鄭德宏，張家誠，黃 旭，周井鑫，郝欣羽，徐云愷

（福建工程學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院，福建 福州 350118）

近年來，中國基建能力不斷提高?，F(xiàn)代工程中，鋼結(jié)構(gòu)對于提升施工速率意義重大，是當(dāng)前工程施工中非常重要的一種結(jié)構(gòu)。然而鋼結(jié)構(gòu)焊接較為復(fù)雜，目前多數(shù)情況下仍依賴于一線工人的個人技術(shù)。因此，為了在保證施工質(zhì)量的同時提升施工速率，對鋼結(jié)構(gòu)焊接CAPP系統(tǒng)進行了研究。

國外CAPP的研究始于20世紀(jì)60年代后期，第一個CAPP是挪威1969年推出的AUTOPROS系統(tǒng)[1]，商品化AUTOPROS系統(tǒng)于1973年被正式推出。20世紀(jì)60年代末70年代初美國開始研究CAPP，1976年由CAM-I公司推出頗具影響力的CAM-I'S Automated Process Planning系統(tǒng)，成為CAPP發(fā)展史的里程碑[2]。中國對CAPP的研究始于20世紀(jì)80年代初，1982年同濟大學(xué)推出了派生式系統(tǒng)TOJICAPP，隨后許多大學(xué)和研究機構(gòu)興起了研究CAPP的熱潮[3]。

現(xiàn)今國內(nèi)焊接CAPP系統(tǒng)逐步發(fā)展，增強了許多功能，設(shè)計種類增多，除設(shè)計工藝外，還能進行工藝文件管理，人機界面更為友好。但仍有許多不足之處，譬如系統(tǒng)智能化融入不高，沒能充分利用焊接信息庫，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息庫可擴充性、柔性差。對于多數(shù)CAPP系統(tǒng)，只有設(shè)計者知道其內(nèi)部的知識存儲方式、應(yīng)用推理方式、選擇方案的優(yōu)化方式，用戶根本無法知道也無處知道，因此用戶無法根據(jù)實際需要更改系統(tǒng)的一些既定規(guī)則以滿足自己的需要[4]。因此在絕大多數(shù)情況下還是會出現(xiàn)偏差，實際應(yīng)用時依賴前線人員的判斷。

1 焊接CAPP系統(tǒng)總體設(shè)計

目前，國內(nèi)的CAPP研究領(lǐng)域的主流思想是CAPP工具化。其主要內(nèi)容是CAPP系統(tǒng)是將工藝人員從許多煩瑣重復(fù)的工藝工作中解放出來的一種工具自動化，但不是CAPP系統(tǒng)的唯一目標(biāo)，實現(xiàn)CAPP系統(tǒng)以人為本的宜人化操作、自動統(tǒng)計匯總工藝信息、與CAD/ERP/PDM系統(tǒng)信息集成及具有良好的開發(fā)性與集成性是工具化CAPP系統(tǒng)研究和推廣應(yīng)用的主要目標(biāo)[5]。

鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝是一門需要長久積累經(jīng)驗，并根據(jù)情況所需靈活調(diào)用相關(guān)理論才能解決問題的技術(shù)。在設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)焊接的過程中，會涉及許多模糊知識（即非定量化的知識，如焊接溫度與降溫時間相互補償?shù)龋４祟惸：R的運用需要依賴技術(shù)員的現(xiàn)場判斷，若將其定量化，易導(dǎo)致柔性不足，且使數(shù)據(jù)庫煩瑣冗雜，難以設(shè)計出最佳的匹配方案。因此可知，CAPP系統(tǒng)具有良好的人機交互性操作界面，才能使工藝設(shè)計更加貼合實際，設(shè)計規(guī)則更加靈活且更具編輯性，注重軟件的實際效果以及數(shù)據(jù)的整潔規(guī)范，使設(shè)計與管理一體化，而不是做出一個可套模板的計算公式。

對企業(yè)鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)投入生產(chǎn)的實際情況進行考察，與管理、操作生產(chǎn)工藝的工藝員進行溝通，根據(jù)詳實情況開發(fā)了基于BIM平臺的鋼結(jié)構(gòu)焊接CAPP系統(tǒng)。該系統(tǒng)有6個模塊，即用戶管理模塊、文件操作模塊、工藝設(shè)計模塊、工藝管理模塊、輸出輸入接口模塊以及幫助模塊，如圖1所示。各模塊有各自的職能，在工藝設(shè)計過程中又相互關(guān)聯(lián)，旨在通過模塊功能界面充分利用數(shù)據(jù)庫信息，創(chuàng)造良好的人機交互環(huán)境，在繼承原有優(yōu)點情況下，使該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息庫具有良好的可擴充性與柔性。

圖1 CAPP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2 數(shù)據(jù)庫

2.1 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

現(xiàn)代企業(yè)在應(yīng)用任何一項技術(shù)時，都對數(shù)據(jù)的安全性有著較高的要求。鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)數(shù)據(jù)量大，且設(shè)計規(guī)則邏輯復(fù)雜，為了處理數(shù)據(jù)間的復(fù)雜關(guān)系，最終采用BIM技術(shù)，以提高集成化、工作效率，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

BIM（Building Information Modeling）技術(shù)是一種可應(yīng)用于工程設(shè)計、建造、管理的數(shù)據(jù)化工具，整合建筑的數(shù)據(jù)化、信息化模型，在項目策劃、運行和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞，使工程技術(shù)人員對各種建筑信息作出正確理解和高效應(yīng)對，為設(shè)計團隊以及建筑、運營單位在內(nèi)的各方建設(shè)主體提供協(xié)同工作的基礎(chǔ)，在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用[6]。

合理的數(shù)據(jù)庫設(shè)計是鋼結(jié)構(gòu)焊接CAPP系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵因素。需依實際需求，根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝特點以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，建立具有完整約束性且符合需求的數(shù)據(jù)庫。以焊接材料為例，焊接材料具有焊材種類、焊材牌號、力學(xué)性能等屬性。往往想要知道一種焊材的力學(xué)性能需要通過牌號來進行查詢，所以為了提高效率，往往將牌號與性能放入一個表格中。數(shù)據(jù)庫中還存儲焊接材料、焊接種類、工藝參數(shù)等信息，為系統(tǒng)實現(xiàn)信息查詢、歸納以及修改等工作提供支持，將對車間、設(shè)備、夾具、刀具、量檢具輔具等建立數(shù)據(jù)庫，工藝人員在生成工藝卡片的過程中可以直接在功能模塊頁面中進行查看、調(diào)用，省去翻閱文件和輸入的時間，從而避免重復(fù)性勞動，提高效率。而數(shù)據(jù)庫的更新、補充及修改可由用戶完成，具有靈活性。

2.2 數(shù)據(jù)庫中表的建立

Microsoft SQL Server2008中有2種創(chuàng)建表的方式，即直接采用表設(shè)計器創(chuàng)建數(shù)據(jù)表和采用代碼創(chuàng)建數(shù)據(jù)表。該鋼結(jié)構(gòu)焊接數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)直接采用表設(shè)計器。焊接材料庫數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 焊接材料庫數(shù)據(jù)

2.3 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)框架

建立工藝數(shù)據(jù)庫旨在能夠更加科學(xué)、合理地管理和維護工藝數(shù)據(jù)，為工藝管理、制造信息系統(tǒng)提供大量真實、可靠的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。而該系統(tǒng)基于BIM平臺的鋼結(jié)構(gòu)焊接CAPP系統(tǒng)，采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)建立數(shù)據(jù)庫。諸多步驟相互緊密關(guān)聯(lián)，各個因素在整個流程中相互影響，促成最終的結(jié)果。系統(tǒng)的主要構(gòu)成有焊接設(shè)備、焊接母材、焊接材料、接頭設(shè)計、焊接準(zhǔn)備、工藝參數(shù)等，各個部分構(gòu)成了一個整體框架，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫框架

本系統(tǒng)以工藝數(shù)據(jù)庫為核心，串聯(lián)多個模塊，通過數(shù)據(jù)表可直觀查看各類數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源可以是工藝手冊，也可以是公司的生產(chǎn)工作實踐經(jīng)驗總結(jié)。對于用戶而言，不論查詢亦或選用都極為方便。有助于充分利用數(shù)據(jù)，輔助用戶更好地進行工藝決策，滿足工藝卡設(shè)計需求。

3 工藝卡生成流程

工藝卡是生產(chǎn)設(shè)計的重要組成部分，關(guān)系著工藝質(zhì)量等諸多方面，因此工藝卡的設(shè)計和工藝信息管理成為企業(yè)提高工藝設(shè)計效率和質(zhì)量、增強企業(yè)競爭力的主要途徑之一[7]。

在該系統(tǒng)中，工藝卡生成的流程如圖4所示。首先，需人工確定焊接母材與焊接材料的種類以及接頭設(shè)計，焊縫位置與坡口形式很關(guān)鍵，填充好初始條件后，系統(tǒng)篩選是否具有類似備用模板，若有則用模板進行匹配，若無則進一步輸入焊接方法、焊接層數(shù)、焊接電流等工藝參數(shù)，具體工藝參數(shù)需由工藝人員進行填充，可參考工藝手冊及數(shù)據(jù)庫。填完后，進行簡單邏輯判斷，判斷方案是否可行，如不可行，則對方案進行修改。當(dāng)判斷方案可行后，可生成工藝卡，以PDF或JPG等格式進行輸出，并可選擇是否要將該工藝卡作為模板儲存，供多次使用。

圖4 工藝卡生成流程圖

4 客戶端設(shè)計

客戶端程序是直接供工藝員使用的程序，功能為詳細(xì)設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝，通過簡介頁面直接訪問數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，最終經(jīng)過評定生成工藝卡，進而進行指導(dǎo)生產(chǎn)。本系統(tǒng)客戶端程序具有以下功能：查詢已保存的工藝卡；查詢數(shù)據(jù)庫，獲得所需材料類別、性能等各項參數(shù)；選擇工藝卡模板，直接修改或?qū)雲(yún)?shù)；工藝員可以直接在客戶端頁面對數(shù)據(jù)庫進行增添、修改以及保存工藝卡。

4.1 登錄模塊

設(shè)計登錄模塊是出于安全考慮，避免數(shù)據(jù)異常遺失。且用戶登錄時后臺會留有記錄，方便應(yīng)對每一次設(shè)計，主要職能有用戶信息、權(quán)限管理。用戶信息的主要功能是為用戶注冊，保存用戶信息。權(quán)限管理的功能是工藝決策系統(tǒng)為注冊用戶提供權(quán)限，用戶權(quán)限范圍為瀏覽基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，如焊接母材、焊接材料等的特征信息，更新、補充、修正數(shù)據(jù)庫，對工藝卡生成功能的使用。

4.2 工藝設(shè)計模塊

焊接工藝設(shè)計方案多種多樣，某項數(shù)據(jù)的變化均會導(dǎo)致焊接產(chǎn)品不同，因此，焊接工藝的設(shè)計十分靈活。在傳統(tǒng)的焊接領(lǐng)域中，焊接工藝設(shè)計方案均由相關(guān)技術(shù)人員依據(jù)自身經(jīng)驗制定，這就對技術(shù)人員提出了很高的要求。然而由于工作量大以及技術(shù)人員的局限性，不可避免地就會出現(xiàn)一些不盡如人意的地方[8]。

該模塊為工藝員生成工藝卡提供了多個界面，諸如焊接材料選用模塊界面、接頭設(shè)計選用模塊界面、焊接前準(zhǔn)備選用模塊界面等多個界面。因為焊接是一個復(fù)雜的行為，操作過程中需各方面相互配合，對于焊接CAPP系統(tǒng)來說，需要有一個完整明確的配合解決方案，因此設(shè)計時必須考慮每個因素，并且考慮系統(tǒng)的可擴展性。通過對系統(tǒng)功能的分析，得到如圖5所示的系統(tǒng)功能圖，該系統(tǒng)模塊豐富，覆蓋面廣，具有強通用性。而在進行工藝設(shè)計時，雖然鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝有一定設(shè)計順序，但經(jīng)過考察，諸多資深工藝員往往不太注重這個順序，有獨屬于自己的一套工藝設(shè)計流程，因而為了避免操作僵硬化，設(shè)計客戶端可以不按某種既定順序進行設(shè)計。此外，利用該系統(tǒng)工藝員可查詢工藝參數(shù)，并可將查詢結(jié)果填入預(yù)備工藝卡中。填充完所需信息后可選擇保存或打印，從而保存數(shù)據(jù)或獲得工藝卡。操作簡單，便于工藝員使用。

圖5 系統(tǒng)功能圖

4.3 查詢模塊

系統(tǒng)查詢有如下2種方式：①直接瀏覽目錄，查看所有材料資料；②直接搜索目標(biāo)名稱或牌號，可以快速定位，找到后可以查看目標(biāo)各項數(shù)據(jù)信息。

5 結(jié)語

以SQLServer為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，以VS2017為開發(fā)工具，使用C#開發(fā)語言，設(shè)計開發(fā)了基于BIM平臺的鋼結(jié)構(gòu)焊接CAPP系統(tǒng)。該系統(tǒng)已實現(xiàn)了工藝參數(shù)的有效流轉(zhuǎn)交互，充分利用數(shù)據(jù)庫信息，并創(chuàng)造了良好的人機交互環(huán)境，提高了數(shù)據(jù)管理及分析效率、工藝設(shè)計效率，從而減少工藝設(shè)計中人為錯誤，為鋼結(jié)構(gòu)焊接提供一個良好的操作環(huán)境。