李帅-化工容器WCAPP系统的设计与实现.doc

摘 要本文根据钢制压力容器焊接工艺规程（ jb/t4709-2000）、钢制压力容器焊接工艺评定（jb/t4708-2000）、钢制压力容器产品焊接试板的力学性能检测（jb/t4744-2000）等相关标准，针对化工容器制造企业中目前存在的问题，进行了调研和分析，在进行了相关工艺试验的基础上，提出了wcapp系统设计思想，确定了系统的总体框架以及各模块的主要功能。使用microsoft sql server 2000设计实现了数据库的建立，利用visual c+ 6.0等工具进行了系统界面设计以及各模块功能的实现。测试表明，该系统运行平稳可靠，实用化程度高，较好地满足了企业的需要。本文对提高wcapp系统实用化程度所做的有益探索，对提高企业工艺设计的效率和质量，促进企业信息化建设有现实意义。关键词：化工容器 焊接工艺capp数据库abstrctin this paper, not only the ideas of wcapp system designing are brought forward, but the system framework and corresponding module function are presented, using microsoft sql server 2000 as a tool of building database, and visual c+ 6.0 as a language of programming, according as corresponding national standards such as jb/t4709-2000, jb/t4708-2000, and jb/t4744-2000. the system is stable and reliable after testing. the practicality degree is improved. it can be satisfied with the basic demands of enterprise. useful explore has been done to improve the practicality degree of the wcapp. it can improve the process design efficiency and quality and it has reality signification to promote the information construction in the enterprises.key words: chemical container，welding process，capp，database南京理工大学硕士学位论文 化工容器wcapp系统的设计与实现目 录摘 要1abstrct2目录31 绪论51.1 在企业中实施capp系统的意义51.1.1 传统工艺设计中的问题51.1.2 计算机辅助工艺设计的优势51.2 capp的基本原理和设计方法71.2.1 capp的基本原理71.2.2 capp的设计方法71.3 capp的发展在焊接领域的应用91.3.1 capp的发展历史91.3.2 capp的发展趋势101.3.3 wcapp 的研究现状和发展前景101.4 wcapp适用于化工容器制造行业的特点121.5 课题来源131.6 课题的理论意义和应用价值132 wcapp系统的整体设计142.1 wcapp系统需求分析142.2 wcapp系统的整体设计152.2.1 产品信息模块152.2.2 工艺自动生成模块172.2.3 档案管理模块172.2.4 数据库系统设计172.3 wcapp 软件系统的性能分析182.3.1 精度要求182.3.2 时间特性要求182.3.3 灵活性要求192.4 wcapp 软件系统的运行分析193 wcapp的工艺数据求解过程203.1 术语介绍203.2 评定规则203.3 工艺推理流程204 wcapp的系统实现244.1 系统登录244.2 信息输入254.3 推理规则的维护及工艺推理284.4 工艺数据管理与输出304.5 焊工档案管理334.6 数据库实现345 wcapp 软件系统的测试365.1 软件系统的测试的基本概念365.2 wcapp软件系统测试过程举例386 化工容器制造工艺数据的获得406.1 工艺试验的准备406.2 工艺试验过程及数据记录406.2 试验结果分析40结论41致 谢42参考文献43附录147附录2551 绪论wcapp（computer aided process planning for welding:焊接工艺计算机辅助设计）是capp（computer aided process planning:计算机辅助工艺设计）技术在焊接领域的应用；是企业应用cims（computer integrated manufacturing system:计算机集成制造系统）中，连接cad（computer aided design：计算机辅助设计）和cam（computer aided manufacturing：计算机辅助制造）不可或缺的重要环节；是计算机集成制造领域中的重要方向，也是企业信息化建设的关键内容1-6。1.1 在企业中实施capp系统的意义1.1.1 传统工艺设计中的问题工艺设计需要处理大量的信息，包括查阅资料和手册，这是一个极其耗时又需要极大的耐心的工作。手工工艺设计存在以下几方面的问题7：1）由于每个工艺人员的经验有限，习惯不同，技术水平也不一样，所以手 工工艺设计一致性差、质量不易稳定、难以达到优化目标和不便于工艺 设计的标准化。国外曾有人做过试验，将一个最简单的零件交给四个具有不同经验的工艺人员设计工艺规程，结果得出四种不同的工艺设计方案；2）手工工艺设计设计效率低下，存在大量的重复劳动；3）手工工艺设计不便于计算机对工艺技术文件进行统一的管理和维护；4）手工工艺设计不便于将工艺专家的经验和知识集中起来加以区分地利用；5）当代机械制造领域中，由于新工艺新技术的飞速发展，社会需求趋向多样化。市场竞争激烈，迫使产品更新周期日益缩短。多品种小批量生产的企业大量加，尤其是化工容器制造行业更是如此。制造系统正逐渐从刚性（高效率的大批量生产模式）向柔性（高效率多品种小批量生模式）转变，这要求将计算机贯穿于产品策划、设计、工艺规划、制造与管理的全过程。1.1.2 计算机辅助工艺设计的优势显然，传统的手工工艺设计方法已经不能满足日趋激烈的市场竞争和社会需求多样化。随着计算机在制造型企业中的应用，通过计算机进行工艺的辅助设计已成为可能，计算机辅助工艺设计的应用将为提高工艺文件的质量，缩短生产准备周期，并为广大工艺人员从繁琐、重复的劳动中解放出来提供一条切实可行的途径。应用计算机辅助工艺设计的必要性已被越来越多的企业所认识，选取一个适宜本企业生产及管理环境的capp系统不但能充分发挥计算机辅助工艺设计的优越性，更能为企业数据信息的集成及管理打下良好的基础。计算机能有效地管理大量数据，进行快速、准确的计算，进行各种形式的比较和选择，自动绘图，编制表格文件和提供便利的编辑手段。总结起来，在企业中实施capp 的益处主要表现有以下几点：8-131) 缩短产品设计周期、提高产品质量 应用capp技术将缩短设计周期，对修改和变更设计快速做出响应；工艺人员的经验能够得到充分的积累和继承；减小编制工艺文件的工作量和产生错误的可能性并为建立计算机制造系统打下基础2) 规范工作、优化生产过程企业通过深入、广泛地应用capp技术，可以将工序名称、标准文件、使用说明等归纳总结为常用术语，并实现入库管理，工艺员在设计工艺时可进行动态检索选取或约束选取。这一方面提高了工作效率，另一方面也最大限度地减少了手工方式的随意性造成的影响，逐步提高了工艺的规范化、标准化程度，从而不断地理顺工艺工作流程，优化工艺设计过程。 3) 动态技术支持、实现产品协同设计； 借助于capp的动态关联知识库功能，工艺人员在设计工艺时可以随时查询、利用知识库中已有资源；同时，利用系统的动态知识获取技术可将典型工序、工装设备等数据随时入库，以供其它工人艺人员或其它工艺使用，同时也可检索其它分厂的资源配置状态，为工艺设计提供可靠依据；另外，对于跨分厂的混合加工工艺规程可分开并行编制，然后由系统进行按需合并。 4) 信息检索方便、快捷；利用系统的查询检索模块，项目负责人、部门领导和总工艺师可随时通过网络了解项目进展状况和工艺编制完成状态等信息。工艺信息汇总也变得简便易行，数分钟内就可统计生成各种所需清单，而从前需几个月才能整理出来的数据现在只需几个小时便可统计出来，极大地提高了信息获取速度。 5) 数据传递及时、准确； 由于各个分系统均在capp平台上运行，工艺信息采用数据库集中存储与管理，工艺人员可以及时获取材料信息，材料定额员可随时从工艺规程中提取材料信息，工时定额员可随时从工艺规程中提取工时信息，并且所有数据采用统一数据源，保证了数据的一致性、准确性，提高了信息的可重用性。1.2 capp的基本原理和设计方法1.2.1 capp的基本原理capp是计算机辅助工艺设计的简称，是应用计算机辅助制定工艺规划。人工进行工艺规划需要花费相当多的时间，但绝大部分时间用于重复劳动和填写表格，只有大约5%-10%的时间被用于实质性的工作。利用计算机的快速性和稳定性，capp系统不仅可以有效的提高工艺规划的效率，并且有利于工艺规划的标准化。作为cad（computer aided design:计算机辅助设计）和cam（computer aided manufacture:计算机辅助制造）的桥梁，capp是计算机集成制造领域中的重要方向，也是企业信息化建设的关键环节。与传统的工艺规划概念相比，capp系统不只局限于定义每个零件的加工次序及相关参数，它还关系到整个产品生命周期中的其它重要环节，比如，产品设计的可制造性评价，新工艺的研制，设备布置，生产管理等，有着广泛的应用前景。对于capp系统的基本要求是基于人工设计的过程及需要解决的问题而提出的，总结归纳起来可表述如下:首先，产品零件的数据信息应能利用，并建立零件信息的数据库；其次，工艺人员的工艺经验、工艺知识能够得到充分的利用和共享；第三，制造资源、工艺参数等以适当的形式建立制造资源和工艺参数库；第四，充分利用标准（典型）工艺生成新的工艺文件。根据capp的工作原理可以将其分为派生式、创成式和综合式三种类型，如图1.2.1所示。6，9，10，14图1.2.1 按照工作原理分类的capp系统1.2.2 capp的设计方法1) 派生式capp系统 派生式capp系统也叫检索式或变异式capp系统，它的基本原理是利用零件的相似性即相似零件有相似工艺规程。一个新零件的工艺规程是通过检索系统中己有的相似零件的工艺规程并加以筛选或编辑而成的。计算机内存储的是一些标准工艺过程和标准工序。从设计角度看，与常规工艺设计的类比设计相同，也就是用计算机模拟人工设计的方式，其继承和应用的是标准工艺。派生式capp系统必须有一定量的样板（标准）工艺文件，在已有工艺文件的基础上修改编制生成新的工艺文件。这种类型的capp系统比较容易实现，是目前企业中应用较多的一种，但是相对来讲专用性强，没有柔性。派生式capp系统使用范围有很大的局限性，只能针对某些具有相似性的零件产生工艺文件，无论是零件结构还是与工艺相关的某些因素发生变化，整个系统及其标准工艺过程和标准工序都要相应的发生变化。2) 创成式capp系统 创成式capp系统的工艺规程是根据程序中所反映的决策逻辑和制造工程数据信息生成的，这些信息主要是有关各种加工方法的加工能力和对象，各种设备及刀具的适用范围等一系列的基本知识。工艺决策中的各种决策逻辑被存入相对独立的工艺知识库，供主程序调用。向创成式capp系统输入待加工零件的特征信息后，系统能自动生成各种工艺规程文件，用户不需修改或者略加修改即可。创成式系统不需要派生式系统中的样板工艺文件，在创成系统中只有决策逻辑、知识库或规则，系统必须读取零件的全面信息，在此基础上按照程序所规定的逻辑规则自动生成工艺文件。从理论上讲，这是一种理想的工艺设计系统，但是由于目前知识表达和领域知识的获月等问题还没有得到很好的解决，再加上工艺过程设计本身应用背景多变的特点，目前还没有非常理想的创成式capp系统出现。3) 综合式capp系统 综合式capp系统是将派生式、创成式结合在一起综合而成的。从上面的叙述可以看出，派生式capp系统和创成式capp系统各有自己的局限性:派生式capp系统必须有样板文件而导致适用范围小，只能针对某些相似零件簇产生工艺文件，而在一个企业中这种零件只是一部分，那么其它零件的工艺文件就无法用派生式capp系统解决；创成式capp系统虽然基于知识库和逻辑推理自动生成工艺文件，但需输入全面的零件信息，包括工艺加工的信息。信息需求量大而全面，系统要确定零件的加工路线、定位基准、装夹方式等，从工艺设计的特殊性及其个性化分析，这些知识的表达和推理在目前还无法很好的实现；正是由于知识表达的“瓶颈”与理论推理的“匹配冲突”至今无法很好地解决，自优化和自完善功能差，capp的专家系统方法仍停留在理论研究和简单应用的阶段。因此，在实际应用中，往往将派生式capp系统和创成式capp系统揉合在一起，充分发挥两者的优势，使capp系统具有更多的功能和更强的适应性。 此外，根据capp系统的适用范围可以分为专用型capp系统、通用型capp统和远程协同制造capp系统；根据开发方法可以分为使用word, excel, autocad等二次开发的capp系统、利用常规的数据库管理系统；使用form, report或用autocad绘制工艺卡片的capp系统，注重卡片的生成，但工艺数据的管理功能较弱的capp系统；采用“所见即所得”的交互式填表方式加上工艺数据管理capp系统。15-191.3 capp的发展在焊接领域的应用1.3.1 capp的发展历史对capp技术的研究始于20世纪60年代末。世界上最早研究capp技术的是挪威和前苏联等，而具有里程碑意义的则是美国国际性组织cam-i在1976年研发的capp（cad-is automated process planning）系统。国内对capp技术的研究始于20世纪80年代初，最早的capp系统是同济大学的派生式tojicapp系统和西北工业大学的创成式caos系统。自从第一个capp系统诞生以来，各国对使用计算机进行工艺的辅助设计进行了大量的研究，并取得了一定的成果，目前，按照传统的设计方式capp可分为以下四类:检索式系统、派生式（variant）系统、创成式（generative）系统、综合式（hybrid）系统。当前开发的capp系统大多是综合式（hybrid）系统，即综合利用两种以上的capp系统模式开发的系统。经过三十多年的历程，国内外对capp技术进行了大量的探讨与研究，无论在研究的深度上还是广度上都取得很大的进展:1) 在设计对象上，所涉及的零件从回转体零件、箱体类零件等简单零件到结构复杂的零件；2) 在所涉及的工艺范围上，从普通加工工艺到数控加工工艺，从机加工工艺到装配工艺、钣金工艺、热处理工艺和数控测量机检测过程设计等；3) 在系统功能上，从计算机辅助工艺设计技术“孤岛”，到满足集成系统环境需求的集成化系统；4) 在系统设计上，从单一技术到多种技术和决策功能综合模式；5) 在系统开发上，从单纯的学术性探索和技术驱动的原型系统开发逐步走向以应用和效益驱动的实用化、商品化系统开发。 capp技术从开始研究发展到目前已经有40多年的历史，这期间人们为了设计开发出实用的、柔性的、能很好的将个性化很强的工艺过程设计本身的复杂性、经验性同计算机辅助所能带来的自动化、网络化结合起来而投入了大量的人力物力，并且也取得了一定的成果，大量的采用新技术的capp系统都得到了研究和应用。但是从整个制造业信息化来看，capp仍是计算机辅助技术领域的薄弱环节和企业实施推广cims的瓶颈所在。从国内的应用情况来看，以派生式capp系统居多，其主要原因是正在开展或准备推行capp的工厂大多为几十年以上的老厂，产品类型比较固定，发展方向明确，并在多年的生产中积累了一定数量的切实可行的、稳定的产品工艺，在此基础上通过整理和完善，可以制定出派生式capp系统需要的产品典型工艺和确定各工艺要素的规则知识。总的来说，国内企业capp应用尚属起步推广阶段，成功应用capp的企业还不多见，但随着cad甩图板工程的结束，随着capp软件产品的不断成熟，capp应用需求日益迫切，越来越多的企业开始关注capp,酝酿、策划实施capp，这表明capp应用正在蓬勃兴起。20-231.3.2 capp的发展趋势经过30多年的研究与发展，结合整个制造业信息化的形式，目前capp系统的研究方向主要集中在智能化、柔性化、集成化和并行化等方面。capp系统的智能化和柔性化一直是众多研究者的实现目标，尽管近年来的capp系统都在不同角度对这两个问题给予了解决方案，但是其效果始终不够理想；随着企业信息化的全面展开和普及，集成化成了capp技术的重要研究方向；随着信息技术的不断发展和企业合作模式的改变，异地协同制造己经被提到了历史里程上，为了顺应这些变化，并行化成了capp技术的另一研究方向。以上所述各研究方向都可以用web技术方便的实现。web技术本身的开放性、网络化等特点可以方便的实现系统的集成、二次开发和远程协同制造等，而javascript、javaapplet, activex控件等技术加上web技术强大的搜索、查询功能使智能化的实现也比较可行。由此可见，基于网络的capp系统的开发和应用是必要的和必然的趋势。9，23，241.3.3 wcapp 的研究现状和发展前景焊接作为一种应用广泛的主导工艺，在capp/cam 中有其自身的特点和独立的体系。早期研制的capp系统主要集中在机械加工方面，以焊接结构件生产过程为主的capp系统还有待开发43，51。我们用wcapp来表示专门应用于焊接工艺设计生产的capp系统，以示与机加工的capp的区别43。国外，80年代中期陆续研究开发了焊接工艺规程数据库、焊接工程数据库，焊接工艺选择专家系统，焊接成本计算专家系统，焊接工艺设计专家设计系统等。但是大多数软件的应用覆盖面比较小，都集中在焊接结构制造中的主要环节-接缝焊接方面，没有用于整个焊接结构制造工艺的capp系统。我国对计算机在焊接生产中的应用工作始于80年代末11，对焊接结构件capp系统的研发还处于起步阶段，见诸报道的都是为特定企业的特定产品甚至零部件开发41。工作包括焊接工艺评定数据库，数值分析和数值模拟，如接头组织分析、热场分析、残余应力分析、热影响区氢扩散与聚集等方面，同时也进行了焊接技术准备工作的计算机辅助应用，如弧焊专家系统、零件工序流程编制系统、材料定额计算系统和工时定额计算系统等应用软件的开发，以及数控自动编程系统的开发工作。随着焊接制造技术的发展，如果继续沿用传统的焊接工艺评定编制方法和手工编制焊接工艺方法，无论在质量、周期、效益等方面都存在尖锐的矛盾43。a）编制工艺的技术准备周期长。不能及时地向生产部门和工艺部门提供完整、统一、科学的工艺技术文件，制约了生产计划和供应计划。b）经验水平和分析判断能力因人而异，所编制的焊接工艺评定指导书往往考虑不周而返工。c）工程技术人员要做大量的烦琐、重复性劳动，主要精力和时间消耗在编写工艺文件上，无法将精力致力于新工艺开发利用。d）焊接技术准备工作的传递层次多，工艺工时定额材料定额多人工作重复抄表，依次传递，差错增多。作为工业生产中最重要的材料成型方法之一，焊接的应用遍及了航天、造船、化工、电力、建筑、汽车、微电子等领域，其质量和可靠性直接关系到最终产品的性能与安全，其成本也在较大程度上影响到产品的最终成本。随着现代工业和现代制造业的高速发展，焊接技术起到了越来越重要的作用。为了能够提高焊接接头的质量和性能，一个至关重要的因素是正确地选择焊接参数，制定正确的焊接工艺，并严格执行焊接工艺44。但是焊接工艺的设计是很复杂的，对于不同的焊件和焊接要求必须编制相应的焊接工艺。很长一段时间以来，焊接工艺的编制与管理主要靠传统的手工方式完成。因而，在管理、检索、编制和保存焊接工艺等工作上，不但造成了大量的重复性劳动，浪费了焊接工艺人员的精力，而且时常造成不必要的人为失误，影响了生产质量和制造成本。因此，国内焊接工作者们早在20世纪80年代后期就在焊接工艺设计与管理中引进了capp技术11。而且可以预测wcapp的研究和应用在今后的焊接生产中的作用将会越来越重要。从现有的资料来看，国外典型的wcapp系统如表1.3.1所示。31-34表1.3.1 国外开发的wcapp系统名称开发者国家welding procedureselection programstone & webster engineering美国weld assistantkuhne cary and printy美国steam pipemarchwood engineering lab美国weldextechnical university of berlin德国saw-ship buildingenvironmentqueen university of belfast英国weld schedulerbabcock and wilcox美国expert robot weldingsystemsicard and levine美国weldgentwi英国国内有关wcapp的研究开始于80年代，研究较早的单位有哈尔滨工业大学、清华大学、上海交通大学、天津大学、华中科技大学等。近些年来国内对于焊接capp的研究有了长足的进步，开发了一些实用的capp系统，典型的如表1.3.2所示35-37表1.3.2 国内开发的wcapp系统名称开发者焊接工艺规程设计专家系统哈尔滨工业大学、哈尔滨锅炉厂弧焊工艺制定与咨询专家系统清华大学、燕山石化焊接工程的数据库及专家系统哈尔滨工业大学焊接结构织造工艺计算机系统清华大学压路机装焊capp系统清华大学焊接结构件装焊capp系统清华大学1.4 wcapp适用于化工容器制造行业的特点一般来讲，化工容器基本上都是由基座、筒节、封头、法兰等主要部分构成，因此不同产品之间在结构以及制造工艺上具有较大的相似性；从工作介质上讲，工容器大都具有易燃易爆、有腐蚀性强的特点，所以产品绝大多数都有抗腐蚀、抗压力等要求，并且要求较高。38从以上特点可以看出，化工容器的制造工艺、制造过程等要求极为严格，是发挥wcapp规范化特点的理想前提。因此化工容器制造行业是wcapp系统应用的理想行业。本文所要描述的就是针对化工容器制造行业进行研究和开发的一套wcapp系统。1.5 课题来源本课题为项目“化工容器焊接工艺设计wcapp系统开发”,合作单位是中国石化集团南京化学工业公司化工机械厂。1.6 课题的理论意义和应用价值 本文所开发的wcapp系统将对“数字化焊接”中的关键环节进行了有益的探索，为wcapp系统中的焊接工艺求解提供了解决思路。传统的焊接工艺设计模式对工艺设计人员的要求较高，并且设计周期较长，不利于新产品的开发。开发新一代的焊接capp系统，将大幅度提高焊接工艺编制的速度，缩短产品设计周期，有利于节约成本，加快新产品的开发，从而提高企业的市场竞争力；且对工艺编制人员的要求将相对降低；另外，该系统还将产品管理、工艺文件管理、焊工档案管理集成在一起，有助于工厂对各种档案实施有效的管理。57abstrctin this paper, not only the ideas of wcapp system designing are brought forward, but the system framework and corresponding module function are presented, using microsoft sql server 2000 as a tool of building database, and visual c+ 6.0 as a language of programming, according as corresponding national standards such as jb/t4709-2000, jb/t4708-2000, and jb/t4744-2000. the system is stable and reliable after testing. the practicality degree is improved. it can be satisfied with the basic demands of enterprise. useful explore has been done to improve the practicality degree of the wcapp. it can improve the process design efficiency and quality and it has reality signification to promote the information construction in the enterprises.key words: chemical container，welding process，capp，databaseabstrctin this paper, not only the ideas of wcapp system designing are brought forward, but the system framework and corresponding module function are presented, using microsoft sql server 2000 as a tool of building database, and visual c+ 6.0 as a language of programming, according as corresponding national standards such as jb/t4709-2000, jb/t4708-2000, and jb/t4744-2000. the system is stable and reliable after testing. the practicality degree is improved. it can be satisfied with the basic demands of enterprise. useful explore has been done to improve the practicality degree of the wcapp. it can improve the process design efficiency and quality and it has reality signification to promote the information construction in the enterprises.key words: chemical container，welding process，capp，databaseabstrctin this paper, not only the ideas of wcapp system designing are brought forward, but the system framework and corresponding module function are presented, using microsoft sql server 2000 as a tool of building database, and visual c+ 6.0 as a language of programming, according as corresponding national standards such as jb/t4709-2000, jb/t4708-2000, and jb/t4744-2000. the system is stable and reliable after testing. the practicality degree is improved. it can be satisfied with the basic demands of enterprise. useful explore has been done to improve the practicality degree of the wcapp. it can improve the process design efficiency and quality and it has reality signification to promote the information construction in the enterprises.key words: chemical container，welding process，capp，databaseabstrctin this paper, not only the ideas of wcapp system designing are brought forward, but the system framework and corresponding module function are presented, using microsoft sql server 2000 as a tool of building database, and visual c+ 6.0 as a language of programming, according as corresponding national standards such as 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