航空发动机焊接工艺资源数据库系统开发

陈振林， 张玉莲， 苑兴楠， 魏艳红

(1.中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，辽宁 沈阳，110043;2.南京航空航天大学，江苏 南京 211106;3.南京维尔德智能科技有限公司，江苏 南京 211100)

0 前言

航空工业在世界上各个国家中都备受重视，航空发动机作为航空飞行器的心脏，更是汇集了很多的新兴功能和高端科技[1]。焊接技术在航空发动机制造过程中占据了极其重要的地位，而优质的焊接工艺和焊接工艺指导文件是保存焊接质量的重要措施。随着计算机技术在焊接领域的发展，在焊接工艺数据管理中引入数据库系统，可以依托计算机强大的计算处理能力，制定更加科学合理的焊接工艺参数，提高焊接质量和焊接效率。

自上世纪80年代以来，清华大学、哈尔滨工业大学等学校开始与企业合作，对已经趋于成熟的焊接行业数据进行了相关焊接数据库系统的研究[2-5]。近年来，轨道车辆、压力容器、船舶和航空航天行业也在积极建立相关焊接工艺数据库系统和工艺设计专家系统，用以提高企业生产效率及核心竞争力。沪东中华造船有限公司针对各种船用特殊钢材的焊接工艺操作规程设计了一个较为完善的焊接工艺数据库系统，开创了船舶工业系统在焊接工艺数据库方面的先河；中车青岛四方机车车辆有限公司开发了焊接工艺信息化管理系统，可以支撑企业焊接工艺制定及焊接件生产过程；成都飞机工业有限公司与南京航空航天大学合作开发的航空用焊接数据库及专家系统可以对焊接工艺制定过程进行流程化管理，提高了航空焊接生产领域管理规范化水平[6]。

从焊接工艺数据库的发展状况可以看出，企业逐步淘汰纸质的焊接工艺文件，将其转化为电子文件，并将已有的焊接工艺数据用数据库进行储存和管理，相应的，使用焊接工艺设计专家系统进行工艺文件设计也逐步替代了大量重复的人工设计工作。文中针对航空发动机构件焊接过程中工艺制备时间周期长，效率低下的问题，设计并开发了焊接工艺资源数据库平台，对大量的焊接工艺相关数据进行科学有效的管理使用，并基于数据库系统快速编制焊接工艺文件，不仅提高了工作效率，还规避了可能因人工编制文件而产生的不足，满足了实际生产需求。

1 系统总体设计

系统主要包括焊接数据库平台和焊接工艺智能编制平台两大功能板块和用户权限管理模块。其总体结构如图1所示。

焊接数据库平台包含四大数据库系统，即焊接基础数据库、焊接参数数据库、材料焊接性能数据库、典型零件案例库。焊接数据库平台主要存储及管理焊接工艺涉及的焊接数据包括焊接材料各种性能参数、焊接过程参数及焊接件基本信息，对一些典型零件焊接工艺相关参数也进行了收录以便于快速查找并应用。焊接工艺智能编制平台以焊接数据库平台为数据基础，设计相应的匹配规则，实现了编制工艺时关联材料牌号、焊接设备及编号等初始信息的录入，自动生成焊接工艺参数等信息，快速完成焊接工艺文件的编制。

图1 系统总体结构图

2 焊接数据库平台设计

2.1 数据库结构设计

焊接数据库主要包括焊接基础数据库、焊接参数数据库、材料性能数据库及典型零件案例库。焊接基础数据库主要存储焊接工艺涉及的焊接基础资料，包括母材材料、填充材料、接头形式、焊接设备、焊接通用要求、焊接标准文献、焊接基础问题等模块,如图2所示。焊接参数数据库是结合产品型号的常用材料建立的用于存储焊接工艺参数的数据库，工艺参数数据内容是根据四大类共16种不同的焊接方法进行分类设计与存储，主要包括焊接电流、焊接电压、送丝速度、气体流量等焊接工艺参数。材料性能数据库将企业常用材料的焊接性能试验数据进行存储并有效管理，用于快速查询和掌握材料焊接性能。典型零件案例库是设计和存储重点型号产品零部件或者典型零部件在焊接攻关过程中获得的所有焊接成果，包括焊接工艺、检测方法、焊接缺陷、变形情况、问题解决措施等。

图2 焊接基础数据库结构设计

2.2 数据库功能设计

对数据库中相对抽象、零散的数据进行逻辑处理，建立数据库系统，可以使用户不需要直接对数据库进行操作，而是通过数据库平台中已经设计好的功能对数据直接处理。同时，数据库系统作为底层数据库与用户操作界面的连接枢纽，还承担着数据共享及与其他系统集成对接的重要作用。每个数据库都会根据具体使用及展示需求进行功能设计。在该系统中，数据库功能设计主要包括以下几个方面：

(1)实现数据库中各类数据的基本操作，如增加、修改、删除、查看、搜索等基本功能，使所有数据可以实时更新，保持数据的实时性。

(2)实现数据库中数据批量处理操作，如批量删除、批量导入，提高数据编辑效率，减少重复工作。

(3)实现数据库中文件或图片数据的多格式存储，并实现其基本操作，如文件或图片的上传、下载、打印、预览等功能。

(4)实现各数据库中的相关数据的配合调用，并使用一定的逻辑算法，对数据库中的数据进行适当的处理，使数据库前台系统可以呈现出完整的焊接工艺参数数据。

3 焊接工艺智能编制平台设计

焊接工艺智能编制平台以焊接数据库平台为基础，设计相应的匹配规则和推理机制，实现编制工艺时可快速关联焊接数据库中各类相关信息的录入，自动生成焊接工艺参数等信息，快速完成焊接工艺文件的编制。该平台的工艺编制过程如图3所示，首先输入焊接基本信息，如焊接方法、母材材料等，并从基本数据库中关联相关信息，再从已经预填充的表单中选择性输入工序内容和技术条件，根据用户在编制工艺时输入的初始参数，根据一定的匹配规则，在数据库中获取匹配的工艺参数数据，如填充材料、焊接速度等，并在前台展示。若符合条件的数据不止一条，用户可以手动选择最适合的工艺参数数据，并自动填充入工艺文件中，若符合条件的数据只有一条，则这些数据将无需人工选择自动填充入工艺文件报表相应位置。

图3 焊接工艺智能编制平台编制过程

4 系统开发和实现

4.1 系统开发方法

该系统主要使用Java作为开发语言，Java是一门面向对象的编程语言，功能强大而相对来说使用简单。基于浏览器/服务器(Browser/Service)架构，并使用spring MVC作为开发框架，将前端响应和后端处理进行分层，减少系统维护量，增加系统的稳定性，其原理图如图4所示。首先用户发出请求，请求到达前端控制器，前端控制器根据用户请求地址，请求处理器映射器查找匹配该请求地址的处理器，并返回一个执行链，前端控制器再请求处理器适配器调用相应的处理器进行业务处理，并返回给前端控制器，前端控制器再请求视图解析器对返回的逻辑视图进行解析，最后前端控制器将返回的视图进行渲染并把数据装入到返回域，返回给用户，用户即可实现请求。

图4 spring MVC开发框架原理图

4.2 系统功能及应用

系统功能目录如图5左侧框所示，主要分为用户管理、四大数据库和焊接工艺智能编制三个模块。

在数据库管理页面中，以焊接基础数据库中母材材料数据库管理为例介绍数据库基本功能，母材材料数据库主要分为钢、高温合金、钛合金和铝合金四大类型，又根据存储数据格式的差别分为了九个数据库模板，供用户查看使用。用户可以通过交互界面上的功能按键，对数据进行基础的增加、批量删除、查询等操作，通过每一行数据后的功能图标，对所在行数据进行查询、修改、单条删除等操作。

在焊接工艺智能编制平台中，根据不同的焊接方法，将焊接工艺编制分为弧焊、高能束焊、压焊和钎焊四个模块。以高能束焊中的真空电子束焊为例对焊接工艺智能编制进行介绍，如图6所示，用户首先需要在焊接初始条件栏中输入如材料牌号、接头厚度、焊接设备等焊接零件基本信息，如有需求也可在草图栏上传草图。基本信息填写完成后，根据所填写的基本信息，可以按照匹配因素对工作内容及附注栏和焊接参数栏中的参数进行自动匹配和填充，这两个模块是系统智能编制焊接工艺的核心模块，系统会根据用户在初始条件栏中的信息来分析匹配出合适的焊接工作内容和焊接参数，若无合适匹配结果，用户也可在匹配界面进行数据库维护工作，添加合适工艺数据以供选择。

完成真空电子束焊工艺编制之后，数据将被保存到真空电子束焊焊接工艺规程数据库，点击相应的数据库按钮，则可进入真空电子束焊的焊接工艺规程界面，用户可以对数据进行数据库的基本操作。

图5 焊接基础数据库母材材料数据库管理界面(低碳钢和低合金结构钢)

图6 真空电子束焊工艺智能编制界面参数输入模块

5 结论

(1)针对航空发动机焊接工艺参数的存储需求，设计并开发了焊接数据库平台，实现了焊接基础数据、焊接参数数据、材料性能数据和典型零件案例数据的存储和共享。

(2)以焊接数据库平台为基础，设计并开发了焊接工艺智能编制平台，实现编制工艺参数的关联输入和自动匹配，快速完成焊接工艺文件编制工作，比人工编制效率提高50%。

(3)将焊接数据库平台和焊接工艺智能编制平台集成为焊接工艺资源数据库系统，极大的提高了工作效率，缩短了工艺制备周期，实现了焊接工艺编制过程的信息化管理。