工艺规划为核心的产品协同研发生产平台

刘晓红 何成善 张燕强

酒泉钢铁（集团）有限责任公司 嘉峪关 735100

0 引言

随着研发、质量、成本控制的不断更新和发展，机械装备制造企业间的竞争越来越激烈，企业想要生存和发展，必须不断提高技术竞争优势，以实现更短的研发时间、更优的产品性能、更高的产品质量、更低的产品成本[1]。

装备制造企业最核心的技术竞争优势是产品的性能、质量和成本，要求企业有一种或几种具有市场核心竞争优势的产品，并能够不断推陈出新。装备制造企业必须具备一定的产品研发能力和产品质量、成本控制能力，然而要做到这一点，需要先进的研发及生产技术手段。现代机械产品的设计开发及生产已严重依赖平台软件，保障机械产品的性能、质量和成本最优，就必须借助平台软件，机械装备制造企业离不开设计研发、工艺制定、生产管理涉及的各类软件及其集合、管理平台[2]。

因此，机械装备制造企业建设集产品的设计研发、工艺规划及数字化生产于一体的协同研发生产平台，最终实现具有市场核心竞争力产品的高效研发及高质量、低成本生产是必要的。

1 协同研发生产平台总体构架

以工艺规划为核心的机械产品数字化协同研发生产平台为中高端机械产品的现代化高效研发、生产奠定了基础，其平台构架包含了计算机辅助设计（CAD）、产品数据管理（PDM）、计算机辅助工艺规划（CAPP）和协同制造（DNC与MES），协同研发生产平台总体框架如图1所示。

图1 协同研发生产平台总体框架

数字化协同研发生产平台由3个大的模块组成，集成产品研发软件及图纸管理的PDM模块，生产的工艺规划CAPP模块，协同制造DNC和MES模块。

其中，PDM产品数据模块完成产品的设计开发及数据管理，在建立时强调集成AutoCAD二维工程软件、Solidworks或Cero等三维设计软件、Ansys等力学分析软件以及其他模拟仿真软件的功能，实现机械产品的快速、高精度、高可靠性设计，开发和模拟，仿真分析[3]。

CAPP工艺数据模块完成PDM产品各类工艺的编制和优化，实现产品加工、热处理、装配、铆焊等工艺的最优化和高效率。

DNC和MES制造过程管理系统高效完成产品的生产加工，这一部分需要对老旧设备进行数字化改造，固定资产投入较大。

2 工艺规划与设计、生产的协同

CAPP工艺规划是面向制造业产品数据全生命周期管理的数字化工艺设计和服务系统，将成熟的工艺数字化技术整合在统一的协同管理系统中，覆盖了工艺流程的各个环节，重点解决企业在工艺业务深化信息化管理应用后面临的部门之间协作以及企业产品数据全局共享的应用需求，实现企业设计工艺数据统一管理，并支持企业跨部门的数据处理和业务协作，其工艺管理、产品数据、产品生产全域共享框架如图2所示。

图2 全域数据、信息共享框架

CAPP工艺规划实现工艺编制、工艺管理、工艺打印等多种功能。CAPP提供结构化的工艺数据管理方式，工艺BOM呈现更直观的同时，使工艺数据更加有效地指导实际生产，为ERPMES等下游系统提供准确的基础数据。

借助流程过程管理，帮助实现产品开发、设计流程的规范化，实现审签、更改工作流程的规范化，实现协同设计产品时的并发控制、版本控制、协作控制，在流程任务透明高效的分发、流转的同时，将所有的修改、变更过程进行详细记录，使得过程痕迹得以保留，进而实现设计、工艺数据和生产的高效协同管理，如图3所示。

图3 CAPP工艺规划与产品设计、生产的协同

3 CAPP工艺规划核心方案

本文依据设计实施的CAPP工艺规划典型案例为基础，通过功能描述，展示先进的CAPP工艺规划方案。文中的CAPP系统应用流程如图4所示。

图4 工艺规划应用流程图

3.1 工艺BOM管理及转换

工艺PBOM以PDM系统中的EBOM为基础，如图5所示，针对的对象为整个制造过程中的大量零件部件，与ERP主数据保持协同一致。工艺规划师针对集成的EBOM完成一二级工艺路线添加。工艺工程师通过BOM编辑、维护功能完成更加细化的焊接、机加、装配工艺BOM，这个过程中对零部件完成工艺拆分、焊合等一系列调整，最终向ERP提供MBOM需要的工艺信息。

3.2 工艺路线规划

CAPP系统在工艺BOM上对所选的零部件编制工艺路线，编制工艺路线时可以将所选零部件数据带入到工艺路线中，支持在工艺路线编制过程中选择路线点，编制好的工艺路线入库后可以在相应的零部件节点下挂接工艺路线数据，生成各种汇总统计报表，如图5所示。

图5 工艺路线规划示例

3.3 工艺设计及管理

CAPP系统的工艺设计任务由生产任务驱动，实现数据库驱动的工艺卡片的编制功能，实现数据库驱动的形位公差符号库；提供工艺卡片、材料定额，工艺说明、工艺简图、汇总表等工艺文件模板，提供原材料、标准件、工序、工艺设备、工艺装备等基础数据。执行工艺设计部门与毛坯制造、机械加工、焊接、喷漆、线路装配、机械装配、检验等工艺规程设计，扩充工艺设计BOM内容。机械零部件工艺设计示例如图6所示。

图6 机械零件工艺设计示例

3.4 标准的归集管理

如图7所示，制造标准、资证、评定报告、工艺标准、产品标准、操作规程和相关行业标准和国家标准。通过工艺知识库对工艺术语、典型工序、设备、工装等工艺知识和资源进行有效管理，在工艺设计时可以直接使用这些工艺知识和资源；可以根据自己的企业需要进行自由扩充，定制符合自身要求的工艺知识库，如工序名称、工序内容、材料、设备等各类工艺知识库，方便工艺设计时直接选用及新人快速学习。充分遵循知识重用与再用思想，工艺工程师利用共享的工艺知识库，查找历史使用的典型工艺知识，快速的通过点选的方式，重用全部或部分工艺内容。直接通过复制与借用操作，就可以实现典型工艺的重用，复制后，可继续进行编辑处理。

图7 标准的归集管理

3.5 产品实现的流程卡片输出管理

CAPP系统通过单张打印、排版打印及批量打印功能，对填写的工艺卡片进行方便快捷的绘图输出，使用户更加方便的批量打印多套工艺文件。

3.6 工艺卡片的管理

CAPP系统实现各工序（如铆焊、锻造、机加工、修复、装配、涂装和包装）工艺卡片和工艺语言的标准化。标准化模板如图8所示。同时可以实现典型产品工艺卡片、非标产品工艺卡片的智能化填写和工艺图（工装、卡具、刀具、胎具以及仿真模拟结果）的插入控制。

图8 标准化工艺卡片示例

3.7 工艺材料定额计算

CAPP系统的工艺材料定额以工艺BOM为基础，支持在BOM上对所选的零部件进行材料定额设计，在设计过程中可以根据材料库中的计算公式进行自动计算，生成的材料定额数据可以进行分类汇总并生成相应的报表。

3.8 数据集成

通过数据集成，把CAPP系统中设计的BOM导入到ERP存货档案和物料清单中，并能根据物料状态自动建立新的物料，数据集成内容包括：

1）设计人员设计时在CAD环境中选择物料，生成针对每个零部件的物料编码；

2）图纸中自动提取物料编码，也可以在CAPP界面中维护物料编码；

3）以产品为单位，生成XLS或XML报表，或导入到中间数据库；

4）使用快速导入工具，把CAPP产生的报表整理后导入ERP系统中。

图9为CAPP系统数据集成的逻辑框架图。

图9 数据集成的逻辑框架图

3.9 工艺数据结构化管理

工艺数据结构化丰富了工艺卡片类型，包含了过程卡、工序卡、检验卡、刀具清单、多表区卡片等；同时支持多种工艺业务类型，包含了加工工艺、装配工艺、焊接工艺、铸造工艺、热处理工艺等；时效性方面，系统在工艺信息入库的同时完成工艺数据的结构化。

3.10 统计报表管理

实现对各类汇总清单可进行分类、支持多种排序方法、汇总方法和序号填写方式。通过产品结构树，可选择对某产品、整件、部件进行汇总统计，或通过指定产品的总装配图、图纸存放的目录和工艺文件存放的目录，就能生成相应的汇总清单，对汇总的内容进行增加、删除和修改等编辑工作，并可按指定的格式打印报表。

3.11 工艺数据线上审核

利用流程模板管理驱动的评审过程，其图纸、工艺文件都可以通过工作流进行电子化审批，审核过程中进行批注，审批完成后自动签名并将图纸和工艺文件发布，如图10所示，系统实现了业务流程的协同优化。

图10 数据线上审核示例

3.12 权限、变更和版本管理

图纸变更是逻辑较为复杂的一类流程，需要结合工作流管理模块以及数据关系管理功能进行实现，通过数据关系管理，实现数据变更的一致性性；通过版本管理，实现变更的可追溯性；可以制定出技术更改流程模板，实现对技术更改流程的控制。CAPP系统的权限、变更和版本管理示例如图11所示。

图11 权限、变更和版本管理示例

在更改前系统能对零部件的被使用情况进行查询，便于确定更改影响范围；工程变更发起前，文档版本的状态处于发布状态，工程变更命令开始后，文档重新发布，图档管理系统把文件的版本升级为一个新版本，在此新版本上进行更改，而原来的历史版本需要在图文档系统中保存下来，可以查看到更改前、后数据。

4 结论

本文构建了一个基于信息化、网络化的集产品设计、工艺规划、数字化生产于一体的产品协同研发生产平台，其总体构架包括了CAD、PDM、CAPP、ERP、DNC和MES模块。可以为企业内部和业务相关方提供生产过程全方位的数字化管理环境，可以实现企业研发、设计、工艺规划、生产过程管理全业务流程的在线处理、网络化协同，为制造企业全面提高产品设计水平、质量控制能力和成本管理手段奠定基础[4]。

工艺规划为核心的产品协同研发生产平台突出的优势表现在以下方面：

1）产品相关信息（如产品设计内容、设计数据、产品的模型、图纸、工艺等，以及与产品相关的各环节流程、各部分之间的关系等）通过系统集成实现了机械产品从研发到销售的全流程数字化。

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）把机械产品设计、研发关联的各类软件进行集合管理，发挥并发设计模式的优势[5]。

4）实现产品设计、生产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。

5）设计、开发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。