黄光锴 侯 炜

(1.同济大学，上海 200082； 2. 上海汽车股份有限公司乘用车公司，上海 201804)

0 前言

近年，汽车行业发展迅速，汽车由代步工具向着智能移动出行终端发展，同时用户对汽车的需求呈现多元化发展趋势。各大整车企业在不断提升客户体验的同时，也加大了对车型配置丰富化的开发，例如长城的H6车型就有超过40种的官方配置来满足不同的客户需求。

丰富的车型配置在满足客户需求多元化的同时，也对整车企业的零件和成品仓储能力带来巨大挑战。随着大数据时代的来临，针对汽车终端客户的需求分析越来越详尽，整车企业为满足客户需求的同时，也在产品开发和制造上不断挖掘潜力，在客户定制的道路上摸索实践。如福特面向制造的设计开发模式，在产品设计初就考虑到敏捷化和模块化生产等问题。丰田的即时制(JIT)生产方式不仅满足小批量混合生产，实现了按需生产的精益化理念，在满足客户需求的同时也在订单驱动的生产模式下最大程度地减小了库存。

因此，为了达到真正的客户定制化，需要有与产品协同运作的制造系统。需要将信息技术与制造业深度结合，将精益生产的理念与信息技术的网络化结合，颠覆传统量产模式。

1 工艺辅助开发系统发展现状

自1965年，Niebel首次提出工艺辅助开发系统(CAPP)概念以来，CAPP由电子数据存储、检索技术、文档开发系统开发向着数据传递平台转变。CAPP一开始的核心是为了简化工艺，实现工艺的自动化编排和智能优化。目前，CAPP的复杂化程度已成为了一个综合学科，原先的技术和方法还无法通过计算机取代人工，因此仅在一些高度自动化的行业上实现了局部的工艺自动开发。如机加工行业中的数控程序标准化程度高，CAPP已经得到了良好推广和应用。

在汽车装配行业中，也有不同程度的CAPP应用，其中很多整车企业结合产品数据管理系统(PDM)，将CAPP作为PDM一个子模块进行开发应用，如西门子将可视化装配和数字化工厂结合起来推广，长安和上汽通用在此方面都取得了一定的成绩。也有企业以物料清单(BOM)为基础，将工艺数据作为BOM的衍生，如东风、一汽等。还有以工艺数据的结构化为纽带的企业，开发出各个生产基地的工艺文件，并实现在线审批流转发布，如上汽乘用车、上汽大通等。

2 总装工艺各开发阶段问题

汽车行业中，汽车总装结合产品开发的阶段，可以把主线装配工艺开发按照时间节点主要分为4个阶段：第一阶段为早期设计规划阶段，第二阶段为工艺作业表设计阶段，第三阶段为动作设计及线平衡阶段，第四阶段为小批量验证及工艺变更阶段。传统模式下的开发过程为达到阶段性目标，受限于人力和以往信息技术方面的能力，在不同阶段都会面临不同问题。

2.1 第一阶段——前期设计规划阶段

第一阶段中，结合产品早期的设计结果，进行工艺方案的制定，包括主线关键装配路径的选定、产品导入对设备改造方案的锁定、工装工具的策划、装配质量风险控制的策划和装配时间的初步锁定。以上是基于经验丰富的技术人员在现场生产环境中结合产品数模，在缺乏零件实物和现场环境的情况下，以自身经验将对数模的理解转换成工艺方案。实际上，目前国内各车企的研发部门远离生产基地，往往当现场工艺发生变更、装配质量存在缺陷时，不能及时传递至上游部门，或由于当前企业扩张快、变革大、人员调整较多等原因，技术人员无法对所有基地的情况都非常熟悉，仅凭经验和记忆已经无法确保规划方案的完整和准确。

2.2 第二阶段——工艺作业表设计阶段

第二阶段开发过程中，作为工艺方案的衍生，需要完善工序作业的设计，建立工序之间的顺序关系，对各工序进行工时定额，并进行资源的详细配备，如工装的概念方案、工具型号的确认、设备操作的节拍需求、装配辅料的锁定并结合装配风险制定总装质量要素。本阶段工艺开发过程中人员需要掌握大量方法和现场数据，如产品装配、工序设计、工时定额、人机工程、工具选型规范及方法、作业编成、设备原理等，同时需要了解基地现有的工装工具情况、现场工位布局和环境、物料摆放的方式等，还需要不断结合产品数据的发布和变更来配合进行工艺调整和优化。

工艺设计作为一个系统性工程，操作人员在设计时需要掌握大量方法和查阅大量数据，还要能确保装配效率和质量。

2.3 第三阶段——动作设计及线平衡阶段

第三阶段是在第二阶段的基础上，有了实物零件，并通过实际的整车装配过程来充分开发动作设计和进行规划工艺的细化。此阶段由于有了实物装配的参照，可以验证并充分优化第二阶段完成的工序设计合理性和完整性，并为最终的流水线装配提供最终的操作标准。一般这个阶段只有2个月左右，除了存在第二阶段中可能出现的各项问题外，还存在开发周期短、效率低、错误率高等问题。同时，第二阶段中为满足管理和配合其他部门的需求，要产生大量的清单，存在一项工艺参数对应多个清单的现状，若人为导致的疏忽，产生的后果往往影响巨大。

2.4 第四阶段——小批量验证及工艺变更阶段

第四阶段是通过现场小批量实际生产来验证量产能力的过程，此阶段的目标是充分消除浪费，满足装配质量达标，因此在此过程中会以提升效率和质量为目的进行设计和工艺的变更。这些变更由于需要满足现场响应，急需满足快速、稳定的工艺变更和发布管理。为保证其质量，工艺的变更审批非常严谨和缓慢，其响应速度始终无法跟上现场需求。另外，各个基地的现场会发生很多装配失效的问题，如前文所述，过去线下的数据是相互独立的，无法在第一时间实现信息互通和传递。这让很多宝贵的经验受限于企业的管理效率和人员的流动，最终没有得到传播甚至散失了。

总装车间遇到的问题从其本质上可以归纳为各文件信息不一致、工艺开发质量低、对技术人员经验依赖程度高、开发周期长、管理效率低和历史积累丢失。

3 总装的工艺软件应用改善

3.1 工艺数据的结构化

数据的结构化指的是通过工艺辅助开发系统，将各个产品和工艺的孤岛数据以线状传递和网路状的结构映射。目前，数据的结构化及传递方式常见有以下几种形式：

(1)以零件的BOM为核心，在BOM信息的基础上衍生出制造相关的数据，并通过生产过程执行系统(MES)和企业资源计划系统(ERP)传递至生产，是研究零件装配和加工的一种集成化的CAPP系统。

(2)以工艺优化为目标，设计上主要满足工艺程序分析与优化的装配资源系统，把工艺设计和工业工程技术相结合，开发出一种可实现规范化作业的流程平台，如上一代西门子和达索系统下自带的基于遗传学算法的线平衡优化功能。

(3)基于PDM系统以BOM为核心，结合设计数据、设备数据和工艺数据为一体的仿真系统，如西门子最新一代的“数字化双胞胎”工厂，还有国内自主开发的软件系统，如上海思普信息技术有限公司的IPM、艾克斯泰克的XTCAP、华中科技大学开发的HZ-RCA等，都在管理要求和功能上具备竞争力。

3.2 工艺开发过程质量

3.2.1 工艺开发方法的优化

在工艺开发时，为了确保装配效率和质量，需要对开发的过程和质量进行管控和约束，因此将企业内部定义的开发过程以模块化方式嵌入CAPP中。

3.2.2 工艺的辅助设计功能及原理实现

高效的工艺软件需要良好的交互功能和界面，可以有效提高作业编成效率。软件要在操作步骤编制和资源配备时具备提示和引导功能。例如，当进行工时定额时，软件可以参考该零件被引用次数前三的历史数据。资深工程师可通过此功能快速完成文本工作，提升工作效率，而新晋工程师则能够结合软件查阅历史数据，指导工作开展，如图1所示。

图1 辅助开发的设计实现方案

3.2.3 数据发布的管理

一项工艺新增或变更发布时需要从至少二十几个维度来评估对生产的影响程度，并制定确保其风险可控的措施。因此，软件内工艺数据的调整需要综合来自不同岗位和职能人员的评估意见，最后把变更的信息和内容以内部邮件的方式准确无误的传递到生产。线上电子审批不仅提高了效率，更能方便汇总其他部门的意见，如图2所示。

图2 数据发布流程图

3.3 数据互通及传递优化

各开发阶段不同的载体之间信息传递存在延迟和丢失导致的前后信息不一致，从而引起数据一致性的问题，首先要解决工艺文件内的数据存储的问题，按照其展现方式可以分成2种：

(1)文件的存储，即工艺文件表，过去CAPP多采用文件存储的方式，一个工艺数据实际被若干个工艺文件调用，但由于各个工艺文件之间的相互独立，因此不易保障数据之间的一致性和完整性。

(2)数据仓存储，数据仓之间相互独立，最底层的数据仓仅记录各个数据，上一层的文件或数据仓则必须从底层的数据仓内获取数据，上一层或数据仓文件不存储和记录数据，仅把底层调用的数据直接或按照规则转换展示出来。用户可以通过修改上一层的文件或者在数据仓修改数据，修改后的数据是直接反应在底层数据仓内的。这样如果修改了引用数据仓中的一份文件，那么其他引用这个数据的文件也会一起被修改。数据仓的存储方式较文件存储相比更具备计划性和动态关联的优势。

3.4 生产问题反馈及管理优化

以往一线生产管理者需要有大量的现场经验才能进行现场质量的管理和持续优化。随着企业的发展和扩展，人员的流动速度快，合格班组长育成周期长，已经给企业带来大量质量和成本上的损失。通过工艺的质量开发功能和经验结合，按规则生成一份装配缺陷的高风险清单，并且结合当天生产计划还可以准确预测到高风险缺陷发生的时间和位置。这有利于缓解班组长的管理压力，也能降低对班组长的经验要求，缩短育成周期，提升装配质量，减少缺陷发生的频次和数量，并为未来规划工艺时的质量提升和改进提供方向和数据，如图3所示。

3.5 同步工程的工作优化

结合同步工程的优化内容及评审表，主要从装配空间的可达性、工具设备接口的共用能力、标准工艺顺序的符合程度、装配效率、装配的防错和人机姿态等几个维度进行评价并优化设计。评审分为单个零件组和系统级总成两个阶段。所有的零件和系统在不同阶段完成评审后，给出评审结果和状态展示，便于管理层对重点任务的状态进行识别和按需给予关注。

CAPP可以通过平台间的数据互通，在零件设计校核时，同步获取用于校核零件及系统总成设计所需的各基地参考数据，在提升同步工程质量的同时还可以及时响应基地的最新变化需求。

3.6 工艺信息状态的展示及应用

图3 生产辅助管理的实现原理

在工艺开发过程中查看开发目标、进展和结果，可以通过CAPP从数据仓内抓取基础数据按照一定的格式和排版形成各类统计报表以满足不同人群的需求，如工艺工程师需要了解工艺数据的完整性和工程变更的执行情况，生产一线管理人员可以从中获取装配关键要素清单和零件状态断点切换信息，精益技术人员可以获取不同车型配比下的最佳人员出勤方案等，如图4所示。CAPP可以代替传统手工输入和大量数据的复杂处理，快速且准确地生成各类具有参考价值的报表和清单，大幅降低工艺开发和生产管理的难度。

图4 报表模块示意图

4 上汽在CAPP开发上的阶段性应用

为满足工艺系统开发和生产响应及时性的需求，上汽在工艺辅助设计系统开发上进行了试点和小范围应用。软件功能包括工艺参数的数据仓、工艺信息模块的开发和报表管理的生产等。

工艺参数库包括：满足工厂信息设置的布局库，调用零件BOM和装配信息的零件库，动力工具和套筒接杆的资源库，用于工时定额和工时计算的工时库。

工艺信息模块划分按照其开发的阶段和用途划分为两个部分：第一部分是以BOM为索引，将零件作为对象，输入工艺信息，包括动作、工时、资源等用于工艺基础数据开发的模块(图5)；第二部分是以生产基地为对象，将零件工艺按照生产所属基地的状态，将工艺编排到各个工段工位，并以满足线平衡为目标的模块(图6)。

图5 零件开发模块示意图

图6 工厂级工艺开发模块示意图

同时，为满足各类不同人员在不同领域的需求，可实现各类工艺参数的清单和报表的一键导出。

5 结论

本文对CAPP系统的作用和设计方案进行了简要的概述，在此技术上对如何通过系统提高工艺编写的质量和效率进行了初步的探讨和分析，并对上汽已完成的一些模块做了简单介绍。基于目前工业4.0在发展变革过程中，如何通过CAPP这个软件充分挖掘工艺信息数据的价值来帮助企业提升竞争力给出一些建议。