从CAPP到MPM，数字化制造与管理系统应用思考与实践

李险峰

(北京科技大学机械工程学院物流工程系，北京100083)

在刚刚结束的全国两会上，与会代表热议了国家十二五发展规划。其中涉及企业发展方式的转变成为核心的议题。如何将“中国制造”升级为“中国智造”成为讨论的焦点。简单的一字之差实际上反映的是制造企业核心竞争力的差异体现。制造企业要参与更为激烈的全球市场竞争，只有具备核心的制造竞争力才能立于不败之地。如何建立和储存企业的制造竞争力将成为问题的关键;而作为制造企业核心竞争力基础体现之一的企业信息化平台的建设发展成为关键的关键。我国制造企业的信息化平台建设经历了一个不平凡的历程，从二十多年前开始的“甩图版”工程到今天大规模使用的3D CAD/CAM/CAE/PDM等设计研发部门的IT信息平台。制造以企业设计部门的IT水平实现了质的飞跃;与此同时，企业管理层面的IT系统如ERP、MES等系统应用使得无论是宏观和微观生产管理水平都得到迅速的提升。在这些辉煌的同时，又是什么在制约着制造企业核心竞争力的进一步提升呢?

1 工艺数字化，制造企业现实的瓶颈

长久以来，我国制造业企业大多都存在着“重设计、重管理、轻工艺”的状况，企业在设计部门投入的资金往往是工艺部门的很多倍。企业的各种资源都在向设计研发、生产管理部门倾斜。但是无法回避的一个事实是:我们可以花大价钱购买国外的产品设计图纸而买不来他们的制造工艺方案，因为如何生产和制造是企业最核心的价值点所在。所以，目前我国制造企业工艺部门的水平和效率的低下已经成为企业发展的现实瓶颈(见图1)。很多的制造企业在具备大量的3D设计分析工具与现场自动化生产设备(PLC、现场总线、工业机器人等)的同时依然在用很传统的手段(AutoCAD、Project等)处理诸如工艺计划排定、资源设备的整合、工厂生产线布局设计以及各种各样的工艺文档。各种来自上有产品设计的3D信息和制造车间先进的自动化生产设备(如5轴机床)所需要的数字指令都由于中间工艺设计阶段的低效率和低集成性而失去它们本来的价值;另外一方面，传统工艺设计阶段的低效率使得工艺准备阶段变得十分漫长而充满不确定因素，很多的工艺问题需要到车间进行物理试生产来验证工艺的质量。让昂贵的制造工厂成为企业低效率工艺设计环境下的实验室;更为头痛的是:所有的试生产必须是物理样机和制造设备(主、辅设备)就绪后才能开始进行，如果发现设备在配合或者加工上存在问题(如干涉、超差等)则需要进行设备制造的返工，无论是在时间还是资金成本上都是巨大的毫无意义的浪费。

为了解决工艺数字化的问题，上世纪90年代开始很多的制造企业尝试着引入CAPP系统(计算机辅助工艺规划)来解决工艺环节的低效率和落后手段的挑战。但是，由于国内CAPP系统天生的制约和限制，所有国内商业CAPP系统都不能称之为严格意义上的“辅助工艺设计”，而是更多地起到将传统手写编辑工艺文档在电脑中格式化处理和录入以及归档管理的作用。CAPP系统的确帮助企业提高了工艺编制的效率，减少了重复劳动。但是，CAPP解决的主要是工艺文件的编制和工艺汇总等问题，而没有解决如何提高企业的工艺设计水平、如何验证编制的工艺是否合理、如何对加工和装配工艺进行优化、如何提炼典型工艺、如何更有效地利用工艺资源以及如何有效传承工艺经验等问题。随着信息化时代带来工业化的高速发展，信息化产品的结构、性能和复杂程度越来越高，工艺知识的积累和重用变得越来越重要。而这一切的期望都使得我们应该把目光投向更为专业的数字化制造系统，学术上成为MPM(制造过程管理)的工艺设计、分析优化和数据管理IT平台。

2 MPM系统应用架构和特点

学术上将以MPM为代表的数字化制造系统定义为:连结设计和制造之间的桥梁，它通过一系列工厂、工艺设计及管理工具，仿真产品制造的全过程，在实际产品制造之前用可视化的方式规划和优化产品的制造工艺方案。系统在整个产品生命周期PLM中的地位特点如图2所示。

MPM是为制造企业在工艺规划、工艺设计、工艺仿真过程中提供一系列结构化、可视化的工具和技术，其核心技术可以分为工艺设计和仿真技术(主要包含CAM技术、装配过程与仿真技术、物流设计与仿真技术、公差分析、机器人离线编程及仿真技术、人机作业模拟与仿真技术)以及工艺管理(主要包括PBOM管理、工艺设计管理、工艺资源管理、工艺报表)。

数字化制造是利用数字化技术及工具在实物产品被生产制造出来之前，进行规划、设计仿真和管理的过程。其内涵包含工艺规划、工艺设计、工艺仿真和工艺管理4个方面。

(1)工艺规划 描述组成产品的制造工序流程，主要是描述整个产品所有零部件的作业流程、操作地点以及相互之间的关系。

(2)工艺设计 描述某一个零件或者部件在某一道工序具体的加工过程以及所需的设备、工装、工时等信息的过程。在数控加工环境下，则需要编制零件的数控加工代码。

(3)工艺仿真 利用三维及虚拟仿真技术，在计算机虚拟的环境中真实再现工艺规划、工艺设计的实现过程，并且允许用户实时操作工艺设备或改变相关参数。

(4)工艺管理 管理工艺规划、工艺设计、工艺仿真过程中产生的文档、数据以及这些文档、数据的产生过程。

产品全生命周期中最为复杂且难以管理的是产品的制造周期。为了满足生产制造管理的需要，不少企业先后引入了SCM(供应链管理)、MES(制造执行系统)和ERP(企业资源计划)。但是在研发设计系统和生产制造管理系统之间，缺乏一个有效的手段对在虚拟环境中的产品工艺规划、工艺设计等信息进行辅助设计和仿真。数字化制造技术的出现，弥补了这一环节的缺陷，使得在虚拟环境中开发设计的产品，在被投入车间正式生产之前，可以在虚拟环境中进行工艺规划、工艺设计和工艺仿真。从本质上讲，数字化制造是数字化设计的延伸。前者保证产品设计能够达到性能上的要求，后者保证产品制造能够达到设计上的要求。

3 MPM系统平台的关键技术

MPM系统平台的关键支撑技术包括集成环境下的工艺设计与数据管理、工艺仿真模拟等专业的IT技术应用。

3.1 集成环境下的工艺设计与数据管理技术

数字化制造的核心问题之一就是建议如何建立工艺过程的模型，而工艺设计管理核心是PPPR(Product，Process，Plant and Resource)模型。其中产品信息来自PDM，包括工艺规划、工艺设计和工艺仿真，而这些则需要借助数字化制造技术，将各类工艺信息关联到PBOM中。PBOM中的产品对象既可以直接利用EBOM中的产品设计对象(Design Item)，也可以创建产品制造对象(Part Item)来构造PBOM，通过EBOM中产品设计对象和产品制造对象的关联来连接EBOM和PBOM。由于在一个平台当中进行EBOM向PBOM以及在PBOM上进行产品及零部件工艺设计，因此不仅EBOM的变更信息可以及时传递到PBOM，而且可以直观地反映在同一平台中的产品三维模型。

PBOM(Process BOM)是工艺设计部门以EBOM中的数据为依据，制定工艺计划、工序信息、生成工艺BOM的数据。可以说，工艺部门进行工艺设计的成果，除了工艺文件以外，最为重要的就是 PBOM。PBOM的设计依据是设计部门产生的工程BOM(Engineering BOM，EBOM)。工艺人员在EBOM的基础之上，添加包括物流状态、加工的车间、生产线、工位和工序等相关信息，并根据工艺的要求改变EBOM的结构，形成工艺合件、虚拟件，这就形成了PBOM。因此在构建PBOM的数据模型时必须与EBOM的数据模型相一致，即当EBOM上的信息发生变化时，PBOM对应的零部件信息也应当予以提示或发生相应的变化。只有架构在BOM结构变迁基础之上的包含制造过程(Process)、制造资源(Resource)和制造工厂(Plant)等信息的PPPR模型才能真正完整地描述产品制造过程。

3．2 全3D的虚拟工艺过程模拟

作为数字化制造系统最为核心的一部分内容，3D仿真技术的应用无疑是区别数字化制造技术与传统CAPP的分水岭。针对前端工艺设计产生的工艺过程描述和工艺过程的相关数据进行虚拟化的模拟仿真，验证工艺数据和过程中可能存在的问题，避免在实际的物理工厂进行试生产才能发现工艺问题的尴尬。3D仿真技术的应用是计算机图形学和相关制造、管理理论高度综合的产物(见图3)。常用的3D仿真包括:

(1)数控技术仿真(机床加工过程模拟) 数控仿真技术则可以对数控代码的加工轨迹进行模拟仿真、优化。同时，也支持对机床运动进行仿真，从而避免在数控加工过程中，由于碰撞、干涉而对机床造成损坏。

(2)数字化装配工艺过程模拟 实现产品装配过程和拆卸过程的三维动态仿真，以发现工艺设计过程中装配顺序设计的错误。以及在对装配顺序仿真过程中对每件零件、成品等进行干涉检查，当系统发现零件之间存在干涉情况时应予以报警，并示出干涉区域和干涉量，以帮助工艺设计人员查找和分析干涉原因。

(3)人机交互环境模拟分析 人机作业工程工具可以有效地模拟和仿真现场操作人员在完成每道工序时的动作并对操作的达到性、视觉性、安全性和工作舒适度进行分析和评估。与传统的设计方法不同，数字化制造技术中的人机作业模拟与仿真是用量化的手段模拟和评估人、机、环境三者之间的关系。例如在狭小空间进行作业且对劳动者的力量要求不高时，安排身材较小的作业人员显然比安排体型较大的作业人员更加合适。除了对工作中的人机作业进行仿真和评估外，它还可以帮助设计人员对使用产品的人机工程进行仿真和分析，帮助设计人员对产品设计进行优化。

(4)焊接工艺过程模拟 对于那些广泛采用了工业机器人的制造行业(如汽车制造业)，工艺人员可以在可视化的环境中设计工业机器人的工作路径和工作节拍，结合工厂三维设计及物流仿真工具，工艺人员可以系统地规划整条生产线上工业机器人的工作路径和工作节拍，在避免机械手臂干涉的情况下，设计最为合适的工作节拍。对于包括ABB、KUKA在内的世界顶级工业机器人的良好支持，使得在数字化制造环境中设计规划的工业机器人工作路径和工作节拍等信息可以自动生成机代码直接为这些机器人所用。

(5)工厂物流过程、供应链仿真模拟 工艺规划完成之后，需要对生产这种产品的物料在车间内的流动状态进行模拟，通过模拟不仅可以分析出产能瓶颈，还可以验证工艺规划的合理性以及给车间物流带来的影响，以便在实际生产加工之前就规划出更为合理的工艺路线和车间物流路线。

(6)尺寸链设计仿真模拟 在设计公差时，很重要的是系统地分析零部件的可制造性以及与其他零部件组合成产品的可装配性，同时寻找成本最低、质量最佳的生产工艺，这也是数字化制造技术所关注的重点。数字化制造技术中的尺寸公差分析可以从设计开始就对设计人员定义的尺寸公差、形位公差进行管理，通过对产品安装工艺的三维建模和数理统计仿真来分析和优化系统里的制造偏差和定位安装方案，从而对产品的尺寸质量进行改进和管理。

4 MPM数字化制造系统平台的实施路线

数字化制造的成功运用不是一蹴而就的，即便国外应用较为成熟的行业和企业，也经历了一个逐渐探索和逐渐成熟的过程。总体而言，成功应用数字化制造可以分为4个阶段:试验阶段、导入阶段、应用阶段和优化集成阶段。

(1)试验阶段 大部分制造企业应用数字化工厂都是从单元技术开始的，其中应用的较为广泛的就是CAM技术。随着应用的深入，部分对产品质量要求较高的企业，通过分析自身的产品和制造工艺，也会引入例如公差分析等单元技术。也有部分企业引入了PBOM管理、工艺设计管理、装配仿真等技术。但因为这些技术的引入会对车间生产产生直接影响，因此在引入这些“点技术”时，大部分企业都是原有的工艺设计和数字化制造技术并存，用已经得以验证的工艺验证数字化制造技术的实用性。

(2)导入阶段 当企业通过验证证实了数字化制造技术可以给工艺设计和制造带来的效益时，则会导入一两个新产品到数字化制造系统当中，并开发个性化的应用工具，对自己的数字化制造系统逐步进行完善。

(3)应用阶段 在此阶段，企业会根据自身的工艺特点和需要，逐步完善自身的数字化制造系统，并将数字化制造系统作为工艺规划和设计的唯一手段。此时企业的工艺设计和仿真在全三维环境下进行，同时包括企业运营、规划的部门也借助数字化制造技术对自身的产能、生产节拍等投资效益进行分析。

(4)优化集成阶段 在此阶段，数字化制造系统真正成为连接设计和制造的信息桥梁，与企业的PLM系统、ERP系统、MES系统和MRO系统等都进行紧密的集成，工艺和制造信息可以有效地在各个系统中进行管理和共享。

5 MPM数字化制造系统应用价值体现

在众多的制造业企业中，汽车行业无疑是近几年发展最为迅猛的制造业类型。很多的汽车主机厂在引进国外的自动化生产系统的同时意识到自身软实力的培养，在制造领域已经具备CAPP系统的同时，也开始了3D工艺的尝试和努力并已经开始取得了很好的收益。以某汽车主机厂为例(见图4)，主要的价值体现在:

①在生产准备阶段将会减少工装设备的工程变更量;

②由于运用了精确的工艺规划和仿真，大大减少设计失误造成的停工误工时间和费用，减少达15%;

③通过已有工具的仿真和验证，提高已有工具的利用率，提升约30%;

④优化生产线的设计，节拍均衡并提高设备利用率;

⑤缩短生产线设计时间;

⑥提高生产能力;

⑦熟悉掌握数字化工厂，在设计领域，加快对市场的反应速度;

⑧利于企业的知识沉淀及提高知识的再利用效率;

⑨提高同步工程的实施水平，缩短新车投入市场时间即项目实施的时间。

中国有句老话“工欲善其事，必先利其器”，完备的系统是企业迈向新的竞争高度的基石。而以数字化设计制造技术为代表的制造软实力的不断积累一定会助力企业在这一轮新的调整发展方式的大潮中脱颖而出，真正实现由“中国制造”到“中国智造”的腾飞!