0 前言
軸承生產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管理中的重點和關鍵。近年來，隨著汽車、冶煉、印刷等行業中越來越多的特種軸承的出現，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的設計，使其可以有效將PDM與ERP進行系統集成，從而滿足全方位的企業信息管理集成，以適應其從大批量生產向訂單驅動型(MTO，Make to Order)的多品種小批量的大規模定制方式轉變。
1 基于業務協同的軸承工藝設計分析
軸承生產具有制造工藝路線長、中間質量控制環節多、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同，通過銷售、設計、生產的并行協同，避免由于業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。借助于軸承產品功能要求、結構特征的相似，其工藝路線相對穩定，模板式工藝和模塊化工裝是實現快速設計與制造的有效途徑。
第三，工藝規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整。
面向MTO軸承制造的工藝系統必須具有開放性、集成性、協同性。
首先，開放性是系統柔性實現的基礎，對于制造工藝系統所涉及的產品類型、設備種類、工藝方法以及知識表達等都需要在開放的系統基礎上集成，從而實現系統增量式的構建。
其次，集成性是軸承制造工藝系統的協同基礎和關鍵，和PDM的系統集成是提高設計效率的重要系統支撐，是將產品設計PDM轉化為可為ERP信息集成的工藝PDM，從而將抽象的產品數據與具象的設備、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同、IT具協同、組織協同等方面，其協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支撐產生動態一致性的結果。
2 面向協同的軸承制造工藝信息系統模型
根據上述軸承MTO制造中工藝管理和系統集成的特殊要求，我們構建了面向協同的工藝信息系統模型。在模型中，采用了SOA系統構建思路，將具體的功能實現及其系統應用進行隔離，從而實現了數據一服務一協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、拓展性與系統集成性。
在模型中，涵蓋了數據層、服務層和協同層。從信息角度上，模型的三層分別處理數據存儲、數據變更、以及數據變更的方式。
第一，數據層是基礎，包括了產品設計數據庫、產品工藝數據庫、產品工裝數據庫、以及產品檢測數據庫（含外協件檢測數據）。
(1)產品設計數據即是基礎PDM（如圖2中虛線框所示），包括了產品設計知識庫（包括了產品標準、材料性能等）、圖紙庫、設計模板集、設計BOM、版本管理數據等，其數據可以通過服務層調用進行接口訪問獲取。
圖2 基于業務協同的軸承制造工藝信息系統模型
(2)產品工藝數據庫包括了工藝數據案例集、制造資源集（包括設備、工裝夾具等）、知識和規則集、工藝模板集，其核心是通過產品特征驅動下的產品綜合工藝和規則集。在基于特征驅動的知識和規則集中，按照模板定義的數據要求進行工藝案例調用、特征匹配計算、規則約束的求解等。
(3)檢測數據庫包括了自制的在制品、成品檢測以及外協、外購件的檢測，主要由檢測知識集，檢測數據集、檢測資源集（檢具、工裝、計量與維護的數據）等構成。在檢測知識集中包括了檢測規程與標準數據、質量案例與改進措施記錄等。
第二，服務層。作為系統的中間件，提供數據訪問及應用集成的接口，根據協同的需要配置或模塊化集成一些用于產品設計、設計分析、數據適配的接口，并建立協同過程中的消息觸發與事務驅動的信道，從而為不同用戶的進入提供必要的數據通道和統一的可視化界面。
第三，協同層。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，并定義消息觸發機制和事務協同策略。協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，對設計協同中的事務驅動和消息觸發機制進行定義，包括觸發邏輯設計、驅動閾值設定等。
3 基于Petri網的工藝設計協同
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同的并行驅動、設計任務調度分配的選擇關系、以及設計分析驗證再循環的流程等，我們采用著色Petri網(Colored Petri Net，簡稱CPN)作為工藝設計協同的分析模型。
Petri網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編序或并發等關系的描述，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學建模優勢，Petri網可以直觀有效地將工藝設計流程中的串行、并行、選擇、循環等路由關系進行科學嚴謹的定義和表達。Petri網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，是系統的有限狀態集；T代表的變遷，是系統變化的有限集，對于具體系統可以作為任務；A是有向弧，也稱為流，是狀態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，是庫所中狀態可量化的量化值，雖然庫所P是依據系統結構固定的，但是中狀態量化值Token是可變的，作為量化值也成為有向弧A觸發的消息傳遞機制；MO是系統初始狀態。
在一般Petri網中，由于Token采用單一量化值并不足以表達有向弧觸發的機制。特別是，面對MTO制造的協同系統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網是對一般Petri網的拓展，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和守衛函數G以便靈活多樣地控制著色Token的路由。因此，著色Petri網(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是守衛函數，是控制Token流轉的閾值函數；E是有向弧函數，I是初始狀態函數。
圖3例了一個典型的工藝設計任務分配的Petri網模型。其中，庫所Pn的含義分別是：P1表示工藝任務下達，具體設計任務數為n，P2表示某某工藝員A可接納的設計任務數N（為其設計載荷減去已有任務數），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，P6是向下一級或其他協同層發送任務數量消息，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是業務員根據自身業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網模型
由于工藝設計管理中需要區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。
通過工藝設計協同系統Petri網建模，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時延等關鍵指標，為滿足MTO制造提供了良好數學分析手段。
4 基于Petri網的工藝設計協同
由于工藝系統的分層模型。并借助Petri網作為流程建模和分析工具，結合PDM與ERP系統集成構造和開發了具有業務協同的軸承產品工藝信息化管理系統。圖4顯示了其中工藝設計過程的系統界面。
圖4 工藝設計過程的系統界面
5 小結
我們針對軸承MTO生產方式，設計了基于業務協同的工藝管理信息化系統框架，并利用Petri網作為系統管理流程的分析工具，實現了工藝管理的協同化，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與PDM和ERP的系統集成。
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本文標題：基于業務協同的軸承制造工藝信息化管理
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