淺析工藝輔助開發系統的應用研究

黃光鍇 侯 煒

(1.同濟大學，上海 200082； 2. 上海汽車股份有限公司乘用車公司，上海 201804)

0 前言

近年，汽車行業發展迅速，汽車由代步工具向著智能移動出行終端發展，同時用戶對汽車的需求呈現多元化發展趨勢。各大整車企業在不斷提升客戶體驗的同時，也加大了對車型配置豐富化的開發，例如長城的H6車型就有超過40種的官方配置來滿足不同的客戶需求。

豐富的車型配置在滿足客戶需求多元化的同時，也對整車企業的零件和成品倉儲能力帶來巨大挑戰。隨著大數據時代的來臨，針對汽車終端客戶的需求分析越來越詳盡，整車企業為滿足客戶需求的同時，也在產品開發和制造上不斷挖掘潛力，在客戶定制的道路上摸索實踐。如福特面向制造的設計開發模式，在產品設計初就考慮到敏捷化和模塊化生產等問題。豐田的即時制(JIT)生產方式不僅滿足小批量混合生產，實現了按需生產的精益化理念，在滿足客戶需求的同時也在訂單驅動的生產模式下最大程度地減小了庫存。

因此，為了達到真正的客戶定制化，需要有與產品協同運作的制造系統。需要將信息技術與制造業深度結合，將精益生產的理念與信息技術的網絡化結合，顛覆傳統量產模式。

1 工藝輔助開發系統發展現狀

自1965年，Niebel首次提出工藝輔助開發系統(CAPP)概念以來，CAPP由電子數據存儲、檢索技術、文檔開發系統開發向著數據傳遞平臺轉變。CAPP一開始的核心是為了簡化工藝，實現工藝的自動化編排和智能優化。目前，CAPP的復雜化程度已成為了一個綜合學科，原先的技術和方法還無法通過計算機取代人工，因此僅在一些高度自動化的行業上實現了局部的工藝自動開發。如機加工行業中的數控程序標準化程度高，CAPP已經得到了良好推廣和應用。

在汽車裝配行業中，也有不同程度的CAPP應用，其中很多整車企業結合產品數據管理系統(PDM)，將CAPP作為PDM一個子模塊進行開發應用，如西門子將可視化裝配和數字化工廠結合起來推廣，長安和上汽通用在此方面都取得了一定的成績。也有企業以物料清單(BOM)為基礎，將工藝數據作為BOM的衍生，如東風、一汽等。還有以工藝數據的結構化為紐帶的企業，開發出各個生產基地的工藝文件，并實現在線審批流轉發布，如上汽乘用車、上汽大通等。

2 總裝工藝各開發階段問題

汽車行業中，汽車總裝結合產品開發的階段，可以把主線裝配工藝開發按照時間節點主要分為4個階段：第一階段為早期設計規劃階段，第二階段為工藝作業表設計階段，第三階段為動作設計及線平衡階段，第四階段為小批量驗證及工藝變更階段。傳統模式下的開發過程為達到階段性目標，受限于人力和以往信息技術方面的能力，在不同階段都會面臨不同問題。

2.1 第一階段——前期設計規劃階段

第一階段中，結合產品早期的設計結果，進行工藝方案的制定，包括主線關鍵裝配路徑的選定、產品導入對設備改造方案的鎖定、工裝工具的策劃、裝配質量風險控制的策劃和裝配時間的初步鎖定。以上是基于經驗豐富的技術人員在現場生產環境中結合產品數模，在缺乏零件實物和現場環境的情況下，以自身經驗將對數模的理解轉換成工藝方案。實際上，目前國內各車企的研發部門遠離生產基地，往往當現場工藝發生變更、裝配質量存在缺陷時，不能及時傳遞至上游部門，或由于當前企業擴張快、變革大、人員調整較多等原因，技術人員無法對所有基地的情況都非常熟悉，僅憑經驗和記憶已經無法確保規劃方案的完整和準確。

2.2 第二階段——工藝作業表設計階段

第二階段開發過程中，作為工藝方案的衍生，需要完善工序作業的設計，建立工序之間的順序關系，對各工序進行工時定額，并進行資源的詳細配備，如工裝的概念方案、工具型號的確認、設備操作的節拍需求、裝配輔料的鎖定并結合裝配風險制定總裝質量要素。本階段工藝開發過程中人員需要掌握大量方法和現場數據，如產品裝配、工序設計、工時定額、人機工程、工具選型規范及方法、作業編成、設備原理等，同時需要了解基地現有的工裝工具情況、現場工位布局和環境、物料擺放的方式等，還需要不斷結合產品數據的發布和變更來配合進行工藝調整和優化。

工藝設計作為一個系統性工程，操作人員在設計時需要掌握大量方法和查閱大量數據，還要能確保裝配效率和質量。

2.3 第三階段——動作設計及線平衡階段

第三階段是在第二階段的基礎上，有了實物零件，并通過實際的整車裝配過程來充分開發動作設計和進行規劃工藝的細化。此階段由于有了實物裝配的參照，可以驗證并充分優化第二階段完成的工序設計合理性和完整性，并為最終的流水線裝配提供最終的操作標準。一般這個階段只有2個月左右，除了存在第二階段中可能出現的各項問題外，還存在開發周期短、效率低、錯誤率高等問題。同時，第二階段中為滿足管理和配合其他部門的需求，要產生大量的清單，存在一項工藝參數對應多個清單的現狀，若人為導致的疏忽，產生的后果往往影響巨大。

2.4 第四階段——小批量驗證及工藝變更階段

第四階段是通過現場小批量實際生產來驗證量產能力的過程，此階段的目標是充分消除浪費，滿足裝配質量達標，因此在此過程中會以提升效率和質量為目的進行設計和工藝的變更。這些變更由于需要滿足現場響應，急需滿足快速、穩定的工藝變更和發布管理。為保證其質量，工藝的變更審批非常嚴謹和緩慢，其響應速度始終無法跟上現場需求。另外，各個基地的現場會發生很多裝配失效的問題，如前文所述，過去線下的數據是相互獨立的，無法在第一時間實現信息互通和傳遞。這讓很多寶貴的經驗受限于企業的管理效率和人員的流動，最終沒有得到傳播甚至散失了。

總裝車間遇到的問題從其本質上可以歸納為各文件信息不一致、工藝開發質量低、對技術人員經驗依賴程度高、開發周期長、管理效率低和歷史積累丟失。

3 總裝的工藝軟件應用改善

3.1 工藝數據的結構化

數據的結構化指的是通過工藝輔助開發系統，將各個產品和工藝的孤島數據以線狀傳遞和網路狀的結構映射。目前，數據的結構化及傳遞方式常見有以下幾種形式：

(1)以零件的BOM為核心，在BOM信息的基礎上衍生出制造相關的數據，并通過生產過程執行系統(MES)和企業資源計劃系統(ERP)傳遞至生產，是研究零件裝配和加工的一種集成化的CAPP系統。

(2)以工藝優化為目標，設計上主要滿足工藝程序分析與優化的裝配資源系統，把工藝設計和工業工程技術相結合，開發出一種可實現規范化作業的流程平臺，如上一代西門子和達索系統下自帶的基于遺傳學算法的線平衡優化功能。

(3)基于PDM系統以BOM為核心，結合設計數據、設備數據和工藝數據為一體的仿真系統，如西門子最新一代的“數字化雙胞胎”工廠，還有國內自主開發的軟件系統，如上海思普信息技術有限公司的IPM、艾克斯泰克的XTCAP、華中科技大學開發的HZ-RCA等，都在管理要求和功能上具備競爭力。

3.2 工藝開發過程質量

3.2.1 工藝開發方法的優化

在工藝開發時，為了確保裝配效率和質量，需要對開發的過程和質量進行管控和約束，因此將企業內部定義的開發過程以模塊化方式嵌入CAPP中。

3.2.2 工藝的輔助設計功能及原理實現

高效的工藝軟件需要良好的交互功能和界面，可以有效提高作業編成效率。軟件要在操作步驟編制和資源配備時具備提示和引導功能。例如，當進行工時定額時，軟件可以參考該零件被引用次數前三的歷史數據。資深工程師可通過此功能快速完成文本工作，提升工作效率，而新晉工程師則能夠結合軟件查閱歷史數據，指導工作開展，如圖1所示。

圖1 輔助開發的設計實現方案

3.2.3 數據發布的管理

一項工藝新增或變更發布時需要從至少二十幾個維度來評估對生產的影響程度，并制定確保其風險可控的措施。因此，軟件內工藝數據的調整需要綜合來自不同崗位和職能人員的評估意見，最后把變更的信息和內容以內部郵件的方式準確無誤的傳遞到生產。線上電子審批不僅提高了效率，更能方便匯總其他部門的意見，如圖2所示。

圖2 數據發布流程圖

3.3 數據互通及傳遞優化

各開發階段不同的載體之間信息傳遞存在延遲和丟失導致的前后信息不一致，從而引起數據一致性的問題，首先要解決工藝文件內的數據存儲的問題，按照其展現方式可以分成2種：

(1)文件的存儲，即工藝文件表，過去CAPP多采用文件存儲的方式，一個工藝數據實際被若干個工藝文件調用，但由于各個工藝文件之間的相互獨立，因此不易保障數據之間的一致性和完整性。

(2)數據倉存儲，數據倉之間相互獨立，最底層的數據倉僅記錄各個數據，上一層的文件或數據倉則必須從底層的數據倉內獲取數據，上一層或數據倉文件不存儲和記錄數據，僅把底層調用的數據直接或按照規則轉換展示出來。用戶可以通過修改上一層的文件或者在數據倉修改數據，修改后的數據是直接反應在底層數據倉內的。這樣如果修改了引用數據倉中的一份文件，那么其他引用這個數據的文件也會一起被修改。數據倉的存儲方式較文件存儲相比更具備計劃性和動態關聯的優勢。

3.4 生產問題反饋及管理優化

以往一線生產管理者需要有大量的現場經驗才能進行現場質量的管理和持續優化。隨著企業的發展和擴展，人員的流動速度快，合格班組長育成周期長，已經給企業帶來大量質量和成本上的損失。通過工藝的質量開發功能和經驗結合，按規則生成一份裝配缺陷的高風險清單，并且結合當天生產計劃還可以準確預測到高風險缺陷發生的時間和位置。這有利于緩解班組長的管理壓力，也能降低對班組長的經驗要求，縮短育成周期，提升裝配質量，減少缺陷發生的頻次和數量，并為未來規劃工藝時的質量提升和改進提供方向和數據，如圖3所示。

3.5 同步工程的工作優化

結合同步工程的優化內容及評審表，主要從裝配空間的可達性、工具設備接口的共用能力、標準工藝順序的符合程度、裝配效率、裝配的防錯和人機姿態等幾個維度進行評價并優化設計。評審分為單個零件組和系統級總成兩個階段。所有的零件和系統在不同階段完成評審后，給出評審結果和狀態展示，便于管理層對重點任務的狀態進行識別和按需給予關注。

CAPP可以通過平臺間的數據互通，在零件設計校核時，同步獲取用于校核零件及系統總成設計所需的各基地參考數據，在提升同步工程質量的同時還可以及時響應基地的最新變化需求。

3.6 工藝信息狀態的展示及應用

圖3 生產輔助管理的實現原理

在工藝開發過程中查看開發目標、進展和結果，可以通過CAPP從數據倉內抓取基礎數據按照一定的格式和排版形成各類統計報表以滿足不同人群的需求，如工藝工程師需要了解工藝數據的完整性和工程變更的執行情況，生產一線管理人員可以從中獲取裝配關鍵要素清單和零件狀態斷點切換信息，精益技術人員可以獲取不同車型配比下的最佳人員出勤方案等，如圖4所示。CAPP可以代替傳統手工輸入和大量數據的復雜處理，快速且準確地生成各類具有參考價值的報表和清單，大幅降低工藝開發和生產管理的難度。

圖4 報表模塊示意圖

4 上汽在CAPP開發上的階段性應用

為滿足工藝系統開發和生產響應及時性的需求，上汽在工藝輔助設計系統開發上進行了試點和小范圍應用。軟件功能包括工藝參數的數據倉、工藝信息模塊的開發和報表管理的生產等。

工藝參數庫包括：滿足工廠信息設置的布局庫，調用零件BOM和裝配信息的零件庫，動力工具和套筒接桿的資源庫，用于工時定額和工時計算的工時庫。

工藝信息模塊劃分按照其開發的階段和用途劃分為兩個部分：第一部分是以BOM為索引，將零件作為對象，輸入工藝信息，包括動作、工時、資源等用于工藝基礎數據開發的模塊(圖5)；第二部分是以生產基地為對象，將零件工藝按照生產所屬基地的狀態，將工藝編排到各個工段工位，并以滿足線平衡為目標的模塊(圖6)。

圖5 零件開發模塊示意圖

圖6 工廠級工藝開發模塊示意圖

同時，為滿足各類不同人員在不同領域的需求，可實現各類工藝參數的清單和報表的一鍵導出。

5 結論

本文對CAPP系統的作用和設計方案進行了簡要的概述，在此技術上對如何通過系統提高工藝編寫的質量和效率進行了初步的探討和分析，并對上汽已完成的一些模塊做了簡單介紹?；谀壳肮I4.0在發展變革過程中，如何通過CAPP這個軟件充分挖掘工藝信息數據的價值來幫助企業提升競爭力給出一些建議。