淺析工藝輔助開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用研究

黃光鍇 侯 煒

(1.同濟(jì)大學(xué)，上海 200082； 2. 上海汽車(chē)股份有限公司乘用車(chē)公司，上海 201804)

0 前言

近年，汽車(chē)行業(yè)發(fā)展迅速，汽車(chē)由代步工具向著智能移動(dòng)出行終端發(fā)展，同時(shí)用戶(hù)對(duì)汽車(chē)的需求呈現(xiàn)多元化發(fā)展趨勢(shì)。各大整車(chē)企業(yè)在不斷提升客戶(hù)體驗(yàn)的同時(shí)，也加大了對(duì)車(chē)型配置豐富化的開(kāi)發(fā)，例如長(zhǎng)城的H6車(chē)型就有超過(guò)40種的官方配置來(lái)滿(mǎn)足不同的客戶(hù)需求。

豐富的車(chē)型配置在滿(mǎn)足客戶(hù)需求多元化的同時(shí)，也對(duì)整車(chē)企業(yè)的零件和成品倉(cāng)儲(chǔ)能力帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的來(lái)臨，針對(duì)汽車(chē)終端客戶(hù)的需求分析越來(lái)越詳盡，整車(chē)企業(yè)為滿(mǎn)足客戶(hù)需求的同時(shí)，也在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和制造上不斷挖掘潛力，在客戶(hù)定制的道路上摸索實(shí)踐。如福特面向制造的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)模式，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初就考慮到敏捷化和模塊化生產(chǎn)等問(wèn)題。豐田的即時(shí)制(JIT)生產(chǎn)方式不僅滿(mǎn)足小批量混合生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了按需生產(chǎn)的精益化理念，在滿(mǎn)足客戶(hù)需求的同時(shí)也在訂單驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)模式下最大程度地減小了庫(kù)存。

因此，為了達(dá)到真正的客戶(hù)定制化，需要有與產(chǎn)品協(xié)同運(yùn)作的制造系統(tǒng)。需要將信息技術(shù)與制造業(yè)深度結(jié)合，將精益生產(chǎn)的理念與信息技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)合，顛覆傳統(tǒng)量產(chǎn)模式。

1 工藝輔助開(kāi)發(fā)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

自1965年，Niebel首次提出工藝輔助開(kāi)發(fā)系統(tǒng)(CAPP)概念以來(lái)，CAPP由電子數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、檢索技術(shù)、文檔開(kāi)發(fā)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)向著數(shù)據(jù)傳遞平臺(tái)轉(zhuǎn)變。CAPP一開(kāi)始的核心是為了簡(jiǎn)化工藝，實(shí)現(xiàn)工藝的自動(dòng)化編排和智能優(yōu)化。目前，CAPP的復(fù)雜化程度已成為了一個(gè)綜合學(xué)科，原先的技術(shù)和方法還無(wú)法通過(guò)計(jì)算機(jī)取代人工，因此僅在一些高度自動(dòng)化的行業(yè)上實(shí)現(xiàn)了局部的工藝自動(dòng)開(kāi)發(fā)。如機(jī)加工行業(yè)中的數(shù)控程序標(biāo)準(zhǔn)化程度高，CAPP已經(jīng)得到了良好推廣和應(yīng)用。

在汽車(chē)裝配行業(yè)中，也有不同程度的CAPP應(yīng)用，其中很多整車(chē)企業(yè)結(jié)合產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(PDM)，將CAPP作為PDM一個(gè)子模塊進(jìn)行開(kāi)發(fā)應(yīng)用，如西門(mén)子將可視化裝配和數(shù)字化工廠(chǎng)結(jié)合起來(lái)推廣，長(zhǎng)安和上汽通用在此方面都取得了一定的成績(jī)。也有企業(yè)以物料清單(BOM)為基礎(chǔ)，將工藝數(shù)據(jù)作為BOM的衍生，如東風(fēng)、一汽等。還有以工藝數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化為紐帶的企業(yè)，開(kāi)發(fā)出各個(gè)生產(chǎn)基地的工藝文件，并實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)審批流轉(zhuǎn)發(fā)布，如上汽乘用車(chē)、上汽大通等。

2 總裝工藝各開(kāi)發(fā)階段問(wèn)題

汽車(chē)行業(yè)中，汽車(chē)總裝結(jié)合產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的階段，可以把主線(xiàn)裝配工藝開(kāi)發(fā)按照時(shí)間節(jié)點(diǎn)主要分為4個(gè)階段：第一階段為早期設(shè)計(jì)規(guī)劃階段，第二階段為工藝作業(yè)表設(shè)計(jì)階段，第三階段為動(dòng)作設(shè)計(jì)及線(xiàn)平衡階段，第四階段為小批量驗(yàn)證及工藝變更階段。傳統(tǒng)模式下的開(kāi)發(fā)過(guò)程為達(dá)到階段性目標(biāo)，受限于人力和以往信息技術(shù)方面的能力，在不同階段都會(huì)面臨不同問(wèn)題。

2.1 第一階段——前期設(shè)計(jì)規(guī)劃階段

第一階段中，結(jié)合產(chǎn)品早期的設(shè)計(jì)結(jié)果，進(jìn)行工藝方案的制定，包括主線(xiàn)關(guān)鍵裝配路徑的選定、產(chǎn)品導(dǎo)入對(duì)設(shè)備改造方案的鎖定、工裝工具的策劃、裝配質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)控制的策劃和裝配時(shí)間的初步鎖定。以上是基于經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境中結(jié)合產(chǎn)品數(shù)模，在缺乏零件實(shí)物和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的情況下，以自身經(jīng)驗(yàn)將對(duì)數(shù)模的理解轉(zhuǎn)換成工藝方案。實(shí)際上，目前國(guó)內(nèi)各車(chē)企的研發(fā)部門(mén)遠(yuǎn)離生產(chǎn)基地，往往當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)工藝發(fā)生變更、裝配質(zhì)量存在缺陷時(shí)，不能及時(shí)傳遞至上游部門(mén)，或由于當(dāng)前企業(yè)擴(kuò)張快、變革大、人員調(diào)整較多等原因，技術(shù)人員無(wú)法對(duì)所有基地的情況都非常熟悉，僅憑經(jīng)驗(yàn)和記憶已經(jīng)無(wú)法確保規(guī)劃方案的完整和準(zhǔn)確。

2.2 第二階段——工藝作業(yè)表設(shè)計(jì)階段

第二階段開(kāi)發(fā)過(guò)程中，作為工藝方案的衍生，需要完善工序作業(yè)的設(shè)計(jì)，建立工序之間的順序關(guān)系，對(duì)各工序進(jìn)行工時(shí)定額，并進(jìn)行資源的詳細(xì)配備，如工裝的概念方案、工具型號(hào)的確認(rèn)、設(shè)備操作的節(jié)拍需求、裝配輔料的鎖定并結(jié)合裝配風(fēng)險(xiǎn)制定總裝質(zhì)量要素。本階段工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程中人員需要掌握大量方法和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，如產(chǎn)品裝配、工序設(shè)計(jì)、工時(shí)定額、人機(jī)工程、工具選型規(guī)范及方法、作業(yè)編成、設(shè)備原理等，同時(shí)需要了解基地現(xiàn)有的工裝工具情況、現(xiàn)場(chǎng)工位布局和環(huán)境、物料擺放的方式等，還需要不斷結(jié)合產(chǎn)品數(shù)據(jù)的發(fā)布和變更來(lái)配合進(jìn)行工藝調(diào)整和優(yōu)化。

工藝設(shè)計(jì)作為一個(gè)系統(tǒng)性工程，操作人員在設(shè)計(jì)時(shí)需要掌握大量方法和查閱大量數(shù)據(jù)，還要能確保裝配效率和質(zhì)量。

2.3 第三階段——?jiǎng)幼髟O(shè)計(jì)及線(xiàn)平衡階段

第三階段是在第二階段的基礎(chǔ)上，有了實(shí)物零件，并通過(guò)實(shí)際的整車(chē)裝配過(guò)程來(lái)充分開(kāi)發(fā)動(dòng)作設(shè)計(jì)和進(jìn)行規(guī)劃工藝的細(xì)化。此階段由于有了實(shí)物裝配的參照，可以驗(yàn)證并充分優(yōu)化第二階段完成的工序設(shè)計(jì)合理性和完整性，并為最終的流水線(xiàn)裝配提供最終的操作標(biāo)準(zhǔn)。一般這個(gè)階段只有2個(gè)月左右，除了存在第二階段中可能出現(xiàn)的各項(xiàng)問(wèn)題外，還存在開(kāi)發(fā)周期短、效率低、錯(cuò)誤率高等問(wèn)題。同時(shí)，第二階段中為滿(mǎn)足管理和配合其他部門(mén)的需求，要產(chǎn)生大量的清單，存在一項(xiàng)工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)多個(gè)清單的現(xiàn)狀，若人為導(dǎo)致的疏忽，產(chǎn)生的后果往往影響巨大。

2.4 第四階段——小批量驗(yàn)證及工藝變更階段

第四階段是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)小批量實(shí)際生產(chǎn)來(lái)驗(yàn)證量產(chǎn)能力的過(guò)程，此階段的目標(biāo)是充分消除浪費(fèi)，滿(mǎn)足裝配質(zhì)量達(dá)標(biāo)，因此在此過(guò)程中會(huì)以提升效率和質(zhì)量為目的進(jìn)行設(shè)計(jì)和工藝的變更。這些變更由于需要滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)響應(yīng)，急需滿(mǎn)足快速、穩(wěn)定的工藝變更和發(fā)布管理。為保證其質(zhì)量，工藝的變更審批非常嚴(yán)謹(jǐn)和緩慢，其響應(yīng)速度始終無(wú)法跟上現(xiàn)場(chǎng)需求。另外，各個(gè)基地的現(xiàn)場(chǎng)會(huì)發(fā)生很多裝配失效的問(wèn)題，如前文所述，過(guò)去線(xiàn)下的數(shù)據(jù)是相互獨(dú)立的，無(wú)法在第一時(shí)間實(shí)現(xiàn)信息互通和傳遞。這讓很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)受限于企業(yè)的管理效率和人員的流動(dòng)，最終沒(méi)有得到傳播甚至散失了。

總裝車(chē)間遇到的問(wèn)題從其本質(zhì)上可以歸納為各文件信息不一致、工藝開(kāi)發(fā)質(zhì)量低、對(duì)技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)依賴(lài)程度高、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、管理效率低和歷史積累丟失。

3 總裝的工藝軟件應(yīng)用改善

3.1 工藝數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化

數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化指的是通過(guò)工藝輔助開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，將各個(gè)產(chǎn)品和工藝的孤島數(shù)據(jù)以線(xiàn)狀傳遞和網(wǎng)路狀的結(jié)構(gòu)映射。目前，數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化及傳遞方式常見(jiàn)有以下幾種形式：

(1)以零件的BOM為核心，在BOM信息的基礎(chǔ)上衍生出制造相關(guān)的數(shù)據(jù)，并通過(guò)生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行系統(tǒng)(MES)和企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)(ERP)傳遞至生產(chǎn)，是研究零件裝配和加工的一種集成化的CAPP系統(tǒng)。

(2)以工藝優(yōu)化為目標(biāo)，設(shè)計(jì)上主要滿(mǎn)足工藝程序分析與優(yōu)化的裝配資源系統(tǒng)，把工藝設(shè)計(jì)和工業(yè)工程技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出一種可實(shí)現(xiàn)規(guī)范化作業(yè)的流程平臺(tái)，如上一代西門(mén)子和達(dá)索系統(tǒng)下自帶的基于遺傳學(xué)算法的線(xiàn)平衡優(yōu)化功能。

(3)基于PDM系統(tǒng)以BOM為核心，結(jié)合設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)為一體的仿真系統(tǒng)，如西門(mén)子最新一代的“數(shù)字化雙胞胎”工廠(chǎng)，還有國(guó)內(nèi)自主開(kāi)發(fā)的軟件系統(tǒng)，如上海思普信息技術(shù)有限公司的IPM、艾克斯泰克的XTCAP、華中科技大學(xué)開(kāi)發(fā)的HZ-RCA等，都在管理要求和功能上具備競(jìng)爭(zhēng)力。

3.2 工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程質(zhì)量

3.2.1 工藝開(kāi)發(fā)方法的優(yōu)化

在工藝開(kāi)發(fā)時(shí)，為了確保裝配效率和質(zhì)量，需要對(duì)開(kāi)發(fā)的過(guò)程和質(zhì)量進(jìn)行管控和約束，因此將企業(yè)內(nèi)部定義的開(kāi)發(fā)過(guò)程以模塊化方式嵌入CAPP中。

3.2.2 工藝的輔助設(shè)計(jì)功能及原理實(shí)現(xiàn)

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(yè)編成效率。軟件要在操作步驟編制和資源配備時(shí)具備提示和引導(dǎo)功能。例如，當(dāng)進(jìn)行工時(shí)定額時(shí)，軟件可以參考該零件被引用次數(shù)前三的歷史數(shù)據(jù)。資深工程師可通過(guò)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(jié)合軟件查閱歷史數(shù)據(jù)，指導(dǎo)工作開(kāi)展，如圖1所示。

圖1 輔助開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案

3.2.3 數(shù)據(jù)發(fā)布的管理

一項(xiàng)工藝新增或變更發(fā)布時(shí)需要從至少二十幾個(gè)維度來(lái)評(píng)估對(duì)生產(chǎn)的影響程度，并制定確保其風(fēng)險(xiǎn)可控的措施。因此，軟件內(nèi)工藝數(shù)據(jù)的調(diào)整需要綜合來(lái)自不同崗位和職能人員的評(píng)估意見(jiàn)，最后把變更的信息和內(nèi)容以?xún)?nèi)部郵件的方式準(zhǔn)確無(wú)誤的傳遞到生產(chǎn)。線(xiàn)上電子審批不僅提高了效率，更能方便匯總其他部門(mén)的意見(jiàn)，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)發(fā)布流程圖

3.3 數(shù)據(jù)互通及傳遞優(yōu)化

各開(kāi)發(fā)階段不同的載體之間信息傳遞存在延遲和丟失導(dǎo)致的前后信息不一致，從而引起數(shù)據(jù)一致性的問(wèn)題，首先要解決工藝文件內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的問(wèn)題，按照其展現(xiàn)方式可以分成2種：

(1)文件的存儲(chǔ)，即工藝文件表，過(guò)去CAPP多采用文件存儲(chǔ)的方式，一個(gè)工藝數(shù)據(jù)實(shí)際被若干個(gè)工藝文件調(diào)用，但由于各個(gè)工藝文件之間的相互獨(dú)立，因此不易保障數(shù)據(jù)之間的一致性和完整性。

(2)數(shù)據(jù)倉(cāng)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)倉(cāng)之間相互獨(dú)立，最底層的數(shù)據(jù)倉(cāng)僅記錄各個(gè)數(shù)據(jù)，上一層的文件或數(shù)據(jù)倉(cāng)則必須從底層的數(shù)據(jù)倉(cāng)內(nèi)獲取數(shù)據(jù)，上一層或數(shù)據(jù)倉(cāng)文件不存儲(chǔ)和記錄數(shù)據(jù)，僅把底層調(diào)用的數(shù)據(jù)直接或按照規(guī)則轉(zhuǎn)換展示出來(lái)。用戶(hù)可以通過(guò)修改上一層的文件或者在數(shù)據(jù)倉(cāng)修改數(shù)據(jù)，修改后的數(shù)據(jù)是直接反應(yīng)在底層數(shù)據(jù)倉(cāng)內(nèi)的。這樣如果修改了引用數(shù)據(jù)倉(cāng)中的一份文件，那么其他引用這個(gè)數(shù)據(jù)的文件也會(huì)一起被修改。數(shù)據(jù)倉(cāng)的存儲(chǔ)方式較文件存儲(chǔ)相比更具備計(jì)劃性和動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)的優(yōu)勢(shì)。

3.4 生產(chǎn)問(wèn)題反饋及管理優(yōu)化

以往一線(xiàn)生產(chǎn)管理者需要有大量的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)才能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量的管理和持續(xù)優(yōu)化。隨著企業(yè)的發(fā)展和擴(kuò)展，人員的流動(dòng)速度快，合格班組長(zhǎng)育成周期長(zhǎng)，已經(jīng)給企業(yè)帶來(lái)大量質(zhì)量和成本上的損失。通過(guò)工藝的質(zhì)量開(kāi)發(fā)功能和經(jīng)驗(yàn)結(jié)合，按規(guī)則生成一份裝配缺陷的高風(fēng)險(xiǎn)清單，并且結(jié)合當(dāng)天生產(chǎn)計(jì)劃還可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)到高風(fēng)險(xiǎn)缺陷發(fā)生的時(shí)間和位置。這有利于緩解班組長(zhǎng)的管理壓力，也能降低對(duì)班組長(zhǎng)的經(jīng)驗(yàn)要求，縮短育成周期，提升裝配質(zhì)量，減少缺陷發(fā)生的頻次和數(shù)量，并為未來(lái)規(guī)劃工藝時(shí)的質(zhì)量提升和改進(jìn)提供方向和數(shù)據(jù)，如圖3所示。

3.5 同步工程的工作優(yōu)化

結(jié)合同步工程的優(yōu)化內(nèi)容及評(píng)審表，主要從裝配空間的可達(dá)性、工具設(shè)備接口的共用能力、標(biāo)準(zhǔn)工藝順序的符合程度、裝配效率、裝配的防錯(cuò)和人機(jī)姿態(tài)等幾個(gè)維度進(jìn)行評(píng)價(jià)并優(yōu)化設(shè)計(jì)。評(píng)審分為單個(gè)零件組和系統(tǒng)級(jí)總成兩個(gè)階段。所有的零件和系統(tǒng)在不同階段完成評(píng)審后，給出評(píng)審結(jié)果和狀態(tài)展示，便于管理層對(duì)重點(diǎn)任務(wù)的狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別和按需給予關(guān)注。

CAPP可以通過(guò)平臺(tái)間的數(shù)據(jù)互通，在零件設(shè)計(jì)校核時(shí)，同步獲取用于校核零件及系統(tǒng)總成設(shè)計(jì)所需的各基地參考數(shù)據(jù)，在提升同步工程質(zhì)量的同時(shí)還可以及時(shí)響應(yīng)基地的最新變化需求。

3.6 工藝信息狀態(tài)的展示及應(yīng)用

圖3 生產(chǎn)輔助管理的實(shí)現(xiàn)原理

在工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程中查看開(kāi)發(fā)目標(biāo)、進(jìn)展和結(jié)果，可以通過(guò)CAPP從數(shù)據(jù)倉(cāng)內(nèi)抓取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)按照一定的格式和排版形成各類(lèi)統(tǒng)計(jì)報(bào)表以滿(mǎn)足不同人群的需求，如工藝工程師需要了解工藝數(shù)據(jù)的完整性和工程變更的執(zhí)行情況，生產(chǎn)一線(xiàn)管理人員可以從中獲取裝配關(guān)鍵要素清單和零件狀態(tài)斷點(diǎn)切換信息，精益技術(shù)人員可以獲取不同車(chē)型配比下的最佳人員出勤方案等，如圖4所示。CAPP可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工輸入和大量數(shù)據(jù)的復(fù)雜處理，快速且準(zhǔn)確地生成各類(lèi)具有參考價(jià)值的報(bào)表和清單，大幅降低工藝開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)管理的難度。

圖4 報(bào)表模塊示意圖

4 上汽在CAPP開(kāi)發(fā)上的階段性應(yīng)用

為滿(mǎn)足工藝系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)響應(yīng)及時(shí)性的需求，上汽在工藝輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)上進(jìn)行了試點(diǎn)和小范圍應(yīng)用。軟件功能包括工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)倉(cāng)、工藝信息模塊的開(kāi)發(fā)和報(bào)表管理的生產(chǎn)等。

工藝參數(shù)庫(kù)包括：滿(mǎn)足工廠(chǎng)信息設(shè)置的布局庫(kù)，調(diào)用零件BOM和裝配信息的零件庫(kù)，動(dòng)力工具和套筒接桿的資源庫(kù)，用于工時(shí)定額和工時(shí)計(jì)算的工時(shí)庫(kù)。

工藝信息模塊劃分按照其開(kāi)發(fā)的階段和用途劃分為兩個(gè)部分：第一部分是以BOM為索引，將零件作為對(duì)象，輸入工藝信息，包括動(dòng)作、工時(shí)、資源等用于工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)的模塊(圖5)；第二部分是以生產(chǎn)基地為對(duì)象，將零件工藝按照生產(chǎn)所屬基地的狀態(tài)，將工藝編排到各個(gè)工段工位，并以滿(mǎn)足線(xiàn)平衡為目標(biāo)的模塊(圖6)。

圖5 零件開(kāi)發(fā)模塊示意圖

圖6 工廠(chǎng)級(jí)工藝開(kāi)發(fā)模塊示意圖

同時(shí)，為滿(mǎn)足各類(lèi)不同人員在不同領(lǐng)域的需求，可實(shí)現(xiàn)各類(lèi)工藝參數(shù)的清單和報(bào)表的一鍵導(dǎo)出。

5 結(jié)論

本文對(duì)CAPP系統(tǒng)的作用和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了簡(jiǎn)要的概述，在此技術(shù)上對(duì)如何通過(guò)系統(tǒng)提高工藝編寫(xiě)的質(zhì)量和效率進(jìn)行了初步的探討和分析，并對(duì)上汽已完成的一些模塊做了簡(jiǎn)單介紹?；谀壳肮I(yè)4.0在發(fā)展變革過(guò)程中，如何通過(guò)CAPP這個(gè)軟件充分挖掘工藝信息數(shù)據(jù)的價(jià)值來(lái)幫助企業(yè)提升競(jìng)爭(zhēng)力給出一些建議。