BOM在數(shù)字化設(shè)計(jì)制造集成中的應(yīng)用研究

吳曉鋒 胡思嘉 劉志軍

（西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司，陜西　西安　710021）

BOM在數(shù)字化設(shè)計(jì)制造集成中的應(yīng)用研究

吳曉鋒 胡思嘉 劉志軍

（西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司，陜西西安710021）

針對(duì)BOM定義多樣性導(dǎo)致的航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造集成度低、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差等問題，分析了BOM的定義、分類及結(jié)構(gòu)模型，研究了航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中常用的設(shè)計(jì)BOM、工藝BOM、制造BOM及裝配BOM之間的關(guān)系，為BOM構(gòu)建及基于BOM的設(shè)計(jì)制造集成提供指導(dǎo)，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(dòng)機(jī)作為工業(yè)上的“皇冠”，其研發(fā)制造過程復(fù)雜，企業(yè)管理常常需要對(duì)產(chǎn)品研發(fā)制造過程中數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞、查詢、監(jiān)控及統(tǒng)計(jì)分析，而這通常需要花費(fèi)很多的人力和物力。針對(duì)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(jì)劃，并強(qiáng)調(diào)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造集成是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的首要關(guān)鍵技術(shù)。隨著科技的快速發(fā)展，企業(yè)引進(jìn)了PDM（Product Data Management，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）、ERP（Enterprise Resource Planning，企業(yè)資源計(jì)劃）等數(shù)字化管理系統(tǒng)。PDM主要是對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)過程涉及的數(shù)據(jù)及流程進(jìn)行管理，ERP是對(duì)產(chǎn)品制造涉及的采購、生產(chǎn)、庫存等資源進(jìn)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(duì)產(chǎn)品研發(fā)制造數(shù)據(jù)及流程進(jìn)行有效管控的基礎(chǔ)［1，2］，是數(shù)字化設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)關(guān)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(jié)構(gòu)的技術(shù)文件［2］。不同的企業(yè)管理理念導(dǎo)致BOM定義存在著多樣性，而科學(xué)合理地應(yīng)用BOM是實(shí)現(xiàn)高效數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造及管理的核心。本文提出了基于BOM的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造集成方法，對(duì)設(shè)計(jì)、工藝、制造及裝配業(yè)務(wù)中BOM模型的構(gòu)建及應(yīng)用進(jìn)行了研究。

1　BOM構(gòu)建研究現(xiàn)狀

目前許多專家學(xué)者對(duì)BOM技術(shù)進(jìn)行了大量研究，并取得了很多成果。程存有［3］等研究了計(jì)算機(jī)類產(chǎn)品BOM的建立及其在PDM、ERP系統(tǒng)中的應(yīng)用，袁永建［4］通過分析飛機(jī)制造過程中的BOM轉(zhuǎn)換過程及工藝業(yè)務(wù)流程，研究了基于BOM的飛機(jī)制造工藝業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)。賈曉亮［5］等通過分析制造BOM的內(nèi)涵及結(jié)構(gòu)，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(jī)構(gòu)和重構(gòu)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(jī)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(jié)合和傳遞方式。屈力剛［9］等針對(duì)三維模型在飛機(jī)制造中的應(yīng)用，研究了基于三維裝配模型的BOM重構(gòu)技術(shù)，為飛機(jī)數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

雖然目前對(duì)BOM構(gòu)建、維護(hù)等方面的研究較多，且取得了一定的成果，但對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)BOM構(gòu)建的研究較少，且航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件繁多，制造工藝及過程復(fù)雜，其他行業(yè)的BOM結(jié)構(gòu)模型不能滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造的集成管理需求。

2　BOM定義及分類

BOM一般由結(jié)構(gòu)樹、屬性、關(guān)聯(lián)信息等3部分組成。BOM通常以結(jié)構(gòu)樹作為最直觀的展現(xiàn)形式，BOM結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成是物料。

在產(chǎn)品生命周期不同階段中，存在不同結(jié)構(gòu)的BOM，如設(shè)計(jì)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(dǎo)致存在不同類型的BOM（采購BOM、成本BOM等）［5，6］，其中設(shè)計(jì)BOM、工藝BOM、制造BOM及裝配BOM是產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過程中進(jìn)行工程設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)安排、裝配及管理等常見的類型。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(duì)業(yè)務(wù)工作特點(diǎn)而設(shè)計(jì)、構(gòu)建和使用不同BOM。常見的BOM定義及類型如下［4，5，7，11-15］。

設(shè)計(jì)BOM即EBOM（Engineering BOM，工程設(shè)計(jì)物料清單），是產(chǎn)品工程設(shè)計(jì)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，描述了產(chǎn)品零部件之間的設(shè)計(jì)關(guān)系，通常在產(chǎn)品工程設(shè)計(jì)管理中使用。

工藝BOM即PBOM（Process BOM），是在EBOM基礎(chǔ)上經(jīng)過裝配結(jié)構(gòu)劃分、工藝結(jié)構(gòu)完善、工藝路線制定而形成的，是進(jìn)行工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。也有學(xué)者認(rèn)為PBOM（Process Plan BOM），是工藝工程師根據(jù)工程加工能力在EBOM基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、工藝仿真等詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的BOM。有學(xué)者認(rèn)為MBOM是以EBOM為基礎(chǔ)，根據(jù)裝配件及最終產(chǎn)品的制造方法構(gòu)建的BOM，描述了產(chǎn)品實(shí)際的裝配結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(diǎn)和工藝，形成的用于指導(dǎo)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(shè)備折舊費(fèi)、企業(yè)管理等費(fèi)用之后計(jì)算的產(chǎn)品最終成本。

3　航空發(fā)動(dòng)機(jī)BOM構(gòu)建

3.1設(shè)計(jì)BOM

設(shè)計(jì)BOM（EBOM），是描述產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的物料清單，一般在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生。我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)。新機(jī)種EBOM一般由發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)單位構(gòu)建設(shè)計(jì)，且其結(jié)構(gòu)已逐漸完善；而現(xiàn)行制造多數(shù)老機(jī)種則沒有EBOM；在修理體系中，大修機(jī)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(zhǔn)確傳遞、應(yīng)用，制造企業(yè)需要對(duì)老機(jī)種、大修機(jī)種建立EBOM，并應(yīng)保證其EBOM均能被其他BOM應(yīng)用或繼承，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)EBOM結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行統(tǒng)一構(gòu)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(jié)構(gòu)樹應(yīng)描述發(fā)動(dòng)機(jī)裝配結(jié)構(gòu)關(guān)系及零部件裝配數(shù)量，因此，EBOM結(jié)構(gòu)樹種各節(jié)點(diǎn)屬性應(yīng)包括零件名稱、零件圖號(hào)、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(guān)鍵件、重要件）、材料牌號(hào)、材料標(biāo)準(zhǔn)等應(yīng)該包含在EBOM節(jié)點(diǎn)屬性中。與EBOM節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的信息則應(yīng)包括設(shè)計(jì)模型、設(shè)計(jì)更改單、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等。

圖1　設(shè)計(jì)BOM結(jié)構(gòu)模型示意圖

3.2工藝BOM

PDM系統(tǒng)作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)制造協(xié)同研制平臺(tái)，管理著設(shè)計(jì)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(jìn)行工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是在PDM中進(jìn)行工藝管理的主線。復(fù)雜的BOM結(jié)構(gòu)、冗余的數(shù)據(jù)極易導(dǎo)致數(shù)據(jù)及其技術(shù)狀態(tài)管理的混亂，不利于數(shù)據(jù)的傳遞，PBOM各節(jié)點(diǎn)屬性及其關(guān)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(zhǔn)確度。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造過程中，由于企業(yè)加工設(shè)備、工藝方法等因素，EBOM中零部件的裝配關(guān)系可能會(huì)改變，同時(shí)會(huì)因?yàn)楣に嚪桨傅男枰砑庸に嚰蛱摂M件。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工藝設(shè)計(jì)及管理特點(diǎn)，定義的PBOM結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中P11、P12為制造零件P1時(shí)產(chǎn)生的工藝件，即由于加工工藝需要既要制造又要儲(chǔ)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(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與工藝數(shù)據(jù)技術(shù)狀態(tài)的對(duì)應(yīng)，PBOM繼承了EBOM節(jié)點(diǎn)中的型號(hào)、零件名稱、零件圖號(hào)、零件版本、裝配數(shù)量等信息，同時(shí)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(shí)現(xiàn)基于PBOM的數(shù)字化工藝管理，在PBOM的邏輯結(jié)構(gòu)中應(yīng)包括結(jié)構(gòu)化的工藝及其更改，而PBOM結(jié)構(gòu)中工藝節(jié)點(diǎn)屬性除了繼承的EBOM節(jié)點(diǎn)的部分屬性外，還應(yīng)包括工藝類型、工序號(hào)、工序名稱及版本、關(guān)鍵工序、設(shè)備名稱、工裝號(hào)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(hào)、貫徹的設(shè)計(jì)更改單號(hào)等。

圖2　工藝BOM結(jié)構(gòu)模型示意圖

圖3　制造BOM結(jié)構(gòu)模型示意圖

3.3制造BOM

發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過工程設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)之后，進(jìn)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(dòng)機(jī)實(shí)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(dòng)機(jī)制造企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，而MBOM 是ERP系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)［13］，規(guī)范、準(zhǔn)確、標(biāo)準(zhǔn)的BOM數(shù)據(jù)是ERP系統(tǒng)能正常運(yùn)行的保障，MBOM作為ERP系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)，其準(zhǔn)確性直接決定著企業(yè)能否安排合理的計(jì)劃來指導(dǎo)企業(yè)生產(chǎn)［16］。因此，MBOM結(jié)構(gòu)的合理性、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性則直接影響ERP管理的效率和質(zhì)量。

在EBOM和PBOM的基礎(chǔ)上，通過增加物料項(xiàng)或改變物料項(xiàng)的裝配關(guān)系，得到MBOM結(jié)構(gòu)，圖3所示為其結(jié)構(gòu)示意圖。與EBOM、PBOM相比，MBOM結(jié)構(gòu)中零組件的裝配關(guān)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(xiàng)。MBOM中零組件節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的信息則包括零組件加工工藝路線，節(jié)點(diǎn)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(jì)劃、詳細(xì)的制造資源（工裝、刀具、量具、設(shè)備等）、工時(shí)定額、材料定額等信息。MBOM可作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造過程的終極BOM，根據(jù)MBOM結(jié)構(gòu)及其數(shù)據(jù)可衍生得到BBOM、CBOM，從而完成相應(yīng)物料項(xiàng)的采購及航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(shù)文件將各零組件組裝成最終的航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品。

裝配BOM是在工藝BOM的基礎(chǔ)之上，增加外購件、外供件等物理項(xiàng)，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(qiáng)調(diào)了零部件的裝配順序，并根據(jù)裝配工藝需要，調(diào)整零組件在BOM結(jié)構(gòu)樹上的位置，裝配BOM結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。與裝配BOM零組件相關(guān)聯(lián)的信息則包括裝配工藝、工序、設(shè)備、工裝等內(nèi)容。裝配BOM構(gòu)建過程中，通過將零組件向相應(yīng)工序、工步的指派，為在PDM系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)、虛擬裝配仿真提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖4　裝配BOM結(jié)構(gòu)模型示意圖

4　結(jié)束語

在對(duì)BOM的定義及分類進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制特點(diǎn)，對(duì)企業(yè)管理中主要的設(shè)計(jì)BOM、工藝BOM、制造BOM及裝配BOM的結(jié)構(gòu)、屬性及關(guān)聯(lián)信息等進(jìn)行了研究，并分別建立了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型，保證了設(shè)計(jì)BOM、工藝BOM、制造BOM和裝配BOM中數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)應(yīng)用和繼承，為實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造集成、協(xié)同提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而保證了PDM、ERP系統(tǒng)中航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制數(shù)據(jù)的唯一性、完整性和準(zhǔn)確性。各BOM結(jié)構(gòu)模型的應(yīng)用，可滿足企業(yè)在PDM、ERP等系統(tǒng)中實(shí)時(shí)查詢、應(yīng)用、統(tǒng)計(jì)所需的管理數(shù)據(jù)，解決傳統(tǒng)手工維護(hù)導(dǎo)致的信息不全、準(zhǔn)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