0 前言
轴承生产是典型的设备密集型制造，其对工艺工装以及相关的工艺管理是企业管理中的重点和关键。近年来，随着汽车、冶炼、印刷等行业中越来越多的特种轴承的出现，其工艺设计、工装制造和IT时管理等方面的难度和复杂性都明显增加，不仅需要完成满足产品特殊结构和性能指标的工艺工装设计，还需要针对特种轴承生产模式的特殊性，进行其工艺设计模式的转变和支撑信息系统的设计，使其可以有效将PDM与ERP进行系统集成，从而满足全方位的企业信息管理集成，以适应其从大批量生产向订单驱动型(MTO，Make to Order)的多品种小批量的大规模定制方式转变。
1 基于业务协同的轴承工艺设计分析
轴承生产具有制造工艺路线长、中间质量控制环节多、制造的准备期(Lead Time)较长等特点，特别是结构特殊、功能集成、材料复合的特种轴承，往往由于其产品种类多、需求变化大、单一品种订单小、交货期较短等制约因素，对面向MTO的生产工艺设计和管理提出了新的要求。
第一，工艺工装设计需要将设计与制造进行知识协同，通过销售、设计、生产的并行协同，避免由于业务部门信息固有的不对称性以及流程中信息共享不及时等诸多因素，造成需求分析不足、设计偏差或制造准备期的延宕。
第二，工艺工装的设计必须快速敏捷。借助于轴承产品功能要求、结构特征的相似，其工艺路线相对稳定，模板式工艺和模块化工装是实现快速设计与制造的有效途径。
第三，工艺规划需要有一定的柔性。能提供约束条件下的设计冗余，以便适应生产载荷的实时变化，包括临时订单(RUSH ORDER)、设备故障或增加等情况下快速的工艺变更或调整。
面向MTO轴承制造的工艺系统必须具有开放性、集成性、协同性。
首先，开放性是系统柔性实现的基础，对于制造工艺系统所涉及的产品类型、设备种类、工艺方法以及知识表达等都需要在开放的系统基础上集成，从而实现系统增量式的构建。
其次，集成性是轴承制造工艺系统的协同基础和关键，和PDM的系统集成是提高设计效率的重要系统支撑，是将产品设计PDM转化为可为ERP信息集成的工艺PDM，从而将抽象的产品数据与具象的设备、方法、以及流程集成，如图1所示。
图1 轴承制造工艺信息化管理框架
再次，协同性不仅仅是制造和设计信息的交互与共享，还包括了工艺工装设计与工艺管理等方面的过程协同、IT具协同、组织协同等方面，其协同过程是将不同应用在过程、工具和组织方面的差异性通过信息技术和系统支撑产生动态一致性的结果。
2 面向协同的轴承制造工艺信息系统模型
根据上述轴承MTO制造中工艺管理和系统集成的特殊要求，我们构建了面向协同的工艺信息系统模型。在模型中，采用了SOA系统构建思路，将具体的功能实现及其系统应用进行隔离，从而实现了数据一服务一协同和应用的相对独立，从而又保证了其与PDM、ERP以及其他设计、分析等应用的可封装性、拓展性与系统集成性。
在模型中，涵盖了数据层、服务层和协同层。从信息角度上，模型的三层分别处理数据存储、数据变更、以及数据变更的方式。
第一，数据层是基础，包括了产品设计数据库、产品工艺数据库、产品工装数据库、以及产品检测数据库（含外协件检测数据）。
(1)产品设计数据即是基础PDM（如图2中虚线框所示），包括了产品设计知识库（包括了产品标准、材料性能等）、图纸库、设计模板集、设计BOM、版本管理数据等，其数据可以通过服务层调用进行接口访问获取。
图2 基于业务协同的轴承制造工艺信息系统模型
(2)产品工艺数据库包括了工艺数据案例集、制造资源集（包括设备、工装夹具等）、知识和规则集、工艺模板集，其核心是通过产品特征驱动下的产品综合工艺和规则集。在基于特征驱动的知识和规则集中，按照模板定义的数据要求进行工艺案例调用、特征匹配计算、规则约束的求解等。
(3)检测数据库包括了自制的在制品、成品检测以及外协、外购件的检测，主要由检测知识集，检测数据集、检测资源集（检具、工装、计量与维护的数据）等构成。在检测知识集中包括了检测规程与标准数据、质量案例与改进措施记录等。
第二，服务层。作为系统的中间件，提供数据访问及应用集成的接口，根据协同的需要配置或模块化集成一些用于产品设计、设计分析、数据适配的接口，并建立协同过程中的消息触发与事务驱动的信道，从而为不同用户的进入提供必要的数据通道和统一的可视化界面。
第三，协同层。主要是进行工艺管理的Workflow（应用程序的逻辑时序等）、角色与操作等进行管理，并定义消息触发机制和事务协同策略。协同层并不直接对具体工艺设计及其事务进行操作，而是对通过服务层接人的设计应用对象(CAD、CAPP、CAE、ERP等)进行工作流程管理，对设计协同中的事务驱动和消息触发机制进行定义，包括触发逻辑设计、驱动阈值设定等。
3 基于Petri网的工艺设计协同
由于工艺设计中既存在需求-功能-结构的设计顺序逻辑，同时还具有多人或部门协同的并行驱动、设计任务调度分配的选择关系、以及设计分析验证再循环的流程等，我们采用着色Petri网(Colored Petri Net，简称CPN)作为工艺设计协同的分析模型。
Petri网被认为是适应于未来语用计算机的描述语言，有别于通过控制流而采用了信息流模式进行系统编序或并发等关系的描述，最早是由CralAdam Petri于1962年提出的一种模型。借助其有效的图形化和严格的数学建模优势，Petri网可以直观有效地将工艺设计流程中的串行、并行、选择、循环等路由关系进行科学严谨的定义和表达。Petri网可简单理解为由库所(Place)和变迁(Transition)构造的有向图模型，一般常用下式表达：
PN={P，T，A，Token，MO)；
其中，P代表的库所，是系统的有限状态集；T代表的变迁，是系统变化的有限集，对于具体系统可以作为任务；A是有向弧，也称为流，是状态和变迁之间的有向关系，也是任务的驱动，A∈((P×TU(T×P))；Token代表令牌，是库所中状态可量化的量化值，虽然库所P是依据系统结构固定的，但是中状态量化值Token是可变的，作为量化值也成为有向弧A触发的消息传递机制；MO是系统初始状态。
在一般Petri网中，由于Token采用单一量化值并不足以表达有向弧触发的机制。特别是，面对MTO制造的协同系统要求的管理柔性和时延控制机制方面，需要将Token的语意进一步丰富。着色Petri网是对一般Petri网的拓展，一方面对Token进行着色，以解决其二义性的瓶颈，另一方面构造了有向弧表达式E和守卫函数G以便灵活多样地控制着色Token的路由。因此，着色Petri网(CPN)可以表达为：CPN=(∑，P，T，A，c，G，E，I)，其中，c是着色集，是对Token进行着色计算；G是守卫函数，是控制Token流转的阈值函数；E是有向弧函数，I是初始状态函数。
图3例了一个典型的工艺设计任务分配的Petri网模型。其中，库所Pn的含义分别是：P1表示工艺任务下达，具体设计任务数为n，P2表示某某工艺员A可接纳的设计任务数N（为其设计载荷减去已有任务数），P3是向下一个工艺员派送任务，P4表示匹配过程，P5表示最终传递给任务分配者的任务数，P6是向下一级或其他协同层发送任务数量消息，库所S是在一过程中资源消耗。变迁Tn的含义分别是：T1是工艺设计任务处理，T2是业务员根据自身业务能力确定接单过程，如果该工艺员能全部接下n个工单，则不需要其他工艺员派单，即Anum(n，N)=0，如果不满足则需要向下一个工艺员B派单；T3是下一个工艺员B接单的信息。
图3 Petri网模型
由于工艺设计管理中需要区分或厘清不同难度或设计工作量，以便设计任务载荷的均衡并方便后续绩效管理，同时也为了避免由于工艺设计任务差异性细化造成Petri关联矩阵的复杂性，在上模型中，采用Delphi Method对工艺任务进行着色计算，以a＼b＼e＼…等对其设计任务或设计难度进行着色，图中就包括了难度a的设计任务14项，难度b的设计任务6项以及难度c的任务7项。
通过工艺设计协同系统Petri网建模，不仅可有效分析其流程或结构的合理性，并可针对具体流程计算器系统时延等关键指标，为满足MTO制造提供了良好数学分析手段。
4 基于Petri网的工艺设计协同
由于工艺系统的分层模型。并借助Petri网作为流程建模和分析工具，结合PDM与ERP系统集成构造和开发了具有业务协同的轴承产品工艺信息化管理系统。图4显示了其中工艺设计过程的系统界面。
图4 工艺设计过程的系统界面
5 小结
我们针对轴承MTO生产方式，设计了基于业务协同的工艺管理信息化系统框架，并利用Petri网作为系统管理流程的分析工具，实现了工艺管理的协同化，并融汇贯穿了包括设计、工艺到制造的信息流，从而推动了工艺管理信息化系统与PDM和ERP的系统集成。
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本文标题：基于业务协同的轴承制造工艺信息化管理
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