一、背景

    放眼全球，国家间的竞争越来越激烈，美国力促“制造业回归”，我国着力发展“中国制造2025”，装备制造业仍然是国家间竞争中的重要一环，以智能制造为高铁这张“中国烫金名片”增光添彩是株洲中车时代电气当仁不让的责任。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、系统的规划

    智能工厂建设项目将信息化、自动化、数字化等技术应用到轨道交通装备核心部件生产制造过程；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，并促使公司相关业务管理、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1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/FLOW/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FLOW传递至MES和智能制造样板线；
    4、提供工程数据采集标准（EDC），通过FLOW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1 CAPP与信息系统间的关系

    三、系统构建

    1、CAPP系统功能框架

    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。

    在业务需求分析与方案定义阶段，共涉及24个TO-BE业务流程，15个专题方案及331个CAPP功能需求点，我司将现有的Windchill9.1作为CAPP系统的基础平台，整理系统需求规划系统总体功能框架如下图2所示。

图2 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3系统数据流向图

    3、应用举例

    1）MBOM设计管理

    BOM是各信息化系统中最重要的基础数据。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。

    基于MBD的三维可视化、EBOM、MBOM三者联动的MBOM设计环境，如图4所示。

图4三维模型和EBOM/MBOM的联动

• 用户三维可视化环境下，MBOM结构编辑调整功能，基于单一页面的零部件的借用、复制、拖放、剪切、粘贴等操作。
• 实现MBOM的多人并行设计，不同工艺类型的MBOM维护人员各自维护MBOM结构，系统自动组合成完整的MBOM结构。
• 在MBOM结构中进行材料定额、工艺辅料添加。
• 实现MBOM的变更管理，支持在MBOM编制环境的变更识别，通过MBOM变更流程实现MBOM的换版发布，在流程中支持变更对比信息的报表输出。
• 支持基于MBOM的工艺任务管理，实现工艺任务的电子化分工管理，可对任务的执行情况进行追溯、汇总统计，并可输出为相应的报表。
• 实现将ERP中的工厂属性回写到PLM系统中（采购类型、特殊采购类），PLM系统依据属性触发相关的结构化工艺设计流程任务。

    2）结构化工艺路线

    在CAPP系统中，工艺路线结构化文件提供了强大的工艺文件编制功能，进行各专业结构化工艺文件编制。如图2所示：支持在工艺卡片中插入三维装配仿真动画、三维工艺模型(Pro/E)、DWG/DXF二维图纸、照片、图片、工艺特殊符号、工艺资源等数据，并在卡片编辑同一界面快速方便的对照片和模型等进行批注和编辑，并且在后续变更时可以基于同一页面对批注内容进行修改。对于结构化编辑的文字，可以实现文字加粗、加颜色、底色、换行等格式编辑操作。

图5 结构化文件操作页面

    结构化数据能很好的实现数据的复用、搜索和精确提取，解决了原来通过WORD/EXCEL文档编制工艺文档数据黑箱的问题，实现了信息透明化。我司在CAPP制造资源库中，构建了工序、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，其核心和载体由MBOM变成了工艺路线，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，颠覆了原来基于MBOM关联文档进行工艺数据管理的模式，实现了灵活可配置的制造生产方式。

    四、项目成果与经验总结

    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；
    1）实现MBOM设计与变更流程的全面管理，进行数据容错判定，确保MBOM数据规范性、正确性、衔接性。
    2）实现工艺方案结构化编制，工艺总方案的关键数据（四新、工艺性说明、输入等）在对应工艺分方案中可继承重用，并自动触发四新任务通知，避免工作遗漏。
    3）实现基于不同产品类型、产品领域、项目类型的组合选择，系统自动匹配出相对应的成果物裁剪结果，减轻了工艺裁剪表编制的工作量，裁剪结果自动触发文档编制任务至对应责任人，并通过齐套性报表进行任务跟踪。
    4）实现基于工艺路线的作业指导书结构化编制，PDF输出、签审与变更管理，在制造资源库实现工序/工步的规范化创建，及实现工艺路线的快速复用。
    5）基于工步进行定性或定量两类“检验要求”的结构化定义，为制造端的自动化检测设备数据采集提供了数据输入，并对数据采集执行情况进行校验，防呆防错。
    6）实现各类制造资源基础数据的统一维护管理。
    7）实现了转产评审单结构化、基于业务规则自动输出文件齐套性确认，实现开口问题闭环。
    8）建立工艺知识库，实现各类知识数据的统一维护管理。

    五、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。
    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。