基于BIM技術的鋼結構焊接CAPP系統＊

鄭德宏，張家誠，黃 旭，周井鑫，郝欣羽，徐云愷

（福建工程學院機械與汽車工程學院，福建 福州 350118）

近年來，中國基建能力不斷提高。現代工程中，鋼結構對于提升施工速率意義重大，是當前工程施工中非常重要的一種結構。然而鋼結構焊接較為復雜，目前多數情況下仍依賴于一線工人的個人技術。因此，為了在保證施工質量的同時提升施工速率，對鋼結構焊接CAPP系統進行了研究。

國外CAPP的研究始于20世紀60年代后期，第一個CAPP是挪威1969年推出的AUTOPROS系統[1]，商品化AUTOPROS系統于1973年被正式推出。20世紀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，成為CAPP發展史的里程碑[2]。中國對CAPP的研究始于20世紀80年代初，1982年同濟大學推出了派生式系統TOJICAPP，隨后許多大學和研究機構興起了研究CAPP的熱潮[3]。

現今國內焊接CAPP系統逐步發展，增強了許多功能，設計種類增多，除設計工藝外，還能進行工藝文件管理，人機界面更為友好。但仍有許多不足之處，譬如系統智能化融入不高，沒能充分利用焊接信息庫，系統的數據信息庫可擴充性、柔性差。對于多數CAPP系統，只有設計者知道其內部的知識存儲方式、應用推理方式、選擇方案的優化方式，用戶根本無法知道也無處知道，因此用戶無法根據實際需要更改系統的一些既定規則以滿足自己的需要[4]。因此在絕大多數情況下還是會出現偏差，實際應用時依賴前線人員的判斷。

1 焊接CAPP系統總體設計

目前，國內的CAPP研究領域的主流思想是CAPP工具化。其主要內容是CAPP系統是將工藝人員從許多煩瑣重復的工藝工作中解放出來的一種工具自動化，但不是CAPP系統的唯一目標，實現CAPP系統以人為本的宜人化操作、自動統計匯總工藝信息、與CAD/ERP/PDM系統信息集成及具有良好的開發性與集成性是工具化CAPP系統研究和推廣應用的主要目標[5]。

鋼結構焊接工藝是一門需要長久積累經驗，并根據情況所需靈活調用相關理論才能解決問題的技術。在設計鋼結構焊接的過程中，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間相互補償等）。此類模糊知識的運用需要依賴技術員的現場判斷，若將其定量化，易導致柔性不足，且使數據庫煩瑣冗雜，難以設計出最佳的匹配方案。因此可知，CAPP系統具有良好的人機交互性操作界面，才能使工藝設計更加貼合實際，設計規則更加靈活且更具編輯性，注重軟件的實際效果以及數據的整潔規范，使設計與管理一體化，而不是做出一個可套模板的計算公式。

對企業鋼結構焊接技術投入生產的實際情況進行考察，與管理、操作生產工藝的工藝員進行溝通，根據詳實情況開發了基于BIM平臺的鋼結構焊接CAPP系統。該系統有6個模塊，即用戶管理模塊、文件操作模塊、工藝設計模塊、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，在工藝設計過程中又相互關聯，旨在通過模塊功能界面充分利用數據庫信息，創造良好的人機交互環境，在繼承原有優點情況下，使該系統的數據信息庫具有良好的可擴充性與柔性。

圖1 CAPP系統結構設計

2 數據庫

2.1 數據庫的設計

現代企業在應用任何一項技術時，都對數據的安全性有著較高的要求。鋼結構焊接技術數據量大，且設計規則邏輯復雜，為了處理數據間的復雜關系，最終采用BIM技術，以提高集成化、工作效率，實現可持續發展。

BIM（Building Information Modeling）技術是一種可應用于工程設計、建造、管理的數據化工具，整合建筑的數據化、信息化模型，在項目策劃、運行和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞，使工程技術人員對各種建筑信息作出正確理解和高效應對，為設計團隊以及建筑、運營單位在內的各方建設主體提供協同工作的基礎，在提高生產效率、節約成本和縮短工期方面發揮重要作用[6]。

合理的數據庫設計是鋼結構焊接CAPP系統設計的關鍵因素。需依實際需求，根據不同的生產工藝特點以及相關標準，建立具有完整約束性且符合需求的數據庫。以焊接材料為例，焊接材料具有焊材種類、焊材牌號、力學性能等屬性。往往想要知道一種焊材的力學性能需要通過牌號來進行查詢，所以為了提高效率，往往將牌號與性能放入一個表格中。數據庫中還存儲焊接材料、焊接種類、工藝參數等信息，為系統實現信息查詢、歸納以及修改等工作提供支持，將對車間、設備、夾具、刀具、量檢具輔具等建立數據庫，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行查看、調用，省去翻閱文件和輸入的時間，從而避免重復性勞動，提高效率。而數據庫的更新、補充及修改可由用戶完成，具有靈活性。

2.2 數據庫中表的建立

Microsoft SQL Server2008中有2種創建表的方式，即直接采用表設計器創建數據表和采用代碼創建數據表。該鋼結構焊接數據庫系統直接采用表設計器。焊接材料庫數據如圖2所示。

圖2 焊接材料庫數據

2.3 數據庫數據框架

建立工藝數據庫旨在能夠更加科學、合理地管理和維護工藝數據，為工藝管理、制造信息系統提供大量真實、可靠的數據，從而實現數據的共享。而該系統基于BIM平臺的鋼結構焊接CAPP系統，采用關系型數據庫結構建立數據庫。諸多步驟相互緊密關聯，各個因素在整個流程中相互影響，促成最終的結果。系統的主要構成有焊接設備、焊接母材、焊接材料、接頭設計、焊接準備、工藝參數等，各個部分構成了一個整體框架，如圖3所示。

圖3 系統數據庫框架

本系統以工藝數據庫為核心，串聯多個模塊，通過數據表可直觀查看各類數據，數據庫的數據源可以是工藝手冊，也可以是公司的生產工作實踐經驗總結。對于用戶而言，不論查詢亦或選用都極為方便。有助于充分利用數據，輔助用戶更好地進行工藝決策，滿足工藝卡設計需求。

3 工藝卡生成流程

工藝卡是生產設計的重要組成部分，關系著工藝質量等諸多方面，因此工藝卡的設計和工藝信息管理成為企業提高工藝設計效率和質量、增強企業競爭力的主要途徑之一[7]。

在該系統中，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計，焊縫位置與坡口形式很關鍵，填充好初始條件后，系統篩選是否具有類似備用模板，若有則用模板進行匹配，若無則進一步輸入焊接方法、焊接層數、焊接電流等工藝參數，具體工藝參數需由工藝人員進行填充，可參考工藝手冊及數據庫。填完后，進行簡單邏輯判斷，判斷方案是否可行，如不可行，則對方案進行修改。當判斷方案可行后，可生成工藝卡，以PDF或JPG等格式進行輸出，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 客戶端設計

客戶端程序是直接供工藝員使用的程序，功能為詳細設計鋼結構焊接工藝，通過簡介頁面直接訪問數據庫中的數據，最終經過評定生成工藝卡，進而進行指導生產。本系統客戶端程序具有以下功能：查詢已保存的工藝卡；查詢數據庫，獲得所需材料類別、性能等各項參數；選擇工藝卡模板，直接修改或導入參數；工藝員可以直接在客戶端頁面對數據庫進行增添、修改以及保存工藝卡。

4.1 登錄模塊

設計登錄模塊是出于安全考慮，避免數據異常遺失。且用戶登錄時后臺會留有記錄，方便應對每一次設計，主要職能有用戶信息、權限管理。用戶信息的主要功能是為用戶注冊，保存用戶信息。權限管理的功能是工藝決策系統為注冊用戶提供權限，用戶權限范圍為瀏覽基礎數據信息，如焊接母材、焊接材料等的特征信息，更新、補充、修正數據庫，對工藝卡生成功能的使用。

4.2 工藝設計模塊

焊接工藝設計方案多種多樣，某項數據的變化均會導致焊接產品不同，因此，焊接工藝的設計十分靈活。在傳統的焊接領域中，焊接工藝設計方案均由相關技術人員依據自身經驗制定，這就對技術人員提出了很高的要求。然而由于工作量大以及技術人員的局限性，不可避免地就會出現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界面，諸如焊接材料選用模塊界面、接頭設計選用模塊界面、焊接前準備選用模塊界面等多個界面。因為焊接是一個復雜的行為，操作過程中需各方面相互配合，對于焊接CAPP系統來說，需要有一個完整明確的配合解決方案，因此設計時必須考慮每個因素，并且考慮系統的可擴展性。通過對系統功能的分析，得到如圖5所示的系統功能圖，該系統模塊豐富，覆蓋面廣，具有強通用性。而在進行工藝設計時，雖然鋼結構焊接工藝有一定設計順序，但經過考察，諸多資深工藝員往往不太注重這個順序，有獨屬于自己的一套工藝設計流程，因而為了避免操作僵硬化，設計客戶端可以不按某種既定順序進行設計。此外，利用該系統工藝員可查詢工藝參數，并可將查詢結果填入預備工藝卡中。填充完所需信息后可選擇保存或打印，從而保存數據或獲得工藝卡。操作簡單，便于工藝員使用。

圖5 系統功能圖

4.3 查詢模塊

系統查詢有如下2種方式：①直接瀏覽目錄，查看所有材料資料；②直接搜索目標名稱或牌號，可以快速定位，找到后可以查看目標各項數據信息。

5 結語

以SQLServer為數據庫管理系統，以VS2017為開發工具，使用C#開發語言，設計開發了基于BIM平臺的鋼結構焊接CAPP系統。該系統已實現了工藝參數的有效流轉交互，充分利用數據庫信息，并創造了良好的人機交互環境，提高了數據管理及分析效率、工藝設計效率，從而減少工藝設計中人為錯誤，為鋼結構焊接提供一個良好的操作環境。