前言：为赢得新一轮的世界竞争，实现从“制造大国”向“制造强国”的转变，我国出台了以“智能制造”为核心的《中国制造2025》战略规划。CAPP系统扮演着制造型企业承接设计数据、传递设计意图、编制工艺规划、保证产品质量的重要角色。通过CAPP系统对企业数字化产品数据（PDM）的不断加工与分发（ERP、MES），才使得企业的数字资产转化为具有更高价值的产品实物。

 

一、中国制造2025背景

 

企业产品研制过程中业务问题的解决不能单单依赖于某个或者几个相对独立的信息系统,而必须建立一个科学完善的集成化IT解决方案。2015年我司智能工厂建设项目入选“国家工信部94个2015年智能制造专项”，智能制造对产品工艺规划工作的精细化和结构化提出了越来越强烈的需求。CAPP（Computer Aided Process Planning，计算机辅助工艺规划设计）作为智能工厂信息系统重要组成部分，为智能制造提供了标准化、结构化和精细化的基础数据，是智能工厂数据的源头。

 

二、传统制造业面临的挑战

首先，来自产品质量。客观讲，我国产品整体合格率不高，质量也不太稳定，对于装配类产品，零部件之间间隙比较大，外观也相对粗糙，产品的使用寿命相对较短，特别是在使用环境较为严酷的情况下，容易失效。

其次，来自试制周期。我国制造企业通常是通过试生产的方式来验证生产工艺，很多时候都是凭借工艺及作业人员的个人能力来进行工艺规划和设计，因此对于那些复杂的零部件，其工艺稳定周期很长，这样就严重影响产品的上市周期。

 

图1：某大型国企的信息化现状（仅为示意，需具体企业具体分析）

再次，来自产品的可制造性。我国大部分制造企业依然采用以文字描述为主的二维工艺卡片进行工艺设计，工艺信息采用非结构化的方式表达，难以传播重用和数据统计分析，在进行工艺设计时难以直观了解现有机器设备的情况，工艺设计结果难以进行仿真分析，只有在实际加工时才能进行工艺合理性验证。

最后，来自制造工艺知识管理。我国部分制造企业，其制造工艺知识主要存在于个人脑海中，由于人员的流动而产生流失，缺乏对制造工艺知识的有效积累和传承，工艺的规范性和标准化程度较低。

以上是中国传统制造业普遍面临的制造瓶颈挑战，若要突破，天河智造认为，实现设计、工艺、制造一体化是提升智能制造能力的关键途径之一。

 

三、CAPP升级的重要意义

设计、工艺、制造一体化研究是实现打通产品设计、工艺、制造流程的基础，研究产品研制过程中设计、工艺、制造协同定义方式，从而打通数字化研制数据链，在单一数据源的产品数据管理条件下，实现产品设计各个专业之间，以及设计与工艺、制造之间通过工业互联网并行协同工作。数字化制造技术可以帮助企业用结构化、虚拟化、可视化的方式进行设计、工艺规划、验证和生产管理。数字化制造技术可以帮助工艺人员在虚拟的环境中构建一个三维可视化的工厂，结合工艺规划、设计、仿真功能，可以模拟物料在车间的流转路线，帮助工艺人员优化工厂布局和工艺路线，使得工厂的生产线效率更高。

设计、工艺、制造一体化研究是实现企业产品设计及制造模式、方法的变革的关键。通过研究制订设计、制造一体化环境下并行和协同工作机制，支持复杂多样化的产品设计、制造过程，实现企业产品设计从串行到并行的转变。数字化制造可以将产品的公差、加工过程、装配过程用可视化的方式展现在设计人员面前，让设计人员在产品生产之前就可以对产品的可制造性进行调整，真正实现面向制造的设计，这样可以使得设计质量水平得以提升。

通过设计、工艺、制造一体化研究及未来项目的建设，大幅提升产品的设计制造能力，为提升企业产品研发制造及服务水平提供有力支撑，真正起到提高企业核心竞争力和软实力的作用。数字化制造技术可以将存在于个人脑海中的工艺知识抽取并积累到知识库中，实现工艺的规范化和标准化，并且可以通过对标准工艺、工序、工步的总结，形成典型的工艺模板，实现工艺知识的重用，提高工艺设计效率。

 

四、CAPP系统升级规划

智能工厂建设项目将信息化、自动化、数字化等技术应用到传统机械制造业的生产制造过程；与此同时，将相关技术向前拓展到产品设计开发、向后延伸到产品的运营与服务，横向扩展到产品的整个供应链；将数字化、信息化覆盖至产品生命周期全过程，实现产品全生命周期管理，并促使企业相关业务管理、信息系统应用达到国际先进水平，为此我司确定CAPP为为智能工厂提供标准化、结构化和精细化数据的核心系统。

CAPP与智能制造工厂信息系统间的规划关系如图3所示，为形成以工艺路线为核心的结构化工艺数据管理模式，提升工艺设计质量、效率和规范性，建立“人、机、料、法、环、测”一体化融合的工艺设计平台，CAPP规划提供下列基础数据源及接口关系：

(1) 提供结构化数据(MBOM/工艺参数/工艺文件)，传递至ERP、MES、WMS和DPS；

(2) 提供工艺路线物料挂料数据，由ERP承接，传递至MES、WMS指导物料拣配申请和配送；

(3) 提供工序人员资质检查要求，通过实例化检验记录单传递至MES和移动终端；

 

图2： 天河智造过程质量管理系统

(4) 提供工程数据采集标准（EDC），通过工控网传递到MES和设备层，控制设备运行参数和采集，支持质量SPC分析；

(5) 提供工序工具/工装配置要求，通过工序传递至MES进行现场工具/工装应用指示；

(6) 提供智能制造工厂产线级的生产方案数据配置。

图3： CAPP与信息系统间的关系

 

五、天河CAPP系统建设

1. CAPP系统功能框架

企业的数字化改造并非千篇一律，需要根据企业的信息化现状、设备自动化水平、人员素质综合考虑，制定长远规划按步实施。产品研制过程中业务问题的解决不能单单依赖于某个或者几个相对独立的信息系统，而必须建立一个软硬兼顾科学完善的集成化解决方案。

CAPP系统是整个智能工厂数据的源头，其构建的总体思路为：第一、以流程为导向进行需求分析，以解决问题、流程优化为目标；第二、数据遵循就源输入的原则，数据一次输入、多次有效。

 

图4：CAPP功能框架图

2. 系统数据流向设计

CAPP系统核心数据包括：MBOM、工艺路线、工时、制造资源、软件数据、EDC数据、工程变更数据，如下图3系统数据流程图阐述了数据在各系统间的关系及这些字段的来源和去处，实现“一次输入，多次使用”的高效利用。

 

图5：系统数据流向图

3. 天河CAPP模块举例

(1)  MBOM设计管理

BOM是各信息化系统中较重要的基础数据。在CAPP应用之前，我司主要靠人工在PLM系统中维护完成EBOM到MBOM数据的转换工作，效率低。引进CAPP平台后，通过MBOM编辑器（MPP）的定制开发改造，提高了BOM转换的工作效率、确保BOM数据的一致性和衔接性，为智能制造生产提供基础保障。CAPP在BOM的管理中主要实现功能有：

在EBOM签审流程发布后，制造部门通过一键装换功能，将MBOM完整复制EBOM结构（含自制件、外协件），实现EBOM—MBOM清单一键转换和输出工作。

工艺工程师可以基于初始化的MBOM进行调整结构、完善属性、编制工艺路线、下达工艺任务等工作。如图6所示。

 

图6： 天河智造MBOM编辑器

(2) 工艺各类资源全部结构化管理

l 用户资源库：对一个工艺文件上的一个字段资源定制利用，对于一个字段的资源可以进行逐层筛选，可以根据企业的具体情况进行定制。

l 天河词句库：对常用的工艺术语、加工术语、材料牌号等词语进行资源定制利用，工艺人员只需在词句库点选需要的词语即可。

l 用户符号库：支持上下偏差、平行度等符号资源的利用，企业也可以根据自己的需要进行符号库的定制维护。

l 工程计算器：根据相应的公式，只需输入变量值，就可以得到需要的结果，如：离心力、摩擦力等。企业可以根据自己的需要，将常用的公式放到工程计算器里进行维护

l 单元工艺库：对于一条记录（工序）的内容进行资源的获取和重复利用，减少工艺人员的手动输入量，缩短工艺文件的编写时间。

l 系统资源库：对于系统内资源的调用，如设备库、切削参数等

l 通用资源库：对于通用的资源的利用，如材料库、工装库等。不限制文件、不限字段，可以时时调用。企业也可以根据自己的情况，将现有的材料（牌号、尺寸等）、工装、刀具以及人员等放到通用资源库中进行维护。

 

图7： 天河智造七大资源库

结构化数据能很好的实现数据的复用、搜索和精确提取，解决了文档型工艺文件编制后的数据黑箱问题，实现了信息透明化。在CAPP项目实施过程中，构建企业特有的工序、工步、产线、设备、工装等相关信息，作为工艺路线结构化应用的基础资源。根据实际生产情况构建不同的工艺路线即生产方案，同一产品可实现多工艺路线（异地工厂、返修、简配、半成品发货、多种生产模式等）。支持工艺路线细化到工序、工步等维度的管理。工艺数据结构化的实现，形成了以工艺路线为核心，关联人、机、料、法、环、测的完整的结构化工艺数据，颠覆了原来不同维度的工艺数据管理在各自Excel中，实现了同一数据源集中管理的灵活可配置生产方式。

 

六、升级项目效益分析

CAPP是连接产品设计与制造的桥梁，对产品质量和制造成本具有极为重要的影响。CAPP系统的使用大大提高工艺过程设计的速度和质量，而且保证了工艺设计的规范化和标准化，结构化和精细化，为智能制造添上了浓墨重彩的一笔，主要成果体现在下列几点：

序号	价值领域	效益	实现途径
1	效率	l EBOM传递效率提升 l 工艺规划效率提高 l 三大主数据发ERP效率	l 系统自动从PDM获取设计BOM，减少沟通时间和更新工艺工作量 l 利用内嵌标准工艺模板快速构建新工艺 l 可直接调用的工艺装备资源库加快设计速度 l 三大主数据定义完成后可以一键发布到ERP，不再手工导出导入
2	工艺设计 质量	l 确保数据及时，准确	l 构建工艺变更流程，通过任务驱动工艺修改 l 产品和工艺数据之间实现自动关联，减少设计失误 l 支持未来的虚拟仿真验证业务，在设计阶段优化工艺设计
3	协同	l 提升工艺管理和部门间协同水平	l 系统确保实时查询、应用最新的产品、工艺数据，实现协同设计 l 通过工艺发布和批量打印管理向下游发布数据 l 各部门从人员交接变成面向系统交接，责任清晰, 易于业绩考核
4	模块化 标准化	l 提高工艺设计标准化水平	l 归纳总结典型工艺、典型工序和加工方法，通过系统工艺模板固化更佳实践 l 将各类标准、程序、工艺规范嵌入工作流和工作模板，提高工艺标准化水平
5	知识重用	l 成熟工艺快速再利用 l 成熟工艺资源重用 l 实现企业知识积累	l 通过建立系统工艺模板实现企业范围内对更佳实践的重用 l 通过标准工作流程、标准工作模板和工艺资源数据库，新员工能快速学习掌握必要知识上岗工作。 l 通过对项目交付物集中管理实现企业知识积累。
表1： CAPP实施效益分析

 

七、天河CAPP近年案例

 

1. 天河智造近三年主要客户列表

 

表2： 中国制造2025战略客户

图8： 天河智造客户LOGO

2. 目前正在实施的项目有

(1) 鞍钢重机CAPP升级无纸化生产项目（第二期），进入开发阶段。

(2) 航天508所CAPP军工保密改造项目，目前在项目收尾阶段。

(3) 迈瑞医疗CAPP项目，项目处于调研及解决方案阶段。

(4) 上海复合材料研究所MES生产执行系统项目，目前处于上线推广阶段。

(5) 经纬纺织集团常德纺机CAPP项目，项目启动阶段。

 

八、未来展望

在智能工厂建设发展上，通过对国内外智能制造发展趋势及案例（空客未来工厂、安贝格智能工厂、GE智慧工厂等）的分析，未来CAPP系统的发展趋势为：

(1) 数字化：向智能制造的工艺数据精细化发展，从产品设计数字化模型表达，向工艺、制造、服务等全生命周期阶段全要素的数字化模型化表达延伸。

 

图9： 制造业云端大数据

(2) 网络化：从设计工艺打通，向基于计算机通信技术下的产品全生命周期一体化和跨价值链广域协同模式进行转变。

(3) 自动化：输入工艺参数/条件，依据决策逻辑程序，在CAPP系统中实现参数化工艺设计的新型工作模式。

(4) 智能化：从实物世界管理模式向虚拟/实物世界融合下的管理模式进行转变；从经验决策模式向工业大数据支撑下的智能化管理模式进行转变。