（机械工程专业论文）基于网络的焊接工艺设计专家系统的开发与应用.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文根据企业需求，研究、分析了国内外焊接工艺设计专家系统的应用现状，针 对原有焊接工艺设计专家系统的不足，根据多年的企业焊接工艺工作实践经验，制定 了重新设计、开发方案。 系统采用模块化原理进行总体结构设计，建立了功能和信息模型。根据焊接工艺 知识的表达特征，采用面向对象的框架式知识表达方式，建立了可视化的知识获取模 块，能方便焊接专家对知识库进行维护和扩充。采用正向推理机制开发的工艺设计模 块，通过多级推理和动态传递结论值，可得出合理的焊接工艺设计结果，保证了焊接 工艺的先进性。利用柳工的局域网和大型网络数据库管理系统建立的基于客户服务器 模式的数据库。能根据用户权限存储知识库的规则和存储、查询、编辑、打印焊接工 艺指导书，保证焊接知识的继承性和统一性。 通过一个典型焊接件的焊接工艺卡设计实例，验证了本专家系统能够智能设计焊 接工艺指导书，局域网的用户能通过系统查询功能得到焊接工艺规范，实现在c a p p 上设计焊接工艺卡。 通过系统的成功应用，实现了柳工大型焊接件的焊接c a p p 的智能化、网络化， 提高了缺乏焊接专业人员生产厂的产品制造质量和效率，使焊接专业技术人员能有更 多的时间、精力进行新技术、新工艺的研发工作，在保持同行业领先的基础上赶超国 际先进水平。 关键词：焊接工艺专家系统数据库客户服务器 华中科技大学顽士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , d e s c r i b e sa c c o r d i n g 弱r e q u i r e m e n to ft h i sm a n u f a c t o r y , t h ea c t u a l i t yo f e x p e r ts y s t e m sf o rw e l d i n gp r o e m sd e s i g na l ea n a l y z e do ni n t e r n a la n do v e r s e a s t h ep a p e r b r i n g sf o r w a r dt h ei m p r o v e dp r o j e c t sf o rt h ep r o b l e m so r i g i n a l l ya l le x p e r ts y s t e mb yt h e p r a c t i c ee x p e r i e n c eo f w e l d i n gp r o c e s sw o r ko nm u c hy e a r s t h es y s t e ma r ed e v e l o p e db ym o d a l m - i z a t i o n , t h em o d e l so ff u n c t i o na n di n f o r m a t i o n a l ec o n s t r u c t e d t h ep r o g r a m so f v i s u a lg a i n e dk n o w l e d g ea r ed e v e l o p e db yo b j e c t - o r i e n t e d f a s h i o no fb o x “e x p r e s s e dk n o w l e d g ew i t ht h ef e a t u r eo fw e l d i n gp r o c e s sk n o w l e d g e t h e k n o w l e d g eb a s ec o u l db em a i n t a i n e da n de x t e n d e db yw e l d i n ge x p e r t se x p e d i e n t l y t h e p r o g r a mo fw e l d i n gp r o c e s sd e s i g na l ed e v e l o p e db yp o s i t i v ei n f e r e n c e ，t h er e a s o n a b l e r e s i m so fw e l d i n gp r o c e s sd e s i g na r er e c e i v e db ym u t i l e v e l 加f e r e n c ea n dd ) ，n 锄i c d e l i v e r e dc o n c l u s i o n s ，a n da s s u l s u p e r i o r i t yo fw e l d i n gp r o c e s s t h ed a t a b a s e so ft h e s y s t e mb a s e d0 nc l i e n t s e r v e rs t r u c t u r ea 聆d e v e l o p e db yl a na n ds q ls e r v e ro fl i u g o n g i tc a l lc o n s e r v er u l e so ft h ek n o w l e d g eb a s ea n dc o n s e r v e ，d e m a n d ，e d i t , p r i n t 也ew e l d i n g p r o c e ( 1 u r cs p e c i f i c a t i o n ( w p s ) b yu s e r sa n t h o r i 瓴a n da s s u l c o n s i s t e n c ya n do n e n e s so f w e l d i n gk n o w l e d g e t h i sp a p e rd e s c r i b e sd e s i g ne x a m p l eo fw e l d i n gp r o c e s sd o c u m e n tf o rat y p i c a l w e l d m e n t , i tt e s t i f yt ot h i se x p e r ts y s t e mc a l ld e s i g n e dw p so ni n t e l l i g e n c e t h el a n su s 盯 c a nd e m a n dw e l d i n gp r o c e s sa n dd e s i g nw e l d i n g p r o c e s sd o c u m e n to nc a p e t h ew e l d i n gc a p po fg r e a tw e l d m e n ti nl i u g o n gb ep r o v i d e dw i t hp e c u l i a r i t yo f i n t e l l i g e n c ea n dn e t w o r ka st h es y s t e ma r eu s e d t h es y s t e mh a v ea d v a n c e dq u a l i t ya n d e l i i h e n c yo fp r o d u c tm a n u f a c t u r ef o rp r o d u c e df a c t o r yo faf e ww e l d i n ge n g i n e e r s ，a n d h a v eg o tw e l d i n ge n g i n e e r sm a d ee x p l o i t a t i o no fn e w t e c h n o l o g ya n dp r o c e s sw i t hm o r e t i m e sa n de n e r g yt oo v e r t a k ew o r l ds u p e r i o r i t yl e v e lb a s e do n k e p tt r a d ei e a d k e y w o r d s ：w e l d i n gp r o c e s s e x p e r ts y s t e m d a t a b a s ec l i e n t s e r v e r l i 独创眭声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：z 争f 日期：刎年肛月功日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学宦论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论 文的全都或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一一年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密回。 ( 请在以上方框内打“巾) 学位论文作者签名：琵旃丫 日期：弘绅年1 1 ，月埔曰 指导教师签名：御锄事 e t 期：p 哆年h 月喈日 华中科技大学硕士学位论文 一= = = = = = = = = = = = ；= = = = = i = = = ；= = = = = = = = = = ；= = = 1 1 课题开发背景 1 绪论 1 1 1 企业需求 广西柳工机械股份有限公司( 以下简称柳工) 是我国生产轮式装载机系列产品规 模最大、产量最多、设备最全、技术力量最强的大型一档企业，曾获全国优秀企业金 马奖、全国质量效益先进企业等荣誉称号，跨入中国机械行业1 0 0 强，是国务院确定 的5 1 2 户( 第一批) 国有企业之一，是国家重点联系的首批3 0 0 家国有大型企业集团 之一，有精大稀设备3 0 0 多台，其中具有国际先进水平的进口数控设备5 l 台套，具有 全国装载机行业的排头兵地位，拥有“柳工”品牌传统优势，主导产品为轮式装载机、 液压挖掘机、振动压路机三大类工程机械产品，共1 2 0 多个品种。2 0 0 3 年完成各种产 品销量1 1 9 8 4 台，销售收入2 5 7 亿元。 1 9 9 6 年底，柳工的c a d 工作通过了机械工业部的验收，成为全国机械行业的企 业中技术工作首先甩掉了图板的1 2 家企业之一，2 0 0 0 年7 月通过国家8 6 3 柳工c i m s 应用示范工程验收。柳工建立了企业局域网，将全公司近5 0 0 多台管理、技术用的微 机联网。 柳工已安装了开目c a p p 软件，公司内多种工艺文件( 工艺过程卡、机加工工序 卡、装配工艺和热工工艺卡等) 都采用开目c a p p 进行工艺设计，实现了工艺卡格式、 术语的标准化，方便了工艺技术文档的重复利用。 在工程机械产品中焊接是一项重要工艺，在我公司处于很重要的地位。大型焊接 件为主要自制件之一，柳工生产大型焊接件的车间较多，有结构件分厂、小装公司、 康达公司、附件公司等四个生产分厂。它们各自生产的大型焊接件虽然不同，但从焊 接工艺的角度来看是基本相同的。在总装分厂、驱动桥分厂、变速箱分厂、薄板件分 厂和液压件分厂也有部分焊接工序。 柳工实行的是工艺二级管理，机加工艺、装配工艺和热处理工艺由公司所属分厂 ( 结构件、总装、驱动桥、变速箱、热处理、薄板件和液压件分厂) 负责设计，制造 技术部负责公司的工艺管理和焊接、涂装和表面处理工艺设计。小装公司、康达公司 是股份公司的绝对控股公司，附件公司则是柳工集团公司的控股公司，它们的工艺则 自行负责设计。 由f 新材料和新焊接结构的焊接性需要通过焊接试验来确定，经过焊接试验后所 华中科技大学硕士学位论文 得到的各种焊接接头的焊接工艺指导书是指导焊接工艺设计和实施的重要文件一虽然 焊接件的焊接工艺卡采用开目c ：l i p 进行工艺设计，但其只是设计焊接接头在焊接件 上的位置、焊缝尺寸和焊接顺序，焊接工艺参数则是依据焊接工艺指导书来确定的。 由于制造技术部集中了柳工的优秀焊接技术人员，有很强的焊接研发能力，但只 负责设计股份公司内的焊接工艺。而小装公司、康达公司和附件公司的焊接技术力量 很弱，只制定一般焊接工艺，不能进行焊接试验，导致发生股份公司已解决的焊接质 量事故。他们追切需要一个焊接工艺设计软件，并通过柳工局域网实现资源共享，采 用股份公司的先进焊接工艺，提高焊接结构件的制造质量。 另外。随着我国各高校的专业改革，原本就很匮乏的焊接专业人员将更少，其中 大多数到了焊接设备、材料制造企业，其他产品制造企业只有l 2 名从事焊接专业的 工艺人员。如何使有着一定的共性知识但缺乏个性知识的年轻焊接工艺人员迅速掌握 依靠积累的经验知识的焊接技术是企业迫切需要解决的问题。 因此，柳工需要一个能存储现代焊接技术和柳工焊接实践的、能通过柳工局域网 实现资源共享的计算机辅助工程辊械焊接工艺设计软件。 1 1 2 课题开发来源 根据企业的需求和工艺技术发展规划，柳工于2 0 0 0 年立项开发柳工焊接专家 系统，确定了对项目的要求为： 在柳工已有的计算机硬、软件和网络条件下，能使柳工的设计、工艺技术人员在 各自的终端机上，查询焊接常识性知识和专家知识、设计焊接工艺指导书、管理焊接 工艺评定报告、辅助设计人员进行焊接件的设计和焊接成本计算。 应具备的功能： a ) 焊缝设计查询：产品设计人员通过输入焊接件产品的焊接母材最小板厚和选 择焊接接头形式，可查询得到焊接接头图和焊缝标注图。 b ) 焊接接头强度计算：通过输入焊接件焊接接头的截面尺寸、静蓑荷，可计算 焊接接头的静载强度。 c ) 焊接标准查询：通过菜单可查询包括焊接基础、焊接材料、焊接工艺和试验 检验等焊接标准。 d ) 钢材机械性能及化学成分查询：可以查询国内外各种钢材的化学成分及机械 性能和钢材牌号的对照。 e ) 焊接接头焊接工艺设计：焊接工艺设计人员通过输入焊接母材的材质、板厚、 焊接接头形式、焊缝形式、焊接方法等，得到可编辑、打印的焊接接头的“焊接：e 艺 指导书”。 2 华中科技大学硕士学位论文 f ) 焊接工艺评定报告管理：可输入、查询和管理柳工的“焊接工艺评定报告”。 叠) 焊接数据和信息咨询：可输入、查询和管理。焊接材料样本”和“焊接材料 厂家信息”。 h ) 焊接模型计算及知识查询：通过菜单可进行工艺焊接性间接预测法中的常规 模型计算，查询常用钢材的焊接c c t 图和化学成分。 i ) 焊接成本查询；通过输入一个焊接件的零件号，可通过柳工已有的数据库查询 到焊接件的焊接材料消耗量、焊接工时和焊接成本。 经过与华中理工大学、清华大学、上海交通大学和哈尔滨工业大学等有关对焊接 专家系统有一定研究的院校进行联系、洽谈、协商，最后确定与哈尔滨工业大学联合 开发柳工焊接专家系统。 由于哈尔滨工业大学原先已有的“计算机辅助焊接工程应用软件”大部分功能满 足柳工焊接专家系统的要求，只是其是单机版的。因此，需对其中的焊接工艺设 计专家系统进行重新开发，使之成为基于网络的焊接工艺设计专家系统。 1 2 计算机辅助工艺设计应用概况 1 2 1c a p p 的应用及发展趋势 ( 1 ) c a p p 的重要意义 传统上，工艺设计应由具有丰富生产经验的工程师负责。作为一个好的工艺设计 工程师必须具备：a ) 丰富的生产经验；b ) 熟知企业的各种设备的使用情况ic ) 熟知 企业内各种生产工艺方法；d ) 熟知企业内各种与生产加工有关的规范；e ) 熟知与生 产管理有关的各种规章制度；f ) 能与有关各方保持友好协作。 传统的工艺设计都是由人工进行的，这就不可避免的存在一些缺点n 1 ：a ) 对工 艺设计人员要求高；b ) 工作量大，效率低下；c ) 无法利用c a d 的图形、数据；d ) 难以保证数据的准确性；e ) 信息不能共享。 随着计算机在企业中的普及应用，计算机辅助工艺设计( c o m p u t e r a i d e dp r o c e s s p l a n n i n g 简称c a p p ) 技术得到迅速发展。用c a p p 代替传统的工艺设计对机械制造 业具有重要意义，主要表现如下： a ) 可以将工艺设计人员从大量繁重的、重复性的手工劳动中解放出来，使他们 能从事新产品的，f 发、工艺装备的改进及新工艺的研究等创造性的工作。 b ) 可以大大地缩短工艺设计周期，保证工艺设计的质量，提高产品在市场上的 竞争能力。 c ) 能继承有经验的工艺设计人员的经验，提高企业工艺的继承性，特别是在当 华中科技大学硕士学位论文 前国内外机械制造企业有经验的工艺设计人员日益短缺的情况下，它具有特殊意义。 d ) 可以提高企业工艺设计的标准化，并有利于工艺设计的最优化工作。 e ) 为适应当前日趋自动化的现代制造环节的需要和实现计算机集成制造系统 ( c i m s ) 刨造必要的技术基础。 正因为c a p p 在机械制造企业有如此重要意义，从6 0 年代开始迸行研究，到现 在已经得到重大的发展。 ( 2 ) c a p p 的分类 c a f p 系统就其决策知识的应用形式来分，其实现有常规程序和采用人工智能 ( a r t i f i c i a li n t e l | i g e n c e 简称a i ) 技术两种口。前者就是把工艺设计决策知识用决策表、 决策树或公理模型等技术来实现，其对工艺决策中不确定因素较多，入的经验与知识 起主导作用的工艺设计较难正确判断。而后者就是利用专家系统来解决此种工艺设计 的，其就是所谓的工艺设计专家系统或智能c a p p 系统。 ( 3 ) c a p p 的应用现状 目前，国内企业应用c a p p 系统的情况最具代表缝的有如下几种： a ) 部分企业的工艺设计仍然采用手工设计的方式，c a p p 的应用仍是空白。 b ) 部分企业在计算机技术和c a d 的应用较为普及以后，工艺设计成为企业的薄 弱环节。有些企业自己在w o r d 、e x c e l 或a u t o c a d 上绘制出工艺卡片的空白表格，在 此基础上进行工艺规程的设计。此种设计方式也是利用计算机进行辅助工艺设计。因 此，也可称为c a p p ，但此类c a p p 所生成的工艺规程是以文件的形式存在的，企业 无法对工艺数据进行有效的管理和利用。 c ) 部分企业已充分认识到工艺设计的重要性，购买了部分商品化的c a p p 系统， 并在此系统上进行二次开发，得到较好的应用c 3 jh 儿”。 ( 4 ) c a p p 的发展趋势 随着国家对制造业信息化政策的制订和落实，制造技术的进展，近年来商品化 c a p p 系统的普及应用，对c a p p 系统提出了更高的要求。在这样的形势下，c a p p 技术和系统的发展趋势将是： a ) 知识化、智能化 c a p p 系统不会停留在以解决事务性、管理性工作为主的阶段。基于知识的c a p p 系统除了作为工艺设计辅助工具，而且还有将工艺专家的经验和知识积累起来并加以 充分利用的任务。在知识化的基础上，c a p p 系统应从实际出发，从工艺设计在工序、 特征形体层面或在全过程提供备选的工艺方案，并根据操作者的工作记录进行各种层 次的自学习、自适应。 b ) 集成化、网络化 4 华中科技大学硕士学位论文 c a p p 是c a d 与c a m 之间的桥梁，是c a q 、p d m 及e r p 的重要产品信息来源， 同时也需要由c a d 提供产品设计模型的特征信息。这些系统的发展可以相对不平衡， 但必须在并行工程思想的指导下实现c a p p 与c a d 、c a m 等系统的全面集成佑”， 发挥c a p p 在整个生产活动中的信息中枢和功能调节作用。 网络化是现代系统集成应用的必然要求，c a p p 对内各种角色、工种的并行工艺 设计，对外与c a d 的双向数据交换，与c a q 、c a m 、p d m 等的集成应用都需要网 络技术支撑，才能实现企业级乃至更大范围的信息化。 1 1 2 2c a p p 在柳工的应用状况 柳工在c a p p 方面的应用工作从1 9 8 9 年与北京矿业大学研究生院合作开发起， 经历了较长时间的摸索，中间也走了很多弯路。在此期间也曾和山西太原重机学院、 北京清华大学、唐山轻工机械厂有过接触，尤其是和山西太原重机学院签订过协议， 由他们帮助开发建立框架，我仍提供要求和工艺数据。由于该院人员变动等因素，及 我们原先对c a p p 的认识肤浅，尚未成功。 随着国家科委“甩图板工程”的实施，柳工于1 9 9 5 年引入了华软i n t e c a d ，解决了 手工绘图问题。工艺卡片及工装图纸都采用计算机绘图，实现了最初级的c a p p 。 随着我们对c a p p 的深入认识和工作需求，在经过认真而细致的市场调研筛选后， 选用了在中国制造业中得到用户广泛好评的华工科技开目集成技术公司的开且 c a p p 。其具有如下主要特点： ( 1 ) 开目c a p p 建立在具有独立自主版权的开日c a d 平台上，集成了方便实用 的绘图功能，图形与工艺卡片能无缝的结合在一起。 ( 2 ) 开且c a p p 提供了表格绘制和表格定义以及工艺规程管理的工具，该工具 使用起来很简单，能够很方便的进行扩充和修改工艺卡片模板。 ( 3 ) 开目c a p p 能够直接打开d w g 文件，对其进行工艺编辑。 ( 4 ) 开匿c a p p 提供打印中心的工具，能够把不同的开耳c a d 图形、工艺卡片 等进行拼图在绘图仪上输出，而且可以选择工艺卡中的某几页。 通过使用开目c a p p ，公司内多种工艺文件( 工艺过程卡、机加工工序卡、装配 工艺和热工工艺卡等) 都采用开目c a p 进行工艺设计，实现了工艺卡格式、术语的 标准化，方便了工艺技术文档的重复利用。使得柳工c a p p 的应用水平上升了一个级 剐。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 焊接c a p p 应用概况 1 3 1 焊接c a p p 的分类 目前焊接c a p p 基本上分为二类： ( 1 ) 基于常规程序的焊接c a p p 主要功能为：设计焊接件的焊接工艺卡、建立焊接信息、焊接工艺定额计算和焊 接工艺文件管理等。基本信息及工艺参数为手工输入或选择、修改。其可在商品化的 c a p p 系统中实现，与机加工等共享系统。 ( 2 ) 基于a i 技术的焊接c a p p 焊接件的焊接工艺卡的设计内容主要分为二部分： a ) 基本信息及绘图部分。基本信息包括：焊接件图号、名称、重量、数量等， 绘图主要是将焊接件产品图绘制成工艺图，标明焊缝位置、尺寸、形式等，这些都可 在产品图上可以得到。 b ) 焊接工艺参数部分。包括：焊接方法、焊接材料、焊接规范等。这是焊接工 艺的重要部分，需要通过设计焊接工艺指导书( w e l d i n gp r o c e d u r es p e c i f i c a t i o n 简称 w p s ) 进行焊接试验才能确定。w p s 的优劣可通过焊接试验的次数来考验，优秀的 w p s 可减少焊接试验次数，准确地得到最优焊接工艺。 焊接中影响焊接质量因素很多，焊接工艺参数的选取多而繁杂。同其它工艺设计 相比，焊接工艺的特点是，很多工艺信息，如焊接材料的选择，焊接的预热温度、中 间热处理、焊后热处理温度和时间的选择，焊接电流和电压的选择等，不仅指导着焊 接的准备、焊接过程的实施，而且往往是对焊接结果进行评价的重要依据。在实际中， 焊接工艺信息通过焊接工艺卡来描述。焊接工艺设计中许多问题的可统计性差，影响 因素多，因素与因素之间的相互联系难以明确表达。因此，解决这类问题要借助于经 验知识，比较适合于采用专家系统。同时，实际中的任务是经常变化的，只有可维护 性好的知识库系统，才能够适应实际中不断变化的设备条件和任务。用专家系统来进 行焊接工艺的制定，可以使工艺知识形式化，结果更加准确。 与一般的工艺设计程序相比，专家系统有着鲜明的专家智能技术的特色，工艺专 家的经验和知识经过归纳与提炼，用数学方法、普通语言与逻辑语言精确地保存、表 达出来，存放在知识库中。用户在更新知识库时，只需通过专用模块增删和修改知识 库。 因此，智能焊接c a p p 主要在焊接工艺参数的智能设计上发展，其应用专家系统 中的知识库和推理机制来设汁未经焊接试验的各种材料的焊接接头形式及焊接参数， 得到w p s 。其又称为焊接工艺设计专家系统。 6 华中科技大学硕士学位论文 1 3 2 智能焊接c a p p 的应用状况 在国外，焊接领域中专家系统的研究始于8 0 年代中期，随着其应用领域的拓宽 越来越受到重视，英、美、日、德等国均先后进行了这方面的研究开发工作，涉及的 领域几乎包括了焊接生产的所有主要阶段和主要方面( 见表l - 1 ) 。 表卜1国外典型焊接专家系统啪 名称 类型开发者( 来源) 国家 w e l d e rq u a l i f i c a t i o nt e s ts e l e c t i o n焊工资格 s t o n e & w e b s t e re n g i n e e d n g 美国 考试选择 w e l d e rq u a l i f i c a t i o n 焊工资格 d a n i s hw e l d i n gh l s t i t u t e 丹麦 考试选择 w e l dd e f e c td i a g n o s i se x p e r t缺陷诊断 s t o n e w e b s t e re n g i n e e r i n g 美国 s y s t e m m i l l e re x p e r tp r o g r a m缺陷诊断 m i l l e re l e c t r i c 美国 w e l dc r a c ke x p e r t 缺陷诊断 踟 英国 c r a c kw i r e缺陷诊断 惭 英图 c a m t e c h1 0 0 0a n da d a p t i t e c h1 0 0 0 缺陷诊断 a d 印t i v et e c h n o l o g i e s美田 n e w c s 缺陷诊断 g e n e r a ld j g i t a li n d v s t r i e s 美田 h o t w i r e g 翻缺陷诊断 f r a m a t o m eh e a v yf a b r i c a t i n g 美国 f a c i l i w p r e h e a l tp l u s 缺陷诊断 e d i s o nw e l d i n gi n s t i t u t e 美围 f 棚g u e c a l c缺陷诊断 e d i s o nw e l d i n gi n s t i t u t e 美国 w e l de s t i m a t i n g 成本估算 s t o n e w e b s t e re n g i n e e r i n g 美田 w e l d i n ge s t i m a t o r成本估算 咖 英国 w e l dc o s t i n gs y s t e m 成本估算 j a m e sa n db a k e r 美国 吧l d b e a d 成本估算 a w l 美图 w e l d i n gp r o c e d u r es e l e c t i o n 工艺设计 s t o n e w e b s t e re n g i n e e r i n g 美国 p r o g r a m w b i d a 豁i s t 工艺设计 k u l m ec a r , a n dv r i n t y 美圈 s t e a m p i p e 工艺设计 m a t c h w o o de n g i n e e r i n gl a b 美国 w e l dp r o c e d u r es e l e c t i o np r o g r a m 工艺选择s o u t h a m p t o nu n i v e r s i t y 美国 s a w - s h i pb u i l d i n ge n v i r o n m e n t 工艺设计q u e e nu n i v e r s i t yo fb e l f a s t英匿 w e l d i n gp r o c e d u r ee n q u i r i e s工艺选择 n e m n t e m a lc o m b u s t i o nl t d 美国 w b l ds c h e d u l e r 工艺设计 b a b c o c ka n dw i l c o x 美国 e x p e r tr o b o tw e l d i n gs y s t e m工艺设计 s i c a r da n dl c v i n e 美国 w e l d g e n 工艺设计 聊 英国 w e l d s p e c 工艺设计嘲英国 x w 毫l d 工艺设计4 x m挪威 w b i ds e l e c t o r 焊材选择 c s m 美国 w b i d s e l 焊材选择 t w i 英国 s h i e l d i n gg a ss e l e c t i o n焊材选择 a n d e r s o n ，p c j b o u r t o n m a 英国 w e l ds y m p l e 焊接结构 c s m 美国 c a d 华中科技大学硕士学位论文 我国从8 0 年代末开始焊接专家系统的研制，最早见于报道的是南昌航空工业学 院焊接方法选择专家系统，清华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、天津大学等 也相继进行了焊接专家系统的研究与开发( 见表1 - 2 ) 。 表i 2 国内典型焊接专家系统 名称类型 所处阶段开发者 焊接方法选择专家系统 方法选择研究原型南昌航空工业学院 焊接材料选择专家系统焊材选择 研究原型清华大学 弧焊工艺选择专家系统 工艺选择研究原型哈尔滨工业大学 铝合金焊接工艺制定专家系统 工艺选择研究原型哈尔滨工业大学 碳钢及合金结构钢s m a w 专家系统工艺选择研究厥型 天津大学 c 0 2 气体保护焊工艺参数专家系统工艺选择研究原型天津焊接研究所 铸铁焊修专家系统工艺选择研究原型河北农业大学 弧焊上乙了豕承轨d r i a w l s1 u工艺选择研究原型大连铁道学院 焊接工艺专家系统h j g y - y 5工艺选择研究原型湘潭大学 诵炉与雎刀爸器珲璜芏广上乙规程利足 工艺选择研究原型甘肃工业大学 专家系统 焊接工程的数据库及专家系统工艺设计研究原型哈尔滨工业大学 哈尔滨工业大学、哈 焊接工艺规程设计专家系统工艺设计实用原型 尔滨锅炉厂 弧焊工艺制定与咨询专家系统( e s w )工艺选择及设计实用原型清华大学、燕山石化 国产低合金高强钢焊接冷裂纹专家系统缺陷诊断演示原型天津大学 焊接冷裂纹的计算机辅助评定系统 缺陷诊断演示原型上海交通大学 w d r 焊缝缺陷识别专家系统缺陷诊断研究原型 上海交通大学 焊接缺陷及工艺问题分析、诊断专家系统缺陷诊断 演示原型 哈尔演工业大学 激光焊缝质量诊断实时专家系统缺陷诊断实用原型清华大学 有缺陷结构安全评定专家系统缺陷诊断实用原型清华大学 焊接缺陷诊断与咨询专家系统 缺陷诊断研究原型甘肃工业大学 焊接裂纹预测及诊断专家系统 ( w p d e s ) 缺陷诊断实用原型天津大学 超声波焊接专家系统焊接结构c a d研究原型 上海交通大学 焊接变压器设计专家系统 焊接结构c a d实用原型上海交通大学 焊缝坡口设计与选择专家系统 焊接结构c a d研究原型华中理工大学 焊接数据库及弧焊工艺评定系统 工艺评定研究原型 合肥工业大学 压力容器缺陷评定规范c v d a - 8 4 咨询系 统 安全评定实用原型清华大学 焊接金相组织自动定量识别软件系统金相识别研究原型 天津大学 纵观国内外的专家系统阻3 - j 6 9 按内容主要可以分为以下几种类型：焊接工艺规 程( 包括工艺设计和工艺选择) 、焊工资格考试选择、焊接缺陷诊断型专家系统、焊缝 成本估算、焊材选择和焊接结构c a d 等。其涉及领域包括焊接生产的各个主要阶段 和主要方面，并以焊接工艺设计( 选择) 专家系统( 即智能焊接c a p p ) 居多，这反 映了焊接工艺设计的智能化是焊接专家系统的主要研究方向和企业的主要需求。 8 华中科技大学硕士学位论文 一：= = = = = = = = # = = ；= = = = = = = = = = = = = ；= = ；= = = = = = = = = = = 一 目前的焊接工艺设计专家系统，其具有以下特点： a ) 在操作平台上，以前是在d o s 操作系统上采用p r o l o g ( 逻辑程序设计语言) 、 l i s p ( 函数型程序设计语言) 、和c ( 对象型程序设计语言) 等程序设计语言。随着 d o s 操作系统逐渐被w m d o w s 操作系统所取代，目前大部分是采用m i c r o s o r 公司推 出的新一种面向对象的、基于w m d o w s 的编程语言v i s u a lb a s i c 。 b ) 在知识的获取方式上，大多采用半自动知识获取方法，即由焊接专家毫无困 难地将有关知识和个人经验送入知识库，并可随时随意地修改和扩充知识库。 c ) 在知识表示方法上，主要有基于规则的产生式表示法和框架表示法等。 d ) 在推理方式上，主要采用正反向混合推理和正向推理。 e ) 在数据库形式上，有f o x p r o 、a c c s 和s q ls e r v e r 数据库。 f ) 在网络化上，大多属于单用户型，鲜见基于网络的共享式焊接工艺设计专家系 统。 g ) 在实用性上，虽然焊接工艺设计专家系统进行蓬勃的发展，但大都是研究院 校的研究原型甚至演示原型，在企业应用的不多，距离实用化、商品化尚有一定距离。 随着企业信息化的发展，对一些信息化程度较高的企业，他们建立了局域网，有 专门的数据库管理部门，需要能够通过网络使用专家系统，即在不同的地方可以使用 同一的焊接工艺设计的知识库，而且要将结论保存到同一结论库中。由于焊接工艺设 计专家系统的规则多数是基于一些基本情况的表达，而且数据库具有高效率的管理和 很强的网络功能。因此，采用面向对象技术进行操作的基于网络数据库的焊接专家系 统，是以后的发展方向。 1 3 - 3 原有专家系统存在的问题 本课题是在原有的焊接工艺设计专家系统上进行重新设计一个符合柳工实际的 焊接工艺设计专家系统。原专家系统存在的问题为： ( 1 ) 规则难懂，维护、扩充困难。 原有专家系统的规则是采用p r o l o g 语言编程的。是直接基于知识的规则描述， 而且是以文本形式保存于计算机。下面举例说明。 例如：知识，对不锈钢采用g t a w 焊接方法时小于8 s m m 的母材厚度，喷嘴直 径为ii m m 。对此知识传统焊接工艺设计专家系统的规则描述为： r u l e ( ， i ? ， ， ， ， ，1 ) 。 这种描述方式为目前专家系统规则的通用描述方式。根据这样的规则描述，形成 大量的规则，有规律地保存于不同的文件当中。此外由于焊接工艺设计的特殊性，有 部分规则不能用文字描述，例如坡口图形形状，就需要把各种图形以文件的形式进 9 华中科技大学硕士学位论文 行保存。 这样的规则，给程序设计看带来了很大的方便，既能很好的实现规则设计和维护， 又能很好的与其它专家系统交流。同时这又是其不足的根源，主要存在以下问题： a ) 用户看不懂规则。从用户角度考虑，真正的用户，很可能对专家系统的规则 描述一点不懂，因此符号化的规则描述对用户的理解造成障碍。 b ) 规则维护不方便。从焊接工艺设计的特点看，其规则众多，规则维护和设计 采用文件形式的操作对用户来说，由于过多的英文和文件名，使用起来很不方便；而 且由于焊接工艺设计的过程中涉及到一些国家标准或一定的标准如焊丝材料、焊丝直 径、焊接母材等，维护需要统一的管理，用户目前焊接工艺设计专家系统必须一个个 修改涉及到规则，因此，涉及到这方面媳规则维护往往需要返回软件设计单位重新设 计规则。 c ) 规则不易扩充。目前焊接工艺设计专家系统，对规则的扩充，无能为力，因 为它包含了文件名的定义，和关键字的定义，对用户来说，根本不知道也不可能知道 文件名移关键字的含义。 d ) 规则不安全，不易网络化管理。从安全角度考虑，规则保存成文本形式，是 公开的，没有一点安全保护措施，很容易被人盗用知识。从专家系统的发展方向看， 开放性的、集成化的、联网化的是以后发展的方向。基于文件操作的专家系统是不能 满足这方面要求的。 ( 2 ) 推理机_ 自g 局限性。 原有专家系统推理机是基于符号的推理，加上模糊处理，而且是以文本操作方式 获取规员l j 。 由于工艺设计的特殊性规则众多，能动态得到一些基本参数和结论，这涉及 到处理大量数据，例如为了提示用户，要得到规则中菜种焊接方法适用的最大母材厚 度，基于文件操作的传统专家系统显得有些无能为力。 ( 3 ) 共享性不高。 原有专家系统是基于单机版的，这就意味着无法实现多用户同用专家系统，系统 利用率不高。 1 4 本课题的工作内窨 基于上述原有谪焊接工艺设计专家系统存在的问题，在本课题进行重新开发、设 计时，要保留原有专家系统的成功之处，改进其尚存的不足。另一方蔼要搜集、整理 国内外优秀专家系统的经验和知识，努力改善系统的知识获取机制、推理机制，建立 起较为完善的专家系统，以提高系统的性能，增强系统的灵活性、实用性和可接受蛀。 t 0 华中科技大学硕士学位论文 在系统设计过程中不要受原有专家系统的约束，以成功设计出一套实用、合理的、 思路全新的专家系统，能够在应用后方便更新知识库中的知识和进行工艺设计，实现 多用户资源共享。 本课题主要工作内容有以下几个方面： ( 1 ) 系统总体结构设计。确定系统开发软件，建立基于局域网的焊接工艺设计 专家系统，采用面向对象的方法建立知识库、推理机及其算法，方便用户维护、扩充， 实现局域网内用户资源共享。 ( 2 ) 知识库的重构。采用基于面向对象的方法设计知识库。采用可视化软件， 方便用户设计、维护和扩充知识库，并格知识存储于网络数据库中统管理，确保规 则的安全性。 ( 3 ) 工艺设计模块的改进。由于规则库的形式发生了重大改变，推理机的形态 也将发生重大改变，而且要动态提示、动态设计。 ( 4 ) 建立基于网络的数据库结构，对每个用户设置不同的访问权限，实现工艺 维护、浏览、查询等功能。 ( 5 ) 系统的实现。进行系统的安装、调试和试运行。 本课题开发的焊接工艺设计专家系统是基于网络数据库、面向对象、面向用户考 虑的焊接专家系统，在这个网络化的时代这具有重要的现实意义。这将有利于促进焊 接专家系统在我国的进一步地发展和应用。 1 5 本章小结 本章根据作者在企业多年的工作体会，提出了基于网络的可实现资源共享的焊接 工艺设计专家系统的需求。作者通过阅读大量的有关文献，介绍了c a p p 及焊接专家 系统在焊接领域，特别是在焊接工艺设计上的应用情况。 通过分析原有焊接工艺设计专家系统存在的不足之处，确定了本课题的工作内 容，为系统设计确定了大纲。 1 l 华中科技大学硕士学位论文 2 系统总体结构设计 2 1 专家系统结构设计原理 专家系统( e x p e r ts y s t e m 简称e s ) 是一个能在某特定镁域内以人类专家水平去 解决该领域中困难问题的计算机程序，是属于迅速发展起来的人工智能的应用领域。 专家系统是研究用解决某专门问题的专家知识来建立人枫系统的方法和技术，由于知 识在专家系统中起决定性作用，所以一般将建立专家系统的工作过程称为知识工程。“7 3 2 1 1 专家系统的特点 专家系统是基于知识的智能程序，它具有以下特点1 5 7 1 ( 1 ) 具有启发性 e s 运用领域内的理论与常识性知识以及专家长期实践中积累起来的宝贵经验， 这些经验通常没有严谨的理论依据，很难保证其在各种情况下的普遍正确性，但可在 一定条件下解决实际问题，它们往往简洁而有效，能够起到有效的简化问题或快速求 解问题的作用，从而使系统具有启发性。 ( 2 ) 具有透明性 e s 能解释本身的推理过程，给出求勰过程的推理路径，使e s 具有一种透职的界 面。它又眨完成向用户提供咨询的任务，加强了用户对e s 的可接受性，也为e s 的改 进、完善提供了方便。 ( 3 ) 具有灵活性 e s 由于知识库和推理机的相对独立，使它可以方便地在非编辑状态下不断对知 识进行增减和修改，有利于知识库的扩充及完善，不断提高系统的性能。 2 。i 2 设计型专家系统的特点 专家系统可分为以下几种主要类型：解释型、预测型、诊断型、规划型、设计型、 监控型和教学型系统等。 设计型系统的任务是根据约束条件，构思出所需的目标方案。其特点是： ( 1 ) 能预测并检验某些中间设计结果并随时调整设计方案。 ( 2 ) 协调各项设计要求，满足全局要求。 ( 3 ) 在完成或修改各个设计予任务时要考虑到全局要求，避免子任务之间的根 ? 【重迭或冲突。 ( 4 ) 将设计的特征描述形成一个精确、完整的设计方案或图样。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = 2 = = = = = = 2 1 3 专家系统的基本结构 一个完整的e s 结掏由图2 1 所示的六个部分组成皓”： ( 1 ) 知识库( k n o w l e d g eb a s e ) 知识库是领域知识的存 储器，它存储专家知识、书 本知识和常识性知识，是e s 的核心部分。在以文本形式 保存规则的系统里，其又称 为规则库。 (