基于工藝設計軟件的工藝數字化轉型

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）

關鍵字：智能制造；工藝數字化；工藝數據；數字化轉型

1 引言

工藝是制造業整體素質和核心競爭力的根本體現，是重要的基礎和支撐條件，是從制造大國向強國邁進的關鍵基礎領域。工業和信息化部等八部門聯合發布《“十四五”智能制造發展規劃》中提出要著力推動智能制造工藝的發展。要推進智能制造發展，必須發展適應智能制造的工藝技術水平[1-3]?？梢姽に囀峭苿又悄苤圃斓谋匾獥l件及重要基礎，工藝數據結構化、參數化、數字化對于后續的智能制造起著至關重要的作用。

某公司組件產業屬于多品種小批量業務，產品類型不固定，采用人工裝配為主、設備輔助的生產模式且業務量每年按照一定的比例遞增。傳統的依靠文本文檔的形式編寫的工藝文件通過PLM 審簽后紙質下發車間，整套多根產品共用一份文件，操作人員無法第一時間獲取相應操作要求；工序操作顆粒度要求、標準化程度不高，過多依賴操作人員經驗；工藝資源庫缺失，不利于企業的發展；工藝數據、檢驗數據通過線下編輯、傳遞，人為因素造成錯誤的風險較高；文本文檔型結構不利于后續規劃的MES 結構化參數調用。為此該公司引入工藝設計軟件，提升工藝設計水平，通過CAPP 端規劃實現工藝數據參數化、工藝文件結構化，傳遞后端實現工藝端和生產端的高效協同，提升整體制造水平。

2 工藝設計軟件總體架構

在現代制造業信息化系統中，數字化工藝是一個集成化應用平臺，工藝設計軟件（CAPP）已不再是一個孤立的系統，能夠實現與多個業務系統進行數據整合、數據交換和共享。其與產品生命周期管理（PLM）、生產制造系統（MES）等多個業務系統進行接口集成，避免了數據線下傳輸耗時耗力，縮短響應時間，提升工作效能。

某公司組件業務對相關信息化軟件的業務流程如圖1所示，CAPP 中生成的工藝數據均實現參數化、結構化。PLM 用于物料編碼管理，產品及物料信息通過編碼實現與后端軟件的信息化流轉，產品在PLM 中搭建并生成設計BOM、設計圖紙、接線關系表等結構化數據。CAPP接收設計BOM 搭建工藝BOM，基于工藝BOM 完成工藝數據（工藝路線、工序作業參數表、工藝附圖、工序作業指導書）的創建，相關數據借用工藝資源庫內部邏輯可自動生成。MES 接收工藝BOM 生成備料清單，接收工藝數據實現計劃排產、生產制造、掃描作業及生產全過程的跟蹤、查詢。

圖1 業務流程

3 工藝設計軟件業務實現

傳統工藝設計軟件能夠實現工藝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CAPP 軟件進行了如下革新。

1）結合業務特點建立特有的工藝資源庫，用于工藝知識、數據的管理，在資源庫中配置相關關聯關系表，通過關聯關系的設置由CAPP 軟件自動生成工序數據。

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計效率。

3）拆解傳統工藝文件結構，根據產品特點配置工序卡，分為工序作業參數表、工藝附圖、工序作業指導書三部分，便于后續批產產品按照工序流水的形式組織生產。

4）檢驗項、檢驗參數結構化，MES 調用后通過實測值填寫自動生成檢驗結論。

5）工藝文件中工藝數據分解成結構化、參數化數據，MES 軟件直接調用工藝數據非工序卡，并根據生產需要進行組合、匯總。

3.1 工藝資源庫建立

工藝資源是CAPP 的基礎數據，它包含了工藝設計所用到的各種設計資源，CAPP 系統在一定的工藝設計資源的約束下才能高效、準確地進行工藝規劃，并對企業的生產活動起到正確的指導作用。

數字化工藝根據某公司組件工藝知識管理的現狀和專業特點，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準工序，標準檢驗項，標準工序操作方法，標準檢驗方法，工藝參數資源庫，編碼、物料、設備對照表，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有工藝知識進行有效管理，加快企業工藝知識的有效沉淀、積累，完成企業工藝知識的穩步傳承，進一步幫助企業實現智能化工藝設計，提高系統的運行效率及工藝設計效率。

工藝設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計，提高了數據的利用率，減少了工藝人員的工作量，提高了企業的工藝設計效率，也是工藝標準化的有效手段。

3.2 工藝BOM 搭建

工藝BOM 以PLM 中的單根組件設計BOM 為基礎，工藝工程師在進行工藝設計時根據產品的特點進行輔料及相關工藝損耗的添加，生成工藝BOM 后進行組件端頭代號規劃，用于后續的工藝數據創建、生成，其準確性至關重要。工藝BOM 審簽完成后傳遞ERP/MES 生成備料清單。工藝BOM 業務流轉示意圖如圖2 所示。

圖2 工藝BOM 業務流轉示意圖

3.3 工藝路線規劃及工序對象生成

CAPP 系統在單根工藝BOM 基礎上創建工藝路線，對于整套產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行歸類創建虛擬件，虛擬件創建后的工藝路線能夠覆蓋所有子件。編制好的工藝路線進行審簽后生成工序對象結構樹進行工序下的相關工序卡創建。工藝路線規劃下見表1，工序對象結構樹如圖3 所示。

表1 工藝路線規劃

圖3 A 產品工序對象結構樹

3.4 工序卡設計及管理

現實施的工藝工序卡區別于傳統的Word、Excel 及CAD 方式的編制模式，采用面向工序對象創建的方式，對企業業務進行分析，構建工序卡模版，制定不同工序的參數化工序作業參數表、工序作業指導書，規范企業的工藝數據標準，細化工藝數據的顆粒度，實現工藝設計及業務流程的規范化、輸出的標準化，包括工序對象、審簽流程、工藝卡片模板等，幫助我司組件業務建立統一全面的工藝規范，徹底解決了工藝文件模板需要標準化的問題。

CAPP 系統的工序卡由工序對象驅動，每個工序的工序卡由工序作業參數表、工藝附圖、工序作業指導書組成。

工序作業參數表中的工藝數據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物料規格，再根據工序參數對照表、物料和設備對照表、工序編碼設備對照表等相關對照表中的相關數據，計算自動生成工藝參數、設備、工裝、工具信息并填入相應表格中，杜絕了人工輸入的錯誤。工序作業參數表示例如圖4 所示，每一根組件對應的數據信息均是結構化數據，用于后續MES 數據共享、調用。

圖4 工序作業參數表示例

工序作業指導書通過引用工藝資源庫中的標準操作方法結合本產品的特殊性編輯生成，引用資源庫中的標準操作方法極大提升了工藝設計效率，工序作業指導書示例如圖5 所示。工序作業指導書每一步采用圖文并茂的形式呈現，提升了文件的可操作性。

圖5 工序作業指導書

3.5 檢驗參數結構化

通過軟件定制化開發，設置首根組件檢驗項一鍵生成該虛擬件下所有組件檢驗項，根據技術要求填入相關要求值，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性工作，產品檢驗完成后填入實測值，自動生成檢驗結論，提升了檢驗效率及檢驗質量。

3.6 工序卡片的輸出

編輯完成后的工序卡按照一定規則編號的方式儲存在工序對象結構樹下，與工序形成對應關系。組件的工藝數據至單根工序級，按照工序顆粒度編制的工序卡，包含工序作業參數表、工藝附圖、工序作業指導書，每部分均為結構化數據，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，生產派工后及時、精準推送工序數據至操作人員，操作人員能夠第一時間獲取相關操作信息，也可轉為PDF 打印輸出成套產品工藝文件。CAPP 與MES 接口數據流向圖如圖6 所示。

圖6 CAPP 與MES 接口數據流向圖

3.7 權限、變更和版本管理

工藝文件在審簽結束后自動定版，默認A0 圖幅版本，定版后的工藝文件修改需進行升版，CAPP 可接收PLM發出的設計變更單，然后在CAPP 系統中創建工藝變更單，也可在CAPP 系統自行發起工藝變更單，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 更新相關數據。老版本自動變為失效狀態，但會作為歷史數據進行保存，以便作為歷史記錄進行質量追溯。

3.8 結構化工藝數據運用

結構化工藝數據以工藝維度分為工序作業參數表、工藝附圖、工序作業指導書三部分，通過CAPP 與MES 之間的接口將相關數據傳送至MES 端，通過與生產任務訂單按照工藝路線分解后的工序進行綁定，由車間生產計劃將生產任務與相對應工序的工藝數據共同傳送至操作人員，操作人員打開任務進行產品生產時，對應該工序的操作要求即顯示在電腦終端上，降低了傳統模式下操作人員查找文件及在多份文件中查找相應操作要求的時間，能夠實現精準推送，提升了生產效率。當批量越大且工序實現流水作業時，相對應的生產效率提升越顯著。

生產完成后通過MES 進行提交任務，對應的生產記錄也實現了線上對應工序記錄，降低了傳統模式線下紙質記錄的時間，時效性、準確性上均有所提升。

通過設備的信息化改造，數字化工藝數據可通過MES 與生產設備進行聯動，以工序為維度將相關工藝參數自動傳遞至生產設備，提高了人工設置設備參數的效率及準確度。相較于原先的文本文檔，工藝數據能夠在各系統中傳輸，對后續生產端的數據抓取、數據分析發揮了關鍵性作用。

4 價值成果

通過工藝資源庫的建設及實施，引入工藝設計軟件對于文件工藝標準化、編制質量、效率和文件可操作性等方面均有所提升，主要表現：

1）工藝標準化程度提升。規范組件工藝設計流程，建立了標準工序57 個、標準檢驗項33 個，均梳理工序作業參數表模板，建立標準工序作業指導書約143 個，通過標準工藝術語的建立提升了工藝標準化程度。

2）文件編寫質量、效率提升。通過關聯關系表的建立，約70%的工藝數據能夠自動生成，提升了工藝文件的編寫效率及編寫質量；建立工序與物料編碼對應關系表，用于工序耗料自動查表獲取BOM 用料；建立物料關聯關系約2 000 條，用于工藝參數自動查表生成；建立工序、物料與設備關聯關系，用于工序設備自動查表生成。通過2022 年工藝文件低級問題分析，工藝設計軟件的引入能夠減少后續工藝文件50%低級問題出現。

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

5 結束語

數字化工藝是設計和生產的業務聯系紐帶、數據交換中樞，是企業數字化轉型的基礎。完成數字化工藝建設對企業百利而無一害，可以進一步加速企業的產業升級，提高企業競爭力。

基于工藝設計軟件的工藝數字化轉型優勢的主要表現：

1）簡化了工藝文件文檔結構，以參數化、結構化的數據為智能制造提供基礎數據，提升了生產效率，能夠加速智能制造的推進。

2）提高了產品研發設計、工藝規劃及生產的高效性、繼承性和合理性，可以為企業縮短產品研發周期，提高產品質量，降低生產環節成本奠定基礎。

3）實現產品設計、工藝、生產、檢驗過程中各工序之間產品數據、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量。

5）工藝人員擺脫繁瑣復雜的重復性勞動，可以將更多的時間和精力放在新產品、新工藝、新技術方面的開發與研究。

6）規范了工藝術語，提升了企業工藝標準化程度。

7）數字化工藝為后期MES 上線后的智能制造提供數據支撐基礎。