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(yè)發(fā)展迅速，汽車由代步工具向著智能移動出行終端發(fā)展，同時用戶對汽車的需求呈現(xiàn)多元化發(fā)展趨勢。各大整車企業(yè)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(fā)，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(yè)的零件和成品倉儲能力帶來巨大挑戰(zhàn)。隨著大數(shù)據(jù)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(yè)為滿足客戶需求的同時，也在產(chǎn)品開發(fā)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(fā)模式，在產(chǎn)品設計初就考慮到敏捷化和模塊化生產(chǎn)等問題。豐田的即時制(JIT)生產(chǎn)方式不僅滿足小批量混合生產(chǎn)，實現(xiàn)了按需生產(chǎn)的精益化理念，在滿足客戶需求的同時也在訂單驅(qū)動的生產(chǎn)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(chǎn)品協(xié)同運作的制造系統(tǒng)。需要將信息技術與制造業(yè)深度結(jié)合，將精益生產(chǎn)的理念與信息技術的網(wǎng)絡化結(jié)合，顛覆傳統(tǒng)量產(chǎn)模式。

1 工藝輔助開發(fā)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

自1965年，Niebel首次提出工藝輔助開發(fā)系統(tǒng)(CAPP)概念以來，CAPP由電子數(shù)據(jù)存儲、檢索技術、文檔開發(fā)系統(tǒng)開發(fā)向著數(shù)據(jù)傳遞平臺轉(zhuǎn)變。CAPP一開始的核心是為了簡化工藝，實現(xiàn)工藝的自動化編排和智能優(yōu)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(yè)上實現(xiàn)了局部的工藝自動開發(fā)。如機加工行業(yè)中的數(shù)控程序標準化程度高，CAPP已經(jīng)得到了良好推廣和應用。

在汽車裝配行業(yè)中，也有不同程度的CAPP應用，其中很多整車企業(yè)結(jié)合產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(PDM)，將CAPP作為PDM一個子模塊進行開發(fā)應用，如西門子將可視化裝配和數(shù)字化工廠結(jié)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(yè)以物料清單(BOM)為基礎，將工藝數(shù)據(jù)作為BOM的衍生，如東風、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)，開發(fā)出各個生產(chǎn)基地的工藝文件，并實現(xiàn)在線審批流轉(zhuǎn)發(fā)布，如上汽乘用車、上汽大通等。

2 總裝工藝各開發(fā)階段問題

汽車行業(yè)中，汽車總裝結(jié)合產(chǎn)品開發(fā)的階段，可以把主線裝配工藝開發(fā)按照時間節(jié)點主要分為4個階段：第一階段為早期設計規(guī)劃階段，第二階段為工藝作業(yè)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(tǒng)模式下的開發(fā)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(guī)劃階段

第一階段中，結(jié)合產(chǎn)品早期的設計結(jié)果，進行工藝方案的制定，包括主線關鍵裝配路徑的選定、產(chǎn)品導入對設備改造方案的鎖定、工裝工具的策劃、裝配質(zhì)量風險控制的策劃和裝配時間的初步鎖定。以上是基于經(jīng)驗豐富的技術人員在現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境中結(jié)合產(chǎn)品數(shù)模，在缺乏零件實物和現(xiàn)場環(huán)境的情況下，以自身經(jīng)驗將對數(shù)模的理解轉(zhuǎn)換成工藝方案。實際上，目前國內(nèi)各車企的研發(fā)部門遠離生產(chǎn)基地，往往當現(xiàn)場工藝發(fā)生變更、裝配質(zhì)量存在缺陷時，不能及時傳遞至上游部門，或由于當前企業(yè)擴張快、變革大、人員調(diào)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(jīng)驗和記憶已經(jīng)無法確保規(guī)劃方案的完整和準確。

2.2 第二階段——工藝作業(yè)表設計階段

第二階段開發(fā)過程中，作為工藝方案的衍生，需要完善工序作業(yè)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(jié)拍需求、裝配輔料的鎖定并結(jié)合裝配風險制定總裝質(zhì)量要素。本階段工藝開發(fā)過程中人員需要掌握大量方法和現(xiàn)場數(shù)據(jù)，如產(chǎn)品裝配、工序設計、工時定額、人機工程、工具選型規(guī)范及方法、作業(yè)編成、設備原理等，同時需要了解基地現(xiàn)有的工裝工具情況、現(xiàn)場工位布局和環(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)布和變更來配合進行工藝調(diào)整和優(yōu)化。

工藝設計作為一個系統(tǒng)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(shù)據(jù)，還要能確保裝配效率和質(zhì)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(fā)動作設計和進行規(guī)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(yōu)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(xiàn)的各項問題外，還存在開發(fā)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(chǎn)生大量的清單，存在一項工藝參數(shù)對應多個清單的現(xiàn)狀，若人為導致的疏忽，產(chǎn)生的后果往往影響巨大。

2.4 第四階段——小批量驗證及工藝變更階段

第四階段是通過現(xiàn)場小批量實際生產(chǎn)來驗證量產(chǎn)能力的過程，此階段的目標是充分消除浪費，滿足裝配質(zhì)量達標，因此在此過程中會以提升效率和質(zhì)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(xiàn)場響應，急需滿足快速、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謹和緩慢，其響應速度始終無法跟上現(xiàn)場需求。另外，各個基地的現(xiàn)場會發(fā)生很多裝配失效的問題，如前文所述，過去線下的數(shù)據(jù)是相互獨立的，無法在第一時間實現(xiàn)信息互通和傳遞。這讓很多寶貴的經(jīng)驗受限于企業(yè)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(zhì)上可以歸納為各文件信息不一致、工藝開發(fā)質(zhì)量低、對技術人員經(jīng)驗依賴程度高、開發(fā)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(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化

數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化指的是通過工藝輔助開發(fā)系統(tǒng)，將各個產(chǎn)品和工藝的孤島數(shù)據(jù)以線狀傳遞和網(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(shù)據(jù)，并通過生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)(MES)和企業(yè)資源計劃系統(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，設計上主要滿足工藝程序分析與優(yōu)化的裝配資源系統(tǒng)，把工藝設計和工業(yè)工程技術相結(jié)合，開發(fā)出一種可實現(xiàn)規(guī)范化作業(yè)的流程平臺，如上一代西門子和達索系統(tǒng)下自帶的基于遺傳學算法的線平衡優(yōu)化功能。

(3)基于PDM系統(tǒng)以BOM為核心，結(jié)合設計數(shù)據(jù)、設備數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)為一體的仿真系統(tǒng)，如西門子最新一代的“數(shù)字化雙胞胎”工廠，還有國內(nèi)自主開發(fā)的軟件系統(tǒng)，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(fā)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(fā)過程質(zhì)量

3.2.1 工藝開發(fā)方法的優(yōu)化

在工藝開發(fā)時，為了確保裝配效率和質(zhì)量，需要對開發(fā)的過程和質(zhì)量進行管控和約束，因此將企業(yè)內(nèi)部定義的開發(fā)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(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(shù)前三的歷史數(shù)據(jù)。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(jié)合軟件查閱歷史數(shù)據(jù)，指導工作開展，如圖1所示。

圖1 輔助開發(fā)的設計實現(xiàn)方案

3.2.3 數(shù)據(jù)發(fā)布的管理

一項工藝新增或變更發(fā)布時需要從至少二十幾個維度來評估對生產(chǎn)的影響程度，并制定確保其風險可控的措施。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(nèi)容以內(nèi)部郵件的方式準確無誤的傳遞到生產(chǎn)。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(shù)據(jù)發(fā)布流程圖

3.3 數(shù)據(jù)互通及傳遞優(yōu)化

各開發(fā)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(shù)據(jù)一致性的問題，首先要解決工藝文件內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲的問題，按照其展現(xiàn)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(shù)據(jù)實際被若干個工藝文件調(diào)用，但由于各個工藝文件之間的相互獨立，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)倉存儲，數(shù)據(jù)倉之間相互獨立，最底層的數(shù)據(jù)倉僅記錄各個數(shù)據(jù)，上一層的文件或數(shù)據(jù)倉則必須從底層的數(shù)據(jù)倉內(nèi)獲取數(shù)據(jù)，上一層或數(shù)據(jù)倉文件不存儲和記錄數(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。用戶可以通過修改上一層的文件或者在數(shù)據(jù)倉修改數(shù)據(jù)，修改后的數(shù)據(jù)是直接反應在底層數(shù)據(jù)倉內(nèi)的。這樣如果修改了引用數(shù)據(jù)倉中的一份文件，那么其他引用這個數(shù)據(jù)的文件也會一起被修改。數(shù)據(jù)倉的存儲方式較文件存儲相比更具備計劃性和動態(tài)關聯(lián)的優(yōu)勢。

3.4 生產(chǎn)問題反饋及管理優(yōu)化

以往一線生產(chǎn)管理者需要有大量的現(xiàn)場經(jīng)驗才能進行現(xiàn)場質(zhì)量的管理和持續(xù)優(yōu)化。隨著企業(yè)的發(fā)展和擴展，人員的流動速度快，合格班組長育成周期長，已經(jīng)給企業(yè)帶來大量質(zhì)量和成本上的損失。通過工藝的質(zhì)量開發(fā)功能和經(jīng)驗結(jié)合，按規(guī)則生成一份裝配缺陷的高風險清單，并且結(jié)合當天生產(chǎn)計劃還可以準確預測到高風險缺陷發(fā)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(jīng)驗要求，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，并為未來規(guī)劃工藝時的質(zhì)量提升和改進提供方向和數(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(tài)等幾個維度進行評價并優(yōu)化設計。評審分為單個零件組和系統(tǒng)級總成兩個階段。所有的零件和系統(tǒng)在不同階段完成評審后，給出評審結(jié)果和狀態(tài)展示，便于管理層對重點任務的狀態(tài)進行識別和按需給予關注。

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

3.6 工藝信息狀態(tài)的展示及應用

圖3 生產(chǎn)輔助管理的實現(xiàn)原理

在工藝開發(fā)過程中查看開發(fā)目標、進展和結(jié)果，可以通過CAPP從數(shù)據(jù)倉內(nèi)抓取基礎數(shù)據(jù)按照一定的格式和排版形成各類統(tǒng)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(shù)據(jù)的完整性和工程變更的執(zhí)行情況，生產(chǎn)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(tài)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?zhèn)鹘y(tǒng)手工輸入和大量數(shù)據(jù)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(fā)和生產(chǎn)管理的難度。

圖4 報表模塊示意圖

4 上汽在CAPP開發(fā)上的階段性應用

為滿足工藝系統(tǒng)開發(fā)和生產(chǎn)響應及時性的需求，上汽在工藝輔助設計系統(tǒng)開發(fā)上進行了試點和小范圍應用。軟件功能包括工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)倉、工藝信息模塊的開發(fā)和報表管理的生產(chǎn)等。

工藝參數(shù)庫包括：滿足工廠信息設置的布局庫，調(diào)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(fā)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(shù)據(jù)開發(fā)的模塊(圖5)；第二部分是以生產(chǎn)基地為對象，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(fā)模塊示意圖

圖6 工廠級工藝開發(fā)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(xiàn)各類工藝參數(shù)的清單和報表的一鍵導出。

5 結(jié)論

本文對CAPP系統(tǒng)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(tǒng)提高工藝編寫的質(zhì)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I(yè)4.0在發(fā)展變革過程中，如何通過CAPP這個軟件充分挖掘工藝信息數(shù)據(jù)的價值來幫助企業(yè)提升競爭力給出一些建議。