基于工藝設(shè)計軟件的工藝數(shù)字化轉(zhuǎn)型

童培富，李 峰，許 練，李軼抄，王金鳳，蘇超

（南京全信傳輸科技股份有限公司，江蘇 南京 210036）

關(guān)鍵字：智能制造；工藝數(shù)字化；工藝數(shù)據(jù)；數(shù)字化轉(zhuǎn)型

1 引言

工藝是制造業(yè)整體素質(zhì)和核心競爭力的根本體現(xiàn)，是重要的基礎(chǔ)和支撐條件，是從制造大國向強(qiáng)國邁進(jìn)的關(guān)鍵基礎(chǔ)領(lǐng)域。工業(yè)和信息化部等八部門聯(lián)合發(fā)布《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》中提出要著力推動智能制造工藝的發(fā)展。要推進(jìn)智能制造發(fā)展，必須發(fā)展適應(yīng)智能制造的工藝技術(shù)水平[1-3]?？梢姽に囀峭苿又悄苤圃斓谋匾獥l件及重要基礎(chǔ)，工藝數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、參數(shù)化、數(shù)字化對于后續(xù)的智能制造起著至關(guān)重要的作用。

某公司組件產(chǎn)業(yè)屬于多品種小批量業(yè)務(wù)，產(chǎn)品類型不固定，采用人工裝配為主、設(shè)備輔助的生產(chǎn)模式且業(yè)務(wù)量每年按照一定的比例遞增。傳統(tǒng)的依靠文本文檔的形式編寫的工藝文件通過PLM 審簽后紙質(zhì)下發(fā)車間，整套多根產(chǎn)品共用一份文件，操作人員無法第一時間獲取相應(yīng)操作要求；工序操作顆粒度要求、標(biāo)準(zhǔn)化程度不高，過多依賴操作人員經(jīng)驗；工藝資源庫缺失，不利于企業(yè)的發(fā)展；工藝數(shù)據(jù)、檢驗數(shù)據(jù)通過線下編輯、傳遞，人為因素造成錯誤的風(fēng)險較高；文本文檔型結(jié)構(gòu)不利于后續(xù)規(guī)劃的MES 結(jié)構(gòu)化參數(shù)調(diào)用。為此該公司引入工藝設(shè)計軟件，提升工藝設(shè)計水平，通過CAPP 端規(guī)劃實現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)參數(shù)化、工藝文件結(jié)構(gòu)化，傳遞后端實現(xiàn)工藝端和生產(chǎn)端的高效協(xié)同，提升整體制造水平。

2 工藝設(shè)計軟件總體架構(gòu)

在現(xiàn)代制造業(yè)信息化系統(tǒng)中，數(shù)字化工藝是一個集成化應(yīng)用平臺，工藝設(shè)計軟件（CAPP）已不再是一個孤立的系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)與多個業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)交換和共享。其與產(chǎn)品生命周期管理（PLM）、生產(chǎn)制造系統(tǒng)（MES）等多個業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行接口集成，避免了數(shù)據(jù)線下傳輸耗時耗力，縮短響應(yīng)時間，提升工作效能。

某公司組件業(yè)務(wù)對相關(guān)信息化軟件的業(yè)務(wù)流程如圖1所示，CAPP 中生成的工藝數(shù)據(jù)均實現(xiàn)參數(shù)化、結(jié)構(gòu)化。PLM 用于物料編碼管理，產(chǎn)品及物料信息通過編碼實現(xiàn)與后端軟件的信息化流轉(zhuǎn)，產(chǎn)品在PLM 中搭建并生成設(shè)計BOM、設(shè)計圖紙、接線關(guān)系表等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。CAPP接收設(shè)計BOM 搭建工藝BOM，基于工藝BOM 完成工藝數(shù)據(jù)（工藝路線、工序作業(yè)參數(shù)表、工藝附圖、工序作業(yè)指導(dǎo)書）的創(chuàng)建，相關(guān)數(shù)據(jù)借用工藝資源庫內(nèi)部邏輯可自動生成。MES 接收工藝BOM 生成備料清單，接收工藝數(shù)據(jù)實現(xiàn)計劃排產(chǎn)、生產(chǎn)制造、掃描作業(yè)及生產(chǎn)全過程的跟蹤、查詢。

圖1 業(yè)務(wù)流程

3 工藝設(shè)計軟件業(yè)務(wù)實現(xiàn)

傳統(tǒng)工藝設(shè)計軟件能夠?qū)崿F(xiàn)工藝BOM 的搭建，工藝資源庫建立，文本式的工藝文件工序卡輸出，基于傳統(tǒng)CAPP 軟件進(jìn)行了如下革新。

1）結(jié)合業(yè)務(wù)特點建立特有的工藝資源庫，用于工藝知識、數(shù)據(jù)的管理，在資源庫中配置相關(guān)關(guān)聯(lián)關(guān)系表，通過關(guān)聯(lián)關(guān)系的設(shè)置由CAPP 軟件自動生成工序數(shù)據(jù)。

2）建立虛擬件，提升多根組件工藝路線一致情況下的工藝設(shè)計效率。

3）拆解傳統(tǒng)工藝文件結(jié)構(gòu)，根據(jù)產(chǎn)品特點配置工序卡，分為工序作業(yè)參數(shù)表、工藝附圖、工序作業(yè)指導(dǎo)書三部分，便于后續(xù)批產(chǎn)產(chǎn)品按照工序流水的形式組織生產(chǎn)。

4）檢驗項、檢驗參數(shù)結(jié)構(gòu)化，MES 調(diào)用后通過實測值填寫自動生成檢驗結(jié)論。

5）工藝文件中工藝數(shù)據(jù)分解成結(jié)構(gòu)化、參數(shù)化數(shù)據(jù)，MES 軟件直接調(diào)用工藝數(shù)據(jù)非工序卡，并根據(jù)生產(chǎn)需要進(jìn)行組合、匯總。

3.1 工藝資源庫建立

工藝資源是CAPP 的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，它包含了工藝設(shè)計所用到的各種設(shè)計資源，CAPP 系統(tǒng)在一定的工藝設(shè)計資源的約束下才能高效、準(zhǔn)確地進(jìn)行工藝規(guī)劃，并對企業(yè)的生產(chǎn)活動起到正確的指導(dǎo)作用。

數(shù)字化工藝根據(jù)某公司組件工藝知識管理的現(xiàn)狀和專業(yè)特點，建立了特有的工藝資源庫，可滿足不同類型組件工藝知識管理需求。工藝資源庫主要包含標(biāo)準(zhǔn)工序，標(biāo)準(zhǔn)檢驗項，標(biāo)準(zhǔn)工序操作方法，標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法，工藝參數(shù)資源庫，編碼、物料、設(shè)備對照表，典型工藝用圖。

通過工藝資源庫的建立，可以幫助某公司對現(xiàn)有工藝知識進(jìn)行有效管理，加快企業(yè)工藝知識的有效沉淀、積累，完成企業(yè)工藝知識的穩(wěn)步傳承，進(jìn)一步幫助企業(yè)實現(xiàn)智能化工藝設(shè)計，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率及工藝設(shè)計效率。

工藝設(shè)計過程采用參照選取資源庫的方式，提供了知識及資源的智能推送交互設(shè)計，提高了數(shù)據(jù)的利用率，減少了工藝人員的工作量，提高了企業(yè)的工藝設(shè)計效率，也是工藝標(biāo)準(zhǔn)化的有效手段。

3.2 工藝BOM 搭建

工藝BOM 以PLM 中的單根組件設(shè)計BOM 為基礎(chǔ)，工藝工程師在進(jìn)行工藝設(shè)計時根據(jù)產(chǎn)品的特點進(jìn)行輔料及相關(guān)工藝損耗的添加，生成工藝BOM 后進(jìn)行組件端頭代號規(guī)劃，用于后續(xù)的工藝數(shù)據(jù)創(chuàng)建、生成，其準(zhǔn)確性至關(guān)重要。工藝BOM 審簽完成后傳遞ERP/MES 生成備料清單。工藝BOM 業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)示意圖如圖2 所示。

圖2 工藝BOM 業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)示意圖

3.3 工藝路線規(guī)劃及工序?qū)ο笊?/h3>

CAPP 系統(tǒng)在單根工藝BOM 基礎(chǔ)上創(chuàng)建工藝路線，對于整套產(chǎn)品下相同工藝路線組件較多時，可對工藝路線相同的單根組件進(jìn)行歸類創(chuàng)建虛擬件，虛擬件創(chuàng)建后的工藝路線能夠覆蓋所有子件。編制好的工藝路線進(jìn)行審簽后生成工序?qū)ο蠼Y(jié)構(gòu)樹進(jìn)行工序下的相關(guān)工序卡創(chuàng)建。工藝路線規(guī)劃下見表1，工序?qū)ο蠼Y(jié)構(gòu)樹如圖3 所示。

表1 工藝路線規(guī)劃

圖3 A 產(chǎn)品工序?qū)ο蠼Y(jié)構(gòu)樹

3.4 工序卡設(shè)計及管理

現(xiàn)實施的工藝工序卡區(qū)別于傳統(tǒng)的Word、Excel 及CAD 方式的編制模式，采用面向工序?qū)ο髣?chuàng)建的方式，對企業(yè)業(yè)務(wù)進(jìn)行分析，構(gòu)建工序卡模版，制定不同工序的參數(shù)化工序作業(yè)參數(shù)表、工序作業(yè)指導(dǎo)書，規(guī)范企業(yè)的工藝數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，細(xì)化工藝數(shù)據(jù)的顆粒度，實現(xiàn)工藝設(shè)計及業(yè)務(wù)流程的規(guī)范化、輸出的標(biāo)準(zhǔn)化，包括工序?qū)ο?、審簽流程、工藝卡片模板等，幫助我司組件業(yè)務(wù)建立統(tǒng)一全面的工藝規(guī)范，徹底解決了工藝文件模板需要標(biāo)準(zhǔn)化的問題。

CAPP 系統(tǒng)的工序卡由工序?qū)ο篁?qū)動，每個工序的工序卡由工序作業(yè)參數(shù)表、工藝附圖、工序作業(yè)指導(dǎo)書組成。

工序作業(yè)參數(shù)表中的工藝數(shù)據(jù)先通過工序編碼與物料對照表從PBOM 中獲取該工序下的相關(guān)物料規(guī)格，再根據(jù)工序參數(shù)對照表、物料和設(shè)備對照表、工序編碼設(shè)備對照表等相關(guān)對照表中的相關(guān)數(shù)據(jù)，計算自動生成工藝參數(shù)、設(shè)備、工裝、工具信息并填入相應(yīng)表格中，杜絕了人工輸入的錯誤。工序作業(yè)參數(shù)表示例如圖4 所示，每一根組件對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息均是結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，用于后續(xù)MES 數(shù)據(jù)共享、調(diào)用。

圖4 工序作業(yè)參數(shù)表示例

工序作業(yè)指導(dǎo)書通過引用工藝資源庫中的標(biāo)準(zhǔn)操作方法結(jié)合本產(chǎn)品的特殊性編輯生成，引用資源庫中的標(biāo)準(zhǔn)操作方法極大提升了工藝設(shè)計效率，工序作業(yè)指導(dǎo)書示例如圖5 所示。工序作業(yè)指導(dǎo)書每一步采用圖文并茂的形式呈現(xiàn)，提升了文件的可操作性。

圖5 工序作業(yè)指導(dǎo)書

3.5 檢驗參數(shù)結(jié)構(gòu)化

通過軟件定制化開發(fā)，設(shè)置首根組件檢驗項一鍵生成該虛擬件下所有組件檢驗項，根據(jù)技術(shù)要求填入相關(guān)要求值，傳遞MES 端自動生成檢驗項及要求值，免去了檢驗人員在后端手工錄入檢驗項的重復(fù)性工作，產(chǎn)品檢驗完成后填入實測值，自動生成檢驗結(jié)論，提升了檢驗效率及檢驗質(zhì)量。

3.6 工序卡片的輸出

編輯完成后的工序卡按照一定規(guī)則編號的方式儲存在工序?qū)ο蠼Y(jié)構(gòu)樹下，與工序形成對應(yīng)關(guān)系。組件的工藝數(shù)據(jù)至單根工序級，按照工序顆粒度編制的工序卡，包含工序作業(yè)參數(shù)表、工藝附圖、工序作業(yè)指導(dǎo)書，每部分均為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，通過CAPP 線上審簽后的對象傳遞至MES，可在MES 中單獨/分塊/整體呈現(xiàn)，生產(chǎn)派工后及時、精準(zhǔn)推送工序數(shù)據(jù)至操作人員，操作人員能夠第一時間獲取相關(guān)操作信息，也可轉(zhuǎn)為PDF 打印輸出成套產(chǎn)品工藝文件。CAPP 與MES 接口數(shù)據(jù)流向圖如圖6 所示。

圖6 CAPP 與MES 接口數(shù)據(jù)流向圖

3.7 權(quán)限、變更和版本管理

工藝文件在審簽結(jié)束后自動定版，默認(rèn)A0 圖幅版本，定版后的工藝文件修改需進(jìn)行升版，CAPP 可接收PLM發(fā)出的設(shè)計變更單，然后在CAPP 系統(tǒng)中創(chuàng)建工藝變更單，也可在CAPP 系統(tǒng)自行發(fā)起工藝變更單，確定更改范圍后，用于工藝BOM、路線、文件的變更，變更流程完成后新版本自動升版，并傳至ERP/MES 更新相關(guān)數(shù)據(jù)。老版本自動變?yōu)槭顟B(tài)，但會作為歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，以便作為歷史記錄進(jìn)行質(zhì)量追溯。

3.8 結(jié)構(gòu)化工藝數(shù)據(jù)運(yùn)用

結(jié)構(gòu)化工藝數(shù)據(jù)以工藝維度分為工序作業(yè)參數(shù)表、工藝附圖、工序作業(yè)指導(dǎo)書三部分，通過CAPP 與MES 之間的接口將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送至MES 端，通過與生產(chǎn)任務(wù)訂單按照工藝路線分解后的工序進(jìn)行綁定，由車間生產(chǎn)計劃將生產(chǎn)任務(wù)與相對應(yīng)工序的工藝數(shù)據(jù)共同傳送至操作人員，操作人員打開任務(wù)進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)時，對應(yīng)該工序的操作要求即顯示在電腦終端上，降低了傳統(tǒng)模式下操作人員查找文件及在多份文件中查找相應(yīng)操作要求的時間，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)推送，提升了生產(chǎn)效率。當(dāng)批量越大且工序?qū)崿F(xiàn)流水作業(yè)時，相對應(yīng)的生產(chǎn)效率提升越顯著。

生產(chǎn)完成后通過MES 進(jìn)行提交任務(wù)，對應(yīng)的生產(chǎn)記錄也實現(xiàn)了線上對應(yīng)工序記錄，降低了傳統(tǒng)模式線下紙質(zhì)記錄的時間，時效性、準(zhǔn)確性上均有所提升。

通過設(shè)備的信息化改造，數(shù)字化工藝數(shù)據(jù)可通過MES 與生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動，以工序為維度將相關(guān)工藝參數(shù)自動傳遞至生產(chǎn)設(shè)備，提高了人工設(shè)置設(shè)備參數(shù)的效率及準(zhǔn)確度。相較于原先的文本文檔，工藝數(shù)據(jù)能夠在各系統(tǒng)中傳輸，對后續(xù)生產(chǎn)端的數(shù)據(jù)抓取、數(shù)據(jù)分析發(fā)揮了關(guān)鍵性作用。

4 價值成果

通過工藝資源庫的建設(shè)及實施，引入工藝設(shè)計軟件對于文件工藝標(biāo)準(zhǔn)化、編制質(zhì)量、效率和文件可操作性等方面均有所提升，主要表現(xiàn)：

1）工藝標(biāo)準(zhǔn)化程度提升。規(guī)范組件工藝設(shè)計流程，建立了標(biāo)準(zhǔn)工序57 個、標(biāo)準(zhǔn)檢驗項33 個，均梳理工序作業(yè)參數(shù)表模板，建立標(biāo)準(zhǔn)工序作業(yè)指導(dǎo)書約143 個，通過標(biāo)準(zhǔn)工藝術(shù)語的建立提升了工藝標(biāo)準(zhǔn)化程度。

2）文件編寫質(zhì)量、效率提升。通過關(guān)聯(lián)關(guān)系表的建立，約70%的工藝數(shù)據(jù)能夠自動生成，提升了工藝文件的編寫效率及編寫質(zhì)量；建立工序與物料編碼對應(yīng)關(guān)系表，用于工序耗料自動查表獲取BOM 用料；建立物料關(guān)聯(lián)關(guān)系約2 000 條，用于工藝參數(shù)自動查表生成；建立工序、物料與設(shè)備關(guān)聯(lián)關(guān)系，用于工序設(shè)備自動查表生成。通過2022 年工藝文件低級問題分析，工藝設(shè)計軟件的引入能夠減少后續(xù)工藝文件50%低級問題出現(xiàn)。

3）操作指令清晰、生產(chǎn)效率提升。工藝數(shù)據(jù)及工序操作要求按照工序的顆粒度及時、精準(zhǔn)推送至操作人員，簡化了工藝文件的理解難度，提升了操作效率。

5 結(jié)束語

數(shù)字化工藝是設(shè)計和生產(chǎn)的業(yè)務(wù)聯(lián)系紐帶、數(shù)據(jù)交換中樞，是企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)。完成數(shù)字化工藝建設(shè)對企業(yè)百利而無一害，可以進(jìn)一步加速企業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級，提高企業(yè)競爭力。

基于工藝設(shè)計軟件的工藝數(shù)字化轉(zhuǎn)型優(yōu)勢的主要表現(xiàn)：

1）簡化了工藝文件文檔結(jié)構(gòu)，以參數(shù)化、結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)為智能制造提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，提升了生產(chǎn)效率，能夠加速智能制造的推進(jìn)。

2）提高了產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計、工藝規(guī)劃及生產(chǎn)的高效性、繼承性和合理性，可以為企業(yè)縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)環(huán)節(jié)成本奠定基礎(chǔ)。

3）實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、工藝、生產(chǎn)、檢驗過程中各工序之間產(chǎn)品數(shù)據(jù)、信息的共享，最大程度避免人為因素造成的失誤，保證上、下工序之間的緊密結(jié)合。

4）獨有的軟件功能模塊配置及工藝資源庫，提升了工藝文件編制效率及質(zhì)量。

5）工藝人員擺脫繁瑣復(fù)雜的重復(fù)性勞動，可以將更多的時間和精力放在新產(chǎn)品、新工藝、新技術(shù)方面的開發(fā)與研究。

6）規(guī)范了工藝術(shù)語，提升了企業(yè)工藝標(biāo)準(zhǔn)化程度。

7）數(shù)字化工藝為后期MES 上線后的智能制造提供數(shù)據(jù)支撐基礎(chǔ)。