压力容器焊接CAPP系统的开发

徐 铮，孙 哲，张义顺

(沈阳工业大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳110178)

0 前言

在压力容器的焊接制造中，合理的焊接工艺是保证产品焊接质量的关键，但由于焊接过程比较复杂，影响焊接工作条件和焊接过程工艺参数的因素较多，因此工艺参数的制定在很大程度上取决于国家标准及有经验的焊接专家共同合作，焊接工艺的制定直接影响到生产效率和生产成本。将CAPP系统应用到焊接领域，充分利用计算机和经验知识，通过较为合理的逻辑思维推理来解决实际问题，减少人为失误，缩短生产准备周期，对提高生产效率、保证焊接质量十分有利[1]。

1 系统设计

压力容器焊接工艺专家系统是根据国家和行业的相关标准以及焊接专家的经验而开发的，因此系统的体系结构和知识库结构决定了使用的后台数据库和用户界面开发工具。根据系统的设计要求，后台数据库的设计分为两个部分：一部分用于存取和管理问题求解所需的焊接工艺知识和专家经验的知识库；另一部分是用于制定焊接过程中所需的原始数据和推理过程中的中间信息的动态数据库。

1.1 系统知识库的设计

系统知识库的设计主要功能包括将标准上的数据结合专家知识记录的输入和知识库记录信息的查找、修改和扩充等。

知识库系统所需数据的实体-关系模型如图1所示。模型是数据库结构设计常用的方法，它描述数据库的一种物理结构。根据系统的实体-关系模型可以设计系统数据库的逻辑模型，分析其间蕴含的物理逻辑关系[2]。

图1中，焊接参数阈值与焊接规则库构成一对多关系，特征提取规则与焊接规则库构成一对多关系，而焊接参数阈值与特征提取规则构成一对一关系，这三者通过数据表进行联系。

根据知识库系统设计的需要，知识库需要三个模块来实现其功能维护，分别是创建方法类型模块、信息输入模块、查询修改模块。在创建方法类型模块中包含创建焊接工艺类型。焊接工艺类型就是焊接工艺中会用到的多种焊接方法和焊接接头类型，这些方法和接头都可归结为几大类。只有创建一种焊接方法后，才能创建相应的焊接参数子集，每种焊接方法有自己的一组焊接参数阈值。信息输入模块将专家知识输入到知识库中，作为用户选择的基准，保证系统的完整性。查询修改模块实现对数据库的查询，这部分可以实现数据库单个表的字段查询，也可将数据库中各表结合起来复合查询。

图1 实体-关系模型

1.2 系统动态数据库的设计

动态数据库是问题求解过程中数据的集合，它用于存放所需的原始数据和调用过程中的中间信息，包括原始信息、调用的中间结果、推理过程记录等。在程序运行时，存放的数据是动态变化的，数据库进行大量的读、写、删除操作。

数据库流程是系统逻辑模型的主要组成部分，它可以反映出系统的主要功能、系统外部环境的输入输出、系统内部处理、数据存储等情况[3]。系统数据流程如图2所示。面向焊接CAPP数据库系统可以管理焊接接头、坡口图形、不同焊接方法对应的焊接工艺参数等多维表格数据。开发压力容器焊接CAPP系统需要选择一种后台数据库。Access数据库是Microsoft公司开发的一套桌面数据库系统，提供了数据库最常用的功能，系统资源占用低，与SQL Server无缝集成，且具有良好的使用界面和数据快速交换，因此作为专家系统的后台数据库支撑。

图2 系统数据流程

1.3 用户界面开发

Visual Basic是一种由微软公司开发的包含协助开发环境的事件驱动编程语言。因其简单易用、灵活多变、界面友好等优点，所以选择其作为专家系统的前端开发工具，并且与后端的Access数据库相结合，形成一种高效率的管理信息系统解决方案。

根据给定条件筛选符合条件的数据是总体设计阶段非常重要的环节。数据库结构可以简化开发过程，使系统功能更加准确清晰。在此根据HG20583-1998《钢制化工容器结构设计》和JB/T 4709《钢制压力容器焊接规程》以及一些经验因素进行压力容器焊接CAPP系统的设计。

2 系统实现

系统的建立包含着后台数据库的支撑以及拥有面向用户的良好界面。

2.1 系统数据库的建立

在设计的系统程序中，由于焊接工艺的复杂性，对后台的数据库进行细分，针对每种焊接方法建立三个子数据表，每个表的数据之间联系紧密，但是表与表之间却没有必然的联系，这样建立有助于后期的修改和补充，修改其中一个表的数据不会影响其他子数据表的联系，避免了大量重复性的操作。以焊条电弧焊为例，SMAW1中包含母材的牌号和对应的焊条牌号。一旦母材确定以后，那么对应可行的焊条型号范围也就选定。用户可以根据需要进行选择，如图3所示。SMAW2包含不同的焊条直径对应的焊接电流、焊接电压、焊接速度。由于不同的焊条直径对应的焊接参数不同，所以这个库中将其中的对应关系清晰地罗列出来，如图4所示。SMAW3包含不同壁厚范围对应的坡口形式及其参数，根据用户的实际壁厚搜索对应的壁厚有效范围，同时连带着对应的坡口示意图及有效参数，如图5所示。根据实际情况，调用不同库中的参数，做出合理的选择。

图3 SMAW1

图4 SMAW2

图5 SMAW3

2.2 用户界面的建立

在前台程序开发方面，首先对压力容器制造过程中的四种接头形式进行分类，针对每种接头形式进行相关的设计，运行的窗体如图6所示。压力容器制造过程中焊接多选用同种材料作为母材，因而在此研究同种材料之间的焊接。确定焊接接头种类之后，根据压力容器制造的材料和板材厚度，确定焊接的坡口类型和焊接层数。为了结合实际，板厚采用由用户自行输入的方式。当查询符合条件的结果有多种时，将查询结果用列表的形式排列出来，只要选择表中的选项，就可显示对应的坡口形式及其参数和焊接层数。焊接层数是根据经验公式计算得到的，窗体如图7所示。

图6 选择焊接接头形式的窗体

图7 确定坡口形式及焊接层数窗体

筛选完焊接板材的坡口形式和对应的参数后，针对每一层，可以选用不同的焊接方法，用户根据自己的实际情况选择每一层使用的焊接方法，对应的焊条型号和焊条直径也可以由用户指定，一旦用户确定了上述数据，那么对应的焊接电流、焊接电压、焊接速度也就随之确定，用户窗体如图8所示。这样的设计充分结合了使用者的自身情况，可筛选出更有针对性的方案。当用户选定每一层后，将选定的数据填入压力容器制造的焊接工艺卡中，最后对焊接工艺卡进行输出打印。

图8 每层的焊接工艺窗体

2.3 系统数据库查询机制

运用ADO数据库连接和SQL查询相结合的机制实现上述的筛选功能。

ADO是微软推出的最为成熟的数据库开发技术，利用ADO对象，用户能够很方便地在Visual Basic中使用[4]。利用ADO控件把所要连接的Access数据库与系统连接起来，实现这部分的关键语句如下：

结构化查询语言SQL（Structured QueryLanguage）是数据查询时十分有效的一种查询工具[5]。通过语句SELECT fields FROM lists WHERE*AND*(*表示查询的条件)可以选择查询多个领域，并且可以同时搜索若干个独立的数据表，查询的条件也多种多样，可以判断相等、比较、范围等。

SQL与数据库的结合。应用SQL的查询机理作为打开动态集表的工具。在动态集的创建中，应用SQL中的SELECT命令语句，创建符合选择条件的表记录，它不仅可以打开一个表中的记录，还能创建多个表中的记录，从而实现数据库中各表之间的通讯。本系统的数据库中，每种焊接方法都需要从数据库中的三个表中调用所需的项如SMAW1、SMAW2、SMAW3，这样在选定母材型号、焊条型号及尺寸的情况下，可以通过动态集表调用相对应的信息。使用如下判断条件就可以查询焊接材料的信息：select SMAW1钢号；SMAW1焊条型号；SMAW2 kind；SMAW2焊条直径；SMAW2焊接电流；SMAW2焊接电压；SMAW2焊接速度；SMAW3最小壁厚；SMAW3 最大壁厚 from SMAW1；SMAW2，SMAW3 where SMAW1 钢号=‘"+Text16.Text+"’and SMAW2.kind=‘"+Text18.Text+"’。

使用上述录入与查询模块，可以实现数据库中各表之间的数据通信，通过查询条件调用相关的信息并交互地形成相应的工艺卡片。

3 结论

根据企业的实际生产需要，针对压力容器行业建立一个实用的焊接工艺专家系统，该专家系统具有智能的用户界面、专业针对性强、易于操作、可以更新和补充数据并能有效筛选数据，提高了数据管理和分析效率。为压力容器焊接专家系统的研究提供了有效的数据积累平台。

[1]韩夏蓓.压力容器焊接质量管理[J].石油化工设备，2011，40（3）：61-62.

[2]王永庆.人工智能原理与方法[M].北京：北京航空大学出版社，1998:121

[3]尹朝庆，尹 浩.人工智能与专家系统[M].北京：中国水利水电出版社，2001：87.

[4]孟德欣，谢 婷，王先花.VB程序设计[M].北京：清华大学出版社，2009：122.

[5]高春艳，安 剑，张逸溦.VB程序开发[M].北京：人民邮电出版社，2009：1.