基于BOM的設(shè)計制造一體化研究與實踐

對于航空制造企業(yè)而言，其產(chǎn)品研制生產(chǎn)過程由多領(lǐng)域人員協(xié)同工作完成，需要銜接產(chǎn)品的研發(fā)與生產(chǎn)過程，防止產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、項目計劃、生產(chǎn)制造等環(huán)節(jié)的脫節(jié)。因此，如何貫通產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)制造過程，實現(xiàn)設(shè)計到制造各環(huán)節(jié)之間的數(shù)據(jù)資源共享集成，成為航空制造企業(yè)急需解決的問題。                  

隨著自動化技術(shù)、信息技術(shù)的飛速發(fā)展，以及與航空制造業(yè)的深入融合，航空企業(yè)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平不斷提升^[1] 。數(shù)字化、信息化能力已經(jīng)成為航空企業(yè)的核心競爭力，在航空企業(yè)發(fā)展規(guī)劃中占據(jù)重要地位。航空產(chǎn)品研制是一項涉及多學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)工程，隨著研制任務(wù)的不斷增加以及航空技術(shù)的快速發(fā)展，航空產(chǎn)品復(fù)雜程度越來越高、研制周期越來越短、質(zhì)量要求也越來越高^[2] 。面對國家戰(zhàn)略布局以及激烈的市場競爭環(huán)境，為快速響應(yīng)研制任務(wù)、縮短產(chǎn)品研制周期，企業(yè)需要借助數(shù)字化、信息化手段不斷增強對產(chǎn)品研制過程的管控能力，并提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。

對于航空制造企業(yè)而言，其產(chǎn)品研制生產(chǎn)過程由多領(lǐng)域人員協(xié)同工作完成，需要銜接產(chǎn)品的研發(fā)與生產(chǎn)過程，防止產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、項目計劃、生產(chǎn)制造等環(huán)節(jié)的脫節(jié)。因此，如何貫通產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)制造過程，實現(xiàn)設(shè)計到制造各環(huán)節(jié)之間的數(shù)據(jù)資源共享集成，成為航空制造企業(yè)急需解決的問題。

BOM作為各系統(tǒng)互聯(lián)的基礎(chǔ)信息，是企業(yè)最核心的軟實力所在。企業(yè)軟實力構(gòu)建的切入點，應(yīng)從BOM開始。國外的一些大公司和科研院所已在BOM方面進行了深入研究和應(yīng)用。

波音公司在飛機產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)過程中，采用EBOM和MBOM的文本形式來描述產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和裝配關(guān)系，在基于PDM的集成環(huán)境中，工藝人員通過CAPP系統(tǒng)將設(shè)計成的EBOM轉(zhuǎn)換成MBOM制造，PDM中生成的BOM數(shù)據(jù)文檔再傳遞給MRPⅡ系統(tǒng)，用于產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程的工藝規(guī)劃。同時，波音公司提出了飛機構(gòu)型控制與定義制造資源管理計劃，該計劃主要有以下四個主要關(guān)鍵技術(shù)：產(chǎn)品單一數(shù)據(jù)源、簡化配置管理、精簡業(yè)務(wù)流和精簡物料管理。在物料管理上，通過建立單一數(shù)據(jù)源，波音公司實現(xiàn)了BOM的統(tǒng)一管理，與此同時單一數(shù)據(jù)源具備支持按照不同需要提取不同BOM視圖的功能，從而達到并行工程，實現(xiàn)集成的目的。

面對制造成本急劇增多，生產(chǎn)周期不斷延長，維修成本提高的嚴重挑戰(zhàn)，洛克希德·馬丁公司通過統(tǒng)一管理設(shè)計BOM、制造BOM和維修BOM，從而實現(xiàn)項目降低成本、縮短周期、易于維修的目標，最終按要求完成了空軍型、海軍型、海軍陸戰(zhàn)隊型“一條生產(chǎn)線生產(chǎn)三種飛機”，其互換性達到80%，實現(xiàn)了設(shè)計周期縮短35%，節(jié)省了上億美元資金。

近年來，航天、船舶等國內(nèi)部分企業(yè)在BOM技術(shù)方面進行了一系列研究與應(yīng)用。隨著信息系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，企業(yè)的信息化水平得到了顯著提高，但是在信息化建設(shè)過程中仍存在很多問題。

BOM在各個信息系統(tǒng)集成度不高，信息孤島情況嚴重，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的應(yīng)用與集成、設(shè)計與制造的信息集成尚未形成，各信息系統(tǒng)之間相互獨立，數(shù)據(jù)存儲和處理的方式各不相同，無法進行數(shù)據(jù)的有效傳遞與交換，亟待形成標準共享的信息化管理機制。同時，現(xiàn)有工具軟件開放度和一體化程度不高，各階段數(shù)據(jù)的輸入和輸出仍然依靠人工手動完成，數(shù)據(jù)的一致性、準確性難以保證。此外，工程階段的變更管理不到位，難以實現(xiàn)高效的變更管理以及工程數(shù)據(jù)的同步，且很難跟蹤工程變更的真正起點，缺乏端到端的工程變更流程控制，尚未形成閉環(huán)的變更管理體系。

航空產(chǎn)品存在多型號、多品種、小批量、多批次、預(yù)研與批產(chǎn)并存的復(fù)雜情況，以及時間短、任務(wù)重、高質(zhì)量的新常態(tài)，這些問題勢必影響航空制造型企業(yè)的發(fā)展與變革。

企業(yè)研發(fā)逐步實現(xiàn)了型號產(chǎn)品的數(shù)字化三維設(shè)計，基于PDM系統(tǒng)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，工藝卻停留在傳統(tǒng)的CAPP二維環(huán)境下的工藝卡片設(shè)計、工藝圖繪制階段，產(chǎn)品三維數(shù)模和工藝二維卡片的數(shù)據(jù)異構(gòu)，PDM與CAPP的系統(tǒng)異構(gòu)，產(chǎn)生了設(shè)計與工藝的信息孤島與業(yè)務(wù)隔閡，導(dǎo)致了型號產(chǎn)品研發(fā)長期停留在產(chǎn)品設(shè)計、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、人工傳遞、工藝準備的串行、相互獨立的模式。工藝與生產(chǎn)制造分離，MES無法獲取正確MBOM信息，只能手動搭建MBOM結(jié)構(gòu)，增加了大量的工作量，同時準確性也無法保證……主要帶來的問題如下:

⑴設(shè)計與工藝分離：設(shè)計與工藝串行的工作模式，工藝只能被動等待設(shè)計輸入，無法在產(chǎn)品設(shè)計階段有效介入，提前進行產(chǎn)品工藝性審查、工藝方案前期策劃等工作，以達到縮短工藝準備周期的目的；同樣，設(shè)計問題也無法在方案設(shè)計或者工程設(shè)計階段提前暴露，導(dǎo)致大量設(shè)計問題往往在工藝制造后期才發(fā)現(xiàn)，增加了更改的成本。

⑵工藝與制造分離：工藝、制造環(huán)節(jié)不能有效利用設(shè)計環(huán)節(jié)產(chǎn)生的EBOM數(shù)據(jù)重構(gòu)生成MBOM，也難以基于設(shè)計產(chǎn)生的三維數(shù)模進行直觀的制造過程規(guī)劃工作，往往造成數(shù)據(jù)不一致，信息正確性的維護成本較高。

⑶設(shè)計、工藝、制造流程不閉環(huán)：理論上型號產(chǎn)品研發(fā)應(yīng)該是工作流程連續(xù)，信息實時交互的設(shè)計、工藝、制造有機融合，但實際上卻被一堵無形的高墻分割為設(shè)計、工藝制造獨立部分，導(dǎo)致了流程中斷、信息阻隔、環(huán)節(jié)脫節(jié)的設(shè)計、工藝、制造業(yè)務(wù)孤島，只能采用人工“拋磚過墻”這種高成本、低效率的信息傳遞方式，導(dǎo)致了設(shè)計與工藝，工藝與制造之間信息交互困難與滯后，進一步造成了業(yè)務(wù)間的隔閡，大量無效與重復(fù)工作產(chǎn)生。

⑷由于工藝編制仍采用基于二維卡片的傳統(tǒng)模式，缺乏與設(shè)計的關(guān)聯(lián)性及直觀的三維表現(xiàn)形式，影響了工藝設(shè)計效率、質(zhì)量，也降低了工藝的可操作、可指導(dǎo)性，導(dǎo)致下游生產(chǎn)環(huán)節(jié)應(yīng)用到的ERP、MES等系統(tǒng)需要的工序、工步、材料定額等信息仍要手工錄人，數(shù)據(jù)的準確性難以保證，也不能將制造過程規(guī)劃的結(jié)果數(shù)據(jù)方便有效地傳遞至這些系統(tǒng)。

解決問題的關(guān)鍵是建立完整的設(shè)計工藝制造一體化架構(gòu)，通過產(chǎn)品數(shù)字化價值鏈實現(xiàn)對產(chǎn)品實物價值鏈中物理對象的虛擬化，提升研發(fā)效率和降低制造成本。

在制造型企業(yè)中，企業(yè)是以 BOM 為主線組織新產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)的。BOM是計算機可以識別的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件，是產(chǎn)品數(shù)據(jù)在整個生命周期中傳遞的載體。BOM貫穿于產(chǎn)品概念設(shè)計、計算分析、詳細設(shè)計、工藝規(guī)劃、樣機試制、加工制造、銷售維護直至產(chǎn)品消亡。BOM管理是產(chǎn)品生命周期管理的重要組成部分，能夠體現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期內(nèi)物料清單視圖中的各類信息，使該類信息能夠被共享，為加強生命周期管控提供重要理論依據(jù)^[4] 。BOM主要用于描述組成產(chǎn)品的零部件之間關(guān)系的信息，可以直接體現(xiàn)出物料結(jié)構(gòu)的關(guān)系，貫穿于制造業(yè)產(chǎn)品生命周期的各個階段，是設(shè)計制造一體化產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的核心^[5-8] 。按照設(shè)計制造的不同階段，將BOM劃分為設(shè)計BOM、工藝BOM、制造BOM三種類型。

其定義如下：

⑴設(shè)計BOM：Engineering BOM，簡稱EBOM，設(shè)計部門用于管理產(chǎn)品設(shè)計過程的產(chǎn)品物料結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品設(shè)計人員首先根據(jù)客戶需求設(shè)計產(chǎn)品，在設(shè)計工作完成后，再從設(shè)計圖紙中提出相關(guān)數(shù)據(jù)。設(shè)計BOM中管理的數(shù)據(jù)包括產(chǎn)品名稱、結(jié)構(gòu)、零部件、版本、原材料等。

⑵工藝BOM：Processing BOM，簡稱PBOM，工藝部門用于管理零組件制造過程中的工藝文件。它是工藝人員在EBOM基礎(chǔ)上，結(jié)合企業(yè)工藝水平編制的。工藝BOM主要用于說明產(chǎn)品中零組件和最終產(chǎn)品的制造方法，同時規(guī)定了制造過程中使用的設(shè)備等工藝信息。

⑶制造BOM：Manufacture BOM，簡稱MBOM，制造部門用于管理實際生產(chǎn)中某種產(chǎn)品所需的零部件信息。主要根據(jù)設(shè)計BOM和工藝BOM信息，調(diào)整工藝信息。MBOM最終用于指導(dǎo)零部件的生產(chǎn)。

在航空制造業(yè)產(chǎn)品研制過程中，BOM 管理貫穿于產(chǎn)品全生命周期各階段，為企業(yè)重大決策提供充分的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。BOM 是研發(fā)成果的記錄，是公司計劃、采購、生產(chǎn)、商務(wù)、成本核算及技術(shù)管理的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，BOM 是否準確直接影響到各相關(guān)業(yè)務(wù)的運作，BOM 業(yè)務(wù)不容忽視，否則產(chǎn)品的物料計劃、采購工作無法進行，后期的生產(chǎn)加工、市場銷售訂單制作也會受影響，其在設(shè)計制造一體化過程中主要作用如下：

⑴BOM 在設(shè)計端的作用

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理：BOM從產(chǎn)品設(shè)計階段就開始發(fā)揮作用，幫助設(shè)計師和工程師跟蹤和管理產(chǎn)品組件。它確保所有必要的組件都被考慮在內(nèi)，并且它們的規(guī)格和版本都是正確的。

變更控制：當產(chǎn)品設(shè)計變更時，BOM可以幫助識別這些變化對其他組件或整個產(chǎn)品的影響。PDM系統(tǒng)中的BOM可以幫助管理變更請求，確保所有相關(guān)方都了解變更，并且變更得到適當?shù)呐鷾屎蛯嵤?/p>

文檔管理：PDM系統(tǒng)中的BOM通常與相關(guān)的產(chǎn)品文檔（如工程圖紙、技術(shù)規(guī)范和操作手冊）鏈接。這確保了所有相關(guān)人員都能夠訪問最新的產(chǎn)品信息和文檔。

產(chǎn)品配置：對于提供多種產(chǎn)品配置的制造商，BOM可以幫助管理不同配置之間的組件差異。PDM系統(tǒng)可以支持創(chuàng)建和管理這些配置變體。

成本估算：BOM提供了產(chǎn)品組件的詳細列表，有助于進行成本估算和預(yù)算規(guī)劃。通過PDM系統(tǒng)，企業(yè)可以更準確地預(yù)測產(chǎn)品成本，從而做出更明智的定價和利潤決策。

⑵BOM 在生產(chǎn)制造端的作用

生產(chǎn)規(guī)劃：在生產(chǎn)階段，BOM是制定生產(chǎn)計劃和調(diào)度的基礎(chǔ)。它確保生產(chǎn)部門知道需要哪些組件以及它們的數(shù)量，從而有效地安排生產(chǎn)活動和材料采購。

生產(chǎn)調(diào)度：MES系統(tǒng)使用BOM來確定生產(chǎn)特定產(chǎn)品所需的原材料、組件和資源。有助于制定有效的生產(chǎn)計劃和時間表。

生產(chǎn)指令：MES系統(tǒng)根據(jù)BOM生成詳細的生產(chǎn)指令和作業(yè)指導(dǎo)，指導(dǎo)工人在生產(chǎn)線上進行操作。有助于減少錯誤和提高生產(chǎn)效率。

物料追蹤：在生產(chǎn)過程中，MES系統(tǒng)利用BOM來追蹤每個組件和原材料的流向。確保了正確的物料被用于生產(chǎn)，并且可以實時監(jiān)控物料的使用情況。

實時監(jiān)控：BOM與MES系統(tǒng)的集成允許實時監(jiān)控生產(chǎn)進度和物料消耗。這有助于快速識別和解決生產(chǎn)過程中的問題。

性能分析：MES系統(tǒng)可以使用BOM數(shù)據(jù)來分析生產(chǎn)性能，如生產(chǎn)周期時間、物料利用率和工作效率，為企業(yè)提供了改進生產(chǎn)過程的寶貴信息。

資源優(yōu)化配置：通過分析BOM，MES系統(tǒng)可以幫助企業(yè)優(yōu)化資源分配，如機器、工具和人力，從而提高生產(chǎn)效率和降低成本。

供應(yīng)鏈管理：BOM為供應(yīng)鏈管理提供了重要信息，包括需要采購哪些原材料和外購組件，以及它們的數(shù)量和交付時間表。有助于優(yōu)化庫存水平和供應(yīng)鏈效率。

售后服務(wù)：在產(chǎn)品生命周期結(jié)束時，BOM對于提供維修服務(wù)和備件管理至關(guān)重要。它提供了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的詳細信息，有助于快速識別和替換故障組件。

以某航空企業(yè)為例，該企業(yè)選用PTC公司的Windchill系統(tǒng)為底座，打造設(shè)計工藝一體化協(xié)同平臺，基于該平臺，實現(xiàn)了基于BOM的數(shù)據(jù)組織和管理，統(tǒng)一了數(shù)據(jù)源頭；實現(xiàn)了EBOM-PBOM的無縫轉(zhuǎn)換，通過與MES集成，實現(xiàn)了PBOM到MBOM的重構(gòu)，實現(xiàn)了EBOM-PBOM-MBOM數(shù)據(jù)貫通；同時該系統(tǒng)基于CMII的閉環(huán)工程變更理論，引入了更改請求（ECR）、更改建議（ECP，類似于ECN）及更改指令（ECO）三個變更對象，實現(xiàn)了對所有工程更改的閉環(huán)管理，包括對跨專業(yè)、與工藝BOM、與在制品的處理措施等的閉環(huán)，同時包括從問題報告、變更請求、變更單到變更任務(wù)執(zhí)行的閉環(huán)。通過上述基于BOM的設(shè)計制造一體化研制模式應(yīng)用，企業(yè)實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通、系統(tǒng)的集成交互，實現(xiàn)了由紙質(zhì)藍圖的手工數(shù)據(jù)向電子結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的跨越，實現(xiàn)了設(shè)計制造由模塊化孤立串行向并行一體化轉(zhuǎn)變，完成了以數(shù)據(jù)驅(qū)動的跨部門、跨場景、跨業(yè)務(wù)的數(shù)字化管理模式的轉(zhuǎn)變。具體實踐及效果如下：

為了協(xié)調(diào)解決產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)貫通問題，該企業(yè)統(tǒng)一了設(shè)計工藝平臺，以BOM為主線組織相關(guān)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，銜接不同研制階段的業(yè)務(wù)流程，支撐不同層面的協(xié)同工作，規(guī)范統(tǒng)一基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立集設(shè)計、工藝、計劃、制造于一體的科研模式，實現(xiàn)各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳遞鏈路的打通，減少重復(fù)冗余工作，縮短產(chǎn)品設(shè)計制造周期，提高產(chǎn)品研制效率和企業(yè)生產(chǎn)能力。在產(chǎn)品研制過程中主要構(gòu)建了以下三種BOM類型，如圖1所示。

其構(gòu)建過程如下：

⑴EBOM構(gòu)建：在產(chǎn)品設(shè)計階段構(gòu)建EBOM，是產(chǎn)品設(shè)計的結(jié)果，是產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化表達。EBOM用于描述產(chǎn)品設(shè)計屬性與層次關(guān)系，明確產(chǎn)品及組件結(jié)構(gòu)關(guān)系，例如產(chǎn)品的節(jié)點屬性、三維模型、設(shè)計圖樣、數(shù)量等信息。EBOM是產(chǎn)品的數(shù)據(jù)源頭之一，企業(yè)的設(shè)計人員主要通過EBOM傳遞的方式，將信息及數(shù)據(jù)傳遞給工藝人員和生產(chǎn)人員。

⑵PBOM構(gòu)建：在產(chǎn)品工藝設(shè)計階段構(gòu)建PBOM，主要包含工藝頂層規(guī)劃、工藝路線、工序信息等內(nèi)容。企業(yè)在工藝環(huán)節(jié)無須憑空搭建PBOM，而是繼承EBOM數(shù)據(jù)屬性，基于EBOM根據(jù)工藝要求重新定義產(chǎn)品的裝配關(guān)系，增加工藝屬性例如承制單位、零組件類型等，并根據(jù)企業(yè)工藝裝備、人員技能以及其他制造資源的分布特點，制定產(chǎn)品各組成的工藝分工路線，最終形成完整的PBOM。PBOM為生產(chǎn)工藝任務(wù)分工與工藝文件編制奠定基礎(chǔ)，不斷提升企業(yè)工藝設(shè)計、生產(chǎn)制造等環(huán)節(jié)的質(zhì)量與效率。

⑶MBOM構(gòu)建：在產(chǎn)品生產(chǎn)制造階段構(gòu)建MBOM，依據(jù)生成的PBOM對工藝裝配步驟進行詳細設(shè)計后得到，主要描述裝配順序、工時定額以及相關(guān)的工裝、設(shè)備、刀具等信息，反映了零件、裝配件的裝配順序以及最終產(chǎn)品的制造方法。MBOM可以直觀地體現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝與配置結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，其作為制造工藝設(shè)計的結(jié)果，為制定物料需求計劃以及開展成本核算提供依據(jù)。

圖1 設(shè)計、工藝、計劃、制造一體化BOM構(gòu)建圖

各類BOM的傳遞從數(shù)學(xué)模型上來看，其實質(zhì)是對原有的父子層級關(guān)系進行建立和重新分配的結(jié)果，下游BOM的產(chǎn)生與變更與上游BOM的數(shù)據(jù)信息有關(guān)，是對上游BOM添加一定的領(lǐng)域?qū)傩孕畔⒍鴣淼摹?/strong>