基于并行制造執(zhí)行系統(tǒng)的工具管理

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圖1 AMR 的三層企業(yè)集成模型

    一個企業(yè)的制造車間，是物流與信息流的交匯點，企業(yè)的經(jīng)濟效益最終就是在這里被物化出來。隨著市場經(jīng)濟的完善，車間在制造企業(yè)中逐步向分廠制過渡，導致其角色也由傳統(tǒng)的企業(yè)成本中心向利潤中心轉(zhuǎn)化，更強化了車間的作用。因此，位于車間起著執(zhí)行功能的制造執(zhí)行系統(tǒng)MES具有十分重要的作用,它起到了信息集線器（Information Hub）的作用，相當于一個通訊工具為其它應用系統(tǒng)提供生產(chǎn)現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)。車間的實時信息的掌握與反饋是制造執(zhí)行系統(tǒng)對上層計劃系統(tǒng)正常運行的保證，車間的生產(chǎn)管理是制造執(zhí)行系統(tǒng)的根本任務，而對底層控制的支持則是制造執(zhí)行系統(tǒng)的特色。

    并行制造執(zhí)行系統(tǒng)（Concurrent Manufacturing Execution System ——CMES）是在制造執(zhí)行系統(tǒng)中加入并行工程的思想，故稱為“并行制造執(zhí)行系統(tǒng)”。本文以某制造企業(yè)車間的生產(chǎn)管理為背景，對并行制造執(zhí)行系統(tǒng)及其中的工具管理方面做了一些研究和開發(fā)。該車間CMES的開發(fā)，是把并行工程的思想運用于車間管理，通過進一步的子任務劃分和估算及信息預發(fā)布等方法，小串行、大并行的進行產(chǎn)品設計、工藝、物料、工具等資源的準備及生產(chǎn)，從而大大縮短生產(chǎn)準備時間，降低產(chǎn)品成本。因此，首先要對車間原有的工作流程進行重構，使其符合并行化的工作模式。下面我們先來看一下車間原有的工作流程。

    2、車間原有的工作流程

    車間原有的工作流程如圖2所示。生產(chǎn)科接到產(chǎn)品需求信息以后，計劃部門編制生產(chǎn)計劃，技術部門進行工藝準備。工藝文件制定完畢后，進行物料、工具的準備，一切就緒后，車間按照計劃進行生產(chǎn)。

圖 2  加工車間原工作流程

    由此可見，原有的車間管理流程純粹是一種串行的生產(chǎn)方式，生產(chǎn)過程完全按照產(chǎn)品設計、工藝設計、產(chǎn)品制造的先后順序進行。不同的系統(tǒng)之間缺乏有效的聯(lián)系。這使得原有的車間流程存在以下問題：

    ⑴ 在進行工藝設計時，由于不可能知道某一零件的實際投產(chǎn)時間，當然也就不可能根據(jù)實時的車間資源狀況進行合理的工藝設備選擇。此種情況下，一般的做法都是假設車間的資源是可用的、空閑的，這僅僅出于工藝本身的考慮而選擇了最佳的設備，從而形成了工藝設計結果。但是在實際的車間生產(chǎn)過程中，常常會由于資源的種種限制和約束，使得設計好的工藝不能執(zhí)行，或者不能達到最優(yōu)的結果。

    ⑵ 工藝設計的優(yōu)化與車間作業(yè)計劃的優(yōu)化分前后獨立進行，缺乏協(xié)調(diào)，優(yōu)化目標有可能發(fā)生沖突，使得最終二者都無法實現(xiàn)優(yōu)化。

    ⑶ 對由于車間突發(fā)事件，諸如機床故障、工具失效、任務變更等導致的作業(yè)計劃、工藝變更，不能做出快速的有效反應，使生產(chǎn)長時間中斷。

    ⑷ 二者之間存在很大的時間差，即使工藝考慮了車間的狀況。由于生產(chǎn)環(huán)境的動態(tài)特性，也會在實際生產(chǎn)開始時由于資源約束發(fā)生變化而導致工藝失效。

    正是由于存在上述問題，在實際生產(chǎn)過程中經(jīng)常會面對這樣的局面：設計好的工藝無法實施，必須根據(jù)車間的實際情況進行修改；車間生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)某些瓶頸資源，但同時另外一些資源則負荷不足，必須調(diào)整作業(yè)計劃或者修改工藝；對于一些意外的車間故障，不能做出快速有效的反應，車間生產(chǎn)長時間中斷。這些情況極大地影響了生產(chǎn)進度，造成了生產(chǎn)管理的混亂、無序。

    要克服以上這種情況，采用并行化的車間環(huán)境是最好的選擇。這樣可以使得產(chǎn)品在設計階段，就能全面考慮制造過程下游的可制造性、可裝配性，以及質(zhì)量保證等多種因素，減少反復更改設計的工作量。

    3、 并行化的工作模式

    要實現(xiàn)工藝設計和車間生產(chǎn)調(diào)度兩個環(huán)節(jié)高效工作，并行一體化的集成方案是重要的保障。在產(chǎn)品設計的早期階段，若能充分利用產(chǎn)品制造的資源信息，充分考慮產(chǎn)品制造過程中的制造相關性的制造約束，如結構工藝約束、裝配工藝約束、設計資源約束等，這樣就可以通過產(chǎn)品的可制造性評價來提高產(chǎn)品設計的一次成功率。據(jù)此我們可以將車間的工作流程重構，新的流程包括以下幾個部分：工藝分析、生產(chǎn)任務分解、車間資源分析、資源優(yōu)化匹配與調(diào)度、詳細工藝設計與生產(chǎn)控制及監(jiān)督。圖3是新的流程的系統(tǒng)模型。由圖中可見，新的并行化的流程為：

    ⑴ 接收生產(chǎn)任務  包括零件圖號、生產(chǎn)批量、交貨期等信息，準備開始工作。

    ⑵ 對生產(chǎn)任務進行分解  形成短期作業(yè)計劃，并且通知工藝分析模塊和資源分析模塊進行相應的零件工藝分析和可用資源分析，從而形成初步備選工藝計劃和可用資源狀態(tài)信息表。這里的備選工藝計劃是根據(jù)零件的加工特征和生產(chǎn)車間資源形成的，它包括了工序的定位基準、主要加工內(nèi)容、可用的加工方法和相應的機床、刀具、夾具類型等。

    ⑶ 資源優(yōu)化匹配和調(diào)度  根據(jù)工藝分析和資源分析的結果進行綜合平衡，以特定的生產(chǎn)目標，如資源利用率、加工周期等進行資源優(yōu)化匹配，形成調(diào)度結果，把確定的工藝方案及資源分配結果送到下一級模塊進行處理。 

    ⑷ 詳細工藝設計和生產(chǎn)控制   詳細工藝設計模塊接到確定的工藝方案后，結合零件技術要求及所選用的設備等資源情況，確定詳細的工藝參數(shù)，編制NC程序等，把結果送到生產(chǎn)控制及監(jiān)督模塊，進行實際生產(chǎn)控制，并把生產(chǎn)信息及時反饋給以上模塊，進行動態(tài)分析與處理，形成閉環(huán)集成系統(tǒng)。
⑸ 系統(tǒng)在運行過程中的信息交互由集成數(shù)據(jù)庫完成。在不同的決策階段，各模塊隨時查看公共信息，以讀取有用信息，進行各自工作。

    通過這樣并行的工作模式，可以使企業(yè)計劃安排更加合理，資源配置更有效。工具，是車間必不可少的資源之一，工具管理是制造執(zhí)行系統(tǒng)所要研究的內(nèi)容之一，特別是對于機械類生產(chǎn)車間，刀、量、夾具等工具的管理是否科學在很大程度上決定制造執(zhí)行系統(tǒng)的可靠性和生產(chǎn)效率的高低。由此可見，工具管理在整個流程中也有著至關重要的作用，如果一度成為整個流程的“瓶頸”，那么首先上游的工藝由于得不到準確、及時的資源信息反饋，無法制定出符合車間實際情況的工藝文件；而下游的車間生產(chǎn)則由于資源的約束，可能會出現(xiàn)誤工甚至停工的情況，直接影響到企業(yè)的效益。所以，對工具管理而言，應注意與各系統(tǒng)之間的信息交互和對上游任務的決策及早、及時地做出反饋，讓設計階段就能夠充分考慮到車間工具的可利用情況。而這一切就需要工具管理系統(tǒng)能夠預先發(fā)布或反饋車間的工具信息，這樣可使工藝員在編制工藝的時候，能夠了解工具庫存現(xiàn)狀，優(yōu)先考慮現(xiàn)有資源。如果沒有所需要的工具時，可提醒庫存管理員購買，不必等到計劃下達后，執(zhí)行計劃時才發(fā)現(xiàn)沒有某種必要的工具，而造成停工，增加不必要的損失。

    根據(jù)對車間生產(chǎn)實際的分析,我們可以考慮從以下幾個途徑實現(xiàn)工具管理的并行性：

    1. 信息預發(fā)布：

    制造執(zhí)行系統(tǒng)既是一個加工單元，又是一個信息單元。所以可以通過工具管理系統(tǒng)與制造執(zhí)行系統(tǒng)中其它子系統(tǒng)的信息預發(fā)布可以使各個系統(tǒng)之間提前獲取有用信息，從而縮短生產(chǎn)準備時間。
圖4簡單顯示了車間與外部以及車間內(nèi)部各部分之間的工具信息交互。由圖中可以看出，通過訂單的預發(fā)布，可使庫存管理員依據(jù)以往經(jīng)驗大致了解需要準備何種工具；計劃的預發(fā)布及工藝的預發(fā)布，可使庫存管理員精確知道要準備何種工具、準備多少、準備時限；庫存現(xiàn)狀對工藝部門預發(fā)布，可使工藝員在編制工藝的時候，了解庫存現(xiàn)狀，優(yōu)先考慮現(xiàn)有資源；信息的預發(fā)布使在產(chǎn)品設計時就可以開始工具的預準備，進一步縮短了生產(chǎn)準備時間。

 
圖4 工具信息預發(fā)布示意圖

    2．需求預測：
   
    在企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營活動中，預測是做出生產(chǎn)能力、營銷、生產(chǎn)和庫存、人力資源、采購等預算和計劃的基礎。

    一般來講,需求預測有以下幾個基本步驟：

    ⑴ 明確預測目的。預測的目的是什么？何時進行預測？通過明確預測目的，可以確定所需信息資料的詳盡程度、必要資源（人力、機時、費用）的數(shù)量以及預測的精度。

    ⑵ 確定一個預測跨度。必須確定一個預測跨度，同時應清楚當預測跨度增大時，預測的精度將降低。

    ⑶ 選擇預測方法。

    ⑷ 收集并分析相關的數(shù)據(jù)。在開始進行預測之前必須收集并分析數(shù)據(jù)，明確所有的假設前提。在做出預測以及應用預測結果時應能滿足這些前提條件。

    ⑸ 進行預測。

    ⑹ 對預測過程進行監(jiān)控。必須對預測的全過程進行監(jiān)控，以便確定預測是否像預期的那樣進行。如果不是，要重新檢查所用的方法、提出的前提條件以及數(shù)據(jù)的合理性等等；如認為必要，做出適當?shù)恼{(diào)整后再進行預測。

    就預測方法而言，可分為定性和定量兩種類型。定性方法靠判斷、經(jīng)驗以及專家意見來做出相應預測。具體方法包括消費者調(diào)查、營銷人員的估計、經(jīng)理人員的判斷、管理人員和職員的意見等。定量方法靠利用歷史數(shù)據(jù)以及變量之間的聯(lián)系來進行預測。定量方法有很多，如滑動平均法、指數(shù)平移法、線性回歸預測法等。各個企業(yè)可根據(jù)自身的特點選擇合適的預測方法。在選擇預測方法時，必須確保所選擇的、用于特定目的的預測方法的成本和精度可被接受。

    就工具管理系統(tǒng)而言，可以根據(jù)歷年工具的使用情況，使用合適的預測方法進行預測。需要注意的是，工具管理與整個企業(yè)的生產(chǎn)預測是息息相關的?？梢詤⒖籍a(chǎn)品的需求預測，來估計預測出工具資源的需求情況，并提前進行準備。

    3. 數(shù)據(jù)的預統(tǒng)計分析：

    工具管理系統(tǒng)可以根據(jù)工具的歷史記錄數(shù)據(jù)，按照某種概率統(tǒng)計出一些具有價值的特征信息來，比如在加工什么零件時，某種工具的使用率最高；一把刀具在一定的切削環(huán)境下，一般的刀具壽命是多少等；以及可以對不同廠家的刀具做一個性能比較，以選其優(yōu)。這樣可以使庫存管理員對庫存工具情況做到心中有數(shù)，可以提前或及時地做出準備。

    4. 資源的選擇約束：

    工具管理系統(tǒng)可以預先反饋一份工具的清單供工藝人員在編制工藝時參考，這樣工藝員可以優(yōu)先考慮現(xiàn)有的工具。即使暫時由于各種客觀原因得不到所需的工具，可以考慮用工具清單中其他可用的工具來替代。這樣使得在工藝準備的同時，能夠提前解決資源的約束問題，而不至于在制造階段出現(xiàn)問題時再解決，耽誤了車間的生產(chǎn)。

    4、小結

    文中針對車間實際情況，對并行制造執(zhí)行系統(tǒng)進行了一些研究，并且針對工具管理與設計、制造的并行性，提出了一些實施策略，解決了工具管理的快速準備的問題。我們在分析研究的基礎上，設計開發(fā)了相應的軟件系統(tǒng)，目前該系統(tǒng)已投入運行。

    來源Z：CAD世界網(wǎng)