（机械制造及其自动化专业论文）面向产品配置的罐式集装箱焊接capp系统的研究与设计.pdf

硕士论文面向产品配置的罐式集装箱焊接c a p p 系统的研究与设计 摘要 m 川洲0 删m f l i i i 唧f i | i i y 2 0 6 12 5 9 为满足个性化、多样化的市场需求，保证产品质量和运行安全，本文提出了基于 p d m 产品快速配置的工艺设计系统。 首先针对企业产品设计和生产现状，以罐式集装箱产品族为研究对象，分析提出了 面向产品配置的焊接c a p p 系统的总体需求，并对系统进行了总体设计，包括功能模块 划分和系统数据库e _ r 设计；接着，为提高系统的灵活性，在功能模块的详细设计中， 提出了综合基于实例的工艺配置设计和基于规则的参数化工艺设计的混合焊接工艺设 计方法；为有效避免评价过程中的主观性和不确定性，提高整个焊接c a p p 系统的效率 和柔性，解决焊接工艺设计过程中焊接方法难以选择的问题，提出了基于模糊决策的焊 接方法优化配置模型；最后开发了面向产品配置的焊接c a p p 系统原型。 面向产品配置的焊接c a p p 系统解决了大规模定制企业面临的产品开发周期长、经 验难以共享的问题，大大提高了工艺设计效率。此外，本系统对各种固定压力容器、反 应釜、换热器等焊接产品的焊接工艺辅助设计同样适用。 关键词：罐式集装箱，焊接，产品配置，工艺配置，模糊决策 硕士论文 a b s t r a c t t bm e e tt h ei n d i v i d u a l i t ya i l dd i v e r s i t ) ro fm em a r k e t ，t ok e e pm ep r o d u c tq u a l i t ya i l d s a 危坝ap r o c e s sd e s i 盟s y s t e mo r i e l l 奴lt or a p i dp r o d u c tc 0 n f i g u r a t i o nb a s e do np d m i sp u t f 0 n a r d f i r s t l y ，b yi n v e s t i g a t i n gt h es t a t e - o f t l l e - 砒o ft h ee n t e 印r i s e ，t a l ( e i lt h ep r o d u c tf 狐i l y o f m et a l l kc o n t a i n e r 雒m eo b j e c to fs t u d y m eo v c r a l ld 锄肌do fm cw e l d i n gc a p ps y s t e m o r i 饥t e dt om ep r o d u c tc o n f i g 删o na r e 锄a l y z c d 觚dp r o p o s e d m o r e 0 v s y s t e i i l a t i c a l l y d 髓i g 【l so ft 1 1 es y s t e m ，i n c l u d i n gm o d u l e so ft h e 劬c t i o na 1 1 de rd e s i 弘o f d a t a b a u s ea r e 西v e n t h e n ，i no r d e rt 0i m p r o v et h ef l e x i b i l i t yo fm es y s t 锄，ai i l i x e dw e l d i n gp r o c e s sd e s i g n m e l o di sp r o p o s e d md e t a i lf i l n c t i o n a ld e s i g 玛m ep r o c e s sc o n f i g u r a t i o nd e s i 盟b a s c d0 l l c 船ea l l dm ep a r 锄e t r i cp r o c e s sd e s i g nb a s e do nm l e sa r es y n t h e s i z e d i i lo r d e rt oa v o i dm e g i i b j e c 缸v e 觚d1 1 1 1 c 叭a i n 够i nt 1 1 ep r o c e s so fc v a l u a t i o n ，t 0i m p r o v e1 1 1 ee m d e n c ya n d f l e x i b i l i 哆o fm ee i l t i r es y s t 咖，aw e l d i n gm e m o do p t i m i z e da 1 1 0 c a t i o nm o d e lb a s e do nf i l z z y d e c i s i o na l g o 删：1 i ni sp u t 向刑a r dt 0o v e r c o m em ed i 街c u l t i e so fs e l e c t i o no fw e l d i n gm e m o d 谢t b j n 血ew e l d i n gp r o c e s sd e s i 乳f 砌l y t l l ew e l d i n gc a p ps y s t e r i lp r o t o t ) ，p co r i 钮t e dt 0 t h ep r o d u c t c 0 n f i g u r a t i o ni sd e v e l o p e d 1 l l ew e l d i n gc a p ps y s t e m 嘶e n t e dt om ep r o d u c tc 0 施g u r a t i o ng r e a t l yi m p r 0 v e dt h e p r o c e s sd e s i g ne 伍c i e n c ya i l de 伍c i e n t l ya i l ds 0 1 v e d i cp r o b l 锄so fm a s sc u s t o m i z a t i o n e i l t 叩r i s e s ，s u c h 勰l o n gp r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e 趾dd i 伍c u l ts h 耐n go fe x p 丽e 1 1 c e i l l a d d i t i o i l ，t ：1 1 i ss y s t 钮la l s oc a l lb eu s e di nw d d i i l gp r o c c s sd e s i g no fo m e rw e l d i n gm 砹s 跚c h 嬲m ef i x e dp r e s 文】r ev 髓s e l ，r c a c t i o nk e 位l e 觚dh e a te x c h a l l g a n ds oo n 1 ( e y w o r d s ：t a l l ：kc o 吡i i n w e l d i i l 舀p r o d u c tc o n f i g u 枷o i l ，p r o c 懿sc 0 n f i g u r a t i o i l 缸z y d e c i s i o n 硕上论文面向产品配置的罐式集装箱焊接c a p p 系统的研究与设计 1 绪论 1 1 课题研究背景 随着全球经济一体化迅猛发展，国际市场竞争日益激烈，主要表现在：客户占主导， 需求多样化、个性化，产品上市周期要求更短，质量要求更高。企业纷纷从传统的以单 一产品大批量生产模式向能够适应多品种、单件小批量生产的大规模定制的生产模式转 变，其中罐式集装箱制造企业就是一个典型例子。如何缩短订单完成时间，及时提供高 质量、低成本的多样化产品，已成为面向订单进行产品设计和制造的企业所追求的目标。 通常影响企业订单完成时间的主要原因是产品设计和工艺设计的时间太长【l j 。为 此，企业在产品设计、开发、投产、资源管理环节中，不同程度的实施了c a d 、c a p p 、 c a m 和e i 强等系统来提高产品的开发效率，缩短订单交付时间，管理各过程产生的数 据。但是由于多数企业对以上的软件系统是分阶段实施的，缺少统一的集成平台，存在 着“信息孤岛 问趔引。企业在实施这些技术后，虽然在一定程度上缩短了产品各阶段 的局部开发时间，但还远未从整体上缩短定单完成时间。 产品配置技术是一种能够满足客户个性化、多样化需求，支持产品快速定制的有效 手段，已成为实现大规模定制开发设计的关键技术p 一。为此，国内外学者对产品配置技 术进行了多方面的研究，目前主要集中在配置模型的表达和配置问题求解算法方面，提 出了不同的产品配置设计方法【5 】。企业也纷纷采取措施，实施了以p d m 为平台的产品快 速配置设计系统，充分利用企业现有的各种资源，根据客户的个性化需求，基于产品和 产品结构的相似性、通用性，利用标准化、模块化等方法尽可能的减少产品内部多样性， 增加产品外部多样化，达到避免重复设计，进一步缩短产品开发周期的目的沁l 。然而目 前对产品配置技术的研究还仅仅局限于产品开发设计的前期阶段，对于作为连接产品设 计系统与产品制造系统桥梁和纽带的1 7j ，能够对产品质量、效率、成本以及生产周期有 着极大影响的c a p p 系统却很少有针对性的研究瞄】。 如何迅速组织和协调企业的现有资源，面向客户的多样化、个性化需求，从p d m 系 统中直接获取产品配置信息，并快速转变成工艺设计信息，解决企业各系统间信息孤立， 进一步缩短订单完成周期，提高产品工艺知识的重用率，实现工艺数据的共享和继承， 并降低生产成本己成为企业亟待解决的重要问题。 1 2 焊接c a p p 系统发展现状 焊接是罐式集装箱生产的关键工艺之一，也是现代工业生产中重要的加工方法。由 于其经验性强、影响因素性多、技巧性高，而且随生产批量、环境以及工装设备的变更 l 绪论硕士论文 而改变，长期以来，焊接工艺的编制与管理主要靠手工方式完成，极大地浪费了工艺人 员的精力和研究新工艺的时间，而且时常造成不必要的错误，影响产品的质量和成本1 9 j 。 因此，c a p p 技术在焊接领域逐步得到人们的重视，国内外都对其展开了相应的研究。 1 2 1 国外焊接c a p p 系统发展现状 在国外，对焊接工艺设计系统的研究起步较早，日、美、英、德等国相继对其进行 了相关方面的研究，主要包括：焊接工艺数据库、焊接工艺文件编制、焊接质量控制和 评价、系统的集成与并行设计以及焊接工艺参数的预测与优化等方面。 在焊接工艺数据库方面，在1 9 9 0 年，q u e e n ，d m 提出了将信息和质量管理系统与 计算机焊接工艺数据库管理系统相集成，从整体上提高了产品质量，减低了开发成本i l o j 。 1 9 9 7 年，s e w e l l ，p 等人在分析当时所有数据库的三大问题的基础上，提出了焊接工艺离 线决策系统的焊接工艺数据库设计方法，实时数据可以作为局域网的一部分存储在中央 单元中，能够更好的与离线焊接工艺设计软件相集成i 】。2 0 0 7 年，t u o v i i l e n 等人将焊 接工艺数据库与基于聚类算法的数据挖掘模块相结合，形成自适应数据库系统，可用降 低评估焊缝质量的难度，并使新的焊接工艺参数可以得到稳定的高质量焊缝l l2 。 在焊接工艺文件制定方面，1 9 8 9 年，j o l l i l s t o n 等人提出了一种“焊接手册顾问” 专家系统来模仿焊接工程师的知识，经人机交互选择出相应的焊接工艺【l 引。1 9 9 9 年， k ”k a b 等人提出了自动化焊接规划系统，系统根据零部件信息、零部件间的拓扑关系 以及装配的顺序，基于规则选择出合适的施焊位置、焊接方法、焊接设备和焊接材料， 并成功的运用到船体的分段装配当中1 1 4 】。2 0 0 4 年，e 1 d e m e l l a 哆提出了一种基于规则 的管道焊接工艺设计系统，通过人机交互的方式进行聊s 的编制，使其更容易、更灵 活、更快捷，另外，系统的数据库可以根据需要随时进行升级，具有明显的工艺和经济 优势f 1 5 】。 在焊接质量控制和评价方面，1 9 9 6 年，h y e o n g s o o nm o o n 等人提出了一种模糊神 经网络模型来选择焊接工艺参数，以改善和提高角接接头在横焊位置的焊接质量i l 制。 2 0 0 6 年，m 咖g a l l ，n 提出了利用不同的方法论来选择脉冲电流熔化极气体保护焊的各 项工艺参数，以保证得到具有良好的性能和质量的焊缝l l7 。2 0 1 0 年，o 诚，a b d e 础等 人提出了一种有效地在线人工神经网络来对电阻点焊进行质量评价，首先分析各焊接工 艺参数间的关系，然后利用神经网络来训练得到的实验数据，结果表明该模型能够很好 的对不同焊接条件下的点焊提供一个准确的在线焊接质量评估【l 引。 在系统集成和并行设计方面，1 9 9 1 年，m c e 、a n ，w 等人设计了一款基于知识和推理 的焊接装配工艺的专家系统，该系统利用参数化设计技术获得工艺设计所需的产品设计 数据，通过系统的推理运算制定最优的工艺方案【1 9 】。1 9 9 7 年，1 k s u n gy o o n 等人提出 了利用断点分解连接图形的方法，来进行焊接件的产品和工艺的并行设计，并根据检查 焊接件与焊工的移动空间、焊接变位机的旋转角度以及焊接坡口与焊接质量间的冲突来 2 硕士论文面向产品酉c 置的罐式集装箱焊接c a p p 系统的研究与设计 对焊接工艺进行评价1 2 例。1 9 9 8 年，y a o ，z 等人提出将聚类产品模型引入焊接产品的设计 和工艺规划过程中，开发出一套支持产品设计和工艺规划并行设计的智能软件，该软件 可用于焊接产品的配置、焊接位置的产生和选择、焊接工艺的选择和优化以及焊接工艺 次序选择1 2 l j 。1 9 9 9 年，k a u s e ，f 砌呔l o t h a r 等人通过焊接工艺系统与c a d 系统的标准 接口，获得产品设计数据，并利用模糊逻辑与特征技术相结合的综合决策算法完成焊接 工艺的规划【2 引。2 0 0 4 年，为避免因在产品设计阶段缺少可焊性评估而造成的难以施焊， 同时可以对焊件迅速改进设计，y o n 萄i nk w o n 等人研究了基于c a d 的决策支持系统一 一钣金焊接顾问( s m w 久) ，应用该系统不仅可以进行焊接件的并行设计，提高从设计 到焊接作业的整体效率，还可以自动生成最为经济的焊接工艺参数以及相关的相关生产 资料【2 3 】。 在焊接工艺参数预测与优化方面，1 9 9 6 年，1 1 1 一s 0 0 瞄m 等人提出了一种基于回归 分析算法的焊道高度预测智能系统，减少了焊接工艺试验的次数，提高了焊道高度的预 测精度1 2 4 j 。2 0 0 3 年，s e s h a n k ，k 等人利用了多层感知器( m l p ) 神经网络与广义向前反 馈的神经网络的综合人工神经网络模型，对铝合金直流脉冲钨极氩弧焊焊道的尺寸进行 了预测【2 引。2 0 0 5 年，碰s t i a l l s e n ，m 利用贝叶斯网络对不同根部间隙的角接头的焊接工 艺设计过程进行了建模，进过对该模型的测试，可以取得比一般人工神经网络更好的焊 接工艺参数1 2 6 j 。2 0 1 0 年，p e s s o 钆a n t o n i or o d o l f op a u i i n o 和d ef i g u e i r e d o ，m v 等人利 用正交设计法来选择镍合金覆层材料的熔化极气体保护焊的焊接工艺参数，减少决策表 中的冗余数据，提高了决策效率陬2 8 】。2 0 1 1 年，g o 姗h a m ，k n 等人提出了一种由模糊 自适应神经网络与基因遗传算法组合而成的智能算法模型，对发电机零部件钨极氩弧焊 的焊接工参数进行优化，得到了理想尺寸的焊道和理想宽度的热影响区域【9 1 。同年， p a v e n t l l a l l ，r 等人将响应面分析法( r s m ) 应用于不同类型的黑色金属和有色金属的摩 擦焊( f w ) 焊接工艺参数的优化上，可以得到具有最大拉伸强度的焊接接头【3 0 】。 此外各个研究所和企业还研究开发了不同的焊接工艺设计软件和工艺管理软件， 如表1 1 所示。 表1 1国外各个研究所开发的焊接工艺软件 l 绪论硕士论文 表1 1国外各个研究所开发的焊接工艺软件( 续) 1 2 2 国内焊接c a p p 系统发展现状 在我国，对焊接工艺设计系统的研究相对较晚，研究内容主要包括焊接工艺数据的 存储管理、工艺推理机的设计以及w c a d 厂w c a p p 软件集成等方面。 工艺数据的存储管理方面，研究内容主要集中在焊接工艺评定数据库、焊接工艺数 据库、焊材数据库、焊接母材数据库等。例如：2 0 0 0 年，魏艳红等人设计一种基于c s 的焊接工艺文件管理系统，可以对焊接工艺文件进行有效的管理，为焊接工艺评定提供 必要性判据【3 1 1 。2 0 0 2 年，赵义奎将c s 与b s 模式相结合，实现了数据库的网络化， 该数据库系统能够对焊接工艺数据进行有效地分类管理【3 2 j ；2 0 0 5 年，黄小叶等人开发 了焊接材料管理数据库系统，该系统对焊接材料数据进行了分类管型矧；2 0 0 8 年，张 向奎等人采用a s p 技术和网络数据库技术，设计了一套基于b s 结构的镁合金焊接数 据库系统，用户可以很方便的对数据库进行查询、编辑1 3 4 1 ；2 0 1 0 年，方平等人以o r a c l e 作为数据库管理系统，对焊接母材进行了管理，为焊接c a p p 的开发提供了数据基础【j 。 焊接工艺推理方面，从最初的人机交互设计到后来的基于实例和基于规则，直到目 前的基于人工神经网络和基于基因遗传算法以及它们间相结合的推理模型都进行了相 关的研究。例如：1 9 9 9 年，张若冰将基于实例的推理机制应用于汽车钢材点焊工艺设计 系统中，使焊接工艺的推理过程简捷、高划3 6 j ：2 0 0 2 年，王宸煜等人提出一种将基于 实例和基于规则相结合的推理机制，可以有效克服推理效率低，知识获取困难等缺点， 提高了点焊工艺设计的效率1 3 7 】；2 0 0 9 年，钟宇光等人根据船体焊接的特点，设计了用 于船体焊接工艺参数自动决策的b p 神经网络，把显示表达的焊接工艺规则转换为隐式 的网络权值，实现了船体焊接工艺参数的自动优选【3 8 】；2 0 1 1 年，l i i d 洫l v 提出了利用 一种带有方向权重和质心权重的双权重新型人工神经网络，对c 0 2 气体保护焊的焊接参 数进行优化，该算法将方向权重和质心权重同时映入网络模型，与传统的b p 神经网络 4 硕士论文 面向产品配置的罐式集装箱焊接c a p p 系统的研究与设计 和i 氇e 神经网络相比，迭代次数少、收敛速度快、计算精度高、陷入局部最优解的可 能性小，是一种可行的焊接参数优化模型【3 9 j 。 在系统集成和并行化设计方面，目前还主要停留在二维阶段。例如：2 0 0 0 年，哈尔 滨锅炉厂有限责任公司，研究开发c a d 与c a p p 集成系统，基本实现了企业信息化； 2 0 0 6 年，吴玲珑根据焊接结构设计和工艺的特点，提出了基于产品特征模型的参数化设 计原型系统，有效地缩短了产品开发周期，提高了企业信息化水平，改善了产品质量【4 0 】； 2 0 0 7 年，陈磊在a u t o c a d 2 0 0 0 的基础上，设计了一种面向用户界面的智能化焊接工艺 集成系统( i w p i s ) ，系统集专家系统、焊接工艺管理技术、图形处理和数据库技术于一 体，采用c s 模式，有效地实现了焊接工艺设计的标准化和规范化，缩短了工艺设计周 期，提高了工艺设计质量1 4 1 ；2 0 0 8 年，黄明珠为解决焊接机器人焊接c a d c a p p c a m 系统间的信息共享，提出了将焊接工件的造型分解为工件的造型和接头造型的思想，建 立基于特征的焊接接头装配模型，实现对产品特征信息数据库管理，为焊接 c a d c a p p c a m 系统的集成提供数据库支持【4 2 1 。 经过专家和学者多年的研究和探讨，焊接工艺系统已经在我国焊接领域获得了实际 应用，如表1 2 所示。 表1 2 国内己开发的部分焊接工艺系统 l 绪论硕士论文 由以上国内外焊接c a p p 系统的发展现状分析可知，现有的焊接c a p p 系统大多以单 个零部件为应用对象，没有站在可配置产品族的高度对焊接工艺设计提出技术支持，无 法满足以产品配置为核心的大规模定制焊接工艺设计系统要求，逐渐成为了企业信息化 建设的“瓶颈”和障碍。 1 3 关键技术研究现状 罐式集装箱产品种类繁杂、结构多样、定型产品少，属于典型的多品种、单件小批 生产。为满足个性化、多样化的客户需求，企业虽然实施了以p d m 为平台的产品快速配 置设计系统，实现了产品配置设计，但目前还没有与之对应技术的工艺设计系统，这势 必造成工艺设计信息与其它系统的脱节，阻碍了工艺信息的传递、共享和集成。因此， 研究面向产品配置的工艺系统，是大规模定制环境下的大势所趋。 1 3 1 产品配置技术研究现状 在大规模定制生产中，产品配置设计过程分为产品参数化模型开发和产品特征参数 配置设计两个阶段，在产品模型开发阶段，产品设计人员对企业已有的客户需求以及对 未来需求进行分析和预测，根据产品零部件结构和工艺的相似性建立可变型的产品族模 型，并提取变型特征参数( 包括：形状特征参数、尺寸特征参数，精度特征参数、材料 特征参数、技术特征参数等) 与模型相关联，形成完善的变型设计机制；在产品特征参 数配置阶段，设计人员在建立产品参数化模型基础上，通过调整产品参数配置界面中特 征参数值，来快速实现产品变型设计，以满足客户个性化需求。产品配置设计技术通过 对通用产品族的有效管理，能够实现内部系列化外部多样化，是大规模定制生产的关键 技术，因此受到国内外研究学者的高度重视，对其进行了大量研究。目前主要集中在产 品配置模型的表达和配置问题求解算法方面。 h e i l l r i c h 等人对配置过程中能量及资源的平衡进行了研究，提出了基于资源平衡的 配置方法【4 3 】。g r u s g e nh 等人提出了基于规则的配置方法，该方法知识的表达接近人的 思维方式，便于理解，但是对具有层次结构的配置模型有一定的表达困难，需要逐步进 行规则匹配，降低了推理效率问题】。l i nw 抽g 等人提出了一种基于动态约束问题的产 品配置方法，将产品的配置知识转换为组件或变量间的约束，直观方便，并且求解的效 率很高f 4 5 】。1 协os o i l l i n e n 等人提出一种通用的产品配置表示方法，将本体论引入产配 置设计过程中，用来表示和统一所有产品配置中的概念【4 6 1 。张劲松等人应用本体论的基 本概念对产品进行配置建模，给出了产品配置建模的一般过程【47 | 。张芬等人先是在2 0 0 5 年对大批量定制环境下基于产品族模型的产品配置设计方法进行了研究，分析了客户不 同需求对产品族的基本组成、可变因素和配置规则影响，并在此基础上建立了产品族模 型的通用结构【4 羽。2 0 0 8 年，在总结之前研究的理论基础上，分析了机械产品的特点和 6 硕士论文面向产品配置的罐式集装箱焊接c a p p 系统的研究与设计 约束类型，通过事物特性表来表达对象之间的约束、关联关系，进行产品配置参数化设 计【4 9 】。艾辉等人提出了一种以参数化配置单元为基本元素来构建产品结构的模型，该模 型将产品和零部件的特征信息统一来表述，并定义了基于参数的驱动规则，将产品配置 知识转化为特征参数问的约束关系，提高了产品配置求解的效率【5 。 在产品配置设计的应用研究方面，为满足大规模定制生产环境下，消费者多样化、 个性化的需求，开发出了一系列在线产品配置系统。个性化已经成为这个时代的主流， 从日常用品、手机到汽车，处处体现出个性化的产品配置需求。 就目前产品配置技术的研究与应用现状来看，主要是通过对产品包含的零部件进行 组合从而获得不同的结构产品，局限于对零部件的组合和产品拓扑结构的变型设计，难 以实现工艺配置设计和工艺变型设计。 1 3 2 工艺配置技术研究现状 为了实施开展大规模定制生产，可利用配置设计软件来进行定制化生产，许多专家 学者对产品结构配置和产品功能配置进行了研究，但对于c a p p 系统还很少进行针对性 的研究。直到2 0 0 0 年，德国的l r s t e ns c l l i e r h o l t 首次提出了“工艺配置 的概念，他 综合了产品配置和工艺设计的原理，利用与产品配置类似的工艺配置技术来解决产品工 艺设计问题，分析介绍了交互式工艺配置和自动化工艺配置的特点，并概述了工艺配置 系统在铝材轧制工艺中的应用实例，结果表明工艺配置能够有效地减少知识维护工作， 加快解决工艺规划问题的速度【5 1 1 。在此之后又有不少的专家学者对工艺配置技术进行了 研究。 刘明周等人针对企业产品数据管理系统与工艺数据管理系统间的“信息孤岛”问题， 建立以工艺配置为纽带的产品与工艺数据间的关联关系，实现产品数据与工艺数据的 集成管理1 5 引。王志伟和z h e n gl y 等人在综合分析产品配置和工艺设计的原理的基础上， 提出了一种支持工艺配置的多层次工艺知识模型，并在工艺准备系统中开发了工艺配置 子系统狰3 ，5 4 】。陆建华在分析产品信息特点的基础上，将产品的特征属性分为基本属性和 工艺属性，采用工艺属性工艺值的方法来描述产品工艺信息，构建了基于g b o m 的产品配置技术( 包括产品属性配置、工艺配置等) ，并以活动扳手的工艺配置为例进 行了验证【55 | 。王静等人在分析纺纱生产工艺特点的基础上，提出了基于层次分析法的纺 纱工艺配置方案优化模型，采用模糊法得到判断矩阵的最大特征根及其特征向量，从而 确定最优配置方案1 5 6 j 。徐辉等人针对机械柔性装配过程中物料追踪难的问题，建立了以 工艺配置为向导的产品追踪b o m 扩展模型，对面向m e s 的物料追踪方法进行了研究 【5 7 】 o 工艺配置过程反应的是对多个产品工艺路线的选择以工序的派生配置，从而形成工 艺路线结构树，而产品配置反应了对产品零部件组成结构和其他辅助设计特征的选择， 产品配置信息是产品整个生命周期各阶段的数据源，如何将产品配置数据与工艺配置数 7 l 绪论硕士论文 据、工装资源配置数据相关联，对它们进行集成化管理一直是c m s 领域研究的热点。 1 3 3 事物特性表技术研究现状 事物特性表( 德语为：s a c hm e d d e i s t e n ，英语为：t a b l l l a rl a y o u ：c so fa n i c l e c h a r a c t e r i s t i c s ，常简称为s m l ) 是为建立产品( 包括产品、部件、零件、设备及非物资 概念等) 的数据库对零件进行特性描述的一种面向字符的a s c i i 计算机文件【5 8 1 。它规定 了零件从对象组中表征和区分某个对象的决定性特性( 包括：几何、制造、功能、算法 等) ，也规定了表示特性数据的中性表格，方便在不同的系统之间进行数据交换【5 9 1 。利 用事物特性表不仅减少了零部件种类，提高了零部件使用频率，而且能够构建可变型模 块化产品模型，有效的支持零件信息的检索、更改、配置设计和变型设计。 在产品的不同层次，s m l 描述的内容不同，如在产品层次，他描述了产品的名称、 功能、适用范围、外形尺寸和重量等；如在部件层次，它描述了参与装配的各零件对象 的标识号以及各对象的基准点、数量、装配方式、装配顺序节点号等等：如在零件层， 它主要对零件尺寸、表面粗糙度、材料牌号、材料种类等等。此外事物特性表( s m l ) 还可以根据表中特性的标识号，建立起各对象间的关系( 包括父子关系、包含关系、从 属关系、排斥关系等) ，方便数据分类，分层次管理。 大规模定制生产的核心是如何利用相似性、重用性和全局性进行产品参数化建模、 产品配置设计和变型设计。s m l 根据产品特性的相似性，将产品进行系列化、标准化， 从而便于企业对产品数据的共享、重用和继承。合理建立事物特性表，不仅可以为产品 的配置设计和变型设计提供数据支持，而且能够有效地响应下游的工艺配置、工装资源 配置、人员配置等操作。可见，事物特性表技术的是解决面向大规模定制产品开发与设 计问题的有效手段之一，为此，许多国内外研究学者都对其进行了研究。 顾巧祥等人提出了基于事物特性表的参数化c a d 变型设计系统模型，并对产品族 典型模型的建立、产品事物特性表的建立和参数化变型机制进行了研究l 删。葛江华等人 针对中小电机装配工艺设计存在的问题，对以p d m 为平台的产品变型设计进行了研究， 提出了基于s 池的支持变型设计的四层产品结构，实现了电机装配工艺的快速变形设 计【6 1 】。钱晓明根据产品变型设计和产品配置设计的特点，采用面向对象的方法建立了产 品结构模型和事物特性表，通过参数化驱动技术实现了零件到部件的实例化1 6 2 j 。德国的 t o n s h o 成h k 针对企业不同系统产生的数据难以管理和传递的问题，提出了一种基于动 态事物特性表的面向对象的数据管理模型，该模型很好的解决了以上的问题1 6 引。丁敏峰 等人在分析事物特性表( s m l ) 技术的基础上，提出了一种基于系列化配置原理的产品设 计技术，研究了利用事物特性表将产品配置与工艺配置在同一配置表中存储技术，零件 工序简图的自动化生产技术等【6 4 1 。袁以明等人在电动工具产品结构特点的基础上，提出 一种基于事物特性表的电动工具产品变型设计的方法，对s o l i de d g e 的特征参数表进行 二次开发，将其与事物特性表相关联，最终实现了产品的快速变形设训】。为了提高产 r 硕士论文面向产品配置的罐式集装箱焊接c a p p 系统的研究与设计 品资源的重用率，史俊友提出了一种基于层次事物特性表的零件族层次模型，方便了对 零件族的管理和重用m j 。张芬等人提出了一种基于事物特性表的产品配置模型，该模型 在通用物料清单( g e n e r i cb i no f m a t e r i a l s ，g b o m ) 的基础上引入事物特性表，将产品 配置模型中的零部件抽象成构件类，每一个类中都封装一个定义了零部件各种特性的事 物特性表，将零部件间的关系转化为构件类中事物特性表的特性属性间的关系，便于产 品配置软件系统的开发和应用1 67 1 。 由以上对事物特征表的研究现状分析可知，s m l 的表现形式与应用软件无关，方 便方便在不同的系统之间进行数据交换，是能够将产品配置数据与工艺配置数据有效集 成管理的方法之一。 1 4 课题来源和研究内容 本课题来源于江苏省科技成果转化专项资金项目( b a 2 0 0 9 0 7 8 ) “大容量、智能型 气液态( 含深冷) 高效运储装备研发及产业化”的子项目“运储装备的数字化快速研发 与集成管理平台的详细设计 。项目由南京理工大学与南通中集罐式储运设备制造有限 公司合作完成。 南通中集罐式储运设备制造有限公司专业从事研究、设计、制造和经营各式罐式集 装箱、压力容器、核电装备、低温容器，是全球最大的液体罐式集装箱制造公司。目前， 公司提出并实施了产品族参数化产品配置设计平台系统，但是在工艺设计和管理方面， 还停留在利用a u t o c a d 进行填表式工艺设计，效率低下、经验性强、极易出错、难以 实现信息的共享和集成，成了企业信息化建设的“瓶颈 和障碍。 本课题就是在大规模定制的生产模式下，结合罐式集装箱焊接工艺的特点，在以 p d m 为中心的现代运储装备产品数字化研发平台上，研究开发一套面向产品配置的罐 式集装箱焊接工艺设计系统。以解决企业各系统间信息孤立，产品开发周期长的问题， 提高产品工艺知识的重用率，实现工艺数据的共享和继承。系统从p d m 系统中直接获 取产品配置信息，并快速转变成工艺设计信息，及时传递给c a m 和e i 冲系统，快速用 于生产计划与调度( p p s ) 部门指导生产。 本课题研究主要内容： ( 1 ) 研究分析了大规模定制生产环境下基于配置技术和c 肿p 技术的工艺配置技 术。 ( 2 ) 针对现有的焊接工艺数据和相关制造标准，结合企业产品设计和工艺设计现 状，分析了企业对焊接c a p p 系统的功能需求和信息需求。 ( 3 ) 根据企业需求分析，进行罐式集装箱焊接工艺制定所需要的数据库，方便信 息的管理、维护和查询。 ( 4 ) 根据企业产品设计与工艺设计的现状，结合工艺配置技术的原理，确定面向 9 l 绪论 硕士论文 产品配置的焊接c a p p 系统的总体功能结构以及模块划分。 ( 5 ) 提出采用基于实例和基于规则两种方式进行焊接工艺设计，解决将产品配置 信息快速转变成工艺信息的问题，从不同层次上对焊接工艺知识加以利用，提高了系统 的灵活性。 ( 6 ) 提出构建基于模糊推理的焊接方法优化配置模型，解决焊接工艺设计过程中 焊接方法难以选择的问题，将专家主观权重和客观信息熵权有机结合，为有效避免评价 过程中的主观性和不确定性，提高了整个焊接c a p p 系统的效率和柔性。 ( 7 ) 最后以s u a ls t i l d i o2 0 0 5 为软件平台，结合o r a c l e 数据库技术和m a t l a b 软件 进行了面向产品配置的罐式集装箱焊接工艺设计系统原型的开发。 1 5 论文的组织结构 全文分为六章，各章内容安排如下： 第一章：主要介绍课题研究背景，分析相关技术的研究现状，介绍课题的来源和主 要研究内容，最后阐述论文的结构安排。 第二章：结合企业产品设计和工艺设计现状，分析了对面向产品配置的罐式集装箱 焊接工艺设计系统的需求，确定了系统的总体结构和功能模块，并在此基础上对系统数 据库进行了概念设计和逻辑结构设计。 第三章：在总体设计方案基础上进行各功能模块的详细设计，对焊接工艺设计模块 进行了重点研究，提出了基于实例的工艺配置设计和基于规则的参数化工艺设计的混合 焊接工艺设计方法，从工艺文件和工艺参数两个不同层次对焊接工艺知识加以利用。 第四章：为有效避免评价过程中的主观性和不确定性，提高整个焊接c a p p 系统的 效率和柔性，针对焊接工艺设计过程中焊接方法难以选择的问题，提出了基于模糊决策 的焊接方法优化配置模型 第五章：介绍了系统的运行情况，包括系统管理模块、焊接工艺设计模块、焊接工 艺数据库维护模块、焊接知识的查询模块，基本满足了企业对焊接c a p p 系统的需求。 第六章：对课题的研究工作进行了总结，指出课题研究取得的成果与不足，并对今 后的工作进行简要的展望。 1 0 硕上论文 面向产品配置的罐式集装箱焊接c a p p 系统的研究与设计 2 系统需求分析与总体设计 为实现面向产品配置的焊接c a p p 系统，在分析企业产品族设计现状以及焊接工艺 设计流程的基础上，结合工艺配置技术的原理，提出了系统总体需求，并对系统进行总 体设计、功能模块划分以及系统数据库设计。 2 1 企业产品设计现状分析 2 1 1 产品零件族的划分 罐式集装箱的生产属于典型的多品种、小批量生产，其产品大部分结构都是由焊接 来连接为一体的，如筒节与封头、接管与壳体、法兰与壳体、人孔加强圈与壳体的连接 等等，是典型的焊接结构。在制造流程上，其产品的制造流程也具有很大的相似性，通 常有零部件制造、封头制造、筒节制造、壳体组焊、热处理、耐压试验及气密性试验等 工序；在产品的零部件的制造工艺上，同样具有很大的相似性，例如筒节的制造工艺， 通常有备料、下料、加工焊接坡口、卷板机卷圆、组对纵缝、焊接、探伤、校圆等工序。 为此公司根据罐式集装箱设计和制造特点，结合g t 技术，按照零件结构和制造工 艺的相似性，将罐式集装箱的零部件分成八大类即：筒节类、封头类、法兰类、管板类、 接头类、开孔类、支撑类、标准件类，如图2 1 所示。 b e 锄系类运输存储罐 筒节类ll 封头类ii 法兰类lf 管板类il 接头类li 开孑l 类i1 支撑类ji 标准件类 驸巨 吲吲引国吲h 吲斟 剖剖弘 2 1 2 产品编码结构设计 为了帮助企业产品配置技术的实施，需要将每个零件族有关的整个生命周期：产品 设计、工艺设计、产品生产、产品销售等方面的信息按一定的规则转成代码，方便计算 机识别、检索和系统共享。本文根据罐式集装箱零部件的特点设计出如图2 2 所示的基于 事物特性表的柔性编码体系结构，它由三部分组成：分类码、特性码和后缀。 吲圉酏 甲型平焊法兰一 2 系统需求分析弓总体设计硕卜论义 xxxxxxxxx 标准弓大类号中类号小类号 分类码 图2 2 基于事物特性表的柔性编码体系结构 产品族模型的核心码为分类码。分类码的主要作用是对产品和零部件进行分类，向 丌发设计人员和管理人员提供有效的分类检索手段。按照s m l 的g b t 1 0 0 9 1 1 9 5 要求， 构建4 段组成的分类码框架：第一段为标准编号，包括各种不同的企业标准，由两位编 码组成；第二段为大类编号，包括：罐箱成品类，容器类，连接类等，由两位编码组成； 第三段为中类编号，即产品族层，由两位编码组成，第四段为小类编号，由三位编码组 成。 产品标识码主要有分类码和特性码组成，独一无二地识别一个产品实例。特性码是 对每个产品实例每个特性的标识，包括尺寸、精度、材料等特性，产品实例的编码可以 继承产品族模型的分类码和后缀。同一产品实例的不同类型文档( 3 d 模型、2 d 工程图、 工艺规程等) 采用后缀区分。如图2 3 所示普通筒节的分类码。 标准编号编号描遮 磁件 o i菲标件 0 3 外 伴 9 9i 目l 伴 大类编号编号描述 0 1 超箱成品龚 0 ： 畜嚣奕 0 3连接英 9 9 i 鼬j 特臻件类 3 d c a d 饪型：o ( j 0 2 - 0 2 0 0 l _ 3 【) 2 dc a d 羹掣：0 0 0 2 0 2 0 0 i 2 d 一 l 由粪编号编号描述 0 l 滴节娄 0 2 封头娄 0 3接头类 9 9 小袭编号编号描述 0 0 1 蔷通简节 o o ： 带狠渣寓筒书 o 。3 9 9 9 图2 3 背通筒1 7 分类码 2 1 3 产品零件族配置设计 为能够有效支持产品零件族的配置设计，实现产品的快速设计，设计人员根据每个 类别的特点，利用三维设计软件p r o e 建立具有共同特征的通用产品族特征模型，对这些 产品族特征模型进行抽象，使用参数名和参数值来分别表征零部件族的特征和特征值， 采用事物特性表的形式对提取m 的产品特征参数进行描述，建立与产品族特征模型相应 的参数驱动规则，并利用数据库对参数化的零件族特性表和产品族特征模型进行存储。 硕士论文 面向产品配置的罐式集装箱焊接c a p p 系统的研究与设计 如图2 4 所示的甲型平焊法兰产品族参数化配置设计实例，设计人员通过配置从产品 族特征模型提取出的产品特征参数，利用参数化驱动技术，进行产品模型的实例化。 选择 7 参数化产 、品族模型 md ld 2嬲丑艄毪出蕾b 簋 n 场舡6 a l 特性名称外经内孑l 径小孔径厚度小盼布小孑l 熬璺榜| 獭号 董位嫩 盈匝曩班理匝e 盛 翻警l l 麴瓠 翁良j2 | 8秘l 掬!卷_ l 国目融 卯d 1 23 2 02 2 03 21 21 3 56 l c r 5 m o 翻酾瞬磅獭o盏的筠 一 1 5l 约霉 l c 警墨3 、参数化 实例6 0 0 l l 圆 参数化平焊法兰模型 图2 4 甲型平焊法兰产品族参数化配置设计实例 2 2 企业工艺设计现状分析 罐式集装箱的生产属于典型的多品种、小批量生产，其产品大部分结构都是由焊接 来连接为一体的，如筒节与封头、接管与壳体、法兰与壳体、人孔加强圈与壳体的连接 等等，是典型的焊接结构。焊接工艺质量的好坏直接关系到整个设备的安全运行，是罐 式集装箱生产制造过程中最为关键的工艺，因此本文着重对企业焊接工艺设计现状进行 了分析。 2 2 1 工艺设计流程 罐式集装箱产品设计完成后，需要经过总体工艺规划、下料工艺规划、机械加工工 艺规划和焊接工艺规划四个过程【6 8 1 。在进行总体工艺规划时，需根据焊接接头受力状态 及其所处的部位及位置，按照标准g b l 5 肛_ 2 0 1 0 ，进行焊缝的编号与施焊位置的安排， 如图2 5 所示。 1 3 爹 二特一 一么 一参数配 2 系统需求分析与总体设计硕士论文 a 1 ，a 2 ，a 3 一罐体的筒节纵向接头b 2 ，b 3 一罐体的简节环向接头 b 1 ，b 4 罐体的筒节与封头接头c l ，c 2 ，c 3 ，c 4 _ 法兰与接管连接接头 d l 一人孔与罐体连接接头d 2 ，d 4 ，d 6 ，d 8 一补强圈与罐体连接接头 d 3 ，d 5 ，d 7 ，d 9 接管与罐体连接接头e l ，e 2 ，e 3 ，e 4 一非受压元件与受压元件连接接头 图2 5 罐式集装箱焊缝布置图 为保证罐式集装箱的质量，对产品受压壳体上的各种焊缝施焊前，必须先对各种焊 缝编制相应的焊接工艺规程( w p s ) ，作为焊工作业和焊缝质量检查的主要依据。通常 焊接工艺规程，是由本企业资深的焊接工艺工程师针对于产品的装配图和焊件加工图上 的产品技术特征与要求，根据已积累的生产经验数据、钢材的焊接性实验报告、焊接工 艺试验总结以及焊接工艺评定报告，并结合国家和企业的相关标准，以焊缝为单位进行 手工编制。对于同一类型的接头，当采用相同的焊接方法，相同的焊接材料种类和牌号、 焊接温度、能量参数等重要工艺参数时，其焊接工艺可以用同一份焊接工艺规程来代替。 一份完整的焊接工艺规程，应当规定为焊接质量符合技术要求的焊缝的全部焊接参数， 具体包括：焊接方法、母材类别、厚度范围、焊接材料种类、牌号，规格、预热和后热 温度、热处理方法、焊接参数、接头形式、焊前准备、坡口形状等等1 6 9 j 。 在进行产品焊接工艺设计时