0 前言

    軸承生產(chǎn)是典型的設(shè)備密集型制造，其對(duì)工藝工裝以及相關(guān)的工藝管理是企業(yè)管理中的重點(diǎn)和關(guān)鍵。近年來(lái)，隨著汽車(chē)、冶煉、印刷等行業(yè)中越來(lái)越多的特種軸承的出現(xiàn)，其工藝設(shè)計(jì)、工裝制造和IT時(shí)管理等方面的難度和復(fù)雜性都明顯增加，不僅需要完成滿足產(chǎn)品特殊結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)的工藝工裝設(shè)計(jì)，還需要針對(duì)特種軸承生產(chǎn)模式的特殊性，進(jìn)行其工藝設(shè)計(jì)模式的轉(zhuǎn)變和支撐信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使其可以有效將PDM與ERP進(jìn)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(yīng)其從大批量生產(chǎn)向訂單驅(qū)動(dòng)型(MTO，Make to Order)的多品種小批量的大規(guī)模定制方式轉(zhuǎn)變。

1 基于業(yè)務(wù)協(xié)同的軸承工藝設(shè)計(jì)分析

    軸承生產(chǎn)具有制造工藝路線長(zhǎng)、中間質(zhì)量控制環(huán)節(jié)多、制造的準(zhǔn)備期(Lead Time)較長(zhǎng)等特點(diǎn)，特別是結(jié)構(gòu)特殊、功能集成、材料復(fù)合的特種軸承，往往由于其產(chǎn)品種類(lèi)多、需求變化大、單一品種訂單小、交貨期較短等制約因素，對(duì)面向MTO的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)和管理提出了新的要求。

    第一，工藝工裝設(shè)計(jì)需要將設(shè)計(jì)與制造進(jìn)行知識(shí)協(xié)同，通過(guò)銷(xiāo)售、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的并行協(xié)同，避免由于業(yè)務(wù)部門(mén)信息固有的不對(duì)稱(chēng)性以及流程中信息共享不及時(shí)等諸多因素，造成需求分析不足、設(shè)計(jì)偏差或制造準(zhǔn)備期的延宕。

    第二，工藝工裝的設(shè)計(jì)必須快速敏捷。借助于軸承產(chǎn)品功能要求、結(jié)構(gòu)特征的相似，其工藝路線相對(duì)穩(wěn)定，模板式工藝和模塊化工裝是實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)冗余，以便適應(yīng)生產(chǎn)載荷的實(shí)時(shí)變化，包括臨時(shí)訂單(RUSH ORDER)、設(shè)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(kāi)放性、集成性、協(xié)同性。

    首先，開(kāi)放性是系統(tǒng)柔性實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，對(duì)于制造工藝系統(tǒng)所涉及的產(chǎn)品類(lèi)型、設(shè)備種類(lèi)、工藝方法以及知識(shí)表達(dá)等都需要在開(kāi)放的系統(tǒng)基礎(chǔ)上集成，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)增量式的構(gòu)建。

    其次，集成性是軸承制造工藝系統(tǒng)的協(xié)同基礎(chǔ)和關(guān)鍵，和PDM的系統(tǒng)集成是提高設(shè)計(jì)效率的重要系統(tǒng)支撐，是將產(chǎn)品設(shè)計(jì)PDM轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)計(jì)信息的交互與共享，還包括了工藝工裝設(shè)計(jì)與工藝管理等方面的過(guò)程協(xié)同、IT具協(xié)同、組織協(xié)同等方面，其協(xié)同過(guò)程是將不同應(yīng)用在過(guò)程、工具和組織方面的差異性通過(guò)信息技術(shù)和系統(tǒng)支撐產(chǎn)生動(dòng)態(tài)一致性的結(jié)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(gòu)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(gòu)建思路，將具體的功能實(shí)現(xiàn)及其系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行隔離，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)一服務(wù)一協(xié)同和應(yīng)用的相對(duì)獨(dú)立，從而又保證了其與PDM、ERP以及其他設(shè)計(jì)、分析等應(yīng)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(wù)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(chǔ)、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(chǔ)，包括了產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)、產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)庫(kù)、產(chǎn)品工裝數(shù)據(jù)庫(kù)、以及產(chǎn)品檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)（含外協(xié)件檢測(cè)數(shù)據(jù)）。

    (1)產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)即是基礎(chǔ)PDM（如圖2中虛線框所示），包括了產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)（包括了產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、材料性能等）、圖紙庫(kù)、設(shè)計(jì)模板集、設(shè)計(jì)BOM、版本管理數(shù)據(jù)等，其數(shù)據(jù)可以通過(guò)服務(wù)層調(diào)用進(jìn)行接口訪問(wèn)獲取。

圖2 基于業(yè)務(wù)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(kù)包括了工藝數(shù)據(jù)案例集、制造資源集（包括設(shè)備、工裝夾具等）、知識(shí)和規(guī)則集、工藝模板集，其核心是通過(guò)產(chǎn)品特征驅(qū)動(dòng)下的產(chǎn)品綜合工藝和規(guī)則集。在基于特征驅(qū)動(dòng)的知識(shí)和規(guī)則集中，按照模板定義的數(shù)據(jù)要求進(jìn)行工藝案例調(diào)用、特征匹配計(jì)算、規(guī)則約束的求解等。

    (3)檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)包括了自制的在制品、成品檢測(cè)以及外協(xié)、外購(gòu)件的檢測(cè)，主要由檢測(cè)知識(shí)集，檢測(cè)數(shù)據(jù)集、檢測(cè)資源集（檢具、工裝、計(jì)量與維護(hù)的數(shù)據(jù)）等構(gòu)成。在檢測(cè)知識(shí)集中包括了檢測(cè)規(guī)程與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)、質(zhì)量案例與改進(jìn)措施記錄等。

    第二，服務(wù)層。作為系統(tǒng)的中間件，提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)及應(yīng)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(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)分析、數(shù)據(jù)適配的接口，并建立協(xié)同過(guò)程中的消息觸發(fā)與事務(wù)驅(qū)動(dòng)的信道，從而為不同用戶的進(jìn)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(jìn)行工藝管理的Workflow（應(yīng)用程序的邏輯時(shí)序等）、角色與操作等進(jìn)行管理，并定義消息觸發(fā)機(jī)制和事務(wù)協(xié)同策略。協(xié)同層并不直接對(duì)具體工藝設(shè)計(jì)及其事務(wù)進(jìn)行操作，而是對(duì)通過(guò)服務(wù)層接人的設(shè)計(jì)應(yīng)用對(duì)象(CAD、CAPP、CAE、ERP等)進(jìn)行工作流程管理，對(duì)設(shè)計(jì)協(xié)同中的事務(wù)驅(qū)動(dòng)和消息觸發(fā)機(jī)制進(jìn)行定義，包括觸發(fā)邏輯設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)閾值設(shè)定等。

3 基于Petri網(wǎng)的工藝設(shè)計(jì)協(xié)同

    由于工藝設(shè)計(jì)中既存在需求-功能-結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)順序邏輯，同時(shí)還具有多人或部門(mén)協(xié)同的并行驅(qū)動(dòng)、設(shè)計(jì)任務(wù)調(diào)度分配的選擇關(guān)系、以及設(shè)計(jì)分析驗(yàn)證再循環(huán)的流程等，我們采用著色Petri網(wǎng)(Colored Petri Net，簡(jiǎn)稱(chēng)CPN)作為工藝設(shè)計(jì)協(xié)同的分析模型。

    Petri網(wǎng)被認(rèn)為是適應(yīng)于未來(lái)語(yǔ)用計(jì)算機(jī)的描述語(yǔ)言，有別于通過(guò)控制流而采用了信息流模式進(jìn)行系統(tǒng)編序或并發(fā)等關(guān)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(yán)格的數(shù)學(xué)建模優(yōu)勢(shì)，Petri網(wǎng)可以直觀有效地將工藝設(shè)計(jì)流程中的串行、并行、選擇、循環(huán)等路由關(guān)系進(jìn)行科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩�義和表達(dá)。Petri網(wǎng)可簡(jiǎn)單理解為由庫(kù)所(Place)和變遷(Transition)構(gòu)造的有向圖模型，一般常用下式表達(dá)：

PN={P，T，A，Token，MO)；

    其中，P代表的庫(kù)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(duì)于具體系統(tǒng)可以作為任務(wù)；A是有向弧，也稱(chēng)為流，是狀態(tài)和變遷之間的有向關(guān)系，也是任務(wù)的驅(qū)動(dòng)，A∈((P×TU(T×P))；Token代表令牌，是庫(kù)所中狀態(tài)可量化的量化值，雖然庫(kù)所P是依據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jī)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(dá)有向弧觸發(fā)的機(jī)制。特別是，面對(duì)MTO制造的協(xié)同系統(tǒng)要求的管理柔性和時(shí)延控制機(jī)制方面，需要將Token的語(yǔ)意進(jìn)一步豐富。著色Petri網(wǎng)是對(duì)一般Petri網(wǎng)的拓展，一方面對(duì)Token進(jìn)行著色，以解決其二義性的瓶頸，另一方面構(gòu)造了有向弧表達(dá)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(dá)為：CPN=(∑，P，T，A，c，G，E，I)，其中，c是著色集，是對(duì)Token進(jìn)行著色計(jì)算；G是守衛(wèi)函數(shù)，是控制Token流轉(zhuǎn)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(gè)典型的工藝設(shè)計(jì)任務(wù)分配的Petri網(wǎng)模型。其中，庫(kù)所Pn的含義分別是：P1表示工藝任務(wù)下達(dá)，具體設(shè)計(jì)任務(wù)數(shù)為n，P2表示某某工藝員A可接納的設(shè)計(jì)任務(wù)數(shù)N（為其設(shè)計(jì)載荷減去已有任務(wù)數(shù)），P3是向下一個(gè)工藝員派送任務(wù)，P4表示匹配過(guò)程，P5表示最終傳遞給任務(wù)分配者的任務(wù)數(shù)，P6是向下一級(jí)或其他協(xié)同層發(fā)送任務(wù)數(shù)量消息，庫(kù)所S是在一過(guò)程中資源消耗。變遷Tn的含義分別是：T1是工藝設(shè)計(jì)任務(wù)處理，T2是業(yè)務(wù)員根據(jù)自身業(yè)務(wù)能力確定接單過(guò)程，如果該工藝員能全部接下n個(gè)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(gè)工藝員B派單；T3是下一個(gè)工藝員B接單的信息。

圖3 Petri網(wǎng)模型

    由于工藝設(shè)計(jì)管理中需要區(qū)分或厘清不同難度或設(shè)計(jì)工作量，以便設(shè)計(jì)任務(wù)載荷的均衡并方便后續(xù)績(jī)效管理，同時(shí)也為了避免由于工藝設(shè)計(jì)任務(wù)差異性細(xì)化造成Petri關(guān)聯(lián)矩陣的復(fù)雜性，在上模型中，采用Delphi Method對(duì)工藝任務(wù)進(jìn)行著色計(jì)算，以a＼b＼e＼…等對(duì)其設(shè)計(jì)任務(wù)或設(shè)計(jì)難度進(jìn)行著色，圖中就包括了難度a的設(shè)計(jì)任務(wù)14項(xiàng)，難度b的設(shè)計(jì)任務(wù)6項(xiàng)以及難度c的任務(wù)7項(xiàng)。

    通過(guò)工藝設(shè)計(jì)協(xié)同系統(tǒng)Petri網(wǎng)建模，不僅可有效分析其流程或結(jié)構(gòu)的合理性，并可針對(duì)具體流程計(jì)算器系統(tǒng)時(shí)延等關(guān)鍵指標(biāo)，為滿足MTO制造提供了良好數(shù)學(xué)分析手段。

4 基于Petri網(wǎng)的工藝設(shè)計(jì)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(jié)合PDM與ERP系統(tǒng)集成構(gòu)造和開(kāi)發(fā)了具有業(yè)務(wù)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(shè)計(jì)過(guò)程的系統(tǒng)界面。

圖4 工藝設(shè)計(jì)過(guò)程的系統(tǒng)界面

5 小結(jié)

    我們針對(duì)軸承MTO生產(chǎn)方式，設(shè)計(jì)了基于業(yè)務(wù)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(shí)現(xiàn)了工藝管理的協(xié)同化，并融匯貫穿了包括設(shè)計(jì)、工藝到制造的信息流，從而推動(dòng)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(biāo)題：基于業(yè)務(wù)協(xié)同的軸承制造工藝信息化管理

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