0 前言
軸承生產(chǎn)是典型的設備密集型制造，其對工藝工裝以及相關的工藝管理是企業(yè)管理中的重點和關鍵。近年來，隨著汽車、冶煉、印刷等行業(yè)中越來越多的特種軸承的出現(xiàn)，其工藝設計、工裝制造和IT時管理等方面的難度和復雜性都明顯增加，不僅需要完成滿足產(chǎn)品特殊結構和性能指標的工藝工裝設計，還需要針對特種軸承生產(chǎn)模式的特殊性，進行其工藝設計模式的轉變和支撐信息系統(tǒng)的設計，使其可以有效將PDM與ERP進行系統(tǒng)集成，從而滿足全方位的企業(yè)信息管理集成，以適應其從大批量生產(chǎn)向訂單驅動型(MTO，Make to Order)的多品種小批量的大規(guī)模定制方式轉變。
1 基于業(yè)務協(xié)同的軸承工藝設計分析
軸承生產(chǎn)具有制造工藝路線長、中間質(zhì)量控制環(huán)節(jié)多、制造的準備期(Lead Time)較長等特點，特別是結構特殊、功能集成、材料復合的特種軸承，往往由于其產(chǎn)品種類多、需求變化大、單一品種訂單小、交貨期較短等制約因素，對面向MTO的生產(chǎn)工藝設計和管理提出了新的要求。
第一，工藝工裝設計需要將設計與制造進行知識協(xié)同，通過銷售、設計、生產(chǎn)的并行協(xié)同，避免由于業(yè)務部門信息固有的不對稱性以及流程中信息共享不及時等諸多因素，造成需求分析不足、設計偏差或制造準備期的延宕。
第二，工藝工裝的設計必須快速敏捷。借助于軸承產(chǎn)品功能要求、結構特征的相似，其工藝路線相對穩(wěn)定，模板式工藝和模塊化工裝是實現(xiàn)快速設計與制造的有效途徑。
第三，工藝規(guī)劃需要有一定的柔性。能提供約束條件下的設計冗余，以便適應生產(chǎn)載荷的實時變化，包括臨時訂單(RUSH ORDER)、設備故障或增加等情況下快速的工藝變更或調(diào)整。
面向MTO軸承制造的工藝系統(tǒng)必須具有開放性、集成性、協(xié)同性。
首先，開放性是系統(tǒng)柔性實現(xiàn)的基礎，對于制造工藝系統(tǒng)所涉及的產(chǎn)品類型、設備種類、工藝方法以及知識表達等都需要在開放的系統(tǒng)基礎上集成，從而實現(xiàn)系統(tǒng)增量式的構建。
其次，集成性是軸承制造工藝系統(tǒng)的協(xié)同基礎和關鍵，和PDM的系統(tǒng)集成是提高設計效率的重要系統(tǒng)支撐，是將產(chǎn)品設計PDM轉化為可為ERP信息集成的工藝PDM，從而將抽象的產(chǎn)品數(shù)據(jù)與具象的設備、方法、以及流程集成，如圖1所示。
圖1 軸承制造工藝信息化管理框架
再次，協(xié)同性不僅僅是制造和設計信息的交互與共享，還包括了工藝工裝設計與工藝管理等方面的過程協(xié)同、IT具協(xié)同、組織協(xié)同等方面，其協(xié)同過程是將不同應用在過程、工具和組織方面的差異性通過信息技術和系統(tǒng)支撐產(chǎn)生動態(tài)一致性的結果。
2 面向協(xié)同的軸承制造工藝信息系統(tǒng)模型
根據(jù)上述軸承MTO制造中工藝管理和系統(tǒng)集成的特殊要求，我們構建了面向協(xié)同的工藝信息系統(tǒng)模型。在模型中，采用了SOA系統(tǒng)構建思路，將具體的功能實現(xiàn)及其系統(tǒng)應用進行隔離，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)一服務一協(xié)同和應用的相對獨立，從而又保證了其與PDM、ERP以及其他設計、分析等應用的可封裝性、拓展性與系統(tǒng)集成性。
在模型中，涵蓋了數(shù)據(jù)層、服務層和協(xié)同層。從信息角度上，模型的三層分別處理數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)變更、以及數(shù)據(jù)變更的方式。
第一，數(shù)據(jù)層是基礎，包括了產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)庫、產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)庫、產(chǎn)品工裝數(shù)據(jù)庫、以及產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)庫（含外協(xié)件檢測數(shù)據(jù)）。
(1)產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)即是基礎PDM（如圖2中虛線框所示），包括了產(chǎn)品設計知識庫（包括了產(chǎn)品標準、材料性能等）、圖紙庫、設計模板集、設計BOM、版本管理數(shù)據(jù)等，其數(shù)據(jù)可以通過服務層調(diào)用進行接口訪問獲取。
圖2 基于業(yè)務協(xié)同的軸承制造工藝信息系統(tǒng)模型
(2)產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)庫包括了工藝數(shù)據(jù)案例集、制造資源集（包括設備、工裝夾具等）、知識和規(guī)則集、工藝模板集，其核心是通過產(chǎn)品特征驅動下的產(chǎn)品綜合工藝和規(guī)則集。在基于特征驅動的知識和規(guī)則集中，按照模板定義的數(shù)據(jù)要求進行工藝案例調(diào)用、特征匹配計算、規(guī)則約束的求解等。
(3)檢測數(shù)據(jù)庫包括了自制的在制品、成品檢測以及外協(xié)、外購件的檢測，主要由檢測知識集，檢測數(shù)據(jù)集、檢測資源集（檢具、工裝、計量與維護的數(shù)據(jù)）等構成。在檢測知識集中包括了檢測規(guī)程與標準數(shù)據(jù)、質(zhì)量案例與改進措施記錄等。
第二，服務層。作為系統(tǒng)的中間件，提供數(shù)據(jù)訪問及應用集成的接口，根據(jù)協(xié)同的需要配置或模塊化集成一些用于產(chǎn)品設計、設計分析、數(shù)據(jù)適配的接口，并建立協(xié)同過程中的消息觸發(fā)與事務驅動的信道，從而為不同用戶的進入提供必要的數(shù)據(jù)通道和統(tǒng)一的可視化界面。
第三，協(xié)同層。主要是進行工藝管理的Workflow（應用程序的邏輯時序等）、角色與操作等進行管理，并定義消息觸發(fā)機制和事務協(xié)同策略。協(xié)同層并不直接對具體工藝設計及其事務進行操作，而是對通過服務層接人的設計應用對象(CAD、CAPP、CAE、ERP等)進行工作流程管理，對設計協(xié)同中的事務驅動和消息觸發(fā)機制進行定義，包括觸發(fā)邏輯設計、驅動閾值設定等。
3 基于Petri網(wǎng)的工藝設計協(xié)同
由于工藝設計中既存在需求-功能-結構的設計順序邏輯，同時還具有多人或部門協(xié)同的并行驅動、設計任務調(diào)度分配的選擇關系、以及設計分析驗證再循環(huán)的流程等，我們采用著色Petri網(wǎng)(Colored Petri Net，簡稱CPN)作為工藝設計協(xié)同的分析模型。
Petri網(wǎng)被認為是適應于未來語用計算機的描述語言，有別于通過控制流而采用了信息流模式進行系統(tǒng)編序或并發(fā)等關系的描述，最早是由CralAdam Petri于1962年提出的一種模型。借助其有效的圖形化和嚴格的數(shù)學建模優(yōu)勢，Petri網(wǎng)可以直觀有效地將工藝設計流程中的串行、并行、選擇、循環(huán)等路由關系進行科學嚴謹?shù)亩x和表達。Petri網(wǎng)可簡單理解為由庫所(Place)和變遷(Transition)構造的有向圖模型，一般常用下式表達：
PN={P，T，A，Token，MO)；
其中，P代表的庫所，是系統(tǒng)的有限狀態(tài)集；T代表的變遷，是系統(tǒng)變化的有限集，對于具體系統(tǒng)可以作為任務；A是有向弧，也稱為流，是狀態(tài)和變遷之間的有向關系，也是任務的驅動，A∈((P×TU(T×P))；Token代表令牌，是庫所中狀態(tài)可量化的量化值，雖然庫所P是依據(jù)系統(tǒng)結構固定的，但是中狀態(tài)量化值Token是可變的，作為量化值也成為有向弧A觸發(fā)的消息傳遞機制；MO是系統(tǒng)初始狀態(tài)。
在一般Petri網(wǎng)中，由于Token采用單一量化值并不足以表達有向弧觸發(fā)的機制。特別是，面對MTO制造的協(xié)同系統(tǒng)要求的管理柔性和時延控制機制方面，需要將Token的語意進一步豐富。著色Petri網(wǎng)是對一般Petri網(wǎng)的拓展，一方面對Token進行著色，以解決其二義性的瓶頸，另一方面構造了有向弧表達式E和守衛(wèi)函數(shù)G以便靈活多樣地控制著色Token的路由。因此，著色Petri網(wǎng)(CPN)可以表達為：CPN=(∑，P，T，A，c，G，E，I)，其中，c是著色集，是對Token進行著色計算；G是守衛(wèi)函數(shù)，是控制Token流轉的閾值函數(shù)；E是有向弧函數(shù)，I是初始狀態(tài)函數(shù)。
圖3例了一個典型的工藝設計任務分配的Petri網(wǎng)模型。其中，庫所Pn的含義分別是：P1表示工藝任務下達，具體設計任務數(shù)為n，P2表示某某工藝員A可接納的設計任務數(shù)N（為其設計載荷減去已有任務數(shù)），P3是向下一個工藝員派送任務，P4表示匹配過程，P5表示最終傳遞給任務分配者的任務數(shù)，P6是向下一級或其他協(xié)同層發(fā)送任務數(shù)量消息，庫所S是在一過程中資源消耗。變遷Tn的含義分別是：T1是工藝設計任務處理，T2是業(yè)務員根據(jù)自身業(yè)務能力確定接單過程，如果該工藝員能全部接下n個工單，則不需要其他工藝員派單，即Anum(n，N)=0，如果不滿足則需要向下一個工藝員B派單；T3是下一個工藝員B接單的信息。
圖3 Petri網(wǎng)模型
由于工藝設計管理中需要區(qū)分或厘清不同難度或設計工作量，以便設計任務載荷的均衡并方便后續(xù)績效管理，同時也為了避免由于工藝設計任務差異性細化造成Petri關聯(lián)矩陣的復雜性，在上模型中，采用Delphi Method對工藝任務進行著色計算，以a＼b＼e＼…等對其設計任務或設計難度進行著色，圖中就包括了難度a的設計任務14項，難度b的設計任務6項以及難度c的任務7項。
通過工藝設計協(xié)同系統(tǒng)Petri網(wǎng)建模，不僅可有效分析其流程或結構的合理性，并可針對具體流程計算器系統(tǒng)時延等關鍵指標，為滿足MTO制造提供了良好數(shù)學分析手段。
4 基于Petri網(wǎng)的工藝設計協(xié)同
由于工藝系統(tǒng)的分層模型。并借助Petri網(wǎng)作為流程建模和分析工具，結合PDM與ERP系統(tǒng)集成構造和開發(fā)了具有業(yè)務協(xié)同的軸承產(chǎn)品工藝信息化管理系統(tǒng)。圖4顯示了其中工藝設計過程的系統(tǒng)界面。
圖4 工藝設計過程的系統(tǒng)界面
5 小結
我們針對軸承MTO生產(chǎn)方式，設計了基于業(yè)務協(xié)同的工藝管理信息化系統(tǒng)框架，并利用Petri網(wǎng)作為系統(tǒng)管理流程的分析工具，實現(xiàn)了工藝管理的協(xié)同化，并融匯貫穿了包括設計、工藝到制造的信息流，從而推動了工藝管理信息化系統(tǒng)與PDM和ERP的系統(tǒng)集成。
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本文標題：基于業(yè)務協(xié)同的軸承制造工藝信息化管理
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