航空用焊接数据库及专家系统平台的设计与开发

王巧玲，荣 建 ，陈洪宇 ，魏艳红，荣佑珍，吴振勇

（1.成都飞机工业（集团）有限公司，四川 成都 610091；2.南京航空航天大学焊接数字化技术研究室，江苏南京211100；3.南京维尔德智能科技有限公司，江苏南京211100）

0 前言

航空制造业是反映国家制造业发展水平的重要标志之一，航空制造领域也是先进制造技术的孵化基地和示范基地[1]。随着“中国制造2025”的提出，进一步加快了制造业向智能化、数字化方向转型，作为制造业发展典范的航空制造业数字化总体框架虽已日趋成熟，但在焊接生产领域智能化发展水平还不是很高，存在文件管理混乱、数据存储共享困难以及信息处理数字化水平低等一系列问题[2-5]。

作为焊接数字化研究基础的焊接数据库及专家系统，在国内外已经有多年研究[6-10]。近年来随着计算机技术的快速发展，焊接数据库及专家系统也得到了较大发展，开发技术越来越成熟，此时建立针对航空标准和航空材料的航空工艺数据库和专家系统是提高航空焊接生产数字化水平的重要举措[11-12]。

1 需求分析

根据航空企业实际焊接产品的生产过程分析，系统需要具备以下两大类功能：

（1）焊接数据存储与管理。

存储数据包括常用母材和焊材数据、焊接接头试验数据、焊接工艺试验数据、成熟焊接工艺数据、材料焊接性分析数据、焊接标准、焊工档案、产品焊接产生的缺陷及解决方案等数据。

（2）焊接相关人员在线协同工作。

基于焊接数据库平台和工艺设计专家系统平台，实现焊接工艺规程在线智能化编制；实现焊接工艺规程在局域网内在线签审、电子签名功能；涉及平台分级管理功能，实现焊接工人的焊接工艺规程查询和记录填写；实现焊接工艺信息检索、统计，并实现焊接工艺报表自动设计、输出。

2 软件系统设计

焊接数据库及专家系统平台建设包括三大平台——焊接数据库平台、焊接工艺设计专家系统平台和焊接信息管理平台的设计、开发与集成，其中核心功能是在数据库平台和专家系统平台基础上实现焊接工艺过程在局域网内协同智能办公（焊接信息管理平台），系统总体设计思路如图1所示。

图1 系统总体设计思路Fig.1 Overall design ideas of the system

2.1 数据库平台

数据库的建立是为了保证企业焊接数据的存储和共享，并且可作为焊接工艺规程编制的基础支持数据。数据库平台的基本结构如图2所示，主要是对焊接试验数据、焊接基础数据、成熟工艺数据和焊接质量案例数据进行存储。

图2 数据库平台结构Fig.2 Database structure diagram

2.2 工艺设计专家系统

专家系统平台包含工艺设计专家系统、知识库和模型库3部分。建立各种焊接知识库用于保证焊接知识的快速准确利用和传承，是专家系统不可或缺的部分。在焊接知识库的基础上，结合焊接方法和材料特点，设计焊接工艺设计模型，最终实现焊接工艺指导书的自动设计专家系统，用于辅助新焊接工艺规程的焊接参数设计。专家系统平台结构如图3所示，主要实现手工钨极氩弧焊、自动钨极氩弧焊、电阻焊和真空电子束焊等焊接方法的工艺设计。

图3 专家系统平台结构Fig.3 Expert systemstructure diagram

2.2.1 知识库

知识通常分为专业知识和常识知识两类。焊接专家系统知识库的构建主要是针对焊接领域的专业知识进行设计，用来存储企业焊接基础知识。焊接工艺知识包括可焊母材信息、焊接材料、接头形式和焊接工艺参数等，这些知识主要来源于焊接手册、焊接标准以及企业多年的经验总结。从软件设计角度出发，以焊接工艺设计的特点为依据来采集知识，首要获得的是焊接方法、母材牌号、母材厚度、焊接位置、工艺措施信息，随后才能得到与之匹配的接头形式、焊接材料以及工艺参数信息。

知识库的建立不仅有利于企业存储、共享焊接知识，而且可以为工艺设计专家系统提供数据支持，知识库中包含的结论库存储有大量成熟的焊接工艺规程文件，当工艺设计专家系统需要运用该部分知识时，就可以很方便地获取使用。

2.2.2 模型库与工艺设计

工艺设计采用正向推理与反向推理相结合的方法，推理过程如图4所示。其中结论库包含两部分，一部分是工艺设计推理出的新焊接工艺指导书，另一部分是成熟的焊接工艺文件。工艺设计时首先进行反向推理，匹配是否有已经设计好或已成熟的工艺指导文件能应用，若是没有，则按照正向工艺设计进行推理。

工艺设计专家系统工作的一般步骤：首先用户根据焊接方法选择一种焊接工艺规范文件如手工钨极氩弧焊，然后输入初始条件——母材、厚度和接头类型。系统获取初始条件后，判断是否有成熟的焊接工艺可以使用，若有则直接调取相应数据，再调用焊工数据库选择合适的焊工，从而完成整个工艺文件的设计；若是没有，则启动系统的正向推理机制,根据输入的初始条件，调用相关知识库先匹配出推荐的坡口形式及焊缝尺寸信息，然后进一步推理出其他工艺参数，当所有信息匹配结束，系统根据匹配信息自动生成焊接工艺指导书，以供保存及打印使用。

2.3 焊接信息管理平台

焊接信息管理平台是整个系统业务流程控制模块，其功能是在数据库平台、专家系统平台以及用户权限管理基础上，实现焊接工艺流程的在线智能化协同办公。信息管理平台流程如图5所示，信息流主要有初始信息的获取和管理、工艺规程编制、工艺规程签审、工艺规程发布、工艺规程执行与记录和归档几个节点。

图4 推理过程示意Fig.4 Reasoning process

图5 信息管理平台流程Fig.5 Information management flow-process diagram

（1）初始信息的获取和管理。

考虑到航空焊接领域的实际数据获取途径问题，系统提供了航空企业常用的3D建模设计软件CATIA数据导入接口，为了方便企业现有数据的批量导入，还设计了EXCEL数据导入接口。由于初始信息是工艺设计专家系统推理的基础，为了保证信息的完整和准确，对初始信息设立管理模块，主要是完成初始信息的补充、修改和统计功能。

（2）工艺规程编制。

即调用工艺设计专家系统平台完成焊接工艺规程文件的自动设计、保存和打印。

（3）工艺规程签审。

焊接工艺规程文件编制好之后，需要经过相关部门的校对审核。不同的企业签审流程有一定的出入，一般要经过校对、组长、主任签审，然后由主管工艺签审焊缝等级与关重特性，最后经检验审核，下发。

（4）工艺规程发布。

将编制签审后的焊接工艺规程在线（或者打印成纸质版）下发到施焊车间，焊工或车间工程师可以在线（或通过纸质版）获取焊接工艺规程。

（5）工艺规程执行与记录。

工艺规程执行时按照焊缝工序（修配、定位焊、矫正、焊接、矫正）执行，并且焊缝焊接顺序设置为可编辑，定位焊和焊接时的参数名称与理论值链接到相应的工艺规程，焊后记录焊工施焊的实际工艺参数以及检验结果，并实现了增、删、改、查和统计等管理功能。

（6）归档。

待产品生产结束后，将焊接部分涉及的文件（包括工艺规程文件、检验记录等）定稿归档。

除了以上系统信息管理流程节点外，为保证系统在整个企业局域网内有条不紊地运行，还需要设置用户权限管理。采用用户-角色-权限模型，建立用户权限管理，让每位用户的操作都是在自己的权限深度范围内，以保证数据安全和流程正常运转。

3 系统开发与实现

软件开发主要采用Spring Web MVC、mybatis、JS、HTML、CSS、FLASH、Oracle 等主流 Web 开发技术和数据库技术。其中Spring Web MVC是一种基于Java实现Web MVC设计模式的请求驱动类型轻量级Web框架，采用数据、业务逻辑、界面显示分离的方法组织代码，将业务逻辑聚集到一个部件中，在改进界面及用户交互使用时，不需要重新编写业务逻辑，因此系统的可维护性很高。

系统采用 B/S（Browser/Server，浏览器/服务器）模式网络结构，在稳定的局域网中，客户端计算机在IE6及以上版本浏览器中输入系统网址就可以登录访问系统，系统主界面如图6所示。

图6 系统主界面Fig.6 Systemmain interface

4 结论

（1）建立针对航空制造领域的焊接数据库及专家系统平台，实现了焊接试验数据、焊接基础数据、成熟工艺数据和焊接质量案例数据的存储和共享。

（2）建立焊接工艺设计专家系统，实现了手工钨极氩弧焊、自动钨极氩弧焊、电阻焊和真空电子束焊等焊接方法的自动工艺设计，并生成相应的焊接工艺指导书供线上或线下使用。不仅提高了工艺文件编制效率和管理规范，而且减少了焊接工艺师的工作量，提高了焊接生产效率。

（3）建立了焊接信息管理平台，在数据库平台、专家系统平台以及用户权限管理基础上，实现焊接工艺流程的在线智能化协同办公。对初始信息的获取和管理、工艺规程编制、工艺规程签审、工艺规程发布、工艺规程执行与记录、归档等进行控制和管理，使整个焊接工艺过程实现信息化管理。

焊接数据库、专家系统以及焊接信息管理系统的建立，提高了航空焊接生产领域管理规范化水平，并有效减少了焊接工艺师的工作量，提高了产品生产效率。