

焊接工藝設(shè)計(jì)模塊是本課題重要的組成部分，也是焊接工程師最為關(guān)注的問題之一[1]。在本課題中，以軌道交通行業(yè)車體常用鋁合金材料的類型及規(guī)格、焊接方法、接頭類型等要素作為研究對(duì)象，同時(shí)結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)EN 15085《軌道應(yīng)用—軌道車輛和車輛部件的焊接認(rèn)證體系》進(jìn)行焊接工藝的設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的研發(fā)。焊接工藝設(shè)計(jì)模塊的構(gòu)成如圖2所示。

從圖2可以看出，系統(tǒng)的工作流程被劃分為3個(gè)階段：工藝設(shè)計(jì)階段、工藝免評(píng)判斷階段、判斷結(jié)果處理階段。分別負(fù)責(zé)工藝設(shè)計(jì)、工藝免評(píng)判斷及工藝指導(dǎo)文件的生成3項(xiàng)工作，如此串聯(lián)系統(tǒng)的功能構(gòu)成，能更好地貼近焊接工藝設(shè)計(jì)人員的實(shí)際需求，幫助工藝設(shè)計(jì)人員更好地完成工藝設(shè)計(jì)階段及后續(xù)相關(guān)的各項(xiàng)工作，提高工藝設(shè)計(jì)及工藝評(píng)定的效率。

圖2 工藝設(shè)計(jì)模塊構(gòu)成

（1）接頭統(tǒng)計(jì)庫 接頭統(tǒng)計(jì)庫設(shè)計(jì)包含接頭適用的焊縫形式、接頭形式、母材厚度、母材材質(zhì)、焊接方法、焊接位置與焊縫性能等級(jí)等參數(shù)的選擇。其在標(biāo)準(zhǔn)EN 15085中的表現(xiàn)形式見表1。

表1 焊縫接頭形式統(tǒng)計(jì)

在接頭統(tǒng)計(jì)庫中，將對(duì)已有的焊縫接頭形式統(tǒng)計(jì)表中的參數(shù)、接頭圖示等信息進(jìn)行存儲(chǔ)，其中對(duì)圖片類信息將存儲(chǔ)在服務(wù)器中的存儲(chǔ)地址，使用時(shí)通過地址找到該圖片的位置，下載并顯示。

（2）焊接工藝免評(píng)判斷規(guī)則庫 焊接工藝免評(píng)判斷的依據(jù)分兩部分：標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則以及標(biāo)準(zhǔn)焊接工藝評(píng)定報(bào)告。本課題對(duì)焊接工藝相關(guān)的研究內(nèi)容主要針對(duì)軌道交通鋁合金車體，因此其中關(guān)于焊接工藝免評(píng)判斷規(guī)則的研究內(nèi)容將針對(duì)軌道交通鋁合金車體所用到的焊接工藝評(píng)定規(guī)范展開。

焊接工藝免評(píng)判斷時(shí)需要考慮的各種要素，包括焊接方法、母材類別等。在建立規(guī)則庫時(shí)，將各要素對(duì)應(yīng)的判斷算法存放在規(guī)則庫中，使用時(shí)按照業(yè)務(wù)邏輯處理過程的需要進(jìn)行組織，從而發(fā)揮規(guī)則庫的作用。在本系統(tǒng)中，通過焊接工藝免評(píng)規(guī)則算法來組織庫中要素對(duì)應(yīng)的判斷算法，以實(shí)現(xiàn)焊接工藝免評(píng)判斷的目的。

在工藝免評(píng)判斷算法中，利用foreach語句循環(huán)調(diào)用該算法，遍歷標(biāo)準(zhǔn)焊接工藝評(píng)定報(bào)告庫中所有的焊接工藝評(píng)定報(bào)告，以篩選出所有符合要求的焊接工藝評(píng)定報(bào)告記錄，從而縮小下個(gè)要素的篩選范圍，這樣逐級(jí)層層篩選，最終選出每個(gè)要素均能夠評(píng)定的焊接工藝評(píng)定報(bào)告。首先確定免評(píng)算法的輸入?yún)?shù)為待評(píng)定預(yù)焊接工藝指導(dǎo)書記錄與標(biāo)準(zhǔn)焊接工藝評(píng)定報(bào)告目錄；然后焊接工藝免評(píng)算法再依次調(diào)用各要素判斷算法，將待評(píng)定的預(yù)焊接工藝指導(dǎo)書記錄中與該判斷要素對(duì)應(yīng)的字段同標(biāo)準(zhǔn)焊接工藝評(píng)定報(bào)告中對(duì)應(yīng)字段比對(duì)，逐層篩選，最終篩選出能夠評(píng)定輸入的預(yù)焊接工藝指導(dǎo)書的標(biāo)準(zhǔn)焊接工藝評(píng)定報(bào)告。其處理流程時(shí)序如圖3所示。

圖3 免評(píng)規(guī)則庫處理流程時(shí)序

（3）焊工資質(zhì)管理 在軌道交通制造企業(yè)，焊接工作量很大，因而焊工數(shù)量非常多。對(duì)焊工個(gè)人信息、資質(zhì)信息的管理將會(huì)是一項(xiàng)極為繁重的工作；而根據(jù)待焊工件選取資質(zhì)符合的焊工施焊則更是一項(xiàng)耗時(shí)耗力的工作[3]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在焊接領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入[4]，開發(fā)相關(guān)的焊接應(yīng)用軟件將能夠很好地解決這些問題。本文針對(duì)ISO 9606-2—2004《焊工考試-熔化焊-第二部分:鋁及鋁合金》進(jìn)行深入研究而開發(fā)出的焊工資質(zhì)管理模塊，如圖4所示。

圖4 焊工資質(zhì)模塊功能構(gòu)成

（4）焊工資質(zhì)表現(xiàn)形式 ISO 9606-2—2004標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了鋁及鋁合金熔化焊的焊工考試方法，提供了系統(tǒng)的焊工技能評(píng)定規(guī)則，對(duì)焊工資質(zhì)代碼組成要素的表示方式做了詳細(xì)的規(guī)范和說明。

焊工考試以主要參數(shù)為基礎(chǔ)，考試中所焊試件應(yīng)使用主要參數(shù)焊接，若焊工從事認(rèn)可范圍之外的焊接工作，則需進(jìn)行新的資質(zhì)考試。主要參數(shù)有：

1）熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MIG)，焊接方法代號(hào)為 131；鎢極惰性氣體保護(hù)焊(TIG)，焊接方法代號(hào)為 141。

2）試件類型：板材或管材。

3）焊縫種類：對(duì)接焊縫或角接焊縫。

4）母材。本系統(tǒng)根據(jù)ISO 15608—2017《焊接-金屬材料分類指南》，主要針對(duì)的母材為 5000系、6000系及7000系鋁合金，其中 5000 系鋁合金的材料組別為22，6000系與7000系則屬于材料組別為 23的鋁合金。

5）材料尺寸：即母材厚度。

6）焊接位置：根據(jù)ISO 6947—2011《焊接及相關(guān)工藝—焊接位置》PA、PB、PC、PD、PE、PF、PG等

7）焊接細(xì)節(jié)，包括是否使用襯墊，單面或雙面焊接，焊縫為單層或多層。

若一條焊工資質(zhì)代碼為：“ISO 9606-2 131 P BW 22 S t6 PB ss nb ml”，其對(duì)應(yīng)的含義如下：131為熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG），BW為對(duì)接，P為板材，ss為單面焊，nb為無襯墊，ml為多層焊。

在本模塊中，焊工資質(zhì)代碼生成器將完全依據(jù)上述資質(zhì)代碼要素組成規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，這樣的設(shè)計(jì)形式使得資質(zhì)代碼的構(gòu)成形式規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，焊工的資質(zhì)表示更為簡單明了，同時(shí)為后續(xù)根據(jù)焊接工作試件信息選擇焊工提供了良好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)條件，更利于系統(tǒng)進(jìn)行判斷匹配。

（5）焊工資質(zhì)匹配算法實(shí)現(xiàn) 焊工資質(zhì)匹配是根據(jù)焊工已經(jīng)具備的焊接資質(zhì)判斷是否具備焊接待焊試件資質(zhì)的過程，其相應(yīng)的規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)中做了明確規(guī)定。在該模塊中是以焊縫為最小單元進(jìn)行焊工資質(zhì)的匹配，由于在每條焊縫中都有引用的WPS，因此我們不斷迭代焊工資質(zhì)庫來查找覆蓋該焊縫中引用的WPS，具體的匹配算法流程如圖5所示。

圖5 焊工資質(zhì)匹配算法時(shí)序

（6）焊接材料消耗定額計(jì)算模塊 焊接材料消耗定額是在一定技術(shù)和生產(chǎn)組織條件下，為制造單位產(chǎn)品或完成某項(xiàng)生產(chǎn)任務(wù)，合理消耗焊接材料的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量[5]。在軌道交通制造企業(yè)中，焊接材料消耗定額計(jì)算是企業(yè)準(zhǔn)備生產(chǎn)原材料，估算成本的主要依據(jù)之一，但在這類焊接用量較大的企業(yè)中，傳統(tǒng)的依靠人工估算焊接材料消耗定額的計(jì)算方式已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)的需要[6]。面對(duì)多樣的接頭形式、龐大的數(shù)據(jù)量，只有依靠計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力進(jìn)行輔助計(jì)算，才能更好地完成這項(xiàng)工作[7]。因此，我們針對(duì)軌道交通行業(yè)制造中常用的接頭形式，建立計(jì)算模型，同時(shí)結(jié)合用戶的實(shí)際需要，開發(fā)了一套焊接材料消耗定額計(jì)算的快速估算系統(tǒng)，很好地解決了這一問題。

（7）焊接材料定額模塊構(gòu)成 本模塊包含兩個(gè)子功能模塊：復(fù)雜焊接過程的焊縫焊接材料消耗計(jì)算模塊和部件焊接材料消耗定額快速計(jì)算模塊。系統(tǒng)功能構(gòu)成如圖6所示。

圖6 焊接材料消耗定額計(jì)算模塊系統(tǒng)功能構(gòu)成

（8）定額計(jì)算模型 在軌道交通鋁合金車體中，使用最多的焊接方法有熔化極保護(hù)氣體氬弧焊(MIG焊)和鎢極氬弧焊(TIG焊)，這兩種焊接方法主要使用焊絲，其基本計(jì)算模型相同。但在實(shí)際焊接中，熔敷系數(shù)可能會(huì)因?yàn)榄h(huán)境、焊接材料狀態(tài)等因素略有不同，因而在計(jì)算時(shí)，需要用戶根據(jù)實(shí)際情況來選取合適的熔敷系數(shù)Kn的值。上述兩種焊接方法的焊接材料消耗定額計(jì)算基本模型為

式中g(shù)——焊絲用量（kg）；

S——焊縫截面積（mm2）；

L——焊縫長度（m）；

ρ——熔敷金屬密度（g/cm2）；

Kn——焊絲熔敷系數(shù)。

從上式可以看出，當(dāng)焊縫長度L、熔敷金屬密度ρ、焊絲熔敷系數(shù)Kn確定后，焊接材料的消耗量將由焊縫截面積S決定，因此只要計(jì)算出截面積S的值，便可以算出焊縫的焊接材料消耗量。本文針對(duì)用戶的具體需求，提出了兩類截面積S的計(jì)算模型。

一是變參數(shù)坡口截面積計(jì)算模型：對(duì)于復(fù)雜接頭，其焊縫截面積的計(jì)算較為繁瑣，為此借鑒相關(guān)資料[8]，本文采用變參數(shù)模型思想，來描述坡口形狀，設(shè)計(jì)焊接材料用量的理論計(jì)算方法。二是對(duì)于多層多道焊接，通過迭代的思想求解各焊層的截面面積，分別計(jì)算每個(gè)焊層的焊接材料消耗量，最后加和獲得總的焊接材料消耗量。

1）坡口參數(shù)化。坡口形式多種多樣，其細(xì)化參數(shù)也各有差異，但坡口焊縫均可通過調(diào)整和改變圖7所示的參數(shù)演變而來。

現(xiàn)舉例說明上述模型的演變方式及演變結(jié)果。

在圖7中，若α1=α2=α3=α4=0，R1=R2=R3=R4=h=p=0，則該焊縫為I形對(duì)接焊縫；若R1=R2=R3=R4=h=0，則可演變?yōu)閅形坡口，圖8所示即為演變后的Y形坡口。

圖7 變參數(shù)坡口模型

圖8 Y形坡口

2）迭代求解。對(duì)于較為復(fù)雜的焊接接頭，在其施焊時(shí)，通常采用多種焊接工序分層完成，在計(jì)算焊接材料消耗時(shí)，需對(duì)每層單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算求解，如圖9所示。本系統(tǒng)中通過迭代方法，實(shí)現(xiàn)了各焊層焊接材料消耗的計(jì)算功能。圖10為截面面積分層計(jì)算的求解模型，直接計(jì)算各層截面積VSf1、VSf2、VSf3等比較困難，但計(jì)算Sf1（VSf1）、Sf2（VSf1+VSf2）、Sf3（VSf1+VSf2+VSf3）卻較為容易，這樣便可以通過計(jì)算Sf1、Sf2、Sf3來計(jì)算VSf1、VSf2、VSf3，計(jì)算公式分別為

圖9 分層計(jì)算參數(shù)模型

由圖9不難看出，以中央鉛垂線為對(duì)稱軸的軸對(duì)稱圖形，對(duì)稱軸兩邊面積相等，因此只需計(jì)算左半邊面積，之后乘以2便可得到坡口總的截面積。各層截面積隨厚度不同，計(jì)算方法也有所區(qū)別。

當(dāng)Vδfi≤P時(shí)，Sfi可通過矩形面積公式計(jì)算求得

式中δfi——層厚（mm）；

c——坡口間隙（mm）。

當(dāng)δfi＞P時(shí)，Sfi可近似看成是由底部矩形面積加上下兩個(gè)半弓形面積、再加中間梯形面積的和。

在圖10中e、H、r、a均為已知的坡口參數(shù)，由幾何知識(shí)可知：

圖10 截面面積計(jì)算

根據(jù)上述公式，便可以計(jì)算出每層焊縫的截面積，將其代入焊接材料消耗定額計(jì)算基本模型公式即可求得每層的焊接材料消耗量。

（9）焊接參數(shù)采集與下達(dá)模塊 焊接參數(shù)采集模塊主要針對(duì)焊接電流、電弧電壓、氣體流量等進(jìn)行過程參數(shù)，并能夠?qū)⒉杉膮?shù)進(jìn)行分類與統(tǒng)計(jì)，便于車輛制造信息的追溯。

焊接參數(shù)下達(dá)時(shí)，通過焊工的手持終端將工藝文件中的WPS的焊接電流、電弧電壓下達(dá)到焊機(jī)設(shè)備中，當(dāng)參數(shù)下達(dá)完畢，手持終端會(huì)有下達(dá)成功/失敗的提示。目前該系統(tǒng)能夠針對(duì)進(jìn)口焊機(jī)Kemppi、SAF以及國內(nèi)大部分焊機(jī)參數(shù)下達(dá)；通過對(duì)數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、過載幀及錯(cuò)誤幀的定義與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)之間的通信。實(shí)現(xiàn)通過報(bào)文ID來識(shí)別對(duì)應(yīng)設(shè)備信息、數(shù)據(jù)格式等信息。當(dāng)對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議報(bào)文進(jìn)行了解后，進(jìn)而進(jìn)行該模塊的設(shè)計(jì)。

3 總結(jié)與展望

本文分析了軌道交通車體制造企業(yè)的實(shí)際需求，開發(fā)了一套集成焊接工藝設(shè)計(jì)、焊接工藝免評(píng)判斷、焊工管理、資質(zhì)評(píng)定與匹配及焊接材料定額計(jì)算等功能的焊接專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能均為目前軌道交通車體制造企業(yè)最為關(guān)心的問題。

焊接專家系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的一種，先進(jìn)和主流的軟件開發(fā)技術(shù)的應(yīng)用必然會(huì)對(duì)其發(fā)展產(chǎn)生積極的促進(jìn)作用。焊接專家系統(tǒng)結(jié)合5G技術(shù)和人工智能等先進(jìn)技術(shù)，應(yīng)用水平和要求的不斷提高，引入成熟的軟件開發(fā)技術(shù)和平臺(tái)將成為焊接專家系統(tǒng)開發(fā)的趨勢(shì)，這些新技術(shù)、新思想、新平臺(tái)的應(yīng)用，提升了企業(yè)的焊接管理水平。

焊接工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)將依然長期成為焊接專家系統(tǒng)開發(fā)者關(guān)注的焦點(diǎn)而存在，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則及工藝設(shè)計(jì)工程師知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，探索合理的知識(shí)表示、構(gòu)造規(guī)范的知識(shí)結(jié)構(gòu)、尋找有效的推理機(jī)制將更有效地為工藝設(shè)計(jì)提供方便。

焊接專家系統(tǒng)在與數(shù)據(jù)庫技術(shù)的結(jié)合過程中，通過三維建模和工藝數(shù)字仿真等方式，必將為數(shù)字孿生技術(shù)在軌道交通的焊接領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。