基于BIM技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)焊接CAPP系統(tǒng)＊

鄭德宏，張家誠，黃 旭，周井鑫，郝欣羽，徐云愷

（福建工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 福州 350118）

近年來，中國基建能力不斷提高。現(xiàn)代工程中，鋼結(jié)構(gòu)對于提升施工速率意義重大，是當(dāng)前工程施工中非常重要的一種結(jié)構(gòu)。然而鋼結(jié)構(gòu)焊接較為復(fù)雜，目前多數(shù)情況下仍依賴于一線工人的個(gè)人技術(shù)。因此，為了在保證施工質(zhì)量的同時(shí)提升施工速率，對鋼結(jié)構(gòu)焊接CAPP系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

國外CAPP的研究始于20世紀(jì)60年代后期，第一個(gè)CAPP是挪威1969年推出的AUTOPROS系統(tǒng)[1]，商品化AUTOPROS系統(tǒng)于1973年被正式推出。20世紀(jì)60年代末70年代初美國開始研究CAPP，1976年由CAM-I公司推出頗具影響力的CAM-I'S Automated Process Planning系統(tǒng)，成為CAPP發(fā)展史的里程碑[2]。中國對CAPP的研究始于20世紀(jì)80年代初，1982年同濟(jì)大學(xué)推出了派生式系統(tǒng)TOJICAPP，隨后許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)興起了研究CAPP的熱潮[3]。

現(xiàn)今國內(nèi)焊接CAPP系統(tǒng)逐步發(fā)展，增強(qiáng)了許多功能，設(shè)計(jì)種類增多，除設(shè)計(jì)工藝外，還能進(jìn)行工藝文件管理，人機(jī)界面更為友好。但仍有許多不足之處，譬如系統(tǒng)智能化融入不高，沒能充分利用焊接信息庫，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息庫可擴(kuò)充性、柔性差。對于多數(shù)CAPP系統(tǒng)，只有設(shè)計(jì)者知道其內(nèi)部的知識存儲方式、應(yīng)用推理方式、選擇方案的優(yōu)化方式，用戶根本無法知道也無處知道，因此用戶無法根據(jù)實(shí)際需要更改系統(tǒng)的一些既定規(guī)則以滿足自己的需要[4]。因此在絕大多數(shù)情況下還是會出現(xiàn)偏差，實(shí)際應(yīng)用時(shí)依賴前線人員的判斷。

1 焊接CAPP系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

目前，國內(nèi)的CAPP研究領(lǐng)域的主流思想是CAPP工具化。其主要內(nèi)容是CAPP系統(tǒng)是將工藝人員從許多煩瑣重復(fù)的工藝工作中解放出來的一種工具自動化，但不是CAPP系統(tǒng)的唯一目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)CAPP系統(tǒng)以人為本的宜人化操作、自動統(tǒng)計(jì)匯總工藝信息、與CAD/ERP/PDM系統(tǒng)信息集成及具有良好的開發(fā)性與集成性是工具化CAPP系統(tǒng)研究和推廣應(yīng)用的主要目標(biāo)[5]。

鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝是一門需要長久積累經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)情況所需靈活調(diào)用相關(guān)理論才能解決問題的技術(shù)。在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)焊接的過程中，會涉及許多模糊知識（即非定量化的知識，如焊接溫度與降溫時(shí)間相互補(bǔ)償?shù)龋?。此類模糊知識的運(yùn)用需要依賴技術(shù)員的現(xiàn)場判斷，若將其定量化，易導(dǎo)致柔性不足，且使數(shù)據(jù)庫煩瑣冗雜，難以設(shè)計(jì)出最佳的匹配方案。因此可知，CAPP系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互性操作界面，才能使工藝設(shè)計(jì)更加貼合實(shí)際，設(shè)計(jì)規(guī)則更加靈活且更具編輯性，注重軟件的實(shí)際效果以及數(shù)據(jù)的整潔規(guī)范，使設(shè)計(jì)與管理一體化，而不是做出一個(gè)可套模板的計(jì)算公式。

對企業(yè)鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)投入生產(chǎn)的實(shí)際情況進(jìn)行考察，與管理、操作生產(chǎn)工藝的工藝員進(jìn)行溝通，根據(jù)詳實(shí)情況開發(fā)了基于BIM平臺的鋼結(jié)構(gòu)焊接CAPP系統(tǒng)。該系統(tǒng)有6個(gè)模塊，即用戶管理模塊、文件操作模塊、工藝設(shè)計(jì)模塊、工藝管理模塊、輸出輸入接口模塊以及幫助模塊，如圖1所示。各模塊有各自的職能，在工藝設(shè)計(jì)過程中又相互關(guān)聯(lián)，旨在通過模塊功能界面充分利用數(shù)據(jù)庫信息，創(chuàng)造良好的人機(jī)交互環(huán)境，在繼承原有優(yōu)點(diǎn)情況下，使該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息庫具有良好的可擴(kuò)充性與柔性。

圖1 CAPP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 數(shù)據(jù)庫

2.1 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

現(xiàn)代企業(yè)在應(yīng)用任何一項(xiàng)技術(shù)時(shí)，都對數(shù)據(jù)的安全性有著較高的要求。鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)數(shù)據(jù)量大，且設(shè)計(jì)規(guī)則邏輯復(fù)雜，為了處理數(shù)據(jù)間的復(fù)雜關(guān)系，最終采用BIM技術(shù)，以提高集成化、工作效率，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

BIM（Building Information Modeling）技術(shù)是一種可應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、建造、管理的數(shù)據(jù)化工具，整合建筑的數(shù)據(jù)化、信息化模型，在項(xiàng)目策劃、運(yùn)行和維護(hù)的全生命周期過程中進(jìn)行共享和傳遞，使工程技術(shù)人員對各種建筑信息作出正確理解和高效應(yīng)對，為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)以及建筑、運(yùn)營單位在內(nèi)的各方建設(shè)主體提供協(xié)同工作的基礎(chǔ)，在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用[6]。

合理的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)焊接CAPP系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。需依實(shí)際需求，根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，建立具有完整約束性且符合需求的數(shù)據(jù)庫。以焊接材料為例，焊接材料具有焊材種類、焊材牌號、力學(xué)性能等屬性。往往想要知道一種焊材的力學(xué)性能需要通過牌號來進(jìn)行查詢，所以為了提高效率，往往將牌號與性能放入一個(gè)表格中。數(shù)據(jù)庫中還存儲焊接材料、焊接種類、工藝參數(shù)等信息，為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息查詢、歸納以及修改等工作提供支持，將對車間、設(shè)備、夾具、刀具、量檢具輔具等建立數(shù)據(jù)庫，工藝人員在生成工藝卡片的過程中可以直接在功能模塊頁面中進(jìn)行查看、調(diào)用，省去翻閱文件和輸入的時(shí)間，從而避免重復(fù)性勞動，提高效率。而數(shù)據(jù)庫的更新、補(bǔ)充及修改可由用戶完成，具有靈活性。

2.2 數(shù)據(jù)庫中表的建立

Microsoft SQL Server2008中有2種創(chuàng)建表的方式，即直接采用表設(shè)計(jì)器創(chuàng)建數(shù)據(jù)表和采用代碼創(chuàng)建數(shù)據(jù)表。該鋼結(jié)構(gòu)焊接數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)直接采用表設(shè)計(jì)器。焊接材料庫數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 焊接材料庫數(shù)據(jù)

2.3 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)框架

建立工藝數(shù)據(jù)庫旨在能夠更加科學(xué)、合理地管理和維護(hù)工藝數(shù)據(jù)，為工藝管理、制造信息系統(tǒng)提供大量真實(shí)、可靠的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。而該系統(tǒng)基于BIM平臺的鋼結(jié)構(gòu)焊接CAPP系統(tǒng)，采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)建立數(shù)據(jù)庫。諸多步驟相互緊密關(guān)聯(lián)，各個(gè)因素在整個(gè)流程中相互影響，促成最終的結(jié)果。系統(tǒng)的主要構(gòu)成有焊接設(shè)備、焊接母材、焊接材料、接頭設(shè)計(jì)、焊接準(zhǔn)備、工藝參數(shù)等，各個(gè)部分構(gòu)成了一個(gè)整體框架，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫框架

本系統(tǒng)以工藝數(shù)據(jù)庫為核心，串聯(lián)多個(gè)模塊，通過數(shù)據(jù)表可直觀查看各類數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源可以是工藝手冊，也可以是公司的生產(chǎn)工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。對于用戶而言，不論查詢亦或選用都極為方便。有助于充分利用數(shù)據(jù)，輔助用戶更好地進(jìn)行工藝決策，滿足工藝卡設(shè)計(jì)需求。

3 工藝卡生成流程

工藝卡是生產(chǎn)設(shè)計(jì)的重要組成部分，關(guān)系著工藝質(zhì)量等諸多方面，因此工藝卡的設(shè)計(jì)和工藝信息管理成為企業(yè)提高工藝設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量、增強(qiáng)企業(yè)競爭力的主要途徑之一[7]。

在該系統(tǒng)中，工藝卡生成的流程如圖4所示。首先，需人工確定焊接母材與焊接材料的種類以及接頭設(shè)計(jì)，焊縫位置與坡口形式很關(guān)鍵，填充好初始條件后，系統(tǒng)篩選是否具有類似備用模板，若有則用模板進(jìn)行匹配，若無則進(jìn)一步輸入焊接方法、焊接層數(shù)、焊接電流等工藝參數(shù)，具體工藝參數(shù)需由工藝人員進(jìn)行填充，可參考工藝手冊及數(shù)據(jù)庫。填完后，進(jìn)行簡單邏輯判斷，判斷方案是否可行，如不可行，則對方案進(jìn)行修改。當(dāng)判斷方案可行后，可生成工藝卡，以PDF或JPG等格式進(jìn)行輸出，并可選擇是否要將該工藝卡作為模板儲存，供多次使用。

圖4 工藝卡生成流程圖

4 客戶端設(shè)計(jì)

客戶端程序是直接供工藝員使用的程序，功能為詳細(xì)設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝，通過簡介頁面直接訪問數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，最終經(jīng)過評定生成工藝卡，進(jìn)而進(jìn)行指導(dǎo)生產(chǎn)。本系統(tǒng)客戶端程序具有以下功能：查詢已保存的工藝卡；查詢數(shù)據(jù)庫，獲得所需材料類別、性能等各項(xiàng)參數(shù)；選擇工藝卡模板，直接修改或?qū)雲(yún)?shù)；工藝員可以直接在客戶端頁面對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行增添、修改以及保存工藝卡。

4.1 登錄模塊

設(shè)計(jì)登錄模塊是出于安全考慮，避免數(shù)據(jù)異常遺失。且用戶登錄時(shí)后臺會留有記錄，方便應(yīng)對每一次設(shè)計(jì)，主要職能有用戶信息、權(quán)限管理。用戶信息的主要功能是為用戶注冊，保存用戶信息。權(quán)限管理的功能是工藝決策系統(tǒng)為注冊用戶提供權(quán)限，用戶權(quán)限范圍為瀏覽基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，如焊接母材、焊接材料等的特征信息，更新、補(bǔ)充、修正數(shù)據(jù)庫，對工藝卡生成功能的使用。

4.2 工藝設(shè)計(jì)模塊

焊接工藝設(shè)計(jì)方案多種多樣，某項(xiàng)數(shù)據(jù)的變化均會導(dǎo)致焊接產(chǎn)品不同，因此，焊接工藝的設(shè)計(jì)十分靈活。在傳統(tǒng)的焊接領(lǐng)域中，焊接工藝設(shè)計(jì)方案均由相關(guān)技術(shù)人員依據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)制定，這就對技術(shù)人員提出了很高的要求。然而由于工作量大以及技術(shù)人員的局限性，不可避免地就會出現(xiàn)一些不盡如人意的地方[8]。

該模塊為工藝員生成工藝卡提供了多個(gè)界面，諸如焊接材料選用模塊界面、接頭設(shè)計(jì)選用模塊界面、焊接前準(zhǔn)備選用模塊界面等多個(gè)界面。因?yàn)楹附邮且粋€(gè)復(fù)雜的行為，操作過程中需各方面相互配合，對于焊接CAPP系統(tǒng)來說，需要有一個(gè)完整明確的配合解決方案，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮每個(gè)因素，并且考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。通過對系統(tǒng)功能的分析，得到如圖5所示的系統(tǒng)功能圖，該系統(tǒng)模塊豐富，覆蓋面廣，具有強(qiáng)通用性。而在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)，雖然鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝有一定設(shè)計(jì)順序，但經(jīng)過考察，諸多資深工藝員往往不太注重這個(gè)順序，有獨(dú)屬于自己的一套工藝設(shè)計(jì)流程，因而為了避免操作僵硬化，設(shè)計(jì)客戶端可以不按某種既定順序進(jìn)行設(shè)計(jì)。此外，利用該系統(tǒng)工藝員可查詢工藝參數(shù)，并可將查詢結(jié)果填入預(yù)備工藝卡中。填充完所需信息后可選擇保存或打印，從而保存數(shù)據(jù)或獲得工藝卡。操作簡單，便于工藝員使用。

圖5 系統(tǒng)功能圖

4.3 查詢模塊

系統(tǒng)查詢有如下2種方式：①直接瀏覽目錄，查看所有材料資料；②直接搜索目標(biāo)名稱或牌號，可以快速定位，找到后可以查看目標(biāo)各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息。

5 結(jié)語

以SQLServer為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，以VS2017為開發(fā)工具，使用C#開發(fā)語言，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于BIM平臺的鋼結(jié)構(gòu)焊接CAPP系統(tǒng)。該系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了工藝參數(shù)的有效流轉(zhuǎn)交互，充分利用數(shù)據(jù)庫信息，并創(chuàng)造了良好的人機(jī)交互環(huán)境，提高了數(shù)據(jù)管理及分析效率、工藝設(shè)計(jì)效率，從而減少工藝設(shè)計(jì)中人為錯(cuò)誤，為鋼結(jié)構(gòu)焊接提供一個(gè)良好的操作環(huán)境。