关于CAPP的实践与思考

    1、 引言
   
    “制造”是人类文明的基石，是创造人类赖以生存与发展的物质财富的最基本、最重要的手段之一。数千年来，人类一直致力于借助各种手段提高制造的技术与水平。自第一次工业革命以来，全球制造业通过机械化、电气化等手段得到了飞速的发展。而信息技术的出现与发展，则为发展中国家快速实现工业化带来新的机遇。

    我国制造业信息化工作虽然起步较晚，但是得到了全国上下的高度重视，取得了一定的成绩。其发展历程基本上可以从两方面加以概括：在产品研发方面，先后实现了技术手段的信息化（CAD/CAM等）以及设计管理手段的信息化（PDM等）；在生产管理方面，先后经历了MIS，MRP/MRPⅡ以及ERP等阶段。

    然而，通过对我国制造业信息化发展历程及现状的分析，不难发现也存在一些问题。近20年来，我国在产品研发及生产管理等方面的信息化工作投入了大量的人力、物力和财力，取得了一定的成果，但是在很多企业，信息化并未取得预期的效果。其中原因很多。笔者认为，制造底层信息化水平不高，使上层工作的信息系统缺乏相应的支持，是重要原因之一。以当前制造业信息化的热点之一ERP(enterprise resource planning, 企业资源计划)为例，绝大多数企业实施ERP时都面临无法从产品研发系统获取足够信息源的问题。由于大多数企业的生产现场没有实现信息化，ERP系统无法及时获得所需的现场信息，导致难以获得合理的生产计划。由此可见，底层信息化薄弱已成为阻碍制造业信息化向前推进的拦路虎。我国在制造底层信息化方面，无论是理论、方法，还是系统实现技术的研究，都显得薄弱，更谈不上大范围实施与应用。因此，大力开展制造底层信息化的研究，对进一步推进我国制造业信息化具有重要意义。

    本文主要介绍笔者在制造底层信息化的一个研究方向——计算机辅助工艺规划（CAPP）方面的主要研究成果，并分析其发展趋势。

    2、 工艺设计特点及CAPP面临的困难

    CAPP在理论、方法和技术方面虽有进展，但其系统开发和推广应用一直非常困难，至今没有出现在全世界广为普及的CAPP商品化软件，与CAD系统相比，差距较大。CAPP研究面临的困难，与工艺设计的特点是分不开的。

    2.1 工艺设计工作范围广 内容多
    工艺设计涉及的范围较广，内容很多，主要工作包括工艺评价、工艺规程设计、工序图设计以及工艺管理等。从工艺类型来看，工艺设计又可以分成冷加工、热处理及装配工艺等。不同类型的工艺，其工艺设计内容有较大的差异。由于涉及范围广、内容多，往往需要完成较多的文件。在我国颁布的“中华人民共和国机械制造行业标准”中，JB/T 5054.1–6—2000产品图形及设计文件标准就规定了产品设计有32种图样及文件，而在JB/T 9165.1–4—1998工艺文件完整性中规定有57种图样及文件。实际工作中产生的文件数量差别更大。例如产品设计出一种零件图纸，在工艺上就需要完成工艺路线、毛坯制造工艺（可能包括铸、锻、焊、冲压、热处理中的1至2项）、加工工艺（可能包括工艺过程卡及多道工序卡）、材料定额、工时定额等，每道工序又可能需要完成工装图纸及工艺等。据国外统计，设计图纸及文件与工艺图纸及文件之比为1∶5~1∶10。

    工艺设计涉及多个学科领域，因此研究与开发CAPP需要具备机械、材料、管理、信息及图形学等多方面的学科知识。

    2.2 工艺设计是个性化很强的工作
    工艺设计的个性化体现在多方面。首先，工艺设计的对象不同，工艺方法差异很大。仅以机械产品为例，可以将零件按照其结构分成回转体与非回转体两大类。在不同类型的零件中，尽管回转体稍有共性（因此对这类零件的研究方法的探讨较多），但是用于不同行业、不同产品中的回转体工艺方法差别却很大。非回转体零件的工艺方法差别则更大。

    其次，制造装备的不同也是导致工艺设计个性化的主要原因之一。例如，同样是完成一个零件的加工工艺，采用普通机床与数控机床，其工艺方法几乎完全不同。另外，不同企业的组织结构甚至工作习惯也是引起工艺设计个性化的重要原因。不同企业的制造装备水平、组织结构及工作流程差异很大，在当前中国制造业快速发展的时期表现尤为明显。

    工艺设计的个性化也是导致工艺设计标准化比较落后的主要原因之一，表现在难以建立统一的工艺信息模型、工艺管理模式及工艺设计流程等各个方面。这与产品设计标准化有较大的差距。而工艺设计标准化落后也是工艺设计信息化的困难所在。因为工艺设计的个性化往往需要针对行业或者产品特点设计专业化的CAPP。另外，工艺设计的个性化需要较长的CAPP开发周期，实施工作量大。而工艺信息的非标准化也使得不同CAPP系统之间，CAPP系统与其他系统之间的系统集成，以及系统的升级等都更加困难。

    2.3 工艺设计是诸多制造活动的交汇点
    工艺设计被称为连接产品设计与制造的桥梁。工艺设计与许多制造活动密不可分，是诸多制造信息的交汇点。与工艺设计相关的主要制造活动，以及工艺设计与其相互交换的信息如图1所示。工艺设计成为诸多制造活动的交汇点意味着工艺设计面临两方面的困难：一方面是工艺设计所依据的条件更加具有复杂性、不确定性和动态性等特点；另一方面是工艺设计的输出内容更多、形式更加复杂。这些困难在CAPP系统中表现为信息源更多、输出表格更多、系统集成更加困难等。

图1 工艺设计是诸多制造活动的交汇点
    Fig.1 Process planning is a cross point of many manufacturing activities