基于工艺设计软件的工艺数字化转型

童培富，李 峰，许 练，李轶抄，王金凤，苏超

（南京全信传输科技股份有限公司，江苏 南京 210036）

关键字：智能制造；工艺数字化；工艺数据；数字化转型

1 引言

工艺是制造业整体素质和核心竞争力的根本体现，是重要的基础和支撑条件，是从制造大国向强国迈进的关键基础领域。工业和信息化部等八部门联合发布《“十四五”智能制造发展规划》中提出要着力推动智能制造工艺的发展。要推进智能制造发展，必须发展适应智能制造的工艺技术水平[1-3]。可见工艺是推动智能制造的必要条件及重要基础，工艺数据结构化、参数化、数字化对于后续的智能制造起着至关重要的作用。

某公司组件产业属于多品种小批量业务，产品类型不固定，采用人工装配为主、设备辅助的生产模式且业务量每年按照一定的比例递增。传统的依靠文本文档的形式编写的工艺文件通过PLM 审签后纸质下发车间，整套多根产品共用一份文件，操作人员无法第一时间获取相应操作要求；工序操作颗粒度要求、标准化程度不高，过多依赖操作人员经验；工艺资源库缺失，不利于企业的发展；工艺数据、检验数据通过线下编辑、传递，人为因素造成错误的风险较高；文本文档型结构不利于后续规划的MES 结构化参数调用。为此该公司引入工艺设计软件，提升工艺设计水平，通过CAPP 端规划实现工艺数据参数化、工艺文件结构化，传递后端实现工艺端和生产端的高效协同，提升整体制造水平。

2 工艺设计软件总体架构

在现代制造业信息化系统中，数字化工艺是一个集成化应用平台，工艺设计软件（CAPP）已不再是一个孤立的系统，能够实现与多个业务系统进行数据整合、数据交换和共享。其与产品生命周期管理（PLM）、生产制造系统（MES）等多个业务系统进行接口集成，避免了数据线下传输耗时耗力，缩短响应时间，提升工作效能。

某公司组件业务对相关信息化软件的业务流程如图1所示，CAPP 中生成的工艺数据均实现参数化、结构化。PLM 用于物料编码管理，产品及物料信息通过编码实现与后端软件的信息化流转，产品在PLM 中搭建并生成设计BOM、设计图纸、接线关系表等结构化数据。CAPP接收设计BOM 搭建工艺BOM，基于工艺BOM 完成工艺数据（工艺路线、工序作业参数表、工艺附图、工序作业指导书）的创建，相关数据借用工艺资源库内部逻辑可自动生成。MES 接收工艺BOM 生成备料清单，接收工艺数据实现计划排产、生产制造、扫描作业及生产全过程的跟踪、查询。

图1 业务流程

3 工艺设计软件业务实现

传统工艺设计软件能够实现工艺BOM 的搭建，工艺资源库建立，文本式的工艺文件工序卡输出，基于传统CAPP 软件进行了如下革新。

1）结合业务特点建立特有的工艺资源库，用于工艺知识、数据的管理，在资源库中配置相关关联关系表，通过关联关系的设置由CAPP 软件自动生成工序数据。

2）建立虚拟件，提升多根组件工艺路线一致情况下的工艺设计效率。

3）拆解传统工艺文件结构，根据产品特点配置工序卡，分为工序作业参数表、工艺附图、工序作业指导书三部分，便于后续批产产品按照工序流水的形式组织生产。

4）检验项、检验参数结构化，MES 调用后通过实测值填写自动生成检验结论。

5）工艺文件中工艺数据分解成结构化、参数化数据，MES 软件直接调用工艺数据非工序卡，并根据生产需要进行组合、汇总。

3.1 工艺资源库建立

工艺资源是CAPP 的基础数据，它包含了工艺设计所用到的各种设计资源，CAPP 系统在一定的工艺设计资源的约束下才能高效、准确地进行工艺规划，并对企业的生产活动起到正确的指导作用。

数字化工艺根据某公司组件工艺知识管理的现状和专业特点，建立了特有的工艺资源库，可满足不同类型组件工艺知识管理需求。工艺资源库主要包含标准工序，标准检验项，标准工序操作方法，标准检验方法，工艺参数资源库，编码、物料、设备对照表，典型工艺用图。

通过工艺资源库的建立，可以帮助某公司对现有工艺知识进行有效管理，加快企业工艺知识的有效沉淀、积累，完成企业工艺知识的稳步传承，进一步帮助企业实现智能化工艺设计，提高系统的运行效率及工艺设计效率。

工艺设计过程采用参照选取资源库的方式，提供了知识及资源的智能推送交互设计，提高了数据的利用率，减少了工艺人员的工作量，提高了企业的工艺设计效率，也是工艺标准化的有效手段。

3.2 工艺BOM 搭建

工艺BOM 以PLM 中的单根组件设计BOM 为基础，工艺工程师在进行工艺设计时根据产品的特点进行辅料及相关工艺损耗的添加，生成工艺BOM 后进行组件端头代号规划，用于后续的工艺数据创建、生成，其准确性至关重要。工艺BOM 审签完成后传递ERP/MES 生成备料清单。工艺BOM 业务流转示意图如图2 所示。

图2 工艺BOM 业务流转示意图

3.3 工艺路线规划及工序对象生成

CAPP 系统在单根工艺BOM 基础上创建工艺路线，对于整套产品下相同工艺路线组件较多时，可对工艺路线相同的单根组件进行归类创建虚拟件，虚拟件创建后的工艺路线能够覆盖所有子件。编制好的工艺路线进行审签后生成工序对象结构树进行工序下的相关工序卡创建。工艺路线规划下见表1，工序对象结构树如图3 所示。

表1 工艺路线规划

图3 A 产品工序对象结构树

3.4 工序卡设计及管理

现实施的工艺工序卡区别于传统的Word、Excel 及CAD 方式的编制模式，采用面向工序对象创建的方式，对企业业务进行分析，构建工序卡模版，制定不同工序的参数化工序作业参数表、工序作业指导书，规范企业的工艺数据标准，细化工艺数据的颗粒度，实现工艺设计及业务流程的规范化、输出的标准化，包括工序对象、审签流程、工艺卡片模板等，帮助我司组件业务建立统一全面的工艺规范，彻底解决了工艺文件模板需要标准化的问题。

CAPP 系统的工序卡由工序对象驱动，每个工序的工序卡由工序作业参数表、工艺附图、工序作业指导书组成。

工序作业参数表中的工艺数据先通过工序编码与物料对照表从PBOM 中获取该工序下的相关物料规格，再根据工序参数对照表、物料和设备对照表、工序编码设备对照表等相关对照表中的相关数据，计算自动生成工艺参数、设备、工装、工具信息并填入相应表格中，杜绝了人工输入的错误。工序作业参数表示例如图4 所示，每一根组件对应的数据信息均是结构化数据，用于后续MES 数据共享、调用。

图4 工序作业参数表示例

工序作业指导书通过引用工艺资源库中的标准操作方法结合本产品的特殊性编辑生成，引用资源库中的标准操作方法极大提升了工艺设计效率，工序作业指导书示例如图5 所示。工序作业指导书每一步采用图文并茂的形式呈现，提升了文件的可操作性。

图5 工序作业指导书

3.5 检验参数结构化

通过软件定制化开发，设置首根组件检验项一键生成该虚拟件下所有组件检验项，根据技术要求填入相关要求值，传递MES 端自动生成检验项及要求值，免去了检验人员在后端手工录入检验项的重复性工作，产品检验完成后填入实测值，自动生成检验结论，提升了检验效率及检验质量。

3.6 工序卡片的输出

编辑完成后的工序卡按照一定规则编号的方式储存在工序对象结构树下，与工序形成对应关系。组件的工艺数据至单根工序级，按照工序颗粒度编制的工序卡，包含工序作业参数表、工艺附图、工序作业指导书，每部分均为结构化数据，通过CAPP 线上审签后的对象传递至MES，可在MES 中单独/分块/整体呈现，生产派工后及时、精准推送工序数据至操作人员，操作人员能够第一时间获取相关操作信息，也可转为PDF 打印输出成套产品工艺文件。CAPP 与MES 接口数据流向图如图6 所示。

图6 CAPP 与MES 接口数据流向图

3.7 权限、变更和版本管理

工艺文件在审签结束后自动定版，默认A0 图幅版本，定版后的工艺文件修改需进行升版，CAPP 可接收PLM发出的设计变更单，然后在CAPP 系统中创建工艺变更单，也可在CAPP 系统自行发起工艺变更单，确定更改范围后，用于工艺BOM、路线、文件的变更，变更流程完成后新版本自动升版，并传至ERP/MES 更新相关数据。老版本自动变为失效状态，但会作为历史数据进行保存，以便作为历史记录进行质量追溯。

3.8 结构化工艺数据运用

结构化工艺数据以工艺维度分为工序作业参数表、工艺附图、工序作业指导书三部分，通过CAPP 与MES 之间的接口将相关数据传送至MES 端，通过与生产任务订单按照工艺路线分解后的工序进行绑定，由车间生产计划将生产任务与相对应工序的工艺数据共同传送至操作人员，操作人员打开任务进行产品生产时，对应该工序的操作要求即显示在电脑终端上，降低了传统模式下操作人员查找文件及在多份文件中查找相应操作要求的时间，能够实现精准推送，提升了生产效率。当批量越大且工序实现流水作业时，相对应的生产效率提升越显著。

生产完成后通过MES 进行提交任务，对应的生产记录也实现了线上对应工序记录，降低了传统模式线下纸质记录的时间，时效性、准确性上均有所提升。

通过设备的信息化改造，数字化工艺数据可通过MES 与生产设备进行联动，以工序为维度将相关工艺参数自动传递至生产设备，提高了人工设置设备参数的效率及准确度。相较于原先的文本文档，工艺数据能够在各系统中传输，对后续生产端的数据抓取、数据分析发挥了关键性作用。

4 价值成果

通过工艺资源库的建设及实施，引入工艺设计软件对于文件工艺标准化、编制质量、效率和文件可操作性等方面均有所提升，主要表现：

1）工艺标准化程度提升。规范组件工艺设计流程，建立了标准工序57 个、标准检验项33 个，均梳理工序作业参数表模板，建立标准工序作业指导书约143 个，通过标准工艺术语的建立提升了工艺标准化程度。

2）文件编写质量、效率提升。通过关联关系表的建立，约70%的工艺数据能够自动生成，提升了工艺文件的编写效率及编写质量；建立工序与物料编码对应关系表，用于工序耗料自动查表获取BOM 用料；建立物料关联关系约2 000 条，用于工艺参数自动查表生成；建立工序、物料与设备关联关系，用于工序设备自动查表生成。通过2022 年工艺文件低级问题分析，工艺设计软件的引入能够减少后续工艺文件50%低级问题出现。

3）操作指令清晰、生产效率提升。工艺数据及工序操作要求按照工序的颗粒度及时、精准推送至操作人员，简化了工艺文件的理解难度，提升了操作效率。

5 结束语

数字化工艺是设计和生产的业务联系纽带、数据交换中枢，是企业数字化转型的基础。完成数字化工艺建设对企业百利而无一害，可以进一步加速企业的产业升级，提高企业竞争力。

基于工艺设计软件的工艺数字化转型优势的主要表现：

1）简化了工艺文件文档结构，以参数化、结构化的数据为智能制造提供基础数据，提升了生产效率，能够加速智能制造的推进。

2）提高了产品研发设计、工艺规划及生产的高效性、继承性和合理性，可以为企业缩短产品研发周期，提高产品质量，降低生产环节成本奠定基础。

3）实现产品设计、工艺、生产、检验过程中各工序之间产品数据、信息的共享，最大程度避免人为因素造成的失误，保证上、下工序之间的紧密结合。

4）独有的软件功能模块配置及工艺资源库，提升了工艺文件编制效率及质量。

5）工艺人员摆脱繁琐复杂的重复性劳动，可以将更多的时间和精力放在新产品、新工艺、新技术方面的开发与研究。

6）规范了工艺术语，提升了企业工艺标准化程度。

7）数字化工艺为后期MES 上线后的智能制造提供数据支撑基础。