CAPP作為智能工廠信息系統重要組成部分，為智能制造提供了標準化、結構化和精細化的基礎數據，是智能工廠數據的源頭。

一、背景

放眼全球，國家間的競爭越來越激烈，美國力促“制造業回歸”，我國著力發展“中國制造2025”，裝備制造業仍然是國家間競爭中的重要一環，以智能制造為高鐵這張“中國燙金名片”增光添彩是株洲中車時代電氣當仁不讓的責任。2015年我司智能工廠建設項目入選“國家工信部94個2015年智能制造專項”，智能制造對產品工藝規劃工作的精細化和結構化提出了越來越強烈的需求。CAPP（ComputerAidedProcessPlanning，計算機輔助工藝規劃設計）作為智能工廠信息系統重要組成部分，為智能制造提供了標準化、結構化和精細化的基礎數據，是智能工廠數據的源頭。

二、系統的規劃

智能工廠建設項目將信息化、自動化、數字化等技術應用到軌道交通裝備核心部件生產制造過程；與此同時，將相關技術向前拓展到產品設計開發、向后延伸到產品的運營與服務，橫向擴展到產品的整個供應鏈；將數字化、信息化覆蓋至產品生命周期全過程，實現產品全生命周期管理，并促使公司相關業務管理、信息系統應用達到國際先進水平，為此我司確定CAPP為為智能工廠提供標準化、結構化和精細化數據的核心系統。

CAPP與智能制造工廠信息系統間的規劃關系如圖1所示，為形成以工藝路線為核心的結構化工藝數據管理模式，提升工藝設計質量、效率和規范性，建立“人、機、料、法、環、測”一體化融合的工藝設計平臺，CAPP規劃提供下列基礎數據源及接口關系：

1、提供結構化數據(MBOM/FLOW/工藝文件)，傳遞至ERP、MES、WMS和DPS；

2、提供工藝路線物料掛料數據，由ERP承接，傳遞至MES、WMS指導物料揀配申請和配送；

3、提供工序人員資質檢查要求，通過FLOW傳遞至MES和智能制造樣板線；

4、提供工程數據采集標準（EDC），通過FLOW傳遞到MES和設備層，控制設備運行參數和采集，支持質量SPC分析；

5、提供工序工具/工裝配置要求，通過工序傳遞至MES進行現場工具/工裝應用指示；

6、提供智能制造工廠產線級的生產方案數據配置。

三、系統構建

1、CAPP系統功能框架

CAPP系統是整個智能工廠數據的源頭，其構建的總體思路為：第一、以流程為導向進行需求分析，以解決問題、流程優化為目標；第二、數據遵循就源輸入的原則，數據一次輸入、多次有效。

2、系統數據流向設計

CAPP系統核心數據包括：MBOM、工藝路線、工時、制造資源、軟件數據、EDC數據、工程變更數據，如下圖3系統數據流程圖闡述了數據在各系統間的關系及這些字段的來源和去處，實現“一次輸入，多次使用”的高效利用。

3、應用舉例

1）MBOM設計管理

BOM是各信息化系統中最重要的基礎數據。在CAPP應用之前，我司主要靠人工在PLM系統中維護完成EBOM到MBOM數據的轉換工作，效率低。引進CAPP平臺后，通過MBOM編輯器（MPP）的定制開發改造，提高了BOM轉換的工作效率、確保BOM數據的一致性和銜接性，為智能制造生產提供基礎保障。CAPP在BOM的管理中主要實現功能有：

在EBOM簽審流程發布后，制造部門通過一鍵裝換功能，將MBOM完整復制EBOM結構（含自制件、外協件），實現EBOM—MBOM清單一鍵轉換和輸出工作。

基于MBD的三維可視化、EBOM、MBOM三者聯動的MBOM設計環境。

用戶三維可視化環境下，MBOM結構編輯調整功能，基于單一頁面的零部件的借用、復制、拖放、剪切、粘貼等操作。

實現MBOM的多人并行設計，不同工藝類型的MBOM維護人員各自維護MBOM結構，系統自動組合成完整的MBOM結構。

在MBOM結構中進行材料定額、工藝輔料添加。

實現MBOM的變更管理，支持在MBOM編制環境的變更識別，通過MBOM變更流程實現MBOM的換版發布，在流程中支持變更對比信息的報表輸出。

支持基于MBOM的工藝任務管理，實現工藝任務的電子化分工管理，可對任務的執行情況進行追溯、匯總統計，并可輸出為相應的報表。

實現將ERP中的工廠屬性回寫到PLM系統中（采購類型、特殊采購類），PLM系統依據屬性觸發相關的結構化工藝設計流程任務。

2）結構化工藝路線

在CAPP系統中，工藝路線結構化文件提供了強大的工藝文件編制功能，進行各專業結構化工藝文件編制。如圖2所示：支持在工藝卡片中插入三維裝配仿真動畫、三維工藝模型(Pro/E)、DWG/DXF二維圖紙、照片、圖片、工藝特殊符號、工藝資源等數據，并在卡片編輯同一界面快速方便的對照片和模型等進行批注和編輯，并且在后續變更時可以基于同一頁面對批注內容進行修改。對于結構化編輯的文字，可以實現文字加粗、加顏色、底色、換行等格式編輯操作。

結構化數據能很好的實現數據的復用、搜索和精確提取，解決了原來通過WORD/EXCEL文檔編制工藝文檔數據黑箱的問題，實現了信息透明化。我司在CAPP制造資源庫中，構建了工序、工步、產線、設備、工裝等相關信息，作為工藝路線結構化應用的基礎資源。根據實際生產情況構建不同的工藝路線即生產方案，同一產品可實現多工藝路線（異地工廠、返修、簡配、半成品發貨、多種生產模式等）。支持工藝路線細化到工序、工步等維度的管理。工藝數據結構化的實現，其核心和載體由MBOM變成了工藝路線，形成了以工藝路線為核心，關聯人、機、料、法、環、測的完整的結構化工藝數據，顛覆了原來基于MBOM關聯文檔進行工藝數據管理的模式，實現了靈活可配置的制造生產方式。

四、項目成果與經驗總結

CAPP是連接產品設計與制造的橋梁，對產品質量和制造成本具有極為重要的影響。CAPP系統的使用大大提高工藝過程設計的速度和質量，而且保證了工藝設計的規范化和標準化，結構化和精細化，為智能制造添上了濃墨重彩的一筆，主要成果體現在下列幾點；

1）實現MBOM設計與變更流程的全面管理，進行數據容錯判定，確保MBOM數據規范性、正確性、銜接性。

2）實現工藝方案結構化編制，工藝總方案的關鍵數據（四新、工藝性說明、輸入等）在對應工藝分方案中可繼承重用，并自動觸發四新任務通知，避免工作遺漏。

3）實現基于不同產品類型、產品領域、項目類型的組合選擇，系統自動匹配出相對應的成果物裁剪結果，減輕了工藝裁剪表編制的工作量，裁剪結果自動觸發文檔編制任務至對應責任人，并通過齊套性報表進行任務跟蹤。

4）實現基于工藝路線的作業指導書結構化編制，PDF輸出、簽審與變更管理，在制造資源庫實現工序/工步的規范化創建，及實現工藝路線的快速復用。

5）基于工步進行定性或定量兩類“檢驗要求”的結構化定義，為制造端的自動化檢測設備數據采集提供了數據輸入，并對數據采集執行情況進行校驗，防呆防錯。

6）實現各類制造資源基礎數據的統一維護管理。

7）實現了轉產評審單結構化、基于業務規則自動輸出文件齊套性確認，實現開口問題閉環。

8）建立工藝知識庫，實現各類知識數據的統一維護管理。

五、未來展望

在智能工廠建設發展上，通過對國內外智能制造發展趨勢及案例（空客未來工廠、安貝格智能工廠、GE智慧工廠等）的分析，未來CAPP系統的發展趨勢為：

1）數字化

向智能制造的工藝數據精細化發展，從產品設計數字化模型表達，向工藝、制造、服務等全生命周期階段全要素的數字化模型化表達延伸。

2）網絡化

從設計工藝打通，向基于計算機通信技術下的產品全生命周期一體化和跨價值鏈廣域協同模式進行轉變。

3）自動化

輸入工藝參數/條件，依據決策邏輯程序，在CAPP系統中實現參數化工藝設計的新型工作模式。

4）智能化

從實物世界管理模式向虛擬/實物世界融合下的管理模式進行轉變；從經驗決策模式向工業大數據支撐下的智能化管理模式進行轉變。

淺談CAPP的發展現狀

CAPP（ComputerAidedProcessPlanning）即計算機輔助工藝過程設計，可以減少工藝設計過程的設計時間，同時使工藝過程設計更快速、優化和標準。CAPP所需要的設計信息包括設計零件種類、設計要求等是從CAD獲取，CAPP通過計算機輔助設計最終達到要求，將最終各種設計結果和信息從CAM輸出。我國CAPP的研究開發已經很多年了，也日趨成熟，但仍存在著人和機器對話的困難，效率也不算很高，而且有專用性強的缺點。

隨著科學技術進步和發展，機械制造業產品品種越來越繁多,人們對產品的需求量日益增多，因此工藝設計過程越來越復雜。而傳統的工藝設計由人工繪圖并詳細編制，一個產品一個設計，一個設計一個較長的設計周期，一個較長的設計周期至少一個成熟的工藝人員，勞動強度大，耗時長，耗盡人力物力，顯然與大需求多變化的市場要求不能適應，同時設計質量還未必滿足市場的需求。在這種情況下，為了減少工藝設計過程的設計時間，同時使工藝過程設計更快速、優化和標準，人們對CAPP的開發就變得十分必要。同時，CAPP所需要的設計信息包括設計零件種類、設計要求等是從CAD獲取，CAPP通過計算機輔助設計最終達到要求，將最終各種設計結果和信息從CAM輸出。可見，針對CAPP系統的開發是極其重要的。

1CAPP國內外的發展狀況

挪威人在1965年率先提出了CAPP的概念，并且于1969年完成了世界第一個CAPP系統。但1976年美國的國際計算機輔助制造公司所推出的CAPP系統卻是世界上最著名、應用最廣泛的系統，成為CAPP系統發展的里程碑。隨之世界上有更多CAPP系統相繼推出，進而出現了變異型CAPP和創成型CAPP。隨著CAPP系統的廣泛應用，研究人員對CAPP的理論與方法進行了更加廣泛、深入的研究。美國的一些大學認為研究CAD與CAPP的集成是極其重要的,他們采用人工智能技術如神經網絡、機器學習、智能推理等,提供一個與CAPP系統集成的CAD環境,可以用來識別設計及生產零件的各種特征和各種幾何信息,他們的研究已取得成效。以色列的大學認為零件工藝規程的生成應該使用規則系統而不是專家系統，這樣效果更好。所不同的是，有些國家的大學則更注重于建模效應。

我國CAPP技術的研究明顯晚于先進西方國家，制造技術的落后，計算機發展的落后，智能技術的落后，先進理念的落后使這種狀態難以避免。20世紀80年代初期，在國家的支持與推動下，我國的CAPP技術剛剛開始。雖然同濟大學在1982年開發出我國第一個CAPP系統，但是也僅僅處于學習和初步研究階段。隨后,我國一些優秀的院校如北京工業大學、南京航空學院、西北工業大學改變落后觀念，提高科技創新進步的先進意識，積極努力地投入到CAPP系統的開發中，開發出了具有一定水準的CAPP系統，至此形成了中國CAPP系統的快速發展期。90年后隨著計算機輔助生產國際學術會議的召開和中華人民共和國機械行業標準計算機輔助工藝設計導則頒布，我國CAPP的發展水平開始有了進一步的發展并與國際接軌。

2目前CAPP存在的問題和發展方向

2.1存在的問題

(1)CAPP系統通常針對特定零件，不能夠適應復雜多樣的工藝產品，通用性差，不具備普遍性。

(2)CAPP系統運作時應實現人和計算機能夠很容易進行交流，獲取信息時間短、準確、簡單、快速，效率應明顯高于單純人工設計，可目前并未實現。

(3)CAPP系統需要的工藝知識量巨大，存儲量巨大，需要耗費大量的人力物力準備。

(4)CAD、CAPP、CAM等計算機輔助系統沒形成一系列的系統工程，設計、工藝和制造都是單一的設計，單一的系統開發，單一的生產應用，它們之間無任何聯系，因此就出現了1+1小于2的情況，這不能顯示生產系統的集成的優勢。

(5)多數CAPP系統只有設計者知道其內部的知識的存儲方式，應用推理方式，選擇方案的優化方式，用戶根本無法知道也無處知道，因此用戶無法根據實際需要更改系統的一些既定規則，以適應自己的需要，這樣的系統不能適應客戶，客戶是不會歡迎的。

2.2CAPP研究方向

CAPP的研究方向主要針對高效性、通用性、并行性等方向發展。

(1)高效性。

CAPP系統運作時應很容易實現人和計算機的交流，獲取信息準確、簡單、快速，效率應明顯高于單純人工設計。

(2)智能性。

能夠處理復雜多樣的產品，更智能。

(3)系統性。

形成一系列的CAD、CAPP、CAM等計算機輔助系統工程，設計、工藝和制造不再是單一的設計，單一的系統開發，單一的生產應用，它們之間有密切的聯系，顯示生產系統的集成的優勢。

(4)透明性。

設計者應該讓用戶知道其CAPP系統的內部知識的存儲方式，應用推理方式，選擇方案的優化方式，用戶可根據實際需要更改系統的一些既定規則，以適應自己的需要，這樣的系統客戶才會歡迎。

(5)網絡化。

可通過聯網，多家企業聯合開發，共同利用，節省人力物力。

3CAPP支撐理論與技術的發展狀況

3.1人工智能

人工智能AI（ArtificialIntellegence）是美國的幾位學者在20世紀中期最先提出的。它是多學科的交叉學科，包括是計算機科學、哲學、數學、心理學、生物學、控制理論等。其基本目標就是使機器表現出人類的頭腦和思想，使機器代替人類思考和工作。人工智能應用極其廣泛，在語言語音的識別，機器學習方面、邏輯分析方面、和專家系統方面都取得了許多引人矚目的成就。近年來，人工智能中較突出的成就是專家系統。

3.2專家系統

專家系統是可以超過人類專家的水平的系統。該系統具有大量專業知識，同時也具備人類專家的經驗，它根據人類專家求解問題的思維過程，求解問題，從而達到最佳求解問題的效果。因其具備專家的知識和思維，所以知識全面，求解問題快速、優化，應用范圍廣泛，有利于提高生產效率，提高經濟效益。

目前，人們更加深入地研究開發專家系統。知識庫和推理機由單一發展為多樣，使其更符合專家的特質，同時人們還對專家系統的開發工具進行研究，使其根據需要應用于各個領域，具有廣泛性，便利性，通用性。當然，專家系統還存在不少有待解決的問題：知識的獲取和學習等。這些問題還有待進一步的研究。

4結語

CAPP的發展是社會發展的需要，是科學技術進步的需要。CAPP發展到今天，已經進入到了成熟期，但是仍然存在諸多問題：知識庫知識的更新和完備，推理機制的優化和優先，系統的自我學習和完善。這些都是CAPP系統急待解決的問題，隨著科技的發展和人們對制造業的重視，更多的科技工作者將投入更多的精力，未來CAPP將會向智能性、開放性、并行化等方向發展。