数字化工厂的中枢神经-结构化工艺(系列篇之一)
制造工艺的结构化与探索之路
摘要：工艺是设计到制造的纽带；在数字化工厂中，结构化工艺更是中枢神经，定义与驱动数字化工厂高效运作。制造企业在MBD全三维数字化环境中，定义与验证结构化工艺，为现场生产系统中的人和机器传递一次性准确的工艺信息，最终支撑智能制造。
本篇重点阐述工艺天然是结构化的，结构化工艺是必然的最合时宜的表达，同时详细阐述了业界对结构化工艺的探索之路。
一、结构化工艺是必然的最合时宜的表达
制造工艺是指生产工人利用制造工具和设备，对各种原料、材料、半成品进行加工、装配或各种处理，最后使之成为成品的工作、方法、和技术。
对于制造企业来说，制造工艺是连接产品设计和生产现场的关键纽带；制造企业的制造工程部（或者工艺室）进行工艺规程或者作业指令单（AO：装配指令；FO：制造指令），用来指导生产和为生产准备提供数据依据：
指导生产：车间生产的计划、调度，工人的操作，加工质量检验，加工成本的核算，处理生产中问题都是以工艺为依据。
生产准备工作的依据：车间组织生产时，要根据工艺内容准备所需的刀、夹、量具、设备、原材料及毛坯、工人、辅料等。
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工艺规程表格样式展示其可结构化
整本的工艺规程通常包括两个部分：工艺规程的过程卡/工序卡和各种统计清单。其中过程卡/工序卡的内容重点是指导工人进行操作的描述；而这些统计清单都是从过程卡/工序卡的内容中进行提取的，通常是组织生产准备和计划调度生产的关键信息。
从结构化的角度来说，这些统计清单天然就是结构化的；只要过程卡与工序卡内容结构化了，统计清单自然自动化就卷积出来；故结构化的重点和难点就在于过程卡与工序卡内容结构化。
下面是一张“机械加工工艺过程卡片”的样例，展示了工艺规程卡片与工程图纸的样式完全不同，其全部是基于行列的格组成表单，与数据库的行列或编程的FORM表单极其相似。故从工艺规程诞生开始，它就是结构化式的：表头的工艺/工序基本信息，中间表格的工序/工序及相关资源和工作地信息，下面一般是签署/更改等管理信息。
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制造工艺的对象化表达：3PR(Product-Process-Plant-Resource)
在数字化的管理环境里，制造工艺规程卡中的信息可以采用面向对象的表达方式，把所有工艺通用化的表达为3PR（Product-Process-Plant-Resource）模式，其中工艺Process为核心：
1.工艺(Process)是数据组织的核心：可以BOP(Bill of Process)为主线，连接产品、工厂、资源。简单逻辑为：“在工厂中使用资源按照工艺流制造产品”；
2.产品(Product)是制造的目标对象，按产品树组织，是制造的对象（装配），也是制造的目标（加工）；
3.工厂(Plant)是制造的空间环境，使制造按工艺流进行空间流转；
4.资源(Resource)是制造的工具，设备、仪器和刀夹量辅等。
以3PR几类对象，通过对象的属性与关系，可以完整表达工艺规程的主要内容；其中关于签署和更改等信息，可以在数字化的管理环境中由组织/角色/流程等来实现表达。
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制造工艺的巨量内容增加了工艺全面数字化的难度
虽然3PR可以通用化的表达全部工艺内容，看似制造工艺全面数字化是很容易的事情。
其实不然，单从一个零件的一本工艺规程来看，往往稍微复杂一些的都包含几十道工序，每道工序也是几页内容，因此带上统计清单，少则几十页，多则上百页。故工艺规程的内容是零件图纸的10的指数倍。
在实际制造企业中，稍微复杂的产品往往要经历多种制造工艺类型（根据制造工艺分类标准（JB/T5992-92），制造工艺分类有十大类，上百种小类）。例如很多企业的零件工艺由一本主制工艺和多本辅制工艺组成。
制造工艺内容如此巨量，而且工艺种类繁多。注定制造工艺的全面数字化具备相当的难度。尤其在工艺员需要大量的时间需要到现场解决技术问题和沟通时，很难花费更多的时间进行工艺的全面数字化。更何况大量的操作说明信息或示意，用图片等多媒体方式或更加可视易理解，或者大段文字内容不必要转成可解析的数字化文字。
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制造工艺消费者需要结构化的工艺数据
从制造工艺的消费者来说，可以分为三大类：工人、数字化系统、数字化机器。
工人：往往需要直接查看工艺内容，在不同的情境下，有不同的要求：在开工操作前进行培训时，往往需要工艺内容可交互可视，让人更快理解或更容易记住；在操作时，希望能够精准推送正确版本的内容工人翻阅，甚至希望通过增强现实等手段一步一步指导和校验人的操作；在操作完成后能够快速记录操作或检测内容，形成数字化化的记录单，甚至要求工检合一等。
数字化系统: 实际上是管理者的代理人，例如，ERP系统需要BOM/BOP的数据；MES系统需要BOP/EWI（电子化作业指导书）。
数字化机器：例如数字化的加工设备、检测仪器、或者各种机器人，都需要装载最正确版本的数控/PLC程序；还有很多仪器或设备，需要根据工艺参数来进行调节或控制等。
尤其是随着智能制造的开展，企业的数字化转型，消费者更多从工人向数字化系统、数字化机器转移。即使在使用工人的情况话，工人也是在数字化和自动化环境包围下开展工作，需要大量的数字化的工艺数据支撑整个环境的运行。
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结构化工艺是工艺的适度数字化
为什么本文的标题为“数字化工厂的中枢神经-结构化工艺”，而不说“数字化工艺或工艺数字化”？是因为制造工艺的消费者需要数字化工艺数据，但制造工艺内容全面数字化在当前环境还具有一定的难度。
结构化工艺是工艺全数字化的一种中间状态，是必然的最合时宜的表达：工艺内部的部分数字化：只把下游消费者需要的关键工艺信息进行纯数字化表示、数字化传递和识别；超脱于传统电子化表达，关键在于能满足操作工人的各种样式的可视化要求，同时能被下游系统或设备仪器接收识别。
适度数字化、尊重现实：工艺数据量太大，且没有统一的国际标准或国标；工艺中很多内容无法全数字化表达；部分生产现场也不需要或不支持工艺全数字化。
适度数字化、适应新需求：生产管理和生产现场系统、自动化控制的设备和仪器越来越需要部分关键工艺数据；数字化工厂和企业数字化转型实现数据驱动，工艺的数字化也是其中的关键部分之一。
二、工艺结构化的长期持续探索
结构化工艺是必然的最合时宜的表达，因此业界（无论是国际还是国内）一直没有停止对工艺结构化的长期持续的探索。国内关于结构化工艺的研究历史就是CAPP的研究历史；并且随着国际PLM厂商进入中国市场，带来数字化制造（Digital Manufacturing）或制造过程管理（MPM：Manufacturing Process Management），进行着相互学习和融合。
这里从国内用户的视角来总结，结构化工艺探索的历史可以分为七个阶段性状态或七种CAPP产品形态，如下图所示：
1.基于CAD模式的工艺编制CAPP
2.基于纯数据库模式的CAPP
3.创成式CAPP(工艺专家系统)
4.基于数据库和所见即所得的CAPP
5.内嵌三维模型的二维工艺CAPP
6.面向数字化工厂的MBD结构化工艺（当前主流形态）
7.工业4.0下的未来工艺？（趋势）
其实上述这几种CAPP形态在国内制造企业中或多或少都能找到相应的存在。故下面对每种CAPP形态的主要特征、优缺点进行简单概述。
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基于CAD模式的工艺编制CAPP
正在中国大地火热开展“甩图板”之时，企业和学校研究机构也开始“甩图表”的工艺电子化行动。其主要的思路是借用CAD的能力，把工艺规程卡片迁移到CAD的图纸幅面中，一页卡片就是一张工程图。
工艺内容中有大量的工序图、总装图，以及行为公差等特殊表达，采用CAD工具进行工艺规程卡片的编制是最方便的途径；设计和工艺采用同样的CAD系统，方便工艺对工程图纸的重用；同时这样制图与排版打印非常方便，非常满足当时工艺纸质晒蓝划改模式。上述优势促使这种CAPP成为当时绝对的主流。
但工艺规程与零件工程图的主要的不同还是其文字式的工艺内容偏多；在CAD中编辑内容时，文字输入、换行换页、插入修改等非常困难；设备/资源/材料等信息都靠手工输入，规范性/标准化靠个人保障；目录和统计清单都是手工统计和手写形成，容易造成工艺内容修改后，目录和统计清单没有及时准确更新。这些也成为这种CAPP主要诟病的地方。
从工艺结构化的角度来看，这是没有起步，完全是制图，不能生成任何结构化的工艺数据。
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基于纯数据库模式的CAPP
在“甩图表”的工艺电子化的过程中，西北工业大学/同济大学等有一群专家，从一开始就把工艺数据进行结构化对象化考虑：完全面向对象的概念，把产品、工艺、工序、工步、资源都当作一个对象，每个对象由众多属性组成。整本工艺就是由众多对象按一定关系层次化表达。
基于对象化的思想，形成了基于纯数据库模式的CAPP：前台工艺编辑界面都是数据FORM形式；按照工艺对象或对象列表的方式输入对象属性，对应后台数据库表的每一行/列。然后把工艺对象数据按照特定的格式配置定义，输出成可打印的卡片。
尤其当时提出独特的理念：工艺员是进行工艺设计，而不是编制工艺卡片。意即工艺员只需关注工艺设计的内容，而不用关注工艺卡片格式。
这种CAPP的优势在于，真正实现了工艺内容的全面数字化，可自动生成各种统计清单，可以以任何粒度把工艺数据传递个下游的生产系统或者现场。工艺内容、常用术语、资源/设备/材料的标准化、规范化、重用效率都得到极大提升和保障。并且真正的按照PLM的思路来管理BOM/工艺数据/文档的电子化审批、更改、有效性等。
其最大的弱势是工艺图形、特殊符号、形位公差等的编辑处理稍为复杂一点；对始终关注工艺卡片的工艺员来说极大的不习惯，不能所见即所得；不能满足按照纸质划改的方式进行更改，只能是按照工序换页处理。
相对来说，这种CAPP具有较大的超前性，一般的传统工艺员很难接收；因此这种CAPP只在信息化意识比较充分的企业得到应用，尤其当时航空行业五大飞机主机厂都较早的使用了这种CAPP，使得它也成为当时CAPP的主流之一。
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创成式CAPP(工艺专家系统)
成组技术、专家系统是计算机工程应用后专家们都一直研究的主题；尤其在制造工艺领域。随着基于纯数据库模式的CAPP出现，为工艺专家系统-创成式CAPP的诞生提供的基础。主要增强关于知识整理、管理、推理等几个方面的能力：
1.成组编码：首先采用成组技术，对零组件进行归类，并定义编码和相应的特征参数属性；
2.工艺知识库：定义相应的类型零组件的工艺模板或基于特征的典型工序；以及机床、刀具甚至主轴转速、进给量、加工方法等选择的相应逻辑规则；
3.交互式推理：根据对应零件基本属性和编码，自动选择相应的工艺模板，更新重要的工艺参数信息；中间视情提供信息询问界面、允许手工调整等。
由于当时的计算算法与计算能力都比较低下，而且成组技术/专家系统的适应面比较窄，往往只能针对某几类比较典型的零件，例如回转体等，或者特定知识化的工艺。因此都是高度定制的系统，实际行业推广比较少。
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基于数据库和所见即所得的CAPP
经过一定时间的基于CAD模式的工艺编制CAPP和基于纯数据库模式的CAPP广泛应用，业界基于用户的需求和技术的发展，以CAXA/金叶西工大/开目等为代表的推出“后台是数据库、前台类似CAD”模式的CAPP。
这种方式兼顾CAD的所见即所得和工序图的编辑方便性，同时把部分工艺内容以结构化的方式存储到后台数据库，为下游生产系统提供数据。文字输入、自动换行、自动换页、插入修改等功能比传统CAD要极大提高工艺编制效率，达到二维CAPP能力的巅峰，也成为二维CAPP在制造企业的主要形态。
但随着三维的出现，这种CAPP遭受了前所未有的打击。因为三维CAD都是国际化商品软件，国际厂商并没有推行基于三维CAD的CAPP，提供的二次开发接口也不能满足开发出CAPP的需要。
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内嵌三维模型的二维工艺CAPP
有些国内的CAPP厂商，在传统”基于数据库和所及即所得的CAPP”基础上，把二维工序图，更换为”三维工序图”或者三维模型，通过OLE/控件等方式嵌入到工序卡片中。能基于三维模型提取部分特征信息到工艺内容中，或形成检验卡片的基础检验特征输入。
总体来说还是卡片制式的二维工艺：传统工艺规程卡片格式，静态三维图片或模型，模型不能在现场交互式深入查看。不是真正的三维CAPP。
经验来看，要想兼顾工艺卡片，又要满足三维需求，这是畸形的组合。三维时代的到来，必然需要挣脱二维卡片制式的约束。
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面向数字化工厂的MBD结构化工艺
MBD的出现，推动三维设计的变革；为三维工艺设计的到来提供了良好的产品数据基础，尤其是利于工艺对MBD模型 的PMI信息充分利用，推动数控工艺/专业工艺等仿真验证等的广泛深入应用；同时PLM的发展，使得设计工艺在同一的环境里，数据传递与管理的模式更加高效与统一。
在数字化工厂畅行的当下，制造企业对精益工程的重视达到信息的高度，聚焦精益的数字化制造工具得到广泛应用；同时在数字化工厂中具备越来越丰富和高精度的工厂/设备模型，带动更高层面的工艺规划、或更真实环境的细节工艺仿真。
数字化工厂中工艺不在只是面向工人，更要面向系统和数字化机器。一方面，数字化工厂中自动化数字化手段的提升，更多工艺任务将由各式各样的自动化机器执行，工艺最好全面数字化，直接传导到数字化的机器设备；另一方面，在数字化工厂中某些制造岗位也需要工人，而此时的工人是廉价的高柔性机器人，数字化和辅助自动化手段降低工人体能需求和防止出错，要求工艺不仅能够数字化满足各种数字终端，也要满足人的可视、交互、指导性、自动纠错等要求。
因此催生了数字化工厂中的MBD结构化工艺：第一，它不再是二维CAPP时代统一为卡片的展现模式，需要根据不同的工艺类型采用不同的方式进行数字化方式；第二，面向工人和面向自动化的机器/系统，是完全两种不同的技术途径；第三，三维和数字化技术的发展，很多工艺都已经可进行数字验证或三维工厂环境下的可视化验证。
当前MBD结构化工艺的推行，已经成为制造企业建设数字化工厂，开展数字化转型和智能制造的重要举措之一。
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工业4.0下的未来工艺
在未来工业4.0的智能制造时代，到处都是智能化工厂和智能机器人或设备。大家都在畅想，在智能制造时代，与智能工厂相配套的工艺：
1.是AI支持的“智能化工艺设计”出来的吗？工艺表现形式是“三维模型式的数字化工艺信息”还是“包含工艺知识的算法”？
2.是在制造企业内部有一个“工艺大脑”告知每个机器如何去做？还是每个机器拥有工艺小脑，接到任务就知道如何去做？
3.工艺本身就在产品模型中，每个机器读取产品信息就知道如何执行？还是工艺分解为每个环节的AI小脑中，变得无处不在？
4.甚至可能3D打印一统天下，智能机器人足够聪明…. 还需要工艺吗？
各种畅想都不无道理，也有实现的可能。就尽情期待当今数字化技术和智能技术等技术生态能涌现出何种让人惊喜的“生态效应”吧。
三、待续...
本文阐述了制造工艺的结构化是天然的，业界进行了持续的探索，并指出面向数字化工厂的MBD结构化工艺是当前的主流形态。那究竟为什么MBD结构化工艺会如此重要？具体的形态有哪些？如何来实现？MBD结构化工艺与工厂的数字孪生的关系？制造企业该如何面对与取舍MBD结构化工艺推行的相关问题？未来工艺各种探索模式？……
敬请关注本连载篇“数字化工厂的中枢神经-结构化工艺”的后续篇章。
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