BOM在數(shù)字化設計制造集成中的應用研究

吳曉鋒 胡思嘉 劉志軍

（西安航空發(fā)動機（集團）有限公司，陜西　西安　710021）

BOM在數(shù)字化設計制造集成中的應用研究

吳曉鋒 胡思嘉 劉志軍

（西安航空發(fā)動機（集團）有限公司，陜西西安710021）

針對BOM定義多樣性導致的航空發(fā)動機設計制造集成度低、數(shù)據(jù)準確性差等問題，分析了BOM的定義、分類及結構模型，研究了航空發(fā)動機研制中常用的設計BOM、工藝BOM、制造BOM及裝配BOM之間的關系，為BOM構建及基于BOM的設計制造集成提供指導，滿足企業(yè)基于PDM、ERP等系統(tǒng)的研發(fā)數(shù)據(jù)高效管理需求。

工業(yè)4.0；工藝BOM；制造BOM；裝配BOM

［DOI編碼］ 10.13237/j.cnki.asq.2016.04.012

航空發(fā)動機作為工業(yè)上的“皇冠”，其研發(fā)制造過程復雜，企業(yè)管理常常需要對產(chǎn)品研發(fā)制造過程中數(shù)據(jù)進行傳遞、查詢、監(jiān)控及統(tǒng)計分析，而這通常需要花費很多的人力和物力。針對企業(yè)效率提升、產(chǎn)品上市周期縮短、產(chǎn)品制造靈活性等方面的挑戰(zhàn)，德國提出了工業(yè)4.0戰(zhàn)略計劃，并強調數(shù)字化設計制造集成是實現(xiàn)工業(yè)4.0的首要關鍵技術。隨著科技的快速發(fā)展，企業(yè)引進了PDM（Product Data Management，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）、ERP（Enterprise Resource Planning，企業(yè)資源計劃）等數(shù)字化管理系統(tǒng)。PDM主要是對產(chǎn)品設計研發(fā)過程涉及的數(shù)據(jù)及流程進行管理，ERP是對產(chǎn)品制造涉及的采購、生產(chǎn)、庫存等資源進行管理。BOM（Bill of Material）數(shù)據(jù)是企業(yè)基于PDM和ERP兩大數(shù)字化系統(tǒng)對產(chǎn)品研發(fā)制造數(shù)據(jù)及流程進行有效管控的基礎［1，2］，是數(shù)字化設計與制造集成的有力保證。

BOM，物料清單主要反映了產(chǎn)品、組件、零件及毛料等之間的結構關系及各組件下零件的數(shù)量，是一種用數(shù)字化方式來描述產(chǎn)品結構的技術文件［2］。不同的企業(yè)管理理念導致BOM定義存在著多樣性，而科學合理地應用BOM是實現(xiàn)高效數(shù)字化設計、制造及管理的核心。本文提出了基于BOM的數(shù)字化設計與制造集成方法，對設計、工藝、制造及裝配業(yè)務中BOM模型的構建及應用進行了研究。

1　BOM構建研究現(xiàn)狀

目前許多專家學者對BOM技術進行了大量研究，并取得了很多成果。程存有［3］等研究了計算機類產(chǎn)品BOM的建立及其在PDM、ERP系統(tǒng)中的應用，袁永建［4］通過分析飛機制造過程中的BOM轉換過程及工藝業(yè)務流程，研究了基于BOM的飛機制造工藝業(yè)務管理系統(tǒng)。賈曉亮［5］等通過分析制造BOM的內涵及結構，研究了基于制造BOM的產(chǎn)品制造過程中工藝數(shù)據(jù)管理方法；王衛(wèi)國［6］等研究了BOM存數(shù)模型，提高了制造BOM的查詢效率。汪洋［7］通過變革組織機構和重構BOM流程的方法，建立了基于并行工程的統(tǒng)一產(chǎn)品BOM模型；雷寧寧［8］等研究了工程機械行業(yè)在PLM （Product Life-cycle Management，產(chǎn)品生命周期管理）與ERP集成環(huán)境下制造BOM與工藝BOM的結合和傳遞方式。屈力剛［9］等針對三維模型在飛機制造中的應用，研究了基于三維裝配模型的BOM重構技術，為飛機數(shù)字化裝配工藝設計奠定了基礎。

雖然目前對BOM構建、維護等方面的研究較多，且取得了一定的成果，但對于航空發(fā)動機BOM構建的研究較少，且航空發(fā)動機零部件繁多，制造工藝及過程復雜，其他行業(yè)的BOM結構模型不能滿足航空發(fā)動機數(shù)字化設計制造的集成管理需求。

2　BOM定義及分類

BOM一般由結構樹、屬性、關聯(lián)信息等3部分組成。BOM通常以結構樹作為最直觀的展現(xiàn)形式，BOM結構的基本構成是物料。

在產(chǎn)品生命周期不同階段中，存在不同結構的BOM，如設計BOM、工藝BOM、制造BOM、裝配BOM、維修BOM［10］，而企業(yè)各管理部門職能的不同又導致存在不同類型的BOM（采購BOM、成本BOM等）［5，6］，其中設計BOM、工藝BOM、制造BOM及裝配BOM是產(chǎn)品設計制造過程中進行工程設計、工藝設計、生產(chǎn)安排、裝配及管理等常見的類型。在產(chǎn)品設計及制造過程中，不同的企業(yè)具有不同的管理模式，各部門針對業(yè)務工作特點而設計、構建和使用不同BOM。常見的BOM定義及類型如下［4，5，7，11-15］。

設計BOM即EBOM（Engineering BOM，工程設計物料清單），是產(chǎn)品工程設計產(chǎn)生的數(shù)據(jù)結構，描述了產(chǎn)品零部件之間的設計關系，通常在產(chǎn)品工程設計管理中使用。

工藝BOM即PBOM（Process BOM），是在EBOM基礎上經(jīng)過裝配結構劃分、工藝結構完善、工藝路線制定而形成的，是進行工藝詳細設計的基礎。也有學者認為PBOM（Process Plan BOM），是工藝工程師根據(jù)工程加工能力在EBOM基礎上設計而來，主要完成自制零部件的裝配及加工工藝。

制造BOM即MBOM（Manufacturing BOM），是經(jīng)過工藝設計、工裝設計、工藝仿真等詳細工藝設計中產(chǎn)生的BOM。有學者認為MBOM是以EBOM為基礎，根據(jù)裝配件及最終產(chǎn)品的制造方法構建的BOM，描述了產(chǎn)品實際的裝配結構和流程。而有些行業(yè)則將工藝BOM包含于制造BOM之中，用于描述產(chǎn)品制造裝配順序，指導制造過程。

裝配BOM即ABOM（Assembly BOM），是裝配車間根據(jù)產(chǎn)品裝配特點和工藝，形成的用于指導裝配過程的物料清單。

采購BOM即BBOM（Buying BOM）或SBOM （Sourcing BOM），是根據(jù)外協(xié)、外購件，以及產(chǎn)品加工所需的原材料等制定的BOM。

成本BOM即CBOM（Cost BOM），根據(jù)自制件、外協(xié)件、采購件，追加設備折舊費、企業(yè)管理等費用之后計算的產(chǎn)品最終成本。

3　航空發(fā)動機BOM構建

3.1設計BOM

設計BOM（EBOM），是描述產(chǎn)品設計結構的物料清單，一般在產(chǎn)品設計過程中產(chǎn)生。我國航空發(fā)動機研制采取的是廠所分離模式，EBOM作為制造企業(yè)BOM數(shù)據(jù)的源頭，具有多樣性的特點。新機種EBOM一般由發(fā)動機設計單位構建設計，且其結構已逐漸完善；而現(xiàn)行制造多數(shù)老機種則沒有EBOM；在修理體系中，大修機種亦沒有EBOM。

為了保證BOM數(shù)據(jù)流在制造企業(yè)數(shù)字化系統(tǒng)中的準確傳遞、應用，制造企業(yè)需要對老機種、大修機種建立EBOM，并應保證其EBOM均能被其他BOM應用或繼承，因此對發(fā)動機EBOM結構模型進行統(tǒng)一構建，如圖1所示。其中“P21-3X34”表示零件P21的有效版本為3版，在P2中的裝配數(shù)量為34。EBOM結構樹應描述發(fā)動機裝配結構關系及零部件裝配數(shù)量，因此，EBOM結構樹種各節(jié)點屬性應包括零件名稱、零件圖號、零件版本、裝配數(shù)量等；作為其他BOM的源頭數(shù)據(jù)，特性分類（關鍵件、重要件）、材料牌號、材料標準等應該包含在EBOM節(jié)點屬性中。與EBOM節(jié)點關聯(lián)的信息則應包括設計模型、設計更改單、技術標準等。

圖1　設計BOM結構模型示意圖

3.2工藝BOM

PDM系統(tǒng)作為航空發(fā)動機行業(yè)統(tǒng)一的設計制造協(xié)同研制平臺，管理著設計制造并行協(xié)同中的所有數(shù)據(jù)及流程。而工藝BOM是基于PDM系統(tǒng)進行工藝詳細設計的基礎，是在PDM中進行工藝管理的主線。復雜的BOM結構、冗余的數(shù)據(jù)極易導致數(shù)據(jù)及其技術狀態(tài)管理的混亂，不利于數(shù)據(jù)的傳遞，PBOM各節(jié)點屬性及其關聯(lián)信息直接影響到工藝數(shù)據(jù)及其狀態(tài)管理的效率和準確度。

航空發(fā)動機制造過程中，由于企業(yè)加工設備、工藝方法等因素，EBOM中零部件的裝配關系可能會改變，同時會因為工藝方案的需要添加工藝件或虛擬件。根據(jù)發(fā)動機工藝設計及管理特點，定義的PBOM結構如圖2所示。其中P11、P12為制造零件P1時產(chǎn)生的工藝件，即由于加工工藝需要既要制造又要儲存的零件，而在EBOM中并未出現(xiàn)；而零件P22、P23、P24在PBOM中成為虛擬部件；由于組件P5為外購件，故不出現(xiàn)在自制件PBOM中。為保證產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)與工藝數(shù)據(jù)技術狀態(tài)的對應，PBOM繼承了EBOM節(jié)點中的型號、零件名稱、零件圖號、零件版本、裝配數(shù)量等信息，同時根據(jù)工藝需要，增加自制與外購類別、主制單位、輔制單位、毛坯類型、毛料單位等屬性信息。為實現(xiàn)基于PBOM的數(shù)字化工藝管理，在PBOM的邏輯結構中應包括結構化的工藝及其更改，而PBOM結構中工藝節(jié)點屬性除了繼承的EBOM節(jié)點的部分屬性外，還應包括工藝類型、工序號、工序名稱及版本、關鍵工序、設備名稱、工裝號及工裝名稱、數(shù)控程序、參數(shù)卡、特殊過程、材料定額、工藝更改類別、工藝更改單編號、貫徹的設計更改單號等。

圖2　工藝BOM結構模型示意圖

圖3　制造BOM結構模型示意圖

3.3制造BOM

發(fā)動機經(jīng)過工程設計、工藝設計之后，進入制造階段。MBOM（Manufacturing BOM）是企業(yè)制造部門、生產(chǎn)管理部門用于組織和管理航空發(fā)動機實際制造過程中所需的物料清單。ERP系統(tǒng)已逐步在航空發(fā)動機制造企業(yè)中得到廣泛應用，而MBOM 是ERP系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)基礎［13］，規(guī)范、準確、標準的BOM數(shù)據(jù)是ERP系統(tǒng)能正常運行的保障，MBOM作為ERP系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)，其準確性直接決定著企業(yè)能否安排合理的計劃來指導企業(yè)生產(chǎn)［16］。因此，MBOM結構的合理性、數(shù)據(jù)的準確性則直接影響ERP管理的效率和質量。

在EBOM和PBOM的基礎上，通過增加物料項或改變物料項的裝配關系，得到MBOM結構，圖3所示為其結構示意圖。與EBOM、PBOM相比，MBOM結構中零組件的裝配關系得到了改變，增加了外購、外供、外委零組件及原材料等物料項。MBOM中零組件節(jié)點關聯(lián)的信息則包括零組件加工工藝路線，節(jié)點屬性除了繼承EBOM、PBOM的部分屬性信息外，還包括原材料編碼、庫存量、采購計劃、詳細的制造資源（工裝、刀具、量具、設備等）、工時定額、材料定額等信息。MBOM可作為航空發(fā)動機制造過程的終極BOM，根據(jù)MBOM結構及其數(shù)據(jù)可衍生得到BBOM、CBOM，從而完成相應物料項的采購及航空發(fā)動機成本的核算。

3.4裝配BOM

各零部件加工完成后，裝配車間根據(jù)裝配BOM、裝配工藝等技術文件將各零組件組裝成最終的航空發(fā)動機產(chǎn)品。

裝配BOM是在工藝BOM的基礎之上，增加外購件、外供件等物理項，并伴隨著產(chǎn)品裝配工藝規(guī)劃、裝配仿真過程而產(chǎn)生。與制造BOM相比，裝配BOM主要是強調了零部件的裝配順序，并根據(jù)裝配工藝需要，調整零組件在BOM結構樹上的位置，裝配BOM結構示意圖如圖4所示。與裝配BOM零組件相關聯(lián)的信息則包括裝配工藝、工序、設備、工裝等內容。裝配BOM構建過程中，通過將零組件向相應工序、工步的指派，為在PDM系統(tǒng)中進行數(shù)字化裝配工藝設計、虛擬裝配仿真提供了基礎數(shù)據(jù)。

圖4　裝配BOM結構模型示意圖

4　結束語

在對BOM的定義及分類進行分析的基礎上，結合航空發(fā)動機研制特點，對企業(yè)管理中主要的設計BOM、工藝BOM、制造BOM及裝配BOM的結構、屬性及關聯(lián)信息等進行了研究，并分別建立了相應的結構模型，保證了設計BOM、工藝BOM、制造BOM和裝配BOM中數(shù)據(jù)的關聯(lián)應用和繼承，為實現(xiàn)航空發(fā)動機數(shù)字化設計制造集成、協(xié)同提供了基礎數(shù)據(jù)，從而保證了PDM、ERP系統(tǒng)中航空發(fā)動機研制數(shù)據(jù)的唯一性、完整性和準確性。各BOM結構模型的應用，可滿足企業(yè)在PDM、ERP等系統(tǒng)中實時查詢、應用、統(tǒng)計所需的管理數(shù)據(jù)，解決傳統(tǒng)手工維護導致的信息不全、準確性差等問題。

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（編輯：雨晴）

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1003-6660（2016）04-0047-05

2016-04-12