焊接生產資訊化與焊接工程應用軟體

1計算機技術與焊接生產資訊化

半個多世紀以來，計算機技術獲得了巨大的發展和廣泛的應用，滲透到國民經濟的各個領域，進入政治、經濟、國防以及人類社會生活的各個方面，推動了各行各業的資訊化。網路技術的發展更加促進了資訊化程序，使資訊得以集中管理、高速傳輸、方便共享，提高了資訊的利用率和安全程度。目前，除少量計算機仍用於數值計算外，絕大多數計算機作為資訊儲存、處理、加工和傳輸的工具。近20~30 年來，計算機技術在傳統機械製造業中也獲得了廣泛的應用，如計算機輔助產品設計（CAD）、計算機輔助工藝規劃（CAPP）、計算機輔助製造（CAM）、計算機輔助資訊管理系統（MIS）、辦公自動化（OA）等，將這些技術進行綜合和整合，則構成計算機整合製造系統（CIMS）。計算機技術的應用使傳統機械製造業正在經歷著一場革命，促使其向先進製造技術發展。從國家“863”和“九五”計劃推進CIMS 和CAD 應用示範工程以來，我國在製造業資訊化方面取得了相當進展。在此基礎上，國家在“十五”期間提出了以“資訊化帶動工業化”的目標，由科技部組織實施製造業資訊化關鍵技術研究及應用示範工程，以加快製造業資訊化的程序。中國機械工業聯合會於2002年9 月在北京召開了“機械工業企業資訊化會議”，以進一步推進機械行業的企業資訊化。焊接技術作為機械製造業中必不可少的加工工藝，同樣也經受資訊化的巨大沖擊。為促進計算機技術在焊接領域的應用，各國及國際焊接學會（IIW）已多次舉行專門的學術會議。英國焊接研究所（TWI）在1986 年召開了“焊接中的計算機技術”（Computer Technology in Welding）的國際會議，至2003 年已召開了13 次會議。與此同時，美國焊接協會（AWS）、焊接研究所（AWI）和國家標準技術研究所（NIST）自1986 年開始也組織了類似的會議，2003年在奧蘭多召開了第13 次會議。這些會議一般都包括專家系統、模擬與模擬、製造過程自動化、管理和教育軟體等內容，近兩年又增加了網路應用和整合製造等方面的內容。1988 年國際焊接學會（IIW）在維也納召開的第41 屆年會的大會主題就是“Computer in Welding Technology”。此後，在IIW 第Ⅻ專業委員會會議上幾乎每年都有世界各國計算機在焊接領域的研究、應用以及焊接工程應用軟體發展情況的報道。1994 年在北京召開的IIW 第47 屆年會的大會主題報告題目為“資訊時代的焊接”。另外，在IIW 第Ⅸ專業委員會中建立了“焊接數值分析”工作組。中國焊接學會在1986 年建立了“數值模擬和CAD/CAM 研究組”，後改稱為“計算機應用技術專業委員會（CAW）”。該專業委員會在1987、1988年兩次召開學術討論會，1989 年召開了“焊接專家系統”專題學術會議。1992 年、1996 年、2000 年、2004 年先後四次承辦了中國焊接協會和焊接學會聯合召開的全國“計算機在焊接中的應用技術交流會”。2001 年在第十次全國焊接學術會議上組織了“焊接與IT”專題討論會。這些會議交流和討論的內容反映了歷年來國內許多學術單位和生產企業針對焊接研究和生產中的問題所開展的計算機應用和資訊化方面的大量工作。在焊接領域開展專家系統工作是從1985 年開始的，國際焊接學會（IIW）的統計資料表明：開展這方面研究開發工作的國家有中國、英國、美國、日本、德國、法國、丹麥、瑞典等，涉及工藝設計或工藝選擇（包括焊接材料或焊接方法選擇等）、焊接缺陷或裝置故障診斷、焊接裂紋分析、焊接結構斷裂評定、焊接結構疲勞效能分析、焊接預熱和焊後熱處理要求、焊接成本估算、實時監控、焊接CAD（疲勞設計、符號繪製等）、焊工考試以及焊接技術人員和焊工的教育與培訓多媒體軟體等方面。許多國家自上世紀80 年代以來還建立了一些和焊接有關的資料庫，例如焊接母材化學成分和效能資料庫、焊接材料化學成分和效能資料庫、焊接CCT 相簿以及與焊接相關的標準和法規庫等，並不斷在更新、擴充。此外，德國亞琛工業大學焊接研究所開發的電子束焊、氣體保護電弧焊和點焊模擬系統（EBSIM、MAGSIM、SPOTSIM）可以方便地透過計算得到在特定焊接條件下焊縫的形狀。焊接界所關心的焊接生產資訊化問題，除了包括一條優質焊縫形成過程的資訊化以外，還包括焊接結構生產全過程的資訊化。例如焊接結構件裝焊計算機輔助工藝規劃（WCAPP）、焊接生產施工管理、焊接生產質量管理等。

2焊接工程應用軟體的用途和分類

焊接工程應用軟體包括兩種不同型別：一種是和焊接或切割裝置直接有關的、基於微處理器的控制類應用軟體；另一種是獨立於焊接與切割裝置的、基於微型計算機的各種資訊和文件處理類應用軟體。但通常情況下一般是指後者。國際焊接學會（IIW）根據軟體的用途提出了焊接工程應用軟體的分類方法（表1）。但同一用途的焊接軟體，由於開發單位和使用範圍不同以及依據的國家標準和行業規範不同，常常有多個品種，而且它們之間的差別可能很大。例如對於同樣的焊接過程資訊和文件儲存軟體，在用於電弧焊、電阻焊或電子束焊、鐳射焊時有很大的差別，而由於開發目的和採用的開發技術不同，這類軟體又可以分屬於資料庫類或是專家系統類而根本不同。

表1 焊接工程應用軟體的分類和用途(IIW)

為了使眾多的焊接工程應用軟體更合理地進行分門別類，日本焊接學會（JWS）和日本焊接工程協會（JWES），1994 年在對200 多個焊接企業進行調查的基礎上提出了另一種分類方法（表2）。相對來說，日本提出的分類方法更能反映焊接軟體的多樣性和特殊性。例如，日本DAIHATSU 汽車公司開發的點焊引數計算軟體就屬於A4（焊接裝置及系統控制，即A 類中的第四子項，以下均類似）B6（焊接電源及裝備自動化）C3（計算）D6（電阻焊）E4（汽車）類。然而，即使採用日本提出的分類方法也很難包含各種各樣的焊接應用軟體。但是從中可以看出焊接軟體應用範圍的廣泛性，並且可以深入瞭解焊接工程應用軟體的發展方向。

表2 焊接工程軟體的分類依據和子項(JWS 和JWES)

在焊接應用軟體中，焊接專家系統、焊接CAPP系統、焊接資料庫系統是其典型的代表性應用，相關開發技術和方法對於其它型別焊接軟體的開發具有借鑑作用，並且專家系統技術和資料庫技術在各種型別的焊接軟體中都有不同程度的體現和應用。

3焊接工藝制定與管理專家系統

焊接工藝設計經驗性強、技巧性高。隨著研究的不斷深入，焊接正在向一門科學發展，已形成了一定的成熟理論和實踐法則，收集和整理了很多工程應用規則和經驗公式。然而，焊接工藝是隨生產環境和生產發展而變化的，不具有精確的定義和嚴密的分析，具有模糊推理的性質，並且與焊接質量有關的一些指標也難以量化，因此，焊接工藝設計是應用專家系統的理想領域。在鍋爐、壓力容器、石油管道、船舶、核電等重要金屬結構的焊接生產製造中，焊接工藝必須根據相應的標準或規範進行嚴格的工藝評定，形成焊接工藝評定報告PQR，並在此基礎上生成焊接工藝指導書WPS，然後依據相應的標準制定焊接工藝規程，以保證產品的焊接質量和效能。如果在制定焊接工藝規程之前，沒有進行過焊接工藝評定，工藝人員就要根據相關標準和經驗提出焊接工藝評定委託書PPQR。各文件之間的關係如圖1 所示。可見，制定一套焊接工藝規程檔案要求嚴格，且過程繁瑣，因此開發能夠在對PQR 和WPS 進行有效管理的基礎上編制、檢索焊接工藝規程的應用軟體系統十分必要，它可以有效地利用現有PQR 和WPS，避免重複進行焊接工藝評定試驗，節約資金投入，並且可以保證焊接工藝規程制定的規範性和準確性。

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圖1 文件關係示意圖

清華大學與北京燕山石化合作開發的焊接工藝制定與管理專家系統WEMS 以壓力容器製造為典型應用背景，其主要功能如圖2 所示。系統透過以下兩種途徑來制定焊接工藝：1）基於PQR 或WPS，根據“ 鋼製壓力容器焊接工藝評定標準JB4708-2000”由WPS 推理生成接頭焊接工藝卡並對焊接材料的消耗進行計算和彙總，最終生成指導生產的焊接工藝規程；2）在焊接工藝設計知識庫的基礎上，經推理制定焊接工藝評定方案（委託書）。對某些焊接行業，該焊接工藝亦可直接用於生產。

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圖2 WEMS 系統的主要功能

WEMS 系統採用面向物件的方法設計了系統的核心推理機，並解決了與CAD 等軟體的連結；工程報表設計器可以根據企業的需要靈活地定製各種格式和內容的報表，可以直接對包含有圖形和資料的工藝報表進行預覽與列印，而且實現了續頁、字型選擇和縮放、換行等功能。此外，清華大學與北京航空工藝研究所合作開發了電子束焊接工藝專家系統，該系統實現了專案工藝流程文件及電子束焊接所涉及的各種資料的的計算機管理，並且可採用擬合曲線法和溫度場模型計算法兩種方法推合理的電子束焊接工藝引數。

4焊接工藝規劃WCAPP 系統

焊接結構是由各種型別的焊接零部件組成的。在以往的焊接結構生產準備活動中，工藝規劃由工藝部門完成，而工時定額計算與彙總由勞資部門完成，材料定額計算與彙總則由供應部門完成。這種運作方式在很大程度上降低了生產準備工作的效率，往往會出現工藝已經制定完畢，但材料定額還沒有確定，從而使材料的供應無法到位，或者工時安排存在偏差，使生產進度互相