基于BIM技术的钢结构焊接CAPP系统＊

郑德宏，张家诚，黄 旭，周井鑫，郝欣羽，徐云恺

（福建工程学院机械与汽车工程学院，福建 福州 350118）

近年来，中国基建能力不断提高。现代工程中，钢结构对于提升施工速率意义重大，是当前工程施工中非常重要的一种结构。然而钢结构焊接较为复杂，目前多数情况下仍依赖于一线工人的个人技术。因此，为了在保证施工质量的同时提升施工速率，对钢结构焊接CAPP系统进行了研究。

国外CAPP的研究始于20世纪60年代后期，第一个CAPP是挪威1969年推出的AUTOPROS系统[1]，商品化AUTOPROS系统于1973年被正式推出。20世纪60年代末70年代初美国开始研究CAPP，1976年由CAM-I公司推出颇具影响力的CAM-I'S Automated Process Planning系统，成为CAPP发展史的里程碑[2]。中国对CAPP的研究始于20世纪80年代初，1982年同济大学推出了派生式系统TOJICAPP，随后许多大学和研究机构兴起了研究CAPP的热潮[3]。

现今国内焊接CAPP系统逐步发展，增强了许多功能，设计种类增多，除设计工艺外，还能进行工艺文件管理，人机界面更为友好。但仍有许多不足之处，譬如系统智能化融入不高，没能充分利用焊接信息库，系统的数据信息库可扩充性、柔性差。对于多数CAPP系统，只有设计者知道其内部的知识存储方式、应用推理方式、选择方案的优化方式，用户根本无法知道也无处知道，因此用户无法根据实际需要更改系统的一些既定规则以满足自己的需要[4]。因此在绝大多数情况下还是会出现偏差，实际应用时依赖前线人员的判断。

1 焊接CAPP系统总体设计

目前，国内的CAPP研究领域的主流思想是CAPP工具化。其主要内容是CAPP系统是将工艺人员从许多烦琐重复的工艺工作中解放出来的一种工具自动化，但不是CAPP系统的唯一目标，实现CAPP系统以人为本的宜人化操作、自动统计汇总工艺信息、与CAD/ERP/PDM系统信息集成及具有良好的开发性与集成性是工具化CAPP系统研究和推广应用的主要目标[5]。

钢结构焊接工艺是一门需要长久积累经验，并根据情况所需灵活调用相关理论才能解决问题的技术。在设计钢结构焊接的过程中，会涉及许多模糊知识（即非定量化的知识，如焊接温度与降温时间相互补偿等）。此类模糊知识的运用需要依赖技术员的现场判断，若将其定量化，易导致柔性不足，且使数据库烦琐冗杂，难以设计出最佳的匹配方案。因此可知，CAPP系统具有良好的人机交互性操作界面，才能使工艺设计更加贴合实际，设计规则更加灵活且更具编辑性，注重软件的实际效果以及数据的整洁规范，使设计与管理一体化，而不是做出一个可套模板的计算公式。

对企业钢结构焊接技术投入生产的实际情况进行考察，与管理、操作生产工艺的工艺员进行沟通，根据详实情况开发了基于BIM平台的钢结构焊接CAPP系统。该系统有6个模块，即用户管理模块、文件操作模块、工艺设计模块、工艺管理模块、输出输入接口模块以及帮助模块，如图1所示。各模块有各自的职能，在工艺设计过程中又相互关联，旨在通过模块功能界面充分利用数据库信息，创造良好的人机交互环境，在继承原有优点情况下，使该系统的数据信息库具有良好的可扩充性与柔性。

图1 CAPP系统结构设计

2 数据库

2.1 数据库的设计

现代企业在应用任何一项技术时，都对数据的安全性有着较高的要求。钢结构焊接技术数据量大，且设计规则逻辑复杂，为了处理数据间的复杂关系，最终采用BIM技术，以提高集成化、工作效率，实现可持续发展。

BIM（Building Information Modeling）技术是一种可应用于工程设计、建造、管理的数据化工具，整合建筑的数据化、信息化模型，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，使工程技术人员对各种建筑信息作出正确理解和高效应对，为设计团队以及建筑、运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用[6]。

合理的数据库设计是钢结构焊接CAPP系统设计的关键因素。需依实际需求，根据不同的生产工艺特点以及相关标准，建立具有完整约束性且符合需求的数据库。以焊接材料为例，焊接材料具有焊材种类、焊材牌号、力学性能等属性。往往想要知道一种焊材的力学性能需要通过牌号来进行查询，所以为了提高效率，往往将牌号与性能放入一个表格中。数据库中还存储焊接材料、焊接种类、工艺参数等信息，为系统实现信息查询、归纳以及修改等工作提供支持，将对车间、设备、夹具、刀具、量检具辅具等建立数据库，工艺人员在生成工艺卡片的过程中可以直接在功能模块页面中进行查看、调用，省去翻阅文件和输入的时间，从而避免重复性劳动，提高效率。而数据库的更新、补充及修改可由用户完成，具有灵活性。

2.2 数据库中表的建立

Microsoft SQL Server2008中有2种创建表的方式，即直接采用表设计器创建数据表和采用代码创建数据表。该钢结构焊接数据库系统直接采用表设计器。焊接材料库数据如图2所示。

图2 焊接材料库数据

2.3 数据库数据框架

建立工艺数据库旨在能够更加科学、合理地管理和维护工艺数据，为工艺管理、制造信息系统提供大量真实、可靠的数据，从而实现数据的共享。而该系统基于BIM平台的钢结构焊接CAPP系统，采用关系型数据库结构建立数据库。诸多步骤相互紧密关联，各个因素在整个流程中相互影响，促成最终的结果。系统的主要构成有焊接设备、焊接母材、焊接材料、接头设计、焊接准备、工艺参数等，各个部分构成了一个整体框架，如图3所示。

图3 系统数据库框架

本系统以工艺数据库为核心，串联多个模块，通过数据表可直观查看各类数据，数据库的数据源可以是工艺手册，也可以是公司的生产工作实践经验总结。对于用户而言，不论查询亦或选用都极为方便。有助于充分利用数据，辅助用户更好地进行工艺决策，满足工艺卡设计需求。

3 工艺卡生成流程

工艺卡是生产设计的重要组成部分，关系着工艺质量等诸多方面，因此工艺卡的设计和工艺信息管理成为企业提高工艺设计效率和质量、增强企业竞争力的主要途径之一[7]。

在该系统中，工艺卡生成的流程如图4所示。首先，需人工确定焊接母材与焊接材料的种类以及接头设计，焊缝位置与坡口形式很关键，填充好初始条件后，系统筛选是否具有类似备用模板，若有则用模板进行匹配，若无则进一步输入焊接方法、焊接层数、焊接电流等工艺参数，具体工艺参数需由工艺人员进行填充，可参考工艺手册及数据库。填完后，进行简单逻辑判断，判断方案是否可行，如不可行，则对方案进行修改。当判断方案可行后，可生成工艺卡，以PDF或JPG等格式进行输出，并可选择是否要将该工艺卡作为模板储存，供多次使用。

图4 工艺卡生成流程图

4 客户端设计

客户端程序是直接供工艺员使用的程序，功能为详细设计钢结构焊接工艺，通过简介页面直接访问数据库中的数据，最终经过评定生成工艺卡，进而进行指导生产。本系统客户端程序具有以下功能：查询已保存的工艺卡；查询数据库，获得所需材料类别、性能等各项参数；选择工艺卡模板，直接修改或导入参数；工艺员可以直接在客户端页面对数据库进行增添、修改以及保存工艺卡。

4.1 登录模块

设计登录模块是出于安全考虑，避免数据异常遗失。且用户登录时后台会留有记录，方便应对每一次设计，主要职能有用户信息、权限管理。用户信息的主要功能是为用户注册，保存用户信息。权限管理的功能是工艺决策系统为注册用户提供权限，用户权限范围为浏览基础数据信息，如焊接母材、焊接材料等的特征信息，更新、补充、修正数据库，对工艺卡生成功能的使用。

4.2 工艺设计模块

焊接工艺设计方案多种多样，某项数据的变化均会导致焊接产品不同，因此，焊接工艺的设计十分灵活。在传统的焊接领域中，焊接工艺设计方案均由相关技术人员依据自身经验制定，这就对技术人员提出了很高的要求。然而由于工作量大以及技术人员的局限性，不可避免地就会出现一些不尽如人意的地方[8]。

该模块为工艺员生成工艺卡提供了多个界面，诸如焊接材料选用模块界面、接头设计选用模块界面、焊接前准备选用模块界面等多个界面。因为焊接是一个复杂的行为，操作过程中需各方面相互配合，对于焊接CAPP系统来说，需要有一个完整明确的配合解决方案，因此设计时必须考虑每个因素，并且考虑系统的可扩展性。通过对系统功能的分析，得到如图5所示的系统功能图，该系统模块丰富，覆盖面广，具有强通用性。而在进行工艺设计时，虽然钢结构焊接工艺有一定设计顺序，但经过考察，诸多资深工艺员往往不太注重这个顺序，有独属于自己的一套工艺设计流程，因而为了避免操作僵硬化，设计客户端可以不按某种既定顺序进行设计。此外，利用该系统工艺员可查询工艺参数，并可将查询结果填入预备工艺卡中。填充完所需信息后可选择保存或打印，从而保存数据或获得工艺卡。操作简单，便于工艺员使用。

图5 系统功能图

4.3 查询模块

系统查询有如下2种方式：①直接浏览目录，查看所有材料资料；②直接搜索目标名称或牌号，可以快速定位，找到后可以查看目标各项数据信息。

5 结语

以SQLServer为数据库管理系统，以VS2017为开发工具，使用C#开发语言，设计开发了基于BIM平台的钢结构焊接CAPP系统。该系统已实现了工艺参数的有效流转交互，充分利用数据库信息，并创造了良好的人机交互环境，提高了数据管理及分析效率、工艺设计效率，从而减少工艺设计中人为错误，为钢结构焊接提供一个良好的操作环境。