壓力容器焊接CAPP系統的開發

徐 錚，孫 哲，張義順

(沈陽工業大學材料科學與工程學院，遼寧沈陽110178)

0 前言

在壓力容器的焊接制造中，合理的焊接工藝是保證產品焊接質量的關鍵，但由于焊接過程比較復雜，影響焊接工作條件和焊接過程工藝參數的因素較多，因此工藝參數的制定在很大程度上取決于國家標準及有經驗的焊接專家共同合作，焊接工藝的制定直接影響到生產效率和生產成本。將CAPP系統應用到焊接領域，充分利用計算機和經驗知識，通過較為合理的邏輯思維推理來解決實際問題，減少人為失誤，縮短生產準備周期，對提高生產效率、保證焊接質量十分有利[1]。

1 系統設計

壓力容器焊接工藝專家系統是根據國家和行業的相關標準以及焊接專家的經驗而開發的，因此系統的體系結構和知識庫結構決定了使用的后臺數據庫和用戶界面開發工具。根據系統的設計要求，后臺數據庫的設計分為兩個部分：一部分用于存取和管理問題求解所需的焊接工藝知識和專家經驗的知識庫；另一部分是用于制定焊接過程中所需的原始數據和推理過程中的中間信息的動態數據庫。

1.1 系統知識庫的設計

系統知識庫的設計主要功能包括將標準上的數據結合專家知識記錄的輸入和知識庫記錄信息的查找、修改和擴充等。

知識庫系統所需數據的實體-關系模型如圖1所示。模型是數據庫結構設計常用的方法，它描述數據庫的一種物理結構。根據系統的實體-關系模型可以設計系統數據庫的邏輯模型，分析其間蘊含的物理邏輯關系[2]。

圖1中，焊接參數閾值與焊接規則庫構成一對多關系，特征提取規則與焊接規則庫構成一對多關系，而焊接參數閾值與特征提取規則構成一對一關系，這三者通過數據表進行聯系。

根據知識庫系統設計的需要，知識庫需要三個模塊來實現其功能維護，分別是創建方法類型模塊、信息輸入模塊、查詢修改模塊。在創建方法類型模塊中包含創建焊接工藝類型。焊接工藝類型就是焊接工藝中會用到的多種焊接方法和焊接接頭類型，這些方法和接頭都可歸結為幾大類。只有創建一種焊接方法后，才能創建相應的焊接參數子集，每種焊接方法有自己的一組焊接參數閾值。信息輸入模塊將專家知識輸入到知識庫中，作為用戶選擇的基準，保證系統的完整性。查詢修改模塊實現對數據庫的查詢，這部分可以實現數據庫單個表的字段查詢，也可將數據庫中各表結合起來復合查詢。

圖1 實體-關系模型

1.2 系統動態數據庫的設計

動態數據庫是問題求解過程中數據的集合，它用于存放所需的原始數據和調用過程中的中間信息，包括原始信息、調用的中間結果、推理過程記錄等。在程序運行時，存放的數據是動態變化的，數據庫進行大量的讀、寫、刪除操作。

數據庫流程是系統邏輯模型的主要組成部分，它可以反映出系統的主要功能、系統外部環境的輸入輸出、系統內部處理、數據存儲等情況[3]。系統數據流程如圖2所示。面向焊接CAPP數據庫系統可以管理焊接接頭、坡口圖形、不同焊接方法對應的焊接工藝參數等多維表格數據。開發壓力容器焊接CAPP系統需要選擇一種后臺數據庫。Access數據庫是Microsoft公司開發的一套桌面數據庫系統，提供了數據庫最常用的功能，系統資源占用低，與SQL Server無縫集成，且具有良好的使用界面和數據快速交換，因此作為專家系統的后臺數據庫支撐。

圖2 系統數據流程

1.3 用戶界面開發

Visual Basic是一種由微軟公司開發的包含協助開發環境的事件驅動編程語言。因其簡單易用、靈活多變、界面友好等優點，所以選擇其作為專家系統的前端開發工具，并且與后端的Access數據庫相結合，形成一種高效率的管理信息系統解決方案。

根據給定條件篩選符合條件的數據是總體設計階段非常重要的環節。數據庫結構可以簡化開發過程，使系統功能更加準確清晰。在此根據HG20583-1998《鋼制化工容器結構設計》和JB/T 4709《鋼制壓力容器焊接規程》以及一些經驗因素進行壓力容器焊接CAPP系統的設計。

2 系統實現

系統的建立包含著后臺數據庫的支撐以及擁有面向用戶的良好界面。

2.1 系統數據庫的建立

在設計的系統程序中，由于焊接工藝的復雜性，對后臺的數據庫進行細分，針對每種焊接方法建立三個子數據表，每個表的數據之間聯系緊密，但是表與表之間卻沒有必然的聯系，這樣建立有助于后期的修改和補充，修改其中一個表的數據不會影響其他子數據表的聯系，避免了大量重復性的操作。以焊條電弧焊為例，SMAW1中包含母材的牌號和對應的焊條牌號。一旦母材確定以后，那么對應可行的焊條型號范圍也就選定。用戶可以根據需要進行選擇，如圖3所示。SMAW2包含不同的焊條直徑對應的焊接電流、焊接電壓、焊接速度。由于不同的焊條直徑對應的焊接參數不同，所以這個庫中將其中的對應關系清晰地羅列出來，如圖4所示。SMAW3包含不同壁厚范圍對應的坡口形式及其參數，根據用戶的實際壁厚搜索對應的壁厚有效范圍，同時連帶著對應的坡口示意圖及有效參數，如圖5所示。根據實際情況，調用不同庫中的參數，做出合理的選擇。

圖3 SMAW1

圖4 SMAW2

圖5 SMAW3

2.2 用戶界面的建立

在前臺程序開發方面，首先對壓力容器制造過程中的四種接頭形式進行分類，針對每種接頭形式進行相關的設計，運行的窗體如圖6所示。壓力容器制造過程中焊接多選用同種材料作為母材，因而在此研究同種材料之間的焊接。確定焊接接頭種類之后，根據壓力容器制造的材料和板材厚度，確定焊接的坡口類型和焊接層數。為了結合實際，板厚采用由用戶自行輸入的方式。當查詢符合條件的結果有多種時，將查詢結果用列表的形式排列出來，只要選擇表中的選項，就可顯示對應的坡口形式及其參數和焊接層數。焊接層數是根據經驗公式計算得到的，窗體如圖7所示。

圖6 選擇焊接接頭形式的窗體

圖7 確定坡口形式及焊接層數窗體

篩選完焊接板材的坡口形式和對應的參數后，針對每一層，可以選用不同的焊接方法，用戶根據自己的實際情況選擇每一層使用的焊接方法，對應的焊條型號和焊條直徑也可以由用戶指定，一旦用戶確定了上述數據，那么對應的焊接電流、焊接電壓、焊接速度也就隨之確定，用戶窗體如圖8所示。這樣的設計充分結合了使用者的自身情況，可篩選出更有針對性的方案。當用戶選定每一層后，將選定的數據填入壓力容器制造的焊接工藝卡中，最后對焊接工藝卡進行輸出打印。

圖8 每層的焊接工藝窗體

2.3 系統數據庫查詢機制

運用ADO數據庫連接和SQL查詢相結合的機制實現上述的篩選功能。

ADO是微軟推出的最為成熟的數據庫開發技術，利用ADO對象，用戶能夠很方便地在Visual Basic中使用[4]。利用ADO控件把所要連接的Access數據庫與系統連接起來，實現這部分的關鍵語句如下：

結構化查詢語言SQL（Structured QueryLanguage）是數據查詢時十分有效的一種查詢工具[5]。通過語句SELECT fields FROM lists WHERE*AND*(*表示查詢的條件)可以選擇查詢多個領域，并且可以同時搜索若干個獨立的數據表，查詢的條件也多種多樣，可以判斷相等、比較、范圍等。

SQL與數據庫的結合。應用SQL的查詢機理作為打開動態集表的工具。在動態集的創建中，應用SQL中的SELECT命令語句，創建符合選擇條件的表記錄，它不僅可以打開一個表中的記錄，還能創建多個表中的記錄，從而實現數據庫中各表之間的通訊。本系統的數據庫中，每種焊接方法都需要從數據庫中的三個表中調用所需的項如SMAW1、SMAW2、SMAW3，這樣在選定母材型號、焊條型號及尺寸的情況下，可以通過動態集表調用相對應的信息。使用如下判斷條件就可以查詢焊接材料的信息：select SMAW1鋼號；SMAW1焊條型號；SMAW2 kind；SMAW2焊條直徑；SMAW2焊接電流；SMAW2焊接電壓；SMAW2焊接速度；SMAW3最小壁厚；SMAW3 最大壁厚 from SMAW1；SMAW2，SMAW3 where SMAW1 鋼號=‘"+Text16.Text+"’and SMAW2.kind=‘"+Text18.Text+"’。

使用上述錄入與查詢模塊，可以實現數據庫中各表之間的數據通信，通過查詢條件調用相關的信息并交互地形成相應的工藝卡片。

3 結論

根據企業的實際生產需要，針對壓力容器行業建立一個實用的焊接工藝專家系統，該專家系統具有智能的用戶界面、專業針對性強、易于操作、可以更新和補充數據并能有效篩選數據，提高了數據管理和分析效率。為壓力容器焊接專家系統的研究提供了有效的數據積累平臺。

[1]韓夏蓓.壓力容器焊接質量管理[J].石油化工設備，2011，40（3）：61-62.

[2]王永慶.人工智能原理與方法[M].北京：北京航空大學出版社，1998:121

[3]尹朝慶，尹 浩.人工智能與專家系統[M].北京：中國水利水電出版社，2001：87.

[4]孟德欣，謝 婷，王先花.VB程序設計[M].北京：清華大學出版社，2009：122.

[5]高春艷，安 劍，張逸溦.VB程序開發[M].北京：人民郵電出版社，2009：1.