1 数字化工艺的应用

       国家《“十四五”智能制造发展规划》提出要推进智能制造发展，必须发展适应智能制造的工艺技术。工艺设计管理是推动智能制造发展的重要基础。未来，我国将加强先进工艺技术攻关，推进行业数字化改造，推进工艺数字化、智能化，加大对工艺技术创新支持力度，开展工艺数字化智能化行动，进一步突破智能制造工艺的制约瓶颈。

       在生产过程中，工艺处于基础与先导地位，是企业制造能力的切入点和突破口。工艺在企业运营中实质就是生产制造技术，包括从原材料进厂加工制造到产品包装入库等一系列的生产技术。只有发挥工艺的支撑、保障和基础作用，才能提升产品质量，优化产业结构。

       当前，工艺数字化、智能化已成为智能制造发展的重要方向，广泛应用于船舶、汽车、轨道交通、重工机械、航空航天、家电等。加强先进工艺技术攻关，掌握核心技术是我国智能制造发展的先决条件，通过加强产学研用协同攻关，推动跨学科、跨领域融合创新。对于装备制造领域，开展工艺技术的研究和创新，发展新技术与工艺结合的模块化生产单元，推进行业数字化改造，提高产品可靠性和高端化发展，成为企业在智能制造道路上强有力的推进器。

2 数字化工艺发展趋势

       随着互联网技术、信息数字技术的迅猛发展与进步，智能制造在全球范围内得到快速的发展与推广。在智能制造的发展背景下，各装备制造企业的工艺设计与管理向数字化转型也变的尤为重要。在企业的工艺设计与管理过程中，如何利用信息化手段，在三维可视的环境下并利用标准规范的工艺知识以及先进的工艺方法，以BOM为核心的数据组织，来开展详细的工艺设计与管理，已成为制造业在工艺、制造过程中发展的重要趋势。

3 数字化工艺的价值

       在装备企业的生产制造流程中，工艺的设计与管理贯穿于整个流程，而数字化工艺设计与管理，对于制造企业来说不仅是一种新的设计思想，更是一种新的管理模式。通过采用设计与工艺并行的设计理念，利用规范、准确且具有唯一性的数据源头，在三维一体化的环境中，开展工艺的详细设计以及工艺数据的应用、管理，可极大的提升企业工艺设计的效率与质量。

       同时，打通设计、工艺、制造各环节的数据链路，可以实现企业在产品研制过程中“短周期、高质量、低成本”的核心价值与目标。

4 数字化工艺的转型

       目前，在国内装备制造业的产品研制过程中，工艺设计与管理处于产品设计和加工制造的中间环节，是设计与制造之间的重要“桥梁”。大多数企业已经不同程度的应用到结构辅助设计（UG、Pro、CAD、Slidworks等）情况下、面向计算机辅助工艺设计软件（CAPP）与PLM、MES系统相互配合使用，打造统一平台，可以进行有效的工艺设计与管理，可以代替传统人工的繁琐性劳动，缩短了一定的工艺设计时间，相对提高了工艺文件编制效率与质量，保证工艺设计与管理的合理性、适用性以及工艺数据的正确性和有效性。

       4.1 设计工艺一体化

       通过对规范化、标准化的设计数据的继承，实现设计、工艺、制造的协同，且基于单一数据源的应用，满足设计、工艺一体化变更，保证变更及时、准确执行；见图1。

       4.2 工艺表达三维化

       通过三维可视化的PBOM构架、消耗式分配，提高工艺设计效率和工艺装配准确度；利用三维注释、动画等表达工艺意图，提高生产效率及质量；见图2

       4.3 信息管理结构化

       工艺的结构化管理，可以给制造端传递准确的结构化工艺信息，提高数据管理能力与应用能力；同时，工序级别的工艺合编，加强工艺协同设计能力，见图3。

       4.4 工艺过程集成化

       设计工具的集成，提高加工过程的透明度、装配过程的设计效率和直观度，以及对工艺设计的可靠性；通过集成ERP、MES、无纸化等相关业务系统，提供结构化、可交互式的工艺发布结果，以确保传递准确的工艺信息。

       4.5 工艺设计标准化

       工艺资源管理，实现工艺资源数据的标准化和规范化，为下游传递准确的信息；通过结构化工艺模板的使用，提高工艺知识重用度，实现企业工艺知识的沉淀，见图4。

5 数字化工艺的内涵及外延

       工艺设计是在承接上游设计任务基础上对零部件加工、制造和检验活动的标准约束，是企业计划、组织和控制生产、确保质量的基本依据。

       5.1 工艺设计的桥梁作用

       工艺设计是连接设计与制造的桥梁与纽带，起到承上启下的作用，把设计人员的设计意图转换成制造加工人员理解的制造语言，以确保产品的可制造性和质量要求。

       工艺设计人员根据加工特征制定对应产品的加工要求、工序逻辑及加工资源等，明确各工序的操作方法、技术要求和注意事项，并附有工艺简图，最终输出成为工艺文件发送下游指导生产和检验。

       5.2 传统工艺与数字化工艺设计的区别

       5.2.1 传统的工艺设计

       传统意义上的工艺设计是采用WORD办公软件编制、成各道工序卡片的编制和下发，车间现场则基于二维为主的产品图纸和工序卡片进行加工和检验，由于文字和简图表述信息有限，现场需要借阅大量纸质文件，管理和追溯困难等。相关产品、工艺、工序和制造资源（设备、工装）之间缺少结构化的逻辑关联，当设计模型发生变更或现场工况条件产生变化后很难第一时间做出应对，导致生产效率低下。

       5.2.2 数字化工艺设计

       数字化工艺的设计则是以数据和对象为基础，以BOM和工艺流程为牵引，将各类工艺资源进行对象化管理，结构化关联和存储，并利用数据约束现场的生产和质量检验，数字化工艺充分利用上游三维设计模型展开三维工艺的设计并将传统二维电子卡片转换为基于三维模型编制的图文并茂、可交互式的作业指导书（见下图5），真正架起从设计到制造和检验的桥梁，从而最大限度地提高现场工人对设计意图、工艺要求的快速理解和准确操作。

6 数字化工艺是智能制造的基础

       数字化时代制造企业必须通过信息化手段加速变革和创新。全新的数字化工厂及智能制造提供了一种创新和变革的手段，旨在通过信息技术和管理技术的充分融合促进人机物之间的充分协作和交流，达到诸如状态感知、实时分析、自主决策、精准执行、学习提升等目标。工艺数据的结构化管理是企业实现数字化和智能化的基础。企业只有将各类工艺方法、工艺流程、工艺模板、工艺资源和工艺过程、检验标准等进行数据化和结构化后才可具备对研发、设计、仿真及制造和检验的生命周期活动进行约束和执行，并在此过程中基于多专业多部门跨组织之间建立一体化的协同机制，实现以数字模型和结构化数据为支撑的智能制造。

       6.1 数字化工艺数据对多车间跨专业模式的支撑

       当今企业逐步趋向于多工厂、产业链协同等经营模式，企业的产品设计、生产制造和检验维修等分别由分布在不同区域的若干个单位协同完成。尤其在某些复杂成套产品的生产中都涉及众多的工艺门类，例如钣金、机加、机械装配、电子装配、外协等，不同工艺种类下的加工要求和检验要求都有很大差异性，如何将不同工艺种类下的加工和检验参数进行结构化管理并与生产同步进行，形成协同的多工厂一体化配套能力，是智能制造时代下必须突破的关键技术。

       6.2 工艺数字化对多车间多专业的协同支撑

       基于BOM结构树将对应整机、部件和零件的物料、工装、设备和工艺逻辑进行结构化建模，并按照组织和权限完成工艺任务的多级分工，各工艺设计人员根据不同零件的加工特性和质量要求完成专业工艺的设计，最终形成总装拉动的分专业工艺协作体系和多车间模式下的协同工艺设计与制造体系，并利用ERP、MES系统的任务分工完成工厂多车间间工艺和制造的关联执行，构建起一体化的闭环业务场景，如图6所示。

       6.3 工艺对数字化生产及质量检验的支撑

       工艺设计的目的是为生产、检验提供可执行的逻辑和标准，是为制造提供服务的过程。而企业的制造过程、工艺逻辑、加工标准、装配顺序和检验规范等则必须来源于工艺数据的结构化，否则所谓的数字化和智能化都是空谈。结构化工艺管理的主旨思想就是将企业在工艺过程中的各项资源和约束条件进行结构化定义，通过基于对象的建模方法和逻辑关联机制建立产品与各项资源及工艺BOM、工艺流程、工时定额、检验参数之间的约束关系来形成标准的工艺控制，以此指导现场的各项生产、加工和检验活动，见图7。

       6.4 工艺对ERP、APS及MES和QMS的支撑

       数字化工艺系统将对应零件的BOM、工艺路线、工艺资源、工时定额、检验参数等信息进行结构化的列装，再通过系统集成方式将这些信息发送到ERP及APS排产、MES制造执行及QMS质量检验系统中，通过基于单一数据源的工艺结构化数据支撑后续的各项生产计划和任务执行、质量检验活动，从而帮助企业在生产组织、资源配套、生产过程及质量控制等方面提升管理。见图8

       ●在ERP计划层面：工艺数据可以有效支撑企业基于MBOM的物料需求运算，并产生针对订单的采购计划和生产计划。能够利用BOM信息进行订单的成本预测和实作产品成本分析，能够利用BOM、工艺路线和工艺资源约束条件进行生产计划的APS模拟排产，为各级生产单位产生对应的生产工单和资源计划等。

       ●在MES制造层面：工艺数据是支撑MES工单执行的主要依据，通过结构化数据输出电子跟踪卡片，关联工序和设备资源等，在现场进行工序的逻辑和流程控制，同时通过电子作业卡片指导现场生产，对各类报警及不合格事务进行逻辑控制等。

7 数字化工艺的核心框架及关键技术

       工艺数据数字化管理的目标就是要建立起集中的工艺数据管理中心，实现以PLM、CAPP系统平台为核心的结构化工艺数据支撑平台，通过与上游设计系统集成构建以“3P+1R”为主的结构化工艺管理模式，将产品（Product）、工艺（Process）、车间（Plant）、工艺资源（Resource）等数据以对象的形式进行存储和管理，并通过集成为ERP/MES等下游系统提供准确、可识别的数据源。其次，通过历史数据的积累完善建立工艺知识库，形成知识共享和智能化的信息推送机制，从而规范设计标准、优化设计效率、固化审签流程、确保设计质量，提升管理水平。

       7.1 工艺参数结构化功能框架

       工艺可以规划从工艺规程从创建到更改的所有业务过程，并重点关注通过工艺参数填写与工艺资源库结合方式来解决结构数据、编辑效率与工艺输出等业务问题。在工艺设计过程中，首先需结合不同专业工艺进行工艺参数的分类和梳理。例如在焊接工序中需要记录焊接设备设备、焊接方法、焊接材料、焊接电流、焊材规格等参数，通过对这些参数进行梳理形成不同的量化参数记录表。工艺设计过程中工艺人员只需通过导入这些参数记录表即可形成针对焊接工序的量化数据参数（当然也包括各类工艺术语、特征符号等），工序内容将自动匹配参数属性，输出为完整的工序内容。

       7.2 工艺知识结构化和工艺文件的模板化

       在工艺设计过程中，将各类工艺资源、工艺模板、特征参数、材料定额、控制方法、失效模式等进行结构化的知识封装，以便在工艺设计过程中可以对这些知识的提炼、存储、管理和使用。产品工艺知识管理是在产品工艺知识有机组织、合理分类和有效标识的基础上，提供工艺知识的获取、审核、检索、共享、维护和安全性控制等管理功能，促进工艺知识的再利用与进化，见图8。

       工艺设计过程中除了对各类数据、对象、资源和流程等进行结构化定义以外，还可以对各类工艺模板、工艺卡片、技术通知单、工艺更改单、流程图、控制计划等文件进行模板化定义，形成一系列标准的模板文件库。工艺设计过程中，可以选择对应的模板文件即可快速生成符合工艺需要的各类文件。

       7.3 工艺数据模板化、结构化、数字化

       工艺数据化是一套以对象为基础、数据为载体、流程为牵引、文件为指导、知识为驱动的全新设计思想，完全符合未来新技术的发展趋势，也是企业实现数字化和智能化转型的必要条件，通过将工艺参数化模板、工艺知识和文件、结构化、数字化等方法将BOM、工艺流程、工艺资源、工艺模板、工艺文件等有机的建立关联，并通过PLM/MES等系统的集成完成标准化的生产执行和质量检验，建立设计、工艺到制造和质量的闭环体系，实现工艺的精细化和高效化管理。 

结束语

       随着信息化进程的日益发展，智能制造是国内外制造业发展的大势所趋，先进的现代化信息手段，为国内外制造业提供了广袤的空间，引领着行业朝着更好的方向不断进步。

       作为设计与制造之间重要“桥梁”的数字化工艺设计管理更是实现智能制造的基石。因此，装备制造业在工艺设计与管理的数字化转型之路上，要勇于探索，不断进步，需要在实践中摸索一条制造业走向数字化发展的途径。在此基础上，通过信息化技术，以设计、工艺、制造一体化数字链路的贯通为主线，进一步提高产品设计、工艺规划、制造管理的全过程管控，才能最终加强企业核心竞争力，完成企业智能制造的升级。

参考文献

       [1]郧彦辉, 董凯《中国工业与信息化》2022.01-42期;
       [2]张心一 《智慧企业》2019-08-4期.