コンピュータ支援プロセス計画

製造工程計画とは、製品や部品を製造するための最適な方法を体系的に決定することであり、適切な材料、方法、および最も効率的な手順の順序を選択することを含みます。その主な目的は、生産プロセスを最適化し、コスト効率が高く、かつ高品質な結果をもたらすことを保証することです。本質的には、エンジニアリング図面や 3D モデルを詳細な製造手順のグループに変換し、多くの場合、作業の順序と必要な特定の機械を概説する特定の文書 (ルーティング シート、ツール リスト、作業リスト、作業指示書など) を作成します。^{[ 1 ]}

従来、工程計画は熟練したエンジニアが行う、知識集約型の手作業でしたが、現在では多くの先進企業がコンピュータ支援工程計画（CAPP）を活用しています。CAPPとは、高度なコンピュータソフトウェアを用いて工程計画担当者が製造計画を作成するのを支援するものです。製品設計と製造の橋渡し役となり、従来熟練したエンジニアが手作業で行っていた作業を自動化します。CAPPシステムは、複雑な製品形状を多種多様に扱う大企業にとって特に有益です。コスト削減、リードタイム短縮、そしてより効率的な工程計画の作成に役立つからです。

CAPPの主な利点は次のとおりです。^{[ 1 ]}

1. 自動化と効率化：計画作成に必要な時間と労力を大幅に削減し、計画担当者の個々の専門知識への依存度を低減します。
2. 最適化：このソフトウェアはアルゴリズムを用いて、品質を維持しながら生産時間とコストを最小限に抑える計画を特定します。
3. 柔軟性：CAPPシステムは、製品設計や製造要件の変更を反映させるために、プロセス計画を迅速に調整できます。

CAPPには主に2つのアプローチがあります。^{[ 2 ]}バリアントアプローチと生成アプローチです。

バリアントアプローチは、データベースから標準製造計画を取得し、それを特定の新しい部品に合わせて調整することで機能します。このアプローチは、グループテクノロジー（GT）とコーディングシステム（Opitzシステム^{[ 3 ]}など）に大きく依存し、類似した幾何学的特性と製造特性に基づいて部品を「ファミリー」に分類します。この方法は、2つの異なる運用段階を経て動作します。

1. 準備段階：部品はファミリーに分類され、共通の機械加工工程、工具要件、および生産方法に基づいて、各グループごとに標準的な工程計画テンプレートが作成されます。
2. 製造段階：新しい部品が導入されると、システムがその部品ファミリーを識別し、対応するテンプレートを取得できるように、部品にコードと分類が付けられます。その後、システムはそのテンプレートをカスタマイズし、個々の部品固有の特性や公差に対応させます。

バリアント方式の主な利点は、理解しやすく、プロセスプランナーが最終計画をより詳細に制御できる点です。しかし、主な欠点は、システムデータベースに既に存在するコンポーネントと非常に類似したコンポーネントの計画に限定されることです。

生成型アプローチでは、新しい部品ごとに独自の製造計画をゼロから作成します。バリアント方式とは異なり、類似部品の既存の計画を取得して修正するのではなく、製品データとプロセスデータを組み合わせて、新しい戦略を自動的に構築します。生成型CAPPシステムは通常、部品ベースシステム（形状と公差を解釈するため）、製造データベース（利用可能な機械とその機能を一覧表示するため）、シーケンスサブシステム（「ロジック」コア）、およびレポートジェネレータで構成されます。このシステムは、アルゴリズムを使用して部品の幾何学的特徴を識別し、知識重視の推論とヒューリスティックに基づいて最適な製造操作とシーケンスを提案します。多くの場合、エキスパートシステム（ルールベース推論）、機械学習、深層学習、制約プログラミングなどの高度な技術を利用して計画を最適化し、製造要件を満たすようにします。

ジェネレーティブCAPP（生成型CAPP）またはダイナミックCAPPは、開発の主な焦点であり、新製品の生産計画を自動的に生成したり、リソースの可用性に基づいて生産計画を動的に更新したりする機能です。ジェネレーティブCAPPでは反復的な手法が用いられる場合があり、単純な生産計画を自動CAD/CAM開発に適用して、初期生産計画を洗練させていきます。

ジェネレーティブ CAPP システムは、1989 年から 1995 年にかけて UNDP プロジェクト (DG/CRP/87/027) の一環として、中国北京の北京第一工作機械工場 (BYJC) で開発されました。このプロジェクトは、1994 年 5 月 9 日発行の「Machine Design Magazine; New Trends」22-23 ページで報告されました。このシステムは、1995 年 7 月に CASA/SME Leadership in Excellence for Applications Development (LEAD) Award 選考委員会にデモンストレーションされました。委員会はこの成果に対し、1995 年に LEAD Award を BYJC に授与しました。ジェネレーティブ CAPP を実現するために、CAD、PDM、ERP、CAMシステムに修正が加えられました。さらに、工具、人員、資材、物流のスケジューリングを管理し、製造現場の生産能力を維持するために、製造実行システム(MES) が構築されました。

ジェネレーティブCAPPシステムは、工場の生産能力と生産能力に基づいて構築されます。個別生産では、設計から部品への検証が頻繁に行われてきましたが、変動の激しい設計や、複数の製造工程と複数の工具オプションを考慮すると、意思決定テーブルは長くなり、ベクトル行列はより複雑になります。BYJCは、顧客の仕様に基づいてCNC工作機械とフレキシブル生産システム（FMS）を構築しています。重複するものはほとんどありません。ジェネレーティブCAPPシステムは、BYJCでこれらの特定の製品を生産するために必要な独自の能力と生産能力に基づいています。既存の計画を変更するバリアントプロセス計画システムとは異なり、各プロセス計画は過去のルーティングとは独立して自動的に定義できます。生産効率が改善されると、その改善は自動的に現在の生産構成に組み込まれます。このジェネレーティブシステムは、アジャイル生産環境におけるCAPPシステムの重要な構成要素です。

ジェネレーティブCAPPシステムを実現するために、必要な機能を満たすコンポーネントが構築されました。

1. BYJCの製造現場における製造能力が定義されました。その結果、製品構成を生産するために製造現場で実行可能な主要工程は46種類、従属工程は84種類であることが判明しました。これらは製造の基本工程です。工場に新たな製造能力が組み込まれるにつれて、それらを既存の工程群に組み込む必要が生じます。
2. これらの工場工程は、CADシステムに組み込まれるフィーチャーベース設計拡張機能のフィーチャーを定義するために使用されます。
3. これらの機能拡張機能とそれに関連付けられたパラメトリックデータの組み合わせは、特定の製品、アセンブリ、または部品のデータセットコンテンツとして、CADシステムから修正されたPDMシステムに渡されるデータの一部となった。
4. ERPシステムは、製造現場における各工具の製造能力に対応できるよう改良されました。これは、ERPシステムが各工具について通常保持できる送り速度や切削速度といった機能の拡張です。さらに、製造工程において重要となる場合に備え、従業員一人ひとりの特別な特性、才能、学歴などを記録できるよう、人事記録も強化されました。
5. 製造実行システム（MES）が構築されました。MESの主要コンポーネントは、PDMシステムからのエンジニアリングフィーチャオブジェクトを、ERPシステムで製造に必要な工具、人員、資材、輸送ニーズなどと照合するエキスパート／人工知能システムです。物理的なコンポーネントが特定されると、アイテムのスケジュールが作成されます。スケジュールは、企業のリアルタイムの状況に基づいて継続的に更新されます。最終的に、このシステムのパラメータは、支出、時間、物理的寸法、可用性に基づいて決定されました。

これらのパラメータは、多次元微分方程式を生成するために使用されます。偏微分方程式を解くことで、解が生成された時点での最適なプロセスおよび生産計画が得られます。解は、アジャイル製造基準を満たす能力に基づいて、時間の経過とともに変化する柔軟性を備えています。実行計画は動的であり、変化する状況に対応できます。

このシステムでは、新製品の製造可能性に基づいて迅速に生産を開始できます。より高度なCAD/CAM、PDM、ERPシステムには、生成型コンピュータ支援プロセス計画のための基本機能が既に組み込まれています。MESシステムの構築と実装には、特定の事業所内に存在する能力を特定し、それを最大限に活用することが依然として必要です。作成されたシステムは非常に特殊ですが、その概念は他の企業にも応用可能です。

• CAD（コンピュータ支援設計）
• CAM（コンピュータ支援製造）
• CIM（コンピュータ統合製造）