摘 要：基于产品数据管理（PDM）系统集成体系结构的工艺设计信息系统（CAPP）将是未来发展方向。本文结合企业PDM构建和CAD升级的契机，探讨了实现CAPP系统升级及深化应用的解决方法，提出了三维可视化装配工艺规划、基于知识的参数化工艺设计和CAPP与PDM集成等核心功能需求。

　　关键词：CAPP；参数化工艺设计；三维可视化装配工艺规划；CAD；PDM

1    引言

　　工艺过程设计是连接产品设计与制造的桥梁，是整个制造系统的重要环节，CAPP作为计算机辅助工艺过程设计软件，在国内制造业企业得到广泛的应用。企业实践证明，CAPP作为一种工具化软件，有助于帮助工艺人员从繁琐重复的事务性工作中解脱出来，迅速编制出完整而详尽的工艺规程，提高工艺标准水平，缩短生产准备周期，实现工艺部门内部信息共享。

　　但是，随着CAPP的逐步深入应用，设计、工艺、制造各系统间的信息孤岛问题，工艺知识积累、复用局限性问题等都逐步显现；同时，由于传统的工艺设计软件很难对工艺设计的合理性进行科学的验证、分析和优化，尤其是复杂产品的装配过程，产品质量的控制很大程度上依赖人为经验。传统的CAPP已经很难满足日益增长的业务需求，制造企业尤其是电子装备制造业从广度和深度上对CAPP的发展提出了更新更高的要求。

　　目前，随着信息化建设的逐步深化，很多企业对CAD软件进行了升级改造，设计部门实现了三维参数化设计，同时还构建了产品数据管理系统（PDM）平台，使得设计数据具备了与工艺、生产计划等环节进行信息交流与共享的基础。

　　结合PDM构建和CAD升级的契机，为了满足现代化企业管理以及生产制造信息化对CAPP系统的要求，对CAPP系统进行升级，形成集“工艺设计、工艺管理、工艺数据挖掘利用、工艺数据集成应用、面向特定专业的智能化应用”为一体的新CAPP系统成为必然。

　　本文参照南京电子工程研究所CAPP系统，对升级后的CAPP系统以及工艺深化应用方案做简要介绍。

2    CAPP系统构架

　　CAPP系统的升级首要解决的就是信息孤岛问题。升级后的CAPP系统遵循工具化、平���化、参数化的设计指导思想，采用系统支持层、核心组件层、应用层三层体系架构，如图1所示。

图1  CAPP系统架构图

　　CAPP系统通过系统支持层的数据平台实现与PDM和ERP的信息交互。从ERP获取工作中心信息；从PDM读取零部件名称、图号、材料等产品信息，并将CAPP系统中生成的工艺文件、BOM汇总文件反馈到PDM，再由PDM将相关工艺信息传递到ERP系统进行生产管理。通过各系统间的数据交换，从根本上解决了各个产品数据在设计、工艺、制造等环节数据交换和共享的问题。

图2  CAD /CAPP/PDM/ERP集成框架图

3    系统集成解决方案

　　真正实现企业中各信息化平台间的数据交互和共享，打通设计、工艺、制造信息流，必须实现各系统间的深度集成，CAPP系统首要解决的是与CAD和PDM系统的集成问题。

3.1 CAPP系统与CAD集成

　　CAPP系统与CAD的集成，支持模型属性、装配结构和图表信息的读写、插件应用、三维模型文件的轻量化浏览等。CAPP提供了专门的集成接口，实现以下的主要集成功能：

　　从三维CAD中获取产品结构信息、零部件属性信息、设计参数信息、几何模型数据，支持工艺规程的编制和制造仿真。

　　在工艺规程编制过程中，可将某些关键尺寸与CAD模型进行关联，当模型的特征尺寸发生变化时，工艺卡片中的相应数据会做相应修改，从而保证工艺与模型的一致性。

　　在装配工艺编制中，工艺数据会与CAD装配结构、装配路线等保持一致，当选择某道工序时，CAD环境中会高亮显示相应的特征或零部件，装配工艺能驱动CAD环境下产品的装配路线、次序等。

3.2  CAPP系统与PDM集成

　　工艺编制必须参考产品设计图纸，而工艺编制又可反作用于产品设计，如产品设计到一定阶段后，工艺人员如果验证产品不具有可装配性，则产品设计需得进行修改，因此，工艺文档和零件图纸具有紧密的关联性。

　　根据加工习惯、生产组织、成本核算等方式的实际特点，本单位不但需要管理CAPP中产生的数据，而且要求CAPP中产生的信息能传递给生产、采购、财务等部门，以便及时顺利地组织生成并进行成本核算，因此，需要将PDM与CAPP进行紧密集成，以构建完整的产品数据模型，实现对产品设计工艺制造数据的有效管理，消除产品研发部门的设计和工艺团队之间的信息孤岛。

　　PDM与CAPP的紧密集成， CAPP可随时读取PDM中工艺编制所需的其它数据（如设计的明细信息和图纸信息、库存的材料信息、车间的设备信息等）；而CAPP中产生的产品零部件加工制造的全部信息（包括工艺路线、工序内容、工时、工装、材料定额等）可随时进入PDM中，以便供其它系统使用。

图3  PDM与CAPP集成架构

　　CAPP系统提供一个“Windchill集成”菜单项，子菜单项包括CAPP与Windchill集成的全部功能项。用户单击子菜单项，执行相应功能。CAPP集成界面如图4所示。

图4  CAPP集成界面

4    工艺深化应用方案

　　升级后的CAPP系统保持了原有系统的功能，全面覆盖了设备制造中的工艺内容，并基于本单位业务需要，通过新增参数化工艺设计、三维可视化装配规划工艺设计系统实现工艺深化应用，全面提高企业工艺设计的效率和质量。

4.1 基于知识的参数化工艺设计平台

　　电子行业产品具有结构复杂、料件种类繁多、结构或规格相近相似、工艺复杂等行业特点，工艺设计繁重而复杂，工艺设计及验证周期较长。如若能提升工艺设计效率，必将大大提升产品的市场响应能力。传统的CAPP工具软件不能最大限度的发挥企业工艺知识的自动复用，在工作效率和工作质量上都有进一步提升的空间。

　　通过实施参数化工艺设计软件，可以帮助企业快速搭建一个可视化的工艺定义和工艺知识积累的平台，帮助企业有效地学习、继承优秀工艺人员的工艺设计知识，并将一些典型和常用的工艺在参数化工艺模块中进行定义，或将生成的工艺流程保存到数据库中生成工艺流程库，形成企业的工艺知识财富，便于今后在设计相似零件工艺时，能从工艺流程库中随时调用工艺流程，通过更改特征参数生成新的工艺文件。

　　使用时，输入零件的特征及加工要求等已知条件，系统自动分析流程（进行算术、字符和逻辑运算），自动生成工艺文档。工艺设计人员不用从事重复的工艺编制，不仅提高了整个工艺设计的效率，而且工艺设计师可以将更多精力花在设计能力的提高和工艺创新上，提高企业整体工艺设计水平。

图5 工艺流程定义

4.2三维可视化装配工艺规划

　　集成装配工作是电子系统装备的最终环节，结构复杂，装配工艺路线长，要求高。采用传统的文字描述方式，设计周期长，工作量大，而且对现场装配指导性差，无法分析判断零部件在装配过程中可能发生的装配干涉问题，并且要求工艺人员具有丰富的装配工艺设计经验。通过实施基于三维可视化装配的工艺设计，借助集成现场配置显示终端等手段，实现装配工艺的创新，达到提高装配工艺规划的水平和效率的目的。

　　可视化装配工艺规划系统APS（Assembly process simulation）是一种将传统装配工艺规划中所体现的内容以虚拟仿真的形式表达出来的新技术。基于三维模型的装配工艺设计，可以直接从CAD模型中提取产品结构信息、参数信息等。装配工艺设计人员可将三维CAD产品模型导入计算机环境中，并在计算机上进行模拟组装，指定装配的零部件和先后顺序，并确定每道工序所装零件的种类和数量；对于每道工序，还可详细描述装配工序的操作内容，一旦发现装配过程不合理，无需去生产现场便可及时提出解决方案，从而减少实际工作中的开发费用和成本；此外，在动态装配模拟过程中，可按工序、工步或零件进行动态预览，主要包括交互预览和拆卸过程预览，其中交互预览为将零件进行任何方向的旋转或者改变观察的角度和光源位置。

　　基于三维模型的装配工艺设计，提供了强大的可视化装配工艺设计环境，直观清晰。可预先设定组装路径，反复试验验证，找出最佳的组装流程。装配工人可以清楚看到整个装配过程；维修工程师可观察整个拆卸和装配过程，以确认替换零件时的拆装路径；市场人员可向客户展示公司的设计和制造能力。

　　三维可视化装配工艺规划系统的总体构架图如图6：

图6  三维可视化装配工艺系统总体框架图

图7 装配仿真

5    结论

　　CAPP系统的升级和工艺深化应用，一方面将CAPP与CAD、PDM有机结合，建立集设计、工艺、生产、管理于一体的综合体系，打通了设计、工艺、制造的信息流，使得产品从设计到生产周期明显缩短；另一方面，通过工艺的深化应用，实现了基于知识的智能化工艺设计，实现了面向三维CAD的可视化装配工艺规划和仿真，有利于优化产品质量，促进产品创新，加快产品上市速度，增强企业对市场的快速反应能力。

　　由此可见，CAPP的升级，以及CAPP与CAD/PDM的集成化应用，适应先进制造技术发展的需求，能推动数字化技术在电子信息产品研发、生产和管理中的发展使用，为企业创造了良好的经济效益。