王素清，馬彥軍

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129）

0 引言

隨著制造業(yè)智能制造技術的發(fā)展，人工智能逐步走入制造領域，很多工廠甚至實現(xiàn)了無人工廠，制造業(yè)迎來了新一輪生產(chǎn)管理和制造模式的變革。推進制造過程智能化是《中國制造 2025》提出推進信息化與工業(yè)化深度融合的一項重要指標[1]，兩化融合在引領企業(yè)管理組織變革、培育新型能力等方面的作用初步顯現(xiàn)[2]。焊接技術在制造業(yè)領域扮演著不可或缺的角色，在智能制造技術的沖擊下也將迎來新一輪革新[3]。船舶行業(yè)的生產(chǎn)管理，以中間產(chǎn)品為導向，采取集中粗放式、勞動密集型生產(chǎn)模式，現(xiàn)在也逐步向精細化管理、智能生產(chǎn)制造轉(zhuǎn)變。焊接作業(yè)作為船舶建造的主要施工方式，智能焊機管控（焊接設備智能管理控制）技術和焊接機器人的引入，使焊接智能化作業(yè)模式逐步取代原有的作業(yè)模式，為船舶的焊接質(zhì)量和焊接效率提供了保證。焊接作業(yè)的智能化管控和施工需要全方位船體焊接建模設計數(shù)據(jù)作為理論依據(jù)。

面向智能制造的焊接工藝設計有廣闊的應用前景，目前國內(nèi)外許多船廠小組、中組階段等部分實現(xiàn)了焊接機器人焊接，為焊接機器人提供焊接接口數(shù)據(jù)也成為各船舶制造軟件亟需解決的一項技術需求。在焊接派工管理方面，由于焊縫的多樣性和復雜性，導致焊縫統(tǒng)計困難，也是困繞焊接派工和核算工作的一項技術問題。在焊接施工方面，由于船舶焊接質(zhì)量跟蹤需求，需要對某些關鍵焊縫進行質(zhì)量跟蹤，以前手工處理焊縫跟蹤數(shù)據(jù)，效率低，并且無法形成有效統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源。在焊接生產(chǎn)管理方面，焊機管控的智能化也對焊接建模提出了應用需求。在國內(nèi)，SPD船體設計軟件的發(fā)展為焊接工藝模型的建立提供了基礎。SPD船體設計軟件提供了船體結構設計和建模，可以三維動態(tài)觀察設計結果，并與許多軟件之間有數(shù)據(jù)傳輸通道，與許多生產(chǎn)管理軟件有數(shù)據(jù)接口，為實現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)源和集成平臺提供保障。SPD船體設計軟件是由東欣軟件工程有限公司自主研發(fā)，在國內(nèi)有很廣泛的應用。

綜上所述，面向智能制造的焊接工藝模型的建立成為焊接設計工作的必然趨勢，本文基于SPD軟件平臺研究焊接工藝模型的數(shù)據(jù)結構和存儲架構，提出面向智能制造的焊接工藝模型的構建方案。

1 焊接工藝模型設計

為實現(xiàn)智能制造焊接工藝模型的實時交互設計，需要提供焊接設計實時交互對象，即焊接幾何信息模型。在焊接幾何模型的基礎上，增加焊接工藝信息的設計，使焊接工藝信息設計可視化。

圖1描述了焊接模型的構建過程，以焊接設計對象為構建基礎，建立智能焊接模型。利用船體結構設計數(shù)據(jù)作為焊接設計基礎數(shù)據(jù)，形成船體結構設計和船體焊接設計基礎數(shù)據(jù)的統(tǒng)一。通過分析船體結構定義數(shù)據(jù)和船體結構模型數(shù)據(jù)，制定了焊接模型幾何信息模型的構建方案。利用船體結構、裝配樹、船體分段模型和船體建造樹，建立焊接可視化設計索引樹，為智能焊接模型設計提供可視化設計索引平臺，構建交互基礎數(shù)據(jù)。

圖1 焊接模型構建過程

智能焊接模型通過焊接幾何信息和焊接工藝信息數(shù)據(jù)的聯(lián)合，達到視化焊接工藝數(shù)據(jù)的交互管理。二者模型數(shù)據(jù)統(tǒng)一于SPD船體設計系統(tǒng)的焊接計劃模塊，統(tǒng)一進行智能焊接工藝模型的設計管理；焊接幾何模型和焊接工藝模型統(tǒng)一方式是采用同一模型號來進行統(tǒng)一，在生成焊接模型時，同時生成一個全船唯一焊縫ID編碼來進行焊接模型的標識。

2 焊接工藝模型設計關鍵問題

2.1 焊接模型冗余處理

焊縫模型生成過程中，焊接構件設計變更引起焊接構件模型變更，不可避免地會出現(xiàn)焊縫模型冗余。算法的不斷完善只能使所生成的焊縫更精確，盡量避免焊縫冗余，但不能完全消除焊縫冗余。

圖2描述了冗余數(shù)據(jù)的產(chǎn)生來源、冗余數(shù)據(jù)判定方法及解決方案，具體實現(xiàn)過程如下所示，為了實現(xiàn)對焊接模型的冗余處理，首先需要對其冗余信息進行判定，具體的判定方法如下：

圖2 焊接模型冗余問題處理

1）焊接模型標注點位置重合法

在人們的預期中，在同一位置不可能出現(xiàn)多條焊縫，所以，采用該種方法可以找到重合計算的焊縫數(shù)據(jù)，這種焊縫用人工難以判別。

2）焊接構件查詢法

在自動搜索計算的焊縫模型中，焊接模型與船體構件間是有對應關系的，如果某條焊縫沒有找到相關聯(lián)的構件，則說明相關的構件已經(jīng)不存在，則該焊縫是屬于多余焊縫。

3）船體結構焊接樹重構法

原理類似于焊接構件查詢法，但以船體結構樹對象，反向搜索，如果找到相關焊縫，則為非冗余即正常焊縫，如果沒有找到，則為冗余焊縫，需要刪除。

4）三維視圖焊縫模型人工觀察法

即將焊縫模型展現(xiàn)在三維視圖中，通過視圖顯示手段，觀察各焊縫的模型狀態(tài)，可以找到過長的焊縫和沒有生成焊縫模型的焊縫。

5）焊縫長度規(guī)則法

即通過對焊縫長度進行排序，找到過短的、過長的、沒有正常焊縫長度數(shù)據(jù)的不正確焊縫。

針對不同的焊接模型冗余原因，需要應用不同的方法和手段，使獲取的焊接模型最終符合人們的預期，具體的處理方法如下：

1）焊接模型標注點位置重合處理法

遍歷焊縫，兩兩比較，如果焊縫模型標注點重合，則處理；這種情況需要進行人工干預處理，系統(tǒng)提出重合焊縫列表集，人工交互解決這些矛盾。對于構件重合時，需要人工干預；對于計算引起的重合，可以通過改進焊縫運算方法來解決。

2）焊接構件查詢處理法

遍歷焊縫模型數(shù)據(jù)，查找焊縫的兩個構件是否存在，如果不存在，則認為該焊縫數(shù)據(jù)為冗余數(shù)據(jù)。該種方法僅適用于自動算法。

3）船體結構焊接樹反向查詢處理法

遍歷結構焊接樹各焊縫，反向查找焊縫構件相關焊縫，如果存在重復數(shù)據(jù)，則需要交互處理相關焊縫。

4）深層處理即焊接構件重算處理法

如果遇到構件大批量修改的情況，而且件號也大批量修改，則需要進行重算，即先前所處理的焊縫只能用于焊接物量的預估，不能用于焊接生產(chǎn)的指導。

5）人工觀察處理法

在焊接工藝建模過程中，如果出現(xiàn)焊縫長度或焊縫模型不正常的情況，則需要針對該種情況進行干預。更改焊縫數(shù)據(jù)過長的焊縫，刪除焊縫數(shù)據(jù)過短的數(shù)據(jù)，修正焊縫數(shù)據(jù)不正確的情況。

除了焊縫模型冗余問題，還有焊縫模型缺失問題。在焊縫模型的建立過程中，還有一些焊縫相關的構件沒有建模，如一些鑄件等；還有一些焊縫沒有計算出來，構件間建模間隙過大或其他原因；這些焊縫需要人工交互添加生成焊縫模型，以便后期與其它生產(chǎn)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)相接，形成統(tǒng)一數(shù)據(jù)源，為智能生產(chǎn)制造提供完整有效的焊接物量和焊接建造數(shù)據(jù)。

2.2 焊接工藝信息建模

通過研究船體焊接工藝智能化實施規(guī)范和需求，確定了焊接工藝模型信息內(nèi)容。研究了船體結構模型（SPD船體結構模型）、船體建造階段、船體焊接工藝標準、船體焊接施工規(guī)范、船體焊接工時規(guī)范、船體焊接驗收規(guī)范等與船體焊接設計建造相關的設計流程和規(guī)范標準，收集了焊接設計標準信息。調(diào)研了焊接實船施工過程，收集了焊接作業(yè)相關信息，如焊縫跟蹤圖、焊接工作圖、焊接材料定額管理、焊接工時管理等信息。調(diào)研了第三方軟件的焊接應用需求，如焊接機器人接口數(shù)據(jù)、焊機管控數(shù)據(jù)源、MES系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)、焊接派工管理、焊接質(zhì)量控制管理等。并對智能制造管理流程所需的焊接三維作業(yè)指導書進行了研究。

智能焊接模型是用于指導生產(chǎn)管理的理論數(shù)據(jù)來源依據(jù)，焊接建造與焊接工藝密切相關。焊接設計過程中，需要滿足焊接設計規(guī)范；焊接建造過程中，需要滿足焊接建造規(guī)范，焊接質(zhì)量驗收規(guī)范；焊接生產(chǎn)管理過程中，需要進行焊接工時管理，焊接派工管理。為滿足這些規(guī)范和管理條件，需要在焊接建模設計階段給出完整的焊接工藝數(shù)據(jù)信息和焊接模型數(shù)據(jù)信息。

圖3描述了焊接工藝模型的構建分類屬性信息，焊接工藝信息按不同生產(chǎn)設計階段的要求分成以下3類。

圖3 焊接工藝模型的構成

2.2.1 結構建模要求

結構建模過程中，需要針對不同的構件及相關構件在船體上的位置，設置不同的焊縫編碼、焊接坡口、焊接方法、焊角高度、焊接材料、焊縫長度、焊接構件（尺寸、規(guī)格、材料、類型）、焊接階段、焊接接頭型式等；根據(jù)結構建模條件和焊接工時管理的需求，需生成焊接構件類型和焊接接頭型式細分。

焊縫編碼用于對焊縫的識別。焊接坡口、焊接方法、焊接構件類型和焊接接頭型式直接決定了焊接的難易程序和焊接工作量。焊接坡口可根據(jù)焊縫定位信息匹配船體結構庫中定義數(shù)據(jù)獲取相應的坡口樣式。焊接方法需要規(guī)則來生成一個初始數(shù)據(jù)。焊接構件類型需要從船體結構定義數(shù)據(jù)中獲取。焊接接頭型式從構件間接頭關系可劃分為 3大類對接焊、角焊、搭接焊；根據(jù)焊接工時規(guī)范中的計算規(guī)則，焊接接頭型式這種分法遠遠不夠，還需要細分，如需要加上焊接的是構件的哪條邊等情況。

2.2.2 焊接建造要求

焊接建造過程中，由于針對不同階段有不同的建造方位，需要設置焊縫朝向，焊接操作方位，焊接道數(shù)，焊縫是否跟蹤等。

根據(jù)船體焊縫的焊接重要性，有些焊縫需要進行焊接質(zhì)量追蹤，使船體建造質(zhì)量得到保證。需要跟蹤的焊縫，需要生成焊縫跟蹤圖，這些焊縫數(shù)據(jù)需要發(fā)送焊接質(zhì)量管控系統(tǒng)。

焊接道數(shù)據(jù)與現(xiàn)場施工情況、焊接人員和焊接質(zhì)量相關，在有些情況下，也需要提前設計焊接道數(shù)。

焊接操作方位根據(jù)具體操作方式，分為立焊、平焊、仰焊、橫焊等[4]；需要根據(jù)具體焊接裝配結點的姿態(tài)和焊縫朝向來決定。一般情況下，焊接施工采取平焊和立焊為宜，所以施工時，裝配組立基面盡量與焊接需求相關聯(lián)。裝配基面的指定應該與裝配節(jié)點對應。焊縫朝向可以在進行焊縫建模計算時，根據(jù)構件和焊縫的船體坐標下幾何空間關系自動計算得到。通過組立基面和焊縫朝向信息判定焊接操作方位。通常情況下，仰焊可以通過現(xiàn)場調(diào)整組立姿態(tài)來改變?yōu)槠胶福?，在通常焊接工時定額計算過程中，仰焊是按照平焊來計算焊接工時的，但不排除特殊情況。

2.2.3 焊接生產(chǎn)施工要求

焊接生產(chǎn)施工過程中，針對不同的焊縫，需進行焊接人員、焊接工位，焊接設備及焊接材料等信息的匹配，需要設置焊接設備的電流電壓、焊接起始時間、焊接結束時間、焊接質(zhì)量控制等。

一般焊接設計階段，無法確定焊接生產(chǎn)施工時的要求，但在焊接生產(chǎn)管理和焊接智能制造時，為保證焊接質(zhì)量和組立裝配結點的完工節(jié)點，需要提供焊接生產(chǎn)施工時的焊接信息，為智能焊接制造生產(chǎn)管理提供全局把控提供理論數(shù)據(jù)。

2.3 焊接模型存儲

焊接模型是用于進行焊接工藝設計的對象，需要進行實時交互，并具備與通用數(shù)據(jù)一致的增、刪、改的功能。焊接模型分為 2大類：焊接幾何模型數(shù)據(jù)和焊接工藝模型數(shù)據(jù)。目前存儲數(shù)據(jù)的方式主要是數(shù)據(jù)庫、文本文件、二進制索引文件、XML文件等。在綜合考慮保存速度、交互、接口、集成及SPD船體設計系統(tǒng)應用平臺情況后，決定采用SQL數(shù)據(jù)庫與二進制索引文件相結合的解決方案。

圖4描述了焊接模型的存儲形式是通過焊接模型存取接口對焊接模型進行分離存取。

圖4 焊接模型存儲技術

焊接幾何模型數(shù)據(jù)采用SPD自主研發(fā)的二進行制索引文件進行保存，方便交互和實現(xiàn)動態(tài)察看。焊接工藝模型采用SQL數(shù)據(jù)庫工程數(shù)據(jù)表的方式保存，方便二次開發(fā)接口數(shù)據(jù)的讀取和管理軟件平臺的集成。

3 結論

通過對面向智能制造的焊接工藝模型設計的研究，將智能焊接工藝數(shù)據(jù)模型概念逐步實例化，明晰了工藝模型組成條目，梳理了實體建模的規(guī)則和條件，解決了焊接設計過程的技術問題，最終形成焊接模型設計及管理解決方案。按照船舶焊接工藝要求，結合三維建模特點，在SPD船體設計系統(tǒng)應用平臺上，以船體焊接設計所涉及的智能焊接模型為研究對象，編寫面向智能制造的焊接工藝模型設計運算包和建立焊接工藝模型存儲框架，為后續(xù)焊接工藝設計整體框架提供核心算法支持，為智能焊接管控平臺提供數(shù)據(jù)接口。