面向無(wú)人機(jī)系列的BOM構(gòu)建技術(shù)研究

常芬芬,黃俊曦,郭興勇

航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司

1 引言

目前,航空制造企業(yè)面臨有人戰(zhàn)斗機(jī)向無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)轉(zhuǎn)變、工業(yè)經(jīng)濟(jì)向數(shù)字經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變等變化,并將目光聚焦于無(wú)人機(jī)產(chǎn)品的研制,為了提升競(jìng)爭(zhēng)力,通過建立快速研制的無(wú)人機(jī)制造體系推進(jìn)無(wú)人機(jī)產(chǎn)品系列化發(fā)展。無(wú)人機(jī)系列化研制可實(shí)現(xiàn)多品種、多用途的無(wú)人機(jī)產(chǎn)品同步研發(fā),滿足顧客多樣化需求,實(shí)現(xiàn)企業(yè)基于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)開發(fā)靶機(jī)、圖偵、察打等無(wú)人機(jī)系列產(chǎn)品的快速研制目標(biāo)。

航空制造企業(yè)目前的BOM構(gòu)建技術(shù)多基于有人戰(zhàn)斗機(jī),流程復(fù)雜,構(gòu)建周期長(zhǎng),消耗數(shù)據(jù)多,設(shè)計(jì)更改響應(yīng)不及時(shí)。BOM構(gòu)建作為連接設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與生產(chǎn)資源的橋梁,有必要依托無(wú)人機(jī)系列化研制需求,對(duì)企業(yè)BOM構(gòu)建技術(shù)進(jìn)行深入研究,構(gòu)建BOM融合管理體系,豐富BOM知識(shí)管理,實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)系列發(fā)展目標(biāo)下BOM構(gòu)建效率及消耗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率的提升,為企業(yè)向無(wú)人機(jī)加速轉(zhuǎn)變、向數(shù)字經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型夯實(shí)基礎(chǔ)。

2 航空制造企業(yè)BOM構(gòu)建管理現(xiàn)狀

BOM作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過程的重要集成數(shù)據(jù),是航空制造企業(yè)飛機(jī)研制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1],其數(shù)據(jù)的合理性直接影響企業(yè)的主價(jià)值鏈實(shí)現(xiàn)以及企業(yè)的運(yùn)行效率。

2.1 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

波音公司通過飛機(jī)構(gòu)型定義、控制以及制造資源管理DCAC/MRM等項(xiàng)目,實(shí)現(xiàn)了對(duì)原有技術(shù)和生產(chǎn)管理體系結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)化、現(xiàn)代化和柔性化改造,即基于單源產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)精簡(jiǎn)作業(yè)流、簡(jiǎn)化構(gòu)型管理、單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源并改進(jìn)物料管理[2],進(jìn)一步規(guī)范了PLM/PDM中BOM的定義和應(yīng)用,最終將原來(lái)的14個(gè)BOM統(tǒng)一成1個(gè)BOM構(gòu)建管理[3],實(shí)現(xiàn)整個(gè)飛機(jī)構(gòu)型工作的高效管理。

國(guó)內(nèi)航空制造企業(yè)當(dāng)前的BOM構(gòu)建模式主要為EBOM—PBOM—MBOM逐步構(gòu)建的工作過程[4]。在PBOM構(gòu)建時(shí)添加工藝流程、工藝定額等信息,在MBOM構(gòu)建時(shí)添加工藝輔料、原材料、耗材等數(shù)據(jù),整個(gè)流程需要跨部門和專業(yè)工藝人員協(xié)作完成,存在兩級(jí)管理之間協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜、數(shù)據(jù)構(gòu)建機(jī)制不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)更改頻繁、技術(shù)狀態(tài)復(fù)雜、維護(hù)工作量大、構(gòu)建周期長(zhǎng)等問題。

2.2 構(gòu)建過程

航空制造企業(yè)在飛機(jī)研制過程中,產(chǎn)品的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)由EBOM向PBOM、MBOM傳遞,逐步增加零組件工藝路線、材料定額、生產(chǎn)計(jì)劃等工藝、制造數(shù)據(jù),完成產(chǎn)品的工藝流程規(guī)劃設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)BOM的構(gòu)建與管理,如圖1所示。

圖1 BOM構(gòu)建與管理

BOM在企業(yè)PDM系統(tǒng)中以樹狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)展開存儲(chǔ),具有父子關(guān)系和清晰的上下層級(jí)關(guān)系。EBOM是產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息源,包含設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、零組件組成關(guān)系以及產(chǎn)品屬性和零件間設(shè)計(jì)關(guān)系[5]。PBOM對(duì)EBOM進(jìn)行初步工藝路線設(shè)計(jì),包含EBOM的部分屬性信息,主要是產(chǎn)品零組件制造的工藝路線與交付順序的工藝設(shè)計(jì)。MBOM廣泛用于生產(chǎn)計(jì)劃、工藝流程設(shè)計(jì)、物料供應(yīng)、設(shè)計(jì)更改發(fā)布、工時(shí)定額、材料定額、產(chǎn)品成本管理等生產(chǎn)一線的各個(gè)方面,以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造過程的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)共享。

MBOM作為飛機(jī)研制過程的制造物料清單,包含產(chǎn)品全部的零組件、裝配、標(biāo)準(zhǔn)件、耗材等信息,反映零組件之間的工藝裝配關(guān)系和配套資源交付順序等信息。如圖2所示,MBOM可分為上下兩層結(jié)構(gòu),上層結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步細(xì)分為段位、工位和AO三層,表達(dá)了組件裝配順序與流程,下層結(jié)構(gòu)包含零組件制造裝配所需的物料和資源。

圖2 MBOM的結(jié)構(gòu)

2.3 面臨難點(diǎn)

隨著MBD技術(shù)在航空制造行業(yè)得到成熟應(yīng)用,三維實(shí)體模型可以完整表達(dá)出產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造信息,已成為當(dāng)前新一代飛機(jī)研制的重要設(shè)計(jì)依據(jù)[6]。隨著無(wú)人機(jī)成為與新一代有人戰(zhàn)斗機(jī)協(xié)同發(fā)展的新型航空產(chǎn)品,航空制造企業(yè)提出了無(wú)人機(jī)系列化發(fā)展和快速研制的總體方案,在研制過程中充分應(yīng)用MBD技術(shù),對(duì)制造數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的依存性和關(guān)聯(lián)性提出了新要求[7]。

在以往飛機(jī)研制以二維圖紙作為唯一設(shè)計(jì)依據(jù)時(shí),工藝人員需解讀二維設(shè)計(jì)圖紙,依據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷工藝路線分工,規(guī)劃零組件的工藝流程,構(gòu)建PBOM、MBOM數(shù)據(jù)。BOM構(gòu)建過程對(duì)工藝人員的技能水平要求高,需開展多層次數(shù)據(jù)映射轉(zhuǎn)換,工作量大,數(shù)據(jù)不連續(xù),維護(hù)性較差,敏捷性不足,嚴(yán)重制約著企業(yè)的無(wú)人機(jī)系列化發(fā)展。

3 無(wú)人機(jī)系列發(fā)展對(duì)BOM構(gòu)建的需求變化

3.1 無(wú)人機(jī)系列發(fā)展需求

航空制造企業(yè)在面對(duì)無(wú)人機(jī)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)時(shí),為了快速提升企業(yè)無(wú)人機(jī)研發(fā)能力,向潛在用戶展示企業(yè)產(chǎn)品性能,構(gòu)建了無(wú)人機(jī)系列發(fā)展的快速研制體系,研發(fā)了多用途無(wú)人機(jī)系統(tǒng)平臺(tái),在深入了解潛在用戶需求的過程中,快速迭代無(wú)人機(jī)系列設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

無(wú)人機(jī)系列發(fā)展具有短平快的設(shè)計(jì)發(fā)圖周期、少架次甚至單架次試制等特點(diǎn),在BOM構(gòu)建上表現(xiàn)為數(shù)據(jù)周期短及更改頻繁,且工藝流程規(guī)劃不同于軍機(jī)或民機(jī)規(guī)則。為了適應(yīng)無(wú)人機(jī)系列發(fā)展需求,需要優(yōu)化BOM構(gòu)建流程,減少中間環(huán)節(jié),提高BOM構(gòu)建效率,使BOM構(gòu)建與管理過程具備快速響應(yīng)能力。

3.2 靶機(jī)研制需求

隨著F-35、Su-57等具備低可偵測(cè)性、超機(jī)動(dòng)性、超音速巡航等特點(diǎn)的第五代戰(zhàn)斗機(jī)研發(fā)和列裝,對(duì)防空武器系統(tǒng)和空空作戰(zhàn)系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)性能和作戰(zhàn)指標(biāo)提出了更高、更全面的挑戰(zhàn)。防空武器系統(tǒng)和空空作戰(zhàn)系統(tǒng)必須進(jìn)行貼近實(shí)戰(zhàn)的實(shí)彈打擊試驗(yàn),以獲得充足的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐研發(fā)和驗(yàn)證戰(zhàn)斗力[8]。因此,發(fā)展用于模擬先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的靶機(jī)成為當(dāng)前航空制造企業(yè)的首選。

由于新型靶機(jī)需要滿足隱身、超聲速巡航、超機(jī)動(dòng)能力、結(jié)構(gòu)輕量化等方面性能的要求,大量采用新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)和新材料,導(dǎo)致其研制成本居高不下[9]。企業(yè)通過開發(fā)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)平臺(tái),裝載不同功能載荷實(shí)現(xiàn)多個(gè)衍生型號(hào)的靶機(jī)同步研制,可有效降低多型靶機(jī)研制成本。正因?yàn)槿绱?靶機(jī)研制過程具有設(shè)計(jì)狀態(tài)更改頻繁、有效性架次信息復(fù)雜多變、研制周期短等特點(diǎn),對(duì)BOM構(gòu)建提出了較高要求:一是適應(yīng)無(wú)人機(jī)系列發(fā)展需求,構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化BOM數(shù)據(jù);二是降低工藝成本,保持工藝人員規(guī)模不變前提下提高BOM構(gòu)建效率;三是適應(yīng)靶機(jī)快速研制體系需求,提高BOM構(gòu)建敏捷能力。

4 面向無(wú)人機(jī)系列發(fā)展的BOM構(gòu)建技術(shù)研究

通過研究以EBOM數(shù)據(jù)為底層數(shù)據(jù)的單一數(shù)據(jù)源BOM構(gòu)建技術(shù),將PBOM融入MBOM構(gòu)建過程,優(yōu)化工藝流程,基于知識(shí)圖譜建設(shè)MBOM視圖化結(jié)構(gòu),基于單一數(shù)據(jù)源實(shí)現(xiàn)MBOM精準(zhǔn)構(gòu)建。

4.1 BOM構(gòu)建融合管理

4.1.1 建立融合模型

梳理無(wú)人機(jī)系統(tǒng)研發(fā)過程的BOM構(gòu)建流程,基于快速研制體系精簡(jiǎn)流程并優(yōu)化作業(yè)順序,以融合PBOM的MBOM構(gòu)建為核心,將原PBOM的功能性數(shù)據(jù)(如工藝路線、工藝組合件等信息)并入MBOM一級(jí)消耗數(shù)據(jù)的管理范疇,建立PBOM與MBOM融合管理模型,如圖3所示。

圖3 PBOM與MBOM融合模型

通過統(tǒng)一EBOM與MBOM底層數(shù)據(jù),融合PBOM數(shù)據(jù),以單一數(shù)據(jù)源構(gòu)建MBOM融合模型,建立MBOM結(jié)構(gòu)層級(jí)與工藝時(shí)序關(guān)系,實(shí)現(xiàn)EBOM直接向MBOM視圖映射轉(zhuǎn)換,有效縮短MBOM構(gòu)建周期,提高M(jìn)BOM消耗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率,統(tǒng)籌業(yè)務(wù)域組織生產(chǎn)資料,提高BOM構(gòu)建敏捷能力。

4.1.2 工藝流程優(yōu)化

在快速研制無(wú)人機(jī)系統(tǒng)時(shí),設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)更改頻繁對(duì)MBOM的構(gòu)建效率及準(zhǔn)確性造成較大沖擊,通過引入MCO結(jié)構(gòu)化MBOM變更內(nèi)容,承接設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)更改,響應(yīng)工藝調(diào)整和指導(dǎo)生產(chǎn)執(zhí)行,優(yōu)化工藝流程,結(jié)構(gòu)化管理工藝路線分工,實(shí)現(xiàn)一二級(jí)協(xié)同更改。

如圖4所示,設(shè)計(jì)更改導(dǎo)致的一、二級(jí)工藝路線分工調(diào)整可在同一業(yè)務(wù)流程中完成,只需產(chǎn)生一份統(tǒng)一的更改單(MCO),設(shè)計(jì)更改貫通了工藝數(shù)據(jù)和制造資源數(shù)據(jù),使零組件的工藝組合、工藝路線分工、MBOM一級(jí)結(jié)構(gòu)、MBOM數(shù)據(jù)消耗等多項(xiàng)業(yè)務(wù)過程在同一更改流程中完成,支撐了BOM構(gòu)建的全生命周期管理。

圖4 MBOM工藝更改流程

4.1.3 數(shù)據(jù)消耗管理

如圖5所示,通過建立MBOM單一數(shù)據(jù)模型,將EBOM的零組件裝配信息視圖映射轉(zhuǎn)換到MBOM中,形成一級(jí)消耗數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上構(gòu)建二級(jí)消耗數(shù)據(jù),將部件分配至AO。

圖5 數(shù)據(jù)消耗方式

在構(gòu)建MBOM一級(jí)消耗數(shù)據(jù)時(shí),依據(jù)消耗規(guī)則將裝配物料消耗分配在MBOM產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上,把零件消耗和組件消耗展開至最下層,確保所有物料均保持在MBOM產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上,也可利用三維輕量化模型技術(shù)實(shí)現(xiàn)MBOM的可視化消耗式分配,統(tǒng)籌業(yè)務(wù)域組織生產(chǎn)資料。

4.1.4 工藝時(shí)序管理

隨著MBOM構(gòu)建節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)類型增多,由工藝過程、零組件、材料、標(biāo)準(zhǔn)件、制造資源等組成MBOM的數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò),主要包含工藝規(guī)劃數(shù)據(jù)和生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)。原有的樹狀結(jié)構(gòu)形式已無(wú)法滿足MBOM復(fù)雜的管理需求,通過創(chuàng)新MBOM網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浠芾砟Ｊ?實(shí)現(xiàn)MBOM的工藝路線時(shí)序管理,提供更加高效可視的面向制造的二叉樹視圖,如圖6所示。通過詳細(xì)定義工藝過程上層結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn),包括部件、段位、工位和AO等裝配順序,使其具有前驅(qū)后置的關(guān)系,并定義裝配周期、架次有效性等信息。

圖6 二叉樹視圖

通過MBOM構(gòu)建工藝路線時(shí)序管理,將上層節(jié)點(diǎn)間的從屬關(guān)系與時(shí)序關(guān)系分離,以樹狀結(jié)構(gòu)和時(shí)序圖展示MBOM的父子層次結(jié)構(gòu)及工藝時(shí)序關(guān)系,實(shí)現(xiàn)多級(jí)消耗過程的可視化管理,提高M(jìn)BOM構(gòu)建與維護(hù)效率。

4.2 BOM構(gòu)建知識(shí)管理

通過工藝流程規(guī)劃與構(gòu)型控制專業(yè)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)業(yè)務(wù)部門和專業(yè)廠的分工原則、零組件制造的工藝路線、設(shè)計(jì)資料及顧客工程類資料的分發(fā),以及PBOM、MBOM的編制、審批、發(fā)放、更改等流程進(jìn)行規(guī)范管理。

歸納以往有人機(jī)的工藝流程規(guī)劃經(jīng)驗(yàn),提煉形成業(yè)務(wù)部門和專業(yè)廠承接的工藝路線數(shù)據(jù),建立工藝分工原則數(shù)據(jù)庫(kù),如表1所示,指導(dǎo)工藝人員在識(shí)別設(shè)計(jì)三維實(shí)體模型后快速做出工藝分工決策,提高BOM構(gòu)建準(zhǔn)確性和效率。

表1 工藝分工原則示例

在BOM構(gòu)建過程應(yīng)用知識(shí)圖譜,結(jié)合知識(shí)提取、知識(shí)圖譜結(jié)構(gòu)搭建、知識(shí)沉淀融合等方法,形成BOM構(gòu)建知識(shí)在基本模式層和拓展模式層的融合互通,強(qiáng)化知識(shí)圖譜的完整性和準(zhǔn)確性,建設(shè)MBOM視圖化結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)BOM構(gòu)建過程以設(shè)計(jì)更改發(fā)布為輸入,依據(jù)無(wú)人機(jī)各型工藝總方案、標(biāo)準(zhǔn)采購(gòu)清單等知識(shí)要素,完成零組件的工藝組合及工藝路線分工,最終輸出MCO更改單。

5 結(jié)語(yǔ)

本文開展了面向無(wú)人機(jī)系列的BOM構(gòu)建技術(shù)研究,提出BOM融合管理的技術(shù)方法,構(gòu)建了工藝流程規(guī)劃知識(shí)體系及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,確保無(wú)人機(jī)產(chǎn)品制造數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的一致性,以及無(wú)人機(jī)單架次研制的技術(shù)狀態(tài)正確性,實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)產(chǎn)品以架次為基礎(chǔ)的技術(shù)狀態(tài)精細(xì)化控制;同時(shí)完成了PBOM與MBOM的融合構(gòu)建,優(yōu)化MBOM上層結(jié)構(gòu),重新界定各流程節(jié)點(diǎn)的交付要求與時(shí)序關(guān)系,進(jìn)一步強(qiáng)化了企業(yè)對(duì)無(wú)人機(jī)產(chǎn)品的研制能力。

通過在新研無(wú)人機(jī)產(chǎn)品上應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù),實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品BOM構(gòu)建效率提升,MBOM一級(jí)消耗數(shù)據(jù)平均構(gòu)建周期由原來(lái)的12天縮短至3天,消耗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率由原來(lái)的89.5%提升至98.7%,實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)產(chǎn)品BOM構(gòu)建效率提升及消耗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率提升,有利于企業(yè)無(wú)人機(jī)系列發(fā)展戰(zhàn)略落地,為企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型夯實(shí)基礎(chǔ)。